《Renewable Agriculture and Food Systems》：Boosting soil health and profitability with cereal rye in Midwest crop-livestock systems under future warming
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在不断变化的天气模式下，维持美国中西部农业生产力与土壤健康是一项关键挑战。研究人员使用先前依据2002—2022年爱荷华州数据校准并验证的系统动力学（system-dynamics, SD）模型，首次开展了百年尺度（2023—2122）评估，在中等和高温度轨迹
在不断变化的天气模式下，维持美国中西部农业生产力与土壤健康是一项关键挑战。研究人员使用先前依据2002—2022年爱荷华州数据校准并验证的系统动力学（system-dynamics, SD）模型，首次开展了百年尺度（2023—2122）评估，在中等和高温度轨迹（即代表性浓度路径（Representative Concentration Pathways, RCP）4.5与8.5）下，对四种农业生产系统进行了分析：常规玉米—大豆种植（分别有/无黑麦覆盖作物，CwCC/CwoCC），以及综合作物—牲畜系统（分别有/无放牧黑麦覆盖作物，ICLSwCC/ICLSwoCC）。在高温度情景下，仅种植系统与ICLSwoCC的农场财富在60—70年后达到峰值，随后停滞或下降，同时环境质量持续恶化；相比之下，ICLSwCC在整个100年间维持了强劲的财富积累和最高的环境评分，其驱动力来自温度刺激的黑麦生物量，支撑了更大的牛群规模（约820万牛-犊对，而当前约92.5万）并增强了粪肥养分循环。在中等情景下系统排名保持一致，但绝对差异较小。两种ICLS变体均存在劳动—休闲权衡。这些探索性情景表明，在温度显著升高的情况下，只有ICLSwCC能够同时维持长期盈利与土壤健康，因此是所考察的美国玉米带最有韧性的策略。
全球农业面临满足增长的食物需求与保护自然资源质量的双重压力。传统集约化措施（如合成肥料、农药、机械化）虽提高产量，但常损害土壤质量，并引发对长期环境可持续性和经济可行性的担忧。可持续集约化理念应运而生，旨在减少生态损害和外部投入依赖的同时增加生产。综合作物-牲畜系统（Integrated crop-livestock systems, ICLS）通过作物与牲畜的互补关系形成养分和生物量闭环：牲畜消耗饲草和作物残余，将其转化为动物产品，并通过粪尿归还养分，从而维持土壤肥力。在美国中西部，特别是爱荷华州，已有农场尺度的ICLS实践，如将黑麦覆盖作物（cereal rye）纳入玉米-大豆轮作供牲畜放牧。然而，未来温度上升将通过影响作物产量、牲畜生产、土壤有机碳分解、经济回报和劳动需求等途径，对ICLS的长期可持续性产生复杂影响，而现有研究缺乏系统性的长期评估。因此，研究人员利用系统动力学模型，在两种未来温度轨迹下对四种生产系统进行了百年尺度模拟。
研究人员使用先前依据2002—2022年爱荷华州数据校准和验证的系统动力学（system-dynamics, SD）模型，首次评估了2023—2122年四种生产系统在代表性浓度路径（Representative Concentration Pathways, RCP）4.5和8.5下的表现：常规玉米—大豆种植（有/无黑麦覆盖作物，CwCC/CwoCC）和综合作物—牲畜系统（有/无放牧黑麦覆盖作物，ICLSwCC/ICLSwoCC）。结果表明，只有ICLSwCC能在温度显著升高下同时维持长期盈利和土壤健康，因为温度升高促进黑麦生物量增加，支撑更大牛群（约820万牛-犊对，而当前约92.5万）并增强粪肥养分循环。这一发现为美国玉米带应对气候变暖提供了最有韧性的生产策略。
研究方法上，研究人员在Vensim DSS平台上构建了包含五个子模型（现金作物生产、牲畜生产、环境质量、经济、社会质量）的SD模型。模型以爱荷华州为单一空间单元，使用1992—2017年长期土地利用数据（玉米与大豆面积比57.5:42.5）、NASS USDA产量数据及Iowa Beef肉牛存栏数据（初始牛群规模92.5万头）。温度效应通过既有响应函数耦合，如玉米产量每升温1°C约下降8.3%，黑麦地上生物量每升温1°C约增加27.9%。模型统一采用免耕管理，牲畜饮水系统与遮荫成本计入经济模型。模型经过三步评估：校准（2002—2012）、验证（2013—2022）和敏感性测试（ICLSwCC，2023—2122）。综合可持续性（Integrated sustainability, IS）采用排名法构建环境、经济和社会可持续性指数（EnSI、EcSI、SSI）并平均为IS。
研究结果如下。
在基线（天气不变）条件下，ICLSwCC的环境质量（Environmental quality）最高，因为覆盖作物增加土壤有机碳（SOC）并减少侵蚀，同时牲畜粪便降低了合成肥料依赖；ICLSwoCC因玉米生物量被啃食导致土壤调理指数（SCI）和SOC下降，环境质量与CwoCC持平。经济回报（Economic return）方面，ICLSwCC最高，主要来自牲畜生产，牛群规模可由当前92.5万增至610万（ICLSwoCC）或更高（ICLSwCC）。社会质量（Social quality）方面，CwoCC最高，休闲时间最多；ICLSwCC最低，因为牲畜全年管理增加了劳动投入。综合可持续性上，ICLSwCC得分最高。
在长期变暖情景（RCP 4.5和RCP 8.5）下，系统排名与基线基本一致。环境质量方面，CwoCC和ICLSwoCC随温度上升稳定下降，CwCC略降，而ICLSwCC保持稳定，因为温度增加促进黑麦生物量积累，提供更多有机物输入。经济回报方面，ICLSwCC表现最优；在RCP 8.5下，种植系统约2084年后财富停滞或下降，而ICLSwCC持续增长，依靠牲畜收入抵消玉米减产损失。社会质量方面，各系统对天气最不敏感，变化很小，但ICLSwCC仍最低，因牛群扩大进一步压缩休闲时间。综合可持续性方面，ICLSwCC在两种情景下IS评分均最高（0.75），是最可持续的系统。
讨论指出，将覆盖作物作为饲料源可抵消其种植和处理成本，并通过扩大饲草面积和牛群规模产生额外收入。研究建议提高氮利用效率、增强土壤健康、改善经济韧性、解决劳动力约束、进行田间验证和扩展建模。
结论翻译：这项研究表明，包含覆盖作物的综合作物-牲畜系统比爱荷华州传统玉米-大豆轮作提供更强的长期环境和经济韧性。研究人员使用SD建模框架，评估了混合农业系统在当前和预测变暖情景下均优于仅种植系统的假设。在所有天气条件下，ICLSwCC系统始终产生最高的EQ和经济回报，展示了在未来天气压力下维持土壤健康和盈利能力的强大潜力。尽管有这些优势，带覆盖作物的ICLS显示出明显的劳动-休闲权衡。该系统SQ得分最低，主要由于与牲畜管理相关的全年劳动需求增加。这些发现突出了生产者从大田作物农业转向混合农业的重要考虑。分析还强调了扩大ICLS采用的实际和后勤挑战。虽然一些爱荷华州生产者已将牲畜整合到大田作物系统中，但更广泛的采用需要基础设施、管理和劳动分配的重大改变。SD建模有助于应对这些复杂性，综合评估农艺、环境和社会经济相互作用。最后，本研究展示了SD建模在探索难以实证评估的变革性农业系统方面的价值。混合农业引入非线性和反馈，使得SD模型在检查变暖等压力源下长期系统行为时特别有用。
