甜高粱在不同氮肥管理策略下的产量与能源效率权衡：矿物肥与再生有机肥对比研究

《Industrial Crops and Products》：Yield and energy efficiency tradeoffs in sweet sorghum under different nitrogen management strategies: Mineral vs. recycled organic fertilization

　　

摘要专业翻译 甜高粱（Sorghum bicolor (L.) Moench）作为一种有前景的能源作物，其生物质产量和能源利用效率受氮（N）肥管理策略的显著影响。本研究在波兰东北部（2023–2025年）开展田间试验，评估了矿物氮肥（MF）与再生沼液（DG）两种氮源在0、40、80、120、160和200 kg N ha–1六个施氮水平下对甜高粱生物质产量、能源投入（E-IN）、能源产出（E-OUT）、能源增益（E-GAIN）和能源效率比（E-ER）的影响。研究结果表明，施用沼液在120 kg N ha–1时使生物质产量增加至该水平上限；而矿物施肥在160 kg N ha–1时使生物质产量和能源增益达到最大值。与矿物氮肥相比，沼液处理使总能源投入降低40–44%；矿物施肥使能源增益提高3–11%；沼液处理的能源效率比（E-ER）比矿物氮肥处理高29–34%。研究结论指出，沼液作为一种本地可再生的营养源，能够在保持较高生物质产量的同时显著降低生产系统的能源投入并提高能源效率，符合循环经济原则；而矿物氮肥在最大化单位面积能源产出方面仍具优势。因此，氮肥管理策略的选择应基于具体的生产目标——追求最高能源产出时优先选择矿物氮肥，而追求最高能源效率时则优先选择沼液。

论文解读

一、研究背景与问题

全球向低碳能源体系转型的背景下，农业生物质作为可再生能源的重要性日益凸显。随着能源需求增长、温室气体减排压力加大以及化石燃料逐步替代，农业在可持续能源生产战略中的地位不断强化。在此背景下，能够在有限环境资源条件下保持高且稳定生物质产量的作物物种受到越来越多的关注。甜高粱凭借其茎秆中积累高浓度可溶性糖、生物质产量高、耐旱性强以及在多样化环境条件下维持生产力的能力，成为最具前景的能源作物之一，尤其适用于沼气生产、生物乙醇发酵和热转化等生物能源路径。

然而，甜高粱的生物质产量受品种特性、环境条件和农艺管理措施的交互影响，变异范围较大。已有研究报道其干物质产量（DMY）介于9至20 Mg ha^–1，在优化条件下可达23至36 Mg ha^–1，极端高产情形下甚至可达42至60 Mg ha^–1。氮（N）肥在维持高生物质产量中发挥关键作用，但矿物肥料（MF）的集约使用不仅推高生产成本，还带来显著的环境负担：其生产需要大量能源投入，并伴随CO?和N?O等温室气体排放；长期过量施用还会恶化土壤物理和生物性质、加速土壤有机碳矿化、促进土壤酸化、增加硝酸盐淋溶和地表水富营养化风险。

在此背景下，有机肥料及矿物—有机整合施肥体系受到越来越多的关注。其中，厌氧消化过程中产生的沼液（DG）作为循环生物经济体系的重要组成部分，富含大量和微量营养元素及有机质，能够改善土壤肥力、提高作物生产力，同时减少对合成肥料的依赖和养分损失。尽管已有研究报道沼液对甜高粱生物质生产具有积极效果，但肥料来源与施氮量对甜高粱生产力及栽培能源性能的联合效应仍缺乏系统研究，尤其是在中欧和东欧地区。已有研究往往仅关注作物生产力或个别能源指标，对生物质产量、能量平衡和生产效率之间的关联及权衡关系认识不足。因此，本研究旨在系统评估氮肥来源和施氮量对甜高粱生物质产量、能源投入（E-IN）、能源产出（E-OUT）和整体能量平衡的影响，并探讨沼液作为本地再生营养源减少矿物肥依赖、降低生产能源投入和提升能源效率的潜力。

二、研究内容与主要结论

研究人员在波兰东北部巴尔奇内农业试验站（AES Ba?cyny，53°35′46.4″ N, 19°51′19.5″ E）于2023–2025年连续三个生长季开展田间试验。试验以氮肥策略为单一试验因素，设置六个施氮水平（0、40、80、120、160和200 kg N ha^–1），分别以矿物氮肥（硝酸铵，含氮34%）和再生液态沼液（含氮0.48–0.49%）施用，采用随机完全区组设计（RCBD），三次重复。沼液购自波兰东北部EKODAMIR有限公司，pH为7.8–8.2，含干物质45–47 g kg^–1，总氮4.8–4.9 g kg^–1鲜重，重金属浓度远低于监管阈值。试验土壤为源自漂砾黏土的Haplic Luvisol，前茬作物为冬小麦。甜高粱品种为Freya，于5月底播种，行距60 cm，目标密度约25粒存活种子m^–2，在乳熟—蜡熟期收获地上部生物质。

研究得出以下主要结论：沼液施肥在120 kg N ha^–1时使生物质产量增加至该施氮水平的上限；矿物施肥在160 kg N ha^–1时使生物质产量和能源增益（E-GAIN）达到最大值；与矿物氮肥相比，沼液使总能源投入（E-IN）降低40–44%；矿物施肥使能源增益提高3–11%；沼液处理的能源效率比（E-ER）比矿物氮肥处理高29–34%。

三、主要技术方法

本研究采用了以下关键技术方法：田间试验采用随机完全区组设计（RCBD）评估不同氮肥策略；能源投入分析基于田间实测数据（柴油消耗采用满箱法测定）结合标准能量转换系数，涵盖柴油、机械、材料和劳动力等全部投入；生物质干物质含量（DM）通过105°C恒温烘干至恒重测定，干物质产量（DMY）由鲜物质产量（FMY）与干物质含量计算得出；生物质高位热值（HHV）采用氧弹量热仪（IKA C 2000）以绝热燃烧方式测定，低位热值（LHV）由高位热值按水分含量修正公式换算；能源产出（E-OUT）由低位热值与鲜物质产量乘积计算；能源增益（E-GAIN）和能源效率比（E-ER）分别按产出与投入之差及比值计算。样本来源于波兰东北部巴尔奇内农业试验站20公顷商品规模生产田块。

四、研究结果

沼液对生物质产量的影响： 沼液施肥在120 kg N ha^–1时使甜高粱生物质产量增加至该施氮水平的上限，表明沼液作为有机肥源在中等施氮水平下即可有效支撑较高的生物质产量。

矿物施肥对生物质产量和能源增益的影响： 矿物施肥在160 kg N ha^–1时使生物质产量和能源增益（E-GAIN）达到最大值，表明矿物氮肥在较高施氮水平下仍能持续提升产量和能源产出。

沼液对能源投入的降低作用： 与矿物氮肥相比，沼液处理使总能源投入（E-IN）降低40–44%，主要归因于沼液作为再生有机肥避免了矿物氮肥生产所需的高能耗过程，同时其运输距离（54 km）虽增加了部分运输能耗，但总体上仍显著降低了系统能源投入。

矿物施肥对能源增益的提升作用： 矿物施肥使能源增益（E-GAIN）比沼液处理提高3–11%，这主要源于矿物氮肥在较高施氮水平下带来的更高生物质产量和能源产出。

沼液对能源效率比的提升作用： 沼液处理的能源效率比（E-ER）比矿物氮肥处理高29–34%，表明尽管沼液处理的绝对能源产出略低，但其能源投入的显著降低使其在能源转换效率方面具有明显优势。

五、讨论与结论

讨论部分指出，氮肥来源和施氮量对甜高粱生物质产量和能源性能的影响存在显著交互作用。沼液作为本地可再生的营养源，能够在保持较高生物质产量的同时显著降低生产系统的能源投入并提高能源效率，符合循环经济原则，有助于将农业生产与区域生物能源系统相整合。然而，在追求最大化单位面积能源产出的生产目标下，矿物氮肥在160 kg N ha^–1时仍具有优势，其能源增益比沼液处理高3–11%。研究结论明确指出：氮肥管理策略的选择应基于具体的生产目标——追求最高能源产出时优先选择矿物氮肥，而追求最高能源效率时则优先选择沼液。这一发现为不同生产目标下的甜高粱氮肥管理提供了科学依据，也验证了沼液作为矿物肥替代品在降低能源投入、提升能源效率方面的可行性，为循环经济原则在农业生产中的实践提供了实证支持。