摩洛哥可持续藜麦生产：平衡生产力与环境性能

《Frontiers in Sustainable Food Systems》：Sustainable quinoa production in Morocco: balancing productivity and environmental performance

　　

藜麦产量的提升依赖于优化养分和水分管理，这对摩洛哥的小农户至关重要。然而，亟需制定在粮食生产与可持续目标之间最大限度减少权衡效应的策略。研究人员针对两种藜麦生产情景，评估了提高有机和无机氮（N）输入对产量及七项环境影响类别的影响，包括全球增温潜势（GWP）、人类致癌毒性、淡水生态毒性、海洋生态毒性、陆地生态毒性、淡水富营养化和化石资源稀缺性。第一种情景采用无机氮肥配合亏缺灌溉，第二种情景采用有机改良剂（粪肥和堆肥）配合充分灌溉。在两种情景中，GWP的主要贡献来源均为施肥、灌溉、机械使用和有机改良剂运输（分别占9%–75%、15%–64%、5%–29%和0%–18%）。在无机施肥条件下，施氮量为40 kg N ha^?1时藜麦产量较对照增加30%，但更高施氮量未进一步提高产量。即使在这一适度施氮水平下，GWP仍从0.99增至1.68 kg CO₂ eq kg^?1，增幅达69%，其他环境影响类别相应增加63%–251%。在有机改良剂条件下，施用10 t ha^?1堆肥和20 t ha^?1粪肥均实现了最高藜麦产量（分别为1,891和1,852 kg ha^?1），同时GWP最低（分别为1.34和1.42 kg CO₂ eq kg^?1），其他环境影响类别降低49%–55%。该研究首次对有机和无机氮管理策略进行了综合评估，以期在最大程度降低环境影响的同时提高摩洛哥藜麦产量。

藜麦（*Chenopodium quinoa* Willd.）作为一种低投入、高营养价值的替代粮食作物，具有适应气候变化和极端天气的潜力，近年来已从仅6个国家种植扩展到全球120多个国家，2024年全球总产量超过16.5万吨。然而，藜麦平均籽粒产量低于小麦和大麦等谷类作物，因此各国正通过施肥等农艺措施推动藜麦生产集约化。已有研究在希腊、智利和埃及分别评估了高达200、225和360 kg ha^?1的施氮量，但集约化通常意味着对外部投入品、能源和水资源依赖度的增加，进而放大生产系统的环境负担。全球农业部门贡献了约14%的人为温室气体（GHG）排放，其中施肥和灌溉是主要排放来源。如何在提高产量的同时兼顾环境可持续性，尤其是在水资源受限的摩洛哥小农体系中，是亟待解决的核心问题。目前，针对藜麦的生命周期评价（LCA）研究极为有限，仅有的少数研究也是基于特定区域的常规农户实践，缺乏对不同养分管理策略影响环境的系统评估。为此，研究人员在摩洛哥本格里尔的穆罕默德六世理工大学试验农场开展了多年田间试验，系统评价了无机氮肥和有机改良剂两种生产情景下氮输入对产量及多项环境影响类别的影响。研究采用LCA方法，基于“从摇篮到农场大门”的系统边界，功能单元为每公顷（ha^?1）和每千克（kg^?1），结合IPCC 2019 Tier 1方法估算直接和间接土壤N₂O排放以及燃料燃烧产生的CO₂、N₂O和CH₄排放。环境影响建模采用SimaPro 9.5软件和ReCiPe 2016中点（H）方法，评估GWP、人类致癌毒性（HCT）、淡水富营养化（FE）、陆地生态毒性（TEc）、淡水生态毒性（FEc）、海洋生态毒性（MEc）和化石资源稀缺性（FRS）七项指标。田间试验采用随机完全区组设计（RCBD），三种重复，供试品种为ICBA-Q5。第一种情景（S1）在2020–2021和2021–2022两个种植季施用无机氮肥（0、40、80和120 kg N ha^?1）并配合亏缺灌溉，灌溉量为1,290 m³ ha^?1；第二种情景（S2）在2019–2020、2020–2021和2021–2022三个种植季施用不同比例牛粪（10、20和40 t ha^?1）和堆肥（5、10和20 t ha^?1）并配合充分灌溉，灌溉量为3,257 m³ ha^?1。投入品生产和运输的次级数据取自Ecoinvent 3.9数据库，统计方法使用单因素方差分析（ANOVA）和Student–Newman–Keuls检验（P ≤ 0.05）。

**3.1 全球增温潜势**

S1中，单位面积GWP从对照的691 kg CO₂ eq ha^?1升至最高施氮量下的2,589 kg CO₂ eq ha^?1。超过40 kg N ha^?1后，产量不再显著增加，但GWP持续上升。40 kg N ha^?1处理的单位面积GWP较对照增加120%，单位产量GWP增加69%。S2中，GWP范围从对照的1,481 kg CO₂ eq ha^?1到20 t ha^?1堆肥的3,868 kg CO₂ eq ha^?1。由于有机改良剂显著提高了产量，10 t ha^?1堆肥和20 t ha^?1粪肥的单位产量GWP较对照分别降低28%和18%。在两种情景中，施肥和滴灌是GWP的最大贡献源。S1中无机肥生产占施肥类别GWP的63%以上；S2中有机改良剂生产仅占3%，主要排放来自土壤直接和间接N₂O排放及氮挥发、淋溶和径流途径，运输占4%–18%。

**3.2 其他环境影响类别**

S1中，HCT、FEc、FE和FRS随施氮量增加而上升。在最优施氮量（40 kg N ha^?1）下，上述指标较对照分别增加65%、91%、149%和102%。S2中，所有环境影响类别在对照处理中最高。10 t ha^?1堆肥使HCT、FEc、FE和FRS分别下降53%、55%、57%和51%；20 t ha^?1粪肥分别下降49%、53%、55%和46%。S1中无机施肥和灌溉是主要贡献源，分别占各类别总影响的53%–77%和16%–90%；S2中灌溉、有机改良剂运输和机械使用为主要贡献源，分别占55%–96%、0%–33%和3%–17%。

讨论部分指出，无机和有机氮源均增加了单位面积GWP，但机制不同：无机肥的高排放主要来自肥料生产的隐含能，有机改良剂则因运输能耗和更高的田间N₂O排放而抵消了其生产环节较低排放的优势。灌溉在两种情景中均为第二大贡献源，摩洛哥电力结构以煤为主（62%），因此推广光伏水泵是重要的减排机会。与文献比较，藜麦GWP高于小麦（0.31 kg CO₂ eq kg^?1）和大麦（0.26 kg CO₂ eq kg^?1），但低于水稻（3.27 kg CO₂ eq kg^?1）。研究存在若干局限，包括Ecoinvent数据库不能完全反映当地条件、系统边界止于农场大门、Tier 1方法低估了土壤异质性，以及未包含经济和社会维度。

本研究首次对摩洛哥不同藜麦生产系统中能同时提高产量和环境可持续性的氮输入水平进行了评估。在亏缺灌溉条件下，追加无机氮的增产效应极为有限，却显著增加了温室气体排放和其他环境负担，表明限水条件下低施氮量即可满足需求。相比之下，充分灌溉条件下施用有机改良剂不仅提高了籽粒产量，还降低了单位产量的环境负担。在两种系统中，施肥、灌溉、机械使用和运输是环境足迹的最大贡献源，是减缓策略的关键节点。当计入肥料运输环节后，有机与无机氮源对GWP的总体贡献相当，因为有机改良剂生产环节的减排优势被更高的田间N₂O排放和运输能耗所抵消。上述发现表明，优化各系统内部氮素利用、以可再生能源替代化石燃料用于灌溉和施肥，以及采取减少机械排放的管理措施至关重要。这些结果可为提高投入品利用效率、降低环境影响提供依据，也为政策制定者设计促进可持续藜麦生产的目标策略和激励机制提供参考，并更广泛地为平衡粮食生产与环境可持续性提供了分析框架。然而，这些实践能否应用于小农体系还取决于经济性和实际因素，包括改良剂可获得性和运输成本，这些问题有待进一步研究验证。