坡耕地上以多年生纤维素型生物能源作物替代玉米：对水质与经济效益的影响

《Earth's Future》：Replacement of Corn by Perennial Cellulosic Bioenergy Crops on Sloping Farmland: Implications for Water Quality and Economic Benefits

　　

多年生纤维素型生物能源作物具有在提供生物燃料生产所需生物质的同时控制农业养分流失的潜力。本研究采用严格校准的土壤与水评价工具（SWAT）模型，评估在上密西西比河流域（UMRB）这一以集约化农业生产为特征的典型黑土（Mollisol）区域内，于三类坡度（<2%、2%–4%和>4%）条件下，以巨型芒草（Miscanthus × giganteus）和阿拉莫柳枝稷（Alamo switchgrass，Panicum virgatum L.）替代常规玉米（Zea mays L.）对氮（N）和磷（P）流失的影响。模型结果表明，在1984–2018年期间，以两种生物能源作物替代玉米能够有效降低N和P流失。有机磷流失、溶解性无机磷流失以及经地表径流输出的硝态氮（NO₃-N）流失平均降幅均超过93%，且坡度越高，降幅越显著。NO₃-N淋失在大多数分区中也有所降低。值得注意的是，以芒草和柳枝稷替代玉米可分别获得3,000–6,000 US$/ha的生物燃料生产经济收益，以及约2,700 US$/ha的污染控制成本节约所对应的环境收益。基于环境效益与经济效益的权衡分析，研究确定：芒草适宜在流域西部和下游分区进行单次或双次收获种植，柳枝稷适宜在东北部分区进行单次收获种植，由此可实现242亿美元的总可达经济效益。这些发现强调，在养分流失风险高且生产力较低的坡耕地上，以多年生生物能源作物替代玉米，能够实现环境保护与农业可持续性的双赢。

该论文发表于《Earth's Future》，聚焦上密西西比河流域坡耕地农业面源污染与土地利用优化这一交叉性议题。研究背景在于，农业生产中长期高强度施肥及养分管理不合理，导致土壤中氮、磷残留与累积，并经地表径流、土壤侵蚀和淋洗进入河流、湖泊及地下水，进而引发水体富营养化和地下水质量退化。对于美国中西部这一典型黑土（Mollisol，富有机质土壤）农业区而言，集约化耕作使氮、磷输出问题尤为突出。上密西西比河流域虽然仅占密西西比河流域总面积的一部分，却向下游输出了极高比例的氮磷负荷，是墨西哥湾低氧区形成的重要来源之一。既有治理措施如精准施肥、免耕、缓冲带、覆盖作物和人工湿地虽可在一定程度上减排，但在坡耕地这类地形复杂、径流快、侵蚀强的区域，控制效果常受限制，而且不少工程性措施成本较高、缺乏直接经济回报。因此，如何在坡耕地上同时实现污染削减与经济增益，成为具有现实紧迫性的研究问题。

在这一背景下，研究人员提出以多年生纤维素型生物能源作物替代连续种植玉米的方案，重点考察巨型芒草和阿拉莫柳枝稷两种作物。两者既具备较强环境适应性、较高地表覆盖度与较低土壤扰动特征，又能提供纤维素乙醇（cellulosic ethanol）原料，因而被认为有望兼顾水质保护与生物燃料收益。论文的核心目标包括三方面：其一，评估在不同水文分区和不同坡度条件下，以芒草和柳枝稷替代玉米对不同形态氮、磷流失的影响；其二，量化替代情景下生物燃料生产的经济收益与污染控制成本节约带来的环境收益；其三，在环境效益与经济效益权衡基础上，确定各水文分区和各坡度条件下更适宜的生物能源作物配置。研究最终表明，在高养分流失风险、低生产力的坡耕地上进行这种替代，不仅显著降低多路径氮磷输出，也能形成可观的区域经济收益，从而为黑土农业区的可持续转型提供量化依据。

研究使用的主要技术方法可以概括为以下几个方面。首先，研究基于上密西西比河流域构建并严格校准土壤与水评价工具（SWAT）分布式水文模型，将流域划分为131个子流域和9,778个水文响应单元（HRU），并合并为14个水文分区。其次，利用作物产量、蒸散发、径流、输沙及氮磷监测数据，对模型进行率定与验证，并采用PBIAS、R²和NSE评价模拟性能。再次，设置玉米、芒草和柳枝稷三类土地利用情景，模拟1984–2018年不同坡度连续玉米地块在替代后的有机氮、有机磷、径流硝态氮、淋失硝态氮和溶解性无机磷变化。最后，结合乙醇市场价值、施肥成本、污染控制单位成本和作物产量，构建环境—经济权衡分析框架，并借助Python程序实现大尺度情景替换、结果提取和适宜种植区判定。

**3 Results and Discussion**

**3.1 Evaluation of Changes in N Losses by Replacing Corn With Bioenergy Crops at Different Slopes of the UMRB**

该部分首先揭示了在现有连续玉米利用方式下，不同氮流失路径的主导格局。研究显示，在上密西西比河流域，NO₃-N淋失风险最高，其次为有机氮（ORGN）流失，而经地表径流损失的NO₃-N相对较低。不同坡度的差异十分明显：ORGN流失随坡度增大而上升，在>4%坡地接近10 kg/ha，约为<2%坡地的1.7倍；NO₃-N淋失则呈相反趋势，在<2%坡地可高达42 kg/ha，约为>4%坡地的2.2倍。这说明平缓区域更易发生垂向入渗导致的地下水硝态氮淋失，而坡度较高区域则更容易通过地表径流和泥沙输移造成氮输出。

在替代情景下，研究表明，无论是芒草还是柳枝稷，均能在所有坡度上极显著降低径流NO₃-N流失；在较高坡度（>4%）上，对ORGN流失的削减也达到极显著水平；NO₃-N淋失在各坡度上也有不同程度降低。分区结果进一步表明，上游A、B区及下游M、N区的ORGN流失下降最为明显，而所有分区、所有坡度的径流NO₃-N流失均下降90%以上。对于NO₃-N淋失，上游A、B区和下游L–N区在两种作物替代下均显著下降，平均降幅为62.7%。但研究也指出，在部分中游分区，芒草替代玉米后NO₃-N淋失反而增加。论文将其归因于芒草生长季氮吸收与收获带走量相对较低、收获系数较小，以及部分区域双次收获后追加施肥导致土壤残余氮累积，从而增强淋失风险。这一结果说明，多年生作物总体有利于氮控制，但不同作物特性和管理制度会影响具体路径的减排效果。

**3.2 Assessment of Changes in P Losses by Replacing Corn With Bioenergy Crops at Different Slopes of the UMRB**

该部分结果显示，与玉米相比，芒草和柳枝稷在流域不同坡度上均能显著降低有机磷（ORGP）和溶解性无机磷（DIP）流失。现有玉米种植情景下，磷流失风险随坡度升高而增强，尤其在>4%坡地，平均总量超过6 kg/ha。这表明一年生玉米在坡地地表覆盖不足、土壤扰动较强，更易引发水土流失，进而带动ORGP和DIP迁移。替代为两种多年生作物后，P流失在所有坡度上均显著下降，其中ORGP降幅超过98%，显示出极强的侵蚀控制与颗粒态磷拦截效应。

从各分区变化看，在部分上游和中游分区，<2%坡度上的ORGP差异并不显著，但随着坡度增加到2%–4%和>4%，减排效果迅速增强，并在高坡地达到极显著水平。对于下游K、M、N等原本磷流失较高的分区，两种生物能源作物在所有坡度上均显著降低磷输出。DIP流失的降低在大多数分区各坡度条件下也具有统计显著性，且坡度越高，显著性越强。论文据此指出，多年生芒草和柳枝稷尤其适用于坡度>2%的坡耕地，其较高地表覆盖度和较低土壤扰动可有效减轻径流侵蚀过程，从源头抑制磷迁移。

**3.3 Determining the Attainable Economic Benefits of Replacing Corn With Bioenergy Crops at Different Slopes and With the Appropriate Placement of Bioenergy Crops in the UMRB**

该部分将污染控制效益与生物燃料收益纳入统一框架，评估替代种植的综合可达经济效益（AEcB）。研究显示，1984–2018年间玉米生产经济收益约为850 US$/ha，而芒草和柳枝稷由于生物质产量更高、可转化为乙醇的市场价值更大，其生物燃料经济收益分别可达约6,000 US$/ha和3,000 US$/ha。此外，两种作物通过减少氮磷流失节约污染控制成本，均可产生约2,700 US$/ha的环境收益。为避免不利环境后果，研究排除了会增加NO₃-N淋失的生物能源作物情景，并在最大化综合收益的目标下确定各区各坡度的最优配置。

空间上，芒草的适宜区主要分布在流域西部和下游，柳枝稷的适宜区主要位于东北部。单位面积可达经济效益表现出由东向西、由北向南递增的格局，这与芒草更高的生物质产量及下游区双次收获制度所带来的更高收益密切相关。同时，下游高污染负荷区因氮磷削减幅度大，也获得更明显的环境收益。研究还发现，单位面积可达经济效益随坡度增大而提高，>4%坡地的收益约为<2%坡地的1.5倍，平均高达7,689 US$/ha，说明高风险坡耕地上的替代种植兼具更高减排价值与更强经济回报。

在最优配置下，芒草与柳枝稷的组合种植可为整个上密西西比河流域带来242亿美元总可达经济效益，并使ORGP、DIP、ORGN、径流NO₃-N和NO₃-N淋失分别下降98.7%、90.3%、45.0%、95.0%和41.9%。分坡度看，<2%坡地可实现71亿美元可达经济效益；2%–4%坡地可实现112亿美元，为各坡度中最高，原因在于这一坡度带面积较大且氮磷减排显著；>4%坡地虽面积较小，但仍可实现59亿美元收益。研究据此建议，尽管低坡地替代也可带来收益，但应优先在养分流失风险高、生产力较低的坡耕地实施替代，以在减少对主粮生产与饲料供给影响的同时，兼顾环境与经济多重目标。

**3.4 Limitations and Future Work**

该部分对研究边界进行了审慎说明。首先，经济收益基于历史平均市场价格估算，因此反映的是相对稳定条件下的潜在效益，大规模推广时可能受到市场供需、供应链成本和技术进步等因素影响。其次，尽管SWAT模型经过多地点、多变量系统率定，能够较好表征流域尺度的水文与养分循环过程，但在更精细尺度上，对平坦低洼农田的暗管排水（tile drainage）以及污水处理设施点源污染等局地因素的刻画仍有限。这些因素对坡地长期养分流失控制的影响相对较弱，但可能增加<2%坡地短期结果的不确定性。未来工作将进一步确定基于主要风险的坡耕地替代比例，并结合更精细的经济模型及暗管排水、点源污染数据，提升对水质治理效果和推广可行性的评估精度。

综合讨论表明，本研究的贡献在于将坡度差异、水文分区、作物类型、收获制度、污染控制和经济收益纳入统一分析框架，证明多年生纤维素型生物能源作物并非单纯的替代性能源作物，而是能够作为坡耕地农业面源污染治理与土地利用转型的重要载体。研究结果强调，坡耕地尤其是高坡度、低生产力地块，在多年生覆盖下可显著降低侵蚀和径流带来的氮磷输出，同时通过生物燃料产业链实现额外价值回收，因此具备“减污—增效”双重优势。与此同时，研究也未忽视作物间差异，例如芒草在部分中游区因双次收获和施肥补给带来的淋失风险，提示生物能源作物的推广必须与区域化管理策略相结合，而不能简单统一替代。正因如此，论文提出的“按分区、按坡度、按作物特性优化配置”具有较强应用意义。

研究结论部分可译为：本研究利用经过良好率定的土壤与水评价工具（SWAT）模型，考察了在宏观尺度上密西西比河上游流域（UMRB）14个分区、三类坡度条件下，以两种多年生生物能源作物——芒草（Miscanthus）和柳枝稷（switchgrass）替代玉米后氮（N）和磷（P）流失的变化，以及相应的环境与经济效益。结果表明，以两种生物能源作物替代玉米后，由地表径流和土壤侵蚀造成的N、P流失显著下降，其中有机磷流失、溶解性无机磷流失和径流NO₃-N流失分别减少98%、93%和94%，且坡度越高，显著性越强。大多数分区的NO₃-N淋失也明显降低，但在部分中游分区，以芒草替代玉米会导致NO₃-N淋失增加，这与双次收获管理下的补充施肥及芒草自身作物特性有关。总体而言，在养分流失风险高且生产力较低的坡耕地上，以芒草和柳枝稷替代玉米能够有效控制N和P流失，并产生显著的环境与经济效益，且这种效益在下游分区和较高坡度条件下更为突出。具体而言，芒草和柳枝稷的生物燃料生产经济收益分别高达6,000 US$/ha和3,000 US$/ha，而污染控制成本节约带来的环境收益均约为2,700 US$/ha。生物能源作物的总收益高于玉米的经济收益。基于环境效益与经济效益的综合权衡，研究建立了UMRB生物能源作物的适宜配置方案：芒草适宜种植于流域西部和下游分区，柳枝稷适宜种植于东北部分区。芒草与柳枝稷的合理配置可为UMRB创造242亿美元的总可达经济效益，并显著降低多种形态的N和P流失。这些结果表明，在坡耕地上以多年生纤维素型生物能源作物替代玉米，能够有效控制N、P流失、改善水质并获得可观经济收益，从而实现环境与经济的双赢。