《Field Crops Research》：Balancing productivity and environmental impact in durum wheat: A life cycle assessment and energy perspective on fertilization management
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M. Diacono|A. Monteforte|V. Alfano|F. Montemurro|A. Persiani农业研究与经济委员会（CREA）——农业与环境研究中心，地址：意大利巴里市塞尔索·乌尔皮亚尼街5号，邮编70125摘要背景农业通过资源消耗和温室气体排放对全球气
M. Diacono|A. Monteforte|V. Alfano|F. Montemurro|A. Persiani
农业研究与经济委员会（CREA）——农业与环境研究中心，地址：意大利巴里市塞尔索·乌尔皮亚尼街5号，邮编70125
摘要
背景
农业通过资源消耗和温室气体排放对全球气候变化有着重要影响。然而，地中海地区广泛种植的谷物作物在缓解环境问题方面可能发挥关键作用。
方法
为探究这一问题，我们在意大利南部的两个种植季节中，比较了六种不同施肥策略对硬质小麦的影响，通过能量分析法和生命周期评估法来评估其农艺表现、养分利用效率以及环境可持续性。实验中测试了两种成分不同的有机肥料（ORGA和ORGB）、一种矿物肥料（MIN）、两种有机与矿物肥料混合使用的处理方式（MIXA和MIXB），以及不施肥的对照组（CT）。
结果
在两年的平均数据中，ORGA处理的地上部干生物量最高，其次是MIN和MIXA处理。不过，MIN处理的平均产量最高，其后为MIXA、MIXB和ORGA处理。ORGA和MIN处理每公顷的净能量值也最高，且单位地上部干物质产生的能量消耗最低。生命周期评估的结果受功能单元和系统边界的显著影响。从每公顷标准化影响总和来看，ORGB的值最高，其次是MIXB、ORGA和MIN，这四者的数值分别比ORGB低34.4%、52.6%和54.2%。但如果将有机废弃物再利用所避免的影响也考虑在内，ORGB的净环境影响最低，其后为CT、MIXB和ORGA。
结论
本研究表明，使用高质量肥料并妥善管理能够提升农艺表现和农业生态系统的韧性，从而有可能降低地中海地区作物种植的碳足迹。此外，要全面了解不同施肥策略的环境效益与权衡，还需纳入更全面的可持续性指标，如避免的影响等。这样的方法有助于在保持适当生产水平的同时实现环境可持续性。
引言
确保充足的粮食生产，以保障食物和营养安全，是联合国2030年可持续发展议程中目标2“零饥饿”的核心内容（联合国，2015年）。然而，农业生产也是对环境和生物圈造成危害的主要因素之一。因此，可持续的农业集约化发展应致力于减少这些不良影响。在这一背景下，谷物作物可发挥重要作用，因为它们在地中海地区广泛种植，而改进农艺管理措施（如施肥）有助于减轻环境压力。
小麦在120多个国家都有种植，主要集中在亚洲、欧洲和美洲。De Vita和Taranto（2019年）指出，与软质小麦相比，硬质小麦主要分布在地中海地区。意大利是硬质小麦生产的领先国家，过去十年的平均产量为426万吨，种植面积为128万公顷。不过，地中海地区正面临严重的气候挑战（IPCC，2019年）。这些气候问题会对硬质小麦的种植产生负面影响，尤其是在开花和灌浆等关键生长阶段（Nachit和Elouafi，2015年）。Smith等人（2013年）的研究表明，包括小麦在内的农作物约占人为排放总量的23%，同时它们也是重要的碳汇。有限的农业用地和稀缺的资源使得提高单位面积的生产力变得十分必要。在此背景下，提高资源利用效率，同时又不影响粮食质量及农业系统的环境可持续性，成为一项重要目标。有机农业和农生态农业体系所采用的低投入农业模式，被认为是实现这一目标的最有效策略之一（Mayer等人，2015年）。相反，集约化农业和单一作物种植会简化种植系统，从而导致土壤有机碳、农业生物多样性以及环境可持续性的下降。依靠化肥和烧荒的连续硬质小麦种植模式虽然提高了生产力与盈利能力，但却严重降低了土壤有机质、生物多样性以及系统的长期可持续性（Fecondo等人，2015年）。
许多研究（Diacono和Montemurro，2010年；Fan等人，2023年）表明，用有机肥料部分或完全替代化学肥料，不仅可以维持甚至提高作物产量，还能提升土壤肥力，减少环境退化。另有研究（Dang等人，2024年；Mayer等人，2015年）指出，小麦的生长主要受特定土壤气候条件下有机质矿化动态的影响，这一过程发生在分蘖/茎伸长和灌浆阶段。不过，这些研究大多仅关注产量变化或土壤肥力指标，未能在统一的评估框架内综合分析农艺表现、养分利用效率以及环境可持续性。实际上，养分利用效率指标反映了种植系统将养分投入转化为收获产量的能力，其中既包括作物的吸收量也包括损失量（Montemurro等人，2007年）。从农艺表现和环境可持续性的角度而言，选择最有效的施肥策略至关重要。有证据表明，即便只是部分替代传统肥料，使用有机肥料也能提高养分利用效率，进而提升小麦产量和土壤状况（Wang等人，2020年；Liu等人，2023年）。提高农业效率并优化投入品使用，是实现可持续发展的有效途径，因为它能减少材料和能源消耗，从而降低环境影响（Pergola等人，2017年）。
能量分析法用于衡量系统内的能量流动（Pourmehdi和Kheiralipour，2024年），而生命周期评估法则用于评估某个过程或生产系统所带来的影响与排放，这两种方法是评估种植系统环境可持续性的最有效且应用最广泛的手段（Diacono等人，2025年）。尽管Teillard等人（2016年）指出了这些方法在评估某些特定影响方面的局限性，但将二者结合用于比较地中海硬质小麦种植系统中不同施肥策略的应用仍较为少见。因此，虽然已有研究分别探讨了有机肥料对小麦农艺表现或环境方面的影响，但目前仍缺乏关于在不同地中海气候条件下，不同施肥策略对硬质小麦的农艺表现、养分利用效率以及环境可持续性综合影响的认识。基于上述情况，本研究旨在通过能量分析和生命周期评估方法，评估在两年小麦种植周期中，用有机肥料部分或完全替代矿物肥料的效果。为此，我们开展了针对硬质小麦的全面田间试验，重点考察其农艺表现、养分利用效率以及环境影响的降低程度。
章节节选
试验地点与天气条件
该田间试验在意大利南部的CREA（农业研究与经济委员会）的一个试验农场进行（地点为梅塔庞托，纬度40°24′北，经度16°48′东，海拔8米）。该地区的土壤属于黏土类型，其中黏土占比42%，壤土占比39%。土壤的平均容重为1350千克/立方米，有机质含量为25克/千克，而总氮、有效磷和钾的含量分别为1.0克/千克、31.1毫克/千克和759毫克/千克。土壤pH值为7.8，电导率
农艺表现指标
图2展示了在不同生长阶段（播种后88天、119天、155天和203天），第一年和第二年施肥处理对小麦地上部干生物量的影响。在第一年中，ORGA处理在所有生长阶段的生物量值均为最高，最终值达到9.65兆克/公顷，其次是MIN和MIXA处理，而ORGB和CT处理的生物量则明显低于其他处理组。到了第二年，ORGA处理
作物农艺表现与效率
本研究的结果表明，施肥对小麦的生物量增长、生产参数以及产量有着重要影响（Mayer等人，2015年），不同处理组之间存在显著差异。其他针对小麦的研究也发现，与使用矿物肥料相比，使用有机肥料会导致小麦的生长速度和叶面积指数下降（?erny等人，2010年；Di Mola等人，2021年；Tosti等人，2016年）。不过，Tuttobene等人（2009年）却发现
结论
本研究表明，在地中海气候条件下，施肥策略会显著影响硬质小麦的生产力、养分利用效率以及环境表现。不同处理组的农艺表现存在差异，矿物肥料可通过促进快速生物量积累和高产量来提升短期生产力。不过，混合施肥处理以及ORGA类型的施肥处理在气候条件变化时仍能保持较为稳定的表现。从短期来看
利益冲突声明
作者们声明存在以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益或个人关系：Antonio Monteforte表示曾获得Tersan Puglia的财政支持，此外他与Tersan Puglia spa还存在雇佣关系。其他作者则声明自己没有可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了Tersan Puglia S.p.A.的支持，相关研究项目名为FERTORT：“长期轮作中的肥料使用”。作者们还要感谢Rosalba Scazzarriello、Angelo Fiore、Marco Favale、Giuseppe Dell’Orco、Roberto D’Alessandro以及Francesco Rinaldi在技术支持和田间管理方面所给予的帮助。
