蚕豆对后茬春大麦作物产量及环境足迹的影响

《Plant and Soil》：Influence of field beans (Vicia faba L.) on yield and environmental footprint of following spring barley (Hordeum vulgare L.) crops

　　

研究背景与目的：减少温室气体排放的迫切需求增加了对豆科作物种植系统的兴趣。在可用的各种豆科作物中，冷季物种Vicia faba L.（cv. minor; field beans）引起了广泛关注。然而，对田间作物序列（轮作）中蚕豆减少环境影响的研究尚不充分。
研究方法：研究人员采用归因生命周期评价对来自一个长期（2009–2023年）蚕豆试验平台（即可持续种植中心，CSC；英国苏格兰詹姆斯赫顿研究所）的数据进行了分析。研究重点在于阐明春蚕豆至春大麦作物序列相较于春大麦至春大麦作物序列的影响。
研究结果：在五个两年作物序列周期中的四个周期内，蚕豆降低了春大麦生产的环境影响，各序列的平均影响降低幅度约为25%。在干旱条件下（2022年），春大麦在蚕豆之后的籽粒产量呈增加趋势。综合指数分析表明，湿度、最高温度以及前茬蚕豆的产量是春大麦生产的最大决定因素。
研究结论：将蚕豆整合到以谷物为主的轮作中，可能会引起那些寻求提高价值链可持续性、同时确保作物序列产量具有气候影响抗逆性的主要行业的兴趣。

研究背景与意义
工业化全球北部以谷物为主的种植系统正面临提高资源利用效率和减少环境影响的巨大压力，尤其是合成氮肥制造和使用带来的环境负担。这些影响包括土壤直接和间接排放的氧化亚氮（N₂O，一种强效温室气体）、导致酸化和富营养化的氨气（NH₃）挥发、肥料生产中的化石能源消耗以及硝酸盐（NO₃^-）向淡水体的淋失。将豆科作物重新引入谷物轮作被视为一种基于自然的策略，可通过生物固氮（BNF，指根瘤菌与豆科植物共生固定大气氮的过程）减少合成氮肥需求、降低硝酸盐淋失风险与化石能源消耗，并产生抑制谷物特异性病虫害的休耕作物效应。然而，豆科作物在欧洲耕地中占比极低，且使用生命周期评估量化特定豆科—谷物序列环境效益的田间尺度证据依然有限。此外，当前静态的氮肥推荐标准未能充分考量豆科作物残体氮贡献的年际变异性。为解决这些问题，研究人员开展了一项关于春蚕豆与春大麦轮作序列的长期影响研究。研究得出结论：在非干旱年份，蚕豆前茬能显著降低后茬春大麦的环境影响并提高产量；通过综合指数可预测产量变化。该研究的重要意义在于为提高农业价值链可持续性、实现气候智能型农业提供了实证依据，并展示了精准农业在减少温室气体排放方面的巨大潜力。该论文发表在《Plant and Soil》上。

主要关键技术方法
研究基于可持续种植中心（CSC，位于英国苏格兰詹姆斯赫顿研究所）长期田间实验平台及其相邻商业田块的数据队列。采用归因生命周期评价方法，设定“摇篮到农场大门”的系统边界，功能单位为1 kg春大麦。使用openLCA软件及Ecoinvent数据库进行清单建模与影响评估，涵盖酸化、气候变化等6类环境影响。利用Python构建结合湿度、最高温度和前茬蚕豆产量的综合指数，并采用配对t检验进行统计分析。

研究结果
Attributional LCA（归因生命周期评价）
通过对六个主要环境影响类别进行综合评估，发现在五年作物序列周期中的四年里，春蚕豆前茬降低了后茬春大麦在所有六个影响类别中的环境影响，平均降低约25%。酸化影响显示出显著的配对差异。

Process contributions to the total environmental impact（各过程对整体环境影响的贡献）
分析过程贡献表明，合成氮肥的使用是环境影响的主导因素，贡献率超过60%。与包含蚕豆的作物序列相比，连续大麦种植在气候变化影响、化石燃料资源使用及水资源使用上均呈现更高值。例如2018年，连续种植大麦的气候变化影响比蚕豆后茬高出39.5%。

N-fertiliser use, crop residue-N, pesticide use, and crop yield data（氮肥使用、作物残体氮、农药使用与作物产量数据）
研究发现蚕豆前茬使得矿物氮投入平均减少，农药使用量约减少一半，并且除2022年外，春大麦产量平均增加1.2 t ha^-1。但在2022年，由于产量下降，单位产品的环境负担反而增加。

Weather influence（天气影响）
气象数据显示2022年出现了显著的高温和低降水，表现为干旱特征，这导致了作物序列效益的异常逆转。

Soil-N dynamics due to field beans（蚕豆对土壤氮动态的影响）
土壤化学数据表明，蚕豆的残体氮贡献与实际肥料施用率之间没有直接相关性，农民并未根据前茬蚕豆提供的残体氮量动态调整后续大麦的施氮量。FB-SB田块的碳氮比和土壤有机碳数值更高，表明豆科残体将富含碳的有机物质纳入了土壤有机质库。

讨论部分与结论翻译
在讨论部分，研究人员指出，将春蚕豆纳入春大麦轮作在五年中的四年里支持了产量增加和环境影响降低的假设。然而，2022年的干旱案例表明，这种效益依赖于豆科作物表现与生长季天气条件的有利互作。在豆科作物产量较低且后茬遭遇干旱时，氮素遗留不足以抵消干旱造成的产量损失。为此，研究人员提出了间作、引入覆盖作物及滴灌等适应气候变化的农艺措施。同时，研究强调了氮动态与肥料优化的必要性，指出现有的静态氮肥减施指南忽视了豆科残体氮的变异性，建议采用精准农业策略，通过设定前茬蚕豆产量阈值（如CSC平台约3 t ha^-1）来指导合成氮肥施用，并利用实时土壤氮和天气监测技术动态调整施肥率。推演至国家尺度，若在苏格兰所有春大麦生产中引入春蚕豆作为前茬，每年可减少约106 kt CO₂-eq的温室气体排放，占苏格兰耕地总排放量的6.6%。尽管该研究存在如对照设置非随机化、样本量较小及未直接测量土壤氮矿化等局限性，但其证明了综合管理的重要性。

结论翻译：本研究评估了环境和农业因素对春蚕豆后茬春大麦产量的影响。通过进行aLCA，在研究的5个作物序列周期中的4个周期中，证明了春蚕豆作为前茬作物在减少投入（合成氮肥、农药和化石燃料使用）并降低环境影响的同时，维持和/或增加后茬春大麦产量的潜力。研究结果还强调，这种潜在效益无法在所有年份得到保证；其取决于有利的天气条件以及后茬作物可利用的蚕豆残体矿化。尽管如此，结合前茬蚕豆产量数据与春大麦种植年份的环境条件，开发了预测指数以指导决策者采取保障产量的措施。研究结果强调了综合作物管理和环境监测对指导精准农作的重要性，以优化作物生产和环境可持续性。本研究再次证实了将豆科作物整合到作物序列中的环境效益。然而，要充分利用轮作中的所有作物，必须采用知情的最佳实践进行管理，以确保最佳土壤条件并预防次优天气的影响。在这种策略中，通过更精准的肥料施用，存在提高作物生产系统可持续性的重大机会。