德国西南部不同施氮水平下玉米-菜豆间作与纯玉米栽培的环境与经济比较评估

《Cleaner Environmental Systems》：Comparative environmental and economic assessment of maize-bean intercropping and pure maize cultivation at different nitrogen fertilization levels in southwest Germany

　　

玉米-菜豆间作被视为纯玉米种植的环境友好型替代方案，但其盈利能力较低。研究人员对两种系统的环境和经济表现进行了比较，以确定能够使间作具有经济竞争力且可由环境成本节省所覆盖的补贴水平。研究人员在2019年和2020年于德国西南部开展的田间试验中评估了产量、土壤侵蚀风险和硝酸盐淋溶风险，并在三个氮（N）施肥水平下对两种系统进行了测试。采用生命周期评价（LCA）和环境成本计算来量化并以货币形式体现环境影响。在经济比较中，计算了贡献毛益。LCA的功能单位定义为1吨干物质产量。计算了两种产量情景，一种为间作产量较低，另一种为两种系统产量相等。LCA结果显示两种系统之间仅存在微小差异。在产量降低的情况下，间作劣于纯玉米。施氮水平被证明更为重要。在两种系统中，与全量施氮相比，减量施氮下所有LCA影响均较低。从100%施氮水平的纯玉米种植转变为40%施氮水平的间作，环境成本每公顷降低了2,342欧元，但贡献毛益减少了99至429欧元，具体取决于产量情景。研究人员建议将间作与减量施氮相结合。对于这种组合，每公顷429欧元的补贴即可完全补偿农民，而估计的环境成本节省2,342欧元将产生1,913欧元的净社会效益。

论文解读：德国西南部不同施氮水平下玉米-菜豆间作与纯玉米栽培的环境与经济比较评估

一、研究背景与目的

玉米（Zea mays L.）是德国最重要的饲料和能源作物，占德国耕地总面积约22%，主要用于生产青贮饲料或沼气底物。然而，纯玉米种植因栽培方式不同，存在较高的土壤侵蚀和硝酸盐淋溶风险。土壤侵蚀高风险源于玉米幼苗发育缓慢及75厘米的行距，导致春季降水侵蚀风险高时地表覆盖率低。此外，近年来玉米种植面积扩张，使其被种植在易侵蚀地块上，加剧了土壤退化、产量损失以及磷（P）流失导致的水体富营养化等面源污染问题。硝酸盐淋溶风险则源于过量施氮和适应性差的施肥策略，多项研究表明德国纯玉米种植存在系统性过量施肥现象，例如Villwock等人分析了13个田间试验，平均施氮142公斤/公顷（德国肥料条例允许的最大量）与平均79公斤/公顷的减量处理之间干物质产量无显著差异。过量施氮导致收获后或淋溶期开始时土壤残留矿质氮水平较高，最终引发硝酸盐淋溶，造成地下水污染和地表水富营养化。

间作被视作纯玉米的有前景替代方案，通过增加地表覆盖可减少土壤侵蚀，通过间作伙伴的额外氮吸收可减少硝酸盐淋溶，并通过作物多样化对生物多样性产生积极影响。在德国，玉米与蔓生菜豆的间作系统近年已发展为将玉米和菜豆种子混合后在同一行同时播种的商业实践。尽管间作在农艺和环境方面具有潜在优势，但关于其土壤侵蚀、硝酸盐淋溶及其他生态影响的研究仍然缺乏，且间作产量表现存在争议。德国巴登-符腾堡州自2023年起对间作系统每年补贴130欧元/公顷，但该金额仅大致覆盖额外种子成本，不覆盖潜在产量损失和植保成本。因此，本研究的目的是评估和比较不同施氮水平下玉米-菜豆间作与纯玉米种植的环境和经济表现，确定使间作具有经济竞争力所需的补贴水平，并探讨较高补贴是否能被环境成本节省所覆盖。

二、技术方法

本研究基于2019年和2020年在德国西南部Tachenhausen试验站开展的田间试验数据。生命周期评价（LCA）依据ISO原则进行，功能单位定义为1吨干物质产量，系统边界为从土壤准备到收获的“摇篮到田间”边界，时间边界延伸至次年淋溶期结束。两种系统均在三个氮施肥水平（0%、40%、100%的德国肥料条例允许量）下评估，对应平均氮肥施用量分别为0、58和143公斤N/公顷。设置两种产量情景：情景1为间作产量低于纯玉米，情景2为两系统产量相等。采用Ecoinvent数据库获取投入品生产、运输和施用排放数据，选取全球变暖潜势（GWP）、陆地富营养化（TE）和水生富营养化（AE）三个影响类别进行评价。环境成本计算基于德国环境署（2020）的成本费率并按2024年消费者价格指数调整。经济比较采用贡献毛益计算法，即收入减去可直接归属于种植系统的可变成本，并计算了使间作与纯玉米利润相等的盈亏平衡补贴。

三、研究结果

3.1 生命周期影响评价
GWP主要受柴油和施肥影响。间作因额外机械中耕步骤每公顷柴油消耗略高，在产量相等情景下每吨干物质碳足迹略差；产量较低情景下间作GWP明显高于纯玉米。施氮水平间的差异主要来自随施肥量增加的氧化亚氮（N₂O）排放。TE方面施肥起决定性作用，产量相等情景下间作与纯玉米无差异；从40%到100%施氮水平出现不成比例的增幅，源于有机肥施用产生的氨（NH₃）排放。AE方面N和P损失影响最大且N损失占主导，每公顷N损失在间作中尤其是100%施氮水平下趋于较低，P损失在间作中比纯玉米低12%。

3.2 环境成本计算
间作每公顷环境成本比纯玉米低105欧元（40%施氮）至574欧元（100%施氮）。施氮水平从100%降至40%可节省环境成本1,768欧元（间作）至2,238欧元（纯玉米）。

3.3 经济计算
产量降低情景下间作比纯玉米收入少307至558欧元，间作可变成本因种子（151欧元）、农药（40欧元）和柴油（6欧元）较高而总体高197欧元。间作贡献毛益在两个产量情景下均劣于纯玉米，差异为197欧元（产量相等情景）至504至755欧元（产量降低情景），该差异代表间作达到与纯玉米同等盈利能力所需的盈亏平衡补贴。施氮从0%提高到40%的额外成本195欧元仅被40%处理的产量增加所补偿，100%施氮处理未被补偿，因此在两系统中减量施氮均更经济。

3.4 环境成本与贡献毛益联合考虑
从100%施氮纯玉米转变为40%施氮间作提供最大环境成本节省（2,342欧元/公顷）。综合两个产量情景，仅当系统转换与减量施氮相结合时净社会效益为正。每公顷429欧元的补贴可完全补偿农民，环境成本节省2,342欧元扣除补贴后产生1,913欧元的净社会效益。

四、讨论与结论

讨论部分对关键数据和假设进行了批判性检验。产量对结果影响最大，产量情景1中纯玉米产量调整所依据的2吨/公顷产量差具有统计显著性（标准误0.68吨/公顷，95%置信区间0.8至3.2吨/公顷），若产量差更高（如3.2吨），间作加减量施氮组合的盈亏平衡补贴将从429欧元升至536欧元。硝酸盐淋溶数据未因产量调整而修正，敏感性分析使用置信上限和下限后相对差异变化很小，结论保持不变。环境成本费率方面，N的损害成本（24.92欧元/公斤N）处于文献报道范围的高端，采用50%损害成本进行敏感性分析后，纯玉米转间作加减量施氮的节省降至1,776欧元，扣除429欧元补贴后仍有1,677欧元净社会效益，结论依然成立。气态含氮排放因子对GWP和TE有较强影响，氧化亚氮或氨排放降低50%的敏感性分析均不改变结论。P侵蚀损失仅对AE和环境成本有较小影响，且田间试验的种植密度与实际农业实践存在差异，但覆盖度高估与杂草覆盖低估部分相互抵消。柴油消耗和玉米价格的敏感性分析显示结果仅小幅变化，但高玉米价格下500欧元补贴不能完全补偿农民。此外，间作对生物多样性的积极影响已被证实（如Hüber等人发现间作中大蜜蜂更丰富），间作还有可能增加土壤有机质、改善土壤入渗等，这些环境效益未能在货币化评估中量化，因此本研究可能低估了间作的总环境效益。

研究结论为：与纯玉米种植相比，玉米-菜豆间作的环境效益较小，而减少氮肥施用可带来更大且显著的效益。纯玉米减量施氮无需补贴即已具有经济可行性，但农民担心减产。间作在减量施氮下可稳定产量，因为菜豆在土壤氮有效性低时可固定大气氮，减施氮肥导致产量损失的风险在间作中低于纯玉米。此外，本研究中无法以货币形式量化的额外环境效益（尤其是已被证实的生物多样性效应）意味着研究可能低估了间作的总环境收益。基于已纳入的效益，研究人员建议间作与减量施氮相结合，该组合每公顷429欧元的补贴可完全补偿农民，估计的环境成本节省2,342欧元将产生1,913欧元的净社会效益，尽管部分节省在统计上不具稳健性，但最高至少500欧元的补贴很容易被证明是合理的。该论文发表在《Cleaner Environmental Systems》。