RESOUR CONSERV RECY丨粮食-能源-水-碳关系框架为可持续性的区域农业优化战略提供了信息

论文内容

研究背景：

在人口增长、土壤退化和气候变化的背景下，满足对营养食品日益增长的需求对全球粮食系统构成了前所未有的挑战。然而，投入密集型农业已经导致了对自然资源和环境的严重损害。主要威胁例如能源危机、全球变暖及其可能相关的社会、经济和政治后果突显了发展可持续农业的必要性。因此，联合国在2015年明确将可持续农业列入可持续发展目标(SDGs)之一，特别是可持续发展目标2.4.1:“在生产性和可持续农业实践下的农业面积比例”。展望未来，可持续发展目标虽然具有全球适用性，但要实现这些目标，需要因地制宜地采取具体措施。

尽管土地所有者无法影响气候的影响，但长期的可持续性可以通过管理和土地管理来塑造。可持续集约化(SI)已被提出作为一个框架，重点是在减少投入和不扩大耕地的情况下提高产量;气候智能型农业(CSA)作为在气候变化下确保生产力和遏制温室气体(GHG)排放的综合方法经常被提及。这两个概念紧密联系在一起，并与保护性农业(CA)相一致。保护性农业是一种经营战略，旨在维持作物生产，同时建设农业生态系统的健康。CA实施的措施包括免耕或少耕、作物轮作、残留回收、覆盖作物、生物炭应用和氮素管理。采用CA来提高作物生产的可适应性对水(SDG 6)、能源(SDG 7)和气候变化(SDG 13)都有影响，因为这些领域之间存在着深刻的相互联系。具体来说，水是植物生长所必需的，必须通过降雨或灌溉来提供; 在作物生产的整个过程中，机械操作、施肥和灌溉都需要能源; 作物产品可以转化为能源资源。同时，所有这些过程都与温室气体排放相关。然而，很少有研究在区域尺度上全面评估CA实践对粮食、能源、水和温室气体排放的影响，从而提供全面的解决方案，为景观尺度的资源管理提供信息。事实上，专注于系统的跨学科研究表明，当考虑多个目标时预期的适应性差异会很大。

建立联系方法是为了解决跨部门整合，同时实现多个可持续发展目标。最近在自然资源领域的应用已经探索了食物-能源-水之间的关系，并在碳中和背景下增加了温室气体排放等问题。这些研究的重点是简单种植制度。相比之下，针对不同管理实践的多轮转系统的关联研究相对滞后。此外，环境条件和经济考虑的异质性很少被考虑在内，尽管有人呼吁根据区域具体情况制定管理战略。

研究内容：

在本研究中，我们从食物能源-水-碳关系的角度，将可持续农业系统定义为在维持粮食生产和确保足够收入的同时，允许最小的资源消耗和环境成本的系统。我们试图调查以下三个问题: (1)在不同的管理实践下，食品生产和盈利能力、能源、水和碳足迹是如何变化的? (2)基于食物-能源-水-碳复合指数的农业系统的可持续性如何? (3)不同次区域可持续发展绩效存在哪些差异?为解决上述问题，本文基于相关文献数据，提出了一种基于不同气候条件下不同轮作作物的能源足迹(EF)、水足迹(WF)和碳足迹(CF)的估算方法。我们的目标是根据当地实际情况研究农业实践，并提供初步评估，以支持决策者以更可持续的方式管理农田。

Fig.1 (a)三个区域的地点和每个区域的研究地点;(b-c) 1961-2020年年平均气温和降水;(d) APSIM模型设定情景前0 ~ 30 cm表层土壤初始有机碳储量。各地区的月平均雨量见(a)中的径向雨量图。

Fig.2基于资源消耗、环境影响和粮食经济效益的可持续性评价框架。

Fig.3 1961 - 2020年澳大利亚西北(a-c)、中西部(d-f)和滨海沿岸(g-i)的温室气体排放、能源投入和水消耗平均值。

Fig.4 1961 - 2020年澳大利亚西北(a-c)、中西部(d-f)和滨海沿岸(g-i)的碳足迹(CF)、能源足迹(EF)和水足迹(WF)平均值。

研究结论：

我们发现，与焚烧秸秆和休耕相比，秸秆保留和覆盖种植有助于减少温室气体，但后者每公顷消耗的能源和水更多。用 FEWC 框架计算的可持续性综合得分表明，包含豆科植物的轮作一般更具可持续性。此外，在新南威尔士州北部（现有高粱/小麦/鹰嘴豆/小麦轮作），残留物保留与覆盖种植是最合适的组合，而在新南威尔士州南部（现有小麦/大田豌豆/小麦/油菜轮作），使用残留物保留与休耕产生的效益更大。各地区在气候、土壤、耕作制度和农场成本方面的不平衡促使我们采取针对各地区的策略，以解决 FEWC 领域之间的不平衡分布问题。

期刊信息

期刊：Resources Conservation & Recycling

影响因子（2022）：13.2

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转自：“农科学术圈”微信公众号

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