作物-牲畜-生物能源一体化系统在减轻中国农业对环境的影响方面带来了共同利益和权衡

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题目：Integrated crop–livestock–bioenergy system brings co-benefits and trade-offs in mitigating the environmental impacts of Chinese agriculture

作者：Jiahao Xing, Junnian Song, Chaoshuo Liu, Wei Yang, Haiyan Duan, Helmut Yabar & Jingzheng Ren

期刊：Nature Food

时间：2022.12.15

一作单位：Key Laboratory of Groundwater Resources and Environment, Ministry of Education, and College of New Energy and Environment, Jilin University, Changchun, China

原文链接：https://doi.org/10.1038/s43016-022-00649-x

研究背景

由于对粮食的需求不断上升，作为粮食主要提供者的作物和牲畜生产正变得越来越密集。对对生态系统和人类健康造成多重威胁。确定整个作物生产系统(CPS)和牲畜生产系统(LPS)造成的各种环境负担，并探索有效的缓解措施至关重要。目前，越来越多的传统牲畜农场被工业化农场所取代，多余的秸秆和肥料管理不当。而生物能源生产为作为CPS和LPS的副产品处理秸秆和粪便提供了一种选择。同时，利用剩余秸秆和粪便转化的大量替代能源产品，可以抵消CPS和LPS的化石能源消耗。但生物能源系统(BES)生命周期中所产生的一些不利环境影响可能会抵消化石能源和化肥抵消所创造的环境效益，甚至产生新的环境负担。到目前为止，BES还没有与CPS和LPS联系起来，以揭示作物-牲畜-生物能源综合系统在各种环境影响类别中的潜在共同效益和权衡，以追求整个系统的可持续性。对此，本文将BES与CPS和LPS相结合，构建了一个作物-牲畜-生物能源一体化系统。

研究结果

在相应的生命周期评价(LCA)程序的基础上，对量化的9个影响类别的环境影响潜力进行归一化对比分析。在CPS边界内，全国范围内的影响潜力变化范围为0.03 ~ 0.25(图1a)。由于氮和磷的淋滤和径流以及肥料的使用，淡水富营养化和海洋富营养化是所有影响类别中最严重的环境影响。在LPS边界内(图1a)，全国范围内的影响潜力从0.003到0.480不等(图1b)。淡水富营养化也是最严重的环境影响，其影响潜力几乎是CPS的两倍。牲畜粪便管理和肠道发酵是气候变化的主要贡献者，分别占48%和46%(猪占3%，反刍动物占43%)。此外，粪便管理对环境的影响可以细化到其多个阶段(图1d)。由于CH4和N2O的逸散，储存或处理阶段对粪便管理引起的气候变化和臭氧消耗的贡献最大。房屋和应用阶段的NH3排放主要加剧细颗粒物的形成(FPMF)和陆地酸化(TA)。同时，由于氮、磷的不可抑制的淋滤和径流，施肥各阶段都会加剧淡水富营养化(FE)和海洋富营养化(ME)。从不同的畜牧生产实践的角度来看，放牧对环境的影响是最小的，而其他两种对大多数影响类别的贡献相对较大(图1c)。

在综合系统中，浪费和用于能源的秸秆共同流入BES，总量为260.7 Mt，浪费和用于能源的有机肥流入BES，总量为96.8 Mt。原料的可获得性、原料在生物能源技术之间的分配以及生物能源技术的能量转换参数共同决定了生物能源的生产能力，以及生物能源技术在生物能源总产量中的贡献份额。按照目前秸秆和粪肥的分配模式，全国生物能源总产量将达到2065.9 × 103 TJ。黑龙江(300.1 × 103 TJ)、吉林(184.5 × 103 TJ)、河南(178.0 × 103 TJ)和山东(143.5 × 103 TJ)潜力较大(图2)。其中东北地区的型煤燃料贡献最大，云南、贵州、福建等地的沼气或沼气发电占比较大，说明了当地生物能源发展规划的重点和前景。

在前景场景中，除了CPS和LPS的环境影响外，还量化了BES的环境影响，涵盖从原料收集和运输到生物能源产品的最终使用的生命周期(图3)。缓解效果主要来自化石能源和化肥抵消所避免的环境影响。除陆地酸化外，其他8类环境影响在全国范围内可减轻1.8-94.8%。最显著的缓解效应发生在化石资源稀缺上，其值接近100%，这意味着CPS和LPS的化石能源消耗几乎可以完全抵消。此外，通过化石能源抵消导致的SO2和NOx排放减少，细颗粒物的形成(FPMF)和光化学氧化剂的形成-人类健康(POFH)和光化学氧化剂的形成-陆地生态系统(POFE)可以减轻50%。同时，由于避免了粪便排放对环境的影响，同时有机肥抵消了化肥对环境的影响，可分别缓解淡水富营养化和海洋富营养化27%和12%。

在区域尺度上，不同影响类别的缓解或强化效应存在明显差异(图4)。与国家层面相比，各区域的缓解或强化效应范围更广，从- 428.3%(西藏化石资源稀缺)到17.8%(西藏陆地酸化)。由于秸秆浪费比例和CO2排放因子相对较大，东北地区(辽宁、吉林和黑龙江)的缓解效果最为显著，尤其是对气候变化的缓解效果，吉林为- 89.4%，而全国水平仅为- 27.6%。在若干区域，某些影响类别不存在缓解潜力。例如，2%左右的正值表明，秸秆利用最多的吉林和黑龙江的臭氧消耗将因秸秆利用而略有加剧。陆地酸化的影响潜力在几乎所有区域都将增强，这与国家的表现是一致的。

编者按

该研究表明，除了气候变化和人类饮食转变等缓解策略之外，其他关键的影响类别，如淡水富营养化、海洋富营养化等都是非常值得重视的。此外，本研究通过探讨作物-牲畜-生物能源综合系统的缓解或强化效应发现，综合系统可以在很大程度上缓解CPS和LPS对大多数类别的环境影响，而不会影响作物和牲畜生产、秸秆和粪便使用的原始目的或土壤碳收支。但在扩大这样一个综合系统时，应考虑到全面的环境影响，做出权衡决定。对于像中国和印度这样的新兴经济体来说，它们需要足够的国内粮食生产来养活庞大的人口，优化秸秆和粪便的管理对于减轻农业对环境的影响至关重要。由此，中国农畜生物能源一体化系统所揭示的共生效益和权衡为这些国家实现可持续农业废弃物管理提供了参考。

转自：“西农RE学术社”微信公众号

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