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本文评估了在气候变化背景下，三种农业循环模式对多种生态系统服务的影响。研究发现，与传统农作模式(BAU)和纯素食农业模式(Vegan)相比，集成作物-牲畜系统(ICLS)在保持中等生产水平的同时，展现出最高的产量稳定性、对极端气候事件的抵抗力，以及最优的环境绩效，包括更强的土壤有机碳(SOC)固存能力和更低的温室气体(GHG)排放及硝酸盐淋溶。研究揭示了农场层面的循环性、土壤-作物反馈、人类饮食与气候变化之间的关键联系。
1. 引言
气候变化通过干旱和极端高温等事件损害作物生产，影响着粮食的数量、质量和安全。与此同时，粮食系统产生的温室气体(GHG)排放也驱动着气候变化，约占全球人为GHG排放的三分之一。畜牧业生产系统常因其显著的环境影响而备受批评，包括森林砍伐、水体富营养化、生物多样性丧失和GHG排放。相关文献中常提倡减少甚至消除动物产品作为可持续策略。然而，动物在循环食物系统中扮演着关键角色，能将副产品、残留物和牧草等不适合人类食用的资源转化为有价值的食物，并通过粪便、尿液和粪肥促进养分循环。集成作物-牲畜系统(ICLS)利用作物和牲畜在不同尺度上的互补关系。相反，高度专业化的系统已成为西方农业的常态，但它们依赖于化肥、农药等外部投入。各种农艺策略的潜在后果，例如维持高度专业化的农业系统或消除牲畜，仍知之甚少。多数关于农业循环性的研究依赖于物质流模型，但它们在评估更广泛的生态系统服务方面存在局限。本研究采用基于过程的土壤-作物模型STICS，在比利时瓦隆地区541,800公顷的土地上，比较了三种不同牲畜整合水平和作物残留物利用方式的农艺循环情景在十个气候变化情景下24年间的表现，旨在阐明不同水平的牲畜整合如何影响多种生态系统服务。
2. 材料与方法
2.1 循环情景
研究比较了三种循环情景，均设计为提供符合EAT-Lancet饮食营养需求的作物轮作，持续期为8年。
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常规情景(BAU)：反映了瓦隆地区的实际土地利用，以出口为导向的经济作物（如马铃薯、甜菜）为主。在该系统中，种植业和畜牧业是分离的，专业化作物农场从畜牧场进口粪肥以换取小麦秸秆。
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纯素食情景(Vegan)：旨在反映排除牲畜的情景，主要种植供人类食用的作物，不包含饲料作物。不施用粪肥，所有作物残留物在收获后都归还土壤。
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集成作物-牲畜系统(ICLS)：在8年轮作中包含2.5年的临时牧场。这些牧场作为干草草地进行管理，每年收割两次，收获的生物量用于喂养绵羊。覆盖作物的生物量也收割用作绵羊饲料。系统内存在资源交换：草料和覆盖作物生物量输出以喂养绵羊，同时粪肥被输入回作物系统，绵羊活体增重被视为系统产出。
这三种情景在作物组成、作物残留物管理策略和旨在供应的饮食构成上均有显著差异。
2.2 土壤-作物模型模拟
模拟覆盖了瓦隆南部地区，使用经过验证的土壤-作物模型STICS进行。模拟基于11,515个具有代表性的空间位置（簇像素），涵盖了从肥沃平原到石灰岩地形的多样化地形和土壤。研究使用了历史时期（1980–2010年）和未来气候变化条件下的十个气候情景，包括三个地球系统模型（MPI、CMCC、MIR）在三种全球变暖情景（+2°C、+3°C、+4°C）下的模拟。所有三种循环情景（BAU、Vegan、ICLS）均以相同方式在每个位置和每个气候情景下进行了24年（三个连续的8年轮作）的模拟。
2.3 比较指标
从模型输出中评估了五个关键生态系统服务：
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土壤有机碳(SOC)：计算0–30 cm和0–200 cm（整个土壤剖面）深度上24年期间的年平均SOC储量变化（Mg ha-1year-1）。
- 2.
温室气体(GHG)排放：计算农场尺度的GHG收支，包括土壤CO2（SOC变化）、直接和间接土壤N2O排放、氮肥生产产生的CO2、农业管理化石燃料燃烧产生的CO2，以及ICLS中绵羊肠道发酵和粪肥储存产生的CH4排放。使用全球增温潜势(GWP*)对不同气体进行汇总。
- 3.
硝酸盐淋溶：计算24年间从土壤剖面底部（2米深）淋溶出的NO3-N年平均量（kg N ha-1year-1）。
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生产力：使用三种度量评估：总谷物和牧草生物量产量（Mg ha-1）、基于代谢能含量的能量潜力（谷物单位，CU ha-1）以及基于市场价格的经济回报（� ha-1）。同时考察了热胁迫、气孔水分胁迫、氮胁迫和涝渍等作物胁迫。
- 5.
稳定性与抵抗力：生产力稳定性计算为单个8年轮作的平均生产力与其在24年期间标准差之比。抵抗力评估了农业生态系统在突发极端气候事件期间保持生产力的短期能力，通过比较在中度或极端气候条件下与正常条件下冬小麦产量的相对变化来实现。气候事件使用标准化降水蒸散发指数(SPEI)进行分类。
3. 结果
3.1 环境结果
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土壤有机碳(SOC)：所有循环情景都导致0–30 cm深度的SOC平均减少。未来气候变化条件减少了表土和底土的碳固存。在所有气候情景下，ICLS是唯一能在整个土壤剖面（0–200 cm）增加SOC的轮作模式。
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温室气体(GHG)排放：所有循环情景都是GHG净排放源，主要归因于土壤N2O排放和氮肥生产产生的CO2。未来气候变化情景下，GHG排放强度预计将增加，主要是由于土壤碳固存减少。在所有气候情景下，ICLS始终具有最低的GHG排放（平均比BAU和Vegan分别低30%和14%），这得益于更低的N2O排放、更低的氮肥使用以及伴随的更高土壤碳固存。相反，BAU情景是最大的GHG排放源。
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硝酸盐淋溶：硝酸盐淋溶主要发生在南部土壤。在所有气候情景下，Vegan系统导致最高的硝酸盐淋溶水平（平均比BAU和ICLS分别高57%和186%），其次是BAU系统（平均比ICLS高82%）。未来气候变化下，Vegan系统的硝酸盐淋溶增加尤为明显。
3.2 农艺与经济生产力
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在未来气候变化情景下，不同作物和气候情景间的产量演变差异很大。在+2°C情景下，大多数冬季作物平均产量会损失或仅有微小增益。随着与更高变暖情景相关的CO2浓度升高，可能会出现补偿效应，尤其是油菜籽产量会大幅增加。夏季作物如甜菜、玉米和（在+3°C和+4°C情景下）马铃薯的产量会增加。
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BAU系统无论使用何种度量标准都实现了最高的总生产力，并且这一趋势预计在未来气候变化下会加剧，因为它依赖夏季作物。Vegan系统在能量值度量上生产力排名第二，而ICLS系统在产量和经济价值度量上排名第二，且在未来气候情景下其相对于Vegan的优势更明显。
3.3 稳定性与抵抗力
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随着未来气候变化下作物产量变异性的增加，所有系统的生产力稳定性均系统性下降。ICLS通常具有最大的稳定性（尤其是经济价值稳定性，平均比BAU和Vegan分别高44%和86%）。
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对极端气候事件抵抗力的分析显示，正常气候条件在未来将变得越来越罕见。在正常条件下，BAU系统的冬小麦产量略高于Vegan和ICLS。相反，极端以及程度较轻的中度湿润事件的频率将会增加，并显著降低小麦产量，增加其变异性。ICLS对这些（湿润）事件表现出比其他循环情景稍强的抵抗力（平均比BAU和Vegan分别高14%和4%），其次是Vegan（平均比BAU高10%）。干旱（且通常日照更充足）时期对小麦生产力的影响不一，可能导致产量轻微增减，因此提高对干旱事件的抵抗力并非关键，Vegan和ICLS系统对此类条件的抵抗力最低。
4. 讨论
4.1 气候变化下的生产力演变
气候变化对比利时瓦隆地区的生产力有显著影响，效应因作物类型而异。夏季作物，尤其是C3作物，通常受益于CO2施肥效应，且很少遭遇水分短缺。相比之下，冬季作物受到负面影响，遭受涝渍并表现出高产量变异性。本研究的主要目的是在气候变化背景下比较循环情景，强调作物轮作设计和基于其未来潜在产量演变选择作物的重要性。
4.2 稳定性与对极端气候事件的抵抗力
研究结果强调，ICLS是提高稳定性的最佳管理方案，这归因于其多样化的生产（包括相对更稳定的牧场和羊肉）以及增加的对极端湿润事件的抵抗力。这些极端气候事件在比利时土壤气候背景下对生产力影响最大，且预计在未来气候情景下频率会增加。ICLS中的牧场有助于增加SOC，从而改善土壤持水能力和气候韧性，这一点至关重要，因为气候变化已显示会因温度升高加速矿化而减少SOC。
4.3 碳氮循环
研究结果表明，所有三种农艺情景都是GHG净排放源。在本研究中，土壤N2O排放和氮肥生产产生的CO2是GHG排放的主要来源。GHG排放源强度预计在未来气候变化情景下会增加，原因是碳固存减少和氧化亚氮排放增加。这表明存在危险的反馈循环：粮食系统驱动气候变化，进而破坏农业并进一步加剧全球变暖。ICLS比常规和纯素食情景导致更高的碳固存水平，这主要源于其牧场阶段。考虑到整个土壤深度的SOC非常重要，因为牧场能发展深根系，通过根系分解贡献净碳输入。结合其对合成氮肥的较低依赖，ICLS显示出比另外两种情景更低的总体GHG排放。此外，其硝酸盐淋溶水平也显著更低。因此，将牧场和牲畜整合到种植系统中反映了增加碳固存和减少氮流失之间的协同作用。相比之下，Vegan情景通过强调谷物和油菜籽（这些作物比其他作物具有更大的根生物量）以及系统性地将作物残留物归还土壤，限制了SOC损失。然而，Vegan情景表现出更低且更不稳定的生产力。
4.4 循环情景设计中的选择
虽然ICLS的CH4排放与BAU情景在量级上相似，但来源不同。BAU的CH4排放主要来自粪肥施用，而非肠道发酵。全面的生命周期分析可能还会将一些肠道发酵排放归因于BAU情景，并考虑所有情景中与基础设施、农药使用和其他间接来源相关的排放。此外，当旨在为当地人口提供营养充足的饮食时，每种情景仍会导致食物和饲料商品的盈余和赤字，这些不平衡影响了系统提供完全本地化、自给自足的人类饮食的能力，其中BAU和Vegan系统比ICLS表现出更大的差异。未来研究可以探索更多样化的氮源、实际放牧的ICLS，或基于不同土壤气候区域特性进行差异化的土地利用分配。
4.5 多标准比较的重要性
研究结果强调了在比较农艺情景时考虑广泛生态系统服务的重要性。例如，虽然常规系统表现出更高的生产力，但其变异性也更大，并导致更大的环境影响。相比之下，农牧系统呈现了更均衡的权衡，生产力虽稍低但更稳定、抵抗力更强，同时环境影响也更小。因此，研究强调了比较指标定义透明化的重要性。
5. 结论
本研究揭示了作物-牲畜系统在气候变化适应（通过稳定性和对极端气候事件的抵抗力）和减缓（通过减少GHG排放和硝酸盐淋溶）方面的益处。它进一步证明，当与作物轮作设计和抵抗力评估的创新方法相结合时，作物模型可以作为探索大时空尺度上农场层面循环性、人类饮食和气候变化之间联系的重要参考工具。
