生物固氮在巴西甘蔗生产中的经济与环境贡献

《Biomass and Bioenergy》：Economic and environmental contributions of biological nitrogen fixation in Brazilian sugarcane production

本研究评估了巴西甘蔗生产中生物固氮（BNF）的经济价值和碳减排潜力，发现BNF十年累计节省约157亿美元，减少CO2当量排放1920万吨，凸显其在降低化肥依赖、增强经济韧性及应对气候变化中的重要作用。

　　

达尼洛·奥古斯托·西尔维斯特雷（Danilo Augusto Silvestre）| 西尔维娅·费雷拉·马奎斯·萨卢斯蒂亚诺（Silvia Ferreira Marques Salustiano）| 达尼洛·佩雷拉·巴尔博萨（Danilo Pereira Barbosa）| 德内尔·马尔西奥·达·席尔瓦·奥利维拉（Dener Marcio da Silva Oliveira）| 维罗妮卡·马塞纳·雷伊斯（Veronica Massena Reis）

里约热内卢联邦农村大学，BR-465公路07公里处，塞罗佩迪卡（Seropédica），23890-000，里约热内卢，巴西

摘要

由植物相关的固氮微生物介导的生物固氮（BNF）可以在甘蔗种植系统中部分替代合成氮（N）肥料。然而，其经济意义以及对温室气体（GHG）减排的贡献却很少被量化。本研究估计了生物固氮作为生态系统服务在巴西甘蔗种植中的经济价值和气候缓解潜力，时间跨度为十个连续的种植季节（2013-2014年至2022-2023年）。通过使用种植面积、产量、肥料价格以及基于实地数据的BNF产生的氮量估算，我们量化了由于生物固氮带来的经济收益和相关二氧化碳当量（CO₂e）排放量。在评估期间，生物固氮累计节省了约157亿美元（按2024年美元不变价格计算），平均每公顷每年可节省183美元，这得益于减少了对合成氮肥的依赖。同时，生物固氮驱动的氮肥替代作用减少了约1.92亿兆克二氧化碳当量（CO₂e），相当于平均每公顷每年减少约2220公斤二氧化碳当量。这些结果表明，自然发生的生物固氮是甘蔗生产系统中一个高价值但被低估的组成部分，它增强了甘蔗生产系统对氮肥价格波动的经济抵御能力和环境表现。通过将生物固氮视为甘蔗作物的生产生态系统服务，本研究为将生物固氮投入纳入氮管理策略、生命周期评估和农业政策框架提供了定量依据。认识到生物固氮的贡献有助于实现氮肥使用量的减少目标，提高基于甘蔗的生物能源系统的可持续性，并加强热带农业的气候缓解策略。

引言

甘蔗（Saccharum属）是热带农业中最重要的作物之一，也是全球主要的糖和生物乙醇来源[1,2]。巴西在这个系统中扮演着核心角色，种植了约880万公顷的甘蔗，并在全球糖生产和出口方面处于领先地位[3,4]。由于其在整个生产链中的良好能源平衡和较低的温室气体（GHG）排放量，巴西甘蔗被广泛认为是化石燃料的低碳替代品[[5], [6], [7], [8]]。

尽管情况如此，甘蔗生产系统在氮（N）管理方面仍面临重大挑战。在甘蔗系统中，植物对肥料中的氮的吸收效率通常很低[[8], [9], [10], [11], [12]]，这导致了经济损失和环境影响加剧。这种低吸收效率增加了系统对外部氮输入的依赖性，从而提高了生产成本、增加了对氮肥价格波动的敏感性以及温室气体排放[13,14]。因此，氮管理是一个关键因素，它决定了生产成本、温室气体（GHG）排放以及甘蔗生产系统的整体韧性[15]。因此，提高植物对氮的利用效率和吸收效率同时保持生产力的策略对于降低生产成本和环境影响至关重要[16,17]。从系统角度来看，改善氮管理对于增强对氮肥使用增加带来的经济波动和环境风险的抵御能力至关重要，尤其是在热带农业地区[18,19]。

在这种氮限制和管理约束的背景下，生物固氮（BNF）通过土壤-植物系统中的微生物活动为陆地生态系统提供氮[14], [19], [20], [21]。关于生物固氮对巴西甘蔗重要性的首次证据可以追溯到20世纪80年代，基于氮平衡和¹⁵N技术[22]。与甘蔗相关的主要固氮细菌属包括Gluconacetobacter[23]、Herbaspirillum[24]、Paraburkholderia[25]和Nitrospirillum[26]。这些微生物参与了生物固氮过程[27], [28], [29], [30]，同时还可以作为多功能生物接种剂，促进植物生长、调节氮代谢并缓解非生物胁迫[31], [32], [33], [34]。

由于这些微生物的关联作用，生物固氮在巴西甘蔗系统中显著促进了作物的氮营养，尤其是在氮肥施用量较低的情况下[27,30,35,36]，并且有助于在不同土壤气候条件下维持产量[37], [38], [39]。尽管这一过程的农艺和生态重要性已得到充分证实，但其对减少氮肥投入和提升系统韧性的经济和环境贡献却很少被量化。

定量证据进一步强调了这一重要性。估计显示，生物固氮贡献了巴西甘蔗总氮需求的约30-49%[27,28,30]，具体数值根据¹⁵N同位素技术实验中使用的参考植物不同而有所差异[40]。这些贡献对氮预算、肥料策略和甘蔗生产系统中的风险管理具有直接影响，因为它们能够优化氮的投入量并减少活性氮的损失[15,41]。重要的是，生物固氮对甘蔗营养的贡献不仅限于巴西。在其他甘蔗生产国家进行的研究显示，从大气中获取的氮的贡献量差异很大或可以忽略不计。在菲律宾，%Ndfa的估计值范围从0%到72%不等，而在日本则报告为15%到63%[42]。相反，在澳大利亚和南非等国家，证据表明生物固氮对商业甘蔗作物的氮营养贡献很小[43,44]，这可能主要是由于这些国家氮肥施用量较高以及选择了在高氮施用条件下生长的品种[45]。在巴西背景下，相对较低的氮施用率以及较高的氮利用效率[16,46]增强了生物固氮的农艺、经济和环境重要性，因为这一过程直接影响了氮肥需求、N₂O排放和基于甘蔗的生物乙醇的碳足迹[6]。

在系统层面，越来越多的人认识到微生物提供的生态系统服务对于支持农业可持续性策略、氮肥政策和气候变化缓解途径至关重要[49], [50], [51]]。然而，大多数关于氮管理和韧性的系统级评估仍然忽略了非豆科作物中的生物固氮输入。此外，大多数关于生物固氮的经济和环境评估都集中在豆科作物（如大豆[52]和豆类作物[53]上。因此，生物固氮很少被纳入甘蔗系统中氮肥依赖性、生产成本、温室气体平衡或韧性指标的系统级分析中。因此，全面评估非豆科生物能源作物中生物固氮带来的经济节约和气候缓解效果仍然十分缺乏。

为填补这一空白，我们估算了生物固氮在巴西甘蔗生产十个种植季节中的经济价值和气候缓解潜力。利用基于¹⁵N同位素技术的全国性数据以及作物氮需求，我们评估了生物固氮通过减少氮肥使用所带来的氮肥成本节约和二氧化碳当量排放的减少。

数据

本研究估算了甘蔗种植中生物固氮（BNF）产生的经济价值和环境效益，考虑了以尿素形式避免的氮肥用量。分析了2013年至2022–2023年十个种植季节中每个甘蔗生产州的种植面积和甘蔗产量数据（表S1）以及氮肥价格（表S2）[54,55]。为了估算目的，假设所有

甘蔗的种植面积、生产和产量

表3中的数据显示了2013年至2022–2023年十个种植季节中巴西的甘蔗种植情况，包括每个联邦州的种植总面积（百万公顷）、总产量（百万吨）和平均产量（每公顷毫克）。

在分析期间，甘蔗种植面积略有波动，但总体保持稳定，平均为860万公顷。最大的种植面积出现在2014–2015年和2016–2017年的种植季

生物固氮的经济效益

我们的研究结果表明，生物固氮（BNF）是巴西甘蔗生产中一个重要且之前被低估的经济价值来源，对国家农业系统的氮管理具有重大意义。2022-2023年的种植季节节省的成本最高，约为27亿美元（表4），这反映了生物固氮效益对氮肥价格波动的强烈敏感性（表S2）。

结论

本研究表明，生物固氮（BNF）是一种高价值的生态系统服务，在巴西甘蔗生产中同时提供了经济和气候调节效益。生物固氮累计创造了约157亿美元的经济效益，并减少了约1.92亿兆克二氧化碳当量的排放。

对经济和气候调节效益的估算强调了在非豆科作物中识别微生物驱动的氮输入的重要性

作者贡献声明

达尼洛·奥古斯托·西尔维斯特雷（Danilo Augusto Silvestre）：撰写——审稿与编辑、原始草稿撰写、可视化、方法论、数据分析、概念化。西尔维娅·费雷拉·马奎斯·萨卢斯蒂亚诺（Silvia Ferreira Marques Salustiano）：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、方法论、调查、数据分析。达尼洛·佩雷拉·巴尔博萨（Danilo Pereira Barbosa）：撰写——审稿与编辑、可视化、方法论、数据分析。德内尔·马尔西奥·达·席尔瓦·奥利维拉（Dener Marcio da Silva Oliveira）：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、方法论