生物基氮肥在欧洲农业系统中的农艺与环境效应模拟研究

《Nutrient Cycling in Agroecosystems》：Modelling agronomic and environmental effects of bio-based nitrogen fertilisers in Europe

本研究针对生物基废弃物资源化利用的迫切需求，通过Daisy模型系统评估了八种生物基氮肥在欧洲六种种植制度下替代传统矿物氮肥的长期效应。研究创新性地提出三种氮肥替代方案（农艺型、环境型、中间型），揭示了不同方案下作物产量、氮素损失和土壤碳氮库的动态平衡规律。结果表明，环境型方案能有效控制氮素损失（与基线相当）且仅造成轻微减产（<10%），同时显著提升土壤有机质。该研究为欧盟新型肥料法规实施提供了关键科学依据，对推动农业绿色转型具有重要指导意义。

　　

在全球气候变化和资源短缺的双重压力下，如何实现农业可持续发展已成为当今世界面临的重大挑战。传统矿物氮肥虽然能有效提高作物产量，但其生产过程消耗大量化石能源，磷钾矿产资源的枯竭也令人担忧。更值得关注的是，欧盟近年来推行循环生物经济战略，希望通过将有机废弃物转化为生物基肥料（BBFs），来减少对矿物肥料的依赖。然而，这些新型肥料在实际应用中表现如何？它们真的能既保证粮食产量又降低环境风险吗？

为了回答这些问题，来自哥本哈根大学等机构的研究团队在《Nutrient Cycling in Agroecosystems》上发表了重要研究成果。他们利用先进的Daisy模型系统，首次在欧洲尺度上模拟了八种典型生物基氮肥的长期效应，为可持续农业管理提供了科学依据。

研究团队采用的过程模型Daisy是一个能够模拟作物生产、碳氮循环和水文过程的综合工具。模型通过理查兹方程描述土壤水分运动，通过有机质分解模块模拟碳氮转化，并整合了作物生长、氮素吸收和气体排放等关键过程。研究人员首先建立了六个代表欧洲不同气候区的基准种植系统（如大西洋北部、地中海西部等），然后利用实验室培养数据校准了八种生物基肥料的碳氮矿化参数。创新性地设计了三种施肥替代方案：农艺方案（根据第一年氮肥替代价值NFRV调整用量）、环境方案（保持总氮投入不变）和中间方案（取前两者平均值）。通过60年的长期模拟，系统评估了作物产量、氮素损失和土壤碳氮库的变化。

作物产量表现

在农艺方案下，所有生物基肥料都能维持或提高产量，其中BVC（厨余垃圾堆肥）效果最显著，氮收获量和干物质产量分别提高30%和15%。但当采用环境方案时，由于总氮投入受限，产量普遍下降5-10%。中间方案则能在维持产量的同时，将环境风险控制在较低水平。

环境效应评估

农艺方案虽然保证了产量，却导致氮素损失显著增加。BVC的淋失损失达到基准值的37倍，SDG（沼渣）的气体损失增加2.3倍。相反，环境方案将氮素损失控制在基准水平附近，其中SDG的氨挥发仍是主要问题。中间方案的效果介于两者之间，但更接近环境方案。

土壤质量改善

所有生物基肥料都表现出提升土壤有机碳（SOC）和有机氮（SON）库的能力。在农艺方案下，BVC的碳固存速率超过1500 kg C ha^-1y^-1，其他肥料的改善效果也显著优于矿物肥料基准。这种改良作用在不同方案中持续存在，证实了生物基肥料对土壤健康的积极贡献。

残留效应分析

通过设置6年施肥后转为矿物肥料的模拟，发现BVC等低NFRV肥料的增产效果会持续多年，但同时也导致长期的氮淋失风险。这表明肥料选择需要权衡即时效益与长期环境后果。

养分平衡挑战

研究还发现，若仅按氮素需求施用生物基肥料，会导致磷钾投入严重失衡。例如PCW（马铃薯细胞水）的钾投入可能超过作物需求数倍，而OG2（角蛋白肥）则几乎不含磷钾。这提示实际应用中需要优化肥料组合或补充其他养分。

这项研究的创新之处在于首次通过模型量化了生物基肥料在欧洲多环境下的长期效应，突破了传统田间试验的时空限制。研究结果对欧盟肥料新规的实施具有直接指导价值：环境型施肥方案既能保护生态环境，又能通过土壤培肥实现持续生产。特别是提出的中间方案，为政策制定提供了兼顾农民利益和环境保护的可行路径。未来需要进一步研究生物基肥料的养分协同优化策略，以及在不同土壤气候条件下的适应性管理措施。