英格兰农业系统的全球变暖潜能：减排措施对水质和生物多样性的潜在协同效益

为解决农业活动导致的温室气体（GHG）排放、水质恶化和生物多样性丧失问题，研究人员开展了英格兰农业系统全球变暖潜能的研究。结果显示现有农业活动的 GWP20和 GWP100有减排潜力，且部分措施对水质和生物多样性有协同效益，为农业可持续发展政策提供依据。

　　在全球气候变化的大背景下，地球就像一个 “生病” 的巨人，而农业活动正是这位巨人身上的一处 “顽疾”。全球食品生产约占温室气体（GHG）排放的 25% ，农业排放的甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O）在全球 GHG 排放中占据重要地位，对气候的影响不容小觑。与此同时，农业生产中营养物质向水体的排放可能已超出可持续限度，土地利用变化也导致生物多样性加速丧失。就英国而言，2018 年农业贡献了 10% 的 GHG 排放，与 1990 年的 7% 相比有所上升，农村水质下降，生物多样性减少。

为了给农业可持续发展 “把脉开方”，英国洛桑研究（Rothamsted Research）的研究人员 Yusheng Zhang 和 Adrian L. Collins 开展了一项重要研究。他们的研究成果发表在《Agronomy for Sustainable Development》上，为应对农业面临的多重环境挑战提供了宝贵的思路和数据支持。

研究人员运用了一种新颖的基于农场的建模方法。他们采用现有的多污染物建模框架 Catchment Systems Model（CSM），以模型农场为基本单元量化空气和水的排放。通过整合公开数据和定制调查数据生成模型农场，这些农场能够反映不同农场类型的结构和管理实践。研究中考虑了两种情景，一种是常规业务（business-as-usual，BAU）情景，包括农场结构和当前最佳管理措施的影响；另一种是最大技术可行缓解潜力情景，即充分实施所有可用的最佳管理措施。

研究结果

1. 农场类型的空间分布：研究涵盖的农场类型占据了英格兰约 69% 的土地面积。其中，谷物种植是最广泛的土地利用方式，占比约 33% ，其次是一般作物种植（GC）、低地放牧（LGL）和不太适宜地区放牧（LFA），各占约 15%。不同农场类型的分布呈现出明显的区域差异，年降雨量和土壤排水状况是影响其分布的重要因素。例如，谷物农场的年降雨量上限约为 900 毫米，LFA 农场约为 700 毫米；奶牛场的空间分布比其他农场类型更广泛。此外，欧盟硝酸盐指令划定的硝酸盐脆弱区（NVZs）对农场类型分布也有影响，更多谷物农场（约 79%）位于 NVZ 区域，而 LFA 放牧农场只有 7% 在该区域。
2. 模型排放与清单对比：将模型模拟的 CH₄和 N₂O 排放与 2019 年报告的清单进行对比，发现两者存在较强的线性相关性，但模型输出可能低估 N₂O 排放。这可能是由于采用的方法和关键输入参数（如肥料施用量）不同。
3. 农场尺度 GWP₂₀和 GWP₂₀的空间变异性：不同农场类型的 GHG 排放特征差异显著。N₂O 排放方面，排序为猪 > 家禽 > 奶牛 > 混合 > 谷物 > LGL > GC 和园艺 > LFA；CH₄排放方面，奶牛场最高，其次是 LGL 等；CO₂排放与农场能源使用相关，奶牛场较高，LFA 放牧农场最低。总体而言，猪和家禽农场的模型农场间变异性较高。农场尺度的 GWP₂₀和 GWP₁₀₀也因农场类型而异，无牲畜农场较低，有牲畜农场较高，且两者差异在有牲畜农场中更明显。考虑嵌入排放后，不同气体对 GWP₂₀和 GWP₁₀₀的贡献发生变化。
4. WMC 尺度 GWP₂₀和 GWP₁₀₀的空间变异性：英格兰不同水管理集水区（WMC）的农业气态排放总量受非生物环境和农场类型组成影响。整体上，GWP₂₀和 GWP₁₀₀呈现东 - 西差异，东部排放较低。GWP₂₀的差异更大，其四分位距为 4240 kg CO₂ eq.ha^-1，GWP₁₀₀为 1462 kg CO₂ eq.ha^-1。GHG 排放与农业生产经济收益的比值显示，GWP₂₀的比值范围为 0.58 - 8.89 kg CO₂ eq.￡^-1农场生产，GWP₁₀₀为 0.53 - 3.99 kg CO₂ eq.￡^-1农场生产。
5. 减排措施的协同效益：在不改变农场结构和无经济约束的情况下，评估了通过农场管理减少 GWP₂₀和 GWP₁₀₀的技术可行性。结果表明，技术可行的最大减排潜力在 17 - 30%（GWP₂₀）和 19 - 27%（GWP₁₀₀）之间，中位数约为 24%，仅靠改进农场管理无法实现净零政策目标。同时，研究发现减少 GHG 排放的措施对水质有协同效益，可使磷和沉积物损失减少约 34% 。部分减少 N₂O 排放和农场能源使用的措施也可能增强农田生物多样性。
6. 模型局限性：研究存在一些局限性，如未充分考虑 WMC 特定环境条件和缓解努力导致的区域差异，缺乏农场间粪肥流动数据，对缓解措施效果的估计未考虑多种因素导致的变异性，且假设的农场干预措施间的相互作用可能与实际不符。

研究结论和讨论

本研究为应对农业领域的多重环境压力提供了全面且有价值的信息。它不仅量化了英格兰农业系统的全球变暖潜能，还评估了减排措施对水质和生物多样性的潜在协同效益，为政策制定提供了有力依据。然而，研究也指出，要实现农业净零排放，仅靠现有农场管理措施是不够的，还需要进行结构性土地覆盖变化。同时，未来的研究需要与多利益相关者合作，进一步探讨不同农场系统适用的减排措施组合，以降低农民实施难度和经济压力。此外，明确不确定性分析，优化单个集水区的措施选择，也将有助于改进和完善相关研究，推动农业可持续发展，让地球这个 “巨人” 逐渐恢复健康。

综上所述，该研究成果在农业可持续发展领域具有重要的理论和实践意义，为后续研究和政策制定指明了方向。