来源:Frontiers of Agricultural Science & Engineering 发布时间:2022/6/15 16:40:51
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FASE | 前沿研究:可持续管理系统中多种生态系统效益供给所面临的挑战

论文标题:Challenges Providing Multiple Ecosystem Benefits for Sustainable Managed Systems (可持续管理系统中多种生态系统效益供给所面临的挑战)

期刊:Frontiers of Agricultural Science & Engineering

作者:Hans LAMBERS , Wen-Feng CONG

发表时间:25 May 2022

DOI:10.15302/J-FASE-2022444

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可持续作物与牧草系统

Sustainable Crop and Pasture Systems

专 辑 文 章 介 绍

• 第一篇 •

▎论文ID

Challenges Providing Multiple Ecosystem Benefits for Sustainable Managed Systems

可持续管理系统中多种生态系统效益供给所面临的挑战

发表年份:2022年

第一作者:Hans LAMBERS1,2

通讯作者:Hans LAMBERS1,2,丛汶峰2

: hans.lambers@uwa.edu.au

wenfeng.cong@cau.edu.cn

作者单位:1 澳大利亚西澳大学生物科学学院和农业研究所。2 中国农业大学资源与环境科学学院植物-土壤相互作用教育部重点实验室,国家农业绿色发展观测研究站。

Cite this article :

Hans LAMBERS, Wen-Feng CONG. CHALLENGES PROVIDING MULTIPLE ECOSYSTEM BENEFITS FOR SUSTAINABLE MANAGED SYSTEMS. Front. Agr. Sci. Eng https://doi.org/10.15302/J-FASE-2022444

• 文 章 亮 点 •

1. 多样化的种植系统可以促进不同生态系统服务之间的平衡。

2. 在牧草地块中增加草本植物丰富度,将具有更大的资源利用互补性。

3. 养分综合管理已进入新的多元协同设计阶段。

4. 农业的可持续管理设计必须同时考虑多重目标。

• Graphical abstract •

图1 可持续作物和牧草系统促进多种生态系统服务之间的协同作用和权衡的概念性说明

• 研 究 内 容 •

▎粮食安全及其它问题

当意识到目前最紧急的事情不是遏制人口无节制地增长,而是解决粮食产量和安全问题时,我们必须在增产的同时提供多种生态服务。比如在强化粮食安全的同时减少温室气体的排放,减少养分流失,减少农药和化肥的使用,加强碳固存,改善土壤健康,并增加生物多样性。鉴于这些生态系统服务之间的权衡问题,这些目标是否能实现则有待进一步探索。

在本期专辑中,几位作者探讨了实现的可能性以及实现的途径。然而,我们也应该寻找在不发生自然灾害的情况下限制人口增长的方法,否则会让生态和社会问题变得更加严峻。

▎多种生态系统服务之间的权衡或协同作用

可持续作物和牧草系统的一个关键特征是作物多样化。将具有互补特性的品种进行结合,有利于提高资源利用效率。这有助于实现粮食或生物燃料生产、降低环境污染和缓解气候变化之间的协同作用(图1)。英国洛桑研究所Storkey和Macdonald对Rothamsted 实验站的草原进行了长期实验分析,发现没有单一的管理策略可以使研究中考虑的三种生态系统服务(地面生产力、物种丰富度、土壤有机碳)最大化。然而值得关注的是牧草种植地块,如果增加草本植物比例,物种丰富度随之增加,这些地块的群落具有更大的资源利用互补性,为了最大限度减少权衡,发挥协同作用,植物的功能特性必须匹配。

英国詹姆斯哈顿研究所George等学者探讨了如何根据生态学原理实现粮食安全、扭转生物多样性下降和缓解气候变化的三重挑战。利用多样化的种植系统,可以通过减少使用燃料,在土壤中储存更多的碳来减少养分投入,缓解气候变化的影响。系统多样化也会增强对生物、非生物压力的复原力,提高土壤质量,利用土壤中残留的营养物质。

获取残留养分可以减少径流和淋洗造成的损失,但如果涉及有机氮、磷的矿化,这就成了一把双刃剑,因为有机碳也可能会随之流失。通过利用植物养分效率性状,可以实现高效养分利用和土壤固碳的协同作用。利用高效获取磷的基因型可能会反向影响土壤有机碳,这取决于与磷有关的植物性状。例如,具有强烈的羧酸盐或黄酮类化合物渗出的植物可以破坏有机物与矿物的结合和聚集,使土壤微生物可以获得碳,从而刺激土壤有机物的分解。相反,根长密度较大的植物和菌根真菌的定植可以促进土壤中有机-矿物联合体和聚集体中碳的稳定,从而将碳封存在土壤中。探讨植物获取磷的策略对土壤固碳的净影响,应同时考虑土壤中的有机碳和无机碳。

如上所述,管理系统的一项重要生态系统服务是有机碳的储存。我们需要扭转因长期农垦造成的土壤有机碳损失,这种扭转是重要的,但不能代替全球经济脱碳。除CO2和 CH4之外,N2O也是一种重要温室气体,会导致耕作系统的氮循环失调。菌根可以减少因径流、淋洗等造成的N2O排放。研究表明,一系列植物根部释放硝化抑制剂,可以抑制氨氧化微生物,这种生物硝化抑制作用可以减少氮损失,并增加从根瘤中吸收氮,使作物氮损失减少,提高氮的利用效率,同时具有环境和经济效益。

▎区域尺度的可持续种植系统

自绿色革命以来,种植系统依赖于有限的基因型选择,并随着化肥、农药和水的投入增加而不断集约化。尽管这使得作物生产力提高,但也导致如富营养化、污染增加和水的耗竭等负面效应。例如,荷兰瓦赫宁根大学Groot和中国农业大学杨晓琳的模型研究分析了在华北平原实行的30种作物轮作体系,结果表明相比于最常见的灌溉冬小麦-夏玉米种植系统,折衷方案将使经济收入翻倍,同时减少地下水的下降,并提供相当数量的维生素碳和牲畜产品。

英国班戈大学Cooledge等学者探讨了在多物种轮作草地系统中引进包括豆科植物在内的草本植物的好处,因其具有缓解土壤退化并减少温室气体排放的潜力。为了实现最大的效益,我们需要了解所涉及的植物物种的具体特征和所需的服务。例如,深根植物和浅根作物可以在干旱期间协调对水的利用;深根植物可以防止硝酸盐浸出和地下水污染,提高农学上的氮利用效率;深根系统也会通过增加根量输入和根系深度来增加土壤碳固存的空间,以及调动大多数物种难以获得的磷用于下一季作物。探索多种植物性状是如何在多物种轮作草地系统中发挥作用,可以使农民在选择物种组合时能做出更好的决策,实现他们所寻求的生态系统服务。

大多数情况下,作物被用于生产食物、饲料和纤维,但越来越多的作物也被用于生产生物燃料,以减少对化石燃料的依赖。法国UniLaSalle理工学院Kervroëdan等学者探讨了生物燃料生产与食品和饲料生产相结合的种植系统。他们提倡混合种植系统,将饲料和沼气生产结合起来,因为这些系统在环境和农艺性能方面虽然有更大的潜力但温室气体排放量却更大。鉴于生物燃料作物的高生物量生产,其碳排放的长期环境足迹和深层土壤中碳封存的前景需要进一步探讨。

• 本 文 观 点 •

几千年来,CO2和 CH4在地球大气层中大量增加,因此,全球粮食生产必须实现碳中和使环境足迹进一步下降。即使我们在2050年之前实现了碳中和,全球温度上升1.5℃,以及一些大规模的野火、洪水、山体滑坡和干旱等灾难性气候影响仍难避免。因此,彻底实现经济脱碳对于维持人类文明至关重要。

本期专辑中的几篇论文探讨了如何调整作物和牧草系统以提高粮食安全,并减少碳排放和其它负面影响。这些文章都认为人类人口的增长是不言而喻的,而人类人口的无节制增长是导致温室气体排放、全球气候变化和生物多样性丧失的主要原因。实现粮食安全的解决方案应包括减少粮食浪费的战略、更加公正的社会资源分配、生活方式的改变,包括经济的去碳化,以及遏制人口增长等。我们实现粮食安全的目标必须认识到需要平衡生育权利与生育责任以促进后代的福祉。只关注粮食安全,而忽视人类人口的无节制增长是致使粮食生产相关的各种生态系统服务失衡问题的主要原因。

摘要

Since humans started practicing agriculture at the expense of natural forests, 8000 years ago, they have affected atmospheric CO2 concentrations. Their impact on atmospheric CH4 started about 5000 years ago, as result of the cultivation of paddy rice. A challenge of modern agricultural practices is to reverse the impact cropping has had on greenhouse gas emissions and the global climate. There is an increasing demand for agriculture to provide food security as well as a range of other ecosystem services. Depending on ecosystem management, different practices may involve trade-offs and synergies, and these must be considered to work toward desirable management systems. Solution toward food security should not only focus on agricultural management practices, but also on strategies to reduce food waste, more socially-just distribution of resources, changes in lifestyle including decarbonization of the economy, as well as reducing human population growth.

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