如何使再生实践在农场发挥作用：建模框架
转载自土壤健康与耕地可持续利用公号（2022年4月28日）
01
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原名：How to make regenerative practices work on the farm: A modelling framework
译名：如何使再生实践在农场发挥作用：建模框架
原文DOI：10.1016/j.agsy.2022.103371
发表期刊：Agricultural Systems
发表年份：2022年
通讯作者：L. Schreefel
通讯作者单位：荷兰瓦赫宁根大学农业系统生态学组
02
亮点
①再生农业有多个目标，有必要在农场层面明确这些目标。
②展示了一个建模框架，用于对再生目标的农业系统进行事前设计和评估。
③该建模框架以特定环境的管理实践为中心，以优化整个农场的可持续性。
④使用奶牛场案例研究农场，表明可以以牺牲农场盈利能力为代价来改善土壤功能。
⑤需要进一步校准和验证才能将 Soil Navigator 应用于整个欧洲的泥炭土壤。
03
文章简介
管理良好的农业用地可以提供生态系统服务并对环境做出积极贡献。其中许多服务是通过土壤调节的，被称为土壤功能。再生农业是一种农业模式，它以土壤保护为切入点，再生并为这些生态系统服务做出贡献，希望这不仅能提高粮食生产的环境，而且能提高社会和经济层面。文章的主要目的是创建一个建模框架，允许预先重新设计不同的农业系统，并评估在不同的土壤气候条件下与再生农业相关的生态系统服务。在这个建模框架内，文章结合了两个模型（Soil Navigator (SN) 和 FarmDESIGN (FD)）来考虑田间规模的土壤属性以及农场规模的环境和社会经济成果。文章使用荷兰奶牛场作为案例研究来展示如何使用该框架来评估相关的生态系统服务并探索替代农场配置。将 SN 与 FD 相结合表明可以在当地环境中改善哪些生态系统服务。这些模型一起有助于评估土壤管理实践的影响，作为探索文章的奶牛案例研究农场整体社会经济和环境可持续性的基础。对于文章的乳品案例研究农场，文章发现了一套管理实践，以高产能交付五项职能中的四项，但牺牲了初级生产力（从高到中）和农场盈利能力（从 55,620 到 40,720 欧元年）-1 )。然而，初级生产力的下降导致其他生态系统服务的改善，例如气候调节（从中等到高）和土壤有机质盈余（增加 7%）。虽然这项研究成功地展示了 SN 和 FD 模型的初步组合，用于预先重新设计和评估面向再生农业的耕作系统，但进一步的模型开发对于扩大本研究的适用性以包括新兴的耕作方式和新的可持续性指标至关重要是在较长时期内测量的。为了使再生农业对多样化的农业系统有意义，文章需要能够深入了解再生管理功效的方法，以满足当地环境中的多种生态系统服务。因此，研究人员可以使用文章的建模框架作为工具，帮助各种利益相关者根据再生农业的目标评估和重新设计农场。
04
材料和方法
①所选模型与再生农业的关系及其运作模式
再生农业目标与不同土壤功能之间的一致性通过以下要点进行总结：
①提高经济繁荣体现在土壤功能初级生产力，这是农民的经济基础和农业可持续发展的先决条件。初级生产力取决于土壤提供养分和水以生产供人类使用的植物生物质、在自然或受管理的生态系统边界内提供食物、饲料、纤维和燃料的能力。
②再生农业改善养分循环的目标反映在土壤功能养分循环中，这表明土壤吸收养分、制造和保持作物可利用的养分、支持作物吸收养分并支持其生长的能力。在收获的作物中成功去除。
③再生农业改善水质和可用性的目标反映在土壤功能水净化和调节中，该功能评估土壤去除有害化合物以及接收、储存和引导水以供后续使用的能力。
④缓解气候变化的目标体现在土壤功能气候调节上，该调节由 N 2 O 和 CH4排放量和碳封存量决定。
⑤再生农业增强和改善土壤健康的目标通过土壤功能生物多样性和栖息地提供来体现。土壤健康不仅仅是土壤生物多样性，它也是土壤提供例如地上生物多样性的功能能力，这在此功能模型中未涉及。生物多样性和栖息地提供被描述为大量土壤生物和过程，它们在生态系统中相互作用，为社会提供丰富的生物多样性来源，并为地上生物的栖息地做出贡献。
SN 以决策规则的形式捕捉土壤功能与管理实践对五种土壤功能的影响之间的协同作用（土壤功能之间的正关系）和权衡（土壤功能之间的负关系）。FD 是一个静态的生物经济全农场模型，由大量相互关联的农场组件组成，用于分析和重新设计混合作物-牲畜系统。该模型由量化的流量组成，以每年计算物质平衡、饲料平衡、劳动力平衡和经济平衡。流量可用于评估农场的环境绩效（即土地利用多样性、养分流失和土壤有机质积累）以及维持社会经济繁荣的能力（即农场盈利能力和劳动力需求）。
②案例研究农场
文章使用了一个传统的荷兰奶牛场，上面覆盖着粘土的泥炭，以说明文章的农场重新设计框架。案例农场位于南荷兰省的泥炭草甸区，拥有 22 块永久性草地农场总面积为 40.4 公顷，用于喂养约 100 头奶牛。农场特定数据是在 2020 年 9 月通过半结构化访谈收集的。这些数据涵盖与农场环境（例如气候和土壤）、农场管理（例如肥料使用、放牧系统）、作物和动物及其相关产品的产量相关的参数和经济（例如农业费用和劳动力价格），作物和动物及其相关产品每年。农场附近的草地（16.9 公顷）交替用于放牧和割草。距离农场较远的草地（23.5 公顷）仅用于割草。奶牛在牧场上放牧 4 公顷，一年 150 天；它们剩下的时间都留在谷仓里。
③农业系统向再生农业的预先重新设计
N 评估田间规模的土壤功能，以确认农场内生物物理特性的潜在变化。为了将单个土壤功能的表现与农场规模的其他环境和社会经济指标（例如营业利润、氮盈余）联系起来，文章使用面积加权对从田间到农场的土壤功能评估进行汇总平均值。使用 FD 来评估 SN 在农业系统层面更广泛的社会经济和环境绩效背景下的变化方向。由于 FD 有助于多目标优化，因此输出不包含单个优化的耕作系统；相反，它以解决方案云的形式显示了许多优化的解决方案，并针对目标进行了绘制。在耕作系统优化之后，FD 的输出重新输入 SN，以重新评估土壤功能的性能。SN 需要农场级别的输入数据来优化不同田间规模模型中的管理输入。优化的管理投入可能与牲畜密度、草地多样性、施肥率和作物产量等有关。
05
研究结果
发现一种权衡是试图增加反映固体肥料使用的粪肥 C 供应，同时减少肥料 N 供应，即在这种情况下，肥料 C 供应量的增加也与更高的肥料 N 供应量相关。这种关系因所用肥料的类型而异。在增加粪肥 C 供应的目标和减少 N 盈余的目标之间发现了另一个权衡，即更高的粪肥 C 供应增加了 N 盈余。最大化固氮的目标并没有导致协同效应或权衡，而是显示出相当广泛的解决方案空间。
由于草本丰富的草地和较低的氮肥的整合，水的净化和调节功能得分从低增加到中等。减少施氮和减少氮过剩的目标并未导致氮过剩显着降低并保持稳定（从 258 到 256 kg N ha -1）。氮过剩的减少是有限的，主要是由于精饲料的吸收增加和更高的固氮率。与 N 过剩一样，在优化方案中，土壤功能养分循环在高容量下保持不变。由于草地多样性的增加和固体肥料的实施，优化方案中的生物多样性和栖息地提供功能也保持在较高水平。
06
研究讨论
与大多数模型一样，SN 和 FD 的设计和参数化都是为了模拟常见的农业系统。在这项研究中，文章模拟了一个奶牛场。然而，这也可能是任何其他常见的农场类型，即传统的耕地农场或混合农场。除了常见的耕作系统外，再生农业还渴望与建立新的耕作系统（如农林业或带状种植）同样相关，并实际上促进建立新的耕作系统。这些耕作系统通常在较长时间内对广泛的相互关联的生态系统服务产生积极影响。SN 和 FD 都不是为了在多年时间段内模拟这些新兴的农业系统而设计的。虽然已经表明，将 FD 和 SN 联系起来是为不同农业系统定制再生农业的有效第一步，但文章建议进一步发展 SN，以包括可能影响土壤功能的更广泛的农业和农业实践（例如放牧策略、固定车道）。
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