文章题目：Conventional agriculture increases global warming while decreasing system sustainability
发表期刊：Nature Climate Change
影响因子：29.6
第一单位：华南农业大学
在线日期：2024-11-04
传统农业的高投入、高产出模式在20世纪中期的“绿色革命”中被广泛推广，极大地提升了主要粮食作物（如玉米、水稻和小麦）的单位面积产量。在1961至2020年间，全球粮食产量增加了四倍，而仅通过扩大37%的收割面积达成。这一增长主要依赖于化肥、灌溉、农药和机械化等技术的应用。然而，这种集约化农业实践也伴随温室气体排放的显著上升，特别是在耕作、化肥和灌溉等环节，大量的二氧化碳、甲烷和氧化亚氮等温室气体被排放到大气中，增加了全球变暖潜力（GWP），降低了系统的可持续性（使用可持续指数SI表征，SI 指的是系统在不对环境产生不利影响的情况下提高单位土地作物产量和经济收益的能力）。先前的研究仅量化了水稻的GWP，没有考虑其他的主要作物或忽略了温室气体的主要来源，例如耕作、灌溉和收割。同时这些研究没有量化 SI 随时间的变化。
研究的主要目的是通过生命周期评估（LCA）量化传统农业的全球变暖潜力，并评估其对系统可持续性的影响，重点分析不同农业生产要素（如耕作、化肥和灌溉）的贡献。此外，还探讨了未来可能的减排策略，如绿色能源和气候智慧农业，以提高系统的可持续性。
研究采用了ISO标准的“从摇篮到坟墓”的LCA方法，涵盖了从种子到农产品的生产、包装、运输和应用各阶段的温室气体排放。该方法考量了耕作、灌溉和机械操作等农业活动的碳足迹。通过系统的GWP和可持续指数SI进行研究。
C0表示作物生物量的带走量，C1包括从种子到农产品全过程的温室气体排放。
研究表明，1961至2020年间，传统农业的GWP显著增加了八倍，SI则下降了三倍。耕作、化肥和灌溉被识别为GWP增长的主要贡献因素，分别占总增量的58-74%、22-28%和15-20%。特别是在南亚和东南亚等地区，化肥和灌溉的高投入显著增加了温室气体排放并降低了SI，反映出这些地区农业系统的低可持续性。例如，南亚的GWP高而SI低，表明其农业发展存在高度的不可持续性。此外，未来情境预测显示，如果继续维持现有的传统农业模式且不采取减排措施，到2100年全球农业的GWP可能会在2020年的基础上增加三倍，达到3.3 PgCO2e。然而，通过采用绿色能源和气候智慧农业技术，如提高氮肥使用效率、引入精确农业等，可以将GWP降低至2.3 PgCO2e，并使SI达到四倍提升，从而缓解未来的温室气体排放并促进农业系统的可持续性。
图1.传统农业全球变暖的 LCA。括号内的数值为 2020 年三种作物（玉米、水稻和小麦）的全球平均值。
图2.1961-2020 年传统农业的 GWP。a，传统农业的 GWP（MgCO2e Mg-1 谷物）。b,d，种子（b）和农药（d）的 GWP 包括生产、包装、运输和施用过程中的温室气体排放。c，施肥的 GWP 是指合成肥料在生产、包装、运输和施用于田地过程中产生的温室气体排放和封存，以及土壤和植物系统的温室气体排放和封存。e-g，耕作（e）、灌溉（f）和收获（g）的 GWP。平均值是玉米、水稻和小麦三种作物 GWP 的平均值。
图3.2020 年国家层面全球变暖潜力和系统可持续性的变化。a、国家层面的 GWP。b、系统可持续性。c、d、传统农业及其主要边界的总 GWP 和主要粮食生产国的 SI。e、主要生产国 GWP 和 SI 变化背后的主导变量（播种率、机械价值和粮食产量）。这些主导变量是根据单侧优势分析选出的。c-e 内的线与右侧垂直轴成比例。
图4.全球和区域变暖对传统农业及其系统可持续性的影响。a、非洲。b、中东。c、北美洲。d、拉丁美洲。e、南亚。f、东南亚。g、东亚。h、欧洲。i、大洋洲。j、独联体。k、全球。列上的值是全球总 GWP（PgCO2e）或区域 GWP（TgCO2e）。
图5.2100 年之前传统农业的未来全球变暖及其 SI。a，第一种情景下，没有缓解行动，解释的粮食消费和相关的 GWP 背后的投入和产出都没有变化。b,e，第二种情景 (b) 表示在没有缓解行动的情况下，预期的 GWP 和相关 SI，响应解释的投入使用效率下降（由 NUE 的下降表示）（e）和产出的下降。c,e，第三种情景 (c) 表示在应用建议的雄心勃勃的缓解战略时，通过气候智能型农业和向绿色能源转化，解释的 GWP 和 SI，由 NUE 和粮食产量的提高表示（e）。
