苜蓿种植结构优化提升中国西北地区生产与环境协同效益

《Agricultural Water Management》：Restructuring lucerne planting can improve production and environmental co-benefits in Northwest China

　　本研究针对甘肃作为中国重要苜蓿产区面临的气候韧性评估缺失问题，通过整合APSIM模型模拟与多目标优化算法，在SSP245和SSP585气候情景下评估了苜蓿生物量、蛋白质产量、灌溉需水量和全球变暖潜能值(GWP-field)的时空变异。研究发现，通过将4238-5521公顷种植面积从河西走廊转移至陇中陇东地区，可在不扩大总面积前提下实现生物量(提升1.4%-2.0%)和蛋白质产量(提升1.7%-1.9%)协同增长，同时降低灌溉用水(3.4%-3.9%)和田间温室气体排放(1.4%-1.9%)。该研究为干旱地区农业系统多维优化提供了范式性解决方案。

　　

随着生活水平持续提高，人们对畜产品的需求日益增长，而畜牧业发展规模取决于充足优质饲草的供应。苜蓿(Medicago sativa L.)作为关键优质饲草作物，为牲畜提供必需的纤维和蛋白质。中国苜蓿进口量从2008年的19601吨猛增至2018年的138万吨，显示出巨大的需求缺口。特别是在当前国际贸易争端和减少进口饲草依赖的迫切需求背景下，如何实现区域苜蓿生产在提高产量的同时减少温室气体排放和用水量，成为亟待解决的科学问题。

甘肃作为中国重要的苜蓿产区，产量约占全国总产量的33%，同时也是重要的畜牧业基地。然而，水资源短缺制约了生产规模和种植面积。以往研究仅进行了区域尺度的苜蓿产量模拟，未涉及蛋白质含量或全球变暖潜能值，更没有针对特定区域进行作物优化。提高甘肃苜蓿生产的气候韧性直接影响区域乃至中国的畜牧业安全，重构其种植结构是一个潜在的可行方案。

在这项发表于《Agricultural Water Management》的研究中，研究人员开发了一个整合过程模型和气候变化预测的多目标优化框架，旨在协调苜蓿生物量和蛋白质产量、灌溉水生产力和田间全球变暖潜能值(GWP-field)之间的权衡关系。

研究团队主要采用了APSIM(Agricultural Production Systems sIMulator)模型模拟、多目标遗传算法优化和空间统计分析等关键技术方法。基于甘肃省11个田间试验点的实测数据对模型进行校准和验证，利用中国气象强迫数据集和ISIMIP(Impact Model Intercomparison Project)的气候预测数据，在SSP245和SSP585两种典型共享社会经济路径下，模拟了2020s-2090s期间苜蓿的生长响应。

3.1. 苜蓿生产的时空变异性

校准后的APSIM模型表现出良好性能(R² = 0.95，nRMSE = 20.2%)。模拟结果显示，与1980s-2010s的历史期相比，到2090s，甘肃苜蓿生物量产量将增加5.7%-25.3%，蛋白质产量增加5.7%-9.8%，但蛋白质浓度下降6.0%-10.1%。这种蛋白质浓度的下降主要是由于温度影响的生物量增加掩盖了蛋白质浓度的下降。灌溉需水量(IWR)和田间全球变暖潜能值(GWP-field)均呈现增加趋势，特别是在SSP585情景下增加更为明显。灌溉水生产率(IWP)总体提高，而温室气体强度(GHGI)呈下降趋势。

3.2. 苜蓿种植重构及其生产、投入和成本

在保持总种植面积不变的前提下，通过遗传算法对苜蓿种植进行空间重构。研究发现，将4238-5521公顷种植面积从河西走廊(疏勒河、黑河和石羊河流域)转移至陇中和陇东地区，可使全省苜蓿生物量产量提高1.4%-2.0%，蛋白质产量提高1.7%-1.9%，同时灌溉需水量降低3.4%-3.9%，田间全球变暖潜能值降低1.4%-1.9%。这种重构实质上是将种植区域转移至气候和土壤条件更适宜的地区，陇东和陇中地区具有更高的温度、更低的辐射和饱和导水率，以及更高的粉粒含量。

3.3. 苜蓿生产对畜牧业的潜在贡献及环境影响

增加的苜蓿产量可额外支持1170-1470万头牛和5830-7350万只羊的饲养。然而，这将产生44.5-56.1千吨CO₂-eq的排放，远超过种植结构重构和节水带来的GWP效益(减少17.9-20.0千吨CO₂-eq排放)，净增加24.9-37.5千吨CO₂-eq排放。

研究结论表明，通过空间重构苜蓿种植可以实现协同效益，但将增加的产量用于畜牧业扩张会导致净温室气体排放增加。这凸显了在多维优化中平衡农艺收益与环境影响的重要性。气候变暖对苜蓿蛋白质合成的抑制作用主要通过高温对固氮的抑制实现，这降低了总氨基酸含量和有效氮。未来需要采取针对性营养管理、利用微生物共生和适应性收获策略等干预措施来缓解这些气候驱动的营养损失。

该研究的创新之处在于首次在区域尺度上综合评估了苜蓿生产的生物物理响应、资源利用效率和环境影响的协同优化路径，为干旱地区农业系统应对气候变化提供了科学依据。甘肃省草地畜牧业发展模式与陕西、宁夏、内蒙古和新疆等其他西北地区具有高度同质性，因此该研究提出的模拟和优化框架的核心驱动参数具有普适性，为西北干旱地区乃至全球的土壤-水适应策略建立了范式。