《整合农田生物燃料与粮食作物科研之路》

  • 来源专题:农业立体污染防治
  • 编译者: 金慧敏
  • 发布时间:2015-07-27
  • 我们需要很多土地来提供粮食、提供生物能源,保持土地营养使它们不能污染我们水和空气。为了使土地能够完成这些高需求,美国能源部Argonne国家研究所开展了改善土地利用方案设计。 通过与伊利诺斯州中部地区印度河流域的农业社区合作,这些研究人员寻求到可以同时满足三个目标(即最大农业生产、种植生物燃料和保护环境)的方法。

    它所需要的是一个多功能景观,有效分配资源,种植适合土壤和地区的作物。在商品作物难以生长地区成排种植生物能源作物,如柳树或柳枝稷,可以提供生物能源材料,同时可以减少养分流失,所有这些不会损害农民利益。这是Argonne科学家在费尔伯里玉米田中收集数据和模拟得到结果。

    “我们正在努力解决的问题是如何设计可持续能源系统。”Argonne首席农学家和环境工程师克里斯蒂娜•内格罗说,“这不是理想主义,我们想展示它的可行性,如果我们有了详细方案,我们将看到真实结果。”因此,内格罗和她的团队建立了试验站,开展经济可行性、生物燃料和环境健康之家平衡研究。

    面对这个挑战,需要改变观念。研究人员没有把整块土地看做一个单元,而是分析了玉米地分区。他们发现最低产量分区中土壤氮素的持有量也是最低。这些区域都是双重征税,对农民来讲这些区域是无收益的,而且破坏了环境。

    内格罗对生产力不足土地的解释是:“设想一下,倾倒一些品质好、营养丰富的溶液到长满植物的肥沃土壤上。而这些养分能被土壤保持足够长时间,以利于植物吸收,并最小化泄露。现在假设把同样的溶液浇在滤器上:如果样本透过土壤太快,则对植物无效。玉米生长慢,更多溶液则淋失到地下水。”

    但是在“滤器”样的土壤上种植生物能源植物,能够解决环境和经济问题,这就是内格罗课题组所展示的反硝化作用分解模拟。

    柳树和柳枝稷是多年生生物能源作物,这植物比一年生植物具有更加宽广根域系统,这些根每年从头开始生长。更深层次的根可以较好地吸收深层土壤中氮素。

    农业耕地损失的氮素是主要环境问题。如果氮素不能被土壤持有或者被植物吸收,氮素将进入空气或水体。它能够以一氧化氮方式释放到空气中,比二氧化碳产生的温室效应强310倍。硝酸盐渗漏到水体中耗尽氧气,对水生系统造成破坏,就像伊利湖那样。费尔伯里玉米田位于印度河流域,流淌到朱沙河,最后到达墨西哥湾,这条河多年来一直患因养分流失造成缺氧问题。

    尽管科学家们在能源和环境付出了努力,研究小组意识到必须把农民经济收入作为底线。

    博士后赫尔伯说:“整个农村是盈利的,但是通过收集详细数据,我们发现在一些区域农民没有收回他们成本。”农民损失金钱用来购买了昂贵氮肥来弥补农田生产力不足。

    在玉米产量低地区植入成排的生物能源作物,意味着农民不会再从玉米作物上受到可观的损失。作为回报,根深蒂固的生物能源作物可以积累损失的氮肥,以作为免费肥料。

    自2013年以来,Argonne的科学家在费尔伯试验区里种植了柳树,将要在下一年继续收集数据,看能否达到他们预期。“我们已经可以控制28%硝酸盐损失,这只用了两个生长季节。” Ssegane说。没有施肥,柳树生长的很好。

    依照Ssegane的研究,这个项目正在证明一个观念。农民有计划种植生物能源作物能够提高生产力、节约成本,同时为科学界展示了如果选择合适地点种植生物能源作物,这个模式是可持续的。

    “在这项研究工作之前,主流方案是“专用土地”,即把大面积玉米变成柳枝稷,” Ssegane说:“生物能源作物的专用地在农业区是不可能的,他们的经济收入与粮食相关。通过成本效益检测,转化生产力不足的区域为轮作区是可行的。”

    在生物能源作物专区与单一经济作物种植之间,多功能景观区是令人振奋的、有效的手段。

    科学家正在探索这些设计理念能够延伸到整个水域。最终,他们希望这项研究能找到科学家与农民都支持农业规划。

    期刊参考文献:Herbert Ssegane, M. Cristina Negri, John Quinn, Meltem Urgun-Demirtas.Multifunctional landscapes: Site characterization and field-scale design to incorporate biomass production into an agricultural system. Biomass and Bioenergy, 2015; 80: 179

    DOI:10.1016/j.biombioe.2015.04.012

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