近日，我院“环境过程与系统模型” 团队李少斌课题组与伊利诺伊大学香槟分校Ximing Cai团队合作在“粮食-能源-水”关联系统协同调控研究取得新进展，在国际期刊Environmental Science & Technology上发表题为“Integrated Agricultural Practices and Engineering Technologies Enhance Synergies of Food-Energy-Water Systems in Corn Belt Watersheds”的研究论文。该研究探讨了农业最佳管理实践和环境与生物工程磷回收技术组合对美国玉米带流域“粮食-能源-水”关联系统的协同调控机制。

研究背景

粮食、能源、水作为人类生存的三大基本资源，彼此关联，相互依存。这三种资源受到了生物化学地球等自然过程和社会经济等多种因素共同作用，形成了复杂的“粮食-能源-水”关联系统（Food-Energy-Water System, FEWS）。美国玉米带流域的“粮食-能源-水”关联系统作为一个多功能系统，提供了农作物（以玉米和大豆为代表）、生物质能源、水资源等重要生态系统供给服务（图1）。长久以来，该区域的“磷窘境”问题一直未得到有效解决：即磷作为其磷矿石储量不断减少，而磷污染在水体中负荷不断增加。已有不少研究从营养盐削减潜力和成本效率探索最优的农业最佳管理实践（BMPs）组合。近年来，已有学者提出应大力发展和创新磷回收技术，在减少水体磷污染的同时可替代部分磷矿石资源。然而，农业最佳管理实践与磷回收工程技术共同作用下流域磷循环过程会产生怎样的变化，以及两者如何协同调控流域粮食、能源、水子系统，尚缺乏系统层面的量化分析。

图1. 美国玉米带流域“粮食-能源-水”关联系统示意图

研究结果

该研究从流域“粮食-能源-水”关联系统视角，以农业、工业并重的Upper Sangamon River Watershed（位于美国玉米带流域）为研究区域，应用自主开发的“环境-经济-技术”耦合模型（Li et al. 2021, Environmental Modelling and Software, 143, 105083），在流域尺度量化表征农业管理实践和环境与生物工程技术（以污水处理厂磷去除和回收、玉米生物提炼厂磷回收为代表）的磷回收潜力及其对磷循环过程的影响。进一步结合多目标优化算法，以分布式农业管理实践和环境与生物工程技术为决策变量，探索流域尺度下磷回收潜力、水质提升、粮食产量、经济效益的多维效应。该研究有助于提升流域尺度“粮食-能源-水”关联系统协同演变的科学认知，助力绿色经济与可持续发展。

研究首先比较了“BMPs only”情景（即仅考虑农业最佳管理实践组合）和“BMPs + EBTs”情景（即农业最佳管理实践和环境与生物工程磷回收技术组合）的磷回收潜力和对流域磷过程的影响（图2）。研究发现，该研究区域如采用磷回收技术对1家污水处理厂磷和3家玉米生物提炼厂进行磷回收，其磷可回收总量（15079吨/年）是流域磷肥料用量（6962吨/年）的2.1倍，且玉米提炼厂的回收磷潜力远高于污水处理厂中磷回收潜力（14629吨/年 vs 450吨/年）。污水处理厂对磷污染削减具有重要作用，通过对污水处理厂中磷的降解和回收，河流中的磷通量可减少70%（从774 吨/年降到205 吨/年）。

图2. 流域尺度上两种情景的磷年通量：（a）“BMPs only”情景：仅考虑农业最佳管理实践组合；（b）“BMPs + EBTs”情景：农业最佳管理实践和环境与生物工程磷回收技术组合；（c）“BMPs only”情景中污水处理相关过程的磷年通量；（d）“BMPs + EBTs”情景中污水处理相关过程的磷年通量。图中单位为吨磷当量每年。

目前农业最佳管理实践（BMPs）和环境与生物工程技术（EBTs）对流域“粮食-能源-水”协同调控作用尚未明晰。该研究在两种情景下（1. “BMPs only”情景；2. “BMPs + EBTs”情景）分别用多目标优化算法寻找最优组合，研究发现工程技术和农业管理实践的结合有助于同时提升水质、作物产量、系统经济、磷回收潜力，阐明了分布式农业管理实践（包含冬季覆盖作物、植被过滤带、减少肥料用量、土地利用变化(能源作物)组合） + 污水处理厂强化生物除磷工程技术 + 玉米生物提炼厂磷回收工程技术的多措施优化组合方案对实现“粮食-能源-水”多目标协同优化的调控作用（图3）。

需要特别提及的是，在各种应用于美国玉米带流域的BMPs（如冬季覆盖作物、植被过滤带、减少肥料用量、种植能源作物），若只考虑不同BMPs组合，则高达19%的农作物（玉米和大豆）土地利用面积需要被生物质能源草本作物替代，这是不现实的。而使用BMPs与EBTs措施组合只需4%的土地利用面积变化，相比而言可行性较高。

图3. 农业最佳管理实践（BMPs）和环境与生物工程磷回收技术（EBTs）对流域系统的协同调控作用结果。蓝线代表只考虑分布式农业最佳管理实践组合的帕累托最优解，绿线代表考虑综合考虑分布式农业最佳管理实践和环境与生物工程磷回收技术组合的帕累托最优解。值越低代表该维度的效益越好。

研究团队

本论文第一作者为我院李少斌副教授，通讯作者为伊利诺伊大学香槟分校Ximing Cai教授，共同作者包括伊利诺伊大学香槟分校Roland Cusick, Vijay Singh, Gregory McIsaac等人，以及美国农业部Benjamin Gramig研究员、农业流域研究所Steve John主任，该研究获得了美国国家科学基金会（INFEWS/T1 Grant#1739788）资助。

论文来源

Li, S., Cai, X.,* Niroula, S., Wallington, K., Gramig, B., Cusick, R., Singh, V., McIsaac, G., Oh, S., Kurambhatti, C., Emaminejad, A., John, S., 2023. “Integrated agricultural practices and engineering technologies enhance synergies of food-energy-water systems in Corn Belt Watersheds.” Environmental Science & Technology, https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.3c02055

文、图 | 李少斌

责任编辑 | 李少斌

排版 | 曾鹏