文：回溯档案

编辑：回溯档案

农业对全世界的水污染做出了很大贡献，虽然由于监管政策，点源污染者减少了负荷，但对农业等非点源污染的控制主要基于自愿参与，而测量田间地块的养分径流更加困难，这就使减少养分径流的有效激励措施的设计复杂化。

所以减少气候排放和增加耕地土壤中的碳固存需要新的有效措施，同时也要促进减少养分负荷和温室气体排放的措施包括，而作物轮作有很大可能促进水质和相对于单一栽培的气候目标。

豆类在作物轮作中的气候和水效益与豆类从空气中生物固定氮的能力密切相关，豆类利用这种固定氮进行自身生长，部分固定氮在收获豆科植物后作为残余氮留在田间。

因此，豆类通过两种机制减少施肥来减少养分径流和气候排放：豆科植物种植期间的生物固氮和后续作物产生的残留氮，此外，施肥的减少也减少了与肥料制造和使用相关的温室气体排放。

因为矿物肥料是用能源密集型哈伯-博世方法生产的，需要不可再生的自然资源，在许多研究中，发现与非豆类物种相比，豆类可以减少温室气体排放。

到目前为止，只有少数研究从经济角度关注作物轮作对养分负荷或气候效益的影响，但养分和气候政策在指导未来种植方面发挥着越来越大的作用，同时得出了瑞典和德国的气候和水效应以及作物轮作的毛利率。

利用专业知识来生成和评估轮作，并在实践中测试所选择的轮作，他们得出结论，包括豆类在内的种植系统具有较低的硝态氮径流和一氧化二氮排放比没有豆类的系统，豆类的毛利率往往较低，但饲料豆类表现良好。

在不同的国家使用相同的方法，获得了类似的结果，仅考虑气候，豆类减少温室气体排放的能力在法国的单独研究中被提出为2.5 MtCO2-当量/年，成本为 43 欧元/吨二氧化碳2-eq ， 或 0.9 MtCO2-当量/年，成本为 19 欧元/吨二氧化碳2-eq 。

农艺设置

在这里，我们将作物序列定义为“连续种植的两到三种作物的时间序列”，将作物轮作定义为“通常至少三年的固定周期性作物序列，专门设计用于平衡所包含作物的不同农艺特征，整个研究中，我们使用术语轮作来表示下面定义的作物序列是重复的。

在北方农业条件下，一年相当于一个生长季节或在一个日历年内生产一种作物，耕地被认为是同质的，允许我们使用强度，而所研究的作物轮作，三到四年用于生产谷类作物。

即小麦、大麦或燕麦，一到两年用于种植豆类，即红三叶草或豌豆-马豆混合物，这些是芬兰作物轮作中最常用的豆类，豆科植物年数是根据推荐的连续栽培年数和休息年数选择的每个承诺的农民都有义务制定2020年的作物轮作计划。

研究单一栽培是为了与作物轮作进行比较，也因为尽管作物轮作变得越来越普遍，但芬兰仍在实行单一栽培，而现在轮作面积占芬兰耕地总面积的2009%，而三叶草青贮饲料总面积为84000公顷。

我们通过整个序列中产生的作物来表征每次轮作，因此，我们使用三叶草-小麦来指代轮作小麦-小麦-红三叶草-草-红三叶草-草-小麦（其他类似），同时还检查了每种谷类作物的单一栽培。

在谷物单一栽培下，只有一个产量响应函数，y我需要描述产量，但是，由于豆类固氮，必须为作物轮作制定四种不同的规格，豆类能够与根瘤菌共生，将空气中的氮固定下来。

豆类利用这种固定的氮进行自身生长，作为回报，为细菌提供营养，残氮是指在田间根系和收获后残留物中留下的生物固定氮，残余氮可用于替代矿物肥料，从而抵消了豆科植物种植后对氮肥的需求。

养分径流和温室气体排放

我们在这里假设在田野和水道之间建立的缓冲带，以便将私人和社会最优与当前的AES政策进行比较，我们将缓冲条表示为田间宗地面积的份额，并用m表示。

缓冲带通过两种机制减少养分负荷：它们根本不受精，并且它们有能力固定地表径流中的一些养分，缓冲带是永久性的草覆盖区域，它们还将碳封存在土壤中，提供气候协同效益，作为负面影响，缓冲带降低了每公顷的产量和利润，因为缓冲区没有耕种。

衍生物表明，使用矿物肥料以增加的方式增加养分径流，而增加缓冲带面积以减少的方式减少径流，我们假设生物固定氮与矿物氮一样容易径流，养分负荷损伤用凸损伤函数d我。

气候影响包括使用机械、肥料制造和施用产生的排放，以及土壤的排放，不同年份的肥料强度不同，因此排放量也不同，让ε转移用于温室气体排放的肥料单位，X 我 表示机械的排放，S 我 表示土壤排放。

缓冲带通过将碳封存在多年生草和花朵的根部来提供气候效益，这些好处与缓冲带面积呈线性关系，并表示为βm，因此，每个宗地的温室气体排放量表示为缓冲带面积和施肥的函数。

用于模拟的农艺数据

我们的数据基于芬兰西南部的生长条件，针对该地区的田间试验校准了养分径流函数，并从中得出了产量响应函数，敏感性分析中的统计降水数据也来自芬兰西南部，作物通过常规耕作在粘土上种植。

对于产量响应，我们对小麦、大麦、燕麦和豌豆-马豆混合物使用氮响应函数，对红三叶草-草混合物使用二次氮响应函数，我们假设豆科植物后种植的作物产量增加15%（通常定义为作物前效应或轮作效应）。

残余氮的量是模型的核心，生物固定氮减少了豆科植物种植年和下一年对矿物肥料的需求，我们从红三叶草-草混合物以及豌豆-马豆混合物中获取残余氮。

环境影响和社会福利

氮径流量和温室气体排放量，以及社会最优下的私人利润和社会福利，不同作物的肥料强度和缓冲带的大小差异很大，与豆类轮作相比，谷物单一栽培的缓冲条更宽是由于更高的养分径流和温室气体排放，以及缓冲条螯合一氧化碳的能力并减少养分径流。

与谷类作物单一栽培相比，平均肥料强度随作物轮作而降低，这与文献一致，因为这里的豆类只受精一点或根本没有受精，实际上，在所研究的所有三种政策制度中，豆类的受精量在0至30公斤N/ha之间变化。

红三叶草平均残氮量为33.5公斤/公顷，豌豆-马豆平均残氮量为12公斤/公顷，这些值在文献中提供的估计范围内，在芬兰条件下使用25公斤/公顷的豆类和30公斤/公顷的三叶草。

芬兰的平均残余氮量估计为40千克牛/公顷，同时报告了可忽略不计的残余氮，他们估计富含三叶草的幼秽为0至20千克/公顷。这些差异表明与残余氮的数量和估计相关的不确定性。

而红三叶草轮作的社会福利总是大大高于谷类作物单一栽培，豌豆-马豆的轮作优于单一栽培，但仅略有不同，豆类种植后的假设产量增加对盈利能力起着重要作用，豆类施肥成本低的事实强化了这一点

作为蛋白质来源，国产豆类可用于替代更昂贵的进口大豆饲料，然而，红三叶草（用作青贮饲料）的盈利能力取决于拥有足够数量的牲畜，这使得结果具有区域性。

我们将在本节末尾从市场价格的角度在敏感性分析和结论中更详细地讨论豆类的盈利能力，模拟表明，改变利率（低于或高于使用的5%）不会影响轮作还是单一栽培，然而，与单一栽培相比，提高利率会降低作物轮作的经济性能，反之亦然。

灵敏度分析

农民在单一栽培和作物轮作之间的选择取决于相对价格和产量，而社会也考虑温室气体排放和养分径流，我们简要讨论了相对价格的影响，并消除了豆科植物种植后假设的15%产量增加，并更详细地研究了随机天气（降水）如何影响产量和氮径流。

当农民面临的持续存在的风险时，产量风险与收入和环境影响最直接相关，产量损失被建模为2月下旬和3月成熟和收获期间降水增加造成的损失，暴雨对正在生长的庄稼造成损害或阻碍高质量的收成。

降水减少被认为与雨养芬兰农业无关，我们使用蒙特卡罗模拟和Excel中的RISK来检查随机降水对产量和氮径流的影响，在线资源提供了敏感性分析的详细信息，报告了大麦单作和三叶草-大麦轮作的结果。

结论

我们从经济和环境角度研究了豆类的作物轮作，并将其与传统的谷物单一栽培种植进行了比较，虽然之前已经分析过作物轮作，但我们的贡献是关注营养负荷和温室气体排放。

但我们的基准是社会最优种植，并将其与自由市场最优和芬兰AES进行了对比，所以分析证明，豆类减少了对矿物肥料的需求，并通过残余氮在生产年份之间建立了跨期联系。

因此，实际利率在投入的选择中起着重要作用，最佳的农业环境政策需要使用化肥税和缓冲带补贴。

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