mini综述 | 农业规模化背景下的种养结合研究
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文献分享
2022.12.12
农业规模化背景下的种养结合研究
文献分述
伴随着人口持续增长以及人均食物需求量的增加，中国面临粮食安全威胁。为了生产更多的粮食和饲料，中国消耗了全球近1/3的肥料和农药等资源，带来严重的农业面源污染问题，种植业和养殖业的污染已经成为大气和水体污染的重要来源，生产更多的粮食同时控制农业面源污染是目前的重大挑战。相比仅种田的农户，种养结合的农户施用更少的化肥、更多的有机肥。有机肥和化肥的配合施用有利于维持土壤肥力，提高粮食产量，同时极大地降低化肥和养殖废弃物的双重流失，提高农业资源的利用效率。
我国种植与养殖之间呈现严重的纽带断裂，不仅存在于农户层面的个体经营趋向单一化的种养分离，也存在于区域层面的养殖过密造成的承载超量，造成了农业资源利用的错位。近年来我国大规模养殖场迅速发展，规模化养殖已经贡献了我国一半左右的肉蛋奶产品，而且这个比例在未来还会继续增加；就种植业而言，农业规模化同样是农业发展的历史趋势，但目前仍存在许多困难。在这种趋势下，如何完成我国养殖和种植业的转型及合作发展面临新的挑战。
【1】农场规模对过度施肥的影响：
小农户过度施肥现象在中国很普遍，通过分析1995年至2016年中国2万多户农村家庭，发现机械和知识等固定投入占总投入的比例低是导致小农户过度施肥的关键因素。低固定投入可能导致或与施肥养分不均衡、农业收入比低等因素相互作用，进一步加剧肥料过度使用。研究表明，通过将平均农场规模增加到3.8公顷来改善固定投入，不仅可以节省45%的肥料，还可以增加16%的农业净利润，有利于农业和环境的可持续性。
Ren C, Jin S, Wu Y, et al. Fertilizer overuse in Chinese smallholders due to lack of fixed inputs[J]. Journal of Environmental Management, 2021, 293: 112913.
https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.112913
【2】我国农业规模化的空间潜力：
研究阐明了通过空间规模化实现粮食安全与环境保护协同的新机制。通过空间统计分析发现，我国有86%的耕地是连片的，有潜力将经营规模提升到16公顷也就是240亩以上。这些农田主要分布在东北平原、华北平原、长江中下游平原和四川盆地。经测算，实现农业规模化经营将带来环境和社会的双重效益。如果我国86%的地区都实现了规模化经营，那么我国农田加权平均的氮肥投入量将减少42%，有机肥施用增加17%，农田总氮投入量降低24%，氮素利用率增加18%，同时不会显著降低作物产量。这将在保障粮食安全的同时减少43%的氮素流失，为解决农业面源污染提供了可行路径。而且，规模化之后农民的技能会提升近60%，机械使用将增加90%以上，但是单位农田面积的机械成本却下降了近50%。这意味着未来农民会在耕地规模扩大之后提高农业经营的现代化水平。
Duan J, Ren C, Wang S, et al. Consolidation of agricultural land can contribute to agricultural sustainability in China[J]. Nature Food, 2021, 2(12): 1014-1022.
https://doi.org/10.1038/s43016-021-00415-5
Zhang C, Liu S, Wu S, et al. Rebuilding the linkage between livestock and cropland to mitigate agricultural pollution in China[J]. Resources, Conservation and Recycling, 2019, 144: 65-73.
【3】通过城市化实现农业规模化：
城市化常常被认为是对粮食安全的威胁，因为它可能减少耕地的供应。研究利用空间统计和情景分析表明，假如城市化率从2015年的56%增长到2050年的80%，那么中国将净释放580万公顷的农村土地用于农业生产，这相当于中国2015年耕地总面积的4.1%。即使考虑到这些新增耕地的土地肥力一开始可能较低，到2050年粮食产量仍将比2015年增长3.1-4.2%。此外，随着农村的土地释放和人口减少，耕地破碎化程度会大幅度减小，有利于规模化农业的发展和环境保护。为了实现这一目标，必须采取城乡统筹发展的方式，复垦废弃的农村建设用地。这一发现为对城市化和粮食安全的关系提供了新见解，对全球正在经历快速城市化的地区具有重要的政策意义。
Wang S, Bai X, Zhang X, et al. Urbanization can benefit agricultural production with large-scale farming in China[J]. Nature Food, 2021, 2(3): 183-191.
https://doi.org/10.1038/s43016-021-00228-6
【4】新型经营主体对农业生产的影响：
中国的农业以小农为主，小农户已成为富营养化、雾霾形成、土壤酸化和温室气体排放等负面环境影响的主要来源。为了减轻这些环境影响，近年来出现了新的农业模式，包括家庭农场、合作社、工业化种植。研究通过太湖流域试点农业案例，发现替代农业模式的作物产量提高了7%，肥料施用量减少了8%，每公顷污染物排放量减少了28%，肥料使用效率提高了17%，每公顷的利润提高了50%。与小农相比，这些替代农业在农业设施（包括先进机械）上的资源投入多了27%，并且由于农场规模更大，专业化程度更高，劳动力更年轻，受过更好的教育，大大提高了肥料使用效率，减少了农业污染。支持和促进采用这些耕作模式的政策安排将进一步促进农业生产的绿色发展和可持续集约化。
Yu Y, Hu Y, Gu B, et al. Reforming smallholder farms to mitigate agricultural pollution[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2022, 29(10): 13869-13880.
https://doi.org/10.1007/s11356-021-16610-7
【5】种养结合调控机制：
研究指出， 1986-2017年来我国农村种植业和养殖业结合的家庭比例从71%大幅下降至12%，仅耕种家庭从26%增加到57%，饲养耕畜的家庭仅占到5%，种养分离将带来化肥和有机肥流失的双重污染。
在农业和养殖规模化不断发展的大趋势下，在区域层面上实现种养结合将变得极其重要。未来养殖业的发展需要遵循“以地定养”的基本准则，同时通过土地流转制度或土地权属制度改革等政策调控，以及确定最佳农场规模、饲养场和作物结构分布的技术手段，促进区域范围内的畜牧业和农田再耦合。
Jin S, Zhang B, Wu B, et al. Decoupling livestock and crop production at the household level in China[J]. Nature sustainability, 2021, 4(1): 48-55.
https://doi.org/10.1038/s41893-020-00596-0
Gu Baojing*. Recoupling livestock and crops. Nature Food, 2022, 3, 102-103.
（1）提出了一个基于人口密度和畜禽养殖密度被划分成四个象限的全球框架。这一框架有助于确定营养累积和营养耗竭的区域。该研究认为有两种潜在的解决方案，即(1) 有效控制粪便和排泄物从更高密度（人口和牲畜）的地区回流到低密度的地区；(2) 将畜牧业生产从高密度地区转移到低密度地区
VERSTAND D, VELLINGA T, POPPE K. MANURE AND METROPOLES---A GLOBAL FRAMEWORK FOR NUTRIENT CYCLING IN FOOD SYSTEMS[J]. Frontiers of Agricultural Science and Engineering, 2021, 8(1): 182-187.
（2）流域尺度的种养结合研究。将NUFER模型和MARINA模型耦合，从多尺度分析不同动物类型对长江流域溶解无机氮(DIN)输入量的影响，并探索基于种养结合来减少DIN输入的优化措施。
Chen X, Wang M, Kroeze C, et al. Nitrogen in the Yangtze River Basin: Pollution Reduction through Coupling Crop and Livestock Production[J]. Environmental Science & Technology, 2022.
（3）全国尺度的种养结合研究。分析了中国2300个县的牲畜和人口数据，以预测不同牲畜分布对氮排放的影响。文章表明，2012年中国近一半的畜牧业生产发生在城市周边地区，使60%的人口暴露在超过联合国标准的氨排放中。文章设置了五种情景，分别探讨了不同情景对牲畜密度、NH 3 排放强度和河道氮损失的影响。
Bai Z, Fan X, Jin X, et al. Relocate 10 billion livestock to reduce harmful nitrogen pollution exposure for 90% of China’s population[J]. Nature Food, 2022, 3(2): 152-160.
个人思考
尽管规模化养殖场的畜牧生产大幅增加，但小农户仍需在畜产品供应中发挥重要作用，作物生产也仍然以小农为主，且其农田面积远小于最佳农田面积。应鼓励农业规模化生产，采取在最小单元实现以地定养的思路，根据农田分布及其农场规模重新安置牲畜，形成地方到区域层面的养分循环。
种养结合的实施难点在于需要多个利益攸关方参与，包括农田农民、畜牧农民、政府、企业和科学家。涉及政策制定（粪便回收补贴、针对小规模农场的激励措施、种养结合系统的环境控制标准等）、技术手段（优化粪污处理措施、适合小农经济的绿色设施）、经济基础（形成商业服务、贸易产业）、科学基础（考虑粮食安全、水环境、大气环境乃至土壤环境各方面影响的种养结合模式研究）等各个方面。未来还需与产业发展相结合，加快实现农业和环境可持续性进程。
分享人介绍
张宇涵，2022级硕士生
研究方向：流域非点源污染与水环境修复
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张宇涵 | 供稿
张宇涵 | 编辑
陈磊 | 审核
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流域面源污染控制与水环境修复
陈磊
团队负责人
本公众号由北京师范大学面源污染团队运营，重点分享水利工程、环境科学与工程、生态工程、环境系统工程等领域的学术前沿、科普知识，特别是创建了科学家分享系列《失败集》和文献俱乐部；荣获2020年全国百强学术公众号。
团队负责人陈磊，教授，博士生导师，第五批中组部“万人计划”青年拔尖人才获得者，流域非点源污染过程学科团队负责人（2017-2020）。中国水利学会、中国环境科学学会水环境分会、国际水学会（IWA）、中国地理学会理事。主要从事流域非点源污染模拟与控制、水环境模拟与修复、海绵城市机理及设计、流域综合管理等领域研究，在非点源污染过程机理、核算模型和防控模式等方面取得多项关键突破。发表学术论文130余篇，其中在Water Research、Water Resources Research、Journal of Hydrology等权威期刊发表第一/通讯作者SCI检索论文64篇，出版学术专著3部，授权软著/专利10项，获省部级奖励3项。担任Journal of Hydrology等多个国际期刊副主编/客座主编，组织首届大江大河生态保护与修复研讨会、SWAT2016等重要会议，为30余个本领域顶级刊物提供审稿服务，取得了一定的国际影响力。
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