馬 林, 馬文奇, 張福鎖, 柏兆海, 侯 勇

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中國食物鏈養(yǎng)分流動與管理研究*

馬 林1, 馬文奇2, 張福鎖3, 柏兆海1, 侯 勇3

(1. 中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國科學院農(nóng)業(yè)水資源重點實驗室/河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點實驗室 石家莊 050022; 2. 河北農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院 保定 071000; 3. 中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院/教育部植物–土壤相互作用重點實驗室 北京 100193)

為尋求食物生產(chǎn)與消費系統(tǒng)中糧食安全、資源高效和環(huán)境友好的協(xié)調(diào)和農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展途徑, 研究團隊構(gòu)建了“土壤-作物-畜牧-家庭-環(huán)境”(簡稱食物鏈系統(tǒng))研究體系, 運用物質(zhì)流動和養(yǎng)分代謝理論方法創(chuàng)立了養(yǎng)分流動模型, 深入研究了該系統(tǒng)養(yǎng)分流動規(guī)律及調(diào)控機理, 經(jīng)過近十多年系統(tǒng)研究, 獲得結(jié)果如下: (1)提出食物鏈養(yǎng)分流動金字塔概念模型, 創(chuàng)建了食物鏈系統(tǒng)養(yǎng)分流動模型。通過分析養(yǎng)分在“土壤-作物-畜牧-家庭-環(huán)境”系統(tǒng)的行為特征, 發(fā)現(xiàn)養(yǎng)分從“土壤-作物-畜牧”向“家庭”的流動呈金字塔狀, 其形狀決定了系統(tǒng)生產(chǎn)力、養(yǎng)分效率和環(huán)境效應(yīng)。處于金字塔頂端的“家庭”消費驅(qū)動了系統(tǒng)養(yǎng)分流動, 決定了養(yǎng)分效率; “土壤-作物-畜牧”位于金字塔底層, 支撐頂層“家庭”消費, 決定了系統(tǒng)養(yǎng)分通量, 也是養(yǎng)分調(diào)控的核心。在此基礎(chǔ)上, 開發(fā)了食物系統(tǒng)養(yǎng)分流動模型——UFER, 構(gòu)建了參數(shù)體系, 實現(xiàn)了國家和區(qū)域尺度食物鏈氮磷流量、利用效率和環(huán)境排放的定量分析。(2)揭示了食物鏈系統(tǒng)氮磷養(yǎng)分流量、利用效率及其資源環(huán)境代價的時空變化特征。闡明了我國土壤-作物系統(tǒng)、農(nóng)牧系統(tǒng)和整個食物鏈系統(tǒng)氮磷養(yǎng)分流量、養(yǎng)分效率和環(huán)境排放的時空分異特征; 明確了土壤作物、畜牧和家庭各子系統(tǒng)對整個食物鏈養(yǎng)分環(huán)境排放的貢獻; 提出了食物氮(磷)代價概念, 發(fā)現(xiàn)我國食物生產(chǎn)和消費的資源環(huán)境代價增速很快, 已遠遠超過發(fā)達國家。(3)明確了食物鏈系統(tǒng)養(yǎng)分流動的驅(qū)動因素, 闡明了提高養(yǎng)分效率和降低環(huán)境排放的調(diào)控機理。明確了決定食物鏈系統(tǒng)養(yǎng)分效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié), 發(fā)現(xiàn)城鎮(zhèn)化、食物結(jié)構(gòu)變化和畜牧業(yè)發(fā)展是食物鏈養(yǎng)分流動加速的主要驅(qū)動因子; 闡明了增加糧食和飼料進口、優(yōu)化膳食結(jié)構(gòu)和改善農(nóng)牧業(yè)養(yǎng)分管理技術(shù)等對食物鏈系統(tǒng)優(yōu)化的效應(yīng)及作用機制。發(fā)現(xiàn)農(nóng)牧結(jié)合和糞尿資源化利用是大幅度減少化肥需求和環(huán)境排放的關(guān)鍵途徑, 是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展和食物鏈養(yǎng)分優(yōu)化管理的重要突破口。

農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展; 養(yǎng)分資源管理; NUFER模型; 食物鏈系統(tǒng); 氮循環(huán); 磷循環(huán); 面源污染

農(nóng)業(yè)的本質(zhì)就是人類不斷地“耕作地球”。在人類食物需求的拉動下, 高投入高產(chǎn)出的集約化農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)為全球特別是我國糧食安全和國民營養(yǎng)改善做出了巨大的歷史性貢獻, 但也帶來嚴重的資源環(huán)境問題。受人口增加、經(jīng)濟發(fā)展、城鎮(zhèn)化、膳食結(jié)構(gòu)改善等驅(qū)動, 農(nóng)牧業(yè)集約化程度快速提高, 化肥過量施用、農(nóng)牧分離和畜禽糞尿循環(huán)率下降等越來越嚴重, 由此帶來的食物生產(chǎn)與環(huán)境保護的矛盾日益加劇[1-5]。因此, 定量糧食安全、資源利用和環(huán)境影響的關(guān)系并闡明調(diào)控機理成為重要科學命題[6-7]。近年來, 探索農(nóng)業(yè)和食物系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展和農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展之路, 正成為聯(lián)合國、各國政要和科學家關(guān)注的重要命題[8]。營養(yǎng)物質(zhì)即養(yǎng)分作為比較容易定量的載體, 其在土壤-作物-畜牧-家庭-環(huán)境系統(tǒng)(即食物鏈系統(tǒng))的流量和去向, 不僅直接影響農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)系統(tǒng)的生產(chǎn)力, 也關(guān)系到農(nóng)業(yè)資源的利用效率和環(huán)境質(zhì)量, 還關(guān)乎到人體健康。因此, 定量食物鏈體系養(yǎng)分行為就成為探求農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展和食物系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展策略的重要突破口。

研究團隊近年來對食物鏈和農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分管理進行了系統(tǒng)的研究, 主要學術(shù)發(fā)現(xiàn)包括以下幾方面: (1)以食物鏈系統(tǒng)為研究對象, 以養(yǎng)分為定量載體, 利用物質(zhì)流和養(yǎng)分代謝等理論和方法, 從新的解析視角構(gòu)建了食物鏈和農(nóng)牧系統(tǒng)研究體系, 創(chuàng)立了“土壤-作物-畜牧-家庭-環(huán)境”食物鏈養(yǎng)分流動模型, 開發(fā)了新的研究工具; (2)進一步揭示了食物鏈系統(tǒng)氮磷養(yǎng)分流量、利用效率和資源環(huán)境代價的時空特征, 明確了作物、畜牧和家庭子系統(tǒng)對食物鏈養(yǎng)分環(huán)境排放的貢獻; (3)在協(xié)同糧食安全、資源高效和環(huán)境可持續(xù)的前提下, 通過模型和情景分析等手段, 系統(tǒng)闡明了食物鏈養(yǎng)分流動的驅(qū)動因素及提高養(yǎng)分效率和降低環(huán)境排放的調(diào)控機理(圖1)。

圖1 食物鏈和農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分管理主要學術(shù)發(fā)現(xiàn)

1 提出了食物鏈養(yǎng)分流動金字塔理論, 構(gòu)建了食物鏈和農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分流動模型

針對當今國際上食物生產(chǎn)和消費系統(tǒng)養(yǎng)分流動研究的空白, 我們通過分析養(yǎng)分在“土壤-作物-畜牧-家庭-環(huán)境”系統(tǒng)的行為特征, 發(fā)現(xiàn)養(yǎng)分從“土壤-作物-畜牧”向“家庭”的流動呈金字塔狀, 其形狀決定了系統(tǒng)的生產(chǎn)力、養(yǎng)分效率和環(huán)境效應(yīng), 提出了食物鏈養(yǎng)分流動金字塔理論。發(fā)現(xiàn)處于金字塔頂端的“家庭”消費驅(qū)動了系統(tǒng)的養(yǎng)分流動, 決定了養(yǎng)分效率; “土壤-作物-畜牧”位于食物養(yǎng)分金字塔底層, 支撐頂層“家庭”消費, 決定了系統(tǒng)養(yǎng)分通量, 也是養(yǎng)分調(diào)控的核心[9]。此外, 我們建立了一個覆蓋全國主要區(qū)域(20多家科研院校參加)的食物鏈和農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分管理研究協(xié)作網(wǎng), 開展了多學科交叉聯(lián)網(wǎng)研究。

經(jīng)過十多年的逐步發(fā)展和完善, 構(gòu)建了食物鏈系統(tǒng)養(yǎng)分流動模型(NUFER: NUtrient flows in Food chains, Environment and Resources use), 提出了食物鏈養(yǎng)分評價指標體系。模型第1版(CNFC)已獲國家著作權(quán)登記。模型發(fā)展版相繼發(fā)表在國際學術(shù)期刊《Journal of Environmental Quality》和《Environmental Science & Technology》[9-10]。模型邊界為食物鏈系統(tǒng)即食物生產(chǎn)與消費系統(tǒng), 包括作物生產(chǎn)子系統(tǒng)、畜牧生產(chǎn)子系統(tǒng)、食品加工子系統(tǒng)和家庭消費子系統(tǒng)(圖2)。模型實現(xiàn)了國家和區(qū)域尺度食物鏈氮磷流量、利用效率和環(huán)境排放的定量分析, 為協(xié)調(diào)食物安全、資源利用和區(qū)域環(huán)境的關(guān)系, 實現(xiàn)農(nóng)業(yè)和食物系統(tǒng)可持續(xù)和綠色發(fā)展提供了新思路和新方法。

2 揭示了食物鏈系統(tǒng)氮磷養(yǎng)分流量、利用效率及其資源環(huán)境代價的時空變化特征

2.1 闡明了我國土壤-作物系統(tǒng)、農(nóng)牧系統(tǒng)和整個食物鏈系統(tǒng)氮磷養(yǎng)分流動、養(yǎng)分效率和環(huán)境排放的時空變化特征

20世紀末我國農(nóng)牧業(yè)系統(tǒng)開始向集約化轉(zhuǎn)型, 帶來了化肥用量快速增長、集約化畜牧業(yè)飛速發(fā)展、畜禽糞尿管理滯后等問題, 而其對土壤、水體和大氣環(huán)境的影響重視不夠, 更缺乏養(yǎng)分效率、養(yǎng)分流動及其環(huán)境排放的定量研究。我們通過模型分析發(fā)現(xiàn), 我國土壤-作物系統(tǒng)氮利用效率從1980年的32%降低到2005年的26%, 而畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)的氮利用效率增加了1倍, 整個食物鏈系統(tǒng)氮利用效率從16%大幅度降低到9%。1980—2005年期間, 土壤-作物系統(tǒng)、農(nóng)牧系統(tǒng)和食物鏈系統(tǒng)磷利用效率的變化趨勢與氮基本一致, 分別降低61%、增加6%和降低了63%。食物鏈系統(tǒng)的總氮磷損失都呈快速增加趨勢, 1980年土壤-作物系統(tǒng)的氮損失為940萬t, 而2005年則達到2 700萬 t, 增加了近2倍; 畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)氮損失增加了近4倍; 食物鏈系統(tǒng)氮損失約擴大了2倍。磷損失歷史變化規(guī)律與氮基本一致, 但是顯著區(qū)別于氮損失的是1980年畜禽養(yǎng)殖體系基本不存在磷損失, 而2005年損失量則達210萬t(折純磷, 下同)。該結(jié)果揭示了我國食物鏈系統(tǒng)氮磷養(yǎng)分利用效率較低且持續(xù)下降、氮磷損失高且持續(xù)增加的歷史演變規(guī)律, 加深了對食物生產(chǎn)與環(huán)境效應(yīng)之間定量關(guān)系的理解[11-13]。

圖2 “土壤-作物-畜牧-家庭-環(huán)境”食物鏈養(yǎng)分流動模型示意圖[9]

同時利用模型揭示了區(qū)域尺度食物鏈系統(tǒng)氮磷利用效率和損失的空間分異特征。研究表明氮磷高環(huán)境排放區(qū)域集中在華北平原、長江三角洲和珠江三角洲等都市圈及其周邊主要農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)區(qū), 其主要原因是農(nóng)田化肥過量施用和農(nóng)牧系統(tǒng)分離的生產(chǎn)體系導致的大量糞尿養(yǎng)分未被循環(huán)利用。該研究的啟示是都市化的快速發(fā)展正在改變著農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的氮磷養(yǎng)分流動[11,14]。

2.2 明確了土壤-作物、畜牧和家庭各子系統(tǒng)對整個食物鏈系統(tǒng)養(yǎng)分環(huán)境排放的貢獻

通過模型進一步明確了食物鏈各子系統(tǒng)對氮磷環(huán)境排放的貢獻, 發(fā)現(xiàn)2005年土壤作物系統(tǒng)是食物鏈氮氣體損失的第1大排放源, 占總損失的68%; 而畜禽養(yǎng)殖體系為第2大排放源, 占總損失的27%。對于氮的水體損失而言, 土壤-作物系統(tǒng)貢獻率下降到56%, 但仍為最大排放源; 而畜禽養(yǎng)殖的貢獻率增加到33%。磷水體損失規(guī)律與氮損失規(guī)律相反, 畜禽養(yǎng)殖占總磷水體損失的68%, 為最大排放源; 其次為土壤-作物體系, 占15%; 其他如家庭消費和食品加工也占較大比例[9,15]。該結(jié)果可用于識別食物鏈氮磷損失的關(guān)鍵環(huán)節(jié), 為可持續(xù)食物鏈系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的優(yōu)化設(shè)計提供科學依據(jù)[9,15]。

2.3 提出了食物鏈氮(磷)代價的概念, 發(fā)現(xiàn)我國食物生產(chǎn)和消費的資源環(huán)境代價增速很快

我們首次提出了食物氮(磷)代價, 其定義為人類消費1 kg食物氮(磷), 在農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)需要投入的氮(磷)數(shù)量, 該指標可以作為綜合評價食物鏈氮磷流動的指標。分析表明, 1980—2005年我國食物氮代價從6 kg?kg-1增加到11 kg?kg-1, 食物磷代價從5 kg?kg-1增加到13 kg?kg-1, 同時我國食物氮磷代價也顯著高于國際發(fā)達國家水平[9,11,16]。在食物消費拉動下, 2005年人均化肥、飼料、食物氮素消費量分別為1980年的2.1倍、2.2倍和1.3倍, 這是導致我國食物氮代價增加的主要原因。該結(jié)果對調(diào)控我國食物鏈系統(tǒng)養(yǎng)分流動, 降低單位食品生產(chǎn)和消費的資源代價和生態(tài)足跡具有重要意義[9,11,16]。

3 明確了食物鏈系統(tǒng)養(yǎng)分流動的驅(qū)動因素, 闡明了提高養(yǎng)分效率和降低環(huán)境排放的調(diào)控機理

3.1 明確了決定食物鏈系統(tǒng)養(yǎng)分效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié), 發(fā)現(xiàn)城鎮(zhèn)化、食物結(jié)構(gòu)變化和畜牧業(yè)發(fā)展是食物鏈養(yǎng)分流動加速的主要驅(qū)動因子

我們通過敏感性分析明確了改善食物鏈系統(tǒng)養(yǎng)分效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。針對三大作物生產(chǎn)和消費鏈條的分析表明, 不同作物體系氮磷養(yǎng)分利用效率的關(guān)鍵調(diào)控環(huán)節(jié)存在較大差異。其中, 玉米生產(chǎn)環(huán)節(jié)氮肥利用效率(RE)、玉米口糧比例(GUP)和畜禽養(yǎng)殖環(huán)節(jié)氮效率(ANU)每增加5%, 生產(chǎn)鏈條的氮利用消費將提高20%~25%, 因此是調(diào)控玉米氮利用效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。但是對于小麥和水稻而言, 提高肥料氮磷利用效率(RE+FRE)以及增加食品加工環(huán)節(jié)效率(PND和PPD)是調(diào)控氮磷效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。氮磷養(yǎng)分利用效率調(diào)控的關(guān)鍵環(huán)節(jié)識別可為食物鏈氮磷養(yǎng)分利用增效提供重要依據(jù)[17-18]。

基于NUFER模型的定量分析, 明確了我國食物鏈氮磷養(yǎng)分投入與損失的歷史變化和主要驅(qū)動因子。結(jié)果表明人口增長和人均食品消費量增加是食物鏈養(yǎng)分流動和氮磷損失加速的主要驅(qū)動力[19]; 進一步針對城鎮(zhèn)人口食品消費的驅(qū)動因子分析表明, 城鎮(zhèn)人口增加貢獻了城鎮(zhèn)食品消費增長的62%~72%, 城鎮(zhèn)人口食物結(jié)構(gòu)變化(即動物性食品消費增加)的貢獻率為20%~30%[19]。該結(jié)果進一步驗證了都市圈是優(yōu)化食物鏈養(yǎng)分管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一, 也說明膳食結(jié)構(gòu)改善對優(yōu)化食物鏈養(yǎng)分流動具有較大潛力。

3.2 發(fā)現(xiàn)土壤-作物系統(tǒng)養(yǎng)分管理、畜禽糞尿資源化利用和農(nóng)牧結(jié)合是大幅度減少化肥需求和氮磷環(huán)境排放的關(guān)鍵途徑

我們定量了中國在2030年人口達到高峰時, 膳食結(jié)構(gòu)改變對口糧和飼料糧需求的影響, 證明了土壤-作物系統(tǒng)綜合管理技術(shù)實現(xiàn)80%, 可以滿足三大糧食作物的需求, 同時減少養(yǎng)分環(huán)境排放大約30%和提高養(yǎng)分利用效率30%~50%。以生豬生產(chǎn)為例, 定量了畜禽糞尿資源化利用和農(nóng)牧結(jié)合程度對系統(tǒng)養(yǎng)分利用效率和去向的影響。情景分析結(jié)果表明, 如果不做任何改變, 2030年生豬養(yǎng)殖體系氮和磷環(huán)境排放較2010年將分別增加25%和55%; 通過改善糞尿管理、生豬種群管理以及優(yōu)化飼料結(jié)構(gòu)和精準喂養(yǎng), 2030年我國生豬養(yǎng)殖的總氮和總磷損失可分別降低64%和95%[13]。說明土壤-作物系統(tǒng)養(yǎng)分管理、畜禽糞尿資源化利用和農(nóng)牧結(jié)合是大幅度減少化肥需求和氮磷環(huán)境排放的關(guān)鍵途徑。

3.3 闡明了增加糧食和飼料進口、優(yōu)化膳食結(jié)構(gòu)和改善農(nóng)牧業(yè)養(yǎng)分管理技術(shù)等對食物鏈系統(tǒng)優(yōu)化的效應(yīng)及作用機制, 為實現(xiàn)優(yōu)化食物鏈養(yǎng)分管理找到了突破口

利用NUFER模型開展情景分析, 闡明了增加糧食和飼料進口、優(yōu)化膳食結(jié)構(gòu)和改善農(nóng)田和畜牧業(yè)養(yǎng)分管理技術(shù)等策略對食物鏈養(yǎng)分需求、流量、去向和效率的影響。結(jié)果表明: 如果不轉(zhuǎn)變當前的農(nóng)牧分離生產(chǎn)方式和食物消費模式, 與2010年相比, 2030年食物鏈氮和磷養(yǎng)分環(huán)境排放將分別增加44%和73%, 食物鏈養(yǎng)分利用效率將持續(xù)降低; 而通過農(nóng)牧結(jié)合和養(yǎng)分資源綜合管理技術(shù), 氮肥和磷肥需求量可減少到2 500萬t和470萬t, 氮磷環(huán)境排放大幅度降低, 為實現(xiàn)優(yōu)化食物鏈養(yǎng)分管理找到了突破口[10]。

4 結(jié)論和展望

綜上所述, 經(jīng)過十多年的探索, 形成了系統(tǒng)性的研究體系和一系列的研究成果。主要科學發(fā)現(xiàn)包括: (1)提出了食物鏈養(yǎng)分流動金字塔理論, 構(gòu)建了食物鏈系統(tǒng)養(yǎng)分流動模型(NUFER), 將養(yǎng)分管理研究從農(nóng)田擴展到區(qū)域和食物鏈系統(tǒng), 為區(qū)域環(huán)境學研究和食物系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展提供了新的理論框架與研究方法。(2)定量揭示了氮磷在我國食物鏈和農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分流動特征及其對環(huán)境污染的貢獻, 加深了對養(yǎng)分行為特征及其資源環(huán)境效應(yīng)的科學認識, 為農(nóng)業(yè)和食物系統(tǒng)可持續(xù)和綠色發(fā)展找到了突破口。(3)闡明了“土壤-作物-畜牧-家庭-環(huán)境”系統(tǒng)養(yǎng)分流動的驅(qū)動因素及其作用機制, 闡明了提高養(yǎng)分效率和降低環(huán)境排放的調(diào)控機理。發(fā)現(xiàn)農(nóng)牧結(jié)合和糞尿養(yǎng)分資源化利用是大幅度減少化肥需求和氮磷環(huán)境排放的關(guān)鍵途徑, 為我國農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展、面源污染防治、化肥零增長和畜禽糞尿資源化利用等國家重大行動提供了理論依據(jù)。

目前, 系列研究成果也在養(yǎng)分資源管理研究領(lǐng)域得到應(yīng)用: (1)NUFER模型作為聯(lián)合國可持續(xù)農(nóng)業(yè)和食物系統(tǒng)項目的定量研究方法之一, 其國際應(yīng)用文章“Nitrogen flows in the food production chain of Hungary over the period 1961–2010”發(fā)表在《Nutrient Cycling in Agroecosystems》[20]。(2)NUFER模型的一個主要應(yīng)用結(jié)果發(fā)表在國際頂尖學術(shù)期刊《Nature》, 定量分析了中國實現(xiàn)三大糧食作物高產(chǎn)高效技術(shù)的資源環(huán)境效益[21]。(3)NUFER模型與全球著名的水體養(yǎng)分富營養(yǎng)化模型Global NEWS Model (Global Nutrient Export from WaterSheds)連接, 并用于農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分從陸地向水體和海洋運移的分析, 揭示了中國農(nóng)牧分離和畜禽糞尿管理不當對面源污染和海洋富營養(yǎng)化的影響[22-24]。(4)建立全國協(xié)作網(wǎng), 山西省農(nóng)業(yè)科學院、吉林農(nóng)業(yè)大學、西南大學、西南林業(yè)大學等單位研究人員運用NUFER模型對我國主要區(qū)域食物鏈養(yǎng)分流動特征進行分析, 文章發(fā)表在《中國農(nóng)業(yè)科學》、《中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報》、《農(nóng)業(yè)工程學報》等刊物[25-38]。

未來幾十年, 我國農(nóng)業(yè)發(fā)展將進入全新時期, 新時代呼喚高質(zhì)量的綠色農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型[39]。綠色高質(zhì)農(nóng)業(yè)不是簡單的綠色產(chǎn)品, 也不僅僅是綠色生產(chǎn)過程, 而是全產(chǎn)業(yè)鏈和食物鏈提質(zhì)增效的體現(xiàn)。圍繞國家需求, 立足國際前沿, 也為食物鏈養(yǎng)分管理研究提出了新的挑戰(zhàn), 未來應(yīng)針對以下幾方面進行重點研究: (1)食物鏈養(yǎng)分管理與農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展內(nèi)涵、指標體系的關(guān)系; (2)食物鏈養(yǎng)分管理模型與區(qū)域農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展限制因素分析和評價; (3)“綠色生產(chǎn)資料-綠色生產(chǎn)過程-綠色農(nóng)產(chǎn)品-綠色市場-綠色消費”全食物鏈的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)與模式設(shè)計; (4)國家和區(qū)域全面實現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的影響因素和驅(qū)動力解析及其政策設(shè)計。

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Nutrient flow and management in the food chain in China*

MA Lin1, MA Wenqi2, ZHANG Fusuo3, BAI Zhaohai1, HOU Yong3

(1. Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences / Key Laboratory of Agricultural Water Resources, Chinese Academy of Sciences / Hebei Key Laboratory of Water-Saving Agriculture, Shijiazhuang 050022, China; 2. College of Resources and Environmental Sciences, Hebei Agricultural University, Baoding 071000, China; 3. College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University / Key Laboratory of Plant-Soil Interactions, Ministry of Education, Beijing 100193, China)

In order to explore food security, high resources use efficiency and environmental friendly pathway for the coordinated and green developed agriculture in the food production and food consumption system, we constructed the “soil-crop-livestock-family-environment” (“food chain system” in short) research system. Using the material flow and metabolism theories, a nutrient flow model had been developed, and was used to evaluate the nutrient flow and control mechanisms of food chain system. After more than ten years systematic studies, the research team obtained the following main results: (1) Develop the pyramid framework for nutrient flow of the food chain, and the food chain nutrient flow model. By analyzing nutrients behavior in the “Soil-Crop-Livestock-Household-Environment” system, we found that the nutrient flow from “Soil-Crop-Livestock” to “Household” sector was in the shape of pyramid. The shape of pyramid determined the productivity, nutrient efficiency and environmental effects of the food chain system. The “Household” consumption at the top of pyramid was the driving force of nutrient flow in the whole food system, meanwhile, determined the nutrient efficiency of whole system. “Soil-Crop-Livestock” was located at the bottom of pyramid, supporting the “Household” consumption sector at the top. It determined the total nutrients flux and acted as the core of nutrients management. Based on this, the NUFER (NUtrient flows in Food chains, Environment and Resources use) was developed, the parameter set was build and quantification of nitrogen (N) and phosphorus (P) flows, use efficiencies and environmental emissions at the national and regional scales had been done. (2) Spatial and temporal analysis of N and P flows, use efficiencies and environmental costs in the food chain system. We quantified the spatial and temporal characteristics of N and P flows, efficiencies and environmental emissions in crop and animal production sector, and the whole food chain in China. We identified the contribution of nutrient losses form soil-crop system, livestock and human consumption. We also developed the concept of food N (P) cost and found that the resource and environmental costs of food production and consumption in China had increased rapidly, far exceeding the developed countries. (3) Identifying the driving forces of nutrient flow in the food chain and the options to improve nutrient efficiency and reduce environmental losses. The key sector that determined nutrient efficiency had been identified. Urbanization, diet changes and development of livestock production were the main driving forces of the accelerated nutrient flow in food chain system. We also explained the effects and mechanisms of increasing imports of food and feed, optimizing dietary and improving the nutrient management in agriculture production on improving food chain systems. We also found that the coupling of crop and livestock production, improving utilization of livestock manure was the key to reducing chemical fertilizer use and environmental losses, and was also the key for achieving green development of agriculture and sustainable food systems.

Green development of agriculture;Nutrient management; NUFER model; Food chine system; Nitrogen cycle; Phosphorus cycle; Non-point source pollution

, MA Lin, E-mail: malin1979@sjziam.ac.cn

Jul. 18, 2018;

Jul. 28, 2018

10.13930/j.cnki.cjea.180668

S1

A

1671-3990(2018)10-1494-07

2018-07-18

2018-07-28

*The study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31572210), the Dairy Industry Innovation Team of Modern Agricultural Technology System of Hebei Province (HBCT2018120206), the Key Project of Chinese Academy of Sciences (ZDRW-ZS-2016-5), the Science and Technology Service Network Initiative of Chinese Academy of Sciences (KFJ-STS-ZDTP-001), the Science Fund for Distinguished Young Scholars of Hebei Province (D2017503023) and the 100-Talent Project of Chinese Academy of Sciences.

*國家自然科學基金面上項目(31572210)、河北省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系奶牛產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新團隊項目(HBCT2018120206)、中國科學院重點部署項目(ZDRW-ZS-2016-5)、中國科學院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計劃(STS計劃)項目(KFJ-STS-ZDTP-001)、河北省杰出青年基金項目(D2017503023)和中國科學院“百人計劃”項目資助

馬林, 主要研究方向為農(nóng)業(yè)生態(tài)學與養(yǎng)分資源管理。E-mail: malin1979@sjziam.ac.cn

馬林, 馬文奇, 張福鎖, 柏兆海, 侯勇. 中國食物鏈養(yǎng)分流動與管理研究[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報, 2018, 26(10): 1494-1500

MA L, MA W Q, ZHANG F S, BAI Z H, HOU Y. Nutrient flow and management in the food chain in China[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(10): 1494-1500