流域农牧系统如何实现绿色转型？

农业系统中氮的过量投入已经造成了诸如大气污染、生物多样性丧失和水资源退化等环境问题。与此同时，畜牧业的规模发展进一步造成了种植和畜牧业的分离，导致了更产生污染物排放的集中区域。当前，养分优化管理方案也纳入了农业绿色发展（AGD）的概念，以解决食品系统内的多目标挑战。在追求绿色转型的过程中，人类生活环境（居住）和自然环境（包括水、空气和土壤）的质量变得非常重要。当养分管理旨在同时保护土壤、水和大气时，针对空气或水损失的措施与不同空间区域所需的必要调整之间复杂的相互作用可能产生冲突。然而，目前缺乏采用多环境指标分区的农牧系统养分管理方法与优化途径。

河北农业大学马文奇教授和中国科学院农业资源研究中心马林研究员及其研究团队以白洋淀流域为典型案例，构建了多目标分区方法，探索了流域农牧系统绿色转型的养分管理优化途径。利用NUFER（养分在食物链、环境和资源利用中的流动）模型；量化相关指标阈值，确定白洋淀流域当前的环境排放水平；分析不同情景下减少环境影响的潜力，从而实现农牧系统的绿色转型。

研究考虑了一系列直接影响人类健康、高品质产品的生产和环境特征的相关指标。选取了氨挥发、氮盈余、土壤承载力和生态红线四个指标。通过使用地理加权回归分析，建立了氨排放量与PM_2.5之间的相关性。进一步根据人口密度进行分类来计算氨挥发阈。通过叠加河流距离、坡度和耕地生成栅格图，确定不同区域的氮盈余阈值。流域氮盈余阈值由不同子流域氮素含量和所在县域内硝态氮脆弱区径流或淋溶临界值决定。土壤承载力指该地区畜禽排泄氮与作物收获氮的比值，当畜牧排泄氮与作物收获氮达到平衡时为临界值。然后，根据三个指标当前环境现状与阈值的对比，将超出阈值被定为高，低于阈值定为低，分为八大类区域。此外，还加入了国家划定的生态红线区域，共九类区域。

为了探究养分管理优化途径，研究设置了三种情景。第一种情景（CS）是当前养分管理下环境排放现状；第二种情景（UT）是全区采用由国家推动的农牧一体化模式，促进农牧系统的养分循环，以减少养分投入需求，推动养分高效利用；第三种情景（ZM）是一种基于统一政策叠加分区管理技术的应用，针对每个分区的特点，采用针对性的减排技术进行分区优化管理。结果表明，实施统一管理后，安全区县的比例从8%上升到21%，而高氨高氮盈余区仅下降不到6%。随着分区管控技术的应用，白洋淀流域55%以上的县实现了环境友好型排放，三项指标均在阈值以内。但仍有10.5%的县有较高的氨排放，18.4%的县有较高的氮盈余，15.8%的县两者兼有。基于以上结果，多目标分区管理优化途径更有助于实现流域农牧系统环境绿色排放。

本研究构建的系统方法不仅为解决白洋淀流域面临的挑战提供了有效途径，也为应对当前中国农业系统面临的挑战提供了潜在途径，从而帮助中国向更环保的农业系统转型。以这种方式改造的农业既能保护自然资源，减少污染，又能提高资源利用效率，还能保障粮食安全。

该文已于2024年3月发表在《农业科学与工程前沿》（英文）期刊上，DOI：10.15302/J-FASE-2023533。