集约化农业系统中耕地承载力的驱动因素及缓解牲畜过度放养的途径

《Journal of Environmental Management》：Drivers of cropland carrying capacity and pathways for mitigating livestock overloading in intensive agricultural systems

　　摘要：综合型农牧系统有助于维持养分循环并提高资源利用效率。其长期可持续性取决于畜牧业生产是否在农田吸收粪肥的能力范围内进行。本研究构建了一个多维度框架，将养分负荷、有机质负荷以及重金属积累纳入考量，以此量化中国东北黑土区的农牧承载力。2000年至2020年的县级数据表明，受主要农作物种植面积扩大的推动，该地区的农牧承载力提升了67.40%。随着这些作物在种植结构中的占比日益增加，养分限制逐渐缓解，而重金属风险对整体承载力的影响则愈发显著。机器学习与情景分析显示，到2034年，该地区的农牧承载力仅能再提升3.93%，与此同时，剩余的环境承载力将下降6.53%，且面临严重污染风险的农田面积还会扩大。仅通过优化养分投入或调整种植结构，难以有效缓解畜牧业过度发展的问题。相比之下，加强农牧系统之间的空间关联，并结合综合优化措施，才能显著降低局部过载风险，多种策略协同应用效果最为显著。研究结果揭示了集约化农业区农牧承载力提升背后的制约因素正在发生变化，同时也表明驱动这些变化的因素并不一定就是减少过载问题的最佳途径。因此，实现可持续发展需要从单一因素调控转向空间协调与系统级优化。

引言：在满足全球日益增长的粮食需求的同时降低环境与经济成本，仍是实现联合国可持续发展目标的关键挑战（Griggs等人，2013）。自20世纪80年代以来，全球畜牧业生产的快速发展产生了大量粪肥，若不加以可持续管理，将会对生态系统和公共健康构成威胁（Bai等人，2018）。在许多地区，粪肥已从一种宝贵资源转变为导致环境退化的主因（X. Jin等人，2021）。这一转变主要是由农作物生产与畜牧业生产的空间脱节、动物养殖的工业化，以及粪肥运输和施用成本相较于合成肥料不断上升所导致的。历史上，将粪肥作为有机肥料返还农田是减轻这些影响并实现养分循环的关键策略（S. Jin等人，2021）。然而，随着畜牧业系统的持续工业化，这种循环利用模式正逐渐受到削弱（Zhang等人，2019）。农作物生产与畜牧业生产之间的这种脱节降低了粪肥的回收效率，使得人们更依赖过量使用化学肥料（Chadwick等人，2015），依赖长距离运输饲料（Sun等人，2018），以及不当处理粪肥（Bai等人，2017）。这些行为会带来严重的负面外部效应，包括水体富营养化、空气污染以及温室气体排放（Gr?ini?等人，2023）。在中国这个世界上最大的畜产品及化肥消费国，这些问题尤为突出。20世纪50年代，有机肥料满足了农作物90%以上的养分需求（S. Jin等人，2021），但随着无机肥料使用的增加以及大规模专业化畜牧场的兴起，中国的种植与养殖系统逐渐分离（Y. Li等人，2024）。这种由复杂的生物物理、经济和社会因素共同作用导致的分离，使得各地区畜牧业密度与农田养分吸收能力之间长期存在不匹配现象（Xu等人，2023）。在中国的主要农业产区中，东北黑土区正是这种矛盾最为突出的典型地区。该地区既是重要的商品粮生产基地，也是畜牧业快速扩张的核心区域，在国家粮食安全体系中具有战略地位（Jia等人，2015）。然而近年来，畜牧业的持续发展开始将优质黑土带来的农业优势转变为潜在的环境压力。尽管该地区拥有充足的农田和强大的粮食生产能力，但不断增加的牲畜数量可能会超出农田生态系统的承载能力，进而增加养分过剩和环境污染的风险（Nesme等人，2015；Peyraud等人，2014）。因此，东北黑土区不仅是推动农业清洁生产的重点区域，也是研究更大空间尺度上农田承载力与畜牧业发展之间权衡关系的典型案例（Piipponen等人，2022）。

在循环经济和地球边界理论框架下（Duncan等人，2023；Hoogstra等人，2024），畜禽粪肥不再被视为单纯的废弃物，而是连接农作物生产系统与畜牧业生产的关键纽带。从这个视角来看，农田对畜牧业的承载力包含两个相互补充的维度：其一为吸收能力，即在不造成土壤退化或环境破坏的前提下，可施用的最大粪肥量（MARA，2018）；其二为系统韧性，指农业系统在面对输入要素波动时仍能保持功能稳定的能力（Chen和Li，2024）。因此，农田对畜牧业的承载力可理解为某一区域农业生态系统在维持土壤质量、养分平衡及长期稳定性的前提下，能够支撑畜牧业发展的程度（Han等人，2023；Kang等人，2024）。这一概念已从单纯的技术指标演变为协调畜牧业发展与农田可持续性之间的重要参考标准。基于承载力理论，现有研究采用了养分平衡分析（Wu等人，2022；Zheng等人，2019；Zhi等人，2022）、生态足迹评估以及物质流分析（Bai等人，2022；Zhang等人，2019）等方法，来评估农作物生产与畜牧业之间的脱节程度及其潜在驱动因素（Deng等人，2024；R??s等人，2017）。其中，养分平衡分析方法被广泛用于量化氮磷过剩情况，并识别可能面临污染风险的农田区域（Xu等人，2023；Zheng等人，2019）。此外，灰色关联分析、多元回归等方法还将社会经济因素纳入评估体系之中（Chen和Li，2024）。这些研究指出，畜牧业集约化、农田扩张以及经济增长是影响承载力变化的关键因素。同时也有研究揭示，不同地区的农牧系统承载力及其可持续性存在显著差异（Khoshnevisan等人，2021）。例如，与欧美等发达国家相比，中国等发展中国家在农作物生产与畜牧业分离的速度，以及循环农业基础设施的发展速度之间存在着更大差距（Castillo-Díaz等人，2023）。这种失衡导致了粪肥供需之间的空间错配，进而影响了农业食品产业的可持续性。因此，开展区域尺度的畜禽承载力综合评估，并制定可行的优化策略，已成为降低农业生产环境成本的重要途径。尽管在理解农作物生产与畜牧业脱节现象及其环境影响方面已取得了一定进展，但现有的评估体系仍存在明显局限。大多数研究仅将氮或磷的需求视为限制农田农牧承载力的主要因素（Zheng等人，2019），而忽视了粪肥中的重金属积累（Tan等人，2025）、有机污染负荷，以及多种污染物共同作用所带来的影响（X. Jin等人，2021）。这可能导致对农田承载力的高估。此外，现有研究的空间分辨率和预测能力也存在不足。在中国，相关评估大多在省级层面开展（Xu等人，2023），难以在农作物生产与畜牧业系统空间分布不均的背景下识别出局部风险高发区。同时，对于未来承载力趋势的模拟以及优化策略的评估也还不够充分（Wu等人，2022；Zhi等人，2022），这制约了长期适应性管理策略的制定。由于畜禽承载力是由多种相互作用的因素共同决定的（Cui等人，2018；Cumming等人，2014），传统的线性模型往往难以捕捉其复杂的非线性关系。相比之下，结合高分辨率长期数据的机器学习方法，在识别承载力变化规律及潜在过载风险点方面具有较大潜力（Araújo等人，2023；Chlingaryan等人，2018），但目前其应用仍较为有限。近年来，全球农业正朝着降低投入、控制排放以及提高资源利用效率的方向发展（Chen等人，2014；Folberth等人，2020）。然而，鉴于农田吸收畜禽粪肥的环境容量有限，目前尚不清楚在农业集约化程度较高的地区，能否在保持农业生态系统可持续性的前提下继续发展畜牧业。为弥补这一研究空白，本研究构建了一个多维度框架，用于评估中国东北黑土区的农田综合农牧承载力。该框架将养分负荷、有机污染负荷以及重金属积累纳入统一分析体系。通过运用2000年至2020年的县级统计数据、机器学习技术以及多情景模拟，本研究旨在回答三个问题：首先，过去20年间，中国东北黑土区的综合承载力及理论上的过载风险在空间和时间上是如何变化的；其次，农田面积、农业投入强度以及农作物与畜牧业的结构如何影响承载力及其制约因素；最后，在不断变化的环境条件下，不同应对措施在减轻畜牧业过度发展及农田污染风险方面的效果有何差异。研究结果有助于揭示农作物生产与畜牧业系统中环境约束条件的动态变化规律，为识别全球主要农业产区中可能存在畜禽过载的地区以及实现可持续发展的路径提供参考。

研究区域与数据收集：本研究以中国东北黑土区为研究对象，该区域涵盖七个子区域的327个县（H＇＇H. Hu等人，2017）（图1a）。我们整理了2000年至2020年间这些县的农作物与畜牧业生产相关的纵向数据集。农作物数据集包含了玉米、水稻、大豆、小麦、高粱、小米和马铃薯这七种主要粮食作物的产量与种植面积信息（图1b）。畜牧业数据集则包含了屠宰数量、畜群规模以及相关产品产量等信息。

中国东北黑土区农田承载力的时空变化：2000年至2020年间，中国东北黑土区的基于农田的综合农牧承载力提升了67.40%，从3.71亿标准动物单位上升至6.21亿标准动物单位（图2b）。尽管有如此增长，该地区的畜禽种群数量仍处于生态承受范围之内，不过也有个别县出现了局部承载力不足的情况（图2a）。在同一时期，该地区的畜禽种群数量从1.83亿增长到2.78亿，年均增长率为...

讨论：在现有评估框架的基础上，本研究对农田的畜禽承载力进行了更为全面的量化分析，同时评估了多种优化措施在减轻因局部畜禽过度养殖而造成的农田污染风险方面的可行性。研究结果表明：第一，目前中国东北黑土区的畜牧业发展规模仍在该地区农业生态系统的环境承载力范围内，说明该地区仍具备实现可持续发展的潜力。

结论：本研究基于养分需求、有机污染以及重金属风险这三个维度构建了一个三维评估框架，并结合机器学习与情景分析方法，系统地分析了2000年至2020年间中国东北黑土区农牧系统综合承载力的时空演变趋势及未来面临的风险。研究结果显示，过去20年间，该地区的综合承载力从3.71亿标准猪当量上升至6.21亿标准猪当量。

主要联系人：如需更多信息或获取相关资源与试剂，可与主要联系人楚庆全联系，邮箱为[e-mail]。

CRediT作者贡献说明：黄伟斌：数据整理、研究调查、方法设计、软件应用、结果可视化、初稿撰写；王一轩：数据整理、研究调查、方法设计、软件应用；黄志豪：研究调查、方法设计、软件应用；谢新月：研究调查、方法设计；卢杰：研究调查、方法设计；赵明宇：研究调查；姜伟：研究调查；徐阳：方法设计；陈浩英：研究调查；楚庆全：概念构建、资金申请、项目管理、资源协调。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢：本研究得到了中国国家重点研发计划（2023YFD1500202）以及国家自然科学基金（32572471）的支持。

黄伟斌|王一轩|黄志豪|谢新月|卢杰|赵明宇|姜伟|徐阳|陈浩英|楚庆全
中国农业大学农学与生物技术学院，北京，100193，中国