亮文解读 | 粪肥和大都市发展——食物系统营养循环的全球框架
发布时间：2022-08-26
发布人：石 靓
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Integrating Crop and Livestock Production Systems
专 辑 文 章 介 绍
· 第十三篇 ·
▎论文ID
Manure and metropoles---a global framework for nutrient cycling in food systems
daan.verstand@wur.nl
Cite this article :
Daan VERSTAND, Theun VELLINGA, Krijn POPPE, Pieter de WOLF. MANURE AND METROPOLES---A GLOBAL FRAMEWORK FOR NUTRIENT CYCLING IN FOOD SYSTEMS. Front. Agr. Sci. Eng., 2021, 8(1): 182‒187 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2020364
1. 世界上的多个国家正在发生畜牧业革命。
2. 深入研究地区的空间异质性可以促进营养循环流动。
3. 人类粪便作为粪肥还田，用于生产畜牧业养殖所需的饲料，之后畜牧产品作为营养物质返回人类社会，使营养循环圈形成闭环并防止营养损失。
养分供应、水供应和高质量土壤是作物高效生产的关键。由于除氮以外的许多营养物质的获取都必须通过人工开采，而且是不可再生资源，营养物质的再循环对保持土壤肥力和粮食生产至关重要。因此，营养管理在农业粮食系统中不仅是供应的问题，而且是再利用的问题。在全球范围内，人类和牲畜的数量都在增加。就人口而言，人口增长最快的地区是城市地区（由于人口自然增长和迁移）。大型畜牧系统往往在靠近这些城市的地区发展，因为那里有市场和消费者。随着畜牧系统的集中化，环境和健康问题逐渐引起科学家的重视，过量的粪便生产和氮排放造成了区域局部污染甚至危及了生物多样性，而细颗粒物例如PM2.5和人畜共患病可能对周边地区居民的健康和生活造成负面影响。从循环养分的角度来看，畜牧业生产的集中度和地点是相关的，植物生产中的养分被输送到畜牧生产地区，但其养分回流过程十分复杂。然而，养分回流问题不仅存在于农牧业系统中，也适用于人类社会，人类食用植物和动物产品所产生的营养物质最终去向有待研究。
本文概述了世界各地牲畜和饲料生产地点与养分运输背后的驱动因素。了解驱动因素有助于思考提高养分循环的解决方案及其方案的相对优点。本文的概念框架提供了对世界各地不同国家之间现有牲畜和饲料之间的关系和其营养流动的见解。如果我们想在农业食品系统中运作必要的养分循环，本文的概念也将有助于理解养分循环未来的发展趋势。
1. 畜牧业革命
许多工业化国家已经完成畜牧业革命，目前畜牧业革命正在许多新兴和工业化基础薄弱的国家发生，这一革命发生的主要特征：（1）牲畜数量的强劲增长，（2）生产的科学化，（3）牲畜系统（特别是猪和鸡）的专业化和空间集聚，（4）饲料和牲畜产品贸易额的强劲增长，（5）饲养条件和育种水平的大力改善，其革命结果使每只动物生产率大幅提高。
当比较同一时期不同国家的人口和牲畜密度时，可以观察到以下趋势：（1）大多数国家的人口密度和牲畜密度都很低（图1 a，左下象限）；（2）少数国家人口密度和牲畜密度相对较高；（3）少数国家人口密度较高，但牲畜密度较低；（4）暂未发现人口低密度和家畜高密度相结合的国家。
在2012‒2016年，动物养殖密度呈现增加的趋势，这一趋势在2012‒2016年的观测结果比1961‒1965年更为明显（图1）。所有国家的养殖密度似乎都随着人口增加而升高。
图2总结了四个象限内农业粮食系统的全球框架，以及在这些象限内国家的主要特征。
图2 全球农业食品系统框架的四个象限和这些象限内国家的主要特征
通过这种技术途径，维持现有的营养流动体系不变，但有两种额外的营养流被激发。第一种形式是从三角洲地区的牲畜粪便中回收营养物质；第二种是从三角洲和城市中心的人类排泄物系统中回收营养物质。从粪便和人类排泄物中回收营养物质需要在技术上进行大量投资，为了有效地做到这一点，需要组织运输、加工使其能够被转化为能源或者可供植物利用的产品。
在这个解决方案路径中，目标是使现存的集约化畜牧系统在饲料方面实现自给自足。这意味着三角洲地区的畜牧系统数量会减少，因为牲畜的数量将由这些地区生产的饲料量所决定。由于土地资源紧张和饲料作物的经济收益低，这牲畜的数量将受到限制。当饲料进出口停止时，饲料生产国的饲料对内供应增将加。假设全球动物产品消费稳定并且这些产品的运输通畅，原饲料生产国家可以利用饲料供应发展自己的畜牧系统并开始生产用于出口的畜产品。这些出口商品将流向具有高度消费能力的高人口密度国家。同时，大都市人类排泄物中的营养物质仍然需要回收并返回到饲料生产国。
为了探究目前营养循环、经济、人类健康和环境问题的最佳解决方案，深入探索方案的优点并尝试解决其缺点是必要的：
（1）进一步研究营养循环的经济成本和收益，例如考虑基础设施、风险分散和经济规模等因素。
（2）深入研究空间异质性。在我们的分析中，国家被视为一个实体或者系统，而我们实际上更关注区域的系统，有时涉及到跨区域。这将增加筛选出一些典型的集约化畜牧业的可能性，为可持续性发展和环境治理提供经验。
（3）量化当前系统和以上两种解决方案中需要通过运输来实现回收的产品、饲料和营养物总量，并探究解决方案对联合国可持续发展目标的影响。
（4）对于政府而言，需要促进这两种解决方案所需的贸易和经济转变。
我们的概念框架在一定程度上展示了世界各地不同国家之间现有的营养流动关系，并提供了一定的见解。如果我们想在农业食品系统中实现营养循环，此框架也可提供两种相对可行的方案。很明显，这两种解决方案都需要对经济和畜牧业系统进行大规模的结构性改革。
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