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农牧系统养分流动模型马林供图
农田硝酸盐淋失、水体富营养化、氨挥发和温室气体排放等一系列环境问题的出现，让社会意识到对农牧系统养分管理的重要性和紧迫性，而研究其养分流动特征是第一步。
在中科院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心研究员马林看来，通过优化农牧系统养分管理，保持养分合理流动和循环，减少各个环节的养分环境排放，提高系统利用率是农牧业可持续发展的关键，也可为化肥减施、畜禽养殖废弃物资源化利用、面源污染治理等行动提供科学依据，更是绿色农业发展的关键。
养分投入大量增加，但利用率低
众所周知，过去十几年，我国粮食安全取得了巨大成功，粮食总产量和单产水平大幅度提高，基本保障了粮食安全。
如2016年底我国粮食单位面积产量为5452.1公斤／公顷，与20世纪60年代末相比，增加了5.48倍。但同时，化肥消费增加了几十倍，远远高于粮食单产的增速。
20世纪末，我国农牧业开始转型，集约化畜牧业飞速发展，畜牧业增长率是粮食单产的2倍左右。“然而畜禽粪尿管理滞后，养分循环利用重视不够。”马林在接受《中国科学报》记者采访时表示道。
马林等学者通过建立食物链和农牧系统养分流动模型（以下简称NUFER），对氮磷平衡、环境排放、利用率及流动规律进行定量分析。同时，他们提出了食物链氮（磷）代价，其定义为人类消费1千克食物氮（磷），在农业和畜牧业生产系统需要投入的氮（磷）数量。据悉，该指标可以作为综合评价食物链氮磷流动的特征。
分析表明，1980~2005年中国食物系统氮代价从6千克/千克增至11千克/千克，食物系统磷代价从5千克/千克增至13千克/千克。在食物消费拉动下，2005年人均化肥、饲料、食物氮素消费量分别为1980年的2.1倍、2.2倍和1.3倍。
马林介绍，我国土壤作物系统氮利用率从1980年的32%降至2005年的26%，而畜禽养殖系统的氮利用率增加了一倍，整个食物链系统氮利用率从16%大幅度降至9%。在土壤作物系统、农牧系统和食物链系统中，磷利用率的变化趋势与氮基本一致，分别降低了61%、增加了6%和降低了63%。
“总之，过去几十年中国食物氮磷代价和农牧系统养分利用率降低了。”马林说。
农牧分离是养分低效根本原因
马林团队研究表明，农牧系统氮磷利用率和损失存在较大的空间分布特征，氮磷高排放区域集中在华北平原、长江三角洲和珠江三角洲等都市圈及其周边的农牧业生产区，其主要原因是农田化肥过量施用和农牧系统分离的生产体系导致大量畜禽粪尿养分未被循环利用。
而其中，“农牧分离是中国农牧系统养分利用率低的根本原因”。马林告诉记者。
事实上，都市化的快速扩张正改变着农业和畜牧业生产系统的氮磷养分循环及其环境排放。而人口增长和人均食品消费量增加被看成是我国农牧系统养分流动加速的主要驱动力。分析也表明，城镇人口增加贡献了城镇食品消费增长的62%～72%，城镇人口食物结构变化的贡献率为20%～30%。
毋庸置疑，如何遏制农牧分离趋势，实现农牧结合已经成为解决养分环境排放和绿色农业发展的关键问题。
马林研究组从“土壤—作物—畜牧—粪污”全链条角度分析发现，1980~2010年我国奶牛养殖系统总氮和总磷环境排放量迅速增加。
研究发现，我国4种主要奶牛养殖体系之间养分利用率差异显著，个体和群体尺度氮利用率为集约化>养殖小区>放牧≈农户散养；但如果考虑“土壤—饲料生产—奶牛养殖”系统，氮利用率为农户散养>放牧>养殖小区>集约化。
马林分析，主要原因是集约化养殖场和养殖小区更依赖于饲料草和高品质牧草，可以显著提高奶产量，“但是农牧分离、畜禽粪尿循环利用率低导致系统氮利用率低、环境排放高。”马林说。
当前，我国农业正由传统农业向集约化农业转型，但由于农牧分离的生产方式，也导致了严重的环境问题。
研究发现，1970~2000年间畜牧业养分环境排放导致的可溶性氮磷向河流的排放量大幅度增长，增长量达到2～45倍。“不同区域有显著的差别。”马林表示，原因是畜禽粪尿排放导致的水体可溶性氮磷量分别占总量的44%和82%。
“目前我国以农牧分离的生产方式为主，亟须研究制约农牧结合的影响因素、养分循环利用和环境减排的技术路径。”马林告诉《中国科学报》记者。
优化生产方式，探索技术路径
实践证明，农牧结合是可持续集约化农业的必然出路，同时也是提高农业生产力和环境质量的主要途径。
马林介绍，农牧结合的核心是通过改善畜禽粪尿管理，减少畜禽粪尿养分在“饲舍—储存—加工—运输—施用”链条的损失和提高养分在农田循环的比例和数量。而农牧结合的方式是多尺度的，包括农场内、农户间和区域间，与之相对应的农牧结合程度也是不同的。
欧洲国家、新西兰和巴西等国家的研究表明，在农场内的农牧结合和畜禽粪尿优化管理可以有效减少农场氮素环境排放，减少环境污染风险。
以奶牛为例，欧盟组织了以荷兰DeMarke农场为先锋的试验场网络，对农场尺度“土壤—玉米—牧草—奶牛”系统精确氮管理进行定量研究。结果表明，DeMarke农场与传统农场相比，氮素总投入减少50%，牛奶和肉产量保持不变，而氮素利用率提高一倍。近年来，我国各级农业部门积极推进农业供给侧结构性改革，以市场需求为导向，调优、调高、调精农业产业，在农牧交错带尤其要推进种养结合，农牧结合和一、二、三产融合。毋庸置疑，推进农业供给侧结构性改革是今后一段时期我国农业农村经济工作的主旋律，而农业结构调整是主线。
新时期，围绕国家需求，立足国际前沿，这也对农牧系统养分管理研究提出了新的挑战。
马林认为，在农田、农户、区域和国家等不同尺度，应该通过建立“土壤—作物—畜牧”系统养分流动监测网，定量研究中国典型农作系统养分流动、循环和转移规律，养分利用率和环境效应；通过设置不同农业生态区和作物类型的联网试验，研究有机肥替代化肥机理与调控途径。
同时，马林建议，还要重点研发不同规模和类型养殖场畜禽粪尿“饲舍—储存—加工—运输—施用”全链条养分循环利用机理和减排技术。
“利用NUFER模型，研究基于农牧结合养分管理的农场内、区域内和区域间高产高效‘土壤—作物—畜牧’系统设计。”马林说，其最终目的是适应农业供给侧结构优化和生态环境保护的要求。
在马林看来，农牧结合养分管理是绿色农业发展关键。“一方面需要优化饲料配方的能蛋比和精粗比，更重要的是亟须改善集约化畜牧生产体系的畜禽粪尿管理方式。”他表示，中国奶牛产业绿色发展对联合国全球食物系统和农业可持续发展行动意义重大。