孫志剛研究團隊在區域農業(yè)種養結構時(shí)空格局及優(yōu)化方面取得系列進(jìn)展

種植與養殖是農業(yè)產(chǎn)業(yè)結構的重要組成部分,不合理的種養結構給區域糧食安全、生態(tài)環(huán)境帶來(lái)嚴峻的挑戰。聚焦我國區域尺度農業(yè)種養結構,孫志剛研究團隊構建了我國地市級農業(yè)種養結構專(zhuān)題數據集,發(fā)展了比較優(yōu)勢理論,提出了區域糧食自給指數、區域糞便養分平衡指數,診斷分析了我國區域種養生產(chǎn)結構、農產(chǎn)品產(chǎn)需結構、畜禽糞便產(chǎn)需平衡的時(shí)空格局及潛在問(wèn)題,建立了考慮區域間的種養協(xié)調、資源互補、運輸路徑與成本的種養結構空間優(yōu)化模型,利用模型對我國東部區域種養結構進(jìn)行了優(yōu)化分析,同時(shí)也開(kāi)展了種養結合實(shí)體農場(chǎng)的實(shí)證研究。以上工作發(fā)展了區域農業(yè)布局研究理論、方法,為區域農業(yè)布局診斷分析與優(yōu)化提供了科學(xué)支撐。

主要成果簡(jiǎn)介如下:

1、探明了我國區域種養生產(chǎn)結構時(shí)空格局與問(wèn)題

基于地理學(xué)的理論和方法,構建了農產(chǎn)品生產(chǎn)比較優(yōu)勢指數,量化了我國市域尺度種養結構時(shí)空格局。在糧食安全方面,飼料糧(玉米和大豆)種植優(yōu)勢區域與精飼料消耗為主的單胃牲畜(豬、禽類(lèi))養殖優(yōu)勢區域空間錯位顯著(zhù);在環(huán)境安全方面:集約化的單胃類(lèi)畜禽(豬、禽類(lèi))養殖主要分布在我國東部農區,糞便污染風(fēng)險較大。據此,提出了種養結構調整、畜禽糞便資源化利用與管理等針對性建議。

2、摸清了我國主要農產(chǎn)品產(chǎn)需結構空間格局及其影響因素

構建了農產(chǎn)品產(chǎn)需平衡指數,量化了我國東部市域尺度主要農產(chǎn)品產(chǎn)需平衡空間格局及其影響因素?;谛聲r(shí)期健康膳食推薦值,我國東部大多數區域的谷物、蔬菜和肉類(lèi)生產(chǎn)量高于需求量。蛋類(lèi)北方大部分區域生產(chǎn)高于需求量,南方大部分區域生產(chǎn)不足。奶類(lèi)生產(chǎn)嚴重不足。玉米、大豆全部作為飼料情景下,玉米總體不足,大豆嚴重不足。谷物、蔬菜和玉米的產(chǎn)需平衡指數與產(chǎn)量及人均耕地面積呈顯著(zhù)正相關(guān)關(guān)系,而谷物、肉類(lèi)和玉米的產(chǎn)需平衡指數與人均GDP呈顯著(zhù)負相關(guān)關(guān)系。人口密度大的區域,短期來(lái)看,保護耕地、優(yōu)化種養結構、提高自給水平是改善農產(chǎn)品產(chǎn)需平衡的主要路徑。

3、明晰了我國區域畜禽產(chǎn)需平衡與畜禽糞便N平衡的權衡關(guān)系與調控路徑

構建了區域畜禽數量及肉類(lèi)產(chǎn)需平衡與糞便N平衡的量化模型,分析了區域肉類(lèi)產(chǎn)需平衡與糞便N平衡的權衡關(guān)系,指出了在有機農業(yè)情景下我國東部仍有部分區域無(wú)法消納當前畜禽數量的糞便N。該些區域的畜禽糞便N平衡僅能通過(guò)減少畜禽養殖或畜禽糞便有機化后轉移到無(wú)糞便盈余的區域來(lái)實(shí)現。通過(guò)模型改進(jìn)與情景分析,發(fā)現減少畜禽數量情景下整個(gè)東部區域夠實(shí)現肉類(lèi)自給,且實(shí)現肉類(lèi)自給的區域超過(guò)70%,全部區域均能夠避免糞便N盈余;西南地區需采取增施糞便有機肥、相鄰區域糞便有機肥交易等措施減緩肉類(lèi)自給與糞便N盈余的矛盾。

4、構建了區域種養結構空間優(yōu)化模型與優(yōu)化情景

量化了作物生產(chǎn)-畜禽生產(chǎn)(肉蛋奶+有機肥)-人的膳食需求的互饋關(guān)系,構建了考慮區域間的種養協(xié)調、資源互補、運輸路徑與成本的種養結構空間布局優(yōu)化模型。該模型用于我國東部地區優(yōu)化情景分析,結果顯示,通過(guò)空間布局優(yōu)化,我國東部地區增強了食物、飼料的自給,同時(shí)避免了糞肥N盈余。在模型模擬與情景分析基礎上,提出了三條優(yōu)化路徑:第一,減少畜禽數量以增強飼料糧自給并避免糞便N盈余;第二,通過(guò)提高大豆補貼增加大豆產(chǎn)量;第三,降低肉類(lèi)和蛋類(lèi)在區域尺度自給水平,通過(guò)運輸的方式滿(mǎn)足各區域需求,可避免人口稠密區糞便N盈余且減少玉米的運輸。

5、開(kāi)展了典型實(shí)體種養結合農場(chǎng)的實(shí)證研究

基于能值理論方法,以中國科學(xué)院禹城綜合試驗站生態(tài)試驗農場(chǎng)為案例,構建了典型種養結合農業(yè)系統定量評估模型,實(shí)踐證明了種養結合型農場(chǎng)具有較高的經(jīng)濟效益、較低的環(huán)境負載,有利于增強糧食生產(chǎn)體系的韌性及可持續性。研究成果以案例形式寫(xiě)入《地球大數據支撐可持續發(fā)展目標報告(2021)》,該報告作為我國政府的正式文件被提交到聯(lián)合國。

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上述研究獲得了中國科學(xué)院戰略性先導科技專(zhuān)項(A類(lèi))、國家自然科學(xué)基金創(chuàng )新研究群體項目、山東省自然科學(xué)基金青年項目等項目資助,發(fā)表的系列論文7篇及研究報告1篇。

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Li,Y.,Shi,Y.,Deng,X.,Sun,Z.,Accatino,F. (2024). Increasing food and feed self-sufficiency and avoiding manure N surplus in eastern regions of China through a spatial crop-livestock optimisation model. Agricultural Systems,217,103911. https://doi.org/10.1016/j.agsy.2024.103911

Li,Y.,Sun,Z.,Deng,X.,Accatino,F. (2024). Reducing livestock quantities to avoid manure nitrogen surplus: Would meat self-sufficiency be met in eastern regions of China?. Resources,Environment and Sustainability,100156. https://doi.org/10.1016/j.resenv.2024.100156

Li,Y.,Sun,Z.,Accatino,F. (2022). Satisfying meat demand while avoiding excess manure: Studying the trade-off in eastern regions of China with a nitrogen approach. Science of The Total Environment,816,151568. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.151568

Li,Y.,Sun,Z.,Accatino,F. (2021). Spatial distribution and driving factors determining local food and feed self‐sufficiency in the eastern regions of China. Food and Energy Security,10(3),e296. https://doi.org/10.1002/fes3.296

Li,Y.,Sun,Z.,Accatino,F.,Hang,S.,Lv,Y.,Ouyang,Z. (2021). Comparing specialised crop and integrated crop-livestock systems in China with a multi-criteria approach using the emergy method. Journal of Cleaner Production,314,127974. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.127974

李洋,孫志剛,劉恩媛,邵長(cháng)秀. (2021). 基于比較優(yōu)勢理論的中國區域種養結構時(shí)空格局演變分析. 自然資源學(xué)報,36(5),1149-1162. https://doi.org/10.31497/zrzyxb.20210505

李洋,孫志剛,張旭博,楊景晁,杭勝,李仕冀,朱婉雪,呂云,?歐陽(yáng)竹. (2019). 種養系統可持續發(fā)展指數的空間格局及其演變趨勢——以山東省為例. 應用生態(tài)學(xué)報,30(7),2371.?https://doi.org/10.13287/j.1001-9332.201907.020

李洋,孫志剛. 黃河下游中低產(chǎn)田高效生態(tài)農業(yè)模式實(shí)踐,地球大數據支撐可持續發(fā)展目標報告(2021)(中英文). 中國科學(xué)院,20219,北京

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