摘要:中国的牲畜生产越来越集中在城市周边地区，导致人类通过空气和水源暴露于氮污染。本文通过分析中国 2300 个县的牲畜和人口数据，预测不同牲畜分布对氮排放的影响。2012 年，几乎一半的中国牲畜生产发生在城市近郊地区，导致 60%的中国人口暴露于超过联合国标准的氨气排放。根据农作物与牲畜一体化的标准，到 2050 年迁移 50 亿头牲畜可以减少三分之二的氮排放，并将暴露于高氨气排放的人口数量减少一半。将 100 亿头牲畜迁移出中国南方和东部地区，可以使 90%的中国人口减少氨气暴露。因此，空间规划可以作为应对氮污染及人类氨气暴露的强有力政策工具。
Bai, Z., Fan, X., Jin, X. et al. Relocate 10 billion livestock to reduce harmful nitrogen pollution exposure for 90% of China’s population. Nat Food 3, 152–160 (2022). https://doi.org/10.1038/s43016-021-00453-z
引言
中国正遭受由农业、工业和交通排放的氮污染所带来的严重环境问题。这些排放导致空气中氨气（NH₃）、氮氧化物（NOₓ）和细颗粒物（PM₂.₅）浓度过高，并造成地表水和地下水的富营养化。大部分氮的流失，既通过空气又通过水体，来源于牲畜生产—消费链，部分原因是农场层面作物生产与牲畜生产的逐渐脱钩。然而，作物和牲畜生产系统的地理分隔以及牲畜生产在少数地区的集中，尚未得到足够关注。根据牲畜粪便氮排放与施肥最大限度的比率，中国的牲畜生产分布不均。牲畜生产主要集中在几个地区，导致这些地区粪便中养分的排放超过了当地农田对养分的吸收能力。由于粪便水分含量较高，运输到远距离农田的成本较高，因此未经处理的粪便很少被长途运输，通常会直接排放到环境中。因此，牲畜生产的不均衡分布，尤其是城市附近高密度的牲畜养殖，可能导致大量人口暴露于空气和水域中的多种污染物。
随着未来几十年中国对牲畜产品的需求增加，了解额外的牲畜应该在哪里饲养显得尤为重要。研究表明，作物和牲畜生产系统的地理性重新结合能够最大程度减少高养分损失的风险，创造出更好的、更加均衡的环境质量，并将牲畜养殖场置于远离居民区的安全距离。这需要对各区域内外的牲畜生产进行空间规划。作为牲畜空间规划的共同效益，磷及其他养分和有机物的回收利用可以变得更加高效。然而，目前关于改善牲畜农场空间分布对环境影响的定量数据尚不充分。本研究的目标是：（1）分析 1990 至 2012 年间中国牲畜生产空间分布的驱动因素及其影响；（2）探讨到 2050 年，牲畜生产更均衡空间分布对氮使用和损失的可能影响。我们选择氮作为研究重点，是因为氮污染在中国的严重性以及篇幅的限制。为了本研究，我们调整了“食物链中的养分流动、环境与资源利用”（NUFER）模型，并开发了一个基于多准则的牲畜空间规划概念。
结果
牲畜生产分布不均
1990 至 2012 年间，中国的牲畜总量增长了 80%，从 2.4 亿标准牲畜单位（LU）增加至 4.3 亿 LU。一个标准牲畜单位等于一头 500 公斤的奶牛。约 98%的增长发生在湖广永线（胡线）以东（见图 1a、c）。主要的牲畜生产县（即每个县牲畜数量超过 32 万 LU）在 1990 年占总 LU 的 9.2%，到 2012 年这一比例上升至 55%（见图 1a、c 及扩展数据图 1）。1990 至 2012 年间，作物与牲畜生产的地理联系大幅减少，这在某些县牲畜密度的急剧增加和年粪便氮排放与年作物氮吸收比率上升中有所体现（见图 1b、d 及扩展数据图 2）。2012 年，湖广永线以东超过 37%的县牲畜密度超过 4.0 LU·ha⁻¹（见图 1b、d 及扩展数据图 1）。与此相比，丹麦对最大牲畜密度的规定为每公顷 2.0 LU，以限制牲畜生产造成的养分污染。≤2.0 LU·ha⁻¹的牲畜密度大致意味着该地区产生的粪便养分能够被作物吸收，这还要依赖于土壤和气候条件以及管理方法。
牲畜生产集中于某些地区的现象不仅仅在中国存在；许多发达和新兴国家也有类似情况，包括美国（见扩展数据图 3）。在 1992 年，美国 3100 个县中有 11%的县年粪便氮排放与年作物氮吸收比率大于 2.0，而 2012 年这一比例上升至 22%。这些县对全国粪便氮生产的贡献从 1992 年的 21%增加到 2012 年的 32%（见扩展数据图 3）。尽管美国和中国的土地和耕地面积大致相同，但中国的人口和牲畜数量远大于美国，因此中国在特定地区的人口和牲畜浓度明显高于美国（见扩展数据图 2 和图 3）。美国和中国的化肥氮使用与作物氮吸收的比率具有不同的地理空间趋势，表明美国在牲畜密集地区的有机肥氮回收和替代化肥氮的效果更好，这也导致美国牲畜密集地区的化肥氮使用量较中国低（见扩展数据图 3）。
牲畜分布不均的因素及影响
牲畜农场的选址受多种因素影响，包括市场接近性、交通基础设施、饲料供应、动物健康及防疫服务的可用性，以及屠宰和奶制品加工服务。面板数据分析显示，县级牲畜生产量与人口和GDP显著正相关，表明地方需求在1990至2012年间对牲畜生产空间分布的形成至关重要。河流密度与牲畜密度在无固定效应模型中也表现出显著正相关。饲料供应和道路长度与牲畜密度之间在固定效应模型中未显示出显著关系。
1990年和2012年，牲畜密度与氨气排放和氮流失呈正相关。此外，牲畜密度与每公顷耕地的合成氮肥使用量也相关，表明动物粪便氮未能有效替代合成氮肥。1990年，牲畜密度与氨气排放强度的回归线斜率高于2012年，这可能与1990年作物与牲畜的结合度较低以及2012年技术进步有关。县级牲畜生产的不均衡分布导致1990年和2012年分别出现1800千吨和4600千吨氮的粪便氮盈余。该盈余表示粪便氮排放与作物氮需求之间的差值，且其中的氮无法在农田中回收，最终大量流失到空气和水体中。与此同时，合成氮肥的快速增加进一步阻碍了粪便氮的有效回收。
2050 年牲畜生产的影响
未来，中国可能仍面临牲畜生产分布不均的问题，特别是在牲畜产品需求预测增加的背景下。根据“商业照常”情景预测，2012至2050年间，中国国内作物生产和牲畜生产的蛋白质产量分别将增加20%和40%。因此，预计到2050年，氨气排放和水体中的氮流失将分别增加12%（见图3c、d）。氮流失的适度增加反映了预期产量增长及氮流失的增加，同时与政策和措施（如零化肥行动、改进作物管理、提高灌溉和养分管理、以及将化肥氮替代为粪便氮）带来的影响相平衡。这些措施将减少每单位作物和每单位动物产品的平均氮流失。到2050年，约26%的县的牲畜密度将超过4.0 LU·ha⁻¹，这些县将容纳58%的总牲畜数量（见图4a及扩展数据图1）。这将导致11000千吨的粪便氮盈余，无法以经济可行和环境可持续的方式回收到农田（见图3b）。这些盈余可能需要通过硝化和反硝化过程技术转化为氮气（N₂），或转化为可运输的粪便氮产品。在“商业照常”情景下，预计56%的县的氨气排放强度将超过31 kgNH₃·ha⁻¹的建议阈值，这一阈值是实现可持续发展目标的标准之一。到2050年，约60%的中国人口将生活在氨气排放强度超过31 kgNH₃·ha⁻¹的区域（见图3e、f）。
猪只搬迁和技术改进的影响
南北猪转移（SNT）情景基于中国政府2017年提出的猪只搬迁政策，旨在通过将猪只从南方水域密集地区转移到北方半干旱地区，减少水体中的氮损失52%，相较于“商业照常”情景（BAU）。然而，SNT情景下氨气排放将增加13%，部分原因是猪粪氮回收的增加，尤其是禁止将集约化养殖场的粪便排放到水体中（见图3及扩展数据图5）。这一排放增加主要发生在中国北方，导致污染从南方转移至北方，形成南方水污染与北方空气污染的替代关系（见图4b、e）。在集成技术改进（ITI）情景中，相较于BAU情景，合成氮肥使用、氨气排放和水体中的氮流失分别减少82%、63%和77%（见图3a–d）。牲畜和人类排泄物、食品废弃物和作物残渣的回收有效替代了合成肥料，显著减少了氮流失。然而，在ITI情景下，仍有1100千吨猪粪氮无法有效回收，主要由于作物与牲畜生产系统的地理分离。到2050年，40%的人口仍将生活在氨气排放强度超过31 kgNH₃·ha⁻¹·年⁻¹的县域（见图3f）。
牲畜空间规划的影响
在氨气排放强度标准（SP-NH₃）情景下，优化ITI情景的空间规划要求搬迁约100亿头牲畜，以使中国大部分人口的氨气排放强度低于标准，这相当于3.44亿标准牲畜单位（LU），包括4.84亿头猪、1000万头奶牛、3000万头肉牛、930亿只鸡、1.46亿只羊和山羊，以及150万头骡子和驴（见扩展数据图6）。这些牲畜主要需从南方和东部地区转移到北方和西南方，约15%的牲畜将在省内迁移，以缩短运输距离并确保食品供应稳定（见扩展数据图7）。在SP-NH₃情景下，相比于BAU情景，氨气排放和水体氮流失总量减少60%至70%，但略高于ITI情景（见图3c、d）。SP-NH₃情景减少了高氨气排放强度地区的县域人口比例（见图3e、f），但粪便氮盈余和合成氮肥使用量高于ITI情景（见图3a、b），显示出在低氨气排放强度和牲畜生产接近农田之间的权衡。
在作物与牲畜生产结合标准（SP-CLI）情景下，仍需搬迁50亿头牲畜（1.77亿标准牲畜单位，LU），包括1.7亿头猪、650万头奶牛、3100万头肉牛、43.23亿只鸡、1.46亿只羊和山羊，以及260万头骡子和驴（见扩展数据图8）。与SP-NH₃情景相比，SP-CLI情景下搬迁的牲畜数量减少50%，其中27%的牲畜需在较短距离内搬迁（见扩展数据图7）。SP-CLI情景下，氨气排放减少13%，水体氮流失减少40%，化肥氮使用量减少99%，粪便氮浪费减少47%（见图3a–d）。尽管如此，仍有6.6千吨粪便氮无法回收，需通过进口牲畜产品来减少。SP-CLI情景在减少总体氮流失方面表现更强，但在减少高氨气排放强度县域人口比例方面，表现逊色于SP-NH₃情景（见图3f）。因此，在保持低氨气排放强度和减少总体氮流失之间也存在一定的权衡。
讨论
全球许多地区存在牲畜生产集聚，特别是在城市周边及北美、拉美等集约化农业区。尽管采取了监管措施和激励政策，这些集聚地区仍是氨气（NH₃）排放和氮流失的热点。荷兰已探索将牲畜从西欧迁至中欧，而中国在 2014 年启动了自上而下的牲畜生产空间规划，成功将数百万头猪从南方水域密集地区迁移至北方，减少水污染。然而，猪肉价格波动和非洲猪瘟、COVID-19 疫情等因素导致政策调整，近期新猪场建设集中在高氨气排放和人口密集区域。合理应用生态和社会经济学原则的空间规划可有效保护生态系统。“菜篮子”政策和南北猪迁移政策虽然有各自的目标，但都存在副作用。研究显示，迁移牲畜并未能有效促进粪便氮回收和减少化肥使用，反而可能未能减少人类暴露于高氨气排放环境。通过在农田和牲畜生产系统实施减排技术，如深埋尿素基氮肥、低蛋白饲料和低排放粪便存储，可在空间规划前显著减少污染风险，但这可能会降低效益并增加成本。因此，必须平衡低排放技术的成本效益与空间规划的经济效益。
牲畜生产空间规划对氨气排放控制标准极为敏感，阈值越严格，迁移牲畜数量越多。若标准低于 31 kgNH₃·ha⁻¹，中国可能需迁移更多牲畜，或通过调整饮食习惯和进口牲畜产品来减轻压力。作物-牲畜结合标准的规划对氮的生物有效性也敏感，考虑到氮的生物有效性，迁移牲畜数量会减少。城市化趋势也影响牲畜迁移，减少了农村人口暴露于高氨气排放的风险。本研究未考虑其他污染物（如重金属、兽药抗生素、温室气体），但这些也可能产生影响。因此，空间规划应综合考虑其他生态指标和阈值。要有效实现作物与牲畜生产系统的结合，必须消除粪便处理与回收的障碍。此外，碳中和目标也将影响牲畜生产和消费中心的布局。
中国可能需要迁移 50 至 100 亿头牲畜，以应对牲畜生产集聚带来的空气和水体氮污染。这一挑战涉及巨大的经济和社会影响，但最终有望实现更好的氮污染控制。政策制定者需根据优先标准，谨慎选择空间规划策略。
方法
-
NUFER 模型概述
NUFER模型用于量化中国各县不同作物和牲畜生产的环境影响，主要计算氮的流动及排放，特别是NH₃排放和氮流失到水域。数据来源覆盖2300个县，占全国作物和牲畜生产的大部分，提供县级氮肥使用、总氮流动及氮盈余数据。 -
牲畜生产地理分布与氮需求
牲畜密度通过牲畜单位（LU）与农业土地面积的比值计算，反映牲畜生产的空间分布。作物生产的氮需求则综合考虑主作物、秸秆和草地的氮含量，修正后估算每县的总氮需求。 -
氮平衡与盈余计算
计算氮盈余（或不足），即每县的氮需求减去供应量。供应量包括大气沉降、生物固氮、灌溉水中的氮以及有机资源中的氮输入。 -
2050年情景分析
-
BAU情景：基于SSP2情景，预计中国食品需求和生产将在各县均匀分配。 -
SNT情景：模拟南北猪迁移，优化猪生产的地理分布，减少水污染。 -
ITI情景：引入大规模技术改进，减少NH₃排放，提高氮回收。 -
SP情景：在ITI情景基础上，加入空间规划，分为两个变体：减少氨气暴露（SP-NH3）和优化氮需求与供应耦合（SP-CLI）。 -
实施假设与策略
-
预计2050年会显著改进营养管理，减少60%氨气排放，禁止粪便排放到水体。 -
强调氮管理措施的实施，减少氮流失并优化氮回收，确保农业可持续发展。