综述：可持续农业实践及其环境影响：对有效性、权衡因素和采纳障碍的系统性评估

《Sustainable Futures》：Sustainable agricultural practices and their environmental impacts: A structured review of effectiveness, trade-offs, and adoption barriers

　　安杜阿莱姆·穆切·希尤沃图 | 阿兹梅拉沃·戈舒·希比斯图 | 特梅斯根·阿斯马尔·莫拉
埃塞俄比亚德巴克大学农业与环境保护学院植物科学系，邮政信箱90，德巴克

**摘要**
可持续农业实践日益被推广为缓解环境退化并确保长期粮食安全的途径。本研究对包括保护性农业、农业生态学、有机农业、农林业、综合害虫管理和精准农业在内的关键可持续农业实践进行了系统性的叙述性回顾，并综合了这些实践在土壤健康、水质、温室气体排放和生物多样性方面的环境影响证据。基于同行评审的元分析和全球综述，研究结果表明，在特定管理条件下，这些实践能够带来显著的环境效益，例如土壤有机碳含量增加约40%、养分流失减少20-60%，以及温室气体净排放量减少高达50%。然而，效应大小因农业生态条件、管理强度和时间尺度而异，特别是在产量稳定性和采用成本方面的权衡仍然显著。通过将定量证据与采用障碍和促进条件的分析相结合，本研究指出了关键的研究空白，并强调了政策相关的杠杆点，包括有针对性的激励措施、推广服务以及特定情境下的支持机制，以加速向环境可持续和有韧性的农业系统的转变。

**1. 引言**
尽管近年来对可持续性的关注显著增加，但大多数相关文献要么过于宽泛，要么主要是描述性的。很少有研究系统地综合了可持续农业实践的环境有效性及其采用障碍的证据，而且许多研究未能考虑全球不同农业系统所面临的权衡。现有的综述通常只关注个别方法，如保护性农业、有机农业或精准农业，而没有将其环境结果纳入一个连贯的分析框架中[[1], [2], [3]]。此外，现有文献大多强调概念性的可持续性框架，包括三重底线和可持续发展目标；然而，它们往往未能充分探讨这些框架如何在农场和景观尺度上转化为可测量的环境影响[4,5]。因此，在理解比较有效性、适当指标以及与长期可持续性相关的社会经济和制度条件方面仍存在重大空白，特别是在低收入和中等收入地区。

为解决这些空白，本研究采用透明且可重复的方法对同行评审文献进行了系统性的叙述性回顾。该回顾重点关注以保护和保存为导向的农业系统，包括保护性农业、农业生态学、有机农业、综合害虫管理、农林业和精准农业，这些系统被广泛认为是实现环境可持续食品系统的途径[[6], [7], [8]]。证据通过基于系统的综合方法进行整合，明确将农业实践与关键环境结果（如土壤健康、水质、生物多样性和温室气体排放）联系起来。此外，分析还考察了影响采用和可扩展性的经济限制以及技术、政策和社会因素[[9], [10], [11]]。通过将环境绩效与采用障碍相结合，本研究旨在为研究人员和政策制定者提供关于现有证据、争议领域和关键知识空白的系统概述，并为未来的研究、政策设计和可持续性创新指明优先事项。

**2. 方法论**
2.1. 回顾设计
本研究采用结构化的叙述性回顾方法来综合现有关于可持续农业实践及其环境影响的知识。表1、表2、表3和表4中呈现的定量效应大小来自现有的元分析和权威的全球综述，作为指示性范围报告。选择结构化叙述性回顾是因为它允许系统地识别、筛选和组织相关文献，同时能够在不同的研究设计和学科视角之间进行批判性解释和概念整合。这种方法特别适用于可持续性研究，因为相关证据涵盖了农学、环境科学、经济学和政策研究，而这些领域无法仅通过元分析来有效汇总[[9]]。

表1. 可持续农业实践相对于传统系统的定量环境效应大小
| 实践 | 土壤健康 | 水质与养分流失 | 温室气体排放 | 生物多样性 | 证据来源 | |
|----------------|------------------|------------------|------------------|------------------|-------------|
| 保护性农业 | +0.2–0.6 Mg C ha?1 yr?1 | ?15–40% 侵蚀/径流 | ?0.3 to ?1.2 Mg CO?-eq ha?1 yr?1 | +10–30% 土壤生物群 | Lal [12]; Kassam et al. [7] |
| 农林业 | +25–34% 土壤有机碳储量 | ?20–50% 径流 | ?20–50% 净温室气体平衡 | 2–3 × 物种丰富度 | Jose [13]; FAO [[6], [14] |
| 有机农业 | +30–50% 微生物生物量 | ?20–40% 硝酸盐淋溶 | ?10–30% 每公顷温室气体排放 | +30–50% 授粉者 | Reganold & Wachter [3]; Ponisio et al. [15] |
| 精准农业 | 中性–正面 | ?10–35% 氮淋溶 | ?5–25% N?O排放 | 间接正面 | Basso & Antle [1]; Gebbers & Adamchuk [16] |
| 农业生态多样化 | +15–40% 土壤有机碳 | ?25–60% 养分流失 | +20–60% 物种丰富度 | Poeplau & Don [17]; Tscharntke et al. [8]; Pretty et al. [2] | |

注：除非另有说明，所有效应大小均相对于传统管理系统报告。数值代表从已发表的元分析和权威综述中综合的指示性范围，可能因农业生态条件、管理强度和时间范围而异。

表2. 可持续农业实践的定量产量和经济权衡
| 实践 | 指标 | 效应大小 | 主要来源 | |
|----------------|------------------|------------------|------------------|----------------| |
| 有机农业 | 产量差距 | ?5 to ?25% | Ponisio et al. [15] |
| 多样化有机系统 | 产量差距 | ?0 to ?9% | Ponisio et al. [15] |
| 保护性农业 | 产量波动 | ±0–10% | Giller et al. [18] |
| 精准农业 | 投入成本减少 | ?10–20% | Wolfert et al. [19] |

表3. 采用障碍的定量指标
| 障碍类型 | 指标 | 定量证据 | 来源 | |
|----------------|------------------|------------------|------------------| |
| 经济 | 初始投资成本 | +15–40%（早期年份） | Schr?der et al. [11] |
| 知识 | 推广服务获取受限 | 超过50%的研究中报告 | Pretty & Chambers [20] |
| 社会 | 风险厌恶 | 约60%的案例中的主要因素 | Rogers [21] |
| 基础设施 | 数字接入 | PA采用的重要决定因素 | Wolfert et al. [19] |

表4. 促进机制的定量效应
| 促进机制 | 指标 | 效应大小 | 来源 | |
| 推广服务 | 采用率增加 | +20–50% | Pretty & Chambers [20] |
| 农业环境支付 | 采用率增加 | +10–30% | Pe’er et al. [22] |
| 数字支持计划 | 技术采纳 | +15–25% | OECD [23] |
| 公私合作伙伴关系 | 创新扩散 | 一致报告的正面效应 | Spielman et al. [24] |

**2.2. 文献搜索策略**
通过查阅多个学术数据库进行了结构化的文献搜索，以确保文献涵盖了所有同行评审的工作。选择了三个主要数据库作为搜索来源，因为这些数据库汇集了有关这三个主题（农业、环境科学和可持续性研究）的高质量期刊文章的最佳资源。创建了多种关键词组合来识别与农业环境影响（可持续农业）相关的研究，包括以下术语：可持续农业、保护性农业、农业生态学、有机农业、综合害虫管理、农林业、精准农业、环境影响、土壤健康、生物多样性、温室气体排放和水质。还使用了布尔搜索（如“可持续农业 AND 环境影响”）来进一步聚焦搜索范围。为了捕捉任何新的研究成果，特别关注了2000年至2024年间发表的出版物，但也包括了为这些研究奠定基础的历史研究出版物。

**2.3. 包含和排除标准**
纳入研究的标准如下：
1. 在同行评审的期刊上发表或作为来自适当机构（如FAO和IPCC）的权威报告。
2. 明确关注对环境产生正面或负面影响的农业方法。
3. 包含与土壤健康、水资源、生物多样性或温室气体排放相关的实证数据、建模预测和/或基于综合的分析结果。

如果研究满足以下条件，则被排除：
? 仅基于非农业领域，与农业无关。
? 完全是理论性的或基于观点的，没有实证或分析依据。
? 非英语撰写的出版物。
? 仅从社会或经济角度考虑可持续性，而不是从环境角度。

这些筛选或限制有助于确保与本研究农业主题的概念一致性和相关性。以往关于可持续性的研究指出，现有的可持续性综合存在过于宽泛的问题[3,5]。

**2.4. 研究选择和滚雪球方法**
初步的数据库搜索产生了大量记录。首先根据包含标准筛选标题和摘要的相关性，然后审查全文以评估方法质量、相关性和对研究目标的贡献。为了尽量减少有影响力的研究的遗漏，通过检查关键回顾文章和高引用实证论文的参考列表进行了反向和正向的滚雪球式筛选。这种迭代过程在可持续性和跨学科研究中被广泛推荐，因为有影响力的贡献可能无法仅通过基于关键词的数据库搜索来捕捉到。

**2.5. 分析框架和数据综合**
为了超越描述性总结，所选文献通过一个综合分析框架进行了综合，该框架链接了四个核心维度：
1. 可持续农业实践的类型（保护性农业、农业生态学、精准农业）；
2. 主要环境结果（土壤健康、水质、生物多样性、温室气体排放）；
3. 环境因素和采用障碍（经济、技术、政策和社会文化）；
4. 支持实施的促进条件和政策工具。

每项研究都根据这些维度进行编码，以便在不同实践和背景下进行比较。该框架有助于识别主导的研究趋势、趋同和分歧领域以及文献中未充分探讨的主题[9,10]。综合分析强调特定情境下的有效性和权衡，这与当代可持续性科学观点一致[1,2]。

**2.6. 限制**
作为结构化的叙述性回顾，本研究不进行原始的定量效应大小估计或元分析。相反，报告的定量范围来自现有的元分析和权威综述，应被视为指示性的而非普遍适用的。此外，将文献搜索限制在英文发表的同行评审研究中可能会排除相关地区的研究，特别是非英语语境下的研究。尽管如此，通过应用透明的包含和排除标准、咨询多个数据库以及使用结构化的分析框架，本研究提供了当前知识的稳健且可重复的综合，并为未来的研究提供了可靠的基础。

**3. 讨论**
3.1. 可持续农业实践的环境有效性综合
尽管文献普遍认为可持续农业系统相比传统农业系统能够减少对环境的负面影响，但可持续农业系统实现这一目标的程度取决于许多因素，并且可能因不同的农业生态系统而大相径庭。研究表明，可持续农业实践有助于增加土壤中的有机物质、减少土壤侵蚀和改善土壤水分保持能力[[7], [12], [13]]。这类可持续农业实践包括保护性农业、农林业和作物多样化。

文献中另一个支持可持续农业实践和环境积极影响的方面是减少了化学投入的使用和生物多样性的保护；然而，这些益处因地点和实践类型而异[8]。数字和特定地点的管理工具可以补充生态实践，提高可持续农业系统的环境效果，并有可能减少单位产量的养分流失和温室气体排放[1,16]。关注数字和特定地点的农业管理工具及其在减少养分流失和温室气体排放方面的影响，确实为通过精准农业实践结合生态原则来增强环境效果提供了机会，而不仅仅是作为独立的可持续农业生产策略[2,5]。

3.2. 权衡、限制和特定情境下的表现
虽然可持续实践带来了显著的环境效益，但其采用所带来的权衡限制了其广泛应用。在某些情况下，特别是在向有机系统过渡时，尤其是在缺乏有机投入和知识的情况下，低投入和/或有机系统中会出现产量下降[3], [15]。正如预期的那样，由于保护性农业实践与当地农业生态条件的不匹配，可能会导致杂草压力增加和对除草剂的依赖性增强[18]。上述证据强调了文献中一个重要的主题：并不存在适用于所有农业系统的普遍最佳实践；环境绩效受到劳动力可用性、气候、土壤类型、市场准入以及相关机构支持的影响。如果忽视这些因素的背景特征，作者可能会高估个别实践的可扩展潜力[25]。因此，可持续农业应该被定义为一系列可适应的实践（表2.3.3）。采用障碍：经济、制度和社会维度研究表明，仅凭环境优势本身并不能带来农业实践的显著采用率；对于低收入国家和小农户来说，投入密集型传统农业系统、高利率和回报延迟等主要障碍仍然存在（表3）[11,26]。由于数字素养不足、缺乏获取适当技术的机会以及支持精准农业发展的基础设施不完善，精准农业技术的普及将受到限制[19]。还存在各种制度性、监管性和基于政策的障碍，这些障碍也限制了这类技术的采用。许多政府支持使用传统的投入密集型农业方法，并期望农民会采纳这些方法，这形成了一个主要关注传统农业实践的制度框架，从而阻碍了可持续农业方法的引入[10,23]。影响新农业技术采用的其他障碍还包括农业背景下的风险厌恶、固定的文化因素以及性别特定的不平等[21,27]。现有文献表明，与可持续农业技术采用相关的障碍是相互依存的，这进一步强调了需要制定综合解决方案来应对这些障碍，而不是依赖孤立的技术解决方案。3.4. 促进条件和政策工具的成功实施与跨不同层面的促进条件密切相关（表4）。在农场层面，通过推广服务、农民田间学校和参与式研究获取知识可以显著提高采用率和长期绩效[6,20]。在国家层面，诸如农业环境支付、碳激励措施以及对多样化农业系统的支持等连贯的政策框架在降低转型风险方面起着决定性作用[28,22]。国际框架，包括可持续发展目标和《巴黎协定》，提供了规范指导，但需要转化为本地相关的工具才能有效[4,14]。文献越来越强调多层次治理和公私合作伙伴关系作为在保持环境完整性的同时推广可持续性创新的关键机制[24,29]。3.5. 对可持续性科学和农业政策的启示研究表明，为了提升学术界评估农业系统的能力，需要开发一个综合分析框架，以研究环境、社会经济和治理结果之间的相互作用。实证研究仍然受到研究碎片化的限制，这是由于由于指标不一致导致的短期影响评估[5]。为了创建一个可持续的农业部门，政策部门应从以生产为导向的激励措施转向奖励环境外部性并通过内化生产过程中的环境外部性来提供生态系统服务的措施。此外，政策制定者需要在数据基础设施、数字连接性和特定背景的推广系统上进行大量投资，以改善技术和农场生产力之间的联系[1,19]。3.6. 研究空白和未来方向文献回顾显示存在一些一致的空白。一个空白是缺乏研究长期可持续性环境影响的研究。另一个空白是对社会经济效应（如收入分配、性别平等、土地所有权等）的研究较少，而更多地关注可持续性实践的生物物理效应[30,31]。最后，文献表明需要在面临类似撒哈拉以南非洲和南亚等可持续性挑战的地区之间进行更多的比较研究。解决这些空白需要跨学科合作、协调可持续性指标，并进一步发展研究、政策和应用之间的联系。4. 结论4.1. 研究的背景和目的可持续农业已成为全球应对气候变化、生物多样性丧失、土地退化和粮食不安全问题的核心支柱。尽管在科学和政策领域推广了多种可持续实践，但迅速增长的文献仍然碎片化，往往描述性较强，在指导连贯决策方面的能力有限。进行这项回顾是为了综合现有关于可持续农业实践及其环境影响的知识，同时批判性地审视影响实际实施的采用障碍、促进条件和研究空白。4.2. 方法论总结本研究采用了结构化的叙述性回顾方法，利用从主要学术数据库中检索到的经过同行评审的文献，并根据预定义的关键词和纳入标准进行筛选。回顾重点关注了常被视为通往环境可持续性的核心农业实践，如保护性农业、农业生态学、有机农业、综合害虫管理、农林业和精准农业。分析不是孤立地处理这些实践，而是通过一个综合框架将实践与环境结果、社会经济权衡以及政策和制度驱动因素联系起来。4.3. 主要发现和结果综合表明，可持续农业有可能通过改善土壤质量、增加生物多样性、减少农药和化肥的使用以及降低温室气体排放对环境产生整体积极影响。然而，可持续农业带来的好处将取决于土地的生物物理特征、管理强度以及当地机构提供的支持。没有某种特定的技术或方法能在所有可持续性维度上产生卓越的结果；然而，有大量研究表明，当可持续农业系统结合适应性策略和技术进步（如精准农业与农业生态学原则相结合）时最为有效。本回顾中还讨论了转型阶段经常出现的权衡问题，并表明社会经济问题以及治理结构将在决定实现所需经济利益的成败中发挥重要作用。4.4. 学术、实践和政策贡献从学术角度来看，这项回顾很重要，因为它通过基于框架的方法帮助构建了可持续农业的环境维度、经济维度和制度维度的综合视图，而不是简单地汇总文献中的信息。确定了一些优秀的研究方向和持续的辩论，有助于明确哪些方面有可靠的证据，哪些方面存在较大的不确定性。从实践角度来看，将可持续农业视为单一模型是不恰当的；相反，可持续农业最好被视为一系列特定背景下的策略，需要适应性管理和持续学习。对于政策制定者而言，研究结果表明，制定有助于管理转型过程中不确定性和风险的综合政策工具非常重要；此外，投资于推广系统、数据基础设施和包容性创新生态系统的建立对于最大化可持续农业实践的影响至关重要。4.5. 未来研究的方向未来的研究应侧重于评估环境和经济社会系统的长期、横截面和累积效应，以提供可持续性问题随时间发展的完整图景，而不仅仅是关注一次性试验的结果。需要更好地理解社会问题（即公平、性别和土地所有权）与目前仅考虑的生物物理指标之间的比较。使用相同指标在不同地区和农业类型之间进行比较研究将为基于科学证据制定政策提供极其有用的信息。此外，采用跨学科方法可以结合农学、生态学、经济学和治理学，有助于促进农业向更加环境可持续和有韧性的生产系统的转变。CRediT作者贡献声明Andualem Muche Hiywotu：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、概念化。Azmeraw Goshu Hibistu：撰写——审阅与编辑。Temesgen Asmare Molla：撰写——审阅与编辑。