这项关于将农作物和牲畜整合到有机系统中的文献综述是由来自 Rodale Institute，爱荷华州立大学和明尼苏达大学为美国农业部国家粮食与农业研究所，有机研究与推广计划提供了2014年拨款建议。 该赠款由2014-51300-22541号赠款资助。 单击此处以了解有关研究和结果的更多信息。
有机农作物和牲畜
在消费者需求的推动下，有机食品的销售额从3.6年的1997亿美元增加到31.5年的2013亿美元（OTA，2014）和52.5年的2018亿美元（OTA，2019）。 导致美国有机食品消费增加的因素有很多，包括消费者偏爱较低农药残留的偏爱（Baker等，2002），营养和健康问题（Hartman Group，2006），与传统农药密集相关的负面环境影响。生产（Venterea和Rolston，2000年），并通过一致的联邦有机标准确保有机完整性（USDA-AMS，2014年）。 农民也对生产符合环境可持续性，经济生存能力和社会公平的“三重底线”的有机作物感兴趣。 近年来，有机农民越来越关注农产品/食品安全，这对实行作物/畜牧综合生产的农民尤其重要（Pereira等，2013）。 确保食品安全对任何农业经营都至关重要，就农产品而言，最近的联邦法律（《美国食品和药物管理局食品安全现代化法案》（21 USC 2201； FDA，2011）已成为主题）。对整个食品供应链的影响。
对有机产品需求的增长已经超过了国内对有机产品的采用，美国农民实现了7.28亿美元的有机销售额（USDA NASS，2018），仅占13.8亿美元有机产业的52.5％。 目前，美国的有机生产主要以经济作物为主，中西部和宾夕法尼亚州的大多数有机农场主都通过非农购买来喂养他们的有机动物群。 在最近的调查中，美国366,881万有机英亩中有5.4英亩有机玉米和大豆（USDA-ERS，2013）。 通过将经济作物与用于放牧的饲料作物和用于牲畜饲料的干草作物相结合，增强农场的多功能性，可以提高生产，环境和经济效益。 据报道，在爱荷华州，有机豆类草场每年可供应高达6,000磅/英亩的干物质（Acevedo等，2006）。 在佛罗里达州，牛在Bahiagrass牧场上的表现导致平均日增重断裂点在每公斤动物活重每天1.4至2.0公斤草料干重之间（Stewart等，2007）。 在明尼苏达州，有机奶牛场每天在主要光滑的草食草牧场上放牧，日增重为0.6至0.9千克（Bjorklund等，2013）。 另外，将豆科植物掺入草基牧场将提高总体草料质量并提供氮，以改善牧场健康和稳定性。 众所周知，干草的产生会从土壤中去除大量的养分，包括氮和磷，但放牧有助于通过尿液和粪便的排泄来回收养分。 在适度的放牧压力下，土壤P和K大部分被保留，并与作物需求保持平衡，而土壤N则倾向于流失。 有机和传统农场的耕作与放牧系统之间的相互作用尚未得到充分理解（Franzluebbers，2007），特别是在有机系统中，粪便的收集和分配对作物的营养平衡至关重要。
作物和畜牧一体化的历史基础
作物和牲畜生产向专业化发展的方向已经将完整的农畜系统与过去一个世纪的历史根源分开（Russelle等，2007）。 牛是农场景观不可或缺的一部分，在那里他们从农场生产的草和谷物中回收养分（Flora，2003年），农民管理其陆上资源来维持足够的土壤肥力，以维持作物和动物的生产。 到1996年，只有不到10％的美国农场整合了农作物和牲畜（Krall和Schumann，1996）。 但是，在新西兰和澳大利亚发现了当代农作物和牲畜的有利可图的整合模式，被称为利农。在新西兰和澳大利亚，轮作几年的谷物作物和2至5年的草豆类草场可以帮助实现自给自足的目标（ Haynes和Francis，1990； Carr等，2005）并增加了能源输出（Nguyen和Haynes，1995）。
土壤质量改善和养分循环：建立或维持供农作物使用的土壤碳氮库是评估可持续农业系统的重要考虑因素。 将牲畜纳入作物轮作中产生的有益影响与土壤质量的改善有关，包括土壤有机质的提高，土壤物理条件的改善和疾病的抑制（Jawson等，1993）。 良好整合的农畜系统通过反刍动物将纤维素饲料转化为蛋白质并将营养物质从牲畜粪便再循环到作物细胞结构中，从而模仿自然能量和养分循环（Gates，2003； Oltjen and Beckett，1996）。 粪肥和农作物残渣的输入结合起来可以固碳，改善土壤功能并减轻侵蚀（Russelle和Franzluebbers，2007年）。 Franzluebbers（2005）发现草场建立后的碳积累平均为1 Mg / ha /年。 Katsvairo等。 （2006年）还报告说，多年生牛的轮作增加了花生和棉花种植系统中的有机质含量并减少了硝酸盐的淋失。 有效养分的管理对于支持可持续的植物生产是必要的，特别是在肥力输入有限的有机系统中（Goulding等，2008）。 养分循环的复杂性和放牧系统中的有效性受土壤过程，植物物种组成，放养率，补充饲喂以及许多其他影响投入，出口和损失的因素的影响（Rotz等，2005）。 例如，乳制品生产系统中较高的保留和养分利用效率可以对牛奶生产和农场经济产生积极反馈（Fanguerio等，2008； Ryan等，2011）。 为了建立新的，对经济和环境有益的放牧系统，必须建立对这些生产系统中养分循环和效率的理解。 需要评估养分池，投入，出口和损失的全农场模型和养分平衡表方法，可用于评估和建立反刍动物生产的最佳管理系统（Dou等，1996； Rotz等， 2007）。
作物增产
文献表明，在牧场/作物轮作的综合措施下，农作物产量仍可与连续耕作相比或更高。 Franzluebbers和Stuedemann（2004）报告说，放牧对随后的谷物生物量没有负面影响。 在佐治亚州和南卡罗来纳州的一个3.6岁羊茅或百慕大草牧场中，发现玉米平均单产为5 Mg / ha（Parks等，1969）。 亚当斯等。 （1970）与连续玉米相比，草皮作物的玉米产量提高了11-24％，而Franzluebbers和Stuedemann（2004）在放牧了珍珠粟和黑麦后，小麦的产量为3.8 Mg / ha，高粱的产量为5.1 Mg / ha。 ， 分别。 与未浸过的小麦相比，高冬小麦品种的谷物产量更高，这些小麦品种提供了足够的肥力和水分，仅在交配阶段放牧（Redmon等，1995）。 希尔等。 （2004年）报道，轮作中每茬棉花和花生的产量增加了0.1 Mg / ha，其中轮作前种植了放牧的黑麦或黑麦草。 杂种到多年生草料中的谷类作物高度依赖于充足的水分以及草料和农作物之间的竞争最小（Franzluebbers，2007）。 该项目将采用谷物和牧草/牧草的顺序播种，以获得一致的产量。
放牧提供生态系统服务：牲畜运动造成的土壤压实被认为是农作物-畜牧综合轮换的潜在问题，但Studdert等人。 （1997）发现所有土壤质量指标，包括降低的堆积密度，表明压实度低，在长期轮作中随着多年生牧场的增加而增加。 Krenzer等。 （1989）发现土壤强度随着放牧冬小麦的牛而增加。 Diaz-Zorita等。 （2002）和Garcia-Prehac等人。 （2004年）报道了当轮作中包括保护性耕作时，土壤压实度降低幅度最大。 Franzluebbers和Stuedemann（2004）发现，放牧条件下的土壤渗透性要比未耕作的饲草作物高，这取决于土壤中的水分含量，但粪肥掺入和覆盖作物的添加增加了土壤碳含量，可以缓解土壤压实问题（Franzluebbers和Stuedemann， 2005年）。 在施氮肥的系统中，与非施牧草地相比，放牧的百慕大草牧场中超过64％的施氮累积为土壤有机氮（Franzluebbers和Stuedemann，2003b）。 土壤微生物生物量（土壤质量的另一个指标）也在放牧的百慕大草牧场下更大程度地积累（Franzluebbers和Stuedemann，2003a）。 因此，在有机耕作长期用于有机耕作的轮作中，需要对放牧和非耕作的牧场作物的影响进行更多的研究（Delate和Cambardella，2004）。
害虫周期的中断
据报道，农作物病虫害和以饲草或覆盖作物为食的轮作谷物作物会造成疾病中断（Snapp等，2005）。 在巴哈格拉斯草场下，花生茎腐病（Brenneman等人，2003）和蔬菜（Sumner等人，1999）和大豆（Rodriquez-Kabana等人，1988，1989）中线虫的减少幅度更大。 黑麦，羽扇豆，嫩大麻，丝绒豆和高粱也已被证明可以驱除线虫。 Hartzog and Balkcom（2003）报告说，棉花或花生系统中的Bahiagrass和百慕大草有助于减少线虫和其他害虫。 基于草皮的农作物轮作也显示出干扰动物的寄生周期（Franzluebbers，2007）。 Loomis and Conner（1992）报告说，当放牧的饲草作物与小麦作物轮作时，寄生虫减少。 最后，在牧场上放牧牛可以将在集中的牛饲养区经常见到的疾病流行的风险降到最低（Flora，2003年）。
降低杂草压力
据报道，许多草料作物品种通过竞争，化感作用和微气候变化来帮助打破一年生粮食作物中的杂草循环（Gardner and Faulkner，1991）。 尽管对杂草和放牧作物之间的相互作用尚不十分了解，但有迹象表明，放牧牛可能控制了一些入侵性草。 但是，动物也可以通过粪便将杂草种子带到其他地方。 Entz等。 （1995年）报告说，将草料与小麦和其他谷物作物整合后，杂草的压力降低了，包括放牧后，其收益继续增加（Entz等，2002）。 马丁（1996）指出，当小麦与牧草一起轮作时，杂草减少了。
动物的表现与健康
在室外条件下以植物性饮食饲养的牛可提供经济和环境效益。 Franzluebbers和Stuedemann（2004）发现，冬季黑麦和珍珠粟的牛平均增重分别为287公斤/公顷和419公斤/公顷。 放牧84至115天的冬小麦的牛性能约为2磅/动物/天，放养率为2头/英亩（Horn等，1995）。 在北达科他州进行的为期54天的冬季放牧期间，割草放牧还提高了肉牛的饲料利用率（Neville等，2007）。 UI家畜综合焦点小组将伊利诺斯州Breese的Schuette Farm of Breese过渡到一个集成系统，并将其存储的饲料需求从5,000 lb /牛/年减少到1,000 lb以下，而没有损失生产力（伊利诺伊大学，2008年） ）。 以植物为基础的饮食对牛的营养益处包括更高浓度的omega-3脂肪酸，例如共轭亚油酸，具有抗炎和抗凝特性（Daley和Abbott，2006； Flora，2003； French等。，2000）。
食品安全问题
减少毒素和微生物污染的食品安全措施是所有农民的心智，特别是对于将动物和农作物整合到同一系统中的农民而言。 比较有机和传统饲养的牲畜和牧场作物的研究发现，总体而言，传统和有机系统之间的食品安全性没有显着差异（Bourn和Prescott，2002； Maffei等，2013； Oliveira等，2012； Blanco-Penedo等人，2012年）。 在一项研究中，发现在一个试验项目中常规小麦的霉菌毒素含量更高，但在更广泛的实验中未发现显着差异。 在西班牙进行的牲畜比较中，有机或常规肉牛的食品安全性没有差异，但据报告有机牛肉的质量更高。 在对有机肉鸡和常规肉鸡的比较调查中，沙门氏菌的存在没有显着差异，但是有机饲养肉鸡中的弯曲杆菌较高。 减少内部寄生虫的幼虫或粪便负荷的放牧系统将提高有机牧场上牛的生产力（Larsen，2006）。 连续放牧的草场无法破坏这些寄生虫的生命周期，而旋转放牧的草场通常会减少寄生虫的幼虫负荷（Stromberg和Averbeck，1999）。 该项目将探索一个相对较新的研究领域，将牲畜整合到作物系统中，并研究对动植物健康和产品安全的影响。
经济效益
Stuedemann等。 （2003年）估计，通过降低投入成本和提高土地生产力，将南部沿海平原的10％转换为牧场将使肉牛每年增加40％，并增加经济效益。 Gardner和Faulkner（1991）发现，随着耕作制度中牲畜的增加，整个农场的收入增加了20％。 希尔等。 （2004年）报告说，每头牧场放牧黑麦或黑麦草的冬季牲畜可增加311美元/公顷的农场收入，而Gamble等人。 （2005年）每年获得$ 185至$ 200 / ha的牛放牧冬季覆盖作物。 卡尔等。 （2005年）在一个综合系统中平均获得了每英亩65美元的劳动和管理回报，而单独谷物作物则为负值。 当生产者饲喂站着或堆放的草料作物，放牧或打包多余的作物以供冬季饲喂或储存以供日后出售时，农场的经济表现可以得到提高。 Acevedo等。 （2006年）发现，有机豆类牧草的年度成本为每英亩114美元，有机干草比传统价格高出10-30％。 通过各个市场参与者之间更有效的协调，作为有机营销合作社的成员（例如有机谷/有机草原）单独销售或通过直接销售给其他组织，可以提高平均牛肉质量（Hueth and Lawrence，2002）。零售店。 替代系统的市场收益包括生产者在整个价值链中的积极参与，这与传统系统相反，在传统系统中，奶牛/犊牛经营者与饲养场/包装者之间存在脱节和不信任的关系（Flora，2003）。 生产有机牛肉的激励措施包括有机特优价格（通常比传统价格高50％）以及向禁止人造激素的国家（如欧盟）出口的潜力（Flora，2003年）。
需要进一步研究集成系统
目前，关于使作物和放牧周期与气候条件相匹配以实现最佳作物和牲畜生产的信息有限（Franzluebbers，2007）。 将牲畜重新整合到农场景观中将带来多种好处，包括提高土壤质量和潜在减轻害虫的能力。 保护或增强土壤有机质中的碳和其他养分是有机法规的核心，目的是在可持续系统中维持土壤肥力和结构（Manley等，2007）。 在我们地区接受调查的有机生产商正在努力建立封闭的综合有机农场，尽可能地依靠农场或本地生产的投入来满足作物和牲畜对食物和营养的需求。 建立或维护土壤碳和氮库以供后续农作物使用是发展可持续农业体系的重要考虑因素。 在全国有机农民调查中（OFRF，2007），杂草管理和土壤肥力被认为是关注的重点领域。 研究人员已经证实，将肥料和农作物残留物螯合在土壤中，可改善土壤功能并减轻侵蚀（Russelle和Franzluebbers，2007年），长期有机耕作和肥料施用可通过提高土壤质量来促进养分循环和害虫抑制（Birkhofer等，2008； Carpenter-Boggs等，2000； Pimentel等，2005）。 有机农场环境条件改善的潜在机制包括：由于不同作物序列导致土壤有机质（SOM）含量增加，提高了水和土壤养分的保留率；应用了基于有机物的改良剂，例如覆盖作物和肥料（Liebig和Doran，1999年） ）。 集成的农作物－畜牧系统提供了优化农业生态系统服务的机会，包括从牲畜粪便中回收养分以供农作物吸收以及作为饲料和草料返回牲畜。 从大气中清除碳并通过基于植物的系统进行回收也可能是缓解全球气候变化速率的重要因素。 随着廉价原料的减少，必须根据有机饲料和常规农场的发展，根据豆类作物的生物固氮和养分循环利用的生态学原理，寻求替代的肥力来源（Badgley等，2007）。 通过增加使用通过粪便和植物残渣增强或隔离农业土壤中碳的策略（Gaskell等，2000），农业的“碳足迹”将大大减少。 Teasdale等。 （2007年）发现，即使有机耕作中使用了耕作，但传统的免耕耕作方式被有机耕作方式取代时，土壤也得到了改善。 在有机系统中种植九年后，土壤碳和氮含量高于三个传统的免耕系统，其中两个包括覆盖作物。
尽管通常根据不同的特性进行耕种，但可以将草料作物，牧草作物，草皮作物，干草作物和覆盖作物用于整合的农作物－畜牧系统。 有潜力在本地区放牧的有盖作物包括小麦，黑麦，燕麦，大麦，一年生黑麦草，有毛v子，普通v子，深红三叶草，果园草和高羊茅（Sojka等人，1984），豌豆，地下三叶草，lespedeza（Duck和Tyler，1991； Rao和Phillips，1999； Rao等，2003； Reeves和Delaney，2002）。 亨德里克森等。 （1963a）估计，土壤损失可以从种植系统（棉花）下的45 Mg / ha减少到多年生草下的1 Mg / ha以下，但即使没有全面转换为牧场，并结合了3年的燕麦轮作与连续棉的损失相比，/ lespedeza牧草– lespedeza–棉导致的土壤流失减少了55 Mg / ha（Carreker，1946），而燕麦/紫菜/高温草料-花生的土壤流失减少了10 Mg / ha与连续花生相比旋转（Hendrickson et al。，1963b）。 已经发现牧草作物在轮作中的影响可持续数年。 如吉登斯等。 （1971a，1971b）表明，高羊茅饲料作物释放的土壤有机氮被玉米作物利用长达5年。 与集中地区相比，综合放牧作业还可以通过在整个景观基质中均匀分布肥料，从而提高空气和水的质量（Grierson等，1991）。 牧草和农作物减少了水分和养分流失，提高了水分的渗透性（Gardner和Faulkner，1991年），正如Hartzog和Balkcom（2003年）发现的那样，将Bahiagrass和百慕大草整合到棉花中后，土壤中的水分得以保存。花生旋转。
过度放牧是一个需要引起注意的问题，特别是在植被覆盖，多样性，土壤质量，地下水和地表水质量受到不利影响的地方（Flora，2003年）。 众所周知，干草的产生会从土壤中去除大量的养分，包括氮和磷，但放牧可以通过尿液和粪便排泄来帮助养分循环利用。 例如，在适度的放牧压力下，土壤P和K大部分被保留下来，并与农作物需求保持平衡，而土壤N则容易流失。 此外，单个动物的放牧行为可能会影响整个田间养分的分布，从而影响随后的谷物生产，而增加放牧旋转有助于减轻动物聚集对土壤养分分布的影响。 Franzluebbers和Stuedemann（2004）报告了牛对随后的谷物作物生物量产生中性影响，并在高粱和小麦种植系统中对相应的饲用作物增加了相应的动物增重，作物和牲畜相结合的系统生产力提高了经济收益。 通过将饲料作物与谷物作物整合来提高农场的多功能性，可以实现生产，环境和经济效益，但是缺乏将短时饲料作物纳入农作物畜牧系统的信息（Gardner和Faulkner （1991年），几乎没有有关有机系统中这些效应的信息。 在集成系统中开发有效的寄生虫控制方法也没有被很好地理解，并且包括在该项目中。
社会影响
通过整合农作物和牲畜可以提高的知识和技能包括畜群管理和健康，围栏做法，水供应技术，平衡全年的草料供应和劳动力以及确保潜在的额外土地来满足放牧需求（Gardner和Faulkner，1991年） ）。 多项研究将农业用地的变化与竞争性使用（Moak等，1994），农业部门的结构变化（Offutt，1997）和不断变化的农业职业机会（Hines and Rhoades，1994）联系在一起。 由于美国大多数农场，包括从事草场经营的农场，都由中小型农场组成，这些农场更加多样化，并强调家庭关系，减少了对雇佣劳动的依赖（Winrock International，2001），因此理解这一点至关重要。他们的价值体系，并与更大，较少分散的经营相比，他们如何协商利润（Johnson，1994）。 该项目主要侧重于中小型农场的有机奶牛/小牛生产，因为奶牛/小牛的生产者通常依靠放牧（Flora，2003）。 在2002年对衣阿华州草场生产者的态度和局限性进行的一项调查中，有84％的受访者表示他们愿意包括草料，因为这是对土地的“更环境友好的利用”，而32％的受访者表示他们愿意改变，因为这样可以降低风险（Hanson等，2002）。
除经济价值外，社会价值也是整合有机体系的基础，例如最大限度地增加对自然资本的投资； 减少常规农业中持久性农药所产生的污染和有害健康影响； 在草地环境中增强动物福利； 该项目将评估周围环境变化及其影响所带来的家庭社区互动。 至关重要的是劳动力，因为在北达科他州将牲畜添加到耕作系统中后发现劳动力需求增加了50％，其中15％的增加时间与农作物管理时间重叠（Gardner和Faulkner，1991）。 由于教育和经验被认为是克服采用综合作物－畜牧系统的许多社会障碍的最有前途的方法（Franzluebbers，2007），因此将建立迭代过程，参与者将分享集成系统的积极和消极方面。
与当前强调每个农场的产出更大的研究和推广计划相反（Flora and Francis，2000），该项目将激发创新，适应力和中小型农业经营的更多选择，从而增强生产者和最终用户之间的信息流。他们的产品（Flora，2001）。 但是，必须评估社会障碍，以使作物－畜牧综合系统得以发展。 必须解决缺乏基础设施支持和关于平衡劳动力需求的信息不足的问题，以加快对这些系统的接受（Hardesty and Tiedman，1996）。 将通过调查和焦点小组评估有机作物和牲畜组成部分整合带来的农场和家庭可持续性指标。 指标将包括但不限于经济稳定性，土壤和水质，作物和牲畜的性能与健康，能源使用，工作条件和社会认可度。 试图了解生产者决策的规模和动态，可能有助于制定更有效的农业政策，以维持基于草地的做法（Dixon，2000）。 通过该项目展示的成功的转化和市场需求的例子将帮助生产者确定这些利基市场是否适合他们（Acevedo等，2006）。 由于建立更可持续农业的研究需要农民高度参与的系统视角（Flora，1992），因此有机农民被纳入项目设计，执行和评估中。 利用弗朗西斯和杨伯格（1990）提出的可持续农业的定义，该项目将减少环境退化，维持农业生产率，促进短期和长期的经济生存力，并有助于维持稳定的农村社区和生活质量。 。