基于NUFER模型的生猪养殖氮磷利用效率及排放时空变化

城市郊区集约化畜禽生产系统的快速发展在满足日益增长的畜产品需求的同时也带来了严重的环境问题。该研究利用北京生猪养殖场调研数据和养分流动模型NUFER分析了1980年到2013年北京城郊生猪生产体系氮、磷养分利用效率和环境损失时空变化,并利用情景分析提出了5种饲料和粪尿优化管理措施。从1980年到2013年,育肥猪个体尺度(仅包括育肥猪)氮利用效率从17.8%增加到19.0%,磷利用效率从32.0%增加到35.8%;群体尺度(包括育肥猪、母猪等)氮利用效率从16.0%增加到16.7%,磷利用效率从29.5%降低到23.4%;系统尺度(土壤-饲料-生猪)氮利用效率从18.5%降低到11.4%,磷利用效率从41.6%降低到17.1%。2013年,总氮损失和总磷损失分别为4.22和0.65万t,较1980年分别增加了56.9%和97.0%。产生这一变化的原因是生猪养殖模式从家庭和传统养殖模式向集约化模式转变,家庭副产品作为饲料利用的比例迅速降低,养分循环链条中断,从而导致系统养分利用效率不断降低。但就育肥猪个体尺度和群体尺度而言,集约化生产模式优化了饲料精准喂养和粪尿管理。与此同时,2000年后国家提出了大量有关畜禽养殖的政策、法规、标准和规范,使得1980年至2013年间养分利用效率出现先减后增和环境损失出现先增后减的趋势。空间分布变化结果显示,北京城区和近郊区域由生猪养殖导致的环境损失迅速减少,而远郊区域的环境损失快速增加,这主要归因于城市发展规划。     

长期施用有机肥对水稻产量和氮磷养分利用效率的影响

以长三角地区典型土壤类型青紫泥为背景土壤,研究连续7年有机肥不同施用量和化肥减量条件下水稻产量、氮磷吸收累积特性和氮磷利用效率,并对影响水稻氮磷吸收利用效率的原因进行分析。结果表明,与纯化肥处理相比,施用有机肥处理在不同程度上增加了水稻产量,其中以处理C4(30 t·hm~(-2)有机肥+1/2常量化肥)增加比例最大,为5.67%。当有机肥单施用量达60 t·hm~(-2)时,水稻产量比纯化肥处理增加5.56%,地上部氮磷累积均高于其它各处理,其中,氮累积尤为明显,增加比例为16.5%~25.4%。有机肥不同用量配合化肥减量施用时水稻地上部氮磷转运量、生理利用效率与纯化肥处理间无明显差异。然而,当单施有机肥用量达60 t·hm~(-2)时,氮转运量明显增加,生理利用效率明显降低,磷生理利用效率亦有所降低,但不如氮明显。水稻氮磷生理利用效率降低的主要原因是长期大量施用有机肥使土壤养分含量增加特别明显,可能超过利于水稻利用的浓度范围。另外,土壤矿质元素铵态氮在水稻生长过程中含量过高也与之紧密相关。     

典型种养结合奶牛场粪便养分管理模式

规模化奶牛场粪便养分产生量大,因种养分离引发严重环境污染,亟需建立粪便综合养分管理模式,以实现奶牛粪便养分的合理施用。该文以典型种养结合模式"固液分离—堆肥+氧化塘—农田利用"的奶牛养殖场为案例,通过实地调研、粪便及土壤样品采样测定、以及文献参数收集等研究方法,制定了奶牛场粪便综合养分管理模式。主要结果为该存栏量2 978头的奶牛场粪便氮、磷年产生量为204和33 t/a,粪便经过收集和处理后,可供农田利用的氮磷养分为126和27 t/a。基于作物养分需求量和土壤供肥量,以及粪肥投入占总养分的比例为50%和粪肥养分的当季利用率为30%,据估算,1 473 hm~2奶牛场配套农田可施用的粪肥氮、磷养分总量分别为727.6和131.2 t/a。因此,奶牛场配套农田可有效承载粪便氮磷养分供给量。实施粪便综合养分管理模式,可充分利用粪便养分资源用于作物生长,减少粪便养分直接排放到环境,从而确保种养结合模式奶牛场长期可持续生产。     

钾肥对杂交水稻养分积累以及生理效率的影响

在浙江省金华市进行连续4年水稻钾肥田间试验,以研究钾肥对杂交水稻氮磷钾养分吸收和利用效率的影响。结果表明,钾肥可促进氮磷养分从水稻的茎叶部位向穗输送,增加水稻产量。同不施钾处理比较,施钾处理杂交稻氮的平均吸收总量增加7.1～9.3kg/hm2,磷增加0.9～1.1kg/hm2,钾增加38.3～56.6kg/hm2;氮和磷养分的利用效率无显著提高,而钾素的利用效率明显降低26.3%～28.9%。在养分的吸收和利用效率方面,杂交稻较常规稻表现出明显的生理优势。分析土壤交换性钾和缓效钾含量的年动态变化得出,杂交稻较常规稻消耗土壤中更多的缓效钾,施钾处理下的测试土壤速效钾含量逐年下降,而土壤缓效钾含量却有逐年上升的趋势。     

中国食物链养分流动与管理研究

为寻求食物生产与消费系统中粮食安全、资源高效和环境友好的协调和农业绿色发展途径,研究团队构建了"土壤-作物-畜牧-家庭-环境"(简称食物链系统)研究体系,运用物质流动和养分代谢理论方法创立了养分流动模型,深入研究了该系统养分流动规律及调控机理,经过近十多年系统研究,获得结果如下:(1)提出食物链养分流动金字塔概念模型,创建了食物链系统养分流动模型。通过分析养分在"土壤-作物-畜牧-家庭-环境"系统的行为特征,发现养分从"土壤-作物-畜牧"向"家庭"的流动呈金字塔状,其形状决定了系统生产力、养分效率和环境效应。处于金字塔顶端的"家庭"消费驱动了系统养分流动,决定了养分效率;"土壤-作物-畜牧"位于金字塔底层,支撑顶层"家庭"消费,决定了系统养分通量,也是养分调控的核心。在此基础上,开发了食物系统养分流动模型——UFER,构建了参数体系,实现了国家和区域尺度食物链氮磷流量、利用效率和环境排放的定量分析。(2)揭示了食物链系统氮磷养分流量、利用效率及其资源环境代价的时空变化特征。阐明了我国土壤-作物系统、农牧系统和整个食物链系统氮磷养分流量、养分效率和环境排放的时空分异特征;明确了土壤作物、畜牧和家庭各子系统对整个食物链养分环境排放的贡献;提出了食物氮(磷)代价概念,发现我国食物生产和消费的资源环境代价增速很快,已远远超过发达国家。(3)明确了食物链系统养分流动的驱动因素,阐明了提高养分效率和降低环境排放的调控机理。明确了决定食物链系统养分效率的关键环节,发现城镇化、食物结构变化和畜牧业发展是食物链养分流动加速的主要驱动因子;阐明了增加粮食和饲料进口、优化膳食结构和改善农牧业养分管理技术等对食物链系统优化的效应及作用机制。发现农牧结合和粪尿资源化利用是大幅度减少化肥需求和环境排放的关键途径,是实现农业绿色发展和食物链养分优化管理的重要突破口。     

黑龙江垦区农田土壤养分平衡分析与评价

养分资源高效利用是农业绿色发展的重要环节。黑龙江垦区是中国粮食主产区之一,对其进行农田土壤养分平衡评价至关重要。该研究以黑龙江垦区为研究对象,采用农田土壤养分平衡方法,分析与评价其2000-2018年农田土壤氮、磷、钾养分输入与输出情况。结果表明:1)2000-2018年黑龙江垦区农田土壤氮、磷、钾输入与输出整体呈现"平稳-增长-下降后平稳"的趋势,养分输入以化肥为主,养分输出以籽粒和秸秆为主。2)黑龙江垦区农田土壤单位面积养分输入量较为稳定,并且所带来的经济效益在增加。3)2017年以来黑龙江垦区农田土壤氮和钾处于养分平衡状态,而磷处于养分盈余状态。2018年黑龙江垦区氮、磷、钾利用效率分别为51.03%、27.98%、10.04%。建议黑龙江垦区大力推广有机无机肥配施,开展农田土壤养分平衡长期调查与监测,促进区域农业绿色发展。     

绿洲农田氮磷利用与生产水平、经济和环境效益的协同效应分析

提高养分利用效率西北绿洲农业是区域农业绿色发展的重要议题之一。该研究以新疆生产建设兵团农业生产系统为研究对象,明晰农田土壤表观氮磷养分流动特征,计算2000—2020年农田氮磷养分盈亏量与利用效率;采用斯皮尔曼相关性分析法探究其养分利用与生产水平、经济效益和环境效益之间的协同效应。结果表明：1）新疆生产建设兵团农田氮、磷输入以化肥为主,而输出以秸秆、籽粒和氨挥发为主。农田氮、磷盈亏量相对较高,2020年分别为147.54和47.61 kg/hm²。农田氮、磷利用效率相对较低,分别在34.33%～44.05%和39.25%～49.54%之间波动。2）新疆生产建设兵团农田养分利用与生产水平、经济效益和环境效益之间存在权衡效应,而生产水平和经济效益存在协同效应。新疆生产建设兵团农业机械化生产获得良好收益,但以养分损失、环境污染为代价。发达国家农田养分利用与生产水平、经济效益协同促进,不牺牲环境效益。因此,建议新疆生产建设兵团优化肥料用量与结构,推广智慧农业技术管控肥水。该研究可为地区农业养分管理与绿色发展提供参考。     

湖区小麦-玉米轮作模式下不同施肥措施调控氮磷养分流失研究

针对我国南水北调东线过水区南四湖富营养化问题,利用沿湖流域典型种植模式——小麦-玉米轮作体系,选择材料易获取的几种施肥措施,采用田间原位安装淋溶水采集器和地表水径流池收集水样,室内分析不同处理防控氮磷养分流失的效果。结果表明:各施肥措施在作物不同茬口均能降低氮磷养分的随水流失,不同模式防控养分流失效果有差异;氮径流损失中,硝态氮占主要比例,玉米季和小麦季分别为82.7%~86.4%和94.2%~96.5%,而淋溶途径中硝态氮比例略有下降;径流为氮损失的主要途径,玉米茬口氮损失比例占轮作周年的67.0%~71.4%;磷径流损失中可溶性磷和颗粒磷比例相当,而淋溶磷以可溶性磷为主;淋溶途径损失的磷养分比例稍高,仍以玉米茬口总磷损失为主,占54.4%~63.1%;防控氮磷流失结合周年作物产量,玉米上使用减量控释氮肥或优化施肥配合秸秆还田、小麦上优化施肥或使用减量控释氮肥是相对理想的养分运筹搭配模式。     

长期施肥对黄土旱塬区土壤—植物系统中氮、磷养分的影响

对1984年建立的长期试验田,分析了2005年小麦产量、养分吸收及土壤养分变化。结果表明,单施磷肥增产25.6%,单施氮肥增产48.1%,其吸氮、磷量也相应增加,但收获指数显著低于对照;氮磷配施增产幅度为101.3%3～02.8%,养分吸收量增加显著,最佳施肥量为N2P2(N.90.kg/hm2、P.56.4.kg/hm2)。施肥明显改变了耕层土壤养分的含量,也影响了养分在土壤剖面的分布。氮磷配施是培肥土壤的有效途径,耕层土壤全磷增加了8.3%～45.2%,速效磷增加54.8%9～17.8%。中等施氮(N.90.kg/hm2)水平下,随着磷的增加,耕层土壤全磷累积和施磷量的关系为y=0.002x-0.112。速效磷含量增加和磷肥用量的关系为y=9.6537Ln(x)-35.371,施肥对60.cm以下磷素影响较小。     

氮磷等比与以磷定氮条件下玉米的最大施肥量研究

以前的研究已认识到种植玉米的土壤具有平衡与不平衡的土壤养分供应类型,因而其高产施肥需要相应的养分配比。本研究以养分平衡供应的山西石灰性褐土为对象,按照同步增加氮磷用量和以磷定氮等两种施肥量确定方法设置氮磷施肥量,探讨高产玉米的最大施肥量和最佳施肥比例。研究表明,氮磷等比施肥下玉米最大施氮量较以磷定氮增大46 kg hm-2,产量增加738 kg hm-2;而玉米最佳施氮量较以磷定氮增加39 kg hm-2,产量增加723 kg hm-2。氮磷等比施肥下最佳施氮量氮素的增产效益极大。试验说明氮磷施用比例是影响玉米最大施氮量及其肥效的重要因素。在供试的氮磷养分平衡供应条件下同步增加氮磷用量可以得到两者统一的玉米高产最佳施肥量点。本研究提出,根据土壤养分平衡供应特征调整施肥养分比例可能是作物高产施肥且提高肥料利用率的途径。     

Influence of Biochars on Yield and Nitrogen and Phosphorus Use Efficiency of Pisum sativum under Groundwater and Wastewater Irrigation in Arid Climate

ABSTRACT

Present study evaluated the influence of slow-pyrolyzed wood-derived and cow manure-derived biochars on growth performance (i.e., yield production, nitrogen use efficiency (NUE), and phosphorus use efficiency (PUE)) of Pisum sativum under groundwater and municipal wastewater irrigation. Biochars were applied at 5, 10, and 15 t ha^?1 rates for 2 years. The amendment of biochars did not enhance yield during first year under both irrigation types; rather, small-particle-sized (<0.65 mm) wood-derived biochar reduced significantly yield at higher application rates under groundwater irrigation. During second year, amendment of biochars significantly increased the yield especially at higher application rates under groundwater irrigation while no influence of biochars was observed for wastewater irrigation treatment. The yield was significantly lower under wastewater irrigation for all treatments as compared to first year. The NUE and PUE of pods and stover were not different during first year and second year under both irrigation treatments except for the small-particle-sized wood-derived biochar applied at 10 and 15 t ha^?1, which tended to reduce significantly the NUE and PUE of pods and stover under groundwater irrigation during first year of cropping. The NUE and PUE were significantly lower during following year under wastewater irrigation. Our results suggest that amendment of biochars had positive influence on the growth of P. sativum under groundwater irrigation during second year of cropping while these amendments had no influence under wastewater irrigation.     

露地种植大白菜的氮肥效应与氮素损失研究

采用田间小区和微区试验,研究了施用化学氮肥在露地大白菜上的氮肥效应和氮素损失。氮素总损失用15N示踪法测定,氨挥发用通气密闭室法测定,反硝化损失用乙炔抑制原状土柱培养法测定,不加乙炔测定N2O排放。结果表明,施用化学氮肥增产显著,用差值法计算得到的氮肥利用率在25.3%4～7.2%之间,相应的示踪法氮肥利用率为18.1%2～4.6%。化学氮肥显著增加了氨挥发、反硝化和N2O排放等气态氮损失;其中氨挥发占施氮量的0.97%1～7.1%,反硝化占4.33%8～.55%,N2O排放在1.09%1～.63%之间变化。大白菜收获时9.2%～10.9%的标记尿素被淋洗到40.cm以下土层。试验期间尿素的氮素总损失达41.1%4～8.1%,以表观淋洗损失最为严重,其次是氨挥发,而反硝化损失最低。与普通尿素相比,包衣尿素明显降低了氨挥发。     

长春地区食物链磷素养分流动历史变化特征分析

磷是重要的生命元素,其循环与转化在食物链中起着至关重要的作用。研究通过整理统计资料和文献数据,利用NUFER模型(Nutrient flows in Food chain,Environment and Resources use,NUFER),分析长春地区1993—2013年食物链磷素流动趋势特征,揭示其存在的问题并提出策略,为该地区食物链磷素的优化管理提供依据。结果表明,1993年长春地区食物链磷素总输入量为32.6 Gg,至2013年增长至113.9 Gg。食品生产方面,动物性食品磷素养分生产量由1993年的0.7 Gg提高到2013年的2.7 Gg,而植物性食品则由1993年的16.1Gg降低至2013年的15.7 Gg。食品消费方面,动物性食品磷素消耗量由1993年的0.5 Gg提高到2013年的1.1Gg,植物性食品则由1993年的5.0 Gg降低至2013年的4.4 Gg。20年间,长春地区食物链以废物形式累积的磷素量上升了15个百分点,通过径流、淋洗及侵蚀方式损失掉的磷素增加了17.6 Gg。至2013年,食物链中磷素的损失率达到20.2%。食物链各环节的磷素利用效率均呈下降趋势,其中作物生产和畜禽生产系统磷素利用效率分别由94.2%和4.1%降至49.3%和3.8%。整个食物链的磷素利用效率降低了20.3个百分点。同时,磷素的循环再利用效率也在逐渐降低。20年间,长春地区食物链磷素流动呈现出"投入量大、累积量多、损失量高、利用效率和循环再利用率低"的形式。因此,该地区的食物链中应控制磷素养分的投入,注意畜禽系统中废弃物的磷素循环利用,减少磷素损失从而提高磷素的利用效率。     

山西省农牧生产体系磷流动空间变异特征

为揭示山西省农牧生产体系磷流动空间分布特征,进一步为养分资源综合管理提供科学建议,本研究使用食物链养分流动模型(NUFER)与Arc GIS相结合,以2011年山西省11个地市农牧生产体系为研究对象,计算了农牧生产体系中的磷流动、损失及账户平衡,并对各个生产体系的磷利用效率(PUE)、有机废弃物中磷的循环利用效率、磷的损失途径等重要指标进行了综合评价,描述了2011年山西省各地市农牧生产体系与区域尺度的磷流动变化特征。研究结果表明,山西省各地市农牧体系磷的投入和损失差异较大,农田生产体系投入范围在22.5~83.0 kg·hm~(-2),而整个农牧生产体系损失区间在2.7~8.8 kg·hm~(-2);磷的投入和损失均总体呈现东南部高、西北部低的空间分布格局;各地市农田磷素均有盈余但程度不均,为9.4~48.4 kg·hm~(-2)。农田生产系统的磷素利用效率(PUEc)高于全国平均水平;农牧生产体系的磷利用效率(PUEc+a)较低,全省平均水平仅为30.3%,主要是由于农牧分离较为严重;有机废弃物的循环利用效率较低(60%)。省域东南部存在潜在环境风险,晋城、晋中等地市有大量的粪尿磷未得到回收利用,可作为周边农业主产区的农田养分资源。因此通过提高农牧生产体系的养分管理水平和区域间养分资源协同管理,能够大幅提高磷的利用效率,同时有效降低环境风险,实现山西农业可持续发展。     

闽西北烟-稻轮作系统地表氮、磷流失特征研究

为了明确福建省高温多雨气候条件下烟-稻轮作系统中地表氮、磷流失情况,在连续3a定位试验条件下研究了不同施肥措施对烟-稻轮作系统中地表氮、磷流失的影响。研究结果表明,福建省烟-稻轮作系统中氮、磷流失主要集中在上半年（烟季）,而且氮、磷流失总量主要受降水量的影响,与产流降雨量呈显著或极显著相关关系。当地习惯施肥条件下,烟-稻轮作系统中氮、磷的流失量分别为4.71～14.86kg·hm-·2a-1和0.93～2.20kg·hm-·2a-1,流失系数分别为0.76%～1.27%和0.47%～1.71%。与习惯施肥相比,优化施肥处理氮、磷的流失量分别减少了1.25%～13.82%和8.82%～14.99%,流失系数分别为0.76%～1.43%和0.41%～1.54%。增施50%氮肥和增施50%磷肥的氮和磷流失量分别比优化施肥处理提高7.6%～37.6%和21.5%～27.4%。此外,同等施肥量条件下,稻草还田的氮、磷流失量分别提高6.4%～16.4%和-3.4%～14.0%,流失系数分别达到0.86%～1.91%和0.36%～2.00%。综上所述,优化施肥处理可以减少氮、磷的流失量,而增量施肥明显增加肥料流失量,稻草还田也提高了氮、磷流失的风险。     

Phosphorus Sources and Rates Associated with Nitrogen Fertilization in Mombasa Grass Yield

Nitrogen (N) and phosphorus (P) deficiency is one of the important causes of degradation of cultivated pasture under tropical conditions. The aim of this study was to evaluate phosphate rates and sources, and N rates on the concentration and uptake of N and P, and shoot dry mass (SDM) yield of Megathyrsus maximum grass cv Mombasa in an Ultisol. The trial was carried out in a greenhouse in pots with 4.0 dm^?3 of soil. The experiment was arranged in a completely randomized design with four replicates. The 3 × 3 × 3 factorial treatments consisted of phosphorus sources [reactive rock phosphate from Morocco (RPM), reactive rock phosphate from Algeria (RPA) and triple superphosphate (TSP)], three phosphorus rates (0, 150, and 300 mg kg^?1), and three N rates (0, 250, and 500 mg kg^?1). The SDM and tillering of Mombasa grass were significantly influenced with the TSP, RPM, and RPA application associated with N fertilization. The RPM, RPA, and TSP met the nutritional demands of Mombasa grass. The three P sources showed the same effect on the total N uptake by Mombasa grass. The P use efficiency (PUE) when fertilizer-P sources were added alone by Mombasa grass was <12% of the added P, and PUE decreased as follows: TSP > RPA > RPM. When P and N-fertilizer were added together, the fertilizer-N use efficiency (NUE) was 62%. The reactive phosphate (RPM and RPA) is an efficient P sources for Mombasa grass, but requiring higher rate of application compared to TSP source.     

Soil phosphorus availability and rice phosphorus uptake in paddy fields under various agronomic practices

Agronomic practices affect soil phosphorus(P) availability, P uptake by plants, and subsequently the efficiency of P use. A field experiment was carried out to investigate the effects of various agronomic practices(straw incorporation, paddy water management, nitrogen(N) fertilizer dose, manure application,and biochar addition) on soil P availability(e.g., soil total P(STP), soil available P(SAP), soil microbial biomass P(SMBP), and rice P uptake as well as P use efficiency(PUE)) over four cropping seasons in a rice-rice cropping system, in subtropical central China. Compared to the non-straw treatment(control,using full dose of chemical N fertilizer), straw incorporation increased SAP and SMBP by 9.3%–18.5% and 15.5%–35.4%, respectively;substituting half the chemical N fertilizer dose with pig manure and the biochar application increased STP, SAP, and SMBP by 10.5%–48.3%, 30.2%–236.0%, and 19.8%–72.4%,respectively, mainly owing to increased soil P and organic carbon inputs;adding a half dose of N and no N input(reduced N treatments) increased STP and SAP by 2.6%–7.5% and 19.8%–33.7%, respectively, due to decreased soil P outputs. Thus, soil P availability was greatly affected by soil P input and use. The continuous flooding water regime without straw addition significantly decreased SMBP by 11.4% compared to corresponding treatments under a mid-season drainage water regime. Total P uptake by rice grains and straws at the harvest stage increased under straw incorporation and under pig manure application, but decreased under the reduced N treatments and under biochar application at a rate of 48 t ha-1, compared to the control. Rice P uptake was significantly positively correlated with rice biomass, and both were positively correlated with N fertilizer application rates, SAP, SMBP, and STP. Phosphorus use efficiency generally increased under straw incorporation but decreased under the reduced N treatments and under the manure application(with excessive P input), compared to the control. These results showed that straw incorporation can be used to increase soil P availability and PUE while decreasing the use of chemical P fertilizers. When substituting chemical fertilizers with pig manure, excess P inputs should be avoided in order to reduce P accumulation in the soil as well as the environmental risks from non-point source pollution.     

Adapting and evaluating APSIM-SoilP-Wheat model for response to phosphorus under rainfed conditions of Pakistan

Phosphorus (P) treatments were used to evaluate APSIM-SoilP-Wheat model and phosphorus use efficiency (PUE) of two wheat cultivars (NARC-2009 and Chakwal-50) during 2011–2013. Overall, the Agricultural Production Systems Simulator (APSIM) model accurately simulated dry matter, grains per spike, grain yield, biomass P, and grain P for two years, for both genotypes in response to all P fertilizer treatments. NARC-2009 had 55% higher PUE compared to Chakwal-50. Information on PUE will be helpful in breeding high PUE cultivars. Modeling results showed that the production of wheat depends on growth as well as on P uptake of the plants. The close agreement between observed and simulated results confirmed the accuracy of the model which was validated with skill scores like R² and RMSE. APSIM simulation proved to be valuable tool to evaluate PUE under rainfed conditions.