农牧交错带农牧系统氮素流动与环境效应——以山西省为例

【目的】探明山西省农牧交错带农牧生产系统的氮素流动特征及其环境效应,进一步为山西实施区域养分资源管理、加快农牧交错带产业结构调整提供科学依据。【方法】在整理统计资料、文献数据和实地调研的基础上,使用食物链养分流动模型（nutrient flows in food chains, environment and resources use,NUFER）和GIS,估算山西省农牧交错带（主要涉及大同、朔州、忻州、吕梁、临汾和太原等6个地市）42个县区农牧生产系统的氮素账户平衡、流动路径及损失途径。【结果】不同县区农田化学氮肥投入存在“两极分化”的现象,投入水平范围在6.7-253 kg·hm^-2,极值间相差38倍;各县区农田氮素的投入结构也表现出较大差异,主要跟当地化学氮肥施用习惯及农业种植结构有很大的关系;单位农田面积农作物主产品的氮素携出量范围在19.11-96.75 kg·hm^-2,空间上整体呈现南北高、中部低的变化趋势;不同县区农田氮素盈余量在-16-202 kg·hm^-2,氮素亏缺与盈余情况并存;区内畜牧生产系统中外源饲料氮素投入差异较大,朔州市的山阴县外源饲料氮素投入高达0.94×10⁴ t,而忻州的五寨、临汾的隰县、大宁和蒲县,则可以通过作物生产系统来满足畜牧生产系统的饲料需求,也充分反映了各县区畜牧业养殖规模和农牧产业结构存在较大差异;区内单位面积农田动物主产品氮素携出量范围在1.51-27.50 kg·hm^-2,极差25.99 kg·hm^-2,说明各县区畜牧生产系统的生产力水平差异较大,单位农田面积动物主产品的氮素携出量＞13 kg·hm^-2的分布在区域北部朔州市的山阴、怀仁、大同等县区,表明这些县区畜牧生产系统中的氮素利用率较高;单位耕地面积畜禽粪尿氮素负荷较高（＞50 kg·hm^-2）的县区主要分布在区域北部;农牧生产系统氮素损失的空间分布格局明显：一级区（＞200 kg·hm^-2）分布在区域北部,二级区（120-200 kg·hm^-2）分布在区域南部和北部,三级区（＜120 kg·hm^-2）主要分布在区域中部,今后应重点关注区域北部农牧业生产过程中的氮素损失及环境问题。【结论】农业生产结构不合理、“农牧分离”是造成农牧生产系统氮素利用率低下的主要原因,今后农田养分资源综合管理要在空间上合理配置氮素资源,在养分投入上既要考虑化学氮肥和粪尿氮素的投入,还要兼顾来源于环境投入部分的氮素,更要注重和畜牧生产系统的耦合,以最小的环境代价生产更多的农牧产品。     

都市圈“土壤-饲料-动物”系统养分流动与环境效应——以北京市为例

【目的】随着中国城市化进程的加快和经济的快速发展,人们对食品的需求和饮食结构发生了明显变化。城郊农牧生产的集约化发展在满足人们日益增长的对动物性产品和高品质植物性产品需求的同时,也带来了严重的资源浪费和环境污染问题。论文通过分析都市圈"土壤-饲料-动物"体系养分流动和环境排放特征,为养分资源综合管理、促进农牧结合和保护生态环境等提供科学建议。【方法】通过对北京市生猪(92个)、奶牛(28个)、肉牛(11个)、蛋鸡(27个)、肉鸡(26个)和肉鸭(16)共计200个农场的生产管理、饲料来源和投入、粪尿管理、还田利用的调研,总结出北京市农牧生产不同规模体系的特征参数,结合食物链养分流动模型(nutrient flows in food chains,environment and resources,NUFER)、北京市历史统计数据和文献参数数据对北京市都市圈农牧系统的氮磷流动、养分利用率和环境损失进行综合评价。对1980年与2013年农牧生产体系养分流动特征、利用率和环境排放特征的时空变化进行比较分析。【结果】从"土壤-饲料-动物"体系氮磷流动特征分析结果可以看出,体系中氮磷的投入和输出结构发生了较大变化。2013年,"土壤-饲料-动物"体系中进口主产物饲料氮磷投入是主要的养分来源,而1980年进口副产品饲料是主要的氮磷投入源。2013年氮磷损失为主要的输出项,而1980年氮磷还田为主要的输出项。这就说明随着城市化的发展和农牧系统的规模化,越来越多的外来养分在都市农牧系统中集中,从而带来了更大比例的环境损失输出。2013年,农牧生产体系氮素利用率NUEC+A为29.0%,与1980年相似。其中2013年农牧生产体系中的作物生产体系氮素养分利用率NUEC为33.0%,低于1980年的39.5%,而2013年动物生产体系NUEA为20.6%,高于1980年的17.8%。环境损失特征分析结果显示,单位面积氮磷损失和损失途径均发生了较大变化。2013年,每公顷耕地面积氮素和磷素总损失分别为436.5和37.5 kg·hm~(-2),而1980年的氮素和磷素损失分别为77.5和3.2 kg·hm~(-2),2013年单位耕地面积的氮素和磷素损失量较1980年分别增加了4.6倍和10.7倍。2013年氮素气体损失占氮素总损失的比例最大,为61.1%,其次为直接排放,为31.3%,淋溶径流损失比例最小,为7.6%。与1980年相比,气体损失比例明显降低,而无序排放比例明显增加,超过淋溶径流成为第二大损失途径。2013年磷素直接排放损失比例超过淋溶径流成为最主要的排放途径。同时,北京市"土壤-饲料-动物"体系环境氮磷损失在城郊区域迅速增加,而在城市中心区域迅速减少。【结论】1980—2013年间,北京市"土壤-饲料-动物"系统氮磷流动特征和环境排放时空分布发生了很大变化。这些变化与种养结构的变化、养殖规模和方式以及环保政策密切相关。     

中国天然草地氮磷流动空间特征

【目的】定量研究天然草地的氮磷流动空间特征,为优化牧草施肥和提高牧草产量提供科学依据。【方法】建立中国天然草地氮磷养分输入(输出)数据库,利用NUFER模型定量中国天然草地氮磷平衡账户、利用率和环境排放特征。【结果】(1)2013年,全国天然草地氮和磷的输入(输出)总量分别为5 034 Gg N和318 Gg P,单位面积的输入(输出)量分别为19 kg N·hm^-2和1.2 kg P·hm^-2。氮沉降和畜禽粪尿磷分别占氮和磷输入总量的49%和89%。各区域天然草地氮和磷输入(输出)量变化范围分别为7.0-70 kg N·hm^-2和0.12-8.0 kg P·hm^-2;(2)2013年,天然草地氮和磷养分利用率分别为105%和191%,各区域间差异很大。中国各地区天然草地的氮利用率变化范围为67%-141%,磷利用率的变化范围为75%-538%;(3)2013年,天然草地氮和磷的环境损失量分别为1.7 kg N·hm^-2和0.059 kg P·hm^-2,氨挥发和侵蚀分别是氮和磷的主要损失途径。西南和东北地区天然草地氮损失量较多,部分区域的损失量超过8.0 kg N·hm^-2;西北地区氮损失量较少,平均不足3.0 kg N·hm^-2;青藏高原区氮损失量最少,不足1.0 kg N·hm^-2。磷的环境排放空间规律与氮排放相似;(4)2013年,全国天然草地土壤氮和磷的亏缺总量分别为706 Gg N和315 Gg P,单位面积亏缺量分别为2.7 kg N·hm^-2和1.2 kg P·hm^-2。北方和西南部分地区天然草地的氮土壤累积量为负值,重庆、吉林和辽宁的土壤氮亏损量超过20 kg N·hm^-2;西部和西南部分省份天然草地的氮土壤累积量为正值,其中广西和云南的土壤氮累积量超过5.0 kg N·hm^-2。除广西和贵州外,其他区域天然草地磷养分均有不同程度的亏缺,重庆天然草地磷的亏缺量最大,为3.7 kg P·hm^-2。【结论】2013年,全国天然草地的氮和磷输入量较小,约50%的氮素通过氮沉降输入系统,约90%的磷素通过畜禽粪尿磷输入系统;全国天然草地土壤的氮和磷呈亏缺状态,养分利用率高于100%,当前草地系统不可持续,应注意补施氮磷养分;全国天然草地单位面积氮和磷的环境损失量较小,西南地区天然草地的氮和磷环境损失量大于其他区域。各区域天然草地氮磷流动空间特征差异较大。     

近20年重庆市农牧生产体系氮素流动特征及驱动力分析

【目的】通过评价重庆地区农牧系统的氮素流动特征,明确氮素的主要损失途径及驱动因素,提出未来农牧生产中氮素管理措施,为实现重庆地区农牧系统氮养分的高效利用提供数据支撑。【方法】通过查阅文献及统计数据并结合调查研究,采用NUFER（nutrient flow in food chain, environment and resources use）评价方法,以重庆市农牧生产系统为主要研究对象,定量1996-2015年间农牧系统的氮素流动特征,明确其环境代价。在此基础上,探讨人类活动与农牧系统氮素流动特征变化之间的关系,并通过对2020年不同氮素管理情景分析,探索区域氮素的可持续利用途径。【结果】1996-2015年,重庆市农牧系统氮素输入总量增长19.2%,2015年达到1 006 Gg,其中化肥贡献57%以上;氮素输出总量增长16.5%,2015年达到844 Gg,环境损失为最大的氮素输出项,占输出量的61.7%左右,其中农田生产和畜禽养殖系统分别贡献45.1%和54.9%;农牧系统内氮素循环总量增长42.7%,2015年达到448 Gg,其中秸秆还田和畜禽粪尿还田氮量分别达到32.7和95.0 Gg,20年间分别增长55%和44%。1996-2015年重庆市蔬菜瓜果等经济作物种植比例从10%升至28%,粮食作物种植比例从82%降至62%,肉蛋奶等动物主产品输出量增加83%。农牧生产结构的变化与氮素利用和损失的变化呈现显著的线性正相关关系,但人均GDP (gross domestic product)的增长与氮素利用和损失的变化没有呈现明显的线性关系,表明影响系统氮素流动特征的主导因素应该是农牧生产结构变化,而经济发展水平的变化只是起到了刺激农牧产品消费的作用。通过情景分析,若在2020年实现《重庆市农业农村发展“十三五”规划》的农产品生产目标,保持目前的氮肥投入和氮素管理现状,将会增加18 Gg氮素损失,同时降低氮素利用率1.2%;通过提高系统内部氮素循环利用率,优化作物生产养分管理,可在实现生产目标的同时,分别减少氮肥投入和氮素损失量15%和4.2%,提高农牧系统氮素利用率1.3%以上。【结论】在近20年中,重庆市农牧生产系统氮素流动特征发生了很大变化,氮素输入强度和环境损失在不断增加,而农牧生产结构改变是其变化的主要驱动力。在重庆未来农牧生产中,减少畜禽生产系统氮素的直接排放,加大畜禽粪尿和秸秆循环利用力度,优化作物生产系统氮素管理措施和提高氮素利用效率,是实现农牧生产和生态环境的平衡发展的有效措施。     

东北地区农牧系统氮、磷养分流动特征

【目的】东北地区是中国重要的商品粮基地及畜牧产品生产地,农牧产品大量生产影响养分流动的趋势,而不同地区的养分流动又存在一定差异,明确不同地区农牧系统养分流动特征,揭示其存在的问题,并针对不同的流动特征提出合理的优化策略,为区域农牧系统氮、磷养分的管理提供理论依据。【方法】通过整理1984-2014年统计资料数据和查阅相关文献参数,利用NUFER模型（nutrient flows in food chain, environment and resources use）,以东北地区3个省份的农牧系统为研究对象,估算各省域农牧系统中氮、磷养分的流量、损失量,并对各省域氮、磷养分的循环利用情况、损失途径及利用率作出综合评价,探究东北地区氮、磷养分在农牧生产系统中变化趋势及特征。【结果】1984年吉林、辽宁、黑龙江地区农牧系统氮素总输入量分别为669、746、716 Gg;磷素总输入量分别为121、222、169 Gg,至2014年氮素输入量增长至1 899、1 572、2 256 Gg;磷素输入量达到471、393、769 Gg,氮、磷养分的投入量表现为黑龙江＞吉林＞辽宁。氮素养分损失率吉林地区最高,磷素养分损失率辽宁地区最高。氮、磷养分循环再利用方面,吉林地区的循环利用率最高,辽宁地区最低。近30年,吉林、辽宁、黑龙江地区农田生产系统氮素养分利用率分别下降10%、11%、32%;磷素养分利用率分别下降16%、2%、23%。畜禽生产系统中,氮素养分的利用率分别增加3%、11%、10%,磷素养分利用率分别增加0.8%、1.9%、3.2%。农牧结合生产系统氮素养分利用率分别由1984年的26%、36%、52%降至2014年的13%、21%、22%,整体表现为黑龙江＞辽宁＞吉林;磷素养分利用率由1984年的25%、25%、31%降至2014年的9%、14%、10%,表现为辽宁＞黑龙江＞吉林。【结论】1984-2014年,东北地区农牧系统氮、磷养分投入大幅增加,不同省域间表现出明显差异。黑龙江地区的氮、磷养分可利用总量均最高,而氮、磷养分的循环再利用率则表现为吉林地区最高。东北地区农牧结合系统中,黑龙江地区氮素利用率高于其他地区,辽宁地区的磷素利用率高于吉林和黑龙江地区。吉林和辽宁地区的氮、磷养分损失率分别高于其他地区。因此,需要针对不同地区的养分流动特征提出农牧管理方面合理化建议,为东北地区的农牧业可持续发展提供依据。     

1985—2015年福建省农牧系统磷素流动特征及影响因素

【目的】探明福建省农牧系统磷素流动时间变化特征及其影响因素,为实施农牧系统养分资源综合管理和推进农业绿色发展提供科学依据。【方法】 通过整理福建省1985—2015年统计年鉴中农牧业产品活动数据和补充文献中农牧业产品养分参数,结合实地调研,使用NUFER (nutrient flows in food chain, environment and resources use) 模型,定量估算1985—2015年福建省种植业和养殖业磷素流动账户平衡、利用率与损失变化特征,明确影响农牧生产系统磷素流动的主要因素。【结果】 1985—2015年,福建省农牧生产系统磷素输入总量由63.1 Gg升至196.2 Gg,主要输入项为化肥投入及饲料进口,其中种植业单位面积化肥磷投入量由27.8 kg·hm^-2逐渐上升并稳定于60.4 kg·hm^-2,受福建省种植业及养殖业规模和结构变化影响,本地饲料磷供应量由3.33 Gg降至1.65 Gg,饲料磷进口数量由20.7 Gg增至70.2 Gg;农牧系统输出端,磷素输出总量由45.0 Gg增至90.9 Gg,主要输出项为作物主产品和粪尿损失,其中作物主产品变化较小,由24.3 Gg增至26.7 Gg,粪尿损失磷增加较多,由1.44 Gg增至25.8 Gg;在农牧系统内部,磷素的主要去向为土壤累积,且逐年上升,由18.1 Gg升至106 Gg,种植业磷素利用率（PUE_c）由36.1%降至16.6%,农牧系统的磷素利用率（PUE_c+a）变化趋势与PUE_c相仿,逐渐下降并最终维持于15.0%,同时单位农牧产品磷损失由0.3 kg P·kg^-1逐渐上升并稳定于1.3 kg P·kg^-1。在经济发展和种植结构方面,当人均生产总值（GDP）<1.1万元时,GDP与化肥磷投入数量呈显著正相关,当GDP<1.5万元时,与单位农牧产品磷损失之间呈显著正相关,人均GDP<1.3万元时,与PUE_c呈显著负相关;经济作物播种面积占比与单位农牧产品磷损失、化肥磷投入之间呈极显著正相关,与PUE_c之间呈极显著负相关。【结论】 当前福建省种植业结构特征为经济作物播种面积占比较高,同时单位面积化肥磷投入量较大,养殖业畜禽粪尿循环不充分,导致单位农牧产品磷损失较多,同时磷素利用率偏低。因此,控制磷肥的施用量、增强农牧业废弃物资源化利用程度,将是提高福建省农牧系统磷素利用率,促进农牧业可持续绿色发展的保障。     

海南岛农牧生产体系磷元素流动时空变化特征

【目的】 通过对1987—2016年海南岛农牧生产体系磷元素流动时空特征及环境效应进行定量分析,研究其流动过程和规律,探讨农牧生产体系磷素的优化管理途径,为海南岛农牧业可持续发展提供科学依据。【方法】 研究基于食物链养分流动模型（NUtrient flows in Food chains, Environment and Resources use,NUFER）,通过统计数据、文献检索、实地调研,并结合Origin等软件,定量计算海南岛农牧生产体系的磷素输入、输出、利用率及其环境效应,并通过情景分析探索海南岛农牧生产体系磷素的可持续利用途径。【结果】 30年间海南岛农田生产子系统磷素总投入量从21.34 Gg增至81.19 Gg,总输出量由6.20 Gg增至18.20 Gg,化肥作为该系统磷素主要来源,输入量由19.01 Gg增至79.23 Gg,作物产品作为农田磷素主要输出项,30年间由5.25 Gg增至15.48 Gg。动物生产子系统磷素总输入量由11.40 Gg增至15.31 Gg,总输出量由9.63 Gg增至11.90 Gg,其中外源饲料磷素输入量由1987年的10.97 Gg增至2016年的14.77 Gg,动物产品输出量30年间增长了4.95 Gg。秸秆还田量和作物饲用量分别增加了0.37和0.26 kg·hm ^-2,粪尿还田量则减少了0.80 kg·hm ^-2。空间分布上,澄迈、定安等地30年来磷素输入和输出量较高,五指山、琼中等地较低。就磷素损失情况来看,1987—2016年,海南岛单位耕地面积土壤磷盈余量由35.00 kg·hm ^-2增至147.40 kg·hm ^-2,2016年土壤磷素盈余量较大的是琼海、澄迈、保亭和临高,分别为372.79、279.82、194.14和181.09 kg·hm ^-2。磷的其他损失途径为土壤侵蚀、径流和淋洗,损失量在1.21—5.85 kg·hm ^-2。畜禽粪便单位耕地面积承载量维持在3.83—5.77 kg·hm ^-2。30年来,磷素利用率增长缓慢,其中农田生产子系统磷素利用率由13.01%增至13.86%,动物生产子系统磷素利用率由4.78%增至7.62%,农牧结合体系磷素利用率由10.78%增至13.09%。情景分析结果显示,保证农牧生产体系各子系统间的协调稳定发展以及通过科学的养分管理方式提高资源的循环利用率对促进海南岛农牧业发展意义重大。 【结论】 受农牧生产体系规模、区域发展以及管理方式等因素影响,海南岛农牧生产体系环境损失情况严重,磷素利用率较低,体系出现了较严重的分离。因此,在海南岛未来的农牧生产中,应优化技术手段和管理措施,如控制磷素的过量输入,减少粪尿的直接排放,提高秸秆和粪尿循环利用率。同时也应促进农田生产子系统与动物生产子系统间的协调关系,走农牧结合的可持续发展道路。     

华北平原典型区域农牧系统氮素流动及其环境效应 ——以河北省为例

【目的】以华北平原典型地区河北省为例,明确农牧系统氮素养分流动特征和环境效应,分析农牧系统氮素循环利用率和农牧业结合的程度,探讨农牧系统氮素的优化管理途径,为农牧业养分循环和绿色可持续发展提供科学依据。【方法】以河北省“农田-畜牧”生产系统为边界,在整理统计资料、文献数据和调研数据的基础上,利用物质流分析方法,分别定量1980-2015年河北省农田体系、畜牧体系和农牧系统的各个氮素输入和输出项,同时利用氮素利用率、氮素盈余量和氮素回田率等指标分析氮素流动特征与环境效应。农牧系统的氮素输入项主要包括化肥、生物固氮、干湿沉降、灌溉、人粪尿还田、外源饲料;氮素输出项主要包括农田体系主产品的本地消费、外销,畜牧体系主产品的本地消费、外销,农牧系统大气排放、水体排放;内部的氮素循环项主要包括农田系统副产品还田、农田系统主、副产品作为本地饲料、畜牧系统副产品还田。【结果】1980-2015年,河北省农田生产体系氮素年均输入量增加1.9倍,而作物收获氮量仅增长1.5倍,导致农田氮盈余量和损失量分别增加1.7和1.9倍,氮素利用率由47.2%降至41.4%。与有机肥氮投入相比,化肥氮投入占农田总氮投入60%以上,近年来接近70%。区域间农田养分平衡差异大,氮素输入方面,邯郸市和唐山市较高（＞600 kg·hm^-2）,承德市最低（＜200 kg·hm^-2）;氮素盈余方面,唐山市最高,为267.8 kg·hm^-2,衡水市最低,为51.6 kg·hm^-2。畜牧体系氮素输入量也明显增加,在2005年达到最大值,为1980年的7.7倍;畜禽产品和粪尿氮素产生量同时呈现增加趋势,尤其是粪尿氮素产生量由21.8×10⁴ t增加到115.3×10⁴ t;各区域间动物粪尿氮素产生量存在明显差异,其中氮素产生量最高为邯郸市（377.3 kg·hm^-2）,最低为衡水市（122.6 kg·hm^-2）。外源饲料氮素依赖率由60.5%增至72.7%,畜牧粪尿氮素还田率由70.4%降至30.2%,但畜牧体系氮素利用率由6.4%增至16.3%。从农牧系统整体来看,1980-2015年氮素输入总累计量高达9 038.9×10⁴ t,化肥氮素投入量约占总氮素投入量的55.7%,外源饲料氮素投入量占总氮素投入量的33.1%,农牧产品累计总输出氮为2 537.4×10⁴ t,占总累计输入氮量的28.1%,向大气、水体累计排放的总氮量高达4061.2×10⁴ t,约占总累计输入氮量的44.9%。【结论】1980-2015年河北省农牧系统氮素投入量大幅度增加,氮素富集和环境排放严重,氮素利用率偏低,不同区域单位面积氮素平衡存在较大差异,农田生产与畜禽生产之间养分循环严重脱节。因此,应该充分利用本地饲料资源,提高有机肥的还田率,走农牧结合的道路,从而降低因“农牧分离”造成的“高投入-低效率”代价,促进农牧业可持续发展。     

云南省农牧生产系统氮素流动时空变化特征与环境效应

【目的】研究云南省农牧生产系统的氮素流动途径并评价其环境效应,提高农牧业氮素利用率,改善农业生态环境,为制定符合云南省农业发展规律的政策提供科学依据,实现社会经济生态的可持续发展。【方法】通过运用食物链养分流动模型（nutrient flows in food chains, environment and resources use,NUFER）,从时间序列的角度分析1995-2014年云南省农牧业氮素养分流动时间分异特征,结合GIS,从空间格局角度分析2014年云南省16个地州农牧业氮素养分流动空间分布特征。【结果】1995-2014年云南省农牧系统氮素投入量逐年递增,从1995年的2.1×10⁶ t增至2014年的3.5×10⁶ t。氮肥的施用和饲料进口是造成农牧系统氮素投入量增加的主要原因。农田主产品吸氮量与动物生产系统主产品吸氮量在时间上呈现同向增长的关系,农产品吸氮量1995-2014年间上涨2.1倍,动物生产系统主产品吸氮量上涨8.5倍,其中2000年、2006年变化最为剧烈。云南农牧业快速发展的过程中,由于作物播种面积扩大、栽植技术提高,畜牧业养殖规模扩大,模式改良所引起的氮素吸收效率提高。云南省农牧生产系统氮素流动表现出极大的不平衡性;氮素投入呈现放射式分布特征,中心投入量高,四周投入量逐渐递减。吸氮量则表现出与区域社会经济发展状况相协同的特点,经济发达地区吸氮量较高,经济发展滞后的区域,吸氮量较低。由于地形条件引起的径流、侵蚀、淋洗,以及由于施肥方式不合理所引起的氨挥发是导致农牧生产系统中氮素损失的重要原因。根据云南省氮素投入、吸收和损失规律,可将各地州划分为高投入高排放（大理、昆明、红河）、高投入低排放（曲靖、丽江、楚雄等）、低投入高排放（迪庆、昭通等）和低投入低排放（怒江、普洱）4大类型。【结论】云南省传统施肥方式导致施肥过量,大量肥料通过氨挥发的方式排入大气中,动物养殖过程中产生的粪尿中氮素通过径流、淋溶进入水体,造成农业生产过程中经济效益的降低、环境污染。从空间格局上看,大理、昆明、红河的氮素损失较高。今后亟需改进化肥施用方式,提高化肥利用率,改进畜牧业养殖模式,提高粪尿有机还田的数量。针对主要区域重点治理,采用因地制宜的农牧体系氮素优化管理技术、增加粪尿养分循环和提高氮养分效率,减少氮素向大气和水体中的排放数量,从而实现农牧体系氮素的合理循环。     

山西省畜禽粪污土地承载力及粪尿替代化肥潜力分析

为明确山西省畜牧业的发展规模,优化畜牧业发展的空间格局,进一步为山西省农牧业实现绿色发展提供科学依据。研究基于农牧生产系统养分平衡的方法,测算了山西省县域尺度的畜禽粪污土地承载力。结果表明,山西省的种植业与畜牧业发展规模在空间上存在一定的错位,种植业发达的地区主要分布在省域南部和中部的区县,而畜牧业发达的地区则分布在省域北部、中部和东南部的区县;山西省当前的畜牧业发展规模折合为2 371.77万猪当量,以粪尿氮作为约束指标,山西畜牧业可发展规模为5 976.01万猪当量;以粪尿磷(纯磷,下同)作为约束指标,山西畜牧业可发展规模为7 212.27万猪当量。综合粪尿氮磷承载力指数结果分析,超载区域主要分布在省域北部种植业欠发达的区县和省城太原周边的区县;全省粪尿氮、磷的有效供给量分别为18.28万t和3.15万t,可以分别有效替代氮、磷肥39.79%和33.21%。无论以粪尿氮或磷作为约束指标,山西畜牧业整体上仍有较大的发展空间,可适度增加畜禽养殖规模,但需要关注城市近郊区县的畜禽粪尿氮磷的环境排放和大中型养殖企业的点源污染问题。在畜禽粪尿养分资源管理策略上,则应考虑优化农牧业生产布局和区域间协同管理。     

NUTRIENT USE EFFICIENCY AND LOSSES OF INDUSTRIAL FARMS AND MIXED SMALLHOLDINGS: LESSONS FROM THE NORTH CHINA PLAIN

• Degree of integration of crop and livestock was insufficient on mixed smallholdings. • Liquid manure discharges on industrial farms hamper the closing of nutrient loops. • Coupling with local crop farms is encouraged to achieve integration of crop-livestock systems. The proportion of industrial livestock in China has increased over the past 30 years, which increases animal performance but causes the decoupling of crop and livestock production. Here, we aimed to quantify nutrient flows, nutrient use efficiency, and nutrient losses in different livestock systems in the North China Plain based on the NUFER-farm model. Activity data were collected by face-to-face surveys on pig and dairy (41 livestock farms) during 2016–2018. The two systems included industrial farms and mixed smallholdings. In mixed smallholdings, 4.0% and 9.6% of pig and dairy feed dry matter (DM) were derived from household farmland, but 4.8% and 9.3% of manure DM recycled to household farmland. Nutrient use efficiency in industrial farms was higher than in mixed smallholdings at animal level, herd level, and system level. To produce 1 kg N and P in animal products, nutrient losses in industrial pig farms (2.0 kg N and 1.3 kg P) were lower than in mixed pig smallholdings, nutrient losses in industrial dairy farms (2.7 kg N and 2.2 kg P) were slightly higher than in mixed dairy smallholdings. Liquid manure discharge in industrial farms was the main losses pathway in contrast to mixed smallholdings. This study suggests that feed localization can reduce nutrient surpluses at the district level. It is necessary to improve manure management and increase the degree of integrated crop-livestock in smallholdings. In industrial farms, it is desirable to increase the liquid manure recycling ratio through cooperating livestock and crop production at the district level.     

长期施肥紫色水稻土磷素累积与迁移特征

【目的】探讨长期不同施肥对钙质紫色水稻土磷素累积与迁移的影响。【方法】以长期肥料定位试验不同施肥处理的土壤为研究对象,试验处理包括不施肥（CK）、氮肥（N）、氮磷肥（NP）、氮磷钾肥（NPK）、有机肥（M,鲜猪粪）、有机肥+氮肥（MN）、有机肥+氮磷肥（MNP）和有机肥+氮磷钾肥（MNPK）8种施肥方式,研究不同施肥处理条件下钙质紫色水稻土磷素平衡、累积和去向状况,以及不同施肥方式对耕层（0-20 cm）土壤全磷、有效磷演变规律及土壤剖面（0-100 cm）全磷、有效磷迁移特征。【结果】钙质紫色水稻土33年不施用磷肥（CK和N）作物籽粒和秸秆磷素携出总量为613.12 kg·hm^-2,种苗、根茬、雨水及灌溉水带入土壤总磷量为106.61 kg·hm^-2,长期不施用磷肥土壤磷素表现出亏缺状况,年亏缺量为15.35 kg·hm^-2,且土壤磷含量随种植年限延续而下降,土壤全磷含量年均减少量为0.0011 g·kg^-1、有效磷含量年均减少量为0.029 mg·kg^-1;33年单施无机磷肥（NP和NPK）土壤磷素投入总量为1 880.03 kg·hm^-2、作物携出磷量为1 275.40 kg·hm^-2,有机肥处理（M和MN）土壤投入磷量为2 532.68 kg·hm^-2、携出磷量为757.50 kg·hm^-2;有机无机磷肥配施（MNP和MNPK）土壤投入和携出磷量分别为4 305.11和1 436.64 kg·hm^-2;不同施肥处理土壤磷素投入量都明显高于作物携出量,导致单施无机磷肥、单施有机磷肥和有机无机磷肥配施处理土壤磷素年盈余量分别为18.32、53.79和86.92 kg·hm^-2,年未知去向磷量分别为4.99、34.96和59.39 kg·hm^-2,土壤全磷含量年增加量分别为0.015、0.0018和0.018 g·kg^-1,有效磷含量年增加量分别为1.13、0.032和1.17 mg·kg^-1。长期不施用磷肥钙质紫色水稻土全磷含量随土层深度增加而降低,土壤有效磷含量则相反;长期施用磷肥土壤全磷和有效磷含量在土壤剖面都呈现出上下层高、中间低的空间分布格局。施用无机磷肥土壤磷素可迁移至60-80 cm土层,施用有机磷肥或有机无机磷肥配施土壤磷素可迁移至100 cm以下;随着磷肥施用年限持续,土壤磷素迁移深度和迁移量将会更大,有机肥的施用促使磷素向土壤下层迁移。【结论】连续数年施用磷肥后,土壤磷含量达到一定水平时应考虑减少磷肥用量,减少因有机肥过量施用导致的磷素快速积累和淋失。     

基于产量的渭北旱地小麦施肥评价及减肥潜力分析

【目的】明确小农户经营模式下小麦施肥现状,为实现旱地小麦稳产增产和养分高效利用提供依据。【方法】通过连续5年对渭北旱地1 261个农户的养分管理调研,以维持旱地小麦可持续生产为出发点,基于小麦产量确定的养分需求量,评价农户施肥量,分析农户施肥的问题及减肥潜力。【结果】调研农户小麦籽粒产量介于750—9 000 kg·hm~(-2),平均4 243 kg·hm~(-2),属于低产(2 640 kg·hm~(-2)),偏低(2 640—3 780 kg·hm~(-2)),中产(3 780—4 920 kg·hm~(-2)),偏高(4 920—6 060 kg·hm~(-2)),高产(6 060 kg·hm~(-2))等级的农户依次占22.0%,22.2%,19.3%,22.8%,13.6%。农户氮肥用量介于33—454 kg N·hm~(-2),平均188 kg N·hm~(-2);磷肥介于0—435 kg P_2O_5·hm~(-2),平均125 kg P_2O_5·hm~(-2);钾肥介于0—201 kg K_2O·hm~(-2),平均19 kg K_2O·hm~(-2),农户的施氮、磷和钾量均与小麦产量无显著相关关系。从低产到高产,施氮过量(偏高+很高)的农户比例逐渐降低,由97.8%降低到18.0%;而施氮不足(偏低+很低)的农户逐渐增多,由0.7%增加到45.9%。与氮肥类似,随着产量水平提高,施磷过量的农户比例也逐渐降低,但降低幅度小,由99.3%仅降低到70.9%,即过量施磷普遍存在。与氮、磷不同,在各产量水平下至少有60%的农户施钾不足。因此,在低产、产量偏低水平,重点是施氮量偏高或很高的农户需减肥,减幅在24—144 kg N·hm~(-2)、28%—73%氮肥;在中产、偏高和高产水平,既有减肥,也有增肥,减肥的重点是施氮量偏高或很高的农户,减幅在50—181 kg N·hm~(-2)、26%—51%氮肥,增肥的重点是施氮量偏低或很低的农户,增幅在38—134 kg N hm~(-2)、41%—345%氮肥。针对农户普遍施磷过量的问题,在不同产量水平,施磷量偏高的农户应减少7—31 kg P_2O_5·hm~(-2)、23%—33%的磷肥投入;施磷很高的农户应减少85—118 kg P_2O_5·hm~(-2),61%—85%的磷肥投入。由于钾肥用量普遍不足,施钾很低或不施的农户首先应改变不施钾肥的习惯,根据不同产量水平施用钾肥13—50 kg K_2O·hm~(-2);施钾偏低的农户,应增加7—18 kg K_2O·hm~(-2)、35%—78%的钾肥。【结论】相比于传统的施肥评价中用统一的施肥量标准去评价不同产量水平的农户施肥,本文提出了基于产量的农户施肥评价和减肥潜力分析方法,适于目前中国小农户农田经营模式,可以客观、准确认识目前农户随意和过量施肥的问题,为进行有效调控施肥提供依据。     

甘肃省天水市畜禽粪肥资源现状及替代化肥潜力研究

综合考虑农作物种植结构、种植面积及畜禽粪污处理方式等因素,估算了天水市各县区粪污养分资源现状及其替代化肥的潜力。结果表明,天水市畜禽粪污中氮、磷养分分别为22 565.01t和3 384.75t,且各县区畜禽粪污氮和磷供给量均未超过作物需求量;当前天水市大部分养殖场固体粪污储藏堆放还田,液体粪污直接还田,在这种粪污处理方式下,氮、磷的有效供给量分别占作物氮、磷需求量的10.49%和6.72%,表明天水市有足够的耕地消纳畜禽粪污;研究还发现:在固体粪污加工为商品有机肥,液体粪污沼气处理的方式下,粪肥养分损失率最低;各县区氮养分的替代率高于磷养分替代率;我市粪肥替代化肥潜力较大,应提高粪污资源化利用水平。研究结果可为天水市畜禽粪污资源化利用和确定养殖业发展规模提供理论依据。     

中国农牧系统养分管理研究的意义与重点

中国由于农牧分离和不合理的养分管理方式导致了农田硝酸盐淋失、水体富营养化、氨挥发和温室气体排放等环境问题日益严重。研究中国“土壤-作物-畜牧业”生产系统（即农牧系统）养分流动特征,通过优化农牧系统养分管理,保持养分合理流动与循环,减少各个环节的养分环境排放,提高系统利用率是农牧业可持续发展的关键,也可为“化肥减施”、“有机肥替代化肥”、“畜禽养殖废弃物资源化利用”和“面源污染阻控”等国家行动提供科学依据。本文对中国农牧系统养分投入、利用率和环境排放等特征、国内外农牧系统养分管理研究进展进行了分析,提出中国农牧系统养分管理研究重点。目前中国农牧系统养分流动特征是过渡依赖化肥养分投入提高粮食和饲料产量,进而支持集约化畜牧业发展;而农牧分离的生产方式导致了农牧系统养分流动效率低,环境排放高;都市圈及其周边是排放的热点区域。国际研究经验表明,农牧结合是可持续集约化农业的必然出路,农牧结合的核心是通过改善畜禽粪尿管理,减少养分的损失和提高养分在农田循环的比例和数量。兼顾提高农牧业生产力和保护环境的“土壤-作物-畜牧业”系统养分管理已经成为全球关注的焦点。未来,中国农牧系统养分管理研究应包括：（1）典型农作系统“土壤-作物-畜牧”系统养分流动规律和环境效应的定量研究;（2）有机肥替代化肥机理与调控途径研究;（3）畜禽粪尿养分循环利用机理和减排技术研究;（4）高产高效“土壤-作物-畜牧”系统设计研究。     

中国栽培草地氮磷流动空间特征

【目的】中国畜牧业快速发展,对牧草需求日益增加,种植业结构调改已成为必然趋势。定量研究栽培草地的氮磷流动特征,可为优化牧草施肥和提高牧草产量提供科学依据。【方法】以苜蓿、黑麦草和燕麦草为研究对象,建立中国主要栽培牧草氮磷养分输入(输出)数据库,利用NUFER模型定量中国主要栽培牧草氮磷平衡账户、利用率和环境排放特征。【结果】（1）2014年,全国苜蓿、黑麦草和燕麦草草地氮输入(输出)总量分别为1 547、236和67 Gg,磷输入(输出)总量分别为323、44和16 Gg。单位面积苜蓿、黑麦草和燕麦草草地的氮输入(输出)量分别为326、427和217 kg N·hm^-2,磷输入(输出)量分别为49、18和35 kg P·hm^-2。生物固氮是苜蓿草地氮的最主要输入项,占总输入量的51%,氮肥占黑麦草草地氮总输入量的93%,占燕麦草地总输入量的84%。磷肥是3种牧草磷的最主要输入项。（2）2014年,全国苜蓿、黑麦草和燕麦草的氮利用率分别为64%、93%和69%;磷利用率分别为28%、77%和34%。不同区域氮磷利用率差异很大。(3)2014年,单位面积苜蓿、黑麦草和燕麦草草地的氮环境排放量分别为23、4.0和9.9 kg N·hm^-2,磷的环境排放量分别为2.6、3.8和2.6 kg P·hm^-2。西南地区苜蓿和黑麦草的氮磷环境排放量较高,西部各地区燕麦草草地氮磷环境排放量高于其他区域。(4)2014年,黑麦草草地氮呈亏缺态,其余栽培草地氮磷均有不同程度的盈余。中国西部地区苜蓿的土壤氮磷累积量高于东部地区;黑麦草的土壤氮磷累积量没有明显规律;青藏高原区燕麦草的土壤氮磷累积量大于其他区域。【结论】2014年,全国栽培苜蓿、黑麦草和燕麦草草地的氮磷输入(输出)量差异较大。生物固氮是苜蓿获取氮素的重要途径,田间管理需减少氮肥投入,燕麦和黑麦草主要通过化肥获取所需养分,应注重肥料施用。3种栽培牧草氮的利用率均高于60%,磷的利用率相对较低。黑麦草草地氮呈亏缺态,需增施氮肥,其余栽培草地氮磷均有不同程度的盈余,应控制肥料过多施用。