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。     

牛场粪水添加外源添加物施用后对土壤氨挥发的影响

为了控制并且减少牛场粪水还田氨挥发的产生量,采取室内培养的方法,研究牛场粪水添加不同外源添加物（腐植酸、硫酸、生物炭、柠檬酸）施用后对土壤氨挥发的影响,通过硼酸吸收法监测土壤氨挥发量,筛选牛场粪水还田最优添加物以减弱土壤氨挥发。结果表明,牛场粪水添加酸性外源添加物后施用于碱性土壤,会降低土壤氨挥发损失,酸性添加物对氨挥发抑制效果为柠檬酸 > 腐植酸 > 硫酸;牛场粪水中添加腐植酸处理土壤氨挥发量降低幅度达46.62%,且在培养的第14 d全氮含量高于其他处理;高脲酶活性可促进氨挥发增加,增加土壤硝态氮含量。研究表明,腐植酸作为外源添加物添加于牛场粪水还田后有利于降低土壤氨挥发量。     

吉林省畜禽粪尿总量估算及其环境风险分析

利用统计资料和文献数据,结合国内外研究,确定吉林省畜禽粪尿资源的计算参数和计算方法。根据吉林省2011年畜禽饲养量的统计数据估算了吉林省畜禽粪尿产生量、污染物产生量及其流失量。结果表明：2011年吉林省畜禽粪尿总量为7614.99万t,畜禽粪尿污染物产生量910.86万t,污染物流失总量为273.26万t,吉林省畜禽粪尿单位耕地负荷为11.16t/hm2。畜禽粪尿总量集中分布在长春、四平、吉林和松原地区。吉林省畜禽粪尿污染物承载量环境风险大的县域分布在长春、四平、松原和白山地区。     

我国畜禽养殖氨排放特征及减排体系构建研究

基于畜禽生产-污染防治大协同、污水-废气-固废处理小协同目标，开展各畜禽养殖模式氨排放特征分析。研究发现：相同清粪方式下，机械通风封闭化圈舍氨排放速率要小于自然通风开放式圈舍，相同通风方式下，圈舍氨排放速率表现为水冲粪 < 干清粪 < 垫草垫料 < 水泡粪，各畜种肥水储存模式氨排放最大；通过养殖模式与减排技术的政策、规范协调性分析，发现圈舍封闭化+机械通风、堆肥发酵、厌氧发酵等养殖模式，低蛋白日粮、排风口处理、覆盖、密闭堆肥+废气处理、粪肥机械深施等控氨技术可作为畜牧业氨减排的方向。明确了氨减排模式与技术的对应关系，构建了模式替代和技术减排相耦合的畜禽氨减排体系，提出了制定大气氨环境质量标准、畜禽养殖氨排放标准及配套的氨监测技术规范、畜禽养殖场氨减排核算技术规范及配套的氨减排工程建设技术规范等配套落地政策建议，为顺利推动畜禽氨减排试点工作提供技术支撑。     

不同猪群粪、尿产生量的监测

准确了解畜禽粪尿的产生量是畜禽粪便有效处理与利用的基础。以规模化养猪场为对象,研究了不同猪群(公猪、母猪、哺乳仔猪、保育猪、育成猪、育肥猪)在不同季节粪尿产生量、粪尿养分含量及养分产生总量等变化。结果表明：不同猪群间粪尿日产生量、粪尿养分含量及氮磷等养分日产生总量均呈显著差异,公猪粪尿日产生量及养分日产生量均显著大于其...     

吉林省汪清县畜禽粪便污染及防治措施

为了解汪清县畜禽粪尿污染现状情况,采用2000~2010年各类畜禽养殖数据,利用各类畜禽粪尿日排泄系数和污染物含有量,估算出畜禽粪尿排放总量、污染物总量及其流失量。结果表明,2010年汪清县畜禽粪尿总量为101.60万t,单位耕地畜禽粪尿承载量为24.69 t/hm2,略高于全国耕地畜禽粪尿平均承载量。N、P的单位耕地污染物承载量为29.16和4.86 kg/hm2,均低于全国平均值。汪清县畜禽养殖业对汪清县的环境具有一定的影响,应加强对畜禽养殖业的污染治理。     

江西省畜禽粪尿资源分布及其污染潜势估算

随着养殖业的迅速发展、饲养方式的改变,畜禽粪尿养分的循环和处理成为人们日益关注的问题.利用统计资料和文献数据,结合国内外研究,估算了江西省畜禽粪尿产生量及其排出的氮磷养分、CODcr、BOD5、NH3-N总量和单位耕地承载量.结果表明:2006年江西省畜禽粪尿耕地承载量为49.19 t/hm2、单位耕地粪尿N承载量为278.77 kg/hm2、单位耕地粪尿P承载量为78.63 kg/hm2.畜禽粪尿CODcr、BOD5、NH3-N总量分别为271.54、235.54、25.69万t.耕地畜禽粪尿承载量在空间上分布极不平衡,承载量大的主要分布在赣州、萍乡、新余3地区.     

中国畜禽粪尿磷素养分资源分布以及利用状况

参照中国有机肥料养分志计算粪尿资源量的方法,研究了2002年我国畜禽粪尿磷素养分资源的状况及其分布。结果表明:我国畜禽粪尿肥资源总量约为33亿t,提供磷(P)318.4万t,主要分布在山东、河南、四川、河北、广东、湖南等省。145.7万t粪尿磷资源作为有机肥回田,占粪尿磷资源总量的45.8%;而进入环境的磷约为172.7万t,占粪尿磷资源总量的54.2%。北京和上海粪尿磷资源总量不多,但其单位面积承载的磷却很高,分别为98.7kg/hm2和86.6kg/hm2。     

河北省畜禽粪尿产污量估算以及污染风险评估

对农业面源污染主要污染源的养殖业废弃物进行产生量估算和风险评估,为河北省农业面源污染防控提供支撑。通过收集2014年河北省畜禽养殖量数据,利用各类畜禽粪便排泄系数,对河北省主要畜禽粪尿产污量进行了估算;参考畜禽粪便土地负荷警报值分级的环境影响,对河北省畜禽粪便、氮、磷耕地负荷进行了污染风险评价。估算结果显示,河北省2014年畜禽养殖业主要畜禽粪尿排放总量为14 109.05万t,其中,石家庄、唐山、邯郸和保定4个地市的畜禽粪尿排放总量占河北省总排放量的50.75%。牛粪尿产生量最高,占河北省畜禽粪尿产生总量的38.65%;其次是猪粪尿产生量,占24.71%;鸡粪产生量位列第3位,占22.26%。表明鸡、牛和猪是河北省畜禽粪尿污染物排放的主要来源,BOD、COD、NH3-N、TN、TP排放总量分别占总污染物排放量的97.04%、96.65%、95.16%、86.38%和87.90%。对环境影响风险评价发现,磷负荷影响严重,氮负荷和粪便负荷影响较轻。相比河北省其他地市,石家庄、唐山、秦皇岛、邯郸、承德畜禽粪尿对环境影响程度较大。     

延吉市畜禽粪尿污染现状分析与发展对策

随畜牧业发展而产生的畜禽粪尿污染问题越来越普遍。利用2012年的统计数据对延吉市畜禽粪尿资源进行了分析,估算了畜禽粪尿排放总量、污染物总量及其流失量。结果表明,2012年延吉市畜禽粪尿总量19.27万t,单位耕地畜禽粪尿承载量和纯N承载量分别为10.11 t/hm2和16.38 kg/hm2,均低于全国平均水平,而纯P承载量为59.01 kg/hm2,已超过全国平均水平。可见,延吉市禽养殖业对环境已产生影响,应加强对粪尿资源污染的治理。     

哪种减排方式更具优势,肥料替代还是能源替代?——基于上海地区DNDC-CGE模型的效益成本分析

通过构建上海地区的DNDC-CGE模型,模拟有机肥替代化肥施用的情景,并与能源替代减排做横向比较,从而对肥料替代减排的成本效益进行综合评估。研究发现,在折纯量不变的前提下,化肥替代不会影响农业产量,同时能有效减少种植业的直接排放,并在能源活动以及禽畜粪便管理两方面发挥协同减排作用,后者的减排潜力尤为可观。尽管政府采取了较高幅度的有机肥补贴,硬性推进肥料替代仍会加重农户的种植负担,造成种植面积缩减,形成较大的经济成本。但就单位减排成本而言,肥料替代远低于依靠新能源电力取代火电的减排方式,可以认为高补贴推广有机肥不仅有益于实现政府减排目标,还能大幅降低减排成本。     

我国东北地区有机肥资源分布特征与养分利用潜力分析

为了探究我国东北地区主要有机肥资源的区域分布特征及养分利用潜力,以国家统计局发布的农作物产量、畜禽饲养量等数据为基础,对黑龙江省、吉林省、辽宁省及内蒙古自治区部分地区2000—2020年秸秆及畜禽粪便的产量及氮磷钾养分含量进行整理分析,结合2020年该区域的农作物种植结构,探讨了秸秆和畜禽粪肥还田的养分利用潜力。结果表明：该区域秸秆资源（干基）主要来源于玉米（61.88%）,2000—2020年秸秆的年均产量为1.38×10⁸ t·a^-1,畜禽粪肥资源（鲜基）主要来源于牛粪（52.44%）,年均产量为2.87×10⁸ t·a^-1,玉米秸秆和牛粪主要集中于黑龙江省的哈尔滨市、绥化市等地区;秸秆资源总产量呈波动增加的趋势,尤其是2000—2013年呈线性增加趋势,而畜禽粪肥的年度总产量相对稳定。以2020年秸秆和畜禽粪肥当年最大养分利用效率计算,该地区秸秆和粪肥理论上可提供的有效氮、磷、钾分别为1.16×10⁶、3.05×10⁵、2.13×10⁶ t,对农作物养分需求的贡献分别为29.57%、38.28%、112.49%。研究表明,以秸秆和畜禽粪肥的最大养分利用效率计算,东北地区的有机肥资源仍无法满足农作物的养分需求。因此,合理优化作物种植结构、提高有机肥资源还田利用效率,是实现该区域种养结合和农业可持续发展的重要途径。     

INTEGRATED CROP-LIVESTOCK SYSTEMS: LESSONS FROM NEW YORK,BRITISH COLUMBIA,AND THE SOUTH-EASTERN UNITED STATES

• Livestock production in North America has moved to fewer farms with greater inventories • Land application of livestock manures is a preferred nutrient recycling strategy • Confined animal feeding operations have challenges to utilize livestock manure sustainably • Integration of livestock and cropping systems is possible on a farm or among farms • Nutrient balance is needed for environmental sustainability Livestock production in the United States (US) and Canada is diverse, but shows a common trend in most livestock sectors toward fewer farms producing the majority of animal products despite a large number of farms still small in production scale. The migration to larger and more concentrated animal feeding operations in beef finishing and poultry, swine, and dairy production allows processors to streamline supplies to meet market demand for abundant, low-cost livestock products, whether that be for packaged meat, dairy products, or eggs. With concentration of livestock operations comes the challenge of managing manures. When sufficient land is available and nutrients are needed, livestock manure is an excellent nutrient source and land application is the preferred method of recycling this resource. However, when livestock production is constrained in a geographical area and animal densities are high, manure may become an environmental liability with potentially greater risk for runoff and leaching of nutrients, emission of odors, ammonia, and greenhouse gases, and release to the environment of pathogens and chemicals of emerging concern. Addressing these challenges now and into the future requires learning from mistakes and adopting successful approaches. We describe different levels of integration between livestock and crop producers in New York, British Columbia, and the south-eastern US as learning opportunities to improve economic and environmental sustainability. Examples show that effective solutions should recognize (1) manure has value and is not just a cost, (2) farmers, farm advisors, extension educators, nutrient management planners, crop advisors, nutritionists, state agency personnel, regulators, and university researchers need to be active participants in development of solutions, and (3) change to a sustainable future requires a combination of government regulation and outcome-based incentives.     

栾城城郊型农牧系统养分流动与环境排放时空特征

【目的】改革开放以来中国种植业和畜牧业生产模式及农牧系统结合程度都发生了很大改变,这种改变对农牧体系养分流动以及环境排放都产生了较大影响。论文以河北省石家庄市栾城区为例,分析其1985-2014年农牧系统生产结构、养分流动和损失时空变化特征,确定农牧系统养分损失的关键节点和影响因素,为栾城区以及其他县级行政区的农业可持续发展提供理论依据。【方法】采用食物链养分流动模型(NUFER模型：nutrient flow in food chain, environment and resources use)并结合实地调研,定量栾城区氮磷养分流动特征和影响因素。NUFER模型综合考虑了作物生产系统、畜禽生产系统、食品加工系统和家庭消费系统的氮磷养分流动、利用率和环境损失。实地调研采用面对面的问卷调研方式收集信息,调研内容包括农田养分输入输出、生产管理和养殖户农场养分输入输出、生产管理及粪尿管理等。【结果】2014年种植业蔬菜水果播种面积占总播种面积的比例达到25%,每公顷耕地氮和磷（折纯,下同）投入量分别为763和335 kg,单位面积氮和磷盈余量分别为132和237 kg·hm^-2;畜牧业养殖密度达到18 LU/hm²,饲料进口率达到75%,畜牧业源外源氮磷投入分别占农牧体系外源氮磷投入量的57%和39%,畜牧业源氮磷主产品输出占农牧体系氮磷主产品输出的60%和33%,是典型的高环境负荷的城郊型农牧生产体系。1985-2014年,畜牧业畜禽粪尿氮素还田率由59%降至35%。种植业氮利用率从45%降至43%,磷利用率从32%降至23%;畜牧业氮利用率从14%增至30%,磷利用率从4.4%增至10%;农牧系统氮利用率从41%降至36%,磷利用率从27%降至16%。2014年生产1 kg作物产品氮的平均氮损失为0.66 kg,生产1 kg作物产品磷的平均磷损失为0.11 kg;生产1 kg畜禽产品氮的平均氮损失为1.4 kg,生产1 kg畜禽产品磷的平均磷损失为1.8 kg;生产1 kg农牧系统产品氮的平均氮损失为1.5 kg·kg^-1,磷损失为0.75 kg·kg^-1磷产品。农牧体系氮损失的主要途径是氨挥发,农牧体系磷损失的主要途径是粪尿直接水体排放。【结论】受城镇化驱动和农牧系统生产结构改变的影响,经过近30年发展,栾城区成为高投入、高产出、低氮磷利用率、畜牧业占主导地位的高环境负荷的城郊型农牧生产体系。当前农牧系统养分利用率偏低、损失偏高主要源自过高的畜禽养殖密度、农牧分离以及农牧体系养分管理措施的不合理。因此,确定栾城区合理的畜禽养殖承载量,加强饲养管理,实行粪尿全链条管理等农牧结合措施将对农牧系统可持续发展具有重要意义。     

施用畜禽粪肥对旱地玉米生产力的影响

针对北方旱作农业区化肥滥用、畜禽粪肥施用量不明的现状,通过连续2 a的有机肥培肥试验,研究了不同梯度水平下施用畜禽粪肥对旱地玉米水分利用效率、生物学性状、光合生理特性以及产量的影响。结果表明,施用畜禽粪肥与对照相比,能显著提高作物水分利用效率25.80%～43.36%;可使作物增产25.59%～39.15%;对促进作物生长,延长作物的高光合持续期,减少作物的秃尖程度有显著作用。     

蚯蚓粪肥性状及对薄荷生长的研究进展

蚯蚓粪肥是很好的腐熟有机肥料，对作物的生长发育有一定的促进作用。近年来，对作物施用肥料的效果表明，蚯蚓粪肥的应用效果尤为突出，对作物的生产有更好的应用。并且蚯蚓粪肥制备简单、原料宽广，能提高作物产量、促进作物生长，提高植物的抗病虫害能力，修复被污染的土壤。薄荷一般都含有食品价值，能够清凉解渴；并且它还有药用价值，药后清凉的功效，能够治疗麻疹。因为薄荷的经济价值，我国在薄荷肥料方面有着深入的研究。本篇文章也以蚯蚓粪肥性状和对薄荷生长展开探讨，为研究薄荷高产、优产奠定基础。     

我国春麦区小麦化肥有机替代潜力分析

【目的】明确我国春小麦养分管理的主要问题,因地制宜地提出不同省（区）春小麦化肥有机替代的技术途径,为春小麦生产化肥零增长和可持续发展提供参考。【方法】通过农户实地调研与农户调研文献资料收集的2 166组数据,比较分析不同省（区）春小麦养分管理存在的问题。通过国家统计局网站2018年公布的最新牲畜数量、春小麦播种面积和产量等数据,利用已发表文献关于牲畜粪、秸秆和绿肥作物的养分含量,定量化分析春小麦主要省（区）的化肥有机替代潜力,结合气候、土壤和有机资源现状,提出适宜不同省（区）春小麦有机替代途径。【结果】化学氮肥和磷肥施用过量、钾肥和有机肥施用不足是我国春小麦养分管理存在的主要问题,其中尤以内蒙古西部和宁夏黄灌区氮肥过量施用最为严重。春麦区大牲畜和羊的数量约占全国的1/3和1/2,牲畜粪提供的氮（N）、磷（P₂O₅）、钾（K₂O）养分量分别为238.6×10 ⁴、57.6×10 ⁴和141.0×10 ⁴ t·a ^-1,牲畜粪N、P₂O₅和K₂O在春小麦上的有机替代潜力分别为78.2%、48.1%和43.1%。春麦区秸秆还田总量折合410.2×10 ⁴t,单位面积麦田氮（N）、磷（P₂O₅）、钾（K₂O）可还田量分别为11.4、2.5和31.9 kg·hm ^-2,通过秸秆还田N、P₂O₅和K₂O当季有机替代潜力分别为4.9%、3.3%和22.7%。通过绿肥进行春小麦有机替代,绿肥的养分如充分释放完全可以满足春小麦对氮、磷、钾养分的需求。【结论】针对我国春小麦化肥过量和不合理施用的问题,可以通过牲畜粪肥、秸秆还田和种植绿肥三大有机替代途径加以解决。其中,牲畜粪肥在春小麦上N、P₂O₅和K₂O的有机替代潜力分别为78.2%、48.1%和43.1%;秸秆还田N、P₂O₅和K₂O当季有机替代潜力分别为4.9%、3.3%和22.7%;绿肥的养分如充分释放完全可以实现春小麦化肥氮、磷、钾的有机替代。不同省区在选择有机替代方式时应从资源、成本和技术等角度综合考虑。     

POLICIES AND REGULATIONS FOR PROMOTING MANURE MANAGEMENT FOR SUSTAINABLE LIVESTOCK PRODUCTION IN CHINA: A REVIEW

• Manure utilization is hindered by separate specialist crop and livestock production systems. • Improving manure utilization requires organizations for manure exchange. • Policies and action plans for improving manure utilization are critically reviewed. • A manure chain approach with third-party contractors is recommended. Livestock numbers in China have more than tripled between 1980 and 2017. The increase in the number of intensive livestock production systems has created the challenges of decoupled crop and livestock systems, low utilization of manures in croplands, and subsequent environmental pollution. Correspondingly, the government has enacted a series of policies and regulations to increase the sustainability of livestock production. This paper reviews the objectives of these policies and regulations and their impacts on manure management. Since 2017 there have been two policy guides to speed up the appropriate use of manures, three action plans for increasing manure recycling, and one technical guide to calculate nutrient balances. Requirements of manure pollution control and recycling for improved environmental performance of livestock production systems were included in three revised environmental laws. Most recent survey data indicate that the utilization of livestock manures was 70% in 2017, including that used as fertilizer and/or for production of energy. The targets for manure utilization are 75% in 2020 and 90% in 2035. To achieve these targets and promote ‘green livestock production’, additional changes are needed including the use of third-party enterprises that facilitate manure exchange between farms and a more integrated manure nutrient management approach.