發(fā)布時(shí)間：2021-12-11所屬分類(lèi)：農(nóng)業(yè)論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：【目的】以華北平原典型地區(qū)河北省為例，明確農(nóng)牧系統(tǒng)氮素養(yǎng)分流動(dòng)特征和環(huán)境效應(yīng)，分析農(nóng)牧系統(tǒng)氮素循環(huán)利用率和農(nóng)牧業(yè)結(jié)合的程度，探討農(nóng)牧系統(tǒng)氮素的優(yōu)化管理途徑，為農(nóng)牧業(yè)養(yǎng)分循環(huán)和綠色可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。【方法】以河北省農(nóng)田-畜牧生產(chǎn)系統(tǒng)為邊界，
摘要：【目的】以華北平原典型地區(qū)河北省為例，明確農(nóng)牧系統(tǒng)氮素養(yǎng)分流動(dòng)特征和環(huán)境效應(yīng)，分析農(nóng)牧系統(tǒng)氮素循環(huán)利用率和農(nóng)牧業(yè)結(jié)合的程度，探討農(nóng)牧系統(tǒng)氮素的優(yōu)化管理途徑，為農(nóng)牧業(yè)養(yǎng)分循環(huán)和綠色可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。【方法】以河北省“農(nóng)田-畜牧”生產(chǎn)系統(tǒng)為邊界，在整理統(tǒng)計(jì)資料、文獻(xiàn)數(shù)據(jù)和調(diào)研數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用物質(zhì)流分析方法，分別定量 1980—2015 年河北省農(nóng)田體系、畜牧體系和農(nóng)牧系統(tǒng)的各個(gè)氮素輸入和輸出項(xiàng)，同時(shí)利用氮素利用率、氮素盈余量和氮素回田率等指標(biāo)分析氮素流動(dòng)特征與環(huán)境效應(yīng)。農(nóng)牧系統(tǒng)的氮素輸入項(xiàng)主要包括化肥、生物固氮、干濕沉降、灌溉、人糞尿還田、外源飼料;氮素輸出項(xiàng)主要包括農(nóng)田體系主產(chǎn)品的本地消費(fèi)、外銷(xiāo)，畜牧體系主產(chǎn)品的本地消費(fèi)、外銷(xiāo)，農(nóng)牧系統(tǒng)大氣排放、水體排放;內(nèi)部的氮素循環(huán)項(xiàng)主要包括農(nóng)田系統(tǒng)副產(chǎn)品還田、農(nóng)田系統(tǒng)主、副產(chǎn)品作為本地飼料、畜牧系統(tǒng)副產(chǎn)品還田。【結(jié)果】1980—2015 年，河北省農(nóng)田生產(chǎn)體系氮素年均輸入量增加 1.9 倍，而作物收獲氮量?jī)H增長(zhǎng) 1.5 倍，導(dǎo)致農(nóng)田氮盈余量和損失量分別增加 1.7 和 1.9 倍，氮素利用率由 47.2%降至 41.4%。與有機(jī)肥氮投入相比，化肥氮投入占農(nóng)田總氮投入 60%以上，近年來(lái)接近 70%。區(qū)域間農(nóng)田養(yǎng)分平衡差異大，氮素輸入方面，邯鄲市和唐山市較高(>600 kg·hm-2),承德市最低(<200 kg·hm-2);氮素盈余方面，唐山市最高，為 267.8 kg·hm-2，衡水市最低，為 51.6 kg·hm-2。畜牧體系氮素輸入量也明顯增加，在 2005 年達(dá)到最大值，為 1980 年的 7.7 倍;畜禽產(chǎn)品和糞尿氮素產(chǎn)生量同時(shí)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，尤其是糞尿氮素產(chǎn)生量由 21.8×104 t 增加到 115.3×104 t;各區(qū)域間動(dòng)物糞尿氮素產(chǎn)生量存在明顯差異，其中氮素產(chǎn)生量最高為邯鄲市(377.3 kg·hm-2)，最低為衡水市(122.6 kg·hm-2)。外源飼料氮素依賴率由 60.5%增至 72.7%，畜牧糞尿氮素還田率由 70.4%降至 30.2%，但畜牧體系氮素利用率由 6.4%增至 16.3%。從農(nóng)牧系統(tǒng)整體來(lái)看，1980—2015 年氮素輸入總累計(jì)量高達(dá) 9 038.9×104 t，化肥氮素投入量約占總氮素投入量的 55.7%，外源飼料氮素投入量占總氮素投入量的 33.1%，農(nóng)牧產(chǎn)品累計(jì)總輸出氮為 2 537.4×104 t，占總累計(jì)輸入氮量的 28.1%，向大氣、水體累計(jì)排放的總氮量高達(dá) 4061.2×104 t，約占總累計(jì)輸入氮量的 44.9%。【結(jié)論】1980—2015 年河北省農(nóng)牧系統(tǒng)氮素投入量大幅度增加，氮素富集和環(huán)境排放嚴(yán)重，氮素利用率偏低，不同區(qū)域單位面積氮素平衡存在較大差異，農(nóng)田生產(chǎn)與畜禽生產(chǎn)之間養(yǎng)分循環(huán)嚴(yán)重脫節(jié)。因此，應(yīng)該充分利用本地飼料資源，提高有機(jī)肥的還田率，走農(nóng)牧結(jié)合的道路，從而降低因“農(nóng)牧分離”造成的“高投入-低效率”代價(jià)，促進(jìn)農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展。
關(guān)鍵詞：氮素;農(nóng)牧系統(tǒng);養(yǎng)分循環(huán);環(huán)境效應(yīng);養(yǎng)分利用率;河北省
0 引言
【研究意義】隨著人類(lèi)生活水平的不斷提高，氮素作為重要的養(yǎng)分資源，在農(nóng)牧業(yè)中投入數(shù)量不斷增加，在滿足人們對(duì)糧食、畜產(chǎn)品需求的同時(shí)，也引發(fā)了全球性和區(qū)域性的氮環(huán)境污染問(wèn)題[1-3]。因此，在明確區(qū)域內(nèi)農(nóng)牧業(yè)氮素流動(dòng)特征基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)氮素的優(yōu)化管理，是農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展亟需解決的問(wèn)題。華北平原是中國(guó)重要的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)基地，其農(nóng)牧業(yè)氮素利用狀況直接影響國(guó)內(nèi)農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展。河北省作為華北平原典型代表，農(nóng)林牧漁業(yè)生產(chǎn)規(guī)模位居全國(guó)第 3 位，是中國(guó)農(nóng)牧產(chǎn)品主要產(chǎn)區(qū)之一[4]。研究該區(qū)域農(nóng)牧系統(tǒng)的氮素流動(dòng)特征及其環(huán)境效應(yīng)，對(duì)于優(yōu)化區(qū)域養(yǎng)分資源配置、協(xié)調(diào)農(nóng)牧業(yè)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系，促進(jìn)農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展等具有重要指導(dǎo)意義。【前人研究進(jìn)展】目前，國(guó)外對(duì)農(nóng)牧系統(tǒng)氮素養(yǎng)分的平衡及管理問(wèn)題已有大量的研究[5-6]，這些研究通過(guò)對(duì)“農(nóng)田-畜牧”系統(tǒng)的養(yǎng)分流動(dòng)狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，明確養(yǎng)分流動(dòng)特征，對(duì)于解決氮素養(yǎng)分損失和環(huán)境污染問(wèn)題具有重要意義。國(guó)內(nèi)在國(guó)家尺度、典型區(qū)域、典型的農(nóng)田或畜牧系統(tǒng)等方面也開(kāi)展了一些研究，王激清等[7]借助物質(zhì)流法建立中國(guó)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮素模型，估算中國(guó)不同地區(qū)的氮養(yǎng)分輸入輸出以及養(yǎng)分盈余并分析養(yǎng)分產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng);MA 等[8-9]建立和利用 NUFER 模型，在國(guó)家和區(qū)域尺度上從食物鏈的角度對(duì)氮素平衡、環(huán)境排放、流動(dòng)規(guī)律及利用效率進(jìn)行了分析;侯勇等[10]用物質(zhì)流動(dòng)的方法，對(duì)京郊典型集約化“農(nóng)田-畜牧”生產(chǎn)系統(tǒng)氮素流動(dòng)特征進(jìn)行了研究;張華芳等[11]用類(lèi)似的方法對(duì)河北省農(nóng)牧系統(tǒng)磷素流動(dòng)特征及其環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行了分析。這些研究引進(jìn)物質(zhì)流分析方法，構(gòu)建養(yǎng)分流動(dòng)模型，對(duì)于揭示農(nóng)田、區(qū)域和整個(gè)食物鏈養(yǎng)分流動(dòng)特征和環(huán)境效應(yīng)打下了方法基礎(chǔ)，也為農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分優(yōu)化管理提供了依據(jù)。【本研究切入點(diǎn)】目前，華北地區(qū)關(guān)于農(nóng)牧系統(tǒng)氮養(yǎng)分流動(dòng)特征的研究比較少，對(duì)于農(nóng)牧結(jié)合體系下的氮素輸入輸出、流動(dòng)特征及其環(huán)境效應(yīng)尚不明確。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】借助 NUFER 模型，應(yīng)用物質(zhì)流分析方法，分析河北省 1980—2015 年間農(nóng)牧系統(tǒng)氮養(yǎng)分流動(dòng)特征，明確不同區(qū)域間養(yǎng)分流動(dòng)在時(shí)間和空間上的差異，為華北乃至全國(guó)農(nóng)牧系統(tǒng)的氮素養(yǎng)分優(yōu)化管理提供借鑒。
1 材料與方法
1.1 研究區(qū)域概況
河北省地處北緯 36°05′—42°37′、東經(jīng) 113°11′— 119°45′，是中國(guó)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)大省。20 世紀(jì) 80 年代至今，農(nóng)作物種植面積已由 833.5×104 hm2 上升到 874 ×104 hm2 ，糧食作物的產(chǎn)量從 1.5×107 t 升至 3.4×107 t，肉蛋奶總產(chǎn)量由 5.5×105 t 升至 1.3×107 t，在中國(guó)農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)中占有重要地位，以 2015 年為例，當(dāng)年糧食產(chǎn)量居全國(guó)第 8 位，農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)總產(chǎn)值居全國(guó)第 5 位[4,12]。
1.2 研究體系界定
以河北省“農(nóng)田-畜牧”生產(chǎn)體系為研究邊界，氮素為研究對(duì)象，核算 1980—2015 年間“農(nóng)田-畜牧” 生產(chǎn)體系每年氮素輸入、輸出和內(nèi)部循環(huán)項(xiàng)(圖 1)。體系輸入項(xiàng)主要包括：化肥、外源飼料(系統(tǒng)外輸入飼料)、農(nóng)田灌溉、生物固氮和干濕沉降等;體系輸出項(xiàng)主要包括：動(dòng)植物產(chǎn)品的產(chǎn)出(劃分為本地居民消費(fèi)和外銷(xiāo))和氮素環(huán)境(大氣和水體)排放;而作物主副產(chǎn)品的本地飼用、作物副產(chǎn)品(秸稈殘茬)還田和畜禽糞尿還田作為體系內(nèi)部循環(huán)項(xiàng)。
1.3 養(yǎng)分流動(dòng)項(xiàng)的計(jì)算和數(shù)據(jù)獲取方法
1.3.1 農(nóng)田子系統(tǒng) (1)輸入項(xiàng)計(jì)算方法和數(shù)據(jù)來(lái)源 農(nóng)田輸入氮素量包括：化肥氮素量、有機(jī)肥氮素量、灌溉氮素量、干濕沉降氮量和生物固氮量。各項(xiàng)算法和數(shù)據(jù)來(lái)源如下。
NIfer(化肥氮素投入量)：來(lái)源于中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒(2008—2015 年)和中國(guó) 60 年農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)資料[4,12];復(fù)合肥中氮按照文獻(xiàn)數(shù)據(jù)[8,13]給出的比例折算。
1.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)
農(nóng)田氮盈余量=農(nóng)田輸入氮素量-農(nóng)田輸出氮素量;農(nóng)田氮養(yǎng)分利用率(%)=作物收獲氮素量(主產(chǎn)品+ 副產(chǎn)品)÷農(nóng)田輸入氮素量×100;畜牧氮養(yǎng)分利用率(%)=(畜牧主產(chǎn)品氮+畜牧副產(chǎn)品氮)÷畜牧體系投入氮×100;本地飼料氮素利用率(%)=本地飼料投入氮素÷本地飼料資源氮素×100[11,14];外部飼料氮素依賴率(%)=外部飼料氮素÷飼料總投入氮素×100;動(dòng)物糞尿氮素回田率(%)=糞尿還田氮素÷糞尿產(chǎn)生氮素 ×100;農(nóng)牧系統(tǒng)氮素利用率(%)=(植物性食品氮+ 動(dòng)物性食品氮)÷農(nóng)牧系統(tǒng)總投入氮量×100。
2 結(jié)果
2.1 農(nóng)田子系統(tǒng)不同年代氮素輸入和輸出核算
1980—2015 年間河北省農(nóng)田體系的氮素總輸入量和總輸出量均呈現(xiàn)明顯的增加趨勢(shì)。總輸入量變化可以分為 2 個(gè)階段，1980—1998 年為快速增長(zhǎng)階段，由 95.1×104 t 增至 277.8×104 t，增長(zhǎng)了 1.9 倍;之后為基本穩(wěn)定階段。化肥一直是農(nóng)田體系氮素輸入的主要來(lái)源，其投入量一直占總投入量的 60%以上，近年來(lái)接近 70%;而有機(jī)肥氮素投入 1980—2005 年整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，2006 年以后呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。從氮素總輸出量來(lái)看，總體趨勢(shì)與氮素總輸入一致，呈現(xiàn)先增加后平穩(wěn)的趨勢(shì)。作物收獲量作為最重要的氮素輸出項(xiàng)，36 年間由 46.8×104 t 增至 112.2×104 t，增長(zhǎng)約 1.5 倍;氨揮發(fā)是主要的氮素?fù)p失項(xiàng)，約占氮素總輸出項(xiàng)的 30%左右，36 年其年排放總量由 21.6×104 t 增至 57.8×104 t，增長(zhǎng)了 1.7 倍;此外，徑流、淋洗和反硝化造成的氮素?fù)p失也在不斷增加;氮素水體和大氣損失量 36 年增加了 1.9 倍。氮素可計(jì)算的總輸出量占總輸入量的比例由 1980 年的 75.4%降至 2015 年的 69.9%，導(dǎo)致農(nóng)田氮素大量盈余，年均總盈余量由 73.2 ×104 t 增至 190.9×104 t，增加了 1.6 倍(圖 2)。
2.2 農(nóng)田子系統(tǒng)不同區(qū)域氮素輸入和輸出核算
2015 年農(nóng)田體系不同區(qū)域單位面積氮素輸入量不同，邯鄲市和唐山市較高(>600 kg·hm-2)，張家口市和承德市較低(<200 kg·hm-2)。其中化肥氮素投入量邯鄲市最高，為 463.1 kg·hm-2，張家口市最低，為 65.3 kg·hm-2。作物收獲氮素量邯鄲市最多，為 365.1 kg·hm-2，張家口市最少，僅為 48.5 kg·hm-2;氮素盈余量唐山市最高，為 267.8 kg·hm-2，衡水市最低，為 51.6 kg·hm-2(圖 3)。上述結(jié)果表明，河北省不同區(qū)域間農(nóng)田氮素的分配和利用存在著嚴(yán)重的不均衡。
2.3 畜牧子系統(tǒng)不同年代氮素輸入和輸出核算
河北省畜牧系統(tǒng)氮素輸入可分為 2 個(gè)階段，1980 —2005 年間，河北省畜牧體系氮素總輸入量明顯增加，在 2005 年達(dá)到最高，約為 201.8×104 t，與 1980 年的氮素輸入量相比增加了 7.7 倍，隨后幾年的輸入量保持在 140×104 t 左右，趨于穩(wěn)定。相比于本地飼料氮素輸入量，系統(tǒng)外源飼料氮素輸入量大幅度增加，且明顯高于本地飼料氮素的輸入量。其中，外源飼料氮素輸入量在畜牧體系氮素總輸入量中所占的比例呈遞增趨勢(shì)，由 60.5%(1980 年)增至 71.7% (2015 年)。36 年間，畜牧體系動(dòng)物產(chǎn)品氮素輸出量和動(dòng)物糞尿氮素資源量，同樣表現(xiàn)出明顯的增加趨勢(shì)，尤其是糞尿氮素資源量由 21.8×104 t 增至 115.3×104 t(圖 4)。
2.4 畜牧子系統(tǒng)不同區(qū)域氮素輸入和輸出核算
2015 年河北省不同區(qū)域畜牧體系單位面積的氮素養(yǎng)分流動(dòng)數(shù)量表現(xiàn)為：本地飼料的氮素供應(yīng)量最高的是邯鄲市，約為 105.0 kg·hm-2，最低的是張家口市，約為 18.4 kg·hm-2;對(duì)于外源飼料的氮素需求量最多的是邯鄲市，約為 406.2 kg·hm-2，最少的是滄州市，約為 105.7 kg·hm-2;從畜牧系統(tǒng)的氮素輸出項(xiàng)來(lái)說(shuō)，動(dòng)物產(chǎn)品的氮素輸出量邯鄲市最高，約為 133.9 kg·hm-2，最低的是滄州市，約為 32.8 kg·hm-2;動(dòng)物糞尿產(chǎn)生的氮素量邯鄲市最高，約為 377.3 kg·hm-2，衡水市最低，為 122.6 kg·hm-2(圖 5)。畜牧體系氮素的來(lái)源和利用也存在嚴(yán)重的區(qū)域不均衡。
2.5 農(nóng)牧系統(tǒng)不同年代氮素利用和去向的變化
河北省農(nóng)牧系統(tǒng) 1980 年和 2015 年總輸入氮量分別為 88.9×104 t 和 325.7×104 t，產(chǎn)品總輸出氮量分別為 35.1×104 t 和 109.7×104 t，產(chǎn)品總輸出占總輸入的比例分別為 39.5%和 33.7%。與 1980 年相比，2015 年農(nóng)牧系統(tǒng)氮素輸入量和輸出量分別增加 2.7 和 2.1 倍，產(chǎn)品輸出量占輸入量比例降低了近 6%。從輸入項(xiàng)構(gòu)成看，1980 年到 2015 年化肥氮素投入比例由 66.9%降至 57.0%，而外源飼料氮素投入比例則由 15.9%增至 31.0%。在氮素總輸出中，1980 年到 2015 年農(nóng)田產(chǎn)品氮素輸出量比例由 95.4%降至 82.1%，動(dòng)物產(chǎn)品占比由 4.6%升至 17.9%。同時(shí)，農(nóng)田產(chǎn)品和動(dòng)物產(chǎn)品外銷(xiāo)氮素也有大幅度提高。氮素向大氣和水體的排放是主要的氮素?fù)p失項(xiàng)，1980 年分別為 27.2×104 t 和 6.2×104 t，2015 年分別為 77.5×104 t 和 80.4×104 t，分別增加了 1.8 和 12.0 倍。向水體排放氮素占氮素總損失的比例由 1980 年 18.5%升至 2015 年 50.9%;同時(shí)，畜牧業(yè)的環(huán)境損失貢獻(xiàn)在加大，其貢獻(xiàn)率由 1980 年的 19.5%上升到 2015 年的 51.0%(圖 6-a、6-b)。農(nóng)牧結(jié)合體系 36 年養(yǎng)分積累量結(jié)果表明，河北省農(nóng)牧系統(tǒng)累計(jì)輸入總氮素量高達(dá) 9 038.9×104 t，化肥氮素投入量約占總氮素投入量的 55.7%，外源飼料氮素投入量占總氮素投入量的 33.1%，農(nóng)牧產(chǎn)品累計(jì)輸出總氮素量為 2 537.4×104 t，占累計(jì)輸入總氮素量的 28.1%，向大氣、水體排放的總累計(jì)氮素量高達(dá) 4 061.2 ×104 t，約占累計(jì)輸入總氮量的 44.9%(圖 6-c)。
2.6 河北省農(nóng)牧系統(tǒng)氮素利用和循環(huán)狀況
1980—2015 年間農(nóng)田體系所產(chǎn)生的本地飼料氮利用率在緩慢增加，由 45.6%增加到 60.5%。同時(shí)，隨著外源飼料投入比例的不斷增加，畜牧生產(chǎn)體系對(duì)外源飼料的依賴程度在不斷增加，由1980年的60.5%增至2005 年的 85.6%，之后有所下降并趨于平穩(wěn)，維持在 75.0% 左右。1980—2015 年間畜牧體系動(dòng)物糞尿氮素還田比率逐漸降低，由 70.4%降至 30.2%(圖 7)。36 年間農(nóng)田系統(tǒng)的氮素利用率由 47.2%降至 41.4%。畜牧體系的氮素利用率從 1980 年的 6.4%增至 2015 年的 16.3%。農(nóng)牧結(jié)合體系的氮素利用率總體呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，由 1980 年的 36.0%降至 2015 年的 31.3%(圖 8)。
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3 討論
3.1 河北省農(nóng)田系統(tǒng)氮養(yǎng)分流動(dòng)特征
農(nóng)田養(yǎng)分流動(dòng)特征反映了系統(tǒng)內(nèi)的養(yǎng)分輸入輸出量變化、養(yǎng)分利用率、養(yǎng)分管理效果以及對(duì)環(huán)境的影響，一直都是研究者所關(guān)注的重要問(wèn)題[7,18]。在區(qū)域尺度上，國(guó)內(nèi)外很多研究對(duì)農(nóng)田系統(tǒng)氮素平衡進(jìn)行了探索，例如 KRISHNA 等[19]在對(duì)印度土表養(yǎng)分平衡(2001—2002 年)進(jìn)行核算后，對(duì)國(guó)家不同區(qū)域的養(yǎng)分盈余狀況進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述，并明確了其優(yōu)化管理方向;國(guó)內(nèi)一些學(xué)者則研究了全國(guó)及其各個(gè)省域農(nóng)田養(yǎng)分平衡狀況[7,17,20]。與這些研究相比，河北省農(nóng)田氮素流動(dòng)具有典型的特征：(1)河北省農(nóng)田體系氮素輸入量增速快，36 年增長(zhǎng)了 2 倍;區(qū)域間極不平衡，單位面積農(nóng)田氮素輸入量最高的邯鄲市與最低的張家口市相差近 500 kg·hm-2，多數(shù)區(qū)域單位面積氮肥投入量高于作物推薦量 150—180 kg·hm-2水平[21];(2)2015 年河北省農(nóng)田化肥氮素投入量約占總投入氮量的 70%，而國(guó)內(nèi)一些研究結(jié)果顯示，化肥氮素投入占農(nóng)田氮素投入的比例分別為 47.4%(全國(guó)尺度)[22]、56.1% (全國(guó)尺度)[7]、61.5%(華北地區(qū))[23]，與這些研究結(jié)果相比，河北省化肥氮素投入所占比例偏高;(3)河北省農(nóng)田氮素利用率逐年降低，至2015年為41.4%，接近李書(shū)田等[23]在華北地區(qū)研究結(jié)果(41.3%)，低于 JARVIS 等[24]關(guān)于歐洲西北地區(qū)的典型種植體系的研究結(jié)果(53.0%);(4)荷蘭 MINAS 規(guī)定[18]的農(nóng)田氮素盈余量為 60 kg·hm-2(沙質(zhì)土壤)、100 kg·hm-2 (黏質(zhì)土壤)，在河北省的 11 個(gè)行政市中，有 6 個(gè)市域的農(nóng)田氮素盈余量>100 kg·hm-2，平均農(nóng)田氮素盈余量為 133.1 kg·hm-2，與王激清等[7]研究結(jié)果一致;與 SUN 等[20]建議的 100 kg·hm-2(農(nóng)田氮素年盈余量潛在環(huán)境污染指標(biāo))和 180 kg·hm-2(高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境污染的指標(biāo))相比，河北省農(nóng)田系統(tǒng)因氮素大量盈余所帶來(lái)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)不容忽視。由此可見(jiàn)，河北省農(nóng)田體系氮素流動(dòng)具有投入量大、化肥氮素投入占比高、氮素利用率低、區(qū)域之間差異大、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)高等特征。
3.2 河北省畜牧系統(tǒng)氮養(yǎng)分流動(dòng)特征
近些年來(lái)，中國(guó)畜牧業(yè)養(yǎng)殖方式由農(nóng)戶散養(yǎng)型向小區(qū)養(yǎng)殖型、集約化養(yǎng)殖型進(jìn)行轉(zhuǎn)變，由此帶來(lái)一系列的大氣、水體等環(huán)境問(wèn)題，分析其原因是因?yàn)閯?dòng)物糞尿還田率低、管理措施不配套，所導(dǎo)致的氮素?fù)p失及其他環(huán)境污染[14,17,25-27]。本研究表明，1980—2015 年間由于河北省農(nóng)牧系統(tǒng)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，2015 年畜牧體系動(dòng)物糞尿的氮素產(chǎn)生量大量增加，是 1980 年的 5.3 倍。與 1980 年相比，畜牧系統(tǒng) 2015 年的外源飼料氮素投入量增加了 86.9×104 t，而動(dòng)物產(chǎn)品的氮素輸出量卻只增加了 22.3×104 t，外源飼料氮素依賴率從 1980 年的 60.5%增至 2005 年的 85.6%，之后有所下降并趨于平穩(wěn)，維持在 75.0%左右。畜牧體系的氮素利用率，從 1980 年的 6.4%增加到 2015 年的 16.3%，與 JONKER 等[28-29]的研究結(jié)果(25%—35%)相比偏低。河北省畜牧系統(tǒng)不同區(qū)域單位面積糞尿氮素產(chǎn)出量平均值為 208.7×104 t，其中邯鄲市、秦皇島市、唐山市、石家莊市、保定市的單位面積氮素糞尿氮素產(chǎn)出量均高于歐盟單位面積耕地氮素限量標(biāo)準(zhǔn) 170 kg·hm-2[30-31]，說(shuō)明河北省存在因糞尿氮素過(guò)量而導(dǎo)致的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。綜上所述，河北省畜牧體系氮素流動(dòng)具有外源氮素依賴率高、養(yǎng)分利用率低、糞尿氮素還田率低、區(qū)域間不均衡、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)高等特征。
3.3 河北省農(nóng)牧系統(tǒng)氮素流動(dòng)特征
如何走好種養(yǎng)結(jié)合的道路，在充分保障糧食安全和畜牧業(yè)高效發(fā)展的同時(shí)，降低生產(chǎn)過(guò)程中的資源環(huán)境代價(jià)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好、清潔生產(chǎn)，已成為目前中國(guó)農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的首要任務(wù)[30-34]。歐洲、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家通過(guò)出臺(tái)一系列的環(huán)境法律法規(guī)限制農(nóng)牧系統(tǒng)的氮素輸入量，提高體系內(nèi)氮素的利用效率，從而減緩氮素所帶來(lái)的污染問(wèn)題[32,35]。本研究表明，河北省農(nóng)牧系統(tǒng) 36 年累積氮素投入量為 9 038.9×104 t，化肥氮素投入量約占總氮素投入量的 55.8%，外源飼料氮素投入量占總氮素投入量的 31.5%，且外源飼料氮的依賴程度在不斷增大。1980—2015 年間畜禽糞尿氮還田率不斷下降，由 70.4%大幅度下降到 30.2%，明顯低于歐盟國(guó)家的 68%[36]。導(dǎo)致畜禽糞尿氮素還田率低的主要原因包括：(1)畜禽糞尿在“飼舍-儲(chǔ)藏-處理” 環(huán)節(jié)管理不合理，導(dǎo)致大量氮素向大氣排放，特別是氨揮發(fā)損失嚴(yán)重，占總排泄氮量的 26.8%;(2)在中大型規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)/小區(qū)，缺乏糞污處理設(shè)施，未經(jīng)處理的糞污直接向水體排放(占總排泄氮量的 19.0%);(3)農(nóng)田生產(chǎn)大量依靠化肥投入，有機(jī)肥施用比例較低。由于大量的化肥氮素投入、高外源飼料氮素依賴率和較低的動(dòng)物糞尿氮素還田率，河北省農(nóng)牧結(jié)合體系中的氮素利用率不斷下降，降至 2015 年的 31.2%，明顯低于中國(guó)農(nóng)牧系統(tǒng)平均氮素利用率(41%)[37]。由此可見(jiàn)，河北省農(nóng)牧生產(chǎn)體系在氮素利用和循環(huán)方面嚴(yán)重脫節(jié)。
3.4 河北省農(nóng)牧系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程中的環(huán)境影響
農(nóng)牧結(jié)合體系生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)環(huán)境的影響主要體現(xiàn)在氮素向大氣和水體的排放。本研究結(jié)果表明，河北省農(nóng)牧系統(tǒng)向大氣和水體排放的氮素總量分別為 33.4×104 t(1980 年)、157.9×104 t(2015 年)，氣體氮素?fù)p失比例由 1980 年的 81.4%降至 2015 年的 49.1%;水體排放損失占氮素總損失的比例呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，由 18.6%增加到 50.9%，與前人研究結(jié)果較為一致。劉曉利[37]研究表明，2001 年中國(guó)農(nóng)牧系統(tǒng)氮素?fù)p失以氣態(tài)損失為主，占總損失量的 66.9%;馬林[17]對(duì) 2005 年中國(guó)農(nóng)牧系統(tǒng)氮素?fù)p失量進(jìn)行了估算，其中氣態(tài)損失占比為 52.6%，進(jìn)入水體的氮素?fù)p失為 47.4%。在總損失的貢獻(xiàn)方面，ZHANG 等[38]2010 年研究結(jié)果表明大氣氮素?fù)p失有 47.5%來(lái)自畜牧業(yè);ZHOU 等[39]對(duì)京津冀地區(qū)氨揮發(fā)損失貢獻(xiàn)比率進(jìn)行了研究，其中畜牧業(yè)貢獻(xiàn)率為 56.7%，本研究取得類(lèi)似研究結(jié)果，畜牧體系對(duì)農(nóng)牧系統(tǒng)氮素?fù)p失的貢獻(xiàn)率由 1980 年的 19.5%上升到 2015 年的 51.0%，說(shuō)明畜牧業(yè)在氮素?fù)p失方面的貢獻(xiàn)率不斷提高。36 年間，河北省農(nóng)牧系統(tǒng)向大氣、水體排放的總積累氮素量高達(dá) 4 061.2×104 t，約占總積累輸入氮量的 44.9%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出歐盟排放量(30%，其中氣體 26%，水體 4%) [36]。由此可見(jiàn)，河北省農(nóng)牧系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)大氣和水體的環(huán)境影響問(wèn)題不容忽視。
3.5 優(yōu)化途徑
針對(duì)河北省農(nóng)牧結(jié)合體系存在的高氮素投入、低植物產(chǎn)品和動(dòng)物產(chǎn)品生產(chǎn)氮素利用率、高環(huán)境氮素排放，農(nóng)牧結(jié)合體系氮素利用嚴(yán)重脫節(jié)的問(wèn)題，建議從以下途徑進(jìn)行優(yōu)化：(1)農(nóng)田系統(tǒng)應(yīng)減少化學(xué)肥料氮素的投入[21]，采取合理的施肥技術(shù)[40](測(cè)土配方施肥技術(shù))，根據(jù)農(nóng)作物需求確定施肥量;在控制施肥量的同時(shí)采用合理的施肥方法，例如溝施、深施，結(jié)合前氮后移技術(shù)，以及合適的作物種植管理技術(shù)，提高氮素利用率[41];(2)畜牧系統(tǒng)應(yīng)該從飼料營(yíng)養(yǎng)和飼養(yǎng)管理方面來(lái)入手[28-29,32]，提高動(dòng)物產(chǎn)品氮素的利用效率，從氮素投入源頭和動(dòng)物養(yǎng)分利用過(guò)程來(lái)降低后期動(dòng)物糞尿中的氮素含量;對(duì)動(dòng)物糞尿進(jìn)行處理，例如建立沼氣池生產(chǎn)沼氣、進(jìn)行堆肥、對(duì)糞尿進(jìn)行覆蓋等處理，減少糞尿管理不合理造成的氮素?fù)p失[42];(3)農(nóng)牧結(jié)合體系中，應(yīng)該減少化學(xué)肥料的投入[43]，將動(dòng)物糞尿進(jìn)行處理后回田，有機(jī)肥和化肥配合施用，提高本地農(nóng)作物產(chǎn)品的數(shù)量和品質(zhì)，提高本地飼料的飼用比例，實(shí)現(xiàn)真正的農(nóng)牧結(jié)合;(4)國(guó)家應(yīng)加快制定相關(guān)法律法規(guī)，借鑒歐盟環(huán)境保護(hù)法規(guī)(硝酸鹽法規(guī)、歐盟水框架法規(guī)等)對(duì)氮素肥料施用和動(dòng)物糞尿儲(chǔ)藏與處理進(jìn)行明確規(guī)定，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)[30,44]。
4 結(jié)論
(1)河北省農(nóng)田體系氮素流動(dòng)具有投入量大、化肥氮素投入占比高、氮素利用率低、區(qū)域之間差異大、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)高等特征。從 1980 年到 2015 年，河北省農(nóng)田體系氮素總輸入量、總輸出量均明顯增加，其中 1980 年到 1996 年為快速增長(zhǎng)階段并達(dá)到最高峰，之后趨于穩(wěn)定;農(nóng)田產(chǎn)品氮素輸出量的增長(zhǎng)幅度遠(yuǎn)小于氮素輸入量的增長(zhǎng)幅度，導(dǎo)致氮素盈余增加、氮素利用率持續(xù)降低。
(2)河北省畜牧體系氮素流動(dòng)具有外源氮素依賴率高、養(yǎng)分利用率低、糞尿氮素還田率低、區(qū)域間不均衡、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)高等特征。河北省畜牧體系本省飼料(氮素)投入量難以滿足畜牧業(yè)發(fā)展的需求，飼料主要來(lái)源于外省飼料的購(gòu)入。此外，雖然畜禽生產(chǎn)環(huán)節(jié)的氮素利用率在逐年增加，但是較歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，其利用率仍較低。大量糞尿氮素資源的產(chǎn)生及低回田率，導(dǎo)致向大氣、水體的大量氮素?fù)p失，加劇環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。
(3)河北省農(nóng)牧系統(tǒng)在氮素利用和循環(huán)方面嚴(yán)重脫節(jié)。較高的化肥氮素投入、高的外源飼料氮素依賴率、低的動(dòng)物糞尿氮還田率和畜牧業(yè)在農(nóng)牧系統(tǒng)氮素總損失中貢獻(xiàn)率的增加都表明農(nóng)田系統(tǒng)和畜牧系統(tǒng)未能很好地結(jié)合，畜牧業(yè)氮素?fù)p失的貢獻(xiàn)越來(lái)越大，形成了現(xiàn)在的高環(huán)境代價(jià)、低產(chǎn)出、低利用率的農(nóng)牧系統(tǒng)。河北省應(yīng)該充分利用本地飼料資源，提高有機(jī)肥的還田率，走農(nóng)牧結(jié)合的道路，從而降低因“農(nóng)牧分離”造成的“高投入-低效率”代價(jià)，促進(jìn)農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展。 ——論文作者：
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