種養(yǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)土壤氮素承載力的影響 ——以湘潭縣為例

林毅青，吳根義，佘磊，劉永豐

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南 長沙 410128)

畜禽養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)也對(duì)各國生態(tài)環(huán)境構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[1–3]。第一次全國污染源普查結(jié)果顯示，在中國主要污染物排放量中，農(nóng)業(yè)源占大部分，中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)(包括畜禽養(yǎng)殖業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)與種植業(yè))排放的COD、氮、磷等主要污染物量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過工業(yè)源與生活源，成為污染源之首[4]。畜禽養(yǎng)殖污染是農(nóng)業(yè)污染的主要來源[5–6]，已逐步超過土壤所能承載的最大容量。

關(guān)于畜禽養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)對(duì)土壤氮素承載的影響已有大量的研究：山東省禹城地區(qū)農(nóng)田系統(tǒng)的氮素輸入、氮素輸出和氮素盈余均呈逐年增加趨勢(shì)[7]；胡浩等[8]根據(jù)土壤表觀養(yǎng)分平衡理論，以單位耕地面積畜禽糞便豬糞當(dāng)量負(fù)荷及其警報(bào)值作為判斷某地區(qū)畜禽養(yǎng)殖與環(huán)境是否相適應(yīng)的指標(biāo)，并以江蘇省為例測算了2009年畜禽養(yǎng)殖空間布局和耕地畜禽糞便豬糞當(dāng)量及其警報(bào)值；張緒美等[9]根據(jù)中國31 個(gè)省(市)畜禽養(yǎng)殖數(shù)據(jù)，分析了中國不同省的畜禽養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)變化及不同地區(qū)的畜禽糞便農(nóng)田負(fù)荷量。筆者根據(jù)湘潭縣區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)種養(yǎng)結(jié)構(gòu)的變化，以2011年為例，分析該區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)的氮素承載力，旨在為研究區(qū)域經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

湘潭縣1990—2008年主要畜禽養(yǎng)殖量、農(nóng)作物產(chǎn)量及耕地面積變化等數(shù)據(jù)均來源于《湖南農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》；2011年湘潭縣農(nóng)田氮肥中的氮素施用量根據(jù)當(dāng)年湖南省氮肥施用實(shí)物量與折純量進(jìn)行折算。

1.2 分析方法

參照2011年《湖南農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》中的方法，將湘潭縣可用于耕種的農(nóng)田面積擬合成一個(gè)整體，根據(jù)量化的氮素輸入與輸出總量，采用土壤表觀養(yǎng)分平衡理論(soil-surface balance，SNB)進(jìn)行分析(圖1)，并以2011年為列，對(duì)湘潭縣區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)土壤氮素承載力進(jìn)行分析。

圖1 區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)土壤氮素承載力計(jì)算法Fig.1 Scheme of ntitrogen budget

輸入端A 主要考慮化肥、糞肥等氮素投用量及生物固氮和大氣沉降等對(duì)土壤中氮素平衡的影響；輸出端B 主要考慮區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)內(nèi)水稻、玉米、大豆、薯類作物、油菜、柑橘等生長所需吸收的土壤中氮素的總量以及氮素流失對(duì)土壤中氮素遷移的影響，即：

SNB 為土壤氮素承載力；

Smin為化肥氮素投入量。將實(shí)際氮肥投入量折算成氮素投入量進(jìn)行計(jì)算。

Sorg為畜禽糞便氮素年產(chǎn)出量，根據(jù)當(dāng)年存欄量進(jìn)行計(jì)算。畜禽的糞便排泄系數(shù)參照文獻(xiàn)[10]中的參數(shù)。豬的飼養(yǎng)周期約110 d，每年出欄3 批，則豬的糞便排泄量=存欄量×110×3×日排泄系數(shù)。雞的排泄系數(shù)取肉雞、蛋雞排泄系數(shù)的平均值。其他畜禽糞便排泄量均按存欄量×年排放系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。年施入農(nóng)田系統(tǒng)的糞肥氮素量按糞便年產(chǎn)出量的30%進(jìn)行計(jì)算。

Nmsi為生物固氮量，由區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)固氮作物種植面積和固氮系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。大豆固氮系數(shù)取每年180 kg/hm2；花生固氮系數(shù)取每年100 kg/hm2[9]。

Natm為大氣氮素沉降速率。中國南方地區(qū)降水氮素質(zhì)量濃度多為1～2 mg/L，帶入地表的氮素量基本維持在每年9.0～19.5 kg/hm2[11]。本研究中取氮素沉降最大值每年19.5 kg/hm2為計(jì)算參數(shù)。

Swyn為農(nóng)田作物氮素消納。選取水稻、玉米、大豆、花生、薯類作物、油菜、柑橘等幾種主要種植作物進(jìn)行分析，以作物產(chǎn)出總量及其每生產(chǎn)100 kg 產(chǎn)品所需氮素計(jì)算系統(tǒng)的整體氮素消納量。

Swln為農(nóng)田氮素流失率。湘潭縣的農(nóng)田類型基本為水稻田，主要農(nóng)田作物為水稻。中國稻田氮素(N)流失量占當(dāng)季施肥量的6%～10%[12–14]。本研究中取8%作為農(nóng)田氮素流失率。

若區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)氮素輸入端總量A 值與輸出端總量B 值相等，則表明系統(tǒng)內(nèi)氮素平衡；A 值與B值的差為正值，則表明系統(tǒng)內(nèi)氮素為“盈余”狀態(tài)；若A 值與B 值的差為負(fù)值，則表明系統(tǒng)內(nèi)氮素為“虧缺”狀態(tài)[15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 1990—2008年湘潭縣區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)種養(yǎng)結(jié)構(gòu)的變化

2.1.1 種植結(jié)構(gòu)的變化

1990—2000年，湘潭縣區(qū)域系統(tǒng)耕地面積變化不大，平均值為68 500 hm2，而農(nóng)作物播種面積呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；2001—2008年，湘潭縣區(qū)域系統(tǒng)耕地面積平均增加到76 375 hm2，農(nóng)作物播種面積呈現(xiàn)略微上升趨勢(shì)(圖2、圖3)。整體看來，湘潭縣區(qū)域系統(tǒng)耕地面積由1990年的69 060 hm2上升到2008年的76 240 hm2，而作物播種面積由170 620 hm2下降至144 090 hm2，復(fù)種指數(shù)由247.06%減少至189.00%，下降了58.06 個(gè)百分點(diǎn)。造成此現(xiàn)象的原因可能是城鎮(zhèn)建設(shè)侵占了農(nóng)業(yè)耕地面積，也可能是農(nóng)村人口涌入城市，導(dǎo)致傳統(tǒng)種植區(qū)耕種人數(shù)減少。

圖2 1990—2008年湘潭縣區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)的耕地面積Fig.2 Arable area in Xiangtan country from 1990 to 2008

圖3 湘潭縣區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)的作物播種面積Fig.3 Cultivated area of crop in Xiangtan country

由圖4 可見，1990—2008年，在稻谷、玉米、大豆、薯類、油菜和柑橘等6 種作物中，稻谷產(chǎn)量始終最大，總體呈上升趨勢(shì)：1992—1994年，稻谷產(chǎn)量逐年下降；1995—2002年，稻谷產(chǎn)量經(jīng)短時(shí)間上升后再呈逐年下降趨勢(shì)；2003—2008年，稻谷產(chǎn)量雖然逐步增加，但2008年仍有一定的下降。稻谷產(chǎn)量的大幅波動(dòng)可能是由區(qū)域經(jīng)濟(jì)因素、政策因素及環(huán)境因素等的影響導(dǎo)致的，如1997年的亞洲金融風(fēng)暴和1998年湖南爆發(fā)的特大洪水直接導(dǎo)致了糧食產(chǎn)量減??；2000年中央實(shí)行稅費(fèi)改革等一系列保護(hù)農(nóng)民利益的政策，農(nóng)民種糧的積極性大大提高，糧食產(chǎn)量呈增長趨勢(shì)。

圖4 1990—2008年湘潭縣區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)的農(nóng)作物產(chǎn)量Fig.4 Crop yields in Xiangtan country from 1990 to 2008

玉米產(chǎn)量從2002年開始迅速增加，這可能是由國際玉米價(jià)格一路攀升所致，2008年隨著國際玉米價(jià)格的理性回歸，其產(chǎn)量也回落到一個(gè)相對(duì)較低的水平。其他農(nóng)田作物的產(chǎn)量相對(duì)穩(wěn)定。

2.1.2 養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)的變化

從畜禽養(yǎng)殖規(guī)模上看，湘潭縣以生豬養(yǎng)殖為主，1990—2008年，湘潭縣生豬存欄數(shù)呈逐年上升趨勢(shì)，由1990年的63.38 萬頭增至2008年的134.33萬頭，增長了111.95%(圖5)。這表明近10年來人民生活水平的提高對(duì)畜禽產(chǎn)業(yè)發(fā)展的影響明顯。

圖5 1990—2008年湘潭縣區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)的生豬存欄量Fig.5 Number of pigs in Xiangtan country from 1990 to 2008

2.2 2011年湘潭縣區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)土壤氮素承載力分析

2.2.1 輸入端的氮素供給量

1) 2011年湘潭縣區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)耕種面積約為7.749×104hm2，每年通過大氣沉降作用輸入系統(tǒng)的氮素總量約為1 511 t。

2) 大豆和花生的種植面積分別為310、350 hm2，通過生物固氮作用輸入系統(tǒng)的氮素總量約為90.8 t。

3) 氮肥施入量(折純N)約為37 935.3 t。

4) 湘潭縣區(qū)域系統(tǒng)內(nèi)豬、禽類養(yǎng)殖量占總養(yǎng)殖量的97.85%。由于禽類糞便排放系數(shù)較小，所以區(qū)域內(nèi)糞便氮素(N)產(chǎn)生量主要以豬糞排放為主，豬、牛、禽類、羊的氮素(N)產(chǎn)生量依次減小，通過糞便排放產(chǎn)生的氮素總量約為7 927.1 t，按糞便年產(chǎn)出量的30%投入農(nóng)田計(jì)算，則糞肥輸入系統(tǒng)的氮素總量約為2 378.1 t(表1)。

表1 2011年湘潭縣養(yǎng)殖業(yè)氮素產(chǎn)生及投入量Table 1 Nitrogen outputs and inputs of breeding industry of Xiangtan country in 2011

對(duì)以上輸入系統(tǒng)的各類氮素量求和，則2011年湘潭縣區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)輸入端氮素總量為41 915.2 t。

2.2.2 輸出端的氮素消納量

1) 湘潭縣區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)化肥與糞肥輸入氮素總和約40 313.4 t，按照農(nóng)田氮素流失率8%進(jìn)行計(jì)算，區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)氮素實(shí)際輸入量只有37 088.3 t，流失量約為3 225.0 t。

2) 湘潭縣區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)稻谷、玉米、大豆、薯類作物、花生、油菜、柑橘等作物產(chǎn)量為72.24 萬t，其氮素消納量約為15 093 t，稻谷、油菜、玉米、大豆、柑橘、花生、紅薯、馬鈴薯的氮素消納量依次減小(表2)。

表2 2011年湘潭縣區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)的作物產(chǎn)量及氮素消納量Table 2 Crop yields and nitrogen requirements of Xiangtan country in 2011

對(duì)以上輸出系統(tǒng)的各類氮素量求和，則2011年湘潭縣區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)輸出端氮素總量為18 318 t。

2.2.3 區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)土壤氮素承載力

按耕地面積對(duì)湘潭縣區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)土壤氮素承載力進(jìn)行分析。2011年區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)輸入端大氣沉降氮素量為19.5 kg/hm2，經(jīng)豆科作物固氮所承載的氮素量為1.17 kg/hm2，土壤化肥、糞肥實(shí)際氮素投入承載量分別為489.58、30.69 kg/hm2；農(nóng)田系統(tǒng)氮平衡輸出端氮素流失量為41.62 kg/hm2，農(nóng)田作物生長所承載的氮素總量為194.78 kg/hm2。將輸入、輸出端氮素承載量代入(1)式，得出湘潭縣2011年區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)土壤氮素承載力為304.54 kg/hm2，土壤氮素平衡表現(xiàn)為“盈余”狀態(tài)。

3 結(jié)論與討論

1990—2008年，湘潭縣區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)耕地面積由69 060 hm2增長至76 240 hm2；作物播種面積由170 620 hm2降至144 090 hm2；復(fù)種指數(shù)由247.06%減少至189.00%；農(nóng)作物總產(chǎn)量由742 762 t 增加至828 693 t，增長了11.57%；生豬存欄量由63.38 萬頭增加至134.33 萬頭，增長了111.94%。

2011年，湘潭縣區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)氮素輸入端化肥、糞肥、大氣沉降、生物固氮輸入系統(tǒng)的氮素量分別為489.58、30.69、19.5、1.17 kg/hm2，總氮素供給能力為540.94 kg/hm2；輸出端農(nóng)作物生長消納氮素194.78 kg/hm2和農(nóng)田系統(tǒng)氮素自然流失41.62 kg/hm2，總消納能力為236.40 kg/hm2。采用Soil- surface balance 氮素平衡計(jì)算方法，得出湘潭縣區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)土壤氮素承載力為304.54 kg/hm2，土壤氮素表現(xiàn)為“盈余”狀態(tài)。

湘潭縣既是傳統(tǒng)的產(chǎn)糧大縣，也是養(yǎng)殖大縣，區(qū)域內(nèi)種植和畜禽養(yǎng)殖量都名列湖南省前茅，但由于種養(yǎng)結(jié)構(gòu)不合理，導(dǎo)致養(yǎng)殖糞便大多沒有較好地得以返田利用，使得種植業(yè)中氮肥施用量大，環(huán)境污染嚴(yán)重。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，湘潭縣氮肥施入總量占湘潭地區(qū)總氮肥施入量的57.92%，居湘潭地區(qū)施入量的第一位。氮肥投入量增加使得土壤氮素承載力加大。本研究結(jié)果表明，湘潭縣的農(nóng)田面積還可能減少，而畜禽養(yǎng)殖數(shù)量卻有可能增加，隨之帶來的土壤承載問題、環(huán)境污染問題將更加突出。為減少農(nóng)田系統(tǒng)氮素盈余，湘潭縣應(yīng)盡量減少農(nóng)田系統(tǒng)化肥氮素的施用，轉(zhuǎn)而以施用糞肥替代，并調(diào)整種養(yǎng)結(jié)構(gòu)，形成以“種”帶“養(yǎng)”的良性循環(huán)模式。

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