基于物質(zhì)流分析的農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)氮素效應(yīng)分析*
——以湖南省桃江縣為例

袁承程劉黎明**付永虎殷冠羿周 德

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 北京 100193;2.浙江工商大學(xué)土地資源管理系 杭州 310018)

基于物質(zhì)流分析的農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)氮素效應(yīng)分析*
——以湖南省桃江縣為例

袁承程1劉黎明1**付永虎1殷冠羿1周 德2

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 北京 100193;2.浙江工商大學(xué)土地資源管理系 杭州 310018)

為系統(tǒng)分析和評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)土地利用環(huán)境效應(yīng),了解農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)規(guī)律,提高物質(zhì)利用效率,本文采用物質(zhì)流分析方法,通過(guò)構(gòu)建區(qū)域尺度農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)的物質(zhì)流分析框架和評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,以湖南省桃江縣為案例區(qū),綜合評(píng)價(jià)了該區(qū)域農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)中氮素利用效率及環(huán)境健康狀況。結(jié)果表明：(1)1980—2013年,桃江縣農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)生產(chǎn)輸入氮素量和環(huán)境輸入氮素量顯著增加,2013年比1980年分別增加了1.2倍和0.4倍;其中,生產(chǎn)輸入方式是桃江縣氮素輸入總量的主要來(lái)源,占2013年總輸入量的77%。(2)1980—2013年,桃江縣氮素輸出總量逐年波動(dòng)增長(zhǎng),而產(chǎn)品輸出氮素量卻增加不多,但環(huán)境輸出氮素量比1980年增長(zhǎng)了1.4倍。(3)與此同時(shí),桃江縣農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)氮肥投入強(qiáng)度逐年增長(zhǎng),至2013年其值達(dá)到328.4 kg·hm-2,超過(guò)了警戒值(250.0 kg·hm-2);此外,桃江縣氮素物質(zhì)利用效率逐年降低,物質(zhì)生產(chǎn)效率還處于較低水平,還需進(jìn)一步采取措施,調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu),提高農(nóng)產(chǎn)品附加值。(4)1980—2010年桃江縣農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)生態(tài)穩(wěn)定性和環(huán)境健康質(zhì)量逐年惡化,然而,在2010—2013年桃江縣的環(huán)境健康質(zhì)量有所好轉(zhuǎn),其氮素養(yǎng)分負(fù)荷由2010年的208.8 kg·hm-2回落至2013年的154.1 kg·hm-2。

物質(zhì)流分析 農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng) 氮素循環(huán) 環(huán)境質(zhì)量 物質(zhì)利用效率

改革開(kāi)放以來(lái),我國(guó)普遍實(shí)行了高投入的集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式,不僅滿足了日益增長(zhǎng)的糧食需求,也為農(nóng)民的增產(chǎn)增收創(chuàng)造了條件。然而,高投入的集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式在提高農(nóng)業(yè)土地利用收益的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)環(huán)境問(wèn)題,如化肥的過(guò)度投入,造成農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染加劇、土壤板結(jié)、臭氧層破壞等問(wèn)題,嚴(yán)重影響了高集約化農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)的可持續(xù)性[1]。因此,如何系統(tǒng)分析和評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)土地利用環(huán)境效應(yīng),了解農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)規(guī)律,提高物質(zhì)利用效率,已成為當(dāng)前環(huán)境科學(xué)和土地科學(xué)的重點(diǎn)研究方向之一。

物質(zhì)流分析作為一種系統(tǒng)性分析一定時(shí)空范圍內(nèi)關(guān)于特定系統(tǒng)中物質(zhì)流動(dòng)和儲(chǔ)存的方法,主要涉及物質(zhì)流動(dòng)的源、路徑及匯[2]。它對(duì)于認(rèn)識(shí)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)規(guī)律,提高物質(zhì)利用效率,識(shí)別環(huán)境問(wèn)題,推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[3-4]。目前,物質(zhì)流分析主要有兩種類型, 即 Bulk-MFA(Bulk-Material Flow Analysis)和 SFA (Substance Flow Analysis)[5]。Bulk-MFA主要分析社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中混合物和大宗物資的流動(dòng)狀況,其研究對(duì)象主要是國(guó)家經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)。至今已形成了一套成熟的研究體系,在意大利、英國(guó)以及中國(guó)等國(guó)家得到了廣泛的應(yīng)用[6-13]。而SFA主要針對(duì)某種特定的物質(zhì)流進(jìn)行研究,一般指化學(xué)元素或者化合物[14],常應(yīng)用在國(guó)家物質(zhì)循環(huán)分析[15-17]、流域營(yíng)養(yǎng)元素代謝分析[18]以及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[19]等方面。SFA在追蹤特定元素或化合物的流動(dòng)過(guò)程,識(shí)別環(huán)境問(wèn)題,提高物質(zhì)利用率等方面具有特殊的優(yōu)勢(shì),從理論上分析,SFA應(yīng)同樣適用于農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)中重要元素流動(dòng)過(guò)程的追蹤與環(huán)境效應(yīng)的分析。

農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)是由自然環(huán)境、生產(chǎn)要素輸入、土地利用方式、土地利用過(guò)程以及各種輸出組成,是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)過(guò)程中形成的自然-生態(tài)-經(jīng)濟(jì)復(fù)合系統(tǒng)。目前,對(duì)農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)的研究主要集中在應(yīng)用養(yǎng)分平衡模型分析營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的流動(dòng)狀況,識(shí)別土地養(yǎng)分盈余或者缺損的狀態(tài),判斷農(nóng)業(yè)投入對(duì)土壤肥力、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水環(huán)境的影響,如王激清等[20]通過(guò)建立中國(guó)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮素平衡模型,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);陳敏鵬等[21]利用OECD表觀氮平衡模型框架,建立了中國(guó)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)表觀氮磷平衡核算的框架、方法和數(shù)據(jù)庫(kù),結(jié)果表明,由于中國(guó)氮磷平衡區(qū)域分布嚴(yán)重不平衡,面臨著氮、磷盈余管理和缺損管理的雙重壓力;以及Bao 等[22]通過(guò)構(gòu)建養(yǎng)分平衡模型,分析了1980—1990年長(zhǎng)江流域農(nóng)田系統(tǒng)氮素負(fù)荷及對(duì)水環(huán)境的影響。但是,此類研究未能深入且準(zhǔn)確分析物質(zhì)的利用強(qiáng)度和效率,也不能全面分析農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)的環(huán)境健康狀態(tài)。而SFA模型彌補(bǔ)了這些研究的不足,它可以更深入地解析物質(zhì)的流動(dòng)狀況,更全面地分析物質(zhì)的利用效率,更系統(tǒng)地評(píng)價(jià)系統(tǒng)健康狀態(tài)。因此本研究嘗試構(gòu)建一套農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)的SFA框架,建立適合區(qū)域農(nóng)業(yè)土地利用過(guò)程的物質(zhì)流分析評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,綜合分析區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)中物質(zhì)的利用效率及環(huán)境健康狀況,并以湖南省桃江縣的氮素效應(yīng)分析為案例開(kāi)展了系統(tǒng)研究。

1 研究方法

1.1 物質(zhì)流分析框架

在參考農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)概論模型的基礎(chǔ)上[23],本文構(gòu)建了區(qū)域農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)的物質(zhì)流分析框架。在總體結(jié)構(gòu)上,農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)的物質(zhì)流包含5類(如圖1),其中輸入部分包含生產(chǎn)輸入和環(huán)境輸入,輸出部分包含產(chǎn)品輸出和環(huán)境輸出,系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)成部分主要指物質(zhì)凈存量。

生產(chǎn)輸入是指人類為了達(dá)到一定目的,通過(guò)人類勞動(dòng)所輸入物質(zhì)的量,主要是指人類有意識(shí)的投入,如種子、農(nóng)藥、化肥、有機(jī)肥等。環(huán)境輸入包括灌溉、干濕沉降、生物固氮以及人類生活所產(chǎn)生的廢棄物,如通過(guò)生活污水、生活垃圾等途徑輸入到農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)中物質(zhì)的量。與生產(chǎn)輸入不同,它屬于人類無(wú)意識(shí)的輸入,其輸入的量很難準(zhǔn)確測(cè)定。這是物質(zhì)流分析在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的難點(diǎn)之一。為了解決此問(wèn)題,現(xiàn)有學(xué)者多應(yīng)用系數(shù)法進(jìn)行環(huán)境輸入的測(cè)算[20-22]。

產(chǎn)品輸出分為農(nóng)產(chǎn)品和農(nóng)副產(chǎn)品,農(nóng)產(chǎn)品即是人類土地利用活動(dòng)所追求的目的,如稻谷、小麥和玉米等糧食產(chǎn)品;而農(nóng)副產(chǎn)品即指農(nóng)作物所附加生產(chǎn)的非主要產(chǎn)品,如稻草、麥草等。而另一種輸出途徑是環(huán)境輸出,由地表徑流、地下淋溶、揮發(fā)(包括氨揮發(fā)和氧化亞氮排放)以及氮的反硝化等途徑組成。同環(huán)境輸入一樣,此部分很難準(zhǔn)確測(cè)定。

圖1 農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)物質(zhì)流分析概念框架Fig.1 Conceptual framework of substance flow analysis for agricultural land use system

1.2 農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)的物質(zhì)流分析指標(biāo)

物質(zhì)流分析的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)物質(zhì)投入總量及最終廢棄物排放量的減量化,從而提高資源利用效率。為實(shí)現(xiàn)此目標(biāo),本文構(gòu)建了農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)物質(zhì)流分析評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,主要由物質(zhì)輸入指標(biāo)、物質(zhì)輸出指標(biāo)、強(qiáng)度和效率指標(biāo)和環(huán)境健康指標(biāo)等4個(gè)大類11個(gè)分析指標(biāo)組成,各個(gè)指標(biāo)的計(jì)算公式如表1所示。

2 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 研究區(qū)域概況

本研究以湖南省桃江縣為案例區(qū)。桃江縣地處湘中偏北,資江中下游,屬湖南洞庭湖區(qū)。桃江縣是中亞熱帶大陸性季風(fēng)濕潤(rùn)氣候,平均年降雨量 1 566 mm。全縣轄15個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),2010年年末總?cè)丝?6.7 萬(wàn),其中農(nóng)業(yè)人口71.3萬(wàn)。2010年桃江全縣耕地44 000 hm2、園地5 273 hm2、林地114 720 hm2、其他農(nóng)用地17 640 hm2。桃江縣屬典型南方水稻種植區(qū)域,其水稻播種面積占總糧食作物播種面積的93%,秸稈還田率達(dá)68%。2010年全縣平均每公頃耕地分別施用氮肥1 107.0 kg、磷肥397.5 kg和鉀肥229.5 kg,其折純量分別為純N 261.0 kg、P2O549.5 kg和K2O 130.5 kg。

表1 農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)物質(zhì)流分析主要指標(biāo)及計(jì)算公式Table 1 Indicators of substance flow analysis and their calculating formula for agricultural land use system

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及計(jì)算

本文主要的數(shù)據(jù)來(lái)源和物質(zhì)流分析核算方法以及參數(shù)取值依據(jù)見(jiàn)表2。由于通過(guò)農(nóng)藥方式輸入的氮素量極少,故忽略不計(jì)[20]。

3 結(jié)果與分析

3.1 氮素輸入指標(biāo)分析

根據(jù)表1和表2的計(jì)算方法可得到1980—2013年桃江縣農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)氮素輸入情況表(如表3)。1980—2013年,氮素的生產(chǎn)輸入量呈現(xiàn)穩(wěn)步增加的趨勢(shì),尤其從2005—2010年經(jīng)化肥途徑輸入的氮素量增長(zhǎng)較快。查閱資料[1]可知,從2005年開(kāi)始,湖南省取消了農(nóng)業(yè)稅并對(duì)種糧農(nóng)民進(jìn)行4項(xiàng)補(bǔ)貼(直接補(bǔ)貼、良種補(bǔ)貼、農(nóng)機(jī)具購(gòu)置補(bǔ)貼和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料綜合補(bǔ)貼),說(shuō)明這些措施對(duì)于提高農(nóng)民化肥的投入量有重要影響。

從表還可知,1980—2013年,在氮素環(huán)境輸入總量不斷上升的同時(shí),其結(jié)構(gòu)也隨之變化：1980年是以生物固氮方式為主,而2013年卻以沉降方式為主。盡管隨著耕地面積的減少,通過(guò)種子、固氮、灌溉等輸入農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)的氮素量在減少,但是由于化肥、有機(jī)肥以及沉降方式輸入氮素量的迅速增長(zhǎng),桃江縣農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)中物質(zhì)輸入氮素總量還是增加了1倍左右,從1980年的16 887.4 t上漲到2013年的32 926.4 t。分析表明：近30年來(lái),桃江縣生產(chǎn)輸入氮素量和環(huán)境輸入氮素量都顯著增加,其中,生產(chǎn)輸入是桃江縣氮素輸入的主要來(lái)源,尤其是通過(guò)化肥輸入的氮素量占了相當(dāng)大的比例。

3.2 氮素輸出指標(biāo)分析

桃江縣農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)的氮素輸出結(jié)果如表4所示。在1980—2013年,隨著糧食產(chǎn)量的波動(dòng),桃江縣經(jīng)產(chǎn)品輸出的氮素量也呈波動(dòng)變化：1980—1990年受改革開(kāi)放和包產(chǎn)到戶等利好政策的影響,糧食產(chǎn)量增長(zhǎng)較快,通過(guò)籽實(shí)輸出的氮素量也增長(zhǎng)迅速,從1980年的7 806.3 t氮素增加到1990年的9 976.9 t,增幅達(dá)27.8%;然而,在1990—2005年由于耕地面積急速減少,導(dǎo)致通過(guò)籽實(shí)輸出氮素量不升反降,到2005年其值只有7 420.6 t;之后,因桃江縣實(shí)行了嚴(yán)格的耕地保護(hù)政策,并對(duì)農(nóng)戶進(jìn)行種糧補(bǔ)貼,增加了化肥、有機(jī)肥的施用量,糧食產(chǎn)量不斷提高,又使得通過(guò)籽實(shí)輸出氮素量呈快速回升趨勢(shì),在2013年該值達(dá)到10 743.9 t。同時(shí),1980—2013年氮素環(huán)境輸出量卻一直呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)：盡管在1980—1995年間環(huán)境輸出量增長(zhǎng)較緩,僅增加了2 234.0 t,但在1995—2013年間因氮肥和有機(jī)肥的大量施用,通過(guò)氮揮發(fā)損失的氮素量迅速增長(zhǎng),導(dǎo)致環(huán)境輸出量也快速增加,到2013年通過(guò)環(huán)境輸出的氮素量已達(dá)13 072.5 t,是1980年的2.4倍。此外,由

于耕地面積變化因素的影響,通過(guò)地表徑流和地下淋溶輸出到環(huán)境中的氮素量,經(jīng)過(guò)了先減少后增加的變化過(guò)程。而輸出總氮素量,因受氮素產(chǎn)品輸出影響較大,其值也是經(jīng)歷了先增加后減少再增加的過(guò)程,至2013年已達(dá)到26 138.3 t。

表2 農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)中氮素物質(zhì)流分析核算方法及參數(shù)取值Table 2 Calculation method and parameter values of nitrogen flow and circulation of agricultural land use system

表3 1980—2013年桃江縣農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)氮素輸入情況Table 3 Nitrogen input of agricultural land use system in Taojiang County from 1980 to 2013

表4 1980—2013年桃江縣農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)氮素輸出情況Table 4 Nitrogen output of agricultural land use system in Taojiang County,1980—2013

3.3 氮素物質(zhì)利用強(qiáng)度和效率指標(biāo)分析

氮素物質(zhì)利用強(qiáng)度和效率指標(biāo)主要用來(lái)測(cè)度在一定時(shí)間特定區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)中單位耕地面積氮素的投入量及其產(chǎn)出量,對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)域氮素利用強(qiáng)度和效率具有重要作用。

3.3.1 氮素投入強(qiáng)度

氮素投入強(qiáng)度主要被用來(lái)評(píng)價(jià)通過(guò)生產(chǎn)輸入方式輸入到單位耕地面積的氮素量,其計(jì)算公式是氮素生產(chǎn)輸入總量與區(qū)域內(nèi)所有耕地面積之比。同時(shí),為了便于與已有資料進(jìn)行對(duì)比,本文引入氮肥投入強(qiáng)度的概念,即單位耕地面積由化肥帶入的氮素量。計(jì)算結(jié)果表明,桃江縣的氮素投入強(qiáng)度逐年遞增(如圖2),1980年氮素投入強(qiáng)度僅為267.8 kg·hm-2,其中氮肥投入強(qiáng)度為147.2 kg·hm-2;而到2005年氮素投入強(qiáng)度已達(dá)492.5 kg·hm-2,通過(guò)化肥輸入的氮素量也達(dá)到258.8 kg·hm-2,比1980年分別增加了84.34%和75.76%。依據(jù)魯如坤等[32]的研究,氮肥投入強(qiáng)度大于250.0 kg·hm-2即可定為超量,極易引起環(huán)境污染。按此標(biāo)準(zhǔn),此時(shí)桃江縣氮肥投入已超量。然而,2005年以后,盡管耕地面積有一定的增加,但是受化肥、有機(jī)肥施用量快速增加的影響,桃江縣單位耕地面積的氮素投入量并沒(méi)有得到有效控制,其氮素投入強(qiáng)度和氮肥投入強(qiáng)度繼續(xù)保持快速增長(zhǎng), 在2013年已分別達(dá)到579.2 kg·hm-2和328.4 kg·hm-2,其氮肥投入強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了250.0 kg·hm-2的標(biāo)準(zhǔn),表明桃江縣出現(xiàn)農(nóng)業(yè)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的概率在增大。

圖2 1980—2013年桃江縣氮素投入強(qiáng)度和投入產(chǎn)出比變化圖Fig.2 Nitrogen input intensity and nitrogen input-output ratio changes in Taojiang County from 1980 to 2013

3.3.2 氮素投入產(chǎn)出比

氮素投入產(chǎn)出比是指區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)生產(chǎn)輸入氮素總量與產(chǎn)品氮素輸出總量之比,可用來(lái)表征氮素的利用效率。因生產(chǎn)輸入主要包括種子、化肥和有機(jī)肥3種途徑,而產(chǎn)品輸出包括了籽實(shí)和秸稈的輸出,所以通過(guò)二者之比,可直觀看出農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)中物質(zhì)利用效率的變化。從圖2可知, 1980—2005年桃江縣的氮素投入產(chǎn)出比逐年增長(zhǎng),說(shuō)明其氮素的利用率在逐年下降;而2005年之后氮素投入產(chǎn)出比又開(kāi)始逐年降低,根據(jù)實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn),這與2005年桃江縣農(nóng)業(yè)局開(kāi)始大力推廣測(cè)土配方施肥從而提高肥料的有效利用率有關(guān)。

3.3.3 氮素物質(zhì)生產(chǎn)力

物質(zhì)生產(chǎn)力是指一定區(qū)域內(nèi)某一年度內(nèi)其農(nóng)業(yè)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值與生產(chǎn)輸入物質(zhì)總量的比值,用來(lái)測(cè)度每單位物質(zhì)投入所創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[33]。在農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)中,為了方便與其他區(qū)域的比較,本文采用化肥方式輸入到農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)氮素量代替生產(chǎn)輸入氮素總量。從圖3可知,在1980年,桃江縣氮素物質(zhì)生產(chǎn)力為1.7萬(wàn)元·t-1,略高于湖南省平均值1.6萬(wàn)元·t-1。之后桃江縣氮素物質(zhì)生產(chǎn)力逐年增大,其增長(zhǎng)率遠(yuǎn)高于湖南全省平均氮素物質(zhì)生產(chǎn)力的增長(zhǎng),到2000年,兩者的差距達(dá)到最大,是湖南全省平均氮素物質(zhì)生產(chǎn)力的1.5倍,表明1980—2000年桃江縣在氮素利用效率方面位于全省的前列。然而,2000年以后湖南省平均氮素物質(zhì)生產(chǎn)力開(kāi)始快速增長(zhǎng),至2005年趕上桃江縣,到2013年其氮素物質(zhì)生產(chǎn)已比桃江縣高4.6萬(wàn)元·t-1。而桃江縣在2013年氮素的物質(zhì)生產(chǎn)力僅為16.0萬(wàn)元·t-1,在全省處于落后水平。

圖3 1980—2013年湖南省平均氮素物質(zhì)生產(chǎn)力與桃江縣氮素生產(chǎn)力變化圖Fig.3 Nitrogen material productivity changes in Hunan Province and Taojiang County,1980—2013

3.4 氮素環(huán)境健康指標(biāo)分析

3.4.1 氮養(yǎng)分負(fù)荷

養(yǎng)分負(fù)荷是指某一年內(nèi)輸入物質(zhì)總量與輸出物質(zhì)總量之差與該區(qū)域內(nèi)所有耕地面積之比[34]。桃江縣氮養(yǎng)分負(fù)荷計(jì)算結(jié)果如圖4所示。1980—2013 年,氮養(yǎng)分負(fù)荷呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后降低的變化趨勢(shì)。在1980—1990年間,氮養(yǎng)分負(fù)荷緩慢增長(zhǎng),在1980年氮養(yǎng)分負(fù)荷為47.9 kg·hm-2,至1990年該值僅為61.0 kg·hm-2,只增長(zhǎng)了27%。而從1990—2000年,由于生產(chǎn)輸入與環(huán)境輸入的氮素量快速增長(zhǎng)的原因,其氮養(yǎng)分負(fù)荷也迅速增長(zhǎng),至2000年氮養(yǎng)分負(fù)荷增長(zhǎng)到144.0 kg·hm-2,較1990年增長(zhǎng)了136%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全國(guó)平均水平87.1 kg·hm-2[20]。然而,從2000—2010年桃江縣的氮養(yǎng)分負(fù)荷并沒(méi)有得到有效控制,其氮素養(yǎng)分負(fù)荷還繼續(xù)增長(zhǎng),在2010年已增長(zhǎng)到208.8 kg·hm-2。之后,其氮素養(yǎng)分負(fù)荷開(kāi)始降低,至2013年回落至154.1 kg·hm-2。氮養(yǎng)分負(fù)荷的過(guò)量盈余,容易導(dǎo)致土壤酸化、板結(jié),影響水體質(zhì)量,嚴(yán)重威脅環(huán)境健康。

圖4 1980—2013年桃江縣氮素養(yǎng)分負(fù)荷以及環(huán)境物質(zhì)循環(huán)率變化圖Fig.4 Nitrogen nutrient loads and environmental circulation rate changes in Taojiang County from 1980 to 2013

3.4.2 環(huán)境物質(zhì)循環(huán)率

為了表征系統(tǒng)穩(wěn)定性,引入環(huán)境物質(zhì)循環(huán)率的概念。環(huán)境物質(zhì)循環(huán)率是指區(qū)域內(nèi)環(huán)境輸入物質(zhì)總量與環(huán)境輸出物質(zhì)總量之比。在特定的農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)中,如果長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)通過(guò)環(huán)境輸入物質(zhì)的總量與環(huán)境輸出物質(zhì)的總量之比為1,則該系統(tǒng)的生態(tài)穩(wěn)定性越高,其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)也就越低。從圖4可知, 1980年至2013年,桃江縣氮素的環(huán)境物質(zhì)循環(huán)率呈下降趨勢(shì),在1980年,其值是0.99,而到2013年其值僅為0.57。說(shuō)明該階段桃江縣向環(huán)境輸出的氮素量在逐年增加。而環(huán)境輸出的氮素不外乎經(jīng)過(guò)徑流、淋溶、揮發(fā)以及硝化等途徑損失。其中,通過(guò)徑流、淋溶等途徑損失的氮素是水體富營(yíng)養(yǎng)化主要原因之一,而經(jīng)揮發(fā)和硝化途徑流失的氮素又是溫室氣體的主要來(lái)源。因此,這也表明桃江縣農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)的生態(tài)穩(wěn)定性在逐年降低。

4 討論

1)氮素輸入量的變化受多種因素影響。首先,與耕地面積的變化有關(guān),1980—2013年桃江縣耕地面積經(jīng)歷了先減少后增加的變化趨勢(shì)。耕地面積的變化必然會(huì)導(dǎo)致作物播種面積的變化,如1980年水稻播種面積為43 168 hm2,而在2005年其值僅有33 486 hm2,減少了22.4%。作物播種面積的變化又會(huì)影響通過(guò)種子、化肥、有機(jī)肥、灌溉等方式輸入到農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)的氮素量。其次,與作物種植結(jié)構(gòu)的變化有關(guān),由于桃江縣大量的耕地由雙季稻改種單季稻,如1980年中稻的種植面積僅有280 hm2,而在2010年中稻的種植面積增長(zhǎng)到8 066 hm2,導(dǎo)致化肥氮素投入量的大量增加。最后,還與單位耕地面積化肥和有機(jī)肥施用量的增加有關(guān)。另外,本文研究結(jié)果表明氮素輸入量的主要途徑是化肥,其次是有機(jī)肥,再次是沉降和固氮,而通過(guò)灌溉和種子途徑輸入的氮素量最少。這與王激清等[20]和李書田等[35]研究結(jié)果相似,但是在具體的輸入比例上存在一定的不同。如在李書田等[35]研究的長(zhǎng)江中下游流域,通過(guò)有機(jī)肥輸入的氮素量占氮素輸入總量的18%,而本文估算的結(jié)果為33%。這主要是因?yàn)樘医h養(yǎng)牛業(yè)發(fā)達(dá),如在2013年全縣牛的存欄數(shù)為9.8萬(wàn)頭,而且牛作為大型動(dòng)物,其氮素排泄系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他禽畜。此外,在估算沉降輸入的氮素量上,王激清等[20]計(jì)算的結(jié)果占比為3.5%,而本文中氮素沉降輸入量平均占總輸入量的12.2%,主要原因是本文考慮了單位耕地面積通過(guò)沉降方式輸入的氮素量會(huì)隨著年份的變化而增長(zhǎng)[30],導(dǎo)致氮沉降量逐年增加。

2)受氮肥、有機(jī)肥等施用量快速增長(zhǎng)的影響,環(huán)境輸出的氮素量增長(zhǎng)明顯,特別是通過(guò)氮揮發(fā)途徑損失的氮素占全部環(huán)境輸出的66.5%。氮的揮發(fā)形式主要以氨揮發(fā)和氧化亞氮直接排放為主。氨是導(dǎo)致酸雨的主要污染物質(zhì)之一,還會(huì)導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)生,而氧化亞氮又是溫室氣體,增溫潛勢(shì)是CO2的310倍[36]。因此,減少氮的揮發(fā),是控制環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵。

3)在農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)中,可評(píng)價(jià)物質(zhì)利用效率的指標(biāo)相對(duì)較少,目前主要有投入產(chǎn)出比指標(biāo)。然而,由于投入產(chǎn)出比指標(biāo)易受自然資源稟賦的影響,不便于區(qū)域之間的比較。故本文引入了物質(zhì)生產(chǎn)力的概念。物質(zhì)生產(chǎn)力可測(cè)度每單位物質(zhì)的投入所創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。通過(guò)計(jì)算表明,在2013年桃江縣氮素的物質(zhì)生產(chǎn)力僅為16.0萬(wàn)元·t-1,在全省處于落后水平。因此,桃江縣需進(jìn)一步采取措施,調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu),提高農(nóng)產(chǎn)品附加值,從而提高氮素的物質(zhì)生產(chǎn)力。

4)本文構(gòu)建了兩個(gè)指標(biāo)用來(lái)評(píng)價(jià)區(qū)域農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)的環(huán)境健康狀況。一個(gè)是養(yǎng)分負(fù)荷,用來(lái)指示區(qū)域內(nèi)單位耕地面積物質(zhì)的虧損或盈余累積情況。該指標(biāo)可與國(guó)家相關(guān)的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比,以確定該區(qū)域內(nèi)的環(huán)境健康程度。如與魏靜等[28]的研究對(duì)比發(fā)現(xiàn),1980—1995年,桃江縣的氮負(fù)荷均落后于全國(guó)平均水平,但是從2000—2005年,桃江縣的氮養(yǎng)分負(fù)荷快速增加,在2005年桃江縣的氮素養(yǎng)分負(fù)荷比全國(guó)平均值高45.3%。另一個(gè)指標(biāo)是環(huán)境物質(zhì)循環(huán)率,該指標(biāo)可用來(lái)指示區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)的生態(tài)穩(wěn)定性。當(dāng)環(huán)境輸入的氮素量長(zhǎng)期等于其環(huán)境輸出量時(shí),表明此時(shí)人類的生產(chǎn)生活對(duì)環(huán)境的影響越小,其生態(tài)健康程度也越高。同時(shí)使用這兩個(gè)指標(biāo)可更全面地表征農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)的環(huán)境健康狀況。結(jié)果表明,1980年至2010年兩個(gè)指標(biāo)均顯示桃江縣的環(huán)境健康狀況每況愈下,出現(xiàn)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的概率在變大。

5)由于農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的自然-生態(tài)-經(jīng)濟(jì)復(fù)合系統(tǒng),導(dǎo)致現(xiàn)有研究缺少準(zhǔn)確的參數(shù)和足夠的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),這在一定程度上會(huì)影響物質(zhì)流分析結(jié)果的精度。如對(duì)于農(nóng)作物收獲物和秸稈的養(yǎng)分含量、作物谷草比,以及畜禽活體各部分及其糞尿的排泄系數(shù)等研究所需的參數(shù),盡管已有研究確定了一套較為成熟的參數(shù),分析全國(guó)尺度氮素流動(dòng)狀況[35,37],但是,考慮到桃江縣地區(qū)的自然經(jīng)濟(jì)社會(huì)狀況,本文參數(shù)盡量選擇與本地區(qū)相似的地方,以確保研究結(jié)果不出大的偏差。此外,某些參數(shù)(如秸稈和糞便的還田率)會(huì)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展和環(huán)境的變化而變化,然而,由于缺少相關(guān)研究,本文并沒(méi)有考慮到這些因素的變化,導(dǎo)致研究結(jié)果存在一定的誤差。因此,在今后應(yīng)建立不同區(qū)域內(nèi)物質(zhì)流分析的參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù),并更加詳細(xì)準(zhǔn)確地記錄物質(zhì)消耗指標(biāo),為物質(zhì)流分析方法在農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

本文主要通過(guò)引入物質(zhì)流分析理論,構(gòu)建了區(qū)域尺度農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)的物質(zhì)流分析方法框架,建立了適合區(qū)域農(nóng)業(yè)利用的物質(zhì)流分析評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,并用物質(zhì)輸入指標(biāo)、物質(zhì)輸出指標(biāo)、物質(zhì)利用強(qiáng)度和效率指標(biāo)以及環(huán)境健康指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)了區(qū)域內(nèi)物質(zhì)利用概況、物質(zhì)利用效率、物質(zhì)利用強(qiáng)度及潛在環(huán)境健康狀況。并以桃江縣為案例區(qū)開(kāi)展實(shí)證研究,從時(shí)間序列上分析了桃江縣農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)中氮素的物質(zhì)流動(dòng)狀況,并得到以下結(jié)論：

1)1980—2013年,桃江縣生產(chǎn)輸入氮素量和環(huán)境輸入氮素量呈顯著增加趨勢(shì)。生產(chǎn)輸入是桃江縣氮素輸入的主要來(lái)源,而其中,化肥輸入量在生產(chǎn)輸入方式中所占比重較大。同時(shí)期,桃江縣輸出氮素總氮量呈波動(dòng)上升狀態(tài),而產(chǎn)品輸出氮素量卻增加不大,但環(huán)境輸出量增長(zhǎng)了1.4倍。

2)1980—2013年,在桃江縣農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)中氮肥投入強(qiáng)度呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì),2013年已達(dá)328.4 kg·hm-2,超過(guò)了其標(biāo)準(zhǔn)值(250 kg·hm-2)的32%;1980—2005年,桃江縣農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)的氮素物質(zhì)利用效率逐年降低,而從2005—2013年物質(zhì)利用效率緩慢增加;另外,在此期間桃江縣氮素物質(zhì)生產(chǎn)力盡管在逐年增加,但是2005年之后已落后于湖南全省的平均氮素生產(chǎn)力,表明目前桃江縣農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)的物質(zhì)生產(chǎn)效率還處于低水平,還需進(jìn)一步采取措施,調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu),提高農(nóng)產(chǎn)品附加值。

3)在1980—2010年間桃江縣農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)的環(huán)境健康質(zhì)量和生態(tài)穩(wěn)定性在逐年降低。但是,從2010年后桃江縣農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)的氮素養(yǎng)分負(fù)荷開(kāi)始降低,表明近期其環(huán)境健康質(zhì)量有所好轉(zhuǎn)。

References

[1]付永虎,劉黎明,袁承程.農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)氮足跡與灰水足跡綜合評(píng)價(jià)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2016,32(S1)：312-319 Fu Y H,Liu L M,Yuan C C.Comprehensive evaluation for nitrogen footprint and gray water footprint of agricultural land use system[J].Transactions of the CSAE,2016,32(S1)：312-319

[2]Brunner P H,Rechberger H.Practical Handbook of Material Flow Analysis[M].Washington,DC：Lewis Publishers,2003：1-318

[3]Ayres R U, Simonis U E. Industrial Metabolism：Restructuring for Sustainable Development[M].Tokyo,New York,Paris：United Nations University Press,1994

[4]Matthews E,Amann C,Bringezu S,et al.The weight of nations：Material outflows from industrial economies[R]. Washington,DC：World Resources Institute,2000

[5]張曉剛,曾輝.從系統(tǒng)到景觀：區(qū)域物質(zhì)流分析的景觀取向[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2014,34(6)：1340-1351 Zhang X G,Zeng H.From system to landscape：The other orientation of regionalmaterialflow analysis[J].Acta Ecologica Sinica,2014,34(6)：1340-1351

[6]de Marco O,Lagioia G,Mazzacane E P.Materials flow analysis of the Italian economy[J].Journal of Industrial Ecology,2000,4(2)：55-70

[7]Gravgaard Pedersen O.Material flow accounts and analysis for Denmark[C]//Meeting of the Eurostat Task Force on Material Flow Accounting.2000

[8]Isacsson A,Jonsson K,Linder I,et al.Material flow accounts, DMI and DMC for Sweden 1987-1997[J].Luxembourg：Eurostat,Office for Official Publications of the European Communities,2000

[9]Schandl H,Schulz N.Using material flow accounting to operationalize the conceptofSociety’sMetabolism：A preliminary MFA for the United Kingdom for the period of 1937-1997[R].ISER Working Paper No.2000-3.Colchester：University of Essex,2000：27-36

[10]吳開(kāi)亞,劉曉薇,張浩.基于物質(zhì)流分析方法的安徽省環(huán)境載荷及其減量化研究[J].資源科學(xué),2011,33(4)：789-795 Wu K Y,Liu X W,Zhang H.Environmental load of Anhui Province and its reduction：An approach of material flow analysis[J].Resources Science,2011,33(4)：789-795

[11]費(fèi)威,劉心,楊晨.基于MFA和DEA的區(qū)域經(jīng)濟(jì)環(huán)境效率評(píng)價(jià)——以遼寧省為例[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(11)：3797-3807 FeiW,Liu X,Yang C.Economicand environmental efficiencies based on materialflow analysis and data envelopment analysis：A case study of Liaoning Province[J]. Acta Ecologica Sinica,2015,35(11)：3797-3807

[12]陳效逑,喬立佳.中國(guó)經(jīng)濟(jì)-環(huán)境系統(tǒng)的物質(zhì)流分析[J].自然資源學(xué)報(bào),2000,15(1)：17-23 Chen X Q,Qiao L J.Material flow analysis of Chinese economic-environmental system[J]. Journal of Natural Resources,2000,15(1)：17-23

[13]陳效逑,趙婷婷,郭玉泉,等.中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的物質(zhì)輸入與輸出分析[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2003,39(4)：538-547 Chen X Q,Zhao T T,Guo Y Q,et al.Material input and output analysis of Chinese economy system[J].Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis,2003,39(4)：538-547

[14]Harper E M.A product-level approach to historical material flow analysis：Tungsten as a casestudy[J].Journalof Industrial Ecology,2008,12(5/6)：768-784

[15]岳強(qiáng),陸鐘武.中國(guó)銅循環(huán)現(xiàn)狀分析(Ⅰ)——“STAF”方法[J].中國(guó)資源綜合利用,2005(4)：6-11Yue Q,Lu Z W.An analysis of contemporary copper cycle in China(Ⅰ ) — “STAF”method[J].China Resources Comprehensive Utilization,2005(4)：6-11

[16]張江徽,陸鐘武.中國(guó)2004年鋅循環(huán)分析及政策建議[J].資源科學(xué),2007,29(5)：81-89 Zhang J H,Lu Z W.Zinc circulation analysis in China in 2004 and policy recommendations[J].Resources Science,2007, 29(5)：81-89

[17]陳偉強(qiáng),石磊,錢易.2005年中國(guó)國(guó)家尺度的鋁物質(zhì)流分析[J].資源科學(xué),2008,30(9)：1320-1326 Cheng W Q,Shi L,Qian Y.Aluminium substance flow analysis for mainland China in 2005[J].Resources Science, 2008,30(9)：1320-1326

[18]劉毅,陳吉寧.滇池流域磷循環(huán)系統(tǒng)的物質(zhì)流分析[J].環(huán)境科學(xué),2006,27(8)：1549-1553 Liu Y,Chen J N.Substance flow analysis on phosphorus cycle in Dianchi Basin,China[J].Environmental Science,2006, 27(8)：1549-1553

[19]Huang C L,Ma H W,Yu C P.Substance flow analysis and assessment of environmental exposure potential for triclosan in mainland China[J].Science of the Total Environment,2014, 499：265-275

[20]王激清,馬文奇,江榮風(fēng),等.中國(guó)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮素平衡模型的建立及其應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2007,23(8)：210-215 Wang J Q,Ma W Q,Jiang R F,et al.Development and application of nitrogen balance model of agro-ecosystem in China[J].Transactions of the CSAE,2007,23(8)：210-215

[21]陳敏鵬,陳吉寧.中國(guó)區(qū)域土壤表觀氮磷平衡清單及政策建議[J].環(huán)境科學(xué),2007,28(6)：1305-1310 Chen M P,Chen J N.Inventory of regional surface nutrient balance and policy recommendations in China[J]. Environmental Science,2007,28(6)：1305-1310

[22]Bao X,Watanabe M,Wang Q X,et al.Nitrogen budgets of agricultural fields of the Chang Jiang River basin from 1980 to 1990[J].Science of the Total Environment,2006,363(1/3)：136-148

[23]劉黎明.土地資源學(xué)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社, 2010：172-182 LiuL M.LandResourcesScience[M].Beijing：China Agricultural University Press,2010：172-182

[24]魯如坤,劉鴻翔,聞大中,等.我國(guó)典型地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)和平衡研究Ⅱ.農(nóng)田養(yǎng)分收入?yún)?shù)[J].土壤通報(bào), 1996,27(4)：151-154 Lu R K,Liu H X,Wen D Z,et al.Research on nutrient cycle and balance in agricultural eco-system in Chinese typical regions Ⅱ.Parameters of nutrient input in farmland[J]. Chinese Journal of Soil Science,1996,27(4)：151-154

[25]王激清,劉社平,高靜.河北省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮養(yǎng)分平衡狀況研究[J].河北北方學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2009,25(1)：42-48 Wang J Q,Liu S P,Gao J.Nitrogen budgets in agroecosystem of Hebei Province[J].Journal of Hebei North University：Natural Science Edition,2009,25(1)：42-48

[26]武深樹(shù),譚美英,龍?jiān)懒?等.洞庭湖區(qū)畜禽糞便中氮素污染及其環(huán)境成本[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2009,25(6)：229-234 Wu S S,Tan M Y,Long Y L,et al.Nitrogen pollution and environmental cost of livestock manure in Dongting lake area[J].Transactions of the CSAE,2009,25(6)：229-234

[27]武深樹(shù),譚美英,黃璜,等.湖南洞庭湖區(qū)農(nóng)地畜禽糞便承載量估算及其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2009,17(6)：1245-1251 Wu S S,Tan M Y,Huang H,et al.Loading capacity estimation and risk assessmentoflivestock manure in cultivated lands around Dongting Lake[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture,2009,17(6)：1245-1251

[28]魏靜,馬林,馬文奇,等.城鎮(zhèn)化對(duì)我國(guó)不同年代農(nóng)田氮素循環(huán)的影響[J].河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,32(1)：6-9 Wei J,Ma L,Ma W Q,et al.Influence of urbanization on N cycle of farmland of various periods in China[J].Journal of Agricultural University of Hebei,2009,32(1)：6-9

[29]Liu C,Watanabe M,Wang Q X.Changes in nitrogen budgets and nitrogen use efficiency in the agro-ecosystems of the Changjiang River basin between 1980 and 2000[J].Nutrient Cycling in Agroecosystems,2008,80(1)：19-37

[30]Liu X J,Zhang Y,Han W X,et al.Enhanced nitrogen deposition over China[J].Nature,2013,494(7438)：459-462

[31]魯如坤,劉鴻翔,聞大中,等.我國(guó)典型地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)和平衡研究Ⅰ.農(nóng)田養(yǎng)分支出參數(shù)[J].土壤通報(bào), 1996,27(4)：145-151 Lu R K,Liu H X,Wen D Z,et al.Research on nutrient cycle and balance in agricultural eco-system in Chinese typical regions Ⅰ.Parameters of nutrient output in farmland[J]. Chinese Journal of Soil Science,1996,27(4)：145-151

[32]魯如坤,劉鴻翔,聞大中,等.我國(guó)典型地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)和平衡研究Ⅳ——農(nóng)田養(yǎng)分平衡的評(píng)價(jià)方法和原則[J].土壤通報(bào),1996,27(5)：197-199 Lu R K,Liu H X,Wen D Z,et al.Research on nutrient cycle and balance in agricultural eco-system in Chinese typical regions Ⅳ.Evaluation method and principle of nutrition balance of farmland[J].Chinese Journal of Soil Science,1996, 27(5)：197-199

[33]畢軍,黃和平,袁增偉,等.物質(zhì)流分析與管理[M].北京：科學(xué)出版社,2009：210-211 Bi J,Huang H P,Yuan Z W,et al.Material Flow Analysis and Management[M].Beijing：Science Press,2009：210-211

[34]姜甜甜,高如泰,夏訓(xùn)峰,等.北京市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮素養(yǎng)分平衡與負(fù)荷研究——以密云縣和房山區(qū)為例[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2009,28(11)：2428-2435 Jiang T T,Gao R T,Xia X F,et al.Nitrogen nutrient balance and load in agro-ecosystem of Miyun County and FangshanCounty in Beijing[J].Journal of Agro-Environment Science, 2009,28(11)：2428-2435

[35]李書田,金繼運(yùn).中國(guó)不同區(qū)域農(nóng)田養(yǎng)分輸入、輸出與平衡[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2011,44(20)：4207-4229 Li S T,Jin J Y.Characteristics of nutrient input/output and nutrient balance in different regions of China[J].Scientia Agricultura Sinica,2011,44(20)：4207-4229

[36]Aneja V P,Schlesinger W H,Erisman J W.Effects of agriculture upon the air quality and climate：Research,policy, and regulations[J].Environmental Science&Technology, 2009,43(12)：4234-4240

[37]Ma L,Ma W Q,Velthof G L,et al.Modeling nutrient flows in the food chain of China[J].Journal of Environmental Quality, 2010,39(4)：1279-1289

SFA-based analysis of nitrogen effect on agricultural land use systems in Taojiang County,Hunan Province*

YUAN Chengcheng1,LIU Liming1**,FU Yonghu1,YIN Guanyi1,ZHOU De2
(1.College of Resources and Environment,China Agricultural University,Beijing 100193,China; 2.Department of Land Resources Management,Zhejiang Gongshang University,Hangzhou 310018,China)

Since the reform and opening-up was launched in 1978,environmental problems have increased due to unreasonable agricultural land use practices in China.Thus systematic analysis and evaluation of the environmental effects of agricultural land use,detailed understanding of material cycle mechanisms in agricultural systems and the improvement of material utilization efficiency have become a key research focus of land science.Substance flow analysis(SFA)is a systematic method of assessment of material flow and stock in a given system in the fabric of space and time.The SFA method is comprised of 3 parts—the sources,the pathways and the sinks.It characterizes the pathways of substances in,out and through a system and therefore an effective support tool for resources and environmental management.In this paper,an indicator system(including material input indicators,material output indicators,stock indicators,material intensity and efficiency indicators,and environmental health indicators)was established based on the SFA framework for the assessment of regional scale agricultural land use systems.The method was also used to assess material use efficiency and environmental quality inagricultural land use systems.Based on the cause-study analysis of Taojiang County(northern Hunan Province),material flow in the SFA framework in agricultural land use systems included productive input,production output,environmental output and stock.The results indicated that：(1)nitrogen derived from material productive input and environmental input sharply increased during the period from 1980 to 2013.The amounts of nitrogen derived from material productive input and environmental input in 2013 were respectively 1.2 and 0.4 times that in 1980.Productive input was the main source of nitrogen in Taojiang County.(2)Production output increased slowly during the period from 1980 to 2013.However,environmental output in 2013 approximatively doubled that in 1980.(3)There was an increasing trend in nitrogen material input intensity in Taojiang County during the period from 1980 to 2013.Material input intensity of nitrogen in 2013 was 328.4 kg·hm-2, exceeding the critical value of 250.0 kg·hm-2.In addition,material use efficiency of nitrogen decreased gradually during the period.Compared with the average value for Hunan Province,material production efficiency in agricultural land use systems in Taojiang County was lowest in 2013.It was therefore important for the local government to take measures to promote the adjustment process of agricultural structure and improve added value of agricultural products in the region.(4)The stability of the ecosystem and the quality of the environment reduced gradually for the period from 1980 to 2010,however,environmental quality improved during the period during 2010 to 2013.Nitrogen load decreased from 208.8 kg·hm-2in 2010 to 154.1 kg·hm-2in 2013.Although to a certain extent errors existed in the SFA analysis due to data shortage and difficulties in parameterization, the SFA method was a useful tool for the evaluation of material use efficiency and environmental quality in agricultural land use systems.

Substance flow analysis(SFA);Agricultural land use system;Nitrogen cycle;Environmental quality;Material use efficiency

X82;S19

A

1671-3990(2016)10-1371-11

10.13930/j.cnki.cjea.160327

* 國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(41130526)資助

**通訊作者：劉黎明,主要研究土地資源可持續(xù)利用與景觀規(guī)劃。E-mail：liulm@cau.edu.cn

袁承程,主要研究土地利用系統(tǒng)模擬。E-mail：ycc920@126.com

2016-04-07 接受日期：2016-05-06

* This study was support by the National Nature Science Foundation of China(41130526).

**Corresponding author,E-mail：liulm@cau.edu.cn

Received Apr.7,2016;accepted May 6,2016