農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分管理

馬林，馬文奇，張福鎖

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農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分管理

馬林1，馬文奇2，張福鎖3

（1中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點實驗室/中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點實驗室， 石家莊 050021；2河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北 保定 071001；3中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/植物-土壤相互作用教育部重點實驗室，北京 100193）

中國農(nóng)田養(yǎng)分資源管理和高產(chǎn)高效理論與技術(shù)取得了重要突破。在玉米-小麥輪作體系，產(chǎn)量和養(yǎng)分利用率可同步提高15%—30%[1]，顯示育種、栽培、養(yǎng)分管理等綜合集成技術(shù)增產(chǎn)增效潛力巨大。但該體系著重考慮了化肥養(yǎng)分的高效利用，對糧田有機(jī)肥的施用考慮較少，更是忽略了牧草養(yǎng)分管理研究。與此同時，種植業(yè)生產(chǎn)與畜牧業(yè)生產(chǎn)如何匹配、如何提高農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分利用效率、農(nóng)牧系統(tǒng)氨揮發(fā)減排技術(shù)等研究常被忽視。因此，開展農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分管理研究，系統(tǒng)梳理農(nóng)牧系統(tǒng)面源污染控制政策成為我國農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

本?？M織了全國農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分管理協(xié)作網(wǎng)（科研院所10多家）的專家撰寫研究論文15篇，從以下3個方面報道了我國農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分高效利用方面的主要研究結(jié)果。

1 中國農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分管理研究的意義與重點

在本?？_篇綜述“中國農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分管理研究的意義與重點”中，馬林等[2]對中國農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分投入、利用率和環(huán)境排放等特征進(jìn)行分析，結(jié)合國內(nèi)外農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分管理研究進(jìn)展，提出了中國農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分管理研究重點。目前中國糧食和飼料產(chǎn)量的提高過度依賴化肥養(yǎng)分投入，而集約化發(fā)展的畜牧業(yè)廢棄物資源化利用有限，顯現(xiàn)出農(nóng)牧分離的生產(chǎn)特征。這導(dǎo)致農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分流動效率低、環(huán)境排放高；都市圈及其周邊更是排放的熱點區(qū)域。國際研究經(jīng)驗表明，農(nóng)牧結(jié)合是可持續(xù)集約化農(nóng)業(yè)發(fā)展的必由之路。農(nóng)牧結(jié)合的核心目的是通過改善畜禽糞尿管理，減少養(yǎng)分損失并提高其進(jìn)入農(nóng)田循環(huán)的比例和數(shù)量。未來，中國農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分管理研究應(yīng)包括：（1）典型農(nóng)作系統(tǒng)“土壤-作物-畜牧”系統(tǒng)養(yǎng)分流動規(guī)律和環(huán)境效應(yīng)的定量研究；（2）有機(jī)肥替代化肥機(jī)理與調(diào)控途徑研究；（3）畜禽糞尿養(yǎng)分循環(huán)利用機(jī)理和減排技術(shù)研究；（4）高產(chǎn)高效“土壤-作物-畜牧”系統(tǒng)設(shè)計研究。

2 不同區(qū)域農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分流動特征

Ma等[3-4]建立了食物鏈和農(nóng)牧系統(tǒng)（土壤-作物生產(chǎn)-畜牧生產(chǎn)-食品加工-家庭消費-環(huán)境）養(yǎng)分流動模型（NUFER），實現(xiàn)了國家和區(qū)域尺度上，從食物鏈和農(nóng)牧系統(tǒng)角度對氮磷平衡、環(huán)境排放、利用率及流動規(guī)律進(jìn)行定量分析。模型可以模擬國家和區(qū)域尺度上食物鏈和農(nóng)牧系統(tǒng)NH3、N2、N2O揮發(fā)，氮磷養(yǎng)分淋溶、徑流和侵蝕等環(huán)境損失。在本?？?，利用NUFER模型，系統(tǒng)分析了東北地區(qū)、北京、河北、山西、重慶、云南等不同地區(qū)農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分流動特征。

東北地區(qū)是中國重要的商品糧基地及畜牧產(chǎn)品生產(chǎn)地。張曉萌等[5]分析表明，1984—2014年東北地區(qū)農(nóng)牧系統(tǒng)氮磷養(yǎng)分投入大幅增加，不同省域間表現(xiàn)出明顯差異。黑龍江地區(qū)的氮磷養(yǎng)分可利用總量均最高，而氮磷養(yǎng)分的循環(huán)再利用效率則表現(xiàn)為吉林地區(qū)最高。東北地區(qū)農(nóng)牧結(jié)合系統(tǒng)中，黑龍江地區(qū)氮素利用率高于其他地區(qū)，遼寧地區(qū)的磷素利用率高于吉林和黑龍江地區(qū)。吉林和遼寧地區(qū)的氮磷養(yǎng)分損失率分別高于其他地區(qū)。因此，要實現(xiàn)東北地區(qū)農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展，需要針對不同地區(qū)的養(yǎng)分流動特征提出農(nóng)牧管理方面合理化建議。

以北京市為例，魏莎等[6]分析了都市圈“土壤-飼料-動物”系統(tǒng)養(yǎng)分流動與環(huán)境效應(yīng)。1980—2013年間，北京市“土壤-飼料-動物”系統(tǒng)氮磷流動特征伴隨城市化進(jìn)程和地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)生了很大變化。這些變化與種養(yǎng)結(jié)構(gòu)的變化、養(yǎng)殖規(guī)模和方式以及環(huán)保政策密切相關(guān)。

佟丙辛等[7]以華北平原典型地區(qū)河北省為例，分析農(nóng)牧體系氮素循環(huán)利用效率和農(nóng)牧業(yè)結(jié)合的程度，探討農(nóng)牧體系氮素的優(yōu)化管理途徑。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)。在該地區(qū)，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，降低因“農(nóng)牧分離”造成的“高投入-低效率”代價，促進(jìn)農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

張建杰等[8]對山西省農(nóng)牧交錯帶農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)的氮素流動特征及其環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理、“農(nóng)牧分離”是造成農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)氮素利用率低下的主要原因。農(nóng)田養(yǎng)分資源綜合管理要在空間上合理配置氮素資源，在養(yǎng)分投入上既要考慮化學(xué)氮肥和糞尿氮素的投入，也要兼顧來源于環(huán)境的氮素投入，更要注重和畜牧生產(chǎn)系統(tǒng)的耦合，以最小的環(huán)境代價生產(chǎn)更多的農(nóng)牧產(chǎn)品。

陳軒敬等[9]針對位于三峽庫區(qū)腹心的重慶地區(qū)近年來農(nóng)牧生產(chǎn)發(fā)展中的不合理氮素管理導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)面源污染加劇問題，通過評價重慶地區(qū)農(nóng)牧系統(tǒng)的氮素流動特征，明確了氮素的主要損失途徑及驅(qū)動因素。在近20年中，重慶市農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)氮素流動特征發(fā)生了很大變化，氮素輸入強(qiáng)度和環(huán)境損失在不斷增加，而農(nóng)牧生產(chǎn)結(jié)構(gòu)改變是其變化的主要驅(qū)動力。在重慶未來農(nóng)牧生產(chǎn)中，減少畜禽生產(chǎn)系統(tǒng)氮素的直接排放，加大畜禽糞尿和秸稈循環(huán)利用力度，優(yōu)化作物生產(chǎn)系統(tǒng)氮素管理措施和提高氮素利用效率，是實現(xiàn)農(nóng)牧生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的平衡發(fā)展的有效措施。

李曉琳等[10]研究云南省農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)的氮素流動途徑并評價其環(huán)境效應(yīng)。認(rèn)為云南省傳統(tǒng)施肥方式導(dǎo)致施肥過量，大量肥料通過氨揮發(fā)的方式排入大氣中，動物養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的糞尿中氮素通過徑流、淋溶進(jìn)入水體，造成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)濟(jì)效益的降低、環(huán)境污染。從空間格局上看，大理、昆明、紅河的氮素?fù)p失較高。今后亟需改進(jìn)化肥施用方式，提高化肥利用率，改進(jìn)畜牧業(yè)養(yǎng)殖模式，提高糞尿有機(jī)還田的數(shù)量。針對主要區(qū)域重點治理，采用因地制宜的農(nóng)牧體系氮素優(yōu)化管理技術(shù)、增加糞尿養(yǎng)分循環(huán)和提高氮養(yǎng)分效率，減少氮素向大氣和水體中的排放數(shù)量，從而實現(xiàn)農(nóng)牧體系氮素的合理循環(huán)。

馬怡斐等[11]以河北省欒城區(qū)為例，分析了1985—2014年其農(nóng)牧系統(tǒng)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分流動和損失時空變化特征。受城鎮(zhèn)化驅(qū)動，欒城區(qū)農(nóng)牧系統(tǒng)發(fā)生快速改變，逐漸向城郊型農(nóng)牧生產(chǎn)體系過渡。2014年蔬菜水果播種面積占比為25%，畜牧業(yè)養(yǎng)殖密度達(dá)到18 LU/hm2，是典型的高環(huán)境負(fù)荷的城郊型農(nóng)牧生產(chǎn)體系。經(jīng)過近30年發(fā)展，畜牧業(yè)已經(jīng)成為欒城農(nóng)牧體系外源氮投入和主產(chǎn)品氮輸出的主體。農(nóng)牧系統(tǒng)氮磷利用率和損失受農(nóng)牧體系結(jié)構(gòu)和結(jié)合程度影響較大，1985年至2014年期間農(nóng)牧系統(tǒng)氮磷利用率分別降低12%和40%，而平均單位農(nóng)牧產(chǎn)品氮磷損失分別增加72%和5.8倍。

總之，不同地區(qū)的農(nóng)牧產(chǎn)業(yè)特征使得各地區(qū)農(nóng)牧體系養(yǎng)分流動特征呈現(xiàn)不同特點。但總體上，農(nóng)牧分離是形成系統(tǒng)氮磷利用率不高的重要原因。各地區(qū)在制定農(nóng)牧業(yè)發(fā)展策略時，需要統(tǒng)籌考慮綜合發(fā)展。

3 農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分高效利用實現(xiàn)途徑

在國家大力推進(jìn)“糧轉(zhuǎn)飼”和種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)改的背景下，魏志標(biāo)等[12]利用文獻(xiàn)整合分析的方法對苜蓿、黑麥草和燕麥草這3種栽培牧草的產(chǎn)量潛力及影響因素進(jìn)行了研究，以期為揭示未來牧草生產(chǎn)潛力和制定牧草高產(chǎn)高效措施提供科學(xué)依據(jù)。分析發(fā)現(xiàn)，中國栽培苜蓿、黑麥草和燕麥草有很大增產(chǎn)空間，增產(chǎn)潛力分別為17、10和13 t·hm-2。合理施肥、播種和灌溉可以縮小產(chǎn)量差，優(yōu)化施肥量可以使苜蓿、黑麥草和燕麥草分別增產(chǎn)約3.4、1.5和4.2 t·hm-2。優(yōu)化播種量可以使苜蓿增產(chǎn)60%，燕麥草增產(chǎn)78%；但僅優(yōu)化播種量并不能使黑麥草增產(chǎn)。優(yōu)化灌溉量可以使苜蓿增產(chǎn)約9.1 t·hm-2。

中國畜牧業(yè)快速發(fā)展，對牧草需求日益增加，種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)改已成為必然趨勢。魏志標(biāo)等分別建立了中國主要天然牧草[13]和栽培牧草[14]氮磷養(yǎng)分輸入（輸出）數(shù)據(jù)庫，利用NUFER模型定量主要牧草的氮磷平衡賬戶、利用率和環(huán)境排放特征。

全國栽培苜蓿、黑麥草和燕麥草草地的氮磷輸入（輸出）量差異較大。苜蓿獲取氮素的重要途徑是生物固氮，田間管理需減少氮肥投入；燕麥和黑麥草需要通過化肥獲取所需養(yǎng)分。3種栽培牧草的氮利用率均高于60%，磷利用率相對較低。黑麥草草地氮呈虧缺態(tài)，需增施氮肥。不同區(qū)域氮磷利用率、環(huán)境排放量和草地土壤氮磷累積量差異較大。

全國天然草地的氮和磷輸入量較小，約50%的氮素通過氮沉降輸入系統(tǒng)，約90%的磷素通過畜禽糞尿磷輸入系統(tǒng)。2013年全國天然草地土壤氮和磷呈虧缺狀態(tài)，養(yǎng)分利用率高于100%，當(dāng)前草地系統(tǒng)不可持續(xù)，應(yīng)注意補(bǔ)施氮磷養(yǎng)分。2013年全國天然草地單位面積氮和磷的環(huán)境損失量較小，西南地區(qū)天然草地的氮和磷環(huán)境損失量大于其他區(qū)域。各區(qū)域天然草地氮和磷流動特征差異較大。

苜蓿是優(yōu)質(zhì)牧草，甘肅是中國傳統(tǒng)的苜蓿種植區(qū)。劉松等[15]以甘肅省為例，評估了苜蓿不同種植模式的碳足跡。減施氮肥和降低氮肥生產(chǎn)過程中的溫室氣體排放均可降低甘肅省苜蓿生產(chǎn)的碳足跡；無機(jī)有機(jī)肥混施可以降低SFNI（施肥不灌溉）和SFRI（施肥+河水灌溉）模式的碳足跡，但同等施氮水平下，無機(jī)有機(jī)肥混施短期內(nèi)會降低產(chǎn)量，因此，在保證一定產(chǎn)量并降低溫室氣體排放量的目標(biāo)下，有機(jī)肥和化肥混施的最佳比例及實際減排潛力仍需通過長期田間試驗進(jìn)一步驗證；節(jié)水灌溉是SFWI（施肥+井水灌溉）模式的主要減排措施，但節(jié)水灌溉所能帶來的綜合減排潛力仍需針對具體區(qū)域的田間節(jié)水試驗和額外耗材帶來的溫室氣體排放進(jìn)一步評估。

農(nóng)牧系統(tǒng)氨揮發(fā)是大氣氨排放的主要源，是中國近來空氣質(zhì)量惡化的主要因素之一。農(nóng)田化肥施用和畜牧業(yè)“飼養(yǎng)-飼舍-儲藏-處理-施用”各環(huán)節(jié)的氨揮發(fā)減排研究一直是農(nóng)業(yè)和環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點。過去十多年，歐美國家對于農(nóng)牧系統(tǒng)氨減排開展了大量研究，而中國的氨減排技術(shù)研究主要針對農(nóng)田施肥環(huán)節(jié)，缺乏畜禽養(yǎng)殖和糞便管理環(huán)節(jié)氨揮發(fā)減排理論與技術(shù)研究。曹玉博等[16]綜述了國內(nèi)外關(guān)于農(nóng)牧系統(tǒng)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)主要氨揮發(fā)減排技術(shù)的減排機(jī)理、實施效果和適用范圍等，并對今后中國農(nóng)牧系統(tǒng)氨揮發(fā)減排技術(shù)研究的主要方向和重點進(jìn)行了展望。

磷是動物必需的礦物質(zhì)元素之一，在動物生長、發(fā)育和生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。但是，動物生產(chǎn)中磷利用效率通常較低，大量未被利用的磷隨糞尿排出體外，在環(huán)境中富集，導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化。飼料磷水平、磷酸鹽的添加量與磷利用效率及糞尿磷排放量密切相關(guān)。郭勇慶等[17]研究了中國飼料磷水平及磷酸鹽應(yīng)用現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)中國飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)推薦的奶牛、產(chǎn)蛋雞、肉仔雞后期和肉鴨的磷需要量高于美國飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)，企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)蛋雞、小豬和大豬飼料中非植酸磷需要量高于中國和美國飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)，盡管飼料中磷酸鹽的添加量較10年前有所降低。建議根據(jù)中國畜禽品種和飼料特點，開展磷需要量相關(guān)研究，修改畜禽磷需要量推薦標(biāo)準(zhǔn)，同時采用低磷日糧、高利用率磷酸鈣鹽和添加植酸酶等綜合調(diào)控措施來提高飼料磷的利用效率，降低糞尿磷對環(huán)境的污染。

在全面回顧20世紀(jì)70年代以來中國在農(nóng)業(yè)面源污染治理領(lǐng)域相關(guān)政策的基礎(chǔ)上，金書秦等[18]綜合運用政策文本分析、實地調(diào)研、文獻(xiàn)歸納等方法，對當(dāng)前治理農(nóng)業(yè)面源污染的主要政策逐一進(jìn)行了評估。從長期看，防治農(nóng)業(yè)面源污染要做好打持久戰(zhàn)的預(yù)期和行動準(zhǔn)備，要完善監(jiān)測體系，摸清家底，避免急于求成。應(yīng)強(qiáng)化已有政策的落實，避免重形式、輕內(nèi)容，重出臺、輕落實。投入端主要是源頭減量，要加強(qiáng)投入品的供給側(cè)管理，產(chǎn)后端主要是資源化利用，提供更加適合當(dāng)?shù)氐募夹g(shù)手段，政策手段則要疏堵結(jié)合，以疏為主。加大針對農(nóng)業(yè)面源污染防治的財政投入，應(yīng)與其排放占比相匹配。

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（責(zé)任編輯 岳梅）

Nutrient Management in Soil-Crop-Animal Production System

MA Lin1, MA WenQi2, ZHANG FuSuo3

(1Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences/Hebei Key Laboratory of Water-Saving Agriculture/Key Laboratory of Agricultural Water Resources, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang 050021;2College of Resources and Environmental Sciences, Agricultural University of Hebei, Baoding 071001, Hebei;3College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University/Key Laboratory of Plant-Soil Interactions, Ministry of Education, Beijing 100193)

國家重點研發(fā)計劃（2016YFD0800106）、國家自然科學(xué)基金面上項目（31572210）、河北省杰出青年基金（D2017503023）、中國科學(xué)院百人計劃項目

馬林，Tel：0311-85810877；E-mail：malin1979@sjziam.ac.cn