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

馬林，柏兆海，王選，曹玉博，馬文奇，張福鎖

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

馬林1，柏兆海1，王選1，曹玉博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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193）

中國由于農(nóng)牧分離和不合理的養(yǎng)分管理方式導(dǎo)致了農(nóng)田硝酸鹽淋失、水體富營養(yǎng)化、氨揮發(fā)和溫室氣體排放等環(huán)境問題日益嚴(yán)重。研究中國“土壤-作物-畜牧業(yè)”生產(chǎn)系統(tǒng)（即農(nóng)牧系統(tǒng)）養(yǎng)分流動(dòng)特征，通過優(yōu)化農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分管理，保持養(yǎng)分合理流動(dòng)與循環(huán)，減少各個(gè)環(huán)節(jié)的養(yǎng)分環(huán)境排放，提高系統(tǒng)利用率是農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，也可為“化肥減施”、“有機(jī)肥替代化肥”、“畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用”和“面源污染阻控”等國家行動(dòng)提供科學(xué)依據(jù)。本文對中國農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分投入、利用率和環(huán)境排放等特征、國內(nèi)外農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分管理研究進(jìn)展進(jìn)行了分析，提出中國農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分管理研究重點(diǎn)。目前中國農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分流動(dòng)特征是過渡依賴化肥養(yǎng)分投入提高糧食和飼料產(chǎn)量，進(jìn)而支持集約化畜牧業(yè)發(fā)展；而農(nóng)牧分離的生產(chǎn)方式導(dǎo)致了農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分流動(dòng)效率低，環(huán)境排放高；都市圈及其周邊是排放的熱點(diǎn)區(qū)域。國際研究經(jīng)驗(yàn)表明，農(nóng)牧結(jié)合是可持續(xù)集約化農(nóng)業(yè)的必然出路，農(nóng)牧結(jié)合的核心是通過改善畜禽糞尿管理，減少養(yǎng)分的損失和提高養(yǎng)分在農(nóng)田循環(huán)的比例和數(shù)量。兼顧提高農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)力和保護(hù)環(huán)境的“土壤-作物-畜牧業(yè)”系統(tǒng)養(yǎng)分管理已經(jīng)成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。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(dòng)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(jì)研究。

農(nóng)牧結(jié)合；養(yǎng)分管理；畜禽糞尿循環(huán)利用；輪作；面源污染；氨揮發(fā)；淋溶

過去幾十年，中國為了保障糧食安全，大量化肥投入到集約化農(nóng)田，并最終向環(huán)境排放[1]，造成了面源污染、土壤酸化[2]、大氣氮（N）沉降增加[3]等一系列環(huán)境問題。與此同時(shí)，集約化畜牧業(yè)迅速發(fā)展導(dǎo)致了農(nóng)牧分離問題凸顯，畜禽糞尿養(yǎng)分還田率僅有30%—50%，其余部分損失到環(huán)境中引起水體富營養(yǎng)化和空氣質(zhì)量下降[4-6]。一方面，為了保障作物高產(chǎn)，部分地區(qū)氮磷肥長期過量施用導(dǎo)致了硝酸鹽淋失、水體富營養(yǎng)化、氨揮發(fā)和溫室氣體排放遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他國家和地區(qū)[1,7]；另一方面，在畜產(chǎn)品需求拉動(dòng)下，集約化畜牧業(yè)飛速發(fā)展，單位耕地畜禽養(yǎng)殖數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他國家和地區(qū)，單位耕地畜禽糞尿氮負(fù)荷高達(dá)400 kg N·hm-2，而畜禽糞尿氮還田率還不到一半，成為水體面源污染、氨揮發(fā)和溫室氣體排放的主要來源之一[8-9]。因此，研究中國農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分流動(dòng)特征，通過優(yōu)化農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分管理，保持養(yǎng)分合理流動(dòng)與循環(huán)，減少各個(gè)環(huán)節(jié)的養(yǎng)分環(huán)境排放，提高系統(tǒng)利用率是農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，也可為“化肥減施”、“有機(jī)肥替代化肥”、“畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用”和“面源污染阻控”等國家行動(dòng)提供科學(xué)依據(jù)。

國際上對“土壤-作物-畜牧業(yè)”系統(tǒng)養(yǎng)分管理及其環(huán)境排放的研究十分關(guān)注。聯(lián)合國環(huán)境署出版了《我們的養(yǎng)分世界（Our nutrient world）》的報(bào)告，指出優(yōu)化農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分管理，可以生產(chǎn)更多食物，同時(shí)減少環(huán)境污染，這正成為全球最大的挑戰(zhàn)之一[10]。歐洲和美國分別組織上百位科學(xué)家對氮在“社會-生態(tài)環(huán)境”系統(tǒng)流動(dòng)規(guī)律和綜合效應(yīng)進(jìn)行全面評估[11-12]。歐盟采取多種措施以促進(jìn)“土壤-作物-畜牧業(yè)”系統(tǒng)養(yǎng)分的合理流動(dòng)和循環(huán)，如通過定量監(jiān)測農(nóng)田和農(nóng)場氮磷等養(yǎng)分流動(dòng)和環(huán)境排放，制定化肥和有機(jī)肥管理措施；通過設(shè)置流域尺度生態(tài)脆弱區(qū)，利用農(nóng)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和模型結(jié)合，制定流域養(yǎng)分管理策略；通過硝酸鹽法令及一系列環(huán)境政策，限制國家尺度化肥和有機(jī)肥氮施用（如170 kg N·hm-2有機(jī)肥施用限量）和環(huán)境排放，有效地減少了各成員國氮的環(huán)境排放[13]。實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的關(guān)鍵是通過研究建立農(nóng)田和畜牧業(yè)體系結(jié)合的生產(chǎn)模式[14]，并構(gòu)建指標(biāo)對農(nóng)田、區(qū)域和國家尺度農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分管理行為進(jìn)行定量評價(jià)。因此，兼顧提高農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)力和保護(hù)環(huán)境的“土壤-作物-畜牧業(yè)”系統(tǒng)養(yǎng)分管理已經(jīng)成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)[10]。本文將在分析中國農(nóng)牧業(yè)發(fā)展、農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分流動(dòng)特征和國內(nèi)外研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，提出中國農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分管理的研究重點(diǎn)。

1 中國農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分管理研究意義

1.1 中國農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分投入大量增加，利用率下降

近幾十年，中國糧食安全取得了巨大成功，糧食總產(chǎn)和單產(chǎn)大幅度提高，基本保障了糧食安全。2010年與20世紀(jì)60年代底相比，糧食單產(chǎn)增加了5倍，而化肥消費(fèi)增加了幾十倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于糧食單產(chǎn)的增速（圖1）。20世紀(jì)末中國農(nóng)牧業(yè)開始轉(zhuǎn)型，集約化畜牧業(yè)飛速發(fā)展，畜牧業(yè)增長率是糧食單產(chǎn)的2倍左右（圖1），然而畜禽糞尿管理滯后，養(yǎng)分循環(huán)利用重視不夠[15]。由此可見，依賴化肥養(yǎng)分投入提高糧食和飼料產(chǎn)量，進(jìn)而支持集約化畜牧業(yè)發(fā)展，已成為過去幾十年中國農(nóng)牧業(yè)養(yǎng)分管理的主要方式。

圖1 1961—2010年中國作物單產(chǎn)、畜禽養(yǎng)殖密度與化肥消費(fèi)相對增加數(shù)量（來源：FAO數(shù)據(jù)庫）

BAI等[5]、MA等[16]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(fèi)-環(huán)境）養(yǎng)分流動(dòng)模型（nutrient flows in food chains, environment and resources use，NUFER），實(shí)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(dòng)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（圖2）。Ma等[17]提出了食物系統(tǒng)氮（磷）代價(jià)，其定義為人類消費(fèi)1 kg食物氮（磷），在農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)需要投入的氮（磷）數(shù)量，該指標(biāo)可以作為綜合評價(jià)食物鏈氮磷流動(dòng)的特征。分析表明，1980—2005年中國食物系統(tǒng)氮代價(jià)從6 kg·kg-1增至11 kg·kg-1，食物系統(tǒng)磷代價(jià)從5 kg·kg-1增至13 kg·kg-1。在食物消費(fèi)拉動(dòng)下，2005年人均化肥、飼料、食物氮素消費(fèi)量分別為1980年的2.1、2.2和1.3倍。中國土壤作物系統(tǒng)氮利用率從1980年的32%降至2005年的26%；而畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)的氮利用率增加了一倍；整個(gè)食物鏈系統(tǒng)氮利用率從16%大幅度降至9%。在1980—2005年期間土壤作物系統(tǒng)、農(nóng)牧系統(tǒng)和食物鏈系統(tǒng)磷利用率的變化趨勢與氮基本一致，分別降低了61%、增加了6%和降低了63%?？傊^去幾十年中國食物氮磷代價(jià)增加和農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分利用率降低。

1.2 中國農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分環(huán)境排放快速增加，都市圈及其周邊排放高

中國農(nóng)牧系統(tǒng)的氮磷環(huán)境損失呈快速增加趨勢，1980年土壤作物系統(tǒng)的氮損失為940×104t，而2005年則達(dá)到2 700×104t，增加了近2倍；畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)氮損失增加了近4倍；活化的氮（化肥）與排放到環(huán)境氮量相當(dāng)，食物鏈系統(tǒng)成為活化氮環(huán)境排放的通道。磷損失歷史變化規(guī)律與氮基本一致，1980年畜禽養(yǎng)殖體系基本不存在磷損失，2005年損失量則達(dá)到了210×104t（折純磷，下同）。此外，進(jìn)一步明確了食物鏈各子系統(tǒng)氮磷環(huán)境排放的貢獻(xiàn)，研究發(fā)現(xiàn)土壤-作物系統(tǒng)是食物鏈氮?dú)怏w損失的第一大排放源，占總損失的68%；畜禽養(yǎng)殖體系為第二大排放源，占總損失的27%。對于氮的水體損失而言，土壤-作物系統(tǒng)貢獻(xiàn)率降至56%，但仍為最大排放源；而畜禽養(yǎng)殖的貢獻(xiàn)率增至33%。磷水體損失規(guī)律與氮損失規(guī)律相反，畜禽養(yǎng)殖占總磷水體損失的68%，為最大排放源，其次為土壤-作物體系（占總損失的15%）[17]（圖3）。

圖3 1980年和2005年中國食物鏈和農(nóng)牧系統(tǒng)氮（上圖）和磷（下圖）流動(dòng)變化圖

Bai等[15]針對中國“飼料-糞尿排泄-圈舍-儲藏-加工-施用”整個(gè)鏈條的養(yǎng)分流動(dòng)和環(huán)境損失進(jìn)行了定量分析。結(jié)果表明，2010年中國畜禽糞尿管理鏈條中約78%的糞尿排泄氮，50%左右的磷和鉀排放到環(huán)境中；絕大部分的養(yǎng)分損失是發(fā)生在畜禽圈舍和儲藏環(huán)節(jié)，主要以氨揮發(fā)（占總氮損失的39%）和糞尿直接向水體排放或填埋（占總氮磷鉀損失的30%—73%）的形式損失（圖4）。不同養(yǎng)殖體系及畜禽種類之間的養(yǎng)分流動(dòng)和損失差異很大，規(guī)模化養(yǎng)殖場的糞尿還田利用率最低[15]。

圖4 2010年中國糞尿管理體系氮磷鉀流動(dòng)特征和環(huán)境損失

農(nóng)牧系統(tǒng)氮磷利用率和損失存在較大的空間分異特征，氮磷高環(huán)境排放區(qū)域集中在華北平原、長江三角洲和珠江三角洲等都市圈及其周邊的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)區(qū)，其主要原因是農(nóng)田化肥過量施用和農(nóng)牧系統(tǒng)分離的生產(chǎn)體系導(dǎo)致的大量糞尿養(yǎng)分未被循環(huán)利用[17]。都市化的快速擴(kuò)張正在改變著農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的氮磷養(yǎng)分循環(huán)及其環(huán)境排放[8]。人口增長和人均食品消費(fèi)量增加是中國農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分流動(dòng)加速的主要驅(qū)動(dòng)力，分析表明城鎮(zhèn)人口增加貢獻(xiàn)了城鎮(zhèn)食品消費(fèi)增長的62%—72%，城鎮(zhèn)人口食物結(jié)構(gòu)變化（即動(dòng)物性食品消費(fèi)增加）的貢獻(xiàn)率為20%—30%。該結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了都市圈及其周邊農(nóng)牧業(yè)主產(chǎn)區(qū)是優(yōu)化農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[18]。

1.3 農(nóng)牧分離是中國農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分利用率低的根本原因

中國集約化畜牧業(yè)迅速發(fā)展導(dǎo)致了農(nóng)牧分離問題凸顯，畜禽糞尿作為有機(jī)肥的還田率僅有40%—50%，其余部分損失到環(huán)境中引起水體富營養(yǎng)化和空氣質(zhì)量下降。如何遏制農(nóng)牧分離趨勢，實(shí)現(xiàn)農(nóng)牧/種養(yǎng)結(jié)合已經(jīng)成為解決養(yǎng)分環(huán)境排放和農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題[19]。從“土壤-作物-畜牧-糞污”全鏈條角度分析，1980—2010年中國奶牛養(yǎng)殖系統(tǒng)總氮和總磷環(huán)境排放量迅速增加（圖5）[20]。研究發(fā)現(xiàn)，中國4種主要奶牛養(yǎng)殖體系之間的養(yǎng)分利用率差異顯著，個(gè)體和群體尺度氮利用率：集約化＞養(yǎng)殖小區(qū)＞放牧≈農(nóng)戶散養(yǎng)；如果考慮“土壤-飼料生產(chǎn)-奶牛養(yǎng)殖”系統(tǒng)，氮利用率：農(nóng)戶散養(yǎng)＞放牧＞養(yǎng)殖小區(qū)＞集約化。主要原因是集約化養(yǎng)殖場和養(yǎng)殖小區(qū)更依賴于飼料糧和高品質(zhì)牧草，可以顯著提高奶產(chǎn)量，但是農(nóng)牧分離、畜禽糞尿循環(huán)利用率低導(dǎo)致系統(tǒng)氮利用率低，環(huán)境排放高（圖6）[5]。

圖5 1980—2010年中國奶牛生產(chǎn)體系氮磷環(huán)境排放

中國農(nóng)業(yè)正在由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向集約化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型，由于農(nóng)牧分離的生產(chǎn)方式，也導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境問題（圖7）。Strokal等[21]分析了農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分從陸地向水體和海洋運(yùn)移，揭示了中國農(nóng)牧分離和畜禽糞尿管理不當(dāng)對面源污染和海洋富營養(yǎng)化的影響。研究發(fā)現(xiàn)，1970—2000年間畜牧業(yè)養(yǎng)分環(huán)境排放導(dǎo)致的可溶性氮磷向河流的排放量大幅度增長，增長量達(dá)到了2—45倍（不同區(qū)域有顯著的差別），由于畜禽糞尿排放導(dǎo)致的水體可溶性氮磷量分別占總量的44%和82%。2000年河流向渤海灣排放的養(yǎng)分中，60%—78%來源于畜禽糞尿養(yǎng)分排放[22]?？傊?，農(nóng)牧結(jié)合養(yǎng)分管理是關(guān)鍵，一方面需要優(yōu)化飼料配方的能蛋比和精粗比；更重要的是亟需改善集約化畜牧生產(chǎn)體系的畜禽糞尿管理方式。

圖7 中國由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向集約化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型引起的養(yǎng)分環(huán)境排放改變示意圖

2 國內(nèi)外研究進(jìn)展

2.1 農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分流動(dòng)規(guī)律和環(huán)境排放

農(nóng)場和農(nóng)田養(yǎng)分管理是評價(jià)和降低集約化農(nóng)業(yè)環(huán)境污染的重要工具，成為研究的熱點(diǎn)[23]。歐美等國家的研究多以定量和調(diào)節(jié)養(yǎng)分的輸入與輸出平衡，控制環(huán)境排放為目標(biāo)[24]。國內(nèi)學(xué)者張福鎖教授組織全國養(yǎng)分管理協(xié)作網(wǎng)，深入研究了“養(yǎng)分資源綜合管理”、“土壤-作物體系綜合管理”和“測土配方施肥”的理論與技術(shù)，大量試驗(yàn)研究表明這些技術(shù)可以同時(shí)大幅度提高作物產(chǎn)量和養(yǎng)分利用率[25-26]。如何將農(nóng)業(yè)研究中作物需求規(guī)律、測土排放施肥和農(nóng)田養(yǎng)分管理等研究與化肥工業(yè)的肥料配方設(shè)計(jì)結(jié)合，是未來研究的重點(diǎn)。

畜牧業(yè)養(yǎng)分管理對提高畜產(chǎn)品產(chǎn)量和改善環(huán)境均具有重要意義[14]。同時(shí)也是最為復(fù)雜的，涉及農(nóng)場尺度飼料配方、動(dòng)物營養(yǎng)、飼舍管理、有機(jī)肥儲存、生產(chǎn)和施用等環(huán)節(jié)的管理[27]。發(fā)達(dá)國家對大中型養(yǎng)殖場養(yǎng)分管理研究較多，涉及到動(dòng)物個(gè)體、畜群和農(nóng)場尺度飼料配方、動(dòng)物營養(yǎng)、飼舍管理、有機(jī)肥儲存、生產(chǎn)和施用等環(huán)節(jié)的管理[28-29]。而中國應(yīng)該加強(qiáng)養(yǎng)殖場監(jiān)測與模型研究的結(jié)合，揭示農(nóng)牧系統(tǒng)“土壤-飼料-畜牧業(yè)生產(chǎn)”各環(huán)節(jié)的養(yǎng)分流動(dòng)特征[19]。

歐美等國家的研究多以模型模擬和監(jiān)測定量農(nóng)田和農(nóng)場養(yǎng)分的輸入與輸出平衡，從而控制氮素的環(huán)境排放[25]；非洲國家的研究則是利用農(nóng)牧系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型，分析農(nóng)戶的養(yǎng)分管理與土壤有機(jī)質(zhì)提升、勞動(dòng)力投入和農(nóng)戶收入的權(quán)衡關(guān)系（trade-off analysis）[30-32]，進(jìn)而為農(nóng)戶決策提供科學(xué)依據(jù)。而中國集約化養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展，且大部分養(yǎng)殖場都沒有配套農(nóng)田，研究農(nóng)戶內(nèi)和農(nóng)戶間“土壤-作物-畜牧業(yè)”體系各環(huán)節(jié)養(yǎng)分流動(dòng)的精確定量和農(nóng)牧結(jié)合實(shí)現(xiàn)途徑是未來重點(diǎn)研究的方向[19]。

近年來，國際上利用模型從全球、國家和區(qū)域尺度開展了氮流動(dòng)規(guī)律的研究[33]。農(nóng)學(xué)家的研究關(guān)注如何通過作物、畜禽、農(nóng)場、區(qū)域尺度氮管理，提高氮利用率[7,34-36]；環(huán)境學(xué)家的研究主要關(guān)注活性氮在生態(tài)系統(tǒng)的排放和環(huán)境影響[37-38]；生態(tài)學(xué)家的研究關(guān)注優(yōu)化氮循環(huán)利用，提高其回收利用率[39-40]。然而，目前模型定量方法主要是由上而下（top down）的方法，以國家尺度“作物和畜牧業(yè)”生產(chǎn)體系作為研究對象[16,41-48]，進(jìn)而聚焦到區(qū)域尺度（down-scaling）[8,49-50]。利用“自下而上”的方法，建立農(nóng)場、農(nóng)戶、流域、區(qū)域和國家多尺度農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分管理模型，設(shè)計(jì)未來可持續(xù)農(nóng)牧系統(tǒng)是研究的關(guān)鍵。

2.2 農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分管理與調(diào)控途徑

農(nóng)牧結(jié)合是可持續(xù)集約化農(nóng)業(yè)的必然出路[51]，同時(shí)也是提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和環(huán)境質(zhì)量的主要途徑[52-53]。農(nóng)牧結(jié)合的核心是通過改善畜禽糞尿管理，減少畜禽糞尿養(yǎng)分在“飼舍-儲存-加工-運(yùn)輸-施用”鏈條的損失和提高養(yǎng)分在農(nóng)田循環(huán)的比例和數(shù)量[27]。而農(nóng)牧結(jié)合的方式是多尺度的，包括農(nóng)場內(nèi)、農(nóng)戶間和區(qū)域間等；與之對應(yīng)的農(nóng)牧結(jié)合程度也是不同的[52]。Bonaudo等[54]從生態(tài)學(xué)視角證明了農(nóng)牧結(jié)合可以同時(shí)提高農(nóng)場生產(chǎn)力和減少環(huán)境影響。

歐洲國家、新西蘭和巴西等國家的研究表明，在農(nóng)場內(nèi)的農(nóng)牧結(jié)合和畜禽糞尿優(yōu)化管理可以有效減少農(nóng)場氮素環(huán)境排放，減少環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)[55]。以奶牛為例，歐盟組織了以荷蘭De Marke農(nóng)場為先鋒的試驗(yàn)農(nóng)場網(wǎng)絡(luò)，對農(nóng)場尺度“土壤-玉米-牧草-奶?！毕到y(tǒng)精確氮管理進(jìn)行定量研究。De Marke農(nóng)場與傳統(tǒng)農(nóng)場相比，氮素總投入減少50%，牛奶和肉產(chǎn)量保持不變，氮素利用率提高一倍[56-57]。而對于養(yǎng)殖規(guī)模大和集約化程度高的美國玉米帶，則通過玉米種植戶和養(yǎng)殖場簽訂合同的方式實(shí)現(xiàn)農(nóng)場間的農(nóng)牧結(jié)合，從而提高氮素在農(nóng)場間的循環(huán)[58]。在歐盟，對于養(yǎng)殖密度特別高的區(qū)域（例如荷蘭和丹麥），需要通過將畜禽糞尿加工成商品有機(jī)肥出售到周邊區(qū)域，實(shí)現(xiàn)區(qū)域間農(nóng)牧結(jié)合[59]。而中國目前以農(nóng)牧分離的生產(chǎn)方式為主，亟需研究制約農(nóng)牧結(jié)合的影響因素、養(yǎng)分循環(huán)利用和環(huán)境減排的技術(shù)途徑。

3 中國開展農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分管理研究的重點(diǎn)

近年來，中國正處于社會發(fā)展轉(zhuǎn)折點(diǎn)，即由“傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)社會”向“現(xiàn)代化工業(yè)社會”的重要轉(zhuǎn)型期，其主要表現(xiàn)在：（1）農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式由傳統(tǒng)的小農(nóng)戶向家庭農(nóng)場、專業(yè)生產(chǎn)大戶和專業(yè)合作社轉(zhuǎn)變；（2）農(nóng)業(yè)政策和補(bǔ)貼方向由單一的追求糧食安全，向供給側(cè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和生態(tài)環(huán)境保護(hù)轉(zhuǎn)變。2013—2015年，中央一號文件連續(xù)提出了鼓勵(lì)土地流轉(zhuǎn)、發(fā)展家庭農(nóng)（牧）場和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、集約化和專業(yè)化的方向；2016年和2017年，中央更是提出了促進(jìn)農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革、2020年化肥零增長和畜禽廢棄物資源化的目標(biāo)。圍繞國家需求，立足國際前沿，這也為農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分管理研究提出了新的挑戰(zhàn)。在農(nóng)田、農(nóng)戶、區(qū)域和國家等不同尺度，應(yīng)對以下幾方面進(jìn)行重點(diǎn)研究：（1）通過建立“土壤-作物-畜牧”系統(tǒng)養(yǎng)分流動(dòng)監(jiān)測網(wǎng)，定量研究中國典型農(nóng)作系統(tǒng)“土壤-作物-畜牧”系統(tǒng)養(yǎng)分流動(dòng)、循環(huán)和轉(zhuǎn)移規(guī)律，養(yǎng)分利用率和環(huán)境效應(yīng)；（2）通過設(shè)置不同農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)和作物類型的聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)，研究有機(jī)肥替代化肥機(jī)理與調(diào)控途徑；（3）研發(fā)不同規(guī)模和類型養(yǎng)殖場畜禽糞尿“飼養(yǎng)-畜舍-儲藏-加工-施用”全鏈條養(yǎng)分循環(huán)利用機(jī)理和減排技術(shù)；（4）利用模型，研究基于農(nóng)牧結(jié)合養(yǎng)分管理的農(nóng)場內(nèi)、區(qū)域內(nèi)和區(qū)域間高產(chǎn)高效“土壤-作物-畜牧”系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

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（責(zé)任編輯 岳梅）

Significance and research priority of nutrient management in soil-crop-animal production system in China

MA Lin1, BAI ZhaoHai1, WANG Xuan1, CAO YuBo1, 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)

With a rapid development and decoupling between crop and animal production, China already faces serious groundwater pollution by nitrate leaching, eutrophication of surface waters, as well as air quality degradation caused by over-fertilization and manure discharge. It is important to (1) quantify nutrient flows in “soil-crop-livestock” production system, (2) optimize nutrient flows and recycling by coupling crop and livestock systems, and (3) mitigate nutrient losses and improve nutrient use efficiency. These studies provide a scientific basis for national action (e.g. reduction of chemical fertilizer application, replacement of chemical fertilizer by manure, resource utilization of livestock waste and mitigation of non-point source pollutions). The objectives of this study are to review the published studies on nutrient management in crop and animal production, analyze the characters of nutrient inputs, use efficiencies and losses of crop and animal production in China in the past decades, and to prospect research priority of nutrient management in soil-crop-animal production systems in China. For increasing productivities of grain, overuse of chemical fertilizer is common, lack of manure recycling. The biggest challenge facing China today is de-coupling crop and animal production. The nutrient use efficiency of crop and animal production decreased and nutrient losses increased dramatically in the past decades in China. The highest emissions are estimated in or around big metropolitans. Coupling crop and animal production is the main solution of sustainable intensive agriculture. According to the international research experiences, research should focus on improving manure management, mitigation of nutrient losses and increasing nutrients recycling rate of agricultural wastes. The integrated nutrient management of the soil-crop-animal production systems has become the focus of global concern. Key research topics of nutrient management in crop and animal production include (1) quantifying nutrient flows and environmental impacts of ‘soil-crop-animal’ production systems, (2) strategies of chemical fertilizer replacement by manure, (3) mitigation options of manure management from ‘feeding-housing-storage-treatment-application’ chain, and (4) farming system design for achieving high productivities and nutrient use efficiencies in crop and animal production.

integrated crop and animal production; nutrient management; manure recycling; rotation; non-point source pollution; ammonia emission; leaching

2017-07-31；

2017-10-23

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFD0800106）、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（31572210）、中國科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目、中國科學(xué)院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃（STS計(jì)劃）、河北省杰出青年基金項(xiàng)目（D2017503023）、中國科學(xué)院百人計(jì)劃項(xiàng)目

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