都市圈“土壤-飼料-動(dòng)物”系統(tǒng)養(yǎng)分流動(dòng)與環(huán)境效應(yīng)——以北京市為例

魏莎，柏兆海，吳迪梅，夏立江，江榮風(fēng)，馬林

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都市圈“土壤-飼料-動(dòng)物”系統(tǒng)養(yǎng)分流動(dòng)與環(huán)境效應(yīng)——以北京市為例

魏莎1,2，柏兆海2，吳迪梅3，夏立江1，江榮風(fēng)1，馬林2

（1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；2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；3北京市畜牧業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，北京 100083）

【目的】隨著中國城市化進(jìn)程的加快和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)食品的需求和飲食結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化。城郊農(nóng)牧生產(chǎn)的集約化發(fā)展在滿足人們?nèi)找嬖鲩L的對(duì)動(dòng)物性產(chǎn)品和高品質(zhì)植物性產(chǎn)品需求的同時(shí)，也帶來了嚴(yán)重的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染問題。論文通過分析都市圈“土壤-飼料-動(dòng)物”體系養(yǎng)分流動(dòng)和環(huán)境排放特征，為養(yǎng)分資源綜合管理、促進(jìn)農(nóng)牧結(jié)合和保護(hù)生態(tài)環(huán)境等提供科學(xué)建議?！痉椒ā客ㄟ^對(duì)北京市生豬（92個(gè)）、奶牛（28個(gè)）、肉牛（11個(gè)）、蛋雞（27個(gè)）、肉雞（26個(gè)）和肉鴨（16）共計(jì)200個(gè)農(nóng)場(chǎng)的生產(chǎn)管理、飼料來源和投入、糞尿管理、還田利用的調(diào)研，總結(jié)出北京市農(nóng)牧生產(chǎn)不同規(guī)模體系的特征參數(shù)，結(jié)合食物鏈養(yǎng)分流動(dòng)模型（nutrient flows in food chains, environment and resources，NUFER）、北京市歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)參數(shù)數(shù)據(jù)對(duì)北京市都市圈農(nóng)牧系統(tǒng)的氮磷流動(dòng)、養(yǎng)分利用率和環(huán)境損失進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。對(duì)1980年與2013年農(nóng)牧生產(chǎn)體系養(yǎng)分流動(dòng)特征、利用率和環(huán)境排放特征的時(shí)空變化進(jìn)行比較分析?！窘Y(jié)果】從“土壤-飼料-動(dòng)物”體系氮磷流動(dòng)特征分析結(jié)果可以看出，體系中氮磷的投入和輸出結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變化。2013年，“土壤-飼料-動(dòng)物”體系中進(jìn)口主產(chǎn)物飼料氮磷投入是主要的養(yǎng)分來源，而1980年進(jìn)口副產(chǎn)品飼料是主要的氮磷投入源。2013年氮磷損失為主要的輸出項(xiàng)，而1980年氮磷還田為主要的輸出項(xiàng)。這就說明隨著城市化的發(fā)展和農(nóng)牧系統(tǒng)的規(guī)?；絹碓蕉嗟耐鈦眇B(yǎng)分在都市農(nóng)牧系統(tǒng)中集中，從而帶來了更大比例的環(huán)境損失輸出。2013年，農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮素利用率NUEC+A為29.0%，與1980年相似。其中2013年農(nóng)牧生產(chǎn)體系中的作物生產(chǎn)體系氮素養(yǎng)分利用率NUEC為33.0%，低于1980年的39.5%，而2013年動(dòng)物生產(chǎn)體系NUEA為20.6%，高于1980年的17.8%。環(huán)境損失特征分析結(jié)果顯示，單位面積氮磷損失和損失途徑均發(fā)生了較大變化。2013年，每公頃耕地面積氮素和磷素總損失分別為436.5和37.5 kg·hm-2，而1980年的氮素和磷素?fù)p失分別為77.5和3.2 kg·hm-2，2013年單位耕地面積的氮素和磷素?fù)p失量較1980年分別增加了4.6倍和10.7倍。2013年氮素氣體損失占氮素總損失的比例最大，為61.1%，其次為直接排放，為31.3%，淋溶徑流損失比例最小，為7.6%。與1980年相比，氣體損失比例明顯降低，而無序排放比例明顯增加，超過淋溶徑流成為第二大損失途徑。2013年磷素直接排放損失比例超過淋溶徑流成為最主要的排放途徑。同時(shí)，北京市“土壤-飼料-動(dòng)物”體系環(huán)境氮磷損失在城郊區(qū)域迅速增加，而在城市中心區(qū)域迅速減少?！窘Y(jié)論】1980—2013年間，北京市“土壤-飼料-動(dòng)物”系統(tǒng)氮磷流動(dòng)特征和環(huán)境排放時(shí)空分布發(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)。

“土壤-飼料-動(dòng)物”系統(tǒng)；養(yǎng)分利用率；氮損失；磷損失；NUFER模型

0 引言

【研究意義】隨著都市化和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，為滿足不斷增長的食品需求，動(dòng)植物產(chǎn)品需求不斷增加，隨之帶來了化肥使用量和畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)規(guī)?；潭鹊目焖僭鲩L[1-2]。但是，近30年來，由于種植業(yè)中的化肥使用不當(dāng)和養(yǎng)殖業(yè)中農(nóng)場(chǎng)管理粗放，以及隨著規(guī)?；潭鹊脑黾訋淼霓r(nóng)牧生產(chǎn)體系的分離，造成人為氮磷的嚴(yán)重?fù)p失[3-6]?；屎蛣?dòng)物糞尿中的氮通過氨（NH3）、一氧化二氮（N2O）和氮氧化物（NOX）向大氣中排放，并且通過可溶形式的硝酸鹽向水體淋溶。這些排放造成溫室效應(yīng)、生態(tài)系統(tǒng)富營養(yǎng)化、酸化和生物多樣性喪失[7-10]。城市化過程中更多的是改變周邊農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的生物化學(xué)過程[11-12]。城市和城郊地區(qū)的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)將越來越多營養(yǎng)物質(zhì)集中到城市區(qū)域，以維持食物消費(fèi)的營養(yǎng)需求。因此，分析都市圈農(nóng)牧生產(chǎn)體系的養(yǎng)分流動(dòng)和環(huán)境排放特征，對(duì)可持續(xù)的氮磷資源管理，確保糧食安全以及改善環(huán)境質(zhì)量具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】國外發(fā)達(dá)國家較早實(shí)現(xiàn)了農(nóng)牧系統(tǒng)的規(guī)模化，其對(duì)農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)和環(huán)境排放的研究起步也較早。在大量實(shí)驗(yàn)和調(diào)研的基礎(chǔ)上，采用物質(zhì)流的方法建立了IMAGE、MITERRA、IDEAg、INTEGRATOR等模型，用于對(duì)農(nóng)牧系統(tǒng)物質(zhì)流動(dòng)和環(huán)境排放進(jìn)行評(píng)價(jià)[13-16]。中國對(duì)于農(nóng)牧生產(chǎn)體系養(yǎng)分流動(dòng)的研究開始較晚，同樣采用了物質(zhì)流的方法。劉曉利和許俊香對(duì)中國農(nóng)牧體系中氮磷流動(dòng)狀況進(jìn)行了研究，建立了中國營養(yǎng)體系養(yǎng)分流動(dòng)框架[17-18]。WANG等在全國尺度上分析了畜牧業(yè)動(dòng)物產(chǎn)品和糞尿氮磷輸入輸出情況，但缺乏對(duì)畜牧業(yè)生產(chǎn)全鏈條的養(yǎng)分流動(dòng)和損失特征分析[19-20]。MA等建立了食物鏈養(yǎng)分流動(dòng)模型（NUFER模型），闡明了養(yǎng)分在農(nóng)田、畜牧、食品加工和消費(fèi)過程中的利用率和損失情況，為評(píng)價(jià)農(nóng)牧生產(chǎn)體系的養(yǎng)分流動(dòng)提供了更為完善的方法[21-22]。隨后，柏兆海在NUFER模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步探討了動(dòng)物養(yǎng)殖體系的養(yǎng)分流動(dòng)特征，對(duì)不同動(dòng)物不同生產(chǎn)系統(tǒng)的養(yǎng)分利用和損失進(jìn)行了深入的研究[9,23]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】已有的研究表明，在全國尺度上，單位耕地面積的氮磷排放量較高的區(qū)域主要集中在大城市周邊且城市化的擴(kuò)展對(duì)氮磷流動(dòng)具有顯著影響[22]，然而現(xiàn)階段尚缺乏基于都市農(nóng)牧生產(chǎn)體系實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行的養(yǎng)分利用特征和環(huán)境損失研究?！緮M解決的關(guān)鍵問題】應(yīng)用物質(zhì)流動(dòng)分析法，采用NUFER模型和農(nóng)場(chǎng)調(diào)研相結(jié)合的方式定量北京市1980—2013年“土壤-飼料-動(dòng)物”生產(chǎn)體系氮磷流動(dòng)、利用率和環(huán)境排放的時(shí)空變化特征，為探索都市圈農(nóng)牧生產(chǎn)體系養(yǎng)分利用率和減排潛力提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

北京為中國首都（北緯39°28′—41°5′，東經(jīng)115°25′—117°30′），總面積1.68×104km2。郊區(qū)土地總面積為1.52×104km2，其中耕地2 209 km2。郊區(qū)耕地面積占北京市總耕地面積的95%。北京市人均耕地面積0.01 hm2/人，顯著低于華北地區(qū)人均耕地面積（0.093 hm2/人）和全國平均水平（0.18 hm2/人），耕地資源明顯不足[24]。畜禽養(yǎng)殖頭數(shù)從1980年的242.2萬頭當(dāng)量豬增加到2013年的778.7萬頭當(dāng)量豬[24-25]（30只蛋雞=1頭豬，60只肉雞=1頭豬，1頭奶牛=10頭豬，1頭肉牛=5頭豬，3頭羊=1頭豬）。

1.2 系統(tǒng)邊界和NUFER模型介紹

NUFER模型是中國國家和區(qū)域尺度食物鏈系統(tǒng)氮磷流動(dòng)模型，模型以“土壤-作物生產(chǎn)-畜禽生產(chǎn)-家庭消費(fèi)”為系統(tǒng)邊界，對(duì)系統(tǒng)中氮磷流動(dòng)特征、利用率、氣體損失、氮磷淋溶徑流損失進(jìn)行評(píng)價(jià)分析[21]。本研究以北京都市圈“土壤-飼料-動(dòng)物”生產(chǎn)系統(tǒng)為研究邊界，研究區(qū)域涉及14個(gè)區(qū)縣。

本研究利用NUFER模型分析北京農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮磷養(yǎng)分流動(dòng)、利用率和環(huán)境損失情況，包括6種動(dòng)物養(yǎng)殖類型（生豬、奶牛、肉牛、蛋雞、肉雞和肉鴨）及其與之相關(guān)的飼料生產(chǎn)、糞尿處理和還田利用等環(huán)節(jié)養(yǎng)分輸入輸出平衡。系統(tǒng)邊界和養(yǎng)分流動(dòng)如圖1所示。

圖1 “土壤-飼料-動(dòng)物”系統(tǒng)邊界和養(yǎng)分流動(dòng)圖

1.3 計(jì)算方法

采用NUFER模型[21]對(duì)農(nóng)牧生產(chǎn)體系的投入、產(chǎn)出和損失進(jìn)行計(jì)算。

1.3.1 農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)氮磷流動(dòng)計(jì)算方法

N(P)IC=N(P)IFer+N(P)ISR+N(P)IMR+N(P)IBNF+

N(P)Idep（1）

N(P)ISR=N(P)YStraw×RSR（2）

N(P)IMR=Numlivestock×N(P)manure×RMR（3）

式中，N(P)IC表示農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)氮磷輸入量，N(P)IFer表示化學(xué)氮磷肥投入量，N(P)ISR表示作物秸稈還田量，N(P)IMR表示畜禽糞尿氮磷還田量，N(P)IBNF表示生物固氮量，N(P)Idep表示大氣氮干濕沉降；N(P)YStraw表示作物秸稈收獲氮磷量，RSR表示秸稈還田比例；Numlivestock表示畜禽養(yǎng)殖數(shù)量，N(P)manure表示單位動(dòng)物畜禽糞尿排氮磷量，RMR表示糞尿還田比例。

1.3.2 畜牧生產(chǎn)子系統(tǒng)氮磷流動(dòng)計(jì)算方法

N(P)IFIS=N(P)ICG×RCFU+N(P)ISG×RSFU（4）

N(P)IFOS=N(P)AN-N(P)IFeed in system（5）

式中，N(P)IFIS表示系統(tǒng)內(nèi)飼料氮磷投入量，N(P)ICG表示作物籽粒收獲氮磷量，RCFU表示作物產(chǎn)品的飼用比例， N(P)ISG表示作物秸稈收獲氮磷量，RSFU表示秸稈飼用比例；N(P)IFOS表示系統(tǒng)外飼料氮磷投入量，N(P)AN表示動(dòng)物子系統(tǒng)氮磷需求量，包括畜牧主產(chǎn)品帶走氮磷量和動(dòng)物活體帶走的氮磷量，N(P)IFeed in system表示本地飼料氮磷投入量。

1.3.3 氮磷利用率的計(jì)算

N(P)UEC=N(P)OC/N(P)IC（6）

N(P)UEA=N(P)OA/N(P)IA（7）

N(P)UEC+A=N(P)OC+A/N(P)IC+A（8）

式中，N(P)UEC表示農(nóng)田系統(tǒng)氮磷利用率，N(P)OC表示作物系統(tǒng)產(chǎn)品氮磷輸出量，N(P)IC表示作物系統(tǒng)氮磷投入量；N(P)UEA表示畜牧系統(tǒng)氮磷利用率，N(P)OA表示畜牧系統(tǒng)產(chǎn)品氮磷輸出量，N(P)IA表示畜牧系統(tǒng)氮磷投入量；N(P)UEC+A表示農(nóng)牧系統(tǒng)氮磷素綜合利用率，N(P)OC+A表示農(nóng)牧生產(chǎn)體系中作物和動(dòng)物產(chǎn)品氮磷輸出量，N(P)IC+A表示農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮磷投入量，包括生產(chǎn)飼料的化肥氮或磷輸入、飼料氮或磷進(jìn)口（北京以外地區(qū)購買的飼料，如魚粉、豆粕、牧草等）、生物固氮輸入和氮沉降輸入。

1.4 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源包括農(nóng)場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)3個(gè)部分。

1.4.1 調(diào)研數(shù)據(jù) 2012—2013年期間，對(duì)北京市的畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地問卷調(diào)研和農(nóng)場(chǎng)考察，收集農(nóng)場(chǎng)的相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)。調(diào)研樣本的選擇是基于畜牧業(yè)環(huán)境排放登記和畜牧部門工作人員的建議。調(diào)研內(nèi)容包括：（1）農(nóng)場(chǎng)基本情況（面積、是否有土地、人員情況等）；（2）動(dòng)物生產(chǎn)管理（動(dòng)物各生長階段頭數(shù)、生長時(shí)間、飼料配方和購買仔畜的數(shù)量）；（3）圈舍管理（圈舍及其地板類型、通風(fēng)和散熱系統(tǒng)、圈舍清潔頻率、用水情況）；（4）糞尿管理（糞尿儲(chǔ)存方式和時(shí)間、糞尿處理方式）；（5）農(nóng)場(chǎng)產(chǎn)出（動(dòng)物出欄數(shù)量和質(zhì)量、動(dòng)物產(chǎn)品銷售量、母畜淘汰量、糞尿銷售量）。

1.4.2 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù) 研究所需要的耕地面積、主要農(nóng)作物播種面積及產(chǎn)量、畜牧業(yè)各類動(dòng)物的存欄、出欄數(shù)量皆來源于北京市統(tǒng)計(jì)年鑒[24-25]。各種動(dòng)物養(yǎng)殖規(guī)模來源于中國畜牧業(yè)年鑒[26-27]。作物的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的需氮量、草谷比及秸稈含氮量、不同作物的固氮量等來自于NUFER模型[21]。

1.4.3 文獻(xiàn)數(shù)據(jù) 1980—2011年期間動(dòng)物養(yǎng)殖體系飼料輸入量采用柏兆海[9]的飼料組成。2013年動(dòng)物養(yǎng)殖體系飼料配方、采食量、養(yǎng)殖天數(shù)及死亡率等信息則采用2013年的調(diào)研數(shù)據(jù)。飼料及動(dòng)物產(chǎn)品氮磷養(yǎng)分含量采用NUFER模型參數(shù)[21]。圈舍階段的NH3排放系數(shù)采用劉東[28]的總結(jié)，儲(chǔ)存和處理階段的NH3排放系數(shù)采用劉東和賈偉的總結(jié)[28-29]。糞尿在圈舍、儲(chǔ)藏和處理過程中N2O和N2排放系數(shù)來自NUFER模型[21]。

2 結(jié)果

2.1 農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮流動(dòng)特征及歷史變化

1980年和2013年，北京市農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮流動(dòng)賬戶特征如圖2所示。2013年，農(nóng)牧生產(chǎn)體系總氮素輸入量為109.8 Gg，其中進(jìn)口主產(chǎn)物飼料（北京以外地區(qū)輸入，如青貯玉米、大豆、牧草等）為68.4 Gg、進(jìn)口副產(chǎn)物飼料（麩皮、棉籽粕等）為21.1 Gg、本地主產(chǎn)物飼料（玉米、大豆、牧草等）為20.3 Gg。1980年，進(jìn)口主產(chǎn)物飼料、進(jìn)口副產(chǎn)物飼料和本地主產(chǎn)物飼料輸入量分別為11.5、16.4和7.0 Gg。2013年進(jìn)口主產(chǎn)物飼料、進(jìn)口副產(chǎn)物飼料和本地主產(chǎn)物飼料較1980年分別增加了4.9倍、29.0%和1.9倍。2013年，輸入量的主要來源為進(jìn)口主產(chǎn)物飼料，占飼料氮輸入量的60.6%，其次為本地主產(chǎn)物飼料（20.6%）和副產(chǎn)物飼料（18.7%）。1980年，輸入量的主要來源為進(jìn)口副產(chǎn)物飼料，占飼料氮輸入量的46.8%，其次為進(jìn)口主產(chǎn)物飼料（32.9%）和本地主產(chǎn)物飼料（20.3%）。過去30年間，進(jìn)口飼料比例快速增加，而副產(chǎn)物飼料投入比例迅速降低。農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮素輸出項(xiàng)包括肉蛋奶產(chǎn)量和糞尿去向。2013年，農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮素輸出項(xiàng)中肉蛋奶產(chǎn)量為23.3 Gg。糞尿去向包括糞尿損失、糞尿銷售和糞尿還田，輸出量分別為57.5、21.7和6.2 Gg。而1980年，糞尿損失、糞尿銷售和糞尿還田，輸出量分別為12.5、0.7和20.1 Gg。2013年糞尿環(huán)境損失和糞尿銷售量比1980年分別增加了3.6、28.7倍，而糞尿還田量較1980年減少了58.1%。2013年，糞尿損失占糞尿輸出量的67.4%，為糞尿氮的主要去向；其次是糞尿銷售（25.4%）和糞尿還田（7.2%）。而1980年，糞尿還田占糞尿輸出量的52.7%，為糞尿氮的主要去向；其次是糞尿損失（44.7%）和糞尿銷售（2.6%）。與1980年相比，2013年糞尿銷售比例快速增加，增加了8.8倍，而糞尿還田的比例減少了86.3%。2013年，農(nóng)牧生產(chǎn)體系作物生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，氮素輸入項(xiàng)中化肥氮素投入量為58.4 Gg，比1980年增加2.7倍；同時(shí)，土壤氮素積累量較1980年增加了2.1倍。

括號(hào)中前一個(gè)數(shù)字代表1980年氮流動(dòng)，后一個(gè)數(shù)字代表2013年氮流動(dòng)。圖3同

2.2 農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷流動(dòng)特征及歷史變化

1980年和2013年，北京市農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷流動(dòng)賬戶特征如圖3所示。2013年，農(nóng)牧生產(chǎn)體系總磷素輸入量為20.0 Gg，其中進(jìn)口主產(chǎn)物飼料（北京以外地區(qū)輸入，如青貯玉米、大豆、牧草等）為7.4 Gg、進(jìn)口副產(chǎn)物飼料（麩皮、棉籽粕等）為7.6 Gg、本地主產(chǎn)物飼料（玉米、大豆、牧草等）為5.0 Gg。1980年，進(jìn)口主產(chǎn)物飼料、進(jìn)口副產(chǎn)物飼料和本地主產(chǎn)物飼料輸入量分別為1.0、3.7和1.2 Gg。2013年進(jìn)口主產(chǎn)物飼料、進(jìn)口副產(chǎn)物飼料和本地主產(chǎn)物飼料較1980年分別增加了6.1、1.1和3.2倍。2013年，輸入量的主要來源為進(jìn)口副產(chǎn)物和進(jìn)口主產(chǎn)物飼料，分別占飼料磷輸入量的37.8%和36.4%，其次為本地主產(chǎn)物飼料（25.8%）。1980年，輸入量的主要來源為進(jìn)口副產(chǎn)物飼料，占飼料磷輸入量的62.0%，其次為本地主產(chǎn)物飼料（20.7%）和進(jìn)口主產(chǎn)物飼料（17.3%）。過去30年間，進(jìn)口飼料比例快速增加。農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷素輸出項(xiàng)包括肉蛋奶產(chǎn)量和糞尿去向。2013年，農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷素輸出項(xiàng)中肉蛋奶產(chǎn)量為5.5 Gg。糞尿去向包括糞尿損失、糞尿銷售和糞尿還田，輸出量分別為6.4、5.6和2.1 Gg。而1980年，糞尿損失、糞尿銷售和糞尿還田，輸出量分別為0.1、0.2和3.8 Gg。2013年糞尿環(huán)境損失和糞尿銷售量比1980年分別增加了42.0和32.8倍，而糞尿還田量較1980年減少了45.3%。2013年，糞尿損失占糞尿輸出量的45.4%，為糞尿磷的主要去向；其次是糞尿銷售（40.0%）和糞尿還田（14.6%）。而1980年，糞尿還田占糞尿輸出量的92.3%，為糞尿磷的主要去向；其次是糞尿銷售（4.1%）和糞尿損失（3.6%）。2013年，農(nóng)牧生產(chǎn)體系作物生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，磷素輸入項(xiàng)中化肥磷素投入量為14.9 Gg，比1980年增加3.9倍；同時(shí)，土壤磷素積累量較1980年增加了1.2倍。

圖3 1980年和2013年北京市“土壤-飼料-動(dòng)物”磷流動(dòng)賬戶變化

2.3 農(nóng)牧生產(chǎn)體系養(yǎng)分利用率歷史變化

1980—2013年，北京市農(nóng)牧生產(chǎn)體系養(yǎng)分利用率歷史變化如圖4所示。2013年，農(nóng)牧體系中作物生產(chǎn)體系氮素養(yǎng)分利用率為33.0%，動(dòng)物生產(chǎn)體系NUEA為20.6%，農(nóng)牧生產(chǎn)體系NUEC+A為29.0%。1980年，作物生產(chǎn)體系NUEC為39.5%，動(dòng)物生產(chǎn)體系NUEA為17.8%，農(nóng)牧生產(chǎn)體系NUEC+A為29.0%。動(dòng)物系統(tǒng)氮素利用率隨時(shí)間不斷增加，而作物體系氮素利用率在2000年前不斷增加，2000年后快速降低。農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮素利用率1995年前逐漸增長，而1995年之后基本保持不變。2013年，農(nóng)牧體系中作物生產(chǎn)體系磷素養(yǎng)分利用率為38.4%，動(dòng)物生產(chǎn)體系PUEA為27.4%，農(nóng)牧生產(chǎn)體系PUEC+A為37.4%。1980年，作物生產(chǎn)體系PUEC為42.8%，動(dòng)物生產(chǎn)體系PUEA為27.3%，農(nóng)牧生產(chǎn)體系PUEC+A為37.7%。動(dòng)物系統(tǒng)磷素利用率1990年前逐漸下降而1990年后不斷增加。作物體系磷素利用率在2000年前不斷增加，2000年后快速降低。農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷素利用率隨時(shí)間變化趨勢(shì)不明顯。

圖4 1980—2013年“土壤-飼料-動(dòng)物”體系氮和磷利用率變化

2.4 農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮和磷環(huán)境排放變化

北京市農(nóng)牧體系氮素環(huán)境排放如圖5所示。氮素?fù)p失途徑包括氣體損失、淋溶徑流和直接排放。2013年，農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮素總損失為96.4 Gg。其中，氣體、淋溶徑流和直接排放的氮素?fù)p失量分別為58.9、7.4和30.1 Gg。氮素氣體損失占氮素總損失的比例最大，為61.1%，其次為直接排放，為31.3%，淋溶徑流損失比例最小，為7.6%。1980年，農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮素總損失為32.7 Gg。其中，氣體、淋溶徑流和直接排放的氮素?fù)p失量分別為28.4、4.3和0.04 Gg。氮素氣體損失占氮素總損失的比例最大，為86.6%，其次為淋溶徑流，為13.2%，直接排放損失比例最小，為0.2%。相較于1980年，2013年直接排放的損失量快速增加。2013年，每公頃耕地面積的氮素總損失為436.5 kg·hm-2，而1980年的氮素?fù)p失為77.5 kg·hm-2，2013年單位耕地面積的損失量較1980年增加了4.6倍。

北京市農(nóng)牧體系磷素環(huán)境排放如圖6所示。磷素?fù)p失途徑包括淋溶徑流和直接排放。2013年，農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷素總損失為8.3 Gg。其中，淋溶徑流和直接排放的氮素?fù)p失量分別為2.0和6.3 Gg。磷素直接排放損失占總損失的比例最大，為75.5%，其次為淋溶徑流，損失比例為24.5%。1980年，農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷素總損失為1.3 Gg。其中，淋溶徑流和直接排放的磷素?fù)p失量分別為1.3和0.009 Gg。磷素淋溶徑流損失占總損失的比例最大，為99.4%，其次為直接排放損失，為0.6%。相較于1980年，2013年直接排放的損失量快速增加。2013年，每公頃耕地面積的磷素總損失為37.5 kg·hm-2，而1980年的磷素?fù)p失為3.2 kg·hm-2，2013年單位耕地面積的損失量較1980年增加了10.7倍。

圖5 1980—2013年“土壤-飼料-動(dòng)物”體系氮素?fù)p失變化

圖6 1980—2013年“土壤-飼料-動(dòng)物”體系磷素?fù)p失變化

2.5 農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮和磷環(huán)境排放時(shí)空分布

1980年和2013年，北京市農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮和磷損失時(shí)空變化如圖7所示。與1980年相比，2013年北京市農(nóng)牧生產(chǎn)體系環(huán)境氮損失在城郊區(qū)域迅速增加，而在城市中心區(qū)域迅速減少。2013年，城市中心區(qū)域（朝陽、豐臺(tái)、石景山）環(huán)境損失量減為0，而城郊地區(qū)環(huán)境損失量快速增加。2013年，延慶、大興和順義的單位面積損失最大，分別為644、526和499 kg·hm-2，較1980年增加了2 127、532和430倍。而1980年順義、大興、通州和朝陽的單位面積損失最大，分別為94、83、68和56 kg·hm-2。

2013年，延慶、大興和順義單位面積損失最大，分別為70、54和47 kg·hm-2，較1980年增加了20 296、2 159和6 700倍。而1980年大興、朝陽和昌平的單位面積損失最大，分別為2.4、2.2和1.9 kg·hm-2。各區(qū)域環(huán)境損失與各區(qū)域動(dòng)物養(yǎng)殖數(shù)量和養(yǎng)殖模式密切相關(guān)。

圖7 北京市“土壤-飼料-動(dòng)物”體系1980年和2013年單位面積氮、磷損失

3 討論

3.1 農(nóng)牧生產(chǎn)體系養(yǎng)分利用效率和環(huán)境損失變化特征

1980—2013年，北京市農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮素利用率在2000年前逐漸減少，而2000發(fā)生了上升，之后又呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。與此同時(shí)，氮磷總損失量和單位耕地面積氮和磷損失量在1985年和2005年連續(xù)兩次快速增加，而2005年后逐漸減少。產(chǎn)生這一系列變化的主要原因與城市化率、畜牧養(yǎng)殖規(guī)模與養(yǎng)殖方式、種養(yǎng)結(jié)構(gòu)變化和社會(huì)對(duì)環(huán)境問題的重視程度提高有關(guān)。1985年和2000年之后都發(fā)生了養(yǎng)殖數(shù)量的快速增加，這與氮磷損失的增加趨勢(shì)相似[26]。2005年開始，北京市城市化率繼1990年后又一次快速增加，耕地?cái)?shù)量快速減少，作物和動(dòng)物生產(chǎn)系統(tǒng)的分離程度加大，為了保證北京市首都的功能，動(dòng)物養(yǎng)殖數(shù)量快速減少[26]。1995年前，由于農(nóng)村農(nóng)民自身經(jīng)濟(jì)條件有限，許多養(yǎng)殖戶將動(dòng)物養(yǎng)殖只作為增加收入的來源之一，動(dòng)物養(yǎng)殖一般飼養(yǎng)在房前屋后，飼料等管理水平很低。因此1995年前的階段，雖然動(dòng)物養(yǎng)殖數(shù)量不斷上升，但是養(yǎng)殖養(yǎng)分利用率出現(xiàn)了下降趨勢(shì)。隨著都市化的不斷發(fā)展，北京市發(fā)展規(guī)劃提出畜牧業(yè)將定位于都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，以轉(zhuǎn)變養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)方式為主線，啟動(dòng)畜牧業(yè)發(fā)展5年規(guī)劃，推進(jìn)5個(gè)重點(diǎn)工程，打造結(jié)構(gòu)合理、品質(zhì)優(yōu)良、效益明顯、環(huán)境友好的都市型現(xiàn)代畜牧業(yè)產(chǎn)業(yè)體系[30]。隨后環(huán)境氮損失在2000年出現(xiàn)第二次下降，其主要原因是從2000年開始，國家環(huán)保部門和農(nóng)業(yè)部門發(fā)布了許多限制畜禽養(yǎng)殖污染物排放、防治和無害化處理的法律、法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)和導(dǎo)則[31-36]。

2013年，北京農(nóng)牧生產(chǎn)體系作物生產(chǎn)體系氮素利用率為26.4%，低于中國2010年氮素利用率（28.1%）[21]。北京農(nóng)牧生產(chǎn)體系動(dòng)物生產(chǎn)體系氮素利用率為21.2%，高于中國2010年氮素利用率（17.6%）[21]，其主要是因?yàn)楸本┥i、奶牛等養(yǎng)殖飼料粗蛋白含量（生豬18%，奶牛16.6%）高于中國生豬養(yǎng)殖的平均值（14%）[9]、美國奶牛養(yǎng)殖的平均值（13.6%）和歐盟的平均值（生豬16%，奶牛15.8%）[37-40]。這是因?yàn)楸本╋暳吓浞街械鞍踪|(zhì)含量較高的飼料比例較大，如生豬飼料中蛋白飼料豆粕占18.0%、麩皮占7.0%，奶牛飼料中蛋白飼料豆粕占22.0%、麩皮占9.0%。2013年北京市農(nóng)牧生產(chǎn)體系作物體系磷素利用率為38.4%，高于2010年全國平均水平（37%），動(dòng)物體系磷素利用率為27.4%，高于全國平均水平（17%），農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷素利用率為37.7%，高于全國水平（30.3%）[41]。

3.2 農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮磷流動(dòng)的空間差異特征

隨著城市化的不斷發(fā)展，資源、環(huán)境和空間的有限性對(duì)都市農(nóng)牧生產(chǎn)體系的約束力越來越大，使得提高農(nóng)牧生產(chǎn)體系的可持續(xù)發(fā)展成為“十三五”期間的工作重點(diǎn)。過去30年，北京城區(qū)和近郊區(qū)域農(nóng)牧生產(chǎn)體系的環(huán)境損失迅速減少，而遠(yuǎn)郊區(qū)域的環(huán)境損失快速增加。產(chǎn)生這一變化的原因與城市發(fā)展規(guī)劃、人們的飲食習(xí)慣有關(guān)。隨著動(dòng)物食品需求量的增加以及城市功能區(qū)域規(guī)劃，帶來了近郊區(qū)和遠(yuǎn)郊區(qū)動(dòng)植物生產(chǎn)數(shù)量和結(jié)構(gòu)變化，由此產(chǎn)生了農(nóng)牧生產(chǎn)體系環(huán)境損失的變化[42]。北京市劃分為首都功能核心區(qū)、城市功能拓展區(qū)、城市發(fā)展新區(qū)和生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)，共4種功能區(qū)[43]。其中城市功能拓展區(qū)功能主要為經(jīng)濟(jì)與國際交流，城市發(fā)展新區(qū)功能主要為發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)重點(diǎn)發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)[43]。這也是農(nóng)牧生產(chǎn)體系環(huán)境損失在城市功能拓展區(qū)迅速減少，而在城市發(fā)展新區(qū)和生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)快速增加的重要原因之一。其中單位耕地面積環(huán)境氮和磷損失最大的延慶區(qū)屬于生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)，大興和順義區(qū)隸屬城市發(fā)展新區(qū)。

3.3 農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮磷流動(dòng)存在問題及建議

都市農(nóng)牧生產(chǎn)體系由于其資源與環(huán)境的有限性，不能像其他資源型城市一樣走大規(guī)模生產(chǎn)道路。與此同時(shí)，隨著各區(qū)縣功能規(guī)劃的轉(zhuǎn)變，種養(yǎng)之間存在場(chǎng)地和飼料供應(yīng)的矛盾。因此，北京市農(nóng)牧生產(chǎn)應(yīng)該由數(shù)量發(fā)展型向質(zhì)量提高型轉(zhuǎn)變，重點(diǎn)通過提高動(dòng)物單產(chǎn)和土地資源利用效率的途徑提高系統(tǒng)養(yǎng)分利用效率，用以解決自然資源不足所帶來的問題。

畜禽糞尿部分替代化肥。化肥已被確定為農(nóng)牧生產(chǎn)體系養(yǎng)分投入和養(yǎng)分流失的主要來源。另外，降低有機(jī)廢物（例如糞肥）的再循環(huán)率對(duì)于增加地下水和地表水的養(yǎng)分損失作用顯著。因此，建議將畜禽糞肥代替化肥，對(duì)于農(nóng)業(yè)和環(huán)境兩個(gè)方面都具有積極作用[44]。

環(huán)境消納能力、青粗飼料來源和疾病防控等問題是發(fā)展都市農(nóng)牧系統(tǒng)的限制因素[45]，因此控制規(guī)?；潭鹊耐瑫r(shí)提高農(nóng)牧結(jié)合程度是都市農(nóng)牧系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。在半郊區(qū)建立養(yǎng)殖小區(qū)和合作社，在養(yǎng)殖小區(qū)和合作社的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的適度規(guī)模化發(fā)展[46]。同時(shí)，利用首都的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、人才集中的優(yōu)勢(shì)，大力發(fā)展種業(yè)。借助京津冀協(xié)同一體化的政策，利用天津市與河北省的自然資源優(yōu)勢(shì)，達(dá)到技術(shù)與自然資源的有效結(jié)合。在更大地域范圍內(nèi)推行“種養(yǎng)結(jié)合”的養(yǎng)殖模式，實(shí)現(xiàn)“零污染一體化”經(jīng)營[47-49]。

4 結(jié)論

北京市2013年農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮磷素利用率與1980年的相似。農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮素利用率1995年前逐漸增長，而1995年之后基本保持不變。農(nóng)牧體系中氮磷的輸入和輸出項(xiàng)比例發(fā)生了較大變化。輸入項(xiàng)來源從1980年的以副產(chǎn)品飼料為主轉(zhuǎn)化為2013年的以進(jìn)口飼料為主。輸出項(xiàng)去向從1980年的以氮磷還田為主轉(zhuǎn)化為2013年的氮磷損失為主。2013年，單位耕地面積的氮素和磷素總損失為436.5和37.5 kg·hm-2，較1980年分別增加了4.6倍和10.7倍。同時(shí)，北京市農(nóng)牧生產(chǎn)體系環(huán)境氮磷損失在城郊區(qū)域迅速增加，而在城市中心區(qū)域迅速減少。

產(chǎn)生一系列變化的原因與農(nóng)牧生產(chǎn)體系從傳統(tǒng)模式向集約化模式轉(zhuǎn)變，農(nóng)牧結(jié)合逐漸分離，養(yǎng)分循環(huán)率逐漸降低有密切關(guān)系。但是隨著各個(gè)系統(tǒng)飼養(yǎng)技術(shù)和管理手段的不斷優(yōu)化以及環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，動(dòng)物系統(tǒng)的養(yǎng)分利用率有所提高，在作物系統(tǒng)養(yǎng)分利用率降低的情況下，帶來了整個(gè)系統(tǒng)養(yǎng)分利用率的逐漸平穩(wěn)。因此，想要提高農(nóng)牧生產(chǎn)體系的效率必須要在保證當(dāng)前動(dòng)物系統(tǒng)效率增長趨勢(shì)的前提下，著重提高作物系統(tǒng)的養(yǎng)分利用率。

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（責(zé)任編輯 岳梅）

Nutrient Flow and Environmental Effects of “Soil-Feed-Livestock” System in Metropolis: A Case Study in Beijing

WEI Sha1.2, BAI ZhaoHai2, WU DiMei3, XIA LiJiang1, JIANG RongFeng1, MA Lin2

(1College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University/Key Laboratory of Plant-Soil Interactions, Ministryof Education, Beijing 100193;2Center 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;3Beijing Environmental monitoring station of animal husbandry, Beijing 100083)

【Objective】With the accelerated process of urbanization and the rapid development of economy, people’s demand for food and diet has changed greatly, especially the demand for livestock products increased significantly.The intensive development of crop-livestock production in the suburbs meets the increasing demand for animal products and high-quality plant products, but it also brings serious waste of resources and environmental pollution.The objective of this study is to analyze the nutrient flow and environmental emission characteristics of peri-urban area and provide scientific suggestions for the integrated management of nutrient resources, promoting the combination of agriculture and animal husbandry and protecting the ecological environment.【Method】In this study, the survey data about the farm management, feed sources and inputs, manure management and land use of a total of 200 farms in Beijing (92 pig farms, 28 dairy farms, 11 beef cattle farms, 27 layer farms, 26 broiler farms and 16 duck farms) were used to summarize the characteristics of different scales of farming system Beijing. The performance of nitrogen and phosphorus flow characteristic, use efficiency and environmental loss of “soil-feed-livestock” production system in Beijing from 1980 to 2013 was assessed, using data of farm survey, historical statistics data and literature and nutrient flows in food chains, environment and resources model (NUFER) and calculations with the NUFER model.The spatial and temporal variations of nutrient flow characteristics, use efficiency and environmental emission characteristics of farming and animal system in 1980 and 2013 were compared. 【Result】The result of characteristic of nitrogen and phosphorus flow showed that the ratio of the input and output of nitrogen and phosphorus in the system had a great change. The main nutrient input was main feed import from other place in 2013, while the main inputs for nitrogen and phosphorus were from by-products feed import in 1980. The nitrogen and phosphorus loss was the main output in 2013, while the manure land use was the main output in 1980. The reason for the change is that with the development of urbanization and intensive farming system, more and more nutrients are concentrated in the urban area, resulting in a greater proportion of environmental loss. Nitrogen use efficiency of “soil-feed crop-livestock” production system in 2013 was 29.0% which was similar with 1980. Among them, NUECof crop system in 2013 was 33.0%, lower than that in 1980 (39.5%), while NUEAof animal system in 2013 was 20.6%, higher than that of 1980 (17.8%). Nitrogen and phosphorus loss of per hectare and the ways of loss have great changes. In 2013, loss of nitrogen and phosphorus per hectare of arable land was 436.5 and 37.5 kg·hm-2, respectively, while the nitrogen and phosphorus loss in 1980 was 77.5 and 3.2 kg·hm-2, respectively. In 2013, the loss of nitrogen and phosphorus in cultivated land increased 4.6 and 10.7 times as compares with 1980, respectively. In 2013, nitrogen loss from gas emission accounted for 61.1% of the total nitrogen loss, followed by direct discharge (31.3%) and leaching and runoff (7.6%). Compared with 1980, the proportion of gas loss decreased significantly, while the proportion of discharge losses increased significantly which exceeding leaching runoff became the second largest loss. In 2013, the ratio of direct phosphorus emissions exceeded that of leaching runoff to become the largest proportion of emission. Meanwhile, the loss of nitrogen and phosphorus in “soil-feed-animal” system in Beijing increased rapidly in the suburbs and decreased rapidly in the urban center.【Conclusion】 During 1980-2013, the characteristics of nitrogen and phosphorus flow in “soil-feed-animal” system changed greatly. These changes are closely related to the changes in planting and breeding structure, the scale of animal farming, and environmental protection policies.

“soil-feed-livestock” system; nutrient use efficiency; nitrogen loss; phosphorus loss; NUFER model

2017-05-22；

2017-07-06

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（31572210）、河北省杰出青年基金（D2017503023）、科技部國家國際科技合作專項(xiàng)（2015DFG91990）、中國科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目（ZDRW-ZS-2016-5）、中國科學(xué)院百人計(jì)劃項(xiàng)目

魏莎，E-mail：weisha_666@126.com。

馬林，E-mail：malin1979@sjziam.ac.cn