華北平原典型區(qū)域農(nóng)牧系統(tǒng)氮素流動及其環(huán)境效應(yīng)——以河北省為例

佟丙辛，張華芳，高肖賢，侯勇，馬文奇

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華北平原典型區(qū)域農(nóng)牧系統(tǒng)氮素流動及其環(huán)境效應(yīng)——以河北省為例

佟丙辛1，張華芳1，高肖賢1，侯勇2，馬文奇1

（1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；2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)實驗室，北京 100193）

【目的】以華北平原典型地區(qū)河北省為例，明確農(nóng)牧系統(tǒng)氮素養(yǎng)分流動特征和環(huán)境效應(yīng)，分析農(nóng)牧系統(tǒng)氮素循環(huán)利用率和農(nóng)牧業(yè)結(jié)合的程度，探討農(nóng)牧系統(tǒng)氮素的優(yōu)化管理途徑，為農(nóng)牧業(yè)養(yǎng)分循環(huán)和綠色可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。【方法】以河北省“農(nóng)田-畜牧”生產(chǎn)系統(tǒng)為邊界，在整理統(tǒng)計資料、文獻(xiàn)數(shù)據(jù)和調(diào)研數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用物質(zhì)流分析方法，分別定量1980—2015年河北省農(nóng)田體系、畜牧體系和農(nóng)牧系統(tǒng)的各個氮素輸入和輸出項，同時利用氮素利用率、氮素盈余量和氮素回田率等指標(biāo)分析氮素流動特征與環(huán)境效應(yīng)。農(nóng)牧系統(tǒng)的氮素輸入項主要包括化肥、生物固氮、干濕沉降、灌溉、人糞尿還田、外源飼料；氮素輸出項主要包括農(nóng)田體系主產(chǎn)品的本地消費(fèi)、外銷，畜牧體系主產(chǎn)品的本地消費(fèi)、外銷，農(nóng)牧系統(tǒng)大氣排放、水體排放；內(nèi)部的氮素循環(huán)項主要包括農(nóng)田系統(tǒng)副產(chǎn)品還田、農(nóng)田系統(tǒng)主、副產(chǎn)品作為本地飼料、畜牧系統(tǒng)副產(chǎn)品還田?！窘Y(jié)果】1980—2015年，河北省農(nóng)田生產(chǎn)體系氮素年均輸入量增加1.9倍，而作物收獲氮量僅增長1.5倍，導(dǎo)致農(nóng)田氮盈余量和損失量分別增加1.7和1.9倍，氮素利用率由47.2%降至41.4%。與有機(jī)肥氮投入相比，化肥氮投入占農(nóng)田總氮投入60%以上，近年來接近70%。區(qū)域間農(nóng)田養(yǎng)分平衡差異大，氮素輸入方面，邯鄲市和唐山市較高（＞600 kg·hm-2）,承德市最低（＜200 kg·hm-2）;氮素盈余方面，唐山市最高，為267.8 kg·hm-2，衡水市最低，為51.6 kg·hm-2。畜牧體系氮素輸入量也明顯增加，在2005年達(dá)到最大值，為1980年的7.7倍；畜禽產(chǎn)品和糞尿氮素產(chǎn)生量同時呈現(xiàn)增加趨勢，尤其是糞尿氮素產(chǎn)生量由21.8×104t增加到115.3×104t；各區(qū)域間動物糞尿氮素產(chǎn)生量存在明顯差異，其中氮素產(chǎn)生量最高為邯鄲市（377.3 kg·hm-2），最低為衡水市（122.6 kg·hm-2）。外源飼料氮素依賴率由60.5%增至72.7%，畜牧糞尿氮素還田率由70.4%降至30.2%，但畜牧體系氮素利用率由6.4%增至16.3%。從農(nóng)牧系統(tǒng)整體來看，1980—2015年氮素輸入總累計量高達(dá)9 038.9×104t，化肥氮素投入量約占總氮素投入量的55.7%，外源飼料氮素投入量占總氮素投入量的33.1%，農(nóng)牧產(chǎn)品累計總輸出氮為2 537.4×104t，占總累計輸入氮量的28.1%，向大氣、水體累計排放的總氮量高達(dá)4061.2×104t，約占總累計輸入氮量的44.9%?！窘Y(jié)論】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)。因此，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，從而降低因“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。

氮素；農(nóng)牧系統(tǒng)；養(yǎng)分循環(huán)；環(huán)境效應(yīng)；養(yǎng)分利用率；河北省

0 引言

【研究意義】隨著人類生活水平的不斷提高，氮素作為重要的養(yǎng)分資源，在農(nóng)牧業(yè)中投入數(shù)量不斷增加，在滿足人們對糧食、畜產(chǎn)品需求的同時，也引發(fā)了全球性和區(qū)域性的氮環(huán)境污染問題[1-3]。因此，在明確區(qū)域內(nèi)農(nóng)牧業(yè)氮素流動特征基礎(chǔ)上，實現(xiàn)氮素的優(yōu)化管理，是農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展亟需解決的問題。華北平原是中國重要的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)基地，其農(nóng)牧業(yè)氮素利用狀況直接影響國內(nèi)農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展。河北省作為華北平原典型代表，農(nóng)林牧漁業(yè)生產(chǎn)規(guī)模位居全國第3位，是中國農(nóng)牧產(chǎn)品主要產(chǎn)區(qū)之一[4]。研究該區(qū)域農(nóng)牧系統(tǒng)的氮素流動特征及其環(huán)境效應(yīng)，對于優(yōu)化區(qū)域養(yǎng)分資源配置、協(xié)調(diào)農(nóng)牧業(yè)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系，促進(jìn)農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展等具有重要指導(dǎo)意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前，國外對農(nóng)牧系統(tǒng)氮素養(yǎng)分的平衡及管理問題已有大量的研究[5-6]，這些研究通過對“農(nóng)田-畜牧”系統(tǒng)的養(yǎng)分流動狀況進(jìn)行綜合評價，明確養(yǎng)分流動特征，對于解決氮素養(yǎng)分損失和環(huán)境污染問題具有重要意義。國內(nèi)在國家尺度、典型區(qū)域、典型的農(nóng)田或畜牧系統(tǒng)等方面也開展了一些研究，王激清等[7]借助物質(zhì)流法建立中國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮素模型，估算中國不同地區(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)；Ma等[8-9]建立和利用NUFER模型，在國家和區(qū)域尺度上從食物鏈的角度對氮素平衡、環(huán)境排放、流動規(guī)律及利用效率進(jìn)行了分析；侯勇等[10]用物質(zhì)流動的方法，對京郊典型集約化“農(nóng)田-畜牧”生產(chǎn)系統(tǒng)氮素流動特征進(jìn)行了研究；張華芳等[11]用類似的方法對河北省農(nóng)牧系統(tǒng)磷素流動特征及其環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行了分析。這些研究引進(jìn)物質(zhì)流分析方法，構(gòu)建養(yǎng)分流動模型，對于揭示農(nóng)田、區(qū)域和整個食物鏈養(yǎng)分流動特征和環(huán)境效應(yīng)打下了方法基礎(chǔ)，也為農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分優(yōu)化管理提供了依據(jù)?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前，華北地區(qū)關(guān)于農(nóng)牧系統(tǒng)氮養(yǎng)分流動特征的研究比較少，對于農(nóng)牧結(jié)合體系下的氮素輸入輸出、流動特征及其環(huán)境效應(yīng)尚不明確。【擬解決的關(guān)鍵問題】借助NUFER模型，應(yīng)用物質(zhì)流分析方法，分析河北省1980—2015年間農(nóng)牧系統(tǒng)氮養(yǎng)分流動特征，明確不同區(qū)域間養(yǎng)分流動在時間和空間上的差異，為華北乃至全國農(nóng)牧系統(tǒng)的氮素養(yǎng)分優(yōu)化管理提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

河北省地處北緯36°05′—42°37′、東經(jīng)113°11′—119°45′，是中國農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)大省。20世紀(jì)80年代至今，農(nóng)作物種植面積已由833.5×104hm2上升到874×104hm2，糧食作物的產(chǎn)量從1.5×107t升至3.4×107t，肉蛋奶總產(chǎn)量由5.5×105t升至1.3×107t，在中國農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)中占有重要地位，以2015年為例，當(dāng)年糧食產(chǎn)量居全國第8位，農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)總產(chǎn)值居全國第5位[4,12]。

1.2 研究體系界定

以河北省“農(nóng)田-畜牧”生產(chǎn)體系為研究邊界，氮素為研究對象，核算1980—2015年間“農(nóng)田-畜牧”生產(chǎn)體系每年氮素輸入、輸出和內(nèi)部循環(huán)項（圖1）。體系輸入項主要包括：化肥、外源飼料（系統(tǒng)外輸入飼料）、農(nóng)田灌溉、生物固氮和干濕沉降等；體系輸出項主要包括：動植物產(chǎn)品的產(chǎn)出（劃分為本地居民消費(fèi)和外銷）和氮素環(huán)境（大氣和水體）排放；而作物主副產(chǎn)品的本地飼用、作物副產(chǎn)品（秸稈殘茬）還田和畜禽糞尿還田作為體系內(nèi)部循環(huán)項。

1.3 養(yǎng)分流動項的計算和數(shù)據(jù)獲取方法

1.3.1 農(nóng)田子系統(tǒng) （1）輸入項計算方法和數(shù)據(jù)來源 農(nóng)田輸入氮素量包括：化肥氮素量、有機(jī)肥氮素量、灌溉氮素量、干濕沉降氮量和生物固氮量。各項算法和數(shù)據(jù)來源如下。

NIfer（化肥氮素投入量）：來源于中國統(tǒng)計年鑒（2008—2015年）和中國60年農(nóng)業(yè)統(tǒng)計資料[4,12]；復(fù)合肥中氮按照文獻(xiàn)數(shù)據(jù)[8,13]給出的比例折算。

圖1 農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮素流動模式示意圖

NIManure（有機(jī)肥輸入氮量）：NIManure= NIAM+NISt+NIHM（1）

式中，NIAM代表動物糞尿氮還田量，NISt代表作物秸稈氮還田量，NIHM代表人糞尿氮還田量。

NIAM=QTYAM×NODischarge×NMTR（2）

式中，QTYAM代表動物飼養(yǎng)數(shù)量，NODischarge代表動物糞尿排氮量，NMTR代表動物糞尿還田比例[11,14]。

動物糞尿排氮量（NODischarge）參見1.3.2公式（17），還田比例來自筆者課題組文獻(xiàn)積累數(shù)據(jù)和調(diào)研數(shù)據(jù)[15-16]。

NISt=NOSY×NSTR（3）

式中，NOSY代表作物副產(chǎn)品收獲氮量，NSTR代表副產(chǎn)品還田比例[11,14]。作物副產(chǎn)品收獲氮量，參見1.3.1公式（7），還田比例來自筆者課題組積累數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)[8,13]。

人糞尿氮還田量（NIHM）由本地家庭消費(fèi)氮量和還田比例相乘獲得，本地家庭消費(fèi)氮量見1.3.3部分，還田比例采用NUFER模型數(shù)據(jù)[11,14]。

NIIW（灌溉水輸入氮量）：NIIW=CCA×NIIWA（4）

式中，CCA代表作物種植面積，NIIWA代表年單位面積灌溉氮量[11,14]。年單位面積灌溉氮量來自筆者課題組積累數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)[8,13]。

NIBNF（生物固氮輸入氮量）及NIdep（干濕沉降氮量）采用NUFER模型的算法[11,14]。

NIBNF=NFCCA×NINFCA（5）

式中，NIBNF代表生物固氮輸入氮量，NFCCA代表固氮作物（花生、大豆等）種植面積，NINFCA代表單位面積生物固定氮量[11,14]。單位面積生物固氮量來自筆者課題組積累數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)[8,13]。NIdep與NIBNF算法相似，由耕地面積與年單位面積干濕沉降氮量相乘得出。

（2）輸出項計算方法和數(shù)據(jù)來源 農(nóng)田輸出項包括作物收獲氮素量、水體排放氮素量和氣體排放氮素量。作物收獲氮量包括作物主產(chǎn)品收獲氮素量和作物副產(chǎn)品收獲氮素量。

NOGY（作物主產(chǎn)品收獲氮量）=NOYG×NYNC（6）

式中，NOYG代表主產(chǎn)品產(chǎn)量，NYNC代表主產(chǎn)品氮含量[11,14]。

NOYS（作物副產(chǎn)品收獲氮量）=NOYG×NRCS×NSC（7）

式中，NOYG代表主產(chǎn)品產(chǎn)量，NRCS代表谷草比，NSC代表副產(chǎn)品含氮量[11,14]。

主要作物主產(chǎn)品的產(chǎn)量參考中國統(tǒng)計年鑒（2008—2015年）、中國60年農(nóng)業(yè)統(tǒng)計資料[4,12]獲得，谷草比、作物籽粒含氮量、作物秸稈含氮量、蔬菜氮素含量以及水果氮素含量的相關(guān)系數(shù)來源于NUFER模型[8,13,17]。

采用NUFER模型方法計算大氣和水體氮素排放，其中地表徑流、淋洗、侵蝕、氨揮發(fā)、氧化亞氮排放產(chǎn)生的氮素?fù)p失量，為各個損失項的損失系數(shù)與農(nóng)田表觀氮盈余量的乘積[17]。地表徑流、淋洗、侵蝕、氨揮發(fā)、氧化亞氮排放損失系數(shù)參考NUFER模型[8,13,17]。農(nóng)田表觀氮盈余量為農(nóng)田氮總輸入量與作物產(chǎn)品收獲氮量之差。

1.3.2 畜牧子系統(tǒng) （1）輸入項計算方法和數(shù)據(jù)來源 畜牧系統(tǒng)輸入項主要包括本地飼料氮投入量和外源飼料氮投入量。

NILC（本地飼料氮投入量）=（NOYG+NOSY）×NRF（8）

式中，NOYG代表作物主產(chǎn)品收獲氮量，NOSY代表作物副產(chǎn)品收獲氮量，NRF代表飼用比例[11,14]。

NIEC（外源飼料氮投入量）=NIAM-NILC（9）

NIAM=NOAMMP+NOAMSP+NOManure+NOAMB（10）

式中，NIAM代表動物體系氮需求量（等于動物體系氮素輸出量），NOAMMP代表肉蛋奶產(chǎn)品氮量，NOAMSP代表動物副產(chǎn)品氮量，NOManure代表動物糞尿氮量，NOAMB代表動物活體含儲存氮量，這些項目的計算方法見1.3.2（2）輸出項算法，外源飼料主要包括牧草和飼料添加劑等的外地進(jìn)口。

（2）輸出項計算方法和數(shù)據(jù)來源 動物體系氮素輸出包括動物主產(chǎn)品氮量、副產(chǎn)品氮量、糞尿氮量和動物活體氮素的變化量。

NOAMMP（動物主產(chǎn)品氮量）=NOAMMeat+ NOAMMilk+NOAMEgg+NOAMAP（11）

NOAMMeat（肉氮量）=QTYAM×G.WAMA×NORAMMeat×NOAMMeatNC（12）

NOAMMilk（奶氮量）=NOAMMilkP×NOAMMilkNC（13）

NOAMEgg（蛋氮量）=NOAMEggP×NOAMEggNC（14）

NOAMAP（水產(chǎn)品氮量）=NOAMAPP×NOAMAPNC（15）

式中，QTYAM代表動物數(shù)量，G.WAMA代表單個動物活體質(zhì)量，NORAMMeat代表肉所占比例，NOAMMeatNC代表肉含氮量，NOAMMilkP代表奶產(chǎn)量，NOAMMilkNC代表奶含氮量，NOAMEggP代表蛋產(chǎn)量，NOAMEggNC代表蛋含氮量，NOAMAPP代表水產(chǎn)品產(chǎn)量，NOAMAPNC代表水產(chǎn)品含氮量[11,14]。

NOAMSP（動物副產(chǎn)品氮量）=QTYAM×G.WAMA×（NOAMRB×NOAMNCB+NOAMRO×NOAMNCO） （16）

式中，G.WAMA代表單個動物活體質(zhì)量，NOAMRB代表骨所占比例，NOAMNCB代表骨含氮量，NOAMRO代表其他副產(chǎn)品所占比例，NOAMNCO代表其他副產(chǎn)品含氮量[11,14]。

NOManure（糞尿氮量）=QTYAM×QTYAM×NODischargeA（17）

式中，NODischargeA代表單個動物排泄氮量[11,14]。

NOAMB（活體氮量），其為年際之間動物體系存欄數(shù)量的不同而引起的活體氮量變動。

NOAMB=QTYAM×NOAMBNC（18）

式中，NOAMBNC代表動物活體（可食用部分）氮含量[11,14]。

畜禽飼養(yǎng)數(shù)量和畜禽產(chǎn)品（肉蛋奶等）產(chǎn)量來源于中國60年農(nóng)業(yè)統(tǒng)計資料及中國統(tǒng)計年鑒[4,12]；畜禽糞尿含氮量、飼料養(yǎng)分的飼用比例來自筆者課題組積累數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)[15,18-20]；動物活體可食部分氮含量、畜禽出欄酮體重以及肉、骨、副產(chǎn)物比例和含氮量均來源于筆者課題組積累數(shù)據(jù)[4,13,15-16]。

動物糞尿向水體及向大氣排放氮量采用NUFER模型方法計算，由糞尿產(chǎn)生氮數(shù)量及相應(yīng)的向水體、大氣排放系數(shù)的乘積得到[17]。

1.3.3 農(nóng)牧系統(tǒng) 整個系統(tǒng)中輸入項如化肥、外源飼料、干濕沉降、生物固氮、人糞尿還田量、灌溉水的氮量和輸出項如水體、大氣排放氮量的計算方法和數(shù)據(jù)來源見農(nóng)田和畜牧子系統(tǒng)部分。而動植物產(chǎn)品輸出項的計算如下：

NCLC=NCLCCC+NCLCCU+NCLCAC+NCLCAU（19）

NCLCCC=PNLC×PCLCA×CPCN（20）

式中，NCLC代表本地農(nóng)村及城鎮(zhèn)動植物食品氮總消費(fèi)量，NCLCCC與NCLCCU分別代表農(nóng)村動植物食品氮本地消費(fèi)量，NCLCAC以及NCLCAU分別代表城鎮(zhèn)動植物食品氮本地消費(fèi)量[11,14]；PNLC代表農(nóng)村人口數(shù)，PCLCA人均食品植物性氮產(chǎn)品消費(fèi)量，CPCN代表植物食品氮含量[11,14]；本地農(nóng)村（城鎮(zhèn)）動植物性氮產(chǎn)品與本地農(nóng)村植物性氮產(chǎn)品消費(fèi)量算法相同。

NCEC= NOLCM-NCLC-NFLCM（21）

式中，NCEC代表動植物產(chǎn)品外銷氮數(shù)量，NOLCM代表本地主產(chǎn)品產(chǎn)生氮量，NCLC代表本地食品氮消費(fèi)量，NFLCM代表動植物產(chǎn)品用作飼料氮量[11,14]。

1.4 評價指標(biāo)

農(nóng)田氮盈余量=農(nóng)田輸入氮素量-農(nóng)田輸出氮素量；農(nóng)田氮養(yǎng)分利用率（%）=作物收獲氮素量（主產(chǎn)品+副產(chǎn)品）÷農(nóng)田輸入氮素量×100；畜牧氮養(yǎng)分利用率（%）=（畜牧主產(chǎn)品氮+畜牧副產(chǎn)品氮）÷畜牧體系投入氮×100；本地飼料氮素利用率（%）=本地飼料投入氮素÷本地飼料資源氮素×100[11,14]；外部飼料氮素依賴率（%）=外部飼料氮素÷飼料總投入氮素×100；動物糞尿氮素回田率（%）=糞尿還田氮素÷糞尿產(chǎn)生氮素×100；農(nóng)牧系統(tǒng)氮素利用率（%）=（植物性食品氮+動物性食品氮）÷農(nóng)牧系統(tǒng)總投入氮量×100。

2 結(jié)果

2.1 農(nóng)田子系統(tǒng)不同年代氮素輸入和輸出核算

1980—2015年間河北省農(nóng)田體系的氮素總輸入量和總輸出量均呈現(xiàn)明顯的增加趨勢。總輸入量變化可以分為2個階段，1980—1998年為快速增長階段，由95.1×104t增至277.8×104t，增長了1.9倍；之后為基本穩(wěn)定階段?；室恢笔寝r(nóng)田體系氮素輸入的主要來源，其投入量一直占總投入量的60%以上，近年來接近70%；而有機(jī)肥氮素投入1980—2005年整體呈現(xiàn)增加趨勢，2006年以后呈現(xiàn)減少趨勢。從氮素總輸出量來看，總體趨勢與氮素總輸入一致，呈現(xiàn)先增加后平穩(wěn)的趨勢。作物收獲量作為最重要的氮素輸出項，36年間由46.8×104t增至112.2×104t，增長約1.5倍；氨揮發(fā)是主要的氮素?fù)p失項，約占氮素總輸出項的30%左右，36年其年排放總量由21.6×104t增至57.8×104t，增長了1.7倍；此外，徑流、淋洗和反硝化造成的氮素?fù)p失也在不斷增加；氮素水體和大氣損失量36年增加了1.9倍。氮素可計算的總輸出量占總輸入量的比例由1980年的75.4%降至2015年的69.9%，導(dǎo)致農(nóng)田氮素大量盈余，年均總盈余量由73.2×104t增至190.9×104t，增加了1.6倍（圖2）。

2.2 農(nóng)田子系統(tǒng)不同區(qū)域氮素輸入和輸出核算

2015年農(nóng)田體系不同區(qū)域單位面積氮素輸入量不同，邯鄲市和唐山市較高（＞600 kg·hm-2），張家口市和承德市較低（＜200 kg·hm-2）。其中化肥氮素投入量邯鄲市最高，為463.1 kg·hm-2，張家口市最低，為65.3 kg·hm-2。作物收獲氮素量邯鄲市最多，為365.1 kg·hm-2，張家口市最少，僅為48.5 kg·hm-2；氮素盈余量唐山市最高，為267.8 kg·hm-2，衡水市最低，為51.6 kg·hm-2（圖3）。上述結(jié)果表明，河北省不同區(qū)域間農(nóng)田氮素的分配和利用存在著嚴(yán)重的不均衡。

圖2 1980—2015年河北省農(nóng)田系統(tǒng)氮素平衡

圖3 2015年河北省不同區(qū)域單位面積農(nóng)田系統(tǒng)氮素平衡

2.3 畜牧子系統(tǒng)不同年代氮素輸入和輸出核算

河北省畜牧系統(tǒng)氮素輸入可分為2個階段，1980—2005年間，河北省畜牧體系氮素總輸入量明顯增加，在2005年達(dá)到最高，約為201.8×104t，與1980年的氮素輸入量相比增加了7.7倍，隨后幾年的輸入量保持在140×104t左右，趨于穩(wěn)定。相比于本地飼料氮素輸入量，系統(tǒng)外源飼料氮素輸入量大幅度增加，且明顯高于本地飼料氮素的輸入量。其中，外源飼料氮素輸入量在畜牧體系氮素總輸入量中所占的比例呈遞增趨勢，由60.5%（1980年）增至71.7%（2015年）。36年間，畜牧體系動物產(chǎn)品氮素輸出量和動物糞尿氮素資源量，同樣表現(xiàn)出明顯的增加趨勢，尤其是糞尿氮素資源量由21.8×104t增至115.3×104t（圖4）。

圖4 1980—2015年河北省畜牧體系氮素平衡

2.4 畜牧子系統(tǒng)不同區(qū)域氮素輸入和輸出核算

2015年河北省不同區(qū)域畜牧體系單位面積的氮素養(yǎng)分流動數(shù)量表現(xiàn)為：本地飼料的氮素供應(yīng)量最高的是邯鄲市，約為105.0 kg·hm-2，最低的是張家口市，約為18.4 kg·hm-2；對于外源飼料的氮素需求量最多的是邯鄲市，約為406.2 kg·hm-2，最少的是滄州市，約為105.7 kg·hm-2；從畜牧系統(tǒng)的氮素輸出項來說，動物產(chǎn)品的氮素輸出量邯鄲市最高，約為133.9 kg·hm-2，最低的是滄州市，約為32.8 kg·hm-2；動物糞尿產(chǎn)生的氮素量邯鄲市最高，約為377.3 kg·hm-2，衡水市最低，為122.6 kg·hm-2（圖5）。畜牧體系氮素的來源和利用也存在嚴(yán)重的區(qū)域不均衡。

2.5 農(nóng)牧系統(tǒng)不同年代氮素利用和去向的變化

河北省農(nóng)牧系統(tǒng)1980年和2015年總輸入氮量分別為88.9×104t和325.7×104t，產(chǎn)品總輸出氮量分別為35.1×104t和109.7×104t，產(chǎn)品總輸出占總輸入的比例分別為39.5%和33.7%。與1980年相比，2015年農(nóng)牧系統(tǒng)氮素輸入量和輸出量分別增加2.7和2.1倍，產(chǎn)品輸出量占輸入量比例降低了近6%。從輸入項構(gòu)成看，1980年到2015年化肥氮素投入比例由66.9%降至57.0%，而外源飼料氮素投入比例則由15.9%增至31.0%。在氮素總輸出中，1980年到2015年農(nóng)田產(chǎn)品氮素輸出量比例由95.4%降至82.1%，動物產(chǎn)品占比由4.6%升至17.9%。同時，農(nóng)田產(chǎn)品和動物產(chǎn)品外銷氮素也有大幅度提高。氮素向大氣和水體的排放是主要的氮素?fù)p失項，1980年分別為27.2×104t和6.2×104t，2015年分別為77.5×104t和80.4×104t，分別增加了1.8和12.0倍。向水體排放氮素占氮素總損失的比例由1980年18.5%升至2015年50.9%；同時，畜牧業(yè)的環(huán)境損失貢獻(xiàn)在加大，其貢獻(xiàn)率由1980年的19.5%上升到2015年的51.0%（圖6-a、6-b）。農(nóng)牧結(jié)合體系36年養(yǎng)分積累量結(jié)果表明，河北省農(nóng)牧系統(tǒng)累計輸入總氮素量高達(dá)9 038.9×104t，化肥氮素投入量約占總氮素投入量的55.7%，外源飼料氮素投入量占總氮素投入量的33.1%，農(nóng)牧產(chǎn)品累計輸出總氮素量為2 537.4×104t，占累計輸入總氮素量的28.1%，向大氣、水體排放的總累計氮素量高達(dá)4 061.2×104t，約占累計輸入總氮量的44.9%（圖6-c）。

2.6 河北省農(nóng)牧系統(tǒng)氮素利用和循環(huán)狀況

1980—2015年間農(nóng)田體系所產(chǎn)生的本地飼料氮利用率在緩慢增加，由45.6%增加到60.5%。同時，隨著外源飼料投入比例的不斷增加，畜牧生產(chǎn)體系對外源飼料的依賴程度在不斷增加，由1980年的60.5%增至2005年的85.6%，之后有所下降并趨于平穩(wěn)，維持在75.0%左右。1980—2015年間畜牧體系動物糞尿氮素還田比率逐漸降低，由70.4%降至30.2%（圖7）。36年間農(nóng)田系統(tǒng)的氮素利用率由47.2%降至41.4%。畜牧體系的氮素利用率從1980年的6.4%增至2015年的16.3%。農(nóng)牧結(jié)合體系的氮素利用率總體呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，由1980年的36.0%降至2015年的31.3%（圖8）。

圖5 2015年不同區(qū)域單位面積畜牧體系氮素平衡

3 討論

3.1 河北省農(nóng)田系統(tǒng)氮養(yǎng)分流動特征

農(nóng)田養(yǎng)分流動特征反映了系統(tǒng)內(nèi)的養(yǎng)分輸入輸出量變化、養(yǎng)分利用率、養(yǎng)分管理效果以及對環(huán)境的影響，一直都是研究者所關(guān)注的重要問題[7,18]。在區(qū)域尺度上，國內(nèi)外很多研究對農(nóng)田系統(tǒng)氮素平衡進(jìn)行了探索，例如Krishna等[19]在對印度土表養(yǎng)分平衡（2001—2002年）進(jìn)行核算后，對國家不同區(qū)域的養(yǎng)分盈余狀況進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述，并明確了其優(yōu)化管理方向；國內(nèi)一些學(xué)者則研究了全國及其各個省域農(nóng)田養(yǎng)分平衡狀況[7,17,20]。與這些研究相比，河北省農(nóng)田氮素流動具有典型的特征：（1）河北省農(nóng)田體系氮素輸入量增速快，36年增長了2倍；區(qū)域間極不平衡，單位面積農(nóng)田氮素輸入量最高的邯鄲市與最低的張家口市相差近500 kg·hm-2，多數(shù)區(qū)域單位面積氮肥投入量高于作物推薦量150—180 kg·hm-2水平[21]；（2）2015年河北省農(nóng)田化肥氮素投入量約占總投入氮量的70%，而國內(nèi)一些研究結(jié)果顯示，化肥氮素投入占農(nóng)田氮素投入的比例分別為47.4%（全國尺度）[22]、56.1%（全國尺度）[7]、61.5%（華北地區(qū)）[23]，與這些研究結(jié)果相比，河北省化肥氮素投入所占比例偏高；（3）河北省農(nóng)田氮素利用率逐年降低，至2015年為41.4%，接近李書田等[23]在華北地區(qū)研究結(jié)果（41.3%），低于Jarvis等[24]關(guān)于歐洲西北地區(qū)的典型種植體系的研究結(jié)果（53.0%）；（4）荷蘭MINAS規(guī)定[18]的農(nóng)田氮素盈余量為60 kg·hm-2（沙質(zhì)土壤）、100 kg·hm-2（黏質(zhì)土壤），在河北省的11個行政市中，有6個市域的農(nóng)田氮素盈余量＞100 kg·hm-2，平均農(nóng)田氮素盈余量為133.1 kg·hm-2，與王激清等[7]研究結(jié)果一致；與Sun等[20]建議的100 kg·hm-2（農(nóng)田氮素年盈余量潛在環(huán)境污染指標(biāo)）和180 kg·hm-2（高風(fēng)險環(huán)境污染的指標(biāo)）相比，河北省農(nóng)田系統(tǒng)因氮素大量盈余所帶來的環(huán)境風(fēng)險不容忽視。由此可見，河北省農(nóng)田體系氮素流動具有投入量大、化肥氮素投入占比高、氮素利用率低、區(qū)域之間差異大、環(huán)境風(fēng)險高等特征。

圖7 1980—2015年河北省本地飼料氮利用率、外源飼料氮依賴率和動物糞尿氮回田率的變化

圖8 1980—2015年河北省農(nóng)田系統(tǒng)、畜牧系統(tǒng)和農(nóng)牧系統(tǒng)氮素利用率的變化

3.2 河北省畜牧系統(tǒng)氮養(yǎng)分流動特征

近些年來，中國畜牧業(yè)養(yǎng)殖方式由農(nóng)戶散養(yǎng)型向小區(qū)養(yǎng)殖型、集約化養(yǎng)殖型進(jìn)行轉(zhuǎn)變，由此帶來一系列的大氣、水體等環(huán)境問題，分析其原因是因為動物糞尿還田率低、管理措施不配套，所導(dǎo)致的氮素?fù)p失及其他環(huán)境污染[14,17,25-27]。本研究表明，1980—2015年間由于河北省農(nóng)牧系統(tǒng)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，2015年畜牧體系動物糞尿的氮素產(chǎn)生量大量增加，是1980年的5.3倍。與1980年相比，畜牧系統(tǒng)2015年的外源飼料氮素投入量增加了86.9×104t，而動物產(chǎn)品的氮素輸出量卻只增加了22.3×104t，外源飼料氮素依賴率從1980年的60.5%增至2005年的85.6%，之后有所下降并趨于平穩(wěn)，維持在75.0%左右。畜牧體系的氮素利用率，從1980年的6.4%增加到2015年的16.3%，與Jonker等[28-29]的研究結(jié)果（25%—35%）相比偏低。河北省畜牧系統(tǒng)不同區(qū)域單位面積糞尿氮素產(chǎn)出量平均值為208.7×104t，其中邯鄲市、秦皇島市、唐山市、石家莊市、保定市的單位面積氮素糞尿氮素產(chǎn)出量均高于歐盟單位面積耕地氮素限量標(biāo)準(zhǔn)170 kg·hm-2[30-31]，說明河北省存在因糞尿氮素過量而導(dǎo)致的環(huán)境污染風(fēng)險。綜上所述，河北省畜牧體系氮素流動具有外源氮素依賴率高、養(yǎng)分利用率低、糞尿氮素還田率低、區(qū)域間不均衡、環(huán)境風(fēng)險高等特征。

3.3 河北省農(nóng)牧系統(tǒng)氮素流動特征

如何走好種養(yǎng)結(jié)合的道路，在充分保障糧食安全和畜牧業(yè)高效發(fā)展的同時，降低生產(chǎn)過程中的資源環(huán)境代價，實現(xiàn)環(huán)境友好、清潔生產(chǎn)，已成為目前中國農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的首要任務(wù)[30-34]。歐洲、美國等發(fā)達(dá)國家通過出臺一系列的環(huán)境法律法規(guī)限制農(nóng)牧系統(tǒng)的氮素輸入量，提高體系內(nèi)氮素的利用效率，從而減緩氮素所帶來的污染問題[32,35]。本研究表明，河北省農(nóng)牧系統(tǒng)36年累積氮素投入量為9 038.9×104t，化肥氮素投入量約占總氮素投入量的55.8%，外源飼料氮素投入量占總氮素投入量的31.5%，且外源飼料氮的依賴程度在不斷增大。1980—2015年間畜禽糞尿氮還田率不斷下降，由70.4%大幅度下降到30.2%，明顯低于歐盟國家的68%[36]。導(dǎo)致畜禽糞尿氮素還田率低的主要原因包括：（1）畜禽糞尿在“飼舍-儲藏-處理”環(huán)節(jié)管理不合理，導(dǎo)致大量氮素向大氣排放，特別是氨揮發(fā)損失嚴(yán)重，占總排泄氮量的26.8%；（2）在中大型規(guī)模養(yǎng)殖場/小區(qū)，缺乏糞污處理設(shè)施，未經(jīng)處理的糞污直接向水體排放（占總排泄氮量的19.0%）；（3）農(nóng)田生產(chǎn)大量依靠化肥投入，有機(jī)肥施用比例較低。由于大量的化肥氮素投入、高外源飼料氮素依賴率和較低的動物糞尿氮素還田率，河北省農(nóng)牧結(jié)合體系中的氮素利用率不斷下降，降至2015年的31.2%，明顯低于中國農(nóng)牧系統(tǒng)平均氮素利用率（41%）[37]。由此可見，河北省農(nóng)牧生產(chǎn)體系在氮素利用和循環(huán)方面嚴(yán)重脫節(jié)。

3.4 河北省農(nóng)牧系統(tǒng)生產(chǎn)過程中的環(huán)境影響

農(nóng)牧結(jié)合體系生產(chǎn)過程中，對環(huán)境的影響主要體現(xiàn)在氮素向大氣和水體的排放。本研究結(jié)果表明，河北省農(nóng)牧系統(tǒng)向大氣和水體排放的氮素總量分別為33.4×104t（1980年）、157.9×104t（2015年），氣體氮素?fù)p失比例由1980年的81.4%降至2015年的49.1%；水體排放損失占氮素總損失的比例呈現(xiàn)上升趨勢，由18.6%增加到50.9%，與前人研究結(jié)果較為一致。劉曉利[37]研究表明，2001年中國農(nóng)牧系統(tǒng)氮素?fù)p失以氣態(tài)損失為主，占總損失量的66.9%；馬林[17]對2005年中國農(nóng)牧系統(tǒng)氮素?fù)p失量進(jìn)行了估算，其中氣態(tài)損失占比為52.6%，進(jìn)入水體的氮素?fù)p失為47.4%。在總損失的貢獻(xiàn)方面，Zhang等[38]2010年研究結(jié)果表明大氣氮素?fù)p失有47.5%來自畜牧業(yè)；Zhou等[39]對京津冀地區(qū)氨揮發(fā)損失貢獻(xiàn)比率進(jìn)行了研究，其中畜牧業(yè)貢獻(xiàn)率為56.7%，本研究取得類似研究結(jié)果，畜牧體系對農(nóng)牧系統(tǒng)氮素?fù)p失的貢獻(xiàn)率由1980年的19.5%上升到2015年的51.0%，說明畜牧業(yè)在氮素?fù)p失方面的貢獻(xiàn)率不斷提高。36年間，河北省農(nóng)牧系統(tǒng)向大氣、水體排放的總積累氮素量高達(dá)4 061.2×104t，約占總積累輸入氮量的44.9%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出歐盟排放量（30%，其中氣體26%，水體4%）[36]。由此可見，河北省農(nóng)牧系統(tǒng)生產(chǎn)過程中對大氣和水體的環(huán)境影響問題不容忽視。

3.5 優(yōu)化途徑

針對河北省農(nóng)牧結(jié)合體系存在的高氮素投入、低植物產(chǎn)品和動物產(chǎn)品生產(chǎn)氮素利用率、高環(huán)境氮素排放，農(nóng)牧結(jié)合體系氮素利用嚴(yán)重脫節(jié)的問題，建議從以下途徑進(jìn)行優(yōu)化：（1）農(nóng)田系統(tǒng)應(yīng)減少化學(xué)肥料氮素的投入[21]，采取合理的施肥技術(shù)[40]（測土配方施肥技術(shù)），根據(jù)農(nóng)作物需求確定施肥量；在控制施肥量的同時采用合理的施肥方法，例如溝施、深施，結(jié)合前氮后移技術(shù)，以及合適的作物種植管理技術(shù)，提高氮素利用率[41]；（2）畜牧系統(tǒng)應(yīng)該從飼料營養(yǎng)和飼養(yǎng)管理方面來入手[28-29,32]，提高動物產(chǎn)品氮素的利用效率，從氮素投入源頭和動物養(yǎng)分利用過程來降低后期動物糞尿中的氮素含量；對動物糞尿進(jìn)行處理，例如建立沼氣池生產(chǎn)沼氣、進(jìn)行堆肥、對糞尿進(jìn)行覆蓋等處理，減少糞尿管理不合理造成的氮素?fù)p失[42]；（3）農(nóng)牧結(jié)合體系中，應(yīng)該減少化學(xué)肥料的投入[43]，將動物糞尿進(jìn)行處理后回田，有機(jī)肥和化肥配合施用，提高本地農(nóng)作物產(chǎn)品的數(shù)量和品質(zhì)，提高本地飼料的飼用比例，實現(xiàn)真正的農(nóng)牧結(jié)合；（4）國家應(yīng)加快制定相關(guān)法律法規(guī)，借鑒歐盟環(huán)境保護(hù)法規(guī)（硝酸鹽法規(guī)、歐盟水框架法規(guī)等）對氮素肥料施用和動物糞尿儲藏與處理進(jìn)行明確規(guī)定，實現(xiàn)清潔生產(chǎn)[30,44]。

4 結(jié)論

（1）河北省農(nóng)田體系氮素流動具有投入量大、化肥氮素投入占比高、氮素利用率低、區(qū)域之間差異大、環(huán)境風(fēng)險高等特征。從1980年到2015年，河北省農(nóng)田體系氮素總輸入量、總輸出量均明顯增加，其中1980年到1996年為快速增長階段并達(dá)到最高峰，之后趨于穩(wěn)定；農(nóng)田產(chǎn)品氮素輸出量的增長幅度遠(yuǎn)小于氮素輸入量的增長幅度，導(dǎo)致氮素盈余增加、氮素利用率持續(xù)降低。

（2）河北省畜牧體系氮素流動具有外源氮素依賴率高、養(yǎng)分利用率低、糞尿氮素還田率低、區(qū)域間不均衡、環(huán)境風(fēng)險高等特征。河北省畜牧體系本省飼料（氮素）投入量難以滿足畜牧業(yè)發(fā)展的需求，飼料主要來源于外省飼料的購入。此外，雖然畜禽生產(chǎn)環(huán)節(jié)的氮素利用率在逐年增加，但是較歐美發(fā)達(dá)國家，其利用率仍較低。大量糞尿氮素資源的產(chǎn)生及低回田率，導(dǎo)致向大氣、水體的大量氮素?fù)p失，加劇環(huán)境風(fēng)險。

（3）河北省農(nóng)牧系統(tǒng)在氮素利用和循環(huán)方面嚴(yán)重脫節(jié)。較高的化肥氮素投入、高的外源飼料氮素依賴率、低的動物糞尿氮還田率和畜牧業(yè)在農(nóng)牧系統(tǒng)氮素總損失中貢獻(xiàn)率的增加都表明農(nóng)田系統(tǒng)和畜牧系統(tǒng)未能很好地結(jié)合，畜牧業(yè)氮素?fù)p失的貢獻(xiàn)越來越大，形成了現(xiàn)在的高環(huán)境代價、低產(chǎn)出、低利用率的農(nóng)牧系統(tǒng)。河北省應(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，從而降低因“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。

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（責(zé)任編輯 岳梅）

Nitrogen flow and environmental effects of crop-livestock system in typical area of North China Plain-A Case Study in Hebei province

Tong Bingxin1, Zhang Huafang1, Gao Xiaoxian1, Hou Yong2, Ma Wenqi1

(1College of Resources and Environmental Sciences, Hebei Agricultural University, Baoding 071001;2College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University/Key Laboratory of Plant-Soil Interactions, Ministry of Education, Beijing 100193)

【Objective】The objective of this study is to evaluate the characteristics of nitrogen (N) flow and environmental effects in crop-livestock system in Hebei Province, North China Plain at regional level for the period of 1980-2015, analyze the nitrogen cycle use and recycling efficiency and the degree of combination of agriculture and animal husbandry, discuss the improved management strategies of nitrogen, and to provide a basis for the sustainable development of crop-livestock system in China. 【Method】Taking the crop-livestock system in Hebei province as the research boundary, based on the material flow analysis (MFA) method, the input-output balance, recycling and loss of N in the crop system, livestock system and crop-livestock system of Hebei Province were analyzed from the year 1980 to 2015, supplemented with the data from national and regional statistics, literature and farmers’ surveys. N use efficiency, surplus and recycling ratio were considered as the indexes to analyze N flow characteristics and environmental effects. The N input items of crop-livestock system mainly included chemical fertilizer, biological nitrogen fixation, deposition, irrigation, human feces and urine reused as fertilizer and imported feed; the N output items mainly included the locally consumed and exported main product and by-product of crop and livestock systems, N lost to water body and air; the internal N recycling items mainly included by-product of crop system returned to field, main product and by-product of crop system as local animal feed, and livestock manure returned to field. 【Result】In the crop system, the total N input and the amount of N in harvested crops increased by 1.9 and 1.5 times from 1980 to 2015. The N surplus and loss from crop system increased by 1.7 and 1.9 times, respectively, leading to the decrease in N use efficiency (from 47.2% to 41.4%). Compared with the organic fertilizer N input, the chemical N fertilizer input accounted for more than 60% of the total N input in farmland, and in recent years it was close to 70%. The N balance of farmland varied greatly among regions. In terms of N input, Handan and Tangshang were higher (＞600 kg·hm-2), and Chengde was the lowest (＜200 kg·hm-2). In terms of N surplus, Tangshang was the highest (267.8 kg·hm-2), while Hengshui was the lowest (51.6 kg·hm-2). The amount of N input in livestock system also increased significantly, reaching a maximum on 2005, which was 7.7 times higher than that in 1980. The amount of N in animal products and animal excretion increased rapidly. Especially the N production of feces and urine increased from 21.8×104t to 115.3×104t. The N produced by manure was the highest in Handan (377.3 kg·hm-2), and Hengshui was the lowest production (122.6 kg·hm-2). The N dependence rate of exogenous feed increased from 60.5% to 72.7%, the N return rate of livestock feces and urine decreased from 70.4% to 30.2%, but the N utilization efficiency of livestock system increased from 6.4% to 16.3%. In the crop-livestock system, the 36-year accumulated N input was as high as 9 038.9×104t. The chemical N fertilizer input accounted for about 55.7% of the total N input, and N input via imported feed occupied 33.1% of total N input. For the total accumulated N output, the N output via crop and animal products (2 537.4×104t), accounting for 28.1% of the total input N. The 36-year accumulated N loss into air and water was 4 061.2×104t, accounting for 44.9% of the total N input. 【Conclusion】 From 1980 to 2015, the amount of N input in crop-livestock system in Hebei Province increased significantly, N enrichment and environmental emissions were serious, N use efficiency was low, and there were great differences in N balance per unit area in different regions. The N cycle between crop production and livestock production is seriously disjointed. Therefore, we should make full use of local feed resources, improve the return rate of organic fertilizer, and take the road of combination of agriculture and animal husbandry, so as to reduce the cost of “high input and low efficiency” caused by “separation of agriculture and animal husbandry” and promote sustainable development of agriculture and animal husbandry.

nitrogen; crop-livestock system; nutrient cycling; environmental effect; nutrient use efficiency; Hebei Province

2017-05-31；

2017-07-29

國家自然科學(xué)基金面上項目（31272247）、國家國際科技合作專項項目（2015DFG91990）

佟丙辛，E-mail：tbx19880806@126.com。

馬文奇，E-mail：mawq@hebau.edu.cn