農(nóng)牧交錯帶農(nóng)牧系統(tǒng)氮素流動與環(huán)境效應(yīng)——以山西省為例

張建杰，郭彩霞，李蓮芬，張強(qiáng)

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農(nóng)牧交錯帶農(nóng)牧系統(tǒng)氮素流動與環(huán)境效應(yīng)——以山西省為例

張建杰1，郭彩霞1，李蓮芬2，張強(qiáng)1

（1山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所/山西省土壤環(huán)境與養(yǎng)分資源重點實驗室，太原 030031；2山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所，太原 030032）

【目的】探明山西省農(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)一步為山西實施區(qū)域養(yǎng)分資源管理、加快農(nóng)牧交錯帶產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整提供科學(xué)依據(jù)。【方法】在整理統(tǒng)計資料、文獻(xiàn)數(shù)據(jù)和實地調(diào)研的基礎(chǔ)上，使用食物鏈養(yǎng)分流動模型（nutrient flows in food chains, environment and resources use，NUFER）和GIS，估算山西省農(nóng)牧交錯帶（主要涉及大同、朔州、忻州、呂梁、臨汾和太原等6個地市）42個縣區(qū)農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)的氮素賬戶平衡、流動路徑及損失途徑?！窘Y(jié)果】不同縣區(qū)農(nóng)田化學(xué)氮肥投入存在“兩極分化”的現(xiàn)象，投入水平范圍在6.7—253 kg·hm-2，極值間相差38倍；各縣區(qū)農(nóng)田氮素的投入結(jié)構(gòu)也表現(xiàn)出較大差異，主要跟當(dāng)?shù)鼗瘜W(xué)氮肥施用習(xí)慣及農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系；單位農(nóng)田面積農(nóng)作物主產(chǎn)品的氮素攜出量范圍在19.11—96.75 kg·hm-2，空間上整體呈現(xiàn)南北高、中部低的變化趨勢；不同縣區(qū)農(nóng)田氮素盈余量在-16—202 kg·hm-2，氮素虧缺與盈余情況并存；區(qū)內(nèi)畜牧生產(chǎn)系統(tǒng)中外源飼料氮素投入差異較大，朔州市的山陰縣外源飼料氮素投入高達(dá)0.94×104t，而忻州的五寨、臨汾的隰縣、大寧和蒲縣，則可以通過作物生產(chǎn)系統(tǒng)來滿足畜牧生產(chǎn)系統(tǒng)的飼料需求，也充分反映了各縣區(qū)畜牧業(yè)養(yǎng)殖規(guī)模和農(nóng)牧產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)存在較大差異；區(qū)內(nèi)單位面積農(nóng)田動物主產(chǎn)品氮素攜出量范圍在1.51—27.50 kg·hm-2，極差25.99 kg·hm-2，說明各縣區(qū)畜牧生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)力水平差異較大，單位農(nóng)田面積動物主產(chǎn)品的氮素攜出量＞13 kg·hm-2的分布在區(qū)域北部朔州市的山陰、懷仁、大同等縣區(qū)，表明這些縣區(qū)畜牧生產(chǎn)系統(tǒng)中的氮素利用率較高；單位耕地面積畜禽糞尿氮素負(fù)荷較高（＞50 kg·hm-2）的縣區(qū)主要分布在區(qū)域北部；農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)氮素?fù)p失的空間分布格局明顯：一級區(qū)（＞200 kg·hm-2）分布在區(qū)域北部，二級區(qū)（120—200 kg·hm-2）分布在區(qū)域南部和北部，三級區(qū)（＜120 kg·hm-2）主要分布在區(qū)域中部，今后應(yīng)重點關(guān)注區(qū)域北部農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)過程中的氮素?fù)p失及環(huán)境問題?！窘Y(jié)論】農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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，今后農(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，還要兼顧來源于環(huán)境投入部分的氮素，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。

農(nóng)牧交錯帶；NUFER模型；農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)；氮流動；環(huán)境效應(yīng)；山西省

0 引言

【研究意義】氮素是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、消費和面源污染的重要驅(qū)動者[1]?？v觀國際[2]和國內(nèi)[3]，都通過使用化學(xué)氮肥緩解和解決了糧食安全問題，但隨著近些年農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)氮素投入的不斷增加，給大氣[4]、水體[5]、土壤[6]等環(huán)境載體帶來嚴(yán)峻的污染問題；同時，人們飲食結(jié)構(gòu)的改變拉動了畜禽業(yè)的蓬勃發(fā)展，不少學(xué)者認(rèn)為規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖過程中糞尿的處理不當(dāng)也會影響生態(tài)環(huán)境的安全[7]。因此，定量分析農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)的氮素賬戶平衡及流動途徑，是未來區(qū)域養(yǎng)分資源綜合管理的重要研究內(nèi)容?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】人類活動是影響農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)氮素流動的主要因素[8]。已有學(xué)者[9-10]借鑒物質(zhì)流分析[11]（material flow analysis，MFA）質(zhì)量守恒的思想，研究了不同區(qū)域尺度下農(nóng)牧生產(chǎn)體系的氮素流動，指出中國農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)主要存在外源投入多、氮素利用率低、環(huán)境損失嚴(yán)重等現(xiàn)象，Ma等[12]構(gòu)建了區(qū)域養(yǎng)分流動模型NUFER，并在全國尺度估算了食物鏈系統(tǒng)的氮磷流動、利用率及環(huán)境損失，提出增加農(nóng)牧產(chǎn)品的產(chǎn)量、平衡施肥和提高對畜禽糞尿管理及利用，是有效減少農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)氮磷環(huán)境損失的有效手段；Bai等[13]在此基礎(chǔ)上將該模型應(yīng)用到生豬生產(chǎn)系統(tǒng)中，評價了不同養(yǎng)殖方式的農(nóng)牧氮磷養(yǎng)分利用率；Zhang等[14]在省域尺度分析了自然生產(chǎn)條件及社會政策對山西省農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮素流動的影響；然而針對縣域尺度的農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮素流動研究較少，就農(nóng)牧交錯帶的氮素流動特征和環(huán)境風(fēng)險評價則更為稀缺。【本研究切入點】山西省農(nóng)牧交錯帶是國家確定的北方農(nóng)牧交錯帶農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的重點區(qū)域，而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局和農(nóng)牧耦合程度影響著氮素在農(nóng)牧生產(chǎn)體系的流量和流向。本文以此為研究切入點，采用物質(zhì)流分析方法NUFER模型，分析山西省農(nóng)牧交錯帶不同縣區(qū)農(nóng)牧生產(chǎn)體系的氮素流動特征及環(huán)境效應(yīng)。【擬解決的關(guān)鍵問題】明確山西省農(nóng)牧交錯帶不同縣區(qū)氮素流動的空間分布特征；分析能夠提高農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)氮素生產(chǎn)效率的途徑，評價其環(huán)境效應(yīng)，為山西省農(nóng)牧交錯帶實現(xiàn)農(nóng)牧生產(chǎn)體系的區(qū)域養(yǎng)分管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

關(guān)于農(nóng)牧交錯帶的區(qū)域界定，一直沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)術(shù)界為此做了大量的工作，本研究在陳全功等[15-16]的研究基礎(chǔ)上，進(jìn)行了山西省農(nóng)牧交錯帶的區(qū)域劃分，自北向南共涉及大同、朔州、忻州、呂梁、臨汾和太原等6個地市42個縣區(qū)（圖1），其中29個是國定貧困縣，北緯35°41′24″—40°40′35″，東經(jīng)110°22′48″—114°33′3″，國土面積約為7×104km2，地勢東北高西南低，海拔340—3 061 m，是中國北方農(nóng)牧交錯帶的典型區(qū)域。氣候?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，南北和垂直差異明顯。氣候特征是冬季漫長、寒冷干燥；夏季南長北短，雨水集中；春季氣候多變，風(fēng)沙較多；秋季短暫，天氣溫和。日照充足，晝夜溫差較大，冷涼資源較為豐富，干旱、霜凍等災(zāi)害性天氣較多。褐土是全區(qū)主要的土壤類型，區(qū)域西北部則以黃綿土為主，水土流失較為嚴(yán)重[17]。主要糧食作物以玉米、谷子、糜子、豆類和薯類為主，經(jīng)濟(jì)作物有甜菜、胡麻等，蔬菜和水果產(chǎn)業(yè)也得到了一定發(fā)展。近些年區(qū)域境內(nèi)的畜牧業(yè)得到快速發(fā)展，尤其是牛、羊產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，目前已成為山西最大的草食畜產(chǎn)品供給基地[18]。

圖1 山西農(nóng)牧交錯帶分布圖（基于文獻(xiàn)[15-16]編制）

1.2 研究系統(tǒng)邊界和NUFER模型簡介

NUFER模型是中國國家尺度和區(qū)域尺度食物鏈系統(tǒng)氮磷流動模型[12]，模型基于“土壤-作物生產(chǎn)-畜禽生產(chǎn)-食物消費”系統(tǒng)，來計算系統(tǒng)間氮磷流動、利用率及環(huán)境損失。本研究以山西省農(nóng)牧交錯帶“農(nóng)田-畜牧”生產(chǎn)系統(tǒng)為研究邊界，系統(tǒng)間氮素流動為研究對象（圖2），以區(qū)域內(nèi)42個縣區(qū)作為研究單元。

1.3 模型計算方法

1.3.1 基于NUFER模型計算農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)的氮素賬戶平衡、流動及損失 系統(tǒng)中氮素的輸入項包括化學(xué)氮肥、大氣氮沉降、生物固氮（biological nitrogen fixation，BNF）和飼料投入；輸出項包括流出系統(tǒng)的作物主副產(chǎn)品、動物主副產(chǎn)品等帶走的氮素和環(huán)境損失的氮素，環(huán)境損失包括NH3揮發(fā)，反硝化脫氮過程的N2O、N2排放等損失，通過地表徑流、土壤侵蝕和淋洗等途徑進(jìn)入到水體，在系統(tǒng)內(nèi)部，主要涉及到氮素在作物和動物兩個子系統(tǒng)的內(nèi)部循環(huán)，如秸稈還田、作物主副產(chǎn)品作物飼料進(jìn)入動物子系統(tǒng)、動物的糞尿還田等。

結(jié)合山西省農(nóng)牧交錯帶的農(nóng)牧生產(chǎn)情況，本研究農(nóng)田系統(tǒng)考慮了玉米、小麥、高粱、谷子等谷類作物、豆類、甜菜、薯類作物、蔬菜和水果等類別；畜牧系統(tǒng)考慮了奶牛、肉牛、役用牛、驢、馬、騾、豬、羊、蛋雞、肉雞等10個類別，代表了該區(qū)域主要的農(nóng)牧生產(chǎn)特征。

1.3.2 農(nóng)田子系統(tǒng)氮素賬戶平衡計算方法 農(nóng)田子系統(tǒng)氮素輸入量=化學(xué)氮肥+秸稈還田+糞尿還田+氮沉降+生物固氮。其中，秸稈還田量=秸稈氮素攜出量×還田比例；糞尿還田量=糞尿氮素攜出量×還田比例；農(nóng)田子系統(tǒng)氮素輸出量=作物主產(chǎn)品氮素攜出量+秸稈氮素攜出量+氮素土壤累積+氮素環(huán)境損失；農(nóng)田氮素平衡=化學(xué)氮肥投入+秸稈還田氮素帶入量+糞尿還田氮素帶入量-作物主產(chǎn)品氮素攜出量-秸稈氮素攜出量。

左側(cè)實線箭頭為系統(tǒng)輸入項目，右側(cè)實線箭頭為系統(tǒng)輸出項目，內(nèi)部實線箭頭表示系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)項，外部虛線箭頭表示環(huán)境損失項目

1.3.3 畜牧子系統(tǒng)氮素賬戶平衡計算方法 畜牧子系統(tǒng)氮素輸入量=作物主產(chǎn)品氮素投入量+秸稈氮素投入量+動物飼料氮素投入量。其中，作物主產(chǎn)品氮素投入量=作物主產(chǎn)品氮素攜出量×飼用比例；秸稈=秸稈氮素攜出量×飼用比例；畜牧子系統(tǒng)氮素輸出量=動物主產(chǎn)品氮素攜出量+動物副產(chǎn)品氮素攜出量+畜禽糞尿氮素攜出量。

1.4 數(shù)據(jù)及參數(shù)來源

研究所需要的主要農(nóng)作物播種面積及產(chǎn)量、化肥施用量、畜牧業(yè)各類動物的存欄、出欄數(shù)量皆來源于山西省2013年統(tǒng)計年鑒[19]以及相關(guān)地市的統(tǒng)計年鑒[20-23]，數(shù)據(jù)記載年份為2012年；氮肥投入中復(fù)合肥的N﹕P2O5﹕K2O比例參考張衛(wèi)峰等[24]的研究結(jié)果，按1﹕1﹕1計算；農(nóng)作物秸稈的產(chǎn)生量根據(jù)各種作物的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和草谷比進(jìn)行折算[25]，作物的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的需氮量、草谷比及秸稈含氮量、不同作物的固氮量皆來源于李書田等[26]研究結(jié)果；各類別動物的糞尿氮素產(chǎn)生量根據(jù)動物飼養(yǎng)周期及糞尿排泄系數(shù)進(jìn)行計算[27]。動物活體及主產(chǎn)品的含氮量來源于文獻(xiàn)[12]，秸稈及糞尿的利用途徑及比例來源于文獻(xiàn)[28]，氮素大氣沉降數(shù)量則綜合了張穎等的研究結(jié)果[29-30]。

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

本文基于NUFER模型，使用R編寫計算腳本，研究山西省農(nóng)牧交錯帶42個縣區(qū)農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)的氮素賬戶平衡、流動規(guī)律和環(huán)境損失。使用ArcGIS繪制空間分布圖。

2 結(jié)果

2.1 農(nóng)田氮素投入特征分析

2012年山西省農(nóng)牧交錯帶區(qū)域（以下簡稱全區(qū)）農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)投入氮素28.74×104t，其中，化學(xué)氮肥17.21×104t，生物固氮3.36×104t，氮素沉降4.27×104t，秸稈還田帶入氮素1.26×104t，畜禽糞尿還田帶入氮素2.40×104t。在全區(qū)層面上看，化學(xué)氮肥、生物固氮、氮素沉降、秸稈還田和畜禽糞尿還田的比例分別占全部氮素總投入的60.39%、11.77%、14.99%、4.42%和8.44%，化學(xué)氮肥投入占絕對數(shù)量，秸稈和糞尿還田的比例較低。

氮肥投入比例最高的縣區(qū)有大同市的天鎮(zhèn)、陽高，以及臨汾市的鄉(xiāng)寧縣，投入比例均在70%以上，陽高投入總量最高，達(dá)到1.42×104t，氮肥投入比例最低的寧武縣僅占到7.12%，同時也是全區(qū)投入總量最低的縣域，全縣氮肥投入僅為133.9 t；生物固氮投入比例最高的為寧武縣，達(dá)到43.43%，最小的天鎮(zhèn)僅為4.86%；秸稈還田所占氮素總投入比例最高的為汾西縣，達(dá)到10.79%，最低的岢嵐縣僅占到1.18%；糞尿還田比例最高的為山陰縣，占氮素投入總量的29.33%，五寨縣糞尿還田帶入氮素比例最低，僅為1.12%（表1）。

從縣域尺度的氮肥投入水平來看（圖3），全區(qū)各縣區(qū)的氮肥投入差異較大，投入最低的寧武縣的僅為6.7 kg·hm-2，投入最多的天鎮(zhèn)縣達(dá)到253 kg·hm-2，極差為246.3 kg·hm-2，極值間相差38倍，表明氮肥投入“兩極分化”；將單位面積氮肥投入水平在＞180 kg·hm-2的劃為一級區(qū)；將投入水平在120—180 kg·hm-2的劃分為二級區(qū)；將投入水平在＜120 kg·hm-2的劃分為三級區(qū)?？梢钥闯?，一級區(qū)有6個縣區(qū)，位于全區(qū)北部的天鎮(zhèn)、陽高、渾源，臨汾的蒲縣、吉縣和鄉(xiāng)寧縣；二級區(qū)有14個縣區(qū)，三級區(qū)有22個縣區(qū)。從整體的空間分布格局來看，呈現(xiàn)東北部和西南部高，而中部低的空間分布特征。

圖3 縣域農(nóng)田化學(xué)氮肥投入情況

2.2 農(nóng)田氮素輸出分析

2012年全區(qū)農(nóng)田主副產(chǎn)品攜出氮素總量11.02×104t，占總投入的38.68%。而實現(xiàn)主產(chǎn)品的產(chǎn)量最大化是人類從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的最終目的，因此，認(rèn)為主產(chǎn)品部分帶走的氮素為有效支出，本文用單位農(nóng)田面積作物主產(chǎn)品的氮素攜出量來表征農(nóng)田的生產(chǎn)能力。生產(chǎn)水平最高的應(yīng)縣達(dá)到了96.75 kg·hm-2，生產(chǎn)能力最低的右玉僅為19.11 kg·hm-2；從整體的空間分布格局來看，全區(qū)單位農(nóng)田面積主產(chǎn)品帶走的氮素量呈現(xiàn)南北兩邊高、中部低的“啞鈴”式分布格局（圖4）。將單位面積主產(chǎn)品吸氮量水平在＞70 kg·hm-2的劃為一級區(qū)，將單位面積主產(chǎn)品吸氮量水平在40—70 kg·hm-2的劃為二級區(qū)，將單位面積主產(chǎn)品吸氮量在＜40 kg·hm-2的劃為三級區(qū)?？梢钥闯鲆患墔^(qū)包含6個縣區(qū)，分別為區(qū)域北部的陽高縣，朔州市境內(nèi)的懷仁、山陰、應(yīng)縣和朔城區(qū)，以及區(qū)域南部的吉縣；二級區(qū)涉及15個縣區(qū)，分布在區(qū)域東部；三級區(qū)主要位于區(qū)域西部沿黃河流域的縣區(qū)，除離石區(qū)外，均為國定貧困縣。

圖4 縣域單位面積農(nóng)田主產(chǎn)品吸氮量

表1 農(nóng)田氮素投入結(jié)構(gòu)

2.3 農(nóng)田氮素盈余分析

農(nóng)田氮素盈余量在-16—202 kg·hm-2，將盈余量＞100 kg·hm-2的劃分為一級區(qū)（嚴(yán)重過量），盈余量在60—100 kg·hm-2的劃分為二級區(qū)（中度過量），盈余量在0—60 kg·hm-2的劃分為三級區(qū)（輕度過量）（圖5），盈余量為負(fù)值的表明該區(qū)域農(nóng)田氮素處于虧缺狀態(tài)。可以看出，農(nóng)田氮素投入虧缺、輕度盈余、中度盈余和重度盈余的縣域在全區(qū)均有分布，表明山西省農(nóng)牧交錯帶農(nóng)田氮素的平衡情況較為復(fù)雜。除平魯區(qū)、寧武縣和汾西縣處于虧缺狀態(tài)之外，其余縣區(qū)都表現(xiàn)出不同程度的農(nóng)田氮素盈余，分布在一級區(qū)的縣區(qū)有8個，分別為大同市的天鎮(zhèn)、陽高、渾源和靈丘，呂梁的方山、臨縣，臨汾的蒲縣和鄉(xiāng)寧；分布在二級區(qū)的有12個縣區(qū)，三級區(qū)則涉及17個縣區(qū)。

2.4 畜牧生產(chǎn)系統(tǒng)氮素投入分析

畜牧生產(chǎn)系統(tǒng)的氮素來源于農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)的主副產(chǎn)品和外源飼料供給，2012年全區(qū)累計進(jìn)入動物生產(chǎn)系統(tǒng)的氮素為7.50×104t，其中作物籽粒提供2.09×104t，作物秸稈提供了0.67×104t，外源飼料供給4.74×104t。僅山陰縣就投入1.16×104t，位居全區(qū)之首，占全區(qū)畜牧生產(chǎn)系統(tǒng)氮素總投入的15.47%，大寧縣僅僅投入0.02×104t，表明全區(qū)畜牧業(yè)生產(chǎn)規(guī)模存在很大差異。

圖5 縣域農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)氮素盈余量

各縣域?qū)ν庠达暳系男枨蠓秶冢?0.08—0.94）×104t，極差為1.02×104t；除五寨、隰縣、大寧和蒲縣等少數(shù)幾個縣區(qū)農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)的作物生產(chǎn)可以保證畜牧生產(chǎn)系統(tǒng)的需求外，區(qū)內(nèi)大部分縣區(qū)都表現(xiàn)出對外源飼料不同程度的需求，山陰縣對外源飼料的需求量最大，主要是因為其飼養(yǎng)了全省1/4的奶牛。

2.5 畜牧生產(chǎn)系統(tǒng)氮素輸出分析

2012年全區(qū)畜牧生產(chǎn)系統(tǒng)動物主產(chǎn)品（肉、蛋和奶）帶走的氮素共1.06×104t，占畜牧生產(chǎn)系統(tǒng)總投入的14%。用單位農(nóng)田面積動物主產(chǎn)品帶走的氮素來反映各縣區(qū)畜牧生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)力水平，結(jié)果表明區(qū)內(nèi)單位面積農(nóng)田動物主產(chǎn)品氮素攜出量范圍在1.51—27.50 kg·hm-2，極差25.99 kg·hm-2，說明各縣區(qū)畜牧生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)力水平差異較大，山陰縣生產(chǎn)水平最高，相鄰的平魯區(qū)生產(chǎn)力水平最低。

將農(nóng)田單位面積動物主產(chǎn)品氮素攜出量在13 kg·hm-2以上的劃為一級區(qū)，7—13 kg·hm-2之間的劃為二級區(qū)，低于7 kg·hm-2的劃為三級區(qū)（圖6），可以看出，一級區(qū)均位于農(nóng)林牧生態(tài)-生產(chǎn)功能區(qū)，涉及大同縣、懷仁縣和山陰縣，二級區(qū)農(nóng)林牧生態(tài)-生產(chǎn)功能區(qū)和農(nóng)牧交錯水土保持生態(tài)功能區(qū)均有分布，而沿黃河一帶晉西北的縣區(qū)畜牧生產(chǎn)能力普遍較弱，分布在三級區(qū)?？傮w來說，畜牧生產(chǎn)系統(tǒng)生產(chǎn)力水平呈現(xiàn)東部高、西部沿黃流域低的空間分布特征。

2.6 農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)中有機(jī)廢棄物產(chǎn)生量

農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)的有機(jī)廢棄物主要包括農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)中生產(chǎn)的作物秸稈和畜牧生產(chǎn)系統(tǒng)中的畜禽糞尿。

農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)的秸稈氮素攜出量為3.83×104t，有1.26×104t通過秸稈還田返還到農(nóng)田中，有0.67×104t作為動物飼料進(jìn)入到畜牧生產(chǎn)系統(tǒng)中，有效利用率為50%，畜牧生產(chǎn)系統(tǒng)的糞尿氮素為5.98×104t，有2.40×104t作為有機(jī)肥進(jìn)入到農(nóng)田中，有效利用率為40.13%；有機(jī)廢棄物整體利用率為44.14%，利用率偏低。

圖6 縣域畜牧生產(chǎn)系統(tǒng)主產(chǎn)品吸氮量

單位耕地面積畜禽糞尿氮素的負(fù)荷反應(yīng)了畜禽糞尿?qū)ν寥赖奈廴撅L(fēng)險。將單位耕地面積畜禽糞尿氮素負(fù)荷＞100 kg·hm-2的劃為一級區(qū)，負(fù)荷在50—100 kg·hm-2的劃為二級區(qū)，負(fù)荷在＜50 kg·hm-2的劃為三級區(qū)（圖7）。一級區(qū)僅涉及山陰縣，達(dá)到162.48 kg·hm-2，除呂梁的中陽縣外，二級區(qū)主要在農(nóng)林牧生態(tài)-生產(chǎn)功能區(qū)，涉及縣區(qū)有11個，絕大部分分布在區(qū)域北部的大同市；分布在三級區(qū)的縣區(qū)占絕對數(shù)量，共涉及30個縣區(qū)?？傮w上看，區(qū)內(nèi)單位耕地面積畜禽糞尿氮素負(fù)荷空間分布特征較為明顯，呈現(xiàn)東北部高、西部及南部低的分布格局。

圖 7 縣域畜禽糞尿氮素耕地承載量

2.7 農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮素?fù)p失分析

整個農(nóng)牧生產(chǎn)體系的氮素?fù)p失途徑包括NH3揮發(fā)（包括農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)和糞尿堆置過程兩部分）、農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)N2O和N2排放、農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)的徑流損失、土壤侵蝕和土體中的氮素淋洗、糞尿在堆置過程中的排放進(jìn)入到水體。

氮素?fù)p失最高的天鎮(zhèn)縣達(dá)到了267.28 kg·hm-2，損失最低的平魯區(qū)為56.46 kg·hm-2，極差210.82 kg·hm-2（圖8），表明縣區(qū)間氮素?fù)p失差異較大。將單位面積氮素?fù)p失在＞200 kg·hm-2的劃分為一級區(qū)，單位面積的氮素?fù)p失在120—200 kg·hm-2的劃分為二級區(qū)，＜120 kg·hm-2的劃分為三級區(qū)。一級區(qū)均分布在農(nóng)林牧生態(tài)-生產(chǎn)功能區(qū)，包括大同的天鎮(zhèn)、陽高、渾源、靈丘和山陰縣，二級區(qū)共涉及21個縣區(qū)，三級區(qū)包含15個縣區(qū)。

圖8 縣域農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)氮素?fù)p失空間分布圖

從整個農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)的氮素?fù)p失情況來看，農(nóng)田和土壤NH3揮發(fā)、農(nóng)田反硝化過程的N2排放以及農(nóng)田和糞尿存儲過程中的淋洗是主要的損失途徑，各縣區(qū)氮素?fù)p失的主要損失特征也不盡相同。全區(qū)來看，天鎮(zhèn)縣、陽高縣的NH3揮發(fā)損失較高，分別達(dá)到96.88和95.99 kg·hm-2，農(nóng)田N2和N2O排放損失最高的為天鎮(zhèn)縣，分別達(dá)到100.84和2.94 kg·hm-2，山陰縣氮素淋洗（包含土壤徑流、侵蝕、淋洗和糞尿淋洗至水體的損失）損失最高，達(dá)到75.37 kg·hm-2；NH3揮發(fā)和氮素淋洗損失最小的為平魯區(qū)，分別僅為13.26和15.01 kg·hm-2，汾西縣的N2排放最少，為7.67 kg·hm-2，寧武的N2O則排放最少，僅為0.22 kg·hm-2。

3 討論

3.1 山西省農(nóng)牧交錯帶農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)氮素投入特征

山西省農(nóng)牧交錯帶農(nóng)田氮素投入表現(xiàn)出極大的不平衡性，在空間上農(nóng)田氮肥投入均呈現(xiàn)東南高、西北低的分布特征。山西省主體功能區(qū)劃[31]將生產(chǎn)功能區(qū)北部的天鎮(zhèn)、陽高、廣靈、渾源、應(yīng)縣、山陰定位為農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)，主要種植作物以春玉米為主，臨汾市的土地復(fù)種指數(shù)較高，種植制度以小麥-玉米為主，氮肥投入處于較高水平；晉西北沿黃河一帶的縣域地處冷涼帶，主要種植作物以豆類、谷子、黍子、燕麥等雜糧為主，氮肥投入水平較低。

單位農(nóng)田面積的作物吸氮量的空間分布格局與氮肥投入相似，與單位面積的氮素投入和種植結(jié)構(gòu)有較大關(guān)系，玉米單位面積的生物量要顯著高于雜糧，此外本身的吸氮量水平也要高于其他作物[26]，區(qū)域西部的左云、右玉、平魯區(qū)、偏關(guān)、河曲、保德、興縣、柳林、嵐縣、石樓和永和等縣區(qū)的農(nóng)田生產(chǎn)能力較差，農(nóng)田主產(chǎn)品帶走的氮素量均＜40 kg·hm-2，很大程度上是由于上述縣區(qū)均位于晉西黃土丘陵溝壑侵蝕區(qū)[32]，坡度大，境內(nèi)土壤類型以黃綿土為主[17]，屬于異常強(qiáng)烈的水土侵蝕區(qū)。

劉平等[30]在山陰縣的研究表明，該區(qū)氮素干濕沉降總量達(dá)到47.86 kg·hm-2·a-1，相當(dāng)于每公頃投入尿素104 kg；同樣，李書田等[26]也指出大豆的平均固氮量可以達(dá)到113.7 kg·hm-2·a-1，在今后在該區(qū)域的農(nóng)田養(yǎng)分資源管理具體實踐中應(yīng)該考慮這些環(huán)境的氮素投入。

“農(nóng)牧分離”是農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)氮素利用率低下的一個重要原因，表現(xiàn)為農(nóng)田種植結(jié)構(gòu)與畜牧生產(chǎn)系統(tǒng)的不合理匹配：農(nóng)田副產(chǎn)品沒有作為飼料有效進(jìn)入畜牧生產(chǎn)系統(tǒng)，畜禽糞尿沒有作為養(yǎng)分來源回歸農(nóng)田，山陰縣是山西主要的奶牛養(yǎng)殖基地，2012年奶牛存欄數(shù)80 514頭，位居全省第一位[20]，占全省奶牛養(yǎng)殖總量的26%，一方面對動物飼料需求量很高，另一方面秸稈糞尿資源又存在嚴(yán)重的浪費。

在農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的政策環(huán)境下，山西應(yīng)抓住國家“糧改飼草”的項目機(jī)遇，以農(nóng)載牧，以牧肥田，從而提高農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)的氮素利用率。

3.2 農(nóng)牧交錯帶氮素?fù)p失及環(huán)境風(fēng)險分析

區(qū)域內(nèi)氮素投入虧缺、輕度盈余、中度盈余和重度盈余的縣區(qū)均有分布，這種情況說明區(qū)域內(nèi)氮素投入的平衡情況比較復(fù)雜，今后在區(qū)域氮素資源的配置上需要詳盡的實證調(diào)研。此外，造成農(nóng)田氮素盈余的主要原因為化學(xué)氮肥和糞尿氮素投入超過了作物生產(chǎn)需求量，盈余的氮素除一部分累積到土壤中，其余均通過氣體排放和淋洗進(jìn)入水體，進(jìn)一步對環(huán)境造成污染。實際上，國際上早已把農(nóng)田氮素盈余量作為評價農(nóng)田氮素環(huán)境排放代價的重要指標(biāo)，歐洲很多發(fā)達(dá)國家將其制定環(huán)保法律法規(guī)的重要依據(jù)[33-34]，荷蘭著名的MINAS養(yǎng)分監(jiān)管簿記系統(tǒng)針對農(nóng)田類型和土壤質(zhì)地明確規(guī)定[33]，砂質(zhì)土壤和黏質(zhì)土壤的農(nóng)田氮素盈余量限值分別不得超過60和100 kg·hm-2·a-1，從本文研究結(jié)果來看，有21個縣區(qū)的農(nóng)田氮素盈余超過了60 kg·hm-2·a-1，而大同的天鎮(zhèn)、陽高、渾源、靈丘，呂梁的臨縣、方山，臨汾的蒲縣和鄉(xiāng)寧縣等8個縣區(qū)的農(nóng)田氮素盈余量超過了100 kg·hm-2·a-1，存在較高的農(nóng)田氮素環(huán)境污染風(fēng)險，李寶堂[35]分析了嵐縣嵐漪河上游的農(nóng)業(yè)面源污染特征，指出畜禽養(yǎng)殖和化肥施用是引起嵐漪河氮、磷污染的主要原因，與本文研究結(jié)果一致。

山陰縣單位耕地面積的畜禽糞尿氮素負(fù)荷量達(dá)到162.48 kg·hm-2，接近歐盟規(guī)定的動物糞尿氮素耕地承載量的限量標(biāo)準(zhǔn)[34]（170 kg·hm-2），存在潛在的環(huán)境風(fēng)險，應(yīng)當(dāng)與周邊縣區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合，來消納部分畜禽糞尿，來規(guī)避環(huán)境風(fēng)險。

3.3 區(qū)域農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)氮素管理的建議和研究展望

中國農(nóng)業(yè)資源環(huán)境遭遇了外源性污染和內(nèi)源性污染的雙重壓力，農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展遭遇瓶頸，在此背景下，農(nóng)業(yè)部提出了“減肥、減藥”的行動綱領(lǐng)。談到氮素，人們首先想到的是中國氮素盈余，要通過降低氮肥施用量來加以控制。但是具體到區(qū)域尺度上，存在著較大的差異[36]，應(yīng)根據(jù)每個縣區(qū)的氣候、土地利用現(xiàn)狀、種植結(jié)構(gòu)、糧食生產(chǎn)能力、畜牧業(yè)養(yǎng)殖規(guī)模及養(yǎng)殖方式等因素來“對癥施藥”，而不能盲目搞一刀切；如何減少化肥使用量，中國尚未確定肥料使用的限量標(biāo)準(zhǔn)，一方面科學(xué)評價有機(jī)肥替代化肥使用潛力，另一方面要從生產(chǎn)系統(tǒng)的氮素賬戶平衡、肥料利用效率、環(huán)境風(fēng)險角度確定具體的約束指標(biāo)。

由于缺乏縣域之間的農(nóng)產(chǎn)品貿(mào)易及養(yǎng)分流動數(shù)據(jù)，本研究未能闡明區(qū)域間的養(yǎng)分流動特征，進(jìn)一步探討區(qū)域間如何提高農(nóng)牧耦合性的有效機(jī)制，這也是下一步的研究方向及重點，此外，相對于以往研究[14]，本文開展了較小縣域尺度研究，以期為區(qū)域養(yǎng)分管理提供科學(xué)依據(jù)，但對于指導(dǎo)生產(chǎn)活動仍有一定的不足，今后應(yīng)根據(jù)自然、社會因素來劃分柵格進(jìn)一步開展更小尺度的研究工作。

4 結(jié)論

受種植結(jié)構(gòu)、水土流失等因素的影響，山西省農(nóng)牧交錯帶不同縣區(qū)的農(nóng)田氮素生產(chǎn)水平呈現(xiàn)東南部高、西北部低的空間分布特征；“農(nóng)牧分離”、有機(jī)廢棄物循環(huán)利用率低是導(dǎo)致農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)中氮素?fù)p失的重要原因；從農(nóng)田氮素盈余量（＞100 kg·hm-2）、單位耕地面積的糞尿氮素限量標(biāo)準(zhǔn)（170 kg·hm-2）、整個農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)的氮素?fù)p失（＞200 kg·hm-2）等指標(biāo)來看，區(qū)域東北部和西南部存在較為嚴(yán)重的氮素污染環(huán)境風(fēng)險，中部的忻州八縣則較為安全；今后養(yǎng)分資源管理應(yīng)提高農(nóng)田和畜牧業(yè)生產(chǎn)的耦合性，推進(jìn)農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，適當(dāng)調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，增加飼用作物的種植面積，同時增加糞尿有機(jī)肥替代化肥的使用比例，提高有機(jī)廢棄物養(yǎng)分的使用效率，并注重區(qū)域間的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

致謝：

山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所蒙秋霞副研究員在論文后期英文摘要潤色過程中給予了支持和幫助，在此表示衷心感謝。

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（責(zé)任編輯 岳梅）

Nutrient Flow and Environmental Effects on Crop-livestock System in Farming-pastoral Transition Zone - A Case Study in Shanxi Province

ZHANG JianJie1, GUO CaiXia1, LI LianFen2, ZHANG Qiang1

(1Institute of Agricultural Environment and Resources, Shanxi Academy of Agricultural Sciences/Shanxi Province Key Laboratory of Soil Environment and Nutrient Resources, Taiyuan 030031;2Institute of Animal Husbandry and Veterinary Sciences, Shanxi Academy of Agricultural Sciences, Taiyuan 030032)

【Objective】The objective of this study is to explore the characteristics of nitrogen (N) flow of crop-livestock systems and its environmental effects on farming-pastoral transition zone in northwestern Shanxi Province, further to give scientific suggestions on the nutrient management and to speed up the adjustment progress of industrial structure in farming-pastoral transition zone in Shanxi Province.【Method】a systematic and quantitative analysis on the nutrient balance, nutrient losses of crop-livestock production in farming-pastoral transition zone (42 counties in total, mainly involving Datong, Shuozhou, Xinzhou, Lüliang, Linfen and Taiyuan) in Shanxi Province was reported using a coupled NUFER model (nutrient flows in food chains, environment and resources use) with GIS after collecting and sorting of data from statistical yearbooks data, literature, and field investigation.【Result】 In different counties, the N fertilizer application showed a great disparity, ranging from 6.7 to 253 kg·hm-2, which means a 38 times difference between the maxima and the minima. The N input structure of different counties also varied, due to the different N application habits and cropping systems. Crop N uptake ranged from 19.11 to 96.75 kg·hm-2, and the high amounts of crop N uptake were found in North and South regions, and low values in the middle regions. Crop N surplus ranged from -16 to 202 kg·hm-2, showing a coexistence of N sufficient and N surplus. There was a great difference in external N input by feed in livestock production system in the zone. In Shanyin county of Shuozhou City, the external N input by feed reached up to 9 400 t, whereas in Wuzhai of Xinzhou City and Xixian, Daning and Puxian of Linfen City, the demand of feed by livestock production system was met by local cropping system. This shows a great variation in the livestock production scale and farming-pastoral industrial structure among those counties. N uptake of animal main product per unit area of farming land was 1.51-27.50 kg·hm-2, with a range of 25.99 kg·hm-2, indicating a great disparity in the livestock productivity level among different counties. In the northern counties of Shanyin, Huairen and Datong, N uptake of animal main products was ＞13 kg·hm-2, showing a high N use efficiency of livestock production system in these counties. In the northern regions, the N load by manure was high (＞50 kg·hm-2). There was an obvious spatial trend of N loss in crop-livestock production system. Grade I area (＞200 kg·hm-2) was found in the north of the zone, Grade II area (120-200 kg·hm-2) was found in the north and south of the zone, and Grade III area (＜120 kg·hm-2) mainly distributed in the middle of the zone. Therefore, N loss and environmental issues occur in the crop-livestock production process in the northern part of the zone should be paid close attention in the future. 【Conclusion】Unreasonable agricultural production structure and the segregation of agricultural and animal husbandry systems were the main reasons for the low N use efficiency in the farming-pastoral transition zone in northwestern Shanxi Province. In the future management of farmland nutrient resources, apart from rational spatial allocation of N resources, not only N input by both chemical fertilizers and livestock excrement/urine should be taken into account, but also N input from the environment. Also, the coupling of farmland production system and animal husbandry production system should be emphasized. By these means the production of crop and animal products at the minimum environmental costs can be achieved.

farming-pastoral transition zone; NUFER model; crop-livestock production system; nitrogen flow; environmental effects; Shanxi Province

2017-05-02；

2017-06-14

國家重點研發(fā)計劃（2016YFD0200105）、山西省青年科技研究基金（201601D21118）、山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技攻關(guān)項目（YGG1507）

張建杰，E-mail：zhangjianjie@yeah.net。

張強(qiáng)，E-mail：sxsnkytfs@163.com