近20年重慶市農牧生產體系氮素流動特征及驅動力分析

陳軒敬，宮雅慧，謝軍，張躍強,2，陳新平,2，石孝均,2

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近20年重慶市農牧生產體系氮素流動特征及驅動力分析

陳軒敬1，宮雅慧3，謝軍1，張躍強1,2，陳新平1,2，石孝均1,2

（1西南大學資源環(huán)境學院農業(yè)部西南耕地保育重點實驗室，重慶 400716；2西南大學農業(yè)科學研究院，重慶 400716；3西南大學經濟管理學院， 重慶 400716）

【目的】通過評價重慶地區(qū)農牧系統的氮素流動特征，明確氮素的主要損失途徑及驅動因素，提出未來農牧生產中氮素管理措施，為實現重慶地區(qū)農牧系統氮養(yǎng)分的高效利用提供數據支撐。【方法】通過查閱文獻及統計數據并結合調查研究，采用NUFER（nutrient flow in food chain, environment and resources use）評價方法，以重慶市農牧生產系統為主要研究對象，定量1996—2015年間農牧系統的氮素流動特征，明確其環(huán)境代價。在此基礎上，探討人類活動與農牧系統氮素流動特征變化之間的關系，并通過對2020年不同氮素管理情景分析，探索區(qū)域氮素的可持續(xù)利用途徑?！窘Y果】1996—2015年，重慶市農牧系統氮素輸入總量增長19.2%，2015年達到1 006 Gg，其中化肥貢獻57%以上；氮素輸出總量增長16.5%，2015年達到844 Gg，環(huán)境損失為最大的氮素輸出項，占輸出量的61.7%左右，其中農田生產和畜禽養(yǎng)殖系統分別貢獻45.1%和54.9%；農牧系統內氮素循環(huán)總量增長42.7%，2015年達到448 Gg，其中秸稈還田和畜禽糞尿還田氮量分別達到32.7和95.0 Gg，20年間分別增長55%和44%。1996—2015年重慶市蔬菜瓜果等經濟作物種植比例從10%升至28%，糧食作物種植比例從82%降至62%，肉蛋奶等動物主產品輸出量增加83%。農牧生產結構的變化與氮素利用和損失的變化呈現顯著的線性正相關關系，但人均GDP (gross domestic product)的增長與氮素利用和損失的變化沒有呈現明顯的線性關系，表明影響系統氮素流動特征的主導因素應該是農牧生產結構變化，而經濟發(fā)展水平的變化只是起到了刺激農牧產品消費的作用。通過情景分析，若在2020年實現《重慶市農業(yè)農村發(fā)展“十三五”規(guī)劃》的農產品生產目標，保持目前的氮肥投入和氮素管理現狀，將會增加18 Gg氮素損失，同時降低氮素利用率1.2%；通過提高系統內部氮素循環(huán)利用率，優(yōu)化作物生產養(yǎng)分管理，可在實現生產目標的同時，分別減少氮肥投入和氮素損失量15%和4.2%，提高農牧系統氮素利用率1.3%以上?！窘Y論】在近20年中，重慶市農牧生產系統氮素流動特征發(fā)生了很大變化，氮素輸入強度和環(huán)境損失在不斷增加，而農牧生產結構改變是其變化的主要驅動力。在重慶未來農牧生產中，減少畜禽生產系統氮素的直接排放，加大畜禽糞尿和秸稈循環(huán)利用力度，優(yōu)化作物生產系統氮素管理措施和提高氮素利用效率，是實現農牧生產和生態(tài)環(huán)境的平衡發(fā)展的有效措施。

氮；重慶市；農牧系統；驅動力；NUFER模型

0 引言

【研究意義】氮素作為食品生產的基本元素之一，在中國的社會、經濟和環(huán)境改變進程中發(fā)揮了重要作用[1-2]。在農業(yè)中，氮肥在解決糧食安全問題的同時，也給環(huán)境帶來巨大的壓力。高強度的人類活動導致生態(tài)系統中氮素高負荷環(huán)境，造成土壤酸化[3]、地下水硝酸鹽含量過高[4]、地表水富營養(yǎng)化[5]等一系列環(huán)境問題。重慶市是長江經濟帶西部中心樞紐，也是國家生態(tài)環(huán)境建設重點區(qū)域。重慶直轄后20年中，農業(yè)經濟快速增長。由于農戶經營自主權開放和經濟效益等因素的影響，農業(yè)種植結構逐漸發(fā)生變化，糧食作物種植面積下降而經濟作物種植面積增加。在生產方式上，種植業(yè)從業(yè)人員逐漸減少，使依賴高強度勞動力投入的傳統耕作逐漸轉向為依賴化肥農藥投入的集約化生產[6]。未被利用的氮素通過徑流、淋洗、揮發(fā)和反硝化等方式進入環(huán)境，成為面源污染的來源。同時隨著居民對動物產品需求量的增加，畜禽養(yǎng)殖由過去的分散養(yǎng)殖，逐漸向規(guī)?；B(yǎng)殖發(fā)展，畜禽糞污產生量和排放量隨之增加[7]。此外，由于產業(yè)結構變化、農牧分離、配套污染治理設施普遍投入不足，畜禽糞便污水直接排放成為導致環(huán)境污染的重要因素。氮素面源污染成為影響重慶市農產品質量安全、生態(tài)環(huán)境安全、長江以及三峽庫區(qū)水體質量安全的風險因素。因此了解氮素在農牧生產體系中的流動規(guī)律，對氮素進行有效利用循環(huán)，降低農業(yè)污染負荷，對重慶市農牧系統的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】氮素的流動與平衡是農牧系統養(yǎng)分利用率的重要影響因素。目前有很多方法應用于區(qū)域、國家以及全球尺度上研究農業(yè)氮素平衡，這些方法均從目標養(yǎng)分守恒角度分析養(yǎng)分在系統內的輸入、輸出和存儲過程[8]，研究主要差異在于研究邊界和數據源的不同[9]，例如人類活動凈氮輸入（NANI）估算模型[10]，還有一些農牧系統點源污染和非點源污染評價方法，GNPS模型[11]等。Ma等[12]構建了食物鏈養(yǎng)分流動模型（nutrient flow in food chain, environment and resources use，NUFER），用于分析評價區(qū)域氮磷養(yǎng)分在生產和消費環(huán)節(jié)的利用率和損失狀況。研究發(fā)現，在過去30年里中國農牧系統中食品生產的環(huán)境代價在不斷上升，2005年的養(yǎng)分流動特征較1980年之前也發(fā)生很大的變化[13]。通過對區(qū)域“農田-畜牧”生產系統中養(yǎng)分流動狀況的綜合評價，闡明養(yǎng)分流動規(guī)律，對于解決其養(yǎng)分損失和環(huán)境污染，提高養(yǎng)分利用率具有重要指導作用[14-15]。目前針對重慶地區(qū)農牧系統，主要集中于定量化種植業(yè)，養(yǎng)殖業(yè)和農村生活等農業(yè)氮素面源污染負荷量及貢獻大小的研究[16-17]，并且在此基礎上估算了畜禽養(yǎng)殖區(qū)域環(huán)境承載力[18]，但是缺少對于農牧系統內養(yǎng)分的內部循環(huán)特征及其變化的主要驅動力研究?！颈狙芯壳腥朦c】隨著近些年重慶市產業(yè)結構的調整和農業(yè)產品需求結構的變化，整個農牧系統內部氮素輸入、輸出與循環(huán)情況不明確。本研究以分析重慶市農牧系統內氮素的流動特征和其主要驅動力為切入點，探索農牧系統限制氮素利用率的制約因素，明確氮素的主要損失途徑。【擬解決的關鍵問題】結合統計資料、文獻數據和調研結果，應用NUFER模型分析方法，以重慶市為研究對象，定量化分析1996—2015年重慶市農牧系統氮素流動特征，探索其主要驅動力，并對2020年不同管理情景模式下氮素利用和損失狀況進行預測、模擬及分析，尋求控制氮素農業(yè)面源污染排放、提高氮素利用率主要措施，為重慶市宏觀養(yǎng)分調控和環(huán)保政策制定提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

重慶位于中國西南部，長江上游地區(qū)，地跨東經105°17′—110°11′、北緯28°10'—32°13′，東西長470 km，南北寬450 km，幅員面積8.24×104km2，全市現有40個區(qū)、縣、自治縣，是中國最大的直轄市。重慶屬于亞熱帶季風性濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫16—18℃，無霜期250—275 d，年平均降水量1 000—1 350 mm。該市耕地面積達到162.2×104hm2，農用耕地開發(fā)度較高，農林牧副漁全面發(fā)展，不僅是全國重要的糧食主產區(qū)，還是商品豬肉生產基地、全國著名的優(yōu)質水果、榨菜及烤煙等農業(yè)產品產地。

1.2 系統邊界

本研究中，以重慶農牧生產體系為研究邊界（圖1），主要包括作物生產和畜禽生產兩個體系，以氮素的流動和損失為主要研究對象。農牧生產體系的區(qū)域邊界即為重慶市地理邊界。對重慶農牧系統的研究主要包括氮素的輸入、輸出和內部養(yǎng)分循環(huán)。在重慶農牧生產系統中，氮素的主要來源是（1）生物固氮；（2）氮沉降；（3）肥料投入及（4）外源飼料進口投入。氮在系統中的輸出主要是通過（5）作物主產品；（6）秸稈輸出；（7）農田和畜禽糞尿堆置過程NH3損失；（8）農田N2O損失；（9）農田反硝化；（10）農田和畜禽糞尿堆置過程中淋洗、徑流和侵蝕損失；（11）動物主產品；（12）動物副產物及（13）糞便直接排放。氮素在系統的內部循環(huán)主要包括：（14）糞尿還田；（15）本地飼料；（16）土壤累積和（17）秸稈還田。

圖1 重慶農牧系統養(yǎng)分流動模型

1.3 模型計算公式

NUFER模型是Ma等[12]基于物質流分析開發(fā)的食物鏈養(yǎng)分流動模型，可以定量分析養(yǎng)分在“農田生產-畜牧生產-食品加工-居民消費”中流動和損失情況。主要包括4個模塊：輸入模塊、計算模塊、優(yōu)化模塊和輸出模塊。該模型的主要功能是定量化養(yǎng)分在食物鏈中的流動和損失情況。本研究采用NUFER模型的方法評價重慶農牧生產體系氮素流動、利用和損失狀況。主要計算公式：

外源飼料進口氮量=畜禽動物消耗氮量-本地糧食和秸稈飼料含氮量

氮素損失量=畜禽系統直接排放氮量+糞尿處理堆置過程中糞尿氮揮發(fā)損失量和污水排氮量+作物系統NH3、N2O、反硝化、淋洗、徑流和侵蝕損失量

農牧系統氮素利用率（nitrogen use efficiency，NUE）=（作物主產品輸出氮量+動物主產品輸出氮量）/（化肥氮量+氮沉降量+生物固氮量+飼料進口氮量）。

1.4 數據來源

本文所需計算數據分為4個部分：社會統計數據、養(yǎng)分含量數據、養(yǎng)分去向數據和環(huán)境排放參數。

重慶地區(qū)的化肥消耗量、人口數量、作物種植面積和產量、耕地面積、畜禽養(yǎng)殖數量等社會活動數據均來自與重慶統計年鑒（1997—2016）[19]。本文作物種類主要包括水稻、玉米、小麥、薯類、豆類、蔬菜、油料作物、棉花、煙草、蘋果、柑橘、梨、葡萄和瓜類等主要作物，覆蓋重慶地區(qū)95%以上的種植面積。在充分考慮到重慶市主要畜禽種類及其養(yǎng)殖周期差異的基礎上，生豬、肉牛以及肉禽數量采用當年的出欄數，役用牛、奶牛數量以及羊數量采用當年的存欄數，蛋禽的數量根據年產蛋總量和單位蛋禽的年產蛋量估算而來。為方便對比不同動物數量的變化，將奶牛作為標準單位LU（livestock unit），其他動物分別按肉牛，0.8﹕1；役用牛，0.8﹕1；豬，0.3﹕1；羊，0.1﹕1；蛋禽，0.014﹕1；肉禽，0.007﹕1的比例換算成標準牛數量[20]。

本文所采用的谷草比、作物秸稈氮含量、動物主產品及副產物氮含量、動物個體質量及其不同部位分配系數、單位動物年平均氮排泄量、農田淋失和徑流和反硝化環(huán)境參數均來自于文獻[21]，氮沉降計算參數引用Liu等[22]，生物氮固氮量計算參數參照Yan等[23]，氨揮發(fā)和氧化亞氮排放參數參照文獻[24-25]中川渝地區(qū)研究結果。作物籽粒與秸稈的去向和畜禽糞尿去向數據來自于早期農戶調研數據[26]，重慶市政府網站公布數據以及重慶市農業(yè)面源污染調查數據。重慶市農業(yè)面源污染調查數據：2007—2009年間，調查涉及全市39個區(qū)縣，普查對象包括種植業(yè)6 846 523戶農戶和畜禽養(yǎng)殖25 561個，其中養(yǎng)殖場、養(yǎng)殖小區(qū)、養(yǎng)殖戶的數量分別為919、67和24 575個。種植業(yè)調研內容主要包括主要普查糧食作物、經濟作物和蔬菜作物生產過程中秸稈、肥料和農藥等使用情況。畜禽養(yǎng)殖業(yè)主要普查豬、奶牛、肉牛、蛋雞、肉雞在規(guī)模養(yǎng)殖條件下污染物的產生情況。普查內容主要包括畜禽種類、養(yǎng)殖組織模式、存欄量、出欄量、飼養(yǎng)階段、精粗飼料主要成分含量，糞便和污水產生量、處理方式、利用方式、利用量、排放量。

1.5 情景設計

2015年重慶市政府公布重慶秸稈綜合利用率達到80%，其中肥料化僅為26%，飼料化25%，畜禽規(guī)模養(yǎng)殖場糞污處理率達到78%。根據《重慶市農業(yè)農村發(fā)展“十三五”規(guī)劃》對農牧產品量的規(guī)劃：種植業(yè)，在2020年，重慶市糧食產量基本穩(wěn)定在1 000×104t，蔬菜和水果產量分別保持年均1.3%和8.9%的增速；油料和烤煙等其他作物的產量穩(wěn)定在69×104t；其中糧食生產面積適度調減，在2020年保證不低于2×106hm2，油料等其他作物面積也適度下降，蔬菜種植面積保持年均0.9%的增長，柑橘種植面積增加2.18×104hm2。畜禽養(yǎng)殖業(yè)，肉類產量保持年均2.4%的增長速度，奶業(yè)產量根據《全國奶業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》要求保持年增長3.1%的速度。到2020年，全市出欄肉牛達到1.2×106頭、肉羊達到3.5×106只，生豬數量基本保持穩(wěn)定，役用牛數量降低19%。2020年全市家禽出欄達到2.7×108只、禽蛋產量達到55×104t，本文設計了重慶市農牧系統的3種不同氮素管理情景模式，比較氮素的利用和損失情況。

情景1（S1）：2020年化肥氮消耗量與2015年保持一致，秸稈還田率、糞尿還田率和本地飼料率等養(yǎng)分循環(huán)率均與2015年保持一致。

情景2（S2）：2020年化肥氮消耗量與2015保持一致，全市農作物秸稈綜合利用率達到85%以上，畜禽規(guī)模養(yǎng)殖場糞污處理率達到85%。

情景3（S3）：2020年，全市農作物秸稈綜合利用率達到85%以上，畜禽規(guī)模養(yǎng)殖場糞污處理率達到85%。通過根據《到2020年化肥使用量零增長行動方案》要求，優(yōu)化作物養(yǎng)分綜合管理策略和施肥技術，使作物生產系統氮素利用率達到40%。

2 結果

2.1 重慶市農牧系統氮素流動特征變化

重慶市直轄20年以來，經濟快速發(fā)展，對農牧系統的生產需求也越來越大，氮素的流動特征也逐漸發(fā)生了變化?；室恢笔侵貞c農牧系統的主要氮素輸入源之一，占總投入量的57%以上。由表1可以看出，1996—2015年，隨著農產品需求量的增加，氮肥投入量增長16%，飼料進口氮量增加27%，農田氮沉降量也增加51%。但生物固氮的氮素輸入降低了19%，其主要原因是固氮作物種植面積的持續(xù)下降。農牧系統的氮素投入量增加，尤其是氮肥和外源飼料增加，作物主產品和動物主產品的生產量也分別增加16%和83%。同時作物生產系統的氮損失增長24.6%，畜禽養(yǎng)殖系統的氮排放損失增加約為24.5%，2015年排放總量分別達到234和286 Gg，成為重慶市主要農業(yè)污染源。雖然畜禽養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展產生大量的畜禽糞便等排泄物，但是由于重慶市政府多項環(huán)境政策調控，畜禽糞尿還田率和糞污處理率逐年上升，氮素從畜禽養(yǎng)殖系統向作物生產系統的循環(huán)總量增加了44%。同時秸稈還田的氮素循環(huán)總量相比1996年增加了55%。但氮素在土壤中累積量增加34.8%，2015年達到162.0 Gg。

表1 1996和2015年重慶市農牧系統氮素流動特征

2.2 重慶市作物和畜牧生產系統氮素平衡分析

1996—2015年重慶市作物生產系統的氮素總投入從430 kg·hm-2增至532 kg·hm-2, 其中1996—2003年間增長緩慢，2003年之后進入快速增長模式（圖2-a）。20年間單位面積化肥增長量為62 kg·hm-2，占總投入的比例從71%降至69%，而有機肥的投入比例從9%增至11%。作物收獲帶走的氮量從179 kg·hm-2增至214 kg·hm-2，但農田氮素損失量20年間增加41%，其中氨揮發(fā)為氮素的主要損失途徑，占氮素總損失的51%以上。1996年畜禽養(yǎng)殖系統單位動物的氮素投入量為48 kg/LU，其中外源飼料投入占78%，本地飼料投入占32%，且至2015年均未產生顯著的變化（圖2-b）。畜禽糞尿是動物生產系統氮素主要的輸出途徑，占氮素總輸出的84%以上。重慶直轄后20年間，單位動物主產品的氮素輸出量增加30%，表明畜禽養(yǎng)殖系統的氮素利用率顯著提高。

圖2 重慶市作物（a）和畜禽（b）生產系統氮素平衡歷史變化

2.3 重慶農牧系統氮素流動驅動力分析

1996—2015年重慶市作物總種植面積整體未發(fā)生較大變化，維持在3.5×106hm2左右，但種植結構發(fā)生改變。糧食作物種植面積持續(xù)下降，種植比例從82%降至62%。相比糧食作物，瓜果蔬菜類等經濟作物種植比例從10%升至28%，增加0.65×106hm2（圖3-a）。2006年重慶發(fā)生嚴重的高溫干旱災害，持續(xù)的高溫對作物生長造成了嚴重損害，對糧食作物的影響尤為顯著，導致2007年種植面積驟降。1996—2015年畜禽養(yǎng)殖數量也在不斷增加，生豬、肉牛、奶牛、羊、肉禽和蛋禽數量分別增加31%、132%、375%、98%、175%和114%（圖3-b）。由于農業(yè)機械化的逐漸普及，役用牛的數量從2004年開始穩(wěn)步下降。其中1996—2006年，畜禽養(yǎng)殖數量增長較為迅速，2006年連續(xù)高溫造成了部分畜禽死亡、機體抵抗力下降，嚴重削弱了畜牧業(yè)的綜合生產能力，2007年生豬、肉牛、奶牛和肉禽數量同比2006年分別下降13%、36%、37%和18%，從2007年之后其各畜禽養(yǎng)殖數量開始逐步回升，2010年以后畜禽養(yǎng)殖數量逐漸趨于穩(wěn)定。

重慶市直轄后20年期間，人民生活水平不斷提高，人均GDP增長10倍以上。經濟作物（蔬菜和水果）產品（圖 4-a）和動物產品輸出量（圖4-b）與人均GDP值均呈現顯著的正相關關系。人均GDP增長初期，居民對經濟作物產品和動物產品的需求會發(fā)生急劇變化。但隨著人均GDP的逐漸提高，經濟作物產品和動物產品輸出量與GDP之間的響應關系會逐漸降低。1996—2015年，重慶市農牧生產體系經濟作物產品和動物產品輸出量分別提高2.9倍和1.8倍。農產品需求量的增長，刺激農牧生產系統氮肥的投入量和損失量的增長。經濟作物產品和動物產品輸出量均與農牧生產體系的氮肥消耗量和氮素損失量呈現顯著的線性相關關系（圖4-c—f），表明農牧生產結構的改變是影響氮素流動特征變化的重要因素。

圖3 重慶作物（a）和畜禽（b）系統生產結構變化

2.4 氮素優(yōu)化情景分析

2015年重慶市農牧生產體系中氮肥消耗量為578.7 Gg，氮素損失總量達到520.3 Gg，氮素利用率為24.3%。根據重慶市2020年農業(yè)生產規(guī)劃，將進一步擴大經濟作物種植面積，增加肉奶蛋產品供應量。通過情景分析發(fā)現，若在氮素管理和利用方式與2015年現狀保持一致（S1），2020年重慶市農牧系統氮素損失總量將會達到538 Gg（圖5-b），較2015年增長3.5%，氮素利用率降低1.2%（圖5-c）。若農牧生產系統氮肥消耗量保持不變，將作物秸稈綜合利用率提高到85%以上、畜禽規(guī)模養(yǎng)殖場糞污處理率達到85%的情景下（S2），氮素利用率將會比情景1提高0.3%，但氮素損失量會增加3 Gg，其主要原因是雖然畜牧生產系統氮素損失量降低，但大量的畜禽糞尿中氮素進入作物生產系統，導致作物系統氮素投入大量增加，遠遠高于作物對氮素的需求，造成更高的環(huán)境代價。在S2氮素管理模式的基礎上，優(yōu)化作物生產系統養(yǎng)分管理，使作物生產系統氮素利用率達到40%以上（S3），與2015年現狀相比，可減少氮肥15%投入（圖5-a），減少氮素損失4.2%，提高氮素利用率1.3%以上。

3 討論

3.1 農牧系統氮素流動驅動力分析

隨著社會經濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，對農產品的需求種類和品質都有著較大的變化。人均GDP是衡量經濟發(fā)展狀況的重要指標，本研究表明經濟作物和動物產品的增加與人均GDP均呈現顯著的相關關系，農業(yè)生產結構改變直接影響了氮素流動特征的變化（圖4）。在社會經濟發(fā)展過程，除了人們對蔬菜水果需求量增加的影響因素之外，受家庭收入的限制，小農戶逐漸選擇放棄經濟效益低的糧食作物[27]。受農業(yè)政策和政府配套產業(yè)鏈條完善的影響，蔬菜水果等經濟作物的種植在農戶群體中越來越受歡迎。因此，由于種植效益的巨大差異[28]和社會發(fā)展過程中居民對農產品消費需求的改變[29]，糧食作物比例下降，蔬菜，水果等經濟作物的種植面積不斷上升，尤其是柑橘種植面積，增加1.37×105hm2[19]。但蔬菜與果樹的水肥投入要遠高于作物的需求，平均施氮量要高于糧食作物150—250 kg·hm-2[30]，導致作物系統氮素投入量逐年增長。

隨著人們物質生活的不斷提高，為了滿足日益增長的物質需求，為社會發(fā)展提供更多的畜禽產品，2007年特大干旱災情之后，畜禽養(yǎng)殖業(yè)也呈現快速的發(fā)展。役用牛數量逐步下降，各主要畜禽養(yǎng)殖規(guī)模逐漸擴大（圖3）。除此之外，圍繞“穩(wěn)量提質發(fā)展生豬，優(yōu)化結構發(fā)展牛羊，固本強基發(fā)展禽兔”的目標，以及重慶市政府對規(guī)?；B(yǎng)殖企業(yè)的資金補貼支持，2015年重慶市畜禽養(yǎng)殖規(guī)?；蔬_到60%。養(yǎng)殖模式由散養(yǎng)向規(guī)?；l(fā)展，生產管理水平提高，顯著提高畜禽系統養(yǎng)分利用率[31]，這與本文的研究結論相一致。畜牧動物數量的增加，同時也導致了飼料進口數量的大量增長。畜禽養(yǎng)殖業(yè)生產規(guī)模的不斷擴大和集約化程度不斷提高的同時，糞尿等排泄物也隨之劇增，但規(guī)?；呐盼叟涮自O施卻沒有及時完善，加之近些年勞動力不斷外輸，散養(yǎng)畜禽動物排泄物缺少勞動力將其循環(huán)施入農田，基本直接向地表等環(huán)境中排放[16]。為實現畜禽養(yǎng)殖業(yè)與環(huán)境保護的協調發(fā)展，重慶市政府頒布多項畜禽養(yǎng)殖環(huán)境管理實施方案，全市規(guī)?；B(yǎng)殖場糞污處理率達到78%。受政府政策的調控和農業(yè)技術推廣的影響，越來越來的畜禽糞尿轉化成有機肥應用在果樹蔬菜和煙草等經濟作物生產中[32-34]，農牧系統內養(yǎng)分循環(huán)量有所增長（表1）。但由于部分養(yǎng)殖場糞污處理產生的污水直接進入農田，利用受季節(jié)性的影響及存儲和運輸的限制，且養(yǎng)殖場周邊缺少足夠的農田面積及時消納，未能合理歸還到農田系統[35]，導致地表污水排放量不斷上升。同時在過去20年中，農業(yè)化肥消耗量的增長，工業(yè)排放和化石燃料的消耗等人為活動改變了氮循環(huán)過程[36-37]，導致大氣氮沉降量顯著增加，給農牧系統帶來了更多的氮素。

圖4 重慶人均生產總值與經濟作物（蔬菜和水果）產量（a）和動物產品輸出量（b）之間的關系；經濟作物產量與農牧系統氮肥消耗量（c）和總氮損失量（d）關系；動物產品輸出量與農牧系統氮素消耗量（e）和總氮損失量（f）關系

圖5 不同情景模式下氮肥消耗量（a）、氮素損失量（b）和氮素利用率（c）比較

3.2 氮素管理措施分析

社會經濟發(fā)展對區(qū)域氮循環(huán)的干擾日益加劇，因氮循環(huán)失衡導致的環(huán)境污染問題逐漸凸顯?；适┯煤托笄蒺B(yǎng)殖業(yè)糞尿排放損失已經成為長江及其支流水體主要的污染源之一[38]。為了提高氮素利用率，減少氮素損失，本文對區(qū)域不同氮素管理模式下的效果進行了評估，確定了3項有效的措施：（1）優(yōu)化作物系統養(yǎng)分管理；（2）強化畜禽糞污治理；（3）推廣資源循環(huán)利用，用于實現重慶農牧系統生產和環(huán)境的可持續(xù)健康發(fā)展。

作物生產系統在綜合考慮土壤、環(huán)境、生物等養(yǎng)分資源基礎上，以保證糧食安全、實現提質增效為目標，不僅要在養(yǎng)分供應量上與作物需求量相匹配，同時在施用的時間和空間上也要準確匹配。土壤-作物系統綜合管理技術可以在糧食作物增產的同時減少活性氮損失30%、減少溫室氣體排放11%[39]。根層氮素調控是保證蔬菜高產和養(yǎng)分高效利用的前提，合理調控不同生育期的根際氮濃度，將明顯減少氮素投入和損失[40]。氮素管理可基于總量控制，分期調控，近根施用和水肥耦合的原則，同時選用配施硝化抑制劑或緩釋肥等新型肥料，使根際養(yǎng)分供應與作物需求在時空上保持同步[41]。在重慶近20年中，在畜禽養(yǎng)殖數量的增加背景下，畜禽糞污等廢棄物資源多數逐漸流向蔬菜、果樹等經濟作物，但是化肥氮投入并未減少，導致其生產系統氮素投入量逐年增加，遠遠超過作物養(yǎng)分需求量，因此土壤氮素盈余量也逐年增加（圖2）。土壤氮素盈余與氮素損失之間存在顯著的相關關系[42]。在歐洲等地將農田氮素盈余量作為評價農田氮素環(huán)境排放的重要指標[43]，重慶黏土的土壤氮素年盈余量的推薦最高限量標準為100 kg·hm-2。因此，在實現有機氮替代無機氮過程中要控制化肥氮的投入，保證作物生產系統氮素平衡，提高氮素利用率。有機氮替代無機氮可以顯著提高作物產量，保證產量的穩(wěn)定性和可持續(xù)性，促進作物對氮素的吸收和向籽粒的轉運，提高氮素利用率[44]，同時可以減少氨揮發(fā)、徑流和淋洗損失量（圖5）。畜禽糞尿轉化成商品有機肥歸還農田時，可采用有機無機配施，開溝深施等方式，能降低表層土壤的氮肥濃度，起到抑制氨揮發(fā)的作用。糧食作物、果樹等大田作物亦可與采用與豆科作物輪作、間作和混作模式，也是減少農牧系統氮素投入的一個重要措施[45]。

重慶在進一步擴大養(yǎng)殖規(guī)模的同時，對于新建、改擴建的畜禽養(yǎng)殖場需進行嚴格的環(huán)評管理，同時建設完善畜禽養(yǎng)殖場雨污分流污水收集系統和廢棄物貯存設施，鼓勵采取單獨清除糞便的“干清糞”工藝和畜禽糞污的固液分離工藝。在畜禽糞便堆置處理過程中，由于高溫和偏堿性環(huán)境，會產生大量的氨揮發(fā)損失，可以通過調節(jié)堆肥的碳氮比，添加物理或化學添加劑改變堆肥pH，或者接種微生物，加速銨態(tài)氮向其他形式氮素的轉化[46]。在飼養(yǎng)管理上，中國畜禽動物氮素排泄量要高出美國2—3倍左右，主要原因是由于飼料蛋白含量過高[47]，而動物系統的糞尿養(yǎng)分輸出占到總輸出的84%以上（圖2），造成了大量資源浪費。因此，發(fā)展低蛋白動物飼料，可顯著減少畜禽養(yǎng)殖系統NH3和N2O排放量[48]。

通過對日本Mikasa城市氮素循環(huán)在不同的生產和消費環(huán)節(jié)的影響分析，增加氮素內部循環(huán)，可以顯著降低化肥投入量，提高氮肥利用率[49]。因此，重點扶持和發(fā)展以畜禽糞便為主要原料的有機肥廠和沼氣工程建設，鼓勵建設具有充足周邊土地消納排泄物的畜禽養(yǎng)殖場，畜禽養(yǎng)殖規(guī)模與周圍農作物種植面積相配套，采取“種養(yǎng)結合、生態(tài)還田”模式，做到畜禽糞便、污水經處理后全部循環(huán)利用，實現污染零排放。同時進一步提高秸稈綜合利用率，減少秸稈焚燒比例。實現區(qū)域的養(yǎng)分循環(huán)利用，可在滿足生產需要的同時，減少外源氮素投入，降低生態(tài)環(huán)境壓力。

4 結論

隨著社會經濟發(fā)展和人民生活水平的提高，居民對農產品需求結構逐漸發(fā)生變化，20年間重慶市經濟作物產品和動物產品輸出量分別提高2.9倍和1.8倍。農牧生產結構的調整是氮素流動變化的主要驅動力，1996—2015年重慶市農牧系統氮素輸入量增加19.2%，其中氮肥增長量貢獻50.7%；氮素損失量增加24.9%，作物生產和畜禽生產系統分別貢獻45.2%和54.8%，畜禽生產為氮素的主要損失途徑；秸稈和畜禽糞尿等廢棄物資源利用逐漸呈現良好發(fā)展趨勢，1996—2015年重慶農牧系統氮素循環(huán)總量增加47.7%。

在未來將進一步擴大經濟作物種植面積，增加肉奶蛋產品供應量的同時，應加大畜禽糞便和秸稈循環(huán)等廢棄資源循環(huán)利用力度；優(yōu)化作物生產養(yǎng)分管理技術，實現養(yǎng)分供應和作物需求在時空上的同步，減少化肥投入降低，降低土壤氮素盈余量和損失量，提高氮素利用率；發(fā)展集約化養(yǎng)殖，控制畜禽系統氮素排放，實現農業(yè)生產和生態(tài)環(huán)境的平衡發(fā)展。

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（責任編輯 岳梅）

Nitrogen flow of crop-livestock production system and its Driving Forces in Chongqing over the past 20 years

CHEN XuanJing1, GONG YaHui3, XIE Jun1, ZHANG YueQiang1,2, CHEN XinPing1,2, SHI XiaoJun1,2

(1Key Lab of Cropland Preservation in Southwest, Ministry of Agriculture, College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400716;2Academy of Advanced Agricultural Sciences, Southwest University, Chongqing 400716;3College of Economics and Management, Southwest University, Chongqing 400716)

【Objective】The objectives of this study are to evaluate the characteristics of nitrogen (N) flow in the crop-livestock system and analyze the main pathways of N loss and main drivers of the change in N flow in the crop-livestock system, put forward the effective N management measures, and to provide a powerful technical support for efficient N resource adoption in crop-livestock system in Chongqing.【Method】The crop-livestock system of Chongqing was defined as research case. A quantitative analysis of the N flow and loss and of their relationships with human activities from 1996 to 2015 was reported using the nutrient flow in food chain, environment and resources use model (NUFER). The data were mainly derived from literature, statistics and research reports. Pathways to a sustainable N use were explored through scenario analysis of different N managements in 2020.【Result】The total N input of crop-livestock system in Chongqing increased by 19.2% from 1996 to 2015. The amount of N input reached 1 006 Gg in 2015 and fertilizer consumption contributed 57% to it. The total N output of crop-livestock system in Chongqing increased by 16.5% from 1996 to 2015 and it has reached 844 Gg in 2015. Environmental loss was the largest part of N output in the crop-livestock system, which accounted for 61.7% of total output. Crop and animal production systems contributed 45.1% and 54.9% to the total N loss in 2015, respectively. The total amount of N cycle in the crop-livestock system increased by 42.7% and reached 448 Gg in 2015. The N amounts in manure and straw returning reached 32.7 and 95.0 Gg, respectively, which increased by 55% and 44% from 1996 to 2015. The cultivation proportion of vegetable and fruit to total sown areas increased from 10% to 28% from 1996 to 2015. Meanwhile, the percentage of cereals crops area dropped from 82% to 62%. In addiction，the export of main animal products increased by 83%, such as meat, milk and eggs. A significant liner relationship was observed between changes in N use and loss and changes in production structure, while the relationship between changes in N use and loss and changes in gross domestic production (GDP) was non-linear. It suggested that the dominant factor affecting N flow should be production structure, and GDP just played a role in stimulating consumption of crop and animal products. If the goal of agricultural production in the “13th Five-Year Plan for Agricultural Development in Chongqing Municipality” is fulfilled by 2020 with current N fertilizer inputs and N management practices, it will increase N loss by 18 Gg and reduce N use efficiency by 1.2% relative to the status of 2015. Scenario with increased the N cycling rate in the crop-livestock system and optimized nutrients management of crop production, indicated 15% and 4.2% reductions in N fertilizer input and N loss, respectively. It also would greatly increase N use efficiencies (NUE).【Conclusion】The characteristics of N flow in the crop-livestock system have been greatly changed over the past 20 years in Chongqing. Increased N input and total environmental loss were observed since 1996. The main driver for these changes was adjustment of production structure. Key measures for ensuring food production and minimizing environmental costs are (1) reducing direct emission of N from the livestock system to the environment, (2) enhancing the recycling of straw and manure, (3) optimizing N management and improving NUE in crop production system.

nitrogen (N); Chongqing; crop-livestock system; driving force; NUFER model

2017-06-16；

2017-07-20

國家重點研發(fā)計劃（2016YFD0200104，2017YFD0200108）

陳軒敬，E-mail：cxj0214@email.swu.edu.cn。

石孝均，E-mail：shixj@swu.edu.cn