中國(guó)天然草地氮磷流動(dòng)空間特征

魏志標(biāo)，柏兆海，馬林，張福鎖

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中國(guó)天然草地氮磷流動(dòng)空間特征

魏志標(biāo)1,2，柏兆海2，馬林2，張福鎖1

（1中國(guó)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(guó)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(guó)科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050021）

【目的】定量研究天然草地的氮磷流動(dòng)空間特征，為優(yōu)化牧草施肥和提高牧草產(chǎn)量提供科學(xué)依據(jù)?！痉椒ā拷⒅袊?guó)天然草地氮磷養(yǎng)分輸入(輸出)數(shù)據(jù)庫(kù)，利用NUFER模型定量中國(guó)天然草地氮磷平衡賬戶(hù)、利用率和環(huán)境排放特征?！窘Y(jié)果】(1)2013年，全國(guó)天然草地氮和磷的輸入(輸出)總量分別為5 034 Gg N和318 Gg P，單位面積的輸入(輸出)量分別為19 kg N·hm-2和1.2 kg P·hm-2。氮沉降和畜禽糞尿磷分別占氮和磷輸入總量的49%和89%。各區(qū)域天然草地氮和磷輸入(輸出)量變化范圍分別為7.0—70 kg N·hm-2和0.12—8.0 kg P·hm-2；(2)2013年，天然草地氮和磷養(yǎng)分利用率分別為105%和191%，各區(qū)域間差異很大。中國(guó)各地區(qū)天然草地的氮利用率變化范圍為67%—141%，磷利用率的變化范圍為75%—538%；(3)2013年，天然草地氮和磷的環(huán)境損失量分別為1.7 kg N·hm-2和0.059 kg P·hm-2，氨揮發(fā)和侵蝕分別是氮和磷的主要損失途徑。西南和東北地區(qū)天然草地氮損失量較多，部分區(qū)域的損失量超過(guò)8.0 kg N·hm-2；西北地區(qū)氮損失量較少，平均不足3.0 kg N·hm-2；青藏高原區(qū)氮損失量最少，不足1.0 kg N·hm-2。磷的環(huán)境排放空間規(guī)律與氮排放相似；(4)2013年，全國(guó)天然草地土壤氮和磷的虧缺總量分別為706 Gg N和315 Gg P，單位面積虧缺量分別為2.7 kg N·hm-2和1.2 kg P·hm-2。北方和西南部分地區(qū)天然草地的氮土壤累積量為負(fù)值，重慶、吉林和遼寧的土壤氮虧損量超過(guò)20 kg N·hm-2；西部和西南部分省份天然草地的氮土壤累積量為正值，其中廣西和云南的土壤氮累積量超過(guò)5.0 kg N·hm-2。除廣西和貴州外，其他區(qū)域天然草地磷養(yǎng)分均有不同程度的虧缺，重慶天然草地磷的虧缺量最大，為3.7 kg P·hm-2?！窘Y(jié)論】2013年，全國(guó)天然草地的氮和磷輸入量較小，約50%的氮素通過(guò)氮沉降輸入系統(tǒng)，約90%的磷素通過(guò)畜禽糞尿磷輸入系統(tǒng)；全國(guó)天然草地土壤的氮和磷呈虧缺狀態(tài)，養(yǎng)分利用率高于100%，當(dāng)前草地系統(tǒng)不可持續(xù)，應(yīng)注意補(bǔ)施氮磷養(yǎng)分；全國(guó)天然草地單位面積氮和磷的環(huán)境損失量較小，西南地區(qū)天然草地的氮和磷環(huán)境損失量大于其他區(qū)域。各區(qū)域天然草地氮磷流動(dòng)空間特征差異較大。

天然草地；氮；磷；養(yǎng)分流動(dòng)；養(yǎng)分利用率；土壤養(yǎng)分累積

0 引言

【研究意義】中國(guó)天然草地的面積為4億公頃，是中國(guó)國(guó)土面積的42%，耕地面積的3.2倍[1-2]。草地不僅具有生產(chǎn)功能，而且還有諸多的生態(tài)功能，據(jù)估計(jì)，通過(guò)優(yōu)化放牧和管理，草地系統(tǒng)可以吸收1.5億噸CO2當(dāng)量的溫室氣體[3-4]。中國(guó)天然草地牧草的產(chǎn)量基本不足1 000 kg·hm-2，除寧夏外其他地區(qū)的載畜量均有不同程度的超載[5]。天然草地養(yǎng)分流動(dòng)特征的研究可以為優(yōu)化草地施肥提供理論依據(jù)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】氮和磷是牧草生產(chǎn)的主要限制因素，其循環(huán)對(duì)草地系統(tǒng)有重要影響[6-7]。張杰琦等[8]在青藏高原的研究表明，添加氮可以提高高寒草甸的植被高度和蓋度，添加磷同樣對(duì)天然草地有重要影響；閆鐘清等[9]研究了人類(lèi)活動(dòng)對(duì)中國(guó)草地系統(tǒng)氮循環(huán)關(guān)鍵過(guò)程的影響，認(rèn)為人類(lèi)活動(dòng)，如放牧、開(kāi)墾和火燒，是草原生態(tài)系統(tǒng)維持穩(wěn)定的重要干擾因子，可能會(huì)增加硝態(tài)氮的流失和N2O的排放。草地系統(tǒng)磷流動(dòng)方面的研究較少，Chen等[10]分析了中國(guó)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的磷流動(dòng)及其對(duì)水體和人類(lèi)生活的影響，研究指出，盡管中國(guó)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)每年磷的盈余量為15 kg P·hm-2，但草地生產(chǎn)系統(tǒng)呈現(xiàn)嚴(yán)重的磷虧缺，每年的虧損量接近10 kg P·hm-2，嚴(yán)重影響草地的生產(chǎn)和生態(tài)功能。當(dāng)前相關(guān)方面的研究尚有很多不足[11-12]。天然草地基本不施肥且載畜量較高，管理和利用方式不合理，約90%的草地出現(xiàn)不同程度的退化，草原區(qū)沙化土地占國(guó)土面積的3.9%，局部治理，整體惡化的趨勢(shì)仍在繼續(xù)[13-15]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】天然草地氮磷流動(dòng)特征研究對(duì)于國(guó)家政策制定和農(nóng)戶(hù)生產(chǎn)均具有重要意義，而當(dāng)前在這方面的研究尚需完善，本研究通過(guò)建立中國(guó)各區(qū)域的天然草地氮磷輸入和輸出的數(shù)據(jù)庫(kù)，借助NUFER模型，估算各區(qū)域天然草地氮磷流動(dòng)特征、利用率和環(huán)境排放特征?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】定量中國(guó)不同區(qū)域天然草地的養(yǎng)分平衡賬戶(hù)；分析不同區(qū)域天然草地氮磷利用率；評(píng)估不同區(qū)域天然草地的氮磷環(huán)境排放。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究利用NUFER模型計(jì)算，模型包括輸入模塊、輸出模塊和計(jì)算模塊[16-17]。輸入模塊包括變量和參數(shù)?；视昧?、牧草播種面積、作物產(chǎn)量等屬于模型變量，來(lái)源于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。參數(shù)例如牧草氮磷含量、養(yǎng)分環(huán)境排放因子來(lái)源于文獻(xiàn)數(shù)據(jù)。模型輸出模塊包括氮磷平衡帳戶(hù)、氮磷利用率和各種形態(tài)氮磷環(huán)境排放，包括揮發(fā)（NH3）、氧化亞氮排放（N2O）、反硝化（N2）、氮磷徑流、侵蝕、淋洗等。

1.2 模型計(jì)算

養(yǎng)分賬戶(hù)的輸入項(xiàng)包括糞尿輸入、大氣沉降、生物固氮（N）；輸出項(xiàng)包括牧草收獲、揮發(fā)（NH3）、氧化亞氮排放（N2O）、反硝化（N2）、氮磷徑流、侵蝕、淋洗和土壤累積。具體的養(yǎng)分輸入和輸出公式如下：

Igtotal=Igmanure+Igdeposition+Igfixation（1）

式中，Igtotal表示天然草地氮（磷）總輸入量（kg·hm-2），Igmanure代表天然草地中糞尿氮（磷）輸入（kg·hm-2），Igdeposition代表氮（磷）沉降（kg·hm-2）；Igfixation代表草地生物固氮（kg·hm-2）。具體數(shù)值見(jiàn)表1。

Ogtotal=Oggrass+OgNH3+OgN2O+Ogdenitrification+Ogrunoff+Ogerosion+Ogleaching+Ogaccumulation（2）

Oggrass=yield×grassN(P)C/100 （3）

式中，Ogtotal表示天然草地氮（磷）總輸出量（kg·hm-2），Oggrass表示天然草地牧草氮（磷）輸出量（kg·hm-2），其數(shù)值基于牧草產(chǎn)量和牧草氮含量估算；牧草產(chǎn)量（kg·hm-2）和牧草氮（磷）含量（%）分別由yield和grassN（P）C表示，各地區(qū)的具體量見(jiàn)表2；OgNH3表示氨揮發(fā)，OgN2O表示氧化亞氮排放，Ogdenitrification表示反硝化，Ogrunoff表示氮（磷）徑流，Ogerosion表示氮（磷）侵蝕，Ogleaching表示氮（磷）淋洗，Ogaccumulation表示天然草地氮（磷）土壤累積（kg·hm-2），以上數(shù)據(jù)由NUFER模型模擬得到[16-17]，該模型可模擬食物鏈養(yǎng)分流動(dòng)情況。

N(P)UEg=（Oggrass/Igtotal）×100% （4）

式中，N(P)UEg表示天然草地氮（磷）利用率，由牧草氮（磷）輸出量和天然草地氮（磷）輸入量的比值得到。

表1 2013年中國(guó)不同區(qū)域天然草地氮磷養(yǎng)分輸入量

表中數(shù)據(jù)為2013年的值，基于發(fā)表的文章。草地生物固氮量基于草產(chǎn)量估算，青藏高原區(qū)天然草地生物固氮量占總吸氮量的9.0%，其他區(qū)域占20%

Date used derived from published articles and based on the results of 2013. N fixation of natural grassland was calculated based on grass yield. N fixation of natural grassland in Tibet Plateau accounts for 9.0% of total N uptake, while other regions account for 20%

表2 2013年中國(guó)不同區(qū)域天然草地牧草產(chǎn)量、氮磷含量和牧草氮磷攜出量

天然草地產(chǎn)量數(shù)據(jù)源于全國(guó)草原監(jiān)測(cè)報(bào)告；牧草氮和磷含量通過(guò)文獻(xiàn)總結(jié)獲得（附錄）

Natural grassland yield data used derived from The National Grassland Report. The content of N and P of forage acquired by summarizing published articles (appendix)

2 結(jié)果

2.1 2013年中國(guó)天然草地氮磷流動(dòng)特征

2013年中國(guó)天然草地氮總輸入（輸出）量為5 034 Gg N，氮沉降是氮輸入天然草地的一種主要途徑，占總輸入量的49%，牧草攜出是天然草地氮輸出的最主要方式，占總輸出量的105%。全國(guó)天然草地磷總輸入（輸出）量為318 Gg P，動(dòng)物糞尿是天然草地磷輸入的一種主要途徑，占總輸入量的89%，另外有11%的磷以沉降的形式輸入到天然草地，牧草攜出是天然草地磷輸出的最主要方式，占總輸出量的191%。

2013年中國(guó)單位面積天然草地氮總輸入量為19 kg N·hm-2，牧草攜出氮為20 kg N·hm-2，天然草地氮利用率為105%，以氨揮發(fā)等環(huán)境損失的方式進(jìn)入到大氣或水體中的量為1.7 kg N·hm-2，天然草地土壤氮累積量為-2.7 kg N·hm-2。單位面積天然草地磷輸入（輸出）量較少，為1.2 kg P·hm-2，動(dòng)物糞尿是天然草地磷輸入的一種主要途徑（1.1 kg P·hm-2），以沉降的形式輸入到單位面積天然草地的量為0.14 kg P·hm-2。在單位面積天然草地磷的各輸出項(xiàng)中，牧草攜出量為2.3 kg P·hm-2，以徑流和侵蝕等環(huán)境損失的方式進(jìn)入到地表和地下水體中的量分別為0.029和0.061 kg P·hm-2，磷利用率為191%，草地土壤磷累積量為-1.2 kg P·hm-2（表3）。

2.2 2013年中國(guó)各地區(qū)天然草地氮磷平衡賬戶(hù)

2013年中國(guó)各地區(qū)單位面積天然草地氮輸入量變化范圍為7.0—70 kg N·hm-2，南方和東北地區(qū)天然草地氮輸入量較大，內(nèi)蒙、新疆、甘肅、西藏和青海5大牧區(qū)的氮輸入量均較小，其中青藏高原區(qū)的輸入量最少，西藏和青海的氮輸入量為7.4和7.0 kg N·hm-2。各地區(qū)天然草地的氮輸出量變化范圍為6.3—91 kg N·hm-2，氮輸入量越大的地區(qū)牧草攜出的養(yǎng)分越多，重慶通過(guò)牧草攜出的氮養(yǎng)分最多，為91 kg N·hm-2（圖1-a）。

2013年中國(guó)各地區(qū)單位面積天然草地磷輸入量變化范圍為0.12—8.0 kg P·hm-2，西南和東北地區(qū)磷輸入量較高，輸入量最高的省份為貴州（8.0 kg P·hm-2）；5大牧區(qū)單位面積的輸入量較低，最低的省份為青海，輸入量?jī)H為0.21 kg P·hm-2。磷輸入量較多的區(qū)域一般牧草攜出量也偏高，牧草攜出量分布在0.61—11 kg P·hm-2（圖1-b）。

表3 2013年全國(guó)天然草地氮磷流動(dòng)特征

圖1 2013年中國(guó)不同地區(qū)天然草地氮磷平衡賬戶(hù)

2.3 2013年中國(guó)各地區(qū)天然草地氮磷利用率

2013年中國(guó)各地區(qū)天然草地的氮利用率變化范圍為67%—141%，由于青海、重慶、吉林、遼寧、內(nèi)蒙古和甘肅的牧草攜出量大于當(dāng)?shù)靥烊徊莸氐牡傒斎肓浚噬鲜鰠^(qū)域的氮利用率超過(guò)100%，其中青海天然草地的氮利用率最高，為141%；其余9個(gè)地區(qū)的牧草攜出量小于氮的總輸入量，氮利用率小于100%，云南的氮利用率最低（67%）（表4）。

2013年中國(guó)地區(qū)天然草地的磷利用率高于氮利用率，變化范圍為75%—538%。青海的磷利用率最高，達(dá)到538%，主要原因是當(dāng)?shù)靥烊徊莸氐牧纵斎肓糠浅５?。?nèi)蒙和甘肅的磷利用率也較高，超過(guò)200%；僅廣西、貴州和云南的磷利用率小于100%（表4）。

2.4 2013年中國(guó)各地區(qū)天然草地氮磷環(huán)境損失

西南和東北地區(qū)天然草地氮損失較多，貴州、云南、廣西和吉林的氮損失量分別為10、9.5、9.4和7.5 kg N·hm-2；西北地區(qū)的氮損失量較少，平均不足3.0 kg N·hm-2；青藏高原區(qū)氮損失量最少，不足1.0 kg N·hm-2。氨揮發(fā)是氮損失的主要途徑，遼寧、吉林、貴州、重慶和廣西等地區(qū)通過(guò)氨揮發(fā)損失的氮大于5.0 kg N·hm-2（圖2-a）。磷的環(huán)境排放與氮排放規(guī)律相似，西南和東北地區(qū)的排放量較多。通過(guò)淋洗損失的磷很少，通過(guò)侵蝕損失的量較多，但基本不超過(guò)1.0 kg P·hm-2（圖2-b）。

2.5 2013年中國(guó)各地區(qū)單位面積天然草地氮磷土壤累積

北方和部分西南地區(qū)的氮土壤累積量為負(fù)值，重慶、吉林和遼寧的土壤氮虧損量超過(guò)20 kg N·hm-2。西部和西南部分地區(qū)的氮土壤累積量為正值，其中廣西和云南兩地的土壤氮累積量超過(guò)5.0 kg N·hm-2。西藏、寧夏和貴州的氮土壤累積量介于0—2.0 kg N·hm-2，土壤氮基本處于平衡狀態(tài)（圖3）。

除廣西和貴州外，其余地區(qū)均有不同程度的磷虧缺。其中新疆和云南草地土壤磷虧缺量不足0.1 kg P·hm-2，土壤磷基本處于平衡狀態(tài)，重慶天然草地磷的虧缺量最大，為3.7 kg P·hm-2。廣西 和貴州天然草地的土壤磷累積量分別為1.3和0.26 kg P·hm-2（圖3）。

圖2 2013年中國(guó)不同地區(qū)天然草地氮磷損失

圖3 2013年中國(guó)不同地區(qū)天然草地氮磷土壤累積

表4 2013年中國(guó)不同地區(qū)天然牧草氮磷利用率

3 討論

3.1 中國(guó)天然草地氮磷流動(dòng)特征

本研究發(fā)現(xiàn)，中國(guó)天然草地氮磷養(yǎng)分賬戶(hù)均為負(fù)值，草地土壤養(yǎng)分略有虧缺，草地嚴(yán)重退化與此相關(guān)。草地氮磷的利用率超過(guò)100%，青海等部分地區(qū)的磷利用率甚至超過(guò)200%。Gu等[21]研究表明，中國(guó)草地系統(tǒng)氮利用率為59%—95%，與本研究結(jié)果存在差異。主要有兩方面原因，首先Gu等的研究對(duì)象包括天然和栽培草地兩種類(lèi)型，由于化肥的投入，栽培草地的養(yǎng)分利用率低于天然草地。另外，限于數(shù)據(jù)的問(wèn)題，本研究認(rèn)為天然草地的產(chǎn)量等于草地的氮磷移除量，故本研究的草地養(yǎng)分利用率較高。下一步的研究中，可以區(qū)分放牧區(qū)和沒(méi)有采食的地區(qū)或禁牧區(qū)，將這部分草地的牧草輸出設(shè)為0，以減小研究結(jié)果的誤差。

中國(guó)天然草地土壤氮虧缺量為2.7 kg N·hm-2，且各區(qū)域間差異很大，這與前人研究結(jié)果較為一致。Giese等[22]在內(nèi)蒙古的計(jì)算結(jié)果表明，放牧區(qū)氮累積量為負(fù)值，禁牧區(qū)的氮累積量為正值；Chen等[23]認(rèn)為中國(guó)天然草地的土壤氮虧缺量為-31.7 kg N·hm-2，養(yǎng)分輸出方面，牧草攜出氮量為80 kg N·hm-2，糞尿氮的輸入量?jī)H為13 kg N·hm-2，兩方面的原因?qū)е缕溆?jì)算的氮賬戶(hù)為負(fù)值。在本研究所涉及的地區(qū)中，吉林省牧草攜出量與Chen等計(jì)算的牧草氮帶走量相當(dāng)，而吉林天然草地的氮累積量為-24 kg N·hm-2，略高于Chen等的估算，原因是本研究中吉林的糞尿輸入量為29 kg N·hm-2，高于Chen等的估算。

動(dòng)物糞尿歸還草地量占天然草地氮總輸入量的33%（表3），Bouwman等[24]研究表明，糞尿施用量占亞洲農(nóng)用地氮總輸入量的31%。Bouwman等的研究對(duì)象包括耕地和草地，而本文的研究對(duì)象是天然草地。耕地和人工草地的糞尿施用比例遠(yuǎn)小于天然草地[11,17]，本研究的糞尿歸還天然草地的比例實(shí)際低于Bouwman等的研究結(jié)果。其一是因?yàn)橹袊?guó)的氮沉降量較大（約占天然草地氮總輸入量的50%）；其二是因?yàn)橹袊?guó)牲畜糞尿環(huán)境損失量較高[7]。

本研究表明，中國(guó)天然草地的土壤磷虧缺量為1.2 kg P·hm-2。Sattari等[12]對(duì)亞洲草原系統(tǒng)磷流動(dòng)特征分析的結(jié)果表明，草原磷虧缺量為3.7 kg P·hm-2，低于本研究計(jì)算的結(jié)果。Sattari等認(rèn)為每年牧草攜出的磷為6.6 kg P·hm-2, 按照磷含量0.22%計(jì)算，每年牧草的產(chǎn)量為3 000 kg·hm-2，而中國(guó)主要牧區(qū)牧草實(shí)際產(chǎn)量不足1 000 kg·hm-2，因此，Sattari等對(duì)亞洲草原區(qū)牧草的產(chǎn)量有所高估，進(jìn)而低估了草原磷累積量。Chen等[10]使用模型估算了中國(guó)草地磷流動(dòng)特征，表明中國(guó)草地的磷累積量為-4.7 kg P·hm-2，其估算的累積量結(jié)果更低。原因除高估了中國(guó)天然草地的產(chǎn)量外（3 441 kg·hm-2），他們還認(rèn)為僅有16%的動(dòng)物糞尿歸還到草地。事實(shí)上中國(guó)牧區(qū)多為天然放牧，除了環(huán)境損失和牧民取暖消耗掉部分動(dòng)物排泄物外，多數(shù)糞尿重新歸還草地。

3.2 中國(guó)天然草地養(yǎng)分管理優(yōu)化策略

基于本研究結(jié)果，對(duì)于中國(guó)天然草地養(yǎng)分管理的優(yōu)化策略應(yīng)該包括以下兩個(gè)方面：

其一，中國(guó)天然草地應(yīng)適當(dāng)?shù)难a(bǔ)施氮肥和磷肥。當(dāng)前天然草地退化嚴(yán)重，不僅制約了畜牧業(yè)的發(fā)展，還嚴(yán)重影響草地的生態(tài)功能[5,25-26]。以往的研究認(rèn)為氣候和放牧強(qiáng)度是影響草地生產(chǎn)力的最主要因素[27-28]，本研究發(fā)現(xiàn)中國(guó)天然草地土壤氮磷整體上略有虧缺。長(zhǎng)期以來(lái)，中國(guó)天然草地基本不施肥，且載畜量較高，草地土壤養(yǎng)分的管理不合理可能是天然草地退化的一個(gè)更直接原因。

其二，不同牧草種植區(qū)應(yīng)采用不同的氮磷養(yǎng)分管理策略，西南和西部地區(qū)天然草地土壤氮磷養(yǎng)分基本平衡，草地退化并非由土壤養(yǎng)分管理不合理所導(dǎo)致。遼寧、吉林和重慶天然草地土壤氮虧缺嚴(yán)重，每年應(yīng)補(bǔ)施氮20—30 kg N·hm-2。草原磷賬戶(hù)方面，除廣西和貴州外，全國(guó)草原磷賬戶(hù)均為負(fù)值。為了增加草地的生產(chǎn)力，應(yīng)適當(dāng)補(bǔ)施磷肥。內(nèi)蒙和重慶應(yīng)在控制載畜量的基礎(chǔ)上，補(bǔ)施部分磷肥，防止草地退化。

3.3 模型的不確定性

本研究利用NUFER模型模擬了中國(guó)天然草地氮磷流動(dòng)特征，但是由于模型的算法和參數(shù)的獲取的缺陷，也存在一些不確定性，主要表現(xiàn)在以下幾方面：本研究中氮沉降的數(shù)據(jù)源于文獻(xiàn)[18]。大氣按沉降的形式主要分為干沉降和濕沉降，其中報(bào)道最多的是濕沉降。由于下墊面土地利用方式和測(cè)定方法的不同，現(xiàn)有研究關(guān)于氮沉降量的報(bào)道差異很大。其中，對(duì)氮濕沉降的研究比較系統(tǒng)，使用該數(shù)值作為本研究的沉降量雖然會(huì)對(duì)總沉降量造成低估，但各區(qū)域的相對(duì)大小可以保證。

磷沉降方面，磷沉降同樣分為干沉降和濕沉降，沉降形式主要為無(wú)機(jī)磷。對(duì)濕沉降的研究相對(duì)比較系統(tǒng)，因此本研究所用的數(shù)據(jù)來(lái)自Zhu等[19]2016年對(duì)全國(guó)各地區(qū)磷濕沉降的研究結(jié)果。當(dāng)前關(guān)于磷沉降的研究較少，且報(bào)道的數(shù)值變化較大，本研究中，全國(guó)的平均值為0.21 kg P·hm-2。近年來(lái)關(guān)于中國(guó)北方地區(qū)特別是內(nèi)蒙古沙塵的報(bào)道逐漸增多，大量的沙塵會(huì)導(dǎo)致磷以干沉降的形式進(jìn)入草原系統(tǒng)[29-31]。但不能忽略的是，由于利用不合理，放牧強(qiáng)度過(guò)大等原因，內(nèi)蒙古草地的沙化問(wèn)題不斷加劇[32]。本研究中，內(nèi)蒙地區(qū)的草原磷沉降為0.11 kg P·hm-2（濕沉降量），雖然該數(shù)值未包含干沉降的部分，但是筆者認(rèn)為干沉降進(jìn)入系統(tǒng)的磷和通過(guò)風(fēng)蝕等途徑向系統(tǒng)外輸出的磷在總量上可以抵消，因此不予考慮。

天然草地糞尿輸入量根據(jù)Bai等[7]的算法獲得，利用中國(guó)各區(qū)域牛、羊、馬等草食動(dòng)物的養(yǎng)殖量計(jì)算糞尿產(chǎn)生量，再基于糞尿歸還草地的比例獲取天然草地糞尿輸入量。養(yǎng)分的環(huán)境排放方面，當(dāng)前關(guān)于天然草地環(huán)境排放參數(shù)的系統(tǒng)報(bào)道很少，本研究根據(jù)使用NUFER模型中的算法，根據(jù)植被覆蓋等因子，計(jì)算相應(yīng)的環(huán)境排放量[16-17]。

4 結(jié)論

（1）2013年，全國(guó)天然草地的氮和磷輸入量較小，氮沉降和畜禽糞尿磷分別是最主要的氮和磷輸入項(xiàng)；（2）2013年，全國(guó)天然草地氮和磷的養(yǎng)分利用率高于100%，各區(qū)域氮和磷利用率差異較大；（3）2013年，全國(guó)天然草地單位面積氮和磷的環(huán)境損失量較小，各區(qū)域的環(huán)境損失量差異較大，西南地區(qū)天然草地的氮和磷環(huán)境損失量大于其他區(qū)域；（4）2013年，全國(guó)天然草地土壤氮和磷呈虧缺狀態(tài)，當(dāng)前草地系統(tǒng)不可持續(xù)，應(yīng)注意補(bǔ)施氮磷養(yǎng)分。

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（責(zé)任編輯 岳梅）

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spatial Characteristics of Nitrogen and phosphorus Flow in natural grassland of China

WEI Zhibiao1,2, BAI Zhaohai2, MA Lin2, ZHANG Fusuo1

(1College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University/Key Laboratory of Plant-Soil Interactions, Ministry of 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)

【Objective】The objective of this study is to quantify the spatial characteristics of nitrogen (N) and phosphorus (P) flow in natural grassland of China, and to provide a scientific basis for optimizing forage fertilization and increasing forage yield. 【Method】The input and output database of N and P in natural grassland of China was established, the nutrient balance budget, nutrient use efficiency and environmental emission characteristics in natural grassland of China were quantified by using NUFER model. 【Result】(1) In 2013, the total input of N and P in natural grassland of China was 5 034 Gg N and 318 Gg P, respectively. The N and P input per unit area in natural grassland was 19 kg N·hm-2and 1.2 kg P·hm-2, respectively. The N deposition and the manure P applied accounted for 49% and 89% of total N and P input. The range of input (output) of N and P in natural grassland in different regions was 7.0-70 kg N·hm-2and 0.12-8.0 kg P·hm-2; (2) In 2013, the use efficiency of N and P in natural grassland of China was 105% and 191%, respectively. There were great differences among different regions. The range of use efficiency of N and P was 67%-141%, 75%-538%, respectively; (3) In 2013, the environmental loss of N and P in natural grassland of China was 1.7 kg N·hm-2and 0.059 kg P·hm-2, respectively. Ammonia emission and erosion were the main loss pathways of N and P in natural grassland, respectively. The N loss in natural grassland of Southwest and Northeast China was over 8.0 kg·hm-2. The N loss of Northwest China was relatively low, which was less than 3.0 kg·hm-2on average. The N loss in Tibet plateau was the lowest, which was less than 1.0 kg·hm-2. Spatial regularity of environmental P emission was similar to that of N emission; (4) In 2013, the total N and P deficit in natural grassland of China was 706 Gg N and 315 Gg P, respectively. The deficit per unit area of N and P was 2.7 kg N·hm-2and 1.2 kg P·hm-2, respectively. The value of soil N accumulation in North and Southwest China was negative, and the soil N deficit in Chongqing, Jilin and Liaoning was more than 20 kg N·hm-2. The value of soil nitrogen accumulation in West and Southwest China was positive, and the soil N accumulation in Guangxi and Yunnan was more than 5.0 kg N·hm-2. Soil P accumulation in natural grassland of China was different from N accumulation. With the exception of Guangxi and Guizhou, all of other regions had a negative soil P accumulation. The P deficit of natural grassland in Chongqing was the largest, which was -3.7 kg P·hm-2.【Conclusion】In 2013, the total input of N and P in natural grassland of China was relatively low, about 50% of the N was input through the N deposition and 90% of the P was input by manure P applied. The soil accumulation of N and P in natural grassland of China was negative in 2013, and the N and P use efficiency was higher than 100%. The current grassland system was unsustainable and applying moderate chemical fertilizers was sensible. In 2013, the environmental loss of N and P in natural grassland of China was relatively low. The nutrient loss in Southwest China was larger than that in other regions. The spatial flow characteristics of N and P in natural grassland varied greatly among different regions.

natural grassland; nitrogen; phosphorus; nutrient flow; nutrient use efficiency; soil nutrient accumulation

2017-07-31；

2017-09-29

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFD0800106，2016YFD0200105）、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（31572210）、河北省杰出青年基金（D2017503023）、中國(guó)科學(xué)院百人計(jì)劃項(xiàng)目

魏志標(biāo)，E-mail：weizb1993@126.com。

馬林，E-mail：malin1979@sjziam.ac.cn