東北地區(qū)農(nóng)牧系統(tǒng)氮、磷養(yǎng)分流動(dòng)特征

張曉萌，王寅，焉莉，馮國忠，高強(qiáng)

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東北地區(qū)農(nóng)牧系統(tǒng)氮、磷養(yǎng)分流動(dòng)特征

張曉萌，王寅，焉莉，馮國忠，高強(qiáng)

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/吉林省商品糧基地土壤資源可持續(xù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130118）

【目的】東北地區(qū)是中國重要的商品糧基地及畜牧產(chǎn)品生產(chǎn)地，農(nóng)牧產(chǎn)品大量生產(chǎn)影響?zhàn)B分流動(dòng)的趨勢，而不同地區(qū)的養(yǎng)分流動(dòng)又存在一定差異，明確不同地區(qū)農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分流動(dòng)特征，揭示其存在的問題，并針對(duì)不同的流動(dòng)特征提出合理的優(yōu)化策略，為區(qū)域農(nóng)牧系統(tǒng)氮、磷養(yǎng)分的管理提供理論依據(jù)?！痉椒ā客ㄟ^整理1984—2014年統(tǒng)計(jì)資料數(shù)據(jù)和查閱相關(guān)文獻(xiàn)參數(shù)，利用NUFER模型（nutrient flows in food chain, environment and resources use），以東北地區(qū)3個(gè)省份的農(nóng)牧系統(tǒng)為研究對(duì)象，估算各省域農(nóng)牧系統(tǒng)中氮、磷養(yǎng)分的流量、損失量，并對(duì)各省域氮、磷養(yǎng)分的循環(huán)利用情況、損失途徑及利用率作出綜合評(píng)價(jià)，探究東北地區(qū)氮、磷養(yǎng)分在農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)中變化趨勢及特征?！窘Y(jié)果】1984年吉林、遼寧、黑龍江地區(qū)農(nóng)牧系統(tǒng)氮素總輸入量分別為669、746、716 Gg；磷素總輸入量分別為121、222、169 Gg，至2014年氮素輸入量增長至1 899、1 572、2 256 Gg；磷素輸入量達(dá)到471、393、769 Gg，氮、磷養(yǎng)分的投入量表現(xiàn)為黑龍江＞吉林＞遼寧。氮素養(yǎng)分損失率吉林地區(qū)最高，磷素養(yǎng)分損失率遼寧地區(qū)最高。氮、磷養(yǎng)分循環(huán)再利用方面，吉林地區(qū)的循環(huán)利用率最高，遼寧地區(qū)最低。近30年，吉林、遼寧、黑龍江地區(qū)農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)氮素養(yǎng)分利用率分別下降10%、11%、32%；磷素養(yǎng)分利用率分別下降16%、2%、23%。畜禽生產(chǎn)系統(tǒng)中，氮素養(yǎng)分的利用率分別增加3%、11%、10%，磷素養(yǎng)分利用率分別增加0.8%、1.9%、3.2%。農(nóng)牧結(jié)合生產(chǎn)系統(tǒng)氮素養(yǎng)分利用率分別由1984年的26%、36%、52%降至2014年的13%、21%、22%，整體表現(xiàn)為黑龍江＞遼寧＞吉林；磷素養(yǎng)分利用率由1984年的25%、25%、31%降至2014年的9%、14%、10%，表現(xiàn)為遼寧＞黑龍江＞吉林?！窘Y(jié)論】1984—2014年，東北地區(qū)農(nóng)牧系統(tǒng)氮、磷養(yǎng)分投入大幅增加，不同省域間表現(xiàn)出明顯差異。黑龍江地區(qū)的氮、磷養(yǎng)分可利用總量均最高，而氮、磷養(yǎng)分的循環(huán)再利用率則表現(xiàn)為吉林地區(qū)最高。東北地區(qū)農(nóng)牧結(jié)合系統(tǒng)中，黑龍江地區(qū)氮素利用率高于其他地區(qū)，遼寧地區(qū)的磷素利用率高于吉林和黑龍江地區(qū)。吉林和遼寧地區(qū)的氮、磷養(yǎng)分損失率分別高于其他地區(qū)。因此，需要針對(duì)不同地區(qū)的養(yǎng)分流動(dòng)特征提出農(nóng)牧管理方面合理化建議，為東北地區(qū)的農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

東北地區(qū)；農(nóng)牧系統(tǒng)；NUFER模型；氮、磷流動(dòng)；養(yǎng)分管理

0 引言

【研究意義】氮素是植物生長需求量最大的營養(yǎng)元素，且制約著植物生長和產(chǎn)量的形成，而可利用磷量又制約著氮素的吸收[1]。因此，氮、磷養(yǎng)分的供應(yīng)是糧食增產(chǎn)的有效保障，具有不可替代的作用[2]。東北三省地處東北亞核心地區(qū)，是中國重要的商品糧及畜牧產(chǎn)品生產(chǎn)地區(qū)，農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)正在持續(xù)不斷地發(fā)展。然而，東北地區(qū)的農(nóng)牧產(chǎn)業(yè)中種植結(jié)構(gòu)相對(duì)單一，畜牧業(yè)種類結(jié)構(gòu)簡單，發(fā)展不均衡，農(nóng)牧結(jié)合循環(huán)體系關(guān)系松散，未有效發(fā)揮以農(nóng)促牧、以牧促農(nóng)、農(nóng)牧互補(bǔ)的優(yōu)勢[3]。同時(shí)，東北農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)又是典型的生態(tài)脆弱區(qū)，既經(jīng)濟(jì)落后又是中國“生態(tài)環(huán)境脆弱帶”的組成部分[4]。因此，在保證糧食安全并高產(chǎn)的模式下，有必要改善農(nóng)牧產(chǎn)業(yè)中氮、磷養(yǎng)分的利用，減小損失，降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，調(diào)整農(nóng)牧一體化的協(xié)調(diào)發(fā)展，堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)牧結(jié)合型模式，對(duì)今后養(yǎng)分資源的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】目前，國內(nèi)外對(duì)氮、磷養(yǎng)分的平衡及管理問題已有大量研究。Smith等[5]通過氮素養(yǎng)分平衡建立氮素排放的估算方法，計(jì)算了土地?cái)U(kuò)張需求下的畜禽系統(tǒng)氮素排放量，提出了控制地面及地表水中氮素?fù)p失的相關(guān)策略；Magdoff等[6]分析了當(dāng)前養(yǎng)分流動(dòng)特征，討論社會(huì)發(fā)展對(duì)農(nóng)業(yè)養(yǎng)分循環(huán)的影響，以及當(dāng)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中養(yǎng)分資源面臨的挑戰(zhàn)；魯如坤等[7]探究了中國南方6省的農(nóng)田養(yǎng)分平衡現(xiàn)狀，分別對(duì)各省的氮、磷、鉀素的盈虧狀態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)的分析；Ma等[8]利用物質(zhì)流分析方法及相關(guān)研究的總結(jié)歸納，建立了食物鏈養(yǎng)分流動(dòng)模型（nutrient flows in food chain, environment and resources use，NUFER），并分析了2005年中國氮、磷養(yǎng)分的利用及損失情況，對(duì)降低糧食氮、磷養(yǎng)分生產(chǎn)成本提出合理化建議。隨后，NUFER模型分析方法逐漸用于其他地區(qū)，侯勇等[9]對(duì)比分析了京郊地區(qū)集約化種豬場、生態(tài)養(yǎng)殖園和單一種植區(qū)農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)的養(yǎng)分利用率及損失情況；BAI等[10-12]分別對(duì)中國生豬、奶制品等畜牧產(chǎn)品生產(chǎn)體系中氮、磷養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化情況進(jìn)行探究，提出了可以高效利用養(yǎng)分的飼養(yǎng)、管理及糞便處理辦法。另一方面，通過估算中國食品生產(chǎn)中氮的排放量，探究出減輕食品生產(chǎn)中一氧化二氮排放的管理方案[13]。張建杰等[14]在區(qū)域尺度上對(duì)山西省農(nóng)牧系統(tǒng)磷空間流動(dòng)特征進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，并提出相關(guān)管理策略?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前，東北地區(qū)養(yǎng)分流的研究限于單一的作物生產(chǎn)系統(tǒng)和畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)內(nèi)部[15-16]，而對(duì)于農(nóng)牧結(jié)合生產(chǎn)體系的整體養(yǎng)分輸入、輸出及利用情況并不清楚。同時(shí)，對(duì)農(nóng)牧產(chǎn)品生產(chǎn)量大而本地消耗量少的出口型地區(qū)養(yǎng)分流動(dòng)情況，以及不同種植結(jié)構(gòu)、畜禽養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)的地區(qū)間養(yǎng)分流動(dòng)差異特征還缺乏了解。【擬解決的關(guān)鍵問題】借助NUFER模型，分析東北地區(qū)1984—2014年間農(nóng)牧體系氮、磷養(yǎng)分流動(dòng)趨勢特征，明確東北地區(qū)省域間的養(yǎng)分流動(dòng)差異，探索各省存在的問題，全面、準(zhǔn)確地為東北地區(qū)的氮、磷養(yǎng)分的優(yōu)化管理提供策略。

1 材料與方法

1.1 東北地區(qū)概況

東北三省是位于中國東北部的吉林、遼寧和黑龍江3個(gè)省份的總稱，位于東經(jīng)118°53′—135°05′, 北緯38°43′—53°33′。土地面積78.73×104km2，約占全國的8.2%。東北屬溫帶季風(fēng)性氣候，夏季短促溫和多雨，冬季漫長寒冷干燥，雨熱同期，熱量不足。同時(shí)，東北三省是中國重要的工業(yè)、農(nóng)業(yè)大省。1984—2014年間東北三省的經(jīng)濟(jì)與人口發(fā)展情況如圖1所示，2014年吉林、遼寧、黑龍江三省城鎮(zhèn)化率分別達(dá)到47%、52%、58%，生產(chǎn)總值分別為1.4×1012、2.9×1012、1.5×1012元[17-22]，其中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值分別約占11%、8%、17%。近30年，東北三省農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)結(jié)構(gòu)差異如圖2所示。東北三省農(nóng)業(yè)主要以谷物、蔬菜的種植為主，畜牧業(yè)主要以豬、肉牛、家禽的養(yǎng)殖為主，而三省的種植、養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)又略有差異。吉林省主要以谷物種植，豬、肉牛養(yǎng)殖為主；遼寧省蔬菜、水果的種植面積逐漸擴(kuò)大，家禽的飼養(yǎng)量較高；黑龍江省其他作物的種植以及奶牛的養(yǎng)殖數(shù)量相對(duì)略多。

1.2 養(yǎng)分模型介紹

本研究針對(duì)吉林、遼寧、黑龍江3個(gè)省份，以每個(gè)省的“農(nóng)田-畜牧”生產(chǎn)體系中氮、磷養(yǎng)分的流動(dòng)為研究對(duì)象。系統(tǒng)的邊界根據(jù)省份地理區(qū)域邊界確定。農(nóng)牧生產(chǎn)體系中養(yǎng)分的投入包括化肥、大氣沉降、生物固氮、飼料的外源輸入；輸出包括動(dòng)、植物性食品、養(yǎng)分的累積及損失（氨揮發(fā)、氧化亞氮排放、徑流、淋洗、侵蝕以及反硝化作用）；系統(tǒng)內(nèi)部的養(yǎng)分循環(huán)主要是通過作物秸稈還田、用作飼料及有機(jī)肥還田等途徑（圖3）。其中，農(nóng)田系統(tǒng)中的秸稈養(yǎng)分輸出包括還田、作飼料、以及通過一些途徑的養(yǎng)分損失；畜禽系統(tǒng)中的輸出包括動(dòng)物性食品、畜禽糞尿通過有機(jī)肥途徑的還田以及不同途徑的損失。另外，在系統(tǒng)養(yǎng)分輸入中種子、農(nóng)藥、磷素的沉降等養(yǎng)分的帶入對(duì)整體養(yǎng)分的投入來說占極小部分，因此不予考慮。

畜禽單位LSU：采用歐盟統(tǒng)計(jì)局折算方法，將奶牛作為標(biāo)準(zhǔn)單位，一頭肉牛折算0.8頭奶牛，一頭豬折算0.3頭奶牛，一只肉雞折算0.007頭奶牛，一只蛋雞折算0.014頭奶牛，一只羊折算0.1頭奶牛

圖3 農(nóng)牧系統(tǒng)氮、磷養(yǎng)分流動(dòng)示意圖

1.3 數(shù)據(jù)來源

東北地區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息（吉林、遼寧和黑龍江人口數(shù)量、生產(chǎn)總值、化肥用量、耕地面積、作物種植面積及產(chǎn)量、畜禽數(shù)量）來自統(tǒng)計(jì)年鑒[17-22]。為了便于計(jì)算比較，畜禽數(shù)量采用歐盟統(tǒng)計(jì)局折算方法（LSU）[23]，將奶牛作為標(biāo)準(zhǔn)，其他畜禽均折算成相應(yīng)的奶牛數(shù)量。模型中涉及到的養(yǎng)分含量、養(yǎng)分去向、排放系數(shù)等參數(shù)通過查閱文獻(xiàn)獲取[24-29]。

1.4 計(jì)算方法

1.4.1 農(nóng)田系統(tǒng)氮、磷養(yǎng)分的計(jì)算（Gg=103t）

氮（磷）素輸入量（Gg）=氮（磷）肥投入量+大氣沉降量+生物固氮量+秸稈還田量+有機(jī)肥還田量 （1）

式中，磷素養(yǎng)分輸入中不包括大氣沉降和生物固氮。

氮（磷）養(yǎng)分輸出量（Gg）=籽粒含氮（磷）量+秸稈含氮（磷）量+氨揮發(fā)損失量+氧化亞氮損失量+徑流、侵蝕、淋洗損失量+反硝化作用養(yǎng)分損失量+土壤養(yǎng)分累積量 （2）

式中，磷素養(yǎng)分輸出中不包括氨揮發(fā)、氧化亞氮及反硝化作用途徑的養(yǎng)分損失。

1.4.2 畜禽系統(tǒng)氮、磷養(yǎng)分的計(jì)算

氮（磷）養(yǎng)分輸入量（Gg）=系統(tǒng)內(nèi)部作物產(chǎn)品作飼料的轉(zhuǎn)化量+飼料的外源輸入量 （3）

氮（磷）養(yǎng)分輸出量（Gg）=肉、蛋含氮（磷）量+其他畜禽產(chǎn)品含氮（磷）量+畜禽糞尿氮（磷）排放量（4）

式中，畜禽糞尿一部分通過有機(jī)肥進(jìn)行還田，未被還田部分表示為不同途徑的損失。

1.4.3 氮、磷養(yǎng)分可利用資源量的計(jì)算

氮（磷）養(yǎng)分可利用資源量（Gg）=秸稈氮（磷）養(yǎng)分含量+畜禽糞尿氮（磷）養(yǎng)分含量 （5）

1.4.4 氮、磷養(yǎng)分利用率的計(jì)算

農(nóng)田系統(tǒng)氮（磷）養(yǎng)分利用率（N(P)UEc）=（植物性食品養(yǎng)分含量+用作飼料部分的作物產(chǎn)品養(yǎng)分含量）/農(nóng)田系統(tǒng)養(yǎng)分投入量×100% （6）

畜禽系統(tǒng)氮（磷）養(yǎng)分利用率（N(P)UEa）=動(dòng)物性食品養(yǎng)分含量/畜禽系統(tǒng)養(yǎng)分投入量×100% （7）

農(nóng)牧系統(tǒng)氮（磷）養(yǎng)分利用率（N(P)UEc+a）=（植物性食品+動(dòng)物性食品）/農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分總投入量×100%（8）

農(nóng)牧系統(tǒng)氮（磷）養(yǎng)分循環(huán)再利用率（RRR）=（作物秸稈還田量+作物秸稈作飼料量+畜禽糞尿還田量）/（作物秸稈收獲量+畜禽糞尿排泄量）×100% （9）

1.4.5 動(dòng)、植物性食品出口量計(jì)算

動(dòng)、植物性食品氮（磷）養(yǎng)分出口量=動(dòng)、植物性食品氮（磷）養(yǎng)分生產(chǎn)量-本地居民動(dòng)、植物性食品氮（磷）養(yǎng)分消耗量 （10）

2 結(jié)果

2.1 東北地區(qū)農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分輸入與輸出的變化趨勢

1984—2014年，吉林、遼寧、黑龍江3省的氮素總投入量分別由669、746、716 Gg升至1 899、1 572、2 256 Gg（圖4），分別增加了1.8、1.1和2.2倍。雖然黑龍江地區(qū)的氮素總投入量三省中最高，但在單位耕地面積氮素投入量上，黑龍江地區(qū)最低。2014年黑龍江地區(qū)單位面積氮素投入量為141 kg·hm-2，吉林和遼寧地區(qū)分別為271和280 kg·hm-2。其中，大部分氮素的投入來自農(nóng)田中化學(xué)肥料的施用，吉林、遼寧、黑龍江分別由1984年的54%、70%、34%增至2014年的72%、70%、56%。近30年，隨著東北地區(qū)畜牧業(yè)的迅速發(fā)展，帶動(dòng)飼料的外源輸入量不斷攀升。由于2006—2008年各地區(qū)先后發(fā)生了動(dòng)物疫情，畜禽養(yǎng)殖數(shù)量下降，導(dǎo)致飼料的外源輸入量在這幾年間有所下降，隨后逐漸恢復(fù)。2014年，吉林、遼寧、 黑龍江地區(qū)飼料外源輸入量分別達(dá)到217、366、176 Gg。

從氮素養(yǎng)分輸出狀況來看（圖4），東北地區(qū)氮素輸出絕對(duì)量差異大，但增長趨勢較為相似。黑龍江地區(qū)動(dòng)、植物性食品的生產(chǎn)量最大，由1984年的699 Gg增至2014年的1 226 Gg，其中，輸出其他地區(qū)的出口量約占25%。吉林和遼寧的動(dòng)、植物性食品生產(chǎn)量分別由1984年的357和593 Gg增至2014年的610和814 Gg，出口量約占20%和14%。農(nóng)牧系統(tǒng)中一部分氮素養(yǎng)分殘留于土壤中，其中，吉林地區(qū)的氮素土壤累積量處于東北地區(qū)首位。近30年，吉林和黑龍江地區(qū)氮素的土壤累積量表現(xiàn)為上升趨勢，而遼寧地區(qū)則處于波動(dòng)狀態(tài)。2014年，吉林、遼寧、黑龍江地區(qū)的氮素土壤累積量分別達(dá)到376、83、166 Gg。

在整個(gè)農(nóng)牧系統(tǒng)中，東北地區(qū)的磷素養(yǎng)分的投入量變化趨勢和氮素相似，至2014年總養(yǎng)分投入的絕對(duì)量從高到低表現(xiàn)為：黑龍江＞吉林＞遼寧，分別為769、471、393 Gg，增加了3.6、2.9、0.8倍。近30年，吉林、遼寧、黑龍江地區(qū)來自化肥的磷素投入量分別增長了328%、29%、373%。遼寧地區(qū)的飼料外源投入比例由6.6%增加至31.8%，而吉林和黑龍江地區(qū)的飼料外源投入量分別由22%和12%降至14%和8%。1984年，吉林、遼寧、黑龍江地區(qū)動(dòng)、植物性食品的磷素輸出其他地區(qū)出口量分別為9.4、28.8、26.4 Gg，占總生產(chǎn)量的14%、24%、26%，至2014年增長至26.4、27.6、52.2 Gg，占總生產(chǎn)量的22%、18%、26%。在磷素的養(yǎng)分輸出中，大量的磷素養(yǎng)分未被利用，土壤累積量持續(xù)增加，吉林和黑龍江地區(qū)表現(xiàn)最為明顯。2014年吉林、遼寧、黑龍江地區(qū)磷素的土壤累積部分分別達(dá)到63%、41%、64%（圖5）。

2.2 東北地區(qū)農(nóng)牧系統(tǒng)可利用養(yǎng)分及循環(huán)利用率

隨著東北地區(qū)氮、磷養(yǎng)分的大量投入，有機(jī)養(yǎng)分可利用資源量提高。計(jì)算結(jié)果表明，近30年，吉林地區(qū)氮、磷養(yǎng)分可利用資源量分別由281、52 Gg增至768、162 Gg；遼寧地區(qū)則由404、79 Gg增至815、211 Gg；黑龍江地區(qū)增加幅度最大，由311、58 Gg增至1083、226 Gg。從單位耕地面積方面來看，遼寧地區(qū)的氮、磷養(yǎng)分增幅最高，增加量分別達(dá)到54、21 kg·hm-2，吉林地區(qū)為40、10kg·hm-2，黑龍江地區(qū)最低，結(jié)果分別是33、8kg·hm-2。與此同時(shí)，氮、磷養(yǎng)分通過秸稈、畜禽糞尿還田、以及秸稈作飼料等途徑對(duì)農(nóng)田-畜牧系統(tǒng)之間的養(yǎng)分進(jìn)行循環(huán)利用，養(yǎng)分的循環(huán)量逐漸提高，但養(yǎng)分的循環(huán)利用率在下降（表1）。吉林、遼寧、黑龍江地區(qū)的氮素養(yǎng)分循環(huán)再利用率分別下降6.9%、6.8%、4.8%，磷素循環(huán)再利用率分別下降16.1%、14.6%、16.7%。

圖4 1984—2014年吉林、遼寧、黑龍江地區(qū)農(nóng)牧體系氮素輸入與輸出情況

2.3 東北地區(qū)農(nóng)牧系統(tǒng)氮、磷養(yǎng)分利用率

如圖6所示，1984—2014年東北地區(qū)農(nóng)田生產(chǎn)、農(nóng)牧結(jié)合系統(tǒng)氮、磷養(yǎng)分利用率呈下降趨勢，而畜禽生產(chǎn)系統(tǒng)氮、磷養(yǎng)分利用率呈上升趨勢。農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)中，吉林、遼寧、黑龍江地區(qū)氮素利用率分別下降10%、11%、32%，磷素養(yǎng)分利用率分別降低16%、2%、23%。畜禽生產(chǎn)系統(tǒng)中，吉林、遼寧、黑龍江地區(qū)的氮素利用率分別增加了3%、11%、10%，磷素養(yǎng)分利用率分別提高了0.8%、1.9%、3.2%。2014年，東北地區(qū)農(nóng)牧結(jié)合系統(tǒng)氮素養(yǎng)分利用率表現(xiàn)為黑龍江（22%）＞遼寧（21%）＞吉林（13%）；磷素養(yǎng)分利用情況表現(xiàn)為遼寧（14%）＞黑龍江（10%）＞吉林（9%）。

2.4 東北地區(qū)農(nóng)牧系統(tǒng)氮、磷養(yǎng)分的損失情況

近30年，東北地區(qū)農(nóng)牧系統(tǒng)中氮、磷養(yǎng)分的損失呈逐漸擴(kuò)大趨勢（圖4、圖5）。計(jì)算結(jié)果表明，吉林、遼寧、黑龍江地區(qū)氮素總養(yǎng)分損失率分別由1984年的34%、29%、20%擴(kuò)大至2014年的48%、43%、38%，其中通過農(nóng)田土壤及畜禽糞尿中的氨揮發(fā)、淋洗等損失途徑為主，2014年，單位耕地面積氨揮發(fā)損失量分別為72、85、33 kg·hm-2。磷素總養(yǎng)分損失率分別由3%、2%、2%擴(kuò)大至12%、21%、10%，主要通過農(nóng)田土壤、畜禽糞尿的淋洗途徑損失，2014年單位耕地面積淋洗損失量分別為7、16、4 kg·hm-2。

圖5 1984—2014年吉林、遼寧、黑龍江地區(qū)農(nóng)牧體系磷素輸入與輸出情況

3 討論

東北地區(qū)農(nóng)牧系統(tǒng)的養(yǎng)分輸入與輸出量整體呈上升趨勢，但各省域間略有差異。養(yǎng)分的投入由北向南逐漸減少。造成這種差異主要與氣候條件、耕地資源、種植結(jié)構(gòu)等因素相關(guān)。黑龍江地區(qū)有豐富的耕地資源，耕地資源總量占全國第一[30]。因此，黑龍江地區(qū)盡管在單位耕地面積上養(yǎng)分投入量少，但作物種植面積相對(duì)較大，化肥總投入量也隨之增加，氮素的沉降量也顯著高于其他省份，造成養(yǎng)分的總投入量較高。而遼寧地區(qū)在單位耕地面積上的養(yǎng)分投入居于首位，由于該地區(qū)的種植結(jié)構(gòu)中，蔬菜、水果的種植面積較大，而蔬菜為喜高肥作物，需肥量較高[31]，養(yǎng)分的投入量也隨之增加。吉林地區(qū)谷物種植主要以玉米為主，在玉米施肥上吉林地區(qū)農(nóng)戶習(xí)慣施用高氮肥[32]，且玉米的施氮量高于蔬菜施氮量[33]，導(dǎo)致吉林地區(qū)的化肥氮素總投入量在3個(gè)地區(qū)中最多。因此，不同省域間的養(yǎng)分投入方面存在差異。

NUEc+a：農(nóng)牧系統(tǒng)氮素利用率Nitrogen use efficiency in farming and animal husbandry system；NUEc：農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)氮素利用率Nitrogen use efficiency in farm production system；NUEa：畜禽生產(chǎn)系統(tǒng)氮素利用率Nitrogen use efficiency in livestock and poultry production system；PUEc+a：農(nóng)牧系統(tǒng)磷素利用率 Phosphorus use efficiency in farming and animal husbandry system；PUEc：農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)磷素利用率 Phosphorus use efficiency in farm production system；PUEa：畜牧生產(chǎn)系統(tǒng)磷素利用率 Phosphorus use efficiency in livestock and poultry production system

養(yǎng)分輸出方面，東北地區(qū)農(nóng)牧產(chǎn)品大量生產(chǎn)并長期輸出到其他地區(qū)。黑龍江地區(qū)農(nóng)牧產(chǎn)品生產(chǎn)量最高，輸出量也居3省之首。同時(shí)，大量養(yǎng)分隨產(chǎn)品的出口而輸出，而一部分養(yǎng)分以廢物的形式累積于本地。研究結(jié)果顯示，除吉林地區(qū)氮、磷養(yǎng)分累積量一直處于盈余狀態(tài)，其余兩個(gè)地區(qū)都出現(xiàn)了養(yǎng)分虧缺的情況。在2000年之前，黑龍江地區(qū)作物從土壤中帶走的氮素養(yǎng)分量高于氮肥投入量，造成土壤的氮素養(yǎng)分累積量出現(xiàn)虧缺。隨著化肥的投入量增加，土壤的氮素養(yǎng)分得到補(bǔ)充，2000年之后氮素養(yǎng)分開始出現(xiàn)大量盈余，這與王建國等[34]的研究結(jié)果相似。而遼寧地區(qū)近30年氮素養(yǎng)分累積盈虧情況交替出現(xiàn)，處于波動(dòng)狀態(tài)，這與遼寧地區(qū)作物的種植面積與產(chǎn)量一直處于波動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。該研究結(jié)果與梁雷等[35]的部分研究結(jié)果相符。因此，不同地區(qū)養(yǎng)分的投入存在差異，也導(dǎo)致輸出方面產(chǎn)生不同的表現(xiàn)。

表1 東北地區(qū)農(nóng)牧系統(tǒng)氮、磷養(yǎng)分循環(huán)再利用情況

本研究表明，1984—2014年東北地區(qū)農(nóng)牧系統(tǒng)氮、磷養(yǎng)分輸入與輸出大幅提高，損失率持續(xù)增加，循環(huán)再利用率不斷下降，最終的養(yǎng)分利用率呈現(xiàn)下降趨勢，這與Ma等[29]研究結(jié)果整體變化趨勢相似，但近10年農(nóng)田系統(tǒng)的氮素利用率降幅略高于前人研究結(jié)果，而磷素的利用率增幅略低；畜禽系統(tǒng)的氮、磷養(yǎng)分利用率變化幅度均偏低。不同省域養(yǎng)分利用率存在差異。究其原因，吉林地區(qū)農(nóng)民習(xí)慣施用高氮肥并采用將化肥一次性施入土壤的方式施肥[32]。同時(shí)，農(nóng)民為方便耕作、減少成本而習(xí)慣將作物秸稈露天焚燒，導(dǎo)致養(yǎng)分利用率較低。雖然3個(gè)地區(qū)中吉林地區(qū)的養(yǎng)分循環(huán)率較高，但其養(yǎng)分再利用量遠(yuǎn)不及其損失量。而遼寧地區(qū)畜禽的養(yǎng)殖數(shù)量高，產(chǎn)生大量的畜禽排泄物。畜禽糞便中存在大量的氮、磷養(yǎng)分，一部分通過氨揮發(fā)到大氣中，其余部分通過地表或地下水流入江河，造成損失及污染[36]。導(dǎo)致遼寧地區(qū)的養(yǎng)分損失率不斷升高，磷素?fù)p失率處于3省之首。黑龍江地區(qū)除了大量種植水稻和玉米外，大豆的種植面積也相對(duì)較多，種植大豆需要較高的磷肥，而大豆磷肥的利用率較低[37]。因此，黑龍江地區(qū)的磷素養(yǎng)分利用率略低。

最后，根據(jù)省域間不同的種植結(jié)構(gòu)以及不同作物的需求，合理調(diào)整不同養(yǎng)分的投入量。吉林地區(qū)農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分管理中，應(yīng)側(cè)重農(nóng)田生產(chǎn)中對(duì)養(yǎng)分的優(yōu)化利用，氮、磷養(yǎng)分投入合理化，注意養(yǎng)分的循環(huán)再利用。普及合理施肥觀念，減少高氮肥的施用。另一方面，適當(dāng)減少糧食用玉米的種植面積，增加種植糧飼兼用作物。遼寧地區(qū)則應(yīng)該側(cè)重對(duì)畜牧生產(chǎn)中養(yǎng)分的去向管理以及農(nóng)牧結(jié)合方面養(yǎng)分的合理規(guī)劃，畜禽糞尿及時(shí)還田，多利用作物秸稈作飼料，減少養(yǎng)分外源投入。減少豬、家禽等畜禽的飼養(yǎng)，逐步建立耗糧型和草食型動(dòng)物相結(jié)合養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)，合理分配資源。黑龍江地區(qū)應(yīng)注意農(nóng)田生產(chǎn)中的化肥合理投入的同時(shí)，有效地利用豐富的土地資源，并進(jìn)一步加強(qiáng)農(nóng)牧結(jié)合程度，減少損失，提高養(yǎng)分循環(huán)再利用率，從而提高養(yǎng)分利用率。黑龍江地區(qū)秸稈資源量豐富，可通過調(diào)節(jié)畜禽養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)，積極發(fā)展草食型動(dòng)物的飼養(yǎng)量，加快建立牛、羊?yàn)橹鞯酿B(yǎng)殖業(yè)，充分利用秸稈資源，加快該區(qū)域秸稈和飼用玉米的轉(zhuǎn)化和利用，從而改變?cè)瓉矸N植業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)分離的生產(chǎn)方式，實(shí)現(xiàn)資源化整合。同時(shí)，加強(qiáng)各省域之間的養(yǎng)分協(xié)調(diào)管理，取長補(bǔ)短，優(yōu)化農(nóng)牧系統(tǒng)中養(yǎng)分的利用，促進(jìn)東北地區(qū)養(yǎng)分資源的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)論

1984—2014年，東北地區(qū)農(nóng)牧產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分總輸入與輸出量不斷攀升。受氣候條件、種植結(jié)構(gòu)、養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)等影響，不同省域間的養(yǎng)分特征略有差異。東北地區(qū)氮、磷的養(yǎng)分的總投入量中，黑龍江地區(qū)居于首位。氮、磷養(yǎng)分利用方面，黑龍江地區(qū)的氮、磷養(yǎng)分可利用總量均最高，而氮、磷養(yǎng)分的循環(huán)再利用率則表現(xiàn)為吉林地區(qū)最高。東北地區(qū)農(nóng)田系統(tǒng)中氮、磷養(yǎng)分利用率最高的地區(qū)分別為黑龍江和遼寧；畜禽系統(tǒng)中，黑龍江地區(qū)氮、磷利用率均最高；農(nóng)牧結(jié)合系統(tǒng)中，黑龍江地區(qū)氮素利用率高于其他地區(qū)，遼寧地區(qū)的磷素利用率高于吉林和黑龍江地區(qū)。吉林和遼寧地區(qū)的氮、磷養(yǎng)分損失率分別高于其他地區(qū)。因此，針對(duì)東北不同地區(qū)的農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分流動(dòng)特征采取適宜的管理措施，是促進(jìn)農(nóng)牧養(yǎng)分循環(huán)，提高養(yǎng)分利用率，保障東北地區(qū)的農(nóng)牧業(yè)長期可持續(xù)發(fā)展的必由之路。

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（責(zé)任編輯 岳梅）

characteristics of nitrogen and phosphorus nutrient flow in farming and animal husbandry system in Northeast China

ZHANG XiaoMeng, WANG Yin, YAN Li, FENG GuoZhong, GAO Qiang

(College of Resources and Environmental Sciences, Jilin Agricultural University/Key Laboratory of Sustainable Utilization of Soil Resources in the Commodity Grain Bases in Jilin Province, Changchun 130118)

【Objective】Northeast China is an important commodity grain base and the place of animal husbandry production in China. The mass production of farming and animal husbandry products influences the trend of nutrient flow, and the nutrient flow in different areas exists some differences. To make clear the characteristics of nutrient flow in different areas, and to reveal their problems, the reasonable and optimal strategy for different flow characteristics was put forward, which will provide a theoretical basis for nitrogen and phosphorus nutrient management in regional farming and animal husbandry system.【Method】With statistical data and literatures collection from 1984 to 2014 taking the farming and animal husbandry system in the three provinces of Northeast China as the research object by NUFER model (nutrient flows in food chain, environment and resources use). The flow and loss of nitrogen and phosphorus in the farming and animal husbandry system in each province were estimated. And the comprehensive evaluation of nitrogen and phosphorus nutrient utilization, loss path and utilization efficiency in each province was made. the trends and characteristics of nitrogen and phosphorus flow in thefarming and animal husbandry system were studied.【Result】In 1984, the total nitrogen input of the farming and animal husbandry in Jilin, Liaoning, Heilongjiang area was 669, 746 and 716 Gg, respectively. the total phosphorus input of them was 121, 222 and 169 Gg, respectively. In 2014, the total nitrogen input increased to 1 899, 1 572 and 2 256 Gg; and the phosphorus input reached 471, 393 and 769 Gg in the areas, respectively. The input amounts of nitrogen and phosphorus nutrients were as follows: Heilongjiang＞Jilin＞Liaoning. The loss rates of nitrogen nutrition in Jilin area and phosphorus nutrition in Liaoning area were the highest. The recycling rate of nitrogen and phosphorus was the highest in Jilin, and the lowest in Liaoning. In the past 30 years, the nitrogen use efficiency of farm system in Jilin, Liaoning and Heilongjiang decreased by 10%, 11%, and 32%, respectively. The use efficiency of phosphorus decreased by 16%, 2% and 23%, respectively. In the livestock and poultry production system, the utilization of nitrogen nutrient increased by 3%, 11% and 10%, respectively; and the utilization of phosphorus content increased by 0.8%, 1.9% and 3.2%, respectively. Nitrogen use efficiency in farming and animal husbandry system decreased from 26%, 36%, 52% in 1984 to 13%, 21%, 22% in 2014, respectively. The overall trend was Heilongjiang＞Liaoning＞Jilin; phosphorus use efficiency decreased from 25%, 25%, 31% in 1984 to 9%, 14%, 10% in 2014, respectively. The trend was as following: Liaoning＞Heilongjiang＞Jilin.【Conclusion】The input of nitrogen and phosphorus in farming and animal husbandry system in Northeast China increased significantly from 1984 to 2014. There were obvious differences among different areas. The total available nitrogen and phosphorus nutrients were the highest in Heilongjiang, while the recycling efficiency of nitrogen and phosphorus was the highest in Jilin. In Northeast China, the efficiency of nitrogen use in Heilongjiang was higher than that in other areas, and the efficiency of phosphorus use in Liaoning was higher than that in Jilin and Heilongjiang. The loss rates of nitrogen and phosphorus in Jilin and Liaoning were higher than those in other areas. Therefore, it is necessary to make reasonable suggestions for the management of farming and animal husbandry according to the characteristics of nutrient flow in different regions, so as to provide a basis for the sustainable development of farming and animal husbandry in Northeast China.

Northeast region; farming and animal husbandry system; NUFER model; nitrogen and phosphorus flow; nutrient management

2017-04-26；

2017-07-01

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFD0200101）

張曉萌，E-mail：zxmeng9016@163.com。

王寅，E-mail：wy1986410@163.com。通信作者高強(qiáng)，E-mail：gyt199962@163.com