海南島農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷元素流動時空變化特征

丁尚，郭浩浩，宋晨陽，刁曉平，趙洪偉,

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海南島農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷元素流動時空變化特征

丁尚1，郭浩浩1，宋晨陽1，刁曉平2，趙洪偉1,2

（1海南大學(xué)熱帶農(nóng)林學(xué)院，?？?570228；2海南大學(xué)南海海洋資源利用國家重點實驗室，?？?570228）

【目的】通過對1987—2016年海南島農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷元素流動時空特征及環(huán)境效應(yīng)進行定量分析，研究其流動過程和規(guī)律，探討農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷素的優(yōu)化管理途徑，為海南島農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)?！痉椒ā垦芯炕谑澄镦滒B(yǎng)分流動模型（NUtrient flows in Food chains, Environment and Resources use，NUFER），通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)、文獻檢索、實地調(diào)研，并結(jié)合Origin等軟件，定量計算海南島農(nóng)牧生產(chǎn)體系的磷素輸入、輸出、利用率及其環(huán)境效應(yīng)，并通過情景分析探索海南島農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷素的可持續(xù)利用途徑。【結(jié)果】30年間海南島農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)磷素總投入量從21.34 Gg增至81.19 Gg，總輸出量由6.20 Gg增至18.20 Gg，化肥作為該系統(tǒng)磷素主要來源，輸入量由19.01 Gg增至79.23 Gg，作物產(chǎn)品作為農(nóng)田磷素主要輸出項，30年間由5.25 Gg增至15.48 Gg。動物生產(chǎn)子系統(tǒng)磷素總輸入量由11.40 Gg增至15.31 Gg，總輸出量由9.63 Gg增至11.90 Gg，其中外源飼料磷素輸入量由1987年的10.97 Gg增至2016年的14.77 Gg，動物產(chǎn)品輸出量30年間增長了4.95 Gg。秸稈還田量和作物飼用量分別增加了0.37和0.26 kg·hm-2，糞尿還田量則減少了0.80 kg·hm-2?？臻g分布上，澄邁、定安等地30年來磷素輸入和輸出量較高，五指山、瓊中等地較低。就磷素損失情況來看，1987—2016年，海南島單位耕地面積土壤磷盈余量由35.00 kg·hm-2增至147.40 kg·hm-2，2016年土壤磷素盈余量較大的是瓊海、澄邁、保亭和臨高，分別為372.79、279.82、194.14和181.09 kg·hm-2。磷的其他損失途徑為土壤侵蝕、徑流和淋洗，損失量在1.21—5.85 kg·hm-2。畜禽糞便單位耕地面積承載量維持在3.83—5.77 kg·hm-2。30年來，磷素利用率增長緩慢，其中農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)磷素利用率由13.01%增至13.86%，動物生產(chǎn)子系統(tǒng)磷素利用率由4.78%增至7.62%，農(nóng)牧結(jié)合體系磷素利用率由10.78%增至13.09%。情景分析結(jié)果顯示，保證農(nóng)牧生產(chǎn)體系各子系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)穩(wěn)定發(fā)展以及通過科學(xué)的養(yǎng)分管理方式提高資源的循環(huán)利用率對促進海南島農(nóng)牧業(yè)發(fā)展意義重大?！窘Y(jié)論】受農(nóng)牧生產(chǎn)體系規(guī)模、區(qū)域發(fā)展以及管理方式等因素影響，海南島農(nóng)牧生產(chǎn)體系環(huán)境損失情況嚴重，磷素利用率較低，體系出現(xiàn)了較嚴重的分離。因此，在海南島未來的農(nóng)牧生產(chǎn)中，應(yīng)優(yōu)化技術(shù)手段和管理措施，如控制磷素的過量輸入，減少糞尿的直接排放，提高秸稈和糞尿循環(huán)利用率。同時也應(yīng)促進農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)與動物生產(chǎn)子系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)關(guān)系，走農(nóng)牧結(jié)合的可持續(xù)發(fā)展道路。

海南島；農(nóng)牧生產(chǎn)體系；磷素流動；時空變化特征；NUFER模型

0 引言

【研究意義】磷元素既是動植物生長所需重要營養(yǎng)元素，同時也是農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)中的重要養(yǎng)分資源[1]。比起氮元素，生物圈中磷元素稀少，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)土壤磷素獲取困難[2]。磷肥的使用保證了作物營養(yǎng)元素的供應(yīng)，是糧食增產(chǎn)的重要保障[3]。但隨著磷肥的不合理施用，大量的磷素累積于土壤中，造成了資源浪費和環(huán)境污染等問題[4-5]，畜牧業(yè)生產(chǎn)中，畜禽糞尿的排放也造成了一定的環(huán)境問題[6]。因此，在農(nóng)牧業(yè)發(fā)展過程中，需實現(xiàn)對磷素的優(yōu)化管理。海南自1988年建省辦經(jīng)濟特區(qū)以來，農(nóng)牧業(yè)已取得長足發(fā)展，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平不斷提高，但同時也出現(xiàn)了農(nóng)牧發(fā)展不均衡，農(nóng)牧生產(chǎn)體系結(jié)合不緊密等現(xiàn)象。因而了解該區(qū)域農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷素流動規(guī)律，對提高體系磷循環(huán)、優(yōu)化區(qū)域養(yǎng)分資源配置和促進海南島農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。【前人研究進展】目前，針對養(yǎng)分流動及其平衡管理問題國內(nèi)外學(xué)者已有相關(guān)研究。Senthilkumar等[7]利用物質(zhì)流分析的方法，以法國為研究區(qū)域，量化了區(qū)域尺度上土壤磷流動和磷預(yù)算對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的依賴程度；van Dijk等[8]則進一步分析了歐盟國家的磷流動，通過考慮具體國家相關(guān)數(shù)據(jù)和歷史背景，研究包括了“作物生產(chǎn)-動物生產(chǎn)-食品加工-非食品生產(chǎn)-消費”等5大部分，為解決“phosphorous challenges”問題提供了科學(xué)的解決方案。在畜禽養(yǎng)殖中的氮磷流動研究上，LIANG等[9]通過優(yōu)化畜禽糞尿在不同區(qū)域間的運輸，提高了農(nóng)牧結(jié)合的緊密程度；Ma等[10]則基于物質(zhì)流分析的方法構(gòu)建了中國食物鏈養(yǎng)分流動模型（NUtrient flows in Food chains, Environment and Resources use，NUFER），用于分析評價區(qū)域氮磷養(yǎng)分在生產(chǎn)和消費環(huán)節(jié)的利用率和損失狀況。隨后，Bai等[11]利用NUFER模型，定量分析了全國尺度糧食生產(chǎn)和消費鏈中磷的使用和損失情況，發(fā)現(xiàn)了磷的使用與GDP變化間的非線性關(guān)系以及與蔬菜、水果、動物來源之間的線性關(guān)系，并采用情景分析探討了至2030年實現(xiàn)更加可持續(xù)的磷利用途徑。在區(qū)域尺度上，張華芳等[12]以河北省為研究對象，對農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷素流動特征及其環(huán)境效應(yīng)進行了詳細分析；張建杰等[13]則使用NUFER模型與ArcGIS相結(jié)合，從時空維度分析了2011年山西省11個地/市農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷元素流動特征及環(huán)境風(fēng)險，提出應(yīng)進一步加強農(nóng)牧耦合程度、提高有機廢棄物的循環(huán)利用效率以實現(xiàn)區(qū)域間養(yǎng)分的高效利用。這些研究通過引入方法或模型，使得食物鏈和農(nóng)牧生產(chǎn)體系的養(yǎng)分流動規(guī)律更加清晰，同時也為養(yǎng)分管理提供了科學(xué)依據(jù)。【本研究切入點】目前，對海南地區(qū)農(nóng)牧生產(chǎn)體系的研究較少，關(guān)于體系的磷素輸入輸出量核算、磷素利用率、體系的結(jié)合程度以及環(huán)境效應(yīng)等方面的研究尚不明確。【擬解決的關(guān)鍵問題】基于NUFER模型，通過數(shù)據(jù)核算與實地調(diào)研，分析1987—2016年間海南熱帶特色農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷素流動、利用率和環(huán)境排放特征，明確不同區(qū)域間養(yǎng)分流動差異，以期為海南島農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)乃至熱帶地區(qū)磷素流動管理提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

海南島是我國第二大島，位于東經(jīng)108°37′E—111°03′E，北緯18°10′N—20°10′N，面積約3.39萬平方公里。海南島屬熱帶季風(fēng)氣候，全年氣候溫和，典型土壤為磚紅壤，是發(fā)展熱帶特色高效農(nóng)業(yè)的寶地。1987—2016年，本地農(nóng)牧業(yè)取得較快發(fā)展。2016年瓜果蔬菜產(chǎn)量為975.14萬噸，主要熱帶作物產(chǎn)量為64.81萬噸，農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值695.64億元。截止2016年底，畜牧業(yè)總產(chǎn)值達267.10億元，牲畜年出欄量638萬頭，家禽年出欄量15 315萬只，其中肉蛋奶類總產(chǎn)量達81.41萬噸[14]。

1.2 研究方法

NUFER模型適用于國家或區(qū)域尺度上養(yǎng)分流動研究，可以模擬“土壤-作物生產(chǎn)-畜禽生產(chǎn)-家庭消費”系統(tǒng)磷素流動過程和利用率[15]。本研究基于NUFER模型，以“土壤-作物-畜禽”為研究對象，定量海南島農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷素流動時空變化特征（圖1），研究單元為海南省18個市/縣（三沙市除外）。

圖1 農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷素流動模型

1.3 計算方法

農(nóng)牧生產(chǎn)體系中，農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)磷素輸入項包括化肥投入、糞尿還田、農(nóng)田灌溉、干濕沉降等；輸出項包括本地飼料供應(yīng)、作物產(chǎn)品輸出、土壤淋洗及徑流侵蝕作用；動物生產(chǎn)子系統(tǒng)磷素輸入項包括飼料投入（本地飼料投入及外源飼料投入），輸出項包括動物主副產(chǎn)品輸出，以及糞尿損失等。體系磷素循環(huán)包括秸稈還田、糞尿還田和本地飼料。

1.3.1 農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)磷流動項

輸入項PIMPfarm=Pfer++Pirr+Pad；

輸出項PEXPfarm=++Prel+Pfeedin。

式中，Pfer為化肥磷輸入；為糞尿還田；Pirr為灌溉水磷輸入；ad為干濕沉降磷輸入。為主產(chǎn)品磷輸出；為副產(chǎn)品磷輸出；Prel為土壤徑流、侵蝕、淋溶磷輸出。

1.3.2 動物生產(chǎn)子系統(tǒng)磷流動項 輸入項PIMPanimal=Pfeedimport+Pfeedin；輸出項PEXPanimal=+Pful。式中，Pfeedimport為外源飼料磷輸入；Pfeedin為本地飼料磷輸入。為動物主副產(chǎn)品磷輸出；Pful為糞尿磷輸出。

1.3.3 農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷素評價指標(biāo) 農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)磷利用率（PUEc）=作物主產(chǎn)品磷素量/農(nóng)田子系統(tǒng)磷素總投入×100%；動物生產(chǎn)子系統(tǒng)磷利用率（PUEa）=動物主產(chǎn)品磷素量/動物子系統(tǒng)磷素總投入×100%；農(nóng)牧結(jié)合系統(tǒng)磷素綜合利用率（PUEc+a）=（作物主產(chǎn)品磷素量+動物主產(chǎn)品磷素量-作物主產(chǎn)品飼用量）/農(nóng)牧系統(tǒng)磷素總投入×100%；土壤磷素盈余量=農(nóng)田輸入磷素量-農(nóng)田輸出磷素量；體系間磷循環(huán)量=秸稈還田磷素+本地飼料磷素+糞尿還田磷素。

1.4 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)來源包括3個方面：本地數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及文獻數(shù)據(jù)。

本地數(shù)據(jù)：本地數(shù)據(jù)包括熱帶地區(qū)單位面積干濕沉降磷量[16]，基于MITERRA-EUROPE模型[17]的本地徑流、侵蝕、淋溶因子，海南省畜牧技術(shù)推廣總站提供的海南島畜牧養(yǎng)殖基本信息，調(diào)研獲得的作物種植、畜禽糞尿回收利用情況。

統(tǒng)計數(shù)據(jù)：本研究所需數(shù)據(jù)包括1987—2016年海南省各市/縣耕地數(shù)量、主要農(nóng)作物播種面積及產(chǎn)量、畜牧業(yè)生產(chǎn)情況等主要來源于海南省統(tǒng)計年鑒[14]。

文獻數(shù)據(jù)：農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)中，主產(chǎn)品含磷比例來自《中國食物成分表》[18]和張少若等研究結(jié)果[19-22]，草谷比、秸稈養(yǎng)分含量等參考李書田等[23]研究，南方地區(qū)單位灌溉面積磷含量參考魯如坤等[24]研究結(jié)果，作物產(chǎn)品飼用比例、糞尿還田比例在結(jié)合調(diào)研和馬林[25]研究成果上獲得。動物生產(chǎn)子系統(tǒng)中，畜禽糞尿排泄量和含磷比例等來自王方浩等研究結(jié)果[6,26-27]，動物活體各部分磷含量參考張建杰等[13]研究數(shù)據(jù)。

1.5 情景分析設(shè)計

有研究表明[28-29]，在2005年的基礎(chǔ)上，中國2030年植物性和動物性食品的總需求將分別增加25%和80%，其中玉米和大豆的產(chǎn)量將增加40%，其他作物產(chǎn)量將增加10%。在生態(tài)文明建設(shè)方面，預(yù)計到2030年，畜禽糞便資源化利用率達到90%，畜禽規(guī)模保持穩(wěn)定增長[30]?！逗Ｄ鲜‖F(xiàn)代農(nóng)業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》（2016—2020）指出[31]，家畜數(shù)量將緩慢增加，家禽數(shù)量將進一步提高，糞尿還田率達到75%，5年內(nèi)化肥使用減少5%，結(jié)合當(dāng)前海南省化肥使用過量的情況，2030年化肥施用量在2016年的基礎(chǔ)上可減少20%—30%，秸稈還田利用率可達到85%以上。據(jù)此設(shè)計3種情景進行分析。

情景1（S1）：到2030年，化肥施用量較2016年減少25%，根據(jù)近年畜禽養(yǎng)殖數(shù)量變化，在2016年的基礎(chǔ)上，家畜按15%增長計算，家禽按50%增長計算，植物性食品按10%增長進行計算。

情景2（S2）：到2030年，化肥施用量較2016年減少25%，依據(jù)Chen等[28]的預(yù)測，在2005年的基礎(chǔ)上，植物性食品增加25%，動物性食品增加80%。結(jié)合海南發(fā)展實際，家畜規(guī)模按35%增長計算，家禽規(guī)模按85%增長計算，畜禽糞便資源化利用率達到90%（其中糞尿還田部分為75%）。

情景3（S3）：根據(jù)《海南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》中各項指標(biāo)進行農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)，2030年農(nóng)牧規(guī)模與2020年保持一致。在此基礎(chǔ)上秸稈還田、作物飼用和糞尿還田比例上升10%。

2 結(jié)果

2.1 海南島農(nóng)田、動物生產(chǎn)子系統(tǒng)30年間磷素流動變化

1987—2016年，海南島農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)磷素輸入、輸出量增長較快（圖2-A、2-B），總輸入量由21.34 Gg增至81.19 Gg，2016年較1987年增長了2.80倍。其中化肥一直是農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)磷素輸入的重要來源，1987年，其磷素輸入量為19.01 Gg，占農(nóng)田總投入量的89.08%，到2016年，化肥磷素投入量為79.23 Gg，占農(nóng)田總投入的97.59%。有機肥料投入30年間維持在2.70—4.28 Gg，在農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)中始終占據(jù)較小比例。從磷素輸出量來看，農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)輸出總量由1987年的6.20 Gg增至2016年的18.20 Gg，作物產(chǎn)品作為農(nóng)田磷素主要輸出項，30年間由5.25 Gg增至15.48 Gg，較30年前增長了1.95倍。徑流、侵蝕和淋溶損失量較小，總損失量由0.52 Gg增至2.18 Gg，維持在農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)磷素總輸出的8.39%—11.98%。對于動物生產(chǎn)子系統(tǒng)（圖2-C、2-D），磷素輸入主要分為兩個階段，第一階段為快速增長階段（1987—2005），磷素總投入由11.40 Gg增至19.92 Gg；第二階段為減產(chǎn)后緩慢增加階段（2006—2016），磷素總輸入量由13.17 Gg增至15.31 Gg。其中外源飼料為動物生產(chǎn)子系統(tǒng)磷素輸入主要來源，30年間由10.97 Gg增至14.77 Gg，維持在系統(tǒng)磷素總投入的95.35%以上。從輸出項來看，動物生產(chǎn)子系統(tǒng)輸出總量由1987年的9.63 Gg增至2016年的11.90 Gg。其中畜禽糞尿量變化緩慢，30年間維持在3.34—5.81 Gg，而動物產(chǎn)品磷素輸出量由1987年的5.65 Gg增至2005年的10.60 Gg，近年保持在8.00 Gg左右。

2.2 海南島農(nóng)田、動物生產(chǎn)子系統(tǒng)磷素流動空間變化

1987—2016年，海南島農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)不同區(qū)域間差異較大（圖3-A），系統(tǒng)磷總輸入量增長最快的是澄邁，30年間增加了7.65 Gg，其次為瓊海、樂東，分別增加了7.41、5.58 Gg，五指山增長最慢，僅增長了0.15 Gg。從輸入項構(gòu)成看，澄邁、瓊海等地30年間化肥磷素輸入量增長較快，分別增加了8.22、8.05 Gg，五指山、保亭等地增長緩慢，增值分別為0.36、1.28 Gg。沉降、灌溉和有機肥料的磷素輸入30年間無明顯變化。農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)磷素總輸出量增長最快的為澄邁，增長1.49 Gg，保亭較1987年降低0.32 Gg。從輸出項構(gòu)成看，各地作物產(chǎn)品磷素輸出量增長均較為緩慢，且大多低于1.00 Gg，其中澄邁增長最快，為1.26 Gg，保亭較1987年略有降低，減少0.30 Gg。到2016年，各地徑流、侵蝕和淋溶損失均在0.30 Gg以下，損失量較小。對于動物生產(chǎn)子系統(tǒng)（圖3-B），澄邁30年間磷素總輸入增長最多，為0.78 Gg，東方較1987年減少0.22 Gg。從輸入項構(gòu)成看，1987—2016年，各市/縣外源飼料磷素輸入量變化在0.79 Gg以下，2016年外源需求量較高的有儋州（1.84 Gg）、澄邁（1.52 Gg）、?？冢?.45 Gg）。本地飼料磷素輸入量較1987年略有降低。動物生產(chǎn)子系統(tǒng)磷素總輸出量30年間變化不大，從輸出項構(gòu)成看，2016年儋州動物產(chǎn)品磷素輸出量最多，五指山最少。動物糞尿磷素產(chǎn)生量較高的為儋州、樂東和定安，較低的為五指山、白沙和瓊中。

圖2 海南島農(nóng)田（A、B）、動物（C、D）生產(chǎn)子系統(tǒng)30年間磷素流動變化

圖3 海南島農(nóng)田（A）、動物（B）生產(chǎn)子系統(tǒng)磷素流動空間變化

2.3 海南島農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷素損失時空分布特征

由于土壤對磷素吸附能力較強[32]，導(dǎo)致磷在土壤中的移動性較差。農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)中，磷素主要通過積累在土壤中難以循環(huán)利用而損失。1987—2016年單位耕地面積土壤磷素盈余量快速增長，30年間由35.00 kg·hm-2增至147.40 kg·hm-2（圖4）。2016年土壤磷素盈余量較大的為瓊海、澄邁、保亭和臨高，分別為372.79、279.82、194.14和181.09 kg·hm-2（圖5）。磷的其他損失途徑為土壤侵蝕、徑流和淋洗，30年間損失量在1.21—5.85 kg·hm-2。在動物生產(chǎn)子系統(tǒng)中，磷素主要通過糞尿的直接排放而損失，畜禽糞便單位耕地面積承載量由1987年的3.83 kg·hm-2增至2005年的5.77 kg·hm-2，此后呈減少趨勢，到2016年僅為3.77 kg·hm-2（圖4）?？臻g分布上，2016年各市/縣糞尿損失量較大的為五指山、保亭、陵水等地（圖5）。

圖4 1987—2016年海南島農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷素損失變化特征

圖5 2016年海南島農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷素損失空間變化特征

2.4 農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷素循環(huán)及利用率

農(nóng)牧生產(chǎn)體系間磷素循環(huán)大致分為3個階段（圖6-A），第一階段為1987—1998年，單位耕地面積磷素循環(huán)量從7.83 kg·hm-2增至11.80 kg·hm-2，第二階段為1999—2004年，保持在11.00 kg·hm-2左右，第三階段為2005—2016年，磷素循環(huán)量由10.03 kg·hm-2減至7.72 kg·hm-2。秸稈還田和本地飼料量呈現(xiàn)較小增幅，糞尿還田磷量則由1987年的5.36 kg·hm-2降至2016年的4.56 kg·hm-2。30年來，農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)磷素利用率由13.01%增至13.86%，動物生產(chǎn)子系統(tǒng)磷素利用率由4.78%增至7.62%，農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷素利用率緩慢增長，由1987年的10.78%增至2016年的13.09%（圖6-B）。空間分布上（圖7-A、7-B），2016年五指山、陵水、屯昌等地磷素循環(huán)量相對較高，分別為19.48、12.93和12.46 kg·hm-2。農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷素利用率昌江最高，為23.41%，臨高最低，僅為7.37%。

圖6 海南島農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷素循環(huán)量（A）和利用率（B）變化

2.5 基于情景設(shè)計下的海南島2030年磷素流動

2016年海南島農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷素主要輸入量（磷肥和外源飼料）為94.00 Gg，單位耕地面積磷素損失量（徑流、淋溶、侵蝕損失以及土壤磷盈余和糞尿損失）為156.27 kg·hm-2，動植物產(chǎn)品量為23.82 Gg，磷素利用率為13.09%。如圖8所示，在減少化肥施用和維持農(nóng)牧業(yè)穩(wěn)定增長的情況下（S1），2030年海南島農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷素主要輸入量將達77.14 Gg，較2016年減少16.86 Gg，單位耕地面積磷素損失量為107.43 kg·hm-2，動植物產(chǎn)品磷素輸出量將達到27.20 Gg，磷素利用率為17.68%。當(dāng)減少化肥施用，并較快發(fā)展畜牧業(yè)和提高畜禽糞尿利用率時（S2），磷素主要輸入量為78.76 Gg，單位耕地面積磷素損失量為123.46 kg·hm-2，動植物產(chǎn)品磷素輸出量將達到21.54 Gg，磷素利用率為11.36%。當(dāng)減緩發(fā)展速度，著力于提高各項效率時（S3），到2030年，農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷素主要輸入量為85.40 Gg，單位耕地面積磷素損失量為126.78 kg·hm-2，動植物產(chǎn)品磷素輸出量將達到27.07 Gg，磷素利用率為15.29%。

3 討論

3.1 海南島農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷素流動時間變化特征

1987—2016年，海南島農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)磷素輸入量持續(xù)增長，化肥磷素輸入量在總輸入中的比例始終在89.08%以上，高于我國其他地區(qū)[13,15]。究其原因，由于熱帶區(qū)域自然條件，農(nóng)田復(fù)種指數(shù)高，可一年四季進行農(nóng)業(yè)耕作，磷肥不斷投入以供作物養(yǎng)分需求。同時，海南島土壤平均pH約為5[33]，對磷元素吸附能力較強[34]，致使磷素利用率較低，磷肥投入量不斷增加。在高磷肥投入條件下，海南島土壤磷素盈余量快速增長，2016年海南島單位耕地面積土壤磷素盈余量為147.40 kg·hm-2，這與陳敏鵬等[35]報道的基于全國尺度的土壤表觀氮磷平衡清單相符（海南大部分區(qū)域位于100—300 kg·hm-2），但遠高于歐盟1990—1991年農(nóng)場水平磷素盈余量標(biāo)準19.5 kg·hm-2[36]。對于動物生產(chǎn)子系統(tǒng)，畜禽規(guī)模在1987—2005年保持快速增長，由于2005年9月臺風(fēng)“達維”的影響，省內(nèi)養(yǎng)殖業(yè)受損嚴重，加上10月我國部分地區(qū)相繼發(fā)生高致病性禽流感疫情，本地控制畜禽養(yǎng)殖規(guī)模，從2006年開始，畜牧業(yè)規(guī)模大為縮減，近年來緩慢上升[37]。從輸入項看，動物生產(chǎn)子系統(tǒng)外源飼料依賴比例較大，主要由于本地多發(fā)展熱帶經(jīng)濟作物，糧食作物種植比例較低，致使本地飼料供給始終維持在較低水平。就畜禽糞尿輸出而言，海南島畜禽糞尿磷素損失比例30年間一直在40%以上，這是由于海南島畜禽養(yǎng)殖規(guī)?；潭容^低且糞尿處理技術(shù)較為落后[31]。2016年海南島畜禽糞尿磷素的平均單位耕地面積承載量為3.77 kg·hm-2，低于Oenema等[38]提出的土壤糞肥施磷量的限值35 kg·hm-2，主要因為本地畜禽養(yǎng)殖規(guī)模相對較小，糞尿產(chǎn)生總量較低，因此，海南島糞肥施磷量還具有較大的提升空間，同時意味著化肥磷素施用量具有較大的減量空間。

圖7 2016年海南島農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷素循環(huán)量（A）和利用率（B）空間變化特征

當(dāng)前，海南島農(nóng)牧生產(chǎn)體系分離較嚴重，主要由于畜禽養(yǎng)殖集約化程度的提高和畜禽糞尿資源化利用效率降低，同時體系間磷素利用較低也是農(nóng)牧生產(chǎn)體系分離的重要原因。30年來，農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷素循環(huán)大致可以分為3個階段。1998年以前，海南島種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展較快，農(nóng)牧生產(chǎn)體系間磷素循環(huán)量穩(wěn)步上升，1998—2004年間，畜牧業(yè)發(fā)展緩慢增長，種植業(yè)規(guī)模略有下降，體系磷素循環(huán)量保持穩(wěn)定。2004年以后，受農(nóng)牧生產(chǎn)體系集約化程度、畜牧業(yè)規(guī)模、種植業(yè)發(fā)展等因素制約，農(nóng)牧生產(chǎn)體系分離加劇。2016年海南島農(nóng)田生產(chǎn)、動物生產(chǎn)和農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷素利用率分別為13.86%、7.62%和13.09%，均低于2010年全國平均水平（分別為37%、17%和30.3%）[11]，從農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)來看，可能與海南島土壤pH較低導(dǎo)致作物對磷素吸收效率較低和較大的磷肥施用量有關(guān)。從動物生產(chǎn)子系統(tǒng)來看，主要限制因素是飼料生產(chǎn)體系磷素投入量高和養(yǎng)殖體系糞尿還田利用率低，海南島畜禽養(yǎng)殖規(guī)模化程度不高也是導(dǎo)致磷素利用率低的重要原因，柏兆海[39]研究表明，專業(yè)養(yǎng)殖戶和大型規(guī)?；B(yǎng)殖體系將表現(xiàn)出更高的養(yǎng)分利用效率。就農(nóng)牧生產(chǎn)體系而言，受農(nóng)田和動物生產(chǎn)子系統(tǒng)的規(guī)模和磷素利用率的影響，農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷素利用率也保持較低水平。本研究結(jié)果顯示，與我國其他地區(qū)農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷素利用率與農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)差異較大不同[12-13,15]，海南島兩者磷素利用率相近，這是因為農(nóng)牧生產(chǎn)體系主要輸出項目來自農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)。由此反映出海南島農(nóng)牧生產(chǎn)體系各子系統(tǒng)發(fā)展不合理現(xiàn)狀，2016年作物主產(chǎn)品磷素輸出量為11.26 Gg，而動物主產(chǎn)品磷素輸出量僅為1.17 Gg。從規(guī)模上來看，以北京市為例[15]，海南島耕地面積4 273 km2，約為北京的2倍，但在畜禽養(yǎng)殖上，2016年海南島畜禽數(shù)量約為900萬頭當(dāng)量豬，略高于北京市的數(shù)量。農(nóng)牧業(yè)的不均衡發(fā)展導(dǎo)致諸如土壤糞肥施磷量較低，化肥施用量較高，土壤磷素盈余量過大等問題。因而，促進海南島農(nóng)牧生產(chǎn)各個子系統(tǒng)間協(xié)調(diào)穩(wěn)定發(fā)展對今后海南島農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。

圖8 不同情景下磷素主要輸入量（A）、產(chǎn)品輸出量（B）、磷素損失量（C）和磷素利用率（D）比較

3.2 海南島農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷素流動空間變化特征

海南島農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)磷素輸入和輸出量空間分布特征具體表現(xiàn)為南北高、中部低，這與海南島區(qū)域間地理特征、農(nóng)業(yè)發(fā)展水平以及耕地面積等因素的差異有關(guān)。海南島地勢四周相對低平，中間高聳，呈穹隆山地形，因而在南北地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件較為優(yōu)越，中部地區(qū)多發(fā)展檳榔、橡膠等種植業(yè)。同時，如?？凇⑽牟?、臨高、儋州等地農(nóng)業(yè)耕地面積較大，農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)磷素流動量也較高。而三亞、陵水等地為南繁育種科研基地，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平相對較高，在水稻、瓜菜等種苗培育上具有較大優(yōu)勢。本研究發(fā)現(xiàn)，三亞耕地面積約為?？诘?/3，2016年磷肥輸入量為?？诘?/2，但作物產(chǎn)品磷素輸出量與?？谙嘟瑫r，2016年三亞農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)磷素利用率為23.64%，高于海口的12.31%，可見較高的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化程度有利于提高農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷素流動效率。

為優(yōu)化資源配置，海南島劃分為“瓊北、瓊南、瓊中、瓊東和瓊西”5個發(fā)展區(qū)域[31]，近年瓊北地區(qū)主要發(fā)展生豬，雞、鵝等規(guī)模化養(yǎng)殖，瓊南和瓊中地區(qū)多發(fā)展種植業(yè)，瓊東地區(qū)近年來調(diào)減豬牛羊的養(yǎng)殖規(guī)模，導(dǎo)致瓊海、萬寧動物生產(chǎn)子系統(tǒng)磷素流動量降低。瓊西地區(qū)正加快建設(shè)畜禽養(yǎng)殖規(guī)模化基地，因而儋州和東方等地動物生產(chǎn)子系統(tǒng)磷素流動量逐步提高。受區(qū)域劃分影響，海南島動物生產(chǎn)子系統(tǒng)磷素流動空間分布特征為西部和北部較高，東部和南部較低。

3.3 3種情景下農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷素流動分析

通過減少磷肥的施用量，土壤磷盈余量將得到較大的降低，但在畜牧業(yè)快速發(fā)展過程中，畜禽糞尿的無序排放也會導(dǎo)致單位耕地面積磷素損失量的較快增加。S1情景下的農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷素利用率最高，2030年較2016年將增長4.59%，其原因是除了控制磷肥施用量外，動植物產(chǎn)品磷素輸出量在3個情景中也最多，說明保證農(nóng)田生產(chǎn)和動物生產(chǎn)子系統(tǒng)協(xié)調(diào)穩(wěn)定發(fā)展將會給農(nóng)牧生產(chǎn)體系帶來較大收益。由于近年海南島作物生產(chǎn)增長速度高于Chen等[28]預(yù)測結(jié)果，在S2情景下，依照Chen等預(yù)測的作物增長速度，海南農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)至2030年將表現(xiàn)出緩慢增長。即使期間動物生產(chǎn)子系統(tǒng)得到較快發(fā)展，結(jié)果農(nóng)牧生產(chǎn)體系產(chǎn)品輸出量和磷素利用率在3種情境下仍為最低，其主要原因是農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)體系較為龐大，作物產(chǎn)品輸出量比重較大，一旦減緩農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)發(fā)展，對農(nóng)牧生產(chǎn)體系產(chǎn)品總輸出量影響較大，同時，較低的主產(chǎn)品輸出量水平會導(dǎo)致磷素利用率的降低。在S3情景下，2030年農(nóng)牧生產(chǎn)體系主要磷素輸入量較2016年僅減少8.60 Gg，主要由于《海南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》對磷肥的輸入要求控制在2016年的85%左右，鑒于海南島施肥過量現(xiàn)狀，磷肥輸入量仍有下降的潛力。同時，通過提高秸稈和糞尿還田以及作物產(chǎn)品飼用比例，可較好地提高農(nóng)牧耦合程度。

由情景分析看出，S1情景下農(nóng)牧生產(chǎn)體系管理方式是最優(yōu)的，由S3可以看出，通過科學(xué)的養(yǎng)分管理方式提高資源的循環(huán)利用率對促進海南島農(nóng)牧業(yè)綠色發(fā)展意義重大。而在S2情景下，僅僅考慮動物生產(chǎn)子系統(tǒng)單個系統(tǒng)的發(fā)展，對農(nóng)牧生產(chǎn)體系整體養(yǎng)分流動效率的提高是不利的。

3.4 海南島農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷素流動管理的相關(guān)建議

針對海南島當(dāng)前農(nóng)牧生產(chǎn)過程中存在的問題，提出以下優(yōu)化途徑：（1）優(yōu)化農(nóng)牧業(yè)布局。農(nóng)牧生產(chǎn)體系由分散式家庭種養(yǎng)模式到可持續(xù)集約化管理。在規(guī)?；芾磉^程中，采用合理的種植技術(shù)和飼養(yǎng)管理方式[40-41]，從優(yōu)化選種到產(chǎn)品管理，逐步提高作物和動物產(chǎn)品產(chǎn)量。并結(jié)合區(qū)域發(fā)展，建立種養(yǎng)結(jié)合生產(chǎn)基地；（2）合理施用肥料。對于農(nóng)牧業(yè)養(yǎng)分管理，首要是減少化肥的施用[42]，當(dāng)前海南島磷肥施用過量問題突出，為保證磷肥合理施用，應(yīng)結(jié)合海南實際情況，合理劃分施肥類型區(qū)，推廣測土施肥技術(shù)，建設(shè)測土配方施肥體系[31]。并推廣優(yōu)質(zhì)商品有機肥料、高效緩釋肥料、生物肥料、水溶性肥料等新型肥料；（3）改善畜禽糞尿管理。改善畜禽糞尿管理符合農(nóng)牧結(jié)合的核心要求[43]，首先應(yīng)按照“廢棄物+清潔能源+有機肥”三位一體技術(shù)路線，改造完善規(guī)模畜禽場基礎(chǔ)條件。實行畜禽養(yǎng)殖全鏈條管理，從圈舍飼養(yǎng)到糞尿儲存運輸建立糞尿收集裝置和網(wǎng)管運輸裝置，同時推廣多原料全混式發(fā)酵、全自動高溫好氧發(fā)酵等技術(shù)。通過畜禽糞尿的科學(xué)管理，以達到減少糞便損失和增加畜禽糞尿還田施用率的目的[44]；（4）應(yīng)加強管理并出臺相關(guān)政策。管理上需從源頭減少磷素的投入，控制化肥和外源飼料的使用量。政策上則要借鑒國內(nèi)外相關(guān)成果，政府對化肥的使用、糞尿的運輸管理等應(yīng)進行具體指導(dǎo)[45]。同時，應(yīng)加大針對農(nóng)業(yè)面源污染防治的財政投入，以推動相關(guān)技術(shù)和設(shè)施的落實。

4 結(jié)論

1987—2016年海南島農(nóng)牧生產(chǎn)體系取得較快發(fā)展，磷素總輸入與總輸出量不斷上升，受區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展水平、地理環(huán)境和農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃等因素影響，不同區(qū)域間養(yǎng)分流動差異較大。當(dāng)前農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)主要依賴化肥磷素輸入，隨著磷肥輸入量的快速增長，土壤磷素盈余量也不斷上升。動物生產(chǎn)子系統(tǒng)主要依賴外源飼料磷素輸入，30年間外源輸入量從10.97 Gg增至14.77 Gg，維持在飼料總投入的95.45%—96.80%。與全國平均水平相比，海南島農(nóng)牧生產(chǎn)體系環(huán)境損失情況較為嚴重，磷素利用率較低，農(nóng)牧生產(chǎn)體系出現(xiàn)了較嚴重的分離。

傳統(tǒng)的粗放式農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)方式已經(jīng)無法滿足海南當(dāng)下發(fā)展的需要，在未來應(yīng)進一步優(yōu)化農(nóng)牧業(yè)布局，推廣種養(yǎng)結(jié)合生產(chǎn)模式，加強對畜禽糞尿的管理。通過合理的技術(shù)手段和管理方式，在保證農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)與動物生產(chǎn)子系統(tǒng)協(xié)同增長的前提下，實現(xiàn)海南島農(nóng)牧生產(chǎn)體系的綠色協(xié)調(diào)發(fā)展。

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temporal and spatial variation characteristics of phosphorus element flows in the crop-livestock production system of Hainan island

DING Shang1, GUO Haohao1, SONG Chenyang1, DIAO Xiaoping2, ZHAO Hongwei1, 2

(1Institute of Tropical Agriculture and Forestry, Hainan University, Haikou 570228;2State Key Laboratory of Marine Resource Utilization in South China Sea, Hainan University, Haikou 570228)

【Objective】 The objective of this study is to analyze the temporal and spatial characteristics of phosphorus flows and its environmental effects in the crop-livestock production system of Hainan island from 1987 to 2016, research its flow process and discipline, discuss the optimized management approach of phosphorus in the crop-livestock production system, and to provide a scientific basis for the development of farming and animal husbandry in Hainan island.【Method】The study was based on the NUFER model (NUtrient flows in Food chains, Environment and the Resources use). data statistics, literature search and field investigation as well as the software such as Origin were used to calculate phosphorus input, output, efficiency and environmental effects of the crop-livestock production system in Hainan island. Potentially sustainable phosphorus utilization approaches were explored through scenario analysis of the crop-livestock production system.【Result】In the past 30 years, the total input of phosphorus in the farming subsystem of Hainan island increased from 21.34 to 81.19 Gg, and the total output increased from 6.20 to 18.20 Gg. As the main source of phosphorus in the system, the input of chemical fertilizer increased from 19.01 to 79.23 Gg. crop products as the main export of farmland phosphorus, and from 5.25 Gg to 15.48 Gg in 30 years. The total input of phosphorus in the animal production subsystem increased from 11.40 to 15.31 Gg, and the total output increased from 9.63 to 11.90 Gg, in which the input of imported feed phosphorus increased from 10.97 Gg in 1987 to 14.77 Gg in 2016, and the output of animal products increased by 4.95 Gg in 30 years. The amount of crop straw to the field and the local feed increased by 0.37 and 0.26 kg·hm-2, respectively, while the amount of manure to the field decreased by 0.80 kg·hm-2. In terms of spatial distribution, the input and output amounts of phosphorus in Chengmai and Dingan were relatively higher in the past 30 years, while those in Wuzhishan and Qiongzhong were relatively lower.In terms of phosphorus loss, the amount of soil phosphorus surplus per unit cultivated land of Hainan island increased from 35.00 to 147.40 kg·hm-2in 1987-2016. In 2016, the amount of soil phosphorus surplus of Qionghai, Chengmai, Baoting and Lin’gao was relatively higher, which was 372.79, 279.82, 194.14 and 181.09 kg·hm-2, respectively. The other loss ways of phosphorus were soil erosion, runoff and leaching, the loss amounts were from 1.21 to 5.85 kg·hm-2. The carrying capacity of livestock and poultry manure of cultivated area was maintained at 3.83-5.77 kg·hm-2. In the past 30 years, phosphorus use efficiency in the farming production subsystem increased from 13.01% to 13.86%,phosphorus use efficiency in the animal production subsystem increased from 4.78% to 7.62%, and phosphorus use efficiency in the crop-livestock production system increased from 10.78% to 13.09%. The result of scenario analysis showed that it was of great significance to promote the coordinated development between the farming production subsystem and the animal production subsystem of Hainan island and to improve the recycling utilization rate of resources through scientific nutrient management.【Conclusion】Affected by the scale of the crop-livestock production system, regional development and management mode, the environmental loss of the crop-livestock production system was serious, the phosphorus use efficiency was relatively low, and the system was seriously separated in Hainan island. Therefore, in the future crop-livestock production in Hainan island, technical means and management measures should be optimized, such as controlling excessive input of phosphorus, reducing the direct discharge of manure, and improving the phosphorus cycle efficiency of straw and manure. At the same time, the coordination relationship between the farming production subsystem and the animal production subsystem should be promoted, and the sustainable development road of combination of farming and animal husbandry should be carried out.

Hainan Island; crop-livestock production system; phosphorus flows; temporal and spatial variation characteristics; NUFER model

10.3864/j.issn.0578-1752.2019.05.008

2018-08-25；

2018-11-09

海南省重大科技項目（ZDKJ2017002）、海南省自然科學(xué)基金（417053，317302）

丁尚，E-mail：Dshainu@163.com。通信作者趙洪偉，E-mail：hwzhao@hainu.edu.cn

（責(zé)任編輯 岳梅）