1985—2015年福建省農(nóng)牧系統(tǒng)磷素流動(dòng)特征及影響因素

劉東暉, 張世昌, 楊靜, 黃夢(mèng)元, 吳良泉

1985—2015年福建省農(nóng)牧系統(tǒng)磷素流動(dòng)特征及影響因素

劉東暉1,2, 張世昌3, 楊靜1,2, 黃夢(mèng)元1,2, 吳良泉1,2

（1福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，福州 350002；2福建農(nóng)林大學(xué)國(guó)際鎂營(yíng)養(yǎng)研究所，福州 350002；3福建省農(nóng)田建設(shè)與土壤肥料技術(shù)總站，福州 350003）

【】探明福建省農(nóng)牧系統(tǒng)磷素流動(dòng)時(shí)間變化特征及其影響因素，為實(shí)施農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分資源綜合管理和推進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。通過(guò)整理福建省1985—2015年統(tǒng)計(jì)年鑒中農(nóng)牧業(yè)產(chǎn)品活動(dòng)數(shù)據(jù)和補(bǔ)充文獻(xiàn)中農(nóng)牧業(yè)產(chǎn)品養(yǎng)分參數(shù)，結(jié)合實(shí)地調(diào)研，使用NUFER (nutrient flows in food chain, environment and resources use) 模型，定量估算1985—2015年福建省種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)磷素流動(dòng)賬戶(hù)平衡、利用率與損失變化特征，明確影響農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)磷素流動(dòng)的主要因素。1985—2015年，福建省農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)磷素輸入總量由63.1 Gg升至196.2 Gg，主要輸入項(xiàng)為化肥投入及飼料進(jìn)口，其中種植業(yè)單位面積化肥磷投入量由27.8 kg·hm-2逐漸上升并穩(wěn)定于60.4 kg·hm-2，受福建省種植業(yè)及養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模和結(jié)構(gòu)變化影響，本地飼料磷供應(yīng)量由3.33 Gg降至1.65 Gg，飼料磷進(jìn)口數(shù)量由20.7 Gg增至70.2 Gg；農(nóng)牧系統(tǒng)輸出端，磷素輸出總量由45.0 Gg增至90.9 Gg，主要輸出項(xiàng)為作物主產(chǎn)品和糞尿損失，其中作物主產(chǎn)品變化較小，由24.3 Gg增至26.7 Gg，糞尿損失磷增加較多，由1.44 Gg增至25.8 Gg；在農(nóng)牧系統(tǒng)內(nèi)部，磷素的主要去向?yàn)橥寥览鄯e，且逐年上升，由18.1 Gg升至106 Gg，種植業(yè)磷素利用率（PUEc）由36.1%降至16.6%，農(nóng)牧系統(tǒng)的磷素利用率（PUEc+a）變化趨勢(shì)與PUEc相仿，逐漸下降并最終維持于15.0%，同時(shí)單位農(nóng)牧產(chǎn)品磷損失由0.3 kg P·kg-1逐漸上升并穩(wěn)定于1.3 kg P·kg-1。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展和種植結(jié)構(gòu)方面，當(dāng)人均生產(chǎn)總值（GDP）＜1.1萬(wàn)元時(shí)，GDP與化肥磷投入數(shù)量呈顯著正相關(guān)，當(dāng)GDP＜1.5萬(wàn)元時(shí)，與單位農(nóng)牧產(chǎn)品磷損失之間呈顯著正相關(guān)，人均GDP＜1.3萬(wàn)元時(shí)，與PUEc呈顯著負(fù)相關(guān)；經(jīng)濟(jì)作物播種面積占比與單位農(nóng)牧產(chǎn)品磷損失、化肥磷投入之間呈極顯著正相關(guān)，與PUEc之間呈極顯著負(fù)相關(guān)。當(dāng)前福建省種植業(yè)結(jié)構(gòu)特征為經(jīng)濟(jì)作物播種面積占比較高，同時(shí)單位面積化肥磷投入量較大，養(yǎng)殖業(yè)畜禽糞尿循環(huán)不充分，導(dǎo)致單位農(nóng)牧產(chǎn)品磷損失較多，同時(shí)磷素利用率偏低。因此，控制磷肥的施用量、增強(qiáng)農(nóng)牧業(yè)廢棄物資源化利用程度，將是提高福建省農(nóng)牧系統(tǒng)磷素利用率，促進(jìn)農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)綠色發(fā)展的保障。

磷素；NUFER模型；磷素利用率；農(nóng)牧系統(tǒng)；經(jīng)濟(jì)作物占比

0 引言

【研究意義】磷（P）是構(gòu)成生命機(jī)體的重要元素之一，在生命循環(huán)中起到重要作用[1]。為滿足日益增長(zhǎng)的社會(huì)需求，人為開(kāi)采和使用加速了磷資源的耗竭速率。尤其是在農(nóng)牧生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，化肥的過(guò)度使用以及畜禽糞污的不合理排放，導(dǎo)致額外的磷素累積于土壤之中或是進(jìn)入水體，引起磷資源耗竭的同時(shí)帶來(lái)水體富營(yíng)養(yǎng)化等環(huán)境問(wèn)題[2]。研究表明，按照現(xiàn)有的發(fā)展模式，磷資源將在22世紀(jì)耗竭，但若改變磷素利用方式可將磷資源耗竭時(shí)間延長(zhǎng)至23世紀(jì)以后[3]。因此，定量化研究農(nóng)牧系統(tǒng)磷素流動(dòng)特征，探討磷素管理優(yōu)化策略，是可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，對(duì)促進(jìn)農(nóng)牧業(yè)的綠色發(fā)展意義重大?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者已在不同地區(qū)開(kāi)展研究，結(jié)果顯示區(qū)域間磷素流動(dòng)特征各不相同。BOUWMAN等[4]研究表明，亞洲的部分發(fā)展中國(guó)家對(duì)磷的需求量將會(huì)持續(xù)增加，未來(lái)這些區(qū)域農(nóng)田的化肥磷投入和土壤磷盈余將持續(xù)增加，從而加劇環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)；SUH等[5]研究表明，在美國(guó)地區(qū)，人類(lèi)從自然界中提取用于提供食物的總磷中只有15%最終被人體利用，大部分損失于肉蛋奶等畜牧產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程和農(nóng)作物的種植階段；OTT等[6]研究表明，在歐盟15國(guó)的磷素流動(dòng)平衡中，輸入項(xiàng)主要為磷進(jìn)口數(shù)量，輸出項(xiàng)主要為土壤、垃圾填埋場(chǎng)和水圈累積；張曉萌等[7]對(duì)東北三省農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分流動(dòng)特征的研究表明，東北三省磷素利用率差異顯著，需要針對(duì)不同地區(qū)養(yǎng)分流動(dòng)特征提出針對(duì)性建議；張華芳[8]對(duì)河北省農(nóng)牧系統(tǒng)磷素流動(dòng)研究結(jié)果表明，河北省磷素流動(dòng)呈現(xiàn)外源投入大、利用率低、環(huán)境排放高、農(nóng)牧結(jié)合不緊密等特點(diǎn)；張建杰等[9]對(duì)山西省農(nóng)牧系統(tǒng)研究結(jié)果表明，山西省農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)的磷素利用率高于全國(guó)平均水平，但農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)的磷素利用率較低?？梢?jiàn)，不同地區(qū)農(nóng)牧系統(tǒng)磷素流動(dòng)特征各不相同。然而，已有的研究區(qū)域主要集中于國(guó)外或我國(guó)北方，針對(duì)以種植茶果等經(jīng)濟(jì)作物為主的南方丘陵區(qū)的磷素流動(dòng)研究較少。同時(shí)，區(qū)域間磷素流動(dòng)差異的驅(qū)動(dòng)因素各不相同，如化肥施用程度、畜禽糞污養(yǎng)分管理水平及經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顟B(tài)等。SMIL[10]對(duì)全球磷循環(huán)研究結(jié)果表明化肥施用、廢水排放、土壤侵蝕與流失以及作物秸稈和糞便排放是致使全球磷素流動(dòng)程度增加的驅(qū)動(dòng)因素；SENTHILKUMAR等[11]對(duì)法國(guó)境內(nèi)的磷素流動(dòng)預(yù)算結(jié)果顯示，驅(qū)動(dòng)農(nóng)牧系統(tǒng)中養(yǎng)分流動(dòng)的關(guān)鍵因素為動(dòng)物糞便；MA等[12]對(duì)中國(guó)食物鏈磷平衡、損失和利用率的概述表明，作物和動(dòng)物生產(chǎn)中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)損失不斷增加的主要原因是返回農(nóng)田的糞肥比例下降，提高磷素利用率和減少磷損失的關(guān)鍵在于平衡施肥，以及改善糞便養(yǎng)分管理；魏莎等[13]研究表明，農(nóng)牧系統(tǒng)磷素流動(dòng)特征與其種養(yǎng)結(jié)構(gòu)、養(yǎng)殖規(guī)模以及環(huán)保政策密切相關(guān)；BAI等[14]通過(guò)分析新中國(guó)成立60年以來(lái)磷素流動(dòng)特征，表明肥料磷的使用與蔬菜和水果生產(chǎn)面積占比呈正相關(guān)，磷肥的使用在某一階段與GDP呈正相關(guān)，但隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展將會(huì)逐漸脫鉤?？梢?jiàn)，影響磷素流動(dòng)的因素眾多，同時(shí)關(guān)于以經(jīng)濟(jì)作物為主的南方丘陵區(qū)磷素流動(dòng)特征研究還比較缺乏?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】福建省以丘陵山地為主，素有“八山一水一分田”之稱(chēng)，耕地資源非常有限，1985年以來(lái)該區(qū)域農(nóng)牧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，經(jīng)濟(jì)作物和養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展，化肥及外源飼料投入數(shù)量增長(zhǎng)較快，磷素作為參與農(nóng)牧業(yè)物質(zhì)轉(zhuǎn)換的重要營(yíng)養(yǎng)元素之一，其流動(dòng)特征也深受影響。然而，目前針對(duì)福建省農(nóng)牧系統(tǒng)磷素流動(dòng)特征研究較少。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】利用NUFER模型，探明1985—2015年福建省種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的磷素流動(dòng)特征及總量差異、磷素利用率與損失變化特征，明確對(duì)農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生影響的因素，為福建省乃至亞熱帶地區(qū)農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)磷素管理提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)為推進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展、建設(shè)生態(tài)農(nóng)業(yè)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

福建省位于我國(guó)東南沿海，總面積12.4×104km2，地處23°33′—28°20′N(xiāo)，115°50′—120°40′E，屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，年均溫14.6—21.3℃，積溫高達(dá)5 000—7 800℃，年均降水量1 037—2 051 mm。地形以山地丘陵為主，總體呈東南低，西北高，境內(nèi)水熱條件垂直分帶較明顯[15]。改革開(kāi)放以來(lái)，福建省生產(chǎn)力得到提升，經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人均GDP由0.07萬(wàn)元增至6.79萬(wàn)元，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)也發(fā)生變化，在1985—2015年期間，福建省種植業(yè)總播種面積呈先上升后下降的趨勢(shì)，同時(shí)種植結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。其中，糧食作物播種面積降幅達(dá)到40%。經(jīng)濟(jì)作物播種面積占比逐步增加，由20.1%逐漸增至56.3%，其中蔬菜、茶葉種植面積分別約增長(zhǎng)6倍和2倍，水果種植面積增長(zhǎng)約3倍。同時(shí)，福建省種植業(yè)中化肥用量及養(yǎng)殖業(yè)中的養(yǎng)殖密度也持續(xù)上升，至2015年，福建省化肥用量及養(yǎng)殖密度分別約為1985年的4倍和3倍，其中養(yǎng)殖密度達(dá)到6.5 LU/hm2[16]。

1.2 NUFER模型和系統(tǒng)邊界介紹

NUFER模型是一個(gè)研究國(guó)家和區(qū)域尺度食物鏈系統(tǒng)氮磷流動(dòng)的模型，可以定量分析“農(nóng)田-畜牧-食品加工-家庭消費(fèi)”系統(tǒng)氮磷流動(dòng)、利用率和損失途徑[12]。本研究以福建省“農(nóng)田-畜牧”生產(chǎn)系統(tǒng)作為研究邊界，系統(tǒng)間的磷素流動(dòng)作為研究對(duì)象，定量化研究農(nóng)牧系統(tǒng)磷素流動(dòng)、利用率及損失變化特征。農(nóng)牧系統(tǒng)包括作物生產(chǎn)系統(tǒng)和畜禽生產(chǎn)系統(tǒng)。磷素在系統(tǒng)中的流動(dòng)情況如圖1所示：磷素通過(guò)（1）化肥投入、（2）飼料進(jìn)口的方式進(jìn)入到農(nóng)牧系統(tǒng)，在內(nèi)部以（3）糞尿還田、（4）秸稈還田、（5）本地飼料喂養(yǎng)的形式進(jìn)行流動(dòng)，同時(shí)以（6）土壤累積的形式累積于作物生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)，最后以（7）作物主產(chǎn)品、（8）作物副產(chǎn)品、（9）徑流、侵蝕、（10）淋溶、（11）畜禽主產(chǎn)品、（12）畜禽副產(chǎn)品、（13）糞尿損失的方式離開(kāi)研究系統(tǒng)。由雨水帶來(lái)的磷含量較少，畜禽的生物累積磷數(shù)量年際間差值不大，因此不作為考慮對(duì)象。

1.3 模型流程圖及其計(jì)算方法注釋

模型流程示意圖見(jiàn)圖1。文中主要采用NUFER模型來(lái)計(jì)算磷素流動(dòng)、利用率以及環(huán)境排放等結(jié)果，其中種植業(yè)、畜牧業(yè)和農(nóng)牧系統(tǒng)的計(jì)算公式[17]如下：

PIcrop=PIfer+PIam+PIst（1）

式中，PIcrop表示種植業(yè)磷總輸入量，PIfer表示化肥磷輸入量，PIam表示畜禽糞尿磷還田量，PIst表示作物秸稈磷還田量。

PUEc=POcrop/PIcrop（2）

式中，PUEc表示種植業(yè)磷素利用率，POcrop表示作物產(chǎn)品磷輸出量，PIcrop表示種植業(yè)磷總輸入量。

PUEa=POanimal/（PIfi+PIlf） （3）

式中，PUEa表示畜牧業(yè)磷素利用率，POanimal表示畜禽產(chǎn)品磷輸出量，PIfi表示飼料磷進(jìn)口量，PIlf表示本地飼料磷輸入量。

PUEc+a=（POc+POa）/（PIfer+PIfi） （4）

式中，PUEc+a表示農(nóng)牧系統(tǒng)的磷素利用率，POc表示農(nóng)牧體系作物產(chǎn)品磷輸出量，POa表示農(nóng)牧體系畜禽產(chǎn)品磷輸出量，PIfer表示化肥磷輸入量。

圖1 農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷流動(dòng)模型

Paccumulate=PIcrop-POcrop-POst-POrf-POle（5）

式中，Paccumulate表示土壤磷積累量，PIcrop表示種植業(yè)磷總輸入量，POcrop表示作物主產(chǎn)品磷輸出量，POst表示作物秸稈磷輸出量，POrf表示種植業(yè)徑流、侵蝕損失量，POle表示種植業(yè)淋溶損失量。

PPLc+a=（POrf+POle+POdischarge）/（POcrop+POanimal-PIlf） （6）

式中，PPLc+a表示每生產(chǎn)1 kg農(nóng)牧產(chǎn)品的磷損失，POdischarge表示養(yǎng)殖業(yè)磷直接排放量。

PIam=（POmanure-POdischarge）×PMR（7）

式中，POmanure表示養(yǎng)殖業(yè)糞尿磷總產(chǎn)量，PMR表示糞尿還田比例。

PIfi=POanimal+POANB+POmanure-PIlf（8）

式中，POANB表示畜禽副產(chǎn)品磷素輸出量。

1.4 研究數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究中所使用數(shù)據(jù)分為3類(lèi)：統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、調(diào)研數(shù)據(jù)、文獻(xiàn)數(shù)據(jù)。其中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：包括福建省作物種植面積（根據(jù)福建省種植業(yè)特點(diǎn)，將作物分為稻谷、小麥、油料、薯類(lèi)、甘蔗、煙葉、茶、水果、蔬菜、綠肥、青飼料11種）、耕地面積、化肥投入量（按磷肥及復(fù)合肥折純量計(jì)算）、畜禽養(yǎng)殖數(shù)量（其中，豬、肉牛、羊、肉禽、兔為年末出欄數(shù)量，奶牛、蛋禽為年末存欄數(shù)量），為方便對(duì)比，將畜禽養(yǎng)殖數(shù)量單位統(tǒng)一為L(zhǎng)U（livestock unit），表示標(biāo)準(zhǔn)牛當(dāng)量（折合500 kg奶牛），不同畜禽的折換比例分別為奶牛，1﹕1；肉牛，0.5﹕1；豬，0.35﹕1；羊，0.1﹕1；蛋禽，0.012﹕1；肉禽，0.007﹕1；兔，0.01﹕1[18]。農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)量等數(shù)據(jù)主要取自《福建經(jīng)濟(jì)與社會(huì)統(tǒng)計(jì)年鑒農(nóng)村篇》[19]、《福建統(tǒng)計(jì)年鑒》[16]、《中國(guó)環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒》[20]。調(diào)研數(shù)據(jù)：主要包括福建省農(nóng)作物生產(chǎn)消費(fèi)、農(nóng)業(yè)資源廢棄物處置情況，主要根據(jù)訪問(wèn)農(nóng)業(yè)廳等相關(guān)部門(mén)，由上及下的方式了解全省總體狀況。文獻(xiàn)數(shù)據(jù)：包括作物、畜禽各部分磷素分配比例及其含磷量，徑流、侵蝕和淋洗參數(shù)等，主要取自NUFER模型及相關(guān)文獻(xiàn)補(bǔ)充數(shù)據(jù)。其中，作物收獲可（食）用部分和不可（食）用部分占比及其磷含量?jī)?nèi)容見(jiàn)表1，主要畜禽飼養(yǎng)周期、糞尿日排泄量和糞尿磷含量?jī)?nèi)容見(jiàn)表2，主要畜禽活體產(chǎn)品含磷量?jī)?nèi)容見(jiàn)表3，環(huán)境損失參數(shù)內(nèi)容見(jiàn)表4。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的整理，使用模型模擬1985—2015年福建省農(nóng)牧系統(tǒng)磷素流動(dòng)狀況，對(duì)比磷素流動(dòng)時(shí)間變化特征、磷素利用率和損失差異，為今后實(shí)現(xiàn)磷素資源管理調(diào)控提供依據(jù)，并為福建農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展研究提供支撐。

2 結(jié)果

2.1 福建省種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)磷素流動(dòng)特征及歷史變化

在種植業(yè)中，磷素輸入端包括化肥、糞尿還田以及秸稈還田?；适侵饕妮斎朐?，1985年福建省單位面積化肥磷投入為27.8 kg·hm-2，1985—2000年逐漸增至60.4 kg·hm-2，之后長(zhǎng)期保持在這一水平。1985—2005年糞尿還田磷的輸入呈逐漸上升趨勢(shì)，由12.2 kg·hm-2增至18.4 kg·hm-2，2005年后呈下降趨勢(shì)，至2015年，單位面積畜禽糞尿磷投入為13.7 kg·hm-2。秸稈還田磷在輸入端占比最小，且在數(shù)值上呈現(xiàn)逐年下降的趨勢(shì)，1985—2015年，單位面積秸稈還田磷由4.0 kg·hm-2降至2.4 kg·hm-2。磷素輸出端包括作物收獲、作物秸稈、淋洗、徑流、侵蝕以及土壤累積。其中，磷素的最大去向?yàn)橥寥览鄯e，1985年福建省單位面積土壤累積磷為18.1 kg·hm-2，后逐年增加，至2004年抵達(dá)峰值（59.8 kg·hm-2），之后保持穩(wěn)定。作物收獲和作物秸稈帶走磷量在1985—2015年間趨勢(shì)為逐漸減少，其中作物收獲帶走磷量由15.9 kg·hm-2逐漸降至12.5 kg·hm-2，作物秸稈帶走磷量由6.2 kg·hm-2降至3.2 kg·hm-2。徑流、侵蝕和淋洗帶走磷量在1985—2015年期間由3.9 kg·hm-2升至6.9 kg·hm-2（圖2-A）。

表1 作物收獲可（食）用部分和不可（食）用部分占比及其磷含量[21-25]

表2 主要畜禽飼養(yǎng)周期、糞尿日排泄量和糞尿磷含量（鮮基）[17,26-29]

表3 主要畜禽身體各部分含磷量[17,30-31]

表4 環(huán)境損失參數(shù)[32]

在養(yǎng)殖業(yè)中，磷素輸入端包括本地飼料和飼料進(jìn)口。飼料進(jìn)口是最主要部分，1985—2015年期間，單位飼料進(jìn)口數(shù)量保持在6.0 kg/LU左右。本地飼料在30年間呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì)，由1985年的0.9 kg/LU降至2015年的0.1 kg/LU。磷素輸出端包括動(dòng)物產(chǎn)品、輸出糞尿以及廢水排放。輸出糞尿?yàn)樽钪饕敵霾糠郑?985—2005年期間穩(wěn)定于5.0 kg/LU，2006—2015年出現(xiàn)下降趨勢(shì)，至2015年，輸出糞尿?yàn)?.9 kg/LU。廢水排放和動(dòng)物產(chǎn)品在輸出端占比較小，且在1985—2015年間呈小幅上升趨勢(shì)，廢水排放由0.8 kg/LU升至1.0 kg/LU，動(dòng)物產(chǎn)品由0.2 kg/LU升至0.3 kg/LU（圖2-B）。

圖2 福建省種植業(yè)（A）和畜牧業(yè)（B）生產(chǎn)系統(tǒng)磷素流動(dòng)

2.2 福建省農(nóng)牧系統(tǒng)磷素流動(dòng)特征及年際差異

1985年福建省農(nóng)牧系統(tǒng)磷輸入總量為63.1 Gg（Gg=109g），2015年為196.2 Gg。在輸入端，1985化肥磷投入量為42.4 Gg，占輸入端67.2%，飼料磷進(jìn)口量為20.7 Gg，占輸入端32.8%，至2015年，輸入端化肥磷投入為126 Gg，占比64.2%，飼料磷進(jìn)口為70.2 Gg，占比35.8%。磷素輸出端，相較于1985年，2015年福建省農(nóng)牧系統(tǒng)磷輸出總量增至90.9 Gg，增幅達(dá)到102%，其中糞尿損失磷增加數(shù)量最多，由1.44 Gg增至25.8 Gg。畜禽主產(chǎn)品和畜禽副產(chǎn)品磷分別增至3.36和13.5 Gg，增幅分別為315%和337%。作物主產(chǎn)品磷只出現(xiàn)小幅度增長(zhǎng)，增加2.4 Gg，增幅為9.9%。作物副產(chǎn)品磷出現(xiàn)降低，由9.40 Gg降至6.86 Gg，降幅為27.0%。在福建省農(nóng)牧系統(tǒng)內(nèi)部，磷素的主要去向?yàn)橥寥览鄯e，其中1985年和2015年土壤累積總量分別為18.1和106 Gg，增幅為486%（圖3）。

圖3 1985年（A）和2015年（B）福建省農(nóng)牧系統(tǒng)磷素養(yǎng)分流動(dòng)特征及年際差異

2.3 福建省磷素利用率及單位農(nóng)牧產(chǎn)品磷損失變化趨勢(shì)

1985—2015年期間，福建省種植業(yè)中磷素利用率（PUEc）顯著降低，由1985年的36.1%降至2015年的16.6%。養(yǎng)殖業(yè)中，畜牧業(yè)磷素利用率（PUEa）變化不大，停留于較低水平，2015年為4.7%。農(nóng)牧系統(tǒng)的磷素利用率（PUEc+a）變化趨勢(shì)與PUEc相仿，在1985年時(shí)最高，之后呈下降趨勢(shì)，至2005年之后趨于平穩(wěn)，維持在15.0%左右。單位農(nóng)牧產(chǎn)品磷損失由1985年的0.3 kg P·kg-1開(kāi)始逐漸上升，在2004年達(dá)到1.3 kg P·kg-1，之后穩(wěn)定于此（圖4）。

2.4 福建省農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)影響因素

1985—2015年間，當(dāng)福建省人均GDP＜1.1萬(wàn)元時(shí)，人均GDP與化肥磷投入之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)人均GDP＞1.1萬(wàn)元時(shí)，二者關(guān)系逐漸脫鉤。當(dāng)福建省人均GDP＜1.5萬(wàn)元時(shí)，人均GDP與單位農(nóng)牧產(chǎn)品磷損失之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)人均GDP＞1.5萬(wàn)元時(shí)，二者之間亦逐漸脫鉤。當(dāng)福建省人均GDP＜1.3萬(wàn)元時(shí)，人均GDP與PUEc則呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)人均GDP＞1.3萬(wàn)元時(shí)，二者之間同樣逐漸脫鉤（圖5）。

1985—2015年間，經(jīng)濟(jì)作物播種面積占比與單位農(nóng)牧產(chǎn)品磷損失、化肥磷（純P）投入呈極顯著正相關(guān)，與PUEc呈極顯著負(fù)相關(guān)（圖6）。

3 討論

3.1 福建省農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)磷素流動(dòng)變化特征

福建省種植業(yè)單位面積磷素投入與輸出總量變化特征為先增后保持平穩(wěn)，這與福建省種植業(yè)規(guī)模及結(jié)構(gòu)變化特征有關(guān)。一方面，1985—2000年福建省種植業(yè)播種面積增加明顯，這是導(dǎo)致磷素投入和輸出總量增加的直接原因；另一方面作物種植結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，糧食作物種植面積下降，經(jīng)濟(jì)作物種植面積逐漸增加，導(dǎo)致單位面積施肥量持續(xù)增加。以蜜柚種植為例，福建省平和縣蜜柚農(nóng)戶(hù)年均常規(guī)施肥量為701 kg P2O5·hm-2[33]，高于糧食作物的施肥用量（福建稻谷年均施肥量為98 kg P2O5·hm-2）[34]。同時(shí)，在2015年福建省化肥磷素施用水平為58.5 kg·hm-2（純P），高于全國(guó)平均值46.1 kg·hm-2[20]。較高的磷肥投入是造成土壤磷素累積過(guò)多的直接原因，2015年福建省磷素土壤累積量達(dá)到48.3 kg·hm-2，約為1985年的3倍。過(guò)量的磷素投入也導(dǎo)致土壤速效磷含量上升迅速，Li等[35]研究表明，1980—2007年，我國(guó)南方地區(qū)土壤Olsen-P平均從7.4 mg·kg-1增至25.4 mg·kg-1，部分區(qū)域具有較高的磷淋洗風(fēng)險(xiǎn)。因此，定量化肥磷素合理投入量，加強(qiáng)作物養(yǎng)分管理，是減少磷素?fù)p失的關(guān)鍵。

圖4 福建省磷素利用率及單位農(nóng)牧產(chǎn)品磷損失變化

**: P＜0.01

**: P＜0.01

福建省畜牧業(yè)規(guī)模從358×104LU發(fā)展至1 455×104LU[16]，導(dǎo)致飼料需求總量增加。然而，由于種植結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，糧食作物種植面積下降，本地飼料產(chǎn)能不足，所以外源飼料需求總量增加迅速，至2015年畜牧業(yè)中飼料磷進(jìn)口數(shù)量增加至70.2 Gg，約為1985年的3倍（圖3），也使進(jìn)口飼料成為福建省主要的磷素來(lái)源之一。這與欒城縣城等郊養(yǎng)殖型地區(qū)研究結(jié)果一致[17]。然而，集約化畜牧業(yè)發(fā)展的過(guò)程中，糞尿還田比例逐漸減少，從92.8%降至53.0%，農(nóng)牧結(jié)合程度持續(xù)降低導(dǎo)致畜禽糞尿的損失從1.44 Gg增至25.8 Gg（圖3），加劇磷污染風(fēng)險(xiǎn)。因此，加強(qiáng)區(qū)域間農(nóng)牧結(jié)合程度，加強(qiáng)糞尿養(yǎng)分管理，對(duì)提高磷素利用率具有重要作用。

3.2 福建省農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)磷素利用率變化特征

福建省PUEc在1985—2000出現(xiàn)較急劇的下滑，于2000年之后趨于平穩(wěn)維持在17.5%（圖4），與東北三省相似，但數(shù)值低于東北三?。ň导s為35%）[36]，這與GDP的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)作物播種面積占比有關(guān)（圖5、圖6）。隨著福建省人均GDP的增加，農(nóng)戶(hù)有能力向農(nóng)田中投入更多的化肥磷，導(dǎo)致PUEc的降低，這與BAI等[14]研究結(jié)果一致。隨著茶樹(shù)、果樹(shù)等經(jīng)濟(jì)作物播種面積占比的增加，在經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)動(dòng)下，農(nóng)戶(hù)習(xí)慣在單位面積土壤中投入更多化肥磷，這導(dǎo)致PUEc逐年下降，這與馬怡斐等[17]對(duì)欒城城郊型農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分流動(dòng)的研究結(jié)果相一致。

福建省PUEa呈現(xiàn)小幅度上升，這與黑龍江省的研究結(jié)果類(lèi)似，主要原因可能是畜牧業(yè)規(guī)模化程度增加，相較于傳統(tǒng)的家庭散養(yǎng)方式，規(guī)?；酿B(yǎng)殖場(chǎng)具備更系統(tǒng)的養(yǎng)分管理措施，同時(shí)選擇的飼料磷含量更高，使得PUEa提升[36]。福建省PUEc+a出現(xiàn)下降，其趨勢(shì)基本與PUEc相一致（圖4），表明農(nóng)牧系統(tǒng)磷素利用率降低主要受到種植業(yè)影響較大；此外，由于1985—2015年期間，農(nóng)牧系統(tǒng)由混合作物-牲畜生產(chǎn)系統(tǒng)向無(wú)土地動(dòng)物生產(chǎn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，使得動(dòng)物糞肥向農(nóng)業(yè)循環(huán)利用的機(jī)會(huì)減少，這是導(dǎo)致PUEc+a下降的另一原因，與MA等[37]研究結(jié)果一致。綜上，提高農(nóng)牧系統(tǒng)磷素利用率的關(guān)鍵在于加強(qiáng)經(jīng)濟(jì)作物養(yǎng)分管理和畜牧業(yè)中的廢棄物在農(nóng)業(yè)中的循環(huán)利用。

3.3 關(guān)于提高福建省農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)磷素利用率的建議

根據(jù)1985—2015年福建省農(nóng)牧系統(tǒng)磷素流動(dòng)變化特征研究結(jié)果可知，福建省農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)磷素利用率持續(xù)降低的主要原因是外源磷素投入較高和農(nóng)牧系統(tǒng)結(jié)合不緊密，據(jù)此提出以下優(yōu)化建議：

種植業(yè)中應(yīng)加強(qiáng)作物養(yǎng)分管理，控制磷肥的施用量。福建省經(jīng)濟(jì)作物播種面積占比較高，更應(yīng)根據(jù)作物養(yǎng)分需求，控制化肥用量，進(jìn)而減少磷素地表徑流及土壤累積損失。研究表明，通過(guò)土壤-作物系統(tǒng)綜合管理方法，在保持玉米相同產(chǎn)量的同時(shí)能夠有效減少磷肥施用量50%以上[38]。通過(guò)多點(diǎn)的田間試驗(yàn)結(jié)果表明，福建平和琯溪蜜柚在減少農(nóng)戶(hù)常規(guī)施磷量45%的條件下，并沒(méi)有使蜜柚減產(chǎn)[39]。

畜牧業(yè)中應(yīng)提高廢棄物資源化利用程度。一方面，通過(guò)加強(qiáng)農(nóng)牧系統(tǒng)的耦合程度，提高養(yǎng)分利用率。在區(qū)域間，應(yīng)加強(qiáng)農(nóng)牧結(jié)合程度，如通過(guò)“綠色循環(huán)農(nóng)業(yè)模式”“果-林-畜-沼”模式，不僅能達(dá)到污水廢渣零排放，還能促進(jìn)農(nóng)戶(hù)增收[40]；在農(nóng)場(chǎng)內(nèi)，應(yīng)注重飼料養(yǎng)分管理，如荷蘭的DeMarke農(nóng)場(chǎng)，通過(guò)核算場(chǎng)內(nèi)養(yǎng)分投入與產(chǎn)出賬戶(hù)平衡，使養(yǎng)分在農(nóng)牧體系盡可能循環(huán)利用，達(dá)到減少外源養(yǎng)分投入和環(huán)境排放[41]。另一方面，還應(yīng)減少畜牧生產(chǎn)環(huán)節(jié)過(guò)程中養(yǎng)分的損失。如在飼料中添加微生物植酸酶[42]，糞便堆肥加污水處理技術(shù)、異位發(fā)酵床技術(shù)等[40]，研究表明，通過(guò)加強(qiáng)高負(fù)荷區(qū)域的堆肥生產(chǎn)可以有效促進(jìn)有機(jī)廢棄物的循環(huán)利用率同時(shí)減少環(huán)境排放[43-44]。

4 結(jié)論

1985—2015年，福建省農(nóng)牧生產(chǎn)體系發(fā)展迅速，種植業(yè)端，化肥磷投入顯著增加，土壤磷累積逐年遞增，磷素利用率下降，主要受到經(jīng)濟(jì)作物種植占比增加及農(nóng)戶(hù)用肥習(xí)慣的影響；養(yǎng)殖業(yè)端，飼料進(jìn)口磷增加顯著，畜禽糞尿磷損失加劇，磷素利用率增加不明顯，主要由于作物種植結(jié)構(gòu)改變導(dǎo)致本地飼料磷供應(yīng)不足，以及農(nóng)牧系統(tǒng)分離程度加劇的影響。綜上，加強(qiáng)農(nóng)牧系統(tǒng)作物養(yǎng)分管理，控制磷肥的施用量，提高畜禽糞便循環(huán)利用率，將是提高福建省農(nóng)牧系統(tǒng)磷素利用率，減少環(huán)境排放，促進(jìn)農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)綠色發(fā)展的重要保障。

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Characteristics and Influencing Factors of Phosphorus Flows in the Crop-Livestock System of Fujian Province from 1985 to 2015

LIU DongHui1,2, ZHANG ShiChang3, YANG Jing1,2, HUANG MengYuan1,2, WU LiangQuan1,2

(1College of Resources and Environment, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002;2International Magnesium Institute, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002;3Farmland Construction and Soil Fertilizer Technology Station of Fujian Province, Fuzhou 350003)

【】The objective of this study is to determine the temporal changes and influencing factors of phosphorus (P) flows in the crop-livestock system of Fujian province, and to provide a scientific reference for integrated nutrient management and green development of agriculture.【】Using a coupled NUFER (nutrient flows in food chain, environment and resources use) model, data were collected and sorted from statistical yearbooks, literatures, and field investigations from 1985 to 2015 to quantitatively estimate the balance, use efficiency and loss characteristics of P flow in the crop-livestock system of Fujian province. The total P input in crop-livestock production system increased from 63.1 to 196.2 Gg in Fujian province from 1985 to 2015. The main P format inputs were fertilizer and feed import. The amount of per unit area of P fertilizer input in crop system increased gradually from 27.8 to 60.4 kg·hm-2. Due to the influence of scale and structure change of crop-livestock system in Fujian province, local feed supply decreased from 3.33 to 1.65 Gg, while the feed import increased from 20.7 to 70.2 Gg. From the output perspective, total P increased from 45.0 to 90.9 Gg, mainly including crop main product and animal manure loss. P uptake of crop main products changed slightly (only from 24.3 to 26.7 Gg), while the P loss in animal manure increased significantly from 1.44 to 25.8 Gg. Soil accumulation is the main loss pathway of P in crop-livestock system, which increased year by year from 18.1 to 106 Gg. P use efficiency in crop production system (PUEc) decreased from 36.1% to 16.6%, and the change trend of P use efficiency in crop-livestock system (PUEc+a) was similar to that of PUEc, which gradually decreased and eventually remained at 15.0%. In the same time, the unit P loss of crop-livestock products increased gradually from 0.3 to 1.3 kg P·kg-1. In terms of economic development and planting structure, there was a significant positive correlation between per capita GDP and fertilizer input when the per capita GDP was less than 11 000 yuan. when per capita GDP was less than 15 000 yuan, there was a significant positive correlation between per capita GDP and unit P loss of crop-livestock products, but there was a significantly negative correlation between per capita GDP and PUEcwhen per capita GDP was less than 13 000 yuan. The proportion of cash crops planting area was significantly and positively correlated with the unit P loss of crop-livestock products and P input of fertilizer, and it was significantly negatively correlated with PUEc.【】At present, the cash crops planting area is relatively high, which is one of the structural characteristics of crop system in Fujian province. At the same time, the unit area quantity of P input by fertilizer is large, circulation of animal manure is inadequate, which probably lead to more unit P loss in crop-livestock products, and low P use efficiency. Therefore, controlling the application amount of phosphate fertilizer and enhancing the utilization level in crop-livestock waste resources will be the guarantee in improving P use efficiency and promoting agriculture sustainable green development in Fujian province.

phosphorus; NUFER model; phosphorus use efficiency; crop-livestock system; proportion of cash crops

10.3864/j.issn.0578-1752.2020.07.011

2019-09-05；

2019-10-15

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFD0200200，2017YFD0200207）

劉東暉，E-mail：liudonghui01@foxmail.com。通信作者吳良泉，E-mail：liangquan01@163.com

（責(zé)任編輯 岳梅）