中國農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展相關(guān)氮素指標的時空變化特征*

崔石磊, 張建杰,2, 佟丙辛, 馬 林, 馬文奇**

中國農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展相關(guān)氮素指標的時空變化特征*

崔石磊1, 張建杰1,2, 佟丙辛1, 馬 林3, 馬文奇1**

(1. 河北農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境科學學院 保定 071000; 2. 山西農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院 太原 030031; 3. 中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心 石家莊 050022)

氮素在農(nóng)業(yè)和食物系統(tǒng)中的行為關(guān)乎資源、環(huán)境、食物安全和人體健康等重要問題, 是反映農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的關(guān)鍵指標。本文選取18個與農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展密切相關(guān)的氮素指標, 并按照農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展程度從高到低分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ級, 基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)和文獻資料, 通過食物鏈養(yǎng)分流動模型(NUFER)定量相關(guān)氮素指標, 分析其時空變化特征, 探討相關(guān)氮素指標的影響因素, 為農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展提供改善意見和建議。結(jié)果表明, 1980—2017年間全國氮素使用強度、環(huán)境排放及整體利用效率均呈現(xiàn)由Ⅰ級向Ⅳ級水平轉(zhuǎn)變的下降趨勢, 秸稈循環(huán)利用效率、大部分氮素生產(chǎn)類以及食物消費類的指標均呈現(xiàn)由Ⅳ級向Ⅰ級水平轉(zhuǎn)變的上升趨勢。從空間分布看, 氮素投入和環(huán)境損失較高的區(qū)域主要分布在華北地區(qū)、華東地區(qū)、華中地區(qū)以及華南地區(qū); 食物消費水平在各地區(qū)均有提升, 其中東部地區(qū)提升更明顯; 東部和北部地區(qū)的單位植物和動物蛋白產(chǎn)量水平相對較高, 但仍處于Ⅲ級水平; 效率類指標在31個省份中, 大部分地區(qū)處于Ⅲ和Ⅳ級水平。與1980年相比, 2017年全國氮素指標Ⅳ級和Ⅲ級水平占比變化不大, 但Ⅰ級水平占比由27.1%降低至8.3%, 農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展水平整體呈下降趨勢。七大地區(qū)中各個地區(qū)Ⅰ級水平占比均降低, 并且大部分地區(qū)均低于30.0%, Ⅲ級和Ⅱ級水平的占比明顯增加。在指標類型方面, 與1980年相比, 2017年氮素生產(chǎn)類和食物消費類指標等級在Ⅳ級水平占比降低, 農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展水平呈上升趨勢; 氮素環(huán)境排放類和效率類指標等級在Ⅰ級和Ⅱ級水平占比之和也在降低, 農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展水平呈下降趨勢。這是由種植業(yè)和畜牧業(yè)氮素資源投入高、種植以及養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)改變、農(nóng)牧系統(tǒng)生產(chǎn)脫節(jié)嚴重、社會經(jīng)濟發(fā)展不平衡等因素造成的。因此, 需要針對不同類型指標的時空變化特征, 通過測土配方施肥、改變種養(yǎng)結(jié)構(gòu)和應(yīng)用氮素減排技術(shù)與政策等手段實現(xiàn)氮素指標的優(yōu)化,推動中國農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展。

農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展; NUFER模型; 氮素指標; 時空變化特征

中國作為世界農(nóng)業(yè)大國之一, 用僅占世界7%的耕地滿足了全球約22%人口的糧食需求[1], 為解決全球糧食安全問題做出重要貢獻。過去幾十年, 為了保證農(nóng)產(chǎn)品有效供給, 集約化農(nóng)業(yè)快速發(fā)展, 化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜等資源投入大幅增加, 同時也付出了巨大的環(huán)境代價[2-3]。因此, 轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展勢在必行[4]。氮素作為維持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ), 在農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展中發(fā)揮著不可替代的作用。目前, 因氮素管理不當導致的水體富營養(yǎng)化、土壤酸化以及溫室氣體大量排放等一系列環(huán)境問題十分突出[5-7], 并且存在較強的時空差異性[8], 成為農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展不可忽視的因素。由此可見, 利用相關(guān)氮素指標來評價中國農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展對中國農(nóng)業(yè)未來發(fā)展具有重要意義。

氮素一直是國內(nèi)外農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點。在國際上, 聯(lián)合國提出了2030年可持續(xù)發(fā)展議程, 列出17個可持續(xù)發(fā)展目標[9], 其中有8個涉及農(nóng)業(yè)和食物系統(tǒng)。歐洲、美國以及印度等也開展了國家尺度的氮評估工作, 以食物系統(tǒng)氮素為研究對象, 從經(jīng)濟、政策、環(huán)境、人文、資源、生物多樣性等方面進行整體評價[10-12]。國際上指出氮素已經(jīng)超越了地球生物化學元素流動的安全閾值[13]。在國內(nèi), Cui等[14]利用模型對國家尺度的氮素進行了分析, 結(jié)果表明1980年以來中國大量的氮素投入導致了嚴重的環(huán)境影響, 在未來幾十年氮素負面環(huán)境影響仍可能會加劇。Gu等[15-16]評估了氮素在中國農(nóng)業(yè)、森林、草地等7個重要系統(tǒng)的氮素流動, 得出快速增加的氮素對人類健康、耕地的可持續(xù)性以及中國及其周邊環(huán)境造成了日益嚴重的威脅; 并且運用質(zhì)量平衡方法, 分析了中國農(nóng)田、圈養(yǎng)牲畜飼養(yǎng)場和放牧草地3個農(nóng)業(yè)子系統(tǒng)的氮素利用效率對糧食安全和環(huán)境的影響, 并指出未來農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨著提高生產(chǎn)力和減少氮素損失的多重挑戰(zhàn)。Ma等[17]的研究結(jié)果表明, 在食物鏈系統(tǒng)中, 氮素的利用效率和損失在區(qū)域尺度存在較大差異。Wang等[18]的研究表明, 在縣域尺度, 熱點區(qū)域糧食生產(chǎn)更密集的同時, 氮素的損失占總損失量的一半以上, 并提出了針對不同區(qū)域的污染控制技術(shù)。中國畜禽業(yè)的發(fā)展雖然提高了動物源蛋白產(chǎn)量, 但同時也導致了溫室氣體排放加重和水體氮素損失增加[19]。在張建杰等[20]構(gòu)建的農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展指標體系中, 與氮相關(guān)的指標占到1/3以上?？梢? 農(nóng)業(yè)和食物系統(tǒng)氮素行為特征已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要衡量指標[4], 然而, 目前氮素的研究工作多集中在評價氮素本身對農(nóng)業(yè)的貢獻和環(huán)境影響, 少有研究以氮素作為核心指標進行農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展或農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的評價[21]。

DPSIR(驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng))框架能夠全面反映研究系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)存在的問題, 被廣泛應(yīng)用于解決可持續(xù)發(fā)展、環(huán)境管理、水土資源等方面的問題, 具有可行性和可操作性[22]。為此, 本文從農(nóng)業(yè)和食物系統(tǒng)氮素流動特征出發(fā), 結(jié)合DPSIR框架, 選擇與農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展密切相關(guān)的氮素指標并按照農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展程度進行分級, 研究中國農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展相關(guān)氮素指標的時空變化特征, 以期為中國農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的氮素優(yōu)化管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 指標的選取、分類原則以及分級依據(jù)

本研究基于DPSIR框架, 借助中國農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展指標體系及其分級標準[20], 選取了涵蓋整個食物系統(tǒng)的18個與氮素相關(guān)的指標, 并按照食物系統(tǒng)的氮素流向把指標分為生產(chǎn)類、利用效率類、環(huán)境排放類和食物消費類4個類別(表1)。

中國農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展指標體系是張建杰等[20]根據(jù)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的科學內(nèi)涵、基本特征和主要目標, 從社會、經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境等3個維度入手, 建立的適用于科學研究的指標體系。指標的分級標準原則是通過查閱文獻、分析區(qū)域發(fā)展水平、結(jié)合專家咨詢的方式將每個入選指標的綠色發(fā)展程度分為4個等級, 用Ⅰ級表示綠色發(fā)展程度最好、Ⅱ級次之、Ⅲ級較差、Ⅳ級最差。

1.2 氮素指標的定義

本文所選18個氮素指標全部來源于張建杰等[20]建立的中國農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展指標體系, 其定義和詳細的說明見表1和張建杰等[20]文章。

1.3 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)來源包括統(tǒng)計數(shù)據(jù)和文獻數(shù)據(jù)兩部分, 具體各個指標的數(shù)據(jù)來源見表1。

統(tǒng)計數(shù)據(jù): 1980—2017年全國(不包括香港、澳門、臺灣地區(qū))及31個省(市、自治區(qū))人口、化肥投入量、耕地面積、農(nóng)作物播種面積及產(chǎn)量、畜禽存欄量和出欄量以及畜禽產(chǎn)品產(chǎn)量, 來自于中國統(tǒng)計年鑒[23]、中國畜牧獸醫(yī)年鑒[24]、中國農(nóng)村統(tǒng)計年鑒[25]及中國農(nóng)業(yè)統(tǒng)計資料[26]、國家統(tǒng)計局官方網(wǎng)站發(fā)布的數(shù)據(jù)[27]。

文獻數(shù)據(jù): 1980—2017年期間全國(不包括香港、澳門、臺灣地區(qū))以及31個省份種植業(yè)不同作物養(yǎng)分含量、生物固氮, 土壤氮沉降、反硝化、氮淋溶、徑流排放系數(shù), 農(nóng)牧業(yè)的NH3和N2O排放系數(shù)、反硝化系數(shù), 畜禽產(chǎn)品分配系數(shù)、畜禽產(chǎn)品氮養(yǎng)分含量、畜禽排泄系數(shù), 來源于Ma等研究結(jié)果[17,28-29]。

1.4 指標計算方法

本文使用NUFER(NUtrient flows in Food chains, Environment and Resources use)模型[28], 對氮素指標進行定量計算。具體計算方法參照張建杰等[20]的研究。NUFER模型是Ma等[28]開發(fā)的國家和區(qū)域尺度食物鏈系統(tǒng)氮磷流動模型, 模型以“土壤-作物生產(chǎn)-畜禽生產(chǎn)-家庭消費”為邊界, 計算系統(tǒng)中氮磷流動特征、利用效率以及環(huán)境損失。

指標的標準化處理: 為了便于分析氮素指標在時間維度的變化特征, 本文定義了氮素指標變化率。氮素指標變化率是以1980年數(shù)值為基準值(100%), 計算1981—2017年氮素指標相對于基準值的變化率, 以此來表征氮素指標的變化, 計算公式(1)如下:

式中:A為指標相對于1980年在年的變化率,B為指標在年的數(shù)值,1980為1980年指標的數(shù)值。

本文把全國分成7大分區(qū)[30], 進行全國氮素4大類(生產(chǎn)類、利用效率類、環(huán)境排放類、食物消費類)指標及其農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展水平的比較, 具體把7大分區(qū)、全國和4大類指標所包含的所有省、市、自治區(qū)的每個指標按照4個農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展等級進行統(tǒng)計, 計算4個等級的占比, 計算公式如下:

D=E/F′100% (2)

式中:為地區(qū)或指標類別等級所處百分比,為所處等級省、市、自治區(qū)的個數(shù),為所有等級省、市、自治區(qū)的個數(shù),為地區(qū)或指標類別名稱(=華北地區(qū)、東北地區(qū)、華東地區(qū)、華中地區(qū)、華南地區(qū)、西南地區(qū)、西北地區(qū)、全國、生產(chǎn)類、利用效率類、環(huán)境排放類、食物消費類);為等級(=Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ)。

表1 中國農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展相關(guān)氮素指標

LU為livestock unit, 表示標準牛當量(折合500 kg奶牛), 不同動物的折換比例分別為: 奶牛, 1∶1; 肉牛、水牛和黃牛、驢、騾、馬, 0.8∶1; 豬, 0.3∶1; 羊, 0.1∶1; 蛋雞, 0.014∶1; 肉雞, 0.007∶1; 兔子, 0.002∶1。LU is livestock unit, which means the standard cattle equivalent (equivalent to 500 kg cows). The conversion ratio of different animals is 1∶1 for cows; 0.8∶1 for beef cattle, buffalo and yellow cattle, donkeys, mules, horses; 0.3∶1 for pig; 0.1∶1 for sheep; 0.014∶1 for layer; 0.007∶1 for broiler; 0.002∶1 for rabbit.

2 結(jié)果與分析

2.1 氮素生產(chǎn)類指標的時空變化

由圖1可知, 1980—2017年全國氮素生產(chǎn)類指標變化率呈上升趨勢。氮素使用強度1980—2014年由Ⅰ級降至Ⅳ級水平, 農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展水平降低, 之后轉(zhuǎn)變?yōu)棰蠹壦? 單位動物蛋白產(chǎn)量和單位面積植物蛋白產(chǎn)量2017年均比1980年增加約150.0%, 并且指標等級由Ⅳ級升至Ⅲ級水平; 畜牧農(nóng)業(yè)源飼料氮自給率增加了50.0%, 但一直處于Ⅳ級水平。

圖1 1980—2017年中國農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展氮素生產(chǎn)類指標的時間變化

表2表明1980年31個省份氮素使用強度處于Ⅰ級水平, 其他3個指標均處于Ⅳ級水平。與1980年相比, 2017年氮素使用強度包括華北地區(qū)和華東地區(qū)在內(nèi)的23個省份轉(zhuǎn)變?yōu)棰蠹壓廷艏壦? 單位動物蛋白產(chǎn)量和單位面積植物蛋白產(chǎn)量各個省份等級均有所提高, 其中單位動物蛋白產(chǎn)量在西北地區(qū)、東北地區(qū)以及華北地區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)棰蠹壦? 畜牧農(nóng)業(yè)源飼料氮自給率各地區(qū)變化不明顯, 僅黑龍江省和吉林省轉(zhuǎn)變?yōu)棰窦壦健?/p>

2.2 氮素利用效率類指標的時空變化

如圖2所示, 1980—2017年畜牧系統(tǒng)氮素利用效率和秸稈循環(huán)利用效率呈上升趨勢; 糞尿循環(huán)利用率和農(nóng)田系統(tǒng)氮素利用效率呈先降低后上升的趨勢。畜牧系統(tǒng)氮素利用效率變化速率最快, 增加了1.5倍, 但仍處于Ⅳ級水平; 秸稈循環(huán)利用效率2016年以后達到Ⅱ級水平; 農(nóng)田系統(tǒng)氮素利用效率在2007年以后有所上升, 并在2017年達到Ⅲ級水平; 糞尿循環(huán)利用率2011年以后有所升高, 但自2004年一直處于Ⅳ級水平。

圖2 1980—2017年中國農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展氮素利用效率類指標的時間變化

由表3可知, 1980年畜牧系統(tǒng)氮素利用效率、秸稈循環(huán)利用效率和農(nóng)田系統(tǒng)氮素利用效率整體處于Ⅳ級和Ⅲ級水平, 其中農(nóng)田系統(tǒng)氮素利用效率有明顯的南北差異; 糞尿循環(huán)利用率內(nèi)蒙古、西藏和西北地區(qū)處于Ⅳ級水平, 其他地區(qū)處于Ⅱ級水平。與1980年相比, 2017年31個省份僅糞尿循環(huán)利用率指標等級整體降低, 并且處于Ⅳ級和Ⅲ級水平; 其他指標的指標等級整體上升, 其中畜牧系統(tǒng)氮素利用效率華北地區(qū)、東北和華東部分地區(qū)共16個省份轉(zhuǎn)變?yōu)棰蠹壦健?/p>

2.3 氮素環(huán)境排放類指標的時空變化

1980—2017年氮素環(huán)境排放類指標總體呈先上升后下降的趨勢, 增長幅度除農(nóng)業(yè)源溫室氣體(GHG)排放強度之外, 均為1.5~3.0倍(圖3a, 3b), 農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展等級均由Ⅰ級向Ⅳ級水平方向轉(zhuǎn)變的同時, 農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展水平呈降低趨勢。2017年僅農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放強度農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展等級最低, 處于Ⅳ級水平。

表2 1980年和2017年中國各省(市、自治區(qū))農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展氮素生產(chǎn)類指標的變化

表3 1980年和2017年中國各省(市、自治區(qū))農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展氮素利用效率類指標的變化

由表4可知, 1980年氮素環(huán)境排放類指標區(qū)域差異分布明顯, 僅華北、東北、西北以及西藏地區(qū)處于Ⅰ級水平。與1980年相比, 2017年環(huán)境排放類指標除東北地區(qū)和西北地區(qū)仍處于Ⅰ級水平外, 其他地區(qū)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展等級均降低, 其中華北地區(qū)、華中地區(qū)以及華東地區(qū)降至Ⅲ級和Ⅳ級水平。

2.4 氮素食物消費類指標的時空變化

由圖4可知, 1980—2017年人均蛋白質(zhì)攝入量和動物蛋白消費比例呈上升趨勢, 由Ⅳ級水平升至Ⅱ級水平, 農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展水平呈上升趨勢; 食物自給率呈下降趨勢, 但一直處于Ⅰ級水平; 食物系統(tǒng)氮素利用效率呈先下降后上升的趨勢, 由Ⅱ級降至Ⅳ級水平。

表5顯示, 1980年人均蛋白質(zhì)攝入量和動物蛋白消費比例31個省份均處于Ⅳ級水平; 食物自給率22個省份處于Ⅰ級級水平, 僅華南及其周邊地區(qū)處于Ⅳ級水平; 而食物系統(tǒng)氮素利用效率僅天津市、遼寧省以及河南省等8個省份處于Ⅱ級和Ⅰ級水平, 其他23個省份處于Ⅲ級和Ⅳ級水平。與1980年相比, 2017年31個省份除食物系統(tǒng)氮素利用效率處于Ⅱ級和Ⅰ級水平的省份減少外, 其余指標均增加。其中, 動物蛋白消費比例增加最多, 31個省份均處于Ⅱ級和Ⅰ級水平, 其中處于Ⅰ級水平的省份主要集中在華北和華中地區(qū)。

圖3 1980—2017年中國農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展氮素環(huán)境排放類指標的時間變化

2.5 1980年和2017年地區(qū)以及指標類型農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展等級變化

如圖5a、5b所示, 1980年全國農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展等級Ⅲ級和Ⅳ級水平占比達59.2%; 區(qū)域上, 華北地區(qū)、東北地區(qū)和西北地區(qū)Ⅰ級水平占比高, 分別為45.8%、45.8%和53.3%, 而華東地區(qū)、華中地區(qū)、華南地區(qū)和西南地區(qū)Ⅳ級水平占比分別為60.3%、50.0%、64.8%和51.1%。與1980年相比, 2017年在全國水平, Ⅲ級和Ⅳ級水平占比總和變化不大, 但Ⅰ級水平占比由27.1%降低至8.3%; 區(qū)域上, 7個地區(qū)Ⅰ級水平占比均降低, 并且大部分地區(qū)低于30.0%, 其中華北地區(qū)、東北地區(qū)和西北地區(qū)降低最明顯, Ⅲ級和Ⅱ級水平占比明顯增加, 尤其華北地區(qū)、華東地區(qū)、華中地區(qū)、華南地區(qū)以及西南地區(qū)Ⅱ級水平占比增加明顯。

圖4 1980—2017年中國農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展氮素食物消費類指標的時間變化

由圖6a、6b可知, 1980年氮素生產(chǎn)類指標Ⅳ級水平占比為75.0%, Ⅰ級水平占比25.0%; 與1980年相比, 2017年氮素生產(chǎn)類指標Ⅰ級和Ⅳ級水平占比分別降低至5.6%和36.3%, 而Ⅱ級和Ⅲ級水平占比分別增至16.9%和41.2%。圖6c、6d顯示出, 1980年氮素利用效率類指標Ⅲ級和Ⅳ級水平占比總和為73.4%, 而Ⅰ級和Ⅱ級水平占比分別為0.8%和25.8%; 2017年, Ⅰ級和Ⅱ級水平占比分別降為0.0%和16.9%。由圖6e、6f可以看出, 與1980年相比, 2017氮素環(huán)境排放類指標Ⅰ級和Ⅱ級水平占比呈減少趨勢, 分別由46.8%和24.2%降至24.2%和22.6%; Ⅲ級和Ⅳ級水平占比呈增加趨勢, 分別由22.6%和6.4%增至35.5%和17.7%。圖6g、6h表明, 氮素食物消費類指標Ⅱ級和Ⅳ級水平占比變化最明顯, 分別由1980年的8.1%和57.3%轉(zhuǎn)變?yōu)?017年的41.1%和23.4%。

表5 1980年和2017年中國各省(市、自治區(qū))農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展氮素食物消費類指標的變化

圖5 1980年(a)和2017年(b)全國以及各地區(qū)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展等級占比

Fig. 5 Proportions of agricultural green development levels in the whole country and each regional scales in 1980 (a) and 2017 (b) in China

圖6 1980年和2017年4類氮素指標農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展等級占比

3 討論

3.1 氮素生產(chǎn)類指標的時空變化特征

氮素生產(chǎn)類指標可以在一定程度上反映農(nóng)牧系統(tǒng)內(nèi)的氮素供給、投入和產(chǎn)出的變化。從本文結(jié)果可以看出, 1980—2017年氮素使用強度持續(xù)增加, 農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展等級從Ⅰ級降至Ⅳ級水平, 超過Chen等[31]研究的3大主要糧食作物最低環(huán)境代價的平均施氮量(210.0 kg·hm-2); 在空間上, 由于功能區(qū)域劃分以及人口密度的不同[32-33], 2017年氮素使用強度在華北地區(qū)、華東地區(qū)、華中地區(qū)以及華南地區(qū)降為Ⅲ級和Ⅳ級水平。在時間上, 37年間單位面積植物蛋白產(chǎn)量增加了約1.5倍, 升至Ⅲ級水平; 在空間上, 2017年26個省份仍遠低于潛力產(chǎn)量水平。由于集約化養(yǎng)殖以及養(yǎng)殖技術(shù)的發(fā)展[19], 單位動物蛋白產(chǎn)量逐年增加, 上升至Ⅲ級水平; 畜牧農(nóng)業(yè)源飼料氮自給率雖呈增加趨勢, 但仍處于Ⅳ級水平, 并且在空間上, 各個省份也處于較低水平, 這是由于只考慮種植業(yè)對畜牧飼料氮素的供給水平而未考慮牧草的氮素供給。綜上可見, 氮素生產(chǎn)類指標在時間上表現(xiàn)為氮素使用強度高、動植物生產(chǎn)力低、農(nóng)業(yè)源飼料自給率低的特征; 空間上, 具有氮素使用強度和單位動物蛋白產(chǎn)量北部優(yōu)于南部地區(qū)、單位動物蛋白產(chǎn)量東部優(yōu)于西部地區(qū)、農(nóng)業(yè)源飼料自給率空間差異小的特征。

3.2 氮素利用效率類指標的時空變化特征

氮素利用效率類指標是評估農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中氮素使用性能的重要指標, 一直是學者所關(guān)注的熱點問題[16]。1980—2017年間畜牧系統(tǒng)氮素利用效率一直處于Ⅳ級水平, 與Bai等[19]1980—2010年畜牧系統(tǒng)的研究相近(4.4%~11.5%), 但低于國外發(fā)達國家的畜牧系統(tǒng)氮素利用效率(24.0%)[34]; 在空間上, 31個省份的畜牧系統(tǒng)氮素利用效率綠色發(fā)展等級只有東北地區(qū)、華北地區(qū)、華東地區(qū)在內(nèi)的16個省份由Ⅳ級升至Ⅲ級水平。糞尿循環(huán)利用率逐年降低, 至2017年降至Ⅳ級水平; 在空間上, 人口分界線[33]南部地區(qū)轉(zhuǎn)變明顯, 均是由于化肥的大量施用、農(nóng)牧結(jié)合不緊密以及勞動力老齡化等因素造成的[17,35]。農(nóng)田系統(tǒng)氮素利用效率和秸稈循環(huán)利用率有所增長, 但均未達到Ⅰ級水平, 其中農(nóng)田系統(tǒng)氮素利用效率2017年為Ⅲ級水平, 高于Ma等[17]2005年的研究結(jié)果(25.0%), 低于Jarvis等[36]關(guān)于歐洲西北地區(qū)種植系統(tǒng)的研究結(jié)果(53.0%); 在空間上, 31個省份農(nóng)田系統(tǒng)氮素利用效率處于較低水平, 而由于秸稈還田技術(shù)的推廣以及國家嚴禁焚燒秸稈政策的提出[37], 秸稈循環(huán)利用率在全國各個地區(qū)上升明顯。由此可知, 氮素利用效率類指標在時間上具有畜牧系統(tǒng)氮素利用效率、農(nóng)田系統(tǒng)氮素利用效率和糞尿循環(huán)利用率降低, 而秸稈循環(huán)利用效率升高的特征; 在空間上, 畜牧系統(tǒng)氮素利用效率和農(nóng)田系統(tǒng)氮素利用效率空間變化不明顯, 而糞尿循環(huán)利用率降低和秸稈循環(huán)利用效率升高具有明顯的南北部差異的特征。

3.3 氮素環(huán)境排放類指標的時空變化特征

氮素排放引起的環(huán)境問題已經(jīng)逐步受到了國家的重視。本研究表明, 1980—2017年間農(nóng)田氮素盈余、氮徑流、氮淋洗損失均增加, 至2017年均處于Ⅲ級水平, 其中農(nóng)田氮素盈余超過歐盟標準(80.0 kg·hm-2)[38]2.0倍, 并且超過Sun等[39]提出的高風險環(huán)境污染界線(180.0 kg·hm-2)和Zhang等[40]提出的復種地區(qū)氮盈余范圍(110.0~190.0 kg·hm-2), 說明氮素土壤損失嚴重; 在空間上, 由于功能區(qū)域[32]的不同, 南部地區(qū)氮素損失更多。在1980—2017年間, 農(nóng)業(yè)系統(tǒng)氨揮發(fā)不斷增加, 與Ma等[17]2005年的研究結(jié)果(117.0 kg·hm-2)相近。農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放強度大, 2006年達最高(Ⅳ級水平), 魏琦等[41]和閔繼勝等[42]分別關(guān)于環(huán)境污染物排放量指標和中國溫室氣體排放的研究結(jié)果和趨勢與本文結(jié)果一致; 在空間上, 考慮到了內(nèi)蒙古、西藏、甘肅省、青海省和新疆的草地面積, 2017年農(nóng)業(yè)源GHG排放強度僅西北地區(qū)、東北地區(qū)和西藏地區(qū)仍處于Ⅰ級水平。 1980—2017年間生產(chǎn)單位食物氮素環(huán)境代價持續(xù)增加; 在空間上, 西部地區(qū)生產(chǎn)單位食物氮素環(huán)境代價明顯高于東部地區(qū)。綜上可知, 氮素環(huán)境排放類指標在時間上具有環(huán)境排放高和污染嚴重的特征; 在空間上, 區(qū)域環(huán)境排放差異明顯的特征, 具有明顯的東西部和南北部的差異。

3.4 氮素食物消費類指標的時空變化特征

社會經(jīng)濟的發(fā)展以及生活水平的提高, 導致氮素食物消費發(fā)生了變化[43]。1980—2017年間人均蛋白質(zhì)攝入量和動物蛋白消費比例均上升至Ⅱ級水平, 接近中國營養(yǎng)協(xié)會推薦膳食營養(yǎng)蛋白質(zhì)攝入量為標準以及營養(yǎng)推薦范圍[44]。馬林等[17]的研究結(jié)果表明, 居民動物食物消費占比不斷提高, 與本文結(jié)果的變化趨勢一致?？臻g上, 2017年動物蛋白消費比例各個省份整體由Ⅳ級上升至Ⅱ級和Ⅰ級水平, 這是由經(jīng)濟的驅(qū)動產(chǎn)生的[45], 例如華北和華中等經(jīng)濟發(fā)達的地區(qū)動物蛋白消費比例均達到了Ⅰ級水平。郭迷[46]的研究表明, 居民生活指標農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展水平在京津冀以及廣東省周邊地區(qū)處于高水平, 與本文研究結(jié)果一致。1980—2017年間食物自給率一直處于很高的水平, 喻朝慶[47]的研究表明, 中國一直保持著較高水平的糧食供給, 與本文食物自給率處于Ⅰ級水平的結(jié)果一致。在空間上, 26個省份能夠?qū)崿F(xiàn)氮素食物的自給, 說明全國糧食處于安全水平。食物系統(tǒng)氮素利用效率很低, 處于Ⅳ級水平, 與Ma等[17]的研究結(jié)果趨勢相同; 在空間上, 全國各地區(qū)均處于較低水平, 食物系統(tǒng)氮素利用效率普遍很低。綜上所述, 氮素食物消費類指標在空間上, 具有人均蛋白質(zhì)攝入量和動物蛋白消費比例升高、食物自給率高、食物系統(tǒng)氮素利用效率低的特征; 在空間上, 31個省份人均蛋白質(zhì)攝入量和動物蛋白消費比例均上升, 其中東部地區(qū)尤其是沿海地區(qū)增加明顯, 而食物自給率高, 食物系統(tǒng)氮素利用效率變化不明顯。

3.5 中國農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展相關(guān)氮素指標時空變化的影響因素分析及優(yōu)化途徑

受快速增長的中國人口、城鎮(zhèn)化水平的提高以及社會經(jīng)濟發(fā)展的驅(qū)動, 大量氮素資源被投入到生產(chǎn)當中[45], 在提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的同時, 也使得氮素成為農(nóng)業(yè)面臨的突出資源和環(huán)境問題之一[13], 并由此對農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展產(chǎn)生顯著影響。綜合分析, 中國農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展相關(guān)氮素指標時空變化特征的影響因素主要包括:

1)1980年以來, 政府對施用化肥的政策鼓勵[17]、種植結(jié)構(gòu)和總播種面積的改變[48]、區(qū)域功能和種植業(yè)集約化程度的不同[31]是影響氮素使用強度、單位面積植物蛋白產(chǎn)量、農(nóng)田系統(tǒng)氮素利用效率、農(nóng)田氮素盈余、農(nóng)田氮素徑流、農(nóng)田氮素淋洗、農(nóng)業(yè)系統(tǒng)氨揮發(fā)、農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放強度、生產(chǎn)單位食物氮素環(huán)境代價、食物自給率、食物系統(tǒng)氮素利用效率時空變化特征的主要因素?？梢酝ㄟ^“測土配方施肥”[49]、推廣良種良法配套[50]、農(nóng)機農(nóng)藝結(jié)合、加強對種植業(yè)的種植管理、調(diào)整區(qū)域種植結(jié)構(gòu)等技術(shù)和方法[51]來解決, 并且針對環(huán)境較好的西部地區(qū), 可以在保護環(huán)境的前提下, 發(fā)展種植業(yè)和畜牧業(yè), 使經(jīng)濟增長和環(huán)境保護協(xié)同發(fā)展。

2)畜禽養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)的改變、規(guī)?；约凹s化養(yǎng)殖場數(shù)量的增加[19]、畜禽飼料的改良以及配套的養(yǎng)殖措施的改進以及區(qū)域功能的不同[32,35]是影響單位動物蛋白產(chǎn)量、畜牧系統(tǒng)氮素利用效率時空變化特征的主要因素?？梢酝ㄟ^優(yōu)化畜禽飼料營養(yǎng)和蛋白含量[35]、實施畜禽養(yǎng)殖全鏈條管理、促進畜禽養(yǎng)殖的規(guī)?；图s化、根據(jù)區(qū)域特點適當調(diào)整畜禽養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)[19]等措施改善。

3)農(nóng)牧的結(jié)合程度低[19]、農(nóng)村勞動力老齡化[17]是影響秸稈循環(huán)利用效率、糞尿循環(huán)利用率、畜牧農(nóng)業(yè)源飼料氮自給率時空變化特征的主要因素?？梢栽谵r(nóng)牧結(jié)合中, 提高農(nóng)牧業(yè)機械化水平、推廣動物糞尿進行處理后回田和秸稈還田技術(shù)[37]、提高本地飼料本地化水平的方式來優(yōu)化。

4)1980年以來社會的發(fā)展以及經(jīng)濟的增長、居民飲食結(jié)構(gòu)的改變、區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的不均衡和城市化進程的差異是影響人均蛋白質(zhì)攝入量[43]、動物蛋白消費比例時空變化特征的主要因素。應(yīng)通過促進區(qū)域社會和經(jīng)濟的均衡發(fā)展、引導居民食物消費的多樣化[44]等措施改善。最后, 國家應(yīng)加強農(nóng)技知識的推廣, 鼓勵和支持大型有機肥料加工企業(yè)的發(fā)展, 并制定類似“化肥農(nóng)藥零增長”的規(guī)劃要求, 并借鑒歐盟環(huán)境保護法規(guī)[52-53], 加快制定相關(guān)法律法規(guī)例如: 西部大開發(fā)等政策[54]的制定, 同時要加強國家尺度的各項重點行動和政策的評估。

4 結(jié)論

1980—2017年以氮素指標表征的中國農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展水平整體處于降低趨勢, 但不同指標類型以及指標間農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展等級存在較大差異, 具有明顯的時空變化特征。1980—2017年間氮素生產(chǎn)類指標、氮素利用效率類指標、環(huán)境排放類指標和食物消費類指標綠色發(fā)展程度在Ⅲ級和Ⅳ級水平的占比基本無變化, 但是在Ⅰ級水平占比明顯降低。在空間上, 與1980年相比, 2017年處于綠色水平的氮素指標比例下降, 氮素相關(guān)的農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展水平整體處于降低趨勢, 并且區(qū)域之間發(fā)展不平衡, 總體上呈現(xiàn)北部和西部農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展水平較好, 南部和東部農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展?jié)摿薮蟮奶卣?。產(chǎn)生上述時空變化特征的原因主要是種植業(yè)和畜牧業(yè)氮素資源利用不合理、種植以及養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)的改變、農(nóng)牧系統(tǒng)氮素循環(huán)脫節(jié)嚴重、區(qū)域功能不同、區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展不平衡等因素。因此, 農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展必須重視“種植業(yè)-畜牧業(yè)-消費”整個食物系統(tǒng)氮素的評估和優(yōu)化管理, 并針對區(qū)域和指標的變化特征采用精準化施策, 以促進氮素的高效利用和環(huán)境減排, 實現(xiàn)農(nóng)業(yè)和食物系統(tǒng)氮素指標的優(yōu)化, 推動農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展。

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Spatiotemporal variation of nitrogen indicators related to agricultural green development in China*

CUI Shilei1, ZHANG Jianjie1,2, TONG Bingxin1, MA Lin3, MA Wenqi1**

(1. College of Resources and Environmental Sciences, Hebei Agricultural University, Baoding 071000, China; 2. College of Resources and Environment, Shanxi Agricultural University, Taiyuan 030031, China; 3. Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang 050022, China)

Nitrogen is an important indicator of green development of agriculture, which is related to resources, environment, food security and human health in agricultural and food production systems. In this study, themodel of NUtrient Flows in food chains, Environmental and Resources use (NUFER) was used to quantify 18 nitrogen indicators related to agricultural green development in China based on collected statistics and data from the scientific literature. Based on the potential values and thresholds reported in the literature, the levels of agricultural green development of each indicator were divided, from high to low, into levels Ⅰ, Ⅱ, Ⅲand Ⅳ. These were used to evaluate and analyze the variations in the spatiotemporal characteristics of the nitrogen indicators, and to identify the factors influencing the relevant nitrogen indicators, which allowed us to suggest improvements for agricultural green development. From 1980-2017, the nitrogen use intensity indicators, environmental emission indicators and most of the efficiency use indicators decreased from level Ⅰ to level Ⅳ. The straw recycling efficiency indicator, most of the nitrogen production indicators and the food consumption indicators increased over time from level Ⅳ to Ⅰ. From the spatial distribution perspective, nitrogen input and environmental losses increased in the north, east, central, and south regions of China. The diet consumption level increased in all regions and was more pronounced in the eastern regions. Compared with 1980, the unit animal protein production and unit area plant protein production levels in the east and north of China were higher in 2017, but still at level Ⅲ.The levels of the efficiency indicators of agricultural green development in all regions of China were low, and most regions were still at level Ⅲ and Ⅳ in 2017.Compared to 1980, the nationwide proportion of nitrogen indicators at levels Ⅳ and Ⅲwere relatively stable in 2017, and the proportion of indicators at level Ⅰ decreased from 27.1% to 8.3%. From 1980 to 2017, the levels of agricultural green development across the whole China decreased. Among the seven major regions, the proportion of level Ⅰ in each region decreased (with most areas below 30.0%), while the proportion of levels Ⅲ and Ⅱsignificantly increased. In terms of indicator types, the proportion of nitrogen production and food consumption indicators at level Ⅳ decreased in 2017 compared with 1980, and the sum of the proportion of nitrogen environmental emissions and efficiency indicators at levels Ⅰ and Ⅱ also decreased. The reasons for these trends include the irrational use of nitrogen resources in crop-livestock systems, changes in planting and breeding structures, inadequate integration of agriculture and livestock husbandry, and uneven development of the economy and society. Therefore, based on the characteristics of the spatiotemporal changes of these different types of indicators, it is necessary to optimize the use of nitrogen to improve the nitrogen indicators by means of soil fertilization, changing the cultivation structure, applying nitrogen emission reduction technologies and policies, and promoting agricultural green development in China.

Agricultual green development; NUFER model; Nitrogen indicators; Spatiotemporal variation characteristics

S19; S158.5

10.13930/j.cnki.cjea.200159

崔石磊, 張建杰, 佟丙辛, 馬林, 馬文奇. 中國農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展相關(guān)氮素指標的時空變化特征[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報(中英文), 2020, 28(8): 1141-1155

CUI S L, ZHANG J J, TONG B X, MA L, MA W Q. Spatiotemporal variation of nitrogen indicators related to agricultural green development in China[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2020, 28(8): 1141-1155

* “十三五”國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFD0200403)資助

馬文奇, 主要從事養(yǎng)分資源管理與利用研究。E-mail: mawq@hebau.edu.cn

崔石磊, 研究方向為植物營養(yǎng)調(diào)控與養(yǎng)分高效管理。E-mail: acuishilei@163.com

2020-03-04

2020-05-21

* The study was supported by the National Key Research and Development Project of China (2016YFD0200403).

, E-mail: mawq@hebau.edu.cn

Mar. 4, 2020;

May 21, 2020