江蘇省農(nóng)牧系統(tǒng)氮素流動(dòng)特征及環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)*

余 樂(lè),焦陽(yáng)湄,丁 尚,朱治強(qiáng),趙洪偉**

近年來(lái)由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人民物質(zhì)生活水平不斷提高,隨之而來(lái)的是對(duì)糧食和肉蛋奶產(chǎn)品的大量需求,為促進(jìn)食品增產(chǎn)增收,大量氮肥被施用于農(nóng)田,畜禽養(yǎng)殖規(guī)模也不斷擴(kuò)大,這在一定程度上滿足了人類的物質(zhì)需求,與此同時(shí)也帶來(lái)了一定的環(huán)境問(wèn)題[1-3]。農(nóng)業(yè)污染源已經(jīng)成為我國(guó)環(huán)境污染的重要來(lái)源之一[4-5],多余的氮素或積累于土壤中,或進(jìn)入水體,或揮發(fā)到大氣中,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性產(chǎn)生不利影響[6-8]。當(dāng)前在養(yǎng)分管理和環(huán)境減排上國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究,Wolf等[9]建立了STONE模型,模擬了作物生產(chǎn)子系統(tǒng)中氮素的損失情況,并為制定環(huán)境排放的法律法規(guī)提出了從施肥到儲(chǔ)存環(huán)節(jié)的詳細(xì)建議; 在此基礎(chǔ)上,Velthof等[10]將其進(jìn)一步優(yōu)化,發(fā)展形成了Miterra-Europe模型,并被用作歐盟國(guó)家的養(yǎng)分管理工具; Mishima與Arthur等[11-12]通過(guò)明確家畜排泄物的去向估算了糞肥的施用量,提出了合理的施肥水平,并就畜禽糞污的資源化利用做了進(jìn)一步研究。在我國(guó),Ma等[13]建立了食物鏈養(yǎng)分流動(dòng)模型(NUFER),可用來(lái)分析國(guó)家和區(qū)域尺度的氮素流動(dòng)、環(huán)境排放等內(nèi)容,并回顧了中國(guó)在氮素管理方面的主要發(fā)展,簡(jiǎn)要分析了當(dāng)前食物鏈系統(tǒng)氮素組織結(jié)構(gòu)和發(fā)展需求并指出了系統(tǒng)耦合在未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展中的意義[14]。此外,Bai等[15]則在NUFER模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建NUFER-Animal模型,分析了我國(guó)畜禽糞污產(chǎn)生情況及其環(huán)境排放總量。Hou等[16]分析了1980-2010年全國(guó)范圍內(nèi)的氮磷流動(dòng)情況以及引起食物鏈變化的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。在區(qū)域尺度上,Wei等[17]和Zhang等[18]分別以北京市和山西省為研究對(duì)象,研究了區(qū)域氮素流動(dòng)情況,同時(shí)在海南[19]、東北[20]、華北[21]等地區(qū)相關(guān)學(xué)者均做了相關(guān)工作,完善了對(duì)氮素流動(dòng)賬戶和利用效率的研究。江蘇省作為我國(guó)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的省份之一,經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展帶來(lái)的是農(nóng)業(yè)規(guī)模受限和種養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)的改變,但也推動(dòng)了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展,在這種模式下,其資源流動(dòng)和環(huán)境效益較之其他地區(qū)有怎樣的變化規(guī)律值得關(guān)注。然而目前針對(duì)本地農(nóng)牧系統(tǒng)氮素流動(dòng)研究較少,農(nóng)牧系統(tǒng)中氮素流動(dòng)與環(huán)境效應(yīng)的關(guān)系尚不明確?；诖?本文利用NUFER模型,研究1998-2018年江蘇省農(nóng)牧系統(tǒng)氮素?cái)y入攜出變化,系統(tǒng)氮素利用效率、環(huán)境效應(yīng)以及系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)力變化,以期探明氮素流動(dòng)特征和影響因素,為本地農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

江蘇省位于我國(guó)東部沿海地區(qū),是長(zhǎng)三角地區(qū)的重要組成部分(116°18＇～121°57＇E,30°45＇～35°20＇N),國(guó)土面積為10.72萬(wàn)km2。本地氣候溫和,雨量適中,適宜農(nóng)牧業(yè)發(fā)展,截止到2018年,農(nóng)作物總播種面積達(dá)752.02萬(wàn)hm2,其中糧食作物占比最高,為72.82%,主要以小麥(Trticum astivum)、水稻(Oryza sativa)、玉米(Zea mays)為主。畜禽子系統(tǒng)以豬和羊的養(yǎng)殖規(guī)模較大,2018年豬牛羊等動(dòng)物出欄3385.97萬(wàn)頭(只),家禽出欄量為4444.3萬(wàn)只,肉蛋奶產(chǎn)量為556.46萬(wàn)t[22-23]。

1.2 NUFER模型

NUFER模型用以研究“土壤-作物生產(chǎn)-畜禽生產(chǎn)-食品加工-家庭消費(fèi)”等環(huán)節(jié)氮素流動(dòng)情況,既包括資源利用效率方面的研究,又可以核算環(huán)境損失部分。本研究基于NUFER模型,對(duì)江蘇省農(nóng)牧系統(tǒng)氮素流動(dòng)特征及其環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行研究,氮素在系統(tǒng)中流動(dòng)情況如圖1所示:系統(tǒng)氮素輸入項(xiàng)包括氮肥氮素輸入、大氣氮沉降、生物固氮、灌溉水氮素輸入、外源飼料氮輸入; 輸出項(xiàng)包括動(dòng)植物主副產(chǎn)品氮素?cái)y出,作物子系統(tǒng)和畜禽子系統(tǒng)氨揮發(fā)、反硝化和N2O氣體排放,土壤系統(tǒng)徑流、侵蝕和淋溶氮損失以及氮素在土壤中的積累; 農(nóng)牧系統(tǒng)內(nèi)氮素流動(dòng)主要包括秸稈還田、糞尿還田和本地飼料輸入。

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所需研究數(shù)據(jù)主要包括統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)、文獻(xiàn)數(shù)據(jù)、調(diào)研數(shù)據(jù)。

年鑒數(shù)據(jù):研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),基于《江蘇省統(tǒng)計(jì)年鑒》和《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》。作物子系統(tǒng)主要項(xiàng)目包括糧食作物產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)量、瓜果蔬菜產(chǎn)量、化肥施用量以及耕地面積。畜禽子系統(tǒng)主要包括豬牛羊等及家禽養(yǎng)殖情況,考慮到不同時(shí)期及不同地區(qū)畜禽飼養(yǎng)周期的差異,這里選用豬年末出欄量、牛年末存欄量、羊年末存欄量、肉雞及鴨鵝年末出欄量及蛋雞年末存欄量作為養(yǎng)殖量進(jìn)行計(jì)算。

文獻(xiàn)數(shù)據(jù):作物子系統(tǒng)主產(chǎn)品氮素含量、飼用比例、所施用氮肥的折純比例、化肥中NH3、N2O和N2損失的比例因子、大氣沉降氮素比例以及固氮作物固氮含量來(lái)自Ma等[24]、Bouwman等[25-26]和Cai等[27]研究結(jié)果,草谷比、秸稈氮素含量等參考李書田等[28]研究,區(qū)域灌溉水氮素輸入借鑒劉曉利[29]研究成果,土壤徑流侵蝕淋溶比例因子結(jié)合MITERRA-EUROPE模型[10]進(jìn)行核算。畜禽子系統(tǒng)產(chǎn)品氮素含量、產(chǎn)品分配系數(shù)來(lái)自NUFER模型,排污系數(shù)采用農(nóng)業(yè)部科教司與第一次全國(guó)污染普查領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室于2009年聯(lián)合發(fā)布《第一次全國(guó)污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)與排污系數(shù)手冊(cè)》[30]華東區(qū)域的參數(shù),并借鑒張建杰等[31]對(duì)參數(shù)的修訂原則; 其他數(shù)據(jù),如羊的產(chǎn)排污系數(shù)來(lái)自耿維等[32]研究,畜禽NH3、N2O和N2排放比例來(lái)自Herrero等[33]的研究。

調(diào)研數(shù)據(jù):調(diào)研內(nèi)容包括農(nóng)田的生產(chǎn)方式、秸稈等副產(chǎn)品利用情況、畜禽糞污處理和糞尿還田情況。

基于上述數(shù)據(jù)來(lái)源,整理如表1-3所示。

表1 作物子系統(tǒng)中氮素?fù)p失去向和損失比例Table 1 The direction and proportion of N loss in the crop subsystem

表2 主要?jiǎng)游锘铙w養(yǎng)殖信息和產(chǎn)品含氮量[24]Table 2 Breeding information and N content of products of animals[24]

表3 主要畜禽糞污氮素產(chǎn)生量和氮素?fù)p失比例[30-32]Table 3 N production and loss ratio of livestock and poultry manure[30-32]

1.4 計(jì)算方法

1.4.1 作物子系統(tǒng)計(jì)算方法

1)氮素輸入項(xiàng)計(jì)算方法

式中:NI(f)farm為作物子系統(tǒng)氮素總輸入量,NI(f)fer為化肥氮素輸入量,NI(f)irr為灌溉水氮素輸入量,NI(f)ad為大氣氮素沉降量,NI(f)bf為生物固氮量,NI(f)mtf為畜禽糞尿氮素還田量,NI(f)str為秸稈氮素還田量。

2)氮素輸出項(xiàng)計(jì)算方法

式中:NO(f)farm為作物子系統(tǒng)氮素輸出量,NO(f)main為主產(chǎn)品氮素?cái)y出量,NO(f)by為副產(chǎn)品氮素?cái)y出量,NO(f)r-e-l為徑流侵蝕淋溶氮素量,NO(f)c-air為氣體氮素排放量。

1.4.2 畜禽子系統(tǒng)計(jì)算方法

1)氮素輸入項(xiàng)計(jì)算方法

式中:NI(a)animal為畜禽子系統(tǒng)氮素輸入量,NI(a)imf為外源飼料氮素輸入,NI(a)lof為本地飼料氮素輸入。

2)氮素輸出項(xiàng)計(jì)算方法

式中:NO(a)animal為畜禽子系統(tǒng)輸出氮素量,NO(a)main為畜禽主產(chǎn)品攜出氮量,NO(a)by為畜禽副產(chǎn)品攜出氮量,NO(a)man為畜禽糞尿氮素量,其中畜禽糞尿氮素歸趨包括NO(a)remain(糞污殘余)、NO(a)to-air(大氣排放)和NO(a)to-farm(還田)。

1.4.3 農(nóng)牧系統(tǒng)氮素利用效率

農(nóng)牧體系可循環(huán)利用項(xiàng)目包括本地飼料、秸稈還田、糞污還田。

1.5 結(jié)構(gòu)方程模型

結(jié)構(gòu)方程模型(SEM)是一種先驗(yàn)方法,可以通過(guò)將數(shù)據(jù)擬合到代表臨時(shí)假設(shè)的模型中來(lái)可視化變量之間的關(guān)系[34]?；赼mos 24.0軟件,本文嘗試構(gòu)建以環(huán)境效應(yīng)(氣體損失、液體損失、其他損失)為主要研究對(duì)象的結(jié)構(gòu)方程模型,探討江蘇省農(nóng)牧體系發(fā)展過(guò)程中系統(tǒng)環(huán)境損失和資源效率變化的驅(qū)動(dòng)因素,這里以非顯著卡方檢驗(yàn)(P＞0.05)來(lái)判定模型構(gòu)建的優(yōu)劣,進(jìn)而進(jìn)行系統(tǒng)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 江蘇省1998-2018年作物子系統(tǒng)和畜禽子系統(tǒng)氮素平衡分析

1998-2018年,江蘇省作物子系統(tǒng)氮素總輸入由268.88萬(wàn)t降至223.95萬(wàn)t(圖2a),化肥作為氮素輸入的重要部分,20多年來(lái)呈現(xiàn)下降趨勢(shì),由1998年的223.06萬(wàn)t降至2018年的179.78萬(wàn)t。從氮素輸出量來(lái)看,作物主副產(chǎn)品氮素?cái)y出量由83.13萬(wàn)t增至120.18萬(wàn)t,其中秸稈還田的氮素保持在10萬(wàn)t水平,用作本地飼料的由8.89萬(wàn)t增加到13.55萬(wàn)t。作物子系統(tǒng)氮素排放損失在體系中也占一定的比例,1998年排放總量為106.71萬(wàn)t,占體系總輸出的39.69%,此后不斷下降,到2018年,氮素排放出系統(tǒng)總量為62.58萬(wàn)t,占體系氮素總輸出的28.36%。

對(duì)于畜禽子系統(tǒng)來(lái)說(shuō),氮素輸入主要包括外源飼料和本地飼料攜入。由圖2b可以看出,外源飼料是系統(tǒng)主要輸入項(xiàng),而本地飼料占比也在緩慢上升。1998年外源飼料氮素輸入總量為21.42萬(wàn)t,占比70.68%,到2018年,輸入總量為16.72萬(wàn)t,占總輸入的55.23%; 本地飼料21年間增長(zhǎng)了4.66萬(wàn)t。從氮素輸出項(xiàng)來(lái)看,畜禽主產(chǎn)品氮素?cái)y出量由8.65萬(wàn)t增至9.62萬(wàn)t,副產(chǎn)品氮素?cái)y出量則保持在4.0萬(wàn)t左右,畜禽糞污氮素產(chǎn)生量亦不容忽視,1998年,輸出量為17.85萬(wàn)t,2018年,氮素輸出量為16.84萬(wàn)t,始終占氮素總輸出的55%以上。

2.2 江蘇省1998-2018年農(nóng)牧系統(tǒng)氮素利用效率和資源循環(huán)利用變化

1998-2018年江蘇省農(nóng)牧系統(tǒng)及各子系統(tǒng)間氮素利用率如圖3所示?？傮w來(lái)看,氮素利用率處于上升趨勢(shì)。作物子系統(tǒng)氮素利用率(NUEc)由21.03%增至36.78%,畜禽子系統(tǒng)氮素利用率(NUEa)由24.98%增至28.74%,農(nóng)牧系統(tǒng)綜合利用率(NUEa+c)由21.39%增至35.00%。畜禽子系統(tǒng)氮素利用率隨時(shí)間緩慢增長(zhǎng),作物子系統(tǒng)和農(nóng)牧綜合系統(tǒng)利用率變化相似,2005年后始終處于增長(zhǎng)趨勢(shì)(圖3a)。

本地飼料、秸稈還田和糞尿還田氮素為農(nóng)牧體系內(nèi)部循環(huán),反映了系統(tǒng)資源循環(huán)利用情況。圖3b反映了各項(xiàng)目在子系統(tǒng)間的氮素循環(huán)利用率變化,可以看出農(nóng)牧系統(tǒng)間氮素資源循環(huán)利用率不斷提高。作物子系統(tǒng)中,秸稈還田循環(huán)利用率由3.95%增長(zhǎng)至5.11%,糞尿還田氮素所占比例僅維持在2.19%～2.81%,本地飼料在畜禽子系統(tǒng)貢獻(xiàn)比例增長(zhǎng)較快,由25.66%增長(zhǎng)至40.48%。

系統(tǒng)氮素主要損失途徑包括氣體排放損失、水體排放損失、糞污殘余以及氮素土壤盈余,20年來(lái)江蘇省農(nóng)牧系統(tǒng)氮素?fù)p失總量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)(圖3c),由1998年的233.06萬(wàn)t降至2018年的143.71萬(wàn)t。其中氮素土壤盈余量始終較大,其次是氮素水體排放損失和氣體排放損失,畜禽糞污的剩余氮素?fù)p失占比較小。1998-2018年,氮素土壤盈余、氣體排放損失、水體排放損失和糞污殘余分別下降41.05萬(wàn)t、28.74萬(wàn)t、19.72萬(wàn)t和0.13萬(wàn)t。

2.3 基于結(jié)構(gòu)方程模型的農(nóng)牧體系環(huán)境效應(yīng)驅(qū)動(dòng)力分析

本文考慮了“社會(huì)需求-系統(tǒng)發(fā)展-環(huán)境效應(yīng)”間的關(guān)系,初步假定環(huán)境因素的影響來(lái)源于社會(huì)對(duì)農(nóng)牧產(chǎn)品的需求,這推動(dòng)了系統(tǒng)的發(fā)展,在此過(guò)程中將產(chǎn)生一系列的環(huán)境問(wèn)題,基于此構(gòu)建了結(jié)構(gòu)方程模型,并將其整理得到圖4。模型的卡方值為5.074,自由度為3,顯著性P=0.166,接受虛無(wú)假設(shè),表示假設(shè)模型與觀察數(shù)據(jù)可以契合。

由圖4可知,所聯(lián)系的各項(xiàng)指標(biāo)間均有一定的顯著性,并且可以看出居民人均收入與環(huán)境損失存在一定正效應(yīng),但并不直接相關(guān),而江蘇省農(nóng)牧系統(tǒng)氮素的總輸入與氣體環(huán)境損失和其他路徑的損失存在明顯正效應(yīng),但與水體環(huán)境排放具有負(fù)效應(yīng)關(guān)系; 而對(duì)于系統(tǒng)發(fā)展部分,系統(tǒng)效率對(duì)水體排放和其他途徑的氮素?fù)p失具有一定正效應(yīng)影響,即效率的提升也會(huì)帶來(lái)水體污染和其他的環(huán)境損失,但與氣體損失間不存在明顯關(guān)系,并且可以看出,隨著本地主產(chǎn)品攜出量的提高,氮素?fù)p失會(huì)出現(xiàn)一定的減少。就環(huán)境效應(yīng)的研究可以初步得出:經(jīng)濟(jì)發(fā)展間接導(dǎo)致了氮素?fù)p失,氮素的過(guò)量輸入則會(huì)帶來(lái)氣體損失和其他的損失,而當(dāng)系統(tǒng)發(fā)展較快,產(chǎn)品氮素?cái)y出量較高時(shí)氮素?fù)p失會(huì)減少,江蘇省農(nóng)牧體系環(huán)境效應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力主要包括氮素輸入和系統(tǒng)發(fā)展,經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不斷提升也起到一定的推動(dòng)作用。

從社會(huì)需求和系統(tǒng)發(fā)展穩(wěn)定關(guān)系來(lái)看,本地經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)促進(jìn)了農(nóng)牧系統(tǒng)效率和主產(chǎn)品氮素?cái)y出,并且抑制了氮素的過(guò)量輸入; 系統(tǒng)效率的提高與主產(chǎn)品氮素總量的提高密切相關(guān); 同時(shí)當(dāng)?shù)乜傒斎霚p少時(shí),系統(tǒng)效率和主產(chǎn)品氮素產(chǎn)量均會(huì)提升。由此可以看出1998-2018年江蘇省農(nóng)牧系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程中,經(jīng)濟(jì)發(fā)展和資源減量推動(dòng)了產(chǎn)品氮素產(chǎn)量和系統(tǒng)效率的提高,農(nóng)牧系統(tǒng)整體驅(qū)動(dòng)力變化與居民人均收入和系統(tǒng)氮素總輸入相關(guān)。

3 討論

3.1 江蘇省農(nóng)牧系統(tǒng)氮素流動(dòng)特征分析

江蘇省1998-2018年作物子系統(tǒng)氮素外源輸入呈現(xiàn)下降趨勢(shì),這與化肥施用量的減少關(guān)系密切,在國(guó)家層面農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)和區(qū)域發(fā)展規(guī)劃下[35-36],化肥減量化在逐步推進(jìn),尤其是“十三五”以來(lái),江蘇省對(duì)生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展提出高標(biāo)準(zhǔn)要求,20多年來(lái),化肥氮素輸入量不斷下降。但作物子系統(tǒng)化肥氮素輸入始終占據(jù)子系統(tǒng)氮素總投入的80%以上,與國(guó)內(nèi)其他研究結(jié)果相比,化肥氮素投入量占比為47.4%～56.1%(全國(guó)尺度)[37-38]、69%(重慶市)[39]、65%(山西農(nóng)牧交錯(cuò)帶)[40],本地化肥氮素投入比例偏高,氮素資源投入分配不合理。從產(chǎn)品氮素?cái)y出情況來(lái)看,在氮素輸入量減少的情況下,區(qū)域產(chǎn)品氮素?cái)y出仍保持平穩(wěn)增長(zhǎng),這主要由于政府提倡農(nóng)牧結(jié)合,注重現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展。近年來(lái),農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)投入加大,農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平和科技化程度都有大幅提升[36]。1998-2018年,畜禽子系統(tǒng)氮素輸入總量變化不大,但結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化,外源飼料貢獻(xiàn)比例由70.68%降至55.23%,與我國(guó)其他地區(qū)相比[16-19],江蘇省外源飼料呈現(xiàn)比例低且下降的特征,這反映了本地飼料資源化利用量不斷增加,區(qū)域農(nóng)牧耦合情況較好。畜牧業(yè)養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)亦發(fā)生較大改變,豬的養(yǎng)殖規(guī)?；静蛔?羊和牛的養(yǎng)殖規(guī)模呈下降趨勢(shì),家禽養(yǎng)殖規(guī)模則先上升后下降,帶來(lái)的產(chǎn)品氮素產(chǎn)量的變化為1998-2012年呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì),近年有所下降。

3.2 江蘇省農(nóng)牧系統(tǒng)氮素利用率和資源循環(huán)利用分析

20多年來(lái),江蘇省農(nóng)牧系統(tǒng)氮素利用率不斷上升,對(duì)應(yīng)年份江蘇省作物子系統(tǒng)氮素利用效率與全國(guó)平均水平相近,畜禽子系統(tǒng)氮素利用效率高于全國(guó)平均水平[13]。區(qū)域水平上農(nóng)牧系統(tǒng)氮素利用率與北京[41]相近,略高于東北[20]和海南[19]等地區(qū)的研究結(jié)果。江蘇省作物子系統(tǒng)氮素養(yǎng)分利用率略高于農(nóng)牧系統(tǒng)綜合利用率,20多年來(lái)變化趨勢(shì)相似,畜禽子系統(tǒng)氮素養(yǎng)分利用率維持在25%～30%,與黑龍江地區(qū)[20]變化趨勢(shì)一致。由于畜禽糞污含氮量較高,且大多通過(guò)氣體和水土流失損失到環(huán)境中,導(dǎo)致產(chǎn)品產(chǎn)出氮素比例較低,氮素利用效率不高。對(duì)比NUEc、NUEa和NUEa+c的趨勢(shì)可以發(fā)現(xiàn),NUEc和NUEa+c趨勢(shì)線接近,這與丁尚等[19]關(guān)于海南地區(qū)的研究結(jié)果相似,但對(duì)于我國(guó)其他地區(qū),兩者具有一定差異,這主要由于農(nóng)牧系統(tǒng)中,氮素輸入輸出比例很大部分取決于作物子系統(tǒng),這也反映了本地農(nóng)牧子系統(tǒng)間發(fā)展不平衡問(wèn)題。同時(shí),區(qū)域發(fā)展不同,地區(qū)氮素利用率呈現(xiàn)趨勢(shì)不同,江蘇省氮素利用率20多年來(lái)不斷提高,首先得益于氮素總輸入量的控制,而區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展程度對(duì)提高農(nóng)牧業(yè)效率作用重大。但從農(nóng)牧系統(tǒng)內(nèi)氮素循環(huán)利用總量上來(lái)看,2018年江蘇省單位耕地面積氮素資源循環(huán)總量為63.16 kg·hm-2,與河北省[18]2015年的129.44 kg·hm-2、重慶市[39]2015年的149.06 kg·hm-2、云南[42]2014年的98.98 kg·hm-2相比較低。當(dāng)前江蘇省氮素循環(huán)比例雖然較高,但總量低于其他地區(qū)數(shù)據(jù),由此反映出農(nóng)牧生產(chǎn)過(guò)程中農(nóng)牧業(yè)規(guī)模相對(duì)較小,氮素產(chǎn)生總量相對(duì)較低等問(wèn)題。

3.3 江蘇省農(nóng)牧系統(tǒng)環(huán)境效應(yīng)分析

江蘇省農(nóng)牧系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中氮素?fù)p失主要途徑為氣體排放損失、水體排放損失、糞污殘余和土壤氮素積累損失。從變化趨勢(shì)上,氣體損失和殘余糞污氮素比例在逐漸上升,水體排放損失比例和土壤氮素積累比例逐漸下降。與其他地區(qū)相比,河北省2015年氣體損失比例下降,水體排放比例有所上升。基于全國(guó)水平的研究中,劉曉利[29]指出2001年中國(guó)農(nóng)牧系統(tǒng)氮素?fù)p失以氣體排放為主,Ma等[13]指出2005年中國(guó)農(nóng)牧系統(tǒng)氣體損失比例約52.6%,其他部分為47.6%,本研究對(duì)應(yīng)年份結(jié)果與全國(guó)趨勢(shì)一致。從氮素排出系統(tǒng)總量上來(lái)看,20多年來(lái),江蘇省農(nóng)牧系統(tǒng)大氣排放、水體排放、糞污無(wú)序排放損失占系統(tǒng)氮素總輸入比例由49.47%減至39.29%,接近歐盟排放量要求(30%)[43]。對(duì)于土壤氮素盈余量,Velthof等[10]將170 kg·hm-2作為土壤環(huán)境受到較嚴(yán)重破壞時(shí)的限值,Oenema等[44]進(jìn)一步指出,砂質(zhì)土壤和黏質(zhì)土壤的氮素盈余量限值分別不得超過(guò)60 kg·hm-2和100 kg·hm-2。而2018年,江蘇省農(nóng)牧系統(tǒng)單位耕地面積氮素盈余量為114.22 kg·hm-2,并且處于不斷下降趨勢(shì)。

總的來(lái)說(shuō),20多年來(lái)江蘇省農(nóng)牧系統(tǒng)氮素在變化趨勢(shì)和損失結(jié)構(gòu)上有所改變,而從環(huán)境影響來(lái)看,氮素?fù)p失總量的降低表明本地生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)總體向好。

4 結(jié)論

本文基于NUFER模型,研究了1998-2018年江蘇省農(nóng)牧系統(tǒng)氮素流動(dòng)及其環(huán)境效應(yīng)。20多年來(lái),作物子系統(tǒng)在控制氮素資源投入的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了主副產(chǎn)品氮素?cái)y出總量的提高; 同時(shí)畜禽子系統(tǒng)飼料氮素供給結(jié)構(gòu)也發(fā)生了較大改變,本地飼料氮素輸入量不斷增長(zhǎng)。受經(jīng)濟(jì)發(fā)展、資源減量的直接推動(dòng),農(nóng)牧系統(tǒng)呈現(xiàn)出氮素利用效率高、環(huán)境損失低等特點(diǎn)。從資源高效型與環(huán)境友好型角度來(lái)看,江蘇省農(nóng)牧系統(tǒng)發(fā)展水平總體向好。

同時(shí),農(nóng)牧業(yè)規(guī)模相對(duì)較小、子系統(tǒng)發(fā)展稍顯不平衡等現(xiàn)象亦不容忽視,在今后的區(qū)域管理中應(yīng)根據(jù)發(fā)展實(shí)際適度調(diào)整,同時(shí)也應(yīng)發(fā)揮區(qū)域優(yōu)勢(shì),依靠技術(shù)進(jìn)步,調(diào)控農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中化肥和糞污產(chǎn)生的環(huán)境污染問(wèn)題。