白洋淀流域農牧系統養(yǎng)分流動與環(huán)境損失時空特征*

楊文寶,楊 晶,趙占輕,張建杰,4,魏 靜**

(1.河北農業(yè)大學資源與環(huán)境科學學院 保定 071000;2.中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所農業(yè)資源研究中心 石家莊 050022;3.河北地質大學土地科學與空間規(guī)劃學院 石家莊 050031;4.山西農業(yè)大學資源環(huán)境學院 太原 030031)

氮磷是動植物生長必需的營養(yǎng)物質,在農業(yè)生產中起著極為重要的促進作用[1]。我國作為農業(yè)大國,化肥使用量長期居高不下?；适┯檬羌Z食安全的重要保障,但是較低的養(yǎng)分利用率導致部分未被利用的氮磷進入周邊環(huán)境,引發(fā)一系列環(huán)境問題[2-3]。與此同時,我國畜牧業(yè)發(fā)展迅速,規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場比例不斷增加,農牧分離問題日漸嚴重,畜禽糞污排放造成的環(huán)境問題[4-5]同樣不容忽視。因此,闡明農牧系統養(yǎng)分流動變化特征,對減少農牧系統氮磷的環(huán)境損失和探索農牧系統可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。國內外學者在農牧系統養(yǎng)分流動和環(huán)境損失方面做了大量研究。Senthilkumar 等[6]利用物質流分析的方法在區(qū)域尺度上對養(yǎng)分循環(huán)利用及管理提出了評價和建議。Velthof 等[7]將其進一步優(yōu)化,發(fā)展形成了Miterra-Europe 模型,并被用作歐盟國家的農牧系統養(yǎng)分管理工具。Oenema 等[8]通過核算農牧系統養(yǎng)分流動,明確養(yǎng)分流動特征,對減少養(yǎng)分環(huán)境損失以及改善環(huán)境污染現狀做出了合理指導。在我國,Ma 等[9]構建了中國食物鏈系統養(yǎng)分流動(Nutrient flows in Food chains,Environment and Resources use,NUFER)

模型,用于分析評價國家尺度以及區(qū)域尺度氮磷養(yǎng)分在生產和消費環(huán)節(jié)的利用率和損失狀況。Zhao 等[10]通過以“全農場”模型思想為指導,在區(qū)域尺度NUFER模型的基礎上,開發(fā)構建了“農戶/場”尺度(NUFERfarm)模型,定量分析了“農戶/場”類型的氮磷流動特征。張建杰等[11]使用NUFER 模型明確山西省農牧交錯帶不同縣域氮素流動的空間分布特征,為區(qū)域農牧生產體系的養(yǎng)分管理提供科學依據。

白洋淀流域地處京津冀腹地,是首都功能重要的延伸區(qū)。流域內的白洋淀湖泊為京津冀地區(qū)提供了一系列重要的生態(tài)系統服務功能。2017年雄安新區(qū)設立,白洋淀又被賦予了支撐新區(qū)生態(tài)發(fā)展的核心功能。然而,白洋淀及其流域面臨嚴重水環(huán)境污染問題[12-13]。白洋淀流域農牧系統發(fā)達,農業(yè)養(yǎng)分損失是造成白洋淀及其流域水環(huán)境問題的重要因素之一[14]。隨著人類不斷增加的食物需求以及快速的城鎮(zhèn)化,可能加劇流域農牧系統的集約化,造成更多環(huán)境問題。為減少農牧生產對環(huán)境的負面影響,國家出臺一系列政策對農牧系統進行優(yōu)化和管理,如:“測土配方施肥” “化肥使用量零增長行動方案” “國家農業(yè)可持續(xù)發(fā)展計劃(2015—2030年)”等,以確保農牧系統化肥合理施用以及畜牧健康發(fā)展。此外,為保證白洋淀及上游流域水生態(tài)環(huán)境治理全面提升,推動生態(tài)環(huán)境治理和實現Ⅲ類水目標,國家基于統籌協調上下游生產、生活和生態(tài)三大空間的生態(tài)環(huán)境治理思路,針對白洋淀流域出臺了一系列規(guī)劃和方案,如:《白洋淀生態(tài)環(huán)境治理和保護規(guī)劃(2018—2035年)》《白洋淀生態(tài)環(huán)境治理和保護條例》等。其中,劃定畜禽禁養(yǎng)區(qū)、合理布局養(yǎng)殖區(qū)域、有機肥替代化肥等措施均說明農牧系統污染防治工作是流域污染治理工作中重要一環(huán)。綜上所述,政策實施和城鎮(zhèn)化帶來的食物需求將成為影響白洋淀流域農牧系統發(fā)展變化的兩個重要引擎。然而,目前尚缺乏評價農業(yè)和環(huán)境政策對白洋淀流域農牧系統養(yǎng)分流動與環(huán)境損失時空特征影響的研究。本研究以白洋淀流域農牧系統氮磷流動為切入點,通過實地調研與數據分析,借助NUFER 模型,揭示2005年、2015年和2018年白洋淀流域農牧系統氮磷流動以及環(huán)境損失時空變化特征,以期為白洋淀流域農牧系統可持續(xù)發(fā)展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

白洋淀流域隸屬海河流域大清河水系,位于華北平原中部,覆蓋河北、山西、北京等地,總面積31 200 km2,2018年有人口1769 萬,城鎮(zhèn)化率為51%。流域內地形復雜,西部是山區(qū),東部是平原;河網密集,共計8 個子流域,其中白溝引河子流域季節(jié)性有水,府河和孝義河子流域[14]常年有水。流域地處溫帶大陸性季風氣候帶,全年氣候溫和,年平均氣溫為9.3～12.2 ℃,多年平均降水量約為550 mm。土壤類型多為棕壤和褐色土。流域內農牧系統發(fā)達,截止到2018年,農作物總播種面積高達175 萬hm2,其中糧食作物占比最高,為86.6%,以小麥(Triticum aestivum)、玉米(Zea mays)為主,且產量高達814.6 萬t。畜禽養(yǎng)殖以生豬養(yǎng)殖為主,2018年豬牛羊等動物出欄量1684.7 萬頭,家禽出欄量為11 238.2 萬只,肉蛋奶產量為308.4 萬t。本研究主要選取流域內覆蓋面積最大的38 個縣作為研究對象,其中大清河山區(qū)共計16個縣;依據孫世剛等[15]研究定義的山前平原,共計16 個縣;除去山前平原外,流域內剩余的平原則定義為中部平原,共計6 個縣(圖1)。

圖1 白洋淀流域研究區(qū)域概況Fig.1 Research areas of the Baiyangdian basin

1.2 系統邊界和模型介紹

NUFER 模型是Ma 等[9]基于物質流分析方法,以養(yǎng)分為載體開發(fā)的適合全球、國家、區(qū)域、流域和農戶等不同尺度食物鏈以及農牧系統的養(yǎng)分流動模型。該模型可定量分析系統內養(yǎng)分流量、利用效率和環(huán)境排放等養(yǎng)分流動特征。本研究以白洋淀流域農牧系統為研究邊界,利用NUFER 模型,模擬計算了2005年、2015年和2018年農牧系統氮磷養(yǎng)分的輸入、輸出、內部循環(huán)項以及環(huán)境損失。研究系統邊界和養(yǎng)分流動如圖2所示。

圖2 農牧系統研究邊界和養(yǎng)分流動圖Fig.2 Research boundary and nutrient flow of the crop-livestock system

1.3 模型計算

1.3.1 農田子系統養(yǎng)分(氮磷)流動計算

式中:Icrop表示農田系統氮磷總輸入量;Ifer表示化肥氮磷輸入量;Iam表示畜禽糞尿氮磷還田量,估算過程參見1.3.2 公式(26);Ist表示作物秸稈氮磷還田量;Ihm表示人糞尿還田量;Iirr-N表示灌溉水氮素投入量;IBNf表示生物固氮量;Idep-N表示大氣氮沉降量;OSt表示作物秸稈收獲氮磷量;RSR表示作物秸稈還田比例;CEIA表示有效灌溉面積;RIWA表示年單位面積灌溉氮量;CCA表示作物播種面積;RBNFA表示作物單位面積固氮量;CAA表示耕地面積;RDA表示年單位面積大氣氮沉降量。

式中:Ocrop表示農田系統氮磷總輸出量;OCMP表示作物主產品收獲氮磷量;OSt表示作物秸稈收獲氮磷量;Oaccumulate表示土壤氮磷積累量;Orf表示農田系統徑流侵蝕損失量;Ole表示農田系統淋溶損失量;ONH3表示農田系統氨揮發(fā)損失量;ON2O表示農田系統氧化亞氮損失量;ODe表示農田系統反硝化損失量;NOYG表示作物主產品產量;RYNC表示主產品氮磷含量;RRCS表示谷草比;RSC表示秸稈氮磷含量;Rrf表示農田氮磷徑流侵蝕系數;RfAE表示化肥氨揮發(fā)系數;RmAE表示畜禽糞尿還田后氨揮發(fā)系數;RfNO表示化肥N2O 排放系數;RmNO表示畜禽糞尿還田后N2O 排放系數;RsNO表示秸稈還田后N2O 排放系數;Rle表示農田氮磷淋洗系數;RDe表示農田反硝化系數。

1.3.2 畜牧子系統養(yǎng)分(氮磷)流動計算

式中:Ianimal表示畜牧系統氮磷總輸入量;ILF表示本地飼料輸入量;IIF表示外源飼料輸入量;RPF表示作物主產品飼用比例;RSF表示作物秸稈飼用比例;Oanimal表示畜牧系統氮磷總輸出量。

式中:OAMP表示動物主產品氮磷輸出量;OANB表示動物副產品氮磷輸出量;Omanure表示畜牧系統糞尿氮磷總產生量;NL表示動物數量;WAMA表示單個動物活體質量;RAMMeat表示肉所占比例;RMeatN(P)C表示肉含氮磷量;OMilk表示奶產量;RMilkN(P)C表示奶含氮磷量;OEgg表示蛋產量;REggN(P)C表示蛋含氮磷量;RAMB表示骨所占比例;RBN(P)C表示骨含氮磷量;RAMO表示其他副產品所占比例;RON(P)C表示其他副產品含氮磷量;RMN(P)O表示單位面積動物糞尿排氮磷量。

式中:LA表示畜禽糞尿氮磷總損失量;LH表示圈舍階段糞尿氮磷損失量;LS表示儲藏階段糞尿氮磷損失量;LD表示糞尿氮磷直排損失量;LT表示處理階段糞尿氮磷損失量。

式中:RNH3H、RN2OH、RN2H和RLEH分別表示圈舍階段糞尿NH3、N2O、N2和氮磷淋洗損失系數;RNH3S、RN2OS和RN2S分別表示儲藏階段糞尿NH3、N2O 和N2損失系數;RDL表示畜禽糞尿氮磷直接排放系數;(RNH3T、RN2OT、RN2T和RLET分別表示糞尿處理階段NH3、N2O、N2和氮磷淋洗損失系數。

1.3.3 農牧系統養(yǎng)分(氮磷)利用率計算

式中:UEc表示農田系統氮磷利用效率。

式中:UEa表示畜牧系統氮磷利用效率。

式中:UEc+a表示農牧系統的氮磷利用效率。

1.4 數據來源和處理

模型所需的數據(活動數據和參數)主要來源于統計年鑒數據、調研數據和文獻數據。

統計年鑒主要為模型提供活動數據。其中,畜禽養(yǎng)殖數量選用生豬、肉牛、肉禽和羊的年末出欄量,奶牛和蛋雞的年末存欄量進行計算[以奶牛為標準畜禽(LU)[16]單位,肉?！媚膛?1∶0.8,豬∶奶牛=1∶0.3,羊∶奶牛=1∶0.1,肉禽∶奶牛=1∶0.007,蛋雞∶奶牛=1∶0.014]。調研數據是通過與農戶面對面問卷調研方式收集信息。種植戶調研內容包括農田養(yǎng)分輸入/輸出和生產管理情況;養(yǎng)殖戶調研內容包括養(yǎng)殖場養(yǎng)分輸入/輸出、畜禽養(yǎng)殖管理、糞尿管理情況。調研數據與文獻數據均用于模型參數的校正。

模型輸入項:化肥輸入數據來自《河北農村統計年鑒》 《山西統計年鑒》 《北京統計年鑒》和6 個行政市統計年鑒[17-22],復合肥氮磷鉀比例由調研數據調整而來;大氣氮沉降參見1.3.1 公式(5),其中:各縣耕地面積(CAA)來自統計年鑒[17-22],單位面積大氣氮沉降量(RDA)參考文獻[23-26];生物固氮參見1.3.1 公式(4),其中:各縣作物播種面積(CCA)來自統計年鑒[17-22],作物單位面積固氮量(RBNFA)參考文獻[9];灌溉水輸入參見1.3.1 公式(3),其中:各縣有效灌溉面積(CEIA)來自統計年鑒[17-22],單位面積灌溉氮量(RIWA)參考文獻[9];外源飼料輸入參見1.3.2 公式(16)。

模型內部循環(huán):秸稈還田參見1.3.1 公式(2),其中:作物秸稈還田比例(RSR)參考文獻[9];畜禽糞尿還田參見1.3.2 公式(26);本地飼料輸入參見1.3.2 公式(15),其中:作物主產品飼用比例(RPF)和作物秸稈飼用比例(RSF)參考文獻[9]。

模型輸出項:作物主產品輸出參見1.3.1 公式(7),其中:作物主產品產量(NOYG)來自統計年鑒[17-22],主產品氮磷含量系數(RYNC)參考文獻[9];秸稈輸出參見1.3.1 公式(8),其中:谷草比(RRCS)和秸稈氮磷含量系數(Rsc)參考文獻[9];動物主產品輸出參見1.3.2 公式(18),其中:動物數量(NL)、奶產量(OMilk)和蛋產量(OEgg)來自統計年鑒[17-22],單個動物活體質量(WAMA)、肉所占比例(RAMMeat)、肉含氮磷量[RMeatN(P)C]、奶含氮磷量[RMilkN(P)C]和蛋含氮磷量[REggN(P)C]參考文獻[9];動物副產品輸出參見1.3.2 公式(19),其中:骨所占比例(RAMB)、骨含氮磷量[RBN(P)C]、其他副產品所占比例(RAMO)和其他副產品含氮磷量[RON(P)C]參考文獻[9]。

模型環(huán)境損失:水體損失中的農田氮磷徑流&侵蝕損失參見1.3.1 公式(9);農田氮磷淋洗損失參見1.3.1 公式(12),其中:農田氮磷徑流&侵蝕系數(Rrf)和農田氮磷淋洗系數(Rle)來自參考文獻[10];畜牧氮磷淋洗損失是各個養(yǎng)殖階段氮磷淋洗損失量之和,參見1.3.2 公式(22)和(25),其中:圈舍階段(RLEH)和處理階段(RLET)氮磷淋洗損失系數均參考文獻[10];氣體損失中農田NH3損失參見1.3.1 公式(10),其中:化肥NH3損失系數(RfAE)參考Zhao 等[10]研究成果、畜禽糞尿還田后NH3損失系數(RmAE)參考Bai 等[27]研究結果(表1);農田N2O 損失參見1.3.1 公式(11),其中:化肥N2O 排放系數(RfNO)、畜禽糞尿還田后N2O 排放系數(RmNO)和秸稈還田后N2O 排放系數(RsNO)均參考文獻[9];農田N2損失參見1.3.1 公式(13),其中:農田反硝化系數(RDe)參考文獻[9]。畜牧NH3、N2O 和N2損失是各個養(yǎng)殖階段損失量的加和,參見1.3.2 公式(22)、(23)和(25)。其中:圈舍階段NH3損失系數參考文獻[9,28-31]等結果(表1),儲藏(表2)和處理階段NH3損失系數參考文獻[10]結果;各養(yǎng)殖階段N2O 和N2損失系數參考文獻[27]結果;糞尿直排損失參見1.3.2 公式(24),其中:畜禽糞尿氮磷直接排放系數(RDL)參考朱志平等[32]、Zhao 等[10]研究結果調整而來(表3)。

表1 白洋淀流域畜牧系統畜禽糞尿氨揮發(fā)系數[9,28-31]Table 1 Ammonia volatilization coefficients at different stages of livestock system in the Baiyangdian Basin %

表2 2005年、2015年和2018年白洋淀流域畜牧子系統畜禽糞尿儲藏階段氨揮發(fā)系數[10]Table 2 Ammonia volatilization coefficients at manure storage stage of livestock system in the Baiyangdian Basin in 2005,2015 and 2018%

表3 2005年、2015年和2018年白洋淀流域畜牧子系統畜禽糞尿直接排放比例[10]Table 3 Proportions of animal manure discharged from livestock system in the Baiyangdian Basin in 2005,2015 and 2018%

2 結果與分析

2.1 白洋淀流域農牧系統氮磷流動年際特征

2005年、2015年和2018年,白洋淀流域農田系統氮磷的總輸入量均呈先增后減趨勢,2018年分別是622.5 Gg 和185.0 Gg,與2005年相比變化不明顯?；实纵斎肓孔兓厔菖c農田系統氮磷的總輸入量變化趨勢相同。2018年化肥氮磷輸入量分別是414.5 Gg 和147.0 Gg,均小于2005年化肥的投入水平。然而,農田系統畜禽糞尿氮磷還田量均呈先減后增趨勢,2018年為3年間最大值,分別是64.3 Gg和35.5 Gg。農田主產品氮磷輸出量變化趨勢與養(yǎng)分總輸入量變化趨勢保持一致。2005年、2015年和2018年,農田系統氮素損失量分別是181.2 Gg、186.7 Gg 和174.4 Gg,磷素損失量分別是2.2 Gg、2.4 Gg和2.2 Gg(圖3)。3年間,單位面積農田氮素損失逐年減少,到2018年下降到132 kg·hm—2,且以氨揮發(fā)、徑流淋洗為主。其中,2018年農田系統氨揮發(fā)和徑流淋洗損失分別占總氮損失的37%和52%。農田磷素為徑流淋洗損失,基本保持在1.7 kg·hm—2左右(圖4)。

2005年、2015年和2018年,白洋淀流域畜牧系統外源飼料氮磷輸入量逐年下降,2018年分別是149.1 Gg 和38.3 Gg,相較于2005年分別下降34.1%和42.0%;本地飼料氮磷輸入量逐年上升,2018年分別是85.2 Gg 和19.7 Gg。白洋淀流域畜牧系統主產品氮磷輸出量均呈先增后減的趨勢。到2018年,動物主產品氮磷輸出量分別是38.3 Gg 和4.1 Gg,相較于2005年分別增加49.6%和86.4%。畜牧系統氮磷的總損失量呈明顯的減少趨勢,2018年分別是117.6 Gg和14.5 Gg,相比于2005年分別降低40.3%和63.8%。其中,來自畜禽糞尿直排的損失量明顯下降,2018年畜禽糞尿氮磷的直排量分別是24.7 Gg 和10.3 Gg,僅為2015年的37%左右(圖3)。此外,2005年同2015年相似,畜牧系統單位面積氨揮發(fā)與直接排放分別占總氮損失的36%和39%。然而,2018年,氨揮發(fā)與直接排放分別占總氮損失的46%和21%(圖4)。

圖4 2005年、2015年和2018年白洋淀流域農田系統、畜牧系統氮磷養(yǎng)分環(huán)境排放Fig.4 Nitrogen and phosphorus environmental emissions from crop and livestock systems in the Baiyangdian Basin in 2005,2015 and 2018

2005年、2015年和2018年,白洋淀流域農牧系統氮素總輸入量分別是790.0 Gg、818.4 Gg 和707.3 Gg,磷素總輸入量分別是254.9 Gg、252.9 Gg、223.2 Gg;農牧系統產品氮磷輸出量均呈先增后減趨勢,2018年分別是198.1 Gg 和37.1 Gg;2018年農牧系統氮磷的內部循環(huán)量均為3年間最大值,分別是230.2 Gg和70.2 Gg;農牧系統氮磷的總損失量呈明顯下降趨勢,2018年農牧系統氮磷的總損失量分別是303.7 Gg和16.7 Gg,相較于2005年與2015年,農牧系統氮素總損失量分別減少22.0%和15.6%,磷素總損失量分別減少60.5%、50.6%(圖3)。

2.2 白洋淀流域農牧系統氮磷利用率時間變化特征

2005年、2015年和2018年,白洋淀流域農牧系統氮利用率分別是25.6%、29.5%和28.0%,磷利用率分別是15.8%、18.3%和19.7%。農田系統氮利用率3年間變化并不明顯,基本在44%左右;農田系統磷利用率呈增長趨勢,2018年為30.7%,較2005年增加3.6%。在研究時間范圍內,畜牧系統氮利用率呈先增后減趨勢,分別是15.7%、24.1%和23.3%,而畜牧系統磷利用率呈明顯增長趨勢,3年間分別是13.5%、17.7%、18.6%(圖5)。

圖5 2005年、2015年和2018年白洋淀流域農田系統、畜牧系統和農牧系統氮磷利用率年際變化Fig.5 Use rates of nitrogen and phosphorus of crop and livestock systems in the Baiyangdian Basin in 2005,2015 and 2018

2.3 白洋淀流域農牧系統養(yǎng)分輸入與輸出空間變化特征

根據農牧系統養(yǎng)分單位面積耕地輸入量,將白洋淀流域縣域分為4 組。農牧系統總氮輸入量在組Ⅳ(＞720 kg·hm—2)范圍內的縣域分別是正定、新樂、無極、深澤、靈壽、定州和唐縣。其中,正定氮素輸入量最高(1523 kg·hm—2),唐縣次之(1005 kg·hm—2)。中部平原(雄縣、安新、高陽、蠡縣)和大清河山區(qū)(廣靈、渾源、靈丘、繁峙、蔚縣、淶源、阜平)部分縣域總氮輸入量均在組Ⅰ(＜380 kg·hm—2)范圍內。農牧系統總磷輸入量在組Ⅳ(＞220 kg·hm—2)范圍內的縣域分別是正定、新樂、無極、深澤、定州 。其中,正定磷素輸入量最高(390 kg·hm—2),其次是無極(265 k·hm—2)。阜平磷素輸入量最低(24 kg·hm—2)。各縣磷素輸入量差異明顯,極差為266 kg·hm—2(圖6)。此外,大部分縣域化肥氮磷輸入量均超過養(yǎng)分總輸入量的50%。

圖6 2018年白洋淀流域各縣農牧系統氮(a)、磷(b)養(yǎng)分輸入Fig.6 Nitrogen(a)and phosphorus(b)nutrient inputs in crop-livestock systems of counties in the Baiyangdian Basin in 2018

流域內農牧系統主產品氮磷輸出量分別在58～407 kg·hm—2和11～78 kg·hm—2范圍,空間差異明顯,主產品高輸出地區(qū)主要集中在山前平原。藁城、正定、無極、新樂、深澤、行唐、定州、望都和定興農牧系統主產品氮磷輸出均在組Ⅳ范圍。其中,正定農牧系統主產品氮磷輸出量分別為407 kg·hm—2和71 kg·hm—2,新樂分別是403 kg·hm—2和78 kg·hm—2,兩者農田主產品和畜牧主產品氮磷輸出量均處于各縣前列(圖7)。主產品低輸出地區(qū)集中在大清河山區(qū),渾源、繁峙、靈丘、蔚縣、淶源和房山農牧系統主產品氮磷輸出均在組Ⅰ范圍,且農田系統和畜牧系統均不發(fā)達。

圖7 白洋淀流域各縣農牧系統主產品氮(a)、磷(b)養(yǎng)分輸出量Fig.7 Outputs of nitrogen(a)and phosphorus(b)nutrients in the crop-livestock systems of counties in the Baiyangdian Basin in 2018

2.4 白洋淀流域農牧系統氮磷利用率空間變化特征

白洋淀流域山前平原和中部平原地區(qū)農牧系統氮磷利用率普遍高于大清河山區(qū)。藁城、安新、容城、定興、高碑店農牧系統氮利用率均大于40%,藁城最高(45.4%),其次為高碑店(44.9%)。農牧系統氮利用率小于20%的縣域均分布在大清河山區(qū)。其中,淶源農牧系統氮利用率最小(13.1%),其次是唐縣(13.7%)。農田系統氮利用率方面,藁城最高(66.9%),房山最低(22.1%)。畜牧系統氮利用率方面,蓮池區(qū)最高(28.6%),唐縣最低(12.3%)。農牧系統磷利用率空間差異明顯,極差為40.1%,個別縣存在磷利用率過高的現象,如阜平(46.2%)、蠡縣(42.4%),遠超過流域農牧系統磷利用率平均值。農牧系統磷利用率小于10%的縣域(涿鹿、靈丘、繁峙)均位于大清河山區(qū)。其中,涿鹿最低為6.1%。中部平原縣域農田系統磷利用率均大于49.5%(圖8)。除無極和雄縣外,畜牧系統磷利用率大于流域平均值的縣域均位于大清河山區(qū)。

圖8 2018年白洋淀流域各縣氮(a)、磷(b)利用率Fig.8 Nitrogen(a)and phosphorus(b)use efficiencies of counties in the Baiyangdian Basin in 2018

2.5 白洋淀流域區(qū)域農牧系統氮磷養(yǎng)分環(huán)境損失

白洋淀流域農牧系統單位面積氮磷高損失地區(qū)主要集中在山區(qū)與山前平原分界線兩側縣域。正定、新樂、無極、定州和唐縣農牧系統氮素損失均在組Ⅳ(＞350 kg·hm—2)范圍內,正定農牧系統氮素損失最大(631.7 kg·hm—2),其次是唐縣、新樂、無極。中部平原(雄縣、安新、高陽、蠡縣)和大清河山區(qū)部分縣域(繁峙、靈丘、阜平、淶源、蔚縣、廣靈)農牧系統單位面積氮素損失均在組Ⅰ(＜150 kg·hm—2)的范圍內。其中,蔚縣農牧系統氮素損失最小(94.3 kg·hm—2)。流域內大多數縣域農田系統氮素損失大于畜牧系統。但也存在個別反例,以唐縣最為明顯,其畜牧系統氮素損失比農田系統高168 kg·hm—2。流域內僅有正定農牧系統磷素損失在組Ⅳ(＞35 kg·hm—2)范圍內,唐縣、新樂、無極和藁城在組Ⅲ(22～35 kg·hm—2)范圍內,其余各縣均在組Ⅰ(＜13 kg·hm—2)和組Ⅱ(13～22 kg·hm—2)范圍內。由于磷素在土壤中移動性差,農田系統磷素損失很小,農牧系統磷素損失主要來自畜牧系統(圖9)。

圖9 2018年白洋淀流域各縣農牧系統氮(a)、磷(b)養(yǎng)分環(huán)境損失Fig.9 Spatial distribution of nitrogen(a)and phosphorus(b)losses in the crop-livestock systems in the Baiyangdian Basin in 2018

2.6 白洋淀流域農牧系統氮磷養(yǎng)分環(huán)境損失時空變化特征

白洋淀流域農牧系統各縣養(yǎng)分損失變化差異明顯。2005年至2015年,渾源、唐縣、順平、競秀和定興農牧系統氮素損失增加量均大于50 kg(N)·hm—2·a—1;藁城、正定、新樂、無極、行唐、靈壽、定州、阜平、房山農牧系統氮素損失的減少量均大于50 kg(N)·hm—2·a—1。其中,藁城、正定、新樂農牧系統氮素損失的減少量超過300 kg(N)·hm—2·a—1。2015年到2018年,僅有唐縣農牧系統氮素損失增加量依舊大于50 kg(N)·hm—2·a—1。2005年至2018年,白洋淀流域大部分縣氮素損失均在明顯減少,僅有唐縣農牧系統氮素損失的增加量大于50 kg(N)·hm—2·a—1(圖10)。從子流域尺度來看,2005年至2018年,白溝引河與府河子流域所覆蓋的區(qū)域內農牧系統氮素損失明顯減少。

2005年至2015年,渾源、廣靈、涿鹿、定興、徐水和蓮池農牧系統磷素損失增加量大于3 kg(P)·hm—2·a—1。藁城、正定、新樂、無極、行唐、靈壽、阜平和定州農牧系統磷素損失減少量大于10 kg(P)·hm—2·a—1(圖10)。然而,2015年至2018年,流域內除繁峙、唐縣、安新、高陽外農牧系統磷素損失均明顯減少,以山前平原地區(qū)最為明顯。2005年至2018年整體來看,白洋淀流域全部縣域農牧系統磷素損失均明顯減少。

圖10 白洋淀流域區(qū)域農牧系統氮磷養(yǎng)分損失空間變化(a、b 和c 分別為2005—2015年、2015—2018年和2005—2018年間氮素損失空間變化,d、e 和f 分別為2005—2015年、2015—2018年和2005—2018年間磷素損失空間變化)Fig.10 Spatial changes of nitrogen and phosphorus losses in the crop-livestock systems in the Baiyangdian Basin(Fig.a,b and c are the spatial change in nitrogen losses from 2005 to 2015,from 2015 to 2018,and from 2005 and 2018,respectively.Fig.d,e and f are the spatial change in phosphorus losses from 2005 to 2015,from 2015 to 2018,and from 2005 and 2018,respectively.)

3 討論

3.1 白洋淀流域農牧系統氮磷養(yǎng)分流動年際特征

2005—2015年,白洋淀流域農田系統單位面積化肥氮素輸入量由355.3 kg·hm—2下降到349.8 kg·hm—2,同時單位面積化肥磷素輸入量由118.7 kg·hm—2上升到127.7 kg·hm—2。該趨勢可能與測土配方施肥政策有關,在降低氮肥用量、減少環(huán)境影響的同時也使得化肥施用氮磷比趨近最佳比例(1∶0.4～0.45)[33]。受“化肥使用量零增長”政策影響,白洋淀流域農田系統單位面積化肥氮磷輸入量下降至313 kg·hm—2和111 kg·hm—2(2018年),較政策頒布初期(2015年)降低10%和14%,且低于二者在2005年的水平,實現了政策預期目標。然而,當前白洋淀流域農田施肥強度仍遠高于糧食作物合理的施氮水平[34]和全國平均施磷水平[35],化肥減施潛力依然較大。一方面,該流域氮磷利用效率仍較低,其中氮素利用效率僅略高于河北省平均水平[36],磷素利用效率低于全國平均水平[9],因此提高氮磷利用效率是未來化肥減施的重要途徑之一;另一方面,該流域農田系統化肥源氮磷養(yǎng)分輸入占比仍高達59.2%和74.8%,有機肥替代化肥能夠提供的減量潛力仍然可觀[37]。與此同時,2018年流域內農田系統氮磷養(yǎng)分損失量與2015年相比僅減少6.6%和6.8%,農田系統氮磷養(yǎng)分損失問題依舊嚴峻。因此,深化“化肥零增長”政策中的“減肥增效”和“環(huán)保施肥”依舊是未來流域內農田系統養(yǎng)分管理的發(fā)展方向。

隨著畜牧政策的陸續(xù)頒布,政策中“禁養(yǎng)區(qū)”的劃分、“規(guī)?；别B(yǎng)殖的推進以及“畜牧補貼”的落實都有可能導致畜禽養(yǎng)殖中位于“禁養(yǎng)區(qū)”的養(yǎng)殖場或者不具備競爭力的“散戶”養(yǎng)殖場退出。與此同時,白洋淀流域畜牧系統生產強度明顯降低,養(yǎng)殖密度從2005年的6.98 LU·hm—2減少到2018年的4.74 LU·hm—2。受養(yǎng)殖數量影響,飼料氮磷輸入量明顯減少,外源飼料氮磷的進口率從2005年的75.1%和79.8%下降到2018年的63.6%和66.0%,畜禽糞尿氮磷的產生量從2005年的202.5 kg·hm—2和59.6 kg·hm—2下降到2018年的137.5 kg·hm—2和37.8 kg·hm—2。另一方面,畜禽糞尿管理設施優(yōu)化是減少糞尿端養(yǎng)分損失的重要措施[38]。受“國家農業(yè)可持續(xù)發(fā)展計劃(2015—2030年)”等一系列畜牧業(yè)相關政策實施的影響,流域內養(yǎng)殖場糞尿綜合管理設施逐漸優(yōu)化,雄安新區(qū)的建立又加速了相關政策的落實,致使流域內畜禽糞尿氮磷直排損失量明顯減少,糞尿氮磷直排比例從政策實施初期(2015年)的30.1%和45.3%降低到2018年的13.6%和20.1%。糞尿氮磷還田比例也從政策實施初期(2015年)的23.6%和47.7%增加到2018年的35.3%和71.0%。在畜禽糞尿產生量減少和糞尿還田比例增高雙重結果的影響下,白洋淀流域畜牧系統養(yǎng)分損失明顯減少。與此同時,2018年畜牧系統氮磷利用率均高于魏莎等(16.3%～20.6%)[36,39]和丁尚等(7.6%～10.0%)[11,40-41]研究結果。綜上所述,白洋淀流域畜牧系統正朝著逐漸健康的方向發(fā)展。

在“化肥零增長”政策以及一系列“畜禽政策”的共同作用下,白洋淀流域農牧結合程度不斷加深。流域內農牧系統氮磷循環(huán)利用率增加到政策頒布后的51.2%和73.8%(2018年),明顯高于2005年的35.8%和51.3%,流域內農牧系統養(yǎng)分利用率有所增加。然而,2018年流域內農牧系統氮利用率(28.0%)小于全國水平(41.0%)[42]以及京津冀區(qū)域水平(33.8%)[37];農牧系統磷利用率(19.7%)同樣小于全國水平(30.3%)[43]以及京津冀區(qū)域水平(37.7%)[39]。因此,未來白洋淀流域農牧系統應繼續(xù)減少化肥投入量,增加有機肥部分替代化肥比例,深化種養(yǎng)結合程度,進而彌補農牧系統在養(yǎng)分輸入與循環(huán)方面脫節(jié)的問題。

3.2 白洋淀流域農牧系統氮磷養(yǎng)分流動空間特征

白洋淀流域區(qū)域農牧系統養(yǎng)分輸入與輸出空間差異明顯,受地理差異的影響,呈東西低,中間高的“三明治”式特征。山前平原地區(qū)作為華北平原重要的糧食產區(qū),地勢平整,耕地資源豐富,適合發(fā)展高度集約化農田系統生產結構。在保障農作物高產的同時,山前平原地區(qū)部分縣域大量施用化肥,尤其是山前平原南部。例如,2018年正定化肥氮磷的投入量高達964 kg·hm—2和268 kg·hm—2,遠高于流域化肥平均施用水平以及農田合理的施肥水平[34],然而農田系統養(yǎng)分利用效率遠遠小于流域平均值。大清河山區(qū)受限于土壤肥力[44]以及耕作的機械化水平,人力成本較高,農田系統生產相對不發(fā)達,僅部分靠近平原的個別區(qū)縣域化肥投入量處于較高水平,如順平、靈壽化肥氮素投入量高達550 kg·hm—2和484 kg·hm—2。中部平原雖然耕地資源較為豐富,但區(qū)域內化肥氮磷養(yǎng)分平均輸入量(261 kg·hm—2和78 kg·hm—2)低于流域均值,農田系統養(yǎng)分高利用率地區(qū)均分布于此。

流域內畜禽養(yǎng)殖密度空間差異極大,養(yǎng)殖密度最大的正定縣達14.5 LU·hm—2,養(yǎng)殖密度最小的蠡縣僅有0.8 LU·hm—2。養(yǎng)殖密度高于流域平均值的縣域主要分布在山前平原地區(qū)以及個別臨近平原的大清河山區(qū)縣域,如唐縣養(yǎng)殖密度高達10.8 LU·hm—2。中部平原地區(qū)靠近白洋淀湖泊,但畜牧系統并不發(fā)達,畜禽養(yǎng)殖總量僅占全流域的6%,平均養(yǎng)殖密度只有2.6 LU·hm—2,遠低于流域平均值[17-22]。因此,高陽和蠡縣的本地飼料可以滿足畜牧系統的生產,無需再進口外源飼料。隨著白洋淀流域畜禽養(yǎng)殖禁養(yǎng)區(qū)的劃定以及合理布局養(yǎng)殖區(qū)域等一系列的環(huán)境規(guī)劃與政策的落實,白洋淀流域畜禽養(yǎng)殖空間差異將會更加明顯。

高投入、高產出、低利用效率的農牧系統氮磷流動特點,導致流域內單位面積氮磷高損失地區(qū)主要集中在山前平原南部地區(qū)。此外,白溝引河子流域、府河子流域和孝義河子流域所覆蓋的區(qū)域農牧系統氮磷養(yǎng)分損失均在組Ⅰ和組Ⅱ范圍。就氮素而言,3 個子流域中農牧系統養(yǎng)分損失依舊需要警惕。

3.3 白洋淀流域農牧系統存在問題與建議

白洋淀流域農牧系統養(yǎng)分輸入過度依賴化肥投入。應當深化化肥“零增長”政策,著眼于“減肥”,加強測土配方施肥[45]技術的推廣,優(yōu)化施肥方案,按需施肥,科學指導農田化肥施用方式,減少農田養(yǎng)分損失,提高農田養(yǎng)分利用率;另一方面,在家庭承包責任制下,農戶是耕地耕種行為的真正決策主體,引導農戶接受環(huán)境友好型施肥技術,能有效地降低農田化肥過多的使用量[46]。

白洋淀流域隨著規(guī)模化養(yǎng)殖場的增加以及畜禽政策的逐步落實,畜禽糞污直接排放的養(yǎng)分損失顯著減少,進而導致畜禽糞便中氮素氣體損失占比的增加。因此畜牧系統應優(yōu)化飼料配比[47-48],增加養(yǎng)分利用率,減少畜禽糞尿的產生量;同時,在“全鏈條”畜禽糞尿管理方面,鼓勵建設低糞尿損失的圈舍與儲存設施;摒棄傳統的“糞污堆漚”技術,采用先進的糞污處理技術[49-50]能顯著降低畜禽糞尿的氣體損失。

白洋淀流域區(qū)域間農牧系統畜禽養(yǎng)殖密度差異極大,禽糞尿產生總量與土地的承載能力不匹配極易造成養(yǎng)分損失。因此,未來畜牧系統發(fā)展應當“以地定量”[51],優(yōu)化區(qū)域間畜禽養(yǎng)殖數量。同時,白洋淀流域河道復雜,不同區(qū)域畜禽養(yǎng)殖應當考慮畜禽養(yǎng)殖禁養(yǎng)區(qū),落實環(huán)境規(guī)劃與政策,合理布局白洋淀流域作物種植和畜禽飼養(yǎng)以降低資源環(huán)境代價,最終保證白洋淀流域水環(huán)境質量健康。

4 結論

白洋淀流域農牧系統基本實現化肥“零增長”。然而,化肥養(yǎng)分投入量依舊處于過高水平,農田系統養(yǎng)分損失略微下降。畜禽養(yǎng)殖密度逐年減少,外源飼料依賴率以及畜禽糞尿產生量逐漸降低,畜牧氮磷利用率較高,畜牧系統發(fā)展較為健康。受國家和地方一系列種植業(yè)和畜牧業(yè)相關政策的影響,白洋淀流域農牧系統養(yǎng)分循環(huán)利用率明顯增加,農牧系統氮磷的總損失明顯減少,2018年分別為233.8 kg·hm—2和12.6 kg·hm—2,較2005年分別減少24.5%和62.2%。農牧系統養(yǎng)分利用率雖明顯升高,但仍處于較低水平,2018年農牧系統氮磷利用率僅有28.0%和19.7%。未來白洋淀流域農牧系統應繼續(xù)減少化肥投入,增加有機肥部分替代化肥比例,深化種養(yǎng)結合程度,進而彌補白洋淀流域農牧系統在養(yǎng)分投入與循環(huán)方面脫節(jié)的問題。

受地理差異影響,白洋淀流域區(qū)域農牧系統氮磷養(yǎng)分輸入與輸出空間差異明顯,基本呈現“三明治”式特征。部分縣域農牧系統氮磷流動出現了高投入、高產出、低利用效率的特點,主要集中在山前平原南部地區(qū)。隨著一系列政策的實施,山前平原南部地區(qū),農牧系統養(yǎng)分損失顯著降低,但依舊不容樂觀,此外,受畜禽養(yǎng)殖區(qū)域規(guī)劃與環(huán)境政策的調控,白洋淀流域空間差異會進一步加強。未來白洋淀流域農牧系統發(fā)展應當進一步加強區(qū)域間種養(yǎng)結合程度,合理布局區(qū)域間畜禽養(yǎng)殖數量,繼續(xù)減少區(qū)域化肥投入,實現養(yǎng)分協同優(yōu)化管理。