北方農(nóng)牧交錯帶農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分流動特征及環(huán)境效應(yīng)研究進(jìn)展

廖成松 翁杰

摘要 北方農(nóng)牧交錯帶跨度大、范圍廣、農(nóng)牧兼有，是研究北方農(nóng)牧業(yè)最具代表性的區(qū)域。養(yǎng)分流動直接反應(yīng)養(yǎng)分循環(huán)狀況，是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)平衡的重要表征之一，研究農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分流動對于發(fā)展可持續(xù)農(nóng)牧業(yè)，減少環(huán)境養(yǎng)分負(fù)荷等具有重要意義?？偨Y(jié)了農(nóng)牧系統(tǒng)氮、磷、鉀3種主要養(yǎng)分流動特征及其環(huán)境效應(yīng)，提出了農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)亟待深入研究的重要方向，以期為后續(xù)農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的理論研究、提高養(yǎng)分利用率技術(shù)手段的研發(fā)以及環(huán)境政策措施的制定提供借鑒與參考。

關(guān)鍵詞 北方農(nóng)牧交錯帶；農(nóng)牧系統(tǒng)；養(yǎng)分流動；環(huán)境效應(yīng)

中圖分類號 S181? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A? 文章編號 0517-6611（2023）14-0022-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.14.006

作者簡介 廖成松（1984—），男，湖南郴州人，副教授，博士，從事生物地球化學(xué)循環(huán)研究。

農(nóng)牧交錯帶是我國東部農(nóng)耕區(qū)與西部草原牧區(qū)相連接的半干旱生態(tài)過渡地帶，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)邊際地帶，在空間上農(nóng)牧并存，在時間上農(nóng)牧交替，生態(tài)環(huán)境脆弱。北方農(nóng)牧交錯帶處于亞洲季風(fēng)區(qū)的尾部，降水年際變化較大，總體干旱少雨［ 1］，范圍涵蓋遼寧、內(nèi)蒙古、河北、山西、陜西、寧夏、甘肅等省區(qū)［ 2］，土地利用方式隨著自然條件不同而呈現(xiàn)農(nóng)區(qū)、牧區(qū)交錯分布特點(diǎn)，屬氣候環(huán)境和生態(tài)變化的敏感地帶，是研究北方農(nóng)牧業(yè)最具代表性的區(qū)域［ 3］。養(yǎng)分循環(huán)是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分在各子系統(tǒng)之間及其與環(huán)境之間的傳輸過程，直接影響農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力水平，其動態(tài)平衡是維持農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展的重要因素［ 4］。養(yǎng)分流動直接反應(yīng)養(yǎng)分循環(huán)狀況，是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)平衡的重要表征之一。農(nóng)牧業(yè)系統(tǒng)是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，研究農(nóng)牧業(yè)系統(tǒng)養(yǎng)分流動特征，對優(yōu)化農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分管理，保持養(yǎng)分合理流動與循環(huán)，減少養(yǎng)分環(huán)境排放，提高系統(tǒng)利用率等具有重要意義，也可為制定農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展措施提供科學(xué)依據(jù)［ 5］。該研究總結(jié)了農(nóng)牧系統(tǒng)氮、磷、鉀3種主要養(yǎng)分流動特征及其環(huán)境效應(yīng)，提出了農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)亟待深入研究的重要方向，以期為后續(xù)農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的理論研究、提高養(yǎng)分利用率技術(shù)手段的研發(fā)以及環(huán)境政策措施的制定提供借鑒與參考。

1 氮（N）素流動特征及其環(huán)境效應(yīng)

農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)包括農(nóng)作物生產(chǎn)和牲畜養(yǎng)殖系統(tǒng)兩個子系統(tǒng)，N投入、N素利用率（NUE）、N盈余量、N輸出是反應(yīng)N素流動的重要指標(biāo)［ 6］。我國北方農(nóng)牧交錯帶區(qū)域自然環(huán)境條件較差、農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)水平相對較低，為了追求較高的產(chǎn)出，N投入量往往過高、占總N投入百分比較大且增長迅速。研究表明，京津冀地區(qū)農(nóng)牧系統(tǒng)氮素總體輸入量為 306.6 萬t［ 7］，1980—2015年河北農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系N素輸入量年均增長 1.9 倍，畜牧業(yè)N輸入量增長高達(dá)7.7 倍［ 8］。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)N投入的主要來源是肥料，實(shí)踐結(jié)果表明，京津冀地區(qū)化肥N占總輸入量的 62.5%［ 7］。北京郊區(qū)化肥N輸入［435.0 kg/（hm2·a）］占農(nóng)田氮素輸入量的82.7%［ 9］，河北地區(qū)化肥和有機(jī)肥輸入N量為 674.6 kg/（hm2·a），占總輸入氮量的88.3%［ 10］，山西化肥N輸入占總輸入氮量的59.2%［ 6］；牲畜養(yǎng)殖系統(tǒng)N投入主要來源是飼料，北京郊區(qū)農(nóng)村水平飼料N投入量為12 469.0 kg/（hm2·a），占牲畜養(yǎng)殖系統(tǒng)N投入總量比值超過90%［ 9］。北方農(nóng)牧交錯帶農(nóng)牧系統(tǒng)的NUE介于15%～45%［ 6-8，10-12］，過高的N投入并不能顯著提高NUE，反而是NUE降低的主要原因。研究表明，北京郊區(qū)農(nóng)牧系統(tǒng)NUE從1983年的11.3%增加到2013年的15.8%，30年僅上升4.5百分點(diǎn)［ 11］，而河北NUE由1980年的47.2% 下降至2015年的41.4%，下降5.8百分點(diǎn)［ 8］。采用“農(nóng)田-食用菌”模式讓農(nóng)田作物秸稈通過食用菌體系還田，或?qū)⑥r(nóng)牧體系緊密結(jié)合發(fā)展生態(tài)養(yǎng)殖，是提高生產(chǎn)系統(tǒng)NUE的有效途徑［ 9，13］。

我國北方農(nóng)牧交錯帶農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)N素流動呈現(xiàn)高投入、低NUE的特征［ 14］，必然導(dǎo)致N素的高盈余和高損失量，2003年全國種養(yǎng)系統(tǒng)中總氮損失高達(dá)2 266×104 t［ 15］，2015年河北農(nóng)田氮盈余量和損失量比1980年分別增加 1.7和1.9倍［ 8］，農(nóng)場尺度種植系統(tǒng)氮盈余量約為 190.7 kg/（hm2·a）［ 10］，2012年山西不同城市作物生產(chǎn)系統(tǒng)N盈余量介于 74～150 kg/hm2［ 6］。而造成高N盈余的根源在于肥料N投入過多［ 10］，損失的N通過氨揮發(fā)、淋洗、氮氧化物排放等方式進(jìn)入水體、空氣等環(huán)境，是造成農(nóng)業(yè)面源污染的重要因素［ 6，15］。研究表明，2012年山西農(nóng)牧系統(tǒng)損失的N為610 Gg，占總N投入的61%，損失N中的41.4% 通過氨揮發(fā)進(jìn)入空氣，30.6%進(jìn)入水體［ 6］。因此，實(shí)施化肥“零”增長、作物秸稈飼料化、精準(zhǔn)喂養(yǎng)、牲畜糞尿還田等措施［ 6，16］，促進(jìn)農(nóng)作物生產(chǎn)系統(tǒng)與牲畜養(yǎng)殖系統(tǒng)之間的N素流動，提高N素的循環(huán)再利用率［ 13，17］，是解決農(nóng)牧系統(tǒng)N環(huán)境效應(yīng)的有效手段之一。

2 磷（P）素流動特征及其環(huán)境效應(yīng)

磷是農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的另一重要元素，通過磷酸二銨、過磷酸鈣、復(fù)合肥等肥料形式進(jìn)入農(nóng)作物生產(chǎn)系統(tǒng)，通過P飼料添加劑等形式進(jìn)入到牲畜養(yǎng)殖系統(tǒng)［ 18］，經(jīng)過生物代謝之后通過農(nóng)牧產(chǎn)品、淋洗、牲畜糞尿等形式輸出［ 19］，過量的P最終返還到環(huán)境中，P循環(huán)系統(tǒng)在整體上呈現(xiàn)較為典型的單向、開放式物質(zhì)流結(jié)構(gòu)［ 20］。研究表明，2000年我國P的總需求量為815.9萬t，返還到環(huán)境的P物質(zhì)量為744.6萬t，P素利用率僅為8.7%［ 20］。2014年北京作物生產(chǎn)系統(tǒng)P投入量為109 kg/hm2，P素利用率約為31%，與牲畜養(yǎng)殖系統(tǒng)28%相當(dāng)，均處于較低水平［ 19］。從農(nóng)作物生產(chǎn)系統(tǒng)來看，P素利用率受土壤磷含量、作物種類、種植方式等因素影響［ 21］，東北三省份的比較研究結(jié)果表明，由于黑龍江土壤P含量高，其P養(yǎng)分可利用總量和P利用率均最高［ 22］。甘肅小麥間作大豆和玉米間作豌豆與單作比較，P素累積量分別提高17.1%和20.3%；但小麥間作玉米和小麥間作大豆P素利用效率分別較單作低24.3%和40.5%［ 23］。從牲畜養(yǎng)殖系統(tǒng)來看，隨著傳統(tǒng)養(yǎng)殖方式向規(guī)?；?、集約化養(yǎng)殖方式的轉(zhuǎn)變，P利用率在不斷上升［ 11，24-25］。與1980年相比，2013年北京郊區(qū)奶牛個體尺度、群體尺度和系統(tǒng)尺度P利用效率均不斷增加，其中系統(tǒng)尺度P利用效率從 13.3%增加到 22.3%［ 11］；河北省集約化養(yǎng)殖方式P利用率比小區(qū)養(yǎng)殖提高7～8百分點(diǎn)［ 25］；山西省2011年P(guān)利用率均值已達(dá)30.3%，但仍然處于較低水平［ 24］。較低的P利用率意味著高P損失，30年間北京郊區(qū)P總損失從 114 t增加到 1 763 t，增長約14.5倍［ 11］，僅2003年北京P進(jìn)入水體的量是1990年的4.4倍［ 19］，2015—2017年甘肅省總P流失量為 1 387.93 t/a［ 24］。

高P損失必然造成環(huán)境P污染，就農(nóng)牧系統(tǒng)而言，施肥量、降水量、灌溉量、耕作方式、養(yǎng)殖方式等是P面源污染的重要影響因素［ 26］，用牲畜糞尿替代化肥，加強(qiáng)土壤-作物綜合養(yǎng)分管理，從而控制P肥的施用量；在飼料中添加植酸酶激活飼糧中植酸P的可利用性，提高牲畜P利用效率，減少P的排泄；優(yōu)化農(nóng)牧P養(yǎng)分管理技術(shù)，尤其是牲畜糞尿制備有機(jī)肥技術(shù)；增強(qiáng)農(nóng)牧業(yè)廢棄物資源化利用程度等對于提高P利用率和減少環(huán)境P污染具有重要作用，潛力巨大［ 19，27］。

3 鉀（K）素流動特征及其環(huán)境效應(yīng)

與農(nóng)牧系統(tǒng)N、P高投入、低利用效率、高環(huán)境輸出等特征不同，K素營養(yǎng)一直處于虧缺狀態(tài)且虧缺量在持續(xù)擴(kuò)大。研究表明，2000、2009年我國農(nóng)田K素投入總量分別為1 068.0萬、1 523.6萬 t，總支出1 458.0萬、2 138.6萬t，虧缺量分別為390萬、615萬t［ 28-29］。農(nóng)牧系統(tǒng)的K通過施用K肥、灌溉水、外源飼料添加劑等方式進(jìn)入［ 29］，其中施用K肥占比超過50%，成為農(nóng)牧系統(tǒng)K素輸入的主要來源。而后通過作物收獲帶走、降雨徑流流失、畜禽糞便帶走等形式輸出，其中降雨徑流流失量占化學(xué)K肥施用比值約40%［ 28］，逐漸成為農(nóng)牧系統(tǒng)K素輸出和環(huán)境中K素輸入的重要來源。另外，農(nóng)牧系統(tǒng)中K素常年產(chǎn)出明顯小于投入，即產(chǎn)投比＜1導(dǎo)致我國土壤K肥力不斷下降、K肥有效地區(qū)不斷擴(kuò)大，雖然K肥用量在逐年增長，但補(bǔ)充的K尚不能維持K的收支平衡［ 29-30］。由此可見，農(nóng)牧系統(tǒng)K素與N、P明顯過剩不同，存在高投入、高流失、系統(tǒng)虧缺嚴(yán)重等特征，并受農(nóng)牧體系結(jié)構(gòu)和結(jié)合程度的影響較大［ 31］。可以通過加強(qiáng)水肥管理、改善畜禽糞尿管理，減少K素隨徑流流失量，提高畜禽糞尿在作物生產(chǎn)和牲畜養(yǎng)殖系統(tǒng)間的循環(huán)利用比例，增加K素利用效率，減少進(jìn)入環(huán)境的數(shù)量，降低環(huán)境中K素負(fù)荷［ 5］。

4 小結(jié)與展望

目前，我國農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)呈現(xiàn)出“三高二低”的特征，即高養(yǎng)分投入、高化學(xué)肥料依賴、高環(huán)境負(fù)荷、低養(yǎng)分利用效率、低農(nóng)牧結(jié)合［ 32］。在一定程度上，這與我國耕地資源少、人口眾多的基本國情息息相關(guān)，用占世界8%的耕地資源養(yǎng)活20%的人口，從而過度依賴化學(xué)養(yǎng)分高投入來追求糧食和飼料的高產(chǎn)量［ 17］，進(jìn)而支持集約化畜牧業(yè)發(fā)展，提供更多的肉、蛋、奶等以滿足人民日益增長的美好生活需要。二十大報告明確，全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興，堅持農(nóng)業(yè)農(nóng)村優(yōu)先發(fā)展。農(nóng)牧業(yè)是農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，必然要走可持續(xù)集約化的發(fā)展方向，而農(nóng)牧系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)在一定程度上決定了農(nóng)牧業(yè)的綠色、可持續(xù)發(fā)展程度。因此，加強(qiáng)農(nóng)牧業(yè)養(yǎng)分循環(huán)的研究具有十分重大的現(xiàn)實(shí)意義，未來可以重點(diǎn)從以下幾方面開展研究：一是農(nóng)牧結(jié)合的有效方式。通過農(nóng)牧緊密結(jié)合不僅提高農(nóng)作物生產(chǎn)系統(tǒng)與畜牧養(yǎng)殖系統(tǒng)的養(yǎng)分的雙向流動，整體提高養(yǎng)分利用效率，破解對養(yǎng)分高投入的過度依賴；同時，能顯著降低農(nóng)牧系統(tǒng)向環(huán)境的養(yǎng)分輸出，減少環(huán)境養(yǎng)分負(fù)荷，達(dá)到綠色、可持續(xù)的目標(biāo)。二是開展“農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)—食物消費(fèi)”全鏈條綜合減排技術(shù)研發(fā)。農(nóng)牧產(chǎn)品是農(nóng)牧業(yè)系統(tǒng)養(yǎng)分輸出的重點(diǎn)，也是食物消費(fèi)系統(tǒng)的重要輸入來源，研究農(nóng)牧產(chǎn)品生產(chǎn)與消費(fèi)全鏈條養(yǎng)分循環(huán)特征，研發(fā)全鏈條綜合減排技術(shù)，避免養(yǎng)分利用效率低下問題由生產(chǎn)端向消費(fèi)端后移，造成農(nóng)牧業(yè)養(yǎng)分利用率明顯提高的“假象”。三是農(nóng)牧業(yè)系統(tǒng)養(yǎng)分協(xié)同效應(yīng)。農(nóng)作物生產(chǎn)和畜禽養(yǎng)殖成效并不是單一養(yǎng)分的疊加，而是多養(yǎng)分協(xié)同作用的結(jié)果。因此，研究農(nóng)牧業(yè)系統(tǒng)養(yǎng)分流動特征和提高養(yǎng)分利用率的技術(shù)措施，更應(yīng)該著眼于各養(yǎng)分之間的協(xié)同效應(yīng)。四是碳氮協(xié)同作用，食物生產(chǎn)消費(fèi)系統(tǒng)氮素動態(tài)變化與環(huán)境中碳排放和碳中和關(guān)系緊密，研究碳氮協(xié)同作用，可為農(nóng)牧業(yè)系統(tǒng)雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)助力。

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