常熟市食物鏈系統氮素生產-消費平衡及環境負荷特征

張　寧，王延華，2*，楊　浩，2，周　偉，蔡祖聰，2

（1.南京師范大學地理科學學院，南京 210023；2.江蘇省物質循環與污染控制重點實驗室，南京 210023；3.中國科學院南京土壤研究所，南京 210008）

常熟市食物鏈系統氮素生產-消費平衡及環境負荷特征

張寧1，王延華1，2*，楊浩1，2，周偉3，蔡祖聰1，2

（1.南京師范大學地理科學學院，南京 210023；2.江蘇省物質循環與污染控制重點實驗室，南京 210023；3.中國科學院南京土壤研究所，南京 210008）

為了解常熟市食物鏈系統氮素流動特征，通過構建食物鏈氮素流動模型，應用模型計算該市2000—2013年農田生產、畜禽養殖、家庭消費三個子系統氮素流動通量，對食品氮的生產消費平衡和氮素環境損失及負荷特征進行了分析。結果表明：2000—2013年常熟市植物性食品氮每年盈余，年均盈余量2 171.54 t；動物性食品氮在2000—2002年盈余47.71～56.92 t，2003—2013年動物性食品氮生產少于需求，年均虧缺210.03 t；該市食物鏈系統年均損失氮素2.34萬t，三子系統氮素年均環境損失率分別為65.39%、69.03%、68.16%；氮素損失平均每年給當地環境造成1.81萬t氮負荷，分別有40.33%、29.65%、30.02%進入水體、大氣、土壤環境?？梢?，常熟市食物鏈氮素流動系統中存在氮素環境損失率高、環境負荷量大的問題。對此，可采取提高廢棄物氮的循環利用率，減少農畜食品生產中氮素投入量的措施進行調控管理。

氮素；食物鏈；生產-消費平衡；環境負荷

張寧，王延華，楊浩，等.常熟市食物鏈系統氮素生產-消費平衡及環境負荷特征［J］.農業環境科學學報，2016，35（9）：1797-1806.

ZHANG Ning，WANG Yan-hua，YANG Hao，et al.Characteristics of production-consumption balance and environmental loads of nitrogen in food chain system in Changshu City［J］.Journal of Agro-Environment Science，2016，35（9）：1797-1806.

氮素是人體必需的養分元素之一，主要通過飲食獲取。氮素隨肥料、飼料、食品的投入產出在人類食物生產與消費活動中循環流動，食物鏈氮素流動系統是對這一循環過程的抽象概括。模型模擬是食物鏈氮素流動研究常用的方法，目前國內外已建立生命周期評價模型［1］、氮足跡模型［2］、凈人為氮輸入模型［3］、中國營養體系養分流動循環模型［4］及養分流動循環模型［5］等主要模型。研究發現氮素在食物鏈及其子系統利用率較低。據估算，20世紀90年代中期全球植物性食品氮利用率為26.67%，動物性食品氮利用率為15.15%［6］。挪威小麥、牛奶、肉類氮代價分別為3、14、21，相當于氮素利用率分別只有33.3%、7.14%和4.76%［7］。我國2005年農田生產、畜禽養殖及整個食物鏈系統氮素利用率分別為26%、11%和9%［5］。食物鏈系統投入氮素中約有80%［8］損失進入環境，給環境造成負荷壓力，并可能引發氮素污染。挪威研究發現，當農田生產中的氮素環境損失量較高時，氮素環境損失量與流域水體氮濃度顯著相關［9］。我國宜溧河流域種植業、畜禽及水產養殖業對水體的氮素污染貢獻率分別為55.9%、34.4%和9.8%［10］。南京市東郊蔬菜生態系統作物氮肥利用率低，使該區地下水污染風險較大［11］。因此，針對食物鏈系統氮素利用率低、損失多而造成的環境污染問題，國內外學者在不斷探索和完善調控方法［12-15］。

常熟市是長三角地區重要農產區，農田種植、畜禽養殖業都較發達。多年來該區地表水受到氮素污染［16-17］，或與食物生產和消費活動有關，且該市自產的農畜食品氮能否滿足消費需求？盈虧程度如何？以及該市農畜食品的生產消費活動給當地環境造成了多大氮素負荷壓力？這些問題目前尚不明確。實驗測試方法不能得到答案，就需要模型模擬方法解決。本研究基于食物鏈氮素流動模型，對該市食物鏈氮素流動系統進行研究，以了解該區食品氮素生產消費平衡狀況以及氮素損失給當地環境造成的影響，進而為該區氮素資源合理利用和氮素污染問題治理提供參考。

1　材料與方法

1.1研究區域概況

常熟市（31°31′～31°51′N，119°14′～120°29′E）是蘇州的縣級市，地處太湖流域河網平原區，境內水網交織，有望虞河、常滸河、昆承湖等主要水體。水系以城區為中心向四周放射。該區為亞熱帶季風氣候，多年平均氣溫16.62℃，年均降水量1 206.69 mm［18］。常熟市是太湖流域典型農業發達區［19］，農業結構以種植業為主，畜牧業居第三位。農業生產和人民生活釋放的大量氮素曾給當地水環境造成污染，目前大多河湖水質明顯改善［17］，但仍有個別水域污染嚴重，甚至面臨水質型缺水問題［16］。

1.2常熟市食物鏈氮素流動模型

本研究基于物質流分析方法和質量平衡原理，參考食物鏈養分流動模型［5］，構建了常熟市食物鏈氮素流動模型，包括農田生產、畜禽養殖、家庭消費三個子系統。

1.2.1模型邊界

模型的區域邊界以常熟市行政邊界為準，包括虞山、海虞、梅李等9個行政鎮［18］。模型系統邊界（圖1）是由農田生產、畜禽養殖、家庭消費三個子系統中不同輸入、輸出氮素流所構成的食物鏈系統邊界。

為保證系統內部氮素流動的整體關聯性和一致性，農田生產子系統選擇了在農田種植、收獲物主要用于人類食物消費、秸稈可用作飼料或肥料的13種農作物，包括水稻、麥類、玉米、蔬菜、油菜、豆類、薯類、油料、糖料。畜禽養殖子系統中畜禽種類包括牛（奶牛、肉牛）、羊、豬、家禽、兔。家庭消費子系統選擇以農田和畜禽子系統中輸出產品為原料的食物種類，包括食用油、糧食、蔬菜、肉、蛋、奶等。

1.2.2模型算法

根據質量平衡原理，設定每個子系統的氮素總輸入等于總輸出，各子系統算法如下：

（a）農田生產子系統（Crop production subsystem）

圖1　食物鏈氮素流動系統Figure 1 Nitrogen flows in food chain system

式（1）～（3）中，各項氮流通量單位均為t，NC-inp和NC-outp分別為農田子系統氮素總輸入和總輸出。NFer，化肥氮，包括氮肥和復合肥中所含氮素；NExc，糞尿肥氮，包括畜禽和人糞尿氮還田部分；NSeed、NIrr、NDep分別為種子、灌溉水、大氣沉降輸入氮；NBNF，生物固氮，采用作物播種面積乘以固氮系數；NCro，作物還田氮，作物還田部分所含氮素。NGra，作物收獲物氮，收獲產量乘以氮含量；NStr，作物秸稈氮，由作物產量、秸稈/籽粒比、秸稈氮含量三項相乘得到；NNH3、NDen、NRun、NLea分別為氨揮發、反硝化、徑流和淋溶損失氮，這四項是農田子系統進入大氣和水體環境的氮素，由農田生產中施入的肥料氮量乘以氨揮發、反硝化、徑流和淋溶損失系數得到；NAcc，土壤盈余氮，根據質量平衡，由系統氮素總輸入減去作物收獲氮量、秸稈氮量、損失進入水體氮量和進入大氣氮量得到。

（b）畜禽養殖子系統（Livestock breeding subsystem）

式（4）～（6）中，各項氮流通量單位均為t，NL-inp和NL-outp分別為畜禽子系統氮素總輸入和總輸出。NCrop、NStr、NBy-pro、NKit依次為飼料糧氮、秸稈飼料氮、畜禽骨副產物飼料氮、廚余垃圾飼料氮，分別由作物收獲氮量、秸稈氮量、骨和副產物氮量、家庭消費子系統產生廚余垃圾氮量乘以各項作飼料比例求得；NOther，其他外源飼料氮，由系統輸出總氮量減去其余各項輸入氮量求得。NEgg和NMilk為蛋氮和奶氮，分別由蛋、奶產量乘以氮含量求得；NMeat、NBone、NBy-pro為肉氮、骨氮和副產物氮，由畜禽出欄數量、畜禽活體重、肉骨副產物占活體重比例及其氮含量四項相乘得到；NExctofie、NExctowat、NExctoair為畜禽糞尿還田、進入水體和進入大氣氮，這三項由畜禽糞尿氮量乘以糞尿不同去向比例得到，其中畜禽糞尿氮量通過畜禽養殖數量乘以畜禽排氮量求得。

（c）家庭消費子系統（Household consumption subsystem）

式（7）～（9）中，各項氮流通量單位均為t，NH-inp和NH-outp分別為家庭消費子系統氮素總輸入和總輸出。NPla、NAni為植物性和動物性食品氮，即居民植物性食品氮和動物性食品氮的實際消費量，由城鄉人口數量、人均食物消費量和食品氮含量相乘求得。NBody，人體吸收氮，食品氮消費量乘以人體吸收比例；NKit as feed、NKittowat、NOtherkit分別為廚余垃圾作飼料、進入水體氮及其他去向氮，由廚余垃圾氮量乘以不同去向比例得到，廚余垃圾氮量根據城鄉人口食物消費氮量乘以消費中廚余垃圾產生比例求得；NExctofie、NExctowat、NExctoair依次為人糞尿還田、進入水體、進入大氣氮，由人糞尿氮量乘以糞尿不同去向比例得到，其中人糞尿氮量由系統氮素總輸入減去人體吸收氮和廚余垃圾氮求得。

1.2.3模型數據

常熟市食物鏈氮素流動模型所需數據可分為兩類，即參數數據和基本信息數據。

該模型涉及參數眾多。因地域不同而有明顯差異的參數，諸如大氣沉降速率［19］、灌溉水氮含量［20］、氮素徑流和淋溶［11，21-22］、氨揮發［21，23-26］、反硝化［21，24-27］等的損失率，是通過查閱相關文獻獲取其合理取值范圍，并結合研究區地域符合程度確定取值。而受地域差異影響小的參數，如復合肥氮含量比例［4-5，28］、生物固氮速率［21-22］、各類作物收獲物氮含量［19，29-30］、秸稈氮含量［19-21］、秸稈/籽粒比［19-21］、單位面積種子氮輸入量［19，22，29］、畜禽活體重［19-20］、肉骨副產物占體重比例及其氮含量［4，20］、畜禽排氮量［21］、食品氮含量［4，20，31］等參數參考相關文獻后合理取值。各類作物收獲物作食品、飼料及其他，秸稈還田、作飼料、燃燒及其他，畜禽骨副產物作食品、飼料，人畜糞尿還田、進入大氣、進入水體，廚余垃圾作飼料、進入水體及其他不同去向的比例參數，參考了馬林［4］、高利偉［20］相關研究中2000年以后的數據，并結合我國第一次全國污染源普查的入戶調查統計數據、本課題組實地調研情況以及周楊等［32］2006、2011年兩次農戶調研統計數據綜合整理后確定。歷年城鄉居民人均食品年消費量從《常熟統計年鑒》［33］獲得。由于參數較多，表1～表3僅列出三個子系統的部分參數。

基本信息數據，如氮肥與復合肥折純量、作物播種面積與產量、蛋和牛奶產量、畜禽養殖數量（豬、羊、兔取當年出欄數；肉牛取當年出欄數，奶牛取年末存欄數；家禽取年末出欄數）、城鄉人口數量等來自《常熟統計年鑒》［33］；耕地面積、行政面積及其他相關數據同時參考了《常熟年鑒》［18］和《蘇州統計年鑒》［34］。

1.3數據統計分析方法

本研究使用WPS Office 2016中Excel表格的統計繪圖功能進行數據初步統計分析和制圖，并使用SPSS 18.0的回歸分析和通徑分析［35］功能對氮素生產-消費平衡及環境負荷特征的影響因素作進一步分析。

1.3.1食品氮盈缺氮量和盈缺率

農田和畜禽兩個生產子系統模擬植物性和動物性食品氮的實際生產情況，家庭子系統模擬居民食品氮實際消費情況。衡量食物鏈氮素養分生產與消費平衡使用下列公式：

S=P-C和R=S/P×100%式中：S為食品氮盈缺量；P為食品氮生產量，當用于植物性食品氮時，指農田子系統作物收獲物氮中用作食物的部分，由公式（2）中作物收獲氮量乘以收獲物作食品比例求得，當用于動物性食品氮時，指畜禽子系統產出的蛋奶肉骨及副產物作食品部分的氮素總量；C為食品氮消費量，算法見公式（7）；R為食品氮盈缺率。

表1　化肥氮、灌溉水輸入氮、生物固氮及肥料氮環境損失參數Table 1 Parameters for nitrogen losses to environment in chemical fertilizer，irrigation water，biological fixation and organic fertilizer

表2　畜禽養殖子系統參數Table 2 Parameters for nitrogen in livestock breeding subsystem

表3　食物氮含量Table 3 Nitrogen content in food

S=0時，表示該區生產的食品氮恰好滿足居民消費需求；S＜0時，生產少于需求；S＞0時，生產超過需求。

1.3.2環境氮損失量和損失率

系統中未被有效利用而損失的氮素，稱為環境損失氮，包括農田子系統通過氨揮發、反硝化、淋溶、徑流、燃燒損失進入水土氣環境的氮素，畜禽子系統以糞尿為載體進入大氣、水體的氮素以及家庭子系統以廚余垃圾、人糞尿為載體進入大氣和水體的氮素。燃燒途徑進入大氣的氮量由秸稈氮量乘以秸稈燃燒比例得到，其余各項環境損失氮量算法分別見公式（2）、（5）、（8）。分項環境損失氮量之和為氮素環境損失量，損失率按下式計算：

式中：R為氮素環境損失率；L為氮素環境損失量；Ninp為氮素投入量。1.3.3氮素環境負荷量

圖2　常熟市2000—2013年食品氮盈缺Figure 2 Surpluses and deficiencies of food nitrogen in Changshu City from 2000 to 2013

本研究用環境負荷氮量衡量源于食物鏈系統且能給環境造成污染的氮素數量。環境負荷氮量與環境損失氮量區別在于前者不包含反硝化主要產物N2。反硝化產生的環境負荷氮量以N2O-N計，據公式“施氮量×環境排放因子+背景排放量”［36］，其中N2O環境排放因子為0.66%，水田、旱地排放背景值分別為0.76、0.78 kg N·hm-2。其余分項環境負荷氮量算法與環境損失氮量算法相同。

2　結果與討論

2.1食物鏈系統氮素生產與消費平衡特征

比較食品氮生產量與居民實際消費量可看出氮素生產與消費平衡狀況。由圖2可見，2000—2013年常熟市每年植物性食品氮都有盈余，每年平均生產4 562.09 t植物性食品氮，居民實際消費2 390.55 t，年均盈余量達2 171.54 t，盈缺率在36.40%～62.51%之間，供給遠高于消費需求，表明當地每年都可以向外地輸出農作物產品。而動物性食品氮只在2000—2002年有56.27、47.71、56.92 t的少量盈余，盈缺率在5.75%～7.12%之間；從2003年起，動物性食品氮素盈缺量一直為負，年均缺少210.03 t，盈缺率為-3.54%～-68.56%，個別年份缺口較大。

常熟市植物性食品氮年均有47%的盈余，與當地種植業單產高和政府高度重視有關。2013年，該市建立水稻制種基地300 hm2，育成水稻新品種累計20個，設立11個病蟲預測點，可準確預報病蟲害。此外，研究發現常熟市2000—2013年的植物性食品氮需求波動下降了26.27%，生產供給下降了8.39%，植物性食品氮需求減少速度比生產快（圖3），導致盈余總體上增加。而當地畜牧業生產規模小，發展不穩定，其產值只有農田種植業的1/5。雖然2013年畜牧業產值比2000年增長98%，但肉蛋奶等產量卻減少了2%。由圖3可見，該地區動物性食品氮的生產總體呈下降趨勢，而需求卻波動增長，使其近年動物性食品缺口較大，平均每年25%的動物性食品氮依靠外地輸入。

圖3　常熟市2000—2013年食品氮生產與需求變化總體趨勢Figure 3 Changes of food nitrogen production and consumption in Changshu City from 2000 to 2013

2.2食物鏈系統氮素環境損失特征

食物鏈系統投入氮素的去向可分為兩種：一是直接或經循環利用轉化為食品氮最終被人體吸收，二是損失進入環境。據統計常熟市2000—2013年平均每年損失氮素23 382.70 t。由圖4可看出，農田子系統年均損失最多，達17 867.81 t，畜禽子系統每年損失3 319.58 t，家庭子系統2 195.31 t。從環境損失率來看，食物鏈三個子系統氮素環境損失率在59.82%～69.81%之間，其中農田子系統損失率最低，為65.38%，家庭子系統為68.16%，畜禽子系統最高，達69.03%。

表4　逐步回歸和通徑分析結果Table 4 Step-wise regression and path analysis

常熟市食物鏈氮素流動系統中，以農田子系統環境損失氮量最多。這可能與該子系統氮素投入量大、環境損失途徑多有關。2000—2013年，平均每年種植業投入氮素2.73萬t，是畜禽子系統氮素投入量的5.68倍、家庭子系統的8.48倍。但農作物只吸收利用了39.15%，而且其中的部分氮素（占總投入的4.53%）最后又通過秸稈燃燒損失掉，其余氮素經氨揮發和反硝化損失30.83%，淋溶和徑流損失10.16%，還有19.86%貯存于土壤中。

當地食物鏈系統氮素環境損失率每年都超過氮素投入的50%，從側面反映出氮素利用率低。本研究中，該地農田子系統作物秸稈和收獲物的氮素利用率年均值為39.15%，畜禽系統產出食品的氮素利用率為13.99%。其他地區同樣存在這種現象。北京市2000—2007年農田和畜禽兩個子系統的氮素利用率分別為25.88%和16.27%［20］，年均環境損失率在70%以上。張福鎖等［8］總結國內外研究，估算出氮素在食物生產與消費系統的利用效率約為20%，其余80%的氮素損失進入環境。

圖4　常熟市2000—2013年食物鏈系統年均氮素環境損失Figure 4 Mean annual nitrogen loss from food chain system to environment in Changshu City from 2000 to 2013

將多個氮素環境損失量（y3）的影響因素（x）與y3進行逐步回歸分析后得到方程Y3（表5）。由剩余通徑可知，除x1、x2、x3以外的因素對氮素環境損失的直接影響作用僅為3.2%，因素x1、x2、x3對y3影響貢獻達96.8%；由直接通徑系數可知，農田子系統氮素損失對食物鏈系統氮素環境損失產生了最大的直接影響，其次是畜禽子系統氮素損失和家庭子系統人糞尿氮損失的影響。

2.3常熟市食物鏈系統氮素環境負荷特征

2.3.1食物鏈系統氮素環境負荷

環境損失氮中的N2-N對環境無害，因此僅衡量環境損失氮不能真實反映環境面臨的氮素污染風險。本研究統計了食物鏈系統排放的對環境具有污染危害的環境負荷氮量。常熟市2000—2013年食物鏈系統平均每年給當地造成18 101.95 t環境氮負荷，其中農田子系統排放占69.53%，畜禽子系統占18.34%，家庭子系統占12.13%。這些環境負荷氮素最終進入水、土、氣環境，均可能對環境造成污染，其中水環境負荷氮7 299.83 t，大氣環境負荷氮5 367.13 t，土壤環境負荷氮5 434.99 t（圖5）。

圖5　常熟市2000—2013年食物鏈系統年均環境氮素負荷Figure 5 Annual environmental nitrogen load of food chain system in Changshu City from 2000 to 2013

表5　逐步回歸和通徑分析結果Table 5 Step-wise regression and path analysis

耕地是這些環境負荷氮遷移轉化的主要場所，常熟市每公頃耕地每年共向水土氣環境釋放230 kg負荷氮。據報道，我國2005年平均水平為186 kg·hm-2［5］，遼寧省201 kg·hm-2［37］，常熟市高于這些地區。該地農田子系統產生的這些環境負荷氮以食品氮產出折算，相當于該區每產出1 kg植物性食品氮將釋放2.80 kg環境負荷氮，比全國水平［5］多1.22 kg。畜禽子系統排放的環境負荷氮量相當于每生產1 kg動物性食品氮伴隨產生4.93 kg環境負荷氮，相比也高于全國總體水平（4.17 kg）［5］。該區家庭消費子系統排放的環境負荷氮源于居民農畜食品消費過程，合計每人年均釋放2.08 kg，高于全國1.53 kg的水平；這些氮素是當地居民消費3 220.63 t動植物性食品氮產生的，因此相當于該市居民每消費1 kg食品氮將給環境造成0.68 kg氮負荷，而我國2005年水平為0.50 kg。對比看出常熟市2000—2013年食物鏈氮素流動系統給當地環境造成的氮素負荷壓力大于全國平均水平。

2.3.2食物鏈系統氮素環境負荷的水環境影響

常熟市湖蕩眾多，水網密集，種植養殖以及家庭生活損失的氮素容易進入并污染水體。本研究核算，2000年以來平均每年有7 299.83 t氮由食物鏈系統進入當地水環境。Ti等［19］對常熟市2007年水體氮素環境負荷進行過估算，包括種植業、畜牧業、漁業、工業、生活等多項來源共計8 108.3 t氮，本研究同年估算結果為6 922.4 t氮。每年如此之多的氮素進入水體，無疑易使水環境遭受污染。

常熟市水體環境氮負荷中38.07%來源于農田生產活動，34.18%來源于畜禽養殖活動，家庭食物消費活動占27.75%。與全國［5］以及江蘇?。?8］、浙江?。?8］、上海市［38］等相比，常熟市不同子系統對水體環境氮素負荷的貢獻比例差異較?。▓D6）。據報道：黑龍江阿什河流域種植業向當地河流中輸入氮素2 229.74 t［39］；日本北海道Kepau河流域一農場每年向Kepau河輸入氮素14.4 t，其中90%是隨降雨和春季融雪帶入的［40］；1981—1991年加拿大Fraser山谷的農牧生產活動每年給當地水環境造成7 250 t氮負荷［41］；廈門市2008年居民食物氮消費活動產生2 673.12 t水體環境氮負荷［42］?？梢姡澄锷a與消費系統向水體環境排放氮素的問題早已引起了國內外學者的關注。

圖6　水體環境氮素負荷的來源Figure 6 Sources of water nitrogen load

從物源來看，常熟市水體環境的氮素負荷畜禽糞尿排放量最多，平均每年2 500.90 t，其次是城鄉居民的糞尿1 919.89 t，第三是化肥1 810.22 t，這三大來源共占總量的85.33%。有研究發現常熟地區河湖水體的氮污染源主要來自城鎮生活污水和農村人畜排泄物［18］，與本研究結果一致。蘇州2012—2014年環境公報顯示其河湖水質與氮素有關，河流首要污染物為氨氮，湖泊首要污染物為總氮。可見，水環境負荷氮多與常熟市河湖水質惡化有密切關系。對多個影響因素（x）與水環境氮素負荷量（y4）進行回歸分析和通徑分析后得到方程Y4（表6）。由剩余通徑可知，逐步回歸自動篩選出的4個變量因素對水環境氮素負荷量的影響貢獻率達92.3%，直接影響作用依次為：飼料氮投入＞淋溶徑流損失氮量＞居民糞尿氮產生量＞廚余垃圾氮產生量。

3　結論

常熟市2000—2013年食物鏈系統食品氮生產消費平衡呈現植物性食品氮每年盈余、動物性食品氮2003年起每年虧缺的特征。食物鏈系統氮素環境損失率高而利用率低。損失進入環境的氮素使當地水體、土壤、大氣面臨污染威脅，該市河湖水質惡化與食物鏈系統產生的大量氮素負荷有關。

針對以上問題，可從以下兩方面進行調控：

（1）提高氮素循環利用率以降低環境損失率。如減少秸稈焚燒，增加秸稈和糞尿還田，提高秸稈、糞尿、廚余垃圾原料化能源化比例。

表6　逐步回歸和通徑分析結果Table 6 Step-wise regression and path analysis

（2）合理減少氮素投入以減輕環境負荷壓力。如減少化肥氮的投入量，可將目前化肥氮的投入水平降低至180 kg N·hm-2的合理施用水平；縮減養殖規模并保持農業委員會提出的畜禽食品30%自給的農業發展規劃目標。

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Characteristics of production-consumption balance and environmental loads of nitrogen in food chain system in Changshu City

ZHANG Ning1，WANG Yan-hua1，2*，YANG Hao1，2，ZHOU Wei3，CAI Zu-cong1，2
（1.School of Geography Science，Nanjing Normal University，Nanjing 210023，China；2.Jiangsu Provincial Key Laboratory of Materials Cycling and Pollution Control，Nanjing 210023，China；3.Institute of Soil Science，Chinese Academy of Sciences，Nanjing 210008，China）

Changshu is a developed city in the Taihu Lake Region with intensive agriculture and dense population.It was reported that nitrogen was primary pollutant of the surface water in Changshu City.To understand the characteristics of nitrogen flows in Changshu food chain system，a nitrogen flow model in food chain system was constructed.The model was then applied to calculate the nitrogen fluxes in crop production subsystem，livestock breeding subsystem and household consumption subsystem of Changshu City from 2000 to 2013.The characteristics of production and consumption balance and environmental loads of nitrogen were finally analyzed.Results showed that plantderived food nitrogen had an average annual surplus of 2 171.54 t·a-1from 2000 to 2013.Animal-derived food nitrogen showed a little surplus of 47.71～56.92 t from 2000 to 2002.From 2003 to 2013，however，animal-derived food nitrogen was short of 210.03 t·a-1.The food chain system lost 23 382.70 t N·a-1into the environment.The loss rates of three subsystems were 65.39%，69.03%and 68.16%for crop production，livestock breeding and household consumption subsystems，respectively.The lost nitrogen caused an environmental load of 18 101.95 t N·a-1，40.33%of which was transported into water，29.65%into atmosphere and 30.02%into soil.This revealed that the nitrogen loss rates were relatively high and the environmental load of nitrogen was huge in the food chain system in Changshu City.Enhancing nitrogen cycle utilization efficiency and decreasing nitrogen inputs in farm-livestock production would be critical to nitrogen control in agricultural system.

nitrogen；food chain system；production-consumption balance；environmental load

X171.5

A

1672-2043（2016）09-1797-10doi：10.11654/jaes.2016-0148

2016-01-29

國家重大科學研究計劃項目（2014CB953801）；國家自然科學基金項目（41273102）；南京師范大學百人計劃項目（184080H20181）

張寧（1990—），女，河北保定人，碩士研究生，主要研究方向為氮素遷移轉化對環境的影響。E-mail：zhangning_njnu@163.com

王延華E-mail：wangyanhua@njnu.edu.cn