農牧系統養分管理

馬林，馬文奇，張福鎖

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農牧系統養分管理

馬林1，馬文奇2，張福鎖3

（1中國科學院遺傳與發育生物學研究所農業資源研究中心/河北省節水農業重點實驗室/中國科學院農業水資源重點實驗室， 石家莊 050021；2河北農業大學資源與環境科學學院，河北 保定 071001；3中國農業大學資源與環境學院/植物-土壤相互作用教育部重點實驗室，北京 100193）

中國農田養分資源管理和高產高效理論與技術取得了重要突破。在玉米-小麥輪作體系，產量和養分利用率可同步提高15%—30%[1]，顯示育種、栽培、養分管理等綜合集成技術增產增效潛力巨大。但該體系著重考慮了化肥養分的高效利用，對糧田有機肥的施用考慮較少，更是忽略了牧草養分管理研究。與此同時，種植業生產與畜牧業生產如何匹配、如何提高農牧系統養分利用效率、農牧系統氨揮發減排技術等研究常被忽視。因此，開展農牧系統養分管理研究，系統梳理農牧系統面源污染控制政策成為我國農牧業可持續發展的關鍵。

本?？M織了全國農牧系統養分管理協作網（科研院所10多家）的專家撰寫研究論文15篇，從以下3個方面報道了我國農牧系統養分高效利用方面的主要研究結果。

1 中國農牧系統養分管理研究的意義與重點

在本專刊開篇綜述“中國農牧系統養分管理研究的意義與重點”中，馬林等[2]對中國農牧系統養分投入、利用率和環境排放等特征進行分析，結合國內外農牧系統養分管理研究進展，提出了中國農牧系統養分管理研究重點。目前中國糧食和飼料產量的提高過度依賴化肥養分投入，而集約化發展的畜牧業廢棄物資源化利用有限，顯現出農牧分離的生產特征。這導致農牧系統養分流動效率低、環境排放高；都市圈及其周邊更是排放的熱點區域。國際研究經驗表明，農牧結合是可持續集約化農業發展的必由之路。農牧結合的核心目的是通過改善畜禽糞尿管理，減少養分損失并提高其進入農田循環的比例和數量。未來，中國農牧系統養分管理研究應包括：（1）典型農作系統“土壤-作物-畜牧”系統養分流動規律和環境效應的定量研究；（2）有機肥替代化肥機理與調控途徑研究；（3）畜禽糞尿養分循環利用機理和減排技術研究；（4）高產高效“土壤-作物-畜牧”系統設計研究。

2 不同區域農牧系統養分流動特征

Ma等[3-4]建立了食物鏈和農牧系統（土壤-作物生產-畜牧生產-食品加工-家庭消費-環境）養分流動模型（NUFER），實現了國家和區域尺度上，從食物鏈和農牧系統角度對氮磷平衡、環境排放、利用率及流動規律進行定量分析。模型可以模擬國家和區域尺度上食物鏈和農牧系統NH3、N2、N2O揮發，氮磷養分淋溶、徑流和侵蝕等環境損失。在本?？?，利用NUFER模型，系統分析了東北地區、北京、河北、山西、重慶、云南等不同地區農牧系統養分流動特征。

東北地區是中國重要的商品糧基地及畜牧產品生產地。張曉萌等[5]分析表明，1984—2014年東北地區農牧系統氮磷養分投入大幅增加，不同省域間表現出明顯差異。黑龍江地區的氮磷養分可利用總量均最高，而氮磷養分的循環再利用效率則表現為吉林地區最高。東北地區農牧結合系統中，黑龍江地區氮素利用率高于其他地區，遼寧地區的磷素利用率高于吉林和黑龍江地區。吉林和遼寧地區的氮磷養分損失率分別高于其他地區。因此，要實現東北地區農牧業可持續發展，需要針對不同地區的養分流動特征提出農牧管理方面合理化建議。

以北京市為例，魏莎等[6]分析了都市圈“土壤-飼料-動物”系統養分流動與環境效應。1980—2013年間，北京市“土壤-飼料-動物”系統氮磷流動特征伴隨城市化進程和地區經濟發展發生了很大變化。這些變化與種養結構的變化、養殖規模和方式以及環保政策密切相關。

佟丙辛等[7]以華北平原典型地區河北省為例，分析農牧體系氮素循環利用效率和農牧業結合的程度，探討農牧體系氮素的優化管理途徑。1980—2015年，河北省農牧系統氮素投入量大幅度增加，氮素富集和環境排放嚴重，氮素利用率偏低，不同區域單位面積氮素平衡存在較大差異，農田生產與畜禽生產之間養分循環嚴重脫節。在該地區，應該充分利用本地飼料資源，提高有機肥的還田率，走農牧結合的道路，降低因“農牧分離”造成的“高投入-低效率”代價，促進農牧業可持續發展。

張建杰等[8]對山西省農牧交錯帶農牧生產系統的氮素流動特征及其環境效應進行分析，發現農業產業結構不合理、“農牧分離”是造成農牧生產系統氮素利用率低下的主要原因。農田養分資源綜合管理要在空間上合理配置氮素資源，在養分投入上既要考慮化學氮肥和糞尿氮素的投入，也要兼顧來源于環境的氮素投入，更要注重和畜牧生產系統的耦合，以最小的環境代價生產更多的農牧產品。

陳軒敬等[9]針對位于三峽庫區腹心的重慶地區近年來農牧生產發展中的不合理氮素管理導致的農業面源污染加劇問題，通過評價重慶地區農牧系統的氮素流動特征，明確了氮素的主要損失途徑及驅動因素。在近20年中，重慶市農牧生產系統氮素流動特征發生了很大變化，氮素輸入強度和環境損失在不斷增加，而農牧生產結構改變是其變化的主要驅動力。在重慶未來農牧生產中，減少畜禽生產系統氮素的直接排放，加大畜禽糞尿和秸稈循環利用力度，優化作物生產系統氮素管理措施和提高氮素利用效率，是實現農牧生產和生態環境的平衡發展的有效措施。

李曉琳等[10]研究云南省農牧生產系統的氮素流動途徑并評價其環境效應。認為云南省傳統施肥方式導致施肥過量，大量肥料通過氨揮發的方式排入大氣中，動物養殖過程中產生的糞尿中氮素通過徑流、淋溶進入水體，造成農業生產過程中經濟效益的降低、環境污染。從空間格局上看，大理、昆明、紅河的氮素損失較高。今后亟需改進化肥施用方式，提高化肥利用率，改進畜牧業養殖模式，提高糞尿有機還田的數量。針對主要區域重點治理，采用因地制宜的農牧體系氮素優化管理技術、增加糞尿養分循環和提高氮養分效率，減少氮素向大氣和水體中的排放數量，從而實現農牧體系氮素的合理循環。

馬怡斐等[11]以河北省欒城區為例，分析了1985—2014年其農牧系統生產結構、養分流動和損失時空變化特征。受城鎮化驅動，欒城區農牧系統發生快速改變，逐漸向城郊型農牧生產體系過渡。2014年蔬菜水果播種面積占比為25%，畜牧業養殖密度達到18 LU/hm2，是典型的高環境負荷的城郊型農牧生產體系。經過近30年發展，畜牧業已經成為欒城農牧體系外源氮投入和主產品氮輸出的主體。農牧系統氮磷利用率和損失受農牧體系結構和結合程度影響較大，1985年至2014年期間農牧系統氮磷利用率分別降低12%和40%，而平均單位農牧產品氮磷損失分別增加72%和5.8倍。

總之，不同地區的農牧產業特征使得各地區農牧體系養分流動特征呈現不同特點。但總體上，農牧分離是形成系統氮磷利用率不高的重要原因。各地區在制定農牧業發展策略時，需要統籌考慮綜合發展。

3 農牧系統養分高效利用實現途徑

在國家大力推進“糧轉飼”和種植業結構調改的背景下，魏志標等[12]利用文獻整合分析的方法對苜蓿、黑麥草和燕麥草這3種栽培牧草的產量潛力及影響因素進行了研究，以期為揭示未來牧草生產潛力和制定牧草高產高效措施提供科學依據。分析發現，中國栽培苜蓿、黑麥草和燕麥草有很大增產空間，增產潛力分別為17、10和13 t·hm-2。合理施肥、播種和灌溉可以縮小產量差，優化施肥量可以使苜蓿、黑麥草和燕麥草分別增產約3.4、1.5和4.2 t·hm-2。優化播種量可以使苜蓿增產60%，燕麥草增產78%；但僅優化播種量并不能使黑麥草增產。優化灌溉量可以使苜蓿增產約9.1 t·hm-2。

中國畜牧業快速發展，對牧草需求日益增加，種植業結構調改已成為必然趨勢。魏志標等分別建立了中國主要天然牧草[13]和栽培牧草[14]氮磷養分輸入（輸出）數據庫，利用NUFER模型定量主要牧草的氮磷平衡賬戶、利用率和環境排放特征。

全國栽培苜蓿、黑麥草和燕麥草草地的氮磷輸入（輸出）量差異較大。苜蓿獲取氮素的重要途徑是生物固氮，田間管理需減少氮肥投入；燕麥和黑麥草需要通過化肥獲取所需養分。3種栽培牧草的氮利用率均高于60%，磷利用率相對較低。黑麥草草地氮呈虧缺態，需增施氮肥。不同區域氮磷利用率、環境排放量和草地土壤氮磷累積量差異較大。

全國天然草地的氮和磷輸入量較小，約50%的氮素通過氮沉降輸入系統，約90%的磷素通過畜禽糞尿磷輸入系統。2013年全國天然草地土壤氮和磷呈虧缺狀態，養分利用率高于100%，當前草地系統不可持續，應注意補施氮磷養分。2013年全國天然草地單位面積氮和磷的環境損失量較小，西南地區天然草地的氮和磷環境損失量大于其他區域。各區域天然草地氮和磷流動特征差異較大。

苜蓿是優質牧草，甘肅是中國傳統的苜蓿種植區。劉松等[15]以甘肅省為例，評估了苜蓿不同種植模式的碳足跡。減施氮肥和降低氮肥生產過程中的溫室氣體排放均可降低甘肅省苜蓿生產的碳足跡；無機有機肥混施可以降低SFNI（施肥不灌溉）和SFRI（施肥+河水灌溉）模式的碳足跡，但同等施氮水平下，無機有機肥混施短期內會降低產量，因此，在保證一定產量并降低溫室氣體排放量的目標下，有機肥和化肥混施的最佳比例及實際減排潛力仍需通過長期田間試驗進一步驗證；節水灌溉是SFWI（施肥+井水灌溉）模式的主要減排措施，但節水灌溉所能帶來的綜合減排潛力仍需針對具體區域的田間節水試驗和額外耗材帶來的溫室氣體排放進一步評估。

農牧系統氨揮發是大氣氨排放的主要源，是中國近來空氣質量惡化的主要因素之一。農田化肥施用和畜牧業“飼養-飼舍-儲藏-處理-施用”各環節的氨揮發減排研究一直是農業和環境領域的研究熱點。過去十多年，歐美國家對于農牧系統氨減排開展了大量研究，而中國的氨減排技術研究主要針對農田施肥環節，缺乏畜禽養殖和糞便管理環節氨揮發減排理論與技術研究。曹玉博等[16]綜述了國內外關于農牧系統各生產環節主要氨揮發減排技術的減排機理、實施效果和適用范圍等，并對今后中國農牧系統氨揮發減排技術研究的主要方向和重點進行了展望。

磷是動物必需的礦物質元素之一，在動物生長、發育和生產中發揮著重要作用。但是，動物生產中磷利用效率通常較低，大量未被利用的磷隨糞尿排出體外，在環境中富集，導致水體富營養化。飼料磷水平、磷酸鹽的添加量與磷利用效率及糞尿磷排放量密切相關。郭勇慶等[17]研究了中國飼料磷水平及磷酸鹽應用現狀，發現中國飼養標準推薦的奶牛、產蛋雞、肉仔雞后期和肉鴨的磷需要量高于美國飼養標準，企業標準的產蛋雞、小豬和大豬飼料中非植酸磷需要量高于中國和美國飼養標準，盡管飼料中磷酸鹽的添加量較10年前有所降低。建議根據中國畜禽品種和飼料特點，開展磷需要量相關研究，修改畜禽磷需要量推薦標準，同時采用低磷日糧、高利用率磷酸鈣鹽和添加植酸酶等綜合調控措施來提高飼料磷的利用效率，降低糞尿磷對環境的污染。

在全面回顧20世紀70年代以來中國在農業面源污染治理領域相關政策的基礎上，金書秦等[18]綜合運用政策文本分析、實地調研、文獻歸納等方法，對當前治理農業面源污染的主要政策逐一進行了評估。從長期看，防治農業面源污染要做好打持久戰的預期和行動準備，要完善監測體系，摸清家底，避免急于求成。應強化已有政策的落實，避免重形式、輕內容，重出臺、輕落實。投入端主要是源頭減量，要加強投入品的供給側管理，產后端主要是資源化利用，提供更加適合當地的技術手段，政策手段則要疏堵結合，以疏為主。加大針對農業面源污染防治的財政投入，應與其排放占比相匹配。

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（責任編輯 岳梅）

Nutrient Management in Soil-Crop-Animal Production System

MA Lin1, MA WenQi2, ZHANG FuSuo3

(1Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences/Hebei Key Laboratory of Water-Saving Agriculture/Key Laboratory of Agricultural Water Resources, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang 050021;2College of Resources and Environmental Sciences, Agricultural University of Hebei, Baoding 071001, Hebei;3College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University/Key Laboratory of Plant-Soil Interactions, Ministry of Education, Beijing 100193)

國家重點研發計劃（2016YFD0800106）、國家自然科學基金面上項目（31572210）、河北省杰出青年基金（D2017503023）、中國科學院百人計劃項目

馬林，Tel：0311-85810877；E-mail：malin1979@sjziam.ac.cn