農牧交錯帶農牧系統氮素流動與環境效應——以山西省為例

張建杰，郭彩霞，李蓮芬，張強

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農牧交錯帶農牧系統氮素流動與環境效應——以山西省為例

張建杰1，郭彩霞1，李蓮芬2，張強1

（1山西省農業科學院農業環境與資源研究所/山西省土壤環境與養分資源重點實驗室，太原 030031；2山西省農業科學院畜牧獸醫研究所，太原 030032）

【目的】探明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，進一步為山西實施區域養分資源管理、加快農牧交錯帶產業結構調整提供科學依據。【方法】在整理統計資料、文獻數據和實地調研的基礎上，使用食物鏈養分流動模型（nutrient flows in food chains, environment and resources use，NUFER）和GIS，估算山西省農牧交錯帶（主要涉及大同、朔州、忻州、呂梁、臨汾和太原等6個地市）42個縣區農牧生產系統的氮素賬戶平衡、流動路徑及損失途徑。【結果】不同縣區農田化學氮肥投入存在“兩極分化”的現象，投入水平范圍在6.7—253 kg·hm-2，極值間相差38倍；各縣區農田氮素的投入結構也表現出較大差異，主要跟當地化學氮肥施用習慣及農業種植結構有很大的關系；單位農田面積農作物主產品的氮素攜出量范圍在19.11—96.75 kg·hm-2，空間上整體呈現南北高、中部低的變化趨勢；不同縣區農田氮素盈余量在-16—202 kg·hm-2，氮素虧缺與盈余情況并存；區內畜牧生產系統中外源飼料氮素投入差異較大，朔州市的山陰縣外源飼料氮素投入高達0.94×104t，而忻州的五寨、臨汾的隰縣、大寧和蒲縣，則可以通過作物生產系統來滿足畜牧生產系統的飼料需求，也充分反映了各縣區畜牧業養殖規模和農牧產業結構存在較大差異；區內單位面積農田動物主產品氮素攜出量范圍在1.51—27.50 kg·hm-2，極差25.99 kg·hm-2，說明各縣區畜牧生產系統的生產力水平差異較大，單位農田面積動物主產品的氮素攜出量＞13 kg·hm-2的分布在區域北部朔州市的山陰、懷仁、大同等縣區，表明這些縣區畜牧生產系統中的氮素利用率較高；單位耕地面積畜禽糞尿氮素負荷較高（＞50 kg·hm-2）的縣區主要分布在區域北部；農牧生產系統氮素損失的空間分布格局明顯：一級區（＞200 kg·hm-2）分布在區域北部，二級區（120—200 kg·hm-2）分布在區域南部和北部，三級區（＜120 kg·hm-2）主要分布在區域中部，今后應重點關注區域北部農牧業生產過程中的氮素損失及環境問題。【結論】農業生產結構不合理、“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，今后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，還要兼顧來源于環境投入部分的氮素，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。

農牧交錯帶；NUFER模型；農牧生產系統；氮流動；環境效應；山西省

0 引言

【研究意義】氮素是農業生產、消費和面源污染的重要驅動者[1]。縱觀國際[2]和國內[3]，都通過使用化學氮肥緩解和解決了糧食安全問題，但隨著近些年農田生產系統氮素投入的不斷增加，給大氣[4]、水體[5]、土壤[6]等環境載體帶來嚴峻的污染問題；同時，人們飲食結構的改變拉動了畜禽業的蓬勃發展，不少學者認為規模化畜禽養殖過程中糞尿的處理不當也會影響生態環境的安全[7]。因此，定量分析農牧生產系統的氮素賬戶平衡及流動途徑，是未來區域養分資源綜合管理的重要研究內容。【前人研究進展】人類活動是影響農牧生產系統氮素流動的主要因素[8]。已有學者[9-10]借鑒物質流分析[11]（material flow analysis，MFA）質量守恒的思想，研究了不同區域尺度下農牧生產體系的氮素流動，指出中國農牧生產系統主要存在外源投入多、氮素利用率低、環境損失嚴重等現象，Ma等[12]構建了區域養分流動模型NUFER，并在全國尺度估算了食物鏈系統的氮磷流動、利用率及環境損失，提出增加農牧產品的產量、平衡施肥和提高對畜禽糞尿管理及利用，是有效減少農牧生產系統氮磷環境損失的有效手段；Bai等[13]在此基礎上將該模型應用到生豬生產系統中，評價了不同養殖方式的農牧氮磷養分利用率；Zhang等[14]在省域尺度分析了自然生產條件及社會政策對山西省農牧生產體系氮素流動的影響；然而針對縣域尺度的農牧生產體系氮素流動研究較少，就農牧交錯帶的氮素流動特征和環境風險評價則更為稀缺。【本研究切入點】山西省農牧交錯帶是國家確定的北方農牧交錯帶農業結構調整的重點區域，而農業生產布局和農牧耦合程度影響著氮素在農牧生產體系的流量和流向。本文以此為研究切入點，采用物質流分析方法NUFER模型，分析山西省農牧交錯帶不同縣區農牧生產體系的氮素流動特征及環境效應。【擬解決的關鍵問題】明確山西省農牧交錯帶不同縣區氮素流動的空間分布特征；分析能夠提高農牧生產系統氮素生產效率的途徑，評價其環境效應，為山西省農牧交錯帶實現農牧生產體系的區域養分管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

關于農牧交錯帶的區域界定，一直沒有統一標準，學術界為此做了大量的工作，本研究在陳全功等[15-16]的研究基礎上，進行了山西省農牧交錯帶的區域劃分，自北向南共涉及大同、朔州、忻州、呂梁、臨汾和太原等6個地市42個縣區（圖1），其中29個是國定貧困縣，北緯35°41′24″—40°40′35″，東經110°22′48″—114°33′3″，國土面積約為7×104km2，地勢東北高西南低，海拔340—3 061 m，是中國北方農牧交錯帶的典型區域。氣候屬于溫帶大陸性季風氣候，南北和垂直差異明顯。氣候特征是冬季漫長、寒冷干燥；夏季南長北短，雨水集中；春季氣候多變，風沙較多；秋季短暫，天氣溫和。日照充足，晝夜溫差較大，冷涼資源較為豐富，干旱、霜凍等災害性天氣較多。褐土是全區主要的土壤類型，區域西北部則以黃綿土為主，水土流失較為嚴重[17]。主要糧食作物以玉米、谷子、糜子、豆類和薯類為主，經濟作物有甜菜、胡麻等，蔬菜和水果產業也得到了一定發展。近些年區域境內的畜牧業得到快速發展，尤其是牛、羊產業的發展，目前已成為山西最大的草食畜產品供給基地[18]。

圖1 山西農牧交錯帶分布圖（基于文獻[15-16]編制）

1.2 研究系統邊界和NUFER模型簡介

NUFER模型是中國國家尺度和區域尺度食物鏈系統氮磷流動模型[12]，模型基于“土壤-作物生產-畜禽生產-食物消費”系統，來計算系統間氮磷流動、利用率及環境損失。本研究以山西省農牧交錯帶“農田-畜牧”生產系統為研究邊界，系統間氮素流動為研究對象（圖2），以區域內42個縣區作為研究單元。

1.3 模型計算方法

1.3.1 基于NUFER模型計算農牧生產系統的氮素賬戶平衡、流動及損失 系統中氮素的輸入項包括化學氮肥、大氣氮沉降、生物固氮（biological nitrogen fixation，BNF）和飼料投入；輸出項包括流出系統的作物主副產品、動物主副產品等帶走的氮素和環境損失的氮素，環境損失包括NH3揮發，反硝化脫氮過程的N2O、N2排放等損失，通過地表徑流、土壤侵蝕和淋洗等途徑進入到水體，在系統內部，主要涉及到氮素在作物和動物兩個子系統的內部循環，如秸稈還田、作物主副產品作物飼料進入動物子系統、動物的糞尿還田等。

結合山西省農牧交錯帶的農牧生產情況，本研究農田系統考慮了玉米、小麥、高粱、谷子等谷類作物、豆類、甜菜、薯類作物、蔬菜和水果等類別；畜牧系統考慮了奶牛、肉牛、役用牛、驢、馬、騾、豬、羊、蛋雞、肉雞等10個類別，代表了該區域主要的農牧生產特征。

1.3.2 農田子系統氮素賬戶平衡計算方法 農田子系統氮素輸入量=化學氮肥+秸稈還田+糞尿還田+氮沉降+生物固氮。其中，秸稈還田量=秸稈氮素攜出量×還田比例；糞尿還田量=糞尿氮素攜出量×還田比例；農田子系統氮素輸出量=作物主產品氮素攜出量+秸稈氮素攜出量+氮素土壤累積+氮素環境損失；農田氮素平衡=化學氮肥投入+秸稈還田氮素帶入量+糞尿還田氮素帶入量-作物主產品氮素攜出量-秸稈氮素攜出量。

左側實線箭頭為系統輸入項目，右側實線箭頭為系統輸出項目，內部實線箭頭表示系統內部循環項，外部虛線箭頭表示環境損失項目

1.3.3 畜牧子系統氮素賬戶平衡計算方法 畜牧子系統氮素輸入量=作物主產品氮素投入量+秸稈氮素投入量+動物飼料氮素投入量。其中，作物主產品氮素投入量=作物主產品氮素攜出量×飼用比例；秸稈=秸稈氮素攜出量×飼用比例；畜牧子系統氮素輸出量=動物主產品氮素攜出量+動物副產品氮素攜出量+畜禽糞尿氮素攜出量。

1.4 數據及參數來源

研究所需要的主要農作物播種面積及產量、化肥施用量、畜牧業各類動物的存欄、出欄數量皆來源于山西省2013年統計年鑒[19]以及相關地市的統計年鑒[20-23]，數據記載年份為2012年；氮肥投入中復合肥的N﹕P2O5﹕K2O比例參考張衛峰等[24]的研究結果，按1﹕1﹕1計算；農作物秸稈的產生量根據各種作物的經濟產量和草谷比進行折算[25]，作物的經濟產量的需氮量、草谷比及秸稈含氮量、不同作物的固氮量皆來源于李書田等[26]研究結果；各類別動物的糞尿氮素產生量根據動物飼養周期及糞尿排泄系數進行計算[27]。動物活體及主產品的含氮量來源于文獻[12]，秸稈及糞尿的利用途徑及比例來源于文獻[28]，氮素大氣沉降數量則綜合了張穎等的研究結果[29-30]。

1.5 數據處理方法

本文基于NUFER模型，使用R編寫計算腳本，研究山西省農牧交錯帶42個縣區農牧生產系統的氮素賬戶平衡、流動規律和環境損失。使用ArcGIS繪制空間分布圖。

2 結果

2.1 農田氮素投入特征分析

2012年山西省農牧交錯帶區域（以下簡稱全區）農田生產系統投入氮素28.74×104t，其中，化學氮肥17.21×104t，生物固氮3.36×104t，氮素沉降4.27×104t，秸稈還田帶入氮素1.26×104t，畜禽糞尿還田帶入氮素2.40×104t。在全區層面上看，化學氮肥、生物固氮、氮素沉降、秸稈還田和畜禽糞尿還田的比例分別占全部氮素總投入的60.39%、11.77%、14.99%、4.42%和8.44%，化學氮肥投入占絕對數量，秸稈和糞尿還田的比例較低。

氮肥投入比例最高的縣區有大同市的天鎮、陽高，以及臨汾市的鄉寧縣，投入比例均在70%以上，陽高投入總量最高，達到1.42×104t，氮肥投入比例最低的寧武縣僅占到7.12%，同時也是全區投入總量最低的縣域，全縣氮肥投入僅為133.9 t；生物固氮投入比例最高的為寧武縣，達到43.43%，最小的天鎮僅為4.86%；秸稈還田所占氮素總投入比例最高的為汾西縣，達到10.79%，最低的岢嵐縣僅占到1.18%；糞尿還田比例最高的為山陰縣，占氮素投入總量的29.33%，五寨縣糞尿還田帶入氮素比例最低，僅為1.12%（表1）。

從縣域尺度的氮肥投入水平來看（圖3），全區各縣區的氮肥投入差異較大，投入最低的寧武縣的僅為6.7 kg·hm-2，投入最多的天鎮縣達到253 kg·hm-2，極差為246.3 kg·hm-2，極值間相差38倍，表明氮肥投入“兩極分化”；將單位面積氮肥投入水平在＞180 kg·hm-2的劃為一級區；將投入水平在120—180 kg·hm-2的劃分為二級區；將投入水平在＜120 kg·hm-2的劃分為三級區。可以看出，一級區有6個縣區，位于全區北部的天鎮、陽高、渾源，臨汾的蒲縣、吉縣和鄉寧縣；二級區有14個縣區，三級區有22個縣區。從整體的空間分布格局來看，呈現東北部和西南部高，而中部低的空間分布特征。

圖3 縣域農田化學氮肥投入情況

2.2 農田氮素輸出分析

2012年全區農田主副產品攜出氮素總量11.02×104t，占總投入的38.68%。而實現主產品的產量最大化是人類從事農業生產活動的最終目的，因此，認為主產品部分帶走的氮素為有效支出，本文用單位農田面積作物主產品的氮素攜出量來表征農田的生產能力。生產水平最高的應縣達到了96.75 kg·hm-2，生產能力最低的右玉僅為19.11 kg·hm-2；從整體的空間分布格局來看，全區單位農田面積主產品帶走的氮素量呈現南北兩邊高、中部低的“啞鈴”式分布格局（圖4）。將單位面積主產品吸氮量水平在＞70 kg·hm-2的劃為一級區，將單位面積主產品吸氮量水平在40—70 kg·hm-2的劃為二級區，將單位面積主產品吸氮量在＜40 kg·hm-2的劃為三級區。可以看出一級區包含6個縣區，分別為區域北部的陽高縣，朔州市境內的懷仁、山陰、應縣和朔城區，以及區域南部的吉縣；二級區涉及15個縣區，分布在區域東部；三級區主要位于區域西部沿黃河流域的縣區，除離石區外，均為國定貧困縣。

圖4 縣域單位面積農田主產品吸氮量

表1 農田氮素投入結構

2.3 農田氮素盈余分析

農田氮素盈余量在-16—202 kg·hm-2，將盈余量＞100 kg·hm-2的劃分為一級區（嚴重過量），盈余量在60—100 kg·hm-2的劃分為二級區（中度過量），盈余量在0—60 kg·hm-2的劃分為三級區（輕度過量）（圖5），盈余量為負值的表明該區域農田氮素處于虧缺狀態。可以看出，農田氮素投入虧缺、輕度盈余、中度盈余和重度盈余的縣域在全區均有分布，表明山西省農牧交錯帶農田氮素的平衡情況較為復雜。除平魯區、寧武縣和汾西縣處于虧缺狀態之外，其余縣區都表現出不同程度的農田氮素盈余，分布在一級區的縣區有8個，分別為大同市的天鎮、陽高、渾源和靈丘，呂梁的方山、臨縣，臨汾的蒲縣和鄉寧；分布在二級區的有12個縣區，三級區則涉及17個縣區。

2.4 畜牧生產系統氮素投入分析

畜牧生產系統的氮素來源于農田生產系統的主副產品和外源飼料供給，2012年全區累計進入動物生產系統的氮素為7.50×104t，其中作物籽粒提供2.09×104t，作物秸稈提供了0.67×104t，外源飼料供給4.74×104t。僅山陰縣就投入1.16×104t，位居全區之首，占全區畜牧生產系統氮素總投入的15.47%，大寧縣僅僅投入0.02×104t，表明全區畜牧業生產規模存在很大差異。

圖5 縣域農田生產系統氮素盈余量

各縣域對外源飼料的需求范圍在（-0.08—0.94）×104t，極差為1.02×104t；除五寨、隰縣、大寧和蒲縣等少數幾個縣區農田生產系統的作物生產可以保證畜牧生產系統的需求外，區內大部分縣區都表現出對外源飼料不同程度的需求，山陰縣對外源飼料的需求量最大，主要是因為其飼養了全省1/4的奶牛。

2.5 畜牧生產系統氮素輸出分析

2012年全區畜牧生產系統動物主產品（肉、蛋和奶）帶走的氮素共1.06×104t，占畜牧生產系統總投入的14%。用單位農田面積動物主產品帶走的氮素來反映各縣區畜牧生產系統的生產力水平，結果表明區內單位面積農田動物主產品氮素攜出量范圍在1.51—27.50 kg·hm-2，極差25.99 kg·hm-2，說明各縣區畜牧生產系統的生產力水平差異較大，山陰縣生產水平最高，相鄰的平魯區生產力水平最低。

將農田單位面積動物主產品氮素攜出量在13 kg·hm-2以上的劃為一級區，7—13 kg·hm-2之間的劃為二級區，低于7 kg·hm-2的劃為三級區（圖6），可以看出，一級區均位于農林牧生態-生產功能區，涉及大同縣、懷仁縣和山陰縣，二級區農林牧生態-生產功能區和農牧交錯水土保持生態功能區均有分布，而沿黃河一帶晉西北的縣區畜牧生產能力普遍較弱，分布在三級區。總體來說，畜牧生產系統生產力水平呈現東部高、西部沿黃流域低的空間分布特征。

2.6 農牧生產系統中有機廢棄物產生量

農牧生產系統的有機廢棄物主要包括農牧生產系統中生產的作物秸稈和畜牧生產系統中的畜禽糞尿。

農田生產系統的秸稈氮素攜出量為3.83×104t，有1.26×104t通過秸稈還田返還到農田中，有0.67×104t作為動物飼料進入到畜牧生產系統中，有效利用率為50%，畜牧生產系統的糞尿氮素為5.98×104t，有2.40×104t作為有機肥進入到農田中，有效利用率為40.13%；有機廢棄物整體利用率為44.14%，利用率偏低。

圖6 縣域畜牧生產系統主產品吸氮量

單位耕地面積畜禽糞尿氮素的負荷反應了畜禽糞尿對土壤的污染風險。將單位耕地面積畜禽糞尿氮素負荷＞100 kg·hm-2的劃為一級區，負荷在50—100 kg·hm-2的劃為二級區，負荷在＜50 kg·hm-2的劃為三級區（圖7）。一級區僅涉及山陰縣，達到162.48 kg·hm-2，除呂梁的中陽縣外，二級區主要在農林牧生態-生產功能區，涉及縣區有11個，絕大部分分布在區域北部的大同市；分布在三級區的縣區占絕對數量，共涉及30個縣區。總體上看，區內單位耕地面積畜禽糞尿氮素負荷空間分布特征較為明顯，呈現東北部高、西部及南部低的分布格局。

圖 7 縣域畜禽糞尿氮素耕地承載量

2.7 農牧生產體系氮素損失分析

整個農牧生產體系的氮素損失途徑包括NH3揮發（包括農田生產系統和糞尿堆置過程兩部分）、農田生產系統N2O和N2排放、農田生產系統的徑流損失、土壤侵蝕和土體中的氮素淋洗、糞尿在堆置過程中的排放進入到水體。

氮素損失最高的天鎮縣達到了267.28 kg·hm-2，損失最低的平魯區為56.46 kg·hm-2，極差210.82 kg·hm-2（圖8），表明縣區間氮素損失差異較大。將單位面積氮素損失在＞200 kg·hm-2的劃分為一級區，單位面積的氮素損失在120—200 kg·hm-2的劃分為二級區，＜120 kg·hm-2的劃分為三級區。一級區均分布在農林牧生態-生產功能區，包括大同的天鎮、陽高、渾源、靈丘和山陰縣，二級區共涉及21個縣區，三級區包含15個縣區。

圖8 縣域農牧生產系統氮素損失空間分布圖

從整個農牧生產系統的氮素損失情況來看，農田和土壤NH3揮發、農田反硝化過程的N2排放以及農田和糞尿存儲過程中的淋洗是主要的損失途徑，各縣區氮素損失的主要損失特征也不盡相同。全區來看，天鎮縣、陽高縣的NH3揮發損失較高，分別達到96.88和95.99 kg·hm-2，農田N2和N2O排放損失最高的為天鎮縣，分別達到100.84和2.94 kg·hm-2，山陰縣氮素淋洗（包含土壤徑流、侵蝕、淋洗和糞尿淋洗至水體的損失）損失最高，達到75.37 kg·hm-2；NH3揮發和氮素淋洗損失最小的為平魯區，分別僅為13.26和15.01 kg·hm-2，汾西縣的N2排放最少，為7.67 kg·hm-2，寧武的N2O則排放最少，僅為0.22 kg·hm-2。

3 討論

3.1 山西省農牧交錯帶農牧生產系統氮素投入特征

山西省農牧交錯帶農田氮素投入表現出極大的不平衡性，在空間上農田氮肥投入均呈現東南高、西北低的分布特征。山西省主體功能區劃[31]將生產功能區北部的天鎮、陽高、廣靈、渾源、應縣、山陰定位為農產品主產區，主要種植作物以春玉米為主，臨汾市的土地復種指數較高，種植制度以小麥-玉米為主，氮肥投入處于較高水平；晉西北沿黃河一帶的縣域地處冷涼帶，主要種植作物以豆類、谷子、黍子、燕麥等雜糧為主，氮肥投入水平較低。

單位農田面積的作物吸氮量的空間分布格局與氮肥投入相似，與單位面積的氮素投入和種植結構有較大關系，玉米單位面積的生物量要顯著高于雜糧，此外本身的吸氮量水平也要高于其他作物[26]，區域西部的左云、右玉、平魯區、偏關、河曲、保德、興縣、柳林、嵐縣、石樓和永和等縣區的農田生產能力較差，農田主產品帶走的氮素量均＜40 kg·hm-2，很大程度上是由于上述縣區均位于晉西黃土丘陵溝壑侵蝕區[32]，坡度大，境內土壤類型以黃綿土為主[17]，屬于異常強烈的水土侵蝕區。

劉平等[30]在山陰縣的研究表明，該區氮素干濕沉降總量達到47.86 kg·hm-2·a-1，相當于每公頃投入尿素104 kg；同樣，李書田等[26]也指出大豆的平均固氮量可以達到113.7 kg·hm-2·a-1，在今后在該區域的農田養分資源管理具體實踐中應該考慮這些環境的氮素投入。

“農牧分離”是農牧生產系統氮素利用率低下的一個重要原因，表現為農田種植結構與畜牧生產系統的不合理匹配：農田副產品沒有作為飼料有效進入畜牧生產系統，畜禽糞尿沒有作為養分來源回歸農田，山陰縣是山西主要的奶牛養殖基地，2012年奶牛存欄數80 514頭，位居全省第一位[20]，占全省奶牛養殖總量的26%，一方面對動物飼料需求量很高，另一方面秸稈糞尿資源又存在嚴重的浪費。

在農業供給側結構性改革的政策環境下，山西應抓住國家“糧改飼草”的項目機遇，以農載牧，以牧肥田，從而提高農牧生產系統的氮素利用率。

3.2 農牧交錯帶氮素損失及環境風險分析

區域內氮素投入虧缺、輕度盈余、中度盈余和重度盈余的縣區均有分布，這種情況說明區域內氮素投入的平衡情況比較復雜，今后在區域氮素資源的配置上需要詳盡的實證調研。此外，造成農田氮素盈余的主要原因為化學氮肥和糞尿氮素投入超過了作物生產需求量，盈余的氮素除一部分累積到土壤中，其余均通過氣體排放和淋洗進入水體，進一步對環境造成污染。實際上，國際上早已把農田氮素盈余量作為評價農田氮素環境排放代價的重要指標，歐洲很多發達國家將其制定環保法律法規的重要依據[33-34]，荷蘭著名的MINAS養分監管簿記系統針對農田類型和土壤質地明確規定[33]，砂質土壤和黏質土壤的農田氮素盈余量限值分別不得超過60和100 kg·hm-2·a-1，從本文研究結果來看，有21個縣區的農田氮素盈余超過了60 kg·hm-2·a-1，而大同的天鎮、陽高、渾源、靈丘，呂梁的臨縣、方山，臨汾的蒲縣和鄉寧縣等8個縣區的農田氮素盈余量超過了100 kg·hm-2·a-1，存在較高的農田氮素環境污染風險，李寶堂[35]分析了嵐縣嵐漪河上游的農業面源污染特征，指出畜禽養殖和化肥施用是引起嵐漪河氮、磷污染的主要原因，與本文研究結果一致。

山陰縣單位耕地面積的畜禽糞尿氮素負荷量達到162.48 kg·hm-2，接近歐盟規定的動物糞尿氮素耕地承載量的限量標準[34]（170 kg·hm-2），存在潛在的環境風險，應當與周邊縣區的農業生產相結合，來消納部分畜禽糞尿，來規避環境風險。

3.3 區域農牧生產系統氮素管理的建議和研究展望

中國農業資源環境遭遇了外源性污染和內源性污染的雙重壓力，農業可持續發展遭遇瓶頸，在此背景下，農業部提出了“減肥、減藥”的行動綱領。談到氮素，人們首先想到的是中國氮素盈余，要通過降低氮肥施用量來加以控制。但是具體到區域尺度上，存在著較大的差異[36]，應根據每個縣區的氣候、土地利用現狀、種植結構、糧食生產能力、畜牧業養殖規模及養殖方式等因素來“對癥施藥”，而不能盲目搞一刀切；如何減少化肥使用量，中國尚未確定肥料使用的限量標準，一方面科學評價有機肥替代化肥使用潛力，另一方面要從生產系統的氮素賬戶平衡、肥料利用效率、環境風險角度確定具體的約束指標。

由于缺乏縣域之間的農產品貿易及養分流動數據，本研究未能闡明區域間的養分流動特征，進一步探討區域間如何提高農牧耦合性的有效機制，這也是下一步的研究方向及重點，此外，相對于以往研究[14]，本文開展了較小縣域尺度研究，以期為區域養分管理提供科學依據，但對于指導生產活動仍有一定的不足，今后應根據自然、社會因素來劃分柵格進一步開展更小尺度的研究工作。

4 結論

受種植結構、水土流失等因素的影響，山西省農牧交錯帶不同縣區的農田氮素生產水平呈現東南部高、西北部低的空間分布特征；“農牧分離”、有機廢棄物循環利用率低是導致農牧生產系統中氮素損失的重要原因；從農田氮素盈余量（＞100 kg·hm-2）、單位耕地面積的糞尿氮素限量標準（170 kg·hm-2）、整個農牧生產系統的氮素損失（＞200 kg·hm-2）等指標來看，區域東北部和西南部存在較為嚴重的氮素污染環境風險，中部的忻州八縣則較為安全；今后養分資源管理應提高農田和畜牧業生產的耦合性，推進農業供給側結構性改革，適當調整種植結構，增加飼用作物的種植面積，同時增加糞尿有機肥替代化肥的使用比例，提高有機廢棄物養分的使用效率，并注重區域間的協調統一。

致謝：

山西省農業科學院農業環境與資源研究所蒙秋霞副研究員在論文后期英文摘要潤色過程中給予了支持和幫助，在此表示衷心感謝。

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（責任編輯 岳梅）

Nutrient Flow and Environmental Effects on Crop-livestock System in Farming-pastoral Transition Zone - A Case Study in Shanxi Province

ZHANG JianJie1, GUO CaiXia1, LI LianFen2, ZHANG Qiang1

(1Institute of Agricultural Environment and Resources, Shanxi Academy of Agricultural Sciences/Shanxi Province Key Laboratory of Soil Environment and Nutrient Resources, Taiyuan 030031;2Institute of Animal Husbandry and Veterinary Sciences, Shanxi Academy of Agricultural Sciences, Taiyuan 030032)

【Objective】The objective of this study is to explore the characteristics of nitrogen (N) flow of crop-livestock systems and its environmental effects on farming-pastoral transition zone in northwestern Shanxi Province, further to give scientific suggestions on the nutrient management and to speed up the adjustment progress of industrial structure in farming-pastoral transition zone in Shanxi Province.【Method】a systematic and quantitative analysis on the nutrient balance, nutrient losses of crop-livestock production in farming-pastoral transition zone (42 counties in total, mainly involving Datong, Shuozhou, Xinzhou, Lüliang, Linfen and Taiyuan) in Shanxi Province was reported using a coupled NUFER model (nutrient flows in food chains, environment and resources use) with GIS after collecting and sorting of data from statistical yearbooks data, literature, and field investigation.【Result】 In different counties, the N fertilizer application showed a great disparity, ranging from 6.7 to 253 kg·hm-2, which means a 38 times difference between the maxima and the minima. The N input structure of different counties also varied, due to the different N application habits and cropping systems. Crop N uptake ranged from 19.11 to 96.75 kg·hm-2, and the high amounts of crop N uptake were found in North and South regions, and low values in the middle regions. Crop N surplus ranged from -16 to 202 kg·hm-2, showing a coexistence of N sufficient and N surplus. There was a great difference in external N input by feed in livestock production system in the zone. In Shanyin county of Shuozhou City, the external N input by feed reached up to 9 400 t, whereas in Wuzhai of Xinzhou City and Xixian, Daning and Puxian of Linfen City, the demand of feed by livestock production system was met by local cropping system. This shows a great variation in the livestock production scale and farming-pastoral industrial structure among those counties. N uptake of animal main product per unit area of farming land was 1.51-27.50 kg·hm-2, with a range of 25.99 kg·hm-2, indicating a great disparity in the livestock productivity level among different counties. In the northern counties of Shanyin, Huairen and Datong, N uptake of animal main products was ＞13 kg·hm-2, showing a high N use efficiency of livestock production system in these counties. In the northern regions, the N load by manure was high (＞50 kg·hm-2). There was an obvious spatial trend of N loss in crop-livestock production system. Grade I area (＞200 kg·hm-2) was found in the north of the zone, Grade II area (120-200 kg·hm-2) was found in the north and south of the zone, and Grade III area (＜120 kg·hm-2) mainly distributed in the middle of the zone. Therefore, N loss and environmental issues occur in the crop-livestock production process in the northern part of the zone should be paid close attention in the future. 【Conclusion】Unreasonable agricultural production structure and the segregation of agricultural and animal husbandry systems were the main reasons for the low N use efficiency in the farming-pastoral transition zone in northwestern Shanxi Province. In the future management of farmland nutrient resources, apart from rational spatial allocation of N resources, not only N input by both chemical fertilizers and livestock excrement/urine should be taken into account, but also N input from the environment. Also, the coupling of farmland production system and animal husbandry production system should be emphasized. By these means the production of crop and animal products at the minimum environmental costs can be achieved.

farming-pastoral transition zone; NUFER model; crop-livestock production system; nitrogen flow; environmental effects; Shanxi Province

2017-05-02；

2017-06-14

國家重點研發計劃（2016YFD0200105）、山西省青年科技研究基金（201601D21118）、山西省農業科學院科技攻關項目（YGG1507）

張建杰，E-mail：zhangjianjie@yeah.net。

張強，E-mail：sxsnkytfs@163.com