欒城城郊型農牧系統養(yǎng)分流動與環(huán)境排放時空特征

馬怡斐，柏兆海，馬林，聶永強，江榮風

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欒城城郊型農牧系統養(yǎng)分流動與環(huán)境排放時空特征

馬怡斐1，柏兆海2，馬林2，聶永強3，江榮風1

（1中國農業(yè)大學資源與環(huán)境學院/植物-土壤相互作用教育部重點實驗室，北京 100193；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/ 河北省節(jié)水農業(yè)重點實驗室/中國科學院農業(yè)水資源重點實驗室，石家莊 050021；3石家莊市欒城區(qū)畜牧獸醫(yī)局，石家莊 051430）

【目的】改革開放以來中國種植業(yè)和畜牧業(yè)生產模式及農牧系統結合程度都發(fā)生了很大改變，這種改變對農牧體系養(yǎng)分流動以及環(huán)境排放都產生了較大影響。論文以河北省石家莊市欒城區(qū)為例，分析其1985—2014年農牧系統生產結構、養(yǎng)分流動和損失時空變化特征，確定農牧系統養(yǎng)分損失的關鍵節(jié)點和影響因素，為欒城區(qū)以及其他縣級行政區(qū)的農業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據。【方法】采用食物鏈養(yǎng)分流動模型(NUFER模型：nutrient flow in food chain, environment and resources use)并結合實地調研，定量欒城區(qū)氮磷養(yǎng)分流動特征和影響因素。NUFER模型綜合考慮了作物生產系統、畜禽生產系統、食品加工系統和家庭消費系統的氮磷養(yǎng)分流動、利用率和環(huán)境損失。實地調研采用面對面的問卷調研方式收集信息，調研內容包括農田養(yǎng)分輸入輸出、生產管理和養(yǎng)殖戶農場養(yǎng)分輸入輸出、生產管理及糞尿管理等。【結果】2014年種植業(yè)蔬菜水果播種面積占總播種面積的比例達到25%，每公頃耕地氮和磷（折純，下同）投入量分別為763和335 kg，單位面積氮和磷盈余量分別為132和237 kg·hm-2；畜牧業(yè)養(yǎng)殖密度達到18 LU/hm2，飼料進口率達到75%，畜牧業(yè)源外源氮磷投入分別占農牧體系外源氮磷投入量的57%和39%，畜牧業(yè)源氮磷主產品輸出占農牧體系氮磷主產品輸出的60%和33%，是典型的高環(huán)境負荷的城郊型農牧生產體系。1985—2014年，畜牧業(yè)畜禽糞尿氮素還田率由59%降至35%。種植業(yè)氮利用率從45%降至43%，磷利用率從32%降至23%；畜牧業(yè)氮利用率從14%增至30%，磷利用率從4.4%增至10%；農牧系統氮利用率從41%降至36%，磷利用率從27%降至16%。2014年生產1 kg作物產品氮的平均氮損失為0.66 kg，生產1 kg作物產品磷的平均磷損失為0.11 kg；生產1 kg畜禽產品氮的平均氮損失為1.4 kg，生產1 kg畜禽產品磷的平均磷損失為1.8 kg；生產1 kg農牧系統產品氮的平均氮損失為1.5 kg·kg-1，磷損失為0.75 kg·kg-1磷產品。農牧體系氮損失的主要途徑是氨揮發(fā)，農牧體系磷損失的主要途徑是糞尿直接水體排放。【結論】受城鎮(zhèn)化驅動和農牧系統生產結構改變的影響，經過近30年發(fā)展，欒城區(qū)成為高投入、高產出、低氮磷利用率、畜牧業(yè)占主導地位的高環(huán)境負荷的城郊型農牧生產體系。當前農牧系統養(yǎng)分利用率偏低、損失偏高主要源自過高的畜禽養(yǎng)殖密度、農牧分離以及農牧體系養(yǎng)分管理措施的不合理。因此，確定欒城區(qū)合理的畜禽養(yǎng)殖承載量，加強飼養(yǎng)管理，實行糞尿全鏈條管理等農牧結合措施將對農牧系統可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

氮；磷；農牧系統；養(yǎng)分利用率；NUFER模型

0 引言

【研究意義】氮和磷是維持動植物生長必須的營養(yǎng)元素，但使用不當也會成為環(huán)境污染的因子。過去幾十年，化肥在保障糧食生產上起了很大作用，但是在某些施肥過量的地區(qū)，未被作物吸收的氮磷養(yǎng)分或累積在土壤中，或通過徑流、氨揮發(fā)等途徑損失到環(huán)境中，造成了土壤酸化[1]、溫室效應[2]、水體污染[3]等環(huán)境問題。與此同時，中國畜牧業(yè)正處于由傳統家庭后院養(yǎng)殖模式向現代集約化養(yǎng)殖模式轉型的階段，無耕地匹配的集約化養(yǎng)殖快速發(fā)展導致了農牧分離問題凸顯，畜禽糞尿還田利用率降低且環(huán)境排放比例不斷增加[4]，并由此對糧食安全和生態(tài)環(huán)境構成嚴重威脅。農牧體系養(yǎng)分不合理利用以及糞尿處理方式不當已經嚴重影響了農牧體系的可持續(xù)發(fā)展。闡明農牧體系快速轉變時期的生產結構變化、氮磷養(yǎng)分流動和損失特征變化及其影響因素，是優(yōu)化氮磷排放的前提條件，同時對明確農牧體系養(yǎng)分流動與環(huán)境排放調控途徑具有重要意義。【前人研究進展】農牧體系是一個綜合體系，涉及“土壤-作物-畜牧業(yè)”多個環(huán)節(jié)。國際上對“土壤-作物-畜牧業(yè)”系統氮磷流動及環(huán)境排放的研究十分關注。Bonaudo等[5]從生態(tài)學視角證明了農牧結合可以同時提高農場生產力和減少環(huán)境影響。歐盟采取多種措施以促進“土壤-作物-畜牧業(yè)”系統氮的合理流動和循環(huán)[6]。評價區(qū)域尺度農牧體系的養(yǎng)分流動特征是明確農牧體系養(yǎng)分管理優(yōu)化的前提。法國使用物質流分析（substance flow analysis，SFA）在區(qū)域尺度上評價了養(yǎng)分循環(huán)[7]；新西蘭創(chuàng)建了農田營養(yǎng)預算工具Overseer估算農場營養(yǎng)元素的流失[8]。在國內，Ma等[9]建立了中國食物鏈系統養(yǎng)分流動模型——NUFER（nutrient flow in food chain, environment and resources use），并分析了1980—2005年中國農業(yè)快速轉型時期農牧系統養(yǎng)分流動變化特征，結果表明生產1 kg產品的氮磷代價都在顯著增加[10]；Hou等[11]進一步揭示了城鎮(zhèn)化率以及飲食消費結構改變是農業(yè)系統氮磷養(yǎng)分流動的驅動因素。這些研究同時表明了畜牧業(yè)生產結構變化與其養(yǎng)分利用率、損失之間是息息相關的，畜牧業(yè)集約化進程加速有可能帶來很多負面效應。Bai等[12]在此基礎上揭示了過年50年以來中國生豬養(yǎng)殖體系規(guī)模化程度增加，但是農牧結合程度和系統養(yǎng)分利用率快速降低的現象。但是當前針對縣域尺度城郊型農牧體系快速轉變對氮磷流動特征、利用率和損失時空變化的研究還比較缺乏。【本研究切入點】城郊型農牧體系具有集約化程度高、經濟作物比重大和環(huán)保要求高等多重特征，了解其養(yǎng)分流動時空變化對研究和優(yōu)化城郊型農牧體系養(yǎng)分管理具有重要意義。本研究以農牧系統氮磷流動與農牧體系結構變化為切入點，利用NUFER模型和實地調研，分析農牧體系氮磷流動和利用率的時空變化，及其與農牧生產結構變化之間的關系，探討制約農牧生產體系養(yǎng)分利用率及循環(huán)利用的影響因素。【擬解決的關鍵問題】選擇農牧系統轉型較快的石家莊市欒城區(qū)為研究對象，通過實地調研、統計數據和文獻，結合NUFER模型評價方法，通過對城郊型農牧體系氮磷流動特征和氮磷利用率時空變化進行定量研究，為明確農牧體系養(yǎng)分流動特征影響因素提供基礎信息，并為農牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)域隸屬于冀中平原西部，總面積345 km2，位于河北省會石家莊主城區(qū)東南方12 km。年平均氣溫13℃，年平均降水量474 mm，年平均無霜期205 d，是石家莊糧食、蔬菜、水果和畜禽產品的主要供應基地之一。欒城區(qū)城鎮(zhèn)化率從1985年的3.9%增至2014年的49%，可耕種土地面積減少9 183 hm2（從1985—2014年減少29%），畜禽養(yǎng)殖規(guī)模增長，其農牧系統結構隨著城鎮(zhèn)化進程的加快而發(fā)生顯著改變。

1.2 系統邊界和NUFER模型介紹

NUFER是Ma等[9]開發(fā)的食物鏈養(yǎng)分流動模型，該模型綜合考慮了4個環(huán)節(jié)（作物生產系統、畜禽生產系統、食品加工系統和家庭消費系統）的養(yǎng)分流動、利用率和環(huán)境損失。本研究利用NUFER模型分析欒城區(qū)城郊型農牧生產系統氮磷養(yǎng)分流動、利用率和環(huán)境損失情況。基于3個尺度進行開展，分別為種植業(yè)尺度、畜牧業(yè)尺度和農牧系統尺度。其中，種植業(yè)考慮糧食作物、油料作物、蔬菜、水果養(yǎng)分流動。畜牧業(yè)考慮單胃動物（豬、蛋雞、肉雞）和反芻動物（奶牛、肉牛、羊）養(yǎng)分流動。農牧系統綜合考慮種植業(yè)與畜牧業(yè)系統的養(yǎng)分循環(huán)。本研究輸入項為（1）化肥；（2）大氣沉降；（3）生物固氮；（4）飼料進口，系統內部流動項為（5）秸稈還田；（6）本地飼料；（7）畜禽糞尿還田，輸出項為（8）作物主產品；（9）秸稈；（10）氨揮發(fā)；（11）反硝化；（12）徑流侵蝕；（13）淋溶；（14）直接排放；（15）畜禽產品；（16）畜禽副產物；（17）土壤積累（圖1）。根據調研結果，種子和灌溉占輸入項比例低于3%，所占比例較小且受農牧結構變化影響較小，本文不予考慮。

圖1 欒城區(qū)農牧生產系統邊界和養(yǎng)分流動圖

1.3 模型計算方法和關鍵指標定義

采用NUFER模型計算氮磷流動、利用率和環(huán)境排放。種植體系、養(yǎng)殖體系、農牧系統的氮磷養(yǎng)分利用率計算公式：

N(P)Icrop=N(P)Ifer+NIBNF+NIdep+N(P)Iam+N(P)Ist（1）

式中，N(P)Icrop表示種植業(yè)氮磷總輸入量，N(P)Ifer表示化肥氮磷輸入量，NIBNF表示生物固氮量，NIdep表示大氣氮沉降量，N(P)Iam表示畜禽糞尿氮磷還田量，N(P)Ist表示作物秸稈氮磷還田量。

N(P)UEc=N(P)Ocrop/N(P)Icrop（2）

式中，N(P)UEc表示種植業(yè)氮磷利用率，N(P)Ocrop表示作物產品氮磷輸出量，N(P)Icrop表示種植業(yè)氮磷總輸入量。

N(P)UEa=N(P)OAnimal/(N(P)Ifi+N(P)Ilf) （3）

式中，N(P)UEa表示畜牧業(yè)氮磷利用率，N(P)OAnimal表示畜禽產品氮磷輸出量，N(P)Ifi表示飼料氮磷進口量，N(P)Ilf表示本地飼料氮磷輸入量。

N(P)UEc+a=(N(P)Oc+N(P)Oa)/(N(P)Ifer+N(P)IBNF+

N(P)Idep+N(P)Ifi) （4）

式中，N(P)UEc+a表示農牧系統的氮磷利用率，N(P)Oc表示農牧體系作物產品氮磷輸出量，N(P)Oa表示農牧體系畜禽產品氮磷輸出量，N(P)Ifer表示化肥氮磷輸入量，NIBNF表示生物固氮量，NIdep表示大氣氮沉降量，N(P)Ifi表示飼料氮磷進口量。

根據物質流平衡方法，土壤氮磷積累量等于作物輸入氮磷減去產品氮磷和損失氮磷；糞尿氮磷還田量等于畜禽糞尿氮磷總產生量和氮磷損失的差值乘以還田比例；飼料氮磷進口量等于畜禽產品、畜禽副產品、畜禽糞尿氮磷產生量總和減去本地飼料氮磷輸入量。

N(P)accumulate=N(P)Icrop-N(P)Ocrop-N(P)OSt-NONH3-NODe-N(P)Orf- N(P)Ole（5）

式中，N(P)accumulate表示土壤氮磷積累量，N(P)Icrop表示種植業(yè)氮磷總輸入量，N(P)Ocrop表示作物產品氮磷輸出量，N(P)OSt表示作物秸稈氮磷輸出量，NONH3表示種植業(yè)氨揮發(fā)損失量，NODe表示種植業(yè)反硝化損失量，N(P)Orf表示種植業(yè)徑流侵蝕損失量，N(P)Ole表示種植業(yè)淋溶損失量。

N(P)Iam=(N(P)Omanure-NOmanureNH3-NOmanureN2O- NOmanureN2-N(P)Odischarge)×PMR（6）

式中，N(P)Iam表示畜禽糞尿氮磷還田量，N(P)Omanure表示畜禽糞尿氮磷總產生量，NOmanureNH3表示養(yǎng)殖業(yè)氨揮發(fā)，NOmanureN2O表示養(yǎng)殖業(yè)N2O產生量，NOmanureN2表示養(yǎng)殖業(yè)反硝化損失量，N(P)Odischarge表示養(yǎng)殖業(yè)氮磷直接排放，PMR表示糞尿還田比例。

N(P)Ifi=N(P)OAnimal+N(P)OANB+N(P)Omanure-N(P)Ilf（7）

式中，N(P)Ifi表示飼料氮磷進口量，N(P)OAnimal表示畜禽產品氮磷輸出量，N(P)OANB表示畜禽副產品氮磷輸出量，N(P)Omanure表示畜禽糞尿氮磷總產生量，N(P)Ilf表示本地飼料氮磷輸入量。

單位面積或單位畜禽產品環(huán)境損失的計算公式：

N(P)ULc=(NONH3+NODe+N(P)Orf+N(P)Ole)/Area（8）

式中，N(P)ULc表示單位作物每年的環(huán)境排放，NONH3表示種植業(yè)氨揮發(fā)損失量，NODe表示種植業(yè)反硝化損失量，N(P)Orf表示種植業(yè)徑流侵蝕損失量，N(P)Ole表示種植業(yè)淋溶損失量，Area表示總可耕種面積。

N(P)PLa=(NOmanureNH3+NOmanureN2O+NOmanureN2+ N(P)Odischarge)/LU （9）

式中，N(P)PLa表示單位動物每年的環(huán)境排放，NOmanureNH3表示養(yǎng)殖業(yè)氨揮發(fā)，NOmanureN2O表示養(yǎng)殖業(yè)N2O產生量，NOmanureN2表示養(yǎng)殖業(yè)反硝化損失量，N(P)Odischarge表示養(yǎng)殖業(yè)糞尿氮磷直接排放，LU為livestock unit，表示標準牛當量（折合500 kg奶牛），不同動物的折換比例分別為奶牛，1﹕1；肉牛，0.8﹕1；豬，0.3﹕1；羊，0.1﹕1；蛋雞，0.014﹕1；肉雞，0.007﹕1。

每生產單位產品帶來的氮磷損失的計算公式：

N(P)PLc=(NONH3+NON2+N(P)Orf+N(P)Ole)/N(P)Ocrop（10）

式中，N(P)PLc表示每生產1 kg作物產品的氮磷損失，NONH3表示種植業(yè)氨揮發(fā)損失量，NON2表示反硝化損失量，N(P)Orf表示徑流侵蝕損失量，N(P)Ole表示淋溶損失量，N(P)Ocrop表示作物產品氮磷輸出量。

N(P)PLa=(NOmanureNH3+NOmanureN2O+NOmanureN2+ N(P)Odischarge)/N(P)OAnimal（11）

式中，N(P)PLa表示每生產1 kg畜禽產品的氮磷損失，NOmanureNH3表示養(yǎng)殖業(yè)氨揮發(fā)量，NOmanureN2O表示養(yǎng)殖業(yè)N2O產生量，NOmanureN2表示養(yǎng)殖業(yè)反硝化損失量，N(P)Odischarge表示養(yǎng)殖業(yè)畜禽氮磷直接排放量，N(P)OAnimal表示畜禽產品氮磷輸出量。

N(P)PLc+a=(NONH3+NON2+N(P)Orf+N(P)Ole+NOmanureNH3+ NOmanureN2O+NOmanureN2+ N(P)Odischarge)/(N(P)Ocrop+ N(P)OAnimal-N(P)Ilf) （12）

式中，N(P)PLc+a表示每生產1 kg農牧產品（作物產品+畜禽產品）帶來的氮磷損失，NONH3表示種植業(yè)氨揮發(fā)損失量，NON2表示種植業(yè)反硝化損失量，N(P)Orf表示種植業(yè)徑流侵蝕損失量，N(P)Ole表示種植業(yè)淋溶損失量，NOmanureNH3表示養(yǎng)殖業(yè)氨揮發(fā)量，NOmanure N2O表示養(yǎng)殖業(yè)N2O產生量，NOmanure N2表示養(yǎng)殖業(yè)反硝化損失量，N(P)Odischarge表示養(yǎng)殖業(yè)畜禽氮磷直接排放量，N(P)Ilf表示本地飼料氮磷輸入量。

1.4 數據來源

數據來源包括調研數據、統計數據和文獻數據3部分。

調研數據：通過與種植戶、養(yǎng)殖戶面對面的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。養(yǎng)殖戶調研內容包括農場的養(yǎng)分輸入/輸出、畜禽養(yǎng)殖管理、糞尿管理和還田情況。作物籽粒利用情況、作物秸稈利用情況、畜禽糞尿還田率來自于調研數據（表1）。養(yǎng)殖業(yè)NH3排放系數、N2O排放系數、反硝化排放系數和直接排放系數來自調研數據（表2）。

表1 作物籽粒和秸稈利用情況

表2 畜禽排泄系數與養(yǎng)殖系統排放系數

統計數據：欒城區(qū)歷年人口、化肥投入量、可耕地面積、農作物播種面積及產量、畜禽養(yǎng)殖數量及產量來自于欒城縣國民經濟統計年鑒（1985—2015）[13]與石家莊統計年鑒（1985—2015）[14]；城市與農村動植物食物人均消費水平來自于河北經濟年鑒（1985—2015）[15]。本研究在選取基礎數據時考慮了不同畜禽種類的養(yǎng)殖周期差異，養(yǎng)殖周期的數據來自經驗與調研數據：生豬、肉牛和肉雞養(yǎng)殖量選用當年出欄量；奶牛和羊的養(yǎng)殖量選用當年年末存欄量；由于部分統計數據中不包括年末蛋雞存欄養(yǎng)殖量，故通過雞蛋產量與FAO中國歷年蛋雞平均產蛋量反推蛋雞養(yǎng)殖數量。

文獻數據：1985—2014年期間欒城區(qū)種植業(yè)不同作物養(yǎng)分含量、生物固氮、氮沉降、反硝化、NH3和N2O排放系數、反硝化排放系數、氮磷淋溶和徑流排放系數采用NUFER模型參數[16-17]（表3）。畜禽產品分配系數（表4）、畜禽產品氮磷養(yǎng)分含量（表5）、畜禽排泄系數（表2）采用NUFER模型[16]。

2 結果

2.1 欒城城郊型農牧生產體系結構變化

欒城區(qū)隸屬河北省會石家莊，緊鄰主城區(qū)，隨著石家莊城鎮(zhèn)化進程加快，其農牧生產體系結構發(fā)生了很大變化，逐漸向城郊型農牧生產體系過渡。1985—2014年期間糧食作物的生產比例逐漸縮小，截止2014年占總播種面積比例降低到75%；作為石家莊市“菜籃子”工程的實施區(qū)域，欒城區(qū)蔬菜播種面積在過去30年中增加了4.6倍（圖2-a）。同時畜禽養(yǎng)殖規(guī)模在1985—2006年快速發(fā)展之后發(fā)展速度趨于穩(wěn)定。截止2014年，畜禽養(yǎng)殖數量為39萬標準畜禽單位（折500 kg奶牛），為1985年的10倍；2014年畜禽養(yǎng)殖密度為18 LU/hm2。在此過程中，畜牧業(yè)生產結構快速轉變，單胃動物（生豬、蛋雞和肉雞）絕對數量增加7.5倍，但占畜禽養(yǎng)殖當量的比例較1985年下降15%；反芻動物（奶牛、肉牛和肉羊）絕對數量增加34倍，且所占比例增加2.6倍（圖2-b）。

表3 種植業(yè)基本參數

表4 畜禽產品分配系數

2.2 欒城區(qū)農牧體系氮磷養(yǎng)分流動特征及年際差異

隨著欒城區(qū)農牧系統養(yǎng)殖結構發(fā)生改變，氮磷養(yǎng)分流動特征隨之發(fā)生變化（圖3）。相對于1985年，2014年農牧體系氮磷化肥輸入量分別增加了74%和47%；飼料氮進口量從0 Gg（Gg=109g）激增到15 Gg，磷進口量從0.02 Gg增加到3.0 Gg。2014年欒城區(qū)種植業(yè)到畜牧業(yè)氮磷養(yǎng)分循環(huán)絕對量分別增加3.1倍和2.7倍，畜牧業(yè)糞尿氮磷還田率降低，1985—2014年畜牧業(yè)畜禽糞尿氮素還田率由59%降至35%。

圖2 1985—2014年欒城區(qū)種植業(yè)（a）和畜牧業(yè)（b）結構變化

表5 畜禽產品養(yǎng)分含量

圖3 1985年和2014年欒城區(qū)農牧體系氮磷養(yǎng)分流動特征及年際差異

相對于1985年，2014年畜禽產品氮磷輸出量分別增加39倍和40倍，農牧體系整體的氮磷損失分別增加4.2倍和8.4倍。2014年畜牧業(yè)氮磷排泄量分別為13和3.4 Gg，折合單位耕地面積畜禽糞尿氮磷承載量為588 kg N·hm-2和150 kg P·hm-2，是典型的高環(huán)境負荷城郊型農牧生產體系。2014年土壤氮磷累積量已經達到3.0和5.3 Gg·a-1，分別為1985年的2.3倍和2.5倍。1985年欒城區(qū)農牧體系的氮磷養(yǎng)分流動均以種植業(yè)為主導，種植業(yè)是農牧體系外源氮磷養(yǎng)分輸入和產品氮磷輸出的主體。但是2014年，畜牧業(yè)源外源氮磷投入分別占農牧體系外源氮磷投入量的57%和39%，畜牧業(yè)源氮磷主產品輸出占農牧體系氮磷主產品輸出的60%和33%（圖3），畜牧業(yè)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。

2.3 欒城區(qū)種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)氮磷流動特征及歷史變化

1985—2002年，欒城區(qū)單位耕地面積氮素投入量增加2.2倍，從291 kg·hm-2增至942 kg·hm-2，隨后穩(wěn)定在763 kg·hm-2。輸入項中化肥絕對數量增加2.4倍，其投入量占總投入量的54%。輸出項中，作物產量30年內增加88%，截至2014年占總氮輸出量的46%，單位面積氮盈余量為132 kg·hm-2。氨揮發(fā)是氮損失的主要途徑，約占2014年總氮損失的41%，淋溶徑流侵蝕為第二大氮損失途徑（圖4-a）。畜牧業(yè)單位動物總氮輸入平均值為51 kg/LU，年際之間無明顯變化，飼料結構顯著變化。1985—1992年期間本地飼料為畜牧業(yè)氮輸入的主要來源（94%），2014年這一比例降低到25%；1993—2003年進口飼料氮輸入總量快速增加，其占畜牧業(yè)總氮輸入量的比例從31%增至75%。1985—2007年單位動物產品平均氮輸出量從5.6 kg/LU提高到17 kg/LU，隨后保持穩(wěn)定。1985—2014年，單位動物氮氣體損失先增加后減小，平均損失為15 kg/LU，其中氨揮發(fā)占87%；氮水體損失從0.15 kg/LU增至8.6 kg/LU，增加了56倍。畜牧業(yè)氮損失的主要途徑是氨揮發(fā)（圖4-b）。

圖4 欒城區(qū)種植業(yè)（a）和畜牧業(yè)（b）體系氮素流動

1985—2014年磷輸入量從112 kg·hm-2增至335 kg·hm-2；化肥為主要輸入項，占總磷投入的76%；畜禽糞尿輸入占22%。磷素輸出項中作物產品磷輸出穩(wěn)定增加，2014年比1985年提高2.3倍；土壤磷累積為主要輸出項，單位面積磷累積量從67 kg·hm-2增加到237 kg·hm-2，增加了2.5倍（圖5-a）。畜牧業(yè)平均磷輸入為9.0 kg/LU，進口飼料占畜牧業(yè)總磷投入的比例呈遞增趨勢，由6.9%增至75%。輸出項中單位動物磷產品增加2.2倍，畜禽糞尿磷的直接排放從0.09 kg/LU增加到1.9 kg/LU，增加了18倍（圖5-b）。

圖5 欒城區(qū)種植業(yè)（a）和畜牧業(yè)（b）體系磷素流動

2.4 欒城區(qū)農牧系統氮磷利用率與損失歷史變化趨勢

1985—2014年畜牧業(yè)氮利用率穩(wěn)步增加（14%—30%），種植業(yè)和農牧體系氮利用率先降后升，1985—1996年，種植業(yè)和農牧系統的氮利用率分別下降33%和57%；1996—2015年，種植業(yè)和農牧系統氮利用率逐漸增加并穩(wěn)定在43%和36%（圖6-a）。2014年種植業(yè)、畜牧業(yè)和農牧系統磷素利用率分別為23%、10%和16%，較1985年分別下降27%、增加132%和降低40%。磷利用率與氮利用率變化趨勢相同（圖6-b）。

2014年種植業(yè)、畜牧業(yè)和農牧系統單位產品氮損失分別為0.66、1.4和1.5 kg·kg-1，相比1985年增加27%、減少36%和增加72%。1985—2015年3個不同系統單位產品氮損失先上升后下降，之后趨于平緩，畜牧業(yè)單位產品損失高于種植業(yè)單位產品損失（圖7-a）。2014年種植業(yè)、畜牧業(yè)和農牧系統單位產品磷損失分別為0.11、1.8和0.75 kg·kg-1。1985—2009年種植業(yè)、畜牧業(yè)和農牧系統單位產品損失分別增加31%、10倍和5.8倍，隨后下降，以養(yǎng)殖業(yè)下降比例最大（40%）（圖7-b）。

2.5 欒城區(qū)農牧體系氮磷利用率和損失的空間分布特征

2014年，西營鄉(xiāng)和南高鄉(xiāng)農牧系統氮利用率最高，均高于25%，冶河鎮(zhèn)的氮利用率最低（郄馬鎮(zhèn)于2009年不再隸屬于欒城鎮(zhèn)行政區(qū)劃）。2014年樓底鎮(zhèn)、南高鄉(xiāng)、西營鄉(xiāng)、柳林屯的農牧系統氮的利用率較1985年增加。樓底鎮(zhèn)農牧系統磷的利用率最高，為18%；竇嫗鎮(zhèn)和柳林屯的磷的利用率較低，不足10%；2014年不同區(qū)域農牧系統磷利用率均低于1985年（圖8-a、8-b）。農牧系統單位面積氮損失冶河鎮(zhèn)最高，竇嫗鎮(zhèn)其次，均大于250 kg·hm-2；南高鄉(xiāng)和西營鄉(xiāng)的單位面積氮損失較少。冶河鎮(zhèn)2014年氮損失是1985年的6.2倍，遠遠高于其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)。冶河鎮(zhèn)（3.6 kg·hm-2）和竇嫗鎮(zhèn)（4.4 kg·hm-2）單位面積磷損失量最高，西營鄉(xiāng)和南高鄉(xiāng)磷損失量最低，低于2.5 kg·hm-2；2014年竇嫗鎮(zhèn)、冶河鎮(zhèn)、西營鄉(xiāng)和南高鄉(xiāng)的磷損失相對于1985年分別增加了63%、61%、31%和22%（圖8-c、8-d）。從區(qū)域上來看，區(qū)域間整體氮磷損失增加，中心區(qū)域向石家莊靠近地區(qū)（樓底鎮(zhèn)、竇嫗鎮(zhèn)、冶河鎮(zhèn)）氮磷損失迅速增加。

NUEc：作物氮利用率 Nitrogen use efficiency of crop；NUEa：畜禽氮利用率 Nitrogen use efficiency of animal；NUEc+a：農牧系統氮利用率 Nitrogen use efficiency of crop-livestock system；PUEc：作物磷利用率 Phosphorus use efficiency of crop；PUEa：畜禽磷利用率 Phosphorus use efficiency of animal；PUEc+a：農牧系統磷利用率 Phosphorus use efficiency of crop-livestock system

圖7 欒城區(qū)氮（a）和磷（b）養(yǎng)分環(huán)境損失

3 討論

3.1 欒城農牧系統氮磷流動特征

本研究表明，30年欒城區(qū)農田化肥氮磷投入平均為339和164 kg·hm-2，這個值高于糧食作物合理的施氮水平的150—250 kg·hm-2[18]以及全國施磷量平均水平的131 kg·hm-2[19]。這與欒城區(qū)城郊型種植業(yè)結構有關，欒城區(qū)作為河北省會石家莊市的“菜籃子”生產區(qū)，蔬菜播面從1985年來呈直線上升趨勢，2014年已經占欒城區(qū)耕地面積的25%左右，高于全國平均水平（13%）[20]。由于經濟作物單位面積化肥施用量普遍高于糧食作物[21]，隨著蔬菜播種面積占比增加，欒城區(qū)平均氮磷施用水平持續(xù)增加并高于全國平均水平。土壤氮磷盈余過多也是目前欒城面臨的問題，2014年單位面積氮磷盈余量分別為132和237 kg·hm-2，超過農田建議氮素盈余量指標100 kg·hm-2[22]和全國磷素盈余量平均水平59 kg·hm-2[23]。城郊型農牧業(yè)一般都伴隨著畜禽養(yǎng)殖密度過高，飼料資源需求和糞尿資源化、無害化需求較高的現象。本研究表明，2014年欒城區(qū)畜禽養(yǎng)殖密度高達18 LU·hm-2，而單位面積耕地畜禽糞尿氮磷承載量達到588 kg N·hm-2和150 kg P·hm-2，這是當前欒城區(qū)種植業(yè)養(yǎng)分投入過高的原因之一。此外，畜牧業(yè)由家庭散養(yǎng)、專業(yè)化養(yǎng)殖到集約化養(yǎng)殖的轉型會提升動物生產效率，提高畜牧業(yè)氮磷利用率[24]，這與本文畜牧業(yè)氮磷利用率快速增加的規(guī)律相吻合。然而，規(guī)模化畜牧業(yè)發(fā)展依賴于大量精飼料以及優(yōu)質粗飼料投入，如玉米、大豆和苜蓿。當本地生產不能滿足高品質飼料需求的時候，進口成為唯一選擇。因此，隨著欒城畜禽養(yǎng)殖數量持續(xù)增加、養(yǎng)殖結構的變化、規(guī)模化進程加快以及糧食作物播種面積下降等現象的產生，畜禽養(yǎng)殖主導的飼料進口快速增加。這也與生豬養(yǎng)殖體系規(guī)模化程度增加導致的相關飼料進口增加規(guī)律一致[12]。規(guī)模化畜牧業(yè)發(fā)展導致的糞尿循環(huán)率低和環(huán)境排放高也成為當前城郊型畜牧業(yè)發(fā)展的普遍現象并成為畜牧業(yè)未來可持續(xù)發(fā)展的瓶頸（圖3）。

圖8 不同區(qū)域農牧體系氮磷利用率和損失變化

3.2 欒城農牧系統氮磷利用率

1985—2014年，欒城區(qū)種植業(yè)、農牧系統氮磷利用率均呈現“先減后增”趨勢，這與魏莎等[25]針對北京城郊生豬氮磷利用率變化的研究結果一致。產生這一現象的原因有4點：（1）種植業(yè)蔬菜水果播種面積比例逐漸增加占到25%，本研究表明蔬菜水果播種面積比例增加間接導致了種植業(yè)與農牧系統養(yǎng)分利用率降低，這與柏兆海等研究結果相一致[26]；（2）農牧體系氮磷利用率為36%和16%，當前畜牧業(yè)源的外源投入已經占欒城區(qū)農牧體系氮磷總投入的57%和39%，畜牧業(yè)主導的養(yǎng)分流動占農牧系統比例快速增加，由于畜牧業(yè)氮磷利用率遠低于種植業(yè)體系，因此隨著畜牧業(yè)占比越高，農牧體系養(yǎng)分利用率降低；（3）畜牧業(yè)規(guī)模化程度增加導致的畜牧業(yè)養(yǎng)分利用率快速提升，但是外源飼料需求也快速增加，占比達到75%，導致農牧系統養(yǎng)分利用率的降低，與Ma等結果一致[27]；（4）農牧系統分離嚴重，畜牧業(yè)畜禽糞尿循環(huán)比例下降，直接排放增加，導致種植業(yè)系統仍需要大量外源化肥養(yǎng)分投入，降低農牧系統利用率的同時，增加了環(huán)境風險，與張華芳[28]的研究結果一致。而當前種植業(yè)、畜牧業(yè)以及整個農牧系統單位產品的氮磷損失規(guī)律差異主要是由畜牧業(yè)氮磷養(yǎng)分利用率和畜禽糞尿鏈氮磷不同損失特征造成的，如欒城畜牧業(yè)中單胃動物比例較高，然而單胃動物無法有效利用植酸磷[29]，因此依賴于外源飼料磷添加劑的投入才能維持高效生產，過量的磷進入環(huán)境造成環(huán)境風險。

3.3 欒城區(qū)農牧生產體系氮磷流動存在問題及建議

當前欒城區(qū)農牧系統養(yǎng)分利用率偏低、損失偏高主要源自過高的畜禽養(yǎng)殖密度、農牧分離以及養(yǎng)分管理措施的不合理。首先，應進一步從畜禽糞尿承載量、環(huán)境損失等角度確定其最大的畜禽養(yǎng)殖量，并適當淘汰部分落后的畜禽養(yǎng)殖場，以提高畜牧業(yè)整體的養(yǎng)分利用率并降低外源飼料養(yǎng)分投入。同時可以對畜禽糞尿進行加工或者無害化處理，降低種植業(yè)養(yǎng)分承載壓力同時緩解整個區(qū)域高環(huán)保需求。其他措施如在保證作物生長的前提下將過量的畜禽糞尿通過固液分離、堆肥等處理措施進行區(qū)域調控，將畜禽糞尿制成土壤調理劑等輸出欒城，也可在一定程度上緩解氮磷環(huán)境排放較高的問題[30]。其次，應實行糞尿全鏈條管理。糞尿全鏈條管理包括從畜禽飼喂、動物圈舍、糞尿儲存、土壤和作物的管理。通過減少氣體損失和水體損失，增加畜禽糞尿還田施用率[31]，具體措施包括通過補貼建設低糞尿排放的圈舍和儲藏設施，優(yōu)化糞尿運輸和施用技術等可以起到較好的效果[32]。最后，重視并優(yōu)化種植業(yè)蔬菜養(yǎng)分管理和畜牧業(yè)單胃動物養(yǎng)分管理問題，通過配方施肥[33]、水肥一體化[34]等先進的施肥技術，以及實行水碳氮綜合管理，增加填閑作物等降低蔬菜種植過程的氮磷投入和損失[35]；根據單胃動物生產體況，添加限制性氨基酸和平衡氨基酸[36]提高動物對氮素的消化利用，并在飼料中添加適量植酸酶[37]或平衡鈣磷比等[38]提高動物對磷素的消化利用。這些措施的實施將對欒城區(qū)可持續(xù)城郊型農牧系統具有重要意義。

4 結論

受城鎮(zhèn)化驅動和農牧系統生產結構改變的影響，欒城區(qū)畜牧業(yè)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。2014年種植業(yè)每公頃耕地氮磷投入量分別為763和335 kg，相較于1985年分別增加1.6倍和2.0倍。蔬菜水果播種面積占到25%，飼料進口率達到75%，畜牧業(yè)養(yǎng)殖密度達到18 LU/hm2，單位面積耕地畜禽糞尿氮磷承載量達到588 kg N·hm-2和150 kg P·hm-2，但畜禽糞尿氮素還田率降至35%，是典型的高環(huán)境負荷的城郊型農牧生產體系。2014年農牧系統氮磷利用率低，分別為36%和16%，欒城區(qū)單位面積氮磷盈余量分別為132和237 kg·hm-2，單位農牧產品氮磷損失分別為1.5和0.75 kg·kg-1，相較于1985年分別增加72%和5.8倍。綜上所述，欒城區(qū)氮磷流動具有高投入、高產出、低氮磷利用率、畜牧業(yè)占主導地位和農牧分離的高環(huán)境風險特征。

農牧系統氮磷利用率和損失受農牧結構變化和農牧結合程度影響較大，當前農牧系統養(yǎng)分利用率偏低、損失偏高主要源自過高的畜禽養(yǎng)殖密度、農牧分離以及養(yǎng)分管理措施的不合理。確定欒城區(qū)合理的畜禽養(yǎng)殖承載量，加強飼養(yǎng)管理，實行糞尿全鏈條管理等農牧結合措施將對農牧系統可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

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（責任編輯 岳梅）

Temporal and spatial changes of nutrient flows and losses in the peri-urban Crop-livestocksystem in Luancheng

MA Yifei1, BAI Zhaohai2, MA Lin2, NIE Yongqiang3, JIANG Rongfeng1

(1College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University/Key Laboratory of Plant-Soil Interactions, Ministry of Education, Beijing 100193;2Center 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;3Animal Husbandry and Veterinary Bureau of Luancheng District of Shijiazhuang, Shijiazhuang 051430)

【Objective】 Crop-livestock production structure and their integration rate has been changed greatly in China since the reform and opening policy. These changes have large impacts on the nutrient flows and environmental losses in the crop-livestock production chain. Here, Luancheng district of Hebei province was used as an example to analyze the temporal and spatial changes of crop-livestock production structure and impacts on nutrient flows and losses from 1985 to 2014, and to determine the key impacting factor of nutrient losses in crop-livestock system. These results can be used to improve the understanding of sustainable agriculture not only for Luancheng district, but also for other counties which faced the same situation with Luancheng district. 【Method】the nutrient flows in Luancheng district were analyzed by using NUFER (nutrient flow in the food system, environment and resource) model and field survey. The NUFER model calculated nitrogen (N) and phosphorus (P) flow, use efficiency and environmental losses of crop production system, livestock system, food processing system and household consumption system. Field surveys were conducted through the face-to-face questionnaires to collect information about the nutrient management. The contents of the questionnaires include the production practices and nutrient input-output of crop system, livestock feeding management and manure management practices, manure recycle to crop land and nutrient input-output of the livestock system. 【Result】In 2014, the percentage of vegetable and fruit sown area to the total sown area was 25%, N and P inputs of agricultural land were 763 kg N·hm-2and 335 kg P·hm-2, the average surplus of N and P were 132 kg N·hm-2and 237 kg P·hm-2agricultural land, the livestock density reached up to 18 LU/hm2agricultural land, feed import rate reached to 75%, input of external N and P from livestock production accounted for 57% and 39% of the total external input in crop-livestock system, and output of N and P as main animal products accounted for 60% and 33% of the output in crop-livestock system. All of these indicators indicated that Luancheng district was a typical high environmental loads peri-urban production system. From 1985 to 2014, manure N recycled rate decreased from 59% to 35%. Meanwhile, the nitrogen use efficiency (NUE) decreased from 45% to 43%, and the phosphorus use efficiency (PUE) decreased from 32% to 23% in the crop production during the same period. However, different with that of crop production, the NUE in animal production was increased from 14% to 30%, and the PUE of animal production was increased from 4.4% to 10%. For the whole crop-livestock production system, the NUE decreased from 41% to 36%, and the PUE decreased from 27% to 16%, respectively. In 2014, when 1 kg N was delivered into the crop products, 0.66 kg N lost to environment. Similarly, when 1 kg P was delivered into the crop products, 0.11 kg P lost to environment. The average N and P losses were 1.4 kg N and 1.8 kg P when 1 kg of N and P was retained in animal body, respectively. At the crop-livestock production level, the average N and P losses was 1.5 kg N·kg-1and 0.75 kg P·kg-1. Ammonia was the major N loss pathway both in crop and livestock production, however, manure direct discharge was the main P loss pathway in the crop-livestock production system.【Conclusion】Driven by the urbanization and structure changes of crop-livestock system, the crop-livestock system in Luancheng district has been defined as the high input, high yield, low nutrient use efficiency, livestock dominated, high environmental risk typical and high environmental loads peri-urban production system during the past 30 years. The low nutrient use efficiency and high nutrient losses were due to the high livestock density, decoupled crop-livestock production and irrational nutrient management practices. Therefore, it is important to determine the reasonable livestock production capacity and improve the feed management and implement the whole chain manure management practices to achieve the sustainable crop-livestock production in Luancheng district.

nitrogen; phosphorus; crop-livestock system; nutrient use efficiency; NUFER model

2017-05-12；

2017-07-02

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

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