小興安嶺典型農田生產-畜禽養殖系統氮素流動特征①

王巧佳，韓睿明，蔡祖聰,3，黃 黃，劉金娥，許 安，葉曉楓

小興安嶺典型農田生產-畜禽養殖系統氮素流動特征①

王巧佳1，韓睿明2*，蔡祖聰1,3，黃 黃1，劉金娥2，許 安2，葉曉楓2

(1 南京師范大學地理科學學院，南京 210023；2 南京師范大學環境學院，南京 210023；3 江蘇省物質循環與污染控制重點實驗室，南京 210023)

為了解小興安嶺地區農田生產-畜禽養殖系統氮素投入與利用情況，以伊春市帶嶺區為研究區域，采用物質流分析方法，分析了2007—2015年該區氮素輸入、遷移、轉化和輸出過程，核算了該地區農田生產與畜禽養殖氮素流動通量、流動效率及環境負荷。結果表明：2007—2015年帶嶺區農田生產系統與畜禽養殖系統單位面積氮素流動通量均呈上升趨勢，且在2007—2012年上升幅度較大；畜禽養殖數量、農作物種植結構是影響帶嶺區氮素流動通量的重要因素；農田生產系統氮素利用率平均為64%，作物能較有效利用氮素；畜禽養殖系統氮素利用率約為19%，存在著較大提升空間；帶嶺區環境氮負荷呈現逐年增加趨勢，畜禽養殖數量增加過快，糞尿氮素損失是環境氮負荷增加的主要原因。建議加強畜禽養殖科學管理，合理控制養殖規模，提高糞尿利用率，同時盡可能減少化肥氮投入，促進農田生產-畜禽養殖系統向高效、可持續方向發展。

帶嶺區；農田生產；畜禽養殖；氮素梯級流動；環境負荷

人為源活性氮排放量的增加，導致水體富營養化、溫室效應等全球生態環境問題日益加劇。研究認為，農業氮肥是最大的人為活性氮來源，協調好活性氮在農業生產和生態環境保護中的作用是世界各國共同面臨的嚴峻挑戰[1-2]。Galloway和Cowling[3]研究表明，氮肥進入作物生產系統，通過梯級流動，僅有14% 的氮素以植物食品氮的形式進入人體；若農作物產品氮以飼料形式進入畜禽養殖系統，最終只有4% 的氮素以動物食品氮的形式進入人體，即大部分氮素流失進入環境。我國以占世界7% 的耕地，保障了世界20% 人口的糧食供應，為此每年施用了全世界近1/3的氮肥，成為全球活性氮制造量和氮肥消費量最大的國家[4-6]。有研究指出，過去40 a我國化肥施用量的增速遠遠超過糧食產量的增速，而氮肥利用效率卻相對較低，與世界平均水平相比低10% 左右[7]。巨曉棠和谷保靜[8]進一步指出我國農田氮肥施用的主要問題是施肥過程中和施肥后的嚴重損失。另一方面，我國畜禽糞尿氮素總體呈“快速增加(1978—2005年)-保持穩定(2006—2016年)”的變化態勢。2002年我國畜禽糞便產生氮總量為1 680萬t，相當于當年全國化肥投入氮素總量(2 506萬t)的66%，若按50% 的糞尿氮養分環境容量(85 kg/hm2)計算，全國可增加糞尿氮養分還田量為2 520.21萬t，其中黑龍江省畜禽糞尿還田潛力最大[9-10]。

如何提高農田生產和畜禽養殖過程的氮素利用率、減少農業活性氮排放是現階段我國農業生產亟待解決的問題。目前我國不同地區、不同施氮水平的農業生產系統氮素利用率存在較大差異[11]，為便于對地區農業氮素利用情況進行比較研究，進一步補充我國農業氮素利用效率基礎數據庫，本文以位于東北小興安嶺南麓的伊春市帶嶺區作為研究區域，該區域自然資源豐富，植被群落類型復雜多樣，耕種面積、農業人口、種植結構、種植模式相對穩定，經濟發展水平較低，工業污染少，能夠更好地反映農業生產系統氮素投入與利用情況。研究帶嶺區活性氮梯級流動通量及利用效率，有利于揭示東北小興安嶺地區農田-畜禽系統氮素利用現狀，為提高氮素在各個流動環節中的利用率提供依據，同時為其他地區農業生產氮素利用研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

帶嶺區(46°50′ ~ 47°21′ N，128°37′ ~ 129°18′ E)位于小興安嶺南麓，為黑龍江省伊春市下轄區，也是黑龍江省森林工業總局直屬實驗局，地處低山丘陵帶(圖1)，植被類型豐富，屬于中溫帶，大陸性季風氣候，全年平均氣溫1.4℃，無霜期115 d左右[12]。受西伯利亞冷空氣和太平洋季風的雙重影響，夏季濕潤而溫暖，冬季漫長且寒冷干燥。該區域土壤呈中性偏酸性，pH多為6.0 ± 0.5，土壤有機質含量較高，有機碳含量在30 ~ 50 g/kg，不同土地利用類型有機質含量差異較大，土壤每年11月中旬封凍，翌年4月中旬解凍。帶嶺區占地面積1 042 km2，農作物總播種面積約13.4 km2，種植結構較為單一，主要農作物為玉米、大豆和少量蔬菜，部分玉米作為本地養殖業飼料，大豆外銷；畜禽養殖維持一定規模，主要畜禽養殖種類有豬、牛、雞、鴨和鵝。

圖1 研究區域地理位置

1.2 研究方法

1.2.1 研究系統邊界本文以農田生產系統和畜禽養殖系統為研究對象，探究氮素梯級流動通量、效率及環境負荷。研究系統邊界如圖2所示，農田生態系統氮素輸入項為化肥、種子、秸稈、生物固氮、糞尿肥、干濕沉降以及灌溉水，輸出項為籽粒、秸稈和進入環境的氮素。其中籽粒輸出項又細分為作口糧、作飼料和其他，秸稈輸出項細分為還田、作飼料、作燃料以及田間焚燒。籽粒作口糧部分氮素可分為食品、肥料、飼料以及其他。畜禽養殖系統氮素輸入項為農田生產系統產出的飼料糧、秸稈作飼料、口糧作飼料、畜禽養殖產生的畜禽骨和副產物作飼料、家庭生活產生的廚余垃圾作飼料以及進口飼料(不屬于研究區域生產的飼料)。畜禽養殖系統氮素輸出項為蛋、奶、肉、骨作食品，骨和副產品作飼料以及進入環境的氮素。

圖2 研究系統邊界

1.2.2 氮素流動項目參數來源氮素流動相關研究表明，建立“農田生產-畜禽養殖”系統模型，定量估算氮素的環境負荷，對解決氮素流失和環境污染問題具有重要指導價值[13-16]。本研究將氮素流動系統邊界定義為“農田生產-畜禽養殖”系統。基本信息資料來自2008—2016年《伊春統計年鑒》，以及第一次全國污染源普查數據。2014年、2015年對研究區域進行農戶入戶調查，驗證數據準確性。收集以下資料：①農作物播種面積、種類及產量；②化肥施用量；③籽粒產量、籽粒分別作口糧、飼料比例及其他去向；④秸稈還田、作燃料、作飼料、田間焚燒比例；⑤牲畜和禽類的種類、產量；⑥城鎮人口與鄉村人口數量。

建立氮素梯級流動系統涉及參數包括：秸稈籽粒比、秸稈含氮量、不同農田固氮速率、干濕沉降速率、灌溉水含氮量、化肥徑流損失率、化肥淋溶損失率、有機肥徑流損失率、有機肥淋溶損失率、化肥氨揮發率、化肥反硝化率、有機肥氨揮發率、有機肥反硝化率、各畜禽肉和骨及副產物所占比例與含氮量、各畜禽糞便與尿液含氮量。詳細參數情況見表1農田生產系統部分參數以及表2畜禽養殖系統部分參數。

表1 農田生產子系統部分參數[17-35]

表2 畜禽養殖子系統參數[9, 19, 20, 23-24, 36]

1.2.3 氮素流動項目算法活性氮梯級流動的項目算法主要包括3種：①氮素含量乘數量；②單位面積氮素含量乘面積；③氮素流動比例法。各子系統氮素流動項目的具體算法詳見表3 ~ 表6。計算單位面積氮素流動通量時，以帶嶺區行政面積作為分母，行政面積包含耕地、林地及建設用地等面積。

表3 農田生產子系統氮輸入項算法

表4 農田生產子系統氮輸出項算法

表5 畜禽養殖子系統氮輸入項算法

表6 畜禽養殖子系統氮輸出項算法

1.2.4 氮素流動效率指標氮素利用率是衡量氮素流動效率的重要指標。氮素利用率指氮素在系統中的利用效率，即氮素產品輸出與輸入的比率[37]。農業生產系統氮素利用率是指植物食品氮生產量與農田生產系統氮投入量的百分比，即農田生產系統籽粒輸出項中進入食品的氮素與化肥、糞尿肥、生物固氮、干濕沉降等氮素輸入總和之比。畜禽養殖系統氮素利用率是指動物食品氮生產量與畜禽養殖系統氮投入量的百分比，即畜禽養殖系統輸出的蛋、奶、肉及作為食品的骨和副產品所含氮素與各類飼料氮素輸入總和之比。

2 結果與討論

2.1 農田種植結構與畜禽養殖數量變化

帶嶺區城鎮化水平較低，農田以糧食作物種植為主。2007—2015年帶嶺區農田種植結構和畜禽養殖數量變化如圖3所示。農作物種植結構發生變化，表現為大豆種植面積快速上升，取代了大部分蔬菜種植面積。2009年以后，大豆種植面積有所下降，而玉米、蔬菜等面積呈緩慢上升趨勢。畜禽養殖數量的增加在整個研究期內表現得尤為明顯，2007—2015年家禽養殖數量增長了2.7倍，豬的養殖數量增長了2.24倍，反芻動物肉牛和肉羊的養殖數量分別增長了84% 和59%。大豆種植面積的增加主要受外銷需求的影響，而畜禽養殖規模則受當地市場和經濟效益的影響，反映了研究區城鎮化水平的提高及居民膳食結構的變化。

圖3 農田種植結構(A)和畜禽養殖數量(B)變化

2.2 單位面積氮素流動通量

2007—2015年，研究區農田生產系統單位面積氮素(以純氮計，下同)輸入量總體呈上升趨勢(圖4A)。糞尿肥氮輸入量快速增加，研究期間增加了1.46倍，化肥氮輸入在2007—2011年間呈波動上升趨勢，2011年后則趨于穩定。自2012年起，糞尿肥單位面積氮素輸入量超過化肥氮輸入，成為農田生產系統氮素輸入的最大來源。分析其原因，2007—2015年期間帶嶺區畜禽養殖數量增加較快，導致糞尿肥氮輸出大量增加。2008—2009年，研究區域主要作物種植面積有所調整，大豆種植面積增加近1倍，生物固氮有較大提升，由0.36 kg/hm2上升至0.53 kg/hm2。2014—2015年研究區年末耕地面積發生較大變化，2007—2014年期間帶嶺區耕地面積保持在1 342 hm2，2015年則上升為2 038 hm2，導致干濕沉降氮輸入量和灌溉水氮輸入量明顯增加。因大豆產量增加，大豆秸稈含氮量高，通過還田輸入農田生產系統的秸稈氮含量略有上升，由2009年的0.08 kg/hm2上升至2012的0.15 kg/hm2。種子氮輸入在2008—2009年有小幅上升，從0.02 kg/hm2上升至0.04 kg/hm2，之后保持穩定。農田生產系統單位面積氮素輸出量總體呈上升趨勢，如圖4B所示，其中籽粒氮輸出漲幅較大，2008—2011年由0.81 kg/hm2上升至1.46 kg/hm2。自2012年以來，籽粒氮輸出較為穩定，化肥氮輸入基本持平，糞尿肥氮增多，糞尿肥氨揮發和反硝化率均大于化肥，所以進入大氣和水體的氮素有所增多。需要關注的是，2009年之后盈余于土壤中的氮素為負值，說明土壤出現氮虧缺，造成該現象的原因可能是農作物產量提高，對氮素需求量增大，更多的土壤氮素進入籽粒與秸稈中。其中，2009—2010年帶嶺區氮肥輸入氮減少約10 t，糞尿肥輸入氮增加約13 t，各類農作物畝產均增加，籽粒和秸稈輸出氮合計約增多38 t，土壤氮素盈余同比減少約38 t。Springob和Kirchmann[38]研究表明，土壤有機氮礦化速率主要受土壤穩定有機物氮素釋放影響而非土壤全氮，且與土壤碳氮比呈負指數關系(=23，2=0.88)。糞尿肥增加引起土壤全氮、土壤穩定有機物氮占土壤全氮比例及土壤碳氮比變化，可能對帶嶺區2009年以后土壤氮虧缺的發生有一定貢獻。

2007—2015年，研究區畜禽養殖系統單位面積氮素輸入量，如圖5所示，呈上升趨勢，由2.61 kg/hm2上升至8.71 kg/hm2。畜禽養殖系統所需的氮素以飼料的形式輸入，畜禽養殖數量的增加導致飼料需求量逐年增加，本地農田生產系統、畜禽養殖系統和家庭消費系統所產生的飼料無法滿足畜禽養殖需求，因此需要投入大量進口飼料(從系統外部購買的飼料)。進口飼料氮投入是畜禽養殖系統單位面積氮素的主要來源，約占畜禽養殖系統氮投入的79% ~ 87%，其次是口糧作飼料部分，約占畜禽養殖系統氮投入的7% ~ 12%。2008—2011年，由于農作物種植種類結構調整，以及大豆產量提升，口糧作飼料部分氮投入明顯增多，降低了部分農田生產系統直接生產的飼料糧氮投入。

畜禽養殖系統單位面積氮素輸出以畜禽糞尿輸出為主，占總畜禽養殖系統氮素輸出量的74% 左右，如圖5所示，研究期間畜禽產品(肉、蛋、奶)及其副產品氮素輸出均呈上升趨勢。隨著養殖數量的增加，畜禽糞尿氮素輸出量由2007年的1.91 kg/hm2上升至2015年的6.45 kg/hm2，增加了2.38倍，這部分畜禽糞尿氮素輸出有48% 進入水體，24% 進入大氣，僅有16% 還田進入土壤，極易造成畜禽養殖污染。因此，帶嶺區一方面要適當控制畜禽養殖規模的增長速度，另一方面要加強對畜禽糞尿污染問題的防治，在合理處置畜禽養殖廢棄物污染的基礎上，提高畜禽產品產量。

圖4 農田生產系統單位面積氮素輸入量(A)和輸出量(B)

圖5 畜禽生產系統單位面積氮素輸入量(A)和輸出量(B)

帶嶺區單位面積氮素流動通量的變化主要受化肥氮投入、農作物種植結構以及畜禽養殖規模的影響，氮素流動通量的增加反映了帶嶺區農業生產環境氮負荷較大，農田生產系統和畜禽養殖系統氮素流失的風險加大。

2.3 氮素流動利用效率

2007—2015年，帶嶺區農田生產系統與畜禽養殖系統氮素利用率如圖6所示。研究期內，帶嶺區農田生產系統氮素利用率呈先快速上升而后緩慢下降的趨勢，變化范圍在52.5% ~ 70.8%。2008—2010年農田生產系統氮素利用率上升明顯，尤其是2010年氮素利用率增幅達24%，說明在2011年之前，單位面積氮素輸入的增加對農作物氮素利用率的提高有著積極的作用，大豆等農作物種植面積的增加提高了作物的氮素利用率。2011年后單位面積氮素輸入繼續增加，但農田生產系統氮素利用率卻緩慢下降，說明氮素過量投入在一定程度上限制了氮肥的高效利用。國際上一般推薦氮素利用率的參考值在50% ~ 90%，該范圍內系統氮素得到較充分利用，也不會造成土壤氮素損失[39]。在不考慮豆科作物生物固氮和糞尿肥施用的情況下，我國氮素利用率平均為47%，世界均值為68%。總體來看，帶嶺區農田生產系統氮素利用率保持在較高的水平，作物能較為有效地利用氮素，建議根據具體土壤性質實行農作物輪作，并在根區施肥過程中確定最佳施肥距離和深度，以進一步提高氮素利用率[40-41]。

圖6 農田生產-畜禽養殖系統氮素利用率

畜禽養殖系統的氮素利用率一般都低于農田生產系統。帶嶺區畜禽養殖系統氮素利用率穩定在19% 左右。一般認為，氮素利用率<50%，系統的氮素利用率存在著較大提升空間，但由于畜禽糞尿在畜禽養殖系統氮素輸出中占據很大比例且很難回收再利用，所以提升畜禽養殖系統氮素利用率難度較大。與我國其他地區相比，帶嶺區畜禽養殖系統氮素利用率處于中等水平(表7)。因此，提高畜禽養殖系統的氮素利用率一方面需要控制畜禽養殖數量，減少飼養損失，另一方面提倡畜禽糞尿肥氮素的循環利用，加強畜禽養殖管理，注意防治畜禽養殖污染，提高氮素的回收利用率。

表7 我國不同地區畜禽養殖系統氮素利用率對比

2.4 氮素流動環境負荷

盈余于土壤中的氮素能夠作為養分提供給作物重新利用，因此進入到大氣、水體中的氮負荷是環境氮負荷的主要來源。由于帶嶺區農田-畜禽系統外部輸入氮的持續增加，進入大氣、水體的環境負荷氮隨之快速增大。如圖7所示，除2013年外，研究區環境氮負荷逐年增加且增速明顯，由2007年的406 t增加到2015年的847 t，其中進入水體和大氣的氮負荷分別約占環境氮負荷的56.5% 和43.5%。2007—2012年期間，進入水體的氮負荷迅速增加，年增長率超過10%，進入大氣氮負荷年增長率則達到12% 以上；2012年后盡管環境氮負荷增長速度有所減緩，進入水體和大氣的氮負荷年增長率降為6% 左右，但環境氮負荷仍持續增長。水體氮負荷快速增大主要由帶嶺區近10 a來畜禽數量增長迅速，畜禽糞尿輸出的大量增加造成。研究表明，帶嶺區畜禽養殖數量和規模的擴大給當地農業生產環境帶來了較大的影響，環境氮負荷的快速上升，使帶嶺區空氣中活性氮含量增加，水體富營養化風險加劇，不利于帶嶺區農業的可持續發展。因此，合理控制畜禽養殖規模，提高畜禽糞尿的利用率，對減輕帶嶺區農業生產環境污染負荷具有重要意義。

圖7 環境氮負荷量年度變化

目前帶嶺區畜禽糞尿還田量占糞尿產生量的18% 左右，施入農田的畜禽糞尿含氮量在22 ~ 50 kg/hm2。根據歐盟硝酸鹽法令的標準，施入農田的畜禽糞尿含氮量不得超過170 kg/hm2[46]，帶嶺區畜禽糞尿還田量仍有較大提升空間，需進一步加強對畜禽養殖的管理，提高畜禽糞尿的還田率，減少糞尿肥回收和利用過程中的環境損失，以降低環境氮負荷。農田生產系統在生產過程中應改善農作物氮供給和氮需求的平衡，同時提高作物對氮素的利用率。已有研究表明，推行根區施肥，減少肥料向環境的遷移損失是提高肥料利用率的重要舉措[47]，其次有機無機肥料配合施用能夠顯著提高氮的當季利用率[48]。帶嶺區農田生產系統應在提高畜禽糞尿還田量的同時，降低化肥氮的輸入，維持氮素供需平衡，配合施用有機無機肥料，提高作物氮素利用率，以減輕環境氮負荷。

3 結論

1)2007—2015年，帶嶺區農田生產系統與畜禽養殖系統單位面積氮素流動通量均呈上升趨勢，且在2007—2012年上升趨勢幅度較大。畜禽養殖數量、農作物種植結構是影響氮素流動通量的重要因素。帶嶺區畜禽養殖系統依靠大量的氮投入(進口飼料)來提高畜禽產品產量，同時也造成了較為嚴重的氮素流失問題。

2)帶嶺區農田生產系統氮素利用率平均為64%，氮素利用率較高，作物能較有效利用氮素。2010年之前氮素利用率隨著農田生產系統氮輸入以及大豆種植面積的增加而提高，但2011年以來由于氮肥的過量輸入，氮素利用率有所下降；畜禽養殖系統氮素利用率在19% 左右，存在著較大提升空間，需要加強對畜禽糞尿氮素的回收再利用，以提高氮素利用率。

3)帶嶺區農田生產系統與畜禽養殖系統環境氮負荷快速增加，損失的氮素進入水體和大氣的比例分別為56.5% 和43.5%。畜禽養殖數量增加過快，糞尿氮素損失嚴重是環境氮負荷增加的主要原因。因此要從源頭上減輕畜禽養殖污染，降低環境負荷，需要加強畜禽養殖科學管理，合理控制養殖規模，提高養殖廢棄物的循環利用率。帶嶺區在提高糞尿還田率的同時，應盡可能減少化肥氮的投入，使農田生產-畜禽養殖系統向高效、可持續方向發展。

致謝：感謝伊春市帶嶺區農業局張青松、涼水實驗林場劉吉春、顧偉為本研究提供幫助。

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Characteristics of Nitrogen Flow in Typical Crop Production-Livestock Breeding System in Xiaoxing'an Mountains

WANG Qiaojia1, HAN Ruiming2*, CAI Zucong1, 3, HUANG Huang1, LIU Jin’e2, XU An2, YE Xiaofeng2

(1 School of Geography, Nanjing Normal University, Nanjing 210023, China; 2 School of Environment, Nanjing Normal University, Nanjing 210023, China; 3 Jiangsu Key Laboratory of Material Circulation and Pollution Control, Nanjing 210023, China)

To understand the input and utilization of nitrogen in crop production-livestock breeding system in the area of Xiaoxing'an Mountains of northeast China, Dailing District of Yichun City was selected as the study area. The material flow analysis method was used to decipher the processes of nitrogen input, migration, transformation and output, nitrogen flux, production efficiency and environmental load in crop production-livestock breeding system were calculated. The results showed that from 2007 to 2015, nitrogen flux per unit area of the crop production system and the livestock breeding system tended to increase, which was more obvious from 2007 to 2012. The quantity of livestock breeding and cultivation structure of crops were important factors affecting nitrogen flux. The average nitrogen utilization rate of crop production system was 64%, indicating that crops could effectively use nitrogen. The nitrogen utilization rate of livestock breeding system was only about 19%, which remained large space to promote. The environmental nitrogen load increased year by year, which was attributed to nitrogen loss of manure and urine resulted from the rapid increasing number of livestock breeding. To reduce the environmental nitrogen load for the efficient and sustainable development of the crop production and livestock breeding systems, it is necessary to strengthen the management of livestock breeding, reasonably control the number of livestock and poultry, improve the utilization of manure and urine, meanwhile reduce the input of fertilizer-sourced nitrogen.

Dailing district; Crop production; Livestock breeding; Nitrogen cascade; Environmental load

X171.1

A

10.13758/j.cnki.tr.2020.05.018

王巧佳, 韓睿明, 蔡祖聰, 等. 小興安嶺典型農田生產–畜禽養殖系統氮素流動特征. 土壤, 2020, 52(5): 1001–1010.

國家重大科學研究計劃項目(2014CB953801)資助。

王巧佳(1993—)，女，甘肅蘭州人，碩士研究生，研究方向為生物地球化學。E-mail：wqj86400@qq.com