基于Nufer模型的京津冀農(nóng)牧系統(tǒng)氮素平衡狀況及化學(xué)氮肥減施潛力分析

黃少輝，楊云馬，侯 亮，劉迎夏，宋大利，楊軍芳，何 萍*，賈良良*

（1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；2 河北省農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源環(huán)境研究所/河北省肥料技術(shù)創(chuàng)新中心，河北石家莊 050051；3 河北省農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息與經(jīng)濟研究所，河北石家莊 050051）

目前，國外對農(nóng)牧系統(tǒng)氮素循環(huán)和環(huán)境排放的研究較多，其中以物質(zhì)流分析[10](material flow analysis，MFA) 應(yīng)用最廣，它根據(jù)質(zhì)量守恒定律，在一定時間和空間范圍內(nèi)對特定系統(tǒng)的物質(zhì)及養(yǎng)分流動和貯存進行系統(tǒng)性分析，定量其在各個環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)化和移動過程，如Isermann等[11]利用物質(zhì)流分析計算了德國“作物–畜禽–家庭–污水垃圾處理”系統(tǒng)氮素流動帳戶，分析了不同營養(yǎng)需求下德國氮素平衡的前景。Ma等[12]利用物質(zhì)流方法建立了Nufer模型 (nutrient flows in food chain，environment and resources use)，在全國尺度上定量了食物鏈和農(nóng)牧系統(tǒng)氮素平衡、環(huán)境排放、利用效率以及流動特征。此后，佟丙辛等[9]、張建杰等[13]、張曉萌等[14]利用Nufer模型定量了河北、山西和東北三省農(nóng)牧系統(tǒng)氮素流動特征，證明Nufer模型在我國區(qū)域尺度具有良好的適用性，也提出了提高有機肥還田率、農(nóng)牧結(jié)合等提高區(qū)域氮素利用效率的措施。

氮素輸入輸出平衡 (平衡施氮) 是研究化肥減施潛力的主要方法之一，如米國華等[15]通過此方法計算出東北地區(qū)氮肥節(jié)約潛力為9～25 kg/hm2，趙亞南等[16]的研究也表明通過平衡施氮原則河南地區(qū)小麥節(jié)氮潛力為16.4%～36.7%，玉米節(jié)氮潛力為30.0%。平衡施氮可降低土壤氮素盈余，降低環(huán)境損失。此外，有機替代也是重要的化學(xué)氮肥減施措施，宋大利等[17]研究表明我國畜禽糞便全量還田理論上可減少氮肥37.3%；耿維等[18]對安徽畜牧養(yǎng)殖產(chǎn)生的畜禽糞便進行分析，表明其替代化肥潛力為21.8%。農(nóng)牧系統(tǒng)中可通過平衡施氮和有機替代綜合應(yīng)用更大限度地降低氮肥施用量，Jin等[19]研究表明，通過綜合應(yīng)用這兩種措施，我國氮肥可減施50%以上。當前對京津冀地區(qū)氮素養(yǎng)分流動的研究較少，且節(jié)肥潛力的研究也均未考慮對“農(nóng)田–畜牧”整體系統(tǒng)的影響。

京津冀地區(qū)是除長三角和珠三角外的第三大經(jīng)濟、政治、交通、文化、科技一體化發(fā)展區(qū)域，該區(qū)域人口密集，養(yǎng)殖業(yè)密度大，環(huán)境質(zhì)量要求高，生態(tài)壓力大[20]。該區(qū)域農(nóng)牧系統(tǒng)整體氮素流動狀況、氮肥減施潛力、活性氮減排潛力還不明確，對其研究具有重要的現(xiàn)實意義。以京津冀地區(qū)農(nóng)牧系統(tǒng)為研究對象，采用Nufer模型建立氮素賬戶，定量其流動途徑和利用效率，并設(shè)置情景分析，探討平衡施氮 (減少土壤氮盈余和累積) 和有機替代 (增施部分有機肥以替代化學(xué)氮肥) 措施下化學(xué)氮肥的減施潛力，為該地區(qū)實現(xiàn)化肥零增長和種養(yǎng)結(jié)合提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

京津冀地區(qū) (113°27′～119°50′E，36°05′～42°40′N)，是我國重要集約化種植區(qū)和養(yǎng)殖區(qū)。該區(qū)域包括北京市、天津市以及河北省3個行政區(qū)，土地面積為21.6萬 km2，約占全國的2.7%，人口達1.1億；耕地面積6.54萬km2，約占區(qū)域總面積的30%，該地區(qū)是全國范圍內(nèi)較為集中的肉類消費區(qū)和畜禽養(yǎng)殖區(qū)，畜禽存欄總量約占全國6.9%，養(yǎng)殖率明顯高于全國平均水平[21-22]。2015年4月30日中共中央政治局通過了《京津冀協(xié)同發(fā)展規(guī)劃綱要》，提出京津冀一體化協(xié)同發(fā)展，要求三地在經(jīng)濟、文化、環(huán)境等方面協(xié)同治理、共同進步。該區(qū)域作為未來中國區(qū)域發(fā)展“三大戰(zhàn)略”之一，在中國社會經(jīng)濟發(fā)展中具有重要的戰(zhàn)略地位。

1.2 系統(tǒng)邊界與Nufer模型簡介

Nufer (nutrient flows in food chain, environment and resources use) 模型是國家和區(qū)域尺度的食物鏈系統(tǒng)氮磷流動模型[12]，該模型基于“土壤–作物–畜禽–食物消費”4個系統(tǒng)，計算各系統(tǒng)間及系統(tǒng)內(nèi)氮磷流動量、利用率及環(huán)境損失量。本研究以京津冀地區(qū)“農(nóng)田–畜牧”生產(chǎn)系統(tǒng)為研究邊界，研究系統(tǒng)氮素輸入、輸出狀況及氮素養(yǎng)分在系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)間流動狀況 (圖 1)。

圖1 農(nóng)牧系統(tǒng)邊界及氮素流動示意圖Fig. 1 Diagram of crop-livestock system boundary and the nitrogen flow

1.3 Nufer模型計算方法

系統(tǒng)氮素輸入項包括化肥、沉降、生物固氮和飼料等的輸入，輸出項中有流出系統(tǒng)的供人食用的植物產(chǎn)品、動物產(chǎn)品中所含氮素，環(huán)境排放損失的氮素 (包括氨揮發(fā)，反硝化脫氮過程的 N2O、N2排放等損失，通過淋溶、地表徑流與土壤侵蝕等途徑進入到水體，也包括畜禽糞便直接排入水體或堆置的損失)，及其他部分 (包括植物生產(chǎn)的籽粒和秸稈在存放和運輸過程中的損失和動物生產(chǎn)中的動物骨頭、皮毛等部分)。在系統(tǒng)內(nèi)部，涉及到氮素在農(nóng)田和畜牧兩個子系統(tǒng)的內(nèi)部循環(huán)，主要包括秸稈還田、植物籽粒和秸稈作為飼料進入畜牧系統(tǒng)、畜禽糞便還田等。

2.2.2 草地產(chǎn)出畜產(chǎn)品及消耗的飼料 飼養(yǎng)試驗結(jié)束后，16頭肉?？偦钤鲋剡_到921.60 kg，共消耗青干草4 800 kg、青貯料14 400 kg以及濃縮飼料768 kg。試驗點采用青貯玉米和混播牧草輪作，單位土地產(chǎn)出青貯料、青干草的比例為13.3∶1，而肉牛采食量中青貯料與青干草的比例為3∶1，說明用現(xiàn)有的輪作模式生產(chǎn)飼草飼養(yǎng)肉牛，青貯料供給有余而青干草供給明顯不足。

1.3.1 農(nóng)田系統(tǒng)氮素平衡 農(nóng)田系統(tǒng)氮素輸入量 =化肥 + 畜禽糞便還田 + 秸稈還田 + 沉降 + 生物固氮。其中，畜禽糞便還田量 = 畜禽排泄量 - 畜禽損失量 (包括氨揮發(fā)、水體排放與堆置，見畜牧系統(tǒng))；秸稈還田量 = 秸稈氮素攜出量 × 還田比例；沉降量 = 耕地面積 × 單位面積年沉降量；生物固氮 =糧食作物與豆科作物面積 × 單位面積年固氮量。

農(nóng)田系統(tǒng)氮素輸出量 = 籽粒氮攜出量 + 秸稈氮攜出量 + 氨揮發(fā) + 氧化亞氮 + 淋溶 + 徑流和侵蝕 +反硝化氮氣 + 土壤累積。其中，籽粒氮量 = 年產(chǎn)量 ×氮含量；秸稈氮量 = 年籽粒產(chǎn)量/ 谷草比 × 氮含量；環(huán)境排放量 = 化肥 × 排放系數(shù) + 畜禽糞便還田量 ×排放系數(shù) (以不同的排放形態(tài)分別計算，如氨揮發(fā)、氧化亞氮、淋溶等)；土壤累積量 = 輸入量- 籽粒氮量 - 秸稈氮量 - 環(huán)境排放。

1.3.2 畜牧系統(tǒng)氮素平衡 畜牧系統(tǒng)氮素輸入量 =籽粒氮素投入量 + 秸稈氮素投入量 + 外地輸入飼料氮素量。其中，籽粒氮素投入量 = 農(nóng)田籽粒氮素量 ×飼用比例；秸稈氮素投入量 = 農(nóng)田秸稈氮量 × 飼用比例；外地輸入飼料氮素量 = 本地畜禽氮素輸入量(需求量) - 籽粒氮素投入量 - 秸稈氮素投入量。

畜牧系統(tǒng)氮素輸出量 = 動物產(chǎn)品氮素攜出量 +畜禽糞便氮素攜出量 + 動物其他部分氮素攜出量。其中，動物產(chǎn)品氮素攜出量 = 動物產(chǎn)品產(chǎn)量 × 氮含量；畜禽糞便氮素攜出量 = 畜禽量 × 排泄量 × 排泄物氮含量；動物其他部分氮素攜出量 = 畜禽量 × 畜禽骨頭和皮毛氮含量。

1.4 數(shù)據(jù)來源與參數(shù)收集

本研究所用京津冀地區(qū)數(shù)據(jù) (化肥投入量、農(nóng)作物播種面積、畜牧業(yè)各類動物存欄和出欄量、農(nóng)作物產(chǎn)量、肉蛋奶產(chǎn)量、人口數(shù)量、食物人均消費量等) 均來源于“河北省2018年經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒”、“天津市2018年經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒”、“北京市2018年經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒”和國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)網(wǎng)站(http://data.stats.gov.cn/index.htm)?；实赝度胫?，復(fù)合肥按N∶P2O5∶K2O=1∶1∶1的比例計算氮量[23]；地區(qū)氮沉降量參考尹興等[24]的研究；谷物和豆科作物固氮量參考李貞宇等[25]的研究；作物籽粒和秸稈含氮量參考馬林[26]的研究，作物秸稈谷草比參考牛新勝等[6]的研究，糧食作物籽粒用途比例根據(jù)FAO(Food and Agriculture Organization of the United Nations，http://www.fao.org/home/en/) 統(tǒng)計數(shù)據(jù)確定，秸稈利用比例根據(jù)高利偉等[27]的研究確定，化肥不同氮素損失系數(shù)根據(jù)胡春勝等[5]的研究確定，各畜禽種類的產(chǎn)物系數(shù)和氮素含量根據(jù)耿維等[18]的研究確定，畜禽糞便還田、生產(chǎn)、存儲氮素損失系數(shù)根據(jù)侯勇等[28]的研究確定，畜禽糞便還田比例根據(jù)宋大利等[17]的研究確定。其他所需參數(shù)均來源于Nufer模型[12,26,29]。

1.5 數(shù)據(jù)處理方法及情景設(shè)置

運行Nufer模型，查看農(nóng)田系統(tǒng)、畜牧系統(tǒng)和農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分流動方向與流動量。將土壤累積、畜禽糞便水體排放與堆置這兩種最容易調(diào)控的途徑作為主要調(diào)控對象，減少化學(xué)氮肥投入，計算化學(xué)氮肥減施潛力。

從降低化肥氮投入20% (S1-N20) 開始，以10%為一個階段，逐級降低化肥氮投入 (S2-N30、S3-N40)，至土壤累積氮出現(xiàn)虧缺 (S4-N50)，根據(jù)平衡施氮原則[30-31]，即氮肥投入量計算中不能長期耗竭土壤養(yǎng)分，則上一個減氮量為當前減排潛力。再將畜禽糞便水體排放和堆置量的1/2增加至還田畜禽糞便中 (S5-N40+M)，以增加有機替代比例，后續(xù)減少化肥氮投入直至出現(xiàn)虧缺 (S6-N50+M，S7-N60+M)，從而得出減氮潛力。

1.6 評價指標

本研究設(shè)置以下評價指標[12,28]：

農(nóng)田系統(tǒng)氮素利用率 (NUEc，%) = 作物籽粒氮素量/農(nóng)田輸入氮素量 × 100；

畜牧系統(tǒng)氮素利用率 (NUEl，%) = 動物產(chǎn)品氮素量/畜牧體系輸入氮素量 × 100；

農(nóng)牧系統(tǒng)氮素利用率 (NUEc+l，%) = (植物產(chǎn)品氮素量+動物產(chǎn)品氮素量)/農(nóng)牧系統(tǒng)總輸入氮素量 ×100；

氮素養(yǎng)分循環(huán)再利用率 (NRR，%) = (作物秸稈還田氮素量 + 作物秸稈作飼料氮素量 + 畜禽糞便還田氮素量)/(作物秸稈收獲氮素量+畜禽糞便產(chǎn)生氮素量) × 100；

食物氮代價 (NCf，kg/kg) = 農(nóng)牧系統(tǒng)總輸入氮素量/(植物產(chǎn)品氮素量 + 動物產(chǎn)品氮素量)。

2 結(jié)果與分析

2.1 京津冀地區(qū)氮素資源量與需求量

如表1所示，京津冀地區(qū)氮素資源總量為324.3萬t，其中化肥、秸稈和畜禽糞便所占比例分別為59.1%、12.5%和28.5%。河北地區(qū)資源最多，占總資源量的92.3%、天津占5.1%、北京占2.7%，且3種資源分別占當?shù)刭Y源總量百分比有所差異，其中化肥資源由高到低為河北 (59.3%) ＞ 北京(58.5%) ＞ 天津 (55.7%)，秸稈資源為河北 (12.8%) ＞天津 (10.6%) ＞ 北京 (3.8%)，畜禽糞便為北京(37.6%) ＞ 天津 (33.7%) ＞ 河北 (27.9%)。京津冀地區(qū)氮素需求量分別為植物生產(chǎn)160.5萬t，動物生產(chǎn)41.3萬t，人口消費42.2萬t，3類需求量均以河北最高，但3個地區(qū)資源量和需求量占京津冀地區(qū)總資源量和需求量的比例并不匹配，北京和天津需求比例均高于資源比例，河北需求比例低于資源比例，河北動植物產(chǎn)品存在外輸北京和天津的現(xiàn)象。在農(nóng)牧生產(chǎn)體系中3種需求量存在交互關(guān)系，從需求最大的植物生產(chǎn)來看，京津冀地區(qū)氮素資源量高于需求量，該地區(qū)氮素資源可滿足該地區(qū)需求量，并且有很大的節(jié)約潛力。

表1 京津冀地區(qū)氮素資源量與需求量Table 1 Nitrogen resources and demand in Beijing-Tianjin-Hebei region

2.2 京津冀地區(qū)農(nóng)牧系統(tǒng)氮素流動與平衡

2.2.1 京津冀地區(qū)農(nóng)田系統(tǒng)氮素流動與平衡 京津冀地區(qū)農(nóng)田系統(tǒng)氮素輸入總量為296.1萬t，河北、天津、北京分別為274.4、14.7、7.1萬t，分別占總輸入量的92.6%、5.0%、2.4% (表2)。3個地區(qū)總輸入量中大部分氮素來自化肥，化肥氮素投入占總輸入量的64.7%。其次為畜禽糞便和沉降，分別占總輸入量的12.3%和11.5%。輸出項中除籽粒和秸稈外，土壤累積和氨揮發(fā)是最大的輸出項，分別占輸出總量的17.3%和12.8%，分別占化肥投入量的26.7%和19.7%。各地區(qū)中土壤累積、氨揮發(fā)、氧化亞氮排放、淋溶、徑流與侵蝕、反硝化占比最高的地區(qū)均為北京，分別占該地區(qū)總輸出量的38.6%、15.1%、1.4%、10.1%、2.7%、6.8%，且土壤累積量所占比例高于籽粒氮。農(nóng)田系統(tǒng)氮素利用效率 (NUEc) 由高到低為河北 (41.2%) ＞ 天津 (38.9%) ＞ 北京 (20.7%)，京津冀地區(qū)總體NUEc為40.6%。

表2 京津冀農(nóng)田系統(tǒng)氮素流動與平衡Table 2 Nitrogen flow and balance of cropping system in Beijing-Tianjin-Hebei region

2.2.2 京津冀地區(qū)畜牧系統(tǒng)氮素養(yǎng)分流動與平衡京津冀地區(qū)畜牧系統(tǒng)氮素投入總量為133.6萬t，河北、天津、北京分別為119.7、8.6、5.3萬t (表3)；氮素輸入項中飼料外地輸入占比最大 (49.3%)，其在河北、天津和北京3個地區(qū)中分別占氮素輸入總量的46.5%、64.0%和88.9%；籽粒飼料和秸稈飼料的氮占氮素總輸入量的37.3%和13.4%。京津冀地區(qū)畜牧系統(tǒng)輸出中，畜禽糞便是最大輸出項，為92.3萬t，占氮素輸出總量的69.1%，且畜禽糞便中氨揮發(fā)、進入水體和堆置、還田3種途徑分別占氮素總輸出量的19.9%、21.9%和27.3%；動物產(chǎn)品 (肉蛋奶) 是第二大輸出項，以動物產(chǎn)品輸出氮素占氮素總輸入量定義的畜牧系統(tǒng)氮素利用效率 (NUEl) 最高為北京(33.4%)，其次為天津 (29.7%)，京津冀地區(qū)整體為25.0%。

表3 京津冀畜牧系統(tǒng)氮素養(yǎng)分流動與平衡Table 3 Nitrogen flow and balance of livestock system in Beijing-Tianjin-Hebei region

2.2.3 京津冀農(nóng)牧系統(tǒng)氮素養(yǎng)分流動、平衡與環(huán)境排放 京津冀地區(qū)農(nóng)牧系統(tǒng)氮素投入總量為306.6萬t，河北、天津、北京分別為279.0、17.2、10.4萬t，分別占總量的91.0%、5.6%、3.4% (表4)。這3個地區(qū)農(nóng)牧系統(tǒng)氮素輸入中以化肥占比最高，為62.5%，其次為飼料外地輸入，占21.5%，沉降和生物固氮分別占氮素總輸入的11.1%和4.9%。輸出項中植物產(chǎn)品、土壤累積、農(nóng)田氨揮發(fā)和動物產(chǎn)品是主要的輸出項，分別為70.2、51.2、37.8和33.4萬t，分別占氮素總輸出的22.9%、16.7%、12.3%和10.9%。各地區(qū)各氮素輸出項占當?shù)氐乜傒斎肓康谋壤?，動物產(chǎn)品、土壤累積、農(nóng)田反硝化、畜禽糞便氨揮發(fā)、畜禽糞便水體排放與堆置以北京地區(qū)最高，其余輸出項以河北地區(qū)最高，天津處于中間。農(nóng)牧系統(tǒng)氮素利用效率 (NUEc+l) 由高到低為天津 (34.6%) ＞ 河北 (34.0%) ＞ 北京 (26.8%)，京津冀地區(qū)整體為33.8%。秸稈與畜禽糞便的循環(huán)再利用率(NRR) 以河北地區(qū)最高，為55.8%，其次天津，為51.7%，北京為42.9%，京津冀地區(qū)整體為55.2%。北京、河北、天津地區(qū)食物氮代價 (NCf) 分別為3.7、2.9、2.9 kg/kg，京津冀地區(qū)整體為 3.0 kg/kg。

表4 京津冀農(nóng)牧系統(tǒng)氮素養(yǎng)分流動與平衡Table 4 Nitrogen flow and balance of crop-livestock system in Beijing-Tianjin-Hebei region

從京津冀地區(qū)農(nóng)牧系統(tǒng)環(huán)境排放量和百分比（表5）可以看出，環(huán)境排放總量為140.4萬t，占系統(tǒng)總輸出量的45.8%，河北、天津、北京環(huán)境排放量分別為128.2、7.6、4.6萬t，分別占各地區(qū)系統(tǒng)總輸出量的45.9%、44.3%、44.0%。其中損失量最大的為氨揮發(fā) (包括農(nóng)田與畜牧氨揮發(fā))，京津冀地區(qū)合計64.5萬t，占總輸出量的21.0%，其次為畜牧水體排放與堆置，排放量29.3萬t，排放率9.5%。各地區(qū)中也均以氨揮發(fā)與畜牧水體排放和堆置排放百分比最高。

表5 京津冀農(nóng)牧系統(tǒng)氮素環(huán)境排放量Table 5 Nitrogen environmental emissions of crop-livestock system in Beijing-Tianjin-Hebei region

2.3 京津冀農(nóng)牧系統(tǒng)氮素流動情景分析與化肥減施潛力

從不同情景下京津冀地區(qū)氮素流動指標結(jié)果（表6）可知，將化肥氮投入降低20%～40% (S1-N20～S3-N40)，農(nóng)牧系統(tǒng)氮素總投入量也在降低，土壤累積量由當前情況的51.2萬t逐漸降至8.1萬t，降低幅度為84.2%，化肥投入繼續(xù)降低至50%時(S4-N50)，土壤氮素出現(xiàn)虧缺現(xiàn)象 (–2.7萬t)，從氮素投入平衡和不損耗土壤養(yǎng)分的角度看，化學(xué)氮肥可減施40% (S3-N40)。隨氮素投入降低，氮素效率NUEc與NUEc+l逐漸增加，S3-N40情景下這兩個效率分別達到54.7%和45.1%，較S0-current分別增加34.9%和33.3%；食物氮代價和環(huán)境排放量逐漸降低，S3-N40情景下分別為2.2 kg/kg和106.8萬t，分別較S0-current降低25.0%和23.9%。在S3-N40基礎(chǔ)上，將水體排放與堆置畜禽糞便的1/2還田 (S5-N40+M) 以替代化學(xué)氮肥，土壤重新出現(xiàn)氮素累積并且效率降低，即重新出現(xiàn)化肥減施潛力，可繼續(xù)減施氮肥 (S6-N50+M和S7-N60+M)。其中S7-N60+M情景 (氮肥減施60%) 土壤累積也出現(xiàn)虧缺，因此在增加有機肥還田量替代氮肥情況下氮肥可減施50% (S6-N50+M)，在此情景下，NUEc、NUEc+l繼續(xù)增加至55.9%和49.2%，較S0-current分別增加37.7%和45.4%；食物氮代價和環(huán)境排放量繼續(xù)降低至 2.0 kg/kg和 89.6萬 t，分別較 S0-current降低33.3%和36.2%；氮素循環(huán)再利用率 (NRR) 也增加20.0%。因此，以平衡施氮原則減化學(xué)氮肥投入量時，減施潛力為40%，繼續(xù)增加部分畜禽糞便還田量以替代化學(xué)氮肥 (有機替代) 時，減施潛力為50%。

表6 京津冀農(nóng)牧系統(tǒng)氮素流動情景分析Table 6 Scenario analysis of nitrogen flow of crop-livestock system in Beijing-Tianjin-Hebei region

此外，由各環(huán)境排放途徑排放量和占比（圖2）可知，隨化肥減施量的增加，各途徑氮素排放量隨之降低，S3-N40與S0-current相比，降低量最高的為農(nóng)田氨揮發(fā) (11.5萬t)，其次為農(nóng)田淋溶 (10.8萬t)，降低量分別占其各自途徑排放量的30.4%和40.0%，占環(huán)境排放總量的8.2%和7.7%；S6-N50+M與S0-current相比，降低量最高的途徑為水體排放或糞便堆置 (14.6萬t)，其次為農(nóng)田淋溶 (13.5萬t)，降低量均占其各自途徑排放量的50.0%，分別占環(huán)境排放總量的10.4%和9.6%。

圖2 不同情景下京津冀農(nóng)牧系統(tǒng)環(huán)境排放量與比例Fig. 2 Nitrogen emission rate and proportion of crop-livestock system in Beijing-Tianjin-Hebei region under different scenarios

3 討論

3.1 農(nóng)牧系統(tǒng)氮素利用與環(huán)境損失

京津冀地區(qū)農(nóng)田系統(tǒng)氮素輸入量為296.1萬t，利用率為40.6%；畜牧系統(tǒng)氮素輸入量為 133.6萬t，利用率為25.0%；農(nóng)牧系統(tǒng)整體氮素輸入量為306.6萬t，利用率為33.8%，其低于我國整體農(nóng)牧系統(tǒng)氮素利用率 (41%)[32]。大量的化學(xué)氮肥投入，高外源飼料依賴率和低畜禽糞便還田量是造成氮素利用率低的主要原因[9]，同時，這與京津冀地區(qū)人口氮需求總量大及養(yǎng)分投入量大也有很大關(guān)系。高量的氮肥投入及低效率，造成了氮素的環(huán)境排放量達140.4萬t，占總氮素投入的45.8%，超出歐盟的30%的排放標準[33]。在環(huán)境排放中，氨揮發(fā) (包括農(nóng)田氨揮發(fā)與畜禽飼養(yǎng)階段的氨揮發(fā)) 占較大比例，為21.0%，對氮素總排放量的貢獻為46%，這與馬林[26]在全國尺度的估算結(jié)果接近，氮素氣態(tài)損失占總損失的52.6%。本研究中，氮素輸入項中未包含灌溉水及種子帶入氮素，京津冀地區(qū)灌溉帶入氮素和種子氮素約分別為4.73 萬和1.86 萬t[34]，若計入其中，氮素利用率將略降低 (為33.1%)。

在3個地區(qū)中，北京地區(qū)農(nóng)田系統(tǒng)氮素利用率低，畜牧系統(tǒng)利用率高，與該地區(qū)耕地面積小、農(nóng)田化肥用量大、畜牧飼料外地輸入量高、人口食物資源需求多有很大關(guān)系，其食物氮代價也最高 (表4)。河北地區(qū)資源量、需求量均最多，但其資源需求占京津冀地區(qū)比例與資源提供比例不匹配，該地區(qū)承擔了向京津地區(qū)輸出食物的任務(wù)，起到了疏解首都生產(chǎn)壓力的作用，在食物生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的環(huán)境排放均留在了河北地區(qū)，導(dǎo)致河北地區(qū)環(huán)境排放率較高。

3.2 平衡施氮與有機替代下化肥減施潛力

在眾多氮素損失途徑中，農(nóng)田氮素累積及畜禽糞便水體排放與堆置是最易調(diào)控的兩個損失途徑。并且，農(nóng)田氮素累積 (盈余) 與氮素損失之間存在顯著相關(guān)關(guān)系，有研究指出，氮素盈余與活性氮排放呈線性或指數(shù)關(guān)系[35]，降低土壤累積是養(yǎng)分高效利用、降低環(huán)境損失的必要措施。本研究中土壤累積占農(nóng)田系統(tǒng)輸入總量的17.3%，占化肥投入量的26.7%，這引起了該地區(qū)很多環(huán)境問題，如平均土壤硝酸鹽累積量超過150 kg/hm2[36]，水體質(zhì)量低于4級(5級為最低等級)[37]等。在本研究中，應(yīng)用輸入輸出平衡施氮原則，將土壤累積量降至較低情景時 (情景S3-N40)，土壤累積量降低84.2%，農(nóng)田氮素利用率和農(nóng)牧系統(tǒng)氮素利用率分別增加14.1和11.3個百分點，環(huán)境排放降低23.9%，此時節(jié)氮潛力為40%。大量研究均指出，采取合理的養(yǎng)分管理措施，在不損失產(chǎn)量的情況下，節(jié)約氮肥30%～40%是完全可以實現(xiàn)的，如采用土壤-作物綜合管理[34]、養(yǎng)分專家系統(tǒng)[38]、測土配方施肥技術(shù)[39]等措施。由于我國農(nóng)牧分離的現(xiàn)狀及畜牧養(yǎng)殖系統(tǒng)的粗放管理，大量的畜禽糞便在清洗飼舍過程中直接排入水體中，也有部分堆置在養(yǎng)殖場內(nèi)，所含養(yǎng)分也均進入環(huán)境中[40]。在氮肥平衡施用的基礎(chǔ)上增加1/2水體排放與堆置的畜禽糞便還田進入農(nóng)田 (情景S6-N50+M) 時，農(nóng)田系統(tǒng)和農(nóng)牧系統(tǒng)氮素利用率分別增加15.3和15.4個百分點，環(huán)境排放降低36.2%，此時，節(jié)氮潛力為50%。畜禽糞便水體排放不僅造成養(yǎng)分資源浪費也嚴重威脅水體安全，有研究指出，畜禽糞便水體排放對流域水體氮和磷富營養(yǎng)化的貢獻率分別為10%和20%[40]。農(nóng)牧分離是農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)氮素利用率低下的重要原因[8,13]，系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)率低，造成資源的大量浪費與向環(huán)境排放[41]。在S6-N50+M情景下，增加畜禽糞便還田量，增強了系統(tǒng)內(nèi)部養(yǎng)分循環(huán)，氮素循環(huán)再利用率較當前狀態(tài)增加20.0%，食物氮代價也降低了33.3%，既增加了氮肥利用效率，又減少資源消耗和環(huán)境排放。在此情景時，有機肥占比約為33.3%，田昌玉等[42]也指出有機肥比例在34%時可達到最大經(jīng)濟收益。因此，此情景是完全可以實現(xiàn)的。

平衡施氮、有機替代和農(nóng)牧結(jié)合是解決當前我國氮肥過量施用問題的重要措施。歐美等發(fā)達國家已經(jīng)提供了很多先進的經(jīng)驗[8,18]，如美國實施的基于種養(yǎng)結(jié)合的畜禽糞便綜合養(yǎng)分管理計劃，通過玉米種植戶和養(yǎng)殖場簽訂合同的方式實現(xiàn)農(nóng)場間的農(nóng)牧結(jié)合，從而提高氮素在農(nóng)場間的循環(huán)利用；丹麥嚴格規(guī)定中小型畜禽養(yǎng)殖場將種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)有機結(jié)合，實現(xiàn)養(yǎng)分資源的重新利用，這些國家畜禽糞便還田率均高于50%，而我國還不足30%[6]。大量的有機資源排入環(huán)境中，造成大氣污染及水體污染。合理利用有機資源，農(nóng)牧結(jié)合，可提高氮素利用效率，降低環(huán)境損耗。

3.3 局限性與展望

本研究是建立在統(tǒng)計數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，以模型模擬方式進行的農(nóng)牧系統(tǒng)氮素流動分析和化肥減施潛力探究，其還存在一些局限性，如本研究所用數(shù)據(jù)為統(tǒng)計數(shù)據(jù)，無法進行統(tǒng)計檢驗，但可以反映區(qū)域尺度的整體情況；本研究所用參數(shù)，大多數(shù)為華北地區(qū)通用參數(shù)，針對京津冀地區(qū)可能存在微小偏差；對于農(nóng)牧結(jié)合的方式，未進行細致研究，在具體應(yīng)用時還應(yīng)與土壤消納能力及資源的空間匹配方面結(jié)合。并且研究中所列其他氮素損失途徑，也具有很大的節(jié)肥潛力，如畜禽糞便存貯階段的氨揮發(fā)等[43-44]，應(yīng)進一步深入研究。

4 結(jié)論

京津冀地區(qū)農(nóng)牧系統(tǒng)總體氮素輸入量為306.6萬t，農(nóng)田、畜牧、農(nóng)牧系統(tǒng)氮素利用率分別為40.6%、25.0%和33.8%，環(huán)境排放量為140.4萬t，占總輸入量的45.8%，其中氨揮發(fā)為占比最大的排放途徑。優(yōu)化農(nóng)田系統(tǒng)肥料氮素投入，使農(nóng)田系統(tǒng)土壤氮素累積為較低水平時，化學(xué)氮肥有40%的減施潛力；增加部分畜禽糞便還田量以替代化肥時，化學(xué)氮肥有50%的減施潛力。