北方農牧交錯帶農牧系統養分流動特征及環境效應研究進展

廖成松 翁杰

摘要 北方農牧交錯帶跨度大、范圍廣、農牧兼有，是研究北方農牧業最具代表性的區域。養分流動直接反應養分循環狀況，是農業生態系統平衡的重要表征之一，研究農牧系統養分流動對于發展可持續農牧業，減少環境養分負荷等具有重要意義。總結了農牧系統氮、磷、鉀3種主要養分流動特征及其環境效應，提出了農牧系統養分循環亟待深入研究的重要方向，以期為后續農牧系統養分循環的理論研究、提高養分利用率技術手段的研發以及環境政策措施的制定提供借鑒與參考。

關鍵詞 北方農牧交錯帶；農牧系統；養分流動；環境效應

中圖分類號 S181? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2023）14-0022-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.14.006

作者簡介 廖成松（1984—），男，湖南郴州人，副教授，博士，從事生物地球化學循環研究。

農牧交錯帶是我國東部農耕區與西部草原牧區相連接的半干旱生態過渡地帶，是農業生產邊際地帶，在空間上農牧并存，在時間上農牧交替，生態環境脆弱。北方農牧交錯帶處于亞洲季風區的尾部，降水年際變化較大，總體干旱少雨［ 1］，范圍涵蓋遼寧、內蒙古、河北、山西、陜西、寧夏、甘肅等省區［ 2］，土地利用方式隨著自然條件不同而呈現農區、牧區交錯分布特點，屬氣候環境和生態變化的敏感地帶，是研究北方農牧業最具代表性的區域［ 3］。養分循環是農業生態系統中養分在各子系統之間及其與環境之間的傳輸過程，直接影響農業生態系統的生產力水平，其動態平衡是維持農業生態系統穩定和可持續發展的重要因素［ 4］。養分流動直接反應養分循環狀況，是農業生態系統平衡的重要表征之一。農牧業系統是農業生態系統的重要組成部分，研究農牧業系統養分流動特征，對優化農牧系統養分管理，保持養分合理流動與循環，減少養分環境排放，提高系統利用率等具有重要意義，也可為制定農牧業可持續發展措施提供科學依據［ 5］。該研究總結了農牧系統氮、磷、鉀3種主要養分流動特征及其環境效應，提出了農牧系統養分循環亟待深入研究的重要方向，以期為后續農牧系統養分循環的理論研究、提高養分利用率技術手段的研發以及環境政策措施的制定提供借鑒與參考。

1 氮（N）素流動特征及其環境效應

農牧業生產系統包括農作物生產和牲畜養殖系統兩個子系統，N投入、N素利用率（NUE）、N盈余量、N輸出是反應N素流動的重要指標［ 6］。我國北方農牧交錯帶區域自然環境條件較差、農牧業生產水平相對較低，為了追求較高的產出，N投入量往往過高、占總N投入百分比較大且增長迅速。研究表明，京津冀地區農牧系統氮素總體輸入量為 306.6 萬t［ 7］，1980—2015年河北農業生產體系N素輸入量年均增長 1.9 倍，畜牧業N輸入量增長高達7.7 倍［ 8］。農業生產系統N投入的主要來源是肥料，實踐結果表明，京津冀地區化肥N占總輸入量的 62.5%［ 7］。北京郊區化肥N輸入［435.0 kg/（hm2·a）］占農田氮素輸入量的82.7%［ 9］，河北地區化肥和有機肥輸入N量為 674.6 kg/（hm2·a），占總輸入氮量的88.3%［ 10］，山西化肥N輸入占總輸入氮量的59.2%［ 6］；牲畜養殖系統N投入主要來源是飼料，北京郊區農村水平飼料N投入量為12 469.0 kg/（hm2·a），占牲畜養殖系統N投入總量比值超過90%［ 9］。北方農牧交錯帶農牧系統的NUE介于15%～45%［ 6-8，10-12］，過高的N投入并不能顯著提高NUE，反而是NUE降低的主要原因。研究表明，北京郊區農牧系統NUE從1983年的11.3%增加到2013年的15.8%，30年僅上升4.5百分點［ 11］，而河北NUE由1980年的47.2% 下降至2015年的41.4%，下降5.8百分點［ 8］。采用“農田-食用菌”模式讓農田作物秸稈通過食用菌體系還田，或將農牧體系緊密結合發展生態養殖，是提高生產系統NUE的有效途徑［ 9，13］。

我國北方農牧交錯帶農牧業生產系統N素流動呈現高投入、低NUE的特征［ 14］，必然導致N素的高盈余和高損失量，2003年全國種養系統中總氮損失高達2 266×104 t［ 15］，2015年河北農田氮盈余量和損失量比1980年分別增加 1.7和1.9倍［ 8］，農場尺度種植系統氮盈余量約為 190.7 kg/（hm2·a）［ 10］，2012年山西不同城市作物生產系統N盈余量介于 74～150 kg/hm2［ 6］。而造成高N盈余的根源在于肥料N投入過多［ 10］，損失的N通過氨揮發、淋洗、氮氧化物排放等方式進入水體、空氣等環境，是造成農業面源污染的重要因素［ 6，15］。研究表明，2012年山西農牧系統損失的N為610 Gg，占總N投入的61%，損失N中的41.4% 通過氨揮發進入空氣，30.6%進入水體［ 6］。因此，實施化肥“零”增長、作物秸稈飼料化、精準喂養、牲畜糞尿還田等措施［ 6，16］，促進農作物生產系統與牲畜養殖系統之間的N素流動，提高N素的循環再利用率［ 13，17］，是解決農牧系統N環境效應的有效手段之一。

2 磷（P）素流動特征及其環境效應

磷是農牧系統養分循環的另一重要元素，通過磷酸二銨、過磷酸鈣、復合肥等肥料形式進入農作物生產系統，通過P飼料添加劑等形式進入到牲畜養殖系統［ 18］，經過生物代謝之后通過農牧產品、淋洗、牲畜糞尿等形式輸出［ 19］，過量的P最終返還到環境中，P循環系統在整體上呈現較為典型的單向、開放式物質流結構［ 20］。研究表明，2000年我國P的總需求量為815.9萬t，返還到環境的P物質量為744.6萬t，P素利用率僅為8.7%［ 20］。2014年北京作物生產系統P投入量為109 kg/hm2，P素利用率約為31%，與牲畜養殖系統28%相當，均處于較低水平［ 19］。從農作物生產系統來看，P素利用率受土壤磷含量、作物種類、種植方式等因素影響［ 21］，東北三省份的比較研究結果表明，由于黑龍江土壤P含量高，其P養分可利用總量和P利用率均最高［ 22］。甘肅小麥間作大豆和玉米間作豌豆與單作比較，P素累積量分別提高17.1%和20.3%；但小麥間作玉米和小麥間作大豆P素利用效率分別較單作低24.3%和40.5%［ 23］。從牲畜養殖系統來看，隨著傳統養殖方式向規模化、集約化養殖方式的轉變，P利用率在不斷上升［ 11，24-25］。與1980年相比，2013年北京郊區奶牛個體尺度、群體尺度和系統尺度P利用效率均不斷增加，其中系統尺度P利用效率從 13.3%增加到 22.3%［ 11］；河北省集約化養殖方式P利用率比小區養殖提高7～8百分點［ 25］；山西省2011年P利用率均值已達30.3%，但仍然處于較低水平［ 24］。較低的P利用率意味著高P損失，30年間北京郊區P總損失從 114 t增加到 1 763 t，增長約14.5倍［ 11］，僅2003年北京P進入水體的量是1990年的4.4倍［ 19］，2015—2017年甘肅省總P流失量為 1 387.93 t/a［ 24］。

高P損失必然造成環境P污染，就農牧系統而言，施肥量、降水量、灌溉量、耕作方式、養殖方式等是P面源污染的重要影響因素［ 26］，用牲畜糞尿替代化肥，加強土壤-作物綜合養分管理，從而控制P肥的施用量；在飼料中添加植酸酶激活飼糧中植酸P的可利用性，提高牲畜P利用效率，減少P的排泄；優化農牧P養分管理技術，尤其是牲畜糞尿制備有機肥技術；增強農牧業廢棄物資源化利用程度等對于提高P利用率和減少環境P污染具有重要作用，潛力巨大［ 19，27］。

3 鉀（K）素流動特征及其環境效應

與農牧系統N、P高投入、低利用效率、高環境輸出等特征不同，K素營養一直處于虧缺狀態且虧缺量在持續擴大。研究表明，2000、2009年我國農田K素投入總量分別為1 068.0萬、1 523.6萬 t，總支出1 458.0萬、2 138.6萬t，虧缺量分別為390萬、615萬t［ 28-29］。農牧系統的K通過施用K肥、灌溉水、外源飼料添加劑等方式進入［ 29］，其中施用K肥占比超過50%，成為農牧系統K素輸入的主要來源。而后通過作物收獲帶走、降雨徑流流失、畜禽糞便帶走等形式輸出，其中降雨徑流流失量占化學K肥施用比值約40%［ 28］，逐漸成為農牧系統K素輸出和環境中K素輸入的重要來源。另外，農牧系統中K素常年產出明顯小于投入，即產投比＜1導致我國土壤K肥力不斷下降、K肥有效地區不斷擴大，雖然K肥用量在逐年增長，但補充的K尚不能維持K的收支平衡［ 29-30］。由此可見，農牧系統K素與N、P明顯過剩不同，存在高投入、高流失、系統虧缺嚴重等特征，并受農牧體系結構和結合程度的影響較大［ 31］。可以通過加強水肥管理、改善畜禽糞尿管理，減少K素隨徑流流失量，提高畜禽糞尿在作物生產和牲畜養殖系統間的循環利用比例，增加K素利用效率，減少進入環境的數量，降低環境中K素負荷［ 5］。

4 小結與展望

目前，我國農牧系統養分循環呈現出“三高二低”的特征，即高養分投入、高化學肥料依賴、高環境負荷、低養分利用效率、低農牧結合［ 32］。在一定程度上，這與我國耕地資源少、人口眾多的基本國情息息相關，用占世界8%的耕地資源養活20%的人口，從而過度依賴化學養分高投入來追求糧食和飼料的高產量［ 17］，進而支持集約化畜牧業發展，提供更多的肉、蛋、奶等以滿足人民日益增長的美好生活需要。二十大報告明確，全面推進鄉村振興，堅持農業農村優先發展。農牧業是農業農村發展的基礎產業，必然要走可持續集約化的發展方向，而農牧系統的養分循環在一定程度上決定了農牧業的綠色、可持續發展程度。因此，加強農牧業養分循環的研究具有十分重大的現實意義，未來可以重點從以下幾方面開展研究：一是農牧結合的有效方式。通過農牧緊密結合不僅提高農作物生產系統與畜牧養殖系統的養分的雙向流動，整體提高養分利用效率，破解對養分高投入的過度依賴；同時，能顯著降低農牧系統向環境的養分輸出，減少環境養分負荷，達到綠色、可持續的目標。二是開展“農牧業生產—食物消費”全鏈條綜合減排技術研發。農牧產品是農牧業系統養分輸出的重點，也是食物消費系統的重要輸入來源，研究農牧產品生產與消費全鏈條養分循環特征，研發全鏈條綜合減排技術，避免養分利用效率低下問題由生產端向消費端后移，造成農牧業養分利用率明顯提高的“假象”。三是農牧業系統養分協同效應。農作物生產和畜禽養殖成效并不是單一養分的疊加，而是多養分協同作用的結果。因此，研究農牧業系統養分流動特征和提高養分利用率的技術措施，更應該著眼于各養分之間的協同效應。四是碳氮協同作用，食物生產消費系統氮素動態變化與環境中碳排放和碳中和關系緊密，研究碳氮協同作用，可為農牧業系統雙碳目標的實現助力。

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