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(nóng)田生產(chǎn)-畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)氮素流動(dòng)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(xué)地理科學(xué)學(xué)院，南京 210023；2 南京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 210023；3 江蘇省物質(zhì)循環(huán)與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210023)

為了解小興安嶺地區(qū)農(nóng)田生產(chǎn)-畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)氮素投入與利用情況，以伊春市帶嶺區(qū)為研究區(qū)域，采用物質(zhì)流分析方法，分析了2007—2015年該區(qū)氮素輸入、遷移、轉(zhuǎn)化和輸出過程，核算了該地區(qū)農(nóng)田生產(chǎn)與畜禽養(yǎng)殖氮素流動(dòng)通量、流動(dòng)效率及環(huán)境負(fù)荷。結(jié)果表明：2007—2015年帶嶺區(qū)農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)與畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)單位面積氮素流動(dòng)通量均呈上升趨勢，且在2007—2012年上升幅度較大；畜禽養(yǎng)殖數(shù)量、農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)是影響帶嶺區(qū)氮素流動(dòng)通量的重要因素；農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)氮素利用率平均為64%，作物能較有效利用氮素；畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)氮素利用率約為19%，存在著較大提升空間；帶嶺區(qū)環(huán)境氮負(fù)荷呈現(xiàn)逐年增加趨勢，畜禽養(yǎng)殖數(shù)量增加過快，糞尿氮素?fù)p失是環(huán)境氮負(fù)荷增加的主要原因。建議加強(qiáng)畜禽養(yǎng)殖科學(xué)管理，合理控制養(yǎng)殖規(guī)模，提高糞尿利用率，同時(shí)盡可能減少化肥氮投入，促進(jìn)農(nóng)田生產(chǎn)-畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)向高效、可持續(xù)方向發(fā)展。

帶嶺區(qū)；農(nóng)田生產(chǎn)；畜禽養(yǎng)殖；氮素梯級流動(dòng)；環(huán)境負(fù)荷

人為源活性氮排放量的增加，導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化、溫室效應(yīng)等全球生態(tài)環(huán)境問題日益加劇。研究認(rèn)為，農(nóng)業(yè)氮肥是最大的人為活性氮來源，協(xié)調(diào)好活性氮在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)中的作用是世界各國共同面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1-2]。Galloway和Cowling[3]研究表明，氮肥進(jìn)入作物生產(chǎn)系統(tǒng)，通過梯級流動(dòng)，僅有14% 的氮素以植物食品氮的形式進(jìn)入人體；若農(nóng)作物產(chǎn)品氮以飼料形式進(jìn)入畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)，最終只有4% 的氮素以動(dòng)物食品氮的形式進(jìn)入人體，即大部分氮素流失進(jìn)入環(huán)境。我國以占世界7% 的耕地，保障了世界20% 人口的糧食供應(yīng)，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(fèi)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過糧食產(chǎn)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(jìn)一步指出我國農(nóng)田氮肥施用的主要問題是施肥過程中和施肥后的嚴(yán)重?fù)p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(wěn)定(2006—2016年)”的變化態(tài)勢。2002年我國畜禽糞便產(chǎn)生氮總量為1 680萬t，相當(dāng)于當(dāng)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(yǎng)分環(huán)境容量(85 kg/hm2)計(jì)算，全國可增加糞尿氮養(yǎng)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(nóng)田生產(chǎn)和畜禽養(yǎng)殖過程的氮素利用率、減少農(nóng)業(yè)活性氮排放是現(xiàn)階段我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)亟待解決的問題。目前我國不同地區(qū)、不同施氮水平的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)氮素利用率存在較大差異[11]，為便于對地區(qū)農(nóng)業(yè)氮素利用情況進(jìn)行比較研究，進(jìn)一步補(bǔ)充我國農(nóng)業(yè)氮素利用效率基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，本文以位于東北小興安嶺南麓的伊春市帶嶺區(qū)作為研究區(qū)域，該區(qū)域自然資源豐富，植被群落類型復(fù)雜多樣，耕種面積、農(nóng)業(yè)人口、種植結(jié)構(gòu)、種植模式相對穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較低，工業(yè)污染少，能夠更好地反映農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)氮素投入與利用情況。研究帶嶺區(qū)活性氮梯級流動(dòng)通量及利用效率，有利于揭示東北小興安嶺地區(qū)農(nóng)田-畜禽系統(tǒng)氮素利用現(xiàn)狀，為提高氮素在各個(gè)流動(dòng)環(huán)節(jié)中的利用率提供依據(jù)，同時(shí)為其他地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)氮素利用研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

帶嶺區(qū)(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(qū)，也是黑龍江省森林工業(yè)總局直屬實(shí)驗(yàn)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(fēng)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(fēng)的雙重影響，夏季濕潤而溫暖，冬季漫長且寒冷干燥。該區(qū)域土壤呈中性偏酸性，pH多為6.0 ± 0.5，土壤有機(jī)質(zhì)含量較高，有機(jī)碳含量在30 ~ 50 g/kg，不同土地利用類型有機(jī)質(zhì)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(qū)占地面積1 042 km2，農(nóng)作物總播種面積約13.4 km2，種植結(jié)構(gòu)較為單一，主要農(nóng)作物為玉米、大豆和少量蔬菜，部分玉米作為本地養(yǎng)殖業(yè)飼料，大豆外銷；畜禽養(yǎng)殖維持一定規(guī)模，主要畜禽養(yǎng)殖種類有豬、牛、雞、鴨和鵝。

圖1 研究區(qū)域地理位置

1.2 研究方法

1.2.1 研究系統(tǒng)邊界本文以農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)和畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)為研究對象，探究氮素梯級流動(dòng)通量、效率及環(huán)境負(fù)荷。研究系統(tǒng)邊界如圖2所示，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮素輸入項(xiàng)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(xiàng)為籽粒、秸稈和進(jìn)入環(huán)境的氮素。其中籽粒輸出項(xiàng)又細(xì)分為作口糧、作飼料和其他，秸稈輸出項(xiàng)細(xì)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(yǎng)殖系統(tǒng)氮素輸入項(xiàng)為農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)出的飼料糧、秸稈作飼料、口糧作飼料、畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的畜禽骨和副產(chǎn)物作飼料、家庭生活產(chǎn)生的廚余垃圾作飼料以及進(jìn)口飼料(不屬于研究區(qū)域生產(chǎn)的飼料)。畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)氮素輸出項(xiàng)為蛋、奶、肉、骨作食品，骨和副產(chǎn)品作飼料以及進(jìn)入環(huán)境的氮素。

圖2 研究系統(tǒng)邊界

1.2.2 氮素流動(dòng)項(xiàng)目參數(shù)來源氮素流動(dòng)相關(guān)研究表明，建立“農(nóng)田生產(chǎn)-畜禽養(yǎng)殖”系統(tǒng)模型，定量估算氮素的環(huán)境負(fù)荷，對解決氮素流失和環(huán)境污染問題具有重要指導(dǎo)價(jià)值[13-16]。本研究將氮素流動(dòng)系統(tǒng)邊界定義為“農(nóng)田生產(chǎn)-畜禽養(yǎng)殖”系統(tǒng)。基本信息資料來自2008—2016年《伊春統(tǒng)計(jì)年鑒》，以及第一次全國污染源普查數(shù)據(jù)。2014年、2015年對研究區(qū)域進(jìn)行農(nóng)戶入戶調(diào)查，驗(yàn)證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。收集以下資料：①農(nóng)作物播種面積、種類及產(chǎn)量；②化肥施用量；③籽粒產(chǎn)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(chǎn)量；⑥城鎮(zhèn)人口與鄉(xiāng)村人口數(shù)量。

建立氮素梯級流動(dòng)系統(tǒng)涉及參數(shù)包括：秸稈籽粒比、秸稈含氮量、不同農(nóng)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(jī)肥徑流損失率、有機(jī)肥淋溶損失率、化肥氨揮發(fā)率、化肥反硝化率、有機(jī)肥氨揮發(fā)率、有機(jī)肥反硝化率、各畜禽肉和骨及副產(chǎn)物所占比例與含氮量、各畜禽糞便與尿液含氮量。詳細(xì)參數(shù)情況見表1農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)部分參數(shù)以及表2畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)部分參數(shù)。

表1 農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)部分參數(shù)[17-35]

表2 畜禽養(yǎng)殖子系統(tǒng)參數(shù)[9, 19, 20, 23-24, 36]

1.2.3 氮素流動(dòng)項(xiàng)目算法活性氮梯級流動(dòng)的項(xiàng)目算法主要包括3種：①氮素含量乘數(shù)量；②單位面積氮素含量乘面積；③氮素流動(dòng)比例法。各子系統(tǒng)氮素流動(dòng)項(xiàng)目的具體算法詳見表3 ~ 表6。計(jì)算單位面積氮素流動(dòng)通量時(shí)，以帶嶺區(qū)行政面積作為分母，行政面積包含耕地、林地及建設(shè)用地等面積。

表3 農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)氮輸入項(xiàng)算法

表4 農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)氮輸出項(xiàng)算法

表5 畜禽養(yǎng)殖子系統(tǒng)氮輸入項(xiàng)算法

表6 畜禽養(yǎng)殖子系統(tǒng)氮輸出項(xiàng)算法

1.2.4 氮素流動(dòng)效率指標(biāo)氮素利用率是衡量氮素流動(dòng)效率的重要指標(biāo)。氮素利用率指氮素在系統(tǒng)中的利用效率，即氮素產(chǎn)品輸出與輸入的比率[37]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)氮素利用率是指植物食品氮生產(chǎn)量與農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)氮投入量的百分比，即農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)籽粒輸出項(xiàng)中進(jìn)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(yǎng)殖系統(tǒng)氮素利用率是指動(dòng)物食品氮生產(chǎn)量與畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)氮投入量的百分比，即畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)輸出的蛋、奶、肉及作為食品的骨和副產(chǎn)品所含氮素與各類飼料氮素輸入總和之比。

2 結(jié)果與討論

2.1 農(nóng)田種植結(jié)構(gòu)與畜禽養(yǎng)殖數(shù)量變化

帶嶺區(qū)城鎮(zhèn)化水平較低，農(nóng)田以糧食作物種植為主。2007—2015年帶嶺區(qū)農(nóng)田種植結(jié)構(gòu)和畜禽養(yǎng)殖數(shù)量變化如圖3所示。農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，表現(xiàn)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(yǎng)殖數(shù)量的增加在整個(gè)研究期內(nèi)表現(xiàn)得尤為明顯，2007—2015年家禽養(yǎng)殖數(shù)量增長了2.7倍，豬的養(yǎng)殖數(shù)量增長了2.24倍，反芻動(dòng)物肉牛和肉羊的養(yǎng)殖數(shù)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(yǎng)殖規(guī)模則受當(dāng)?shù)厥袌龊徒?jīng)濟(jì)效益的影響，反映了研究區(qū)城鎮(zhèn)化水平的提高及居民膳食結(jié)構(gòu)的變化。

圖3 農(nóng)田種植結(jié)構(gòu)(A)和畜禽養(yǎng)殖數(shù)量(B)變化

2.2 單位面積氮素流動(dòng)通量

2007—2015年，研究區(qū)農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)單位面積氮素(以純氮計(jì)，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(dòng)上升趨勢，2011年后則趨于穩(wěn)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(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)氮素輸入的最大來源。分析其原因，2007—2015年期間帶嶺區(qū)畜禽養(yǎng)殖數(shù)量增加較快，導(dǎo)致糞尿肥氮輸出大量增加。2008—2009年，研究區(qū)域主要作物種植面積有所調(diào)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(qū)年末耕地面積發(fā)生較大變化，2007—2014年期間帶嶺區(qū)耕地面積保持在1 342 hm2，2015年則上升為2 038 hm2，導(dǎo)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(chǎn)量增加，大豆秸稈含氮量高，通過還田輸入農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)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(wěn)定。農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)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(wěn)定，化肥氮輸入基本持平，糞尿肥氮增多，糞尿肥氨揮發(fā)和反硝化率均大于化肥，所以進(jìn)入大氣和水體的氮素有所增多。需要關(guān)注的是，2009年之后盈余于土壤中的氮素為負(fù)值，說明土壤出現(xiàn)氮虧缺，造成該現(xiàn)象的原因可能是農(nóng)作物產(chǎn)量提高，對氮素需求量增大，更多的土壤氮素進(jìn)入籽粒與秸稈中。其中，2009—2010年帶嶺區(qū)氮肥輸入氮減少約10 t，糞尿肥輸入氮增加約13 t，各類農(nóng)作物畝產(chǎn)均增加，籽粒和秸稈輸出氮合計(jì)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(jī)氮礦化速率主要受土壤穩(wěn)定有機(jī)物氮素釋放影響而非土壤全氮，且與土壤碳氮比呈負(fù)指數(shù)關(guān)系(=23，2=0.88)。糞尿肥增加引起土壤全氮、土壤穩(wěn)定有機(jī)物氮占土壤全氮比例及土壤碳氮比變化，可能對帶嶺區(qū)2009年以后土壤氮虧缺的發(fā)生有一定貢獻(xiàn)。

2007—2015年，研究區(qū)畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)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(yǎng)殖系統(tǒng)所需的氮素以飼料的形式輸入，畜禽養(yǎng)殖數(shù)量的增加導(dǎo)致飼料需求量逐年增加，本地農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)、畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)和家庭消費(fèi)系統(tǒng)所產(chǎn)生的飼料無法滿足畜禽養(yǎng)殖需求，因此需要投入大量進(jìn)口飼料(從系統(tǒng)外部購買的飼料)。進(jìn)口飼料氮投入是畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)單位面積氮素的主要來源，約占畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)氮投入的79% ~ 87%，其次是口糧作飼料部分，約占畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)氮投入的7% ~ 12%。2008—2011年，由于農(nóng)作物種植種類結(jié)構(gòu)調(diào)整，以及大豆產(chǎn)量提升，口糧作飼料部分氮投入明顯增多，降低了部分農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)直接生產(chǎn)的飼料糧氮投入。

畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)單位面積氮素輸出以畜禽糞尿輸出為主，占總畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)氮素輸出量的74% 左右，如圖5所示，研究期間畜禽產(chǎn)品(肉、蛋、奶)及其副產(chǎn)品氮素輸出均呈上升趨勢。隨著養(yǎng)殖數(shù)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(jìn)入水體，24% 進(jìn)入大氣，僅有16% 還田進(jìn)入土壤，極易造成畜禽養(yǎng)殖污染。因此，帶嶺區(qū)一方面要適當(dāng)控制畜禽養(yǎng)殖規(guī)模的增長速度，另一方面要加強(qiáng)對畜禽糞尿污染問題的防治，在合理處置畜禽養(yǎng)殖廢棄物污染的基礎(chǔ)上，提高畜禽產(chǎn)品產(chǎn)量。

圖4 農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)單位面積氮素輸入量(A)和輸出量(B)

圖5 畜禽生產(chǎn)系統(tǒng)單位面積氮素輸入量(A)和輸出量(B)

帶嶺區(qū)單位面積氮素流動(dòng)通量的變化主要受化肥氮投入、農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)以及畜禽養(yǎng)殖規(guī)模的影響，氮素流動(dòng)通量的增加反映了帶嶺區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境氮負(fù)荷較大，農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)和畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)氮素流失的風(fēng)險(xiǎn)加大。

2.3 氮素流動(dòng)利用效率

2007—2015年，帶嶺區(qū)農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)與畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)氮素利用率如圖6所示。研究期內(nèi)，帶嶺區(qū)農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)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(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)氮素利用率上升明顯，尤其是2010年氮素利用率增幅達(dá)24%，說明在2011年之前，單位面積氮素輸入的增加對農(nóng)作物氮素利用率的提高有著積極的作用，大豆等農(nóng)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(xù)增加，但農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)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(nèi)系統(tǒng)氮素得到較充分利用，也不會(huì)造成土壤氮素?fù)p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%?？傮w來看，帶嶺區(qū)農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)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(jù)具體土壤性質(zhì)實(shí)行農(nóng)作物輪作，并在根區(qū)施肥過程中確定最佳施肥距離和深度，以進(jìn)一步提高氮素利用率[40-41]。

圖6 農(nóng)田生產(chǎn)-畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)氮素利用率

畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)的氮素利用率一般都低于農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)。帶嶺區(qū)畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)氮素利用率穩(wěn)定在19% 左右。一般認(rèn)為，氮素利用率<50%，系統(tǒng)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(yǎng)殖系統(tǒng)氮素輸出中占據(jù)很大比例且很難回收再利用，所以提升畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)氮素利用率難度較大。與我國其他地區(qū)相比，帶嶺區(qū)畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)氮素利用率處于中等水平(表7)。因此，提高畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)的氮素利用率一方面需要控制畜禽養(yǎng)殖數(shù)量，減少飼養(yǎng)損失，另一方面提倡畜禽糞尿肥氮素的循環(huán)利用，加強(qiáng)畜禽養(yǎng)殖管理，注意防治畜禽養(yǎng)殖污染，提高氮素的回收利用率。

表7 我國不同地區(qū)畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)氮素利用率對比

2.4 氮素流動(dòng)環(huán)境負(fù)荷

盈余于土壤中的氮素能夠作為養(yǎng)分提供給作物重新利用，因此進(jìn)入到大氣、水體中的氮負(fù)荷是環(huán)境氮負(fù)荷的主要來源。由于帶嶺區(qū)農(nóng)田-畜禽系統(tǒng)外部輸入氮的持續(xù)增加，進(jìn)入大氣、水體的環(huán)境負(fù)荷氮隨之快速增大。如圖7所示，除2013年外，研究區(qū)環(huán)境氮負(fù)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(jìn)入水體和大氣的氮負(fù)荷分別約占環(huán)境氮負(fù)荷的56.5% 和43.5%。2007—2012年期間，進(jìn)入水體的氮負(fù)荷迅速增加，年增長率超過10%，進(jìn)入大氣氮負(fù)荷年增長率則達(dá)到12% 以上；2012年后盡管環(huán)境氮負(fù)荷增長速度有所減緩，進(jìn)入水體和大氣的氮負(fù)荷年增長率降為6% 左右，但環(huán)境氮負(fù)荷仍持續(xù)增長。水體氮負(fù)荷快速增大主要由帶嶺區(qū)近10 a來畜禽數(shù)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(qū)畜禽養(yǎng)殖數(shù)量和規(guī)模的擴(kuò)大給當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境帶來了較大的影響，環(huán)境氮負(fù)荷的快速上升，使帶嶺區(qū)空氣中活性氮含量增加，水體富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)加劇，不利于帶嶺區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，合理控制畜禽養(yǎng)殖規(guī)模，提高畜禽糞尿的利用率，對減輕帶嶺區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境污染負(fù)荷具有重要意義。

圖7 環(huán)境氮負(fù)荷量年度變化

目前帶嶺區(qū)畜禽糞尿還田量占糞尿產(chǎn)生量的18% 左右，施入農(nóng)田的畜禽糞尿含氮量在22 ~ 50 kg/hm2。根據(jù)歐盟硝酸鹽法令的標(biāo)準(zhǔn)，施入農(nóng)田的畜禽糞尿含氮量不得超過170 kg/hm2[46]，帶嶺區(qū)畜禽糞尿還田量仍有較大提升空間，需進(jìn)一步加強(qiáng)對畜禽養(yǎng)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(huán)境損失，以降低環(huán)境氮負(fù)荷。農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中應(yīng)改善農(nóng)作物氮供給和氮需求的平衡，同時(shí)提高作物對氮素的利用率。已有研究表明，推行根區(qū)施肥，減少肥料向環(huán)境的遷移損失是提高肥料利用率的重要舉措[47]，其次有機(jī)無機(jī)肥料配合施用能夠顯著提高氮的當(dāng)季利用率[48]。帶嶺區(qū)農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)在提高畜禽糞尿還田量的同時(shí)，降低化肥氮的輸入，維持氮素供需平衡，配合施用有機(jī)無機(jī)肥料，提高作物氮素利用率，以減輕環(huán)境氮負(fù)荷。

3 結(jié)論

1)2007—2015年，帶嶺區(qū)農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)與畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)單位面積氮素流動(dòng)通量均呈上升趨勢，且在2007—2012年上升趨勢幅度較大。畜禽養(yǎng)殖數(shù)量、農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)是影響氮素流動(dòng)通量的重要因素。帶嶺區(qū)畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)依靠大量的氮投入(進(jìn)口飼料)來提高畜禽產(chǎn)品產(chǎn)量，同時(shí)也造成了較為嚴(yán)重的氮素流失問題。

2)帶嶺區(qū)農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)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(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)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(yǎng)殖系統(tǒng)氮素利用率在19% 左右，存在著較大提升空間，需要加強(qiáng)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(qū)農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)與畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)環(huán)境氮負(fù)荷快速增加，損失的氮素進(jìn)入水體和大氣的比例分別為56.5% 和43.5%。畜禽養(yǎng)殖數(shù)量增加過快，糞尿氮素?fù)p失嚴(yán)重是環(huán)境氮負(fù)荷增加的主要原因。因此要從源頭上減輕畜禽養(yǎng)殖污染，降低環(huán)境負(fù)荷，需要加強(qiáng)畜禽養(yǎng)殖科學(xué)管理，合理控制養(yǎng)殖規(guī)模，提高養(yǎng)殖廢棄物的循環(huán)利用率。帶嶺區(qū)在提高糞尿還田率的同時(shí)，應(yīng)盡可能減少化肥氮的投入，使農(nóng)田生產(chǎn)-畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)向高效、可持續(xù)方向發(fā)展。

致謝：感謝伊春市帶嶺區(qū)農(nóng)業(yè)局張青松、涼水實(shí)驗(yàn)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(nóng)田生產(chǎn)–畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)氮素流動(dòng)特征. 土壤, 2020, 52(5): 1001–1010.

國家重大科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2014CB953801)資助。

王巧佳(1993—)，女，甘肅蘭州人，碩士研究生，研究方向?yàn)樯锏厍蚧瘜W(xué)。E-mail：wqj86400@qq.com