余 樂(lè), 郭浩浩, 付 陽(yáng), 趙洪偉**

江蘇省農(nóng)牧系統(tǒng)磷元素流動(dòng)特征及其影響因素分析*

余 樂(lè)1, 郭浩浩2, 付 陽(yáng)3, 趙洪偉2**

(1. 江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院 泰州 225300; 2. 海南大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院 ?？?570228; 3. 海南大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院 海口 570228)

探明江蘇省農(nóng)牧系統(tǒng)磷素流動(dòng)特征及其影響因素, 可為農(nóng)牧生產(chǎn)體系可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研、數(shù)據(jù)分析等方式, 結(jié)合NUFER(NUtrient flows in Food chains, Environment and Resources use)模型, 定量分析了江蘇省1998—2018年間農(nóng)牧生產(chǎn)體系的磷素流動(dòng)特征, 明確了農(nóng)牧系統(tǒng)磷元素流動(dòng)影響因素。結(jié)果表明: 1998—2018年, 江蘇省農(nóng)牧系統(tǒng)磷素輸入總量由423.19 Gg下降至382.86 Gg, 主要減少的輸入項(xiàng)為化肥和外源飼料, 其中單位耕地面積化肥磷素投入量由78.78 kg?hm?2降至67.27 kg?hm?2, 外源飼料磷供應(yīng)量由58.07 Gg降至46.54 Gg; 農(nóng)牧系統(tǒng)輸出項(xiàng)中, 磷素輸出總量由194.24 Gg增至255.06 Gg, 主要輸出項(xiàng)為作物主產(chǎn)品和動(dòng)物副產(chǎn)品, 其中作物主產(chǎn)品磷素?cái)y出量增幅較大, 由77.53 Gg增至131.86 Gg; 農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)的磷素利用率由31.82%上升至52.46%, 畜牧生產(chǎn)子系統(tǒng)的磷素利用率變化較小, 維持在27.67%~35.31%。農(nóng)牧系統(tǒng)磷素利用率趨勢(shì)與農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)的利用率趨勢(shì)較為一致, 由16.55%上升至32.24%; 單位農(nóng)牧產(chǎn)品磷素?fù)p失呈下降趨勢(shì), 由0.26 kg(P)?kg?1下降至0.12 kg(P)?kg?1。1998—2018年間, 江蘇省農(nóng)牧業(yè)發(fā)展迅速, 磷素總輸入量逐年下降, 農(nóng)牧產(chǎn)品產(chǎn)量逐年上升, 磷素環(huán)境總損失量(徑流、侵蝕、淋溶和糞尿損失)逐年下降。受化肥投入量減少、測(cè)土配方、種植及養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)調(diào)整等因素影響, 農(nóng)牧系統(tǒng)磷素利用率略高于全國(guó)平均水平, 養(yǎng)分管理取得初步成效, 但仍有一定的進(jìn)步空間。為促進(jìn)江蘇省農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展, 應(yīng)進(jìn)一步控制磷肥輸入、加大有機(jī)肥和本地飼料輸入量、提高秸稈和畜禽糞便綜合利用率、調(diào)整種植結(jié)構(gòu)和養(yǎng)殖布局, 發(fā)展小麥、玉米、水蜜桃、草莓種植業(yè), 限制蛋鴨養(yǎng)殖業(yè)。

磷素; 江蘇省; 農(nóng)牧系統(tǒng); NUFER模型

磷元素對(duì)動(dòng)植物的生長(zhǎng)及人類營(yíng)養(yǎng)和健康都是必不可少的[1-2], 然而自然界中磷元素含量相對(duì)較低, 難以滿足中國(guó)日益增長(zhǎng)的食品需求。為了緩解人口快速增長(zhǎng)而帶來(lái)的糧食生產(chǎn)壓力, 自20世紀(jì)70年代以來(lái), 中國(guó)開始大量施用磷肥[3]。這雖然在一定程度上緩解了糧食生產(chǎn)的壓力, 卻帶來(lái)了新的問(wèn)題, 一方面人類的大肆開采加速了磷礦的消耗[4-5], 另一方面隨著磷肥大量施用、畜禽糞尿不合理排放, 大量的磷元素堆積在土壤或通過(guò)徑流等途徑進(jìn)入水體, 導(dǎo)致土壤質(zhì)量不斷下降[6]、水體富營(yíng)養(yǎng)化[7]乃至周邊環(huán)境的富磷污染[8]。因此, 在農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中, 需要減少磷元素投入, 提高磷元素利用效率, 實(shí)現(xiàn)對(duì)磷元素的全程優(yōu)化管理。

目前, 國(guó)內(nèi)外已有不少學(xué)者做了相關(guān)研究。Wolf等[9]利用STONE模型模擬了磷在土壤中的遷移過(guò)程以及磷的淋溶對(duì)水體的影響, 為制定環(huán)境排放的法律法規(guī)提出了從施肥到儲(chǔ)存環(huán)節(jié)的詳細(xì)建議。Senthilkumar等[10]利用物質(zhì)流分析方法, 量化了法國(guó)土壤磷流動(dòng)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的依賴程度。Papangelou等[11]同樣利用物質(zhì)流分析方法繪制了布魯塞爾首都地區(qū)糧食系統(tǒng)磷和能量流向, 并以情景分析評(píng)估磷和能量流以及系統(tǒng)的循環(huán)水平。Van Dijk等[12]以食物消費(fèi)-生產(chǎn)-廢物鏈和非食物流為基礎(chǔ)分析了歐盟各國(guó)的磷流動(dòng), 為提高磷利用效率提出建議。Ma等[13]構(gòu)建了食物鏈養(yǎng)分流動(dòng)模型(NUFER, NUtrient flows in Food chains, Environment and Resources use), 并利用NUFER模型研究我國(guó)水稻(L.)、小麥(L.)和玉米(L.)生產(chǎn)中的磷流動(dòng)和磷利用效率, 提出提高磷循環(huán)措施并評(píng)價(jià)了其對(duì)磷素利用效率的影響[14]; 張建杰等[15]將ArcGIS與之結(jié)合, 分析山西省11個(gè)地市的農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷空間變化特征以及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn), 提出以提高農(nóng)牧系統(tǒng)耦合程度、提升磷素利用效率來(lái)實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分的高效利用。張曉萌等[16]的研究發(fā)現(xiàn)東北三省的磷素利用率差異較大, 提出可通過(guò)東北三省之間協(xié)調(diào)管理, 優(yōu)化資源配置, 實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。劉東暉等[17]發(fā)現(xiàn)受種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的影響, 福建省化肥投入加劇, 磷素利用率下降, 農(nóng)牧系統(tǒng)分離程度加強(qiáng)。

江蘇省自2011年起化肥施用量逐年下降, 測(cè)土配方工作取得一定進(jìn)展, 磷素利用效率升高。為進(jìn)一步了解江蘇省養(yǎng)分管理所取得的成效, 需要明確其養(yǎng)分流動(dòng)特征。此外, 江蘇地處少有人研究的長(zhǎng)三角地區(qū), 氣候同時(shí)具有南方和北方的特征?；诖? 本文以江蘇省農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)的磷元素流動(dòng)為切入點(diǎn), 通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研、數(shù)據(jù)分析等方式, 結(jié)合NUFER模型, 對(duì)1998—2018年間江蘇農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷素流動(dòng)進(jìn)行定量分析, 以期為江蘇農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷元素優(yōu)化管理和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料及方法

1.1 研究區(qū)概況

江蘇地處東部沿海地區(qū), 是長(zhǎng)江三角洲地區(qū)的重要組成部分(116°18′~121°57′E、30°45′~35°20′N)。陸域面積達(dá)10.72萬(wàn)km2。地形以平原為主, 主要由蘇北平原、黃淮平原、江淮平原、濱海平原、長(zhǎng)江三角洲平原組成; 湖泊眾多, 地跨長(zhǎng)江、淮河兩大水系。江蘇地屬東亞季風(fēng)氣候區(qū), 處在亞熱帶和暖溫帶的氣候過(guò)渡地帶, 氣候溫和, 雨量適中, 四季分明。1998—2018年間, 江蘇省農(nóng)牧業(yè)持續(xù)地向著綠色協(xié)調(diào)的方向發(fā)展, 種植、養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整, 2018年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值達(dá)3735.02億元, 瓜果蔬菜的產(chǎn)量為6559.98萬(wàn)t; 畜牧業(yè)生產(chǎn)總值達(dá)1091.31億元, 牲畜出欄量為1128.97萬(wàn)頭, 家禽出欄量為54 201萬(wàn)只。

1.2 研究方法

本文以適用于國(guó)家或區(qū)域尺度上養(yǎng)分流動(dòng)研究的NUFER模型[18]為基礎(chǔ), 以“土壤-作物-畜牧”系統(tǒng)為研究邊界, 以磷素流動(dòng)為研究對(duì)象, 定量研究江蘇省農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷素流動(dòng)情況。在本研究中, 江蘇省的地理邊界即為農(nóng)牧生產(chǎn)體系的區(qū)域邊界, 主要包括農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)和畜牧生產(chǎn)子系統(tǒng)兩個(gè)部分,主要的研究?jī)?nèi)容包括磷元素的輸入、輸出和系統(tǒng)內(nèi)磷循環(huán)。

1.3 計(jì)算方法

本文所研究的農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)磷元素輸入項(xiàng)包括化肥輸入、干濕沉降、農(nóng)田灌溉、秸稈還田、糞尿還田等; 農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)輸出項(xiàng)包括作物產(chǎn)品輸出、環(huán)境損失(土壤徑流、侵蝕、淋溶)等; 動(dòng)物生產(chǎn)子系統(tǒng)磷元素輸入項(xiàng)包括外源飼料、本地飼料等; 動(dòng)物生產(chǎn)子系統(tǒng)輸出項(xiàng)包括動(dòng)物產(chǎn)品輸出、糞尿損失等; 農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)輸入項(xiàng)包括外源飼料、化肥輸入、干濕沉降、農(nóng)田灌溉; 農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)輸出項(xiàng)包括動(dòng)物產(chǎn)品輸出、糞尿輸出、作物產(chǎn)品輸出、環(huán)境損失。體系內(nèi)循環(huán)包括秸稈還田、糞尿還田和本地飼料輸入等。為了更加直觀地對(duì)比畜禽養(yǎng)殖規(guī)模的變化情況, 本文將奶牛作為標(biāo)準(zhǔn)單位LU (livestock unit), 其他動(dòng)物分別按照以下比例核算成標(biāo)準(zhǔn)牛數(shù)量[19]: 肉牛, 0.8∶1; 豬, 0.3∶1; 羊, 0.1∶1; 蛋禽, 0.014∶1; 肉禽, 0.007∶1, 并將糞尿還田之外的糞尿損失視為全部進(jìn)入水體[20]。此外, 本文所涉及的單位面積均為單位耕地面積。

1.3.1 農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)

輸入項(xiàng)計(jì)算方法:

C=fer+irr+de+st+am(1)

式中:C表示農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)磷素輸入總量,fer表示化肥磷素輸入量,irr表示農(nóng)田灌溉磷素輸入量,de表示干濕沉降磷素輸入量,st表示秸稈還田磷素輸入量,am表示糞尿還田磷素輸入量。文中所涉及的磷素輸入、輸出量為磷元素折純量, 復(fù)合肥中的磷肥按照1∶1∶0.8的比例核算[21]。

輸出項(xiàng)計(jì)算方法:

ac=C?C?rf?le(2)

式中:ac表示土壤磷素累積量,C表示作物攜出磷素總量,rf表示磷素徑流、侵蝕量,le表示磷素淋溶損失量。

1.3.2 畜牧生產(chǎn)子系統(tǒng)

輸入項(xiàng)計(jì)算公式:

LF=(Cm+Cb)×feed(3)

Cb=mpro×gs×bpro(4)

IF=A?LF(5)

式中:LF表示本地飼料磷素輸入量,Cm表示作物主產(chǎn)品磷素?cái)y出量,Cb表示作物副產(chǎn)品磷素?cái)y出量,feed表示飼用比例,mpro表示作物主產(chǎn)品產(chǎn)量,gs表示草谷比,bpro表示作物副產(chǎn)品含磷量,IF表示外源飼料磷素輸入量,A表示動(dòng)物體系磷元素需求量。

輸出項(xiàng)計(jì)算公式:

A=Ampro+Abpro+am+sa(6)

式中:A表示磷輸出量,Ampro表示動(dòng)物主產(chǎn)品攜出磷量,Abpro表示動(dòng)物副產(chǎn)品收獲磷量,am表示動(dòng)物糞尿含磷量,sa表示動(dòng)物活體儲(chǔ)存磷量。

1.3.3 磷素利用率

PUEc=Cm/C(7)

PUEa=Ampro/(LF+IF) (8)

PUEc+a=(C+Ampro?Cm×feed)/(fer+irr+de+IF) (9)

式中:PUEc表示農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)磷素利用率, PUEa表示畜牧生產(chǎn)子系統(tǒng)磷素利用率, PUEc+a表示農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)磷素利用率。

1.4 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所涉及的數(shù)據(jù)主要來(lái)自統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、文獻(xiàn)調(diào)研。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù): 1998—2018年江蘇省主要農(nóng)作物產(chǎn)量及種植面積、耕地面積、灌溉面積、化肥使用量、主要畜禽的存欄量、出欄量等數(shù)據(jù)均來(lái)自于中國(guó)農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒[22]、中國(guó)畜牧獸醫(yī)年鑒[23]、江蘇統(tǒng)計(jì)年鑒[24]。

文獻(xiàn)調(diào)研: 作物主副產(chǎn)品含磷量、還田率、飼用比例等農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)詳見表1; 干濕沉降、淋溶、徑流侵蝕等相關(guān)參數(shù)詳見表2; 主要畜禽飼養(yǎng)周期、鮮重、糞尿排磷量、各部分占比及含磷量等畜牧生產(chǎn)子系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)詳見表3。

表1 江蘇省農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)主要農(nóng)作物相關(guān)參數(shù)

表2 自然條件下江蘇省農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)磷素輸入輸出項(xiàng)基本參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 江蘇省1998—2018年農(nóng)田、畜牧生產(chǎn)子系統(tǒng)磷素流動(dòng)變化情況

1988年江蘇省單位耕地面積化肥磷素投入量為78.78 kg?hm?2, 1988—2018年間呈緩慢下降趨勢(shì), 逐漸降至67.27 kg?hm?2, 下降了14.61%; 化肥在農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)輸入項(xiàng)的比例維持在84.27%~86.90% (圖1A)。1988—2018年間, 有機(jī)肥單位耕地面積磷素投入量維持在9.21~10.72 kg?hm?2, 其在農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)輸入項(xiàng)中的比例略有波動(dòng), 維持在9.43%~11.60%; 灌溉水輸入與沉降的單位耕地面積磷素投入量基本保持不變, 其比例也基本不變(表2)。農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)的單位耕地面積磷素輸入總量也呈逐漸下降趨勢(shì), 由1988年的92.80 kg?hm?2下降至2018年的79.82 kg?hm?2, 下降13.99%, 磷素輸出總量的變化趨勢(shì)與之相同。在輸出項(xiàng)方面, 單位耕地面積土壤磷素累積量呈下降趨勢(shì), 由1988年的57.83 kg?hm?2下降至2018年的34.68 kg?hm?2, 下降40.03%, 其在輸出項(xiàng)中的比例也由1988年的62.31%下降至2018年的43.45%; 而單位耕地面積的作物磷素收獲量呈上升趨勢(shì), 由1988年的29.53 kg?hm?2上升至2018年的41.87 kg?hm?2, 增長(zhǎng)率為28.76%, 其在輸出項(xiàng)中的比例也由31.82%上升至52.46%。單位耕地面積的徑流、侵蝕、淋溶磷素輸出量維持在3.26~5.44 kg?hm?2, 其比例維持在4.09%~ 6.12%。

表3 江蘇省畜牧生產(chǎn)子系統(tǒng)主要畜禽相關(guān)參數(shù)

圖中正值表示輸入, 負(fù)值表示輸出。In the figure, the negative values are output, the positive values are input.

在畜牧生產(chǎn)子系統(tǒng)(圖1B)輸入項(xiàng)中, 單位動(dòng)物外源飼料磷量呈下降趨勢(shì), 由4.24 kg?LU?1下降至3.21 kg?LU?1, 其比例由73.07%下將至69.02%;單位動(dòng)物本地飼料磷量由1.56 kg?LU?1下降至1.44 kg?LU?1, 其比例由26.93%升至30.98%。在輸出項(xiàng)方面, 單位動(dòng)物糞尿、動(dòng)物產(chǎn)品、廢水磷素?cái)y出量均有小幅度下降, 分別由2.76 kg?LU?1、1.83 kg?LU?1、1.21 kg?LU?1下降至2.24 kg?LU?1、1.59 kg?LU?1、0.82 kg?LU?1, 單位動(dòng)物糞尿磷素?cái)y出的比例保持在47.96%左右, 動(dòng)物產(chǎn)品比例有小幅度上升, 廢水排放的比例有小幅度下降。單位輸入、輸出總量整體呈下降趨勢(shì), 由5.80 kg?LU?1下降至4.65 kg?LU?1, 下降19.83%。

2.2 江蘇省1998年和2018年農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)磷素流動(dòng)變化情況

1998年和2018年江蘇省農(nóng)牧系統(tǒng)磷素輸入總量分別為423.19 Gg和382.86 Gg, 下降9.53%(圖2)。在輸入項(xiàng)方面, 1998年化肥磷素輸入量為350.42 Gg, 占輸入項(xiàng)82.80%, 2018年化肥磷素輸入量為320.44 Gg, 占輸入項(xiàng)83.70%, 化肥磷素輸入量持續(xù)下降, 但化肥始終是農(nóng)牧系統(tǒng)輸入項(xiàng)的主要來(lái)源。外源飼料磷量為58.07 Gg, 占輸入端13.72%, 至2018年, 外源飼料磷量為46.54 Gg, 占比12.16%。畜牧生產(chǎn)子系統(tǒng)的磷素輸入量下降, 灌溉、沉降等磷素輸入項(xiàng)略有波動(dòng)。磷素輸出項(xiàng)方面, 作物產(chǎn)品攜出量由131.36 Gg增長(zhǎng)至199.47 Gg, 增幅達(dá)51.73%;動(dòng)物產(chǎn)品攜出量略有下降, 糞尿損失和徑流侵蝕淋溶均有不同幅度下降, 分別由11.06 Gg和24.20 Gg降至9.23 Gg和15.55 Gg, 下降了16.55%和35.74%。農(nóng)牧系統(tǒng)磷素?fù)p失下降29.72%。農(nóng)牧系統(tǒng)內(nèi)磷素循環(huán)量整體有幅度波動(dòng), 糞尿還田量略有下降。

2.3 江蘇省農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)磷素循環(huán)及利用率

1998—2018年間, 除1998年, 其余年份農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷素循環(huán)量變化不大(圖3A), 保持在13.36 kg?hm?2左右。秸稈還田和本地飼料的單位流動(dòng)量較為一致, 可分為兩個(gè)階段, 1998—2003年呈下降趨勢(shì), 分別由4.71 kg?hm?2和4.81 kg?hm?2下降至3.16 kg?hm?2和3.13 kg?hm?2; 2003—2018年呈上升趨勢(shì), 分別由3.16 kg?hm?2和3.13 kg?hm?2上升至4.33 kg?hm?2和4.38 kg?hm?2。糞尿還田單位流動(dòng)量呈緩慢波動(dòng)下降趨勢(shì), 由6.00 kg?hm?2下降至2018年的4.88 kg?hm?2。

農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)的磷素利用率呈上升趨勢(shì)(圖3B), 由1988年的18.78%上升至2018年的34.68%, 畜牧生產(chǎn)子系統(tǒng)的磷素利用率變化較小, 維持在3.56%~5.59%之間。農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)磷素利用率趨勢(shì)與農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)的利用率趨勢(shì)較為一致, 整體呈上升趨勢(shì), 由1988年的16.55%上升至2018年的32.34%。單位農(nóng)牧產(chǎn)品磷素?fù)p失呈下降趨勢(shì), 與農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)、農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)磷素利用率變化趨勢(shì)相反, 由0.26 kg(P)?kg?1下降至0.12 kg(P)?kg?1。

3 討論

3.1 江蘇省農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)磷素流動(dòng)驅(qū)動(dòng)力分析

人均GDP是衡量社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度的重要指標(biāo),圖4A和4B說(shuō)明隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展, 江蘇省農(nóng)牧業(yè)會(huì)逐步走上可持續(xù)發(fā)展道路。隨著人們生活水平的不斷提高, 民眾對(duì)于肉類、蔬菜、水果等較高價(jià)值產(chǎn)品需求量不斷增加, 農(nóng)戶、養(yǎng)殖戶會(huì)逐漸放棄產(chǎn)出較低價(jià)值的產(chǎn)品, 生產(chǎn)附加值較高的產(chǎn)品。在農(nóng)業(yè)政策、市場(chǎng)調(diào)節(jié)的影響下, 1988—2018年間江蘇省蔬菜和水果的產(chǎn)量分別由391.1萬(wàn)t和144.4萬(wàn)t增長(zhǎng)至5652.9萬(wàn)t和934.1萬(wàn)t。除此之外, 經(jīng)濟(jì)的發(fā)展會(huì)促使農(nóng)牧業(yè)走向綠色發(fā)展的道路, 1998—2018年間, 江蘇省化肥磷素輸入在農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)輸入項(xiàng)中的比例始終維持在84.27%以上, 低于海南島地區(qū)的89.08%[37]; 通過(guò)政府指導(dǎo)農(nóng)民改進(jìn)施肥技術(shù), 開展測(cè)土配方工作, 增施有機(jī)肥、生物肥, 江蘇省化肥使用量逐年下降, 單位農(nóng)牧產(chǎn)品磷素?fù)p失也呈下降趨勢(shì)。圖4C和4D表明江蘇省小麥、玉米、水果、蔬菜種植面積的增加與化肥磷投入、磷素總損失量呈負(fù)相關(guān), 小麥、玉米、水果、蔬菜等種植規(guī)模的改變促使化肥磷素投入降低, 同時(shí)也促使農(nóng)牧系統(tǒng)的磷元素?fù)p失降低。與此同時(shí), 江蘇省農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)單位耕地面積作物收獲量、作物收獲總量不減反增, 這主要與種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整有關(guān), 1998—2018年間, 江蘇省的小麥、玉米、蔬菜等作物的種植面積增大, 水稻、薯類、大豆(L.)等作物的種植面積減小, 小麥、玉米等作物的收獲投入比(主產(chǎn)品含磷量與成長(zhǎng)過(guò)程中吸收磷量之比)相對(duì)較大(小麥0.44, 玉米0.43, 蔬菜0.44[28,32]), 而水稻、薯類、大豆等作物的相對(duì)較小(水稻0.18, 薯類0.044, 大豆0.20[28,32]), 更高效地利用了磷素, 這也與鄭微微等[38]的研究結(jié)果相互印證。1998—2018年間, 江蘇省單位耕地面積磷素施用水平維持在67.27 kg·hm?2以上, 遠(yuǎn)高于歐盟19.5 kg·hm?2[35]的標(biāo)準(zhǔn), 高于全國(guó)均值50.14 kg·hm?2[39], 高于浙江(32.79 kg·hm?2)、江西(55.88 kg·hm?2)、福建(62.80 kg·hm?2)等地[39], 磷素施用水平位居全國(guó)前列。過(guò)量的磷肥投入使得土壤磷素累積過(guò)高, 隨著江蘇省種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整、磷肥施用量減少, 土壤磷素累積量逐年下降, 由57.83 kg·hm?2降至34.68 kg·hm?2。因此, 控制磷肥輸入、合理施用磷肥、調(diào)整種植結(jié)構(gòu)是減少環(huán)境磷素?fù)p失的有效方法。1988—2018年間, 受農(nóng)牧業(yè)發(fā)展情況的影響, 農(nóng)牧系統(tǒng)進(jìn)入水體的磷元素總量呈下降趨勢(shì), 由35.26 Gg降至24.78 Gg, 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)子系統(tǒng)的徑流、侵蝕、淋溶趨勢(shì)保持一致, 環(huán)境損失的比例由68.64%降至62.73%, 仍是排放到水體中磷素的主要來(lái)源。圖4E和4F表明家禽、豬的LU占比與總的飼料輸入磷量正相關(guān), 與單位畜禽產(chǎn)品的磷損失量顯著負(fù)相關(guān), 畜禽養(yǎng)殖的規(guī)模調(diào)整仍然無(wú)法避免飼料總量的增長(zhǎng), 卻使得單位畜牧產(chǎn)品的磷損失量不斷降低。江蘇省的畜牧業(yè)規(guī)模從1.38×107LU發(fā)展到1.45×107LU, 其中豬、家禽的養(yǎng)殖數(shù)量均有不同幅度的上漲, 牛、羊的養(yǎng)殖數(shù)量有所下降, 飼料需求總量卻呈下降趨勢(shì)。其主要原因是以家禽這種飼養(yǎng)周期短、飼料產(chǎn)出投入比較高的漸漸取代牛羊這類飼料產(chǎn)出投入比低的。1998—2018年間, 外源飼料的占比不斷下降, 本地飼料的占比逐漸上升, 但外源飼料的比例仍保持在69.02%以上, 成為畜牧業(yè)主要的養(yǎng)分來(lái)源。糞尿還田的比例自1998年起, 常年維持在71.20%左右, 是福建50%[17]還田比例的1.42倍, 其主要原因是江蘇省政府所積極倡導(dǎo)的綠色農(nóng)業(yè)觀念以及嚴(yán)格的畜禽養(yǎng)殖污染治理、養(yǎng)殖廢棄物資源化利用要求。

受農(nóng)牧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)調(diào)整的影響, 江蘇省農(nóng)牧生產(chǎn)體系的磷素循環(huán)量整體呈下降趨勢(shì), 本地飼料在畜牧生產(chǎn)子系統(tǒng)輸入項(xiàng)中的比例有所上升, 在農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)作物收獲中的比例卻有所下降, 畜牧生產(chǎn)子系統(tǒng)養(yǎng)殖規(guī)模沒有萎縮, 畜牧生產(chǎn)子系統(tǒng)中的飼料利用率有所提升, 本地飼料取得了一定的發(fā)展。江蘇省農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)、畜牧生產(chǎn)子系統(tǒng)、農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)磷素利用率逐年上升, 與單位農(nóng)牧產(chǎn)品磷素?fù)p失呈下降趨勢(shì)相互印證。農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)的磷素利用率與農(nóng)牧生產(chǎn)子系統(tǒng)的利用率變化趨勢(shì)較為一致, 表明農(nóng)牧系統(tǒng)的磷素利用率變化主要取決于農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)。2018年江蘇省農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)、畜牧生產(chǎn)子系統(tǒng)、農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)磷素利用率分別為34.68%、5.59%、32.34%, 高于福建(16.6%、4.7%、15.0%)[17]、海南(13.86%、4.78%、13.09%)[37]、東北(農(nóng)牧系統(tǒng)磷素利用率: 黑龍江10%、吉林9%、遼寧14%)[16]等地, 農(nóng)田、畜牧子系統(tǒng)磷素利用率低于全國(guó)水平(37%、17%), 但其農(nóng)牧系統(tǒng)磷素利用率略高于全國(guó)水平(30%)[40]。作物種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及測(cè)土配方工作致使江蘇省農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)磷素利用率大幅度增加, 環(huán)境損失減少; 而畜牧生產(chǎn)子系統(tǒng)磷素利用率小幅度上升, 其主要原因是畜牧業(yè)規(guī)模化養(yǎng)殖程度的提高, 使得畜牧業(yè)的養(yǎng)分管理能力增加, 更高效的使用飼料, 減少磷素?fù)p失。

3.2 磷素管理措施分析

江蘇省的養(yǎng)分管理情況相較其他省市而言已經(jīng)取得了一定的成效, 但依然存在一些不足, 故提出以下建議:

加強(qiáng)作物養(yǎng)分管理, 提升磷肥綜合利用率。實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分管理首先要控制化肥輸入, 而控制化肥施用強(qiáng)度是其關(guān)鍵措施[41], 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重點(diǎn)控制施用強(qiáng)度較大的小麥、蔬菜、水果, 而在種植區(qū)域方面則要著重控制施用強(qiáng)度較大的蘇北地區(qū)。盡管江蘇省已經(jīng)開展了相應(yīng)的測(cè)土配方工作, 但并未覆蓋完全, 存在著進(jìn)一步提升的空間, 合理調(diào)整不同作物在各個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期的施肥比例, 多次、少量施肥[38]。積極推動(dòng)、應(yīng)用現(xiàn)有的技術(shù), 可在不使用更多肥料和其他投入的情況下, 使小麥和玉米的產(chǎn)量分別增加45%和70%[42]?？梢栽诹私猱?dāng)?shù)貙?shí)際情況的基礎(chǔ)上, 因地制宜, 發(fā)展相應(yīng)的種植業(yè), 優(yōu)化種植業(yè)布局, 優(yōu)先種植收獲投入比較高的作物, 調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu), 實(shí)行作物輪作制度, 緩解單一作物長(zhǎng)期連作帶來(lái)的土壤肥力下降、板結(jié)問(wèn)題[6], 提高化肥利用效率。此外, 需鼓勵(lì)農(nóng)民使用有機(jī)肥, 合理施用緩控釋肥, 減少養(yǎng)分損失, 將養(yǎng)分供應(yīng)與作物養(yǎng)分需求同步, 將養(yǎng)分管理與良好的土壤耕作輪作間作、新作物品種的使用、作物飼養(yǎng)和灌溉管理實(shí)踐相結(jié)合。在糧食作物方面, 鼓勵(lì)種植小麥、玉米等糧食作物; 經(jīng)濟(jì)作物可結(jié)合江蘇省特色農(nóng)產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)區(qū), 發(fā)展水蜜桃(L.)、草莓(Duch.)種植業(yè)[43-44]。

加強(qiáng)對(duì)農(nóng)牧生產(chǎn)過(guò)程中廢棄物的綜合利用程度,建立農(nóng)牧業(yè)循環(huán)生產(chǎn)體系, 實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)利用[45]。江蘇省的畜牧業(yè)較為依賴外源飼料, 本地飼料的發(fā)展不足, 可將動(dòng)物生產(chǎn)遷往農(nóng)村地區(qū), 充分利用作物副產(chǎn)品[46], 提高本地飼料發(fā)展水平, 增強(qiáng)有機(jī)肥對(duì)肥料的補(bǔ)充、替換作用。畜禽養(yǎng)殖規(guī)模與周圍農(nóng)作物種植面積相配套[47], 采取“種養(yǎng)結(jié)合、生態(tài)還田”模式, 將畜牧業(yè)與有機(jī)食品、綠色食品聯(lián)系起來(lái), 生產(chǎn)高附加值的農(nóng)牧產(chǎn)品。此外, 可以收集畜禽糞便, 提高畜禽糞便綜合利用率, 減少糞尿污染, 通過(guò)沼氣池、有機(jī)肥生產(chǎn)等形式使之資源化、能源化[48]。還可以調(diào)整畜禽養(yǎng)殖比例, 泰國(guó)牲畜生態(tài)系統(tǒng)的總體質(zhì)量平衡表明[49], 蛋雞養(yǎng)殖業(yè)磷素?fù)p失最大, 而生產(chǎn)每噸產(chǎn)品磷素?fù)p失最大的是蛋鴨養(yǎng)殖業(yè)。因此, 可根據(jù)本地實(shí)際情況計(jì)算出每千克動(dòng)物產(chǎn)品的環(huán)境負(fù)荷, 對(duì)畜禽養(yǎng)殖進(jìn)行一定的調(diào)整, 限制蛋鴨養(yǎng)殖業(yè)等, 從而降低生態(tài)環(huán)境壓力。

4 結(jié)論

1998—2018年間, 江蘇省農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)磷素總輸入量逐年下降, 農(nóng)牧產(chǎn)品產(chǎn)量逐年上升, 磷素環(huán)境總損失量(徑流、侵蝕、淋溶和糞尿損失)逐年下降。農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)單位耕地面積磷素累積量逐年下降, 磷素利用率逐年上升。畜牧生產(chǎn)子系統(tǒng)外源飼料需求量下降, 畜禽糞便損失減少, 磷素利用率小幅度增加?？傮w而言, 江蘇省農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)和畜牧生產(chǎn)子系統(tǒng)磷素管理能力低于全國(guó)平均水平, 受化肥投入量減少、測(cè)土配方、種植及養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)調(diào)整等因素影響, 農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)綜合管理能力略高于全國(guó)平均水平, 系統(tǒng)耦合性較高, 磷素利用率較高, 養(yǎng)分管理取得初步成效。江蘇省的養(yǎng)分管理應(yīng)進(jìn)一步控制化肥輸入、加大農(nóng)牧系統(tǒng)內(nèi)部養(yǎng)分循環(huán)、提高秸稈和畜禽糞便綜合利用率, 調(diào)整種植結(jié)構(gòu)和養(yǎng)殖布局, 發(fā)展小麥、玉米、水蜜桃、草莓種植業(yè), 限制蛋鴨養(yǎng)殖業(yè)。

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Phosphorus flow characteristics and its influencing factors on the crop-livestock system of Jiangsu Province*

YU Le1, GUO Haohao2, FU Yang3, ZHAO Hongwei2**

(1. Jiangsu Agri-animal Husbandry Vocational College, Taizhou 225300, China; 2. College of Ecology and Environment, Hainan University, Haikou 570228, China; 3. College of Animal Science and Technology, Hainan University, Haikou 570228, China)

To provide a theoretical basis for the sustainable development of the crop-livestock production system in Jiangsu Province, this study explored phosphorus flow and its influencing factors. Literatures research, data analyses, combined with the NUFER model (NUtrient flow in the Food chain, Environment, and the Resource use) were used to quantitatively analyze phosphorus flow and its influencing factors in the crop-livestock production system of Jiangsu Province from 1998 to 2018. The total phosphorus inputs of the crop-livestock production system from 1998 to 2018 decreased from 423.19 Gg to 382.86 Gg, and the main reduced inputs were chemical fertilizer and exogenous feed. The fertilizer input per unit cultivated area decreased from 78.78 kg?hm?2to 67.27 kg?hm?2, and the supply of exogenous feed phosphorus decreased from 58.07 Gg to 46.54 Gg. The total output of phosphorus increased from 194.24 Gg to 255.06 Gg. The dominant output items were main crop products and animal by-products; the main crop products increased from 77.53 Gg to 131.86 Gg. The phosphorus utilization rate of the agricultural production subsystem increased from 31.82% to 52.46%, and the livestock production subsystem remained between 27.67% and 35.31%. The results showed that the phosphorus utilization rate of the crop-livestock production system was consistent with that of the agricultural production subsystem, which increased from 16.55% to 32.24%; phosphorus loss per unit of crop-livestock products decreased from 0.26 kg(P)?kg?1to 0.12 kg(P)?kg?1. From 1998 to 2018, crop-livestock husbandry in Jiangsu Province developed rapidly, the total phosphorus input decreased annually, the output of crop-livestock products increased annually, and the total phosphorus loss to the environment (runoff, erosion, leaching, and manure loss) decreased annually. Reductions in chemical fertilizer input, fertilization based on soil testing formula, and planting and breeding structure adjustments led to a slightly higher utilization rate of phosphorus in the crop-livestock production system compared to the national level. Thus, nutrient management had achieved preliminary results, but there was still some room for improvement. To promote the sustainable development of crop-livestock husbandry in Jiangsu Province, it is necessary to further control phosphate fertilizer input, increase the input of organic fertilizer and local feed, improve the comprehensive utilization rate of straw and livestock manure, adjust the planting structure and breeding layout, develop planting, and restrict breeding.

Phosphorus; Jiangsu Province; Crop-livestock production system; NUFER model

10.13930/j.cnki.cjea.200526

余樂(lè), 郭浩浩, 付陽(yáng), 趙洪偉. 江蘇省農(nóng)牧系統(tǒng)磷元素流動(dòng)特征及其影響因素分析[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2021, 29(5): 781-791

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X2; X171

* 江蘇省“青藍(lán)工程”優(yōu)秀教學(xué)團(tuán)隊(duì)(蘇教師函[2020]10號(hào))、江蘇省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)(花卉)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系泰州推廣示范基地(JATS[2020]350)、校級(jí)橫向課題配套項(xiàng)目(NSFHP201911)和海南省重大科技項(xiàng)目(ZDKJ2017002)資助

趙洪偉, 研究方向?yàn)轲B(yǎng)分管理與農(nóng)業(yè)面源污染防治。E-mail: hwzhao@hainanu.edu.cn

余樂(lè), 研究方向?yàn)轲B(yǎng)分資源管理。E-mail: 19870869@qq.com

2020-05-26

2021-01-27

* This study was supported by the Excellent Teaching Team and Blue Project of Jiangsu Province (Letter from Jiangsu Teachers [2020]10), Taizhou Extension and Demonstration Base of Modern Agricultural (Flower) Industrial Technology System in Jiangsu Province (JATS[2020]350), the Horizontal Project in the Level of School (NSFHP201911) and the Key Science and Technology Program of Hainan Province (ZDKJ2017002).

, E-mail: hwzhao@hainanu.edu.cn

May 26, 2020;

Jan. 27, 2021