廖成松韓陽陽翁杰

(1.錫林郭勒職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000；2.錫林郭勒盟農(nóng)畜產(chǎn)品檢驗(yàn)檢測(cè)中心，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000)

氮(N)是生命元素，是蛋白質(zhì)和許多其他重要化合物的組成部分，是一切生命形式所必需的要素。N素流動(dòng)是生物地球化學(xué)循環(huán)過程中的重要組成部分之一，其中活性氮(Nr)流向農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)將有力促進(jìn)其生產(chǎn)，有助于維護(hù)國(guó)家糧食安全。然而，Nr的過度排放也是許多環(huán)境問題產(chǎn)生的根源，包括水生和陸地生物多樣性的喪失，溫室氣體的形成，空氣污染，地下水和海洋生態(tài)系統(tǒng)中硝酸鹽水平的增加等[1]。由此可見，N的地球邊界顯然已經(jīng)被跨越，因此減少環(huán)境中Nr的排放量必然成為制定環(huán)境政策的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。近年來，眾多學(xué)者從國(guó)家、區(qū)域(流域)、省(直轄市)、市(縣)級(jí)及牧場(chǎng)等尺度對(duì)N素流動(dòng)與平衡，及其對(duì)環(huán)境的影響做了大量的研究，獲得較多成果。本文梳理和總結(jié)了不同尺度下上述研究成果，以期為后續(xù)相關(guān)研究和環(huán)境政策措施的制定提供借鑒與參考。

1 國(guó)家尺度氮素流動(dòng)特征及環(huán)境效應(yīng)

我國(guó)用占全球8%的耕地面積養(yǎng)活了20%的世界人口，其中N肥起了關(guān)鍵性作用，同時(shí)也讓我國(guó)成為世界上N肥消費(fèi)量和Nr制造量最大的國(guó)家[2]，而農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)是N肥的主要消費(fèi)領(lǐng)域，也是環(huán)境中N素主要來源之一。研究表明，2010年我國(guó)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)N投入總量約為5Tg[2]，1982—2002年我國(guó)排入水環(huán)境中的N增加了18.4倍，而N素循環(huán)利用率僅為13.0%[3]，環(huán)境中N負(fù)荷在持續(xù)增加。國(guó)外情形也類似，孟加拉國(guó)農(nóng)作物生產(chǎn)系統(tǒng)N肥投入量為1190Gg·a-1，作物和畜牧業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)向環(huán)境排放的Nr總量為518Gg·a-1，其中主要來源于作物系統(tǒng)的N肥(317Gg·a-1)，占比超過60%。與1961年相比，2018年向環(huán)境排放的Nr增長(zhǎng)了約16倍[4]。2010—2016年埃及糧食生產(chǎn)系統(tǒng)的N投入從20世紀(jì)60—70年代的136kg·hm-2·a-1上升到307kg·hm-2·a-1，上漲了近2.3倍，然而作物N吸收僅從101kg·hm-2·a-1上漲到136kg·hm-2·a-1，上漲比例約35%，氮素利用率(NUE)從71%下降到44%，更多的N通過糧食生產(chǎn)系統(tǒng)排放入環(huán)境中[5]。1961—2010年，匈牙利糧食生產(chǎn)鏈總N投入主要來源也是N肥，占比高達(dá)83%，N輸出主要以農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的氨排放和反硝化為主。1961—1974年作物生產(chǎn)系統(tǒng)NUE極速下降，1980年后逐步回升，而動(dòng)物生產(chǎn)系統(tǒng)NUE從1961年的11%上升到2010年的20%，食物生產(chǎn)氮成本仍然較高，數(shù)值介于3～10kg·kg-1[6]。巴黎從18—19世紀(jì)的Nr庫變成了現(xiàn)在的Nr源，其中Nr前3大來源分別是化石燃料的燃燒、固廢焚化和污水處理，城市污水向河流的排放仍然是水體系統(tǒng)N素污染的主要來源[7]。由此可見，各國(guó)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)存在N素投入量過高，對(duì)化肥N的依賴程度大，NUE較低，環(huán)境N負(fù)荷持續(xù)增加等共同特點(diǎn)，如何持續(xù)降低對(duì)化肥N的依賴，增加N的循環(huán)利用率將是未來各國(guó)關(guān)注的重點(diǎn)。

2 區(qū)域(流域)尺度氮素流動(dòng)特征及環(huán)境效應(yīng)

區(qū)域(流域)具有各自典型特點(diǎn)，也是近年來研究的N素流動(dòng)和環(huán)境效應(yīng)的重點(diǎn)領(lǐng)域。從流域尺度的研究結(jié)果來看，農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的N素流動(dòng)共同點(diǎn)：農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)總N投入持續(xù)增加，主要來源是N肥，如長(zhǎng)江流域農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)[8]、京津冀地區(qū)[9]，其中1949—2012年巢湖水域食物生產(chǎn)消費(fèi)系統(tǒng)總N投入增長(zhǎng)6倍，N肥投入年均增長(zhǎng)8.6%[10]；隨著N投入的持續(xù)增加導(dǎo)致環(huán)境N負(fù)荷不斷加重，研究表明，長(zhǎng)江流域向環(huán)境中排放的Nr量從1980年的4.41Tg上漲到1990年的7.61Tg再到2000年的14.3Tg[8]，小興安嶺典型區(qū)域農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)與畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)損失的N素進(jìn)入水體和大氣的比例分別為56.5%和43.5%[11]，1949—2012年巢湖水域總N的7%流失到水體表面，1998—2003年N流失峰值高達(dá)9.5Gg·a-1，是20世紀(jì)80年代的2倍[10]，2011年長(zhǎng)江中下游城市群社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的N素輸入總量為993.56×104t，N素輸出總量為732.84×104t，向周圍環(huán)境排放的N總量高達(dá)760.99×104t[12]；Nr排放量與農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)水平呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，農(nóng)村和城市區(qū)域人均值相差較大，2017年北京人均Nr排放量、單位土地利用面積Nr排放量分別為2.3kg·cap-1和3089kg·km-2，處于京津冀地區(qū)最低水平(13.6kg·cap-1，6392kg·km-2)[9]，長(zhǎng)江流域農(nóng)村地區(qū)，返還農(nóng)田系統(tǒng)和排入水體的Nr的人均值分別為4.17kg和1.38kg，而在城市分別是1.00kg和5.62kg[8]；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)NUE高于畜牧生產(chǎn)系統(tǒng)，小興安嶺典型區(qū)域農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)NUE平均為64%，畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)僅為19%[11]，俄羅斯列寧格勒地區(qū)，區(qū)域尺度NUE為34%，N盈余高達(dá)103kg·hm-2[13]。

進(jìn)入農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)的N除了生產(chǎn)農(nóng)畜產(chǎn)品之外，一部分以糞便形式返還農(nóng)田系統(tǒng)，一部分進(jìn)入環(huán)境當(dāng)中，成為環(huán)境N負(fù)荷增加的主要原因[11]。隨著工業(yè)化的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速，城市環(huán)境N負(fù)荷勢(shì)必會(huì)越來越嚴(yán)峻，究其根源包括農(nóng)田N肥施用過度，畜禽養(yǎng)殖與農(nóng)業(yè)種植脫節(jié)，廢物處理率低，工業(yè)行業(yè)高耗能高污染以及機(jī)動(dòng)車大量排放等[12]。從農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的角度來看，畜禽養(yǎng)殖數(shù)量、農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)是影響區(qū)域N素流動(dòng)通量的重要因素[11]，而食物消費(fèi)和廢棄物處理的作用也日益凸顯，其Nr排放占總Nr增幅的22%[9]，河西走廊綠洲灌區(qū)典型“農(nóng)田-食用菌”生產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)踐結(jié)果表明，農(nóng)田作物秸稈通過食用菌體系還田使氮素利用率提高了10%左右，從而減少化肥氮輸入量，有助于實(shí)現(xiàn)氮素養(yǎng)分平衡[14]。

3 省(直轄市)尺度氮素流動(dòng)特征及環(huán)境效應(yīng)

相對(duì)于區(qū)域尺度而言，省(直轄市)尺度研究N素流動(dòng)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)較為便利，研究成果轉(zhuǎn)化成為N素調(diào)控地方政策的可能性也更大。因此，近年來從省(直轄市)尺度研究氮素流動(dòng)特征及環(huán)境效應(yīng)的報(bào)道屢見不鮮。研究表明，從20世紀(jì)80、90年代至今，農(nóng)牧系統(tǒng)N素輸入總量大幅度增加，其中，河北省1980—2015年農(nóng)田生產(chǎn)體系年均增加1.9倍，畜牧體系2005年N素輸入量達(dá)到最大值，是1980年的7.7倍[15]；1996—2015年重慶市農(nóng)牧系統(tǒng)氮素輸入總量增長(zhǎng)19.2%[16]；海南省1987—2016年農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮素總輸入量由134.15Gg增長(zhǎng)到406.39Gg[17]。農(nóng)牧系統(tǒng)總N素投入主要來源是化學(xué)N肥和外源飼料[15，16，18，19]，其中，河北省化肥N素投入量約占總N素投入量的55.7%[15]，重慶市占比為57%[16]；主要輸出為向環(huán)境排放，重慶市向環(huán)境輸出N占總輸出量的61.7%[16]，河北省農(nóng)田系統(tǒng)N素?fù)p失35年間(1980—2015年)增長(zhǎng)1.9倍[15]。另外，作物生產(chǎn)系統(tǒng)NUE普遍降低，如河北省NUE從1980年47.2%降低到2015年的41.4%[15]；農(nóng)牧結(jié)合則有助于提高整個(gè)系統(tǒng)的NUE，其中，江蘇省農(nóng)牧系統(tǒng)NUE由1998年的21.39%增至2018年的35.00%[18]，海南農(nóng)牧結(jié)合生產(chǎn)體系NUE從1987年的12.84%增加到2016年的21.63%[17]，這主要是由于江蘇和海南農(nóng)牧體系發(fā)展較快，農(nóng)牧結(jié)合較為緊密，資源利用相對(duì)高效，環(huán)境排放逐漸減少。由于N輸入總量不斷提高，農(nóng)牧產(chǎn)品輸出N占比卻不高，研究表明，河北省農(nóng)牧產(chǎn)品累計(jì)總輸出氮(2537.4×104t)占總累計(jì)輸入氮量的28.1%[15]，海南N素總輸出量由1987年的84.75Gg增長(zhǎng)到2016年的307.77Gg，增長(zhǎng)了3.63倍[17]，從而造成了N素利用呈現(xiàn)出“高投入-低效率-高環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)”的現(xiàn)象。此外，各省內(nèi)部市、縣之間農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)N素輸入輸出表現(xiàn)出極大的不平衡性，這主要與區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r相協(xié)同[17，19]。

4 市(縣)級(jí)尺度氮素流動(dòng)特征及環(huán)境效應(yīng)

從市(縣)級(jí)尺度的研究結(jié)果來看，N氮素流動(dòng)及環(huán)境效應(yīng)具有以下特征。N投入總量持續(xù)增加，N肥占總N投入量的比例仍然較高。研究表明，福建省平和縣農(nóng)牧系統(tǒng)的N輸入總量從1985年的11Gg上升到2015年的53Gg，上升了4.8倍，德化縣2002—2016年農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)中化肥N平均投入量占總N輸入量的45.56%～72.26%[20]；山西不同區(qū)縣農(nóng)田化學(xué)N肥投入水平在6.7～253kg·hm-2，約占總N投入的40%～75%[21]。農(nóng)牧系統(tǒng)NUE逐步上升。數(shù)據(jù)顯示，南京市農(nóng)田系統(tǒng)和畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)氮素綜合利用率由1995年的18.71%增加至2012年的24.34%[22]；2018年沈陽市種植子系統(tǒng)、動(dòng)物養(yǎng)殖子系統(tǒng)和農(nóng)村人居子系統(tǒng)的NUE分別為36.1%、59.7%和70.1%，分別比1998年增長(zhǎng)了15.9%、9.1%和0.7%[23]。環(huán)境N負(fù)荷雖有所降低，但總量依然很高。南京市食物鏈引起氮素的環(huán)境負(fù)荷由1995年的100.49Gg·a-1下降到2012年的69.90Gg·a-1[22]；1995—2015年廈門市水環(huán)境總氮負(fù)荷介于8800～11100t，主要排放源為農(nóng)作物生產(chǎn)系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)及大氣氮沉降，年均貢獻(xiàn)率達(dá)69.0%[24]；山西不同區(qū)縣單位面積農(nóng)田動(dòng)物主產(chǎn)品N素?cái)y出量在1.51～27.50kg·hm-2，整體氮素利用率較低，環(huán)境氮負(fù)荷較高[21]。不同區(qū)縣之間差異較大，作物系統(tǒng)和畜牧系統(tǒng)發(fā)展不平衡。山西不同區(qū)縣農(nóng)田化學(xué)氮肥投入水平相差高達(dá)38倍[21]，福建平和縣作物生產(chǎn)系統(tǒng)NUE從24%下降至10%，畜牧生產(chǎn)系統(tǒng)從13%上升到16%[13]。氮肥投入水平的差異與施用習(xí)慣和農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)關(guān)系密切，而作物系統(tǒng)和畜牧系統(tǒng)發(fā)展NUE的區(qū)別與畜牧業(yè)養(yǎng)殖規(guī)模和農(nóng)牧結(jié)合程度密不可分。

5 其他尺度氮素流動(dòng)特征及環(huán)境效應(yīng)

對(duì)北京郊區(qū)集約化“農(nóng)田-畜牧”生產(chǎn)系統(tǒng)的研究表明，集約化種豬場(chǎng)、生態(tài)養(yǎng)殖園和單一種植區(qū)農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)NUE分別為18.8%、20.6%和17.3%，均處于較低水平[25]。而1980—2013年北京市郊區(qū)“土壤-飼料-奶?！鄙a(chǎn)系統(tǒng)NUE從1980年的11.3%增加到2013年的15.8%，氮總損失從1516t增加到16973t，均在不斷增加[26]。2013年“土壤-飼料-動(dòng)物”農(nóng)牧生產(chǎn)體系NUE為29.0%，其中，作物生產(chǎn)體系NUE為33.0%(1980年39.5%)，動(dòng)物生產(chǎn)體系為20.6%(1980年17.8%)，耕地面積氮素總損失為436.5kg·hm-2，較1980年(77.5kg·hm-2)增長(zhǎng)了4.6倍，可見，隨著城市化的發(fā)展和農(nóng)牧系統(tǒng)的規(guī)?；絹碓蕉嗟耐鈦眇B(yǎng)分在都市農(nóng)牧系統(tǒng)中集中，從而帶來了更大比例的環(huán)境損失輸出[27]。

2000—2012年，常熟市辛莊鎮(zhèn)農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)的單位面積N素流動(dòng)通量呈下降趨勢(shì)，而畜禽養(yǎng)殖子系統(tǒng)的單位面積N素流動(dòng)通量則在42.5～50.9kg·hm-2范圍內(nèi)持續(xù)波動(dòng)。NUE與N素循環(huán)利用率均較低，N素環(huán)境損失率較高，系統(tǒng)損失的N素中有54.5%進(jìn)入周圍水體[28]，造成水體N負(fù)荷加重。2014年石家莊市欒城區(qū)耕地N投入量為763kg·hm-2，單位面積N盈余量為132kg·hm-2，1985—2014年農(nóng)牧系統(tǒng)NUE從41%下降至36%，呈現(xiàn)高投入、高產(chǎn)出、低NUE、畜牧業(yè)占主導(dǎo)地位、農(nóng)牧分離的高環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等特點(diǎn)[29]。華北平原種養(yǎng)一體規(guī)?；r(nóng)場(chǎng)研究表明，化肥和有機(jī)肥輸入N量占N輸入總量的88.3%，作物種植系統(tǒng)NUE為41.5%，施N量過多是造成種植系統(tǒng)NUE低和N素盈余量高的主要原因。養(yǎng)殖系統(tǒng)中外購飼料提供N量占飼料總輸入N量的83.2%，NUE為19.7%，農(nóng)場(chǎng)水平N總利用率為40.7%[30]。法國(guó)基于農(nóng)場(chǎng)尺度的研究結(jié)果表明，將畜禽糞便處理成為有機(jī)肥加入氮循環(huán)過程，氮素利用整體效率將提高45%～50%[31]。

6 展望

我國(guó)農(nóng)業(yè)N素流動(dòng)具有高投入、高產(chǎn)出、高盈余和對(duì)化肥高度依賴的特點(diǎn)，且各子系統(tǒng)內(nèi)部不平衡，如以農(nóng)田為主的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)、以草地為主的畜牧生產(chǎn)系統(tǒng)、以規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)為主的畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)等[32]。根據(jù)已有研究成果，N素流動(dòng)相關(guān)研究未來方向可以重點(diǎn)集中于以下幾方面：N素沉降、反硝化過程和N素其他自然轉(zhuǎn)化過程中的流動(dòng)；人類活動(dòng)對(duì)N素循環(huán)的影響，城市N代謝、N平衡，以及與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程相互作用關(guān)系和人工高度密集城市內(nèi)N循環(huán)特征；跨區(qū)域稍大尺度且具有明顯特征的N素流動(dòng)研究，尤其是重點(diǎn)區(qū)域，如“一帶一路”沿線國(guó)家、環(huán)渤海區(qū)域、大灣區(qū)區(qū)域、北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶區(qū)域等。