农牧交错带农牧系统氮素流动与环境效应——以山西省为例

张建杰，郭彩霞，李莲芬，张强



农牧交错带农牧系统氮素流动与环境效应——以山西省为例

张建杰1，郭彩霞1，李莲芬2，张强1

（1山西省农业科学院农业环境与资源研究所/山西省土壤环境与养分资源重点实验室，太原 030031；2山西省农业科学院畜牧兽医研究所，太原 030032）

【目的】探明山西省农牧交错带农牧生产系统的氮素流动特征及其环境效应，进一步为山西实施区域养分资源管理、加快农牧交错带产业结构调整提供科学依据。【方法】在整理统计资料、文献数据和实地调研的基础上，使用食物链养分流动模型（nutrient flows in food chains, environment and resources use，NUFER）和GIS，估算山西省农牧交错带（主要涉及大同、朔州、忻州、吕梁、临汾和太原等6个地市）42个县区农牧生产系统的氮素账户平衡、流动路径及损失途径。【结果】不同县区农田化学氮肥投入存在“两极分化”的现象，投入水平范围在6.7—253 kg·hm-2，极值间相差38倍；各县区农田氮素的投入结构也表现出较大差异，主要跟当地化学氮肥施用习惯及农业种植结构有很大的关系；单位农田面积农作物主产品的氮素携出量范围在19.11—96.75 kg·hm-2，空间上整体呈现南北高、中部低的变化趋势；不同县区农田氮素盈余量在-16—202 kg·hm-2，氮素亏缺与盈余情况并存；区内畜牧生产系统中外源饲料氮素投入差异较大，朔州市的山阴县外源饲料氮素投入高达0.94×104t，而忻州的五寨、临汾的隰县、大宁和蒲县，则可以通过作物生产系统来满足畜牧生产系统的饲料需求，也充分反映了各县区畜牧业养殖规模和农牧产业结构存在较大差异；区内单位面积农田动物主产品氮素携出量范围在1.51—27.50 kg·hm-2，极差25.99 kg·hm-2，说明各县区畜牧生产系统的生产力水平差异较大，单位农田面积动物主产品的氮素携出量＞13 kg·hm-2的分布在区域北部朔州市的山阴、怀仁、大同等县区，表明这些县区畜牧生产系统中的氮素利用率较高；单位耕地面积畜禽粪尿氮素负荷较高（＞50 kg·hm-2）的县区主要分布在区域北部；农牧生产系统氮素损失的空间分布格局明显：一级区（＞200 kg·hm-2）分布在区域北部，二级区（120—200 kg·hm-2）分布在区域南部和北部，三级区（＜120 kg·hm-2）主要分布在区域中部，今后应重点关注区域北部农牧业生产过程中的氮素损失及环境问题。【结论】农业生产结构不合理、“农牧分离”是造成农牧生产系统氮素利用率低下的主要原因，今后农田养分资源综合管理要在空间上合理配置氮素资源，在养分投入上既要考虑化学氮肥和粪尿氮素的投入，还要兼顾来源于环境投入部分的氮素，更要注重和畜牧生产系统的耦合，以最小的环境代价生产更多的农牧产品。

农牧交错带；NUFER模型；农牧生产系统；氮流动；环境效应；山西省

0 引言

【研究意义】氮素是农业生产、消费和面源污染的重要驱动者[1]。纵观国际[2]和国内[3]，都通过使用化学氮肥缓解和解决了粮食安全问题，但随着近些年农田生产系统氮素投入的不断增加，给大气[4]、水体[5]、土壤[6]等环境载体带来严峻的污染问题；同时，人们饮食结构的改变拉动了畜禽业的蓬勃发展，不少学者认为规模化畜禽养殖过程中粪尿的处理不当也会影响生态环境的安全[7]。因此，定量分析农牧生产系统的氮素账户平衡及流动途径，是未来区域养分资源综合管理的重要研究内容。【前人研究进展】人类活动是影响农牧生产系统氮素流动的主要因素[8]。已有学者[9-10]借鉴物质流分析[11]（material flow analysis，MFA）质量守恒的思想，研究了不同区域尺度下农牧生产体系的氮素流动，指出中国农牧生产系统主要存在外源投入多、氮素利用率低、环境损失严重等现象，Ma等[12]构建了区域养分流动模型NUFER，并在全国尺度估算了食物链系统的氮磷流动、利用率及环境损失，提出增加农牧产品的产量、平衡施肥和提高对畜禽粪尿管理及利用，是有效减少农牧生产系统氮磷环境损失的有效手段；Bai等[13]在此基础上将该模型应用到生猪生产系统中，评价了不同养殖方式的农牧氮磷养分利用率；Zhang等[14]在省域尺度分析了自然生产条件及社会政策对山西省农牧生产体系氮素流动的影响；然而针对县域尺度的农牧生产体系氮素流动研究较少，就农牧交错带的氮素流动特征和环境风险评价则更为稀缺。【本研究切入点】山西省农牧交错带是国家确定的北方农牧交错带农业结构调整的重点区域，而农业生产布局和农牧耦合程度影响着氮素在农牧生产体系的流量和流向。本文以此为研究切入点，采用物质流分析方法NUFER模型，分析山西省农牧交错带不同县区农牧生产体系的氮素流动特征及环境效应。【拟解决的关键问题】明确山西省农牧交错带不同县区氮素流动的空间分布特征；分析能够提高农牧生产系统氮素生产效率的途径，评价其环境效应，为山西省农牧交错带实现农牧生产体系的区域养分管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

关于农牧交错带的区域界定，一直没有统一标准，学术界为此做了大量的工作，本研究在陈全功等[15-16]的研究基础上，进行了山西省农牧交错带的区域划分，自北向南共涉及大同、朔州、忻州、吕梁、临汾和太原等6个地市42个县区（图1），其中29个是国定贫困县，北纬35°41′24″—40°40′35″，东经110°22′48″—114°33′3″，国土面积约为7×104km2，地势东北高西南低，海拔340—3 061 m，是中国北方农牧交错带的典型区域。气候属于温带大陆性季风气候，南北和垂直差异明显。气候特征是冬季漫长、寒冷干燥；夏季南长北短，雨水集中；春季气候多变，风沙较多；秋季短暂，天气温和。日照充足，昼夜温差较大，冷凉资源较为丰富，干旱、霜冻等灾害性天气较多。褐土是全区主要的土壤类型，区域西北部则以黄绵土为主，水土流失较为严重[17]。主要粮食作物以玉米、谷子、糜子、豆类和薯类为主，经济作物有甜菜、胡麻等，蔬菜和水果产业也得到了一定发展。近些年区域境内的畜牧业得到快速发展，尤其是牛、羊产业的发展，目前已成为山西最大的草食畜产品供给基地[18]。

图1 山西农牧交错带分布图（基于文献[15-16]编制）

1.2 研究系统边界和NUFER模型简介

NUFER模型是中国国家尺度和区域尺度食物链系统氮磷流动模型[12]，模型基于“土壤-作物生产-畜禽生产-食物消费”系统，来计算系统间氮磷流动、利用率及环境损失。本研究以山西省农牧交错带“农田-畜牧”生产系统为研究边界，系统间氮素流动为研究对象（图2），以区域内42个县区作为研究单元。

1.3 模型计算方法

1.3.1 基于NUFER模型计算农牧生产系统的氮素账户平衡、流动及损失 系统中氮素的输入项包括化学氮肥、大气氮沉降、生物固氮（biological nitrogen fixation，BNF）和饲料投入；输出项包括流出系统的作物主副产品、动物主副产品等带走的氮素和环境损失的氮素，环境损失包括NH3挥发，反硝化脱氮过程的N2O、N2排放等损失，通过地表径流、土壤侵蚀和淋洗等途径进入到水体，在系统内部，主要涉及到氮素在作物和动物两个子系统的内部循环，如秸秆还田、作物主副产品作物饲料进入动物子系统、动物的粪尿还田等。

结合山西省农牧交错带的农牧生产情况，本研究农田系统考虑了玉米、小麦、高粱、谷子等谷类作物、豆类、甜菜、薯类作物、蔬菜和水果等类别；畜牧系统考虑了奶牛、肉牛、役用牛、驴、马、骡、猪、羊、蛋鸡、肉鸡等10个类别，代表了该区域主要的农牧生产特征。

1.3.2 农田子系统氮素账户平衡计算方法 农田子系统氮素输入量=化学氮肥+秸秆还田+粪尿还田+氮沉降+生物固氮。其中，秸秆还田量=秸秆氮素携出量×还田比例；粪尿还田量=粪尿氮素携出量×还田比例；农田子系统氮素输出量=作物主产品氮素携出量+秸秆氮素携出量+氮素土壤累积+氮素环境损失；农田氮素平衡=化学氮肥投入+秸秆还田氮素带入量+粪尿还田氮素带入量-作物主产品氮素携出量-秸秆氮素携出量。

左侧实线箭头为系统输入项目，右侧实线箭头为系统输出项目，内部实线箭头表示系统内部循环项，外部虚线箭头表示环境损失项目

1.3.3 畜牧子系统氮素账户平衡计算方法 畜牧子系统氮素输入量=作物主产品氮素投入量+秸秆氮素投入量+动物饲料氮素投入量。其中，作物主产品氮素投入量=作物主产品氮素携出量×饲用比例；秸秆=秸秆氮素携出量×饲用比例；畜牧子系统氮素输出量=动物主产品氮素携出量+动物副产品氮素携出量+畜禽粪尿氮素携出量。

1.4 数据及参数来源

研究所需要的主要农作物播种面积及产量、化肥施用量、畜牧业各类动物的存栏、出栏数量皆来源于山西省2013年统计年鉴[19]以及相关地市的统计年鉴[20-23]，数据记载年份为2012年；氮肥投入中复合肥的N﹕P2O5﹕K2O比例参考张卫峰等[24]的研究结果，按1﹕1﹕1计算；农作物秸秆的产生量根据各种作物的经济产量和草谷比进行折算[25]，作物的经济产量的需氮量、草谷比及秸秆含氮量、不同作物的固氮量皆来源于李书田等[26]研究结果；各类别动物的粪尿氮素产生量根据动物饲养周期及粪尿排泄系数进行计算[27]。动物活体及主产品的含氮量来源于文献[12]，秸秆及粪尿的利用途径及比例来源于文献[28]，氮素大气沉降数量则综合了张颖等的研究结果[29-30]。

1.5 数据处理方法

本文基于NUFER模型，使用R编写计算脚本，研究山西省农牧交错带42个县区农牧生产系统的氮素账户平衡、流动规律和环境损失。使用ArcGIS绘制空间分布图。

2 结果

2.1 农田氮素投入特征分析

2012年山西省农牧交错带区域（以下简称全区）农田生产系统投入氮素28.74×104t，其中，化学氮肥17.21×104t，生物固氮3.36×104t，氮素沉降4.27×104t，秸秆还田带入氮素1.26×104t，畜禽粪尿还田带入氮素2.40×104t。在全区层面上看，化学氮肥、生物固氮、氮素沉降、秸秆还田和畜禽粪尿还田的比例分别占全部氮素总投入的60.39%、11.77%、14.99%、4.42%和8.44%，化学氮肥投入占绝对数量，秸秆和粪尿还田的比例较低。

氮肥投入比例最高的县区有大同市的天镇、阳高，以及临汾市的乡宁县，投入比例均在70%以上，阳高投入总量最高，达到1.42×104t，氮肥投入比例最低的宁武县仅占到7.12%，同时也是全区投入总量最低的县域，全县氮肥投入仅为133.9 t；生物固氮投入比例最高的为宁武县，达到43.43%，最小的天镇仅为4.86%；秸秆还田所占氮素总投入比例最高的为汾西县，达到10.79%，最低的岢岚县仅占到1.18%；粪尿还田比例最高的为山阴县，占氮素投入总量的29.33%，五寨县粪尿还田带入氮素比例最低，仅为1.12%（表1）。

从县域尺度的氮肥投入水平来看（图3），全区各县区的氮肥投入差异较大，投入最低的宁武县的仅为6.7 kg·hm-2，投入最多的天镇县达到253 kg·hm-2，极差为246.3 kg·hm-2，极值间相差38倍，表明氮肥投入“两极分化”；将单位面积氮肥投入水平在＞180 kg·hm-2的划为一级区；将投入水平在120—180 kg·hm-2的划分为二级区；将投入水平在＜120 kg·hm-2的划分为三级区。可以看出，一级区有6个县区，位于全区北部的天镇、阳高、浑源，临汾的蒲县、吉县和乡宁县；二级区有14个县区，三级区有22个县区。从整体的空间分布格局来看，呈现东北部和西南部高，而中部低的空间分布特征。

图3 县域农田化学氮肥投入情况

2.2 农田氮素输出分析

2012年全区农田主副产品携出氮素总量11.02×104t，占总投入的38.68%。而实现主产品的产量最大化是人类从事农业生产活动的最终目的，因此，认为主产品部分带走的氮素为有效支出，本文用单位农田面积作物主产品的氮素携出量来表征农田的生产能力。生产水平最高的应县达到了96.75 kg·hm-2，生产能力最低的右玉仅为19.11 kg·hm-2；从整体的空间分布格局来看，全区单位农田面积主产品带走的氮素量呈现南北两边高、中部低的“哑铃”式分布格局（图4）。将单位面积主产品吸氮量水平在＞70 kg·hm-2的划为一级区，将单位面积主产品吸氮量水平在40—70 kg·hm-2的划为二级区，将单位面积主产品吸氮量在＜40 kg·hm-2的划为三级区。可以看出一级区包含6个县区，分别为区域北部的阳高县，朔州市境内的怀仁、山阴、应县和朔城区，以及区域南部的吉县；二级区涉及15个县区，分布在区域东部；三级区主要位于区域西部沿黄河流域的县区，除离石区外，均为国定贫困县。

图4 县域单位面积农田主产品吸氮量

表1 农田氮素投入结构

2.3 农田氮素盈余分析

农田氮素盈余量在-16—202 kg·hm-2，将盈余量＞100 kg·hm-2的划分为一级区（严重过量），盈余量在60—100 kg·hm-2的划分为二级区（中度过量），盈余量在0—60 kg·hm-2的划分为三级区（轻度过量）（图5），盈余量为负值的表明该区域农田氮素处于亏缺状态。可以看出，农田氮素投入亏缺、轻度盈余、中度盈余和重度盈余的县域在全区均有分布，表明山西省农牧交错带农田氮素的平衡情况较为复杂。除平鲁区、宁武县和汾西县处于亏缺状态之外，其余县区都表现出不同程度的农田氮素盈余，分布在一级区的县区有8个，分别为大同市的天镇、阳高、浑源和灵丘，吕梁的方山、临县，临汾的蒲县和乡宁；分布在二级区的有12个县区，三级区则涉及17个县区。

2.4 畜牧生产系统氮素投入分析

畜牧生产系统的氮素来源于农田生产系统的主副产品和外源饲料供给，2012年全区累计进入动物生产系统的氮素为7.50×104t，其中作物籽粒提供2.09×104t，作物秸秆提供了0.67×104t，外源饲料供给4.74×104t。仅山阴县就投入1.16×104t，位居全区之首，占全区畜牧生产系统氮素总投入的15.47%，大宁县仅仅投入0.02×104t，表明全区畜牧业生产规模存在很大差异。

图5 县域农田生产系统氮素盈余量

各县域对外源饲料的需求范围在（-0.08—0.94）×104t，极差为1.02×104t；除五寨、隰县、大宁和蒲县等少数几个县区农田生产系统的作物生产可以保证畜牧生产系统的需求外，区内大部分县区都表现出对外源饲料不同程度的需求，山阴县对外源饲料的需求量最大，主要是因为其饲养了全省1/4的奶牛。

2.5 畜牧生产系统氮素输出分析

2012年全区畜牧生产系统动物主产品（肉、蛋和奶）带走的氮素共1.06×104t，占畜牧生产系统总投入的14%。用单位农田面积动物主产品带走的氮素来反映各县区畜牧生产系统的生产力水平，结果表明区内单位面积农田动物主产品氮素携出量范围在1.51—27.50 kg·hm-2，极差25.99 kg·hm-2，说明各县区畜牧生产系统的生产力水平差异较大，山阴县生产水平最高，相邻的平鲁区生产力水平最低。

将农田单位面积动物主产品氮素携出量在13 kg·hm-2以上的划为一级区，7—13 kg·hm-2之间的划为二级区，低于7 kg·hm-2的划为三级区（图6），可以看出，一级区均位于农林牧生态-生产功能区，涉及大同县、怀仁县和山阴县，二级区农林牧生态-生产功能区和农牧交错水土保持生态功能区均有分布，而沿黄河一带晋西北的县区畜牧生产能力普遍较弱，分布在三级区。总体来说，畜牧生产系统生产力水平呈现东部高、西部沿黄流域低的空间分布特征。

2.6 农牧生产系统中有机废弃物产生量

农牧生产系统的有机废弃物主要包括农牧生产系统中生产的作物秸秆和畜牧生产系统中的畜禽粪尿。

农田生产系统的秸秆氮素携出量为3.83×104t，有1.26×104t通过秸秆还田返还到农田中，有0.67×104t作为动物饲料进入到畜牧生产系统中，有效利用率为50%，畜牧生产系统的粪尿氮素为5.98×104t，有2.40×104t作为有机肥进入到农田中，有效利用率为40.13%；有机废弃物整体利用率为44.14%，利用率偏低。

图6 县域畜牧生产系统主产品吸氮量

单位耕地面积畜禽粪尿氮素的负荷反应了畜禽粪尿对土壤的污染风险。将单位耕地面积畜禽粪尿氮素负荷＞100 kg·hm-2的划为一级区，负荷在50—100 kg·hm-2的划为二级区，负荷在＜50 kg·hm-2的划为三级区（图7）。一级区仅涉及山阴县，达到162.48 kg·hm-2，除吕梁的中阳县外，二级区主要在农林牧生态-生产功能区，涉及县区有11个，绝大部分分布在区域北部的大同市；分布在三级区的县区占绝对数量，共涉及30个县区。总体上看，区内单位耕地面积畜禽粪尿氮素负荷空间分布特征较为明显，呈现东北部高、西部及南部低的分布格局。

图 7 县域畜禽粪尿氮素耕地承载量

2.7 农牧生产体系氮素损失分析

整个农牧生产体系的氮素损失途径包括NH3挥发（包括农田生产系统和粪尿堆置过程两部分）、农田生产系统N2O和N2排放、农田生产系统的径流损失、土壤侵蚀和土体中的氮素淋洗、粪尿在堆置过程中的排放进入到水体。

氮素损失最高的天镇县达到了267.28 kg·hm-2，损失最低的平鲁区为56.46 kg·hm-2，极差210.82 kg·hm-2（图8），表明县区间氮素损失差异较大。将单位面积氮素损失在＞200 kg·hm-2的划分为一级区，单位面积的氮素损失在120—200 kg·hm-2的划分为二级区，＜120 kg·hm-2的划分为三级区。一级区均分布在农林牧生态-生产功能区，包括大同的天镇、阳高、浑源、灵丘和山阴县，二级区共涉及21个县区，三级区包含15个县区。

图8 县域农牧生产系统氮素损失空间分布图

从整个农牧生产系统的氮素损失情况来看，农田和土壤NH3挥发、农田反硝化过程的N2排放以及农田和粪尿存储过程中的淋洗是主要的损失途径，各县区氮素损失的主要损失特征也不尽相同。全区来看，天镇县、阳高县的NH3挥发损失较高，分别达到96.88和95.99 kg·hm-2，农田N2和N2O排放损失最高的为天镇县，分别达到100.84和2.94 kg·hm-2，山阴县氮素淋洗（包含土壤径流、侵蚀、淋洗和粪尿淋洗至水体的损失）损失最高，达到75.37 kg·hm-2；NH3挥发和氮素淋洗损失最小的为平鲁区，分别仅为13.26和15.01 kg·hm-2，汾西县的N2排放最少，为7.67 kg·hm-2，宁武的N2O则排放最少，仅为0.22 kg·hm-2。

3 讨论

3.1 山西省农牧交错带农牧生产系统氮素投入特征

山西省农牧交错带农田氮素投入表现出极大的不平衡性，在空间上农田氮肥投入均呈现东南高、西北低的分布特征。山西省主体功能区划[31]将生产功能区北部的天镇、阳高、广灵、浑源、应县、山阴定位为农产品主产区，主要种植作物以春玉米为主，临汾市的土地复种指数较高，种植制度以小麦-玉米为主，氮肥投入处于较高水平；晋西北沿黄河一带的县域地处冷凉带，主要种植作物以豆类、谷子、黍子、燕麦等杂粮为主，氮肥投入水平较低。

单位农田面积的作物吸氮量的空间分布格局与氮肥投入相似，与单位面积的氮素投入和种植结构有较大关系，玉米单位面积的生物量要显著高于杂粮，此外本身的吸氮量水平也要高于其他作物[26]，区域西部的左云、右玉、平鲁区、偏关、河曲、保德、兴县、柳林、岚县、石楼和永和等县区的农田生产能力较差，农田主产品带走的氮素量均＜40 kg·hm-2，很大程度上是由于上述县区均位于晋西黄土丘陵沟壑侵蚀区[32]，坡度大，境内土壤类型以黄绵土为主[17]，属于异常强烈的水土侵蚀区。

刘平等[30]在山阴县的研究表明，该区氮素干湿沉降总量达到47.86 kg·hm-2·a-1，相当于每公顷投入尿素104 kg；同样，李书田等[26]也指出大豆的平均固氮量可以达到113.7 kg·hm-2·a-1，在今后在该区域的农田养分资源管理具体实践中应该考虑这些环境的氮素投入。

“农牧分离”是农牧生产系统氮素利用率低下的一个重要原因，表现为农田种植结构与畜牧生产系统的不合理匹配：农田副产品没有作为饲料有效进入畜牧生产系统，畜禽粪尿没有作为养分来源回归农田，山阴县是山西主要的奶牛养殖基地，2012年奶牛存栏数80 514头，位居全省第一位[20]，占全省奶牛养殖总量的26%，一方面对动物饲料需求量很高，另一方面秸秆粪尿资源又存在严重的浪费。

在农业供给侧结构性改革的政策环境下，山西应抓住国家“粮改饲草”的项目机遇，以农载牧，以牧肥田，从而提高农牧生产系统的氮素利用率。

3.2 农牧交错带氮素损失及环境风险分析

区域内氮素投入亏缺、轻度盈余、中度盈余和重度盈余的县区均有分布，这种情况说明区域内氮素投入的平衡情况比较复杂，今后在区域氮素资源的配置上需要详尽的实证调研。此外，造成农田氮素盈余的主要原因为化学氮肥和粪尿氮素投入超过了作物生产需求量，盈余的氮素除一部分累积到土壤中，其余均通过气体排放和淋洗进入水体，进一步对环境造成污染。实际上，国际上早已把农田氮素盈余量作为评价农田氮素环境排放代价的重要指标，欧洲很多发达国家将其制定环保法律法规的重要依据[33-34]，荷兰著名的MINAS养分监管簿记系统针对农田类型和土壤质地明确规定[33]，砂质土壤和黏质土壤的农田氮素盈余量限值分别不得超过60和100 kg·hm-2·a-1，从本文研究结果来看，有21个县区的农田氮素盈余超过了60 kg·hm-2·a-1，而大同的天镇、阳高、浑源、灵丘，吕梁的临县、方山，临汾的蒲县和乡宁县等8个县区的农田氮素盈余量超过了100 kg·hm-2·a-1，存在较高的农田氮素环境污染风险，李宝堂[35]分析了岚县岚漪河上游的农业面源污染特征，指出畜禽养殖和化肥施用是引起岚漪河氮、磷污染的主要原因，与本文研究结果一致。

山阴县单位耕地面积的畜禽粪尿氮素负荷量达到162.48 kg·hm-2，接近欧盟规定的动物粪尿氮素耕地承载量的限量标准[34]（170 kg·hm-2），存在潜在的环境风险，应当与周边县区的农业生产相结合，来消纳部分畜禽粪尿，来规避环境风险。

3.3 区域农牧生产系统氮素管理的建议和研究展望

中国农业资源环境遭遇了外源性污染和内源性污染的双重压力，农业可持续发展遭遇瓶颈，在此背景下，农业部提出了“减肥、减药”的行动纲领。谈到氮素，人们首先想到的是中国氮素盈余，要通过降低氮肥施用量来加以控制。但是具体到区域尺度上，存在着较大的差异[36]，应根据每个县区的气候、土地利用现状、种植结构、粮食生产能力、畜牧业养殖规模及养殖方式等因素来“对症施药”，而不能盲目搞一刀切；如何减少化肥使用量，中国尚未确定肥料使用的限量标准，一方面科学评价有机肥替代化肥使用潜力，另一方面要从生产系统的氮素账户平衡、肥料利用效率、环境风险角度确定具体的约束指标。

由于缺乏县域之间的农产品贸易及养分流动数据，本研究未能阐明区域间的养分流动特征，进一步探讨区域间如何提高农牧耦合性的有效机制，这也是下一步的研究方向及重点，此外，相对于以往研究[14]，本文开展了较小县域尺度研究，以期为区域养分管理提供科学依据，但对于指导生产活动仍有一定的不足，今后应根据自然、社会因素来划分栅格进一步开展更小尺度的研究工作。

4 结论

受种植结构、水土流失等因素的影响，山西省农牧交错带不同县区的农田氮素生产水平呈现东南部高、西北部低的空间分布特征；“农牧分离”、有机废弃物循环利用率低是导致农牧生产系统中氮素损失的重要原因；从农田氮素盈余量（＞100 kg·hm-2）、单位耕地面积的粪尿氮素限量标准（170 kg·hm-2）、整个农牧生产系统的氮素损失（＞200 kg·hm-2）等指标来看，区域东北部和西南部存在较为严重的氮素污染环境风险，中部的忻州八县则较为安全；今后养分资源管理应提高农田和畜牧业生产的耦合性，推进农业供给侧结构性改革，适当调整种植结构，增加饲用作物的种植面积，同时增加粪尿有机肥替代化肥的使用比例，提高有机废弃物养分的使用效率，并注重区域间的协调统一。

致谢：

山西省农业科学院农业环境与资源研究所蒙秋霞副研究员在论文后期英文摘要润色过程中给予了支持和帮助，在此表示衷心感谢。

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（责任编辑 岳梅）

Nutrient Flow and Environmental Effects on Crop-livestock System in Farming-pastoral Transition Zone - A Case Study in Shanxi Province

ZHANG JianJie1, GUO CaiXia1, LI LianFen2, ZHANG Qiang1

(1Institute of Agricultural Environment and Resources, Shanxi Academy of Agricultural Sciences/Shanxi Province Key Laboratory of Soil Environment and Nutrient Resources, Taiyuan 030031;2Institute of Animal Husbandry and Veterinary Sciences, Shanxi Academy of Agricultural Sciences, Taiyuan 030032)

【Objective】The objective of this study is to explore the characteristics of nitrogen (N) flow of crop-livestock systems and its environmental effects on farming-pastoral transition zone in northwestern Shanxi Province, further to give scientific suggestions on the nutrient management and to speed up the adjustment progress of industrial structure in farming-pastoral transition zone in Shanxi Province.【Method】a systematic and quantitative analysis on the nutrient balance, nutrient losses of crop-livestock production in farming-pastoral transition zone (42 counties in total, mainly involving Datong, Shuozhou, Xinzhou, Lüliang, Linfen and Taiyuan) in Shanxi Province was reported using a coupled NUFER model (nutrient flows in food chains, environment and resources use) with GIS after collecting and sorting of data from statistical yearbooks data, literature, and field investigation.【Result】 In different counties, the N fertilizer application showed a great disparity, ranging from 6.7 to 253 kg·hm-2, which means a 38 times difference between the maxima and the minima. The N input structure of different counties also varied, due to the different N application habits and cropping systems. Crop N uptake ranged from 19.11 to 96.75 kg·hm-2, and the high amounts of crop N uptake were found in North and South regions, and low values in the middle regions. Crop N surplus ranged from -16 to 202 kg·hm-2, showing a coexistence of N sufficient and N surplus. There was a great difference in external N input by feed in livestock production system in the zone. In Shanyin county of Shuozhou City, the external N input by feed reached up to 9 400 t, whereas in Wuzhai of Xinzhou City and Xixian, Daning and Puxian of Linfen City, the demand of feed by livestock production system was met by local cropping system. This shows a great variation in the livestock production scale and farming-pastoral industrial structure among those counties. N uptake of animal main product per unit area of farming land was 1.51-27.50 kg·hm-2, with a range of 25.99 kg·hm-2, indicating a great disparity in the livestock productivity level among different counties. In the northern counties of Shanyin, Huairen and Datong, N uptake of animal main products was ＞13 kg·hm-2, showing a high N use efficiency of livestock production system in these counties. In the northern regions, the N load by manure was high (＞50 kg·hm-2). There was an obvious spatial trend of N loss in crop-livestock production system. Grade I area (＞200 kg·hm-2) was found in the north of the zone, Grade II area (120-200 kg·hm-2) was found in the north and south of the zone, and Grade III area (＜120 kg·hm-2) mainly distributed in the middle of the zone. Therefore, N loss and environmental issues occur in the crop-livestock production process in the northern part of the zone should be paid close attention in the future. 【Conclusion】Unreasonable agricultural production structure and the segregation of agricultural and animal husbandry systems were the main reasons for the low N use efficiency in the farming-pastoral transition zone in northwestern Shanxi Province. In the future management of farmland nutrient resources, apart from rational spatial allocation of N resources, not only N input by both chemical fertilizers and livestock excrement/urine should be taken into account, but also N input from the environment. Also, the coupling of farmland production system and animal husbandry production system should be emphasized. By these means the production of crop and animal products at the minimum environmental costs can be achieved.

farming-pastoral transition zone; NUFER model; crop-livestock production system; nitrogen flow; environmental effects; Shanxi Province

2017-05-02；

2017-06-14

国家重点研发计划（2016YFD0200105）、山西省青年科技研究基金（201601D21118）、山西省农业科学院科技攻关项目（YGG1507）

张建杰，E-mail：zhangjianjie@yeah.net。

张强，E-mail：sxsnkytfs@163.com