近20年重庆市农牧生产体系氮素流动特征及驱动力分析

陈轩敬，宫雅慧，谢军，张跃强,2，陈新平,2，石孝均,2



近20年重庆市农牧生产体系氮素流动特征及驱动力分析

陈轩敬1，宫雅慧3，谢军1，张跃强1,2，陈新平1,2，石孝均1,2

（1西南大学资源环境学院农业部西南耕地保育重点实验室，重庆 400716；2西南大学农业科学研究院，重庆 400716；3西南大学经济管理学院， 重庆 400716）

【目的】通过评价重庆地区农牧系统的氮素流动特征，明确氮素的主要损失途径及驱动因素，提出未来农牧生产中氮素管理措施，为实现重庆地区农牧系统氮养分的高效利用提供数据支撑。【方法】通过查阅文献及统计数据并结合调查研究，采用NUFER（nutrient flow in food chain, environment and resources use）评价方法，以重庆市农牧生产系统为主要研究对象，定量1996—2015年间农牧系统的氮素流动特征，明确其环境代价。在此基础上，探讨人类活动与农牧系统氮素流动特征变化之间的关系，并通过对2020年不同氮素管理情景分析，探索区域氮素的可持续利用途径。【结果】1996—2015年，重庆市农牧系统氮素输入总量增长19.2%，2015年达到1 006 Gg，其中化肥贡献57%以上；氮素输出总量增长16.5%，2015年达到844 Gg，环境损失为最大的氮素输出项，占输出量的61.7%左右，其中农田生产和畜禽养殖系统分别贡献45.1%和54.9%；农牧系统内氮素循环总量增长42.7%，2015年达到448 Gg，其中秸秆还田和畜禽粪尿还田氮量分别达到32.7和95.0 Gg，20年间分别增长55%和44%。1996—2015年重庆市蔬菜瓜果等经济作物种植比例从10%升至28%，粮食作物种植比例从82%降至62%，肉蛋奶等动物主产品输出量增加83%。农牧生产结构的变化与氮素利用和损失的变化呈现显著的线性正相关关系，但人均GDP (gross domestic product)的增长与氮素利用和损失的变化没有呈现明显的线性关系，表明影响系统氮素流动特征的主导因素应该是农牧生产结构变化，而经济发展水平的变化只是起到了刺激农牧产品消费的作用。通过情景分析，若在2020年实现《重庆市农业农村发展“十三五”规划》的农产品生产目标，保持目前的氮肥投入和氮素管理现状，将会增加18 Gg氮素损失，同时降低氮素利用率1.2%；通过提高系统内部氮素循环利用率，优化作物生产养分管理，可在实现生产目标的同时，分别减少氮肥投入和氮素损失量15%和4.2%，提高农牧系统氮素利用率1.3%以上。【结论】在近20年中，重庆市农牧生产系统氮素流动特征发生了很大变化，氮素输入强度和环境损失在不断增加，而农牧生产结构改变是其变化的主要驱动力。在重庆未来农牧生产中，减少畜禽生产系统氮素的直接排放，加大畜禽粪尿和秸秆循环利用力度，优化作物生产系统氮素管理措施和提高氮素利用效率，是实现农牧生产和生态环境的平衡发展的有效措施。

氮；重庆市；农牧系统；驱动力；NUFER模型

0 引言

【研究意义】氮素作为食品生产的基本元素之一，在中国的社会、经济和环境改变进程中发挥了重要作用[1-2]。在农业中，氮肥在解决粮食安全问题的同时，也给环境带来巨大的压力。高强度的人类活动导致生态系统中氮素高负荷环境，造成土壤酸化[3]、地下水硝酸盐含量过高[4]、地表水富营养化[5]等一系列环境问题。重庆市是长江经济带西部中心枢纽，也是国家生态环境建设重点区域。重庆直辖后20年中，农业经济快速增长。由于农户经营自主权开放和经济效益等因素的影响，农业种植结构逐渐发生变化，粮食作物种植面积下降而经济作物种植面积增加。在生产方式上，种植业从业人员逐渐减少，使依赖高强度劳动力投入的传统耕作逐渐转向为依赖化肥农药投入的集约化生产[6]。未被利用的氮素通过径流、淋洗、挥发和反硝化等方式进入环境，成为面源污染的来源。同时随着居民对动物产品需求量的增加，畜禽养殖由过去的分散养殖，逐渐向规模化养殖发展，畜禽粪污产生量和排放量随之增加[7]。此外，由于产业结构变化、农牧分离、配套污染治理设施普遍投入不足，畜禽粪便污水直接排放成为导致环境污染的重要因素。氮素面源污染成为影响重庆市农产品质量安全、生态环境安全、长江以及三峡库区水体质量安全的风险因素。因此了解氮素在农牧生产体系中的流动规律，对氮素进行有效利用循环，降低农业污染负荷，对重庆市农牧系统的可持续发展具有重要意义。【前人研究进展】氮素的流动与平衡是农牧系统养分利用率的重要影响因素。目前有很多方法应用于区域、国家以及全球尺度上研究农业氮素平衡，这些方法均从目标养分守恒角度分析养分在系统内的输入、输出和存储过程[8]，研究主要差异在于研究边界和数据源的不同[9]，例如人类活动净氮输入（NANI）估算模型[10]，还有一些农牧系统点源污染和非点源污染评价方法，GNPS模型[11]等。Ma等[12]构建了食物链养分流动模型（nutrient flow in food chain, environment and resources use，NUFER），用于分析评价区域氮磷养分在生产和消费环节的利用率和损失状况。研究发现，在过去30年里中国农牧系统中食品生产的环境代价在不断上升，2005年的养分流动特征较1980年之前也发生很大的变化[13]。通过对区域“农田-畜牧”生产系统中养分流动状况的综合评价，阐明养分流动规律，对于解决其养分损失和环境污染，提高养分利用率具有重要指导作用[14-15]。目前针对重庆地区农牧系统，主要集中于定量化种植业，养殖业和农村生活等农业氮素面源污染负荷量及贡献大小的研究[16-17]，并且在此基础上估算了畜禽养殖区域环境承载力[18]，但是缺少对于农牧系统内养分的内部循环特征及其变化的主要驱动力研究。【本研究切入点】随着近些年重庆市产业结构的调整和农业产品需求结构的变化，整个农牧系统内部氮素输入、输出与循环情况不明确。本研究以分析重庆市农牧系统内氮素的流动特征和其主要驱动力为切入点，探索农牧系统限制氮素利用率的制约因素，明确氮素的主要损失途径。【拟解决的关键问题】结合统计资料、文献数据和调研结果，应用NUFER模型分析方法，以重庆市为研究对象，定量化分析1996—2015年重庆市农牧系统氮素流动特征，探索其主要驱动力，并对2020年不同管理情景模式下氮素利用和损失状况进行预测、模拟及分析，寻求控制氮素农业面源污染排放、提高氮素利用率主要措施，为重庆市宏观养分调控和环保政策制定提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域

重庆位于中国西南部，长江上游地区，地跨东经105°17′—110°11′、北纬28°10'—32°13′，东西长470 km，南北宽450 km，幅员面积8.24×104km2，全市现有40个区、县、自治县，是中国最大的直辖市。重庆属于亚热带季风性湿润气候区，年平均气温16—18℃，无霜期250—275 d，年平均降水量1 000—1 350 mm。该市耕地面积达到162.2×104hm2，农用耕地开发度较高，农林牧副渔全面发展，不仅是全国重要的粮食主产区，还是商品猪肉生产基地、全国著名的优质水果、榨菜及烤烟等农业产品产地。

1.2 系统边界

本研究中，以重庆农牧生产体系为研究边界（图1），主要包括作物生产和畜禽生产两个体系，以氮素的流动和损失为主要研究对象。农牧生产体系的区域边界即为重庆市地理边界。对重庆农牧系统的研究主要包括氮素的输入、输出和内部养分循环。在重庆农牧生产系统中，氮素的主要来源是（1）生物固氮；（2）氮沉降；（3）肥料投入及（4）外源饲料进口投入。氮在系统中的输出主要是通过（5）作物主产品；（6）秸秆输出；（7）农田和畜禽粪尿堆置过程NH3损失；（8）农田N2O损失；（9）农田反硝化；（10）农田和畜禽粪尿堆置过程中淋洗、径流和侵蚀损失；（11）动物主产品；（12）动物副产物及（13）粪便直接排放。氮素在系统的内部循环主要包括：（14）粪尿还田；（15）本地饲料；（16）土壤累积和（17）秸秆还田。

图1 重庆农牧系统养分流动模型

1.3 模型计算公式

NUFER模型是Ma等[12]基于物质流分析开发的食物链养分流动模型，可以定量分析养分在“农田生产-畜牧生产-食品加工-居民消费”中流动和损失情况。主要包括4个模块：输入模块、计算模块、优化模块和输出模块。该模型的主要功能是定量化养分在食物链中的流动和损失情况。本研究采用NUFER模型的方法评价重庆农牧生产体系氮素流动、利用和损失状况。主要计算公式：

外源饲料进口氮量=畜禽动物消耗氮量-本地粮食和秸秆饲料含氮量

氮素损失量=畜禽系统直接排放氮量+粪尿处理堆置过程中粪尿氮挥发损失量和污水排氮量+作物系统NH3、N2O、反硝化、淋洗、径流和侵蚀损失量

农牧系统氮素利用率（nitrogen use efficiency，NUE）=（作物主产品输出氮量+动物主产品输出氮量）/（化肥氮量+氮沉降量+生物固氮量+饲料进口氮量）。

1.4 数据来源

本文所需计算数据分为4个部分：社会统计数据、养分含量数据、养分去向数据和环境排放参数。

重庆地区的化肥消耗量、人口数量、作物种植面积和产量、耕地面积、畜禽养殖数量等社会活动数据均来自与重庆统计年鉴（1997—2016）[19]。本文作物种类主要包括水稻、玉米、小麦、薯类、豆类、蔬菜、油料作物、棉花、烟草、苹果、柑橘、梨、葡萄和瓜类等主要作物，覆盖重庆地区95%以上的种植面积。在充分考虑到重庆市主要畜禽种类及其养殖周期差异的基础上，生猪、肉牛以及肉禽数量采用当年的出栏数，役用牛、奶牛数量以及羊数量采用当年的存栏数，蛋禽的数量根据年产蛋总量和单位蛋禽的年产蛋量估算而来。为方便对比不同动物数量的变化，将奶牛作为标准单位LU（livestock unit），其他动物分别按肉牛，0.8﹕1；役用牛，0.8﹕1；猪，0.3﹕1；羊，0.1﹕1；蛋禽，0.014﹕1；肉禽，0.007﹕1的比例换算成标准牛数量[20]。

本文所采用的谷草比、作物秸秆氮含量、动物主产品及副产物氮含量、动物个体质量及其不同部位分配系数、单位动物年平均氮排泄量、农田淋失和径流和反硝化环境参数均来自于文献[21]，氮沉降计算参数引用Liu等[22]，生物氮固氮量计算参数参照Yan等[23]，氨挥发和氧化亚氮排放参数参照文献[24-25]中川渝地区研究结果。作物籽粒与秸秆的去向和畜禽粪尿去向数据来自于早期农户调研数据[26]，重庆市政府网站公布数据以及重庆市农业面源污染调查数据。重庆市农业面源污染调查数据：2007—2009年间，调查涉及全市39个区县，普查对象包括种植业6 846 523户农户和畜禽养殖25 561个，其中养殖场、养殖小区、养殖户的数量分别为919、67和24 575个。种植业调研内容主要包括主要普查粮食作物、经济作物和蔬菜作物生产过程中秸秆、肥料和农药等使用情况。畜禽养殖业主要普查猪、奶牛、肉牛、蛋鸡、肉鸡在规模养殖条件下污染物的产生情况。普查内容主要包括畜禽种类、养殖组织模式、存栏量、出栏量、饲养阶段、精粗饲料主要成分含量，粪便和污水产生量、处理方式、利用方式、利用量、排放量。

1.5 情景设计

2015年重庆市政府公布重庆秸秆综合利用率达到80%，其中肥料化仅为26%，饲料化25%，畜禽规模养殖场粪污处理率达到78%。根据《重庆市农业农村发展“十三五”规划》对农牧产品量的规划：种植业，在2020年，重庆市粮食产量基本稳定在1 000×104t，蔬菜和水果产量分别保持年均1.3%和8.9%的增速；油料和烤烟等其他作物的产量稳定在69×104t；其中粮食生产面积适度调减，在2020年保证不低于2×106hm2，油料等其他作物面积也适度下降，蔬菜种植面积保持年均0.9%的增长，柑橘种植面积增加2.18×104hm2。畜禽养殖业，肉类产量保持年均2.4%的增长速度，奶业产量根据《全国奶业发展规划（2016-2020年）》要求保持年增长3.1%的速度。到2020年，全市出栏肉牛达到1.2×106头、肉羊达到3.5×106只，生猪数量基本保持稳定，役用牛数量降低19%。2020年全市家禽出栏达到2.7×108只、禽蛋产量达到55×104t，本文设计了重庆市农牧系统的3种不同氮素管理情景模式，比较氮素的利用和损失情况。

情景1（S1）：2020年化肥氮消耗量与2015年保持一致，秸秆还田率、粪尿还田率和本地饲料率等养分循环率均与2015年保持一致。

情景2（S2）：2020年化肥氮消耗量与2015保持一致，全市农作物秸秆综合利用率达到85%以上，畜禽规模养殖场粪污处理率达到85%。

情景3（S3）：2020年，全市农作物秸秆综合利用率达到85%以上，畜禽规模养殖场粪污处理率达到85%。通过根据《到2020年化肥使用量零增长行动方案》要求，优化作物养分综合管理策略和施肥技术，使作物生产系统氮素利用率达到40%。

2 结果

2.1 重庆市农牧系统氮素流动特征变化

重庆市直辖20年以来，经济快速发展，对农牧系统的生产需求也越来越大，氮素的流动特征也逐渐发生了变化。化肥一直是重庆农牧系统的主要氮素输入源之一，占总投入量的57%以上。由表1可以看出，1996—2015年，随着农产品需求量的增加，氮肥投入量增长16%，饲料进口氮量增加27%，农田氮沉降量也增加51%。但生物固氮的氮素输入降低了19%，其主要原因是固氮作物种植面积的持续下降。农牧系统的氮素投入量增加，尤其是氮肥和外源饲料增加，作物主产品和动物主产品的生产量也分别增加16%和83%。同时作物生产系统的氮损失增长24.6%，畜禽养殖系统的氮排放损失增加约为24.5%，2015年排放总量分别达到234和286 Gg，成为重庆市主要农业污染源。虽然畜禽养殖业的快速发展产生大量的畜禽粪便等排泄物，但是由于重庆市政府多项环境政策调控，畜禽粪尿还田率和粪污处理率逐年上升，氮素从畜禽养殖系统向作物生产系统的循环总量增加了44%。同时秸秆还田的氮素循环总量相比1996年增加了55%。但氮素在土壤中累积量增加34.8%，2015年达到162.0 Gg。

表1 1996和2015年重庆市农牧系统氮素流动特征

2.2 重庆市作物和畜牧生产系统氮素平衡分析

1996—2015年重庆市作物生产系统的氮素总投入从430 kg·hm-2增至532 kg·hm-2, 其中1996—2003年间增长缓慢，2003年之后进入快速增长模式（图2-a）。20年间单位面积化肥增长量为62 kg·hm-2，占总投入的比例从71%降至69%，而有机肥的投入比例从9%增至11%。作物收获带走的氮量从179 kg·hm-2增至214 kg·hm-2，但农田氮素损失量20年间增加41%，其中氨挥发为氮素的主要损失途径，占氮素总损失的51%以上。1996年畜禽养殖系统单位动物的氮素投入量为48 kg/LU，其中外源饲料投入占78%，本地饲料投入占32%，且至2015年均未产生显著的变化（图2-b）。畜禽粪尿是动物生产系统氮素主要的输出途径，占氮素总输出的84%以上。重庆直辖后20年间，单位动物主产品的氮素输出量增加30%，表明畜禽养殖系统的氮素利用率显著提高。

图2 重庆市作物（a）和畜禽（b）生产系统氮素平衡历史变化

2.3 重庆农牧系统氮素流动驱动力分析

1996—2015年重庆市作物总种植面积整体未发生较大变化，维持在3.5×106hm2左右，但种植结构发生改变。粮食作物种植面积持续下降，种植比例从82%降至62%。相比粮食作物，瓜果蔬菜类等经济作物种植比例从10%升至28%，增加0.65×106hm2（图3-a）。2006年重庆发生严重的高温干旱灾害，持续的高温对作物生长造成了严重损害，对粮食作物的影响尤为显著，导致2007年种植面积骤降。1996—2015年畜禽养殖数量也在不断增加，生猪、肉牛、奶牛、羊、肉禽和蛋禽数量分别增加31%、132%、375%、98%、175%和114%（图3-b）。由于农业机械化的逐渐普及，役用牛的数量从2004年开始稳步下降。其中1996—2006年，畜禽养殖数量增长较为迅速，2006年连续高温造成了部分畜禽死亡、机体抵抗力下降，严重削弱了畜牧业的综合生产能力，2007年生猪、肉牛、奶牛和肉禽数量同比2006年分别下降13%、36%、37%和18%，从2007年之后其各畜禽养殖数量开始逐步回升，2010年以后畜禽养殖数量逐渐趋于稳定。

重庆市直辖后20年期间，人民生活水平不断提高，人均GDP增长10倍以上。经济作物（蔬菜和水果）产品（图 4-a）和动物产品输出量（图4-b）与人均GDP值均呈现显著的正相关关系。人均GDP增长初期，居民对经济作物产品和动物产品的需求会发生急剧变化。但随着人均GDP的逐渐提高，经济作物产品和动物产品输出量与GDP之间的响应关系会逐渐降低。1996—2015年，重庆市农牧生产体系经济作物产品和动物产品输出量分别提高2.9倍和1.8倍。农产品需求量的增长，刺激农牧生产系统氮肥的投入量和损失量的增长。经济作物产品和动物产品输出量均与农牧生产体系的氮肥消耗量和氮素损失量呈现显著的线性相关关系（图4-c—f），表明农牧生产结构的改变是影响氮素流动特征变化的重要因素。

图3 重庆作物（a）和畜禽（b）系统生产结构变化

2.4 氮素优化情景分析

2015年重庆市农牧生产体系中氮肥消耗量为578.7 Gg，氮素损失总量达到520.3 Gg，氮素利用率为24.3%。根据重庆市2020年农业生产规划，将进一步扩大经济作物种植面积，增加肉奶蛋产品供应量。通过情景分析发现，若在氮素管理和利用方式与2015年现状保持一致（S1），2020年重庆市农牧系统氮素损失总量将会达到538 Gg（图5-b），较2015年增长3.5%，氮素利用率降低1.2%（图5-c）。若农牧生产系统氮肥消耗量保持不变，将作物秸秆综合利用率提高到85%以上、畜禽规模养殖场粪污处理率达到85%的情景下（S2），氮素利用率将会比情景1提高0.3%，但氮素损失量会增加3 Gg，其主要原因是虽然畜牧生产系统氮素损失量降低，但大量的畜禽粪尿中氮素进入作物生产系统，导致作物系统氮素投入大量增加，远远高于作物对氮素的需求，造成更高的环境代价。在S2氮素管理模式的基础上，优化作物生产系统养分管理，使作物生产系统氮素利用率达到40%以上（S3），与2015年现状相比，可减少氮肥15%投入（图5-a），减少氮素损失4.2%，提高氮素利用率1.3%以上。

3 讨论

3.1 农牧系统氮素流动驱动力分析

随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，对农产品的需求种类和品质都有着较大的变化。人均GDP是衡量经济发展状况的重要指标，本研究表明经济作物和动物产品的增加与人均GDP均呈现显著的相关关系，农业生产结构改变直接影响了氮素流动特征的变化（图4）。在社会经济发展过程，除了人们对蔬菜水果需求量增加的影响因素之外，受家庭收入的限制，小农户逐渐选择放弃经济效益低的粮食作物[27]。受农业政策和政府配套产业链条完善的影响，蔬菜水果等经济作物的种植在农户群体中越来越受欢迎。因此，由于种植效益的巨大差异[28]和社会发展过程中居民对农产品消费需求的改变[29]，粮食作物比例下降，蔬菜，水果等经济作物的种植面积不断上升，尤其是柑橘种植面积，增加1.37×105hm2[19]。但蔬菜与果树的水肥投入要远高于作物的需求，平均施氮量要高于粮食作物150—250 kg·hm-2[30]，导致作物系统氮素投入量逐年增长。

随着人们物质生活的不断提高，为了满足日益增长的物质需求，为社会发展提供更多的畜禽产品，2007年特大干旱灾情之后，畜禽养殖业也呈现快速的发展。役用牛数量逐步下降，各主要畜禽养殖规模逐渐扩大（图3）。除此之外，围绕“稳量提质发展生猪，优化结构发展牛羊，固本强基发展禽兔”的目标，以及重庆市政府对规模化养殖企业的资金补贴支持，2015年重庆市畜禽养殖规模化率达到60%。养殖模式由散养向规模化发展，生产管理水平提高，显著提高畜禽系统养分利用率[31]，这与本文的研究结论相一致。畜牧动物数量的增加，同时也导致了饲料进口数量的大量增长。畜禽养殖业生产规模的不断扩大和集约化程度不断提高的同时，粪尿等排泄物也随之剧增，但规模化的排污配套设施却没有及时完善，加之近些年劳动力不断外输，散养畜禽动物排泄物缺少劳动力将其循环施入农田，基本直接向地表等环境中排放[16]。为实现畜禽养殖业与环境保护的协调发展，重庆市政府颁布多项畜禽养殖环境管理实施方案，全市规模化养殖场粪污处理率达到78%。受政府政策的调控和农业技术推广的影响，越来越来的畜禽粪尿转化成有机肥应用在果树蔬菜和烟草等经济作物生产中[32-34]，农牧系统内养分循环量有所增长（表1）。但由于部分养殖场粪污处理产生的污水直接进入农田，利用受季节性的影响及存储和运输的限制，且养殖场周边缺少足够的农田面积及时消纳，未能合理归还到农田系统[35]，导致地表污水排放量不断上升。同时在过去20年中，农业化肥消耗量的增长，工业排放和化石燃料的消耗等人为活动改变了氮循环过程[36-37]，导致大气氮沉降量显著增加，给农牧系统带来了更多的氮素。

图4 重庆人均生产总值与经济作物（蔬菜和水果）产量（a）和动物产品输出量（b）之间的关系；经济作物产量与农牧系统氮肥消耗量（c）和总氮损失量（d）关系；动物产品输出量与农牧系统氮素消耗量（e）和总氮损失量（f）关系

图5 不同情景模式下氮肥消耗量（a）、氮素损失量（b）和氮素利用率（c）比较

3.2 氮素管理措施分析

社会经济发展对区域氮循环的干扰日益加剧，因氮循环失衡导致的环境污染问题逐渐凸显。化肥施用和畜禽养殖业粪尿排放损失已经成为长江及其支流水体主要的污染源之一[38]。为了提高氮素利用率，减少氮素损失，本文对区域不同氮素管理模式下的效果进行了评估，确定了3项有效的措施：（1）优化作物系统养分管理；（2）强化畜禽粪污治理；（3）推广资源循环利用，用于实现重庆农牧系统生产和环境的可持续健康发展。

作物生产系统在综合考虑土壤、环境、生物等养分资源基础上，以保证粮食安全、实现提质增效为目标，不仅要在养分供应量上与作物需求量相匹配，同时在施用的时间和空间上也要准确匹配。土壤-作物系统综合管理技术可以在粮食作物增产的同时减少活性氮损失30%、减少温室气体排放11%[39]。根层氮素调控是保证蔬菜高产和养分高效利用的前提，合理调控不同生育期的根际氮浓度，将明显减少氮素投入和损失[40]。氮素管理可基于总量控制，分期调控，近根施用和水肥耦合的原则，同时选用配施硝化抑制剂或缓释肥等新型肥料，使根际养分供应与作物需求在时空上保持同步[41]。在重庆近20年中，在畜禽养殖数量的增加背景下，畜禽粪污等废弃物资源多数逐渐流向蔬菜、果树等经济作物，但是化肥氮投入并未减少，导致其生产系统氮素投入量逐年增加，远远超过作物养分需求量，因此土壤氮素盈余量也逐年增加（图2）。土壤氮素盈余与氮素损失之间存在显著的相关关系[42]。在欧洲等地将农田氮素盈余量作为评价农田氮素环境排放的重要指标[43]，重庆黏土的土壤氮素年盈余量的推荐最高限量标准为100 kg·hm-2。因此，在实现有机氮替代无机氮过程中要控制化肥氮的投入，保证作物生产系统氮素平衡，提高氮素利用率。有机氮替代无机氮可以显著提高作物产量，保证产量的稳定性和可持续性，促进作物对氮素的吸收和向籽粒的转运，提高氮素利用率[44]，同时可以减少氨挥发、径流和淋洗损失量（图5）。畜禽粪尿转化成商品有机肥归还农田时，可采用有机无机配施，开沟深施等方式，能降低表层土壤的氮肥浓度，起到抑制氨挥发的作用。粮食作物、果树等大田作物亦可与采用与豆科作物轮作、间作和混作模式，也是减少农牧系统氮素投入的一个重要措施[45]。

重庆在进一步扩大养殖规模的同时，对于新建、改扩建的畜禽养殖场需进行严格的环评管理，同时建设完善畜禽养殖场雨污分流污水收集系统和废弃物贮存设施，鼓励采取单独清除粪便的“干清粪”工艺和畜禽粪污的固液分离工艺。在畜禽粪便堆置处理过程中，由于高温和偏碱性环境，会产生大量的氨挥发损失，可以通过调节堆肥的碳氮比，添加物理或化学添加剂改变堆肥pH，或者接种微生物，加速铵态氮向其他形式氮素的转化[46]。在饲养管理上，中国畜禽动物氮素排泄量要高出美国2—3倍左右，主要原因是由于饲料蛋白含量过高[47]，而动物系统的粪尿养分输出占到总输出的84%以上（图2），造成了大量资源浪费。因此，发展低蛋白动物饲料，可显著减少畜禽养殖系统NH3和N2O排放量[48]。

通过对日本Mikasa城市氮素循环在不同的生产和消费环节的影响分析，增加氮素内部循环，可以显著降低化肥投入量，提高氮肥利用率[49]。因此，重点扶持和发展以畜禽粪便为主要原料的有机肥厂和沼气工程建设，鼓励建设具有充足周边土地消纳排泄物的畜禽养殖场，畜禽养殖规模与周围农作物种植面积相配套，采取“种养结合、生态还田”模式，做到畜禽粪便、污水经处理后全部循环利用，实现污染零排放。同时进一步提高秸秆综合利用率，减少秸秆焚烧比例。实现区域的养分循环利用，可在满足生产需要的同时，减少外源氮素投入，降低生态环境压力。

4 结论

随着社会经济发展和人民生活水平的提高，居民对农产品需求结构逐渐发生变化，20年间重庆市经济作物产品和动物产品输出量分别提高2.9倍和1.8倍。农牧生产结构的调整是氮素流动变化的主要驱动力，1996—2015年重庆市农牧系统氮素输入量增加19.2%，其中氮肥增长量贡献50.7%；氮素损失量增加24.9%，作物生产和畜禽生产系统分别贡献45.2%和54.8%，畜禽生产为氮素的主要损失途径；秸秆和畜禽粪尿等废弃物资源利用逐渐呈现良好发展趋势，1996—2015年重庆农牧系统氮素循环总量增加47.7%。

在未来将进一步扩大经济作物种植面积，增加肉奶蛋产品供应量的同时，应加大畜禽粪便和秸秆循环等废弃资源循环利用力度；优化作物生产养分管理技术，实现养分供应和作物需求在时空上的同步，减少化肥投入降低，降低土壤氮素盈余量和损失量，提高氮素利用率；发展集约化养殖，控制畜禽系统氮素排放，实现农业生产和生态环境的平衡发展。

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（责任编辑 岳梅）

Nitrogen flow of crop-livestock production system and its Driving Forces in Chongqing over the past 20 years

CHEN XuanJing1, GONG YaHui3, XIE Jun1, ZHANG YueQiang1,2, CHEN XinPing1,2, SHI XiaoJun1,2

(1Key Lab of Cropland Preservation in Southwest, Ministry of Agriculture, College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400716;2Academy of Advanced Agricultural Sciences, Southwest University, Chongqing 400716;3College of Economics and Management, Southwest University, Chongqing 400716)

【Objective】The objectives of this study are to evaluate the characteristics of nitrogen (N) flow in the crop-livestock system and analyze the main pathways of N loss and main drivers of the change in N flow in the crop-livestock system, put forward the effective N management measures, and to provide a powerful technical support for efficient N resource adoption in crop-livestock system in Chongqing.【Method】The crop-livestock system of Chongqing was defined as research case. A quantitative analysis of the N flow and loss and of their relationships with human activities from 1996 to 2015 was reported using the nutrient flow in food chain, environment and resources use model (NUFER). The data were mainly derived from literature, statistics and research reports. Pathways to a sustainable N use were explored through scenario analysis of different N managements in 2020.【Result】The total N input of crop-livestock system in Chongqing increased by 19.2% from 1996 to 2015. The amount of N input reached 1 006 Gg in 2015 and fertilizer consumption contributed 57% to it. The total N output of crop-livestock system in Chongqing increased by 16.5% from 1996 to 2015 and it has reached 844 Gg in 2015. Environmental loss was the largest part of N output in the crop-livestock system, which accounted for 61.7% of total output. Crop and animal production systems contributed 45.1% and 54.9% to the total N loss in 2015, respectively. The total amount of N cycle in the crop-livestock system increased by 42.7% and reached 448 Gg in 2015. The N amounts in manure and straw returning reached 32.7 and 95.0 Gg, respectively, which increased by 55% and 44% from 1996 to 2015. The cultivation proportion of vegetable and fruit to total sown areas increased from 10% to 28% from 1996 to 2015. Meanwhile, the percentage of cereals crops area dropped from 82% to 62%. In addiction，the export of main animal products increased by 83%, such as meat, milk and eggs. A significant liner relationship was observed between changes in N use and loss and changes in production structure, while the relationship between changes in N use and loss and changes in gross domestic production (GDP) was non-linear. It suggested that the dominant factor affecting N flow should be production structure, and GDP just played a role in stimulating consumption of crop and animal products. If the goal of agricultural production in the “13th Five-Year Plan for Agricultural Development in Chongqing Municipality” is fulfilled by 2020 with current N fertilizer inputs and N management practices, it will increase N loss by 18 Gg and reduce N use efficiency by 1.2% relative to the status of 2015. Scenario with increased the N cycling rate in the crop-livestock system and optimized nutrients management of crop production, indicated 15% and 4.2% reductions in N fertilizer input and N loss, respectively. It also would greatly increase N use efficiencies (NUE).【Conclusion】The characteristics of N flow in the crop-livestock system have been greatly changed over the past 20 years in Chongqing. Increased N input and total environmental loss were observed since 1996. The main driver for these changes was adjustment of production structure. Key measures for ensuring food production and minimizing environmental costs are (1) reducing direct emission of N from the livestock system to the environment, (2) enhancing the recycling of straw and manure, (3) optimizing N management and improving NUE in crop production system.

nitrogen (N); Chongqing; crop-livestock system; driving force; NUFER model

2017-06-16；

2017-07-20

国家重点研发计划（2016YFD0200104，2017YFD0200108）

陈轩敬，E-mail：cxj0214@email.swu.edu.cn。

石孝均，E-mail：shixj@swu.edu.cn