栾城城郊型农牧系统养分流动与环境排放时空特征

马怡斐，柏兆海，马林，聂永强，江荣风



栾城城郊型农牧系统养分流动与环境排放时空特征

马怡斐1，柏兆海2，马林2，聂永强3，江荣风1

（1中国农业大学资源与环境学院/植物-土壤相互作用教育部重点实验室，北京 100193；2中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心/ 河北省节水农业重点实验室/中国科学院农业水资源重点实验室，石家庄 050021；3石家庄市栾城区畜牧兽医局，石家庄 051430）

【目的】改革开放以来中国种植业和畜牧业生产模式及农牧系统结合程度都发生了很大改变，这种改变对农牧体系养分流动以及环境排放都产生了较大影响。论文以河北省石家庄市栾城区为例，分析其1985—2014年农牧系统生产结构、养分流动和损失时空变化特征，确定农牧系统养分损失的关键节点和影响因素，为栾城区以及其他县级行政区的农业可持续发展提供理论依据。【方法】采用食物链养分流动模型(NUFER模型：nutrient flow in food chain, environment and resources use)并结合实地调研，定量栾城区氮磷养分流动特征和影响因素。NUFER模型综合考虑了作物生产系统、畜禽生产系统、食品加工系统和家庭消费系统的氮磷养分流动、利用率和环境损失。实地调研采用面对面的问卷调研方式收集信息，调研内容包括农田养分输入输出、生产管理和养殖户农场养分输入输出、生产管理及粪尿管理等。【结果】2014年种植业蔬菜水果播种面积占总播种面积的比例达到25%，每公顷耕地氮和磷（折纯，下同）投入量分别为763和335 kg，单位面积氮和磷盈余量分别为132和237 kg·hm-2；畜牧业养殖密度达到18 LU/hm2，饲料进口率达到75%，畜牧业源外源氮磷投入分别占农牧体系外源氮磷投入量的57%和39%，畜牧业源氮磷主产品输出占农牧体系氮磷主产品输出的60%和33%，是典型的高环境负荷的城郊型农牧生产体系。1985—2014年，畜牧业畜禽粪尿氮素还田率由59%降至35%。种植业氮利用率从45%降至43%，磷利用率从32%降至23%；畜牧业氮利用率从14%增至30%，磷利用率从4.4%增至10%；农牧系统氮利用率从41%降至36%，磷利用率从27%降至16%。2014年生产1 kg作物产品氮的平均氮损失为0.66 kg，生产1 kg作物产品磷的平均磷损失为0.11 kg；生产1 kg畜禽产品氮的平均氮损失为1.4 kg，生产1 kg畜禽产品磷的平均磷损失为1.8 kg；生产1 kg农牧系统产品氮的平均氮损失为1.5 kg·kg-1，磷损失为0.75 kg·kg-1磷产品。农牧体系氮损失的主要途径是氨挥发，农牧体系磷损失的主要途径是粪尿直接水体排放。【结论】受城镇化驱动和农牧系统生产结构改变的影响，经过近30年发展，栾城区成为高投入、高产出、低氮磷利用率、畜牧业占主导地位的高环境负荷的城郊型农牧生产体系。当前农牧系统养分利用率偏低、损失偏高主要源自过高的畜禽养殖密度、农牧分离以及农牧体系养分管理措施的不合理。因此，确定栾城区合理的畜禽养殖承载量，加强饲养管理，实行粪尿全链条管理等农牧结合措施将对农牧系统可持续发展具有重要意义。

氮；磷；农牧系统；养分利用率；NUFER模型

0 引言

【研究意义】氮和磷是维持动植物生长必须的营养元素，但使用不当也会成为环境污染的因子。过去几十年，化肥在保障粮食生产上起了很大作用，但是在某些施肥过量的地区，未被作物吸收的氮磷养分或累积在土壤中，或通过径流、氨挥发等途径损失到环境中，造成了土壤酸化[1]、温室效应[2]、水体污染[3]等环境问题。与此同时，中国畜牧业正处于由传统家庭后院养殖模式向现代集约化养殖模式转型的阶段，无耕地匹配的集约化养殖快速发展导致了农牧分离问题凸显，畜禽粪尿还田利用率降低且环境排放比例不断增加[4]，并由此对粮食安全和生态环境构成严重威胁。农牧体系养分不合理利用以及粪尿处理方式不当已经严重影响了农牧体系的可持续发展。阐明农牧体系快速转变时期的生产结构变化、氮磷养分流动和损失特征变化及其影响因素，是优化氮磷排放的前提条件，同时对明确农牧体系养分流动与环境排放调控途径具有重要意义。【前人研究进展】农牧体系是一个综合体系，涉及“土壤-作物-畜牧业”多个环节。国际上对“土壤-作物-畜牧业”系统氮磷流动及环境排放的研究十分关注。Bonaudo等[5]从生态学视角证明了农牧结合可以同时提高农场生产力和减少环境影响。欧盟采取多种措施以促进“土壤-作物-畜牧业”系统氮的合理流动和循环[6]。评价区域尺度农牧体系的养分流动特征是明确农牧体系养分管理优化的前提。法国使用物质流分析（substance flow analysis，SFA）在区域尺度上评价了养分循环[7]；新西兰创建了农田营养预算工具Overseer估算农场营养元素的流失[8]。在国内，Ma等[9]建立了中国食物链系统养分流动模型——NUFER（nutrient flow in food chain, environment and resources use），并分析了1980—2005年中国农业快速转型时期农牧系统养分流动变化特征，结果表明生产1 kg产品的氮磷代价都在显著增加[10]；Hou等[11]进一步揭示了城镇化率以及饮食消费结构改变是农业系统氮磷养分流动的驱动因素。这些研究同时表明了畜牧业生产结构变化与其养分利用率、损失之间是息息相关的，畜牧业集约化进程加速有可能带来很多负面效应。Bai等[12]在此基础上揭示了过年50年以来中国生猪养殖体系规模化程度增加，但是农牧结合程度和系统养分利用率快速降低的现象。但是当前针对县域尺度城郊型农牧体系快速转变对氮磷流动特征、利用率和损失时空变化的研究还比较缺乏。【本研究切入点】城郊型农牧体系具有集约化程度高、经济作物比重大和环保要求高等多重特征，了解其养分流动时空变化对研究和优化城郊型农牧体系养分管理具有重要意义。本研究以农牧系统氮磷流动与农牧体系结构变化为切入点，利用NUFER模型和实地调研，分析农牧体系氮磷流动和利用率的时空变化，及其与农牧生产结构变化之间的关系，探讨制约农牧生产体系养分利用率及循环利用的影响因素。【拟解决的关键问题】选择农牧系统转型较快的石家庄市栾城区为研究对象，通过实地调研、统计数据和文献，结合NUFER模型评价方法，通过对城郊型农牧体系氮磷流动特征和氮磷利用率时空变化进行定量研究，为明确农牧体系养分流动特征影响因素提供基础信息，并为农牧业的可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域

研究区域隶属于冀中平原西部，总面积345 km2，位于河北省会石家庄主城区东南方12 km。年平均气温13℃，年平均降水量474 mm，年平均无霜期205 d，是石家庄粮食、蔬菜、水果和畜禽产品的主要供应基地之一。栾城区城镇化率从1985年的3.9%增至2014年的49%，可耕种土地面积减少9 183 hm2（从1985—2014年减少29%），畜禽养殖规模增长，其农牧系统结构随着城镇化进程的加快而发生显著改变。

1.2 系统边界和NUFER模型介绍

NUFER是Ma等[9]开发的食物链养分流动模型，该模型综合考虑了4个环节（作物生产系统、畜禽生产系统、食品加工系统和家庭消费系统）的养分流动、利用率和环境损失。本研究利用NUFER模型分析栾城区城郊型农牧生产系统氮磷养分流动、利用率和环境损失情况。基于3个尺度进行开展，分别为种植业尺度、畜牧业尺度和农牧系统尺度。其中，种植业考虑粮食作物、油料作物、蔬菜、水果养分流动。畜牧业考虑单胃动物（猪、蛋鸡、肉鸡）和反刍动物（奶牛、肉牛、羊）养分流动。农牧系统综合考虑种植业与畜牧业系统的养分循环。本研究输入项为（1）化肥；（2）大气沉降；（3）生物固氮；（4）饲料进口，系统内部流动项为（5）秸秆还田；（6）本地饲料；（7）畜禽粪尿还田，输出项为（8）作物主产品；（9）秸秆；（10）氨挥发；（11）反硝化；（12）径流侵蚀；（13）淋溶；（14）直接排放；（15）畜禽产品；（16）畜禽副产物；（17）土壤积累（图1）。根据调研结果，种子和灌溉占输入项比例低于3%，所占比例较小且受农牧结构变化影响较小，本文不予考虑。

图1 栾城区农牧生产系统边界和养分流动图

1.3 模型计算方法和关键指标定义

采用NUFER模型计算氮磷流动、利用率和环境排放。种植体系、养殖体系、农牧系统的氮磷养分利用率计算公式：

N(P)Icrop=N(P)Ifer+NIBNF+NIdep+N(P)Iam+N(P)Ist（1）

式中，N(P)Icrop表示种植业氮磷总输入量，N(P)Ifer表示化肥氮磷输入量，NIBNF表示生物固氮量，NIdep表示大气氮沉降量，N(P)Iam表示畜禽粪尿氮磷还田量，N(P)Ist表示作物秸秆氮磷还田量。

N(P)UEc=N(P)Ocrop/N(P)Icrop（2）

式中，N(P)UEc表示种植业氮磷利用率，N(P)Ocrop表示作物产品氮磷输出量，N(P)Icrop表示种植业氮磷总输入量。

N(P)UEa=N(P)OAnimal/(N(P)Ifi+N(P)Ilf) （3）

式中，N(P)UEa表示畜牧业氮磷利用率，N(P)OAnimal表示畜禽产品氮磷输出量，N(P)Ifi表示饲料氮磷进口量，N(P)Ilf表示本地饲料氮磷输入量。

N(P)UEc+a=(N(P)Oc+N(P)Oa)/(N(P)Ifer+N(P)IBNF+

N(P)Idep+N(P)Ifi) （4）

式中，N(P)UEc+a表示农牧系统的氮磷利用率，N(P)Oc表示农牧体系作物产品氮磷输出量，N(P)Oa表示农牧体系畜禽产品氮磷输出量，N(P)Ifer表示化肥氮磷输入量，NIBNF表示生物固氮量，NIdep表示大气氮沉降量，N(P)Ifi表示饲料氮磷进口量。

根据物质流平衡方法，土壤氮磷积累量等于作物输入氮磷减去产品氮磷和损失氮磷；粪尿氮磷还田量等于畜禽粪尿氮磷总产生量和氮磷损失的差值乘以还田比例；饲料氮磷进口量等于畜禽产品、畜禽副产品、畜禽粪尿氮磷产生量总和减去本地饲料氮磷输入量。

N(P)accumulate=N(P)Icrop-N(P)Ocrop-N(P)OSt-NONH3-NODe-N(P)Orf- N(P)Ole（5）

式中，N(P)accumulate表示土壤氮磷积累量，N(P)Icrop表示种植业氮磷总输入量，N(P)Ocrop表示作物产品氮磷输出量，N(P)OSt表示作物秸秆氮磷输出量，NONH3表示种植业氨挥发损失量，NODe表示种植业反硝化损失量，N(P)Orf表示种植业径流侵蚀损失量，N(P)Ole表示种植业淋溶损失量。

N(P)Iam=(N(P)Omanure-NOmanureNH3-NOmanureN2O- NOmanureN2-N(P)Odischarge)×PMR（6）

式中，N(P)Iam表示畜禽粪尿氮磷还田量，N(P)Omanure表示畜禽粪尿氮磷总产生量，NOmanureNH3表示养殖业氨挥发，NOmanureN2O表示养殖业N2O产生量，NOmanureN2表示养殖业反硝化损失量，N(P)Odischarge表示养殖业氮磷直接排放，PMR表示粪尿还田比例。

N(P)Ifi=N(P)OAnimal+N(P)OANB+N(P)Omanure-N(P)Ilf（7）

式中，N(P)Ifi表示饲料氮磷进口量，N(P)OAnimal表示畜禽产品氮磷输出量，N(P)OANB表示畜禽副产品氮磷输出量，N(P)Omanure表示畜禽粪尿氮磷总产生量，N(P)Ilf表示本地饲料氮磷输入量。

单位面积或单位畜禽产品环境损失的计算公式：

N(P)ULc=(NONH3+NODe+N(P)Orf+N(P)Ole)/Area（8）

式中，N(P)ULc表示单位作物每年的环境排放，NONH3表示种植业氨挥发损失量，NODe表示种植业反硝化损失量，N(P)Orf表示种植业径流侵蚀损失量，N(P)Ole表示种植业淋溶损失量，Area表示总可耕种面积。

N(P)PLa=(NOmanureNH3+NOmanureN2O+NOmanureN2+ N(P)Odischarge)/LU （9）

式中，N(P)PLa表示单位动物每年的环境排放，NOmanureNH3表示养殖业氨挥发，NOmanureN2O表示养殖业N2O产生量，NOmanureN2表示养殖业反硝化损失量，N(P)Odischarge表示养殖业粪尿氮磷直接排放，LU为livestock unit，表示标准牛当量（折合500 kg奶牛），不同动物的折换比例分别为奶牛，1﹕1；肉牛，0.8﹕1；猪，0.3﹕1；羊，0.1﹕1；蛋鸡，0.014﹕1；肉鸡，0.007﹕1。

每生产单位产品带来的氮磷损失的计算公式：

N(P)PLc=(NONH3+NON2+N(P)Orf+N(P)Ole)/N(P)Ocrop（10）

式中，N(P)PLc表示每生产1 kg作物产品的氮磷损失，NONH3表示种植业氨挥发损失量，NON2表示反硝化损失量，N(P)Orf表示径流侵蚀损失量，N(P)Ole表示淋溶损失量，N(P)Ocrop表示作物产品氮磷输出量。

N(P)PLa=(NOmanureNH3+NOmanureN2O+NOmanureN2+ N(P)Odischarge)/N(P)OAnimal（11）

式中，N(P)PLa表示每生产1 kg畜禽产品的氮磷损失，NOmanureNH3表示养殖业氨挥发量，NOmanureN2O表示养殖业N2O产生量，NOmanureN2表示养殖业反硝化损失量，N(P)Odischarge表示养殖业畜禽氮磷直接排放量，N(P)OAnimal表示畜禽产品氮磷输出量。

N(P)PLc+a=(NONH3+NON2+N(P)Orf+N(P)Ole+NOmanureNH3+ NOmanureN2O+NOmanureN2+ N(P)Odischarge)/(N(P)Ocrop+ N(P)OAnimal-N(P)Ilf) （12）

式中，N(P)PLc+a表示每生产1 kg农牧产品（作物产品+畜禽产品）带来的氮磷损失，NONH3表示种植业氨挥发损失量，NON2表示种植业反硝化损失量，N(P)Orf表示种植业径流侵蚀损失量，N(P)Ole表示种植业淋溶损失量，NOmanureNH3表示养殖业氨挥发量，NOmanure N2O表示养殖业N2O产生量，NOmanure N2表示养殖业反硝化损失量，N(P)Odischarge表示养殖业畜禽氮磷直接排放量，N(P)Ilf表示本地饲料氮磷输入量。

1.4 数据来源

数据来源包括调研数据、统计数据和文献数据3部分。

调研数据：通过与种植户、养殖户面对面的问卷调研方式收集信息。种植户调研内容包括农田养分输入/输出和生产管理。养殖户调研内容包括农场的养分输入/输出、畜禽养殖管理、粪尿管理和还田情况。作物籽粒利用情况、作物秸秆利用情况、畜禽粪尿还田率来自于调研数据（表1）。养殖业NH3排放系数、N2O排放系数、反硝化排放系数和直接排放系数来自调研数据（表2）。

表1 作物籽粒和秸秆利用情况

表2 畜禽排泄系数与养殖系统排放系数

统计数据：栾城区历年人口、化肥投入量、可耕地面积、农作物播种面积及产量、畜禽养殖数量及产量来自于栾城县国民经济统计年鉴（1985—2015）[13]与石家庄统计年鉴（1985—2015）[14]；城市与农村动植物食物人均消费水平来自于河北经济年鉴（1985—2015）[15]。本研究在选取基础数据时考虑了不同畜禽种类的养殖周期差异，养殖周期的数据来自经验与调研数据：生猪、肉牛和肉鸡养殖量选用当年出栏量；奶牛和羊的养殖量选用当年年末存栏量；由于部分统计数据中不包括年末蛋鸡存栏养殖量，故通过鸡蛋产量与FAO中国历年蛋鸡平均产蛋量反推蛋鸡养殖数量。

文献数据：1985—2014年期间栾城区种植业不同作物养分含量、生物固氮、氮沉降、反硝化、NH3和N2O排放系数、反硝化排放系数、氮磷淋溶和径流排放系数采用NUFER模型参数[16-17]（表3）。畜禽产品分配系数（表4）、畜禽产品氮磷养分含量（表5）、畜禽排泄系数（表2）采用NUFER模型[16]。

2 结果

2.1 栾城城郊型农牧生产体系结构变化

栾城区隶属河北省会石家庄，紧邻主城区，随着石家庄城镇化进程加快，其农牧生产体系结构发生了很大变化，逐渐向城郊型农牧生产体系过渡。1985—2014年期间粮食作物的生产比例逐渐缩小，截止2014年占总播种面积比例降低到75%；作为石家庄市“菜篮子”工程的实施区域，栾城区蔬菜播种面积在过去30年中增加了4.6倍（图2-a）。同时畜禽养殖规模在1985—2006年快速发展之后发展速度趋于稳定。截止2014年，畜禽养殖数量为39万标准畜禽单位（折500 kg奶牛），为1985年的10倍；2014年畜禽养殖密度为18 LU/hm2。在此过程中，畜牧业生产结构快速转变，单胃动物（生猪、蛋鸡和肉鸡）绝对数量增加7.5倍，但占畜禽养殖当量的比例较1985年下降15%；反刍动物（奶牛、肉牛和肉羊）绝对数量增加34倍，且所占比例增加2.6倍（图2-b）。

表3 种植业基本参数

表4 畜禽产品分配系数

2.2 栾城区农牧体系氮磷养分流动特征及年际差异

随着栾城区农牧系统养殖结构发生改变，氮磷养分流动特征随之发生变化（图3）。相对于1985年，2014年农牧体系氮磷化肥输入量分别增加了74%和47%；饲料氮进口量从0 Gg（Gg=109g）激增到15 Gg，磷进口量从0.02 Gg增加到3.0 Gg。2014年栾城区种植业到畜牧业氮磷养分循环绝对量分别增加3.1倍和2.7倍，畜牧业粪尿氮磷还田率降低，1985—2014年畜牧业畜禽粪尿氮素还田率由59%降至35%。

图2 1985—2014年栾城区种植业（a）和畜牧业（b）结构变化

表5 畜禽产品养分含量

图3 1985年和2014年栾城区农牧体系氮磷养分流动特征及年际差异

相对于1985年，2014年畜禽产品氮磷输出量分别增加39倍和40倍，农牧体系整体的氮磷损失分别增加4.2倍和8.4倍。2014年畜牧业氮磷排泄量分别为13和3.4 Gg，折合单位耕地面积畜禽粪尿氮磷承载量为588 kg N·hm-2和150 kg P·hm-2，是典型的高环境负荷城郊型农牧生产体系。2014年土壤氮磷累积量已经达到3.0和5.3 Gg·a-1，分别为1985年的2.3倍和2.5倍。1985年栾城区农牧体系的氮磷养分流动均以种植业为主导，种植业是农牧体系外源氮磷养分输入和产品氮磷输出的主体。但是2014年，畜牧业源外源氮磷投入分别占农牧体系外源氮磷投入量的57%和39%，畜牧业源氮磷主产品输出占农牧体系氮磷主产品输出的60%和33%（图3），畜牧业已经成为栾城农牧体系外源氮投入和主产品氮输出的主体。

2.3 栾城区种植业和养殖业氮磷流动特征及历史变化

1985—2002年，栾城区单位耕地面积氮素投入量增加2.2倍，从291 kg·hm-2增至942 kg·hm-2，随后稳定在763 kg·hm-2。输入项中化肥绝对数量增加2.4倍，其投入量占总投入量的54%。输出项中，作物产量30年内增加88%，截至2014年占总氮输出量的46%，单位面积氮盈余量为132 kg·hm-2。氨挥发是氮损失的主要途径，约占2014年总氮损失的41%，淋溶径流侵蚀为第二大氮损失途径（图4-a）。畜牧业单位动物总氮输入平均值为51 kg/LU，年际之间无明显变化，饲料结构显著变化。1985—1992年期间本地饲料为畜牧业氮输入的主要来源（94%），2014年这一比例降低到25%；1993—2003年进口饲料氮输入总量快速增加，其占畜牧业总氮输入量的比例从31%增至75%。1985—2007年单位动物产品平均氮输出量从5.6 kg/LU提高到17 kg/LU，随后保持稳定。1985—2014年，单位动物氮气体损失先增加后减小，平均损失为15 kg/LU，其中氨挥发占87%；氮水体损失从0.15 kg/LU增至8.6 kg/LU，增加了56倍。畜牧业氮损失的主要途径是氨挥发（图4-b）。

图4 栾城区种植业（a）和畜牧业（b）体系氮素流动

1985—2014年磷输入量从112 kg·hm-2增至335 kg·hm-2；化肥为主要输入项，占总磷投入的76%；畜禽粪尿输入占22%。磷素输出项中作物产品磷输出稳定增加，2014年比1985年提高2.3倍；土壤磷累积为主要输出项，单位面积磷累积量从67 kg·hm-2增加到237 kg·hm-2，增加了2.5倍（图5-a）。畜牧业平均磷输入为9.0 kg/LU，进口饲料占畜牧业总磷投入的比例呈递增趋势，由6.9%增至75%。输出项中单位动物磷产品增加2.2倍，畜禽粪尿磷的直接排放从0.09 kg/LU增加到1.9 kg/LU，增加了18倍（图5-b）。

图5 栾城区种植业（a）和畜牧业（b）体系磷素流动

2.4 栾城区农牧系统氮磷利用率与损失历史变化趋势

1985—2014年畜牧业氮利用率稳步增加（14%—30%），种植业和农牧体系氮利用率先降后升，1985—1996年，种植业和农牧系统的氮利用率分别下降33%和57%；1996—2015年，种植业和农牧系统氮利用率逐渐增加并稳定在43%和36%（图6-a）。2014年种植业、畜牧业和农牧系统磷素利用率分别为23%、10%和16%，较1985年分别下降27%、增加132%和降低40%。磷利用率与氮利用率变化趋势相同（图6-b）。

2014年种植业、畜牧业和农牧系统单位产品氮损失分别为0.66、1.4和1.5 kg·kg-1，相比1985年增加27%、减少36%和增加72%。1985—2015年3个不同系统单位产品氮损失先上升后下降，之后趋于平缓，畜牧业单位产品损失高于种植业单位产品损失（图7-a）。2014年种植业、畜牧业和农牧系统单位产品磷损失分别为0.11、1.8和0.75 kg·kg-1。1985—2009年种植业、畜牧业和农牧系统单位产品损失分别增加31%、10倍和5.8倍，随后下降，以养殖业下降比例最大（40%）（图7-b）。

2.5 栾城区农牧体系氮磷利用率和损失的空间分布特征

2014年，西营乡和南高乡农牧系统氮利用率最高，均高于25%，冶河镇的氮利用率最低（郄马镇于2009年不再隶属于栾城镇行政区划）。2014年楼底镇、南高乡、西营乡、柳林屯的农牧系统氮的利用率较1985年增加。楼底镇农牧系统磷的利用率最高，为18%；窦妪镇和柳林屯的磷的利用率较低，不足10%；2014年不同区域农牧系统磷利用率均低于1985年（图8-a、8-b）。农牧系统单位面积氮损失冶河镇最高，窦妪镇其次，均大于250 kg·hm-2；南高乡和西营乡的单位面积氮损失较少。冶河镇2014年氮损失是1985年的6.2倍，远远高于其他乡镇。冶河镇（3.6 kg·hm-2）和窦妪镇（4.4 kg·hm-2）单位面积磷损失量最高，西营乡和南高乡磷损失量最低，低于2.5 kg·hm-2；2014年窦妪镇、冶河镇、西营乡和南高乡的磷损失相对于1985年分别增加了63%、61%、31%和22%（图8-c、8-d）。从区域上来看，区域间整体氮磷损失增加，中心区域向石家庄靠近地区（楼底镇、窦妪镇、冶河镇）氮磷损失迅速增加。

NUEc：作物氮利用率 Nitrogen use efficiency of crop；NUEa：畜禽氮利用率 Nitrogen use efficiency of animal；NUEc+a：农牧系统氮利用率 Nitrogen use efficiency of crop-livestock system；PUEc：作物磷利用率 Phosphorus use efficiency of crop；PUEa：畜禽磷利用率 Phosphorus use efficiency of animal；PUEc+a：农牧系统磷利用率 Phosphorus use efficiency of crop-livestock system

图7 栾城区氮（a）和磷（b）养分环境损失

3 讨论

3.1 栾城农牧系统氮磷流动特征

本研究表明，30年栾城区农田化肥氮磷投入平均为339和164 kg·hm-2，这个值高于粮食作物合理的施氮水平的150—250 kg·hm-2[18]以及全国施磷量平均水平的131 kg·hm-2[19]。这与栾城区城郊型种植业结构有关，栾城区作为河北省会石家庄市的“菜篮子”生产区，蔬菜播面从1985年来呈直线上升趋势，2014年已经占栾城区耕地面积的25%左右，高于全国平均水平（13%）[20]。由于经济作物单位面积化肥施用量普遍高于粮食作物[21]，随着蔬菜播种面积占比增加，栾城区平均氮磷施用水平持续增加并高于全国平均水平。土壤氮磷盈余过多也是目前栾城面临的问题，2014年单位面积氮磷盈余量分别为132和237 kg·hm-2，超过农田建议氮素盈余量指标100 kg·hm-2[22]和全国磷素盈余量平均水平59 kg·hm-2[23]。城郊型农牧业一般都伴随着畜禽养殖密度过高，饲料资源需求和粪尿资源化、无害化需求较高的现象。本研究表明，2014年栾城区畜禽养殖密度高达18 LU·hm-2，而单位面积耕地畜禽粪尿氮磷承载量达到588 kg N·hm-2和150 kg P·hm-2，这是当前栾城区种植业养分投入过高的原因之一。此外，畜牧业由家庭散养、专业化养殖到集约化养殖的转型会提升动物生产效率，提高畜牧业氮磷利用率[24]，这与本文畜牧业氮磷利用率快速增加的规律相吻合。然而，规模化畜牧业发展依赖于大量精饲料以及优质粗饲料投入，如玉米、大豆和苜蓿。当本地生产不能满足高品质饲料需求的时候，进口成为唯一选择。因此，随着栾城畜禽养殖数量持续增加、养殖结构的变化、规模化进程加快以及粮食作物播种面积下降等现象的产生，畜禽养殖主导的饲料进口快速增加。这也与生猪养殖体系规模化程度增加导致的相关饲料进口增加规律一致[12]。规模化畜牧业发展导致的粪尿循环率低和环境排放高也成为当前城郊型畜牧业发展的普遍现象并成为畜牧业未来可持续发展的瓶颈（图3）。

图8 不同区域农牧体系氮磷利用率和损失变化

3.2 栾城农牧系统氮磷利用率

1985—2014年，栾城区种植业、农牧系统氮磷利用率均呈现“先减后增”趋势，这与魏莎等[25]针对北京城郊生猪氮磷利用率变化的研究结果一致。产生这一现象的原因有4点：（1）种植业蔬菜水果播种面积比例逐渐增加占到25%，本研究表明蔬菜水果播种面积比例增加间接导致了种植业与农牧系统养分利用率降低，这与柏兆海等研究结果相一致[26]；（2）农牧体系氮磷利用率为36%和16%，当前畜牧业源的外源投入已经占栾城区农牧体系氮磷总投入的57%和39%，畜牧业主导的养分流动占农牧系统比例快速增加，由于畜牧业氮磷利用率远低于种植业体系，因此随着畜牧业占比越高，农牧体系养分利用率降低；（3）畜牧业规模化程度增加导致的畜牧业养分利用率快速提升，但是外源饲料需求也快速增加，占比达到75%，导致农牧系统养分利用率的降低，与Ma等结果一致[27]；（4）农牧系统分离严重，畜牧业畜禽粪尿循环比例下降，直接排放增加，导致种植业系统仍需要大量外源化肥养分投入，降低农牧系统利用率的同时，增加了环境风险，与张华芳[28]的研究结果一致。而当前种植业、畜牧业以及整个农牧系统单位产品的氮磷损失规律差异主要是由畜牧业氮磷养分利用率和畜禽粪尿链氮磷不同损失特征造成的，如栾城畜牧业中单胃动物比例较高，然而单胃动物无法有效利用植酸磷[29]，因此依赖于外源饲料磷添加剂的投入才能维持高效生产，过量的磷进入环境造成环境风险。

3.3 栾城区农牧生产体系氮磷流动存在问题及建议

当前栾城区农牧系统养分利用率偏低、损失偏高主要源自过高的畜禽养殖密度、农牧分离以及养分管理措施的不合理。首先，应进一步从畜禽粪尿承载量、环境损失等角度确定其最大的畜禽养殖量，并适当淘汰部分落后的畜禽养殖场，以提高畜牧业整体的养分利用率并降低外源饲料养分投入。同时可以对畜禽粪尿进行加工或者无害化处理，降低种植业养分承载压力同时缓解整个区域高环保需求。其他措施如在保证作物生长的前提下将过量的畜禽粪尿通过固液分离、堆肥等处理措施进行区域调控，将畜禽粪尿制成土壤调理剂等输出栾城，也可在一定程度上缓解氮磷环境排放较高的问题[30]。其次，应实行粪尿全链条管理。粪尿全链条管理包括从畜禽饲喂、动物圈舍、粪尿储存、土壤和作物的管理。通过减少气体损失和水体损失，增加畜禽粪尿还田施用率[31]，具体措施包括通过补贴建设低粪尿排放的圈舍和储藏设施，优化粪尿运输和施用技术等可以起到较好的效果[32]。最后，重视并优化种植业蔬菜养分管理和畜牧业单胃动物养分管理问题，通过配方施肥[33]、水肥一体化[34]等先进的施肥技术，以及实行水碳氮综合管理，增加填闲作物等降低蔬菜种植过程的氮磷投入和损失[35]；根据单胃动物生产体况，添加限制性氨基酸和平衡氨基酸[36]提高动物对氮素的消化利用，并在饲料中添加适量植酸酶[37]或平衡钙磷比等[38]提高动物对磷素的消化利用。这些措施的实施将对栾城区可持续城郊型农牧系统具有重要意义。

4 结论

受城镇化驱动和农牧系统生产结构改变的影响，栾城区畜牧业已经成为栾城农牧体系外源氮投入和主产品氮输出的主体。2014年种植业每公顷耕地氮磷投入量分别为763和335 kg，相较于1985年分别增加1.6倍和2.0倍。蔬菜水果播种面积占到25%，饲料进口率达到75%，畜牧业养殖密度达到18 LU/hm2，单位面积耕地畜禽粪尿氮磷承载量达到588 kg N·hm-2和150 kg P·hm-2，但畜禽粪尿氮素还田率降至35%，是典型的高环境负荷的城郊型农牧生产体系。2014年农牧系统氮磷利用率低，分别为36%和16%，栾城区单位面积氮磷盈余量分别为132和237 kg·hm-2，单位农牧产品氮磷损失分别为1.5和0.75 kg·kg-1，相较于1985年分别增加72%和5.8倍。综上所述，栾城区氮磷流动具有高投入、高产出、低氮磷利用率、畜牧业占主导地位和农牧分离的高环境风险特征。

农牧系统氮磷利用率和损失受农牧结构变化和农牧结合程度影响较大，当前农牧系统养分利用率偏低、损失偏高主要源自过高的畜禽养殖密度、农牧分离以及养分管理措施的不合理。确定栾城区合理的畜禽养殖承载量，加强饲养管理，实行粪尿全链条管理等农牧结合措施将对农牧系统可持续发展具有重要意义。

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（责任编辑 岳梅）

Temporal and spatial changes of nutrient flows and losses in the peri-urban Crop-livestocksystem in Luancheng

MA Yifei1, BAI Zhaohai2, MA Lin2, NIE Yongqiang3, JIANG Rongfeng1

(1College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University/Key Laboratory of Plant-Soil Interactions, Ministry of Education, Beijing 100193;2Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences/Hebei Key Laboratory of Water-Saving Agriculture/Key Laboratory of Agricultural Water Resources, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang 050021;3Animal Husbandry and Veterinary Bureau of Luancheng District of Shijiazhuang, Shijiazhuang 051430)

【Objective】 Crop-livestock production structure and their integration rate has been changed greatly in China since the reform and opening policy. These changes have large impacts on the nutrient flows and environmental losses in the crop-livestock production chain. Here, Luancheng district of Hebei province was used as an example to analyze the temporal and spatial changes of crop-livestock production structure and impacts on nutrient flows and losses from 1985 to 2014, and to determine the key impacting factor of nutrient losses in crop-livestock system. These results can be used to improve the understanding of sustainable agriculture not only for Luancheng district, but also for other counties which faced the same situation with Luancheng district. 【Method】the nutrient flows in Luancheng district were analyzed by using NUFER (nutrient flow in the food system, environment and resource) model and field survey. The NUFER model calculated nitrogen (N) and phosphorus (P) flow, use efficiency and environmental losses of crop production system, livestock system, food processing system and household consumption system. Field surveys were conducted through the face-to-face questionnaires to collect information about the nutrient management. The contents of the questionnaires include the production practices and nutrient input-output of crop system, livestock feeding management and manure management practices, manure recycle to crop land and nutrient input-output of the livestock system. 【Result】In 2014, the percentage of vegetable and fruit sown area to the total sown area was 25%, N and P inputs of agricultural land were 763 kg N·hm-2and 335 kg P·hm-2, the average surplus of N and P were 132 kg N·hm-2and 237 kg P·hm-2agricultural land, the livestock density reached up to 18 LU/hm2agricultural land, feed import rate reached to 75%, input of external N and P from livestock production accounted for 57% and 39% of the total external input in crop-livestock system, and output of N and P as main animal products accounted for 60% and 33% of the output in crop-livestock system. All of these indicators indicated that Luancheng district was a typical high environmental loads peri-urban production system. From 1985 to 2014, manure N recycled rate decreased from 59% to 35%. Meanwhile, the nitrogen use efficiency (NUE) decreased from 45% to 43%, and the phosphorus use efficiency (PUE) decreased from 32% to 23% in the crop production during the same period. However, different with that of crop production, the NUE in animal production was increased from 14% to 30%, and the PUE of animal production was increased from 4.4% to 10%. For the whole crop-livestock production system, the NUE decreased from 41% to 36%, and the PUE decreased from 27% to 16%, respectively. In 2014, when 1 kg N was delivered into the crop products, 0.66 kg N lost to environment. Similarly, when 1 kg P was delivered into the crop products, 0.11 kg P lost to environment. The average N and P losses were 1.4 kg N and 1.8 kg P when 1 kg of N and P was retained in animal body, respectively. At the crop-livestock production level, the average N and P losses was 1.5 kg N·kg-1and 0.75 kg P·kg-1. Ammonia was the major N loss pathway both in crop and livestock production, however, manure direct discharge was the main P loss pathway in the crop-livestock production system.【Conclusion】Driven by the urbanization and structure changes of crop-livestock system, the crop-livestock system in Luancheng district has been defined as the high input, high yield, low nutrient use efficiency, livestock dominated, high environmental risk typical and high environmental loads peri-urban production system during the past 30 years. The low nutrient use efficiency and high nutrient losses were due to the high livestock density, decoupled crop-livestock production and irrational nutrient management practices. Therefore, it is important to determine the reasonable livestock production capacity and improve the feed management and implement the whole chain manure management practices to achieve the sustainable crop-livestock production in Luancheng district.

nitrogen; phosphorus; crop-livestock system; nutrient use efficiency; NUFER model

2017-05-12；

2017-07-02

国家自然科学基金面上项目（31572210）、河北省杰出青年基金（D2017503023）、中国科学院百人计划项目

马怡斐，E-mail：15600910801@163.com。

马林，Tel：0311-85810877；E-mail：malin1979@sjziam.ac.cn