土 壤(Soils), 2020, 52(5): 1001–1010libs
DOI: 10.2020.05.018
王巧佳, 韩睿明, 蔡祖聪, 等. 小兴安岭典型农田生产–畜禽养殖系统氮素流动特征. 土壤, 2020, 52(5): 1001–1010.
小兴安岭典型农田生产-畜禽养殖系统氮素流动特征①
王巧佳1，韩睿明2*，蔡祖聪1,3，黄黄1，刘金娥2，许安2，叶晓枫2
(1 南京师范大学地理科学学院，南京 210023；2 南京师范大学环境学院，南京 210023；3 江苏省物质循环与污染控制重点实验室，南京 210023)
摘要：为了解小兴安岭地区农田生产-畜禽养殖系统氮素投入与利用情况，以伊春市带岭区为研究区域，采用物质流分析方法，分析了2007—2015年该区氮素输入、迁移、转化和输出过程，核算了该地区农田生产与畜禽养殖氮素流动通量、流动效率及环境负荷。结果表明：2007—2015年带岭区农田生产系统与畜禽养殖系统单位面积氮素流动通量均呈上升趋势，且在2007—2012年上升幅度较大；畜禽养殖数量、农作物种植结构是影响带岭区氮素流动通量的重要因素；农田生产系统氮素利用率平均为64%，作物能较有效利用氮素；畜禽养殖系统氮素利用率约为19%，存在着较大提升空间；带岭区环境氮负荷呈现逐
年增加趋势，畜禽养殖数量增加过快，粪尿氮素损失是环境氮负荷增加的主要原因。建议加强畜禽养殖科学管理，合理控制养殖规模，提高粪尿利用率，同时尽可能减少化肥氮投入，促进农田生产-畜禽养殖系统向高效、可持续方向发展。
关键词：带岭区；农田生产；畜禽养殖；氮素梯级流动；环境负荷
中图分类号：X171.1 文献标志码：A
Characteristics of Nitrogen Flow in Typical Crop Production-Livestock Breeding System in Xiaoxing'an Mountains
reasonWANG Qiaojia1, HAN Ruiming2*, CAI Zucong1, 3, HUANG Huang1, LIU Jin’e2, XU An2, YE Xiaofeng2
(1 School of Geography, Nanjing Normal University, Nanjing 210023, China; 2 School of Environment, Nanjing Normal University, Nanjing 210023, China; 3 Jiangsu Key Laboratory of Material Circulation and Pollution Control, Nanjing 210023, China)
Abstract:To understand the input and utilization of nitrogen in crop production-livestock breeding system in the area of Xiaoxing'an Mountains of northeast China, Dailing District of Yichun City was s
elected as the study area. The material flow analysis method was ud to decipher the process of nitrogen input, migration, transformation and output, nitrogen flux, production efficiency and environmental load in crop production-livestock breeding system were calculated. The results showed that from 2007 to 2015, nitrogen flux per unit area of the crop production system and the livestock breeding system tended to increa, which was more obvious from 2007 to 2012. The quantity of livestock breeding and cultivation structure of crops were important factors affecting nitrogen flux. The average nitrogen utilization rate of crop production system was 64%, indicating that crops could effectively u nitrogen. The nitrogen utilization rate of livestock breeding system was only about 19%, which remained large space to promote. The environmental nitrogen load incread year by year, which was attributed to nitrogen loss of manure and urine resulted from the rapid increasing number of livestock breeding. To reduce the environmental nitrogen load for the efficient and sustainable development of the crop production and livestock breeding systems, it is necessary to strengthen the management of livestock breeding, reasonably control the number of livestock and poultry, improve the utilization of manure and urine, meanwhile reduce the input of fertilizer-sourced nitrogen.
Key words: Dailing district; Crop production; Livestock breeding; Nitrogen cascade; Environmental lo
ad 人为源活性氮排放量的增加，导致水体富营养化、温室效应等全球生态环境问题日益加剧。研究认①基金项目：国家重大科学研究计划项目(2014CB953801)资助。
1002 土壤第52卷
为，农业氮肥是最大的人为活性氮来源，协调好活性氮在农业生产和生态环境保护中的作用是世界各国共同面临的严峻挑战[1-2]。Galloway和Cowling[3]研究表明，氮肥进入作物生产系统，通过梯级流动，仅有14% 的氮素以植物食品氮的形式进入人体；若农作物产品氮以饲料形式进入畜禽养殖系统，最终只有4% 的氮素以动物食品氮的形式进入人体，即大部分氮素流失进入环境。我国以占世界7% 的耕地，保障了世界20% 人口的粮食供应，为此每年施用了全世界近1/3的氮肥，成为全球活性氮制造量和氮肥消费量最大的国家[4-6]。有研究指出，过去40 a我国化肥施用量的增速远远超过粮食产量的增速，而氮肥利用效率却相对较低，与世界平均水平相比低10% 左右[7]。巨晓棠和谷保静[8]进一步指出我国农田氮肥施用的主要问题是施肥过程中和施肥后的严重损失。另一方面，我国畜禽粪尿氮素总体呈“快速增加(1978—2005年)-保持稳定(2006—2016年)”的变化态势。2002年我国畜禽粪便产生氮总量为1 680万t，相当于当年全国化肥投入氮素总量(2 506万t)的66%，若按50% 的粪尿氮养分环境容量(85 kg/hm2)计算，全国可增加粪尿氮养分还田量为2 520.21万t，其中黑龙江省畜禽粪尿还田潜力最大[9-10]。
如何提高农田生产和畜禽养殖过程的氮素利用率、减少农业活性氮排放是现阶段我国农业生产亟待解决的问题。目前我国不同地区、不同施氮水平的农业生产系统氮素利用率存在较大差异[11]，为便于对地区农业氮素利用情况进行比较研究，进一步补充我国农业氮素利用效率基础数据库，本文以位于东北小兴安岭南麓的伊春市带岭区作为研究区域，该区域自然资源丰富，植被群落类型复杂多样，耕种面积、农业人口、种植结构、种植模式相对稳定，经济发展水平较低，工业污染少，能够更好地反映农业生产系统氮素投入与利用情况。研究带岭区活性氮梯级流动通量及利用效率，有利于揭示东北小兴安岭地区农田-畜禽系统氮素利用现状，为提高氮素在各个流动环节中的利用率提供依据，同时为其他地区农业生产氮素利用研究提供参考。
1 材料与方法
1.1 研究区域概况溏心风暴主题曲
带岭区(46°50′ ~ 47°21′ N，128°37′ ~ 129°18′ E)位于小兴安岭南麓，为黑龙江省伊春市下辖区，也是(图1)，植被类型丰富，属于中温带，大陆性季风气候，全年平均气温1.4℃，无霜期115 d左右[12]。受西伯利亚冷空气和太平洋季风的双重影响，夏季湿润而温暖，冬季漫长且寒冷干燥。该区域土壤呈中性偏酸性，pH多为6.0 ± 0.5，土壤有机质含量较高，有机碳含量在30 ~ 50 g/kg，不同土地利用类型有机质含量差异较大，土壤每年11月中旬封冻，翌年4月中旬解冻。带岭区占地面积1 042 km2，农
作物总播种面积约13.4 km2，种植结构较为单一，主要农作物为玉米、大豆和少量蔬菜，部分玉米作为本地养殖业饲料，大豆外销；畜禽养殖维持一定规模，主要畜禽养殖种类有猪、牛、鸡、鸭和鹅。
图1 研究区域地理位置
妒忌是什么意思Fig. 1 Location of study area
1.2 研究方法
1.2.1 研究系统边界 本文以农田生产系统和畜禽养殖系统为研究对象，探究氮素梯级流动通量、效率及环境负荷。研究系统边界如图2所示，农田生态系统氮素输入项为化肥、种子、秸秆、生物固氮、粪尿肥、干湿沉降以及灌溉水，输出项为籽粒、秸秆和进入环境的氮素。其中籽粒输出项又细分为作口粮、作饲料和其他，秸秆输出项细分为还田、作饲料、作燃料以及田间焚烧。籽粒作口粮部分氮素可分为食品、肥料、饲料以及其他。畜禽养殖系统氮素输入项为农田生产系统产出的饲料粮、秸秆作饲料、口粮作饲料、畜禽养殖产生的畜禽骨和副产物作饲料、家庭生活产生的厨余垃圾作饲料以及进口饲料(不属于研究区域生产的饲料)。畜禽养殖系统氮素输出项为蛋、奶、肉、骨作食品，骨和副产品作饲料以及进入环境
第5期 王巧佳等：小兴安岭典型农田生产–畜禽养殖系统氮素流动特征 1003
图2 研究系统边界
Fig. 2 Boundary of study system
1.2.2 氮素流动项目参数来源 氮素流动相关研究表明，建立“农田生产-畜禽养殖”系统模型，定量估算氮素的环境负荷，对解决氮素流失和环境污染问题具有重要指导价值[13-16]。
本研究将氮素流动系统边界定义为“农田生产-畜禽养殖”系统。基本信息资料来自2008—2016年《伊春统计年鉴》，以及第一次全国污染源普查数据。2014年、2015年对研究区域进行农户入户调查，验证
数据准确性。收集以下资料：①农作物播种面积、种类及产量；②化肥施用量；③籽粒产量、籽粒分别作口粮、饲料比例及其他去向；
④秸秆还田、作燃料、作饲料、田间焚烧比例；⑤牲畜和禽类的种类、产量；⑥城镇人口与乡村人口数量。
建立氮素梯级流动系统涉及参数包括：秸秆籽粒比、秸秆含氮量、不同农田固氮速率、干湿沉降速率、灌溉水含氮量、化肥径流损失率、化肥淋溶损失率、有机肥径流损失率、有机肥淋溶损失率、化肥氨挥发率、化肥反硝化率、有机肥氨挥发率、有机肥反硝化率、各畜禽肉和骨及副产物所占比例与含氮量、各畜禽粪便与尿液含氮量。详细参数情况见表1农田生产系统部分参数以及表2畜禽养殖系统部分参数。
表1 农田生产子系统部分参数[17-35]
Table 1 Parameters of crop production system
数值 数值 参数名称 单位
玉米
大豆
蔬菜
参数名称
单位
玉米
大豆
蔬菜籽粒氮含量 % 1.38 5.50 0.22 生物固氮速率 N ，kg/(hm 2·a) 15.00 45.00
15.00秸秆籽粒比 -
1.60 1.00 0.10
氨挥发/化肥施氮量
% 24.70 15.0015.00秸秆氮含量 % 0.92 1.81 0.25 氨挥发/有机肥施氮量 % 20.00 20.0020.00籽粒氮作口粮 % 7.00 100.00 5.00 反硝化(N 2)/化肥施氮量 % 17.00 17.0024.00籽粒氮作饲料 % 74.00 0.00 30.00 反硝化(N 2)/有机肥施氮量% 20.00 20.0020.00籽粒氮其他去向 % 19.00 0.00 65.00
反硝化(N 2O)/施氮量
% 1.30 1.30 1.30 口粮氮作食品 % 25.00 23.00 60.00 径流损失/化肥施氮量 % 7.00 7.00 1.10 口粮氮作肥料 % 0.00 20.00 0.00 径流损失/有机肥施氮量 % 20.00 20.0020.00口粮氮作饲料 % 73.00 55.00 38.00 淋溶损失/化肥施氮量 % 12.10 7.4030.00口粮氮其他去向 % 2.00 2.00 2.00 淋溶损失/有机肥施氮量 % 5.00 5.00 5.00 秸秆氮还田 % 32.00 17.00 90.00 大气氮沉降速率 N ，kg/(hm 2·a) 12.93 秸秆氮作饲料 % 27.00 34.00 10.00 灌溉水含氮量
N ，kg/(hm 2·a)
6.60
秸秆氮作燃料 % 30.00 44.00 0.00 秸秆氮田间焚烧
公共事业管理考研% 11.00 5.00 0.00
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表2 畜禽养殖子系统参数[9, 19, 20, 23-24, 36]
Table 2 Parameters of livestock breeding system
数值
参数名称单位
猪奶牛羊家禽牛个体质量kg 100.00
477.00
45.40
2.02
462.00 肉比例% 60.00
- 55.00 65.00 45.00 肉含氮量% 2.80
- 3.30 3.40 3.10 骨比例% 13.00
- 24.00 20.00 20.00 骨含氮量% 1.90
- 1.90 2.60 1.80 副产品比例% 27.00
-
21.00 15.00 35.00 副产品含氮量% 2.20
clazziquai- 2.20 1.50 2.20 蛋含氮量% - - - 2.10 -
奶含氮量% - 0.50 - - -
粪便氮排泄量N，kg/(头· a) 7.58 29.34 4.81 0.37 29.34
尿液氮排泄量N，kg/(头· a) 3.93 19.45 0.94 -19.45
粪尿还田比例% 18.00
27.00
11.50
11.00
27.00
粪尿挥发比例% 22.90
17.90
26.20
25.40
17.90
粪尿进入水体比例% 44.60
29.1
password是什么
52.10
55.80
29.10
1.2.3 氮素流动项目算法 活性氮梯级流动的项目算法主要包括3种：①氮素含量乘数量；②单位面积氮素含量乘面积；③氮素流动比例法。各子系统氮素流动项目的具体算法详见表3 ~ 表6。计算单位面积氮素流动通量时，以带岭区行政面积作为分母，行政面积包含耕地、林地及建设用地等面积。
表3 农田生产子系统氮输入项算法
Table 3 Formula of nitrogen input in crop production subsystem 氮输入项计算公式
化肥作物施氮水平×作物种植面积
种子播种面积×种子播种量×种子氮含量
秸秆还田籽粒产量×秸秆籽粒比×秸秆氮素含量×秸秆还田率
生物固氮豆科种植面积×豆科固氮速率+非豆科种植面积×非豆科固氮速率
畜禽粪尿畜禽存/出栏数×粪尿排泄量×粪尿氮素含量×还田率
人粪尿人口数×粪尿氮素排泄量×还田率
大气沉降耕地面积×大气氮沉降速率
灌溉水灌溉面积×灌溉水氮素含量
表4 农田生产子系统氮输出项算法
简繁转换
bitting
Table 4 Formula of nitrogen output in crop production subsystem 氮输出项计算公式
籽粒籽粒产量×籽粒氮素含量
秸秆籽粒产量×秸秆籽粒比×秸秆氮素含量
化肥/有机肥氨挥发化肥/有机肥施氮量×化肥/有机肥氨挥发损失率
化肥/有机肥反硝化化肥/有机肥施氮量×化肥/有机肥反硝化损失率
化肥/有机肥径流损失化肥/有机肥施氮量×化肥/有机肥径流损失率
化肥/有机肥淋溶损失化肥/有机肥施氮量×化肥/有机肥淋溶损失率
盈余于土壤的氮素农田生产子系统氮素输入-籽粒氮输出-秸秆氮输出-进入大气氮-进入水体氮
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表5 畜禽养殖子系统氮输入项算法
Table 5 Formula of nitrogen input in livestock breeding subsystem
氮输入项计算公式
饲料粮籽粒产量×籽粒氮含量×饲用比例
contract秸秆饲料籽粒产量×秸秆籽粒比×秸秆氮含量×饲用比例
口粮饲料籽粒产量×籽粒氮含量×籽粒作口粮比例×饲用比例
厨余垃圾作饲料人均厨余垃圾产生量×人口数×厨余垃圾氮含量×厨余垃圾作饲料比例
畜禽副产物作饲料畜禽副产物产量×畜禽副产物氮含量×畜禽副产物作饲料比例
骨作饲料畜禽骨产量×骨氮含量×骨作饲料比例
表6 畜禽养殖子系统氮输出项算法
Table 6 Formula of nitrogen output in livestock breeding subsystem
氮输出项计算公式
蛋、奶蛋、奶产量×氮含量
肉畜禽存/出栏数×活体重×肉所占比例×肉氮含量
骨畜禽存/出栏数×活体重骨所占比例×骨氮含量
畜禽副产品畜禽存/出栏数×活体重×副产品所占比例×副产品氮含量
畜禽粪尿作肥料畜禽存/出栏数×粪尿排泄量×粪尿氮含量×还田比例
畜禽粪尿进入大气畜禽存/出栏数×粪尿排泄量×粪尿氮含量×挥发比例
畜禽粪尿进入水体畜禽存/出栏数×粪尿排泄量×粪尿氮含量×进入水体比例
1.2.4 氮素流动效率指标 氮素利用率是衡量氮素流动效率的重要指标。氮素利用率指氮素在系统中的利用效率，即氮素产品输出与输入的比率[37]。农业生产系统氮素利用率是指植物食品氮生产量与农田生产系统氮投入量的百分比，即农田生产系统籽粒输出项中进入食品的氮素与化肥、粪尿肥、生物固氮、干湿沉降等氮素输入总和之比。畜禽养殖系统氮素利用率是指动物食品氮生产量与畜禽养殖系统氮投入量的百分比，即畜禽养殖系统输出的蛋、奶、肉及作为食品的骨和副产品所含氮素与各类饲料氮素输入总和之比。2 结果与讨论
2.1 农田种植结构与畜禽养殖数量变化
带岭区城镇化水平较低，农田以粮食作物种植为主。2007—2015年带岭区农田种植结构和畜禽养殖数量变化如图3所示。农作物种植结构发生变化，表现为大豆种植面积快速上升，取代了大部分蔬菜种植面积。2009年以后，大豆种植面积有所下降，而玉米、蔬菜等面积呈缓慢上升趋势。畜禽养殖数量的增加在整个研究期内表现得尤为明显，2007—2015年家禽养殖数量增长了2.7倍，猪的养殖数量增长了
图3 农田种植结构(A)和畜禽养殖数量(B)变化
Fig. 3 Changes in farmland cultivation structure(A)and livestock breeding number(B)
