江蘇省農牧系統磷元素流動特征及其影響因素分析*

余 樂, 郭浩浩, 付 陽, 趙洪偉**

江蘇省農牧系統磷元素流動特征及其影響因素分析*

余 樂1, 郭浩浩2, 付 陽3, 趙洪偉2**

(1. 江蘇農牧科技職業學院 泰州 225300; 2. 海南大學生態與環境學院 ?？?570228; 3. 海南大學動物科技學院 ?？?570228)

探明江蘇省農牧系統磷素流動特征及其影響因素, 可為農牧生產體系可持續發展提供理論依據。通過文獻調研、數據分析等方式, 結合NUFER(NUtrient flows in Food chains, Environment and Resources use)模型, 定量分析了江蘇省1998—2018年間農牧生產體系的磷素流動特征, 明確了農牧系統磷元素流動影響因素。結果表明: 1998—2018年, 江蘇省農牧系統磷素輸入總量由423.19 Gg下降至382.86 Gg, 主要減少的輸入項為化肥和外源飼料, 其中單位耕地面積化肥磷素投入量由78.78 kg?hm?2降至67.27 kg?hm?2, 外源飼料磷供應量由58.07 Gg降至46.54 Gg; 農牧系統輸出項中, 磷素輸出總量由194.24 Gg增至255.06 Gg, 主要輸出項為作物主產品和動物副產品, 其中作物主產品磷素攜出量增幅較大, 由77.53 Gg增至131.86 Gg; 農田生產子系統的磷素利用率由31.82%上升至52.46%, 畜牧生產子系統的磷素利用率變化較小, 維持在27.67%~35.31%。農牧系統磷素利用率趨勢與農田生產子系統的利用率趨勢較為一致, 由16.55%上升至32.24%; 單位農牧產品磷素損失呈下降趨勢, 由0.26 kg(P)?kg?1下降至0.12 kg(P)?kg?1。1998—2018年間, 江蘇省農牧業發展迅速, 磷素總輸入量逐年下降, 農牧產品產量逐年上升, 磷素環境總損失量(徑流、侵蝕、淋溶和糞尿損失)逐年下降。受化肥投入量減少、測土配方、種植及養殖結構調整等因素影響, 農牧系統磷素利用率略高于全國平均水平, 養分管理取得初步成效, 但仍有一定的進步空間。為促進江蘇省農牧業可持續發展, 應進一步控制磷肥輸入、加大有機肥和本地飼料輸入量、提高秸稈和畜禽糞便綜合利用率、調整種植結構和養殖布局, 發展小麥、玉米、水蜜桃、草莓種植業, 限制蛋鴨養殖業。

磷素; 江蘇省; 農牧系統; NUFER模型

磷元素對動植物的生長及人類營養和健康都是必不可少的[1-2], 然而自然界中磷元素含量相對較低, 難以滿足中國日益增長的食品需求。為了緩解人口快速增長而帶來的糧食生產壓力, 自20世紀70年代以來, 中國開始大量施用磷肥[3]。這雖然在一定程度上緩解了糧食生產的壓力, 卻帶來了新的問題, 一方面人類的大肆開采加速了磷礦的消耗[4-5], 另一方面隨著磷肥大量施用、畜禽糞尿不合理排放, 大量的磷元素堆積在土壤或通過徑流等途徑進入水體, 導致土壤質量不斷下降[6]、水體富營養化[7]乃至周邊環境的富磷污染[8]。因此, 在農牧業生產過程中, 需要減少磷元素投入, 提高磷元素利用效率, 實現對磷元素的全程優化管理。

目前, 國內外已有不少學者做了相關研究。Wolf等[9]利用STONE模型模擬了磷在土壤中的遷移過程以及磷的淋溶對水體的影響, 為制定環境排放的法律法規提出了從施肥到儲存環節的詳細建議。Senthilkumar等[10]利用物質流分析方法, 量化了法國土壤磷流動對農業生產系統的依賴程度。Papangelou等[11]同樣利用物質流分析方法繪制了布魯塞爾首都地區糧食系統磷和能量流向, 并以情景分析評估磷和能量流以及系統的循環水平。Van Dijk等[12]以食物消費-生產-廢物鏈和非食物流為基礎分析了歐盟各國的磷流動, 為提高磷利用效率提出建議。Ma等[13]構建了食物鏈養分流動模型(NUFER, NUtrient flows in Food chains, Environment and Resources use), 并利用NUFER模型研究我國水稻(L.)、小麥(L.)和玉米(L.)生產中的磷流動和磷利用效率, 提出提高磷循環措施并評價了其對磷素利用效率的影響[14]; 張建杰等[15]將ArcGIS與之結合, 分析山西省11個地市的農牧生產體系磷空間變化特征以及環境風險, 提出以提高農牧系統耦合程度、提升磷素利用效率來實現養分的高效利用。張曉萌等[16]的研究發現東北三省的磷素利用率差異較大, 提出可通過東北三省之間協調管理, 優化資源配置, 實現可持續發展。劉東暉等[17]發現受種植結構調整的影響, 福建省化肥投入加劇, 磷素利用率下降, 農牧系統分離程度加強。

江蘇省自2011年起化肥施用量逐年下降, 測土配方工作取得一定進展, 磷素利用效率升高。為進一步了解江蘇省養分管理所取得的成效, 需要明確其養分流動特征。此外, 江蘇地處少有人研究的長三角地區, 氣候同時具有南方和北方的特征?；诖? 本文以江蘇省農牧生產系統的磷元素流動為切入點, 通過文獻調研、數據分析等方式, 結合NUFER模型, 對1998—2018年間江蘇農牧生產體系磷素流動進行定量分析, 以期為江蘇農牧生產體系磷元素優化管理和可持續發展提供科學依據。

1 材料及方法

1.1 研究區概況

江蘇地處東部沿海地區, 是長江三角洲地區的重要組成部分(116°18′~121°57′E、30°45′~35°20′N)。陸域面積達10.72萬km2。地形以平原為主, 主要由蘇北平原、黃淮平原、江淮平原、濱海平原、長江三角洲平原組成; 湖泊眾多, 地跨長江、淮河兩大水系。江蘇地屬東亞季風氣候區, 處在亞熱帶和暖溫帶的氣候過渡地帶, 氣候溫和, 雨量適中, 四季分明。1998—2018年間, 江蘇省農牧業持續地向著綠色協調的方向發展, 種植、養殖結構不斷調整, 2018年農業生產總值達3735.02億元, 瓜果蔬菜的產量為6559.98萬t; 畜牧業生產總值達1091.31億元, 牲畜出欄量為1128.97萬頭, 家禽出欄量為54 201萬只。

1.2 研究方法

本文以適用于國家或區域尺度上養分流動研究的NUFER模型[18]為基礎, 以“土壤-作物-畜牧”系統為研究邊界, 以磷素流動為研究對象, 定量研究江蘇省農牧生產體系磷素流動情況。在本研究中, 江蘇省的地理邊界即為農牧生產體系的區域邊界, 主要包括農田生產子系統和畜牧生產子系統兩個部分,主要的研究內容包括磷元素的輸入、輸出和系統內磷循環。

1.3 計算方法

本文所研究的農田生產子系統磷元素輸入項包括化肥輸入、干濕沉降、農田灌溉、秸稈還田、糞尿還田等; 農田生產子系統輸出項包括作物產品輸出、環境損失(土壤徑流、侵蝕、淋溶)等; 動物生產子系統磷元素輸入項包括外源飼料、本地飼料等; 動物生產子系統輸出項包括動物產品輸出、糞尿損失等; 農牧生產系統輸入項包括外源飼料、化肥輸入、干濕沉降、農田灌溉; 農牧生產系統輸出項包括動物產品輸出、糞尿輸出、作物產品輸出、環境損失。體系內循環包括秸稈還田、糞尿還田和本地飼料輸入等。為了更加直觀地對比畜禽養殖規模的變化情況, 本文將奶牛作為標準單位LU (livestock unit), 其他動物分別按照以下比例核算成標準牛數量[19]: 肉牛, 0.8∶1; 豬, 0.3∶1; 羊, 0.1∶1; 蛋禽, 0.014∶1; 肉禽, 0.007∶1, 并將糞尿還田之外的糞尿損失視為全部進入水體[20]。此外, 本文所涉及的單位面積均為單位耕地面積。

1.3.1 農田生產子系統

輸入項計算方法:

C=fer+irr+de+st+am(1)

式中:C表示農田生產子系統磷素輸入總量,fer表示化肥磷素輸入量,irr表示農田灌溉磷素輸入量,de表示干濕沉降磷素輸入量,st表示秸稈還田磷素輸入量,am表示糞尿還田磷素輸入量。文中所涉及的磷素輸入、輸出量為磷元素折純量, 復合肥中的磷肥按照1∶1∶0.8的比例核算[21]。

輸出項計算方法:

ac=C?C?rf?le(2)

式中:ac表示土壤磷素累積量,C表示作物攜出磷素總量,rf表示磷素徑流、侵蝕量,le表示磷素淋溶損失量。

1.3.2 畜牧生產子系統

輸入項計算公式:

LF=(Cm+Cb)×feed(3)

Cb=mpro×gs×bpro(4)

IF=A?LF(5)

式中:LF表示本地飼料磷素輸入量,Cm表示作物主產品磷素攜出量,Cb表示作物副產品磷素攜出量,feed表示飼用比例,mpro表示作物主產品產量,gs表示草谷比,bpro表示作物副產品含磷量,IF表示外源飼料磷素輸入量,A表示動物體系磷元素需求量。

輸出項計算公式:

A=Ampro+Abpro+am+sa(6)

式中:A表示磷輸出量,Ampro表示動物主產品攜出磷量,Abpro表示動物副產品收獲磷量,am表示動物糞尿含磷量,sa表示動物活體儲存磷量。

1.3.3 磷素利用率

PUEc=Cm/C(7)

PUEa=Ampro/(LF+IF) (8)

PUEc+a=(C+Ampro?Cm×feed)/(fer+irr+de+IF) (9)

式中:PUEc表示農田生產子系統磷素利用率, PUEa表示畜牧生產子系統磷素利用率, PUEc+a表示農牧生產系統磷素利用率。

1.4 數據來源

本文所涉及的數據主要來自統計數據、文獻調研。

統計數據: 1998—2018年江蘇省主要農作物產量及種植面積、耕地面積、灌溉面積、化肥使用量、主要畜禽的存欄量、出欄量等數據均來自于中國農村統計年鑒[22]、中國畜牧獸醫年鑒[23]、江蘇統計年鑒[24]。

文獻調研: 作物主副產品含磷量、還田率、飼用比例等農田生產子系統相關參數詳見表1; 干濕沉降、淋溶、徑流侵蝕等相關參數詳見表2; 主要畜禽飼養周期、鮮重、糞尿排磷量、各部分占比及含磷量等畜牧生產子系統相關參數詳見表3。

表1 江蘇省農田生產子系統主要農作物相關參數

表2 自然條件下江蘇省農田生產子系統磷素輸入輸出項基本參數

2 結果與分析

2.1 江蘇省1998—2018年農田、畜牧生產子系統磷素流動變化情況

1988年江蘇省單位耕地面積化肥磷素投入量為78.78 kg?hm?2, 1988—2018年間呈緩慢下降趨勢, 逐漸降至67.27 kg?hm?2, 下降了14.61%; 化肥在農田生產子系統輸入項的比例維持在84.27%~86.90% (圖1A)。1988—2018年間, 有機肥單位耕地面積磷素投入量維持在9.21~10.72 kg?hm?2, 其在農田生產子系統輸入項中的比例略有波動, 維持在9.43%~11.60%; 灌溉水輸入與沉降的單位耕地面積磷素投入量基本保持不變, 其比例也基本不變(表2)。農田生產子系統的單位耕地面積磷素輸入總量也呈逐漸下降趨勢, 由1988年的92.80 kg?hm?2下降至2018年的79.82 kg?hm?2, 下降13.99%, 磷素輸出總量的變化趨勢與之相同。在輸出項方面, 單位耕地面積土壤磷素累積量呈下降趨勢, 由1988年的57.83 kg?hm?2下降至2018年的34.68 kg?hm?2, 下降40.03%, 其在輸出項中的比例也由1988年的62.31%下降至2018年的43.45%; 而單位耕地面積的作物磷素收獲量呈上升趨勢, 由1988年的29.53 kg?hm?2上升至2018年的41.87 kg?hm?2, 增長率為28.76%, 其在輸出項中的比例也由31.82%上升至52.46%。單位耕地面積的徑流、侵蝕、淋溶磷素輸出量維持在3.26~5.44 kg?hm?2, 其比例維持在4.09%~ 6.12%。

表3 江蘇省畜牧生產子系統主要畜禽相關參數

圖中正值表示輸入, 負值表示輸出。In the figure, the negative values are output, the positive values are input.

在畜牧生產子系統(圖1B)輸入項中, 單位動物外源飼料磷量呈下降趨勢, 由4.24 kg?LU?1下降至3.21 kg?LU?1, 其比例由73.07%下將至69.02%;單位動物本地飼料磷量由1.56 kg?LU?1下降至1.44 kg?LU?1, 其比例由26.93%升至30.98%。在輸出項方面, 單位動物糞尿、動物產品、廢水磷素攜出量均有小幅度下降, 分別由2.76 kg?LU?1、1.83 kg?LU?1、1.21 kg?LU?1下降至2.24 kg?LU?1、1.59 kg?LU?1、0.82 kg?LU?1, 單位動物糞尿磷素攜出的比例保持在47.96%左右, 動物產品比例有小幅度上升, 廢水排放的比例有小幅度下降。單位輸入、輸出總量整體呈下降趨勢, 由5.80 kg?LU?1下降至4.65 kg?LU?1, 下降19.83%。

2.2 江蘇省1998年和2018年農牧生產系統磷素流動變化情況

1998年和2018年江蘇省農牧系統磷素輸入總量分別為423.19 Gg和382.86 Gg, 下降9.53%(圖2)。在輸入項方面, 1998年化肥磷素輸入量為350.42 Gg, 占輸入項82.80%, 2018年化肥磷素輸入量為320.44 Gg, 占輸入項83.70%, 化肥磷素輸入量持續下降, 但化肥始終是農牧系統輸入項的主要來源。外源飼料磷量為58.07 Gg, 占輸入端13.72%, 至2018年, 外源飼料磷量為46.54 Gg, 占比12.16%。畜牧生產子系統的磷素輸入量下降, 灌溉、沉降等磷素輸入項略有波動。磷素輸出項方面, 作物產品攜出量由131.36 Gg增長至199.47 Gg, 增幅達51.73%;動物產品攜出量略有下降, 糞尿損失和徑流侵蝕淋溶均有不同幅度下降, 分別由11.06 Gg和24.20 Gg降至9.23 Gg和15.55 Gg, 下降了16.55%和35.74%。農牧系統磷素損失下降29.72%。農牧系統內磷素循環量整體有幅度波動, 糞尿還田量略有下降。

2.3 江蘇省農牧生產系統磷素循環及利用率

1998—2018年間, 除1998年, 其余年份農牧生產體系磷素循環量變化不大(圖3A), 保持在13.36 kg?hm?2左右。秸稈還田和本地飼料的單位流動量較為一致, 可分為兩個階段, 1998—2003年呈下降趨勢, 分別由4.71 kg?hm?2和4.81 kg?hm?2下降至3.16 kg?hm?2和3.13 kg?hm?2; 2003—2018年呈上升趨勢, 分別由3.16 kg?hm?2和3.13 kg?hm?2上升至4.33 kg?hm?2和4.38 kg?hm?2。糞尿還田單位流動量呈緩慢波動下降趨勢, 由6.00 kg?hm?2下降至2018年的4.88 kg?hm?2。

農田生產子系統的磷素利用率呈上升趨勢(圖3B), 由1988年的18.78%上升至2018年的34.68%, 畜牧生產子系統的磷素利用率變化較小, 維持在3.56%~5.59%之間。農牧生產系統磷素利用率趨勢與農田生產子系統的利用率趨勢較為一致, 整體呈上升趨勢, 由1988年的16.55%上升至2018年的32.34%。單位農牧產品磷素損失呈下降趨勢, 與農田生產子系統、農牧生產系統磷素利用率變化趨勢相反, 由0.26 kg(P)?kg?1下降至0.12 kg(P)?kg?1。

3 討論

3.1 江蘇省農牧生產系統磷素流動驅動力分析

人均GDP是衡量社會經濟發展程度的重要指標,圖4A和4B說明隨著經濟的發展, 江蘇省農牧業會逐步走上可持續發展道路。隨著人們生活水平的不斷提高, 民眾對于肉類、蔬菜、水果等較高價值產品需求量不斷增加, 農戶、養殖戶會逐漸放棄產出較低價值的產品, 生產附加值較高的產品。在農業政策、市場調節的影響下, 1988—2018年間江蘇省蔬菜和水果的產量分別由391.1萬t和144.4萬t增長至5652.9萬t和934.1萬t。除此之外, 經濟的發展會促使農牧業走向綠色發展的道路, 1998—2018年間, 江蘇省化肥磷素輸入在農田生產子系統輸入項中的比例始終維持在84.27%以上, 低于海南島地區的89.08%[37]; 通過政府指導農民改進施肥技術, 開展測土配方工作, 增施有機肥、生物肥, 江蘇省化肥使用量逐年下降, 單位農牧產品磷素損失也呈下降趨勢。圖4C和4D表明江蘇省小麥、玉米、水果、蔬菜種植面積的增加與化肥磷投入、磷素總損失量呈負相關, 小麥、玉米、水果、蔬菜等種植規模的改變促使化肥磷素投入降低, 同時也促使農牧系統的磷元素損失降低。與此同時, 江蘇省農田生產子系統單位耕地面積作物收獲量、作物收獲總量不減反增, 這主要與種植結構的調整有關, 1998—2018年間, 江蘇省的小麥、玉米、蔬菜等作物的種植面積增大, 水稻、薯類、大豆(L.)等作物的種植面積減小, 小麥、玉米等作物的收獲投入比(主產品含磷量與成長過程中吸收磷量之比)相對較大(小麥0.44, 玉米0.43, 蔬菜0.44[28,32]), 而水稻、薯類、大豆等作物的相對較小(水稻0.18, 薯類0.044, 大豆0.20[28,32]), 更高效地利用了磷素, 這也與鄭微微等[38]的研究結果相互印證。1998—2018年間, 江蘇省單位耕地面積磷素施用水平維持在67.27 kg·hm?2以上, 遠高于歐盟19.5 kg·hm?2[35]的標準, 高于全國均值50.14 kg·hm?2[39], 高于浙江(32.79 kg·hm?2)、江西(55.88 kg·hm?2)、福建(62.80 kg·hm?2)等地[39], 磷素施用水平位居全國前列。過量的磷肥投入使得土壤磷素累積過高, 隨著江蘇省種植結構的調整、磷肥施用量減少, 土壤磷素累積量逐年下降, 由57.83 kg·hm?2降至34.68 kg·hm?2。因此, 控制磷肥輸入、合理施用磷肥、調整種植結構是減少環境磷素損失的有效方法。1988—2018年間, 受農牧業發展情況的影響, 農牧系統進入水體的磷元素總量呈下降趨勢, 由35.26 Gg降至24.78 Gg, 農業生產子系統的徑流、侵蝕、淋溶趨勢保持一致, 環境損失的比例由68.64%降至62.73%, 仍是排放到水體中磷素的主要來源。圖4E和4F表明家禽、豬的LU占比與總的飼料輸入磷量正相關, 與單位畜禽產品的磷損失量顯著負相關, 畜禽養殖的規模調整仍然無法避免飼料總量的增長, 卻使得單位畜牧產品的磷損失量不斷降低。江蘇省的畜牧業規模從1.38×107LU發展到1.45×107LU, 其中豬、家禽的養殖數量均有不同幅度的上漲, 牛、羊的養殖數量有所下降, 飼料需求總量卻呈下降趨勢。其主要原因是以家禽這種飼養周期短、飼料產出投入比較高的漸漸取代牛羊這類飼料產出投入比低的。1998—2018年間, 外源飼料的占比不斷下降, 本地飼料的占比逐漸上升, 但外源飼料的比例仍保持在69.02%以上, 成為畜牧業主要的養分來源。糞尿還田的比例自1998年起, 常年維持在71.20%左右, 是福建50%[17]還田比例的1.42倍, 其主要原因是江蘇省政府所積極倡導的綠色農業觀念以及嚴格的畜禽養殖污染治理、養殖廢棄物資源化利用要求。

受農牧系統結構調整的影響, 江蘇省農牧生產體系的磷素循環量整體呈下降趨勢, 本地飼料在畜牧生產子系統輸入項中的比例有所上升, 在農田生產子系統作物收獲中的比例卻有所下降, 畜牧生產子系統養殖規模沒有萎縮, 畜牧生產子系統中的飼料利用率有所提升, 本地飼料取得了一定的發展。江蘇省農田生產子系統、畜牧生產子系統、農牧生產系統磷素利用率逐年上升, 與單位農牧產品磷素損失呈下降趨勢相互印證。農田生產子系統的磷素利用率與農牧生產子系統的利用率變化趨勢較為一致, 表明農牧系統的磷素利用率變化主要取決于農田生產子系統。2018年江蘇省農田生產子系統、畜牧生產子系統、農牧生產系統磷素利用率分別為34.68%、5.59%、32.34%, 高于福建(16.6%、4.7%、15.0%)[17]、海南(13.86%、4.78%、13.09%)[37]、東北(農牧系統磷素利用率: 黑龍江10%、吉林9%、遼寧14%)[16]等地, 農田、畜牧子系統磷素利用率低于全國水平(37%、17%), 但其農牧系統磷素利用率略高于全國水平(30%)[40]。作物種植結構的調整以及測土配方工作致使江蘇省農田生產子系統磷素利用率大幅度增加, 環境損失減少; 而畜牧生產子系統磷素利用率小幅度上升, 其主要原因是畜牧業規?；B殖程度的提高, 使得畜牧業的養分管理能力增加, 更高效的使用飼料, 減少磷素損失。

3.2 磷素管理措施分析

江蘇省的養分管理情況相較其他省市而言已經取得了一定的成效, 但依然存在一些不足, 故提出以下建議:

加強作物養分管理, 提升磷肥綜合利用率。實現養分管理首先要控制化肥輸入, 而控制化肥施用強度是其關鍵措施[41], 在農業生產中重點控制施用強度較大的小麥、蔬菜、水果, 而在種植區域方面則要著重控制施用強度較大的蘇北地區。盡管江蘇省已經開展了相應的測土配方工作, 但并未覆蓋完全, 存在著進一步提升的空間, 合理調整不同作物在各個生長發育時期的施肥比例, 多次、少量施肥[38]。積極推動、應用現有的技術, 可在不使用更多肥料和其他投入的情況下, 使小麥和玉米的產量分別增加45%和70%[42]?？梢栽诹私猱數貙嶋H情況的基礎上, 因地制宜, 發展相應的種植業, 優化種植業布局, 優先種植收獲投入比較高的作物, 調整農業種植結構, 實行作物輪作制度, 緩解單一作物長期連作帶來的土壤肥力下降、板結問題[6], 提高化肥利用效率。此外, 需鼓勵農民使用有機肥, 合理施用緩控釋肥, 減少養分損失, 將養分供應與作物養分需求同步, 將養分管理與良好的土壤耕作輪作間作、新作物品種的使用、作物飼養和灌溉管理實踐相結合。在糧食作物方面, 鼓勵種植小麥、玉米等糧食作物; 經濟作物可結合江蘇省特色農產品優勢區, 發展水蜜桃(L.)、草莓(Duch.)種植業[43-44]。

加強對農牧生產過程中廢棄物的綜合利用程度,建立農牧業循環生產體系, 實現資源循環利用[45]。江蘇省的畜牧業較為依賴外源飼料, 本地飼料的發展不足, 可將動物生產遷往農村地區, 充分利用作物副產品[46], 提高本地飼料發展水平, 增強有機肥對肥料的補充、替換作用。畜禽養殖規模與周圍農作物種植面積相配套[47], 采取“種養結合、生態還田”模式, 將畜牧業與有機食品、綠色食品聯系起來, 生產高附加值的農牧產品。此外, 可以收集畜禽糞便, 提高畜禽糞便綜合利用率, 減少糞尿污染, 通過沼氣池、有機肥生產等形式使之資源化、能源化[48]。還可以調整畜禽養殖比例, 泰國牲畜生態系統的總體質量平衡表明[49], 蛋雞養殖業磷素損失最大, 而生產每噸產品磷素損失最大的是蛋鴨養殖業。因此, 可根據本地實際情況計算出每千克動物產品的環境負荷, 對畜禽養殖進行一定的調整, 限制蛋鴨養殖業等, 從而降低生態環境壓力。

4 結論

1998—2018年間, 江蘇省農牧生產系統磷素總輸入量逐年下降, 農牧產品產量逐年上升, 磷素環境總損失量(徑流、侵蝕、淋溶和糞尿損失)逐年下降。農田生產子系統單位耕地面積磷素累積量逐年下降, 磷素利用率逐年上升。畜牧生產子系統外源飼料需求量下降, 畜禽糞便損失減少, 磷素利用率小幅度增加?？傮w而言, 江蘇省農田生產子系統和畜牧生產子系統磷素管理能力低于全國平均水平, 受化肥投入量減少、測土配方、種植及養殖結構調整等因素影響, 農牧生產系統綜合管理能力略高于全國平均水平, 系統耦合性較高, 磷素利用率較高, 養分管理取得初步成效。江蘇省的養分管理應進一步控制化肥輸入、加大農牧系統內部養分循環、提高秸稈和畜禽糞便綜合利用率, 調整種植結構和養殖布局, 發展小麥、玉米、水蜜桃、草莓種植業, 限制蛋鴨養殖業。

[1] GRAMES J, ZOBOLI O, LANER D, et al. Understanding feedbacks between economic decisions and the phosphorus resource cycle: a general equilibrium model including material flows[J]. Resources Policy, 2019, 61: 311–347

[2] WANG Z H, HARTMANN T E, WANG X H, et al. Phosphorus flow analysis in the maize based food-feed-energy systems in China[J]. Environmental Research, 2020, 184: 109319

[3] MA L, ZHANG W F, MA W Q, et al. An analysis of developments and challenges in nutrient management in China[J]. Journal of Environmental Quality, 2013, 42(4): 951–961

[4] ZOBOLI O, LANER D, ZESSNER M, et al. Added values of time series in material flow analysis: the Austrian phosphorus budget from 1990 to 2011[J]. Journal of Industrial Ecology, 2016, 20(6): 1334–1348

[5] YANG Y J, LUAN W X, XUE Y N. Sustainability and environmental inequality: effects of animal husbandry pollution in China[J]. Sustainability, 2019, 11(17): 4576

[6] LI H, HUANG G, MENG Q, et al. Integrated soil and plant phosphorus management for crop and environment in China. A review[J]. Plant and Soil, 2011, 349(1/2): 157–167

[7] BAI Z H, MA L, QIN W, et al. Changes in pig production in China and their effects on nitrogen and phosphorus use and losses[J]. Environmental Science & Technology, 2014, 48(21): 12742–12749

[8] 韓張雄, 董亞妮, 王曦婕, 等. 設施蔬菜地施用磷肥對土壤及環境中磷素積累的影響研究現狀[J]. 中國農業信息, 2016(20): 70–72 HAN Z X, DONG Y N, WANG X J, et al. Effect of phosphorus application on phosphorus accumulation in soil and environment in greenhouse vegetable field[J]. China Agricultural Information, 2016(20): 70–72

[9] WOLF J, BEUSEN A H W, GROENENDIJK P, et al. The integrated modeling system STONE for calculating nutrient emissions from agriculture in the Netherlands[J]. Environmental Modelling & Software, 2003, 18(7): 597–617

[10] SENTHILKUMAR K, NESME T, MOLLIER A, et al. Regional-scale phosphorus flows and budgets within France: The importance of agricultural production systems[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2012, 92(2): 145–159

[11] PAPANGELOU A, ACHTEN W M J, MATHIJS E. Phosphorus and energy flows through the food system of Brussels Capital Region[J]. Resources, Conservation and Recycling, 2020, 156: 104687

[12] VAN DIJK K C, LESSCHEN J P, OENEMA O. Phosphorus flows and balances of the European union member states[J]. Science of the Total Environment, 2016, 542: 1078–1093

[13] MA L, MA W Q, VELTHOF G L, et al. Modeling nutrient flows in the food chain of China[J]. Journal of Environmental Quality, 2010, 39(4): 1279–1289

[14] MA W Q, MA L, LI J H, et al. Phosphorus flows and use efficiencies in production and consumption of wheat, rice, and maize in China[J]. Chemosphere, 2011, 84(6): 814–821

[15] 張建杰, 郭彩霞, 李蓮芬, 等. 農牧交錯帶農牧系統氮素流動與環境效應——以山西省為例[J]. 中國農業科學, 2018, 51(3): 456–467 ZHANG J J, GUO C X, LI L F, et al. Nutrient flow and environmental effects on crop-livestock system in farming- pastoral transition zone—A case study in Shanxi Province[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2018, 51(3): 456–467

[16] 張曉萌, 王寅, 焉莉, 等. 東北地區農牧系統氮、磷養分流動特征[J]. 中國農業科學, 2018, 51(3): 417–429 ZHANG X M, WANG Y, YAN L, et al. Characteristics of nitrogen and phosphorus nutrient flow in farming and animal husbandry system in northeast China[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2018, 51(3): 417–429

[17] 劉東暉, 張世昌, 楊靜, 等. 1985—2015年福建省農牧系統磷素流動特征及影響因素[J]. 中國農業科學, 2020, 53(7): 1419–1431 LIU D H, ZHANG S C, YANG J, et al. Characteristics and influencing factors of phosphorus flows in the crop-livestock system of Fujian Province from 1985 to 2015[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2020, 53(7): 1419–1431

[18] 馬林. 中國食物鏈氮素流動規律及調控策略[D]. 保定: 河北農業大學, 2010 MA L. Mechanism and regulatory strategies of nitrogen flow in food chain of China[D]. Baoding: Hebei Agricultural University, 2010

[19] BAI Z H, MA W Q, MA L, et al. China’s livestock transition: Driving forces, impacts, and consequences[J]. Science Advances, 2018, 4(7): eaar8534

[20] ZHAO Z Q, QIN W, BAI Z H, et al. Agricultural nitrogen and phosphorus emissions to water and their mitigation options in the Haihe Basin, China[J]. Agricultural Water Management, 2019, 212: 262–272

[21] 李書田, 金繼運. 中國不同區域農田養分輸入、輸出與平衡[J]. 中國農業科學, 2011, 44(20): 4207–4229 LI S T, JIN J Y. Characteristics of nutrient input/output and nutrient balance in different regions of China[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2011, 44(20): 4207–4229

[22] 國家統計局農村社會經濟調查司. 中國農村統計年鑒—2019[M]. 北京: 中國統計出版社, 2019 Rural Socioeconomic Investigation Department, National Bureau of Statistics of China. The China Rural Statistical Yearbook 2019[M]. Beijing: China Statistics Press, 2019

[23] 中國畜牧獸醫年鑒編輯委員會. 中國畜牧獸醫年鑒(1999—2019)[M]. 北京: 中國農業出版社, 1999—2019 Editorial Committee of China Animal Husbandry and Veterinary Yearbook. China Animal Husbandry and Veterinary Yearbook(1999?2019)[M]. Beijing: China Agriculture Press, 1999?2019

[24] 江蘇省統計局, 國家統計局江蘇調查總隊. 江蘇統計年鑒(1999—2019)[M]. 北京: 中國統計出版社, 1999—2019 Jiangsu Provincial Bureau of Statistics, Survey Office of National Bureau of Statistics in Jiangsu. Jiangsu Statistical Yearbook (1999?2019)[M]. Beijing: China Statistics Press, 1999?2019

[25] 楊月欣. 中國食物成分表, Book 1[M]. 北京: 北京大學醫學出版社, 2009 YANG Y X. List of Chinese Food Ingredients, Book 1[M]. Beijing: Peking University Medical Press, 2009

[26] 范興安. 芝麻不同生育時期植株營養吸收與土壤養分的動態變化[J]. 河南農業科學, 1998, 27(12): 11–12 FAN X A. Dynamic changes of plant nutrient absorption and soil nutrient in different growth stages of sesame[J]. Journal of Henan Agricultural Sciences, 1998, 27(12): 11–12

[27] 陸若輝, 李有香, 徐群英, 等. 6種經濟作物生物體養分含量分析[J]. 浙江農業科學, 2017, 58(4): 621–622 LU R H, LI Y X, XU Q Y, et al. Analysis of nutrient content of six cash crops[J]. Journal of Zhejiang Agricultural Sciences, 2017, 58(4): 621–622

[28] 劉曉永. 中國農業生產中的養分平衡與需求研究[D]. 北京: 中國農業科學院, 2018 LIU X Y. Study on nutrients balance and requirement in agricultural production in China[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2018

[29] 畢于運, 高春雨, 王亞靜, 等. 中國秸稈資源數量估算[J]. 農業工程學報, 2009, 25(12): 211–217 BI Y Y, GAO C Y, WANG Y J, et al. Estimation of straw resources in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2009, 25(12): 211–217

[30] 劉曉利. 我國“農田—畜牧—營養—環境”體系氮素養分循環與平衡[D]. 保定: 河北農業大學, 2005 LIU X L. Nitrogen cycling and balance in “agriculture-livestock-nutrition-environment” system of China[D]. Baoding: Hebei Agricultural University, 2005

[31] 許俊香. 中國“農田—畜牧—營養—環境”體系磷素循環與平衡[D]. 保定: 河北農業大學, 2005 XU J X. Phosphorus cycling and balance in “agriculture-animal husbandry-nutrition-environment” system of China[D]. Baoding: Hebei Agricultural University, 2005

[32] MA L, VELTHOF G L, WANG F H, et al. Nitrogen and phosphorus use efficiencies and losses in the food chain in China at regional scales in 1980 and 2005[J]. Science of the Total Environment, 2012, 434: 51–61

[33] 武蘭芳, 歐陽竹, 謝小立. 我國典型農區耕地承載畜禽容量對比分析[J]. 自然資源學報, 2013, 28(1): 104–113 WU L F, OUYANG Z, XIE X L. Carrying capacity of livestock in cropland of two typical regions dominated by agriculture in China[J]. Journal of Natural Resources, 2013, 28(1): 104–113

[34] 張藤麗, 焉莉, 韋大明. 基于全國耕地消納的畜禽糞便特征分布與環境承載力預警分析[J]. 中國生態農業學報(中英文), 2020, 28(5): 745–755 ZHANG T L, YAN L, WEI D M. Characteristic distribution of livestock manure and warning analysis of environmental carrying capacity based on the consumption of cultivated land in China[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2020, 28(5): 745–755

[35] 張建杰, 郭彩霞, 張一弓, 等. 山西省農牧生產體系磷流動空間變異特征[J]. 中國生態農業學報, 2016, 24(5): 553–562 ZHANG J J, GUO C X, ZHANG Y G, et al. Spatial characteristics of phosphorus flow in crop-livestock production systems in Shanxi, China[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2016, 24(5): 553–562

[36] 馬怡斐, 柏兆海, 馬林, 等. 欒城城郊型農牧系統養分流動與環境排放時空特征[J]. 中國農業科學, 2018, 51(3): 493–506 MA Y F, BAI Z H, MA L, et al. Temporal and spatial changes of nutrient flows and losses in the peri-urban crop-livestock system in Luancheng[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2018, 51(3): 493–506

[37] 丁尚, 郭浩浩, 宋晨陽, 等. 海南島農牧生產體系磷元素流動時空變化特征[J]. 中國農業科學, 2019, 52(5): 860–873 DING S, GUO H H, SONG C Y, et al. Temporal and spatial variation characteristics of phosphorus element flows in the crop-livestock production system of Hainan Island[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2019, 52(5): 860–873

[38] 鄭微微, 易中懿, 沈貴銀. 江蘇農業生產化肥減量施用的路徑與措施[J]. 貴州農業科學, 2017, 45(2): 95–99 ZHENG W W, YI Z Y, SHEN G Y. Paths and measures of reducing chemical fertilizer application in agricultural production in Jiangsu[J]. Guizhou Agricultural Sciences, 2017, 45(2): 95–99

[39] 國家統計局, 中華人民共和國生態環境部. 中國環境統計年鑒(1999—2019)[M]. 北京: 中國統計出版社, 1999—2019 National Bureau of Statistics, Ministry of Ecology and Environment of the People’s Republic of China. China Environmental Statistics Yearbook (1999?2019)[M]. Beijing: China Statistics Press, 1999?2019

[40] BAI Z H, MA L, MA W Q, et al. Changes in phosphorus use and losses in the food chain of China during 1950?2010 and forecasts for 2030[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2016, 104(3): 361–372

[41] JIAO X Q, ZHANG H Y, MA W Q, et al. Science and Technology Backyard: a novel approach to empower smallholder farmers for sustainable intensification of agriculture in China[J]. Journal of Integrative Agriculture, 2019, 18(8): 1657–1666

[42] MA L, BAI Z H, MA W Q, et al. Exploring future food provision scenarios for China[J]. Environmental Science & Technology, 2019, 53(3): 1385–1393

[43] 農業農村部國家林業和草原局國家發展改革委財政部科技部自然資源部生態環境部水利部. 農業農村部國家林業和草原局國家發展改革委財政部科技部自然資源部生態環境部水利部關于認定中國特色農產品優勢區(第三批)的通知[EB/OL]. [2020-04-16]. http://www.moa.gov. cn/nybgb/2020/202003/202004/t20200416_6341685.htm Ministry of Agriculture and Rural Areas of the People’s Republic of China, National Forestry and Grassland Administration, National Development and Reform Commission, Ministry of Finance of the People’s Republic of China, Ministry of Science and Technology of the People’s Republic of China, Ministry of Natural Resources of the People’s Republic of China, Ministry of Ecology and Environment of the People’s Republic of China, Ministry of Water Resources of the People’s Republic of China on the identification of the advantageous areas of agricultural products with Chinese characteristics (the third batch)[EB/OL]. [2020-04-16]. http://www.moa. gov.cn/nybgb/2020/202003/202004/t20200416_6341685.htm

[44] 江蘇省農業農村廳市場與信息化處. 2020年江蘇省特色農產品優勢區名單公示[EB/OL]. 江蘇省農業農村廳, [2020-08-05]. http://nynct.jiangsu.gov.cn/art/2020/8/5/art_ 11977_9341524.html Market and Information Department of Jiangsu Agriculture and Rural Department. Announcement of the List of Advantageous Areas of Characteristic Agricultural Products in Jiangsu Province in 2020[EB/OL]. Department of Agriculture and Countryside of Jiangsu Province, [2020-08-05]. http:// nynct.jiangsu.gov.cn/art/2020/8/5/art_11977_9341524.html

[45] CHADWICK D R, WILLIAMS J R, LU Y L, et al. Strategies to reduce nutrient pollution from manure management in China[J]. Frontiers of Agricultural Science and Engineering, 2020, 7(1): 45

[46] 魏莎, 柏兆海, 吳迪梅, 等. 都市圈“土壤-飼料-動物”系統養分流動與環境效應——以北京市為例[J]. 中國農業科學, 2018, 51(3): 430–441 WEI S, BAI Z H, WU D M, et al. Nutrient flow and environmental effects of “soil-feed-livestock” system in metropolis: A case study in Beijing[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2018, 51(3): 430–441

[47] 冀名峰, 辛國昌, 劉光明, 等. 中德環境友好型畜牧業發展比較: 現狀和對策——中德農業政策對話工作組赴德國、荷蘭調研報告[J]. 世界農業, 2019(2): 15–19 JI M F, XIN G C, LIU G M, et al. Comparison of the deve-lopment of environment friendly animal husbandry between China and Germany: current situation and countermeasures[J]. World Agriculture, 2019(2): 15–19

[48] STROKAL M, JANSSEN A B G, CHEN X P, et al. Green agriculture and blue water in China: reintegrating crop and livestock production for clean water[J]. Frontiers of Agricultural Science and Engineering, 2020: DOI:10.15302/j-fase- 2020366

[49] PRATHUMCHAI N, POLPRASERT C, ENGLANDE A J Jr. Phosphorus distribution and loss in the livestock sector—The case of Thailand[J]. Resources, Conservation and Recycling, 2018, 136: 257–266

Phosphorus flow characteristics and its influencing factors on the crop-livestock system of Jiangsu Province*

YU Le1, GUO Haohao2, FU Yang3, ZHAO Hongwei2**

(1. Jiangsu Agri-animal Husbandry Vocational College, Taizhou 225300, China; 2. College of Ecology and Environment, Hainan University, Haikou 570228, China; 3. College of Animal Science and Technology, Hainan University, Haikou 570228, China)

To provide a theoretical basis for the sustainable development of the crop-livestock production system in Jiangsu Province, this study explored phosphorus flow and its influencing factors. Literatures research, data analyses, combined with the NUFER model (NUtrient flow in the Food chain, Environment, and the Resource use) were used to quantitatively analyze phosphorus flow and its influencing factors in the crop-livestock production system of Jiangsu Province from 1998 to 2018. The total phosphorus inputs of the crop-livestock production system from 1998 to 2018 decreased from 423.19 Gg to 382.86 Gg, and the main reduced inputs were chemical fertilizer and exogenous feed. The fertilizer input per unit cultivated area decreased from 78.78 kg?hm?2to 67.27 kg?hm?2, and the supply of exogenous feed phosphorus decreased from 58.07 Gg to 46.54 Gg. The total output of phosphorus increased from 194.24 Gg to 255.06 Gg. The dominant output items were main crop products and animal by-products; the main crop products increased from 77.53 Gg to 131.86 Gg. The phosphorus utilization rate of the agricultural production subsystem increased from 31.82% to 52.46%, and the livestock production subsystem remained between 27.67% and 35.31%. The results showed that the phosphorus utilization rate of the crop-livestock production system was consistent with that of the agricultural production subsystem, which increased from 16.55% to 32.24%; phosphorus loss per unit of crop-livestock products decreased from 0.26 kg(P)?kg?1to 0.12 kg(P)?kg?1. From 1998 to 2018, crop-livestock husbandry in Jiangsu Province developed rapidly, the total phosphorus input decreased annually, the output of crop-livestock products increased annually, and the total phosphorus loss to the environment (runoff, erosion, leaching, and manure loss) decreased annually. Reductions in chemical fertilizer input, fertilization based on soil testing formula, and planting and breeding structure adjustments led to a slightly higher utilization rate of phosphorus in the crop-livestock production system compared to the national level. Thus, nutrient management had achieved preliminary results, but there was still some room for improvement. To promote the sustainable development of crop-livestock husbandry in Jiangsu Province, it is necessary to further control phosphate fertilizer input, increase the input of organic fertilizer and local feed, improve the comprehensive utilization rate of straw and livestock manure, adjust the planting structure and breeding layout, develop planting, and restrict breeding.

Phosphorus; Jiangsu Province; Crop-livestock production system; NUFER model

10.13930/j.cnki.cjea.200526

余樂, 郭浩浩, 付陽, 趙洪偉. 江蘇省農牧系統磷元素流動特征及其影響因素分析[J]. 中國生態農業學報(中英文), 2021, 29(5): 781-791

YU L, GUO H H, FU Y, ZHAO H W. Phosphorus flow characteristics and its influencing factors on the crop-livestock system of Jiangsu Province[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2021, 29(5): 781-791

X2; X171

* 江蘇省“青藍工程”優秀教學團隊(蘇教師函[2020]10號)、江蘇省現代農業(花卉)產業技術體系泰州推廣示范基地(JATS[2020]350)、校級橫向課題配套項目(NSFHP201911)和海南省重大科技項目(ZDKJ2017002)資助

趙洪偉, 研究方向為養分管理與農業面源污染防治。E-mail: hwzhao@hainanu.edu.cn

余樂, 研究方向為養分資源管理。E-mail: 19870869@qq.com

2020-05-26

2021-01-27

* This study was supported by the Excellent Teaching Team and Blue Project of Jiangsu Province (Letter from Jiangsu Teachers [2020]10), Taizhou Extension and Demonstration Base of Modern Agricultural (Flower) Industrial Technology System in Jiangsu Province (JATS[2020]350), the Horizontal Project in the Level of School (NSFHP201911) and the Key Science and Technology Program of Hainan Province (ZDKJ2017002).

, E-mail: hwzhao@hainanu.edu.cn

May 26, 2020;

Jan. 27, 2021