北方農牧交錯帶不同區域農牧系統氮素流動特征及環境效應研究進展

廖成松 賈瑞琴

(錫林郭勒職業學院，內蒙古 錫林浩特 026000)

中國北方草地及其毗鄰的農牧交錯帶面積，約占中國大陸區域面積的30%[1]，北方農牧交錯帶處于亞洲季風區的尾部，降水年際變化較大，總體干旱少雨，橫跨甘肅、遼寧、河北、山西、內蒙古等9個省區[2]，土地利用方式隨著自然條件不同而呈現農區、牧區交錯分布特點，屬氣候環境和生態變化的敏感地帶，是研究北方農牧業最具代表性的區域[3]。養分對農牧體系內作物的生長發育和畜禽的繁殖起著至關重要的作用，養分流動特征反映了系統內的營養物質輸入輸出量變化，養分的利用率及其管理效果，以及養分對環境產生的影響[4]。氮(N)素是生命元素，是生態系統養分循環的核心成分之一，是作物生產和畜牧生產的主要限制因子[5]。氮循環是農田生態系統最根本的自然循環，能體現區域農田生產力整體水平[6]。農田生態系統中氮素循環雖然是開放性的，但由于在循環過程中產生大量的氮素損失，不僅會減少氮素數量，還會降低生產力水平，并且對環境產生不利影響。氮素作為農牧系統的重要養分資源，隨著在農業投入中數量的增加，在滿足人類對食物、畜產品需求的同時，也導致了全球性和區域性的氮環境污染[7]?；谏a力水平、社會經濟條件等多種因素，不同區域的氮素流動特征具有一定差異，明確不同區域農牧系統氮素流動特征及其環境效應對于優化區域氮素管理，制定環境污染防治政策措施至關重要。

1 不同區域農牧系統氮素流動特征及環境效應

1.1 東北地區

東北三省作為我國重要的畜牧產品生產基地，東北農牧交錯區是生態脆弱區的典型區域，大量生產農牧產品對養分流動的趨勢具有重要影響。研究表明，1984—2014年，東北地區農牧系統氮素流動特征表現為輸入與輸出量增高、損失率增加、氮素利用率降低的特點。吉林、遼寧、黑龍江氮素總投入量分別由669Gg、746Gg、716Gg升至1899Gg、1572Gg、2256Gg，分別增加了1.8倍、1.1倍和2.2倍[8]。其中，大部分氮素的投入源自化學肥料的施用，黑龍江、吉林、遼寧近30年化肥氮投入量分別增長了56%、72%、70%[8]。從氮素利用狀況來看，大量的氮素并未得到有效利用，土壤累積量仍在持續增加，2014年，黑龍江、吉林、遼寧地區的氮素養分在土壤中的累積量分別達到166Gg、376Gg、83Gg，吉林地區氮素累積量最大。氮素利用率表現為下降趨勢，分別由1984年的26%、36%、52%降至2014年的13%、21%、22%，農田土壤及畜禽糞尿中的氨揮發、淋洗等是氮素損失的主要途徑[8]。

1.2 京津冀地區

京津冀地區人口數量相對稠密，養殖業密度較大，具有較高的氮素資源量和需求量。氮素來源主要包括化肥施用、有機肥施用、大氣沉降和生物固氮。由于該地區人口密度較大，城市化程度較高，氮素流動受到城市污水、工業排放等非農業來源的影響。研究結果顯示，京津冀地區氮素資源總量和需求量分別為324.3萬t和244.0萬t，河北地區氮素資源和需求量占比最大，但北京和天津對氮素的需求量均高于氮素資源量，河北對氮素的需求量低于資源量[9]。在氮素循環體系中輸入的氮素主要是農業生產系統的氮素投入[10]，包括化肥、沉降、生物固氮等的輸入。其中，農業生產系統輸入氮的主要來源是施氮肥，輸出主要是氣體揮發和進入水體的氮素養分。京津冀地區農牧系統氮素投入總量為306.6萬t，河北地區的投入總量在其中占比最大，這3個地區農牧系統的氮素投入中，以化肥的占比最高(62.5%)，其次為外源飼料和沉降、生物固氮[9]。1980—2015年，河北省農田生產體系氮素年均輸入量增加1.9倍，而作物收獲氮量僅增長1.5倍，導致農田氮盈余量和損失量分別增加1.7和1.9倍[11]。從整個農牧體系氮的盈余看，由1980年的35.6萬t增加到2010年的201.8萬t，31年累積盈余氮量4402.7萬t[12]。河北農牧體系氮素流動特征為，氮素輸入量的增加明顯快于產品輸出氮量的增加，氮的環境排放量的快速增加，導致系統氮素大量盈余[11，12]。

北京、天津、河北省的農牧系統中氮素的利用率依次為26.8%、34.6%、34.0%，整體氮素利用率為33.8%，低于全國農牧系統總體氮素利用率(41%)[11]，氮素利用率低可能是由于化肥的投入量過高，過分依賴于外源飼料以及畜禽糞便的還田量低[12]。京津冀地區農牧系統環境排放總量為140.4萬t，是農牧系統總輸出量的45.8%，其中損失量最大的為氨揮發。研究發現，河北地區氮素對大氣和水體的污染是其主要的氮素污染項且增長較快，1980年分別為27.2×104t和6.2×104t，2015年分別為77.5×104t和80.4×104t，分別提高了1.8倍和12.0倍[12]。由于京津冀區域人口數量較多，對氮素的需求也相應較大，所以氮素投入量也會隨之增加，而氮肥的高量投入和低利用率，導致氮素環境排放量遠超30%。其中，雖然河北省資源量、需求量都比較大，但其能源需求量與京津冀地區能源需求比例和資源供給比例并不相符，且北京市的農田系統對氮素的利用率較低，而畜牧系統對氮素的利用率較高，可能由于河北地區長期向京津地區輸送糧食，在糧食產出環節中產生的污染物多數滯留于河北地區，從而造成河北地區環境污染嚴重。

1.3 陜甘寧地區

陜甘寧區域是我國西北重要的生態功能區和糧食主產區，由于該地區干旱少雨，土壤蒸發量較大，氮素淋溶通常較低。1999—2019年陜甘寧區域整體農牧系統中氮素投入量從2.10×107t增至3.66×107t，主要來源于肥料的輸入，1985—2015年，氮肥投入增加了2.5倍[13]。2019年寧夏單位面積氮素投入總量達到635.51kg·hm-2，氨揮發是氮素損失的主要途徑，占2015年氮素損失總量的58%，比1985年增加了91%。淋溶徑流和侵蝕是氮流失的第2大途徑，約占2015年氮流失總量的25%，比1985年增加了39%[13]。寧夏地區氮素流動隨著其種植業和畜牧系統結構的變化而變化，1985—2001年，作物生產的氮素投入增加了78%。李欠欠等[14]以陜西長武縣為試驗點，發現在氮素輸出項中，氮肥投入量越多，不能被作物吸收的氮量越多，氮素盈余量越大，而優化施氮后，土壤氮殘留和氮損失均顯著降低。氮素盈余量與氮肥投入量顯著相關，優化施氮后，氮素盈余量降低了48～88kg·hm-2。2019年整體氮素損失結果表明，氮素主要流失形式是氨揮發以及淋溶、土壤侵蝕、徑流等。整個區域來看，氮素損失量最低的是甘肅省，僅有134.92kg·hm-2。陜西省由于反硝化作用損失的氮素為135.37kg·hm-2。甘肅省的徑流和侵蝕、淋洗損失都最低，僅有10.65kg·hm-2、25.79kg·hm-2[13]。

1.4 內蒙古、山西地區

內蒙古、山西地區氮素來源主要包括化肥施用、有機肥施用、大氣沉降和生物固氮作物。該地區由于地形復雜，氣候多樣，氮素流動特征受到地形、土壤類型和氣候條件的影響。農田系統中，氮素主要通過植物吸收、土壤生物轉化、氮素淋溶和蒸發等途徑流動。畜牧系統中，氮素主要通過飼料攝入，動物代謝和畜禽養殖廢棄物是主要的氮素來源。在農牧生產系統中，主要的氮素投入來自于氮肥，內蒙古來自于氮肥的投入量增長了1.42×106t[15]。隨著化肥零增長政策的實施，施用量保持穩定。外源飼料投氮量逐漸增加，1999—2019年，內蒙古畜牧系統的外部飼料投入量增加了0.85×106t。畜牧生產系統輸出中，主要分為動物產品、動物糞便以及其他部分，1999—2019年，動物主產品氮素輸出量增加了0.19×106t[15]。在畜牧系統中糞便有機肥是氮素損失的主要形式。內蒙古的氮素損失量為447.5kg·hm-2，而由于反硝化作用的影響損失的氮素為224.56kg·hm-2[15]。山西省各區域農田氮素投入極不平衡，呈現西北低、東南高的空間分布特征，氮素輸入主要來源依然是化學氮肥。農田主副產品攜出氮素總量11.02×104t，在氮素總投入量中占38.68%[15]，呈現“啞鈴”式分布特征，即南北兩邊高、中部低。不同縣區氮素流動表現為虧缺與盈余并存。

2 不同區域之間農牧系統氮素流動特征比較

由于中國北方農牧交錯帶地區自然環境惡劣，農牧業生產技術水平也相對較弱，各省區域內普遍存在氮素投放量大，化肥氮素使用占比過高，氮素利用率低的問題。受氣候條件、養殖結構、耕地資源等因素的影響[8]，不同省域間的氮素流動特征略有差異。從氮素的投入比例分析，東北地區氮素投入額最大，但從氮素的輸入輸出均衡分析來看，各區域都有盈余，京津翼地區盈余較高，可能由于東北地區農業發達，農產品栽培規模相對較大，作物種植面積也相對較大，肥料的平均投入量多，而氮素的沉降量也明顯超過其他地區，導致養分的平均投入量偏大，再加上東北地區大規模輸出農牧產品到其他地區，大量養分也隨著農業制品的出口而輸出，剩余營養物質則以廢物的方式積存于本地[9]。京津翼地區由于資源需求與資源提供比例不匹配，化學氮肥施用量大，農牧分離，導致農牧系統呈現外源投入多，氮素利用率低，環境排放高的特點。內蒙古地區畜牧業發達，農作物種植施用大量氮肥及畜禽養殖數量增加對飼料需求會增大，可能導致對氮肥需求量增加，從而造成氮素利用效率低。陜甘寧地區氮素主要以淋溶、徑流的途徑流失，以及通過氨揮發等方式進入大氣。另外，森林越多的地區降雨量越大，氮素的淋失量隨著降雨量的增加而增多，而且在畜禽養殖過程中，用于糞尿還田中的氮逐年減少，導致畜禽類產生的糞便、養殖廢水等直接排放到大氣中或進入水體，導致環境污染風險的增加[13]。

3 展望與建議

3.1 氮素流動及環境效應研究展望

當前，我國北方農牧交錯帶地區面臨著氮素投入量大，氮素利用率低下，氮素高量排放導致環境污染，農牧結合體系氮素利用嚴重脫節的實際問題。本文綜述了北方農牧交錯帶不同區域氮素流動特征及其環境效應研究進展，大多研究是以物質流動分析方法為主，分別對省級及區域尺度農牧生產體系氮素流動特征進行系統分析，綜合評價其帶來的環境污染效應。為推動中國農業的可持續發展，實現化肥零增長，今后農牧系統氮素流動及環境效應研究可以重點從以下幾個方面深入：針對北方農牧交錯帶地區不同作物間的投入產出進行定性定量分析，為進一步優化農牧系統氮素的平衡提供科學依據；深入研究農牧結合的各種有效途徑；對氮素管理優化措施進行實踐檢驗研究，通過檢驗結果對現有策略進行進一步改進和完善。

3.2 優化氮素管理的建議

3.2.1 加強農牧結合，提高氮素利用率

“農牧分離”是農牧生產體系中氮素效益低下的主要因素，主要體現在耕地種植體系和畜牧業生產體系匹配的不合理，以及過高的化肥氮素投放等使畜牧業氮素損失較大，造成農牧系統生產率低、效益低。走農牧結合的道路，是我國提高氮素利用率的關鍵舉措[9]，應當充分利用本地的飼料資源，提高有機肥的還田率，降低因“農牧分離”導致的生產率低、效益低風險，從而推動農牧業的可持續發展。

3.2.2 平衡施氮，減少土壤氮素盈余

氮磷搭配使用是降低氮素損失和提升化肥使用效益的關鍵舉措。農牧結合體系中，應盡量減少化學肥料的施用[11]，將動物糞尿處理后回田，有機肥與化肥配合使用，適當限制化肥氮的投入量，以降低土壤中氮素的盈余。以養分綜合利用、合理的種植結構和施肥方法，根據作物需求與土壤供應規律確定不同的管理策略。土壤中氮素損失主要通過氨揮發和淋洗，而對于這一問題，就需要根據當地的作物類型因地制宜，選用合適的肥料種類和施肥方法，并根據具體作物制定合理的種植方案，或者采取有效措施改善土壤質地[12]。

3.2.3 增加氮素內部循環，實現污染零排放

鼓勵建設具有充足占地面積且能夠向周邊土地消納動物排泄物能力的畜禽養殖場，將畜禽糞便、污水等經過處理后能夠全部實現循環再利用，實現污染零排放[13]。在畜禽排泄物堆置處理時，也可調節堆肥的碳氮比，使用物理或化學添加劑調整堆肥pH，以增加飼料中的蛋白質、氨基酸利用效率，進而間接降低氮素排放量；或者接種微生物，利用“農田-食用菌”模式促進農田作物的廢棄秸稈通過食用菌體系還田，從而加快銨態氮向其他形式氮素的轉化[14]。

3.2.4 轉變生產方式，促進氮素循環利用

有效應用科學技術，提高產品質量，增加氮的利用率。改善種植業發展重點方向，優化作物生產養分管理技術，引進科學種植模式，注重農田化肥的合理投入，加強種植與畜牧業一體化程度[15]，通過科學技術的綜合運用，提高產品質量從而有效提高氮素的利用率。