李曉琳，鄭毅

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云南省農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)氮素流動(dòng)時(shí)空變化特征與環(huán)境效應(yīng)

李曉琳，鄭毅

（西南林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，昆明 650224）

【目的】研究云南省農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)的氮素流動(dòng)途徑并評(píng)價(jià)其環(huán)境效應(yīng)，提高農(nóng)牧業(yè)氮素利用率，改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，為制定符合云南省農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)律的政策提供科學(xué)依據(jù)，實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。【方法】通過運(yùn)用食物鏈養(yǎng)分流動(dòng)模型（nutrient flows in food chains, environment and resources use，NUFER），從時(shí)間序列的角度分析1995—2014年云南省農(nóng)牧業(yè)氮素養(yǎng)分流動(dòng)時(shí)間分異特征，結(jié)合GIS，從空間格局角度分析2014年云南省16個(gè)地州農(nóng)牧業(yè)氮素養(yǎng)分流動(dòng)空間分布特征。【結(jié)果】1995—2014年云南省農(nóng)牧系統(tǒng)氮素投入量逐年遞增，從1995年的2.1×106t增至2014年的3.5×106t。氮肥的施用和飼料進(jìn)口是造成農(nóng)牧系統(tǒng)氮素投入量增加的主要原因。農(nóng)田主產(chǎn)品吸氮量與動(dòng)物生產(chǎn)系統(tǒng)主產(chǎn)品吸氮量在時(shí)間上呈現(xiàn)同向增長(zhǎng)的關(guān)系，農(nóng)產(chǎn)品吸氮量1995—2014年間上漲2.1倍，動(dòng)物生產(chǎn)系統(tǒng)主產(chǎn)品吸氮量上漲8.5倍，其中2000年、2006年變化最為劇烈。云南農(nóng)牧業(yè)快速發(fā)展的過程中，由于作物播種面積擴(kuò)大、栽植技術(shù)提高，畜牧業(yè)養(yǎng)殖規(guī)模擴(kuò)大，模式改良所引起的氮素吸收效率提高。云南省農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)氮素流動(dòng)表現(xiàn)出極大的不平衡性；氮素投入呈現(xiàn)放射式分布特征，中心投入量高，四周投入量逐漸遞減。吸氮量則表現(xiàn)出與區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r相協(xié)同的特點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)吸氮量較高，經(jīng)濟(jì)發(fā)展滯后的區(qū)域，吸氮量較低。由于地形條件引起的徑流、侵蝕、淋洗，以及由于施肥方式不合理所引起的氨揮發(fā)是導(dǎo)致農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)中氮素?fù)p失的重要原因。根據(jù)云南省氮素投入、吸收和損失規(guī)律，可將各地州劃分為高投入高排放（大理、昆明、紅河）、高投入低排放（曲靖、麗江、楚雄等）、低投入高排放（迪慶、昭通等）和低投入低排放（怒江、普洱）4大類型?！窘Y(jié)論】云南省傳統(tǒng)施肥方式導(dǎo)致施肥過量，大量肥料通過氨揮發(fā)的方式排入大氣中，動(dòng)物養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的糞尿中氮素通過徑流、淋溶進(jìn)入水體，造成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)濟(jì)效益的降低、環(huán)境污染。從空間格局上看，大理、昆明、紅河的氮素?fù)p失較高。今后亟需改進(jìn)化肥施用方式，提高化肥利用率，改進(jìn)畜牧業(yè)養(yǎng)殖模式，提高糞尿有機(jī)還田的數(shù)量。針對(duì)主要區(qū)域重點(diǎn)治理，采用因地制宜的農(nóng)牧體系氮素優(yōu)化管理技術(shù)、增加糞尿養(yǎng)分循環(huán)和提高氮養(yǎng)分效率，減少氮素向大氣和水體中的排放數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)牧體系氮素的合理循環(huán)。

農(nóng)牧系統(tǒng)；氮流動(dòng)；NUFER模型；環(huán)境效應(yīng)；云南省

0 引言

【研究意義】氮素是一切生命組成所必需的成分，它通過氨基酸、氮氧化合物等不同載體的形式沿著食物鏈的方向流動(dòng)，對(duì)氮元素管理的好壞直接關(guān)系到人口、資源、環(huán)境等重大問題[1-3]。近年來隨著農(nóng)牧業(yè)氮素的大量投入，造成水體富營(yíng)養(yǎng)化及水體硝酸鹽超標(biāo)、土壤酸化、大氣氮沉降增多等諸多環(huán)境問題[4-6]。其中農(nóng)田系統(tǒng)有機(jī)肥含量低，重化肥輕有機(jī)肥、農(nóng)田中產(chǎn)生的秸稈不能科學(xué)利用[7-8]；畜牧系統(tǒng)中秸稈、廚余等非常規(guī)飼料減少、糞尿中的氮通過有機(jī)肥還田數(shù)量減少，都是造成氮環(huán)境污染加劇的原因[9-10]。研究云南省農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)的氮素流動(dòng)途徑，并評(píng)價(jià)其環(huán)境效應(yīng)，對(duì)于提高該地區(qū)農(nóng)牧業(yè)氮素利用率，改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外對(duì)氮養(yǎng)分流動(dòng)的研究主要包括微觀尺度量化具體農(nóng)業(yè)模式下氮養(yǎng)分含量計(jì)算。朱志平等[11]在微觀尺度上對(duì)育肥豬豬舍NH3濃度測(cè)定與排放通量進(jìn)行了研究，結(jié)果表明育肥豬飼養(yǎng)期間的氨氣排放通量為每頭107.18—424.42 mg·h-1；寇長(zhǎng)林等[12-13]對(duì)不同作物體系下有機(jī)氮素對(duì)地下水硝態(tài)氮的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明果園土壤硝態(tài)氮累積隨土壤深度而增加，大棚蔬菜區(qū)地下水硝態(tài)氮含量與井深呈指數(shù)函數(shù)降低關(guān)系。此外，從食物鏈角度評(píng)價(jià)氮素養(yǎng)分管理的方式逐漸備受關(guān)注，營(yíng)養(yǎng)水平、食品結(jié)構(gòu)、城鎮(zhèn)化等對(duì)氮素養(yǎng)分流動(dòng)的影響也有所深入，MA等利用養(yǎng)分流動(dòng)的方法建立區(qū)域氮素流動(dòng)模型，分析氮素養(yǎng)分在區(qū)域間的流動(dòng)情況[14-19]；BAI等通過構(gòu)建“飼料攝入-糞尿排泄-收集-儲(chǔ)存-處理-施用”的有機(jī)肥施用鏈條，定量分析了不同畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)中氮素的流動(dòng)和損失狀況[20-23]；張建杰等利用統(tǒng)計(jì)資料和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，通過養(yǎng)分流動(dòng)模型與GIS結(jié)合，深入分析了山西省畜禽養(yǎng)殖量的變化特征，并從時(shí)空緯度評(píng)價(jià)了山西省畜禽資源量及其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[24-25]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】云南是全球生物多樣性保護(hù)的熱點(diǎn)地區(qū)，也是中國(guó)生物多樣性保護(hù)的優(yōu)先區(qū)域和重要生態(tài)屏障，隨著水土流失和石漠化程度加劇，加之近年來連續(xù)遭受的極端干旱天氣，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)面臨的考驗(yàn)日趨嚴(yán)峻[26-27]。同時(shí)，農(nóng)牧業(yè)是該地區(qū)主要收入來源，因歷史等原因該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)文化落后，農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)水平低下，具有生態(tài)脆弱與經(jīng)濟(jì)落后重疊交織的典型特征[28-29]。然而，對(duì)于云南省農(nóng)牧系統(tǒng)（crop-livestock system，CLS）氮素流動(dòng)時(shí)空變化的研究，尤其是在時(shí)間序列尺度下不同年份養(yǎng)分流動(dòng)規(guī)律研究較為缺乏?！緮M解決的關(guān)鍵問題】通過運(yùn)用食物鏈養(yǎng)分流動(dòng)模型（nutrient flows in food chains, environment and resource use，NUFER），從時(shí)間序列的角度，分析1995—2014年云南省農(nóng)牧業(yè)氮素養(yǎng)分流動(dòng)時(shí)間分異特征，通過GIS從空間格局角度，分析2014年云南省16個(gè)地州農(nóng)牧業(yè)氮素養(yǎng)分流動(dòng)空間分布特征，為之后進(jìn)行情景分析，制定符合云南省農(nóng)牧業(yè)發(fā)展規(guī)律的政策提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

云南省地處中國(guó)西南邊陲，位于北緯21°8′3″—29°15′8″、東經(jīng)97°31′39″—106°11′47″，北回歸線橫貫本省南部。云南全境東西最大橫距864.9 km，南北最大縱距990 km，總面積39萬平方公里，占全國(guó)陸地總面積的4.1%，包括昭通、曲靖、昆明、文山、玉溪、紅河、楚雄、普洱、西雙版納、大理、麗江、迪慶、怒江、保山、德宏、臨滄16個(gè)地州（圖1）。云南氣候兼具低緯氣候、高原氣候、季風(fēng)氣候特征，主要表現(xiàn)為四季溫差小，日溫差大，干雨季分明、氣候類型多樣，造就了云南農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的復(fù)雜性。種植業(yè)面積大，種植作物類型多，包括小麥、玉米、水稻、馬鈴薯、咖啡、三七、葡萄、茶葉等；此外云南省畜牧業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，生豬存欄居全國(guó)第6位，牛存欄居全國(guó)第6位，羊存欄居全國(guó)第12位[30]，成為中國(guó)畜牧業(yè)主產(chǎn)省之一，已進(jìn)入由傳統(tǒng)畜牧業(yè)向現(xiàn)代特色畜牧業(yè)轉(zhuǎn)變的發(fā)展階段。從經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平看，滇中昆明、玉溪、曲靖發(fā)展水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他地州，此外近年來大理、麗江、西雙版納以旅游業(yè)為支撐，經(jīng)濟(jì)水平顯著提升。與之相反，怒江、迪慶等地區(qū)海拔高，地勢(shì)險(xiǎn)峻，太陽輻射強(qiáng)烈但全年積溫較低，在自然及交通條件的制約下，發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于其他地州。

圖1 云南省行政區(qū)劃圖

1.2 研究方法—NUFER模型

食物鏈養(yǎng)分流動(dòng)模型（NUFER模型）可以模擬國(guó)家和區(qū)域尺度氮、磷養(yǎng)分在農(nóng)牧系統(tǒng)和食物鏈系統(tǒng)的流動(dòng)、養(yǎng)分利用率及環(huán)境排放[14,31]。本研究系統(tǒng)中氮素的輸入項(xiàng)包括：（Ⅰ）生物固氮、（Ⅱ）大氣沉降、（Ⅲ）肥料的輸入、（Ⅳ）飼料的進(jìn)口；氮素吸收項(xiàng)包括：①農(nóng)田主產(chǎn)品吸氮、②動(dòng)物系統(tǒng)主產(chǎn)品吸氮；輸出項(xiàng)包括：（1）氨的揮發(fā)、（2）N2O的排放、（3）硝化作用和反硝化作用中產(chǎn)生的N2以及（4）淋洗、徑流、侵蝕。還有系統(tǒng)內(nèi)部通過植物產(chǎn)品、飼料、動(dòng)物產(chǎn)品、秸稈、動(dòng)物排泄物、有機(jī)物還田、秸稈作飼料再利用、廢棄物氮素積累進(jìn)行養(yǎng)分流動(dòng)（圖2）。

1.3 數(shù)據(jù)及參數(shù)來源

化肥使用量、作物種植面積和產(chǎn)量、畜禽數(shù)量、食品消費(fèi)均來自1995—2014年云南省統(tǒng)計(jì)年鑒，其中農(nóng)作物主要包括糧食作物、蔬菜、水果，畜禽主要包括豬、肉牛、役用牛、奶牛、羊、蛋禽和肉禽。

為了便于直觀比較，畜禽生產(chǎn)中畜禽單位（livestock unit，LSU）采用歐盟統(tǒng)計(jì)局折算方法[29]，將奶牛作為標(biāo)準(zhǔn)單位，一頭肉牛或者役用牛折算0.8頭奶牛，一頭豬折算0.3頭奶牛，一只肉雞折算0.007頭奶牛，一只蛋雞折算0.014頭奶牛，一只羊折算0.1頭奶牛，驢、馬、騾等馬科動(dòng)物折算0.8頭奶牛。收獲作物和動(dòng)物產(chǎn)品中的氮含量、每種動(dòng)物的排泄物氮含量及動(dòng)物產(chǎn)品中可食用性的部分和其他部分的劃分均從文獻(xiàn)中獲取[30]。動(dòng)植物生產(chǎn)中氮素的排放系數(shù)等參數(shù)來源于文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)、調(diào)查結(jié)果和基礎(chǔ)總結(jié)得到（表1—表3）。

表1 各種作物單位經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的需氮量（包含秸稈）

2 結(jié)果

2.1 云南省農(nóng)牧業(yè)氮素養(yǎng)分流動(dòng)時(shí)間變異特征

1995—2014年間云南省農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)中氮素投入量從2.1×106t增長(zhǎng)至3.5×106t，主要來源于化學(xué)氮肥的施用，隨著時(shí)間的推移，施用量逐年增加，從1995年8.8×105t增長(zhǎng)到2014年的2.3×106t。近20年，飼料進(jìn)口投氮量先增加后減少，最大值1.1×106t出現(xiàn)在2000年，最小值9.52×105t出現(xiàn)在2006年，占氮素投入總量從1995年的48.2%下降到2014年的28.0%，說明飼料對(duì)系統(tǒng)氮素的累積作用正逐年減弱。此外，近20年來以自然因素為主的大氣沉降和生物固氮對(duì)云南省氮投入量保持基本穩(wěn)定。大氣沉降從1995年的1.6×105t增至2014年2. 14年的9.2×104t（圖3）。

圖2 農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮流動(dòng)模型框架

表2 各種畜禽活體重、各部分比例以及氮素養(yǎng)分

1)氮素養(yǎng)分含量 Nitrogen content

表3 畜禽糞尿排泄系數(shù)及養(yǎng)分含量

實(shí)現(xiàn)農(nóng)牧業(yè)主產(chǎn)品的產(chǎn)量最大化是進(jìn)行農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)的主要目的，農(nóng)田系統(tǒng)主產(chǎn)品、動(dòng)物生產(chǎn)系統(tǒng)主產(chǎn)品是氮素吸收的主要途徑。從氮吸收情況看，云南省農(nóng)田主產(chǎn)品吸氮量近20年來逐年上升，從1995年4.1×105t上升至2014年8.6×105t，20年間吸氮量增加2.1倍。與農(nóng)田主產(chǎn)品吸氮量相同，動(dòng)物生產(chǎn)系統(tǒng)主產(chǎn)品吸氮量也處于上升狀態(tài)，從1995年4.1×104t增加到2014年3.5×105t，增加8.5倍，其中2010—2011年間出現(xiàn)急劇增長(zhǎng)，年增長(zhǎng)量達(dá)到1.1×105t（圖4）。近20年來畜牧業(yè)綜合生產(chǎn)能力明顯增強(qiáng)，牲畜飼養(yǎng)量大，生產(chǎn)方式不斷轉(zhuǎn)變，專業(yè)化、規(guī)?；潭忍岣?。

圖3 1995—2014年云南省農(nóng)牧系統(tǒng)氮素投入量

圖4 1995—2014年云南省農(nóng)牧系統(tǒng)氮素吸收量

1995—2014年間，秸稈和糞尿氮素還田率逐年減少，從6.1×105t降至5.4×105t，其中1991—2001年間變化幅度較大，減少5.0×104t，2006年出現(xiàn)急劇減少5.4×104t；與之相反，秸稈作為飼料量逐年增加，從1995年的2.8×104t增至2014年的6.1×104t，增長(zhǎng)117%，其中急劇變化出現(xiàn)在2006—2007年間，從3.4×105t增至4.6×105t（圖5）。

2.2 云南省農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)的氮素環(huán)境損失

氮素環(huán)境損失途徑主要有：一部分通過氨揮發(fā)、氧化亞氮及氮?dú)獾葰鈶B(tài)形式排放到大氣中，一部分通過淋洗、徑流等途徑流入地表水、地下水中，2014年氮素的總損失量達(dá)到2.4×106t。其中氨揮發(fā)損失9.5×105t，以N2O形式排放2.9×104t，反硝化作用N2排放1.4×105t，排入大氣中的氮量達(dá)到1.13×106t，此外通過淋洗、徑流、侵蝕作用排入水體中的氮量達(dá)到1.22×106t，兩者基本相等。與1995年相比，通過氨揮發(fā)損失的氮素量增加了3.50×105t，氧化亞氮排放的氮素量增加1.37×104t，以硝化作用形式損失的氮素量增加6.63×104t，通過淋洗損失掉的氮素量增加5.64×105t（圖6）。

圖5 1995—2014年云南省農(nóng)牧系統(tǒng)內(nèi)氮素流動(dòng)量

圖6 1995—2014年云南省農(nóng)牧系統(tǒng)氮素?fù)p失情況

2.3 云南省農(nóng)牧業(yè)氮素養(yǎng)分流動(dòng)空間分布特征

從單位面積耕地氮素投入總量上看，云南省氮素投入范圍在461—2 387 kg·hm-2。大理農(nóng)牧業(yè)發(fā)展迅速，集約化程度高，氮素投入量最大，高達(dá)2 387 kg·hm-2；怒江地區(qū)由于受氣候、土壤等自然條件限制，中低產(chǎn)田、坡耕地較多，農(nóng)牧業(yè)較其他地州而言，發(fā)展緩慢，氮素投入量居全省末位，僅有461 kg·hm-2。根據(jù)單位面積耕地氮素投入量，將全省分為三級(jí)區(qū)域，一級(jí)區(qū)域（＜700 kg·hm-2）主要包括迪慶、怒江、普洱、昭通；二級(jí)區(qū)域（700—1 200 kg·hm-2）包括保山、臨滄、西雙版納、麗江、楚雄、玉溪、曲靖、文山8個(gè)地（州，市）；三級(jí)區(qū)域（＞1 200 kg·hm-2）包括昆明、大理和紅河（圖7）。氮素投入量的空間格局與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、農(nóng)業(yè)集約化程度基本一致。

從組成上看，氮肥投入比例最高的區(qū)域有西雙版納、麗江，投入比例均在50%以上。其中西雙版納氮肥投入量最大，高達(dá)498 kg·hm-2，該區(qū)域土壤本身氮養(yǎng)分含量相對(duì)較低，為了實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)目標(biāo)需要施用大量化肥，造成化肥在土壤中的富集。飼料投入比例最高的區(qū)域有大理、昆明、紅河，分別為1 641、1 320.4和1 219.1 kg·hm-2，昆明、大理、紅河等區(qū)域重點(diǎn)發(fā)展規(guī)?；⒓s化畜牧養(yǎng)殖，日益增長(zhǎng)的牲畜數(shù)，需要消耗大量的飼料，因此該區(qū)域氮素投入主要來源于飼料進(jìn)口，占氮素投入總量的68%左右。生物固氮投入氮素比例最高的地區(qū)為迪慶，達(dá)到15.3 kg·hm-2，最小為玉溪地區(qū)的8.1 kg·hm-2（圖7）。

圖7 云南省各地州氮素投入量

從單位面積農(nóng)田主產(chǎn)品吸氮量看，全省農(nóng)田主產(chǎn)品吸氮量在90.2—214.8 kg·hm-2，其中大理州農(nóng)田主產(chǎn)品吸氮量達(dá)到214.81 kg·hm-2，高于云南省其他地區(qū)。將單位面積農(nóng)田主產(chǎn)品吸氮量水平＜100 kg·hm-2的劃分為一級(jí)區(qū)域，主要包括臨滄、普洱、文山、怒江區(qū)域；將吸氮水平在100—150 kg·hm-2劃分為二級(jí)區(qū)域，主要包括德宏、保山、迪慶、麗江、昆明、曲靖、玉溪和昭通；將單位面積農(nóng)田主產(chǎn)品吸氮量＞150 kg·hm-2的區(qū)域劃分為三級(jí)區(qū)域，包括大理、楚雄和紅河（圖8）。

單位面積動(dòng)物生產(chǎn)系統(tǒng)主產(chǎn)品吸氮量反映了氮素在畜牧系統(tǒng)中的利用效率，除大理州地區(qū)，云南省各地州單位面積動(dòng)物生產(chǎn)系統(tǒng)主產(chǎn)品吸氮量范圍14.90—67.78 kg·hm-2。大理州單位面積動(dòng)物產(chǎn)品吸氮量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他地區(qū)，達(dá)到152.66 kg·hm-2。一級(jí)區(qū)域（＜20 kg·hm-2）集中在普洱、西雙版納、德宏和怒江等地州，其中普洱地區(qū)吸氮量全省最低，為14.90 kg·hm-2；二級(jí)區(qū)域（20—50 kg·hm-2）集中在滇西、滇北北區(qū)域的保山、昭通、麗江、怒江、臨滄、楚雄和迪慶州等；三級(jí)區(qū)域（＞50 kg·hm-2）集中在滇中區(qū)域的昆明、曲靖、玉溪等地（圖9）。

2.4 云南省農(nóng)牧業(yè)氮素?fù)p失空間分布特征

整個(gè)農(nóng)牧生產(chǎn)體系的氮素?fù)p失途徑包括農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)N2O和N2排放、通過NH3揮發(fā)、土壤徑流、侵蝕、淋洗、硝化及反硝化作用。

圖8 云南省各地州農(nóng)田主產(chǎn)品吸氮量

圖9 云南省各地州動(dòng)物生產(chǎn)系統(tǒng)主產(chǎn)品吸氮量

從單位面積氮素?fù)p失總量來看，損失量最高出現(xiàn)在大理地區(qū)，達(dá)到1 502.8 kg·hm-2，最低值出現(xiàn)在昭通地區(qū)，為321.4 kg·hm-2，根據(jù)損失量多少，將其分為三級(jí)區(qū)域，一級(jí)區(qū)域（＜300 kg·hm-2）主要包括普洱、怒江；二級(jí)區(qū)域（300—700 kg·hm-2）包括迪慶、麗江、保山、德宏、臨滄、西雙版納、玉溪、曲靖、文山、昭通；三級(jí)區(qū)域（＞700 kg·hm-2）包括大理、昆明、紅河、文山。

從整個(gè)農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)的氮素?fù)p失情況來看，農(nóng)田和土壤NH3揮發(fā)以及徑流、侵蝕、淋洗是主要的損失途徑。各區(qū)縣氮素?fù)p失的主要損失特征也不盡相同。全省來看，大理、紅河、昆明的NH3揮發(fā)較高，分別為633.3、524.9和517.2 kg·hm-2，最低的區(qū)域?yàn)榕?，僅為117.9 kg·hm-2。農(nóng)田N2和N2O排放損失最高的為大理，最低為怒江，分別為15.3和2.5 kg·hm-2。

大理、昆明、紅河的徑流、侵蝕、淋洗損失較高，分別達(dá)到763.8、692.4和560.4 kg·hm-2，怒江、普洱的徑流、侵蝕、淋洗損失較小，分別為130.4和140.9 kg·hm-2（圖10）。

3 討論

3.1 云南省農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)氮素流動(dòng)時(shí)間特征

云南省農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)氮素投入從時(shí)間上呈現(xiàn)明顯增加的趨勢(shì)，氮素投入量從1995年的2.1×106t增至2014年的3.5×106t，投入增加主要來源于種植業(yè)系統(tǒng)化肥的過量施用及畜牧養(yǎng)殖規(guī)模擴(kuò)大引起的飼草大量進(jìn)口。1995—2014年期間云南省作物播種面積從4.3×106hm2增至6.2×106hm2，經(jīng)濟(jì)作物種植比例從1995年15%增至2014年28%，播種面積的增加以及經(jīng)濟(jì)作物種植比例的提升，造成化肥投入量的增加，一方面增施化肥有助于提高作物產(chǎn)量，確保糧食安全，另一方面施肥技術(shù)落后，盲目施肥、過量施肥又會(huì)引起系統(tǒng)氮素輸入量的不斷增加。此外，云南省按優(yōu)先發(fā)展草食畜禽以及特色優(yōu)質(zhì)畜禽的目標(biāo)，在穩(wěn)定生豬生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，大力發(fā)展牛羊（鵝）等草食畜禽，飼草的大量引入造成系統(tǒng)氮素的增加。

圖10 云南省農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)氮素?fù)p失空間分布圖

從氮吸收情況看，云南省農(nóng)田主產(chǎn)品吸氮量近20年來逐年穩(wěn)步上升，其中2000年、2006年變化顯著，原因?yàn)檫@段時(shí)期云南省出臺(tái)一系列重要措施，包括《關(guān)于強(qiáng)化改革舉措落實(shí)加快高原特色農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)的意見》《云南省人民政府辦公廳關(guān)于加快轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式推進(jìn)高原特色農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的意見》，將優(yōu)質(zhì)作為種植業(yè)發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)方向[34]，通過育種、栽培和產(chǎn)后加工等技術(shù)的綜合運(yùn)用，顯著提高產(chǎn)品質(zhì)量，有效提高氮素的利用率。1995—2014年間動(dòng)物系統(tǒng)主產(chǎn)品吸氮量快速增加，由于規(guī)?；?jīng)營(yíng)發(fā)展，畜禽養(yǎng)殖數(shù)量從畜牧養(yǎng)殖量從2.2×107LSU增至2.5×107LSU，其中豬的養(yǎng)殖數(shù)量波動(dòng)較為劇烈，從1995年的6.9×106LSU到2014年8.0×106LSU，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他畜禽養(yǎng)殖，生產(chǎn)方式不斷改變，養(yǎng)殖技術(shù)的提高，有利地促進(jìn)了畜禽對(duì)氮素的吸收。

從農(nóng)牧系統(tǒng)間氮素流動(dòng)可以看出，秸稈和糞尿氮素還田比例逐年減少，與之相反秸稈大量作為飼料由農(nóng)田進(jìn)入畜牧系統(tǒng)，說明云南農(nóng)牧系統(tǒng)存在一定程度的農(nóng)牧分離，表現(xiàn)為畜禽糞便沒有作為養(yǎng)分有效地回歸農(nóng)田。

3.2 云南省農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)氮素流動(dòng)空間特征

云南省農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)氮素投入表現(xiàn)出極大的不平衡性，在空間上氮素投入總量滇中區(qū)域明顯大于其他地區(qū)，呈現(xiàn)放射狀分布特征。其中怒江地區(qū)地勢(shì)險(xiǎn)峻，太陽輻射強(qiáng)烈但全年積溫較低，農(nóng)牧業(yè)發(fā)展緩慢，氮素投入量最少。西雙版納、臨滄等地日照時(shí)間長(zhǎng)，氣溫年較差不大，但日較差較大，土壤中氮磷含量較低，由于受自然地理因素的影響，這些地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展主要依靠種植業(yè)，因此化肥投入是該地區(qū)氮素投入的主要來源。昆明作為云南省省會(huì)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，大理、紅河地區(qū)形成以旅游業(yè)為主的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)模式，受社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展影響，這些區(qū)域墾殖率較低，農(nóng)業(yè)發(fā)展主要依靠畜牧業(yè)，因此飼草進(jìn)口是造成其氮素投入增加的主要原因。

單位農(nóng)田面積的作物吸氮量的空間分布格局與區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r相協(xié)同，楚雄地區(qū)實(shí)行大規(guī)模集約節(jié)約生產(chǎn)，有效提高作物吸氮量。大理、玉溪、保山等區(qū)域是云南省玉米主要種植區(qū)，紅河、昭通市云南省主要的小麥種植區(qū)域，玉米、小麥等糧食作物單位面積的生物量要顯著高于其他經(jīng)濟(jì)作物，其吸氮量水平也要高于其他作物。楚雄、昆明、曲靖、玉溪等區(qū)域動(dòng)物生產(chǎn)系統(tǒng)主產(chǎn)品吸氮量的空間分布格局與農(nóng)田作物吸氮格局相反，農(nóng)田種植結(jié)構(gòu)與畜牧生產(chǎn)系統(tǒng)的不合理匹配，使得有的地區(qū)重農(nóng)輕牧，有的地區(qū)重牧輕農(nóng)。此外，大理地區(qū)動(dòng)物生產(chǎn)系統(tǒng)主產(chǎn)品吸氮量與農(nóng)田主產(chǎn)品吸氮量都較高，這與該區(qū)域農(nóng)牧業(yè)發(fā)展模式密切相關(guān)，一方面大理地區(qū)啟動(dòng)了一批農(nóng)業(yè)重點(diǎn)工程和重大項(xiàng)目，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整取得了顯著的成效[35-36]。另一方面云南省通過制定了《云南省優(yōu)勢(shì)農(nóng)產(chǎn)品區(qū)域布局規(guī)劃》，加大了對(duì)畜牧業(yè)優(yōu)勢(shì)區(qū)域的扶持，形成了一批產(chǎn)業(yè)聚集度高、具有較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的畜牧業(yè)優(yōu)勢(shì)產(chǎn)區(qū)，其中大理是生豬、肉牛、山羊、家禽主產(chǎn)區(qū)[37]。高集約化、規(guī)?；?、專業(yè)化的經(jīng)營(yíng)，使得大理的農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)氮素利用程度高。

3.3 云南省農(nóng)牧系統(tǒng)氮素?fù)p失及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分析

云南省農(nóng)牧系統(tǒng)氮素養(yǎng)分損失途徑主要包括淋洗、徑流等途徑流入地表水、地下水中（受云南復(fù)雜多變的地形地貌影響）、氨揮發(fā)。與1995年相比，通過氨揮發(fā)損失的氮素量增加了3.50×105t，通過淋洗損失掉的氮素量增加5.64×105t。從空間格局上看，大理、昆明、紅河的徑流、侵蝕、淋洗損失較高，怒江、普洱的徑流、侵蝕、淋洗損失較?。籒H3揮發(fā)最大的區(qū)域?yàn)榇罄?、紅河和昆明。

云南省位于中國(guó)西部地區(qū)，屬于低緯度高原山區(qū)省份，主要受高原季風(fēng)氣候的影響由于特殊的地理位置，高山峽谷相間，地勢(shì)由西北向東南逐漸遞減；地貌類型多樣，以山地、丘陵、高原、河谷等為主，復(fù)雜的地形特點(diǎn)和氣候條件，引起的徑流、侵蝕、淋洗是導(dǎo)致農(nóng)牧生產(chǎn)中氮素?fù)p失的重要原因之一。在動(dòng)物養(yǎng)殖規(guī)模擴(kuò)大過程中產(chǎn)生的糞尿中的氮素通過有機(jī)肥還田的數(shù)量不斷減少，養(yǎng)殖污水處理設(shè)施嚴(yán)重滯后，而通過淋洗、直排等方式進(jìn)入環(huán)境的數(shù)量持續(xù)增加，養(yǎng)殖廠、村莊周圍的溝渠、河流幾乎全部成為納污水體，造成了極大的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。這一結(jié)果與邱成[38]研究相一致。此外施肥技術(shù)落后，傳統(tǒng)的表面撒施不灌水的方式，導(dǎo)致肥料利用率很低，郭華明等早期研究表明，施肥可促進(jìn)0.6—1.5 m深處土壤的反硝化作用，從而增大這些層位土壤水中亞硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的質(zhì)量濃度[39]，云南省雨季降水量充沛，雨水下滲所產(chǎn)生的硝態(tài)氮下移也可導(dǎo)致地下水的硝態(tài)氮污染。同時(shí)農(nóng)田中產(chǎn)生的秸稈不能科學(xué)利用，做飼料、回田的比例下降，而焚燒、堆置的比例上升，由此引起的氨揮發(fā)是導(dǎo)致云南農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)中氮素?fù)p失的另一重要原因。

根據(jù)氮素的投入量和損失量的分級(jí)情況，可以將云南省各個(gè)地州分為4種類型：（1）高投入高損失類型：包括大理、昆明、紅河區(qū)域，該區(qū)域應(yīng)該減少氮素投入量，穩(wěn)定農(nóng)田主產(chǎn)品及動(dòng)物系統(tǒng)主產(chǎn)品吸氮量水平，控制氮素排放量；（2）高投入低損失類型：以曲靖、麗江、楚雄等地區(qū)為代表，這些區(qū)域氮素利用率較高，但是投入量過高，應(yīng)當(dāng)減少氮素投入，穩(wěn)定吸氮量；（3）低投入高損失類型：包括迪慶、昭通，位于滇北的迪慶和昭通，年平均氣溫較云南省其他地區(qū)低，氣候條件制約農(nóng)牧業(yè)的發(fā)展水平，造成這些區(qū)域氮素投入量較低，但是由于氮素利用不佳，使得投入的氮素大部分隨氨揮發(fā)損失掉，因此在這些區(qū)域應(yīng)該采取措施提高氮素的利用率；（4）低投入低排放類型：包括怒江、普洱地區(qū)，在不影響這些區(qū)域農(nóng)牧業(yè)健康發(fā)展的前提下，不增加氮素投入，繼續(xù)保持合理的氮素利用率。

4 結(jié)論

4.1 1995—2014年云南省農(nóng)牧系統(tǒng)氮素投入量逐年遞增，氮肥的施用和飼料進(jìn)口是造成農(nóng)牧系統(tǒng)氮素投入量增加的主要原因。農(nóng)田主產(chǎn)品吸氮量與動(dòng)物生產(chǎn)系統(tǒng)主產(chǎn)品吸氮量在時(shí)間上呈現(xiàn)同向增長(zhǎng)的關(guān)系，農(nóng)產(chǎn)品吸氮量1995—2014年間上漲2.1倍，動(dòng)物生產(chǎn)系統(tǒng)主產(chǎn)品吸氮量上漲8.5倍。

4.2 云南省農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)氮素流動(dòng)表現(xiàn)出極大的不平衡性；氮素投入呈現(xiàn)反射式分布特征，中心投入量高，四周投入量逐漸遞減。吸氮量則表現(xiàn)出與區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r相協(xié)同的特點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)吸氮量較高，經(jīng)濟(jì)發(fā)展滯后的區(qū)域，吸氮量較低。

4.3 目前云南省傳統(tǒng)施肥方式，導(dǎo)致施肥過量，大量肥料通過氨揮發(fā)的方式排入大氣中，動(dòng)物養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的糞尿中氮素通過徑流、淋溶進(jìn)入水體中，造成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)濟(jì)效益的降低、環(huán)境污染。

4.4 根據(jù)云南省氮素投入、吸收和損失規(guī)律，可將各地州劃分為高投入高排放、高投入低排放、低投入高排放和低投入低排放4大類型，在此基礎(chǔ)上針對(duì)主要區(qū)域重點(diǎn)治理，采用因地制宜的農(nóng)牧體系氮素優(yōu)化管理技術(shù)、增加糞尿養(yǎng)分循環(huán)和提高氮養(yǎng)分效率，減少氮素向大氣和水體中的排放數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)牧體系氮素的合理循環(huán)。

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（責(zé)任編輯 岳梅）

Spatial-temporal Distribution of Nitrogen Nutrient Flow and Environmental Effects of Crop-livestock System in Yunnan Province

Li Xiaolin, Zheng Yi

(College of Environmental Sciences and Engineering, Southwest Forestry University, Kunming 650224)

【Objective】The objective of this paper is to study the nitrogen (N) nutrient flow of crop-livestock system (CLS) and evaluate its related environmental effects in Yunnan province, increase the utilization efficiency of N, improve the agricultural eco-environment, and to provide a scientific basis for making the policies obeying the agricultural development law in Yunnan province. It is also of strategic importance to realize the sustainable development of social eco-economics.【Method】the temporal differentiation characteristics of N flow of CLS in terms of time series were analyzed based on the NUFER model (nutrient flows in food chains, environment and resources use). the spatial distribution of N flow of CLS in 16 prefectures of Yunnan province in 2014 were analyzed based on GIS from the perspective of spatial pattern.【Result】N inputs of CLS in Yunnan province increased year by year from 1995 (2.1×106tons) to 2014 (3.5×106tons). The applications of N fertilizer and the imports of feed primarily caused the increasing of N inputs to CLS. The N uptake amount of main products of farmland and that of animal production systems showed the same increasing trends along time, and the multiples of which were 2.1 and 8.5 times from 1995 to 2014, respectively. The N uptake amount increased a lot in 2000 and 2006, because of the expansion of the crop growing area and livestock breeding scale, and the improvement of the planting techniques and also the mode in the development of agricultural and animal husbandry of Yunnan. N flow of CLS in Yunnan province exhibited great imbalance, and the input of N presented a distribution characteristic showing high inputs in the center and the gradual decreasing trends towards the surrounding area. N uptake amount coordinated with the status of the regional social economic development. The more the developed region economy, the higher the N uptake amount. The significant reasons of N losses in CLS were the ammonia volatilization which attributed to the runoff, erosion and leaching caused by terrain condition and some unreasonable fertilization patterns. According to the characteristics of input, uptake and loss of N in Yunnan province, four types of N flow were divided as follows: high input with high discharge (Dali, Kunming and Honghe), high input with low discharge (Qujing, Lijiang, and Chuxiong, etc.), low input with high discharge (Diqing and Zhaotong, etc.) and low input with low discharge (Nujiang and Puer).【Conclusion】 Due to the traditional fertilization approaches which led to the excessive fertilization and the consequent great amount of N entering into the atmosphere through ammonia emission, and also due to the runoff and leaching effect of N from the urines and feces of livestock, the economic benefit of agricultural production was reduced and the environment was also contaminated. The N losses were higher in Dali, Kunming and Honghe based on the spatial distribution characteristics. Therefore, there are several aspects which should be amended like improving the pattern of fertilization, upgrading the utilization efficiency of fertilizer, improving the livestock breeding mode and also increasing the amount of urines and feces returning to the fields. Different CLS N optimized management techniques should be adopted according to the characterizes of different areas, and other approaches such as increasing manure nutrient cycling, improving the efficiency of N nutrient, decreasing fertilizers and exogenous feed requirements and reducing the discharge quantity into air and water should also be conducted in order to realize the reasonable cycling of nitrogen in the CLS.

crop-livestock system; nitrogen nutrient flow; NUFER model; environmental effects; Yunnan Province

2017-05-04；

2017-06-15

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31460551）、云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃青年項(xiàng)目（2017FD104）、云南省高校優(yōu)勢(shì)特色重點(diǎn)學(xué)科（生態(tài)學(xué)）建設(shè)項(xiàng)目（0511311）

李曉琳，E-mail：398798771@qq.com。

鄭毅，E-mail：zhengyi-64@163.com