丁 尚, 郭浩浩, 程鳴宇, 宋晨陽, 刁曉平, 趙洪偉,2**

?

海南農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮素養(yǎng)分流動時空變化特征*

丁 尚1, 郭浩浩1, 程鳴宇1, 宋晨陽1, 刁曉平2,3, 趙洪偉1,2**

(1. 海南大學(xué)熱帶農(nóng)林學(xué)院 海口 570228; 2. 海南大學(xué)南海海洋資源利用國家重點實驗室 ?？?570228; 3. 海南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 ?？?571158)

氮素是生命活動必須的元素之一, 然而一定區(qū)域內(nèi)過多的氮素輸入可能會造成嚴重的環(huán)境污染。本研究以熱帶地區(qū)的海南島為研究對象, 明確其農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮素流動過程和特征, 分析氮素輸入和輸出量變化關(guān)系及其利用效率的時空變化, 以期優(yōu)化農(nóng)牧體系養(yǎng)分管理, 為制定海南省農(nóng)牧業(yè)發(fā)展政策提供科學(xué)依據(jù)。通過運用食物鏈養(yǎng)分流動模型(NUtrient flows in Food chains, Environment and Resources use, NUFER)并結(jié)合Origin和ArcGIS等軟件分析海南地區(qū)1987—2016年間農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮素養(yǎng)分流動時空變化特征, 同時首次對海南省農(nóng)牧生產(chǎn)體系內(nèi)部氮素流動在理想與實際情況下的時空變化做出了相關(guān)性分析。結(jié)果顯示海南地區(qū)30年間農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮素總輸入量由134.15 Gg增長到406.39 Gg, 總輸出氮素由84.75 Gg增長到307.77 Gg。30年來, 農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)氮素利用效率由12.39%增長到20.54%, 動物生產(chǎn)子系統(tǒng)氮素利用率由6.10%增長到13.88%, 農(nóng)牧結(jié)合體系氮素利用效率整體呈現(xiàn)上升趨勢, 由1987年的12.84%增加到2016年的21.63%。空間上, 農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)中, 氮素總輸入與總輸出項中增幅最高的分別是澄邁縣和瓊海市, 五指山市兩項增長均最低; 動物生產(chǎn)子系統(tǒng)中, 氮素總輸入與總輸出項增幅最高的分別是文昌市和儋州市, 五指山市兩項增長均最低。1987—2016年海南島農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮素投入持續(xù)增長, 氮素利用率低下, 空間差異較大, 土壤氮素盈余量較高。相關(guān)性分析表明, 農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)與動物生產(chǎn)子系統(tǒng)出現(xiàn)較嚴重的脫節(jié)。因而, 為提高海南地區(qū)氮素流動效率和促進可持續(xù)發(fā)展, 應(yīng)注重提高本地飼料產(chǎn)量、合理使用肥料、循環(huán)利用畜禽糞尿, 進一步優(yōu)化農(nóng)牧業(yè)發(fā)展布局, 建立農(nóng)牧結(jié)合的高效生產(chǎn)體系。

農(nóng)牧生產(chǎn)體系; 氮素流動; 氮素利用效率; NUFER模型; 海南

氮素是滿足生物生長和繁育所必需的營養(yǎng)元素。在農(nóng)牧業(yè)發(fā)展過程中, 氮素的投入量不斷增加。但是由于氮肥的不合理施用, 未被作物吸收的氮素養(yǎng)分或累積在土壤中, 或通過徑流、氨揮發(fā)等途徑損失到環(huán)境中, 造成了土壤酸化[1]、地下水硝酸鹽含量過高[2]、地表水富營養(yǎng)化[3]等環(huán)境問題。自海南1988年建省辦經(jīng)濟特區(qū)以來, 海南農(nóng)業(yè)已取得長足發(fā)展, 尤其是發(fā)展熱帶特色農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在特區(qū)經(jīng)濟建設(shè)中受到高度重視。與此同時, 由于畜牧業(yè)正處于由傳統(tǒng)家庭養(yǎng)殖模式向現(xiàn)代集約化養(yǎng)殖模式轉(zhuǎn)型的階段, 農(nóng)牧分離問題凸顯, 畜禽糞尿還田利用率降低且環(huán)境排放比例不斷增加[4]。

國內(nèi)外學(xué)者在氮磷流動和養(yǎng)分平衡管理問題上已有相關(guān)研究。Senthilkumar等[5]利用物質(zhì)流分析的方法在區(qū)域尺度上對養(yǎng)分循環(huán)利用及管理提出了評價和建議。Smith等[6]通過氮素養(yǎng)分平衡建立了氮素排放的估算方法, 計算出畜禽系統(tǒng)氮素排放量, 同時針對地表和水體氮素損失的控制提出相關(guān)策略。Ma等[7]構(gòu)建了中國食物鏈系統(tǒng)養(yǎng)分流動模型(NUtrient Flow in Food chain, Environment and Resources use, NUFER), 用于分析評價區(qū)域氮磷養(yǎng)分在生產(chǎn)和消費環(huán)節(jié)的利用率和損失狀況。佟丙辛等[8]分析了華北平原典型區(qū)域農(nóng)牧系統(tǒng)氮素流動及其環(huán)境效應(yīng), 分別定量1980—2015年河北省農(nóng)田體系、畜牧體系和農(nóng)牧系統(tǒng)的各個氮素輸入和輸出項, 同時利用氮素利用率、氮素盈余量和氮素回田率等指標分析氮素流動特征與環(huán)境效應(yīng)。張建杰等[9]使用NUFER模型與ArcGIS相結(jié)合, 研究了2011年山西省11個地市農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷元素流動, 從時空維度評價了山西畜禽資源量及其環(huán)境風險, 提出應(yīng)進一步加強農(nóng)牧耦合程度、提高有機廢棄物的循環(huán)利用效率以實現(xiàn)區(qū)域間養(yǎng)分的高效利用。但是在國家或區(qū)域尺度上, 對于熱帶地區(qū)農(nóng)牧生產(chǎn)體系養(yǎng)分資源流動特征尚缺乏研究。海南省是我國唯一的熱帶島嶼省份, 區(qū)域位置優(yōu)越, 農(nóng)牧業(yè)發(fā)展處于上升期, 為推動熱帶地區(qū)農(nóng)牧業(yè)高效發(fā)展, 需明確其養(yǎng)分流動特征?；诖? 本研究以海南地區(qū)氮素流動時間變化和空間差異為切入點, 通過數(shù)據(jù)分析與實地調(diào)研, 重點分析氮素流動及其利用效率, 揭示近30年間海南熱帶特色農(nóng)牧生產(chǎn)體系養(yǎng)分流動特征。借助NUFER模型, 運用物質(zhì)流分析法, 對海南省農(nóng)牧生產(chǎn)體系內(nèi)部氮素流動的時空變化做出了相關(guān)性分析, 以期為海南農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)乃至熱帶地區(qū)氮素流動管理提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

海南島屬于熱帶季風氣候, 全年氣候溫和, 典型土壤為磚紅壤, 是我國發(fā)展熱帶特色高效農(nóng)業(yè)的寶地, 1987年到2016年, 熱帶經(jīng)濟作物產(chǎn)量由23.96萬t增至85.02萬t, 瓜果蔬菜產(chǎn)量由55.30萬t增至794.39萬t。到2016年, 本地耕地面積約4 273 km2, 復(fù)種指數(shù)高達192.6%。由于四面環(huán)海, 形成天然的防疫屏障, 海南島畜牧業(yè)發(fā)展優(yōu)勢突出, 產(chǎn)量連續(xù)5年保持兩位數(shù)增長。截至2016年底, 牧業(yè)總產(chǎn)值達267.10億元, 牲畜年出欄量達638萬頭, 家禽年出欄量為15 315萬只, 其中肉蛋奶類總產(chǎn)量達81.41萬t, 較1987年增長6倍左右[10]。

1.2 研究方法

NUFER模型是中國國家和區(qū)域尺度食物鏈系統(tǒng)氮磷流動模型, 可以模擬“土壤-作物生產(chǎn)-畜禽生產(chǎn)-家庭消費”系統(tǒng)氮磷流動和利用效率以及含氮氣體的揮發(fā)、土壤徑流、淋溶、侵蝕等[11]。本研究以“土壤-作物-畜禽”為研究對象, 利用NUFER模型, 定量分析海南地區(qū)各市縣氮素流動時空變化特征(圖1)。同時利用Origin分析海南島農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮素輸入輸出項、氮素利用率及農(nóng)牧相關(guān)性關(guān)系, 利用ArcGIS軟件分析區(qū)域土壤氮盈余量以及體系氮流動量情況。

圖1 農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮流動模型

1.3 數(shù)據(jù)來源及統(tǒng)計分析

農(nóng)牧生產(chǎn)體系中, 農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)氮素輸入項包括化肥投入、糞尿和秸稈還田、農(nóng)田灌溉、生物固氮、干濕沉降和作物種子輸入等; 輸出項包括作物主副產(chǎn)品輸出、農(nóng)田系統(tǒng)氨揮發(fā)、反硝化作用以及土壤淋洗及徑流侵蝕作用。動物生產(chǎn)子系統(tǒng)氮素輸入項包括飼料投入(本地飼料投入及外源飼料投入), 輸出項包括動物主副產(chǎn)品輸出, 以及糞尿損失等。體系內(nèi)循環(huán)包括秸稈還田、糞尿還田和本地飼料輸入。

本研究所需數(shù)據(jù)包括近30年海南省各市縣耕地數(shù)量、主要農(nóng)作物播種面積及產(chǎn)量、畜牧業(yè)生產(chǎn)情況等, 主要來源于海南省統(tǒng)計年鑒[10]。動物生產(chǎn)子系統(tǒng)相關(guān)項目見表1, 作物生產(chǎn)子系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)見表2, 環(huán)境損失相關(guān)參數(shù)見表3。

1.3.1 農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)

1)輸入項計算方法

化肥氮素投入量(Nfer): 來源于海南統(tǒng)計年鑒, 復(fù)合肥中氮含量比來源于Ma等[12]研究結(jié)果, 氮肥實際投入比例參考李勇等[13]研究的結(jié)果。

有機肥氮素投入量(Narm)=Nam+Nst+Nhm(1)

式中:Nam為動物糞尿氮還田量;Nst為作物秸稈氮還田量;Nhm為人糞尿氮還田量, 人糞尿收集率為45%, 其中的50%還田[14]。

作物副產(chǎn)品氮素還田(Ndischarge)=g×gs×sc×st(2)

式中:g為作物主產(chǎn)品產(chǎn)量,gs為草谷比,sc為作物副產(chǎn)品含氮量,st為還田比。

灌溉水氮素輸入量(NHw)=a×NIwa(3)

式中:a為作物種植面積,NIwa為單位面積灌溉量[15]。

生物固氮量(NBf)=aNF×Nfpua(4)

式中:aNF為固氮作物種植面積,Nfpua為單位面積固氮量。

大氣沉降量(NDep)=a×Ad(5)

式中:a為作物種植面積,Ad為單位面積氮大氣沉降量。

作物種子輸入氮量(SInp)=Sow×SCon(6)

式中:Sow為播種量;SCon為種子含氮量。

2)輸出項計算方法

作物主產(chǎn)品收獲氮素量(Nm)=g×TNc(7)

式中:g為主產(chǎn)品產(chǎn)量,TNc為主產(chǎn)品含氮素量。

作物副產(chǎn)品收獲氮素量(Nb)=g×gs×sc(8)

式中:sc為副產(chǎn)品含氮素量。

1.3.2 動物生產(chǎn)子系統(tǒng)

1)輸入項計算方法

本地飼料投入氮素量(NLc)=(Nm+Nb) ×Rf(9)

式中:Rf為飼用比例。

外源飼料投入氮素量(NEc)=NAm-NLc(10)

NAm=NMep+NAbpn+NManure+Nsa(11)

式中:NAm為動物體系氮素需求量,NMep為肉蛋產(chǎn)品含氮量,NAbpn為動物副產(chǎn)品氮素量,NManure為動物糞尿含氮量,Nsa為動物活體儲存氮量。

表1 主要畜禽各部分含氮比例、糞尿排泄量和還田系數(shù)

動物生產(chǎn)子系統(tǒng)中, 由于各研究對象存在不同年齡段、不同區(qū)域的差異, 即相關(guān)參數(shù)在一定區(qū)間變動, 所以本研究中部分項目所選數(shù)值在王方浩等[18]和馬林[20]研究成果上取其平均值, 豬牛羊等按規(guī)模化養(yǎng)殖與散養(yǎng)比例核算還田比例等參數(shù)。In the animal production subsystem, due to differences among different age groups and regions, the relevant parameters vary within a certain range. Therefore, the average values selected in some projects of this study were taken by referring to the research results of Wang, et al[18]and Ma[20]. The parameters of manure returning ratios such as swine, bovine, sheep were calculated according to the proportions of large-scale breeding and free breeding.

表2 主要農(nóng)作物種子及主副產(chǎn)品含量、還田率、飼用比例

農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)中, 主產(chǎn)品含氮量等參數(shù)在參考馬林等學(xué)者[14-15,20-29]的研究成果基礎(chǔ)上取平均值?！啊北硎緹o數(shù)據(jù)來源或者基于本研究不予考慮。In the farming production subsystem, the average values of nitrogen contents and other parameters of the main products are averages of data in the reports of Ma, et al[14-15,20-29]. “—” means no data source or not considered in this study.

表3 自然條件下農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)輸入輸出項基本參數(shù)

氨揮發(fā)、反硝化為施肥量按一定比例的損失, 淋溶為土壤表面氮素盈余按一定比例的損失。Ammonia volatilization and denitrification are the losses according to a certain proportion of fertilizer amount, and leaching is the loss with a certain proportion from soil surface nitrogen surplus.

2)輸出項計算方法

動物主產(chǎn)品含氮量(NAMMP)=NAMMeat+NAMEgg(12)

式中:NAMMeat為肉類含氮量,NAMEgg為蛋類含氮量。

動物副產(chǎn)品含氮量(NAMSP)=AM×AMA×(AMRB×NAMNCB+AMRO×NAMNCO) (13)

式中:AM為動物數(shù)量,AMA為單個動物活體重[9],AMRB為骨等所占比例,NAMNCB為骨等含氮量,AMRO為其他副產(chǎn)品所占比例,NAMNCO為其他副產(chǎn)品含氮量。

糞尿氮量(NManure)=AM×NSAEON(14)

式中:NSAEON為單個動物排泄氮量。

糞尿還田量(NRe)=NManure×f(15)

式中:f為糞尿還田比。

糞尿氨揮發(fā)(NAvol)=NManure×vol(16)

式中:vol為糞尿氨揮發(fā)系數(shù)

1.3.3 農(nóng)牧體系氮素利用效率

農(nóng)田系統(tǒng)氮利用效率(NUEc)=作物主產(chǎn)品氮素

量/農(nóng)田子系統(tǒng)氮素總投入×100% (17)

畜牧系統(tǒng)氮利用效率(NUEa)=動物主產(chǎn)品

氮素量/畜牧子系統(tǒng)氮素總投入×100% (18)

農(nóng)牧系統(tǒng)氮素綜合利用效率(NUEc+a)=(作物主產(chǎn)品氮素量+動物主產(chǎn)品氮素量-作物主產(chǎn)品飼用量)/

牧系統(tǒng)氮素總投入×100% (19)

本研究中, 畜禽飼養(yǎng)過程中氮素揮發(fā)包括在損失項目內(nèi), 作物副產(chǎn)品還田選取典型還田作物為計算項, 還田中未細分青飼料、綠肥和餅肥等。植物蒸發(fā)作用等氮素損失不考慮。

1.4 農(nóng)牧生產(chǎn)體系相關(guān)性研究方法

農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮素循環(huán)包括秸稈還田、糞尿還田和作物產(chǎn)品飼用。假定在理想農(nóng)牧生產(chǎn)體系中, 3個環(huán)節(jié)的氮素全面利用, 即作物副產(chǎn)品所含氮素全部流向農(nóng)田(包括秸稈還田及產(chǎn)品飼料的輸入), 主產(chǎn)品按飼用比例輸入農(nóng)田, 動物生產(chǎn)子系統(tǒng)所產(chǎn)生的糞便氮素含量去除氨揮發(fā)部分全部用于還田。為了解農(nóng)牧結(jié)合情況, 首先建立一條理想體系內(nèi)氮素流動趨勢線, 同時建立另一條體系內(nèi)實際氮素流動趨勢線, 兩者間差值部分定義為分離閾, 以此直觀地表現(xiàn)海南省農(nóng)牧生產(chǎn)體系結(jié)合程度。

理想農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮循環(huán)量(CYideal)=Nb+Nm×Rf+(NManure-NAvol) (20)

式中:Nb為作物副產(chǎn)品收獲氮量,Nm為主產(chǎn)品收獲氮量,Rf為主產(chǎn)品飼用比例,NManure為糞尿含氮量,NAvol為糞尿氨揮發(fā)量。

實際農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮循環(huán)量(CYreality)=Nam+Ndischarge+NLc(21)

式中:Nam為糞尿還田量,Ndischarge為秸稈還田量,NLc為本地飼料量。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)的氮素平衡時空變化

1987—2016年, 海南農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)氮素總輸入呈現(xiàn)明顯的增長趨勢(圖2A), 從109.93 Gg到326.29 Gg, 增長196.82%。澄邁縣30年內(nèi)增長最多(圖2B), 增長了27.26 Gg, 五指山市呈現(xiàn)負增長, 由1.52 Gg降至0.85 Gg。化肥作為農(nóng)田氮素的主要來源, 輸入量從78.60 Gg增長到259.81 Gg, 在氮素總輸入項中比例也從71.50%增長到79.63%, 呈現(xiàn)較大增幅。除五指山市從1987年的0.44 Gg增至2016年的0.91 Gg外, 區(qū)域氮肥輸入量均有較大增長, 其中增長量最大的是瓊海市, 增長了21.99 Gg。對于有機肥料的投入, 1987—2016年總體呈現(xiàn)增長趨勢。其中來源于作物副產(chǎn)品的量維持在6 Gg左右, 而動物糞尿還田量在2001年前有較大增長, 近十多年來增長緩慢, 且在2006年有較大波動。對比化肥輸入量, 有機肥的輸入占肥料總輸入(化肥+有機肥)比從28.14%降至20.19%。從氮素總輸出來看, 總體趨勢與總輸入量一致, 總量上看略低于總輸入項, 且前期較為平穩(wěn), 近十多年有較大增幅。瓊海市增量最大, 增長20.49 Gg, 五指山市增量最小, 增長1.43 Gg。作物主產(chǎn)品收獲氮素量從13.73 Gg增至67.11 Gg, 區(qū)域作物主產(chǎn)品收獲氮素以瓊海市增速最快, 由1.15 Gg增至9.46 Gg, 增長8倍左右, 五指山市增長最慢, 僅增長0.65 Gg。土壤氮素盈余量由39.17 Gg增長到93.03 Gg, 其中五指山市由0.45 Gg降至0.08 Gg, 澄邁縣增長最快, 由3.25 Gg增至12.77 Gg。

圖2 1987—2016年海南省農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)氮素流動時空變化(A: 1987—2016年農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)氮素平衡; B: 1987年和2016年不同區(qū)域農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)氮素平衡)

2.2 動物生產(chǎn)子系統(tǒng)的氮素平衡時空變化

動物生產(chǎn)子系統(tǒng)中氮素總輸入趨勢大致分為兩個階段(圖3A), 第1階段為1987—2001年, 投入量由59.27 Gg增長到144.96 Gg, 與1987年相比增長了2.45倍。第2階段為2001年以后, 增長趨勢較緩, 由144.96 Gg增長到150.45 Gg。文昌市增長最快(圖3B), 2016年輸入量約為1987年的4.64倍, 五指山市增長最慢, 僅增長了0.57 Gg。近30年來, 本地來源的飼料投入維持在4~7 Gg之間, 各年份之間略有波動。2016年, 本地飼料供應(yīng)量最多的是儋州市, 為0.70 Gg, 最少的是五指山市, 約為0.03 Gg。相比之下, 系統(tǒng)外源飼料的投入30多年來維持較高的投入水平, 由55.01 Gg增至145.85 Gg, 增幅在165%左右。對比可知, 動物生產(chǎn)子系統(tǒng)主要氮素來源為外源飼料。地方上, 對外源飼料依賴量增長最快的是文昌市, 由3.20 Gg增長到15.22 Gg, 五指山市對外源飼料需求一直較小, 需求量保持在0.60~1.22 Gg左右。30年來, 動物氮素總輸出亦快速增長, 由51.28 Gg增長到145.35 Gg。其中動物產(chǎn)品輸出項由占總輸出的10.44%增至20.98%, 而糞尿還田、糞尿氨揮發(fā)在動物生產(chǎn)子系統(tǒng)總輸出中均占較大比例。1987年, 兩者分別占總輸出量的49.10%和15.99%。到2016年, 兩者占總輸出量的31.72%與26.02%。

圖3 1987—2016年海南省動物生產(chǎn)子系統(tǒng)氮素流動時空變化(A: 1987—2016年動物生產(chǎn)子系統(tǒng)氮素平衡; B: 1987年和2016年不同區(qū)域動物生產(chǎn)子系統(tǒng)氮素平衡)

2.3 海南島農(nóng)牧生產(chǎn)體系的氮素流動及利用效率

1987年和2016年(圖4A), 海南省農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮素總輸入量分別為134.15 Gg和406.39 Gg, 體系總輸出氮素分別為84.75 Gg和307.77 Gg, 體系氮素循環(huán)量分別為35.04 Gg和70.31 Gg。從輸入項構(gòu)成來看, 1987年到2016年, 化肥投入比例由58.59%增至63.93%, 外源飼料投入比例由41.01%降至35.89%。從輸出項構(gòu)成看, 動物與作物產(chǎn)品的總輸出量占體系總輸出比例由30.99%增長到37.60%。土壤徑流侵蝕、淋溶等作用以及氨揮發(fā)和反硝化始終在土壤輸出項中占有很大比例。30年間, 損失量由37.76 Gg增至123.28 Gg, 占總輸出項的比例由44.55%變化至40.06%。從1987—2016年, 本地飼料投入量在飼料總輸入中始終占據(jù)較小比例, 1987年和2016年分別是7.2%和3.1%, 農(nóng)牧生產(chǎn)體系嚴重依賴外源飼料投入。同時動物糞尿還田和秸稈還田比重有所降低, 在農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)總輸入量的占比由23.22%降至14.28%。30年來, 農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)氮素利用效率由12.39%增長到20.54%, 動物生產(chǎn)子系統(tǒng)氮素利用率由6.10%增長到13.88%, 農(nóng)牧結(jié)合體系氮素利用效率整體呈現(xiàn)上升趨勢, 由1987年的12.84%增加到2016年的21.63%(圖4B)。從1987年至2016年海南省各市縣農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮素流動情況發(fā)生了顯著的變化(圖5)，1987年氮素流動量較高的有?？?、儋州。到2016年, 澄邁、瓊海等地氮素流動量較高。1987年, 土壤盈余量最大的前3個市縣依次是?？?、儋州和澄邁(圖5A)。而2016年, 土壤盈余量最大的前3個市縣依次是澄邁、儋州和樂東(圖5B)。

圖4 1987—2016 年海南農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮素流動(A)及利用率(B)的變化

圖5 海南省1987年(A)和2016年(B)各市縣農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮素輸入輸出

2.4 海南島農(nóng)牧生產(chǎn)體系環(huán)境損失變化

農(nóng)牧體系生產(chǎn)過程中, 對環(huán)境影響的因素表現(xiàn)在含氮氣體揮發(fā)、反硝化、土壤的徑流侵蝕、淋溶和糞尿損失等, 由于氮素流動能力較強, 通過向大氣和水體中流動, 造成大氣污染、水體富營養(yǎng)化等較嚴重的環(huán)境問題。1987年, 農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)各項目排放總和為37.75 Gg, 動物生產(chǎn)子系統(tǒng)向環(huán)境排放量為21.08 Gg; 到2016年, 農(nóng)田和動物生產(chǎn)系統(tǒng)環(huán)境排放量分別為123.28 Gg和69.28 Gg。1987年和2016年氮素總損失量在體系總輸出項所占比例分別為69.42%和62.57%, 土壤盈余量由39.17 Gg增長到93.03 Gg。

2.5 農(nóng)牧生產(chǎn)體系線性相關(guān)性結(jié)果

由圖6A可知, 體系內(nèi)氮素流動在2004年之前呈現(xiàn)較快增長趨勢, 2004—2005年開始下降, 之后緩慢上升, 實際趨勢線與理想趨勢線間差距逐漸增大。近年雖然差距有所減小, 但就分離閾上來看, 仍是1987年的2倍。從空間上看(圖6B), 2016年各市縣體系內(nèi)部氮素流動區(qū)域差異較大且流動量普遍較低, 超過10 Gg的僅有文昌、澄邁和儋州。研究表明這些農(nóng)牧業(yè)較發(fā)達的地區(qū)氮素實際輸入量與理想輸入量差值較大, 而不發(fā)達的地區(qū)如五指山、瓊中和保亭, 兩者流動量接近。

圖6 海南省農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮素流動相關(guān)性分析(A: 1987—2016年農(nóng)牧生產(chǎn)體系相關(guān)性關(guān)系; B: 2016年各市縣農(nóng)牧生產(chǎn)體系相關(guān)性關(guān)系)

3 討論

3.1 海南省農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮素流動特征

農(nóng)牧結(jié)合是推動農(nóng)業(yè)可持續(xù)和集約化發(fā)展的必然出路[34], 因而對農(nóng)牧生產(chǎn)體系的整體性研究意義重大。海南地區(qū)由于其獨特的區(qū)位特點, 農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮素流動呈現(xiàn)如下特征: 1)增長較快但總量較低。體系中農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)與動物生產(chǎn)子系統(tǒng)中氮素的輸入項與輸出項30年間均增長了3倍左右。但從總量上看, 全省氮素流動僅達到某些地市水平。以長春地區(qū)為例[35], 2013年長春地區(qū)農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)總輸入、輸出分別為405 Gg和280 Gg, 動物生產(chǎn)子系統(tǒng)總輸入、輸出分別為118 Gg和101 Gg, 與海南省2016年相近。2)區(qū)域間農(nóng)牧發(fā)展極不平衡。2016年各市縣農(nóng)牧生產(chǎn)體系總輸入量最高的澄邁縣, 輸入總量為43.65 Gg, 輸入量最低的是五指山市, 僅為2.20 Gg。體系輸出項中, 瓊海市年總輸出量為35.14 Gg, 而五指山市僅為2.04 Gg。3)化肥投入比例大且利用率低。2016年海南省農(nóng)牧生產(chǎn)體系化肥氮素投入量占體系氮素總投入量的比例為63.93%, 而國內(nèi)一些研究結(jié)果顯示, 化肥氮素投入占農(nóng)田氮素投入的比例為47.40%(全國尺度)[36]。相比之下, 海南省化肥投入所占比例偏高。魯如坤等[37]認為氮肥投入的利用率為60%; 而楊林章等[38]指出, 氮肥只有50%被吸收利用; 而阮云澤[39]通過研究得出, 熱帶地區(qū)旱地磚紅壤上氮肥利用率為22.50%~ 43.84%(平均利用率為33.32%), 可見熱帶地區(qū)氮肥損失嚴重。4)體系主產(chǎn)品輸出率低且外源飼料依賴嚴重。1987年和2016年主產(chǎn)品輸出量占比分別為20.01%和28.54%。外源飼料投入方面, 河北省外源飼料氮素依賴率從1980年的60.5%增至2005年的85.6%[8]; 重慶市1996年外源飼料投入比例為78.0%, 且到2015年均未產(chǎn)生較大變化[40]。海南省外源飼料投入占總飼料輸入比例從1987年92.87%增至2016年的96.95%, 30年來飼料輸入嚴重依靠外來進口, 因而不利于農(nóng)牧生產(chǎn)體系高效發(fā)展, 同時降低了農(nóng)民收益。5)環(huán)境損失量較大, 面源污染較嚴重。海南省土壤盈余量30年間增長3倍左右, 2016年達93 Gg。各市縣總量多在2 Gg以上, 呈現(xiàn)北多南少的特點。反映了近30年來農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)氮素輸入過量、農(nóng)牧生產(chǎn)布局和管理不合理等問題。土壤中盈余的氮素既造成了資源的浪費, 又會經(jīng)揮發(fā)、淋溶和徑流等途徑進入環(huán)境中, 進而對環(huán)境造成壓力。而農(nóng)牧生產(chǎn)體系又是氮素排放主要來源[35], 因而加大對體系內(nèi)氮素環(huán)境排放的跟蹤和控制意義重大。

3.2 海南省農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮素流動區(qū)域變化分析及變化預(yù)測

海南省農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮素流動區(qū)域變化差異明顯, 大致歸為以下因素: 1)現(xiàn)代化和城市化進程造成部分市縣農(nóng)牧生產(chǎn)體系規(guī)模減少。以?？谑袨槔? 30年間施肥量與本地飼料投入量減少, 農(nóng)牧產(chǎn)品輸出量增長緩慢。耕地面積由1987年的56 915 hm2(含瓊山縣, 今瓊山區(qū))降至47 880 hm2。主要因為其城市化進程不斷加快, 占用大量耕地面積。2)由地理因素導(dǎo)致農(nóng)業(yè)布局差異。以五指山市為例, 30年里農(nóng)牧生產(chǎn)體系內(nèi)各項指標均低于省內(nèi)其他市縣, 主要由于五指山市位于海南島中部, 群山環(huán)抱, 森林覆蓋率高, 耕地面積較小, 30年間保持在2 000 hm2左右, 因而農(nóng)業(yè)發(fā)展水平較低。且由于地形原因, 農(nóng)業(yè)發(fā)展主要以熱帶花卉、高山蔬菜、靈芝、茶葉等特色農(nóng)產(chǎn)品為主。3)區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展導(dǎo)致農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化程度不同。研究結(jié)果顯示, 動物產(chǎn)品輸出量較高的地區(qū)主要有儋州市、瓊海市、定安縣、澄邁縣和文昌市, 作物產(chǎn)品輸出量較高的地區(qū)有瓊海市、澄邁縣、儋州市、樂東縣和昌江縣。這些市縣主要分布在海南島東西部沿海區(qū)域, 發(fā)展較中部地區(qū)快。如定安、澄邁等區(qū)域加工業(yè)比較發(fā)達, 農(nóng)業(yè)信息化程度較高; 樂東、保亭等區(qū)域為南繁育種科研基地, 科研力量較強; 儋州、昌江等區(qū)域?qū)侔敫珊祬^(qū), 農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)較好[41]。

根據(jù)海南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃[41], 對海南省2020年農(nóng)牧生產(chǎn)體系相關(guān)項目作出預(yù)測。農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)中, 氮素輸入、輸出總量分別為320.62 Gg和238.52 Gg, 較2016年輸入量減少25.67 Gg, 輸出量增加5.81 Gg, 化肥施用量為246.82 Gg, 較2016年減少12.99 Gg, 作物主產(chǎn)品由67.11 Gg增至73.63 Gg。動物生產(chǎn)子系統(tǒng)中, 氮素輸入、輸出總量分別為168.73 Gg和160.12 Gg, 輸入量增加18.28 Gg, 輸出量增加16.77 Gg。本地飼料投入量為3.47 Gg, 外源飼料輸入量為163.96 Gg, 增加18.11 Gg, 動物主產(chǎn)品輸出量為22.27 Gg, 較2016年增加1.39 Gg。由此可知, 隨著海南生態(tài)建設(shè)的推進, 在保證較高氮素輸出量的前提下, 輸入量投入有所降低, 一定程度上可提高資源利用率, 減少養(yǎng)分的浪費。但外源飼料投入量仍然增加, 說明海南在加強農(nóng)牧生產(chǎn)體系結(jié)合和提高本地飼料產(chǎn)量方面還未引起足夠的重視。

3.3 海南省未來農(nóng)牧生產(chǎn)體系發(fā)展的建議

針對海南省農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮素流動利用率低下、總產(chǎn)出量不足、肥料損失嚴重、高環(huán)境排放量以及高外源飼料依賴等問題, 提出以下優(yōu)化途徑: 1)農(nóng)牧生產(chǎn)體系由分散式家庭養(yǎng)殖模式到可持續(xù)集約化管理。通過規(guī)?；芾? 從農(nóng)牧業(yè)布局到優(yōu)化選種, 提高作物和動物產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量。并結(jié)合區(qū)域發(fā)展, 建立農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與畜牧生產(chǎn)綜合基地, 便于作物副產(chǎn)品與動物糞尿在農(nóng)牧結(jié)合體系內(nèi)循環(huán)利用, 提高利用效率。2)發(fā)展經(jīng)濟作物的同時兼顧糧食作物。大多經(jīng)濟作物副產(chǎn)品無法直接用于還田和作為動物飼料, 因而加重了農(nóng)牧生產(chǎn)體系對化肥和外源飼料的依賴, 不利于經(jīng)濟發(fā)展與資源利用。3)改善畜禽糞尿管理。農(nóng)牧結(jié)合的核心目的是通過改善畜禽糞尿管理, 減少養(yǎng)分損失和提高其循環(huán)利用率[42]。改造完善規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場基礎(chǔ)條件, 建設(shè)固液分離、雨污分流、糞便儲存及輸送管網(wǎng)設(shè)施[41]。4)減少化肥的使用, 同時提高氮肥利用效率。氮肥使用過程中, 含氮量僅為46.7%, 大量使用造成較嚴重的資源浪費, 所以要以減施化肥為目標, 深化測土配方施肥、水肥一體化、增施有機肥等綜合措施, 建立海南省肥料指標體系; 根據(jù)氣候、地貌、土壤類型、作物品種、耕作制度等差異, 合理劃分施肥類型區(qū), 推廣測土施肥技術(shù), 建設(shè)測土配方施肥體系[41]。研究表明, 不同的施肥深度氮素淋溶損失量不同, 越深損失量越低[32], 因而, 根據(jù)作物種植深度進行化肥施用不僅可以減少使用量亦可以提高利用效率, 同時減少氮肥氨揮發(fā)。5)應(yīng)加強管理并出臺相關(guān)政策。需從源頭減少氮素的投入, 同時加強投入的供給側(cè)管理, 產(chǎn)品輸出的資源化利用, 尋求更高效的技術(shù)手段。政策上則要求把握全局, 點面結(jié)合。加大針對農(nóng)業(yè)面源污染防治的財政投入, 使之與排放占比相匹配[42]。

4 結(jié)論

本文采用NUFER模型詳細分析了近30年海南島農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮素養(yǎng)分流動時空變化特征, 對系統(tǒng)內(nèi)氮素利用效率和環(huán)境損失情況進行了定量化研究。研究表明30年來海南島農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮素的輸入依賴高額的氮肥和外源飼料, 本地飼料產(chǎn)量低, 利用少。在畜禽管理上, 當前動物糞尿處理方式簡單, 多為無序排放, 造成資源浪費的同時增加了環(huán)境壓力。由于區(qū)域原因, 海南島氮素經(jīng)氨揮發(fā), 地表徑流、侵蝕和淋溶比例也高于我國其他地區(qū)。從空間上看, 受地理位置、政策支持和區(qū)域發(fā)展的影響, 沿海地區(qū)和南繁地區(qū), 系統(tǒng)氮素流動和循環(huán)量較高, 呈現(xiàn)四周高, 中間低的特點。

總體來說, 海南農(nóng)牧生產(chǎn)體系發(fā)展較為落后, 區(qū)域分布不合理, 體系分離較嚴重。由此引發(fā)了高環(huán)境排放量、高氮素施用量、高外源飼料依賴量、低氮素利用效率等一系列問題, 這些弊端都將制約海南國際旅游島和自由貿(mào)易區(qū)(港)建設(shè)步伐中對生態(tài)文明建設(shè)的高標準要求。因此, 未來海南農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分管理應(yīng)包括: 1)進一步明確農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮素流向和跟蹤其引發(fā)的環(huán)境效應(yīng); 2)加大有機肥的投入量及肥料的合理調(diào)控; 3)加強畜禽糞尿養(yǎng)分循環(huán)利用和綠色高效的區(qū)域農(nóng)牧生產(chǎn)體系布局。

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Spatial and temporal characteristics of nitrogen flowsin farming and animal production system in Hainan Province*

DING Shang1, GUO Haohao1, CHENG Mingyu1, SONG Chenyang1, DIAO Xiaoping2,3, ZHAO Hongwei1,2**

(1. Institute of Tropical Agriculture and Forestry, Hainan University, Haikou 570228, China; 2. State Key Laboratory of Marine Resource Utilization in South China Sea, Hainan University, Haikou 570228, China; 3. College of Life Sciences, Hainan Normal University, Haikou 571158, China)

Though nitrogen is one of the necessary elements for life activities, its’ excessive input in a region may cause serious environmental pollution. Hainan Island, a province in the tropics, was taken as the research object to investigate the process and characteristics of nitrogen flows in farming and animal production system. To optimize the nutrient management of this system, the relationships of nitrogen input and output changes and the temporal and spatial characteristics of nitrogen utilization efficiency were analyzed, which would provide scientific basis for the policy setting of agriculture and animal husbandry development in Hainan province. The model of NUtrient flows in Food chains, Environment and Resources use (NUFER) combining with Origin and ArcGIS software were used to analyze the temporal and spatial changes of nitrogen flows in farming and animal production system in Hainan Province from 1987 to 2016, meanwhile for the first time, the correlation of spatial and temporal variations of nitrogen flows in the farming and animal production system was analyzed under ideal and actual conditions. The results showed that the total nitrogen input increased from 134.15 Gg to 406.39 Gg, the total nitrogen output increased from 84.75 Gg to 307.77 Gg in the past 30 years. The nitrogen utilization efficiency of the farming production subsystem increased from 12.39% to 20.54%, and that of the animal production subsystem increased from 6.10% to 13%. The nitrogen utilization efficiency of the integrated system of farming and animal production increased from 12.84% in 1987 to 21.63% in 2016. In spatial distribution, the increase of total nitrogen input and output was the highest in Chengmai County and Qionghai City, respectively, while being the lowest in Wuzhishan City. In the animal production subsystem, the increase of total nitrogen input and output was the highest in Wenchang City and Danzhou City, respectively, while being the lowest in Wuzhishan City. The results show that the nitrogen input of farming and animal production system in Hainan Island increased continuously from 1987 to 2016, with the low nitrogen utilization efficiency, the big spatial difference, and the high soil nitrogen surplus. The correlation analysis showed that the farming production subsystem and the animal production subsystem were disjointed seriously. Therefore, in order to improve the efficiency of nitrogen flows and promote the sustainable development in Hainan Province, it is necessary to increase the yield of local feedstuff, make rational use of fertilizer, recycle livestock and poultry manure, further optimize the layout of agriculture and animal husbandry development, and establish a highly efficient production system for farming and animal husbandry.

Farming and animal production system; Nitrogen flows; Nitrogen utilization efficiency; NUFER model; Hainan

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

Jul. 4, 2018;

Sep. 20, 2018

X2; X171

A

2096-6237(2019)02-0246-11

10.13930/j.cnki.cjea.180629

* 海南省重大科技項目(ZDKJ2017002)和海南省自然科學(xué)基金項目(417053, 317302)資助

趙洪偉, 研究方向為養(yǎng)分管理與農(nóng)業(yè)面源污染防治。E-mail: hwzhao@hainu.edu.cn

丁尚, 研究方向為養(yǎng)分資源管理。E-mail: Dshainu@163.com

2018-07-04

2018-09-20

* This study was supported by the Key Science and Technology Program of Hainan Province (ZDKJ2017002) and Hainan Provincial Natural Science Foundation (417053, 317302).

丁尚, 郭浩浩, 程鳴宇, 宋晨陽, 刁曉平, 趙洪偉. 海南農(nóng)牧生產(chǎn)體系氮素養(yǎng)分流動時空變化特征[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(中英文), 2019, 27(2): 246-256

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