种养结构对区域农田系统土壤氮素承载力的影响 ——以湘潭县为例

林毅青，吴根义，佘磊，刘永丰

(湖南农业大学资源环境学院，湖南 长沙 410128)

畜禽养殖业快速发展的同时也对各国生态环境构成了严重威胁[1–3]。第一次全国污染源普查结果显示，在中国主要污染物排放量中，农业源占大部分，中国农业生产(包括畜禽养殖业、水产养殖业与种植业)排放的COD、氮、磷等主要污染物量已远远超过工业源与生活源，成为污染源之首[4]。畜禽养殖污染是农业污染的主要来源[5–6]，已逐步超过土壤所能承载的最大容量。

关于畜禽养殖结构对土壤氮素承载的影响已有大量的研究：山东省禹城地区农田系统的氮素输入、氮素输出和氮素盈余均呈逐年增加趋势[7]；胡浩等[8]根据土壤表观养分平衡理论，以单位耕地面积畜禽粪便猪粪当量负荷及其警报值作为判断某地区畜禽养殖与环境是否相适应的指标，并以江苏省为例测算了2009年畜禽养殖空间布局和耕地畜禽粪便猪粪当量及其警报值；张绪美等[9]根据中国31 个省(市)畜禽养殖数据，分析了中国不同省的畜禽养殖结构变化及不同地区的畜禽粪便农田负荷量。笔者根据湘潭县区域农田系统种养结构的变化，以2011年为例，分析该区域农田系统的氮素承载力，旨在为研究区域经济的可持续发展提供参考。

1 材料与方法

1.1 数据来源

湘潭县1990—2008年主要畜禽养殖量、农作物产量及耕地面积变化等数据均来源于《湖南农村统计年鉴》；2011年湘潭县农田氮肥中的氮素施用量根据当年湖南省氮肥施用实物量与折纯量进行折算。

1.2 分析方法

参照2011年《湖南农村统计年鉴》中的方法，将湘潭县可用于耕种的农田面积拟合成一个整体，根据量化的氮素输入与输出总量，采用土壤表观养分平衡理论(soil-surface balance，SNB)进行分析(图1)，并以2011年为列，对湘潭县区域农田系统土壤氮素承载力进行分析。

图1 区域农田系统土壤氮素承载力计算法Fig.1 Scheme of ntitrogen budget

输入端A 主要考虑化肥、粪肥等氮素投用量及生物固氮和大气沉降等对土壤中氮素平衡的影响；输出端B 主要考虑区域农田系统内水稻、玉米、大豆、薯类作物、油菜、柑橘等生长所需吸收的土壤中氮素的总量以及氮素流失对土壤中氮素迁移的影响，即：

SNB 为土壤氮素承载力；

Smin为化肥氮素投入量。将实际氮肥投入量折算成氮素投入量进行计算。

Sorg为畜禽粪便氮素年产出量，根据当年存栏量进行计算。畜禽的粪便排泄系数参照文献[10]中的参数。猪的饲养周期约110 d，每年出栏3 批，则猪的粪便排泄量=存栏量×110×3×日排泄系数。鸡的排泄系数取肉鸡、蛋鸡排泄系数的平均值。其他畜禽粪便排泄量均按存栏量×年排放系数进行计算。年施入农田系统的粪肥氮素量按粪便年产出量的30%进行计算。

Nmsi为生物固氮量，由区域农田系统固氮作物种植面积和固氮系数进行计算。大豆固氮系数取每年180 kg/hm2；花生固氮系数取每年100 kg/hm2[9]。

Natm为大气氮素沉降速率。中国南方地区降水氮素质量浓度多为1～2 mg/L，带入地表的氮素量基本维持在每年9.0～19.5 kg/hm2[11]。本研究中取氮素沉降最大值每年19.5 kg/hm2为计算参数。

Swyn为农田作物氮素消纳。选取水稻、玉米、大豆、花生、薯类作物、油菜、柑橘等几种主要种植作物进行分析，以作物产出总量及其每生产100 kg 产品所需氮素计算系统的整体氮素消纳量。

Swln为农田氮素流失率。湘潭县的农田类型基本为水稻田，主要农田作物为水稻。中国稻田氮素(N)流失量占当季施肥量的6%～10%[12–14]。本研究中取8%作为农田氮素流失率。

若区域农田系统氮素输入端总量A 值与输出端总量B 值相等，则表明系统内氮素平衡；A 值与B值的差为正值，则表明系统内氮素为“盈余”状态；若A 值与B 值的差为负值，则表明系统内氮素为“亏缺”状态[15]。

2 结果与分析

2.1 1990—2008年湘潭县区域农田系统种养结构的变化

2.1.1 种植结构的变化

1990—2000年，湘潭县区域系统耕地面积变化不大，平均值为68 500 hm2，而农作物播种面积呈现下降趋势；2001—2008年，湘潭县区域系统耕地面积平均增加到76 375 hm2，农作物播种面积呈现略微上升趋势(图2、图3)。整体看来，湘潭县区域系统耕地面积由1990年的69 060 hm2上升到2008年的76 240 hm2，而作物播种面积由170 620 hm2下降至144 090 hm2，复种指数由247.06%减少至189.00%，下降了58.06 个百分点。造成此现象的原因可能是城镇建设侵占了农业耕地面积，也可能是农村人口涌入城市，导致传统种植区耕种人数减少。

图2 1990—2008年湘潭县区域农田系统的耕地面积Fig.2 Arable area in Xiangtan country from 1990 to 2008

图3 湘潭县区域农田系统的作物播种面积Fig.3 Cultivated area of crop in Xiangtan country

由图4 可见，1990—2008年，在稻谷、玉米、大豆、薯类、油菜和柑橘等6 种作物中，稻谷产量始终最大，总体呈上升趋势：1992—1994年，稻谷产量逐年下降；1995—2002年，稻谷产量经短时间上升后再呈逐年下降趋势；2003—2008年，稻谷产量虽然逐步增加，但2008年仍有一定的下降。稻谷产量的大幅波动可能是由区域经济因素、政策因素及环境因素等的影响导致的，如1997年的亚洲金融风暴和1998年湖南爆发的特大洪水直接导致了粮食产量减小；2000年中央实行税费改革等一系列保护农民利益的政策，农民种粮的积极性大大提高，粮食产量呈增长趋势。

图4 1990—2008年湘潭县区域农田系统的农作物产量Fig.4 Crop yields in Xiangtan country from 1990 to 2008

玉米产量从2002年开始迅速增加，这可能是由国际玉米价格一路攀升所致，2008年随着国际玉米价格的理性回归，其产量也回落到一个相对较低的水平。其他农田作物的产量相对稳定。

2.1.2 养殖结构的变化

从畜禽养殖规模上看，湘潭县以生猪养殖为主，1990—2008年，湘潭县生猪存栏数呈逐年上升趋势，由1990年的63.38 万头增至2008年的134.33万头，增长了111.95%(图5)。这表明近10年来人民生活水平的提高对畜禽产业发展的影响明显。

图5 1990—2008年湘潭县区域农田系统的生猪存栏量Fig.5 Number of pigs in Xiangtan country from 1990 to 2008

2.2 2011年湘潭县区域农田系统土壤氮素承载力分析

2.2.1 输入端的氮素供给量

1) 2011年湘潭县区域农田系统耕种面积约为7.749×104hm2，每年通过大气沉降作用输入系统的氮素总量约为1 511 t。

2) 大豆和花生的种植面积分别为310、350 hm2，通过生物固氮作用输入系统的氮素总量约为90.8 t。

3) 氮肥施入量(折纯N)约为37 935.3 t。

4) 湘潭县区域系统内猪、禽类养殖量占总养殖量的97.85%。由于禽类粪便排放系数较小，所以区域内粪便氮素(N)产生量主要以猪粪排放为主，猪、牛、禽类、羊的氮素(N)产生量依次减小，通过粪便排放产生的氮素总量约为7 927.1 t，按粪便年产出量的30%投入农田计算，则粪肥输入系统的氮素总量约为2 378.1 t(表1)。

表1 2011年湘潭县养殖业氮素产生及投入量Table 1 Nitrogen outputs and inputs of breeding industry of Xiangtan country in 2011

对以上输入系统的各类氮素量求和，则2011年湘潭县区域农田系统输入端氮素总量为41 915.2 t。

2.2.2 输出端的氮素消纳量

1) 湘潭县区域农田系统化肥与粪肥输入氮素总和约40 313.4 t，按照农田氮素流失率8%进行计算，区域农田系统氮素实际输入量只有37 088.3 t，流失量约为3 225.0 t。

2) 湘潭县区域农田系统稻谷、玉米、大豆、薯类作物、花生、油菜、柑橘等作物产量为72.24 万t，其氮素消纳量约为15 093 t，稻谷、油菜、玉米、大豆、柑橘、花生、红薯、马铃薯的氮素消纳量依次减小(表2)。

表2 2011年湘潭县区域农田系统的作物产量及氮素消纳量Table 2 Crop yields and nitrogen requirements of Xiangtan country in 2011

对以上输出系统的各类氮素量求和，则2011年湘潭县区域农田系统输出端氮素总量为18 318 t。

2.2.3 区域农田系统土壤氮素承载力

按耕地面积对湘潭县区域农田系统土壤氮素承载力进行分析。2011年区域农田系统输入端大气沉降氮素量为19.5 kg/hm2，经豆科作物固氮所承载的氮素量为1.17 kg/hm2，土壤化肥、粪肥实际氮素投入承载量分别为489.58、30.69 kg/hm2；农田系统氮平衡输出端氮素流失量为41.62 kg/hm2，农田作物生长所承载的氮素总量为194.78 kg/hm2。将输入、输出端氮素承载量代入(1)式，得出湘潭县2011年区域农田系统土壤氮素承载力为304.54 kg/hm2，土壤氮素平衡表现为“盈余”状态。

3 结论与讨论

1990—2008年，湘潭县区域农田系统耕地面积由69 060 hm2增长至76 240 hm2；作物播种面积由170 620 hm2降至144 090 hm2；复种指数由247.06%减少至189.00%；农作物总产量由742 762 t 增加至828 693 t，增长了11.57%；生猪存栏量由63.38 万头增加至134.33 万头，增长了111.94%。

2011年，湘潭县区域农田系统氮素输入端化肥、粪肥、大气沉降、生物固氮输入系统的氮素量分别为489.58、30.69、19.5、1.17 kg/hm2，总氮素供给能力为540.94 kg/hm2；输出端农作物生长消纳氮素194.78 kg/hm2和农田系统氮素自然流失41.62 kg/hm2，总消纳能力为236.40 kg/hm2。采用Soil- surface balance 氮素平衡计算方法，得出湘潭县区域农田系统土壤氮素承载力为304.54 kg/hm2，土壤氮素表现为“盈余”状态。

湘潭县既是传统的产粮大县，也是养殖大县，区域内种植和畜禽养殖量都名列湖南省前茅，但由于种养结构不合理，导致养殖粪便大多没有较好地得以返田利用，使得种植业中氮肥施用量大，环境污染严重。统计数据表明，湘潭县氮肥施入总量占湘潭地区总氮肥施入量的57.92%，居湘潭地区施入量的第一位。氮肥投入量增加使得土壤氮素承载力加大。本研究结果表明，湘潭县的农田面积还可能减少，而畜禽养殖数量却有可能增加，随之带来的土壤承载问题、环境污染问题将更加突出。为减少农田系统氮素盈余，湘潭县应尽量减少农田系统化肥氮素的施用，转而以施用粪肥替代，并调整种养结构，形成以“种”带“养”的良性循环模式。

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