云南省农牧生产系统氮素流动时空变化特征与环境效应

李晓琳，郑毅



云南省农牧生产系统氮素流动时空变化特征与环境效应

李晓琳，郑毅

（西南林业大学环境科学与工程学院，昆明 650224）

【目的】研究云南省农牧生产系统的氮素流动途径并评价其环境效应，提高农牧业氮素利用率，改善农业生态环境，为制定符合云南省农业发展规律的政策提供科学依据，实现社会经济生态的可持续发展。【方法】通过运用食物链养分流动模型（nutrient flows in food chains, environment and resources use，NUFER），从时间序列的角度分析1995—2014年云南省农牧业氮素养分流动时间分异特征，结合GIS，从空间格局角度分析2014年云南省16个地州农牧业氮素养分流动空间分布特征。【结果】1995—2014年云南省农牧系统氮素投入量逐年递增，从1995年的2.1×106t增至2014年的3.5×106t。氮肥的施用和饲料进口是造成农牧系统氮素投入量增加的主要原因。农田主产品吸氮量与动物生产系统主产品吸氮量在时间上呈现同向增长的关系，农产品吸氮量1995—2014年间上涨2.1倍，动物生产系统主产品吸氮量上涨8.5倍，其中2000年、2006年变化最为剧烈。云南农牧业快速发展的过程中，由于作物播种面积扩大、栽植技术提高，畜牧业养殖规模扩大，模式改良所引起的氮素吸收效率提高。云南省农牧生产系统氮素流动表现出极大的不平衡性；氮素投入呈现放射式分布特征，中心投入量高，四周投入量逐渐递减。吸氮量则表现出与区域社会经济发展状况相协同的特点，经济发达地区吸氮量较高，经济发展滞后的区域，吸氮量较低。由于地形条件引起的径流、侵蚀、淋洗，以及由于施肥方式不合理所引起的氨挥发是导致农牧生产系统中氮素损失的重要原因。根据云南省氮素投入、吸收和损失规律，可将各地州划分为高投入高排放（大理、昆明、红河）、高投入低排放（曲靖、丽江、楚雄等）、低投入高排放（迪庆、昭通等）和低投入低排放（怒江、普洱）4大类型。【结论】云南省传统施肥方式导致施肥过量，大量肥料通过氨挥发的方式排入大气中，动物养殖过程中产生的粪尿中氮素通过径流、淋溶进入水体，造成农业生产过程中经济效益的降低、环境污染。从空间格局上看，大理、昆明、红河的氮素损失较高。今后亟需改进化肥施用方式，提高化肥利用率，改进畜牧业养殖模式，提高粪尿有机还田的数量。针对主要区域重点治理，采用因地制宜的农牧体系氮素优化管理技术、增加粪尿养分循环和提高氮养分效率，减少氮素向大气和水体中的排放数量，从而实现农牧体系氮素的合理循环。

农牧系统；氮流动；NUFER模型；环境效应；云南省

0 引言

【研究意义】氮素是一切生命组成所必需的成分，它通过氨基酸、氮氧化合物等不同载体的形式沿着食物链的方向流动，对氮元素管理的好坏直接关系到人口、资源、环境等重大问题[1-3]。近年来随着农牧业氮素的大量投入，造成水体富营养化及水体硝酸盐超标、土壤酸化、大气氮沉降增多等诸多环境问题[4-6]。其中农田系统有机肥含量低，重化肥轻有机肥、农田中产生的秸秆不能科学利用[7-8]；畜牧系统中秸秆、厨余等非常规饲料减少、粪尿中的氮通过有机肥还田数量减少，都是造成氮环境污染加剧的原因[9-10]。研究云南省农牧生产系统的氮素流动途径，并评价其环境效应，对于提高该地区农牧业氮素利用率，改善农业生态环境，实现社会经济生态的可持续发展具有重要战略意义。【前人研究进展】现有国内外对氮养分流动的研究主要包括微观尺度量化具体农业模式下氮养分含量计算。朱志平等[11]在微观尺度上对育肥猪猪舍NH3浓度测定与排放通量进行了研究，结果表明育肥猪饲养期间的氨气排放通量为每头107.18—424.42 mg·h-1；寇长林等[12-13]对不同作物体系下有机氮素对地下水硝态氮的影响进行了研究，结果表明果园土壤硝态氮累积随土壤深度而增加，大棚蔬菜区地下水硝态氮含量与井深呈指数函数降低关系。此外，从食物链角度评价氮素养分管理的方式逐渐备受关注，营养水平、食品结构、城镇化等对氮素养分流动的影响也有所深入，MA等利用养分流动的方法建立区域氮素流动模型，分析氮素养分在区域间的流动情况[14-19]；BAI等通过构建“饲料摄入-粪尿排泄-收集-储存-处理-施用”的有机肥施用链条，定量分析了不同畜禽养殖系统中氮素的流动和损失状况[20-23]；张建杰等利用统计资料和文献数据，通过养分流动模型与GIS结合，深入分析了山西省畜禽养殖量的变化特征，并从时空纬度评价了山西省畜禽资源量及其环境风险[24-25]。【本研究切入点】云南是全球生物多样性保护的热点地区，也是中国生物多样性保护的优先区域和重要生态屏障，随着水土流失和石漠化程度加剧，加之近年来连续遭受的极端干旱天气，区域生态系统面临的考验日趋严峻[26-27]。同时，农牧业是该地区主要收入来源，因历史等原因该地区的经济文化落后，农牧业生产水平低下，具有生态脆弱与经济落后重叠交织的典型特征[28-29]。然而，对于云南省农牧系统（crop-livestock system，CLS）氮素流动时空变化的研究，尤其是在时间序列尺度下不同年份养分流动规律研究较为缺乏。【拟解决的关键问题】通过运用食物链养分流动模型（nutrient flows in food chains, environment and resource use，NUFER），从时间序列的角度，分析1995—2014年云南省农牧业氮素养分流动时间分异特征，通过GIS从空间格局角度，分析2014年云南省16个地州农牧业氮素养分流动空间分布特征，为之后进行情景分析，制定符合云南省农牧业发展规律的政策提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

云南省地处中国西南边陲，位于北纬21°8′3″—29°15′8″、东经97°31′39″—106°11′47″，北回归线横贯本省南部。云南全境东西最大横距864.9 km，南北最大纵距990 km，总面积39万平方公里，占全国陆地总面积的4.1%，包括昭通、曲靖、昆明、文山、玉溪、红河、楚雄、普洱、西双版纳、大理、丽江、迪庆、怒江、保山、德宏、临沧16个地州（图1）。云南气候兼具低纬气候、高原气候、季风气候特征，主要表现为四季温差小，日温差大，干雨季分明、气候类型多样，造就了云南农业生产的复杂性。种植业面积大，种植作物类型多，包括小麦、玉米、水稻、马铃薯、咖啡、三七、葡萄、茶叶等；此外云南省畜牧业持续稳定发展，生猪存栏居全国第6位，牛存栏居全国第6位，羊存栏居全国第12位[30]，成为中国畜牧业主产省之一，已进入由传统畜牧业向现代特色畜牧业转变的发展阶段。从经济发展水平看，滇中昆明、玉溪、曲靖发展水平远远高于其他地州，此外近年来大理、丽江、西双版纳以旅游业为支撑，经济水平显著提升。与之相反，怒江、迪庆等地区海拔高，地势险峻，太阳辐射强烈但全年积温较低，在自然及交通条件的制约下，发展远远滞后于其他地州。

图1 云南省行政区划图

1.2 研究方法—NUFER模型

食物链养分流动模型（NUFER模型）可以模拟国家和区域尺度氮、磷养分在农牧系统和食物链系统的流动、养分利用率及环境排放[14,31]。本研究系统中氮素的输入项包括：（Ⅰ）生物固氮、（Ⅱ）大气沉降、（Ⅲ）肥料的输入、（Ⅳ）饲料的进口；氮素吸收项包括：①农田主产品吸氮、②动物系统主产品吸氮；输出项包括：（1）氨的挥发、（2）N2O的排放、（3）硝化作用和反硝化作用中产生的N2以及（4）淋洗、径流、侵蚀。还有系统内部通过植物产品、饲料、动物产品、秸秆、动物排泄物、有机物还田、秸秆作饲料再利用、废弃物氮素积累进行养分流动（图2）。

1.3 数据及参数来源

化肥使用量、作物种植面积和产量、畜禽数量、食品消费均来自1995—2014年云南省统计年鉴，其中农作物主要包括粮食作物、蔬菜、水果，畜禽主要包括猪、肉牛、役用牛、奶牛、羊、蛋禽和肉禽。

为了便于直观比较，畜禽生产中畜禽单位（livestock unit，LSU）采用欧盟统计局折算方法[29]，将奶牛作为标准单位，一头肉牛或者役用牛折算0.8头奶牛，一头猪折算0.3头奶牛，一只肉鸡折算0.007头奶牛，一只蛋鸡折算0.014头奶牛，一只羊折算0.1头奶牛，驴、马、骡等马科动物折算0.8头奶牛。收获作物和动物产品中的氮含量、每种动物的排泄物氮含量及动物产品中可食用性的部分和其他部分的划分均从文献中获取[30]。动植物生产中氮素的排放系数等参数来源于文献中的数据、调查结果和基础总结得到（表1—表3）。

表1 各种作物单位经济产量的需氮量（包含秸秆）

2 结果

2.1 云南省农牧业氮素养分流动时间变异特征

1995—2014年间云南省农牧生产系统中氮素投入量从2.1×106t增长至3.5×106t，主要来源于化学氮肥的施用，随着时间的推移，施用量逐年增加，从1995年8.8×105t增长到2014年的2.3×106t。近20年，饲料进口投氮量先增加后减少，最大值1.1×106t出现在2000年，最小值9.52×105t出现在2006年，占氮素投入总量从1995年的48.2%下降到2014年的28.0%，说明饲料对系统氮素的累积作用正逐年减弱。此外，近20年来以自然因素为主的大气沉降和生物固氮对云南省氮投入量保持基本稳定。大气沉降从1995年的1.6×105t增至2014年2. 14年的9.2×104t（图3）。

图2 农牧生产体系氮流动模型框架

表2 各种畜禽活体重、各部分比例以及氮素养分

1)氮素养分含量 Nitrogen content

表3 畜禽粪尿排泄系数及养分含量

实现农牧业主产品的产量最大化是进行农牧业生产的主要目的，农田系统主产品、动物生产系统主产品是氮素吸收的主要途径。从氮吸收情况看，云南省农田主产品吸氮量近20年来逐年上升，从1995年4.1×105t上升至2014年8.6×105t，20年间吸氮量增加2.1倍。与农田主产品吸氮量相同，动物生产系统主产品吸氮量也处于上升状态，从1995年4.1×104t增加到2014年3.5×105t，增加8.5倍，其中2010—2011年间出现急剧增长，年增长量达到1.1×105t（图4）。近20年来畜牧业综合生产能力明显增强，牲畜饲养量大，生产方式不断转变，专业化、规模化程度提高。

图3 1995—2014年云南省农牧系统氮素投入量

图4 1995—2014年云南省农牧系统氮素吸收量

1995—2014年间，秸秆和粪尿氮素还田率逐年减少，从6.1×105t降至5.4×105t，其中1991—2001年间变化幅度较大，减少5.0×104t，2006年出现急剧减少5.4×104t；与之相反，秸秆作为饲料量逐年增加，从1995年的2.8×104t增至2014年的6.1×104t，增长117%，其中急剧变化出现在2006—2007年间，从3.4×105t增至4.6×105t（图5）。

2.2 云南省农牧生产系统的氮素环境损失

氮素环境损失途径主要有：一部分通过氨挥发、氧化亚氮及氮气等气态形式排放到大气中，一部分通过淋洗、径流等途径流入地表水、地下水中，2014年氮素的总损失量达到2.4×106t。其中氨挥发损失9.5×105t，以N2O形式排放2.9×104t，反硝化作用N2排放1.4×105t，排入大气中的氮量达到1.13×106t，此外通过淋洗、径流、侵蚀作用排入水体中的氮量达到1.22×106t，两者基本相等。与1995年相比，通过氨挥发损失的氮素量增加了3.50×105t，氧化亚氮排放的氮素量增加1.37×104t，以硝化作用形式损失的氮素量增加6.63×104t，通过淋洗损失掉的氮素量增加5.64×105t（图6）。

图5 1995—2014年云南省农牧系统内氮素流动量

图6 1995—2014年云南省农牧系统氮素损失情况

2.3 云南省农牧业氮素养分流动空间分布特征

从单位面积耕地氮素投入总量上看，云南省氮素投入范围在461—2 387 kg·hm-2。大理农牧业发展迅速，集约化程度高，氮素投入量最大，高达2 387 kg·hm-2；怒江地区由于受气候、土壤等自然条件限制，中低产田、坡耕地较多，农牧业较其他地州而言，发展缓慢，氮素投入量居全省末位，仅有461 kg·hm-2。根据单位面积耕地氮素投入量，将全省分为三级区域，一级区域（＜700 kg·hm-2）主要包括迪庆、怒江、普洱、昭通；二级区域（700—1 200 kg·hm-2）包括保山、临沧、西双版纳、丽江、楚雄、玉溪、曲靖、文山8个地（州，市）；三级区域（＞1 200 kg·hm-2）包括昆明、大理和红河（图7）。氮素投入量的空间格局与社会经济发展水平、农业集约化程度基本一致。

从组成上看，氮肥投入比例最高的区域有西双版纳、丽江，投入比例均在50%以上。其中西双版纳氮肥投入量最大，高达498 kg·hm-2，该区域土壤本身氮养分含量相对较低，为了实现高产稳产目标需要施用大量化肥，造成化肥在土壤中的富集。饲料投入比例最高的区域有大理、昆明、红河，分别为1 641、1 320.4和1 219.1 kg·hm-2，昆明、大理、红河等区域重点发展规模化、集约化畜牧养殖，日益增长的牲畜数，需要消耗大量的饲料，因此该区域氮素投入主要来源于饲料进口，占氮素投入总量的68%左右。生物固氮投入氮素比例最高的地区为迪庆，达到15.3 kg·hm-2，最小为玉溪地区的8.1 kg·hm-2（图7）。

图7 云南省各地州氮素投入量

从单位面积农田主产品吸氮量看，全省农田主产品吸氮量在90.2—214.8 kg·hm-2，其中大理州农田主产品吸氮量达到214.81 kg·hm-2，高于云南省其他地区。将单位面积农田主产品吸氮量水平＜100 kg·hm-2的划分为一级区域，主要包括临沧、普洱、文山、怒江区域；将吸氮水平在100—150 kg·hm-2划分为二级区域，主要包括德宏、保山、迪庆、丽江、昆明、曲靖、玉溪和昭通；将单位面积农田主产品吸氮量＞150 kg·hm-2的区域划分为三级区域，包括大理、楚雄和红河（图8）。

单位面积动物生产系统主产品吸氮量反映了氮素在畜牧系统中的利用效率，除大理州地区，云南省各地州单位面积动物生产系统主产品吸氮量范围14.90—67.78 kg·hm-2。大理州单位面积动物产品吸氮量远远高于其他地区，达到152.66 kg·hm-2。一级区域（＜20 kg·hm-2）集中在普洱、西双版纳、德宏和怒江等地州，其中普洱地区吸氮量全省最低，为14.90 kg·hm-2；二级区域（20—50 kg·hm-2）集中在滇西、滇北北区域的保山、昭通、丽江、怒江、临沧、楚雄和迪庆州等；三级区域（＞50 kg·hm-2）集中在滇中区域的昆明、曲靖、玉溪等地（图9）。

2.4 云南省农牧业氮素损失空间分布特征

整个农牧生产体系的氮素损失途径包括农田生产系统N2O和N2排放、通过NH3挥发、土壤径流、侵蚀、淋洗、硝化及反硝化作用。

图8 云南省各地州农田主产品吸氮量

图9 云南省各地州动物生产系统主产品吸氮量

从单位面积氮素损失总量来看，损失量最高出现在大理地区，达到1 502.8 kg·hm-2，最低值出现在昭通地区，为321.4 kg·hm-2，根据损失量多少，将其分为三级区域，一级区域（＜300 kg·hm-2）主要包括普洱、怒江；二级区域（300—700 kg·hm-2）包括迪庆、丽江、保山、德宏、临沧、西双版纳、玉溪、曲靖、文山、昭通；三级区域（＞700 kg·hm-2）包括大理、昆明、红河、文山。

从整个农牧生产系统的氮素损失情况来看，农田和土壤NH3挥发以及径流、侵蚀、淋洗是主要的损失途径。各区县氮素损失的主要损失特征也不尽相同。全省来看，大理、红河、昆明的NH3挥发较高，分别为633.3、524.9和517.2 kg·hm-2，最低的区域为怒江，仅为117.9 kg·hm-2。农田N2和N2O排放损失最高的为大理，最低为怒江，分别为15.3和2.5 kg·hm-2。

大理、昆明、红河的径流、侵蚀、淋洗损失较高，分别达到763.8、692.4和560.4 kg·hm-2，怒江、普洱的径流、侵蚀、淋洗损失较小，分别为130.4和140.9 kg·hm-2（图10）。

3 讨论

3.1 云南省农牧生产系统氮素流动时间特征

云南省农牧生产系统氮素投入从时间上呈现明显增加的趋势，氮素投入量从1995年的2.1×106t增至2014年的3.5×106t，投入增加主要来源于种植业系统化肥的过量施用及畜牧养殖规模扩大引起的饲草大量进口。1995—2014年期间云南省作物播种面积从4.3×106hm2增至6.2×106hm2，经济作物种植比例从1995年15%增至2014年28%，播种面积的增加以及经济作物种植比例的提升，造成化肥投入量的增加，一方面增施化肥有助于提高作物产量，确保粮食安全，另一方面施肥技术落后，盲目施肥、过量施肥又会引起系统氮素输入量的不断增加。此外，云南省按优先发展草食畜禽以及特色优质畜禽的目标，在稳定生猪生产的基础上，大力发展牛羊（鹅）等草食畜禽，饲草的大量引入造成系统氮素的增加。

图10 云南省农牧生产系统氮素损失空间分布图

从氮吸收情况看，云南省农田主产品吸氮量近20年来逐年稳步上升，其中2000年、2006年变化显著，原因为这段时期云南省出台一系列重要措施，包括《关于强化改革举措落实加快高原特色农业现代化建设的意见》《云南省人民政府办公厅关于加快转变农业发展方式推进高原特色农业现代化的意见》，将优质作为种植业发展的一个重点方向[34]，通过育种、栽培和产后加工等技术的综合运用，显著提高产品质量，有效提高氮素的利用率。1995—2014年间动物系统主产品吸氮量快速增加，由于规模化经营发展，畜禽养殖数量从畜牧养殖量从2.2×107LSU增至2.5×107LSU，其中猪的养殖数量波动较为剧烈，从1995年的6.9×106LSU到2014年8.0×106LSU，远远超过其他畜禽养殖，生产方式不断改变，养殖技术的提高，有利地促进了畜禽对氮素的吸收。

从农牧系统间氮素流动可以看出，秸秆和粪尿氮素还田比例逐年减少，与之相反秸秆大量作为饲料由农田进入畜牧系统，说明云南农牧系统存在一定程度的农牧分离，表现为畜禽粪便没有作为养分有效地回归农田。

3.2 云南省农牧生产系统氮素流动空间特征

云南省农牧生产系统氮素投入表现出极大的不平衡性，在空间上氮素投入总量滇中区域明显大于其他地区，呈现放射状分布特征。其中怒江地区地势险峻，太阳辐射强烈但全年积温较低，农牧业发展缓慢，氮素投入量最少。西双版纳、临沧等地日照时间长，气温年较差不大，但日较差较大，土壤中氮磷含量较低，由于受自然地理因素的影响，这些地区农业发展主要依靠种植业，因此化肥投入是该地区氮素投入的主要来源。昆明作为云南省省会城市经济发展迅速，大理、红河地区形成以旅游业为主的经济增长模式，受社会经济发展影响，这些区域垦殖率较低，农业发展主要依靠畜牧业，因此饲草进口是造成其氮素投入增加的主要原因。

单位农田面积的作物吸氮量的空间分布格局与区域社会经济发展状况相协同，楚雄地区实行大规模集约节约生产，有效提高作物吸氮量。大理、玉溪、保山等区域是云南省玉米主要种植区，红河、昭通市云南省主要的小麦种植区域，玉米、小麦等粮食作物单位面积的生物量要显著高于其他经济作物，其吸氮量水平也要高于其他作物。楚雄、昆明、曲靖、玉溪等区域动物生产系统主产品吸氮量的空间分布格局与农田作物吸氮格局相反，农田种植结构与畜牧生产系统的不合理匹配，使得有的地区重农轻牧，有的地区重牧轻农。此外，大理地区动物生产系统主产品吸氮量与农田主产品吸氮量都较高，这与该区域农牧业发展模式密切相关，一方面大理地区启动了一批农业重点工程和重大项目，农业产业结构调整取得了显著的成效[35-36]。另一方面云南省通过制定了《云南省优势农产品区域布局规划》，加大了对畜牧业优势区域的扶持，形成了一批产业聚集度高、具有较强竞争力的畜牧业优势产区，其中大理是生猪、肉牛、山羊、家禽主产区[37]。高集约化、规模化、专业化的经营，使得大理的农牧生产系统氮素利用程度高。

3.3 云南省农牧系统氮素损失及环境风险分析

云南省农牧系统氮素养分损失途径主要包括淋洗、径流等途径流入地表水、地下水中（受云南复杂多变的地形地貌影响）、氨挥发。与1995年相比，通过氨挥发损失的氮素量增加了3.50×105t，通过淋洗损失掉的氮素量增加5.64×105t。从空间格局上看，大理、昆明、红河的径流、侵蚀、淋洗损失较高，怒江、普洱的径流、侵蚀、淋洗损失较小；NH3挥发最大的区域为大理、红河和昆明。

云南省位于中国西部地区，属于低纬度高原山区省份，主要受高原季风气候的影响由于特殊的地理位置，高山峡谷相间，地势由西北向东南逐渐递减；地貌类型多样，以山地、丘陵、高原、河谷等为主，复杂的地形特点和气候条件，引起的径流、侵蚀、淋洗是导致农牧生产中氮素损失的重要原因之一。在动物养殖规模扩大过程中产生的粪尿中的氮素通过有机肥还田的数量不断减少，养殖污水处理设施严重滞后，而通过淋洗、直排等方式进入环境的数量持续增加，养殖厂、村庄周围的沟渠、河流几乎全部成为纳污水体，造成了极大的环境风险。这一结果与邱成[38]研究相一致。此外施肥技术落后，传统的表面撒施不灌水的方式，导致肥料利用率很低，郭华明等早期研究表明，施肥可促进0.6—1.5 m深处土壤的反硝化作用，从而增大这些层位土壤水中亚硝态氮和铵态氮的质量浓度[39]，云南省雨季降水量充沛，雨水下渗所产生的硝态氮下移也可导致地下水的硝态氮污染。同时农田中产生的秸秆不能科学利用，做饲料、回田的比例下降，而焚烧、堆置的比例上升，由此引起的氨挥发是导致云南农牧生产系统中氮素损失的另一重要原因。

根据氮素的投入量和损失量的分级情况，可以将云南省各个地州分为4种类型：（1）高投入高损失类型：包括大理、昆明、红河区域，该区域应该减少氮素投入量，稳定农田主产品及动物系统主产品吸氮量水平，控制氮素排放量；（2）高投入低损失类型：以曲靖、丽江、楚雄等地区为代表，这些区域氮素利用率较高，但是投入量过高，应当减少氮素投入，稳定吸氮量；（3）低投入高损失类型：包括迪庆、昭通，位于滇北的迪庆和昭通，年平均气温较云南省其他地区低，气候条件制约农牧业的发展水平，造成这些区域氮素投入量较低，但是由于氮素利用不佳，使得投入的氮素大部分随氨挥发损失掉，因此在这些区域应该采取措施提高氮素的利用率；（4）低投入低排放类型：包括怒江、普洱地区，在不影响这些区域农牧业健康发展的前提下，不增加氮素投入，继续保持合理的氮素利用率。

4 结论

4.1 1995—2014年云南省农牧系统氮素投入量逐年递增，氮肥的施用和饲料进口是造成农牧系统氮素投入量增加的主要原因。农田主产品吸氮量与动物生产系统主产品吸氮量在时间上呈现同向增长的关系，农产品吸氮量1995—2014年间上涨2.1倍，动物生产系统主产品吸氮量上涨8.5倍。

4.2 云南省农牧生产系统氮素流动表现出极大的不平衡性；氮素投入呈现反射式分布特征，中心投入量高，四周投入量逐渐递减。吸氮量则表现出与区域社会经济发展状况相协同的特点，经济发达地区吸氮量较高，经济发展滞后的区域，吸氮量较低。

4.3 目前云南省传统施肥方式，导致施肥过量，大量肥料通过氨挥发的方式排入大气中，动物养殖过程中产生的粪尿中氮素通过径流、淋溶进入水体中，造成农业生产过程中经济效益的降低、环境污染。

4.4 根据云南省氮素投入、吸收和损失规律，可将各地州划分为高投入高排放、高投入低排放、低投入高排放和低投入低排放4大类型，在此基础上针对主要区域重点治理，采用因地制宜的农牧体系氮素优化管理技术、增加粪尿养分循环和提高氮养分效率，减少氮素向大气和水体中的排放数量，从而实现农牧体系氮素的合理循环。

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（责任编辑 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

国家自然科学基金项目（31460551）、云南省应用基础研究计划青年项目（2017FD104）、云南省高校优势特色重点学科（生态学）建设项目（0511311）

李晓琳，E-mail：398798771@qq.com。

郑毅，E-mail：zhengyi-64@163.com