海南农牧生产体系氮素养分流动时空变化特征*

丁 尚, 郭浩浩, 程鸣宇, 宋晨阳, 刁晓平, 赵洪伟,2**



海南农牧生产体系氮素养分流动时空变化特征*

丁 尚1, 郭浩浩1, 程鸣宇1, 宋晨阳1, 刁晓平2,3, 赵洪伟1,2**

(1. 海南大学热带农林学院 海口 570228; 2. 海南大学南海海洋资源利用国家重点实验室 海口 570228; 3. 海南师范大学生命科学学院 海口 571158)

氮素是生命活动必须的元素之一, 然而一定区域内过多的氮素输入可能会造成严重的环境污染。本研究以热带地区的海南岛为研究对象, 明确其农牧生产体系氮素流动过程和特征, 分析氮素输入和输出量变化关系及其利用效率的时空变化, 以期优化农牧体系养分管理, 为制定海南省农牧业发展政策提供科学依据。通过运用食物链养分流动模型(NUtrient flows in Food chains, Environment and Resources use, NUFER)并结合Origin和ArcGIS等软件分析海南地区1987—2016年间农牧生产体系氮素养分流动时空变化特征, 同时首次对海南省农牧生产体系内部氮素流动在理想与实际情况下的时空变化做出了相关性分析。结果显示海南地区30年间农牧生产体系氮素总输入量由134.15 Gg增长到406.39 Gg, 总输出氮素由84.75 Gg增长到307.77 Gg。30年来, 农田生产子系统氮素利用效率由12.39%增长到20.54%, 动物生产子系统氮素利用率由6.10%增长到13.88%, 农牧结合体系氮素利用效率整体呈现上升趋势, 由1987年的12.84%增加到2016年的21.63%。空间上, 农田生产子系统中, 氮素总输入与总输出项中增幅最高的分别是澄迈县和琼海市, 五指山市两项增长均最低; 动物生产子系统中, 氮素总输入与总输出项增幅最高的分别是文昌市和儋州市, 五指山市两项增长均最低。1987—2016年海南岛农牧生产体系氮素投入持续增长, 氮素利用率低下, 空间差异较大, 土壤氮素盈余量较高。相关性分析表明, 农田生产子系统与动物生产子系统出现较严重的脱节。因而, 为提高海南地区氮素流动效率和促进可持续发展, 应注重提高本地饲料产量、合理使用肥料、循环利用畜禽粪尿, 进一步优化农牧业发展布局, 建立农牧结合的高效生产体系。

农牧生产体系; 氮素流动; 氮素利用效率; NUFER模型; 海南

氮素是满足生物生长和繁育所必需的营养元素。在农牧业发展过程中, 氮素的投入量不断增加。但是由于氮肥的不合理施用, 未被作物吸收的氮素养分或累积在土壤中, 或通过径流、氨挥发等途径损失到环境中, 造成了土壤酸化[1]、地下水硝酸盐含量过高[2]、地表水富营养化[3]等环境问题。自海南1988年建省办经济特区以来, 海南农业已取得长足发展, 尤其是发展热带特色农业生产在特区经济建设中受到高度重视。与此同时, 由于畜牧业正处于由传统家庭养殖模式向现代集约化养殖模式转型的阶段, 农牧分离问题凸显, 畜禽粪尿还田利用率降低且环境排放比例不断增加[4]。

国内外学者在氮磷流动和养分平衡管理问题上已有相关研究。Senthilkumar等[5]利用物质流分析的方法在区域尺度上对养分循环利用及管理提出了评价和建议。Smith等[6]通过氮素养分平衡建立了氮素排放的估算方法, 计算出畜禽系统氮素排放量, 同时针对地表和水体氮素损失的控制提出相关策略。Ma等[7]构建了中国食物链系统养分流动模型(NUtrient Flow in Food chain, Environment and Resources use, NUFER), 用于分析评价区域氮磷养分在生产和消费环节的利用率和损失状况。佟丙辛等[8]分析了华北平原典型区域农牧系统氮素流动及其环境效应, 分别定量1980—2015年河北省农田体系、畜牧体系和农牧系统的各个氮素输入和输出项, 同时利用氮素利用率、氮素盈余量和氮素回田率等指标分析氮素流动特征与环境效应。张建杰等[9]使用NUFER模型与ArcGIS相结合, 研究了2011年山西省11个地市农牧生产体系磷元素流动, 从时空维度评价了山西畜禽资源量及其环境风险, 提出应进一步加强农牧耦合程度、提高有机废弃物的循环利用效率以实现区域间养分的高效利用。但是在国家或区域尺度上, 对于热带地区农牧生产体系养分资源流动特征尚缺乏研究。海南省是我国唯一的热带岛屿省份, 区域位置优越, 农牧业发展处于上升期, 为推动热带地区农牧业高效发展, 需明确其养分流动特征。基于此, 本研究以海南地区氮素流动时间变化和空间差异为切入点, 通过数据分析与实地调研, 重点分析氮素流动及其利用效率, 揭示近30年间海南热带特色农牧生产体系养分流动特征。借助NUFER模型, 运用物质流分析法, 对海南省农牧生产体系内部氮素流动的时空变化做出了相关性分析, 以期为海南农牧业生产乃至热带地区氮素流动管理提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

海南岛属于热带季风气候, 全年气候温和, 典型土壤为砖红壤, 是我国发展热带特色高效农业的宝地, 1987年到2016年, 热带经济作物产量由23.96万t增至85.02万t, 瓜果蔬菜产量由55.30万t增至794.39万t。到2016年, 本地耕地面积约4 273 km2, 复种指数高达192.6%。由于四面环海, 形成天然的防疫屏障, 海南岛畜牧业发展优势突出, 产量连续5年保持两位数增长。截至2016年底, 牧业总产值达267.10亿元, 牲畜年出栏量达638万头, 家禽年出栏量为15 315万只, 其中肉蛋奶类总产量达81.41万t, 较1987年增长6倍左右[10]。

1.2 研究方法

NUFER模型是中国国家和区域尺度食物链系统氮磷流动模型, 可以模拟“土壤-作物生产-畜禽生产-家庭消费”系统氮磷流动和利用效率以及含氮气体的挥发、土壤径流、淋溶、侵蚀等[11]。本研究以“土壤-作物-畜禽”为研究对象, 利用NUFER模型, 定量分析海南地区各市县氮素流动时空变化特征(图1)。同时利用Origin分析海南岛农牧生产体系氮素输入输出项、氮素利用率及农牧相关性关系, 利用ArcGIS软件分析区域土壤氮盈余量以及体系氮流动量情况。

图1 农牧生产体系氮流动模型

1.3 数据来源及统计分析

农牧生产体系中, 农田生产子系统氮素输入项包括化肥投入、粪尿和秸秆还田、农田灌溉、生物固氮、干湿沉降和作物种子输入等; 输出项包括作物主副产品输出、农田系统氨挥发、反硝化作用以及土壤淋洗及径流侵蚀作用。动物生产子系统氮素输入项包括饲料投入(本地饲料投入及外源饲料投入), 输出项包括动物主副产品输出, 以及粪尿损失等。体系内循环包括秸秆还田、粪尿还田和本地饲料输入。

本研究所需数据包括近30年海南省各市县耕地数量、主要农作物播种面积及产量、畜牧业生产情况等, 主要来源于海南省统计年鉴[10]。动物生产子系统相关项目见表1, 作物生产子系统相关数据见表2, 环境损失相关参数见表3。

1.3.1 农田生产子系统

1)输入项计算方法

化肥氮素投入量(Nfer): 来源于海南统计年鉴, 复合肥中氮含量比来源于Ma等[12]研究结果, 氮肥实际投入比例参考李勇等[13]研究的结果。

有机肥氮素投入量(Narm)=Nam+Nst+Nhm(1)

式中:Nam为动物粪尿氮还田量;Nst为作物秸秆氮还田量;Nhm为人粪尿氮还田量, 人粪尿收集率为45%, 其中的50%还田[14]。

作物副产品氮素还田(Ndischarge)=g×gs×sc×st(2)

式中:g为作物主产品产量,gs为草谷比,sc为作物副产品含氮量,st为还田比。

灌溉水氮素输入量(NHw)=a×NIwa(3)

式中:a为作物种植面积,NIwa为单位面积灌溉量[15]。

生物固氮量(NBf)=aNF×Nfpua(4)

式中:aNF为固氮作物种植面积,Nfpua为单位面积固氮量。

大气沉降量(NDep)=a×Ad(5)

式中:a为作物种植面积,Ad为单位面积氮大气沉降量。

作物种子输入氮量(SInp)=Sow×SCon(6)

式中:Sow为播种量;SCon为种子含氮量。

2)输出项计算方法

作物主产品收获氮素量(Nm)=g×TNc(7)

式中:g为主产品产量,TNc为主产品含氮素量。

作物副产品收获氮素量(Nb)=g×gs×sc(8)

式中:sc为副产品含氮素量。

1.3.2 动物生产子系统

1)输入项计算方法

本地饲料投入氮素量(NLc)=(Nm+Nb) ×Rf(9)

式中:Rf为饲用比例。

外源饲料投入氮素量(NEc)=NAm-NLc(10)

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

式中:NAm为动物体系氮素需求量,NMep为肉蛋产品含氮量,NAbpn为动物副产品氮素量,NManure为动物粪尿含氮量,Nsa为动物活体储存氮量。

表1 主要畜禽各部分含氮比例、粪尿排泄量和还田系数

动物生产子系统中, 由于各研究对象存在不同年龄段、不同区域的差异, 即相关参数在一定区间变动, 所以本研究中部分项目所选数值在王方浩等[18]和马林[20]研究成果上取其平均值, 猪牛羊等按规模化养殖与散养比例核算还田比例等参数。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 主要农作物种子及主副产品含量、还田率、饲用比例

农田生产子系统中, 主产品含氮量等参数在参考马林等学者[14-15,20-29]的研究成果基础上取平均值。“—”表示无数据来源或者基于本研究不予考虑。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 自然条件下农田生产子系统输入输出项基本参数

氨挥发、反硝化为施肥量按一定比例的损失, 淋溶为土壤表面氮素盈余按一定比例的损失。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)输出项计算方法

动物主产品含氮量(NAMMP)=NAMMeat+NAMEgg(12)

式中:NAMMeat为肉类含氮量,NAMEgg为蛋类含氮量。

动物副产品含氮量(NAMSP)=AM×AMA×(AMRB×NAMNCB+AMRO×NAMNCO) (13)

式中:AM为动物数量,AMA为单个动物活体重[9],AMRB为骨等所占比例,NAMNCB为骨等含氮量,AMRO为其他副产品所占比例,NAMNCO为其他副产品含氮量。

粪尿氮量(NManure)=AM×NSAEON(14)

式中:NSAEON为单个动物排泄氮量。

粪尿还田量(NRe)=NManure×f(15)

式中:f为粪尿还田比。

粪尿氨挥发(NAvol)=NManure×vol(16)

式中:vol为粪尿氨挥发系数

1.3.3 农牧体系氮素利用效率

农田系统氮利用效率(NUEc)=作物主产品氮素

量/农田子系统氮素总投入×100% (17)

畜牧系统氮利用效率(NUEa)=动物主产品

氮素量/畜牧子系统氮素总投入×100% (18)

农牧系统氮素综合利用效率(NUEc+a)=(作物主产品氮素量+动物主产品氮素量-作物主产品饲用量)/

牧系统氮素总投入×100% (19)

本研究中, 畜禽饲养过程中氮素挥发包括在损失项目内, 作物副产品还田选取典型还田作物为计算项, 还田中未细分青饲料、绿肥和饼肥等。植物蒸发作用等氮素损失不考虑。

1.4 农牧生产体系相关性研究方法

农牧生产体系氮素循环包括秸秆还田、粪尿还田和作物产品饲用。假定在理想农牧生产体系中, 3个环节的氮素全面利用, 即作物副产品所含氮素全部流向农田(包括秸秆还田及产品饲料的输入), 主产品按饲用比例输入农田, 动物生产子系统所产生的粪便氮素含量去除氨挥发部分全部用于还田。为了解农牧结合情况, 首先建立一条理想体系内氮素流动趋势线, 同时建立另一条体系内实际氮素流动趋势线, 两者间差值部分定义为分离阈, 以此直观地表现海南省农牧生产体系结合程度。

理想农牧生产体系氮循环量(CYideal)=Nb+Nm×Rf+(NManure-NAvol) (20)

式中:Nb为作物副产品收获氮量,Nm为主产品收获氮量,Rf为主产品饲用比例,NManure为粪尿含氮量,NAvol为粪尿氨挥发量。

实际农牧生产体系氮循环量(CYreality)=Nam+Ndischarge+NLc(21)

式中:Nam为粪尿还田量,Ndischarge为秸秆还田量,NLc为本地饲料量。

2 结果与分析

2.1 农田生产子系统的氮素平衡时空变化

1987—2016年, 海南农田生产子系统氮素总输入呈现明显的增长趋势(图2A), 从109.93 Gg到326.29 Gg, 增长196.82%。澄迈县30年内增长最多(图2B), 增长了27.26 Gg, 五指山市呈现负增长, 由1.52 Gg降至0.85 Gg。化肥作为农田氮素的主要来源, 输入量从78.60 Gg增长到259.81 Gg, 在氮素总输入项中比例也从71.50%增长到79.63%, 呈现较大增幅。除五指山市从1987年的0.44 Gg增至2016年的0.91 Gg外, 区域氮肥输入量均有较大增长, 其中增长量最大的是琼海市, 增长了21.99 Gg。对于有机肥料的投入, 1987—2016年总体呈现增长趋势。其中来源于作物副产品的量维持在6 Gg左右, 而动物粪尿还田量在2001年前有较大增长, 近十多年来增长缓慢, 且在2006年有较大波动。对比化肥输入量, 有机肥的输入占肥料总输入(化肥+有机肥)比从28.14%降至20.19%。从氮素总输出来看, 总体趋势与总输入量一致, 总量上看略低于总输入项, 且前期较为平稳, 近十多年有较大增幅。琼海市增量最大, 增长20.49 Gg, 五指山市增量最小, 增长1.43 Gg。作物主产品收获氮素量从13.73 Gg增至67.11 Gg, 区域作物主产品收获氮素以琼海市增速最快, 由1.15 Gg增至9.46 Gg, 增长8倍左右, 五指山市增长最慢, 仅增长0.65 Gg。土壤氮素盈余量由39.17 Gg增长到93.03 Gg, 其中五指山市由0.45 Gg降至0.08 Gg, 澄迈县增长最快, 由3.25 Gg增至12.77 Gg。

图2 1987—2016年海南省农田生产子系统氮素流动时空变化(A: 1987—2016年农田生产子系统氮素平衡; B: 1987年和2016年不同区域农田生产子系统氮素平衡)

2.2 动物生产子系统的氮素平衡时空变化

动物生产子系统中氮素总输入趋势大致分为两个阶段(图3A), 第1阶段为1987—2001年, 投入量由59.27 Gg增长到144.96 Gg, 与1987年相比增长了2.45倍。第2阶段为2001年以后, 增长趋势较缓, 由144.96 Gg增长到150.45 Gg。文昌市增长最快(图3B), 2016年输入量约为1987年的4.64倍, 五指山市增长最慢, 仅增长了0.57 Gg。近30年来, 本地来源的饲料投入维持在4~7 Gg之间, 各年份之间略有波动。2016年, 本地饲料供应量最多的是儋州市, 为0.70 Gg, 最少的是五指山市, 约为0.03 Gg。相比之下, 系统外源饲料的投入30多年来维持较高的投入水平, 由55.01 Gg增至145.85 Gg, 增幅在165%左右。对比可知, 动物生产子系统主要氮素来源为外源饲料。地方上, 对外源饲料依赖量增长最快的是文昌市, 由3.20 Gg增长到15.22 Gg, 五指山市对外源饲料需求一直较小, 需求量保持在0.60~1.22 Gg左右。30年来, 动物氮素总输出亦快速增长, 由51.28 Gg增长到145.35 Gg。其中动物产品输出项由占总输出的10.44%增至20.98%, 而粪尿还田、粪尿氨挥发在动物生产子系统总输出中均占较大比例。1987年, 两者分别占总输出量的49.10%和15.99%。到2016年, 两者占总输出量的31.72%与26.02%。

图3 1987—2016年海南省动物生产子系统氮素流动时空变化(A: 1987—2016年动物生产子系统氮素平衡; B: 1987年和2016年不同区域动物生产子系统氮素平衡)

2.3 海南岛农牧生产体系的氮素流动及利用效率

1987年和2016年(图4A), 海南省农牧生产体系氮素总输入量分别为134.15 Gg和406.39 Gg, 体系总输出氮素分别为84.75 Gg和307.77 Gg, 体系氮素循环量分别为35.04 Gg和70.31 Gg。从输入项构成来看, 1987年到2016年, 化肥投入比例由58.59%增至63.93%, 外源饲料投入比例由41.01%降至35.89%。从输出项构成看, 动物与作物产品的总输出量占体系总输出比例由30.99%增长到37.60%。土壤径流侵蚀、淋溶等作用以及氨挥发和反硝化始终在土壤输出项中占有很大比例。30年间, 损失量由37.76 Gg增至123.28 Gg, 占总输出项的比例由44.55%变化至40.06%。从1987—2016年, 本地饲料投入量在饲料总输入中始终占据较小比例, 1987年和2016年分别是7.2%和3.1%, 农牧生产体系严重依赖外源饲料投入。同时动物粪尿还田和秸秆还田比重有所降低, 在农田生产子系统总输入量的占比由23.22%降至14.28%。30年来, 农田生产子系统氮素利用效率由12.39%增长到20.54%, 动物生产子系统氮素利用率由6.10%增长到13.88%, 农牧结合体系氮素利用效率整体呈现上升趋势, 由1987年的12.84%增加到2016年的21.63%(图4B)。从1987年至2016年海南省各市县农牧生产体系氮素流动情况发生了显著的变化(图5)，1987年氮素流动量较高的有海口、儋州。到2016年, 澄迈、琼海等地氮素流动量较高。1987年, 土壤盈余量最大的前3个市县依次是海口、儋州和澄迈(图5A)。而2016年, 土壤盈余量最大的前3个市县依次是澄迈、儋州和乐东(图5B)。

图4 1987—2016 年海南农牧生产体系氮素流动(A)及利用率(B)的变化

图5 海南省1987年(A)和2016年(B)各市县农牧生产体系氮素输入输出

2.4 海南岛农牧生产体系环境损失变化

农牧体系生产过程中, 对环境影响的因素表现在含氮气体挥发、反硝化、土壤的径流侵蚀、淋溶和粪尿损失等, 由于氮素流动能力较强, 通过向大气和水体中流动, 造成大气污染、水体富营养化等较严重的环境问题。1987年, 农田生产子系统各项目排放总和为37.75 Gg, 动物生产子系统向环境排放量为21.08 Gg; 到2016年, 农田和动物生产系统环境排放量分别为123.28 Gg和69.28 Gg。1987年和2016年氮素总损失量在体系总输出项所占比例分别为69.42%和62.57%, 土壤盈余量由39.17 Gg增长到93.03 Gg。

2.5 农牧生产体系线性相关性结果

由图6A可知, 体系内氮素流动在2004年之前呈现较快增长趋势, 2004—2005年开始下降, 之后缓慢上升, 实际趋势线与理想趋势线间差距逐渐增大。近年虽然差距有所减小, 但就分离阈上来看, 仍是1987年的2倍。从空间上看(图6B), 2016年各市县体系内部氮素流动区域差异较大且流动量普遍较低, 超过10 Gg的仅有文昌、澄迈和儋州。研究表明这些农牧业较发达的地区氮素实际输入量与理想输入量差值较大, 而不发达的地区如五指山、琼中和保亭, 两者流动量接近。

图6 海南省农牧生产体系氮素流动相关性分析(A: 1987—2016年农牧生产体系相关性关系; B: 2016年各市县农牧生产体系相关性关系)

3 讨论

3.1 海南省农牧生产体系氮素流动特征

农牧结合是推动农业可持续和集约化发展的必然出路[34], 因而对农牧生产体系的整体性研究意义重大。海南地区由于其独特的区位特点, 农牧生产体系氮素流动呈现如下特征: 1)增长较快但总量较低。体系中农田生产子系统与动物生产子系统中氮素的输入项与输出项30年间均增长了3倍左右。但从总量上看, 全省氮素流动仅达到某些地市水平。以长春地区为例[35], 2013年长春地区农田生产子系统总输入、输出分别为405 Gg和280 Gg, 动物生产子系统总输入、输出分别为118 Gg和101 Gg, 与海南省2016年相近。2)区域间农牧发展极不平衡。2016年各市县农牧生产体系总输入量最高的澄迈县, 输入总量为43.65 Gg, 输入量最低的是五指山市, 仅为2.20 Gg。体系输出项中, 琼海市年总输出量为35.14 Gg, 而五指山市仅为2.04 Gg。3)化肥投入比例大且利用率低。2016年海南省农牧生产体系化肥氮素投入量占体系氮素总投入量的比例为63.93%, 而国内一些研究结果显示, 化肥氮素投入占农田氮素投入的比例为47.40%(全国尺度)[36]。相比之下, 海南省化肥投入所占比例偏高。鲁如坤等[37]认为氮肥投入的利用率为60%; 而杨林章等[38]指出, 氮肥只有50%被吸收利用; 而阮云泽[39]通过研究得出, 热带地区旱地砖红壤上氮肥利用率为22.50%~ 43.84%(平均利用率为33.32%), 可见热带地区氮肥损失严重。4)体系主产品输出率低且外源饲料依赖严重。1987年和2016年主产品输出量占比分别为20.01%和28.54%。外源饲料投入方面, 河北省外源饲料氮素依赖率从1980年的60.5%增至2005年的85.6%[8]; 重庆市1996年外源饲料投入比例为78.0%, 且到2015年均未产生较大变化[40]。海南省外源饲料投入占总饲料输入比例从1987年92.87%增至2016年的96.95%, 30年来饲料输入严重依靠外来进口, 因而不利于农牧生产体系高效发展, 同时降低了农民收益。5)环境损失量较大, 面源污染较严重。海南省土壤盈余量30年间增长3倍左右, 2016年达93 Gg。各市县总量多在2 Gg以上, 呈现北多南少的特点。反映了近30年来农田生产子系统氮素输入过量、农牧生产布局和管理不合理等问题。土壤中盈余的氮素既造成了资源的浪费, 又会经挥发、淋溶和径流等途径进入环境中, 进而对环境造成压力。而农牧生产体系又是氮素排放主要来源[35], 因而加大对体系内氮素环境排放的跟踪和控制意义重大。

3.2 海南省农牧生产体系氮素流动区域变化分析及变化预测

海南省农牧生产体系氮素流动区域变化差异明显, 大致归为以下因素: 1)现代化和城市化进程造成部分市县农牧生产体系规模减少。以海口市为例, 30年间施肥量与本地饲料投入量减少, 农牧产品输出量增长缓慢。耕地面积由1987年的56 915 hm2(含琼山县, 今琼山区)降至47 880 hm2。主要因为其城市化进程不断加快, 占用大量耕地面积。2)由地理因素导致农业布局差异。以五指山市为例, 30年里农牧生产体系内各项指标均低于省内其他市县, 主要由于五指山市位于海南岛中部, 群山环抱, 森林覆盖率高, 耕地面积较小, 30年间保持在2 000 hm2左右, 因而农业发展水平较低。且由于地形原因, 农业发展主要以热带花卉、高山蔬菜、灵芝、茶叶等特色农产品为主。3)区域经济发展导致农业现代化程度不同。研究结果显示, 动物产品输出量较高的地区主要有儋州市、琼海市、定安县、澄迈县和文昌市, 作物产品输出量较高的地区有琼海市、澄迈县、儋州市、乐东县和昌江县。这些市县主要分布在海南岛东西部沿海区域, 发展较中部地区快。如定安、澄迈等区域加工业比较发达, 农业信息化程度较高; 乐东、保亭等区域为南繁育种科研基地, 科研力量较强; 儋州、昌江等区域属半干旱区, 农业基础较好[41]。

根据海南现代农业“十三五”发展规划[41], 对海南省2020年农牧生产体系相关项目作出预测。农田生产子系统中, 氮素输入、输出总量分别为320.62 Gg和238.52 Gg, 较2016年输入量减少25.67 Gg, 输出量增加5.81 Gg, 化肥施用量为246.82 Gg, 较2016年减少12.99 Gg, 作物主产品由67.11 Gg增至73.63 Gg。动物生产子系统中, 氮素输入、输出总量分别为168.73 Gg和160.12 Gg, 输入量增加18.28 Gg, 输出量增加16.77 Gg。本地饲料投入量为3.47 Gg, 外源饲料输入量为163.96 Gg, 增加18.11 Gg, 动物主产品输出量为22.27 Gg, 较2016年增加1.39 Gg。由此可知, 随着海南生态建设的推进, 在保证较高氮素输出量的前提下, 输入量投入有所降低, 一定程度上可提高资源利用率, 减少养分的浪费。但外源饲料投入量仍然增加, 说明海南在加强农牧生产体系结合和提高本地饲料产量方面还未引起足够的重视。

3.3 海南省未来农牧生产体系发展的建议

针对海南省农牧生产体系氮素流动利用率低下、总产出量不足、肥料损失严重、高环境排放量以及高外源饲料依赖等问题, 提出以下优化途径: 1)农牧生产体系由分散式家庭养殖模式到可持续集约化管理。通过规模化管理, 从农牧业布局到优化选种, 提高作物和动物产品产量和质量。并结合区域发展, 建立农业生产与畜牧生产综合基地, 便于作物副产品与动物粪尿在农牧结合体系内循环利用, 提高利用效率。2)发展经济作物的同时兼顾粮食作物。大多经济作物副产品无法直接用于还田和作为动物饲料, 因而加重了农牧生产体系对化肥和外源饲料的依赖, 不利于经济发展与资源利用。3)改善畜禽粪尿管理。农牧结合的核心目的是通过改善畜禽粪尿管理, 减少养分损失和提高其循环利用率[42]。改造完善规模化畜禽养殖场基础条件, 建设固液分离、雨污分流、粪便储存及输送管网设施[41]。4)减少化肥的使用, 同时提高氮肥利用效率。氮肥使用过程中, 含氮量仅为46.7%, 大量使用造成较严重的资源浪费, 所以要以减施化肥为目标, 深化测土配方施肥、水肥一体化、增施有机肥等综合措施, 建立海南省肥料指标体系; 根据气候、地貌、土壤类型、作物品种、耕作制度等差异, 合理划分施肥类型区, 推广测土施肥技术, 建设测土配方施肥体系[41]。研究表明, 不同的施肥深度氮素淋溶损失量不同, 越深损失量越低[32], 因而, 根据作物种植深度进行化肥施用不仅可以减少使用量亦可以提高利用效率, 同时减少氮肥氨挥发。5)应加强管理并出台相关政策。需从源头减少氮素的投入, 同时加强投入的供给侧管理, 产品输出的资源化利用, 寻求更高效的技术手段。政策上则要求把握全局, 点面结合。加大针对农业面源污染防治的财政投入, 使之与排放占比相匹配[42]。

4 结论

本文采用NUFER模型详细分析了近30年海南岛农牧生产体系氮素养分流动时空变化特征, 对系统内氮素利用效率和环境损失情况进行了定量化研究。研究表明30年来海南岛农牧生产体系氮素的输入依赖高额的氮肥和外源饲料, 本地饲料产量低, 利用少。在畜禽管理上, 当前动物粪尿处理方式简单, 多为无序排放, 造成资源浪费的同时增加了环境压力。由于区域原因, 海南岛氮素经氨挥发, 地表径流、侵蚀和淋溶比例也高于我国其他地区。从空间上看, 受地理位置、政策支持和区域发展的影响, 沿海地区和南繁地区, 系统氮素流动和循环量较高, 呈现四周高, 中间低的特点。

总体来说, 海南农牧生产体系发展较为落后, 区域分布不合理, 体系分离较严重。由此引发了高环境排放量、高氮素施用量、高外源饲料依赖量、低氮素利用效率等一系列问题, 这些弊端都将制约海南国际旅游岛和自由贸易区(港)建设步伐中对生态文明建设的高标准要求。因此, 未来海南农牧系统养分管理应包括: 1)进一步明确农牧生产体系氮素流向和跟踪其引发的环境效应; 2)加大有机肥的投入量及肥料的合理调控; 3)加强畜禽粪尿养分循环利用和绿色高效的区域农牧生产体系布局。

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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

* 海南省重大科技项目(ZDKJ2017002)和海南省自然科学基金项目(417053, 317302)资助

赵洪伟, 研究方向为养分管理与农业面源污染防治。E-mail: hwzhao@hainu.edu.cn

丁尚, 研究方向为养分资源管理。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, 程鸣宇, 宋晨阳, 刁晓平, 赵洪伟. 海南农牧生产体系氮素养分流动时空变化特征[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2019, 27(2): 246-256

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