江苏省农牧系统氮素流动特征及环境效应评价*

余 乐,焦阳湄,丁 尚,朱治强,赵洪伟**

近年来由于经济的快速发展,人民物质生活水平不断提高,随之而来的是对粮食和肉蛋奶产品的大量需求,为促进食品增产增收,大量氮肥被施用于农田,畜禽养殖规模也不断扩大,这在一定程度上满足了人类的物质需求,与此同时也带来了一定的环境问题[1-3]。农业污染源已经成为我国环境污染的重要来源之一[4-5],多余的氮素或积累于土壤中,或进入水体,或挥发到大气中,对生态系统和生物多样性产生不利影响[6-8]。当前在养分管理和环境减排上国内外学者做了大量研究,Wolf等[9]建立了STONE模型,模拟了作物生产子系统中氮素的损失情况,并为制定环境排放的法律法规提出了从施肥到储存环节的详细建议; 在此基础上,Velthof等[10]将其进一步优化,发展形成了Miterra-Europe模型,并被用作欧盟国家的养分管理工具; Mishima与Arthur等[11-12]通过明确家畜排泄物的去向估算了粪肥的施用量,提出了合理的施肥水平,并就畜禽粪污的资源化利用做了进一步研究。在我国,Ma等[13]建立了食物链养分流动模型(NUFER),可用来分析国家和区域尺度的氮素流动、环境排放等内容,并回顾了中国在氮素管理方面的主要发展,简要分析了当前食物链系统氮素组织结构和发展需求并指出了系统耦合在未来农业发展中的意义[14]。此外,Bai等[15]则在NUFER模型的基础上构建NUFER-Animal模型,分析了我国畜禽粪污产生情况及其环境排放总量。Hou等[16]分析了1980-2010年全国范围内的氮磷流动情况以及引起食物链变化的关键驱动因素。在区域尺度上,Wei等[17]和Zhang等[18]分别以北京市和山西省为研究对象,研究了区域氮素流动情况,同时在海南[19]、东北[20]、华北[21]等地区相关学者均做了相关工作,完善了对氮素流动账户和利用效率的研究。江苏省作为我国经济最发达的省份之一,经济的快速发展带来的是农业规模受限和种养殖结构的改变,但也推动了农业现代化发展,在这种模式下,其资源流动和环境效益较之其他地区有怎样的变化规律值得关注。然而目前针对本地农牧系统氮素流动研究较少,农牧系统中氮素流动与环境效应的关系尚不明确。基于此,本文利用NUFER模型,研究1998-2018年江苏省农牧系统氮素携入携出变化,系统氮素利用效率、环境效应以及系统驱动力变化,以期探明氮素流动特征和影响因素,为本地农牧业可持续发展提供参考。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

江苏省位于我国东部沿海地区,是长三角地区的重要组成部分(116°18＇～121°57＇E,30°45＇～35°20＇N),国土面积为10.72万km2。本地气候温和,雨量适中,适宜农牧业发展,截止到2018年,农作物总播种面积达752.02万hm2,其中粮食作物占比最高,为72.82%,主要以小麦(Trticum astivum)、水稻(Oryza sativa)、玉米(Zea mays)为主。畜禽子系统以猪和羊的养殖规模较大,2018年猪牛羊等动物出栏3385.97万头(只),家禽出栏量为4444.3万只,肉蛋奶产量为556.46万t[22-23]。

1.2 NUFER模型

NUFER模型用以研究“土壤-作物生产-畜禽生产-食品加工-家庭消费”等环节氮素流动情况,既包括资源利用效率方面的研究,又可以核算环境损失部分。本研究基于NUFER模型,对江苏省农牧系统氮素流动特征及其环境效应进行研究,氮素在系统中流动情况如图1所示:系统氮素输入项包括氮肥氮素输入、大气氮沉降、生物固氮、灌溉水氮素输入、外源饲料氮输入; 输出项包括动植物主副产品氮素携出,作物子系统和畜禽子系统氨挥发、反硝化和N2O气体排放,土壤系统径流、侵蚀和淋溶氮损失以及氮素在土壤中的积累; 农牧系统内氮素流动主要包括秸秆还田、粪尿还田和本地饲料输入。

1.3 数据来源

本文所需研究数据主要包括统计年鉴数据、文献数据、调研数据。

年鉴数据:研究的基础数据,基于《江苏省统计年鉴》和《中国统计年鉴》。作物子系统主要项目包括粮食作物产量、经济作物产量、瓜果蔬菜产量、化肥施用量以及耕地面积。畜禽子系统主要包括猪牛羊等及家禽养殖情况,考虑到不同时期及不同地区畜禽饲养周期的差异,这里选用猪年末出栏量、牛年末存栏量、羊年末存栏量、肉鸡及鸭鹅年末出栏量及蛋鸡年末存栏量作为养殖量进行计算。

文献数据:作物子系统主产品氮素含量、饲用比例、所施用氮肥的折纯比例、化肥中NH3、N2O和N2损失的比例因子、大气沉降氮素比例以及固氮作物固氮含量来自Ma等[24]、Bouwman等[25-26]和Cai等[27]研究结果,草谷比、秸秆氮素含量等参考李书田等[28]研究,区域灌溉水氮素输入借鉴刘晓利[29]研究成果,土壤径流侵蚀淋溶比例因子结合MITERRA-EUROPE模型[10]进行核算。畜禽子系统产品氮素含量、产品分配系数来自NUFER模型,排污系数采用农业部科教司与第一次全国污染普查领导小组办公室于2009年联合发布《第一次全国污染源普查畜禽养殖业产排污系数与排污系数手册》[30]华东区域的参数,并借鉴张建杰等[31]对参数的修订原则; 其他数据,如羊的产排污系数来自耿维等[32]研究,畜禽NH3、N2O和N2排放比例来自Herrero等[33]的研究。

调研数据:调研内容包括农田的生产方式、秸秆等副产品利用情况、畜禽粪污处理和粪尿还田情况。

基于上述数据来源,整理如表1-3所示。

表1 作物子系统中氮素损失去向和损失比例Table 1 The direction and proportion of N loss in the crop subsystem

表2 主要动物活体养殖信息和产品含氮量[24]Table 2 Breeding information and N content of products of animals[24]

表3 主要畜禽粪污氮素产生量和氮素损失比例[30-32]Table 3 N production and loss ratio of livestock and poultry manure[30-32]

1.4 计算方法

1.4.1 作物子系统计算方法

1)氮素输入项计算方法

式中:NI(f)farm为作物子系统氮素总输入量,NI(f)fer为化肥氮素输入量,NI(f)irr为灌溉水氮素输入量,NI(f)ad为大气氮素沉降量,NI(f)bf为生物固氮量,NI(f)mtf为畜禽粪尿氮素还田量,NI(f)str为秸秆氮素还田量。

2)氮素输出项计算方法

式中:NO(f)farm为作物子系统氮素输出量,NO(f)main为主产品氮素携出量,NO(f)by为副产品氮素携出量,NO(f)r-e-l为径流侵蚀淋溶氮素量,NO(f)c-air为气体氮素排放量。

1.4.2 畜禽子系统计算方法

1)氮素输入项计算方法

式中:NI(a)animal为畜禽子系统氮素输入量,NI(a)imf为外源饲料氮素输入,NI(a)lof为本地饲料氮素输入。

2)氮素输出项计算方法

式中:NO(a)animal为畜禽子系统输出氮素量,NO(a)main为畜禽主产品携出氮量,NO(a)by为畜禽副产品携出氮量,NO(a)man为畜禽粪尿氮素量,其中畜禽粪尿氮素归趋包括NO(a)remain(粪污残余)、NO(a)to-air(大气排放)和NO(a)to-farm(还田)。

1.4.3 农牧系统氮素利用效率

农牧体系可循环利用项目包括本地饲料、秸秆还田、粪污还田。

1.5 结构方程模型

结构方程模型(SEM)是一种先验方法,可以通过将数据拟合到代表临时假设的模型中来可视化变量之间的关系[34]。基于amos 24.0软件,本文尝试构建以环境效应(气体损失、液体损失、其他损失)为主要研究对象的结构方程模型,探讨江苏省农牧体系发展过程中系统环境损失和资源效率变化的驱动因素,这里以非显著卡方检验(P＞0.05)来判定模型构建的优劣,进而进行系统分析。

2 结果与分析

2.1 江苏省1998-2018年作物子系统和畜禽子系统氮素平衡分析

1998-2018年,江苏省作物子系统氮素总输入由268.88万t降至223.95万t(图2a),化肥作为氮素输入的重要部分,20多年来呈现下降趋势,由1998年的223.06万t降至2018年的179.78万t。从氮素输出量来看,作物主副产品氮素携出量由83.13万t增至120.18万t,其中秸秆还田的氮素保持在10万t水平,用作本地饲料的由8.89万t增加到13.55万t。作物子系统氮素排放损失在体系中也占一定的比例,1998年排放总量为106.71万t,占体系总输出的39.69%,此后不断下降,到2018年,氮素排放出系统总量为62.58万t,占体系氮素总输出的28.36%。

对于畜禽子系统来说,氮素输入主要包括外源饲料和本地饲料携入。由图2b可以看出,外源饲料是系统主要输入项,而本地饲料占比也在缓慢上升。1998年外源饲料氮素输入总量为21.42万t,占比70.68%,到2018年,输入总量为16.72万t,占总输入的55.23%; 本地饲料21年间增长了4.66万t。从氮素输出项来看,畜禽主产品氮素携出量由8.65万t增至9.62万t,副产品氮素携出量则保持在4.0万t左右,畜禽粪污氮素产生量亦不容忽视,1998年,输出量为17.85万t,2018年,氮素输出量为16.84万t,始终占氮素总输出的55%以上。

2.2 江苏省1998-2018年农牧系统氮素利用效率和资源循环利用变化

1998-2018年江苏省农牧系统及各子系统间氮素利用率如图3所示。总体来看,氮素利用率处于上升趋势。作物子系统氮素利用率(NUEc)由21.03%增至36.78%,畜禽子系统氮素利用率(NUEa)由24.98%增至28.74%,农牧系统综合利用率(NUEa+c)由21.39%增至35.00%。畜禽子系统氮素利用率随时间缓慢增长,作物子系统和农牧综合系统利用率变化相似,2005年后始终处于增长趋势(图3a)。

本地饲料、秸秆还田和粪尿还田氮素为农牧体系内部循环,反映了系统资源循环利用情况。图3b反映了各项目在子系统间的氮素循环利用率变化,可以看出农牧系统间氮素资源循环利用率不断提高。作物子系统中,秸秆还田循环利用率由3.95%增长至5.11%,粪尿还田氮素所占比例仅维持在2.19%～2.81%,本地饲料在畜禽子系统贡献比例增长较快,由25.66%增长至40.48%。

系统氮素主要损失途径包括气体排放损失、水体排放损失、粪污残余以及氮素土壤盈余,20年来江苏省农牧系统氮素损失总量呈现下降趋势(图3c),由1998年的233.06万t降至2018年的143.71万t。其中氮素土壤盈余量始终较大,其次是氮素水体排放损失和气体排放损失,畜禽粪污的剩余氮素损失占比较小。1998-2018年,氮素土壤盈余、气体排放损失、水体排放损失和粪污残余分别下降41.05万t、28.74万t、19.72万t和0.13万t。

2.3 基于结构方程模型的农牧体系环境效应驱动力分析

本文考虑了“社会需求-系统发展-环境效应”间的关系,初步假定环境因素的影响来源于社会对农牧产品的需求,这推动了系统的发展,在此过程中将产生一系列的环境问题,基于此构建了结构方程模型,并将其整理得到图4。模型的卡方值为5.074,自由度为3,显著性P=0.166,接受虚无假设,表示假设模型与观察数据可以契合。

由图4可知,所联系的各项指标间均有一定的显著性,并且可以看出居民人均收入与环境损失存在一定正效应,但并不直接相关,而江苏省农牧系统氮素的总输入与气体环境损失和其他路径的损失存在明显正效应,但与水体环境排放具有负效应关系; 而对于系统发展部分,系统效率对水体排放和其他途径的氮素损失具有一定正效应影响,即效率的提升也会带来水体污染和其他的环境损失,但与气体损失间不存在明显关系,并且可以看出,随着本地主产品携出量的提高,氮素损失会出现一定的减少。就环境效应的研究可以初步得出:经济发展间接导致了氮素损失,氮素的过量输入则会带来气体损失和其他的损失,而当系统发展较快,产品氮素携出量较高时氮素损失会减少,江苏省农牧体系环境效应的驱动力主要包括氮素输入和系统发展,经济发展水平不断提升也起到一定的推动作用。

从社会需求和系统发展稳定关系来看,本地经济的增长促进了农牧系统效率和主产品氮素携出,并且抑制了氮素的过量输入; 系统效率的提高与主产品氮素总量的提高密切相关; 同时当氮素总输入减少时,系统效率和主产品氮素产量均会提升。由此可以看出1998-2018年江苏省农牧系统的发展过程中,经济发展和资源减量推动了产品氮素产量和系统效率的提高,农牧系统整体驱动力变化与居民人均收入和系统氮素总输入相关。

3 讨论

3.1 江苏省农牧系统氮素流动特征分析

江苏省1998-2018年作物子系统氮素外源输入呈现下降趋势,这与化肥施用量的减少关系密切,在国家层面农业发展趋势和区域发展规划下[35-36],化肥减量化在逐步推进,尤其是“十三五”以来,江苏省对生态农业的发展提出高标准要求,20多年来,化肥氮素输入量不断下降。但作物子系统化肥氮素输入始终占据子系统氮素总投入的80%以上,与国内其他研究结果相比,化肥氮素投入量占比为47.4%～56.1%(全国尺度)[37-38]、69%(重庆市)[39]、65%(山西农牧交错带)[40],本地化肥氮素投入比例偏高,氮素资源投入分配不合理。从产品氮素携出情况来看,在氮素输入量减少的情况下,区域产品氮素携出仍保持平稳增长,这主要由于政府提倡农牧结合,注重现代化农业的发展。近年来,农业经济投入加大,农业机械化水平和科技化程度都有大幅提升[36]。1998-2018年,畜禽子系统氮素输入总量变化不大,但结构发生较大变化,外源饲料贡献比例由70.68%降至55.23%,与我国其他地区相比[16-19],江苏省外源饲料呈现比例低且下降的特征,这反映了本地饲料资源化利用量不断增加,区域农牧耦合情况较好。畜牧业养殖结构亦发生较大改变,猪的养殖规模基本不变,羊和牛的养殖规模呈下降趋势,家禽养殖规模则先上升后下降,带来的产品氮素产量的变化为1998-2012年呈现增长趋势,近年有所下降。

3.2 江苏省农牧系统氮素利用率和资源循环利用分析

20多年来,江苏省农牧系统氮素利用率不断上升,对应年份江苏省作物子系统氮素利用效率与全国平均水平相近,畜禽子系统氮素利用效率高于全国平均水平[13]。区域水平上农牧系统氮素利用率与北京[41]相近,略高于东北[20]和海南[19]等地区的研究结果。江苏省作物子系统氮素养分利用率略高于农牧系统综合利用率,20多年来变化趋势相似,畜禽子系统氮素养分利用率维持在25%～30%,与黑龙江地区[20]变化趋势一致。由于畜禽粪污含氮量较高,且大多通过气体和水土流失损失到环境中,导致产品产出氮素比例较低,氮素利用效率不高。对比NUEc、NUEa和NUEa+c的趋势可以发现,NUEc和NUEa+c趋势线接近,这与丁尚等[19]关于海南地区的研究结果相似,但对于我国其他地区,两者具有一定差异,这主要由于农牧系统中,氮素输入输出比例很大部分取决于作物子系统,这也反映了本地农牧子系统间发展不平衡问题。同时,区域发展不同,地区氮素利用率呈现趋势不同,江苏省氮素利用率20多年来不断提高,首先得益于氮素总输入量的控制,而区域农业发展程度对提高农牧业效率作用重大。但从农牧系统内氮素循环利用总量上来看,2018年江苏省单位耕地面积氮素资源循环总量为63.16 kg·hm-2,与河北省[18]2015年的129.44 kg·hm-2、重庆市[39]2015年的149.06 kg·hm-2、云南[42]2014年的98.98 kg·hm-2相比较低。当前江苏省氮素循环比例虽然较高,但总量低于其他地区数据,由此反映出农牧生产过程中农牧业规模相对较小,氮素产生总量相对较低等问题。

3.3 江苏省农牧系统环境效应分析

江苏省农牧系统发展过程中氮素损失主要途径为气体排放损失、水体排放损失、粪污残余和土壤氮素积累损失。从变化趋势上,气体损失和残余粪污氮素比例在逐渐上升,水体排放损失比例和土壤氮素积累比例逐渐下降。与其他地区相比,河北省2015年气体损失比例下降,水体排放比例有所上升。基于全国水平的研究中,刘晓利[29]指出2001年中国农牧系统氮素损失以气体排放为主,Ma等[13]指出2005年中国农牧系统气体损失比例约52.6%,其他部分为47.6%,本研究对应年份结果与全国趋势一致。从氮素排出系统总量上来看,20多年来,江苏省农牧系统大气排放、水体排放、粪污无序排放损失占系统氮素总输入比例由49.47%减至39.29%,接近欧盟排放量要求(30%)[43]。对于土壤氮素盈余量,Velthof等[10]将170 kg·hm-2作为土壤环境受到较严重破坏时的限值,Oenema等[44]进一步指出,砂质土壤和黏质土壤的氮素盈余量限值分别不得超过60 kg·hm-2和100 kg·hm-2。而2018年,江苏省农牧系统单位耕地面积氮素盈余量为114.22 kg·hm-2,并且处于不断下降趋势。

总的来说,20多年来江苏省农牧系统氮素在变化趋势和损失结构上有所改变,而从环境影响来看,氮素损失总量的降低表明本地生态农业建设总体向好。

4 结论

本文基于NUFER模型,研究了1998-2018年江苏省农牧系统氮素流动及其环境效应。20多年来,作物子系统在控制氮素资源投入的基础上,实现了主副产品氮素携出总量的提高; 同时畜禽子系统饲料氮素供给结构也发生了较大改变,本地饲料氮素输入量不断增长。受经济发展、资源减量的直接推动,农牧系统呈现出氮素利用效率高、环境损失低等特点。从资源高效型与环境友好型角度来看,江苏省农牧系统发展水平总体向好。

同时,农牧业规模相对较小、子系统发展稍显不平衡等现象亦不容忽视,在今后的区域管理中应根据发展实际适度调整,同时也应发挥区域优势,依靠技术进步,调控农业生产过程中化肥和粪污产生的环境污染问题。