白洋淀流域农牧系统养分流动与环境损失时空特征*

杨文宝,杨 晶,赵占轻,张建杰,4,魏 静**

(1.河北农业大学资源与环境科学学院 保定 071000;2.中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心 石家庄 050022;3.河北地质大学土地科学与空间规划学院 石家庄 050031;4.山西农业大学资源环境学院 太原 030031)

氮磷是动植物生长必需的营养物质,在农业生产中起着极为重要的促进作用[1]。我国作为农业大国,化肥使用量长期居高不下。化肥施用是粮食安全的重要保障,但是较低的养分利用率导致部分未被利用的氮磷进入周边环境,引发一系列环境问题[2-3]。与此同时,我国畜牧业发展迅速,规模化畜禽养殖场比例不断增加,农牧分离问题日渐严重,畜禽粪污排放造成的环境问题[4-5]同样不容忽视。因此,阐明农牧系统养分流动变化特征,对减少农牧系统氮磷的环境损失和探索农牧系统可持续发展具有重要意义。国内外学者在农牧系统养分流动和环境损失方面做了大量研究。Senthilkumar 等[6]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。Velthof 等[7]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农牧系统养分管理工具。Oenema 等[8]通过核算农牧系统养分流动,明确养分流动特征,对减少养分环境损失以及改善环境污染现状做出了合理指导。在我国,Ma 等[9]构建了中国食物链系统养分流动(Nutrient flows in Food chains,Environment and Resources use,NUFER)

模型,用于分析评价国家尺度以及区域尺度氮磷养分在生产和消费环节的利用率和损失状况。Zhao 等[10]通过以“全农场”模型思想为指导,在区域尺度NUFER模型的基础上,开发构建了“农户/场”尺度(NUFERfarm)模型,定量分析了“农户/场”类型的氮磷流动特征。张建杰等[11]使用NUFER 模型明确山西省农牧交错带不同县域氮素流动的空间分布特征,为区域农牧生产体系的养分管理提供科学依据。

白洋淀流域地处京津冀腹地,是首都功能重要的延伸区。流域内的白洋淀湖泊为京津冀地区提供了一系列重要的生态系统服务功能。2017年雄安新区设立,白洋淀又被赋予了支撑新区生态发展的核心功能。然而,白洋淀及其流域面临严重水环境污染问题[12-13]。白洋淀流域农牧系统发达,农业养分损失是造成白洋淀及其流域水环境问题的重要因素之一[14]。随着人类不断增加的食物需求以及快速的城镇化,可能加剧流域农牧系统的集约化,造成更多环境问题。为减少农牧生产对环境的负面影响,国家出台一系列政策对农牧系统进行优化和管理,如:“测土配方施肥” “化肥使用量零增长行动方案” “国家农业可持续发展计划(2015—2030年)”等,以确保农牧系统化肥合理施用以及畜牧健康发展。此外,为保证白洋淀及上游流域水生态环境治理全面提升,推动生态环境治理和实现Ⅲ类水目标,国家基于统筹协调上下游生产、生活和生态三大空间的生态环境治理思路,针对白洋淀流域出台了一系列规划和方案,如:《白洋淀生态环境治理和保护规划(2018—2035年)》《白洋淀生态环境治理和保护条例》等。其中,划定畜禽禁养区、合理布局养殖区域、有机肥替代化肥等措施均说明农牧系统污染防治工作是流域污染治理工作中重要一环。综上所述,政策实施和城镇化带来的食物需求将成为影响白洋淀流域农牧系统发展变化的两个重要引擎。然而,目前尚缺乏评价农业和环境政策对白洋淀流域农牧系统养分流动与环境损失时空特征影响的研究。本研究以白洋淀流域农牧系统氮磷流动为切入点,通过实地调研与数据分析,借助NUFER 模型,揭示2005年、2015年和2018年白洋淀流域农牧系统氮磷流动以及环境损失时空变化特征,以期为白洋淀流域农牧系统可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

白洋淀流域隶属海河流域大清河水系,位于华北平原中部,覆盖河北、山西、北京等地,总面积31 200 km2,2018年有人口1769 万,城镇化率为51%。流域内地形复杂,西部是山区,东部是平原;河网密集,共计8 个子流域,其中白沟引河子流域季节性有水,府河和孝义河子流域[14]常年有水。流域地处温带大陆性季风气候带,全年气候温和,年平均气温为9.3～12.2 ℃,多年平均降水量约为550 mm。土壤类型多为棕壤和褐色土。流域内农牧系统发达,截止到2018年,农作物总播种面积高达175 万hm2,其中粮食作物占比最高,为86.6%,以小麦(Triticum aestivum)、玉米(Zea mays)为主,且产量高达814.6 万t。畜禽养殖以生猪养殖为主,2018年猪牛羊等动物出栏量1684.7 万头,家禽出栏量为11 238.2 万只,肉蛋奶产量为308.4 万t。本研究主要选取流域内覆盖面积最大的38 个县作为研究对象,其中大清河山区共计16个县;依据孙世刚等[15]研究定义的山前平原,共计16 个县;除去山前平原外,流域内剩余的平原则定义为中部平原,共计6 个县(图1)。

图1 白洋淀流域研究区域概况Fig.1 Research areas of the Baiyangdian basin

1.2 系统边界和模型介绍

NUFER 模型是Ma 等[9]基于物质流分析方法,以养分为载体开发的适合全球、国家、区域、流域和农户等不同尺度食物链以及农牧系统的养分流动模型。该模型可定量分析系统内养分流量、利用效率和环境排放等养分流动特征。本研究以白洋淀流域农牧系统为研究边界,利用NUFER 模型,模拟计算了2005年、2015年和2018年农牧系统氮磷养分的输入、输出、内部循环项以及环境损失。研究系统边界和养分流动如图2所示。

图2 农牧系统研究边界和养分流动图Fig.2 Research boundary and nutrient flow of the crop-livestock system

1.3 模型计算

1.3.1 农田子系统养分(氮磷)流动计算

式中:Icrop表示农田系统氮磷总输入量;Ifer表示化肥氮磷输入量;Iam表示畜禽粪尿氮磷还田量,估算过程参见1.3.2 公式(26);Ist表示作物秸秆氮磷还田量;Ihm表示人粪尿还田量;Iirr-N表示灌溉水氮素投入量;IBNf表示生物固氮量;Idep-N表示大气氮沉降量;OSt表示作物秸秆收获氮磷量;RSR表示作物秸秆还田比例;CEIA表示有效灌溉面积;RIWA表示年单位面积灌溉氮量;CCA表示作物播种面积;RBNFA表示作物单位面积固氮量;CAA表示耕地面积;RDA表示年单位面积大气氮沉降量。

式中:Ocrop表示农田系统氮磷总输出量;OCMP表示作物主产品收获氮磷量;OSt表示作物秸秆收获氮磷量;Oaccumulate表示土壤氮磷积累量;Orf表示农田系统径流侵蚀损失量;Ole表示农田系统淋溶损失量;ONH3表示农田系统氨挥发损失量;ON2O表示农田系统氧化亚氮损失量;ODe表示农田系统反硝化损失量;NOYG表示作物主产品产量;RYNC表示主产品氮磷含量;RRCS表示谷草比;RSC表示秸秆氮磷含量;Rrf表示农田氮磷径流侵蚀系数;RfAE表示化肥氨挥发系数;RmAE表示畜禽粪尿还田后氨挥发系数;RfNO表示化肥N2O 排放系数;RmNO表示畜禽粪尿还田后N2O 排放系数;RsNO表示秸秆还田后N2O 排放系数;Rle表示农田氮磷淋洗系数;RDe表示农田反硝化系数。

1.3.2 畜牧子系统养分(氮磷)流动计算

式中:Ianimal表示畜牧系统氮磷总输入量;ILF表示本地饲料输入量;IIF表示外源饲料输入量;RPF表示作物主产品饲用比例;RSF表示作物秸秆饲用比例;Oanimal表示畜牧系统氮磷总输出量。

式中:OAMP表示动物主产品氮磷输出量;OANB表示动物副产品氮磷输出量;Omanure表示畜牧系统粪尿氮磷总产生量;NL表示动物数量;WAMA表示单个动物活体质量;RAMMeat表示肉所占比例;RMeatN(P)C表示肉含氮磷量;OMilk表示奶产量;RMilkN(P)C表示奶含氮磷量;OEgg表示蛋产量;REggN(P)C表示蛋含氮磷量;RAMB表示骨所占比例;RBN(P)C表示骨含氮磷量;RAMO表示其他副产品所占比例;RON(P)C表示其他副产品含氮磷量;RMN(P)O表示单位面积动物粪尿排氮磷量。

式中:LA表示畜禽粪尿氮磷总损失量;LH表示圈舍阶段粪尿氮磷损失量;LS表示储藏阶段粪尿氮磷损失量;LD表示粪尿氮磷直排损失量;LT表示处理阶段粪尿氮磷损失量。

式中:RNH3H、RN2OH、RN2H和RLEH分别表示圈舍阶段粪尿NH3、N2O、N2和氮磷淋洗损失系数;RNH3S、RN2OS和RN2S分别表示储藏阶段粪尿NH3、N2O 和N2损失系数;RDL表示畜禽粪尿氮磷直接排放系数;(RNH3T、RN2OT、RN2T和RLET分别表示粪尿处理阶段NH3、N2O、N2和氮磷淋洗损失系数。

1.3.3 农牧系统养分(氮磷)利用率计算

式中:UEc表示农田系统氮磷利用效率。

式中:UEa表示畜牧系统氮磷利用效率。

式中:UEc+a表示农牧系统的氮磷利用效率。

1.4 数据来源和处理

模型所需的数据(活动数据和参数)主要来源于统计年鉴数据、调研数据和文献数据。

统计年鉴主要为模型提供活动数据。其中,畜禽养殖数量选用生猪、肉牛、肉禽和羊的年末出栏量,奶牛和蛋鸡的年末存栏量进行计算[以奶牛为标准畜禽(LU)[16]单位,肉牛∶奶牛=1∶0.8,猪∶奶牛=1∶0.3,羊∶奶牛=1∶0.1,肉禽∶奶牛=1∶0.007,蛋鸡∶奶牛=1∶0.014]。调研数据是通过与农户面对面问卷调研方式收集信息。种植户调研内容包括农田养分输入/输出和生产管理情况;养殖户调研内容包括养殖场养分输入/输出、畜禽养殖管理、粪尿管理情况。调研数据与文献数据均用于模型参数的校正。

模型输入项:化肥输入数据来自《河北农村统计年鉴》 《山西统计年鉴》 《北京统计年鉴》和6 个行政市统计年鉴[17-22],复合肥氮磷钾比例由调研数据调整而来;大气氮沉降参见1.3.1 公式(5),其中:各县耕地面积(CAA)来自统计年鉴[17-22],单位面积大气氮沉降量(RDA)参考文献[23-26];生物固氮参见1.3.1 公式(4),其中:各县作物播种面积(CCA)来自统计年鉴[17-22],作物单位面积固氮量(RBNFA)参考文献[9];灌溉水输入参见1.3.1 公式(3),其中:各县有效灌溉面积(CEIA)来自统计年鉴[17-22],单位面积灌溉氮量(RIWA)参考文献[9];外源饲料输入参见1.3.2 公式(16)。

模型内部循环:秸秆还田参见1.3.1 公式(2),其中:作物秸秆还田比例(RSR)参考文献[9];畜禽粪尿还田参见1.3.2 公式(26);本地饲料输入参见1.3.2 公式(15),其中:作物主产品饲用比例(RPF)和作物秸秆饲用比例(RSF)参考文献[9]。

模型输出项:作物主产品输出参见1.3.1 公式(7),其中:作物主产品产量(NOYG)来自统计年鉴[17-22],主产品氮磷含量系数(RYNC)参考文献[9];秸秆输出参见1.3.1 公式(8),其中:谷草比(RRCS)和秸秆氮磷含量系数(Rsc)参考文献[9];动物主产品输出参见1.3.2 公式(18),其中:动物数量(NL)、奶产量(OMilk)和蛋产量(OEgg)来自统计年鉴[17-22],单个动物活体质量(WAMA)、肉所占比例(RAMMeat)、肉含氮磷量[RMeatN(P)C]、奶含氮磷量[RMilkN(P)C]和蛋含氮磷量[REggN(P)C]参考文献[9];动物副产品输出参见1.3.2 公式(19),其中:骨所占比例(RAMB)、骨含氮磷量[RBN(P)C]、其他副产品所占比例(RAMO)和其他副产品含氮磷量[RON(P)C]参考文献[9]。

模型环境损失:水体损失中的农田氮磷径流&侵蚀损失参见1.3.1 公式(9);农田氮磷淋洗损失参见1.3.1 公式(12),其中:农田氮磷径流&侵蚀系数(Rrf)和农田氮磷淋洗系数(Rle)来自参考文献[10];畜牧氮磷淋洗损失是各个养殖阶段氮磷淋洗损失量之和,参见1.3.2 公式(22)和(25),其中:圈舍阶段(RLEH)和处理阶段(RLET)氮磷淋洗损失系数均参考文献[10];气体损失中农田NH3损失参见1.3.1 公式(10),其中:化肥NH3损失系数(RfAE)参考Zhao 等[10]研究成果、畜禽粪尿还田后NH3损失系数(RmAE)参考Bai 等[27]研究结果(表1);农田N2O 损失参见1.3.1 公式(11),其中:化肥N2O 排放系数(RfNO)、畜禽粪尿还田后N2O 排放系数(RmNO)和秸秆还田后N2O 排放系数(RsNO)均参考文献[9];农田N2损失参见1.3.1 公式(13),其中:农田反硝化系数(RDe)参考文献[9]。畜牧NH3、N2O 和N2损失是各个养殖阶段损失量的加和,参见1.3.2 公式(22)、(23)和(25)。其中:圈舍阶段NH3损失系数参考文献[9,28-31]等结果(表1),储藏(表2)和处理阶段NH3损失系数参考文献[10]结果;各养殖阶段N2O 和N2损失系数参考文献[27]结果;粪尿直排损失参见1.3.2 公式(24),其中:畜禽粪尿氮磷直接排放系数(RDL)参考朱志平等[32]、Zhao 等[10]研究结果调整而来(表3)。

表1 白洋淀流域畜牧系统畜禽粪尿氨挥发系数[9,28-31]Table 1 Ammonia volatilization coefficients at different stages of livestock system in the Baiyangdian Basin %

表2 2005年、2015年和2018年白洋淀流域畜牧子系统畜禽粪尿储藏阶段氨挥发系数[10]Table 2 Ammonia volatilization coefficients at manure storage stage of livestock system in the Baiyangdian Basin in 2005,2015 and 2018%

表3 2005年、2015年和2018年白洋淀流域畜牧子系统畜禽粪尿直接排放比例[10]Table 3 Proportions of animal manure discharged from livestock system in the Baiyangdian Basin in 2005,2015 and 2018%

2 结果与分析

2.1 白洋淀流域农牧系统氮磷流动年际特征

2005年、2015年和2018年,白洋淀流域农田系统氮磷的总输入量均呈先增后减趋势,2018年分别是622.5 Gg 和185.0 Gg,与2005年相比变化不明显。化肥氮磷输入量变化趋势与农田系统氮磷的总输入量变化趋势相同。2018年化肥氮磷输入量分别是414.5 Gg 和147.0 Gg,均小于2005年化肥的投入水平。然而,农田系统畜禽粪尿氮磷还田量均呈先减后增趋势,2018年为3年间最大值,分别是64.3 Gg和35.5 Gg。农田主产品氮磷输出量变化趋势与养分总输入量变化趋势保持一致。2005年、2015年和2018年,农田系统氮素损失量分别是181.2 Gg、186.7 Gg 和174.4 Gg,磷素损失量分别是2.2 Gg、2.4 Gg和2.2 Gg(图3)。3年间,单位面积农田氮素损失逐年减少,到2018年下降到132 kg·hm—2,且以氨挥发、径流淋洗为主。其中,2018年农田系统氨挥发和径流淋洗损失分别占总氮损失的37%和52%。农田磷素为径流淋洗损失,基本保持在1.7 kg·hm—2左右(图4)。

2005年、2015年和2018年,白洋淀流域畜牧系统外源饲料氮磷输入量逐年下降,2018年分别是149.1 Gg 和38.3 Gg,相较于2005年分别下降34.1%和42.0%;本地饲料氮磷输入量逐年上升,2018年分别是85.2 Gg 和19.7 Gg。白洋淀流域畜牧系统主产品氮磷输出量均呈先增后减的趋势。到2018年,动物主产品氮磷输出量分别是38.3 Gg 和4.1 Gg,相较于2005年分别增加49.6%和86.4%。畜牧系统氮磷的总损失量呈明显的减少趋势,2018年分别是117.6 Gg和14.5 Gg,相比于2005年分别降低40.3%和63.8%。其中,来自畜禽粪尿直排的损失量明显下降,2018年畜禽粪尿氮磷的直排量分别是24.7 Gg 和10.3 Gg,仅为2015年的37%左右(图3)。此外,2005年同2015年相似,畜牧系统单位面积氨挥发与直接排放分别占总氮损失的36%和39%。然而,2018年,氨挥发与直接排放分别占总氮损失的46%和21%(图4)。

图4 2005年、2015年和2018年白洋淀流域农田系统、畜牧系统氮磷养分环境排放Fig.4 Nitrogen and phosphorus environmental emissions from crop and livestock systems in the Baiyangdian Basin in 2005,2015 and 2018

2005年、2015年和2018年,白洋淀流域农牧系统氮素总输入量分别是790.0 Gg、818.4 Gg 和707.3 Gg,磷素总输入量分别是254.9 Gg、252.9 Gg、223.2 Gg;农牧系统产品氮磷输出量均呈先增后减趋势,2018年分别是198.1 Gg 和37.1 Gg;2018年农牧系统氮磷的内部循环量均为3年间最大值,分别是230.2 Gg和70.2 Gg;农牧系统氮磷的总损失量呈明显下降趋势,2018年农牧系统氮磷的总损失量分别是303.7 Gg和16.7 Gg,相较于2005年与2015年,农牧系统氮素总损失量分别减少22.0%和15.6%,磷素总损失量分别减少60.5%、50.6%(图3)。

2.2 白洋淀流域农牧系统氮磷利用率时间变化特征

2005年、2015年和2018年,白洋淀流域农牧系统氮利用率分别是25.6%、29.5%和28.0%,磷利用率分别是15.8%、18.3%和19.7%。农田系统氮利用率3年间变化并不明显,基本在44%左右;农田系统磷利用率呈增长趋势,2018年为30.7%,较2005年增加3.6%。在研究时间范围内,畜牧系统氮利用率呈先增后减趋势,分别是15.7%、24.1%和23.3%,而畜牧系统磷利用率呈明显增长趋势,3年间分别是13.5%、17.7%、18.6%(图5)。

图5 2005年、2015年和2018年白洋淀流域农田系统、畜牧系统和农牧系统氮磷利用率年际变化Fig.5 Use rates of nitrogen and phosphorus of crop and livestock systems in the Baiyangdian Basin in 2005,2015 and 2018

2.3 白洋淀流域农牧系统养分输入与输出空间变化特征

根据农牧系统养分单位面积耕地输入量,将白洋淀流域县域分为4 组。农牧系统总氮输入量在组Ⅳ(＞720 kg·hm—2)范围内的县域分别是正定、新乐、无极、深泽、灵寿、定州和唐县。其中,正定氮素输入量最高(1523 kg·hm—2),唐县次之(1005 kg·hm—2)。中部平原(雄县、安新、高阳、蠡县)和大清河山区(广灵、浑源、灵丘、繁峙、蔚县、涞源、阜平)部分县域总氮输入量均在组Ⅰ(＜380 kg·hm—2)范围内。农牧系统总磷输入量在组Ⅳ(＞220 kg·hm—2)范围内的县域分别是正定、新乐、无极、深泽、定州 。其中,正定磷素输入量最高(390 kg·hm—2),其次是无极(265 k·hm—2)。阜平磷素输入量最低(24 kg·hm—2)。各县磷素输入量差异明显,极差为266 kg·hm—2(图6)。此外,大部分县域化肥氮磷输入量均超过养分总输入量的50%。

图6 2018年白洋淀流域各县农牧系统氮(a)、磷(b)养分输入Fig.6 Nitrogen(a)and phosphorus(b)nutrient inputs in crop-livestock systems of counties in the Baiyangdian Basin in 2018

流域内农牧系统主产品氮磷输出量分别在58～407 kg·hm—2和11～78 kg·hm—2范围,空间差异明显,主产品高输出地区主要集中在山前平原。藁城、正定、无极、新乐、深泽、行唐、定州、望都和定兴农牧系统主产品氮磷输出均在组Ⅳ范围。其中,正定农牧系统主产品氮磷输出量分别为407 kg·hm—2和71 kg·hm—2,新乐分别是403 kg·hm—2和78 kg·hm—2,两者农田主产品和畜牧主产品氮磷输出量均处于各县前列(图7)。主产品低输出地区集中在大清河山区,浑源、繁峙、灵丘、蔚县、涞源和房山农牧系统主产品氮磷输出均在组Ⅰ范围,且农田系统和畜牧系统均不发达。

图7 白洋淀流域各县农牧系统主产品氮(a)、磷(b)养分输出量Fig.7 Outputs of nitrogen(a)and phosphorus(b)nutrients in the crop-livestock systems of counties in the Baiyangdian Basin in 2018

2.4 白洋淀流域农牧系统氮磷利用率空间变化特征

白洋淀流域山前平原和中部平原地区农牧系统氮磷利用率普遍高于大清河山区。藁城、安新、容城、定兴、高碑店农牧系统氮利用率均大于40%,藁城最高(45.4%),其次为高碑店(44.9%)。农牧系统氮利用率小于20%的县域均分布在大清河山区。其中,涞源农牧系统氮利用率最小(13.1%),其次是唐县(13.7%)。农田系统氮利用率方面,藁城最高(66.9%),房山最低(22.1%)。畜牧系统氮利用率方面,莲池区最高(28.6%),唐县最低(12.3%)。农牧系统磷利用率空间差异明显,极差为40.1%,个别县存在磷利用率过高的现象,如阜平(46.2%)、蠡县(42.4%),远超过流域农牧系统磷利用率平均值。农牧系统磷利用率小于10%的县域(涿鹿、灵丘、繁峙)均位于大清河山区。其中,涿鹿最低为6.1%。中部平原县域农田系统磷利用率均大于49.5%(图8)。除无极和雄县外,畜牧系统磷利用率大于流域平均值的县域均位于大清河山区。

图8 2018年白洋淀流域各县氮(a)、磷(b)利用率Fig.8 Nitrogen(a)and phosphorus(b)use efficiencies of counties in the Baiyangdian Basin in 2018

2.5 白洋淀流域区域农牧系统氮磷养分环境损失

白洋淀流域农牧系统单位面积氮磷高损失地区主要集中在山区与山前平原分界线两侧县域。正定、新乐、无极、定州和唐县农牧系统氮素损失均在组Ⅳ(＞350 kg·hm—2)范围内,正定农牧系统氮素损失最大(631.7 kg·hm—2),其次是唐县、新乐、无极。中部平原(雄县、安新、高阳、蠡县)和大清河山区部分县域(繁峙、灵丘、阜平、涞源、蔚县、广灵)农牧系统单位面积氮素损失均在组Ⅰ(＜150 kg·hm—2)的范围内。其中,蔚县农牧系统氮素损失最小(94.3 kg·hm—2)。流域内大多数县域农田系统氮素损失大于畜牧系统。但也存在个别反例,以唐县最为明显,其畜牧系统氮素损失比农田系统高168 kg·hm—2。流域内仅有正定农牧系统磷素损失在组Ⅳ(＞35 kg·hm—2)范围内,唐县、新乐、无极和藁城在组Ⅲ(22～35 kg·hm—2)范围内,其余各县均在组Ⅰ(＜13 kg·hm—2)和组Ⅱ(13～22 kg·hm—2)范围内。由于磷素在土壤中移动性差,农田系统磷素损失很小,农牧系统磷素损失主要来自畜牧系统(图9)。

图9 2018年白洋淀流域各县农牧系统氮(a)、磷(b)养分环境损失Fig.9 Spatial distribution of nitrogen(a)and phosphorus(b)losses in the crop-livestock systems in the Baiyangdian Basin in 2018

2.6 白洋淀流域农牧系统氮磷养分环境损失时空变化特征

白洋淀流域农牧系统各县养分损失变化差异明显。2005年至2015年,浑源、唐县、顺平、竞秀和定兴农牧系统氮素损失增加量均大于50 kg(N)·hm—2·a—1;藁城、正定、新乐、无极、行唐、灵寿、定州、阜平、房山农牧系统氮素损失的减少量均大于50 kg(N)·hm—2·a—1。其中,藁城、正定、新乐农牧系统氮素损失的减少量超过300 kg(N)·hm—2·a—1。2015年到2018年,仅有唐县农牧系统氮素损失增加量依旧大于50 kg(N)·hm—2·a—1。2005年至2018年,白洋淀流域大部分县氮素损失均在明显减少,仅有唐县农牧系统氮素损失的增加量大于50 kg(N)·hm—2·a—1(图10)。从子流域尺度来看,2005年至2018年,白沟引河与府河子流域所覆盖的区域内农牧系统氮素损失明显减少。

2005年至2015年,浑源、广灵、涿鹿、定兴、徐水和莲池农牧系统磷素损失增加量大于3 kg(P)·hm—2·a—1。藁城、正定、新乐、无极、行唐、灵寿、阜平和定州农牧系统磷素损失减少量大于10 kg(P)·hm—2·a—1(图10)。然而,2015年至2018年,流域内除繁峙、唐县、安新、高阳外农牧系统磷素损失均明显减少,以山前平原地区最为明显。2005年至2018年整体来看,白洋淀流域全部县域农牧系统磷素损失均明显减少。

图10 白洋淀流域区域农牧系统氮磷养分损失空间变化(a、b 和c 分别为2005—2015年、2015—2018年和2005—2018年间氮素损失空间变化,d、e 和f 分别为2005—2015年、2015—2018年和2005—2018年间磷素损失空间变化)Fig.10 Spatial changes of nitrogen and phosphorus losses in the crop-livestock systems in the Baiyangdian Basin(Fig.a,b and c are the spatial change in nitrogen losses from 2005 to 2015,from 2015 to 2018,and from 2005 and 2018,respectively.Fig.d,e and f are the spatial change in phosphorus losses from 2005 to 2015,from 2015 to 2018,and from 2005 and 2018,respectively.)

3 讨论

3.1 白洋淀流域农牧系统氮磷养分流动年际特征

2005—2015年,白洋淀流域农田系统单位面积化肥氮素输入量由355.3 kg·hm—2下降到349.8 kg·hm—2,同时单位面积化肥磷素输入量由118.7 kg·hm—2上升到127.7 kg·hm—2。该趋势可能与测土配方施肥政策有关,在降低氮肥用量、减少环境影响的同时也使得化肥施用氮磷比趋近最佳比例(1∶0.4～0.45)[33]。受“化肥使用量零增长”政策影响,白洋淀流域农田系统单位面积化肥氮磷输入量下降至313 kg·hm—2和111 kg·hm—2(2018年),较政策颁布初期(2015年)降低10%和14%,且低于二者在2005年的水平,实现了政策预期目标。然而,当前白洋淀流域农田施肥强度仍远高于粮食作物合理的施氮水平[34]和全国平均施磷水平[35],化肥减施潜力依然较大。一方面,该流域氮磷利用效率仍较低,其中氮素利用效率仅略高于河北省平均水平[36],磷素利用效率低于全国平均水平[9],因此提高氮磷利用效率是未来化肥减施的重要途径之一;另一方面,该流域农田系统化肥源氮磷养分输入占比仍高达59.2%和74.8%,有机肥替代化肥能够提供的减量潜力仍然可观[37]。与此同时,2018年流域内农田系统氮磷养分损失量与2015年相比仅减少6.6%和6.8%,农田系统氮磷养分损失问题依旧严峻。因此,深化“化肥零增长”政策中的“减肥增效”和“环保施肥”依旧是未来流域内农田系统养分管理的发展方向。

随着畜牧政策的陆续颁布,政策中“禁养区”的划分、“规模化”养殖的推进以及“畜牧补贴”的落实都有可能导致畜禽养殖中位于“禁养区”的养殖场或者不具备竞争力的“散户”养殖场退出。与此同时,白洋淀流域畜牧系统生产强度明显降低,养殖密度从2005年的6.98 LU·hm—2减少到2018年的4.74 LU·hm—2。受养殖数量影响,饲料氮磷输入量明显减少,外源饲料氮磷的进口率从2005年的75.1%和79.8%下降到2018年的63.6%和66.0%,畜禽粪尿氮磷的产生量从2005年的202.5 kg·hm—2和59.6 kg·hm—2下降到2018年的137.5 kg·hm—2和37.8 kg·hm—2。另一方面,畜禽粪尿管理设施优化是减少粪尿端养分损失的重要措施[38]。受“国家农业可持续发展计划(2015—2030年)”等一系列畜牧业相关政策实施的影响,流域内养殖场粪尿综合管理设施逐渐优化,雄安新区的建立又加速了相关政策的落实,致使流域内畜禽粪尿氮磷直排损失量明显减少,粪尿氮磷直排比例从政策实施初期(2015年)的30.1%和45.3%降低到2018年的13.6%和20.1%。粪尿氮磷还田比例也从政策实施初期(2015年)的23.6%和47.7%增加到2018年的35.3%和71.0%。在畜禽粪尿产生量减少和粪尿还田比例增高双重结果的影响下,白洋淀流域畜牧系统养分损失明显减少。与此同时,2018年畜牧系统氮磷利用率均高于魏莎等(16.3%～20.6%)[36,39]和丁尚等(7.6%～10.0%)[11,40-41]研究结果。综上所述,白洋淀流域畜牧系统正朝着逐渐健康的方向发展。

在“化肥零增长”政策以及一系列“畜禽政策”的共同作用下,白洋淀流域农牧结合程度不断加深。流域内农牧系统氮磷循环利用率增加到政策颁布后的51.2%和73.8%(2018年),明显高于2005年的35.8%和51.3%,流域内农牧系统养分利用率有所增加。然而,2018年流域内农牧系统氮利用率(28.0%)小于全国水平(41.0%)[42]以及京津冀区域水平(33.8%)[37];农牧系统磷利用率(19.7%)同样小于全国水平(30.3%)[43]以及京津冀区域水平(37.7%)[39]。因此,未来白洋淀流域农牧系统应继续减少化肥投入量,增加有机肥部分替代化肥比例,深化种养结合程度,进而弥补农牧系统在养分输入与循环方面脱节的问题。

3.2 白洋淀流域农牧系统氮磷养分流动空间特征

白洋淀流域区域农牧系统养分输入与输出空间差异明显,受地理差异的影响,呈东西低,中间高的“三明治”式特征。山前平原地区作为华北平原重要的粮食产区,地势平整,耕地资源丰富,适合发展高度集约化农田系统生产结构。在保障农作物高产的同时,山前平原地区部分县域大量施用化肥,尤其是山前平原南部。例如,2018年正定化肥氮磷的投入量高达964 kg·hm—2和268 kg·hm—2,远高于流域化肥平均施用水平以及农田合理的施肥水平[34],然而农田系统养分利用效率远远小于流域平均值。大清河山区受限于土壤肥力[44]以及耕作的机械化水平,人力成本较高,农田系统生产相对不发达,仅部分靠近平原的个别区县域化肥投入量处于较高水平,如顺平、灵寿化肥氮素投入量高达550 kg·hm—2和484 kg·hm—2。中部平原虽然耕地资源较为丰富,但区域内化肥氮磷养分平均输入量(261 kg·hm—2和78 kg·hm—2)低于流域均值,农田系统养分高利用率地区均分布于此。

流域内畜禽养殖密度空间差异极大,养殖密度最大的正定县达14.5 LU·hm—2,养殖密度最小的蠡县仅有0.8 LU·hm—2。养殖密度高于流域平均值的县域主要分布在山前平原地区以及个别临近平原的大清河山区县域,如唐县养殖密度高达10.8 LU·hm—2。中部平原地区靠近白洋淀湖泊,但畜牧系统并不发达,畜禽养殖总量仅占全流域的6%,平均养殖密度只有2.6 LU·hm—2,远低于流域平均值[17-22]。因此,高阳和蠡县的本地饲料可以满足畜牧系统的生产,无需再进口外源饲料。随着白洋淀流域畜禽养殖禁养区的划定以及合理布局养殖区域等一系列的环境规划与政策的落实,白洋淀流域畜禽养殖空间差异将会更加明显。

高投入、高产出、低利用效率的农牧系统氮磷流动特点,导致流域内单位面积氮磷高损失地区主要集中在山前平原南部地区。此外,白沟引河子流域、府河子流域和孝义河子流域所覆盖的区域农牧系统氮磷养分损失均在组Ⅰ和组Ⅱ范围。就氮素而言,3 个子流域中农牧系统养分损失依旧需要警惕。

3.3 白洋淀流域农牧系统存在问题与建议

白洋淀流域农牧系统养分输入过度依赖化肥投入。应当深化化肥“零增长”政策,着眼于“减肥”,加强测土配方施肥[45]技术的推广,优化施肥方案,按需施肥,科学指导农田化肥施用方式,减少农田养分损失,提高农田养分利用率;另一方面,在家庭承包责任制下,农户是耕地耕种行为的真正决策主体,引导农户接受环境友好型施肥技术,能有效地降低农田化肥过多的使用量[46]。

白洋淀流域随着规模化养殖场的增加以及畜禽政策的逐步落实,畜禽粪污直接排放的养分损失显著减少,进而导致畜禽粪便中氮素气体损失占比的增加。因此畜牧系统应优化饲料配比[47-48],增加养分利用率,减少畜禽粪尿的产生量;同时,在“全链条”畜禽粪尿管理方面,鼓励建设低粪尿损失的圈舍与储存设施;摒弃传统的“粪污堆沤”技术,采用先进的粪污处理技术[49-50]能显著降低畜禽粪尿的气体损失。

白洋淀流域区域间农牧系统畜禽养殖密度差异极大,禽粪尿产生总量与土地的承载能力不匹配极易造成养分损失。因此,未来畜牧系统发展应当“以地定量”[51],优化区域间畜禽养殖数量。同时,白洋淀流域河道复杂,不同区域畜禽养殖应当考虑畜禽养殖禁养区,落实环境规划与政策,合理布局白洋淀流域作物种植和畜禽饲养以降低资源环境代价,最终保证白洋淀流域水环境质量健康。

4 结论

白洋淀流域农牧系统基本实现化肥“零增长”。然而,化肥养分投入量依旧处于过高水平,农田系统养分损失略微下降。畜禽养殖密度逐年减少,外源饲料依赖率以及畜禽粪尿产生量逐渐降低,畜牧氮磷利用率较高,畜牧系统发展较为健康。受国家和地方一系列种植业和畜牧业相关政策的影响,白洋淀流域农牧系统养分循环利用率明显增加,农牧系统氮磷的总损失明显减少,2018年分别为233.8 kg·hm—2和12.6 kg·hm—2,较2005年分别减少24.5%和62.2%。农牧系统养分利用率虽明显升高,但仍处于较低水平,2018年农牧系统氮磷利用率仅有28.0%和19.7%。未来白洋淀流域农牧系统应继续减少化肥投入,增加有机肥部分替代化肥比例,深化种养结合程度,进而弥补白洋淀流域农牧系统在养分投入与循环方面脱节的问题。

受地理差异影响,白洋淀流域区域农牧系统氮磷养分输入与输出空间差异明显,基本呈现“三明治”式特征。部分县域农牧系统氮磷流动出现了高投入、高产出、低利用效率的特点,主要集中在山前平原南部地区。随着一系列政策的实施,山前平原南部地区,农牧系统养分损失显著降低,但依旧不容乐观,此外,受畜禽养殖区域规划与环境政策的调控,白洋淀流域空间差异会进一步加强。未来白洋淀流域农牧系统发展应当进一步加强区域间种养结合程度,合理布局区域间畜禽养殖数量,继续减少区域化肥投入,实现养分协同优化管理。