Nutrient flow characteristics analysis of typical county in crop-livestock systems in black soil region in Northeast China
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摘要:
在保障粮食安全的前提下, 东北黑土区作物和畜牧生产的耦合促进了农业绿色发展。本研究选择位于东北黑土区的吉林省农安县为研究区域, 以农牧系统为研究边界, 通过实地调研、统计数据和文献, 结合食物链养分流动模型(NUFER: NUtrient flows in Food chains, Environment and Resources use)定量分析1990—2020年农牧系统氮磷养分流动、利用效率和环境损失, 探究气候和社会经济因素对氮磷排放的驱动作用, 并设置平衡施肥(减少化肥施用)和有机肥替代(提升有机物料替代)两种情景评估该县减排潜力。结果表明, 相对于1990年, 2020年农安县农牧体系氮磷输入量分别下降45%和23%, 其中化肥施用是最大的输入项。作物和农牧系统养分利用率波动增加, 而畜禽系统养分利用率下降并逐渐趋于稳定。农牧体系氮磷损失量较1990年分别减少41%和增加29%。农田氨挥发、径流侵蚀和畜禽粪便直排为主要排放途径。通过平衡施肥和有机替代, 土壤氮磷积累处于较低水平, 至2030年农安县化学氮肥有80%的减施潜力, 化学磷肥有85%的减施潜力, 且氮磷养分环境排放均减少67%, 作物和农牧系统养分利用率均增长50%以上。综上, 农安县农牧体系未来可通过增加秸秆和粪便还田量提升化肥减施潜力。东北黑土区应继续深化化肥零增长政策, 推行有机废弃物资源化利用, 实现农牧系统协同优化发展。
Abstract:The integration of crop and livestock production promotes agricultural green development and guarantee food security in black soil region in Northeast China. In this study, Nong’an County, Jilin Province, which is located in black soil region in Northeast China, was selected as the study boundary. Quantitative studies for nitrogen and phosphorus flows, utilization efficiency as well as environmental losses in crop-livestock systems from 1990 to 2020 were conducted through field research, statistical data and literature, combined with the NUFER model (NUtrient flows in Food chains, Environment and Resources use). The present study explored the impacts of climate and socio-economic factors on nitrogen and phosphorus emissions. Furthermore, two sets of scenarios of balanced fertilization (reduction of fertilizer application) and organic substitution (increase of organic material substitution) were set up to assess the county’s emission reduction potential. The results showed that, compared to 1990, nitrogen and phosphorus inputs to crop-livestock systems for Nong’an County in 2020 decreased by 45% and 23%, respectively, with chemical fertilizer application as the largest input. The nutrient utilization efficiency of crop system and crop-livestock systems increased fluctuatingly, while nutrient utilization efficiency of livestock system decreased and tended to remain stable. The nitrogen and phosphorus losses of crop-livestock systems decreased by 41% and increased by 29% compared to 1990, respectively. Ammonia volatilization from farmland, runoff and erosion, and livestock manure discharge were the major contributors to nutirent losses. Through balanced fertilization and organic substitution, it is predicted that by 2030, Nong’an County will have the potential to reduce the application of chemical nitrogen fertilizer by 80% and chemical phosphorus fertilizer by 85%, with low levels of soil nitrogen and phosphorus accumulation, and the environmental emissions will be reduced by 67%, the nutrient utilization efficiency of crop system and crop-livestock systems will increase by more than 50%. In conclusion, crop-livestock system of Nong’an County can enhance the potential for fertilizer reduction in the future by increasing the amount of straw and manure returned to the field. The black soil region in Northeast China should continue to deepen the policy of zero growth of chemical fertilizer, and promote the utilization of organic waste to guarantee a synergistically optimized crop-livestock systems.
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作物和畜牧生产对于维持粮食安全至关重要[1], 其生产环节中环境、资源利用和可持续发展问题, 已经成为人类社会面临的重大挑战[2]。农业绿色发展(AGD)作为“国家可持续发展、绿色发展战略”[3], 旨在将目前不可持续的农业实践[4-5]向绿色、可持续的农业生产转变。东北黑土区畜牧业正处于由传统家庭后院养殖模式向现代集约化养殖模式转型的阶段, 无耕地匹配的集约化养殖快速发展导致了污染物环境排放比例不断增加[6]。而农作物和畜牧生产的地理分离使作物残茬和动物粪便的回收减少[5,7-10], 加之过度使用合成肥料和粪便管理不善, 导致养分利用率降低。现亟须阐明农牧体系氮磷养分流动与环境排放调控途径, 探索东北黑土区农业绿色发展实现方案。目前, 国内外对农牧系统氮磷养分循环和环境排放的研究较多, 其中以物质流分析[11](material flow analysis, MFA)应用最为广泛, 如Isermann等[12]利用MFA计算了德国“作物-畜禽-家庭-污水垃圾处理”系统氮素流动账户, 分析了不同营养需求下德国氮磷平衡的前景。Ma等[13]利用MFA建立了NUFER (NUtrient flows in Food chains, Environment and Resources use)模型, 在全国尺度上定量了食物链和农牧系统氮磷流动、利用效率以及环境排放特征。佟丙辛等[14]、张建杰等[15]利用NUFER模型定量了河北、山西农牧系统氮磷养分流动特征。Zhou等[16]量化了曲周县食物链磷流动, 并提出减少农业绿色发展阻碍的养分管理方案。Wu等[17]量化了平和县农牧系统养分流动, 提出养分管理和合理配置种养规模对县域农业绿色发展的重要性。这些均证明了NUFER模型在“自上而下”的农业绿色发展定量研究思路的适用性[18]。
吉林省农安县位于东北黑土区中部, 是典型种养结合型农牧体系, 具有物质能量循环高、废弃物资源化、无害化需求较高等多重特征, 了解其养分流动、环境变化特征及优化潜力对东北黑土区县域可持续养分管理具有重要意义。本研究以农牧体系养分流动和环境排放特征为切入点, 通过实地调研、统计数据和文献, 利用NUFER模型定量农牧体系氮磷养分流动、利用效率和环境损失, 探明气候和社会经济因素对环境损失的驱动作用, 探讨减少无机肥料依赖、增加有机肥料替代潜力, 为实现东北黑土区农业绿色发展提供案例参考。
1. 材料与方法
1.1 研究区域概况
研究区域隶属吉林省长春市农安县, 位于松辽平原腹地(图1)。地势平坦, 四季分明, 属中温带大陆性气候。土壤类型为黑土, 年均气温4.7℃, 无霜期145 d, 降水量507.7 mm, 农田为雨养, 全年无灌溉。农安县农牧系统结构随着城镇化进程的加快而发生显著改变。1990—2020年, 农安县城市化率由9.15%[19]增至30.87%[20]。县内农牧系统发达, 可耕种土地面积由29.4×104 hm2增至37.1×104 hm2, 以玉米(Zea mays L.)为主, 其播种面积占总播种面积比例由67%增至93% (图2)。畜禽养殖总量由79.6×104 LU [LU为livestock unit, 表示标准牛当量(折合500 kg奶牛)]增至126.8×104 LU, 畜禽密度由2.7 LU·hm−2增至3.4 LU·hm−2。
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图 1 研究区吉林省农安县地理位置Figure 1. Geographical location of the study area of Nong’an County, Jilin Province![]()
图 2 1990—2020年农安县种植业(a)和畜牧业(b)结构变化LU表示标准牛当量(折合500 kg奶牛), 不同动物LU折算系数分别为: 奶牛 1, 肉牛 0.8, 猪 0.3, 羊 0.1, 蛋鸡 0.014[21]。LU is livestock unit, which indicates the standard cattle equivalent (one cattle equivalent, which equals 500 kg live weight), and the conversion ratios for dairy cattle, beef cattle, pig, sheep and layer are 1, 0.8, 0.3, 0.1 and 0.014, respectively[21].Figure 2. Changes of crop (a) and livestock (b) production structures from 1990 to 2020 in Nong’an County1.2 模型方法
本研究以农安县“农田-畜牧”生产系统为研究边界, 利用NUFER模型[13], 模拟计算了1990—2020年系统氮磷输入、输出状况及氮磷养分在系统内和系统间流动状况(图3)。基于3个尺度进行开展, 分别为种植业尺度、畜牧业尺度和农牧系统尺度。其中, 种植业考虑粮食作物和经济作物养分流动, 畜牧业考虑单胃动物(生猪和蛋鸡)和反刍动物(奶牛、肉牛和羊)养分流动, 农牧系统综合考虑种植业与畜牧业系统的养分循环。本研究输入项为化肥、大气沉降、生物固氮和饲料进口; 系统内部流动项为本地饲料、秸秆还田和畜禽粪便还田; 输出项为作物主产品、秸秆、气体损失、反硝化、径流侵蚀、淋溶、畜禽粪便水体直接排放、畜禽产品、畜禽副产品和土壤积累。
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图 3 农安县农牧生产研究边界和养分流动图a表示化肥投入, b表示饲料进口, c表示农作物收获, d表示农作物秸秆, e表示食品加工。a indicates fertilizer input; b indicates feed imported; c indicates crop harvested; d indicates crop straw; e indicates food processing.Figure 3. Research boundary and nutrient flow of crop-livestock systems in Nong’an County1.3 数据来源
数据来源包括调研数据、统计数据和文献数据3部分。
调研数据: 本研究所用调研数据来自于2013—2020年通过对农安县农业农村局、农安县农业技术推广中心、种植养殖专业合作社、农户进行问卷调查和实地访谈方式收集的信息。问卷调查采取随机入户面对面的访谈方法, 共收集有效调查问卷402份, 访谈时间为30 min。种植业调研样本的选择基于覆盖所有乡镇的随机取样, 调研内容包括种植方式、养分投入情况、农作物产量和秸秆综合利用等基本信息, 共收集问卷309份(表1)。养殖业调研样本的选择与种植业相同, 调研内容包括养殖场规模与数量、饲料配方与饲喂量、粪尿日排泄量、粪尿管理与还田情况等基本信息, 共收集问卷93份(表2)。养殖业生产中氮、磷的排放因子来自课题组调研实测数据(表2)。
表 1 不同农作物种植户调研数据Table 1. Field research data of different crop farms项目
Item粮食作物种植户
Staple crop farms经济作物种植户
Cash crop farms样本数 Sample size 187 122 耕地面积 Cultivation area (hm2) 377 319 31 461 播种面积 Sown area (hm2) 373 329 31 128 单位面积产量 Yield per unit area (kg·hm−2) 8458 39 794 籽粒利用方式
Grain utilization mode (%)饲喂 Feed 68 22 废弃 Waste 8 8 食品 Food 18 64 其他 Others 6 6 秸秆利用方式
Straw utilization mode (%)饲喂 Feed 38 42 还田 Return to field 44 36 焚烧 Burn 0 0 其他 Others 18 22 施肥量
Fertilization amount (kg·hm−2)基肥 Base fertilizer 35~40 33~50 追肥 Top application 225~300 75~270 施肥类型
Fertilizer type基肥
Base fertilizer复合肥
Compound fertilizer有机肥+尿素
Organic fertilizer + urea追肥
Top application复合肥+尿素
Compound fertilizer + urea复合肥
Compound fertilizer施用方式
Application method基肥
Base fertilizer深施
Deep application表施
Broadcast追肥
Top application表施+灌水
Broadcast + irrigation深施
Deep application表 2 不同畜禽养殖户调研数据Table 2. Field research data of different livestock farms项目
Item生猪养殖户
Pig farm肉牛养殖户
Beef cattle farm奶牛养殖户
Dairy cattle farm羊养殖户
Sheep farm蛋鸡养殖户
Layer farm样本数 Sample size 54 10 1 14 14 养殖规模 Size (heads) ≥500 ≥100 ≥100 ≥500 ≥10 000 饲料摄入量（鲜重）
Feed intake (kg∙head−1∙a−1)254 3454 7793 756 30 清粪方式
Cleaning method干清粪
Scraping system干清粪
Scraping system干清粪
Scraping system干清粪
Scraping system干清粪
Scraping system粪尿处理方式
Manure treatment厌氧堆肥+处理中心、厌氧堆肥+有机肥厂、沼气池+厌氧池
Anaerobic composting & treatment center; anaerobic composting + organic fertilizer manufacturing plant; biogas digester + anaerobic tank厌氧堆肥+处理中心
Anaerobic composting + treatment center厌氧堆肥+处理中心
Anaerobic composting + treatment center厌氧堆肥+处理中心
Anaerobic composting + treatment center厌氧堆肥+处理中心
Anaerobic composting + treatment center粪尿还田后氨挥发系数[22]
NH3 emission coefficient after manure applied to field (%)[22]25 25 25 25 25 粪尿储藏阶段氨挥发系数[22]
NH3 emission coefficient during storage (%)[22]29 19 19 24 12 粪尿年产生量
Manure production
(kg∙head−1∙a−1)氮 Nitrogen 4.9 30.0 70.0 7.1 0.55 磷 Phosphorus 1.7 4.8 12.9 1.0 0.25 粪尿利用情况
Manure utilization
(%)还田
Applied to field49 58 58 49 52 直排 Discharge 31 28 28 36 41 统计数据: 农安县历年人口、化肥施用折纯量、农作物播种面积及产量、畜禽存栏量和出栏量及肉蛋奶产量来自于吉林社会经济统计年鉴(1991—2021年)与长春经济统计年鉴(1991—2021年)。本研究在选取基础数据时, 考虑了不同畜禽种类的养殖周期差异, 养殖周期的数据来自经验与调研数据: 生猪和肉牛选用当年出栏量; 奶牛和羊选用当年年末存栏量; 由于部分统计数据中不包括年末蛋鸡存栏量, 故通过鸡蛋产量与农安县历年蛋鸡平均产蛋量反推蛋鸡养殖数量。
文献数据: 1990—2020年农安县种植业不同作物谷草比、养分含量、生物固氮、氮沉降、反硝化排放系数、NH3和N2O排放系数、淋溶侵蚀和径流排放系数采用NUFER模型参数[23-24]。畜禽产品分配系数、畜禽产品氮磷养分含量和畜禽排泄系数采用NUFER模型[23]。
1.4 驱动因素分析
为全面了解该县域农牧体系状态, 选取年均温度和年累积降雨量代表气候因素、城市化率和人均GDP代表社会经济水平作为多元回归分析的参数, 运用计量经济学方法分别探究两类因素对农牧体系各系统生产单位产品总氮和总磷排放强度的影响。农牧体系各系统单位产品总氮和总磷排放强度分别用种植业生产单位作物产品氮(磷)损失(PLc)、畜牧业生产单位畜禽产品氮(磷)损失(PLa)和农牧系统生产单位农牧产品氮(磷)损失(PLc+a)表示。年均温度和年累积降雨量数据来自中国气象数据网[25], 城市化率和人均GDP数据来自吉林统计年鉴(1991—2021年)。所有统计分析均使用Stata 17.0数据统计软件包进行。
1.5 数据处理方法及情景设置
本研究将秸秆还田、畜禽粪尿还田这两种调控途径作为主要调控对象, 以有机物料替代化学肥料, 计算化肥减施的环境减排潜力。将2020年设定为基准年份, 并对2030年进行预测, 以当前年份和预测年份基准情景化肥施用量作为起始投入量, 其他情景设置如下:
2020年情景: 在“化肥使用量零增长”政策的作用下, 农安县2020年后化肥使用量将保持零增长速度, 畜禽粪便养分还田率达60%, 农作物秸秆养分还田率达60%[26]。从降低氮肥投入60%[27] (S1-N60)、降低磷肥投入75%[16] (S1-P75)开始, 分别以10%和5%为一个阶段, 降低氮肥投入70% (S2-N70)和磷肥投入80% (S2-P80), 至土壤氮磷积累量出现亏缺(S3-N80、S3-P85), 根据平衡施肥原则[28-29], 即不对土壤养分形成长期耗竭的化肥投入量, 即上一个减氮量和减磷量为当前减排潜力。
2030年情景: 相比2020年, 2030年氮磷肥使用量将分别减少7%和8%, 农作物产量增加4%, 畜禽养殖量增加18%, 蛋奶产量增加16%[30]。为保证农作物有足够的养分供给, 由于粪污管理的改善和当地政府的工作部署, 畜禽粪便养分还田率将提高到90%[16,24], 农作物秸秆养分还田率仍为60%[26]。综合2020年情景, 2030年情景将从降低氮肥投入70% (S4-N70)、降低磷肥投入80% (S4-P80)开始, 分别以10%和5%为一个阶段, 降低氮肥投入80% (S5-N80)和磷肥投入85% (S5-P85), 至土壤氮磷积累量出现亏缺(S6-N90、S6-P90), 从而得出减氮和减磷潜力。
2. 结果与分析
2.1 农安县农牧体系氮磷养分流动特征及年际差异
随着农安县农牧系统养殖结构发生改变, 氮磷养分流动特征随之发生变化(图4)。2020年农牧体系氮磷养分输入量分别为94.9 Gg和29.8 Gg, 比1990年下降45%和23%; 其中化肥氮磷养分输入占总养分输入的比例分别从80%和93%下降到53%和28%; 饲料氮进口量没有增加, 饲料磷进口量增加1.9 Gg。作物、畜禽产品氮输出量分别增加33%和272%, 磷输出量增加47%和259%。土壤氮磷积累量降低65%和33%。农牧体系整体氮损失和磷损失分别为48.6 Gg和2.4 Gg, 较1990年减少41%和增加29%。农牧体系内部氮素循环率由1990年的49%增至2020年的67%, 磷素循环率由51%增至74%。2020年畜牧业氮磷排泄量分别为22.9 Gg和5.0 Gg。根据《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》[31]进行测算, 折合单位耕地面积畜禽粪尿氮磷承载量为110.0 kg(N)∙hm−2和16.9 kg(P)∙hm−2, 以氮、磷为基准的土地承载力指数分别为0.52和0.59 (均未大于1), 表明当前畜禽粪尿尚未超载且存在一定承载能力剩余, 可适当增加养殖规模。但是农安县化肥氮磷投入量远高于作物氮磷养分需求量(61.4 Gg和8.7 Gg), 这表明当前化肥有较大的减施潜力。农安县农牧体系的氮磷养分流动均以种植业为主导, 种植业是农牧体系外源氮磷养分输入和产品氮磷输出的主体, 种植业外源氮磷投入占农牧体系外源氮磷投入量的90%以上, 氮磷主产品输出占农牧体系氮磷主产品输出的89%和94%, 是重要的产粮大县。
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4 1990年和2020年农安县农牧体系氮(N)和磷(P)养分流动特征及年际差异4. Changes of nitrogen (N) and phosphorus (P) flows of crop-livestock systems of 1990 and 2020 in Nong’an County2.2 农安县农牧体系氮磷利用率与损失历史变化趋势
1990—2020年种植业系统和农牧体系氮磷利用率波动增加, 畜牧业系统氮磷利用率下降并趋于稳定(图5)。2020年种植业、畜牧业和农牧体系氮素利用率分别为32%、15%和9%, 较1990年分别增加105%、下降10%和增加176%; 磷利用率分别为21%、5%和5%, 较1990年分别增加80%、下降4%和增加127%。大量的化学肥料投入导致的较高氨挥发量和土壤养分积累, 以及畜禽粪便综合利用程度较低是造成养分利用率低的主要原因。
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图 5 1990—2020年农安县农牧系统氮(A)和磷(B)利用效率NUEc: 作物氮利用率; NUEa: 畜禽氮利用率; NUEc+a: 农牧系统氮利用率; PUEc: 作物磷利用率; PUEa: 畜禽磷利用率; PUEc+a: 农牧系统磷利用率。实线表示线性回归, 阴影区域表示95%置信区间(n=31)。NUEc: nitrogen use efficiency of crop; NUEa: nitrogen use efficiency of animal; NUEc+a: nitrogen use efficiency of crop-livestock system; PUEc: phosphorus use efficiency of crop; PUEa: phosphorus use efficiency of animal; PUEc+a: phosphorus use efficiency of crop-livestock system. The solid line denotes linear regression, and the shaded area denotes 95% confidence intervals (n=31).Figure 5. Use efficiencies of nitrogen (A) and phosphorus (B) of crop-livestock systems from 1990 to 2020 in Nong’an County1990—2020年农牧体系氮损失整体呈下降趋势; 1990—2008年农牧体系磷损失波动增加随后呈下降趋势, 磷损失更易受畜禽密度变化的影响(图6)。相对于1990年, 2020年农牧体系整体氮损失减少41%, 磷损失增加29%。氮损失中农田氨挥发贡献较高, 占总氮损失的44%, 较1990年农田氨挥发损失下降45%; 磷损失中农田径流侵蚀和畜禽水体排放或堆置贡献较高, 分别占总磷损失的35%和63%, 较1990年农田径流侵蚀下降19%, 较1990年畜禽水体排放或堆置增加98%。1990—2020年农牧体系整体单位产品氮磷损失均呈现下降趋势。2020年种植业、畜牧业和农牧系统生产单位产品的氮损失分别为1.0 kg(N)∙kg−1、2.2 kg(N)∙kg−1和2.9 kg(N)∙kg−1, 相比1990年减少64%、17%和60%。2020年种植业、畜牧业和农牧系统单位产品磷损失分别为0.1 kg(P)∙kg−1、3.9 kg(P)∙kg−1和0.9 kg(P)∙kg−1, 相比1990年减少45%、45%和13%。
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图 6 1990—2020年农安县农牧系统氮(A)和磷(B)环境损失NH3-c: 农田氨挥发; N2O-c: 农田氧化亚氮损失; R&E-c: 农田径流和侵蚀过程中的养分损失(氮或磷); L-c: 农田淋溶过程中的养分损失(氮或磷); DeN-c: 农田反硝化过程中的氮素损失; NH3-a: 畜禽养殖业氨挥发; Disch/stack-a: 畜禽养殖业水体直排或堆置过程中的养分损失(氮或磷); PLc: 每生产1 kg作物产品的养分(氮或磷)损失; PLa: 每生产1 kg动物产品的养分(氮或磷)损失; PLc+a: 每生产1 kg农牧产品(作物产品+畜禽产品)的养分(氮或磷)损失; 实线表示线性回归, 阴影区域表示95%置信区间(n=31)。NH3-c: NH3 emissions from farmland; N2O-c: N2O losses from farmland; R&E-c: nutrient (nitrogen or phosphorus) losses via runoff and erosion from farmland; L-c: nutrient (nitrogen or phosphorus) losses via leaching from farmland; DeN-c: nitrogen losses via denitrification from farmland; NH3-a: NH3 emissions from livestock production; Disch/stack-a: nutrient (nitrogen or phosphorus) losses via manure discharge or stacking from livestock production; PLc: nutrient (nitrogen or phosphorus) losses per unit crop product production; PLa: nutrient (nitrogen or phosphorus) losses per unit livestock product production; PLc+a: nutrient (nitrogen or phosphorus) losses per unit crop and livestock product production. The solid line denotes linear regression, and the shaded region denotes 95% confidence intervals (n=31).Figure 6. Environmental losses of nitrogen (A) and phosphorus (B) of crop-livestock systems from 1990 to 2020 in Nong’an County2.3 气候和社会经济因素对农牧体系养分环境损失的驱动分析
农牧体系氮磷养分排放强度主要受到3个驱动因素的影响: 人均GDP、城市化率和年累积降雨量。多元回归分析的结果表明, 生产单位作物产品和单位畜禽产品氮磷排放强度与人均GDP、城市化率均存在显著负相关关系(P<0.05); 生产单位作物产品氮排放强度与年累积降雨量存在显著负相关关系(P<0.05), 而与年均温度关系不显著; 生产单位农牧产品养分排放中仅有氮排放强度与人均GDP、城市化率和年累积降雨量均存在极显著负相关关系(P<0.01), 而农牧系统磷排放强度受经济因素影响不显著, 仅与年累积降雨量存在极显著负相关关系(P<0.01)(表3)。在控制城市化率变量的情况下(Model 1), 人均GDP每增加1%, 单位作物产品总氮和总磷排放强度分别降低0.27%和0.17%, 单位畜禽产品总氮和总磷排放强度分别降低0.06%和0.15%, 单位农牧产品总氮和总磷排放分别降低0.28%和0.05%。在控制人均GDP变量的情况下(Model 2), 城市化率每增加1%, 单位作物产品总氮和总磷排放强度分别降低1.32%和0.82%, 单位畜禽产品总氮和总磷排放强度分别降低0.24%和0.73%, 单位农牧产品总氮和总磷排放强度分别降低1.59%和增加0.38%。
表 3 农安县农牧系统养分环境排放模型与气候和社会经济因素的关系Table 3. Relationships between nutrient environmental emissions from crop-livestock systems with climatic and socio-economic factors inNong’an County参数
Parameter项目
Itemln(单位农产品总氮排放强度)
ln(nitrogen losses per unit agricultural product production)作物产品
Crop products畜禽产品
Livestock products农牧产品
Crop and livestock products模型1
Model 1模型2
Model 2模型1
Model 1模型2
Model 2模型1
Model 1模型2
Model 2r ln(人均GDP) ln(GDP per capita) −0.27*** −0.06*** −0.28*** ln(城市化率) ln(urbanization rate) −1.32*** −0.24* −1.59*** 年均温度 Annual average temperature −0.07 −0.13 <0.01 −0.01 −0.05 −0.12* 累积降雨量 Accumulated rainfall >−0.01*** >−0.01*** >−0.01* >−0.01** >−0.01** >−0.01** n 31 31 31 31 31 31 调整后的R2
Adj. R-squared0.85 0.55 0.66 0.30 0.86 0.61 参数
Parameter项目
Itemln(单位农产品总磷排放强度)
ln(phosphorus losses per unit agricultural product production)作物产品
Crop products畜禽产品
Livestock products农牧产品
Crop and livestock products模型1
Model 1模型2
Model 2模型1
Model 1模型2
Model 2模型1
Model 1模型2
Model 2r ln(人均GDP) ln(GDP per capita) −0.17*** −0.15*** −0.05 ln(城市化率) ln(urbanization rate) −0.82** −0.73*** 0.38 年均温度 Annual average temperature −0.02 −0.06 −0.01 −0.04 −0.02 −0.03 累积降雨量 Accumulated rainfall >−0.01*** >−0.01*** <0.01* >−0.01* >−0.01** >−0.01*** n 31 31 31 31 31 31 调整后的R2
Adj. R-squared0.79 0.56 0.92 0.46 0.28 0.29 *: P<0.05; **: P<0.01; ***: P<0.001. 模型1不考虑城市化率, 模型2不考虑人均GDP。In Model 1, urbanization rate is removed; in Model 2, GDP per capita is removed. 单一驱动因素的回归结果表明, 人均GDP的增长对单位作物产品和单位畜禽产品养分减排的影响都是显著积极的(P<0.001), 而对单位农牧产品磷排放的影响不显著(图7a、7d), 这可能与畜禽和作物生产之间在空间上仍存在一定程度的脱节有关, 粪便运输成本过高, 农民更偏向于选择在当地处理过量的粪便。城市化率的增长对单位作物产品、单位畜禽产品以及单位农牧产品养分排放强度的影响与人均GDP对其影响具有相同效果(图7b、7e), 带来这种现象的原因可能是随着城市人口的增加, 居民膳食结构发生改变, 人们对蔬菜、水果和肉类的需求增高。与其他作物类型相比, 蔬菜和水果的养分利用效率通常较低, 本研究发现, 粮食作物播种面积占农作物总面积比例与养分利用率呈正相关, 蔬菜和水果则相反。同时肉类食用量增加, 与之而来系统利用效率降低。Bai等[21]研究还证实畜牧业革命受需求(人口、收入水平、城市化率)和政策双引擎驱动, 致使红利与环境代价均逐渐升高。气候因素中年累积降雨量的增长对单位作物产品和单位农牧产品氮磷养分减排的影响是显著正向的(P<0.01), 而仅对单位畜禽产品氮减排有正向影响(P<0.05) (图7c、7f), 对磷排放的影响不显著, 造成这种现象的原因可能与降雨量升高导致的储藏阶段未合理处理畜禽粪污中更多的磷向地下淋溶的增加有关。
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图 7 农安县农牧体系氮磷排放强度与气候和社会经济因素的关系PLc: 每生产1 kg作物产品的养分(氮或磷)损失; PLa: 每生产1 kg动物产品的养分(氮或磷)损失; PLc+a: 每生产1 kg农牧产品(作物产品+畜禽产品)的养分(氮或磷)损失; 实线表示线性回归, 阴影区域表示95%置信区间(n=31)。PLc: nutrient (nitrogen or phosphorus) losses per unit crop product production; PLa: nutrient (nitrogen or phosphorus) losses per unit livestock product production; PLc+a: nutrient (nitrogen or phosphorus) losses per unit crop and livestock product production. The solid line denotes linear regression and the shaded region denotes 95% confidence intervals (n=31).Figure 7. Nitrogen and phosphorus losses per unit product production from crop-livestock systems in relation to climatic and socioeconomic factors in Nong’an County2.4 农安县农牧体系养分平衡、环境损失与利用效率情景分析
不同情景下农安县氮磷养分流动指标结果如图8所示。2020年化肥起始投入量的基础上, 化肥氮投入降低60%~70% (对应S1-N60和S2-N70)、化肥磷投入降低75%~80% (对应S1-P75和S2-P80), 农牧系统氮磷总投入量也随之降低, 土壤氮磷积累量较2020年基准年[20.1 Gg (N)和21.1 Gg (P)]大幅降低99%和97%, 化肥氮磷投入继续分别降低80% (S3-N80)和85% (S3-P85), 土壤氮磷出现亏缺现象[−3.2 Gg (N)和−0.6 Gg (P)], 从氮磷投入平衡和不消耗土壤养分的角度看, 化学氮肥可减施70% (S2-N70), 化学磷肥可以减施80% (S2-P80) (图8a、8b)。由各环境排放途径排放量可知, 随化肥减施量的增加, 多数途径氮磷排放量随之降低, S2-N70和S2-P80与2020年基准年相比, 氮排放降低量最高的为农田氨挥发[12.6 Gg (N)], 其次为农田淋溶[5.6 Gg (N)], 降低量分别占其各自途径排放量的58%和99%, 为环境减排贡献了47%和21%; 磷排放降低量最高的为农田径流与侵蚀[0.6 Gg (P)], 降低量占其各自途径排放量的66%, 为环境减排贡献了86%。而畜禽水体排放或堆置带来的氮养分损失表现为有5%的增加(图8c、8d), 此处环境粪便直排的适度增加反映了预期的畜禽产量增加和因此增加的养分损失之间的平衡。S2-N70和S2-P80情景的作物系统氮磷利用效率较2020年(32%和21%)增长64%和195%, 农牧系统氮磷利用效率较2020年基准年(9%和5%)增长1.2倍和3.0倍(图8e、8f)。
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图 8 2020年和2030年不同情景下农安县农牧体系养分平衡、环境损失及利用效率2020年和2030年为基准年份; S1-N60、S2-N70、S3-N80为2020年情景中化肥氮减施60%、70%、80%; S4-N70、S5-N80、S6-N90为2030年情景中化肥氮减施70%、80%、90%; S1-P75、S2-P80、S3-P85为2020年情景中化肥磷减施75%、80%、85%; S4-P80、S5-P85、S6-P90为2030年情景中化肥磷减施80%、85%、90%。NH3-c: 农田氨挥发; N2O-c: 农田氧化亚氮损失; R&E-c: 农田径流和侵蚀过程中的养分损失(氮或磷); L-c: 农田淋溶过程中的养分损失(氮或磷); DeN-c: 农田反硝化过程中的氮素损失; NH3-a: 畜禽养殖业氨挥发; Disch/stack-a: 畜禽养殖业水体直排或堆置过程中的养分损失(氮或磷)。2020 and 2030 are base years; S1-N60, S2-N70 and S3-N80 are scenarios of 60%, 70% and 80% reduction in the application of chemical nitrogen fertilizer in 2020, respectively; S4-N70, S5-N80 and S6-N90 are scenarios of 70%, 80% and 90% reduction in the application of chemical nitrogen fertilizer in 2030, respectively; S1-P75, S2-P80 and S3-P85 are scenarios of 75%, 80% and 85% reduction in the application of chemical phosphorus fertilizer in 2020, respectively; S4-P80, S5-P85 and S6-P90 are scenarios of 80%, 85% and 90% reduction in the application of chemical phosphorus fertilizer in 2030, respectively. NH3-c: NH3 emissions from farmland; N2O-c: N2O losses from farmland; R&E-c: nutrient (nitrogen or phosphorus) losses via runoff and erosion from farmland; L-c: nutrient (nitrogen or phosphorus) losses via leaching from farmland; DeN-c: nitrogen losses via denitrification from farmland; NH3-a: NH3 emissions from livestock production; Disch/stack-a: nutrient (nitrogen or phosphorus) losses via manure discharge or stacking from livestock production.Figure 8. Nutrient balance, losses to the environment and use efficiency of crop-livestock systems in Nong’an County under different scenarios in 2020 and 2030以2020年作为基准年, 通过递归动态预测结合FAO预测[30]到2030年氮磷流动特征。由于收入水平、人均消费量仍将保持增加, 人口增长在2030年左右达到高峰, 未来农产品产量仍总体呈增加趋势。预测年份2030年的化肥氮投入降低60%~70% (S1-N60~S3-N70)、化肥磷投入降低75%~80% (S1-P75~S2-P80), 土壤氮磷积累量较2030年基准年[18.7 Gg (N)和19.5 Gg (P)]大幅降低97%和96%, 化肥氮磷投入继续均降低90% (S6-N90和S6-P90), 土壤氮磷出现亏缺现象[−2.6 Gg (N)和−0.5 Gg (P)], 因此化学氮肥可减施80% (S5-N80), 化学磷肥可减施85% (S5-P85)。S5-N80和S5-P85与2030年基准年相比, 氮排放降低量最高的为农田氨挥发[11.3 Gg (N)], 其次为畜禽氨挥发[5.8 Gg (N)], 降低量分别占其各自途径排放量的54%和99%, 为环境减排贡献了35%和18%; 磷排放降低量最高的为畜禽水体排放或堆置(1.2 Gg), 其次为农田径流与侵蚀[0.5 Gg (P)], 降低量分别占其各自途径排放量的68%和64%, 为环境减排贡献了69%和29%。作物系统氮磷利用效率较2020年(33%和22%)增长57%和178%, 农牧系统氮磷利用效率较2020年(10%和6%)增长1.4倍和3.0倍。
综上结果, 农安县未来十年内农牧系统以平衡施肥原则减施化学氮磷肥投入量, 增加部分畜禽粪便还田量和农作物秸秆还田量以替代化学肥料(有机替代)为发展方案时, 氮肥减施潜力为70%~80%, 磷肥减施潜力为80%~85%。
3. 讨论
3.1 农牧体系氮磷流动特征及氮磷利用率
本研究表明, 1990—2020年农安县农田化肥氮磷投入平均为382.6 kg·hm−2和109.6 kg·hm−2, 受化肥零增长行动影响, 每年化肥施用量虽有小幅度下降, 氮磷肥年均下降量为11.0 kg·hm−2和1.9 kg·hm−2, 但其氮肥投入量仍高于粮食作物合理的施氮水平(150~250 kg·hm−2) [32], 这主要是由于农民习惯尽可能多地施用化肥以确保作物的经济效益。化肥施用与农安县种植业以粮食作物为主密切相关, 随着我国粮食生产重心开始向东北方向偏移, “北粮南运”的格局已形成, 东北地区是我国未来增产需求最大的地区之一[33-34]。农安县粮食作物播种面积从1990年以来呈直线上升趋势, 2020年已经占农安县总播种面积的94%左右, 高于全国平均水平(70%)[35]。粮食作物的大面积种植既能保障区域粮食供需平衡, 还能为养殖业提供大量饲料粮。受《全国农业可持续发展规划(2015—2030年)》[36]等一系列畜牧业相关政策实施的影响, 农安县内养殖场粪便管理设施逐渐优化, 畜禽水体排放或堆置损失的氮磷养分有了明显减少, 从政策实施初期(2015年)的6.4 Gg和2.1 Gg到政策实施后5年(2020年)下降16%和26%。本研究表明, 2020年农安县畜禽养殖密度为3.4 LU·hm−2, 单位面积耕地畜禽粪尿氮磷承载量达110.0 kg(N)·hm−2和16.9 kg(P)·hm−2, 以氮磷计环境容量达52%和59%, 化肥氮磷投入量较作物氮磷理论需求量高出20%和221%, 有机肥替代化肥能够提供的减量潜力十分可观[22]。1990—2020年农安县种植业系统、农牧系统氮磷利用率均呈现波动增长趋势, 而养殖业氮磷利用率相对较低且变幅不明显。至2020年种植业氮磷利用率为32%和21%, 与全省种植业氮利用率相近(32%), 而磷利用率低于全省平均水平(26%)[37]; 养殖业氮磷利用率为15%和5%, 均高于全省平均水平(12%和4%), 但均低于全国平均水平(16%和17%)[24]; 农牧系统氮磷利用率为9%和5%, 均低于全省平均水平(13%和9%)。产生这一现象的原因有3点: 一是种植业粮食作物播种面积占比逐渐增加到94%, 而粮食作物播种面积比例与养分利用效率之间有显著正相关关系[38], 间接导致了种植业养分利用率提升; 二是畜牧业规模化程度提高缓慢, 畜禽粪尿资源化程度低, 直接排放增加比例高, 导致种植业系统仍需要大量外源肥料养分投入, 畜禽系统养分利用率持续走低的同时, 增加了环境风险; 三是农牧体系的外源人为养分投入量(包括化肥、秸秆还田和粪肥还田)已显著高于作物理论养分需求量, 作物无法充分利用过量的外源养分, 导致土壤养分盈余快速增长。在2015年化肥零增长政策和畜牧业减排相关政策出台之前, 大量化肥投入和畜禽粪便无序排放贡献了80%以上的农业源氨排放总量, 氨排放是农牧系统贡献最高的氮损失途径, 当前单位耕地面积氨排放量[72 kg(NH3-N)·hm−2]超过欧盟单位耕地面积氨排放标准[31 kg(NH3-N)·hm−2] [39]。加之注重单一产业发展而忽视种养结合发展, 导致农牧体系整体氮磷养分利用率远低于我国平均水平(41%和30%)[40]。为加深农牧结合, 亟须推动畜牧生产体系向现代化、集约化转型以及改善畜禽粪尿管理方式, 加大物质和能量的流动循环在未来农牧体系可持续发展中有较大潜力。
3.2 农牧体系养分环境损失变化及社会经济发展的驱动作用
当前, 农业资源高度消耗的经营方式尚未发生根本改变, 种养业绿色生产和低碳加工技术相对落后, 致使许多地区农业面源污染严重[41]。大量的化肥氮磷投入, 畜禽粪便水体排放高、堆置量大, 以及有机物料还田量低是造成养分利用率低的主要原因(图9)[14]; 同时, 这与东北地区极度迫切的粮食产量和畜产品需求, 忽视养分随废弃物在本地不断累积造成的生态环境污染问题[42-43]有关。在环境排放中, 首先, 氨排放[包括农田氨挥发(81%)和畜禽储藏阶段的氨挥发(19%)]占较大比例, 对氮素总排放量的贡献为55%, 高于我国氨排放占总活性氮损失比例(41%)[44]。这是由于区域氮肥施用量高于全国合理施氮水平, 氮肥施入土壤后, 氮素以氨挥发为去向造成的氮素损失可达施氮量的25%, 且氨排放与施肥强度呈显著正相关[45], 应通过减少氮肥用量、施用缓控释肥和氮肥深施来减少种植业氨排放。二是农安县肉牛饲养是畜牧业氨排放的最大来源, 其贡献了农安县畜牧业氨排放总量的50%, 这是由于反刍动物摄入饲料品质较低, 而基础代谢率较高, 易产生大量氨气和硝酸盐淋溶, 可通过减少畜禽肉和蛋消费量, 以及饲料中添加酶和活菌剂改变营养水平, 进而使用生物发酵床来减少畜牧业氨排放。
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图 9 1990—2020年农安县单位播种面积农业源温室气体排放量变化Figure 9. Changes in greenhouse gas (GHG) emissions from agricultural production system per unit sown area from 1990 to 2020 in Nong’an County3.3 农牧体系养分优化管理及黑土区农业绿色发展
东北黑土区在保障国家粮食安全与生态安全中发挥着重要作用, 该区粮食产量和粮食调出量分别占全国总量的1/4和1/3, 已成为我国粮食生产的“稳定器”和“压舱石” [46]。但受东北黑土地长期过度开发利用、气候变化等多种因素的影响, 黑土地土壤耕层变薄、有机质下降等退化问题尚未得到彻底根治。为此, 农业农村部启动实施畜禽粪污资源化利用行动、东北地区秸秆综合利用等农业绿色发展行动[3], 以改善有机肥料的可持续循环。现需要一系列的利益相关者来支持改善粪便管理、秸秆再利用、减少对无机肥料的依赖和创造新商机。Bai等[21]研究结果表明, 优化畜禽日粮结构、提高粪便管理水平和调整生产系统等综合技术可以显著减少我国农牧生产造成的养分损失。在本研究中, 减少化肥使用量和提升有机物料替代化学肥料的养分管理方式也被证明可以有效改善农牧体系的养分流动。有研究指出, 农田氮磷积累(盈余)与氮磷养分损失之间存在显著相关关系, 与活性氮排放呈线性或指数关系[47], 降低土壤积累是养分高效利用、减少环境损失的关键。本研究基于输入输出平衡施氮原则, 根据现阶段已发布农业政策的养分管理要求, 在确保农作物产量的前提下, 农安县未来十年农作物秸秆还田率和畜禽粪便还田率将提升至60%和90%, 土壤氮磷积累量可分别降低97%和96%, 环境排放降低67%, 作物系统氮磷利用效率增长57%和178%, 农牧系统氮磷利用效率增长1.4倍和3.0倍, 此时节氮潜力为80%, 节磷潜力为85%。
平衡施肥、有机替代和农牧结合是解决当前我国化肥过量施用问题的重要措施。欧美等发达国家已经提供了很多先进的经验[48], 我国目前所开展的有机无机配施试验大多采用氮磷化肥推荐方式[49-50], 如果有机肥施用量较大而化肥又不减量或者盲目减量, 势必导致氮磷的盈余或亏缺, 造成氮磷资源浪费或影响作物生长[51-52]。因此, 了解当地土壤养分流失情况, 以及畜禽有机肥中氮磷生物有效性并量化其替代化肥的准确比例, 对维护土壤环境、减少农业面源污染具有重要意义。
4. 结论
相对于1990年, 2020年农牧体系氮磷养分输入量分别为94.9 Gg (N)和29.8 Gg (P), 分别下降45%和23%, 其中化肥施用仍是最大的外源输入项。农牧体系整体氮磷损失分别为48.6 Gg和2.4 Gg, 较1990年分别减少41%和增加29%, 农田氨挥发、农田径流与侵蚀和畜禽粪便直接排放为占比较大的排放途径。作物、畜禽和农牧系统氮磷利用率仍处于全国较低水平。增加种植和养殖投入, 并采取合理措施减少养分损失是推动农牧体系养分减排的关键。农安县未来十年化学氮肥有80%的减施潜力, 化学磷肥有85%的减施潜力。农安县的案例研究为探索东北黑土地高效保护和农产品优质生产的农业绿色发展实现路径提供了一个样板。
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图 5 1990—2020年农安县农牧系统氮(A)和磷(B)利用效率
NUEc: 作物氮利用率; NUEa: 畜禽氮利用率; NUEc+a: 农牧系统氮利用率; PUEc: 作物磷利用率; PUEa: 畜禽磷利用率; PUEc+a: 农牧系统磷利用率。实线表示线性回归, 阴影区域表示95%置信区间(n=31)。NUEc: nitrogen use efficiency of crop; NUEa: nitrogen use efficiency of animal; NUEc+a: nitrogen use efficiency of crop-livestock system; PUEc: phosphorus use efficiency of crop; PUEa: phosphorus use efficiency of animal; PUEc+a: phosphorus use efficiency of crop-livestock system. The solid line denotes linear regression, and the shaded area denotes 95% confidence intervals (n=31).
Figure 5. Use efficiencies of nitrogen (A) and phosphorus (B) of crop-livestock systems from 1990 to 2020 in Nong’an County
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图 1 研究区吉林省农安县地理位置
Figure 1. Geographical location of the study area of Nong’an County, Jilin Province
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图 2 1990—2020年农安县种植业(a)和畜牧业(b)结构变化
LU表示标准牛当量(折合500 kg奶牛), 不同动物LU折算系数分别为: 奶牛 1, 肉牛 0.8, 猪 0.3, 羊 0.1, 蛋鸡 0.014[21]。LU is livestock unit, which indicates the standard cattle equivalent (one cattle equivalent, which equals 500 kg live weight), and the conversion ratios for dairy cattle, beef cattle, pig, sheep and layer are 1, 0.8, 0.3, 0.1 and 0.014, respectively[21].
Figure 2. Changes of crop (a) and livestock (b) production structures from 1990 to 2020 in Nong’an County
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图 3 农安县农牧生产研究边界和养分流动图
a表示化肥投入, b表示饲料进口, c表示农作物收获, d表示农作物秸秆, e表示食品加工。a indicates fertilizer input; b indicates feed imported; c indicates crop harvested; d indicates crop straw; e indicates food processing.
Figure 3. Research boundary and nutrient flow of crop-livestock systems in Nong’an County
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4 1990年和2020年农安县农牧体系氮(N)和磷(P)养分流动特征及年际差异
4. Changes of nitrogen (N) and phosphorus (P) flows of crop-livestock systems of 1990 and 2020 in Nong’an County
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图 6 1990—2020年农安县农牧系统氮(A)和磷(B)环境损失
NH3-c: 农田氨挥发; N2O-c: 农田氧化亚氮损失; R&E-c: 农田径流和侵蚀过程中的养分损失(氮或磷); L-c: 农田淋溶过程中的养分损失(氮或磷); DeN-c: 农田反硝化过程中的氮素损失; NH3-a: 畜禽养殖业氨挥发; Disch/stack-a: 畜禽养殖业水体直排或堆置过程中的养分损失(氮或磷); PLc: 每生产1 kg作物产品的养分(氮或磷)损失; PLa: 每生产1 kg动物产品的养分(氮或磷)损失; PLc+a: 每生产1 kg农牧产品(作物产品+畜禽产品)的养分(氮或磷)损失; 实线表示线性回归, 阴影区域表示95%置信区间(n=31)。NH3-c: NH3 emissions from farmland; N2O-c: N2O losses from farmland; R&E-c: nutrient (nitrogen or phosphorus) losses via runoff and erosion from farmland; L-c: nutrient (nitrogen or phosphorus) losses via leaching from farmland; DeN-c: nitrogen losses via denitrification from farmland; NH3-a: NH3 emissions from livestock production; Disch/stack-a: nutrient (nitrogen or phosphorus) losses via manure discharge or stacking from livestock production; PLc: nutrient (nitrogen or phosphorus) losses per unit crop product production; PLa: nutrient (nitrogen or phosphorus) losses per unit livestock product production; PLc+a: nutrient (nitrogen or phosphorus) losses per unit crop and livestock product production. The solid line denotes linear regression, and the shaded region denotes 95% confidence intervals (n=31).
Figure 6. Environmental losses of nitrogen (A) and phosphorus (B) of crop-livestock systems from 1990 to 2020 in Nong’an County
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图 7 农安县农牧体系氮磷排放强度与气候和社会经济因素的关系
PLc: 每生产1 kg作物产品的养分(氮或磷)损失; PLa: 每生产1 kg动物产品的养分(氮或磷)损失; PLc+a: 每生产1 kg农牧产品(作物产品+畜禽产品)的养分(氮或磷)损失; 实线表示线性回归, 阴影区域表示95%置信区间(n=31)。PLc: nutrient (nitrogen or phosphorus) losses per unit crop product production; PLa: nutrient (nitrogen or phosphorus) losses per unit livestock product production; PLc+a: nutrient (nitrogen or phosphorus) losses per unit crop and livestock product production. The solid line denotes linear regression and the shaded region denotes 95% confidence intervals (n=31).
Figure 7. Nitrogen and phosphorus losses per unit product production from crop-livestock systems in relation to climatic and socioeconomic factors in Nong’an County
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图 8 2020年和2030年不同情景下农安县农牧体系养分平衡、环境损失及利用效率
2020年和2030年为基准年份; S1-N60、S2-N70、S3-N80为2020年情景中化肥氮减施60%、70%、80%; S4-N70、S5-N80、S6-N90为2030年情景中化肥氮减施70%、80%、90%; S1-P75、S2-P80、S3-P85为2020年情景中化肥磷减施75%、80%、85%; S4-P80、S5-P85、S6-P90为2030年情景中化肥磷减施80%、85%、90%。NH3-c: 农田氨挥发; N2O-c: 农田氧化亚氮损失; R&E-c: 农田径流和侵蚀过程中的养分损失(氮或磷); L-c: 农田淋溶过程中的养分损失(氮或磷); DeN-c: 农田反硝化过程中的氮素损失; NH3-a: 畜禽养殖业氨挥发; Disch/stack-a: 畜禽养殖业水体直排或堆置过程中的养分损失(氮或磷)。2020 and 2030 are base years; S1-N60, S2-N70 and S3-N80 are scenarios of 60%, 70% and 80% reduction in the application of chemical nitrogen fertilizer in 2020, respectively; S4-N70, S5-N80 and S6-N90 are scenarios of 70%, 80% and 90% reduction in the application of chemical nitrogen fertilizer in 2030, respectively; S1-P75, S2-P80 and S3-P85 are scenarios of 75%, 80% and 85% reduction in the application of chemical phosphorus fertilizer in 2020, respectively; S4-P80, S5-P85 and S6-P90 are scenarios of 80%, 85% and 90% reduction in the application of chemical phosphorus fertilizer in 2030, respectively. NH3-c: NH3 emissions from farmland; N2O-c: N2O losses from farmland; R&E-c: nutrient (nitrogen or phosphorus) losses via runoff and erosion from farmland; L-c: nutrient (nitrogen or phosphorus) losses via leaching from farmland; DeN-c: nitrogen losses via denitrification from farmland; NH3-a: NH3 emissions from livestock production; Disch/stack-a: nutrient (nitrogen or phosphorus) losses via manure discharge or stacking from livestock production.
Figure 8. Nutrient balance, losses to the environment and use efficiency of crop-livestock systems in Nong’an County under different scenarios in 2020 and 2030
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图 9 1990—2020年农安县单位播种面积农业源温室气体排放量变化
Figure 9. Changes in greenhouse gas (GHG) emissions from agricultural production system per unit sown area from 1990 to 2020 in Nong’an County
表 1 不同农作物种植户调研数据
Table 1 Field research data of different crop farms
项目
Item粮食作物种植户
Staple crop farms经济作物种植户
Cash crop farms样本数 Sample size 187 122 耕地面积 Cultivation area (hm2) 377 319 31 461 播种面积 Sown area (hm2) 373 329 31 128 单位面积产量 Yield per unit area (kg·hm−2) 8458 39 794 籽粒利用方式
Grain utilization mode (%)饲喂 Feed 68 22 废弃 Waste 8 8 食品 Food 18 64 其他 Others 6 6 秸秆利用方式
Straw utilization mode (%)饲喂 Feed 38 42 还田 Return to field 44 36 焚烧 Burn 0 0 其他 Others 18 22 施肥量
Fertilization amount (kg·hm−2)基肥 Base fertilizer 35~40 33~50 追肥 Top application 225~300 75~270 施肥类型
Fertilizer type基肥
Base fertilizer复合肥
Compound fertilizer有机肥+尿素
Organic fertilizer + urea追肥
Top application复合肥+尿素
Compound fertilizer + urea复合肥
Compound fertilizer施用方式
Application method基肥
Base fertilizer深施
Deep application表施
Broadcast追肥
Top application表施+灌水
Broadcast + irrigation深施
Deep application
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表 2 不同畜禽养殖户调研数据
Table 2 Field research data of different livestock farms
项目
Item生猪养殖户
Pig farm肉牛养殖户
Beef cattle farm奶牛养殖户
Dairy cattle farm羊养殖户
Sheep farm蛋鸡养殖户
Layer farm样本数 Sample size 54 10 1 14 14 养殖规模 Size (heads) ≥500 ≥100 ≥100 ≥500 ≥10 000 饲料摄入量（鲜重）
Feed intake (kg∙head−1∙a−1)254 3454 7793 756 30 清粪方式
Cleaning method干清粪
Scraping system干清粪
Scraping system干清粪
Scraping system干清粪
Scraping system干清粪
Scraping system粪尿处理方式
Manure treatment厌氧堆肥+处理中心、厌氧堆肥+有机肥厂、沼气池+厌氧池
Anaerobic composting & treatment center; anaerobic composting + organic fertilizer manufacturing plant; biogas digester + anaerobic tank厌氧堆肥+处理中心
Anaerobic composting + treatment center厌氧堆肥+处理中心
Anaerobic composting + treatment center厌氧堆肥+处理中心
Anaerobic composting + treatment center厌氧堆肥+处理中心
Anaerobic composting + treatment center粪尿还田后氨挥发系数[22]
NH3 emission coefficient after manure applied to field (%)[22]25 25 25 25 25 粪尿储藏阶段氨挥发系数[22]
NH3 emission coefficient during storage (%)[22]29 19 19 24 12 粪尿年产生量
Manure production
(kg∙head−1∙a−1)氮 Nitrogen 4.9 30.0 70.0 7.1 0.55 磷 Phosphorus 1.7 4.8 12.9 1.0 0.25 粪尿利用情况
Manure utilization
(%)还田
Applied to field49 58 58 49 52 直排 Discharge 31 28 28 36 41
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表 3 农安县农牧系统养分环境排放模型与气候和社会经济因素的关系
Table 3 Relationships between nutrient environmental emissions from crop-livestock systems with climatic and socio-economic factors inNong’an County
参数
Parameter项目
Itemln(单位农产品总氮排放强度)
ln(nitrogen losses per unit agricultural product production)作物产品
Crop products畜禽产品
Livestock products农牧产品
Crop and livestock products模型1
Model 1模型2
Model 2模型1
Model 1模型2
Model 2模型1
Model 1模型2
Model 2r ln(人均GDP) ln(GDP per capita) −0.27*** −0.06*** −0.28*** ln(城市化率) ln(urbanization rate) −1.32*** −0.24* −1.59*** 年均温度 Annual average temperature −0.07 −0.13 <0.01 −0.01 −0.05 −0.12* 累积降雨量 Accumulated rainfall >−0.01*** >−0.01*** >−0.01* >−0.01** >−0.01** >−0.01** n 31 31 31 31 31 31 调整后的R2
Adj. R-squared0.85 0.55 0.66 0.30 0.86 0.61 参数
Parameter项目
Itemln(单位农产品总磷排放强度)
ln(phosphorus losses per unit agricultural product production)作物产品
Crop products畜禽产品
Livestock products农牧产品
Crop and livestock products模型1
Model 1模型2
Model 2模型1
Model 1模型2
Model 2模型1
Model 1模型2
Model 2r ln(人均GDP) ln(GDP per capita) −0.17*** −0.15*** −0.05 ln(城市化率) ln(urbanization rate) −0.82** −0.73*** 0.38 年均温度 Annual average temperature −0.02 −0.06 −0.01 −0.04 −0.02 −0.03 累积降雨量 Accumulated rainfall >−0.01*** >−0.01*** <0.01* >−0.01* >−0.01** >−0.01*** n 31 31 31 31 31 31 调整后的R2
Adj. R-squared0.79 0.56 0.92 0.46 0.28 0.29 *: P<0.05; **: P<0.01; ***: P<0.001. 模型1不考虑城市化率, 模型2不考虑人均GDP。In Model 1, urbanization rate is removed; in Model 2, GDP per capita is removed.
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