华北平原典型区域农牧系统氮素流动及其环境效应——以河北省为例

[目的]以华北平原典型地区河北省为例,明确农牧系统氮素养分流动特征和环境效应,分析农牧系统氮素循环利用率和农牧业结合的程度,探讨农牧系统氮素的优化管理途径,为农牧业养分循环和绿色可持续发展提供科学依据.[方法]以河北省“农田-畜牧”生产系统为边界,在整理统计资料、文献数据和调研数据的基础上,利用物质流分析方法,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.农牧系统的氮素输入项主要包括化肥、生物固氮、干湿沉降、灌溉、人粪尿还田、外源饲料;氮素输出项主要包括农田体系主产品的本地消费、外销,畜牧体系主产品的本地消费、外销,农牧系统大气排放、水体排放;内部的氮素循环项主要包括农田系统副产品还田、农田系统主、副产品作为本地饲料、畜牧系统副产品还田.[结果]1980-2015年,河北省农田生产体系氮素年均输入量增加1.9倍,而作物收获氮量仅增长1.5倍,导致农田氮盈余量和损失量分别增加1.7和1.9倍,氮素利用率由47.2％降至41.4％.与有机肥氮投入相比,化肥氮投入占农田总氮投入60％以上,近年来接近70％.区域间农田养分平衡差异大,氮素输入方面,邯郸市和唐山市较高(＞ 600 kg·hm2),承德市最低(＜ 200 kg·hm-2);氮素盈余方面,唐山市最高,为267.8 kg·hm-2,衡水市最低,为51.6 kg·hm2.畜牧体系氮素输入量也明显增加,在2005年达到最大值,为1980年的7.7倍;畜禽产品和粪尿氮素产生量同时呈现增加趋势,尤其是粪尿氮素产生量由21.8×104t增加到115.3× 104t;各区域间动物粪尿氮素产生量存在明显差异,其中氮素产生量最高为邯郸市(377.3 kg.hm-2),最低为衡水市(122.6 kg·hm-2).外源饲料氮素依赖率由60.5％增至72.7％,畜牧粪尿氮素还田率由70.4％降至30.2％,但畜牧体系氮素利用率由6.4％增至16.3％.从农牧系统整体来看,1980-2015年氮素输入总累计量高达9 038.9×104 t,化肥氮素投入量约占总氮素投入量的55.7％,外源饲料氮素投入量占总氮素投入量的33.1％,农牧产品累计总输出氮为2 537.4×104t,占总累计输入氮量的28.1％,向大气、水体累计排放的总氮量高达4061.2×104 t,约占总累计输入氮量的44.9％.[结论]1980-2015年河北省农牧系统氮素投入量大幅度增加,氮素富集和环境排放严重,氮素利用率偏低,不同区域单位面积氮素平衡存在较大差异,农田生产与畜禽生产之间养分循环严重脱节.因此,应该充分利用本地饲料资源,提高有机肥的还田率,走农牧结合的道路,从而降低因“农牧分离”造成的“高投入-低效率”代价,促进农牧业可持续发展.