北方农牧交错带农牧系统养分流动特征及环境效应研究进展

廖成松 翁杰

摘要 北方農牧交错带跨度大、范围广、农牧兼有，是研究北方农牧业最具代表性的区域。养分流动直接反应养分循环状况，是农业生态系统平衡的重要表征之一，研究农牧系统养分流动对于发展可持续农牧业，减少环境养分负荷等具有重要意义。总结了农牧系统氮、磷、钾3种主要养分流动特征及其环境效应，提出了农牧系统养分循环亟待深入研究的重要方向，以期为后续农牧系统养分循环的理论研究、提高养分利用率技术手段的研发以及环境政策措施的制定提供借鉴与参考。

关键词 北方农牧交错带；农牧系统；养分流动；环境效应

中图分类号 S181  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2023）14-0022-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.14.006

作者简介 廖成松（1984—），男，湖南郴州人，副教授，博士，从事生物地球化学循环研究。

农牧交错带是我国东部农耕区与西部草原牧区相连接的半干旱生态过渡地带，是农业生产边际地带，在空间上农牧并存，在时间上农牧交替，生态环境脆弱。北方农牧交错带处于亚洲季风区的尾部，降水年际变化较大，总体干旱少雨［ 1］，范围涵盖辽宁、内蒙古、河北、山西、陕西、宁夏、甘肃等省区［ 2］，土地利用方式随着自然条件不同而呈现农区、牧区交错分布特点，属气候环境和生态变化的敏感地带，是研究北方农牧业最具代表性的区域［ 3］。养分循环是农业生态系统中养分在各子系统之间及其与环境之间的传输过程，直接影响农业生态系统的生产力水平，其动态平衡是维持农业生态系统稳定和可持续发展的重要因素［ 4］。养分流动直接反应养分循环状况，是农业生态系统平衡的重要表征之一。农牧业系统是农业生态系统的重要组成部分，研究农牧业系统养分流动特征，对优化农牧系统养分管理，保持养分合理流动与循环，减少养分环境排放，提高系统利用率等具有重要意义，也可为制定农牧业可持续发展措施提供科学依据［ 5］。该研究总结了农牧系统氮、磷、钾3种主要养分流动特征及其环境效应，提出了农牧系统养分循环亟待深入研究的重要方向，以期为后续农牧系统养分循环的理论研究、提高养分利用率技术手段的研发以及环境政策措施的制定提供借鉴与参考。

1 氮（N）素流动特征及其环境效应

农牧业生产系统包括农作物生产和牲畜养殖系统两个子系统，N投入、N素利用率（NUE）、N盈余量、N输出是反应N素流动的重要指标［ 6］。我国北方农牧交错带区域自然环境条件较差、农牧业生产水平相对较低，为了追求较高的产出，N投入量往往过高、占总N投入百分比较大且增长迅速。研究表明，京津冀地区农牧系统氮素总体输入量为 306.6 万t［ 7］，1980—2015年河北农业生产体系N素输入量年均增长 1.9 倍，畜牧业N输入量增长高达7.7 倍［ 8］。农业生产系统N投入的主要来源是肥料，实践结果表明，京津冀地区化肥N占总输入量的 62.5%［ 7］。北京郊区化肥N输入［435.0 kg/（hm2·a）］占农田氮素输入量的82.7%［ 9］，河北地区化肥和有机肥输入N量为 674.6 kg/（hm2·a），占总输入氮量的88.3%［ 10］，山西化肥N输入占总输入氮量的59.2%［ 6］；牲畜养殖系统N投入主要来源是饲料，北京郊区农村水平饲料N投入量为12 469.0 kg/（hm2·a），占牲畜养殖系统N投入总量比值超过90%［ 9］。北方农牧交错带农牧系统的NUE介于15%～45%［ 6-8，10-12］，过高的N投入并不能显著提高NUE，反而是NUE降低的主要原因。研究表明，北京郊区农牧系统NUE从1983年的11.3%增加到2013年的15.8%，30年仅上升4.5百分点［ 11］，而河北NUE由1980年的47.2% 下降至2015年的41.4%，下降5.8百分点［ 8］。采用“农田-食用菌”模式让农田作物秸秆通过食用菌体系还田，或将农牧体系紧密结合发展生态养殖，是提高生产系统NUE的有效途径［ 9，13］。

我国北方农牧交错带农牧业生产系统N素流动呈现高投入、低NUE的特征［ 14］，必然导致N素的高盈余和高损失量，2003年全国种养系统中总氮损失高达2 266×104 t［ 15］，2015年河北农田氮盈余量和损失量比1980年分别增加 1.7和1.9倍［ 8］，农场尺度种植系统氮盈余量约为 190.7 kg/（hm2·a）［ 10］，2012年山西不同城市作物生产系统N盈余量介于 74～150 kg/hm2［ 6］。而造成高N盈余的根源在于肥料N投入过多［ 10］，损失的N通过氨挥发、淋洗、氮氧化物排放等方式进入水体、空气等环境，是造成农业面源污染的重要因素［ 6，15］。研究表明，2012年山西农牧系统损失的N为610 Gg，占总N投入的61%，损失N中的41.4% 通过氨挥发进入空气，30.6%进入水体［ 6］。因此，实施化肥“零”增长、作物秸秆饲料化、精准喂养、牲畜粪尿还田等措施［ 6，16］，促进农作物生产系统与牲畜养殖系统之间的N素流动，提高N素的循环再利用率［ 13，17］，是解决农牧系统N环境效应的有效手段之一。

2 磷（P）素流动特征及其环境效应

磷是农牧系统养分循环的另一重要元素，通过磷酸二铵、过磷酸钙、复合肥等肥料形式进入农作物生产系统，通过P饲料添加剂等形式进入到牲畜养殖系统［ 18］，经过生物代谢之后通过农牧产品、淋洗、牲畜粪尿等形式输出［ 19］，过量的P最终返还到环境中，P循环系统在整体上呈现较为典型的单向、开放式物质流结构［ 20］。研究表明，2000年我国P的总需求量为815.9万t，返还到环境的P物质量为744.6万t，P素利用率仅为8.7%［ 20］。2014年北京作物生产系统P投入量为109 kg/hm2，P素利用率约为31%，与牲畜养殖系统28%相当，均处于较低水平［ 19］。从农作物生产系统来看，P素利用率受土壤磷含量、作物种类、种植方式等因素影响［ 21］，东北三省份的比较研究结果表明，由于黑龙江土壤P含量高，其P养分可利用总量和P利用率均最高［ 22］。甘肃小麦间作大豆和玉米间作豌豆与单作比较，P素累积量分别提高17.1%和20.3%；但小麦间作玉米和小麦间作大豆P素利用效率分别较单作低24.3%和40.5%［ 23］。从牲畜养殖系统来看，随着传统养殖方式向规模化、集约化养殖方式的转变，P利用率在不断上升［ 11，24-25］。与1980年相比，2013年北京郊区奶牛个体尺度、群体尺度和系统尺度P利用效率均不断增加，其中系统尺度P利用效率从 13.3%增加到 22.3%［ 11］；河北省集约化养殖方式P利用率比小区养殖提高7～8百分点［ 25］；山西省2011年P利用率均值已达30.3%，但仍然处于较低水平［ 24］。较低的P利用率意味着高P损失，30年间北京郊区P总损失从 114 t增加到 1 763 t，增长约14.5倍［ 11］，仅2003年北京P进入水体的量是1990年的4.4倍［ 19］，2015—2017年甘肃省总P流失量为 1 387.93 t/a［ 24］。

高P损失必然造成环境P污染，就农牧系统而言，施肥量、降水量、灌溉量、耕作方式、养殖方式等是P面源污染的重要影响因素［ 26］，用牲畜粪尿替代化肥，加强土壤-作物综合养分管理，从而控制P肥的施用量；在饲料中添加植酸酶激活饲粮中植酸P的可利用性，提高牲畜P利用效率，减少P的排泄；优化农牧P养分管理技术，尤其是牲畜粪尿制备有机肥技术；增强农牧业废弃物资源化利用程度等对于提高P利用率和减少环境P污染具有重要作用，潜力巨大［ 19，27］。

3 钾（K）素流动特征及其环境效应

与农牧系统N、P高投入、低利用效率、高环境输出等特征不同，K素营养一直处于亏缺状态且亏缺量在持续扩大。研究表明，2000、2009年我国农田K素投入总量分别为1 068.0万、1 523.6万 t，总支出1 458.0万、2 138.6万t，亏缺量分别为390万、615万t［ 28-29］。农牧系统的K通过施用K肥、灌溉水、外源饲料添加剂等方式进入［ 29］，其中施用K肥占比超过50%，成为农牧系统K素输入的主要来源。而后通过作物收获带走、降雨径流流失、畜禽粪便带走等形式输出，其中降雨径流流失量占化学K肥施用比值约40%［ 28］，逐渐成为农牧系统K素输出和环境中K素输入的重要来源。另外，农牧系统中K素常年产出明显小于投入，即产投比＜1导致我国土壤K肥力不断下降、K肥有效地区不断扩大，虽然K肥用量在逐年增长，但补充的K尚不能维持K的收支平衡［ 29-30］。由此可见，农牧系统K素与N、P明显过剩不同，存在高投入、高流失、系统亏缺严重等特征，并受农牧体系结构和结合程度的影响较大［ 31］。可以通过加强水肥管理、改善畜禽粪尿管理，减少K素随径流流失量，提高畜禽粪尿在作物生产和牲畜养殖系统间的循环利用比例，增加K素利用效率，减少进入环境的数量，降低环境中K素负荷［ 5］。

4 小结与展望

目前，我国农牧系统养分循环呈现出“三高二低”的特征，即高养分投入、高化学肥料依赖、高环境负荷、低养分利用效率、低农牧结合［ 32］。在一定程度上，这与我国耕地资源少、人口眾多的基本国情息息相关，用占世界8%的耕地资源养活20%的人口，从而过度依赖化学养分高投入来追求粮食和饲料的高产量［ 17］，进而支持集约化畜牧业发展，提供更多的肉、蛋、奶等以满足人民日益增长的美好生活需要。二十大报告明确，全面推进乡村振兴，坚持农业农村优先发展。农牧业是农业农村发展的基础产业，必然要走可持续集约化的发展方向，而农牧系统的养分循环在一定程度上决定了农牧业的绿色、可持续发展程度。因此，加强农牧业养分循环的研究具有十分重大的现实意义，未来可以重点从以下几方面开展研究：一是农牧结合的有效方式。通过农牧紧密结合不仅提高农作物生产系统与畜牧养殖系统的养分的双向流动，整体提高养分利用效率，破解对养分高投入的过度依赖；同时，能显著降低农牧系统向环境的养分输出，减少环境养分负荷，达到绿色、可持续的目标。二是开展“农牧业生产—食物消费”全链条综合减排技术研发。农牧产品是农牧业系统养分输出的重点，也是食物消费系统的重要输入来源，研究农牧产品生产与消费全链条养分循环特征，研发全链条综合减排技术，避免养分利用效率低下问题由生产端向消费端后移，造成农牧业养分利用率明显提高的“假象”。三是农牧业系统养分协同效应。农作物生产和畜禽养殖成效并不是单一养分的叠加，而是多养分协同作用的结果。因此，研究农牧业系统养分流动特征和提高养分利用率的技术措施，更应该着眼于各养分之间的协同效应。四是碳氮协同作用，食物生产消费系统氮素动态变化与环境中碳排放和碳中和关系紧密，研究碳氮协同作用，可为农牧业系统双碳目标的实现助力。

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