摘要：【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·hm-2),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·hm-2。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 21.8×104 t 增加到 115.3×104 t;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 2 537.4×104 t，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。
关键词：氮素;农牧系统;养分循环;环境效应;养分利用率;河北省
0 引言
【研究意义】随着人类生活水平的不断提高，氮素作为重要的养分资源，在农牧业中投入数量不断增加，在满足人们对粮食、畜产品需求的同时，也引发了全球性和区域性的氮环境污染问题[1-3]。因此，在明确区域内农牧业氮素流动特征基础上，实现氮素的优化管理，是农牧业可持续发展亟需解决的问题。华北平原是中国重要的农牧业生产基地，其农牧业氮素利用状况直接影响国内农牧业可持续发展。河北省作为华北平原典型代表，农林牧渔业生产规模位居全国第 3 位，是中国农牧产品主要产区之一[4]。研究该区域农牧系统的氮素流动特征及其环境效应，对于优化区域养分资源配置、协调农牧业发展与生态环境之间的关系，促进农牧业可持续发展等具有重要指导意义。【前人研究进展】目前，国外对农牧系统氮素养分的平衡及管理问题已有大量的研究[5-6]，这些研究通过对“农田-畜牧”系统的养分流动状况进行综合评价，明确养分流动特征，对于解决氮素养分损失和环境污染问题具有重要意义。国内在国家尺度、典型区域、典型的农田或畜牧系统等方面也开展了一些研究，王激清等[7]借助物质流法建立中国农田生态系统氮素模型，估算中国不同地区的氮养分输入输出以及养分盈余并分析养分产生的环境效应;MA 等[8-9]建立和利用 NUFER 模型，在国家和区域尺度上从食物链的角度对氮素平衡、环境排放、流动规律及利用效率进行了分析;侯勇等[10]用物质流动的方法，对京郊典型集约化“农田-畜牧”生产系统氮素流动特征进行了研究;张华芳等[11]用类似的方法对河北省农牧系统磷素流动特征及其环境效应进行了分析。这些研究引进物质流分析方法，构建养分流动模型，对于揭示农田、区域和整个食物链养分流动特征和环境效应打下了方法基础，也为农牧系统养分优化管理提供了依据。【本研究切入点】目前，华北地区关于农牧系统氮养分流动特征的研究比较少，对于农牧结合体系下的氮素输入输出、流动特征及其环境效应尚不明确。【拟解决的关键问题】借助 NUFER 模型，应用物质流分析方法，分析河北省 1980—2015 年间农牧系统氮养分流动特征，明确不同区域间养分流动在时间和空间上的差异，为华北乃至全国农牧系统的氮素养分优化管理提供借鉴。
1 材料与方法
1.1 研究区域概况
河北省地处北纬 36°05′—42°37′、东经 113°11′— 119°45′，是中国农牧业生产大省。20 世纪 80 年代至今，农作物种植面积已由 833.5×104 hm2 上升到 874 ×104 hm2 ，粮食作物的产量从 1.5×107 t 升至 3.4×107 t，肉蛋奶总产量由 5.5×105 t 升至 1.3×107 t，在中国农产品主产区中占有重要地位，以 2015 年为例，当年粮食产量居全国第 8 位，农牧业生产总产值居全国第 5 位[4,12]。
1.2 研究体系界定
以河北省“农田-畜牧”生产体系为研究边界，氮素为研究对象，核算 1980—2015 年间“农田-畜牧” 生产体系每年氮素输入、输出和内部循环项(图 1)。体系输入项主要包括：化肥、外源饲料(系统外输入饲料)、农田灌溉、生物固氮和干湿沉降等;体系输出项主要包括：动植物产品的产出(划分为本地居民消费和外销)和氮素环境(大气和水体)排放;而作物主副产品的本地饲用、作物副产品(秸秆残茬)还田和畜禽粪尿还田作为体系内部循环项。
1.3 养分流动项的计算和数据获取方法
1.3.1 农田子系统 (1)输入项计算方法和数据来源 农田输入氮素量包括：化肥氮素量、有机肥氮素量、灌溉氮素量、干湿沉降氮量和生物固氮量。各项算法和数据来源如下。
NIfer(化肥氮素投入量)：来源于中国统计年鉴(2008—2015 年)和中国 60 年农业统计资料[4,12];复合肥中氮按照文献数据[8,13]给出的比例折算。
1.4 评价指标
农田氮盈余量=农田输入氮素量-农田输出氮素量;农田氮养分利用率(%)=作物收获氮素量(主产品+ 副产品)÷农田输入氮素量×100;畜牧氮养分利用率(%)=(畜牧主产品氮+畜牧副产品氮)÷畜牧体系投入氮×100;本地饲料氮素利用率(%)=本地饲料投入氮素÷本地饲料资源氮素×100[11,14];外部饲料氮素依赖率(%)=外部饲料氮素÷饲料总投入氮素×100;动物粪尿氮素回田率(%)=粪尿还田氮素÷粪尿产生氮素 ×100;农牧系统氮素利用率(%)=(植物性食品氮+ 动物性食品氮)÷农牧系统总投入氮量×100。
2 结果
2.1 农田子系统不同年代氮素输入和输出核算
1980—2015 年间河北省农田体系的氮素总输入量和总输出量均呈现明显的增加趋势。总输入量变化可以分为 2 个阶段，1980—1998 年为快速增长阶段，由 95.1×104 t 增至 277.8×104 t，增长了 1.9 倍;之后为基本稳定阶段。化肥一直是农田体系氮素输入的主要来源，其投入量一直占总投入量的 60%以上，近年来接近 70%;而有机肥氮素投入 1980—2005 年整体呈现增加趋势，2006 年以后呈现减少趋势。从氮素总输出量来看，总体趋势与氮素总输入一致，呈现先增加后平稳的趋势。作物收获量作为最重要的氮素输出项，36 年间由 46.8×104 t 增至 112.2×104 t，增长约 1.5 倍;氨挥发是主要的氮素损失项，约占氮素总输出项的 30%左右，36 年其年排放总量由 21.6×104 t 增至 57.8×104 t，增长了 1.7 倍;此外，径流、淋洗和反硝化造成的氮素损失也在不断增加;氮素水体和大气损失量 36 年增加了 1.9 倍。氮素可计算的总输出量占总输入量的比例由 1980 年的 75.4%降至 2015 年的 69.9%，导致农田氮素大量盈余，年均总盈余量由 73.2 ×104 t 增至 190.9×104 t，增加了 1.6 倍(图 2)。
2.2 农田子系统不同区域氮素输入和输出核算
2015 年农田体系不同区域单位面积氮素输入量不同，邯郸市和唐山市较高(>600 kg·hm-2)，张家口市和承德市较低(<200 kg·hm-2)。其中化肥氮素投入量邯郸市最高，为 463.1 kg·hm-2，张家口市最低，为 65.3 kg·hm-2。作物收获氮素量邯郸市最多，为 365.1 kg·hm-2，张家口市最少，仅为 48.5 kg·hm-2;氮素盈余量唐山市最高，为 267.8 kg·hm-2，衡水市最低，为 51.6 kg·hm-2(图 3)。上述结果表明，河北省不同区域间农田氮素的分配和利用存在着严重的不均衡。
2.3 畜牧子系统不同年代氮素输入和输出核算
河北省畜牧系统氮素输入可分为 2 个阶段，1980 —2005 年间，河北省畜牧体系氮素总输入量明显增加，在 2005 年达到最高，约为 201.8×104 t，与 1980 年的氮素输入量相比增加了 7.7 倍，随后几年的输入量保持在 140×104 t 左右，趋于稳定。相比于本地饲料氮素输入量，系统外源饲料氮素输入量大幅度增加，且明显高于本地饲料氮素的输入量。其中，外源饲料氮素输入量在畜牧体系氮素总输入量中所占的比例呈递增趋势，由 60.5%(1980 年)增至 71.7% (2015 年)。36 年间，畜牧体系动物产品氮素输出量和动物粪尿氮素资源量，同样表现出明显的增加趋势，尤其是粪尿氮素资源量由 21.8×104 t 增至 115.3×104 t(图 4)。
2.4 畜牧子系统不同区域氮素输入和输出核算
2015 年河北省不同区域畜牧体系单位面积的氮素养分流动数量表现为：本地饲料的氮素供应量最高的是邯郸市，约为 105.0 kg·hm-2，最低的是张家口市，约为 18.4 kg·hm-2;对于外源饲料的氮素需求量最多的是邯郸市，约为 406.2 kg·hm-2，最少的是沧州市，约为 105.7 kg·hm-2;从畜牧系统的氮素输出项来说，动物产品的氮素输出量邯郸市最高，约为 133.9 kg·hm-2，最低的是沧州市，约为 32.8 kg·hm-2;动物粪尿产生的氮素量邯郸市最高，约为 377.3 kg·hm-2，衡水市最低，为 122.6 kg·hm-2(图 5)。畜牧体系氮素的来源和利用也存在严重的区域不均衡。
2.5 农牧系统不同年代氮素利用和去向的变化
河北省农牧系统 1980 年和 2015 年总输入氮量分别为 88.9×104 t 和 325.7×104 t，产品总输出氮量分别为 35.1×104 t 和 109.7×104 t，产品总输出占总输入的比例分别为 39.5%和 33.7%。与 1980 年相比，2015 年农牧系统氮素输入量和输出量分别增加 2.7 和 2.1 倍，产品输出量占输入量比例降低了近 6%。从输入项构成看，1980 年到 2015 年化肥氮素投入比例由 66.9%降至 57.0%，而外源饲料氮素投入比例则由 15.9%增至 31.0%。在氮素总输出中，1980 年到 2015 年农田产品氮素输出量比例由 95.4%降至 82.1%，动物产品占比由 4.6%升至 17.9%。同时，农田产品和动物产品外销氮素也有大幅度提高。氮素向大气和水体的排放是主要的氮素损失项，1980 年分别为 27.2×104 t 和 6.2×104 t，2015 年分别为 77.5×104 t 和 80.4×104 t，分别增加了 1.8 和 12.0 倍。向水体排放氮素占氮素总损失的比例由 1980 年 18.5%升至 2015 年 50.9%;同时，畜牧业的环境损失贡献在加大，其贡献率由 1980 年的 19.5%上升到 2015 年的 51.0%(图 6-a、6-b)。农牧结合体系 36 年养分积累量结果表明，河北省农牧系统累计输入总氮素量高达 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%，农牧产品累计输出总氮素量为 2 537.4×104 t，占累计输入总氮素量的 28.1%，向大气、水体排放的总累计氮素量高达 4 061.2 ×104 t，约占累计输入总氮量的 44.9%(图 6-c)。
2.6 河北省农牧系统氮素利用和循环状况
1980—2015 年间农田体系所产生的本地饲料氮利用率在缓慢增加，由 45.6%增加到 60.5%。同时，随着外源饲料投入比例的不断增加，畜牧生产体系对外源饲料的依赖程度在不断增加，由1980年的60.5%增至2005 年的 85.6%，之后有所下降并趋于平稳，维持在 75.0% 左右。1980—2015 年间畜牧体系动物粪尿氮素还田比率逐渐降低，由 70.4%降至 30.2%(图 7)。36 年间农田系统的氮素利用率由 47.2%降至 41.4%。畜牧体系的氮素利用率从 1980 年的 6.4%增至 2015 年的 16.3%。农牧结合体系的氮素利用率总体呈现逐渐降低的趋势，由 1980 年的 36.0%降至 2015 年的 31.3%(图 8)。
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3 讨论
3.1 河北省农田系统氮养分流动特征
农田养分流动特征反映了系统内的养分输入输出量变化、养分利用率、养分管理效果以及对环境的影响，一直都是研究者所关注的重要问题[7,18]。在区域尺度上，国内外很多研究对农田系统氮素平衡进行了探索，例如 KRISHNA 等[19]在对印度土表养分平衡(2001—2002 年)进行核算后，对国家不同区域的养分盈余状况进行了系统的阐述，并明确了其优化管理方向;国内一些学者则研究了全国及其各个省域农田养分平衡状况[7,17,20]。与这些研究相比，河北省农田氮素流动具有典型的特征：(1)河北省农田体系氮素输入量增速快，36 年增长了 2 倍;区域间极不平衡，单位面积农田氮素输入量最高的邯郸市与最低的张家口市相差近 500 kg·hm-2，多数区域单位面积氮肥投入量高于作物推荐量 150—180 kg·hm-2水平[21];(2)2015 年河北省农田化肥氮素投入量约占总投入氮量的 70%，而国内一些研究结果显示，化肥氮素投入占农田氮素投入的比例分别为 47.4%(全国尺度)[22]、56.1% (全国尺度)[7]、61.5%(华北地区)[23]，与这些研究结果相比，河北省化肥氮素投入所占比例偏高;(3)河北省农田氮素利用率逐年降低，至2015年为41.4%，接近李书田等[23]在华北地区研究结果(41.3%)，低于 JARVIS 等[24]关于欧洲西北地区的典型种植体系的研究结果(53.0%);(4)荷兰 MINAS 规定[18]的农田氮素盈余量为 60 kg·hm-2(沙质土壤)、100 kg·hm-2 (黏质土壤)，在河北省的 11 个行政市中，有 6 个市域的农田氮素盈余量>100 kg·hm-2，平均农田氮素盈余量为 133.1 kg·hm-2，与王激清等[7]研究结果一致;与 SUN 等[20]建议的 100 kg·hm-2(农田氮素年盈余量潜在环境污染指标)和 180 kg·hm-2(高风险环境污染的指标)相比，河北省农田系统因氮素大量盈余所带来的环境风险不容忽视。由此可见，河北省农田体系氮素流动具有投入量大、化肥氮素投入占比高、氮素利用率低、区域之间差异大、环境风险高等特征。
3.2 河北省畜牧系统氮养分流动特征
近些年来，中国畜牧业养殖方式由农户散养型向小区养殖型、集约化养殖型进行转变，由此带来一系列的大气、水体等环境问题，分析其原因是因为动物粪尿还田率低、管理措施不配套，所导致的氮素损失及其他环境污染[14,17,25-27]。本研究表明，1980—2015 年间由于河北省农牧系统生产规模的不断扩大，2015 年畜牧体系动物粪尿的氮素产生量大量增加，是 1980 年的 5.3 倍。与 1980 年相比，畜牧系统 2015 年的外源饲料氮素投入量增加了 86.9×104 t，而动物产品的氮素输出量却只增加了 22.3×104 t，外源饲料氮素依赖率从 1980 年的 60.5%增至 2005 年的 85.6%，之后有所下降并趋于平稳，维持在 75.0%左右。畜牧体系的氮素利用率，从 1980 年的 6.4%增加到 2015 年的 16.3%，与 JONKER 等[28-29]的研究结果(25%—35%)相比偏低。河北省畜牧系统不同区域单位面积粪尿氮素产出量平均值为 208.7×104 t，其中邯郸市、秦皇岛市、唐山市、石家庄市、保定市的单位面积氮素粪尿氮素产出量均高于欧盟单位面积耕地氮素限量标准 170 kg·hm-2[30-31]，说明河北省存在因粪尿氮素过量而导致的环境污染风险。综上所述，河北省畜牧体系氮素流动具有外源氮素依赖率高、养分利用率低、粪尿氮素还田率低、区域间不均衡、环境风险高等特征。
3.3 河北省农牧系统氮素流动特征
如何走好种养结合的道路，在充分保障粮食安全和畜牧业高效发展的同时，降低生产过程中的资源环境代价，实现环境友好、清洁生产，已成为目前中国农牧业可持续发展的首要任务[30-34]。欧洲、美国等发达国家通过出台一系列的环境法律法规限制农牧系统的氮素输入量，提高体系内氮素的利用效率，从而减缓氮素所带来的污染问题[32,35]。本研究表明，河北省农牧系统 36 年累积氮素投入量为 9 038.9×104 t，化肥氮素投入量约占总氮素投入量的 55.8%，外源饲料氮素投入量占总氮素投入量的 31.5%，且外源饲料氮的依赖程度在不断增大。1980—2015 年间畜禽粪尿氮还田率不断下降，由 70.4%大幅度下降到 30.2%，明显低于欧盟国家的 68%[36]。导致畜禽粪尿氮素还田率低的主要原因包括：(1)畜禽粪尿在“饲舍-储藏-处理” 环节管理不合理，导致大量氮素向大气排放，特别是氨挥发损失严重，占总排泄氮量的 26.8%;(2)在中大型规模养殖场/小区，缺乏粪污处理设施，未经处理的粪污直接向水体排放(占总排泄氮量的 19.0%);(3)农田生产大量依靠化肥投入，有机肥施用比例较低。由于大量的化肥氮素投入、高外源饲料氮素依赖率和较低的动物粪尿氮素还田率，河北省农牧结合体系中的氮素利用率不断下降，降至 2015 年的 31.2%，明显低于中国农牧系统平均氮素利用率(41%)[37]。由此可见，河北省农牧生产体系在氮素利用和循环方面严重脱节。
3.4 河北省农牧系统生产过程中的环境影响
农牧结合体系生产过程中，对环境的影响主要体现在氮素向大气和水体的排放。本研究结果表明，河北省农牧系统向大气和水体排放的氮素总量分别为 33.4×104 t(1980 年)、157.9×104 t(2015 年)，气体氮素损失比例由 1980 年的 81.4%降至 2015 年的 49.1%;水体排放损失占氮素总损失的比例呈现上升趋势，由 18.6%增加到 50.9%，与前人研究结果较为一致。刘晓利[37]研究表明，2001 年中国农牧系统氮素损失以气态损失为主，占总损失量的 66.9%;马林[17]对 2005 年中国农牧系统氮素损失量进行了估算，其中气态损失占比为 52.6%，进入水体的氮素损失为 47.4%。在总损失的贡献方面，ZHANG 等[38]2010 年研究结果表明大气氮素损失有 47.5%来自畜牧业;ZHOU 等[39]对京津冀地区氨挥发损失贡献比率进行了研究，其中畜牧业贡献率为 56.7%，本研究取得类似研究结果，畜牧体系对农牧系统氮素损失的贡献率由 1980 年的 19.5%上升到 2015 年的 51.0%，说明畜牧业在氮素损失方面的贡献率不断提高。36 年间，河北省农牧系统向大气、水体排放的总积累氮素量高达 4 061.2×104 t，约占总积累输入氮量的 44.9%，远远超出欧盟排放量(30%，其中气体 26%，水体 4%) [36]。由此可见，河北省农牧系统生产过程中对大气和水体的环境影响问题不容忽视。
3.5 优化途径
针对河北省农牧结合体系存在的高氮素投入、低植物产品和动物产品生产氮素利用率、高环境氮素排放，农牧结合体系氮素利用严重脱节的问题，建议从以下途径进行优化：(1)农田系统应减少化学肥料氮素的投入[21]，采取合理的施肥技术[40](测土配方施肥技术)，根据农作物需求确定施肥量;在控制施肥量的同时采用合理的施肥方法，例如沟施、深施，结合前氮后移技术，以及合适的作物种植管理技术，提高氮素利用率[41];(2)畜牧系统应该从饲料营养和饲养管理方面来入手[28-29,32]，提高动物产品氮素的利用效率，从氮素投入源头和动物养分利用过程来降低后期动物粪尿中的氮素含量;对动物粪尿进行处理，例如建立沼气池生产沼气、进行堆肥、对粪尿进行覆盖等处理，减少粪尿管理不合理造成的氮素损失[42];(3)农牧结合体系中，应该减少化学肥料的投入[43]，将动物粪尿进行处理后回田，有机肥和化肥配合施用，提高本地农作物产品的数量和品质，提高本地饲料的饲用比例，实现真正的农牧结合;(4)国家应加快制定相关法律法规，借鉴欧盟环境保护法规(硝酸盐法规、欧盟水框架法规等)对氮素肥料施用和动物粪尿储藏与处理进行明确规定，实现清洁生产[30,44]。
4 结论
(1)河北省农田体系氮素流动具有投入量大、化肥氮素投入占比高、氮素利用率低、区域之间差异大、环境风险高等特征。从 1980 年到 2015 年，河北省农田体系氮素总输入量、总输出量均明显增加，其中 1980 年到 1996 年为快速增长阶段并达到最高峰，之后趋于稳定;农田产品氮素输出量的增长幅度远小于氮素输入量的增长幅度，导致氮素盈余增加、氮素利用率持续降低。
(2)河北省畜牧体系氮素流动具有外源氮素依赖率高、养分利用率低、粪尿氮素还田率低、区域间不均衡、环境风险高等特征。河北省畜牧体系本省饲料(氮素)投入量难以满足畜牧业发展的需求，饲料主要来源于外省饲料的购入。此外，虽然畜禽生产环节的氮素利用率在逐年增加，但是较欧美发达国家，其利用率仍较低。大量粪尿氮素资源的产生及低回田率，导致向大气、水体的大量氮素损失，加剧环境风险。
(3)河北省农牧系统在氮素利用和循环方面严重脱节。较高的化肥氮素投入、高的外源饲料氮素依赖率、低的动物粪尿氮还田率和畜牧业在农牧系统氮素总损失中贡献率的增加都表明农田系统和畜牧系统未能很好地结合，畜牧业氮素损失的贡献越来越大，形成了现在的高环境代价、低产出、低利用率的农牧系统。河北省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。 ——论文作者：
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