廖成松 贾瑞琴

(锡林郭勒职业学院，内蒙古 锡林浩特 026000)

中国北方草地及其毗邻的农牧交错带面积，约占中国大陆区域面积的30%[1]，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，横跨甘肃、辽宁、河北、山西、内蒙古等9个省区[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]。养分对农牧体系内作物的生长发育和畜禽的繁殖起着至关重要的作用，养分流动特征反映了系统内的营养物质输入输出量变化，养分的利用率及其管理效果，以及养分对环境产生的影响[4]。氮(N)素是生命元素，是生态系统养分循环的核心成分之一，是作物生产和畜牧生产的主要限制因子[5]。氮循环是农田生态系统最根本的自然循环，能体现区域农田生产力整体水平[6]。农田生态系统中氮素循环虽然是开放性的，但由于在循环过程中产生大量的氮素损失，不仅会减少氮素数量，还会降低生产力水平，并且对环境产生不利影响。氮素作为农牧系统的重要养分资源，随着在农业投入中数量的增加，在满足人类对食物、畜产品需求的同时，也导致了全球性和区域性的氮环境污染[7]。基于生产力水平、社会经济条件等多种因素，不同区域的氮素流动特征具有一定差异，明确不同区域农牧系统氮素流动特征及其环境效应对于优化区域氮素管理，制定环境污染防治政策措施至关重要。

1 不同区域农牧系统氮素流动特征及环境效应

1.1 东北地区

东北三省作为我国重要的畜牧产品生产基地，东北农牧交错区是生态脆弱区的典型区域，大量生产农牧产品对养分流动的趋势具有重要影响。研究表明，1984—2014年，东北地区农牧系统氮素流动特征表现为输入与输出量增高、损失率增加、氮素利用率降低的特点。吉林、辽宁、黑龙江氮素总投入量分别由669Gg、746Gg、716Gg升至1899Gg、1572Gg、2256Gg，分别增加了1.8倍、1.1倍和2.2倍[8]。其中，大部分氮素的投入源自化学肥料的施用，黑龙江、吉林、辽宁近30年化肥氮投入量分别增长了56%、72%、70%[8]。从氮素利用状况来看，大量的氮素并未得到有效利用，土壤累积量仍在持续增加，2014年，黑龙江、吉林、辽宁地区的氮素养分在土壤中的累积量分别达到166Gg、376Gg、83Gg，吉林地区氮素累积量最大。氮素利用率表现为下降趋势，分别由1984年的26%、36%、52%降至2014年的13%、21%、22%，农田土壤及畜禽粪尿中的氨挥发、淋洗等是氮素损失的主要途径[8]。

1.2 京津冀地区

京津冀地区人口数量相对稠密，养殖业密度较大，具有较高的氮素资源量和需求量。氮素来源主要包括化肥施用、有机肥施用、大气沉降和生物固氮。由于该地区人口密度较大，城市化程度较高，氮素流动受到城市污水、工业排放等非农业来源的影响。研究结果显示，京津冀地区氮素资源总量和需求量分别为324.3万t和244.0万t，河北地区氮素资源和需求量占比最大，但北京和天津对氮素的需求量均高于氮素资源量，河北对氮素的需求量低于资源量[9]。在氮素循环体系中输入的氮素主要是农业生产系统的氮素投入[10]，包括化肥、沉降、生物固氮等的输入。其中，农业生产系统输入氮的主要来源是施氮肥，输出主要是气体挥发和进入水体的氮素养分。京津冀地区农牧系统氮素投入总量为306.6万t，河北地区的投入总量在其中占比最大，这3个地区农牧系统的氮素投入中，以化肥的占比最高(62.5%)，其次为外源饲料和沉降、生物固氮[9]。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[11]。从整个农牧体系氮的盈余看，由1980年的35.6万t增加到2010年的201.8万t，31年累积盈余氮量4402.7万t[12]。河北农牧体系氮素流动特征为，氮素输入量的增加明显快于产品输出氮量的增加，氮的环境排放量的快速增加，导致系统氮素大量盈余[11，12]。

北京、天津、河北省的农牧系统中氮素的利用率依次为26.8%、34.6%、34.0%，整体氮素利用率为33.8%，低于全国农牧系统总体氮素利用率(41%)[11]，氮素利用率低可能是由于化肥的投入量过高，过分依赖于外源饲料以及畜禽粪便的还田量低[12]。京津冀地区农牧系统环境排放总量为140.4万t，是农牧系统总输出量的45.8%，其中损失量最大的为氨挥发。研究发现，河北地区氮素对大气和水体的污染是其主要的氮素污染项且增长较快，1980年分别为27.2×104t和6.2×104t，2015年分别为77.5×104t和80.4×104t，分别提高了1.8倍和12.0倍[12]。由于京津冀区域人口数量较多，对氮素的需求也相应较大，所以氮素投入量也会随之增加，而氮肥的高量投入和低利用率，导致氮素环境排放量远超30%。其中，虽然河北省资源量、需求量都比较大，但其能源需求量与京津冀地区能源需求比例和资源供给比例并不相符，且北京市的农田系统对氮素的利用率较低，而畜牧系统对氮素的利用率较高，可能由于河北地区长期向京津地区输送粮食，在粮食产出环节中产生的污染物多数滞留于河北地区，从而造成河北地区环境污染严重。

1.3 陕甘宁地区

陕甘宁区域是我国西北重要的生态功能区和粮食主产区，由于该地区干旱少雨，土壤蒸发量较大，氮素淋溶通常较低。1999—2019年陕甘宁区域整体农牧系统中氮素投入量从2.10×107t增至3.66×107t，主要来源于肥料的输入，1985—2015年，氮肥投入增加了2.5倍[13]。2019年宁夏单位面积氮素投入总量达到635.51kg·hm-2，氨挥发是氮素损失的主要途径，占2015年氮素损失总量的58%，比1985年增加了91%。淋溶径流和侵蚀是氮流失的第2大途径，约占2015年氮流失总量的25%，比1985年增加了39%[13]。宁夏地区氮素流动随着其种植业和畜牧系统结构的变化而变化，1985—2001年，作物生产的氮素投入增加了78%。李欠欠等[14]以陕西长武县为试验点，发现在氮素输出项中，氮肥投入量越多，不能被作物吸收的氮量越多，氮素盈余量越大，而优化施氮后，土壤氮残留和氮损失均显著降低。氮素盈余量与氮肥投入量显著相关，优化施氮后，氮素盈余量降低了48～88kg·hm-2。2019年整体氮素损失结果表明，氮素主要流失形式是氨挥发以及淋溶、土壤侵蚀、径流等。整个区域来看，氮素损失量最低的是甘肃省，仅有134.92kg·hm-2。陕西省由于反硝化作用损失的氮素为135.37kg·hm-2。甘肃省的径流和侵蚀、淋洗损失都最低，仅有10.65kg·hm-2、25.79kg·hm-2[13]。

1.4 内蒙古、山西地区

内蒙古、山西地区氮素来源主要包括化肥施用、有机肥施用、大气沉降和生物固氮作物。该地区由于地形复杂，气候多样，氮素流动特征受到地形、土壤类型和气候条件的影响。农田系统中，氮素主要通过植物吸收、土壤生物转化、氮素淋溶和蒸发等途径流动。畜牧系统中，氮素主要通过饲料摄入，动物代谢和畜禽养殖废弃物是主要的氮素来源。在农牧生产系统中，主要的氮素投入来自于氮肥，内蒙古来自于氮肥的投入量增长了1.42×106t[15]。随着化肥零增长政策的实施，施用量保持稳定。外源饲料投氮量逐渐增加，1999—2019年，内蒙古畜牧系统的外部饲料投入量增加了0.85×106t。畜牧生产系统输出中，主要分为动物产品、动物粪便以及其他部分，1999—2019年，动物主产品氮素输出量增加了0.19×106t[15]。在畜牧系统中粪便有机肥是氮素损失的主要形式。内蒙古的氮素损失量为447.5kg·hm-2，而由于反硝化作用的影响损失的氮素为224.56kg·hm-2[15]。山西省各区域农田氮素投入极不平衡，呈现西北低、东南高的空间分布特征，氮素输入主要来源依然是化学氮肥。农田主副产品携出氮素总量11.02×104t，在氮素总投入量中占38.68%[15]，呈现“哑铃”式分布特征，即南北两边高、中部低。不同县区氮素流动表现为亏缺与盈余并存。

2 不同区域之间农牧系统氮素流动特征比较

由于中国北方农牧交错带地区自然环境恶劣，农牧业生产技术水平也相对较弱，各省区域内普遍存在氮素投放量大，化肥氮素使用占比过高，氮素利用率低的问题。受气候条件、养殖结构、耕地资源等因素的影响[8]，不同省域间的氮素流动特征略有差异。从氮素的投入比例分析，东北地区氮素投入额最大，但从氮素的输入输出均衡分析来看，各区域都有盈余，京津翼地区盈余较高，可能由于东北地区农业发达，农产品栽培规模相对较大，作物种植面积也相对较大，肥料的平均投入量多，而氮素的沉降量也明显超过其他地区，导致养分的平均投入量偏大，再加上东北地区大规模输出农牧产品到其他地区，大量养分也随着农业制品的出口而输出，剩余营养物质则以废物的方式积存于本地[9]。京津翼地区由于资源需求与资源提供比例不匹配，化学氮肥施用量大，农牧分离，导致农牧系统呈现外源投入多，氮素利用率低，环境排放高的特点。内蒙古地区畜牧业发达，农作物种植施用大量氮肥及畜禽养殖数量增加对饲料需求会增大，可能导致对氮肥需求量增加，从而造成氮素利用效率低。陕甘宁地区氮素主要以淋溶、径流的途径流失，以及通过氨挥发等方式进入大气。另外，森林越多的地区降雨量越大，氮素的淋失量随着降雨量的增加而增多，而且在畜禽养殖过程中，用于粪尿还田中的氮逐年减少，导致畜禽类产生的粪便、养殖废水等直接排放到大气中或进入水体，导致环境污染风险的增加[13]。

3 展望与建议

3.1 氮素流动及环境效应研究展望

当前，我国北方农牧交错带地区面临着氮素投入量大，氮素利用率低下，氮素高量排放导致环境污染，农牧结合体系氮素利用严重脱节的实际问题。本文综述了北方农牧交错带不同区域氮素流动特征及其环境效应研究进展，大多研究是以物质流动分析方法为主，分别对省级及区域尺度农牧生产体系氮素流动特征进行系统分析，综合评价其带来的环境污染效应。为推动中国农业的可持续发展，实现化肥零增长，今后农牧系统氮素流动及环境效应研究可以重点从以下几个方面深入：针对北方农牧交错带地区不同作物间的投入产出进行定性定量分析，为进一步优化农牧系统氮素的平衡提供科学依据；深入研究农牧结合的各种有效途径；对氮素管理优化措施进行实践检验研究，通过检验结果对现有策略进行进一步改进和完善。

3.2 优化氮素管理的建议

3.2.1 加强农牧结合，提高氮素利用率

“农牧分离”是农牧生产体系中氮素效益低下的主要因素，主要体现在耕地种植体系和畜牧业生产体系匹配的不合理，以及过高的化肥氮素投放等使畜牧业氮素损失较大，造成农牧系统生产率低、效益低。走农牧结合的道路，是我国提高氮素利用率的关键举措[9]，应当充分利用本地的饲料资源，提高有机肥的还田率，降低因“农牧分离”导致的生产率低、效益低风险，从而推动农牧业的可持续发展。

3.2.2 平衡施氮，减少土壤氮素盈余

氮磷搭配使用是降低氮素损失和提升化肥使用效益的关键举措。农牧结合体系中，应尽量减少化学肥料的施用[11]，将动物粪尿处理后回田，有机肥与化肥配合使用，适当限制化肥氮的投入量，以降低土壤中氮素的盈余。以养分综合利用、合理的种植结构和施肥方法，根据作物需求与土壤供应规律确定不同的管理策略。土壤中氮素损失主要通过氨挥发和淋洗，而对于这一问题，就需要根据当地的作物类型因地制宜，选用合适的肥料种类和施肥方法，并根据具体作物制定合理的种植方案，或者采取有效措施改善土壤质地[12]。

3.2.3 增加氮素内部循环，实现污染零排放

鼓励建设具有充足占地面积且能够向周边土地消纳动物排泄物能力的畜禽养殖场，将畜禽粪便、污水等经过处理后能够全部实现循环再利用，实现污染零排放[13]。在畜禽排泄物堆置处理时，也可调节堆肥的碳氮比，使用物理或化学添加剂调整堆肥pH，以增加饲料中的蛋白质、氨基酸利用效率，进而间接降低氮素排放量；或者接种微生物，利用“农田-食用菌”模式促进农田作物的废弃秸秆通过食用菌体系还田，从而加快铵态氮向其他形式氮素的转化[14]。

3.2.4 转变生产方式，促进氮素循环利用

有效应用科学技术，提高产品质量，增加氮的利用率。改善种植业发展重点方向，优化作物生产养分管理技术，引进科学种植模式，注重农田化肥的合理投入，加强种植与畜牧业一体化程度[15]，通过科学技术的综合运用，提高产品质量从而有效提高氮素的利用率。