白洋淀流域农牧系统氮磷养分流动与环境损失时空特征研究

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氮磷养分是农牧生产所需的重要营养元素,农牧系统中的氮磷养分流动不仅决定了作物与畜禽生产的生产力,也会对周边环境产生一定的影响。白洋淀流域作为首都重要的功能延伸区,农牧业集约化程度高,长期面临着水资源短缺和水环境污染的问题。随着农牧业政策的逐步实施以及雄安新区的建立,白洋淀流域农牧业生产状况正在发生显著的变化。为揭示白洋淀流域农牧系统氮磷养分流动以及环境损失时空变化特征,本研究采用物质流分析方法,以食物链养分流动模型(Nutrient flows in Food chains,Environment and Resources use,NUFER)为工具,结合遥感解译数据、统计和文献数据挖掘以及农户实地调研等方法,定量分析白洋淀流域不同时间尺度(2005年、2015年和2018年)和空间尺度(县域、栅格和点位)农牧系统以及典型生产体系氮磷养分账户、养分利用率以及环境损失特征,为探究白洋淀流域农牧业绿色发展途径提供理论依据和数据支撑。主要研究结果如下:(1)自2005年开始,农田系统化肥氮磷输入量先增后减,至2018年降至最小值,分别是414.5 Gg和147.0 Gg;2005年到2018年,农田氮素利用效率变化不明显(44.1%),农田系统磷素利用效率逐年上升到30.7%;农田系统单位面积氮素损失量逐年下降,到2018年为131.6 kg·hm-2,单位面积磷素损失量基本为1.7 kg·hm-2。2005年到2018年,畜牧系统养分输入量明显减少,外源饲料依赖率显著降低;2018年氮磷养分利用效率分别是23.3%和18.6%,明显高于2005年;2018年畜牧系统氮磷养分总损失量分别是117.6 Gg和14.5 Gg,相比于2005年分别降低了 40.3%和63.8%;2018年畜禽粪尿氮磷的直排量仅是2015年粪尿直排量的37%左右,同时畜禽粪尿还田比例明显增加。2005年到2018年,农牧系统氮磷养分循环利用率明显增加,2018年分别达到了 51.2%和73.8%;农牧系统氮磷养分损失显著降低,到2018年分别是291.7 Gg和16.7 Gg;在研究时间范围内,农牧系统氮磷养分利用效率虽有所增长,但相比于全国仍处于较低水平,2018年农牧系统氮磷养分利用效率分别仅为28%和19.7%。(2)白洋淀流域区域农牧系统氮磷养分输入与输出量空间差异明显,基本呈现山区(流域西部)与中部平原(流域东部)低,山区与山前平原分界线两侧(流域中部)高的“三明治”式特征。2018年,农牧系统氮磷输入强度分别在208-1523 kg·hm-2和24-390 kg·hm-2范围内,氮磷养分损失极差分别是573 kg·hm-2和37 kg·hm-2。部分县域农牧系统出现高投入、高产出、高损失、低利用率的特点,主要集中在山前平原南部县域,以正定、新乐、唐县等县域最为突出。农田系统区域发展不平衡,单位面积农田化肥氮磷养分投入分别在69-964 kg·hm-2和16-267 kg·hm-2范围,农田系统氮磷养分损失量差异明显,极差值分别是344.1 kg·hm-2和3.7 kg·hm-2。各县畜牧生产强度差异较大,畜禽养殖密度在0.8-14.5 LU·hm-2范围。畜牧系统氮磷养分利用效率分别在12.3%-28.6%和 7.7%-28.1%范围内。(3)白洋淀流域农牧系统典型农田(小麦、玉米)和规模化畜禽养殖(猪、牛、鸡)生产体系养分流动及环境损失空间差异明显,呈现“东高西低”的特征。小麦、玉米生产主要集中在平原地区,其中氮磷养分高输入、高损失的热点区域主要聚集在平原南部地区,(潴泷河和唐河子流域),潴泷河子流域小麦单位面积氮磷养分损失量分别是136.4 kg·hm-2和2.6 kg·hm-2,玉米单位面积氮磷养分损失分别是63.5 kg·hm-2和2.6kg·hm-2。规模化养殖场(猪-牛-鸡)集中在耕地资源丰富的平原地区以及临近平原的部分山区。流域内生猪规模化养殖场数量最多,氮、磷养分损失热点的数量少、且分散。牛和鸡规模化养殖场数量相对较少,规模化牛场主要聚集在平原南部的潴泷河子流域,氮磷养分损失较高且聚集特征明显。规模化养鸡场磷素损失的热点数量明显高于氮素。综上所述,潴泷河子流域的典型农牧生产体系在未来应当给予更多的关注。(4)白洋淀流域农牧系生产已基本实现化肥“零增长”政策目标,但是应继续深化“减肥”政策的实施,不断增加有机肥部分替代化肥比例,加强种养一体化程度。首先,通过精准施肥降低个别县域化肥施用量,然后依据“以地定量”的原则,优化县域内畜禽养殖数量,提高农牧系统养分内部循环率。重视白洋淀流域典型农牧生产体系,深化落实小麦-玉米“测土配方施肥”政策,缓解区域内农田土壤养分盈余过高的问题;加强规模化养殖场畜禽粪污处理先进技术的应用,提高粪污还田比例;合理规划畜禽产业空间布局,促进区域间典型种植和畜牧产业融合,引导区域农牧系统健康发展。
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