楊文寶,楊 晶,趙占輕,張建杰,4,魏 靜**

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 保定 071000;2.中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心 石家莊 050022;3.河北地質(zhì)大學(xué)土地科學(xué)與空間規(guī)劃學(xué)院 石家莊 050031;4.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 太原 030031)

氮磷是動(dòng)植物生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中起著極為重要的促進(jìn)作用[1]。我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó),化肥使用量長(zhǎng)期居高不下?；适┯檬羌Z食安全的重要保障,但是較低的養(yǎng)分利用率導(dǎo)致部分未被利用的氮磷進(jìn)入周邊環(huán)境,引發(fā)一系列環(huán)境問(wèn)題[2-3]。與此同時(shí),我國(guó)畜牧業(yè)發(fā)展迅速,規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場(chǎng)比例不斷增加,農(nóng)牧分離問(wèn)題日漸嚴(yán)重,畜禽糞污排放造成的環(huán)境問(wèn)題[4-5]同樣不容忽視。因此,闡明農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分流動(dòng)變化特征,對(duì)減少農(nóng)牧系統(tǒng)氮磷的環(huán)境損失和探索農(nóng)牧系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分流動(dòng)和環(huán)境損失方面做了大量研究。Senthilkumar 等[6]利用物質(zhì)流分析的方法在區(qū)域尺度上對(duì)養(yǎng)分循環(huán)利用及管理提出了評(píng)價(jià)和建議。Velthof 等[7]將其進(jìn)一步優(yōu)化,發(fā)展形成了Miterra-Europe 模型,并被用作歐盟國(guó)家的農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分管理工具。Oenema 等[8]通過(guò)核算農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分流動(dòng),明確養(yǎng)分流動(dòng)特征,對(duì)減少養(yǎng)分環(huán)境損失以及改善環(huán)境污染現(xiàn)狀做出了合理指導(dǎo)。在我國(guó),Ma 等[9]構(gòu)建了中國(guó)食物鏈系統(tǒng)養(yǎng)分流動(dòng)(Nutrient flows in Food chains,Environment and Resources use,NUFER)

模型,用于分析評(píng)價(jià)國(guó)家尺度以及區(qū)域尺度氮磷養(yǎng)分在生產(chǎn)和消費(fèi)環(huán)節(jié)的利用率和損失狀況。Zhao 等[10]通過(guò)以“全農(nóng)場(chǎng)”模型思想為指導(dǎo),在區(qū)域尺度NUFER模型的基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)構(gòu)建了“農(nóng)戶/場(chǎng)”尺度(NUFERfarm)模型,定量分析了“農(nóng)戶/場(chǎng)”類型的氮磷流動(dòng)特征。張建杰等[11]使用NUFER 模型明確山西省農(nóng)牧交錯(cuò)帶不同縣域氮素流動(dòng)的空間分布特征,為區(qū)域農(nóng)牧生產(chǎn)體系的養(yǎng)分管理提供科學(xué)依據(jù)。

白洋淀流域地處京津冀腹地,是首都功能重要的延伸區(qū)。流域內(nèi)的白洋淀湖泊為京津冀地區(qū)提供了一系列重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。2017年雄安新區(qū)設(shè)立,白洋淀又被賦予了支撐新區(qū)生態(tài)發(fā)展的核心功能。然而,白洋淀及其流域面臨嚴(yán)重水環(huán)境污染問(wèn)題[12-13]。白洋淀流域農(nóng)牧系統(tǒng)發(fā)達(dá),農(nóng)業(yè)養(yǎng)分損失是造成白洋淀及其流域水環(huán)境問(wèn)題的重要因素之一[14]。隨著人類不斷增加的食物需求以及快速的城鎮(zhèn)化,可能加劇流域農(nóng)牧系統(tǒng)的集約化,造成更多環(huán)境問(wèn)題。為減少農(nóng)牧生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響,國(guó)家出臺(tái)一系列政策對(duì)農(nóng)牧系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和管理,如:“測(cè)土配方施肥” “化肥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)方案” “國(guó)家農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展計(jì)劃(2015—2030年)”等,以確保農(nóng)牧系統(tǒng)化肥合理施用以及畜牧健康發(fā)展。此外,為保證白洋淀及上游流域水生態(tài)環(huán)境治理全面提升,推動(dòng)生態(tài)環(huán)境治理和實(shí)現(xiàn)Ⅲ類水目標(biāo),國(guó)家基于統(tǒng)籌協(xié)調(diào)上下游生產(chǎn)、生活和生態(tài)三大空間的生態(tài)環(huán)境治理思路,針對(duì)白洋淀流域出臺(tái)了一系列規(guī)劃和方案,如:《白洋淀生態(tài)環(huán)境治理和保護(hù)規(guī)劃(2018—2035年)》《白洋淀生態(tài)環(huán)境治理和保護(hù)條例》等。其中,劃定畜禽禁養(yǎng)區(qū)、合理布局養(yǎng)殖區(qū)域、有機(jī)肥替代化肥等措施均說(shuō)明農(nóng)牧系統(tǒng)污染防治工作是流域污染治理工作中重要一環(huán)。綜上所述,政策實(shí)施和城鎮(zhèn)化帶來(lái)的食物需求將成為影響白洋淀流域農(nóng)牧系統(tǒng)發(fā)展變化的兩個(gè)重要引擎。然而,目前尚缺乏評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)和環(huán)境政策對(duì)白洋淀流域農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分流動(dòng)與環(huán)境損失時(shí)空特征影響的研究。本研究以白洋淀流域農(nóng)牧系統(tǒng)氮磷流動(dòng)為切入點(diǎn),通過(guò)實(shí)地調(diào)研與數(shù)據(jù)分析,借助NUFER 模型,揭示2005年、2015年和2018年白洋淀流域農(nóng)牧系統(tǒng)氮磷流動(dòng)以及環(huán)境損失時(shí)空變化特征,以期為白洋淀流域農(nóng)牧系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

白洋淀流域隸屬海河流域大清河水系,位于華北平原中部,覆蓋河北、山西、北京等地,總面積31 200 km2,2018年有人口1769 萬(wàn),城鎮(zhèn)化率為51%。流域內(nèi)地形復(fù)雜,西部是山區(qū),東部是平原;河網(wǎng)密集,共計(jì)8 個(gè)子流域,其中白溝引河子流域季節(jié)性有水,府河和孝義河子流域[14]常年有水。流域地處溫帶大陸性季風(fēng)氣候帶,全年氣候溫和,年平均氣溫為9.3～12.2 ℃,多年平均降水量約為550 mm。土壤類型多為棕壤和褐色土。流域內(nèi)農(nóng)牧系統(tǒng)發(fā)達(dá),截止到2018年,農(nóng)作物總播種面積高達(dá)175 萬(wàn)hm2,其中糧食作物占比最高,為86.6%,以小麥(Triticum aestivum)、玉米(Zea mays)為主,且產(chǎn)量高達(dá)814.6 萬(wàn)t。畜禽養(yǎng)殖以生豬養(yǎng)殖為主,2018年豬牛羊等動(dòng)物出欄量1684.7 萬(wàn)頭,家禽出欄量為11 238.2 萬(wàn)只,肉蛋奶產(chǎn)量為308.4 萬(wàn)t。本研究主要選取流域內(nèi)覆蓋面積最大的38 個(gè)縣作為研究對(duì)象,其中大清河山區(qū)共計(jì)16個(gè)縣;依據(jù)孫世剛等[15]研究定義的山前平原,共計(jì)16 個(gè)縣;除去山前平原外,流域內(nèi)剩余的平原則定義為中部平原,共計(jì)6 個(gè)縣(圖1)。

圖1 白洋淀流域研究區(qū)域概況Fig.1 Research areas of the Baiyangdian basin

1.2 系統(tǒng)邊界和模型介紹

NUFER 模型是Ma 等[9]基于物質(zhì)流分析方法,以養(yǎng)分為載體開(kāi)發(fā)的適合全球、國(guó)家、區(qū)域、流域和農(nóng)戶等不同尺度食物鏈以及農(nóng)牧系統(tǒng)的養(yǎng)分流動(dòng)模型。該模型可定量分析系統(tǒng)內(nèi)養(yǎng)分流量、利用效率和環(huán)境排放等養(yǎng)分流動(dòng)特征。本研究以白洋淀流域農(nóng)牧系統(tǒng)為研究邊界,利用NUFER 模型,模擬計(jì)算了2005年、2015年和2018年農(nóng)牧系統(tǒng)氮磷養(yǎng)分的輸入、輸出、內(nèi)部循環(huán)項(xiàng)以及環(huán)境損失。研究系統(tǒng)邊界和養(yǎng)分流動(dòng)如圖2所示。

圖2 農(nóng)牧系統(tǒng)研究邊界和養(yǎng)分流動(dòng)圖Fig.2 Research boundary and nutrient flow of the crop-livestock system

1.3 模型計(jì)算

1.3.1 農(nóng)田子系統(tǒng)養(yǎng)分(氮磷)流動(dòng)計(jì)算

式中:Icrop表示農(nóng)田系統(tǒng)氮磷總輸入量;Ifer表示化肥氮磷輸入量;Iam表示畜禽糞尿氮磷還田量,估算過(guò)程參見(jiàn)1.3.2 公式(26);Ist表示作物秸稈氮磷還田量;Ihm表示人糞尿還田量;Iirr-N表示灌溉水氮素投入量;IBNf表示生物固氮量;Idep-N表示大氣氮沉降量;OSt表示作物秸稈收獲氮磷量;RSR表示作物秸稈還田比例;CEIA表示有效灌溉面積;RIWA表示年單位面積灌溉氮量;CCA表示作物播種面積;RBNFA表示作物單位面積固氮量;CAA表示耕地面積;RDA表示年單位面積大氣氮沉降量。

式中:Ocrop表示農(nóng)田系統(tǒng)氮磷總輸出量;OCMP表示作物主產(chǎn)品收獲氮磷量;OSt表示作物秸稈收獲氮磷量;Oaccumulate表示土壤氮磷積累量;Orf表示農(nóng)田系統(tǒng)徑流侵蝕損失量;Ole表示農(nóng)田系統(tǒng)淋溶損失量;ONH3表示農(nóng)田系統(tǒng)氨揮發(fā)損失量;ON2O表示農(nóng)田系統(tǒng)氧化亞氮損失量;ODe表示農(nóng)田系統(tǒng)反硝化損失量;NOYG表示作物主產(chǎn)品產(chǎn)量;RYNC表示主產(chǎn)品氮磷含量;RRCS表示谷草比;RSC表示秸稈氮磷含量;Rrf表示農(nóng)田氮磷徑流侵蝕系數(shù);RfAE表示化肥氨揮發(fā)系數(shù);RmAE表示畜禽糞尿還田后氨揮發(fā)系數(shù);RfNO表示化肥N2O 排放系數(shù);RmNO表示畜禽糞尿還田后N2O 排放系數(shù);RsNO表示秸稈還田后N2O 排放系數(shù);Rle表示農(nóng)田氮磷淋洗系數(shù);RDe表示農(nóng)田反硝化系數(shù)。

1.3.2 畜牧子系統(tǒng)養(yǎng)分(氮磷)流動(dòng)計(jì)算

式中:Ianimal表示畜牧系統(tǒng)氮磷總輸入量;ILF表示本地飼料輸入量;IIF表示外源飼料輸入量;RPF表示作物主產(chǎn)品飼用比例;RSF表示作物秸稈飼用比例;Oanimal表示畜牧系統(tǒng)氮磷總輸出量。

式中:OAMP表示動(dòng)物主產(chǎn)品氮磷輸出量;OANB表示動(dòng)物副產(chǎn)品氮磷輸出量;Omanure表示畜牧系統(tǒng)糞尿氮磷總產(chǎn)生量;NL表示動(dòng)物數(shù)量;WAMA表示單個(gè)動(dòng)物活體質(zhì)量;RAMMeat表示肉所占比例;RMeatN(P)C表示肉含氮磷量;OMilk表示奶產(chǎn)量;RMilkN(P)C表示奶含氮磷量;OEgg表示蛋產(chǎn)量;REggN(P)C表示蛋含氮磷量;RAMB表示骨所占比例;RBN(P)C表示骨含氮磷量;RAMO表示其他副產(chǎn)品所占比例;RON(P)C表示其他副產(chǎn)品含氮磷量;RMN(P)O表示單位面積動(dòng)物糞尿排氮磷量。

式中:LA表示畜禽糞尿氮磷總損失量;LH表示圈舍階段糞尿氮磷損失量;LS表示儲(chǔ)藏階段糞尿氮磷損失量;LD表示糞尿氮磷直排損失量;LT表示處理階段糞尿氮磷損失量。

式中:RNH3H、RN2OH、RN2H和RLEH分別表示圈舍階段糞尿NH3、N2O、N2和氮磷淋洗損失系數(shù);RNH3S、RN2OS和RN2S分別表示儲(chǔ)藏階段糞尿NH3、N2O 和N2損失系數(shù);RDL表示畜禽糞尿氮磷直接排放系數(shù);(RNH3T、RN2OT、RN2T和RLET分別表示糞尿處理階段NH3、N2O、N2和氮磷淋洗損失系數(shù)。

1.3.3 農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分(氮磷)利用率計(jì)算

式中:UEc表示農(nóng)田系統(tǒng)氮磷利用效率。

式中:UEa表示畜牧系統(tǒng)氮磷利用效率。

式中:UEc+a表示農(nóng)牧系統(tǒng)的氮磷利用效率。

1.4 數(shù)據(jù)來(lái)源和處理

模型所需的數(shù)據(jù)(活動(dòng)數(shù)據(jù)和參數(shù))主要來(lái)源于統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)、調(diào)研數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)。

統(tǒng)計(jì)年鑒主要為模型提供活動(dòng)數(shù)據(jù)。其中,畜禽養(yǎng)殖數(shù)量選用生豬、肉牛、肉禽和羊的年末出欄量,奶牛和蛋雞的年末存欄量進(jìn)行計(jì)算[以奶牛為標(biāo)準(zhǔn)畜禽(LU)[16]單位,肉?！媚膛?1∶0.8,豬∶奶牛=1∶0.3,羊∶奶牛=1∶0.1,肉禽∶奶牛=1∶0.007,蛋雞∶奶牛=1∶0.014]。調(diào)研數(shù)據(jù)是通過(guò)與農(nóng)戶面對(duì)面問(wèn)卷調(diào)研方式收集信息。種植戶調(diào)研內(nèi)容包括農(nóng)田養(yǎng)分輸入/輸出和生產(chǎn)管理情況;養(yǎng)殖戶調(diào)研內(nèi)容包括養(yǎng)殖場(chǎng)養(yǎng)分輸入/輸出、畜禽養(yǎng)殖管理、糞尿管理情況。調(diào)研數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)均用于模型參數(shù)的校正。

模型輸入項(xiàng):化肥輸入數(shù)據(jù)來(lái)自《河北農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》 《山西統(tǒng)計(jì)年鑒》 《北京統(tǒng)計(jì)年鑒》和6 個(gè)行政市統(tǒng)計(jì)年鑒[17-22],復(fù)合肥氮磷鉀比例由調(diào)研數(shù)據(jù)調(diào)整而來(lái);大氣氮沉降參見(jiàn)1.3.1 公式(5),其中:各縣耕地面積(CAA)來(lái)自統(tǒng)計(jì)年鑒[17-22],單位面積大氣氮沉降量(RDA)參考文獻(xiàn)[23-26];生物固氮參見(jiàn)1.3.1 公式(4),其中:各縣作物播種面積(CCA)來(lái)自統(tǒng)計(jì)年鑒[17-22],作物單位面積固氮量(RBNFA)參考文獻(xiàn)[9];灌溉水輸入?yún)⒁?jiàn)1.3.1 公式(3),其中:各縣有效灌溉面積(CEIA)來(lái)自統(tǒng)計(jì)年鑒[17-22],單位面積灌溉氮量(RIWA)參考文獻(xiàn)[9];外源飼料輸入?yún)⒁?jiàn)1.3.2 公式(16)。

模型內(nèi)部循環(huán):秸稈還田參見(jiàn)1.3.1 公式(2),其中:作物秸稈還田比例(RSR)參考文獻(xiàn)[9];畜禽糞尿還田參見(jiàn)1.3.2 公式(26);本地飼料輸入?yún)⒁?jiàn)1.3.2 公式(15),其中:作物主產(chǎn)品飼用比例(RPF)和作物秸稈飼用比例(RSF)參考文獻(xiàn)[9]。

模型輸出項(xiàng):作物主產(chǎn)品輸出參見(jiàn)1.3.1 公式(7),其中:作物主產(chǎn)品產(chǎn)量(NOYG)來(lái)自統(tǒng)計(jì)年鑒[17-22],主產(chǎn)品氮磷含量系數(shù)(RYNC)參考文獻(xiàn)[9];秸稈輸出參見(jiàn)1.3.1 公式(8),其中:谷草比(RRCS)和秸稈氮磷含量系數(shù)(Rsc)參考文獻(xiàn)[9];動(dòng)物主產(chǎn)品輸出參見(jiàn)1.3.2 公式(18),其中:動(dòng)物數(shù)量(NL)、奶產(chǎn)量(OMilk)和蛋產(chǎn)量(OEgg)來(lái)自統(tǒng)計(jì)年鑒[17-22],單個(gè)動(dòng)物活體質(zhì)量(WAMA)、肉所占比例(RAMMeat)、肉含氮磷量[RMeatN(P)C]、奶含氮磷量[RMilkN(P)C]和蛋含氮磷量[REggN(P)C]參考文獻(xiàn)[9];動(dòng)物副產(chǎn)品輸出參見(jiàn)1.3.2 公式(19),其中:骨所占比例(RAMB)、骨含氮磷量[RBN(P)C]、其他副產(chǎn)品所占比例(RAMO)和其他副產(chǎn)品含氮磷量[RON(P)C]參考文獻(xiàn)[9]。

模型環(huán)境損失:水體損失中的農(nóng)田氮磷徑流&侵蝕損失參見(jiàn)1.3.1 公式(9);農(nóng)田氮磷淋洗損失參見(jiàn)1.3.1 公式(12),其中:農(nóng)田氮磷徑流&侵蝕系數(shù)(Rrf)和農(nóng)田氮磷淋洗系數(shù)(Rle)來(lái)自參考文獻(xiàn)[10];畜牧氮磷淋洗損失是各個(gè)養(yǎng)殖階段氮磷淋洗損失量之和,參見(jiàn)1.3.2 公式(22)和(25),其中:圈舍階段(RLEH)和處理階段(RLET)氮磷淋洗損失系數(shù)均參考文獻(xiàn)[10];氣體損失中農(nóng)田NH3損失參見(jiàn)1.3.1 公式(10),其中:化肥NH3損失系數(shù)(RfAE)參考Zhao 等[10]研究成果、畜禽糞尿還田后NH3損失系數(shù)(RmAE)參考Bai 等[27]研究結(jié)果(表1);農(nóng)田N2O 損失參見(jiàn)1.3.1 公式(11),其中:化肥N2O 排放系數(shù)(RfNO)、畜禽糞尿還田后N2O 排放系數(shù)(RmNO)和秸稈還田后N2O 排放系數(shù)(RsNO)均參考文獻(xiàn)[9];農(nóng)田N2損失參見(jiàn)1.3.1 公式(13),其中:農(nóng)田反硝化系數(shù)(RDe)參考文獻(xiàn)[9]。畜牧NH3、N2O 和N2損失是各個(gè)養(yǎng)殖階段損失量的加和,參見(jiàn)1.3.2 公式(22)、(23)和(25)。其中:圈舍階段NH3損失系數(shù)參考文獻(xiàn)[9,28-31]等結(jié)果(表1),儲(chǔ)藏(表2)和處理階段NH3損失系數(shù)參考文獻(xiàn)[10]結(jié)果;各養(yǎng)殖階段N2O 和N2損失系數(shù)參考文獻(xiàn)[27]結(jié)果;糞尿直排損失參見(jiàn)1.3.2 公式(24),其中:畜禽糞尿氮磷直接排放系數(shù)(RDL)參考朱志平等[32]、Zhao 等[10]研究結(jié)果調(diào)整而來(lái)(表3)。

表1 白洋淀流域畜牧系統(tǒng)畜禽糞尿氨揮發(fā)系數(shù)[9,28-31]Table 1 Ammonia volatilization coefficients at different stages of livestock system in the Baiyangdian Basin %

表2 2005年、2015年和2018年白洋淀流域畜牧子系統(tǒng)畜禽糞尿儲(chǔ)藏階段氨揮發(fā)系數(shù)[10]Table 2 Ammonia volatilization coefficients at manure storage stage of livestock system in the Baiyangdian Basin in 2005,2015 and 2018%

表3 2005年、2015年和2018年白洋淀流域畜牧子系統(tǒng)畜禽糞尿直接排放比例[10]Table 3 Proportions of animal manure discharged from livestock system in the Baiyangdian Basin in 2005,2015 and 2018%

2 結(jié)果與分析

2.1 白洋淀流域農(nóng)牧系統(tǒng)氮磷流動(dòng)年際特征

2005年、2015年和2018年,白洋淀流域農(nóng)田系統(tǒng)氮磷的總輸入量均呈先增后減趨勢(shì),2018年分別是622.5 Gg 和185.0 Gg,與2005年相比變化不明顯?；实纵斎肓孔兓厔?shì)與農(nóng)田系統(tǒng)氮磷的總輸入量變化趨勢(shì)相同。2018年化肥氮磷輸入量分別是414.5 Gg 和147.0 Gg,均小于2005年化肥的投入水平。然而,農(nóng)田系統(tǒng)畜禽糞尿氮磷還田量均呈先減后增趨勢(shì),2018年為3年間最大值,分別是64.3 Gg和35.5 Gg。農(nóng)田主產(chǎn)品氮磷輸出量變化趨勢(shì)與養(yǎng)分總輸入量變化趨勢(shì)保持一致。2005年、2015年和2018年,農(nóng)田系統(tǒng)氮素?fù)p失量分別是181.2 Gg、186.7 Gg 和174.4 Gg,磷素?fù)p失量分別是2.2 Gg、2.4 Gg和2.2 Gg(圖3)。3年間,單位面積農(nóng)田氮素?fù)p失逐年減少,到2018年下降到132 kg·hm—2,且以氨揮發(fā)、徑流淋洗為主。其中,2018年農(nóng)田系統(tǒng)氨揮發(fā)和徑流淋洗損失分別占總氮損失的37%和52%。農(nóng)田磷素為徑流淋洗損失,基本保持在1.7 kg·hm—2左右(圖4)。

2005年、2015年和2018年,白洋淀流域畜牧系統(tǒng)外源飼料氮磷輸入量逐年下降,2018年分別是149.1 Gg 和38.3 Gg,相較于2005年分別下降34.1%和42.0%;本地飼料氮磷輸入量逐年上升,2018年分別是85.2 Gg 和19.7 Gg。白洋淀流域畜牧系統(tǒng)主產(chǎn)品氮磷輸出量均呈先增后減的趨勢(shì)。到2018年,動(dòng)物主產(chǎn)品氮磷輸出量分別是38.3 Gg 和4.1 Gg,相較于2005年分別增加49.6%和86.4%。畜牧系統(tǒng)氮磷的總損失量呈明顯的減少趨勢(shì),2018年分別是117.6 Gg和14.5 Gg,相比于2005年分別降低40.3%和63.8%。其中,來(lái)自畜禽糞尿直排的損失量明顯下降,2018年畜禽糞尿氮磷的直排量分別是24.7 Gg 和10.3 Gg,僅為2015年的37%左右(圖3)。此外,2005年同2015年相似,畜牧系統(tǒng)單位面積氨揮發(fā)與直接排放分別占總氮損失的36%和39%。然而,2018年,氨揮發(fā)與直接排放分別占總氮損失的46%和21%(圖4)。

圖4 2005年、2015年和2018年白洋淀流域農(nóng)田系統(tǒng)、畜牧系統(tǒng)氮磷養(yǎng)分環(huán)境排放Fig.4 Nitrogen and phosphorus environmental emissions from crop and livestock systems in the Baiyangdian Basin in 2005,2015 and 2018

2005年、2015年和2018年,白洋淀流域農(nóng)牧系統(tǒng)氮素總輸入量分別是790.0 Gg、818.4 Gg 和707.3 Gg,磷素總輸入量分別是254.9 Gg、252.9 Gg、223.2 Gg;農(nóng)牧系統(tǒng)產(chǎn)品氮磷輸出量均呈先增后減趨勢(shì),2018年分別是198.1 Gg 和37.1 Gg;2018年農(nóng)牧系統(tǒng)氮磷的內(nèi)部循環(huán)量均為3年間最大值,分別是230.2 Gg和70.2 Gg;農(nóng)牧系統(tǒng)氮磷的總損失量呈明顯下降趨勢(shì),2018年農(nóng)牧系統(tǒng)氮磷的總損失量分別是303.7 Gg和16.7 Gg,相較于2005年與2015年,農(nóng)牧系統(tǒng)氮素總損失量分別減少22.0%和15.6%,磷素總損失量分別減少60.5%、50.6%(圖3)。

2.2 白洋淀流域農(nóng)牧系統(tǒng)氮磷利用率時(shí)間變化特征

2005年、2015年和2018年,白洋淀流域農(nóng)牧系統(tǒng)氮利用率分別是25.6%、29.5%和28.0%,磷利用率分別是15.8%、18.3%和19.7%。農(nóng)田系統(tǒng)氮利用率3年間變化并不明顯,基本在44%左右;農(nóng)田系統(tǒng)磷利用率呈增長(zhǎng)趨勢(shì),2018年為30.7%,較2005年增加3.6%。在研究時(shí)間范圍內(nèi),畜牧系統(tǒng)氮利用率呈先增后減趨勢(shì),分別是15.7%、24.1%和23.3%,而畜牧系統(tǒng)磷利用率呈明顯增長(zhǎng)趨勢(shì),3年間分別是13.5%、17.7%、18.6%(圖5)。

圖5 2005年、2015年和2018年白洋淀流域農(nóng)田系統(tǒng)、畜牧系統(tǒng)和農(nóng)牧系統(tǒng)氮磷利用率年際變化Fig.5 Use rates of nitrogen and phosphorus of crop and livestock systems in the Baiyangdian Basin in 2005,2015 and 2018

2.3 白洋淀流域農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分輸入與輸出空間變化特征

根據(jù)農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分單位面積耕地輸入量,將白洋淀流域縣域分為4 組。農(nóng)牧系統(tǒng)總氮輸入量在組Ⅳ(＞720 kg·hm—2)范圍內(nèi)的縣域分別是正定、新樂(lè)、無(wú)極、深澤、靈壽、定州和唐縣。其中,正定氮素輸入量最高(1523 kg·hm—2),唐縣次之(1005 kg·hm—2)。中部平原(雄縣、安新、高陽(yáng)、蠡縣)和大清河山區(qū)(廣靈、渾源、靈丘、繁峙、蔚縣、淶源、阜平)部分縣域總氮輸入量均在組Ⅰ(＜380 kg·hm—2)范圍內(nèi)。農(nóng)牧系統(tǒng)總磷輸入量在組Ⅳ(＞220 kg·hm—2)范圍內(nèi)的縣域分別是正定、新樂(lè)、無(wú)極、深澤、定州 。其中,正定磷素輸入量最高(390 kg·hm—2),其次是無(wú)極(265 k·hm—2)。阜平磷素輸入量最低(24 kg·hm—2)。各縣磷素輸入量差異明顯,極差為266 kg·hm—2(圖6)。此外,大部分縣域化肥氮磷輸入量均超過(guò)養(yǎng)分總輸入量的50%。

圖6 2018年白洋淀流域各縣農(nóng)牧系統(tǒng)氮(a)、磷(b)養(yǎng)分輸入Fig.6 Nitrogen(a)and phosphorus(b)nutrient inputs in crop-livestock systems of counties in the Baiyangdian Basin in 2018

流域內(nèi)農(nóng)牧系統(tǒng)主產(chǎn)品氮磷輸出量分別在58～407 kg·hm—2和11～78 kg·hm—2范圍,空間差異明顯,主產(chǎn)品高輸出地區(qū)主要集中在山前平原。藁城、正定、無(wú)極、新樂(lè)、深澤、行唐、定州、望都和定興農(nóng)牧系統(tǒng)主產(chǎn)品氮磷輸出均在組Ⅳ范圍。其中,正定農(nóng)牧系統(tǒng)主產(chǎn)品氮磷輸出量分別為407 kg·hm—2和71 kg·hm—2,新樂(lè)分別是403 kg·hm—2和78 kg·hm—2,兩者農(nóng)田主產(chǎn)品和畜牧主產(chǎn)品氮磷輸出量均處于各縣前列(圖7)。主產(chǎn)品低輸出地區(qū)集中在大清河山區(qū),渾源、繁峙、靈丘、蔚縣、淶源和房山農(nóng)牧系統(tǒng)主產(chǎn)品氮磷輸出均在組Ⅰ范圍,且農(nóng)田系統(tǒng)和畜牧系統(tǒng)均不發(fā)達(dá)。

圖7 白洋淀流域各縣農(nóng)牧系統(tǒng)主產(chǎn)品氮(a)、磷(b)養(yǎng)分輸出量Fig.7 Outputs of nitrogen(a)and phosphorus(b)nutrients in the crop-livestock systems of counties in the Baiyangdian Basin in 2018

2.4 白洋淀流域農(nóng)牧系統(tǒng)氮磷利用率空間變化特征

白洋淀流域山前平原和中部平原地區(qū)農(nóng)牧系統(tǒng)氮磷利用率普遍高于大清河山區(qū)。藁城、安新、容城、定興、高碑店農(nóng)牧系統(tǒng)氮利用率均大于40%,藁城最高(45.4%),其次為高碑店(44.9%)。農(nóng)牧系統(tǒng)氮利用率小于20%的縣域均分布在大清河山區(qū)。其中,淶源農(nóng)牧系統(tǒng)氮利用率最小(13.1%),其次是唐縣(13.7%)。農(nóng)田系統(tǒng)氮利用率方面,藁城最高(66.9%),房山最低(22.1%)。畜牧系統(tǒng)氮利用率方面,蓮池區(qū)最高(28.6%),唐縣最低(12.3%)。農(nóng)牧系統(tǒng)磷利用率空間差異明顯,極差為40.1%,個(gè)別縣存在磷利用率過(guò)高的現(xiàn)象,如阜平(46.2%)、蠡縣(42.4%),遠(yuǎn)超過(guò)流域農(nóng)牧系統(tǒng)磷利用率平均值。農(nóng)牧系統(tǒng)磷利用率小于10%的縣域(涿鹿、靈丘、繁峙)均位于大清河山區(qū)。其中,涿鹿最低為6.1%。中部平原縣域農(nóng)田系統(tǒng)磷利用率均大于49.5%(圖8)。除無(wú)極和雄縣外,畜牧系統(tǒng)磷利用率大于流域平均值的縣域均位于大清河山區(qū)。

圖8 2018年白洋淀流域各縣氮(a)、磷(b)利用率Fig.8 Nitrogen(a)and phosphorus(b)use efficiencies of counties in the Baiyangdian Basin in 2018

2.5 白洋淀流域區(qū)域農(nóng)牧系統(tǒng)氮磷養(yǎng)分環(huán)境損失

白洋淀流域農(nóng)牧系統(tǒng)單位面積氮磷高損失地區(qū)主要集中在山區(qū)與山前平原分界線兩側(cè)縣域。正定、新樂(lè)、無(wú)極、定州和唐縣農(nóng)牧系統(tǒng)氮素?fù)p失均在組Ⅳ(＞350 kg·hm—2)范圍內(nèi),正定農(nóng)牧系統(tǒng)氮素?fù)p失最大(631.7 kg·hm—2),其次是唐縣、新樂(lè)、無(wú)極。中部平原(雄縣、安新、高陽(yáng)、蠡縣)和大清河山區(qū)部分縣域(繁峙、靈丘、阜平、淶源、蔚縣、廣靈)農(nóng)牧系統(tǒng)單位面積氮素?fù)p失均在組Ⅰ(＜150 kg·hm—2)的范圍內(nèi)。其中,蔚縣農(nóng)牧系統(tǒng)氮素?fù)p失最小(94.3 kg·hm—2)。流域內(nèi)大多數(shù)縣域農(nóng)田系統(tǒng)氮素?fù)p失大于畜牧系統(tǒng)。但也存在個(gè)別反例,以唐縣最為明顯,其畜牧系統(tǒng)氮素?fù)p失比農(nóng)田系統(tǒng)高168 kg·hm—2。流域內(nèi)僅有正定農(nóng)牧系統(tǒng)磷素?fù)p失在組Ⅳ(＞35 kg·hm—2)范圍內(nèi),唐縣、新樂(lè)、無(wú)極和藁城在組Ⅲ(22～35 kg·hm—2)范圍內(nèi),其余各縣均在組Ⅰ(＜13 kg·hm—2)和組Ⅱ(13～22 kg·hm—2)范圍內(nèi)。由于磷素在土壤中移動(dòng)性差,農(nóng)田系統(tǒng)磷素?fù)p失很小,農(nóng)牧系統(tǒng)磷素?fù)p失主要來(lái)自畜牧系統(tǒng)(圖9)。

圖9 2018年白洋淀流域各縣農(nóng)牧系統(tǒng)氮(a)、磷(b)養(yǎng)分環(huán)境損失Fig.9 Spatial distribution of nitrogen(a)and phosphorus(b)losses in the crop-livestock systems in the Baiyangdian Basin in 2018

2.6 白洋淀流域農(nóng)牧系統(tǒng)氮磷養(yǎng)分環(huán)境損失時(shí)空變化特征

白洋淀流域農(nóng)牧系統(tǒng)各縣養(yǎng)分損失變化差異明顯。2005年至2015年,渾源、唐縣、順平、競(jìng)秀和定興農(nóng)牧系統(tǒng)氮素?fù)p失增加量均大于50 kg(N)·hm—2·a—1;藁城、正定、新樂(lè)、無(wú)極、行唐、靈壽、定州、阜平、房山農(nóng)牧系統(tǒng)氮素?fù)p失的減少量均大于50 kg(N)·hm—2·a—1。其中,藁城、正定、新樂(lè)農(nóng)牧系統(tǒng)氮素?fù)p失的減少量超過(guò)300 kg(N)·hm—2·a—1。2015年到2018年,僅有唐縣農(nóng)牧系統(tǒng)氮素?fù)p失增加量依舊大于50 kg(N)·hm—2·a—1。2005年至2018年,白洋淀流域大部分縣氮素?fù)p失均在明顯減少,僅有唐縣農(nóng)牧系統(tǒng)氮素?fù)p失的增加量大于50 kg(N)·hm—2·a—1(圖10)。從子流域尺度來(lái)看,2005年至2018年,白溝引河與府河子流域所覆蓋的區(qū)域內(nèi)農(nóng)牧系統(tǒng)氮素?fù)p失明顯減少。

2005年至2015年,渾源、廣靈、涿鹿、定興、徐水和蓮池農(nóng)牧系統(tǒng)磷素?fù)p失增加量大于3 kg(P)·hm—2·a—1。藁城、正定、新樂(lè)、無(wú)極、行唐、靈壽、阜平和定州農(nóng)牧系統(tǒng)磷素?fù)p失減少量大于10 kg(P)·hm—2·a—1(圖10)。然而,2015年至2018年,流域內(nèi)除繁峙、唐縣、安新、高陽(yáng)外農(nóng)牧系統(tǒng)磷素?fù)p失均明顯減少,以山前平原地區(qū)最為明顯。2005年至2018年整體來(lái)看,白洋淀流域全部縣域農(nóng)牧系統(tǒng)磷素?fù)p失均明顯減少。

圖10 白洋淀流域區(qū)域農(nóng)牧系統(tǒng)氮磷養(yǎng)分損失空間變化(a、b 和c 分別為2005—2015年、2015—2018年和2005—2018年間氮素?fù)p失空間變化,d、e 和f 分別為2005—2015年、2015—2018年和2005—2018年間磷素?fù)p失空間變化)Fig.10 Spatial changes of nitrogen and phosphorus losses in the crop-livestock systems in the Baiyangdian Basin(Fig.a,b and c are the spatial change in nitrogen losses from 2005 to 2015,from 2015 to 2018,and from 2005 and 2018,respectively.Fig.d,e and f are the spatial change in phosphorus losses from 2005 to 2015,from 2015 to 2018,and from 2005 and 2018,respectively.)

3 討論

3.1 白洋淀流域農(nóng)牧系統(tǒng)氮磷養(yǎng)分流動(dòng)年際特征

2005—2015年,白洋淀流域農(nóng)田系統(tǒng)單位面積化肥氮素輸入量由355.3 kg·hm—2下降到349.8 kg·hm—2,同時(shí)單位面積化肥磷素輸入量由118.7 kg·hm—2上升到127.7 kg·hm—2。該趨勢(shì)可能與測(cè)土配方施肥政策有關(guān),在降低氮肥用量、減少環(huán)境影響的同時(shí)也使得化肥施用氮磷比趨近最佳比例(1∶0.4～0.45)[33]。受“化肥使用量零增長(zhǎng)”政策影響,白洋淀流域農(nóng)田系統(tǒng)單位面積化肥氮磷輸入量下降至313 kg·hm—2和111 kg·hm—2(2018年),較政策頒布初期(2015年)降低10%和14%,且低于二者在2005年的水平,實(shí)現(xiàn)了政策預(yù)期目標(biāo)。然而,當(dāng)前白洋淀流域農(nóng)田施肥強(qiáng)度仍遠(yuǎn)高于糧食作物合理的施氮水平[34]和全國(guó)平均施磷水平[35],化肥減施潛力依然較大。一方面,該流域氮磷利用效率仍較低,其中氮素利用效率僅略高于河北省平均水平[36],磷素利用效率低于全國(guó)平均水平[9],因此提高氮磷利用效率是未來(lái)化肥減施的重要途徑之一;另一方面,該流域農(nóng)田系統(tǒng)化肥源氮磷養(yǎng)分輸入占比仍高達(dá)59.2%和74.8%,有機(jī)肥替代化肥能夠提供的減量潛力仍然可觀[37]。與此同時(shí),2018年流域內(nèi)農(nóng)田系統(tǒng)氮磷養(yǎng)分損失量與2015年相比僅減少6.6%和6.8%,農(nóng)田系統(tǒng)氮磷養(yǎng)分損失問(wèn)題依舊嚴(yán)峻。因此,深化“化肥零增長(zhǎng)”政策中的“減肥增效”和“環(huán)保施肥”依舊是未來(lái)流域內(nèi)農(nóng)田系統(tǒng)養(yǎng)分管理的發(fā)展方向。

隨著畜牧政策的陸續(xù)頒布,政策中“禁養(yǎng)區(qū)”的劃分、“規(guī)模化”養(yǎng)殖的推進(jìn)以及“畜牧補(bǔ)貼”的落實(shí)都有可能導(dǎo)致畜禽養(yǎng)殖中位于“禁養(yǎng)區(qū)”的養(yǎng)殖場(chǎng)或者不具備競(jìng)爭(zhēng)力的“散戶”養(yǎng)殖場(chǎng)退出。與此同時(shí),白洋淀流域畜牧系統(tǒng)生產(chǎn)強(qiáng)度明顯降低,養(yǎng)殖密度從2005年的6.98 LU·hm—2減少到2018年的4.74 LU·hm—2。受養(yǎng)殖數(shù)量影響,飼料氮磷輸入量明顯減少,外源飼料氮磷的進(jìn)口率從2005年的75.1%和79.8%下降到2018年的63.6%和66.0%,畜禽糞尿氮磷的產(chǎn)生量從2005年的202.5 kg·hm—2和59.6 kg·hm—2下降到2018年的137.5 kg·hm—2和37.8 kg·hm—2。另一方面,畜禽糞尿管理設(shè)施優(yōu)化是減少糞尿端養(yǎng)分損失的重要措施[38]。受“國(guó)家農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展計(jì)劃(2015—2030年)”等一系列畜牧業(yè)相關(guān)政策實(shí)施的影響,流域內(nèi)養(yǎng)殖場(chǎng)糞尿綜合管理設(shè)施逐漸優(yōu)化,雄安新區(qū)的建立又加速了相關(guān)政策的落實(shí),致使流域內(nèi)畜禽糞尿氮磷直排損失量明顯減少,糞尿氮磷直排比例從政策實(shí)施初期(2015年)的30.1%和45.3%降低到2018年的13.6%和20.1%。糞尿氮磷還田比例也從政策實(shí)施初期(2015年)的23.6%和47.7%增加到2018年的35.3%和71.0%。在畜禽糞尿產(chǎn)生量減少和糞尿還田比例增高雙重結(jié)果的影響下,白洋淀流域畜牧系統(tǒng)養(yǎng)分損失明顯減少。與此同時(shí),2018年畜牧系統(tǒng)氮磷利用率均高于魏莎等(16.3%～20.6%)[36,39]和丁尚等(7.6%～10.0%)[11,40-41]研究結(jié)果。綜上所述,白洋淀流域畜牧系統(tǒng)正朝著逐漸健康的方向發(fā)展。

在“化肥零增長(zhǎng)”政策以及一系列“畜禽政策”的共同作用下,白洋淀流域農(nóng)牧結(jié)合程度不斷加深。流域內(nèi)農(nóng)牧系統(tǒng)氮磷循環(huán)利用率增加到政策頒布后的51.2%和73.8%(2018年),明顯高于2005年的35.8%和51.3%,流域內(nèi)農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分利用率有所增加。然而,2018年流域內(nèi)農(nóng)牧系統(tǒng)氮利用率(28.0%)小于全國(guó)水平(41.0%)[42]以及京津冀區(qū)域水平(33.8%)[37];農(nóng)牧系統(tǒng)磷利用率(19.7%)同樣小于全國(guó)水平(30.3%)[43]以及京津冀區(qū)域水平(37.7%)[39]。因此,未來(lái)白洋淀流域農(nóng)牧系統(tǒng)應(yīng)繼續(xù)減少化肥投入量,增加有機(jī)肥部分替代化肥比例,深化種養(yǎng)結(jié)合程度,進(jìn)而彌補(bǔ)農(nóng)牧系統(tǒng)在養(yǎng)分輸入與循環(huán)方面脫節(jié)的問(wèn)題。

3.2 白洋淀流域農(nóng)牧系統(tǒng)氮磷養(yǎng)分流動(dòng)空間特征

白洋淀流域區(qū)域農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分輸入與輸出空間差異明顯,受地理差異的影響,呈東西低,中間高的“三明治”式特征。山前平原地區(qū)作為華北平原重要的糧食產(chǎn)區(qū),地勢(shì)平整,耕地資源豐富,適合發(fā)展高度集約化農(nóng)田系統(tǒng)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)。在保障農(nóng)作物高產(chǎn)的同時(shí),山前平原地區(qū)部分縣域大量施用化肥,尤其是山前平原南部。例如,2018年正定化肥氮磷的投入量高達(dá)964 kg·hm—2和268 kg·hm—2,遠(yuǎn)高于流域化肥平均施用水平以及農(nóng)田合理的施肥水平[34],然而農(nóng)田系統(tǒng)養(yǎng)分利用效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于流域平均值。大清河山區(qū)受限于土壤肥力[44]以及耕作的機(jī)械化水平,人力成本較高,農(nóng)田系統(tǒng)生產(chǎn)相對(duì)不發(fā)達(dá),僅部分靠近平原的個(gè)別區(qū)縣域化肥投入量處于較高水平,如順平、靈壽化肥氮素投入量高達(dá)550 kg·hm—2和484 kg·hm—2。中部平原雖然耕地資源較為豐富,但區(qū)域內(nèi)化肥氮磷養(yǎng)分平均輸入量(261 kg·hm—2和78 kg·hm—2)低于流域均值,農(nóng)田系統(tǒng)養(yǎng)分高利用率地區(qū)均分布于此。

流域內(nèi)畜禽養(yǎng)殖密度空間差異極大,養(yǎng)殖密度最大的正定縣達(dá)14.5 LU·hm—2,養(yǎng)殖密度最小的蠡縣僅有0.8 LU·hm—2。養(yǎng)殖密度高于流域平均值的縣域主要分布在山前平原地區(qū)以及個(gè)別臨近平原的大清河山區(qū)縣域,如唐縣養(yǎng)殖密度高達(dá)10.8 LU·hm—2。中部平原地區(qū)靠近白洋淀湖泊,但畜牧系統(tǒng)并不發(fā)達(dá),畜禽養(yǎng)殖總量?jī)H占全流域的6%,平均養(yǎng)殖密度只有2.6 LU·hm—2,遠(yuǎn)低于流域平均值[17-22]。因此,高陽(yáng)和蠡縣的本地飼料可以滿足畜牧系統(tǒng)的生產(chǎn),無(wú)需再進(jìn)口外源飼料。隨著白洋淀流域畜禽養(yǎng)殖禁養(yǎng)區(qū)的劃定以及合理布局養(yǎng)殖區(qū)域等一系列的環(huán)境規(guī)劃與政策的落實(shí),白洋淀流域畜禽養(yǎng)殖空間差異將會(huì)更加明顯。

高投入、高產(chǎn)出、低利用效率的農(nóng)牧系統(tǒng)氮磷流動(dòng)特點(diǎn),導(dǎo)致流域內(nèi)單位面積氮磷高損失地區(qū)主要集中在山前平原南部地區(qū)。此外,白溝引河子流域、府河子流域和孝義河子流域所覆蓋的區(qū)域農(nóng)牧系統(tǒng)氮磷養(yǎng)分損失均在組Ⅰ和組Ⅱ范圍。就氮素而言,3 個(gè)子流域中農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分損失依舊需要警惕。

3.3 白洋淀流域農(nóng)牧系統(tǒng)存在問(wèn)題與建議

白洋淀流域農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分輸入過(guò)度依賴化肥投入。應(yīng)當(dāng)深化化肥“零增長(zhǎng)”政策,著眼于“減肥”,加強(qiáng)測(cè)土配方施肥[45]技術(shù)的推廣,優(yōu)化施肥方案,按需施肥,科學(xué)指導(dǎo)農(nóng)田化肥施用方式,減少農(nóng)田養(yǎng)分損失,提高農(nóng)田養(yǎng)分利用率;另一方面,在家庭承包責(zé)任制下,農(nóng)戶是耕地耕種行為的真正決策主體,引導(dǎo)農(nóng)戶接受環(huán)境友好型施肥技術(shù),能有效地降低農(nóng)田化肥過(guò)多的使用量[46]。

白洋淀流域隨著規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)的增加以及畜禽政策的逐步落實(shí),畜禽糞污直接排放的養(yǎng)分損失顯著減少,進(jìn)而導(dǎo)致畜禽糞便中氮素氣體損失占比的增加。因此畜牧系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)化飼料配比[47-48],增加養(yǎng)分利用率,減少畜禽糞尿的產(chǎn)生量;同時(shí),在“全鏈條”畜禽糞尿管理方面,鼓勵(lì)建設(shè)低糞尿損失的圈舍與儲(chǔ)存設(shè)施;摒棄傳統(tǒng)的“糞污堆漚”技術(shù),采用先進(jìn)的糞污處理技術(shù)[49-50]能顯著降低畜禽糞尿的氣體損失。

白洋淀流域區(qū)域間農(nóng)牧系統(tǒng)畜禽養(yǎng)殖密度差異極大,禽糞尿產(chǎn)生總量與土地的承載能力不匹配極易造成養(yǎng)分損失。因此,未來(lái)畜牧系統(tǒng)發(fā)展應(yīng)當(dāng)“以地定量”[51],優(yōu)化區(qū)域間畜禽養(yǎng)殖數(shù)量。同時(shí),白洋淀流域河道復(fù)雜,不同區(qū)域畜禽養(yǎng)殖應(yīng)當(dāng)考慮畜禽養(yǎng)殖禁養(yǎng)區(qū),落實(shí)環(huán)境規(guī)劃與政策,合理布局白洋淀流域作物種植和畜禽飼養(yǎng)以降低資源環(huán)境代價(jià),最終保證白洋淀流域水環(huán)境質(zhì)量健康。

4 結(jié)論

白洋淀流域農(nóng)牧系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)化肥“零增長(zhǎng)”。然而,化肥養(yǎng)分投入量依舊處于過(guò)高水平,農(nóng)田系統(tǒng)養(yǎng)分損失略微下降。畜禽養(yǎng)殖密度逐年減少,外源飼料依賴率以及畜禽糞尿產(chǎn)生量逐漸降低,畜牧氮磷利用率較高,畜牧系統(tǒng)發(fā)展較為健康。受國(guó)家和地方一系列種植業(yè)和畜牧業(yè)相關(guān)政策的影響,白洋淀流域農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)利用率明顯增加,農(nóng)牧系統(tǒng)氮磷的總損失明顯減少,2018年分別為233.8 kg·hm—2和12.6 kg·hm—2,較2005年分別減少24.5%和62.2%。農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分利用率雖明顯升高,但仍處于較低水平,2018年農(nóng)牧系統(tǒng)氮磷利用率僅有28.0%和19.7%。未來(lái)白洋淀流域農(nóng)牧系統(tǒng)應(yīng)繼續(xù)減少化肥投入,增加有機(jī)肥部分替代化肥比例,深化種養(yǎng)結(jié)合程度,進(jìn)而彌補(bǔ)白洋淀流域農(nóng)牧系統(tǒng)在養(yǎng)分投入與循環(huán)方面脫節(jié)的問(wèn)題。

受地理差異影響,白洋淀流域區(qū)域農(nóng)牧系統(tǒng)氮磷養(yǎng)分輸入與輸出空間差異明顯,基本呈現(xiàn)“三明治”式特征。部分縣域農(nóng)牧系統(tǒng)氮磷流動(dòng)出現(xiàn)了高投入、高產(chǎn)出、低利用效率的特點(diǎn),主要集中在山前平原南部地區(qū)。隨著一系列政策的實(shí)施,山前平原南部地區(qū),農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分損失顯著降低,但依舊不容樂(lè)觀,此外,受畜禽養(yǎng)殖區(qū)域規(guī)劃與環(huán)境政策的調(diào)控,白洋淀流域空間差異會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)。未來(lái)白洋淀流域農(nóng)牧系統(tǒng)發(fā)展應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步加強(qiáng)區(qū)域間種養(yǎng)結(jié)合程度,合理布局區(qū)域間畜禽養(yǎng)殖數(shù)量,繼續(xù)減少區(qū)域化肥投入,實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分協(xié)同優(yōu)化管理。