华北平原典型区域农牧系统氮素流动及其环境效应——以河北省为例

【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。

石灰氮对土壤NH3、N2O排放的影响

为了研究石灰氮对土壤氨(NH3)挥发和氧化亚氮(N2O)排放的影响,本研究采用室内模拟方法,共设置石灰氮(LN)、尿素(Ur)、碳酸氢铵(AB)和对照(CK)等4个处理,分别采用原位通气和静态箱法测定NH3和N2O排放速率.结果表明,与AB处理氨挥发速率逐渐降低的特征相比,LN与Ur处理氨挥发速率均呈先增加后降低的特征,且LN处理的氨挥发速率高于Ur处理.Ur、AB处理的N2O排放为单峰,LN处理先后出现两个排放峰.培养前期(2—12 d),LN处理土壤NH4^+-N显著高于Ur和AB处理,与该处理前期NO3^--N含量增幅较小、随后增长速率加快相吻合.AB和Ur处理的N2O、NH3排放速率均与土壤NO3^--N和NH4^+-N显著相关,但LN处理仅NH3挥发速率与土壤NO3^--N、NH4^+-N显著相关.LN、AB和Ur处理NH3挥发系数分别为5.9%、5.3%和2.5%,N2O排放系数分别为0.52%、1.13%和0.76%.综上,施用石灰氮可显著降低N2O排放,但增加了NH3挥发风险,因此施用石灰氮时应综合考虑其氮素损失及环境风险.

我国农业全产业链绿色发展路径与对策研究

农业全产业链绿色发展既是提升农产品竞争力、促进农业产业增值的重要途径,又是提高资源利用效率、保障经济永续发展的必然选择。本文基于农业全产业链、农业绿色发展的理论认知,界定了农业全产业链绿色发展的内涵与特征,深入剖析了我国农业全产业链的发展现状、重大挑战、可行路径。研究发现,农业全产业链绿色转型的关键痛点在于系统设计不足、产业链条短、中小型生产经营主体融入难度大、资源利用效率低、增值效应不突出、生态协同困难;农业产业全链条的绿色转型升级与政策保障是促进全产业链价值提升的关键,内部循环融合、横向延伸拓展、纵向要素融合、产业跨越融合是农业全产业链绿色发展的实践路径。为此建议,进一步从加强顶层设计,推进创新驱动、拓展生态优势、完善监管服务、探索利益联结机制等角度精准施策,完善全产业系统布局、优化产品价值转化体系,助推我国农业全产业链融合绿色发展。

施氮量对冬小麦产量、品质和土壤氮素平衡的影响

以冬小麦‘衡4399'、‘藁优2018'为研究对象,于河北正定设置不同施氮处理(No、N158、N225、N270和N293),研究施氮量与冬小麦产量、品质(蛋白质含量)及土壤氮素表观盈亏量的关系,构建基于环境和粮食安全的氮素投入阈值。结果表明:在施氮量225 kg N/hm2处理时,冬小麦产量最大,继续增加施氮量,产量有下降趋势;在施氮量270 kg N/hm2处理时蛋白质含量最高,随后趋于稳定且表现出降低的趋势;不同处理0~200 cm土壤硝态氮累积量随施氮量增加而增加,且第二季冬小麦累积峰有垂直向下运移的趋势;各处理0~90 cm氮素表观盈亏量随施氮量增加而增加,且各施氮处理均表现为盈余。因此,在综合保障冬小麦高产、高经济效益和低土壤氮素损失前提下,研究区两季冬小麦氮素投入阈值分别为149.9~255.6 kg N/hm2和237.9~260.0 kg N/hm2,而综合考虑冬小麦高产与优质,研究区两季冬小麦氮素投入阈值分别为255.6~300.0 kg N/hm2和260.0~305.0 kg N/hm2。可见,不同小麦品种的产量和品质对氮素供应的响应存在较大差异,强筋小麦的品质形成对于氮素需求较高,将小麦品质加入到评价指标后提出的氮素投入阈值普遍偏高,过高的氮素投入会导致肥料利用率降低且环境污染风险增加。

基于GIS的村级小麦玉米高产高效管理系统构建与验证

小农户是我国农业生产的主体,由此导致生产中存在产量和资源利用效率地块间变异大的问题。为了提高作物的产量和氮肥利用效率,实现小农户地块的精准管理,本文以GIS技术为平台,利用C#语言,建立村级小麦玉米高产高效管理系统,并通过田间对比试验和农户调研分别进行了系统效果的验证及其可行性评价。结果表明,该系统以农户地块为单元,通过信息查询、分析、作物管理决策、系统管理等功能模块,实现了村域每个农户地块的高产高效(氮肥高效)技术推荐。两年22个对比试验结果表明,与农民习惯相比,系统推荐的高产高效处理小麦季平均增产10.8%,氮肥偏生产力提高28.5%;玉米季平均增产10.3%,氮肥偏生产力增加16.9%,实现小麦玉米产量和氮肥利用效率的同步提高。农户调研结果表明,农户对推荐系统的认可程度较高,利用该系统进行技术推荐具有可行性;农户对小麦玉米的各项推荐技术认知度较高,但采用率差异较大,其中小麦优良品种采用率可达94%,但小麦精量播种技术的采用率只有29%,玉米增密技术和晚收技术的采用率仅仅2%和35%;受科技人员技术推荐影响较大的试验户和辐射户的认知率与采用率均高于普通农户,说明通过技术服务可以促进小麦玉米高产高效管理技术的应用。总之,本系统实现了小农户地块作物管理技术的辅助决策,具有显著增产增效作用,可以为村级实现大面积的作物高产高效提供支持。

中国农业绿色发展相关氮素指标的时空变化特征

氮素在农业和食物系统中的行为关乎资源、环境、食物安全和人体健康等重要问题,是反映农业绿色发展的关键指标。本文选取18个与农业绿色发展密切相关的氮素指标,并按照农业绿色发展程度从高到低分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ级,基于统计数据和文献资料,通过食物链养分流动模型(NUFER)定量相关氮素指标,分析其时空变化特征,探讨相关氮素指标的影响因素,为农业绿色发展提供改善意见和建议。结果表明,1980—2017年间全国氮素使用强度、环境排放及整体利用效率均呈现由Ⅰ级向Ⅳ级水平转变的下降趋势,秸秆循环利用效率、大部分氮素生产类以及食物消费类的指标均呈现由Ⅳ级向Ⅰ级水平转变的上升趋势。从空间分布看,氮素投入和环境损失较高的区域主要分布在华北地区、华东地区、华中地区以及华南地区;食物消费水平在各地区均有提升,其中东部地区提升更明显;东部和北部地区的单位植物和动物蛋白产量水平相对较高,但仍处于Ⅲ级水平;效率类指标在31个省份中,大部分地区处于Ⅲ和Ⅳ级水平。与1980年相比,2017年全国氮素指标Ⅳ级和Ⅲ级水平占比变化不大,但Ⅰ级水平占比由27.1%降低至8.3%,农业绿色发展水平整体呈下降趋势。七大地区中各个地区Ⅰ级水平占比均降低,并且大部分地区均低于30.0%,Ⅲ级和Ⅱ级水平的占比明显增加。在指标类型方面,与1980年相比,2017年氮素生产类和食物消费类指标等级在Ⅳ级水平占比降低,农业绿色发展水平呈上升趋势;氮素环境排放类和效率类指标等级在Ⅰ级和Ⅱ级水平占比之和也在降低,农业绿色发展水平呈下降趋势。这是由种植业和畜牧业氮素资源投入高、种植以及养殖结构改变、农牧系统生产脱节严重、社会经济发展不平衡等因素造成的。因此,需要针对不同类型指标的时空变化特征,通过测土配方施肥、改变种养结构和应用氮素减排技术与政策等手段实现氮素指标的优化,推动中国农业绿色发展。

村域农田氮素排放特征研究——以新安村为例

为揭示村域氮素排放特征,以河北正定新安村为例,通过2016—2018年两个轮作周期对农户作物管理、作物产量等信息实地调研、取样分析,运用NUFER-Farm模型系统,研究了新安村氮素时空排放特征及其与作物种类、施氮量、灌溉、土壤质地等的关系。结果表明,两个轮作周期单位面积农田氮素总排放量和氧化亚氮排放量差异不显著,而硝态氮淋洗量和氨挥发量差异显著,第二个轮作周期单位面积农田硝态氮淋洗量和氨挥发量分别比第一个轮作周期增长60.1%和减少13.8%,造成差异显著的原因主要是气象条件和作物种类。季节上,两年单位面积农田氮素总排放量均为秋冬春季显著大于夏季。村内临近田块氮素排放差异较大,空间分布规律不明显;但到村域尺度,不同方位氮素排放空间分布上存在一定规律,如西北、东北、东南、西南方位单位面积农田氮素总排放量平均值分别为66.8、60.2、59.6、52.3 kg N·hm^-2,其中西南方位氮素排放显著低于其他方位。村域农田氮素排放受到作物种类、施氮量、灌溉次数与土壤质地等因素显著影响。其中当地主要作物冬小麦、夏玉米和大豆单位面积农田氮素总排放平均值分别为40.5、28.5 kg N·hm^-2和5.3 kg N·hm^-2,差异显著;两个轮作体系氮素总排放量均随施氮量、灌溉次数的增加而呈现增加的趋势;土壤质地对农田氮素总排放量也有较大影响,其中砂土、砂壤土和壤土单位面积农田氮素总排放平均值分别为78.2、60.4 kg N·hm^-2和51.0 kg N·hm^-2,依次降低。总之,村域农田氮素排放具有较大的时空差异,更多受到田块作物种类、土壤条件、管理因素的影响,因此,村域氮素减排要针对田块采取优化施氮、节水灌溉、调整作物布局等措施。

冀中地区桃树养分投入、土壤养分状况及其与产量的关系

本研究于2016年秋~2018年秋对冀中地区60个桃园进行跟踪监测,记录养分投入、测定土壤养分及桃树果实产量,分析桃树果实产量与养分投入及土壤养分之间的关系。结果表明:冀中地区桃园年度养分投入总量平均值氮素(N)在680~1053 kg hm^-2,磷素(P2O5)2在77~925 kg hm^-2,钾素(K2O)在358~718 kg hm^-2,其中以化肥养分为主;各桃园养分投入量存在极大差异,如氮养分投入总量高的超过2000 kg hm^-2,而低的则仅有115 kg hm^-2。与果园土壤养分分级标准相比,2017年春季和秋季土壤硝态氮含量总体处于较低水平,有效磷和速效钾含量处于较高水平,微量元素含量处于丰富水平。与合理施肥量相比,冀中地区绝大多数桃园处于过量施肥水平;在目前养分供应范围内,桃树果实产量、株果数和种植密度与养分投入、土壤养分含量相关性不显著,但单果重与其均呈显著正相关。总之,冀中地区桃园应加强科学施肥,在保证产量的基础上,适量降低氮磷钾投入量,增加有机肥施用量,调整养分投入比例,达到提质增效的目的。