中国栽培草地氮磷流动空间特征

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魏志标, 柏兆海, 马林, 张福锁. 中国栽培草地氮磷流动空间特征[J]. , 2018, 51(3): 535-555 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2018.03.012
WEI ZhiBiao, BAI ZhaoHai, MA Lin, ZHANG FuSuo. Spatial Characteristics of Nitrogen and Phosphorus Flow in Cultivated Grassland of China[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2018, 51(3): 535-555 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2018.03.012

0 引言

【研究意义】栽培草地的种植规模和水平是衡量一个国家畜牧业发展程度的标准^[1]。过去20年间,中国栽培草地面积增加了两倍以上^[2-3]。中国主要栽培牧草超过70种,几乎在全国各地均有分布,面积约2.2×10⁷hm²,分为多年生和一年生两种类型^[4]。苜蓿是中国最主要栽培牧草,占多年生牧草总量的28%,燕麦和黑麦草是最主要的一年生牧草,分别占一年生牧草总量的50%和12%。2016年中央一号文件提出要扩大粮改饲试点,加快建设现代饲草产业体系^[5]。集约化管理的栽培草地生产力是天然草地生产力的10—20倍^[6-7]。通过建设栽培草地,可以将大部分的天然草地从目前的放牧压力中解放出来,充分发挥其生态功能^[2,8]。【前人研究进展】同美国等畜牧业发达的国家相比,不合理的田间管理措施导致中国的牧草产量偏低^[4,9]。播种、施肥和灌溉作为重要的栽培管理措施,会显著影响牧草的产量^[10-12]。不同地区需要因地制宜的选择适宜的节水灌溉方式。有研究表明,相比畦灌和不灌溉,西北地区采用滴灌的方式牧草可以增产12%和108%,水分利用率比畦灌提高19%^[13]。关于养分管理方面的文章大多是围绕着某一特定的地区或者牧草种类做氮磷肥效试验,或者是研究牧区土壤的基础肥力。陈萍等^[14]分析了碱性条件下苜蓿的优化施肥方案,指出苜蓿的最佳产量施肥量为氮肥60 kg·hm^-2,磷肥135 kg·hm^-2;肖相芬等分别报道了黑麦草和燕麦草的优化施肥量^[15-16];顾梦鹤等^[17]在青藏高原的研究表明,在人工建植的混播草地上,施肥可以有效抑制杂草的入侵和生长,有利于青藏高原高寒地区的经济发展和生态环境建设。关于中国主要草地土壤养分累积量的文章也有部分报道^[18],GU等^[19]认为中国草地氮素有部分盈余,氮的利用率为59%;ZHOU等^[20]综述了全球草地磷流动的结果,认为栽培草地磷累积量分布在-46—126 kg·hm^-2的范围内。总体而言,中国栽培草地的氮磷养分管理技术规范尚不健全,氮磷肥施用不合理,不同区域间肥料的使用量差异很大^[9],迫切需要对草地养分流动情况有更深入的了解。【本研究切入点】苜蓿、黑麦草和燕麦草是中国栽培牧草的典型种类,分别属于多年生牧草、一年生草本和一年生饲用作物^[4],种植面积较广,三者的养分流动情况可以反映中国牧草生产的总体状况。本研究通过建立中国不同区域苜蓿、黑麦草和燕麦草氮磷输入和输出的数据库,使用NUFER模型,估算牧草生产过程中的环境排放。【拟解决的关键问题】定量中国不同区域天然草地的养分平衡账户;分析不同区域天然草地氮磷利用率;评估不同区域天然草地的氮磷环境排放。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究利用NUFER模型计算,模型包括输入模块、输出模块和计算模块^[21-22]。输入模块包括变量和参数。化肥用量、牧草播种面积、作物产量等属于模型变量,来源于统计数据和专家咨询等。本研究先后咨询了中国农业大学、河北省农林科学院、西藏农牧科学研究院、山西省农业科学院、西北农林科技大学、西南林业大学等单位的相关专家,获取了内蒙、新疆、西藏、云南、四川等地区牧草的氮磷肥料施用量。参数例如牧草氮磷含量、养分环境排放因子来源于文献数据。模型输出模块包括氮磷平衡帐户、氮磷利用率和各种形态氮磷环境排放,包括挥发（NH₃）、氧化亚氮排放（N₂O）、反硝化（N₂）、氮磷径流、侵蚀、淋洗等。

1.2 模型计算

养分账户的输入项包括粪尿输入、大气沉降、生物固氮（N）、灌溉带入、播种带入;输出项包括牧草收获、挥发（NH₃）、氧化亚氮排放（N₂O）、反硝化（N₂）、径流、侵蚀、淋洗、累积。具体的养分输入和输出公式如下：
If_total=If_fertilizer+If_deposition+If_fixation+If_irrigation+If_seeding（1）
If_seeding=SR×Seed_N(P)C/100 （2）
式中,If_total代表栽培草地氮（磷）总输入量（kg·hm^-2）,If_fertilizer代表栽培草地中氮（磷）肥施用量（kg·hm^-2）,其数据基于专家咨询和文献搜集获得,各区域的具体量见表1;If_deposition代表氮（磷）沉降（kg·hm^-2）,If_fixation代表栽培草地生物固氮（kg·hm^-2）,If_irrigation代表灌溉带入栽培草地中的氮（磷）（kg·hm^-2）,以上数据通过文献总结获得^[23-27],具体数据见表2;If_seeding代表播种带入栽培草地中的氮（磷）（kg·hm^-2）,其数据通过栽培牧草播种量和种子氮（磷）含量估算;栽培牧草播种量（kg·hm^-2）和种子氮（磷）含量（%）分别由SR和Seed_N(P)C表示,通过文献总结获得,二者的具体数据见表3。
Of_total=Of_forage+Of_NH3+Of_N2O+Of_{denitrification}+Of_runoff+Of_erosion+Of_leaching+Of_accumulation （3）
Of_forage=yield×forage_N(P)C /100 （4）
式中,Of_total代表栽培草地氮（磷）总输出量（kg·hm^-2）,Of_forage表示栽培牧草氮（磷）输出量（kg·hm^-2）,其数值基于牧草产量和牧草氮（磷）含量估算;牧草产量（kg·hm^-2）和栽培牧草氮（磷）含量（%）分别由yield和forage_N(P)C表示,二者的数值分别源于《中国草业统计2014》和已发表的文献,各地区的具体量见表3和表4;Of_NH3表示氨挥发,Of_N2O表示氧化亚氮排放,Of_{denitrification}表示反硝化,Of_runoff表示氮（磷）径流,Of_erosion表示氮（磷）侵蚀,Of_leaching表示氮（磷）淋洗,Of_accumulation表示栽培草地土壤氮（磷）累积（kg·hm^-2）,以上数据由NUFER模型模拟得到^[21-22],该模型可用于模拟食物链养分流动情况。
N(P)UE_f =（Of_forage/If_total）×100% （5）
式中,N(P)UE_f表示栽培草地氮（磷）利用率,N(P)UE_f由牧草氮（磷）输出量和栽培草地氮（磷）输入量的比值得到。
Table 1
表1
表12014年中国不同区域苜蓿、黑麦草和燕麦草的施肥量
Table 1The average fertilizer application rate on alfalfa, ryegrass and oat grass in different regions of China in 2014

区域 Region	苜蓿 Alfalfa^[S1-S25]		黑麦草 Ryegrass^[S26-S54]		燕麦草 Oat grass^[S55-S60]
区域 Region	施氮量 N application rate (kg·hm^-2)	施磷量 P application rate (kg·hm^-2)	施氮量 N application rate (kg·hm^-2)	施磷量 P application rate (kg·hm^-2)	施氮量 N application rate (kg·hm^-2)	施磷量 P application rate (kg·hm^-2)
全国 China	130	68	397	79	182	52
北京Beijing	61	28	—	—	—	—
天津 Tianjin	73	38	—	—	—	—
河北 Hebei	81	50	—	—	—	—
山西 Shanxi	154	93	—	—	246	81
内蒙古 Inner Mongolia	110^a	63^a	—	—	66	12
辽宁 Liaoning	78	20	—	—	—	—
吉林 Jilin	159	18	—	—	—	—
黑龙江Heilongjiang	72	48	—	—	—	—
江苏 Jiangsu	29	39	300^a	24^a	—	—
安徽 Anhui	35	38	247	4	—	—
江西 Jiangxi	91	45	143	58	—	—
山东 Shandong	32	37	210	21	—	—
河南 Henan	96	38	263	55	—	—
湖北 Hubei	67	35	270	58	104	26
湖南 Hunan	116	55	306	34	—	—
广西 Guangxi	262	98	198	28	—	—
重庆 Chongqing	86	42	120	12	90	29
四川 Sichuan	94	37	594^a	86^a	74	17
贵州 Guizhou	279	122	457	145	—	—
云南 Yunnan	225	56	395^a	72^a	88	30
西藏 Tibet	323^a	88^a	323^a	88^a	323^a	88^a
陕西 Shaanxi	154^a	93^a	263	55	85	33
甘肃 Gansu	127^a	66^a	—	—	84	33
青海 Qinghai	323^a	88^a	—	—	323^a	88^a
宁夏 Ningxia	127^a	66^a	—	—	38	17
新疆 Xinjiang	127^a	66^a	—	—	271	54
福建 Fujian	—	—	370	24	—	—
广东 Guangdong	—	—	353	74	—	—

^a represents data acquired by expert consultation, other data derived from published data (appendix 1)^a表示专家咨询获得的数据,其他的部分源于已发表的文章（附录1）

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Table 2
表2
表22014年中国不同区域栽培草地氮磷沉降、灌溉及生物固氮量
Table 2The N and P input by deposition, irrigation and fixation in different regions of China in 2014

区域 Region	沉降Deposition^[23-24]		灌溉Irrigation^[25-26]		生物固氮 N fixation (kg·hm^-2)^[27]
区域 Region	N (kg·hm^-2)	P (kg·hm^-2)	N (kg·hm^-2)	P (kg·hm^-2)	生物固氮 N fixation (kg·hm^-2)^[27]
全国 China	22	0.21	6.9	0.13	166
北京 Beijing	23	0.18	25	0.40	130
天津 Tianjin	23	0.18	25	0.40	322
河北 Hebei	23	0.18	25	0.40	127
山西 Shanxi	23	0.18	25	0.40	228
内蒙古 Inner Mongolia	8	0.11	25	0.40	90
辽宁 Liaoning	18	0.15	25	0.40	162
吉林 Jilin	18	0.15	25	0.40	115
黑龙江Heilongjiang	18	0.15	25	0.40	98
江苏 Jiangsu	27	0.43	4.9	0.30	454
安徽 Anhui	27	0.43	4.9	0.30	260
江西 Jiangxi	27	0.43	4.9	0.30	252
山东 Shandong	23	0.18	25	0.40	112
河南 Henan	23	0.18	25	0.40	292
湖北 Hubei	27	0.43	4.9	0.30	302
湖南 Hunan	27	0.43	4.9	0.30	274
广西 Guangxi	23	0.63	4.9	0.30	227
重庆 Chongqing	23	0.43	4.9	0.30	337
四川 Sichuan	23	0.28	4.9	0.30	416
贵州 Guizhou	23	0.43	4.9	0.30	360
云南 Yunnan	23	0.36	4.9	0.30	274
西藏 Tibet	5.3	0.13	0	0	69
陕西 Shaanxi	23	0.18	25	0.40	156
甘肃 Gansu	8	0.093	25	0.40	202
青海 Qinghai	5.3	0.13	0	0	23
宁夏 Ningxia	8	0.093	25	0.40	174
新疆 Xinjiang	8	0.093	25	0.40	162
福建 Fujian	27	0.63	4.9	0.30	—
广东 Guangdong	27	0.63	4.9	0.30	—

The deposition rate refers to wet deposition. Alfalfa acquires around 80% of their nitrogen from N fixation. All data used derived from published articles表中的沉降量指湿沉降,苜蓿的生物固氮量占总吸氮量的80%,数据源于已发表的文章

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Table 3
表3
表32014年中国苜蓿、黑麦草和燕麦草的种子带入养分量和牧草养分含量
Table 3N and P input by seeding and the forage nutrient content in China in 2014

牧草种类 Forage type	播种量 Sowing rate (kg·hm^-2)	种子氮含量 Seed N content (%)	种子磷含量 Seed P content (%)	种子氮带入 Seed N input (kg·hm^-2)	种子磷带入 Seed P input (kg·hm^-2)	牧草氮含量 Forage N content (%)	牧草磷含量 Forage P content (%)
苜蓿Alfalfa^[SS1-SS19]	20	6.0	0.67	1.2	0.13	3.0	0.27
黑麦草Ryegrass^[SS20-SS46]	30	2.8	0.42	0.85	0.13	2.4	0.37
燕麦草Oat grass^[SS47-SS55]	180	3.2	0.57	5.7	1.0	1.7	0.20

Nutrient input by seed= Seeding rate × nutrient content. Seeding rate used derived from published articles, nutrient content of the seed derived from EPIC model; Forage nutrient content derived from published articles (appendix 2)种子带入土壤中的养分含量=播种量×种子养分含量,其中播种量源于已发表的文章^[28],种子养分含量数据源于EPIC模型;牧草养分含量通过文献总结获得（附录2）

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Table 4
表4
表42014年中国不同区域苜蓿、黑麦草和燕麦草的养分输出量
Table 4The output of N and P for alfalfa, ryegrass and oat grass in different regions of China in 2014

区域 Region	苜蓿 Alfalfa			黑麦草 Ryegrass			燕麦草 Oat grass
	产量 Yield (t·hm^-2)	牧草携出N Forage output N (kg·hm^-2)	牧草携出P Forage output P (kg·hm^-2)	产量 Yield (t·hm^-2)	牧草携出N Forage output N (kg·hm^-2)	牧草携出P Forage output P (kg·hm^-2)	产量 Yield (t·hm^-2)	牧草携出N Forage output N (kg·hm^-2)	牧草携出P Forage output P (kg·hm^-2)
	全国China	6.9	208	18	16	396	61	8.8	149	18
北京Beijing	5.4	162	16	—	—	—	—	—	—
天津Tianjin	13	402	40	—	—	—	—	—	—
河北Hebei	5.3	159	16	—	—	—	—	—	—
山西Shanxi	9.5	285	28	—	—	—	6.8	116	14
内蒙古 Inner Mongolia	3.8	114	11	—	—	—	6.9	117	14
辽宁Liaoning	6.8	204	20	—	—	—	—	—	—
吉林Jilin	4.8	144	14	—	—	—	—	—	—
黑龙江Heilongjiang	4.1	123	12	—	—	—	—	—	—
江苏Jiangsu	19	567	57	16	372	62	—	—	—
安徽Anhui	11	324	32	12	288	48	—	—	—
江西Jiangxi	10	315	32	15	358	60	—	—	—
山东Shandong	4.7	141	14	6.9	166	28	—	—	—
河南Henan	12	366	37	13	319	53	—	—	—
湖北Hubei	13	378	38	18	425	71	9.0	153	18
湖南Hunan	11	342	34	27	653	109	—	—	—
广西Guangxi	9.5	285	28	11	266	44	—	—	—
重庆Chongqing	14	423	42	14	338	56	9.0	153	18
四川Sichuan	17	522	52	16	377	63	11	182	21
贵州Guizhou	15	450	45	22	526	88	—	—	—
云南Yunnan	11	342	34	15	353	59	13	219	26
西藏Tibet	2.9	87	8.7	14	338	56	4.4	75	8.8
陕西Shaanxi	6.5	195	20	11	264	44	4.7	80	9.4
甘肃Gansu	8.4	252	25	—	—	—	6.8	116	14
青海Qinghai	9.7	291	29	—	—	—	11	184	22
宁夏Ningxia	7.2	216	22	—	—	—	4.3	73	8.6
新疆Xinjiang	6.8	204	20	—	—	—	4.2	71	8.4
福建Fujian	—	—	—	12	286	48	—	—	—
广东Guangdong	—	—	—	14	348	58	—	—	—

Nutrient output by forage=forage yield × forage nutrient content, forage content derived from China Grass Industry Statistics 2014^[4]牧草养分携出=牧草产量×牧草养分含量,牧草产量源于中国草业统计2014^[4]

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2 结果

2.1 2014年全国主要栽培草地氮磷流动特征

2014年全国苜蓿草地氮总输入（输出）量为1 547 Gg,生物固氮和氮肥输入到苜蓿草地中的氮占总输入量的51%和37%,另有12%通过氮沉降、播种和灌溉3种方式输入到苜蓿草地。牧草携出占苜蓿草地氮输出量的63%,苜蓿草地土壤氮累积量为294 Gg。中国苜蓿草地磷的总输入量为323 Gg,磷肥输入占总输入量的99%,苜蓿草地磷总输入量的68%累积到土壤中。2014年单位面积苜蓿草地氮输入（输出）量为326 kg N·hm^-2,氮的总损失量为55 kg N·hm^-2,氨挥发、氧化亚氮排放、径流、侵蚀、淋洗和反硝化6种途径的损失量分别为32、1.3、2.0、0.29、7.7和12 kg N·hm^-2,苜蓿草地氮利用率为64%。全国苜蓿草地土壤氮累积量为62 kg N·hm^-2。全国单位面积苜蓿草地磷输入量为68 kg P·hm^-2,沉降、灌溉和播种3种途径输入到土壤中磷的总和不足0.50 kg P·hm^-2,相比磷肥的施入量,这3项值可以忽略不计。苜蓿带走的磷为19 kg P·hm^-2,苜蓿草地磷的利用率为28%。通过径流、淋洗和侵蚀损失到环境中的磷量分别为0.26、2.2和0.10 kg P·hm^-2,全国苜蓿草地土壤磷的累积量很大,为47 kg P·hm^-2（表5）。
Table 5
表5
表52014年中国苜蓿、黑麦草和燕麦草氮磷流动特征
Table 5The N and P flow of alfalfa, ryegrass and oat grass in China in 2014

	项目 Item	单位面积氮N (kg·hm^-2)			单位面积磷P (kg·hm^-2)			总氮Total N (Gg)			总磷Total P (Gg)
	项目 Item	苜蓿 Alfalfa	黑麦草 Ryegrass	燕麦草 Oat grass	苜蓿 Alfalfa	黑麦草 Ryegrass	燕麦草 Oat grass	苜蓿 Alfalfa	黑麦草 Ryegrass	燕麦草 Oat grass	苜蓿 Alfalfa	黑麦草 Ryegrass	燕麦草 Oat grass
输入项 Input	肥料 Fertilizer	130	397	182	68	79	52	617	219	56	323	44	16
	沉降 Deposition	22	22	22	0.21	0.21	0.21	104	12	6.8	1.0	0.12	0.065
	生物固氮 N fixation	166	—	—	—	—	—	788	—	—	—	—	—
	灌溉 Irrigation	6.9	6.9	6.9	0.13	0.13	0.13	33	3.8	2.1	0.62	0.072	0.040
	种子 Seeding	1.2	0.85	5.7	0.13	0.13	1.0	5.7	0.47	1.8	0.62	0.072	0.31
	总输入 Total input	326	427	217	68	79	53	1547	236	67	323	44	16
输出项 Output	牧草携出 Forage output	208	396	149	19	61	18	987	219	46	90	34	5.6
	氨挥发 NH₃emission	32	99	46	—	—	—	152	55	14	—	—	—
	氧化亚氮排放 N₂O emission	1.3	4.0	1.8	—	—	—	6.2	2.2	0.56	—	—	—
	径流 Runoff	2.0	0	1.9	0.26	1.2	0.81	9.5	0	0.59	1.2	0.66	0
	侵蚀 Erosion	0.29	0	0.069	2.2	2.5	1.7	1.4	0	0	10	1.4	0.52
	淋洗 Leaching	7.7	0	3.4	0.10	0.065	0.14	37	0	1.0	0.47	0.036	0.043
	反硝化 Denitrification	12	0	2.7	—	—	—	57	0	0.83	—	—	—
	土壤累积 Soil accumulation	62	-73	12	47	15	33	294	-40	3.7	223	8.3	10
	总输出 Total output	326	427	217	68	79	53	1547	236	67	323	44	16

The total research area for alfalfa, ryegrass and oat grass is 4.7×10⁶, 0.55×10⁶ and 0.31×10⁶ hm², respectively研究区苜蓿、黑麦草和燕麦草的面积分别为4.7×10⁶、0.55×10⁶和0.31×10⁶ hm²

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2014年全国黑麦草草地氮总输入（输出）量为236 Gg,氮肥是最主要输入途径,93%的氮通过该途径输入,另外7%的氮通过氮沉降、灌溉和种子3种途径输入到土壤,牧草携出是氮输出的一种主要途径,占总输出量的93%。黑麦草草地磷的总输入（输出）量为44 Gg,磷肥输入到黑麦草草地中的磷占总输入量的99%,牧草携出是最重要的磷输出项,占总输出量的77%。2014年单位面积黑麦草草地的氮输入量为
427 kg N·hm^-2。牧草携出的氮为396 kg N·hm^-2,通过氨挥发和氧化亚氮损失的量分别为99和4.0 kg N·hm^-2。黑麦草生产中的氮利用率为93%,草地土壤氮呈亏缺态,亏损量为73 kg N·hm^-2。单位面积黑麦草草地磷的输入（输出）量为79 kg P·hm^-2。黑麦草生产的磷利用率为77%。通过径流、侵蚀和淋洗3种途径损失的磷分别为1.2、2.5和0.065 kg P·hm^-2,黑麦草土壤磷累积量为15 kg P·hm^-2（表5）。
2014年全国燕麦草地氮的总输入（输出）量为67 Gg,84%的氮通过氮肥输入到燕麦草草地,其余16%的氮通过氮沉降、灌溉和种子3种途径输入,牧草携出是氮输出的一种主要途径,占总输出量的69%。燕麦草地磷的总输入和总输出量为16 Gg,几乎所有的磷都是以磷肥的形式输入到燕麦草地,占总输入量的98%,牧草携出是最重要的磷输出项。2014年单位面积燕麦草草地氮输入（输出）量为217 kg N·hm^-2,单位面积燕麦草每年的氮带走量为149 kg N·hm^-2,通过氨挥发、氧化亚氮排放、径流、侵蚀、淋洗和反硝化6种途径损失到环境中的量分别为46、1.8、1.9、0.069、3.4和2.7 kg N·hm^-2。燕麦草草地土壤氮累积量为12 kg N·hm^-2。燕麦草生产中的氮利用率为69%。磷账户方面,单位面积燕麦草地磷的输入（输出）量为53 kg P·hm^-2。单位面积燕麦草磷带走量为18 kg P·hm^-2,通过径流、侵蚀和淋洗3种途径损失的磷分别为0.81、1.7和0.14 kg P·hm^-2,土壤磷累积量为33 kg P·hm^-2。燕麦草生产中的磷利用率为34%（表5）。

2.2 2014年中国各地区主要栽培草地氮磷平衡账户

2.2.1 苜蓿氮磷平衡账户各地区氮投入量的变化范围为194—668 kg N·hm^-2,生物固氮是苜蓿氮输入的一个主要方式。氮输入量最多的5个地区分别为贵州、青海、四川、云南和广西,输入量分别为668、563、540、529和519 kg N·hm^-2。山东苜蓿草地的氮输入量最小,为194 kg N·hm^-2。总体而言,西部和西南地区的总投入量大于华北和东北地区。牧草的输出量方面,基本上氮输入量越大的区域,苜蓿带走的养分越多,各地区牧草携出的量分布在86—568 kg N·hm^-2,江苏和西藏分别是牧草携出最多和最少的区域（图1-a）。
磷输入量和氮有相似的规律,各地区差异很大,
西南和东北地区输入量较高,磷输入量最高的省份为贵州,其输入量为122 kg P·hm^-2;华北和东北地区输入量低,输入量最低的省份为吉林,其磷输入量不足20 kg P·hm^-2。磷输入量较多的地区一般牧草携出量也偏高,牧草携出的磷分布在8—50 kg·hm^-2（图1-b）。

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图12014年中国不同地区苜蓿草地氮磷平衡账户
a：苜蓿氮账户The N budget of alfalfa;b：苜蓿磷账户The P budget of alfalfa
-->Fig. 1The N and P balance budget of alfalfa in different regions of China in 2014
-->

2.2.2 黑麦草氮磷平衡账户 2014年各地区单位面积黑麦草氮投入量差异较大,变化范围为149—623 kg N·hm^-2,这与苜蓿草地的氮输入量规律相似,但是黑麦草和苜蓿氮输入项的组成有很大的区别。黑麦草作为禾本科牧草,其氮输入中不包含生物固氮,氮肥是黑麦草氮输入的主要来源。黑麦草草地氮输入最高和最低的地区分别为四川和重庆。牧草氮输出量方面,各地区牧草携出氮的量分布在165—654 kg N·hm^-2,湖南和山东分别是牧草氮带走最多和最少的地区。与苜蓿不同,部分氮输入量不多的区域,牧草携出的养分却很多。以湖北为例,湖北的氮输入量在所有的省份中排在第11位,但是该省的牧草产量却位居全国第3位（低于湖南和贵州）（图2-a）。
2014年各地区单位面积黑麦草草地磷输入量和氮有相似的规律,各区域差异很大。磷输入量最高的为贵州,其输入量为146 kg P·hm^-2;输入量最低的为重庆,其输入量仅为12 kg P·hm^-2。牧草携出的磷分布在25—100 kg P·hm^-2（图2-b）。

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图22014年中国地区黑麦草氮磷平衡账户
a：黑麦草氮账户The N budget of ryegrass;b：黑麦草磷账户The P budget of ryegrass
-->Fig. 2The N and P balance budget of ryegrass in different regions of China in 2014
-->

2.2.3 燕麦草氮磷平衡账户 2014年各地区单位面
积燕麦草氮投入量差异较大,变化范围为76—334 kg N·hm^-2,氮肥是燕麦草氮输入的主要来源,这与黑麦草相同。燕麦草地氮输入最高和最低的地区分别为青海和宁夏。牧草氮的输出量方面,燕麦草的牧草氮携出量远低于黑麦草,各地区燕麦草氮携出量分布在71—220 kg N·hm^-2,云南和新疆分别是牧草携出氮最多和最少的区域（图3-a）。
2014年各地区单位面积燕麦草地磷输入量和氮有相似的规律,青藏高原区输入量较高。磷输入量最高的地区为西藏,其输入量为90 kg P·hm^-2;输入量最低的地区为宁夏,其输入量为14 kg P·hm^-2。牧草磷携出量分布在8—26 kg P·hm^-2（图3-b）。

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图32014年中国不同地区燕麦草氮磷平衡账户
a：燕麦草氮平衡账户The N budget of oat grass;b：燕麦草磷平衡账户The P budget of oat grass
-->Fig. 3The N and P balance budget of oat grass in different regions of China in 2014
-->

2.3 2014年中国各地区主要栽培草地氮磷利用率

2014年中国各地区苜蓿、黑麦草和燕麦草的氮磷利用率如表6。苜蓿氮利用率分布在22%—110%,江苏的氮利用率最高,达到了110%,安徽、四川、湖北、重庆和天津的氮利用率也超过了90%。内蒙古、吉林和西藏的氮利用率不足50%,其中西藏的氮利用率仅有22%,主要原因是这些地区的牧草产量较低。
苜蓿的磷利用率低于氮,且不同地区间差异很大,利用率最高的为江苏（128%）,四川的磷利用率也超过了100%。磷利用率最低的地区是西藏,仅为8.0%。新疆、青海等西部地区的磷利用率不足30%。
2014年各地区黑麦草氮利用率远高于苜蓿,分布在60%—227%,重庆和四川分别是利用率最高和最低的地区。江西的黑麦草氮利用率超过了200%,江苏、安徽、湖北、河南、湖南、贵州、广西和西藏的氮利用率在100%—200%。黑麦草磷利用率同样高于苜蓿,但区域间差异很大,分布在55%—410%,其中重庆的利用率达到了410%,江苏和湖南的磷利用率也较高（>200%）,湖北、山东、广西和福建的利用率分布在100%—200%。黑麦草磷利用率最低的为贵州（55%）。
2014年各地区燕麦草的氮利用率在苜蓿和黑麦草之间,分布在22%—180%,四川、湖北、重庆、云南和内蒙古的氮利用率高于100%。西藏和新疆两地的利用率较低,分别为22%和23%。燕麦草的磷利用率低于氮,分布在10%—119%。四川和内蒙古两地的利用率高于100%,西藏、新疆、陕西、山西、青海等西部地区的磷利用率不足30%。
Table 6
表6
表62014年中国各地区苜蓿、黑麦草和燕麦草氮磷利用率
Table 6The N and P use efficiency of alfalfa, ryegrass and oat grass in different regions of China in 2014

地区 Region	苜蓿 Alfalfa		黑麦草 Ryegrass		燕麦草 Oat grass
地区 Region	氮利用率NUE (%)	磷利用率 PUE (%)	氮利用率NUE (%)	磷利用率PUE (%)	氮利用率 NUE (%)	磷利用率 PUE (%)
江苏Jiangsu	110	128	112	232	—	—
安徽Anhui	99	75	103	92	—	—
四川Sichuan	96	122	60	67	170	119
湖北Hubei	94	93	140	111	108	67
重庆Chongqing	93	87	227	410	123	59
天津Tianjin	91	93	—	—	—	—
江西Jiangxi	84	61	204	92	—	—
河南Henan	83	83	102	88	—	—
湖南Hunan	81	55	193	284	—	—
山东Shandong	73	33	64	115	—	—
辽宁Liaoning	71	89	—	—	—	—
甘肃Gansu	69	34	—	—	94	39
贵州Guizhou	67	33	108	55	—	—
北京Beijing	67	50	—	—	—	—
山西Shanxi	66	27	—	—	38	16
云南Yunnan	65	54	83	74	180	83
宁夏Ningxia	65	29	—	—	95	48
新疆Xinjiang	63	27	—	—	23	15
河北Hebei	61	28	—	—	—	—
黑龙江Heilongjiang	57	23	—	—	—	—
广西Guangxi	55	26	117	138	—	—
陕西Shaanxi	54	19	84	73	57	27
青海Qinghai	52	29	—	—	55	24
内蒙古 Inner Mongolia	48	16	—	—	112	103
吉林Jilin	45	67	—	—	—	—
西藏Tibet	22	9.0	102	58	22	10
广东Guangdong	—	—	90	71	—	—
福建Fujian	—	—	71	175	—	—

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2.4 2014年中国各地区主要栽培草地氮磷环境损失

2.4.1 苜蓿氮磷环境损失西南地区和青藏高原区氮的环境损失量较高,其中,西藏的氮环境损失量最高（126 kg N·hm^-2）。华北和长江中下游地区的损失量较少,以江苏为例,该省氮的环境损失量仅为7.4 kg N·hm^-2。在各损失项中,氨挥发是最主要部分,而通过侵蚀损失的氮很少,基本上不超过1.0 kg N·hm^-2（图4-a）。磷排放的区域分布规律与氮相似,同样是西南地区高于其他地区。贵州的磷环境排放量远高于其他区域（18 kg P·hm^-2）,主要原因有两方面,一是当地种植苜蓿时,磷肥的投入量较大,二是当地的喀斯特地貌容易发生侵蚀。各项磷的环境损失中,侵蚀是最主要的部分,其次是径流,通过淋洗损失的养分最少（图4-b）。

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图42014年中国不同地区苜蓿氮磷环境排放
-->Fig. 4The N and P loss of alfalfa in different regions of China in 2014
-->

2.4.2 黑麦草氮磷环境损失四川省氮环境损失量最高,为198 kg N·hm^-2,重庆市的氮环境损失量最少,为31 kg N·hm^-2。在各损失项中,氨挥发是最主要部分（图5-a）。各地区磷的损失量变化范围为0.72—24 kg P·hm^-2,西南地区黑麦草磷的环境损失远高于其他地区,其原因与贵州地区苜蓿磷的环境损失项相同。在磷的各损失项中,侵蚀是最主要的部分（图5-b）。

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图52014年中国不同地区黑麦草氮磷环境排放
-->Fig. 5The N and P loss of ryegrass in different regions of China in 2014
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2.4.3 燕麦草氮磷环境损失西部地区的氮环境损失量明显高于其他区域,西藏、新疆和青海3省（自治区）的氮环境排放量超过100 kg N·hm^-2,相比之下,四川和重庆等南部省（直辖市）的氮损失量较少,不足30 kg N·hm^-2。此外,山西的氮环境排放量明显高于周边的其他省份,主要原因是山西的氮肥施用量明显高于其他省份（图6-a）。单位面积燕麦草磷损失规律与氮损失相似,均为西部地区高于其他区域。云南的磷环境排放量最高,超为5.0 kg P·hm^-2。侵蚀是最主要的磷损失项（图6-b）。

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图62014年中国不同地区燕麦草氮磷环境排放
-->Fig. 6The N and P loss of oat grass in different regions of China in 2014
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2.5 2014年中国地区主要栽培草地单位面积土壤氮磷累积量

2.5.1 苜蓿草地土壤氮磷累积量 2014年,除江苏、安徽和四川外,其余地区苜蓿氮土壤累积量均为正值。西藏、青海、广西、云南、贵州和辽宁的土壤累积量超过90 kg N·hm^-2,陕西、内蒙古、新疆、云南、宁夏、山西、甘肃、河北、黑龙江、辽宁、北京、湖南、河南、山东、江西、天津、重庆和湖北的土壤累积量分布在0—90 kg N·hm^-2（图7）。

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图72014年中国不同地区苜蓿草地土壤氮磷累积量
-->Fig. 7The N and P accumulation of alfalfa in different regions of China in 2014
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全国26个有苜蓿分布地区中,24个地区的磷累
积量为正值。西北地区苜蓿草地土壤磷累积量超过40 kg P·hm^-2,此外,广西和贵州两地的磷累积量同样超过40 kg P·hm^-2。西北地区苜蓿草地土壤磷累积量过高的原因是通过施肥输入土壤中的磷较多,而西藏、陕西、广西和山西的磷累积量高于贵州是因为贵州通过收获牧草输出的磷较多。河北、黑龙江、山东、湖南、云南、江西、北京、安徽、河南、吉林、重庆、天津、辽宁和湖北等地的苜蓿土壤磷累积量分布在0—40 kg P·hm^-2。江苏和四川的苜蓿土壤磷累积量为负值,亏缺量分别为14和15 kg P·hm^-2,主要原因是这两个地区苜蓿肥料投入量不高,但收获苜蓿携出的磷较多（图7）。
2.5.2 黑麦草草地土壤氮磷累积量全国共有16个地区有黑麦草分布,仅四川、山东和福建3省的氮累积量为正值。陕西、云南、广东、安徽、河南、广西、西藏、江苏、贵州、湖北、江西、重庆和湖南的黑麦草土壤氮累积量为负值,主要原因是通过收获黑麦草携出的氮较多,其中湖南、重庆和江西的土壤亏缺量超过200 kg N·hm^-2（图8）。
贵州、西藏、广东、四川、陕西、云南、河南和江西的黑麦草土壤磷累积量为正值。湖南、重庆、江苏、福建、广西、湖北、山东和安徽的黑麦草土壤磷累积量为负值。其中,湖南、重庆和江苏的亏缺量超过30 kg P·hm^-2,主要原因是收获牧草携出了大量的磷（图8）。

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图82014年中国不同地区黑麦草草地土壤氮磷累积量
-->Fig. 8The N and P accumulation of ryegrass in different regions of China in 2014
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2.5.3 燕麦草地土壤氮磷累积量燕麦草在西部和南部的12个地区有分布,其中西藏和新疆两地燕麦草地土壤氮累积量超过70 kg N·hm^-2,主要原因是当地通过施肥带入土壤中的氮很高,远大于其他地区,山西、青海和陕西燕麦草地土壤的氮同样呈盈余态,累积量分布在0—70 kg N·hm^-2。宁夏、甘肃、内蒙古、湖北、重庆、四川和云南的燕麦草土壤氮呈亏缺态（图9）。
同土壤氮累积相似,西藏、新疆、山西和青海的
燕麦草地磷有较高的累积,累积量>40 kg P·hm^-2,造成土壤过多磷累积的原因为磷肥输入过多。陕西、甘肃、重庆、宁夏、湖北和云南的土壤磷也呈盈余态,累积量在0—40 kg P·hm^-2。内蒙古和四川燕麦草地土壤磷略有亏缺（图9）。

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图92014年中国不同地区燕麦草地土壤氮磷累积量
-->Fig. 9The N and P accumulation of oat grass in different regions of China in 2014
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3 讨论

3.1 中国栽培草地氮磷流动特征

本研究发现,除黑麦草草地土壤氮外,中国主要栽培草地土壤氮磷养分均有不同程度的累积。而黑麦草土壤氮亏缺的主要原因是黑麦草产量较高,通过收获牧草从土壤中带走了大量的养分。本文中牧草产量数据为2014年数据,当年中国黑麦草平均产量为16 t·hm^-2,湖南的黑麦草产量更是达到了27 t·hm^-2（表6）,这就导致在计算中2014年黑麦草携出了大量的养分,使土壤的氮磷呈亏缺状态。总结已发表的文献,发现通过肥效和播种实验获得的黑麦草干草的平均产量为10 t·hm^-2,远低于2014年中国草业统计中的产量（16 t·hm^-2）,按此产量标准来计算,中国的黑麦草草地土壤氮则与2.5.2中计算的结果相反,多数地区呈养分盈余态。
此外,本研究还发现不同区域氮磷流动特征差异很大。关于主要栽培牧草生长规律和营养需求规律的研究相对滞后,营养调控技术主要参考大田作物的施肥技术及国外的营养调控技术,缺乏合理的技术规范^[9]。加之中国以粮为纲的思想,人们对于牧草科学施肥的重要性认识不足,农民认为牧草也是草,不需要管理,生产上采用盲目性的经验施肥比较普遍^[9,29]。国家牧草产业体系的人员于2012年进行的调研进一步证实了上述的观点,他们对全国主要苜蓿产区进行了调研,其中有18个样点不施氮肥,而另外7个样点的氮肥施用量超过150 kg N·hm^-2,不同地区磷肥的使用比例变化也很大,此外,施肥的样点大多根据经验沿用大田作物的管理技术^[9]。
由表6可知,部分地区的氮磷利用率超过100%,这意味着当地栽培草地的土壤氮磷处于亏缺态。但是当考虑整个轮作系统时,土壤养分亏缺量或许比较小。以黑麦草为例,黑麦草主要分布在中国南方地区,与水稻轮作^[18]。过高的施肥量会使水稻季土壤养分出现相当的累积,当施氮量超过190 kg·hm^-2时,稻田表观盈余量超过130 kg·hm^-2[30]。因而,部分地区栽培草地养分亏缺是否会造成生产的不可持续有待进一步分析。本文中黑麦草施肥量超过300 kg N·hm^-2,但黑麦草氮利用率依旧很高,原因可能是本研究未考虑前茬作物（水稻）生育期的养分盈余量。

3.2 中国栽培草地养分管理优化策略

基于本研究结果,对于中国主要栽培牧草养分管理的优化策略包括以下几个方面：
首先,中国苜蓿和燕麦草生产中可以适当的减少氮磷肥料的使用,但是黑麦草生产中应补施氮肥。全国苜蓿和燕麦草的土壤氮累积量分别为50和12 kg N·hm^-2,磷累积量分别为46和33 kg P·hm^-2。两种草地土壤的氮磷略有盈余,但相比大田作物,盈余量不大。以中国华北平原小麦-玉米轮作体系为例,该种植模式下,土壤每年的氮和磷累积量分别为227 kg N·hm^-2和53 kg P·hm^-2[31]。黑麦草草地土壤氮呈亏缺态,亏缺量为73 kg N·hm^-2,因而应补施尿素150 kg·hm^-2,施肥时期可以选择每次刈割后。黑麦草草地土壤略有盈余,无需补充磷肥,但是在实际的管理中,应考虑牧草的轮作方式。
其次,牧草养分流动的空间特征差异较大,需因地制宜的调控养分管理策略。苜蓿的主产区土壤的氮磷有部分盈余,当地应适当减少氮磷肥料的施用量,而四川、江苏等省份苜蓿草地土壤氮和磷有不同程度的亏缺,应补施肥料。全国大部分黑麦草种植区的土壤氮亏缺严重,应增施氮肥。黑麦草主产区（四川、贵州、云南和江西）的土壤磷基本平衡,无需进行养分的调控。各地区燕麦草养分管理方面,很多氮投入不足的区域,土壤磷却呈盈余态,燕麦草的肥料施用结构不平衡,在实际生产中应注意减施磷肥,或者将氮肥和家畜粪尿配合施用。
最后,氨挥发是氮肥损失的最主要途径,可选择有机肥做基肥,延长肥效,减少牧草生育后期氮肥的表施。部分降雨量高且土壤保水性较差的地区在实际生产中应注意防止磷损失。很多区域的牧草种植体系,氨挥发损失量超过100 kg N·hm^-2,有很大的减排空间,因而在氮肥的施用方式上,氨态氮肥要避免表施。侵蚀是磷损失的最主要途径,由于磷在土壤中的移动性较弱,因此总体的损失量不太高,但是部分降雨量高且土壤保水性较差的地区仍有较大的损失量。

3.3 模型的不确定性

本研究利用NUFER模型,模拟了中国苜蓿、黑麦草和燕麦草地氮磷流动特征,但是由于模型的算法和参数获取的缺陷,也存在一些不确定性。
牧草施肥量方面,由于农民对牧草施肥管理的盲目性,获取不同区域农户施肥数据的难度较大,本章所采用的施肥量数据,是通过专家咨询和文献搜集两种方式协同获取的。其中青藏高原区的情况特殊,由于历史原因,重牧轻草的观念在当地比较普遍^[9]。当地栽培草地的肥料来源多为畜禽粪尿,草地的管理方式多为底肥施用牛羊粪38 t·hm^-2,配施一定量的二铵,约150 kg·hm^-2,后期追施少量尿素,约75 kg·hm^-2（专家咨询）,本研究中青海、西藏苜蓿、黑麦草和燕麦草的施肥量均按上述的标准计算。
模型参数获取方面,不同种类栽培草地养分排放因子由综述文献获得。但是关于燕麦和黑麦草环境排放参数的报道很少,考虑到上述两种作物与小麦等大田作物特性相似,且田间管理也与大田作物相差不大,故本研究中燕麦和黑麦草的排放参数沿用大田作物的数据。

4 结论

（1）2014年,全国栽培苜蓿、黑麦草和燕麦草生产体系的氮输入（输出）量差异较大。生物固氮是苜蓿获取氮素的重要途径,田间管理需减少氮肥投入,燕麦和黑麦草主要通过化肥获取所需养分,应注重肥料施用;（2）2014年,3种栽培牧草氮的利用率均高于60%,磷的利用率相对较低;（3）2014年,不同区域苜蓿、黑麦草和燕麦草的氮磷利用率和环境排放量差异较大;（4）2014年,黑麦草生产氮呈亏缺态,需增施氮肥,其余栽培草地氮磷均有不同程度的盈余,应控制肥料过多施用。
The authors have declared that no competing interests exist.