中国天然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. 中国天然草地氮磷流动空间特征[J]. , 2018, 51(3): 523-534 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2018.03.011
WEI ZhiBiao, BAI ZhaoHai, MA Lin, ZHANG FuSuo. Spatial Characteristics of Nitrogen and Phosphorus Flow in Natural Grassland of China[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2018, 51(3): 523-534 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2018.03.011

0 引言

【研究意义】中国天然草地的面积为4亿公顷,是中国国土面积的42%,耕地面积的3.2倍^[1-2]。草地不仅具有生产功能,而且还有诸多的生态功能,据估计,通过优化放牧和管理,草地系统可以吸收1.5亿吨CO₂当量的温室气体^[3-4]。中国天然草地牧草的产量基本不足1 000 kg·hm^-2,除宁夏外其他地区的载畜量均有不同程度的超载^[5]。天然草地养分流动特征的研究可以为优化草地施肥提供理论依据。【前人研究进展】氮和磷是牧草生产的主要限制因素,其循环对草地系统有重要影响^[6-7]。张杰琦等^[8]在青藏高原的研究表明,添加氮可以提高高寒草甸的植被高度和盖度,添加磷同样对天然草地有重要影响;闫钟清等^[9]研究了人类活动对中国草地系统氮循环关键过程的影响,认为人类活动,如放牧、开垦和火烧,是草原生态系统维持稳定的重要干扰因子,可能会增加硝态氮的流失和N₂O的排放。草地系统磷流动方面的研究较少,CHEN等^[10]分析了中国农业系统的磷流动及其对水体和人类生活的影响,研究指出,尽管中国农业系统每年磷的盈余量为15 kg P·hm^-2,但草地生产系统呈现严重的磷亏缺,每年的亏损量接近10 kg P·hm^-2,严重影响草地的生产和生态功能。当前相关方面的研究尚有很多不足^[11-12]。天然草地基本不施肥且载畜量较高,管理和利用方式不合理,约90%的草地出现不同程度的退化,草原区沙化土地占国土面积的3.9%,局部治理,整体恶化的趋势仍在继续^[13-15]。【本研究切入点】天然草地氮磷流动特征研究对于国家政策制定和农户生产均具有重要意义,而当前在这方面的研究尚需完善,本研究通过建立中国各区域的天然草地氮磷输入和输出的数据库,借助NUFER模型,估算各区域天然草地氮磷流动特征、利用率和环境排放特征。【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^[16-17]。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。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）;输出项包括牧草收获、挥发（NH₃）、氧化亚氮排放（N₂O）、反硝化（N₂）、氮磷径流、侵蚀、淋洗和土壤累积。具体的养分输入和输出公式如下：
Ig_total=Ig_manure+Ig_deposition+Ig_fixation（1）
式中,Ig_total表示天然草地氮（磷）总输入量（kg·hm^-2）,Ig_manure代表天然草地中粪尿氮（磷）输入（kg·hm^-2）,Ig_deposition代表氮（磷）沉降（kg·hm^-2）;Ig_fixation代表草地生物固氮（kg·hm^-2）。具体数值见表1。
Og_total=Og_grass+Og_NH3+Og_N2O+Og_{denitrification}+Og_runoff+Og_erosion+Og_leaching+Og_accumulation（2）
Og_grass=yield×grass_N(P)C /100 （3）
式中,Og_total表示天然草地氮（磷）总输出量（kg·hm^-2）,Og_grass表示天然草地牧草氮（磷）输出量（kg·hm^-2）,其数值基于牧草产量和牧草氮含量估算;牧草产量（kg·hm^-2）和牧草氮（磷）含量（%）分别由yield和grass_N（P）C表示,各地区的具体量见表2;Og_NH3表示氨挥发,Og_N2O表示氧化亚氮排放,Og_{denitrification}表示反硝化,Og_runoff表示氮（磷）径流,Og_erosion表示氮（磷）侵蚀,Og_leaching表示氮（磷）淋洗,Og_accumulation表示天然草地氮（磷）土壤累积（kg·hm^-2）,以上数据由NUFER模型模拟得到^[16-17],该模型可模拟食物链养分流动情况。
N(P)UEg=（Og_grass/Ig_total）×100% （4）
式中,N(P)UEg表示天然草地氮（磷）利用率,由牧草氮（磷）输出量和天然草地氮（磷）输入量的比值得到。
Table 1
表1
表12013年中国不同区域天然草地氮磷养分输入量
Table 1The input of N and P to natural grassland in different regions of China in 2013

区域 Region	粪尿输入Manure input^[7]		沉降Deposition^[18-19]		生物固氮^[20] N fixation (kg·hm^-2)
区域 Region	N (kg·hm^-2)	P (kg·hm^-2)	N (kg·hm^-2)	P (kg·hm^-2)	生物固氮^[20] N fixation (kg·hm^-2)
全国 China	6.6	1.1	9.3	0.14	3.2
云南 Yunnan	16	3.8	23	0.36	6.0
广西 Guangxi	25	6.0	23	0.63	8.4
黑龙江 Heilongjiang	6.0	1.4	18	0.15	3.9
贵州Guizhou	32	7.6	23	0.43	11
宁夏 Ningxia	7.2	1.9	8.0	0.093	3.0
新疆 Xinjiang	10	0.99	8.0	0.093	3.2
西藏 Tibet	1.5	0.19	5.3	0.13	0.57
四川 Sichuan	16	4.1	23	0.28	9.4
陕西 Shaanxi	7.8	1.9	23	0.18	7.6
甘肃 Gansu	9.9	0.96	8.0	0.093	4.9
青海 Qinghai	0.78	0.08	5.3	0.13	0.88
内蒙古 Inner Mongolia	6.1	0.84	8.0	0.11	4.3
辽宁 Liaoning	26	6.4	18	0.15	14
吉林 Jilin	29	7.1	18	0.15	16
重庆 Chongqing	29	7.1	23	0.43	18

Date used derived from published articles and based on the results of 2013. N fixation of natural grassland was calculated based on grass yield. N fixation of natural grassland in Tibet Plateau accounts for 9.0% of total N uptake, while other regions account for 20%表中数据为2013年的值,基于发表的文章。草地生物固氮量基于草产量估算,青藏高原区天然草地生物固氮量占总吸氮量的9.0%,其他区域占20%

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Table 2
表2
表22013年中国不同区域天然草地牧草产量、氮磷含量和牧草氮磷携出量
Table 2Forage yield, the content of N and P and the forage output of N and P in different regions of China in 2013

区域 Region	牧草产量 Forage yield (t·hm^-2)	氮含量^[S1-S24] N content (%)	磷含量^[S1-S46] P content (%)	牧草氮携出 Forage N output (kg·hm^-2)	牧草磷携出 Forage P output (kg·hm^-2)
全国 China	1.1	1.8	0.22	20	2.4
云南 Yunnan	1.6	1.8	0.22	30	3.6
广西 Guangxi	2.3	1.8	0.22	42	5.0
黑龙江 Heilongjiang	1.0	1.8	0.22	19	2.3
贵州Guizhou	2.9	1.8	0.22	54	6.5
宁夏 Ningxia	0.85	1.8	0.26	15	2.2
新疆 Xinjiang	0.82	1.9	0.14	16	1.1
西藏 Tibet	0.38	1.6	0.16	6.3	0.61
四川 Sichuan	2.5	1.8	0.22	47	5.6
陕西 Shaanxi	2.1	1.8	0.22	38	4.5
甘肃 Gansu	1.2	2.0	0.17	25	2.1
青海 Qinghai	0.59	1.6	0.19	10	1.1
内蒙古 Inner Mongolia	1.1	1.9	0.29	21	3.2
辽宁 Liaoning	3.9	1.8	0.22	72	8.6
吉林 Jilin	4.3	1.8	0.22	80	9.5
重庆 Chongqing	4.9	1.8	0.22	91	11

Natural grassland yield data used derived from The National Grassland Report. The content of N and P of forage acquired by summarizing published articles (appendix)天然草地产量数据源于全国草原监测报告;牧草氮和磷含量通过文献总结获得（附录）

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2 结果

2.1 2013年中国天然草地氮磷流动特征

2013年中国天然草地氮总输入（输出）量为5 034 Gg N,氮沉降是氮输入天然草地的一种主要途径,占总输入量的49%,牧草携出是天然草地氮输出的最主要方式,占总输出量的105%。全国天然草地磷总输入（输出）量为318 Gg P,动物粪尿是天然草地磷输入的一种主要途径,占总输入量的89%,另外有11%的磷以沉降的形式输入到天然草地,牧草携出是天然草地磷输出的最主要方式,占总输出量的191%。
2013年中国单位面积天然草地氮总输入量为19 kg N·hm^-2,牧草携出氮为20 kg N·hm^-2,天然草地氮利用率为105%,以氨挥发等环境损失的方式进入到大气或水体中的量为1.7 kg N·hm^-2,天然草地土壤氮累积量为-2.7 kg N·hm^-2。单位面积天然草地磷输入（输出）量较少,为1.2 kg P·hm^-2,动物粪尿是天然草地磷输入的一种主要途径（1.1 kg P·hm^-2）,以沉降的形式输入到单位面积天然草地的量为0.14 kg P·hm^-2。在单位面积天然草地磷的各输出项中,牧草携出量为2.3 kg P·hm^-2,以径流和侵蚀等环境损失的方式进入到地表和地下水体中的量分别为0.029和0.061 kg P·hm^-2,磷利用率为191%,草地土壤磷累积量为-1.2 kg P·hm^-2（表3）。
Table 3
表3
表32013年全国天然草地氮磷流动特征
Table 3The N and P flow in natural grassland of China in 2013

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)
输入 Input	粪尿输入Manure input	6.6	1.1	1749	291
	沉降Deposition	9.3	0.14	2464	27
	生物固氮N fixation	3.2	—	848	—
	总输入Total input	19	1.2	5034	318
输出 Output	牧草携出Forage output	20	2.3	5299	609
	氨挥发NH₃ emission	1.6	—	424	—
	氧化亚氮排放N₂O emission	0.066	—	17	—
	径流Runoff	0	0.029	0	7.7
	侵蚀Erosion	0	0.061	0	16
	淋洗Leaching	0	0	0	0
	反硝化Denitrification	0	—	0	—
	土壤累积Soil accumulation	-2.7	-1.2	-706	-315
	总输出Total output	19	1.2	5034	318

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2.2 2013年中国各地区天然草地氮磷平衡账户

2013年中国各地区单位面积天然草地氮输入量变化范围为7.0—70 kg N·hm^-2,南方和东北地区天然草地氮输入量较大,内蒙、新疆、甘肃、西藏和青海5大牧区的氮输入量均较小,其中青藏高原区的输入量最少,西藏和青海的氮输入量为7.4和7.0 kg N·hm^-2。各地区天然草地的氮输出量变化范围为6.3—91 kg N·hm^-2,氮输入量越大的地区牧草携出的养分越多,重庆通过牧草携出的氮养分最多,为91 kg N·hm^-2（图1-a）。
2013年中国各地区单位面积天然草地磷输入量变化范围为0.12—8.0 kg P·hm^-2,西南和东北地区磷输入量较高,输入量最高的省份为贵州（8.0 kg P·hm^-2）;5大牧区单位面积的输入量较低,最低的省份为青海,输入量仅为0.21 kg P·hm^-2。磷输入量较多的区域一般牧草携出量也偏高,牧草携出量分布在0.61—11 kg P·hm^-2（图1-b）。

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图12013年中国不同地区天然草地氮磷平衡账户
-->Fig. 1The N and P balance budget of natural grassland in different regions of China in 2013
-->

2.3 2013年中国各地区天然草地氮磷利用率

2013年中国各地区天然草地的氮利用率变化范围为67%—141%,由于青海、重庆、吉林、辽宁、内蒙古和甘肃的牧草携出量大于当地天然草地的氮总输入量,故上述区域的氮利用率超过100%,其中青海天然草地的氮利用率最高,为141%;其余9个地区的牧草携出量小于氮的总输入量,氮利用率小于100%,云南的氮利用率最低（67%）（表4）。
2013年中国地区天然草地的磷利用率高于氮利用率,变化范围为75%—538%。青海的磷利用率最高,达到538%,主要原因是当地天然草地的磷输入量非常低。内蒙和甘肃的磷利用率也较高,超过200%;仅广西、贵州和云南的磷利用率小于100%（表4）。

2.4 2013年中国各地区天然草地氮磷环境损失

西南和东北地区天然草地氮损失较多,贵州、云南、广西和吉林的氮损失量分别为10、9.5、9.4和7.5 kg N·hm^-2;西北地区的氮损失量较少,平均不足3.0 kg N·hm^-2;青藏高原区氮损失量最少,不足1.0 kg N·hm^-2。氨挥发是氮损失的主要途径,辽宁、吉林、贵州、重庆和广西等地区通过氨挥发损失的氮大于5.0 kg N·hm^-2（图2-a）。磷的环境排放与氮排放规律相似,西南和东北地区的排放量较多。通过淋洗损失的磷很少,通过侵蚀损失的量较多,但基本不超过1.0 kg P·hm^-2（图2-b）。

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图22013年中国不同地区天然草地氮磷损失
-->Fig. 2The N and P loss of natural grassland in different regions of China in 2013
-->

2.5 2013年中国各地区单位面积天然草地氮磷土壤累积

北方和部分西南地区的氮土壤累积量为负值,重
庆、吉林和辽宁的土壤氮亏损量超过20 kg N·hm^-2。西部和西南部分地区的氮土壤累积量为正值,其中广西和云南两地的土壤氮累积量超过5.0 kg N·hm^-2。西藏、宁夏和贵州的氮土壤累积量介于0—2.0 kg N·hm^-2,土壤氮基本处于平衡状态（图3）。
除广西和贵州外,其余地区均有不同程度的磷亏缺。其中新疆和云南草地土壤磷亏缺量不足0.1 kg P·hm^-2,土壤磷基本处于平衡状态,重庆天然草地磷的亏缺量最大,为3.7 kg P·hm^-2。广西和贵州天然草地的土壤磷累积量分别为1.3和0.26 kg P·hm^-2（图3）。

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图32013年中国不同地区天然草地氮磷土壤累积
-->Fig. 3The N and P soil accumulation of natural grassland in different regions of China in 2013
-->

Table 4
表4
表42013年中国不同地区天然牧草氮磷利用率
Table 4The N and P use efficiency of natural grassland in different regions of China in 2013

地区Region	氮利用率NUE (%)	磷利用率 PUE (%)	地区Region	氮利用率NUE (%)	磷利用率 PUE (%)
青海 Qinghai	141	538	西藏Tibet	85	190
重庆Chongqing	130	144	宁夏Ningxia	82	111
吉林Jilin	126	131	贵州Guizhou	82	80
辽宁 Liaoning	124	132	新疆Xinjiang	74	106
内蒙古Inner Mongolia	116	341	广西Guangxi	74	75
甘肃Gansu	108	201	黑龙江Helongjiang	69	153
陕西Shaanxi	98	218	云南Yunnan	67	86
四川Sichuan	95	127

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3 讨论

3.1 中国天然草地氮磷流动特征

本研究发现,中国天然草地氮磷养分账户均为负值,草地土壤养分略有亏缺,草地严重退化与此相关。草地氮磷的利用率超过100%,青海等部分地区的磷利用率甚至超过200%。GU等^[21]研究表明,中国草地系统氮利用率为59%—95%,与本研究结果存在差异。主要有两方面原因,首先GU等的研究对象包括天然和栽培草地两种类型,由于化肥的投入,栽培草地的养分利用率低于天然草地。另外,限于数据的问题,本研究认为天然草地的产量等于草地的氮磷移除量,故本研究的草地养分利用率较高。下一步的研究中,可以区分放牧区和没有采食的地区或禁牧区,将这部分草地的牧草输出设为0,以减小研究结果的误差。
中国天然草地土壤氮亏缺量为2.7 kg N·hm^-2,且各区域间差异很大,这与前人研究结果较为一致。GIESE等^[22]在内蒙古的计算结果表明,放牧区氮累积量为负值,禁牧区的氮累积量为正值;CHEN等^[23]认为中国天然草地的土壤氮亏缺量为-31.7 kg N·hm^-2,养分输出方面,牧草携出氮量为80 kg N·hm^-2,粪尿氮的输入量仅为13 kg N·hm^-2,两方面的原因导致其计算的氮账户为负值。在本研究所涉及的地区中,吉林省牧草携出量与CHEN等计算的牧草氮带走量相当,而吉林天然草地的氮累积量为-24 kg N·hm^-2,略高于CHEN等的估算,原因是本研究中吉林的粪尿输入量为29 kg N·hm^-2,高于CHEN等的估算。
动物粪尿归还草地量占天然草地氮总输入量的33%（表3）,BOUWMAN等^[24]研究表明,粪尿施用量占亚洲农用地氮总输入量的31%。BOUWMAN等的研究对象包括耕地和草地,而本文的研究对象是天然草地。耕地和人工草地的粪尿施用比例远小于天然草地^[11,17],本研究的粪尿归还天然草地的比例实际低于BOUWMAN等的研究结果。其一是因为中国的氮沉降量较大（约占天然草地氮总输入量的50%）;其二是因为中国牲畜粪尿环境损失量较高^[7]。
本研究表明,中国天然草地的土壤磷亏缺量为1.2 kg P·hm^-2。SATTARI等^[12]对亚洲草原系统磷流动特征分析的结果表明,草原磷亏缺量为3.7 kg P·hm^-2,低于本研究计算的结果。SATTARI等认为每年牧草携出的磷为6.6 kg P·hm^-2, 按照磷含量0.22%计算,每年牧草的产量为3 000 kg·hm^-2,而中国主要牧区牧草实际产量不足1 000 kg·hm^-2,因此,SATTARI等对亚洲草原区牧草的产量有所高估,进而低估了草原磷累积量。CHEN等^[10]使用模型估算了中国草地磷流动特征,表明中国草地的磷累积量为-4.7 kg P·hm^-2,其估算的累积量结果更低。原因除高估了中国天然草地的产量外（3 441 kg·hm^-2）,他们还认为仅有16%的动物粪尿归还到草地。事实上中国牧区多为天然放牧,除了环境损失和牧民取暖消耗掉部分动物排泄物外,多数粪尿重新归还草地。

3.2 中国天然草地养分管理优化策略

基于本研究结果,对于中国天然草地养分管理的优化策略应该包括以下两个方面：
其一,中国天然草地应适当的补施氮肥和磷肥。当前天然草地退化严重,不仅制约了畜牧业的发展,还严重影响草地的生态功能^[5,25-26]。以往的研究认为气候和放牧强度是影响草地生产力的最主要因素^[27-28],本研究发现中国天然草地土壤氮磷整体上略有亏缺。长期以来,中国天然草地基本不施肥,且载畜量较高,草地土壤养分的管理不合理可能是天然草地退化的一个更直接原因。
其二,不同牧草种植区应采用不同的氮磷养分管理策略,西南和西部地区天然草地土壤氮磷养分基本平衡,草地退化并非由土壤养分管理不合理所导致。辽宁、吉林和重庆天然草地土壤氮亏缺严重,每年应补施氮20—30 kg N·hm^-2。草原磷账户方面,除广西和贵州外,全国草原磷账户均为负值。为了增加草地的生产力,应适当补施磷肥。内蒙和重庆应在控制载畜量的基础上,补施部分磷肥,防止草地退化。

3.3 模型的不确定性

本研究利用NUFER模型模拟了中国天然草地氮磷流动特征,但是由于模型的算法和参数的获取的缺陷,也存在一些不确定性,主要表现在以下几方面：本研究中氮沉降的数据源于文献[18]。大气按沉降的形式主要分为干沉降和湿沉降,其中报道最多的是湿沉降。由于下垫面土地利用方式和测定方法的不同,现有研究关于氮沉降量的报道差异很大。其中,对氮湿沉降的研究比较系统,使用该数值作为本研究的沉降量虽然会对总沉降量造成低估,但各区域的相对大小可以保证。
磷沉降方面,磷沉降同样分为干沉降和湿沉降,沉降形式主要为无机磷。对湿沉降的研究相对比较系统,因此本研究所用的数据来自ZHU等^[19]2016年对全国各地区磷湿沉降的研究结果。当前关于磷沉降的研究较少,且报道的数值变化较大,本研究中,全国的平均值为0.21 kg P·hm^-2。近年来关于中国北方地区特别是内蒙古沙尘的报道逐渐增多,大量的沙尘会导致磷以干沉降的形式进入草原系统^[29-31]。但不能忽略的是,由于利用不合理,放牧强度过大等原因,内蒙古草地的沙化问题不断加剧^[32]。本研究中,内蒙地区的草原磷沉降为0.11 kg P·hm^-2（湿沉降量）,虽然该数值未包含干沉降的部分,但是笔者认为干沉降进入系统的磷和通过风蚀等途径向系统外输出的磷在总量上可以抵消,因此不予考虑。
天然草地粪尿输入量根据BAI等^[7]的算法获得,利用中国各区域牛、羊、马等草食动物的养殖量计算粪尿产生量,再基于粪尿归还草地的比例获取天然草地粪尿输入量。养分的环境排放方面,当前关于天然草地环境排放参数的系统报道很少,本研究根据使用NUFER模型中的算法,根据植被覆盖等因子,计算相应的环境排放量^[16-17]。

4 结论

（1）2013年,全国天然草地的氮和磷输入量较小,氮沉降和畜禽粪尿磷分别是最主要的氮和磷输入项;（2）2013年,全国天然草地氮和磷的养分利用率高于100%,各区域氮和磷利用率差异较大;（3）2013年,全国天然草地单位面积氮和磷的环境损失量较小,各区域的环境损失量差异较大,西南地区天然草地的氮和磷环境损失量大于其他区域;（4）2013年,全国天然草地土壤氮和磷呈亏缺状态,当前草地系统不可持续,应注意补施氮磷养分。
The authors have declared that no competing interests exist.