中国农田养分资源管理和高产高效理论与技术取得了重要突破。在玉米-小麦轮作体系,产量和养分利用率可同步提高15%—30%[1],显示育种、栽培、养分管理等综合集成技术增产增效潜力巨大。但该体系着重考虑了化肥养分的高效利用,对粮田有机肥的施用考虑较少,更是忽略了牧草养分管理研究。与此同时,种植业生产与畜牧业生产如何匹配、如何提高农牧系统养分利用效率、农牧系统氨挥发减排技术等研究常被忽视。因此,开展农牧系统养分管理研究,系统梳理农牧系统面源污染控制政策成为我国农牧业可持续发展的关键。
本专刊组织了全国农牧系统养分管理协作网（科研院所10多家）的专家撰写研究论文15篇,从以下3个方面报道了我国农牧系统养分高效利用方面的主要研究结果。
1 中国农牧系统养分管理研究的意义与重点
在本专刊开篇综述“中国农牧系统养分管理研究的意义与重点”中,马林等[2]对中国农牧系统养分投入、利用率和环境排放等特征进行分析,结合国内外农牧系统养分管理研究进展,提出了中国农牧系统养分管理研究重点。目前中国粮食和饲料产量的提高过度依赖化肥养分投入,而集约化发展的畜牧业废弃物资源化利用有限,显现出农牧分离的生产特征。这导致农牧系统养分流动效率低、环境排放高;都市圈及其周边更是排放的热点区域。国际研究经验表明,农牧结合是可持续集约化农业发展的必由之路。农牧结合的核心目的是通过改善畜禽粪尿管理,减少养分损失并提高其进入农田循环的比例和数量。未来,中国农牧系统养分管理研究应包括：（1）典型农作系统“土壤-作物-畜牧”系统养分流动规律和环境效应的定量研究;（2）有机肥替代化肥机理与调控途径研究;（3）畜禽粪尿养分循环利用机理和减排技术研究;（4）高产高效“土壤-作物-畜牧”系统设计研究。
2 不同区域农牧系统养分流动特征
MA等[3-4]建立了食物链和农牧系统（土壤-作物生产-畜牧生产-食品加工-家庭消费-环境）养分流动模型（NUFER）,实现了国家和区域尺度上,从食物链和农牧系统角度对氮磷平衡、环境排放、利用率及流动规律进行定量分析。模型可以模拟国家和区域尺度上食物链和农牧系统NH3、N2、N2O挥发,氮磷养分淋溶、径流和侵蚀等环境损失。在本专刊中,利用NUFER模型,系统分析了东北地区、北京、河北、山西、重庆、云南等不同地区农牧系统养分流动特征。东北地区是中国重要的商品粮基地及畜牧产品生产地。张晓萌等[5]分析表明,1984—2014年东北地区农牧系统氮磷养分投入大幅增加,不同省域间表现出明显差异。黑龙江地区的氮磷养分可利用总量均最高,而氮磷养分的循环再利用效率则表现为吉林地区最高。东北地区农牧结合系统中,黑龙江地区氮素利用率高于其他地区,辽宁地区的磷素利用率高于吉林和黑龙江地区。吉林和辽宁地区的氮磷养分损失率分别高于其他地区。因此,要实现东北地区农牧业可持续发展,需要针对不同地区的养分流动特征提出农牧管理方面合理化建议。
以北京市为例,魏莎等[6]分析了都市圈“土壤-饲料-动物”系统养分流动与环境效应。1980—2013年间,北京市“土壤-饲料-动物”系统氮磷流动特征伴随城市化进程和地区经济发展发生了很大变化。这些变化与种养结构的变化、养殖规模和方式以及环保政策密切相关。
佟丙辛等[7]以华北平原典型地区河北省为例,分析农牧体系氮素循环利用效率和农牧业结合的程度,探讨农牧体系氮素的优化管理途径。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。在该地区,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,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。
张建杰等[8]对山西省农牧交错带农牧生产系统的氮素流动特征及其环境效应进行分析,发现农业产业结构不合理、“农牧分离”是造成农牧生产系统氮素利用率低下的主要原因。农田养分资源综合管理要在空间上合理配置氮素资源,在养分投入上既要考虑化学氮肥和粪尿氮素的投入,也要兼顾来源于环境的氮素投入,更要注重和畜牧生产系统的耦合,以最小的环境代价生产更多的农牧产品。
陈轩敬等[9]针对位于三峡库区腹心的重庆地区近年来农牧生产发展中的不合理氮素管理导致的农业面源污染加剧问题,通过评价重庆地区农牧系统的氮素流动特征,明确了氮素的主要损失途径及驱动因素。在近20年中,重庆市农牧生产系统氮素流动特征发生了很大变化,氮素输入强度和环境损失在不断增加,而农牧生产结构改变是其变化的主要驱动力。在重庆未来农牧生产中,减少畜禽生产系统氮素的直接排放,加大畜禽粪尿和秸秆循环利用力度,优化作物生产系统氮素管理措施和提高氮素利用效率,是实现农牧生产和生态环境的平衡发展的有效措施。
李晓琳等[10]研究云南省农牧生产系统的氮素流动途径并评价其环境效应。认为云南省传统施肥方式导致施肥过量,大量肥料通过氨挥发的方式排入大气中,动物养殖过程中产生的粪尿中氮素通过径流、淋溶进入水体,造成农业生产过程中经济效益的降低、环境污染。从空间格局上看,大理、昆明、红河的氮素损失较高。今后亟需改进化肥施用方式,提高化肥利用率,改进畜牧业养殖模式,提高粪尿有机还田的数量。针对主要区域重点治理,采用因地制宜的农牧体系氮素优化管理技术、增加粪尿养分循环和提高氮养分效率,减少氮素向大气和水体中的排放数量,从而实现农牧体系氮素的合理循环。
马怡斐等[11]以河北省栾城区为例,分析了1985—2014年其农牧系统生产结构、养分流动和损失时空变化特征。受城镇化驱动,栾城区农牧系统发生快速改变,逐渐向城郊型农牧生产体系过渡。2014年蔬菜水果播种面积占比为25%,畜牧业养殖密度达到18 LU/hm2,是典型的高环境负荷的城郊型农牧生产体系。经过近30年发展,畜牧业已经成为栾城农牧体系外源氮投入和主产品氮输出的主体。农牧系统氮磷利用率和损失受农牧体系结构和结合程度影响较大,1985年至2014年期间农牧系统氮磷利用率分别降低12%和40%,而平均单位农牧产品氮磷损失分别增加72%和5.8倍。
总之,不同地区的农牧产业特征使得各地区农牧体系养分流动特征呈现不同特点。但总体上,农牧分离是形成系统氮磷利用率不高的重要原因。各地区在制定农牧业发展策略时,需要统筹考虑综合发展。
3 农牧系统养分高效利用实现途径
在国家大力推进“粮转饲”和种植业结构调改的背景下,魏志标等[12]利用文献整合分析的方法对苜蓿、黑麦草和燕麦草这3种栽培牧草的产量潜力及影响因素进行了研究,以期为揭示未来牧草生产潜力和制定牧草高产高效措施提供科学依据。分析发现,中国栽培苜蓿、黑麦草和燕麦草有很大增产空间,增产潜力分别为17、10和13 t·hm-2。合理施肥、播种和灌溉可以缩小产量差,优化施肥量可以使苜蓿、黑麦草和燕麦草分别增产约3.4、1.5和4.2 t·hm-2。优化播种量可以使苜蓿增产60%,燕麦草增产78%;但仅优化播种量并不能使黑麦草增产。优化灌溉量可以使苜蓿增产约9.1 t·hm-2。中国畜牧业快速发展,对牧草需求日益增加,种植业结构调改已成为必然趋势。魏志标等分别建立了中国主要天然牧草[13]和栽培牧草[14]氮磷养分输入（输出）数据库,利用NUFER模型定量主要牧草的氮磷平衡账户、利用率和环境排放特征。
全国栽培苜蓿、黑麦草和燕麦草草地的氮磷输入（输出）量差异较大。苜蓿获取氮素的重要途径是生物固氮,田间管理需减少氮肥投入;燕麦和黑麦草需要通过化肥获取所需养分。3种栽培牧草的氮利用率均高于60%,磷利用率相对较低。黑麦草草地氮呈亏缺态,需增施氮肥。不同区域氮磷利用率、环境排放量和草地土壤氮磷累积量差异较大。
全国天然草地的氮和磷输入量较小,约50%的氮素通过氮沉降输入系统,约90%的磷素通过畜禽粪尿磷输入系统。2013年全国天然草地土壤氮和磷呈亏缺状态,养分利用率高于100%,当前草地系统不可持续,应注意补施氮磷养分。2013年全国天然草地单位面积氮和磷的环境损失量较小,西南地区天然草地的氮和磷环境损失量大于其他区域。各区域天然草地氮和磷流动特征差异较大。
苜蓿是优质牧草,甘肃是中国传统的苜蓿种植区。刘松等[15]以甘肃省为例,评估了苜蓿不同种植模式的碳足迹。减施氮肥和降低氮肥生产过程中的温室气体排放均可降低甘肃省苜蓿生产的碳足迹;无机有机肥混施可以降低SFNI（施肥不灌溉）和SFRI（施肥+河水灌溉）模式的碳足迹,但同等施氮水平下,无机有机肥混施短期内会降低产量,因此,在保证一定产量并降低温室气体排放量的目标下,有机肥和化肥混施的最佳比例及实际减排潜力仍需通过长期田间试验进一步验证;节水灌溉是SFWI（施肥+井水灌溉）模式的主要减排措施,但节水灌溉所能带来的综合减排潜力仍需针对具体区域的田间节水试验和额外耗材带来的温室气体排放进一步评估。
农牧系统氨挥发是大气氨排放的主要源,是中国近来空气质量恶化的主要因素之一。农田化肥施用和畜牧业“饲养-饲舍-储藏-处理-施用”各环节的氨挥发减排研究一直是农业和环境领域的研究热点。过去十多年,欧美国家对于农牧系统氨减排开展了大量研究,而中国的氨减排技术研究主要针对农田施肥环节,缺乏畜禽养殖和粪便管理环节氨挥发减排理论与技术研究。曹玉博等[16]综述了国内外关于农牧系统各生产环节主要氨挥发减排技术的减排机理、实施效果和适用范围等,并对今后中国农牧系统氨挥发减排技术研究的主要方向和重点进行了展望。
磷是动物必需的矿物质元素之一,在动物生长、发育和生产中发挥着重要作用。但是,动物生产中磷利用效率通常较低,大量未被利用的磷随粪尿排出体外,在环境中富集,导致水体富营养化。饲料磷水平、磷酸盐的添加量与磷利用效率及粪尿磷排放量密切相关。郭勇庆等[17]研究了中国饲料磷水平及磷酸盐应用现状,发现中国饲养标准推荐的奶牛、产蛋鸡、肉仔鸡后期和肉鸭的磷需要量高于美国饲养标准,企业标准的产蛋鸡、小猪和大猪饲料中非植酸磷需要量高于中国和美国饲养标准,尽管饲料中磷酸盐的添加量较10年前有所降低。建议根据中国畜禽品种和饲料特点,开展磷需要量相关研究,修改畜禽磷需要量推荐标准,同时采用低磷日粮、高利用率磷酸钙盐和添加植酸酶等综合调控措施来提高饲料磷的利用效率,降低粪尿磷对环境的污染。
在全面回顾20世纪70年代以来中国在农业面源污染治理领域相关政策的基础上,金书秦等[18]综合运用政策文本分析、实地调研、文献归纳等方法,对当前治理农业面源污染的主要政策逐一进行了评估。从长期看,防治农业面源污染要做好打持久战的预期和行动准备,要完善监测体系,摸清家底,避免急于求成。应强化已有政策的落实,避免重形式、轻内容,重出台、轻落实。投入端主要是源头减量,要加强投入品的供给侧管理,产后端主要是资源化利用,提供更加适合当地的技术手段,政策手段则要疏堵结合,以疏为主。加大针对农业面源污染防治的财政投入,应与其排放占比相匹配。
The authors have declared that no competing interests exist.
