土地利用变化对西辽河流域农牧系统氮素流动的影响及环境效应研究

Land use change (LUC) and its influences on natural environment, as well as nitrogen flow (NF) are the hot research spots in the scientific community. Although there are many studies, the research on the influences of LUC on NF in some production system is rare. Considering strong LUC and dominant in agriculture and animal husbandry production in Xiliaohe River Basin (XLRB), located in the agro-pastoral transition zone, China, focused on the linkage between LUC and NF, this project will carry out a multi-scale and multi-element investigation on the flow process of NF in crop-animal system in 2000, 2005, 2010 and 2015 in XLRB, and reveal the corresponding features and driving mechanisms. A LUC-NF relation model will be established to examine the relationship between LUC and NF in crop-animal system. Then, from the perspective of interaction between LUC and NF, the influences of LUC on NF in crop-animal system and its environmental effects during 2000, 2005,2010 and 2015 will be quantitatively evaluated and, the potential impacts of LUC in the future on NF in crop-animal system in XLRB will also be assessed through scenarios analysis in a systematic view. Finally, based on investigation and research, related adapting strategies will be given so as to ensure rational utilization of land resources and sustainable development in crop and animal production in ecologically vulnerable region.

土地利用变化的环境效应和氮素流动研究是当今学术界的热点。将两者结合，探讨土地利用变化对某一系统氮素流动的影响及环境效应的研究极少有报道。西辽河流域位于我国北方农牧交错带，近几十年来，土地利用变化剧烈，耕地、草地转化尤为明显；加之“镰刀弯”政策的实施，农牧生产受到一定影响。本研究以西辽河流域为案例区，以农牧系统为研究边界，土地利用方式与氮素流动的联动性为切入点，多尺度、多要素研究2000/2005/2010/2015年西辽河流域农牧系统氮素流动过程，揭示氮素流动的规律与驱动机制；建立土地利用与农牧系统氮素流动相互关系模型，探寻不同土地利用方式与氮素流动的内在联系；在此基础上，从互联互动角度出发，定量评价西辽河流域土地利用变化对农牧系统氮素流动的影响及环境效应，情景分析未来土地利用变化对农牧系统氮素流动的可能影响并提出适应性对策，为促进流域土地合理利用与农牧业可持续发展提供科学依据和决策支持。

本研究综合运用遥感、地理信息系统、数理统计和实地调研等技术方法，解译遥感影像，揭示了近15年西辽河流域典型农作物的时空变化特征及规律；建立农牧系统养分流动模型，结合农户调研、统计年鉴及自然背景等数据，集成评价了西辽河流域农牧生产系统氮素流动过程与规律；定量探讨了土地利用变化对农牧系统氮素流动的影响及环境效应；情景分析了不同模式下农牧体系氮素流动特征及可能带来的影响，并提出了适应性对策。研究表明：2000-2015年，西辽河流域主要作物面积增加3299.9km2，以玉米面积增加为主。玉米面积连年增长约3.2倍；大豆递减87.6%；小麦先降后升，总体减少61.4%。新开河、老哈河、西拉木伦河口附近及西辽河下游干流区是主要变化区；农牧系统输入和输出氮素总量呈增加趋势，增长率分别为8.8%和10%。近15年，西辽河流域农牧系统氮素呈盈余态，盈余量逐年增加，但盈余率下降5.6%。单位耕地面积氮素养分输入先降后升，主要作物（玉米、小麦和大豆）氮素盈余均呈增加趋势，玉米增幅最高，小麦次之，大豆最低。主要作物的面积与农牧系统氮素输入输出变化趋势一致性较明显，玉米种植布局对氮素盈余变化起决定性作用。情景分析表明，同时考虑作物种植结构调整和改变农牧户生产方式，可有效提高西辽河流域农牧系统氮素循环利用率，减少氮素养分环境损失，是实现农牧业可持续发展，走绿色农业道路的重要途径。基于此，西辽河流域应减少化肥施用量，充分利用经腐熟的畜禽粪尿作为有机肥代替化肥；优化作物种植结构，适当减少玉米种植，鼓励大豆生产；普及化肥减量增效技术，增强农牧户科学施肥意识；协调农牧业之间的关系，促进农牧系统氮素养分合理循环，降低环境污染风险。研究结果可为西辽河流域及农牧交错带农牧系统的氮素优化管理与农牧业可持续发展提供科学依据。