不同类型农牧结合系统的氮素流动特征与优化研究

Nitrogen (N) is the essential factor for the agricultural production. The agricultural specialization and intensification in China have led to the seperation between crop and livestock production, which blocked the N cycling, resulted in excessive N emissions to the atmosphere and water, and aggrevated the environmental pollution. Many research studies have illustrated the significant effects of techniques and measures about crop management, animal feeding, and animal manure management on N utilization and mitigation of N emissions. Although it is common sense that crop-livestock integration is crucial to the sustainable development of agriculture, the impact of current crop-livestock integration on N flows is still not clear. Therefore, the objectives of this study are: (1) to quantify the N flows of crop-livestock systems with within-farm integration, integration among farms, and regional integration through further extending NUFER(NUtrient flows in Food chains, Environment and Resources use) and NUFER-farm models, farmers’ interview, and 3S (RS, GIS, GPS) techniques; (2) to analyse the impacts of techniques and crop-livestock integration on outsource N input, N balance, N use efficiency, N cycling, and N emissions by scenario and sensitivity analysis; (3) to combine NUFER and/or NUFER-farm model with multi-objective optimization algorithm to explore the optimized crop-livestock systems with diverse integration patterns, considering resource, environmental, social, and economic aspects. Our results might provide useful theories and methodology for the green development of agriculture in China.

氮是农业生产的主要控制因子和投入手段。农业生产的专业化、集约化发展促使种植业与养殖业不断分离，阻断了氮素在农牧系统内的合理流动，导致过量氮素排入大气和水体，加剧了环境污染。然而，农牧结合对氮素流动的影响并不清楚。因此，阐明当前不同类型农牧结合系统的氮素流动特征，设计并构建新的农牧结合系统，提高氮循环效率，降低氮素环境污染已成为可持续农牧系统氮管理和农业绿色发展的重要科学命题。为此，本研究拟综合考虑农场内、农场间和区域三种农牧结合系统，采用农场跟踪调研、3S技术和模型模拟相结合的方法，在阐明不同类型农牧结合系统的氮素流动特征及其影响因素基础上，综合考虑资源、环境和社会经济目标，探索不同类型农牧结合系统的优化模式。研究结果可以为我国农业绿色发展提供理论和方法上的借鉴。

项目背景：种养分离阻断了氮素在农牧系统内的合理流动，加剧了环境污染。因此，阐明当前不同类型农牧结合系统的氮素流动特征，设计并构建新的农牧结合系统，提高氮循环效率，降低氮素环境污染已成为可持续农牧系统氮管理和农业绿色发展的重要科学命题。.主要研究内容、重要结果、关键数据：本项目针对华北农区农场和区域尺度农牧结合系统，采用农场调研、3S技术和模型模拟相结合的方法开展工作。经过3年研究：1）阐明了不同类型农牧结合系统的氮素流动特征。种养结合奶牛、生猪和蛋鸡场的平均氮素利用效率（NUE）分别为12%、26%和28%；36%以上的畜禽粪污氮排放到环境中，氨气是最主要的排放途径；养殖场内部氮循环利用率为26-41%，其余输出到农场外。奶牛场和猪场较鸡场的氮损失比例低、场内氮循环利用率高。化肥是晋州市农牧系统最大的氮素输入项，系统NUE、氮循环率和氮损失率分别为33.6%、29%和34%，畜禽养殖单位面积氮损失量较种植业高一倍。白洋淀流域种植业和养殖业空间分布上不一致；2018年农牧系统平均NUE为29.4%；下游较其它区域的NUE高、氮排放强度低；徐水区、灵寿县、新乐市和无极县的氮排放强度大；32-43%的畜禽粪污氮可在流域内还田。2）揭示了不同类型农牧结合系统氮素流动的影响因素。随着养殖规模的扩大，奶牛场畜禽粪污N损失率下降，猪场和鸡场N损失率与规模关系不显著；奶牛场和蛋鸡场的场内粪污N循环率随养殖规模的扩大分别呈上升和下降趋势。白洋淀流域农牧系统NUE与生猪养殖比例显著相关，单位面积氮损失与畜禽养殖密度和GDP显著相关。3）借助情景分析方法，考虑氨减排技术措施，并结合空间分析方法，探索了不同类型农牧结合系统的优化方法。建立了规模化养殖场空间位置适宜性评价方法和区域粪污集中处理中心空间布局优化方法，并评估了农牧系统氮素流动的优化潜力及可能存在的问题。 .科学意义：研究结果可为我国农畜牧业可持续发展提供理论和方法上的借鉴。