海南岛农牧生产体系磷元素流动时空变化特征

【目的】 通过对1987—2016年海南岛农牧生产体系磷元素流动时空特征及环境效应进行定量分析,研究其流动过程和规律,探讨农牧生产体系磷素的优化管理途径,为海南岛农牧业可持续发展提供科学依据。【方法】 研究基于食物链养分流动模型（NUtrient flows in Food chains, Environment and Resources use,NUFER）,通过统计数据、文献检索、实地调研,并结合Origin等软件,定量计算海南岛农牧生产体系的磷素输入、输出、利用率及其环境效应,并通过情景分析探索海南岛农牧生产体系磷素的可持续利用途径。【结果】 30年间海南岛农田生产子系统磷素总投入量从21.34 Gg增至81.19 Gg,总输出量由6.20 Gg增至18.20 Gg,化肥作为该系统磷素主要来源,输入量由19.01 Gg增至79.23 Gg,作物产品作为农田磷素主要输出项,30年间由5.25 Gg增至15.48 Gg。动物生产子系统磷素总输入量由11.40 Gg增至15.31 Gg,总输出量由9.63 Gg增至11.90 Gg,其中外源饲料磷素输入量由1987年的10.97 Gg增至2016年的14.77 Gg,动物产品输出量30年间增长了4.95 Gg。秸秆还田量和作物饲用量分别增加了0.37和0.26 kg·hm ^-2,粪尿还田量则减少了0.80 kg·hm ^-2。空间分布上,澄迈、定安等地30年来磷素输入和输出量较高,五指山、琼中等地较低。就磷素损失情况来看,1987—2016年,海南岛单位耕地面积土壤磷盈余量由35.00 kg·hm ^-2增至147.40 kg·hm ^-2,2016年土壤磷素盈余量较大的是琼海、澄迈、保亭和临高,分别为372.79、279.82、194.14和181.09 kg·hm ^-2。磷的其他损失途径为土壤侵蚀、径流和淋洗,损失量在1.21—5.85 kg·hm ^-2。畜禽粪便单位耕地面积承载量维持在3.83—5.77 kg·hm ^-2。30年来,磷素利用率增长缓慢,其中农田生产子系统磷素利用率由13.01%增至13.86%,动物生产子系统磷素利用率由4.78%增至7.62%,农牧结合体系磷素利用率由10.78%增至13.09%。情景分析结果显示,保证农牧生产体系各子系统间的协调稳定发展以及通过科学的养分管理方式提高资源的循环利用率对促进海南岛农牧业发展意义重大。 【结论】 受农牧生产体系规模、区域发展以及管理方式等因素影响,海南岛农牧生产体系环境损失情况严重,磷素利用率较低,体系出现了较严重的分离。因此,在海南岛未来的农牧生产中,应优化技术手段和管理措施,如控制磷素的过量输入,减少粪尿的直接排放,提高秸秆和粪尿循环利用率。同时也应促进农田生产子系统与动物生产子系统间的协调关系,走农牧结合的可持续发展道路。     

海南岛1988—2018年畜禽粪尿氮磷负荷量及环境效应

【目的】揭示海南畜禽养殖业发展过程中粪尿氮磷养分流动情况及其对环境的影响,为区域农业发展规划和畜禽养殖结构调整提供参考。【方法】基于统计资料和文献数据,定量估算1988—2018年海南岛畜禽粪尿养分产生量、单位耕地面积养分承载量,并利用畜禽粪尿耕地负荷预警值和环境风险指数深入分析其对环境的影响,当畜禽粪尿耕地负荷预警值<0.4时,可认为对环境无威胁,而当环境风险指数在1.00以下时,对环境的风险可忽略,在安全数值以上即会对环境产生不同程度的影响。【结果】1988—2018年间,海南岛畜禽粪尿产生量变化经历了3个阶段,1988—2005年整体上升,2006—2008年下降较多,此后缓慢发展并趋于稳定,到2018年畜禽粪尿产生量为10.50×10⁶t,就养分产生量来看,粪尿氮磷年际间变化趋势相似,2005年产生量最多,2006年出现较大幅度下降,到2018年粪尿氮产生量为7.41×10⁴ t,粪尿磷产生量为1.01×10⁴t。单位耕地面积氮磷负荷量也经历了先增加后稳定的过程,到2018年耕地氮负荷168.80 kg·hm^-2,耕地磷负荷为23.05 kg·hm^-2。2018年区域间差异较大,东部和北部地区单位耕地面积氮磷负荷量较高,西部和中部地区偏低,其中氮和磷负荷最高的是定安（分别为288.50和40.35 kg·hm^-2）,最低的是东方（分别为61.66和8.83 kg·hm^-2）。就环境效应来看,1988—2018年海南岛畜禽粪尿耕地负荷预警值始终处于较高水平,大多数年份在1.0—1.5,分级标准中达到Ⅳ级,对环境有较严重的威胁。2018年,定安和澄迈等地预警值分别为2.66和4.59,预警分级达Ⅵ级,对环境有很严重的威胁,仅东方处于安全水平,数值为0.36,为Ⅰ级。就环境风险评价结果来看,海南岛耕地上畜禽粪污环境风险较高,近年随着养殖总量的控制有所降低,2018年环境风险指数下降到1.99（以氮计）和1.32（以磷计）。在区域水平上,就氮素的环境污染风险,2018年定安环境风险指数最高,为3.39,东方最低,为0.73;对于磷素的环境污染风险,东方环境风险指数最低,为0.50,可认为磷素对环境潜在威胁较低,对环境有严重影响的是定安,风险值高达2.31。总的来说,畜禽粪尿耕地负荷预警值和环境风险指数均表明海南岛畜禽粪污潜在环境风险大,从空间分布看,定安、万宁等东部市（县）环境风险要高于临高、东方等西部地区,并且大多数市（县）对环境均有较高程度的威胁。【结论】受养殖规模和耕地面积影响,海南岛单位耕地面积氮负荷较高,区域潜在环境风险不容忽视。因此,未来海南岛畜禽养殖发展规划更应着眼于污染物的控制以及区域优化布局和管理上,并通过减少畜禽粪尿环境排放和循环利用模式以实现海南岛畜禽粪污的资源化利用和绿色发展。     

中国农业绿色发展指标体系的构建与例证

构建指标体系是开展不同尺度农业绿色发展定量分析的基础,可为农业绿色发展的度量评价、系统设计和实现路径探索等科学研究提供方法支撑。本文立足农业和整个食物"生产-加工-消费"系统,以农业绿色发展的科学内涵和实现目标为导向,围绕社会、经济和生态环境3个维度,以"食物生产-加工-消费"全链条为边界,构建了1套适合开展定量研究和评价中国农业绿色发展的指标体系。在收集统计数据和文献资料、计算社会和经济类指标的基础上,引入食物链养分流动模型(NUtrientflowsinFoodchains,Environmente and Resources use, NUFER),实现了对生产、资源与环境类指标的定量计算;此外,本研究还确立了指标选取原则、计算过程和分级标准等。基于该指标体系,采用"自上而下"的研究思路,从全国尺度,通过定量分析氮素,描述了中国农业绿色发展的总体特征,揭示了存在的问题,并探讨了未来的优化策略;从省域尺度,解析了海南省热带岛屿农业绿色发展的特色问题;从县域尺度,分析了河北省各县域农业发展的现状及资源环境代价,为农业绿色发展提供科学支撑和依据;通过对标分析剖析了中国奶业产业发展的差距,探讨了产业挖潜的路径。上述实证研究表明,利用本研究建立的农业绿色发展指标体系与分析模型,能够定量解析不同尺度的农业绿色发展水平和特征,进行农业绿色发展的资源环境代价定量分析;通过对标分析明确产业发展的差距,阐明产业绿色发展的瓶颈问题和限制因素,进而挖掘产业绿色发展的潜力。此外,该指标体系还可用于系统设计农业绿色发展实现路径的研究,为区域农业绿色发展关键技术的开发以及相关政策的制定提供科学支撑。     

海南岛农业绿色发展指标时空变化特征

海南自建省以来农业生产规模、结构及生产方式均发生了很大改变,影响了其农业绿色发展程度。本文借助中国农业绿色发展指标体系,利用NUFER模型(NUtrientflowsinFoodchains,EnvironmentandResources use),选取并定量计算1988—2017年海南岛20项农业绿色发展指标,研究其时空变化特征,探究制约海南岛农业绿色发展的影响因素。研究表明:30年间海南省农业绿色发展水平总体呈下降趋势,较低级别(Ⅲ、Ⅳ级)指标数量由12个增加至15个,较高级别(Ⅰ、Ⅱ级)指标数量由8个减少至5个。随着蔬菜、水果等经济作物种植比例增加,畜禽养殖规模扩大与集约化程度提高,海南农业产值与社会发展水平不断升高,农业产值和农业机械化投入分别从0.62×104$·hm–2和3 kW·hm–2增加至16.1×104$·hm–2和13 kW·hm–2。30年来农业资源(氮素、磷素、农药和农膜)过量投入,其中农药和农膜的使用强度增幅最大,分别从8.0kg·hm–2和0kg·hm–2增加至41.9 kg·hm–2和34.7 kg·hm–2;由于生产力水平较低,导致养分(农田氮素盈余量、农田氮素径流量、农业源氨挥发等)环境排放量大幅增加,农业源氨挥发和单位播种面积农田氮素盈余增幅最大,分别从61.0 kg·hm–2和152.1 kg·hm–2增加至131.4 kg·hm–2和297.9 kg·hm–2。农业资源投入过量、农牧分离导致的环境污染是制约海南岛农业绿色发展的主要原因。在空间上,由于中部为山地林区,是国家重点生态功能保护区,开发力度较小,因此沿海平原的资源投入增长更快、养分环境损失量更多,经济增长、社会发展和农业生产3类指标提升更为迅速。今后海南岛应合理优化沿海地区种植结构,提高生产管理水平,加强农牧结合减少资源损失,实现海南岛农业绿色发展。     

海南农牧生产体系氮素养分流动时空变化特征

氮素是生命活动必须的元素之一,然而一定区域内过多的氮素输入可能会造成严重的环境污染。本研究以热带地区的海南岛为研究对象,明确其农牧生产体系氮素流动过程和特征,分析氮素输入和输出量变化关系及其利用效率的时空变化,以期优化农牧体系养分管理,为制定海南省农牧业发展政策提供科学依据。通过运用食物链养分流动模型（NUtrient flows in Food chains,Environment and Resources use,NUFER）并结合Origin和ArcGIS等软件分析海南地区1987-2016年间农牧生产体系氮素养分流动时空变化特征,同时首次对海南省农牧生产体系内部氮素流动在理想与实际情况下的时空变化做出了相关性分析。结果显示海南地区30年间农牧生产体系氮素总输入量由134.15 Gg增长到406.39 Gg,总输出氮素由84.75 Gg增长到307.77 Gg。30年来,农田生产子系统氮素利用效率由12.39%增长到20.54%,动物生产子系统氮素利用率由6.10%增长到13.88%,农牧结合体系氮素利用效率整体呈现上升趋势,由1987年的12.84%增加到2016年的21.63%。空间上,农田生产子系统中,氮素总输入与总输出项中增幅最高的分别是澄迈县和琼海市,五指山市两项增长均最低;动物生产子系统中,氮素总输入与总输出项增幅最高的分别是文昌市和儋州市,五指山市两项增长均最低。1987-2016年海南岛农牧生产体系氮素投入持续增长,氮素利用率低下,空间差异较大,土壤氮素盈余量较高。相关性分析表明,农田生产子系统与动物生产子系统出现较严重的脱节。因而,为提高海南地区氮素流动效率和促进可持续发展,应注重提高本地饲料产量、合理使用肥料、循环利用畜禽粪尿,进一步优化农牧业发展布局,建立农牧结合的高效生产体系。