常熟市食物鏈系統(tǒng)氮素生產(chǎn)-消費(fèi)平衡及環(huán)境負(fù)荷特征

張　寧，王延華，2*，楊　浩，2，周　偉，蔡祖聰，2

（1.南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，南京 210023；2.江蘇省物質(zhì)循環(huán)與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210023；3.中國科學(xué)院南京土壤研究所，南京 210008）

常熟市食物鏈系統(tǒng)氮素生產(chǎn)-消費(fèi)平衡及環(huán)境負(fù)荷特征

張寧1，王延華1，2*，楊浩1，2，周偉3，蔡祖聰1，2

（1.南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，南京 210023；2.江蘇省物質(zhì)循環(huán)與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210023；3.中國科學(xué)院南京土壤研究所，南京 210008）

為了解常熟市食物鏈系統(tǒng)氮素流動(dòng)特征，通過構(gòu)建食物鏈氮素流動(dòng)模型，應(yīng)用模型計(jì)算該市2000—2013年農(nóng)田生產(chǎn)、畜禽養(yǎng)殖、家庭消費(fèi)三個(gè)子系統(tǒng)氮素流動(dòng)通量，對(duì)食品氮的生產(chǎn)消費(fèi)平衡和氮素環(huán)境損失及負(fù)荷特征進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：2000—2013年常熟市植物性食品氮每年盈余，年均盈余量2 171.54 t；動(dòng)物性食品氮在2000—2002年盈余47.71～56.92 t，2003—2013年動(dòng)物性食品氮生產(chǎn)少于需求，年均虧缺210.03 t；該市食物鏈系統(tǒng)年均損失氮素2.34萬t，三子系統(tǒng)氮素年均環(huán)境損失率分別為65.39%、69.03%、68.16%；氮素?fù)p失平均每年給當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成1.81萬t氮負(fù)荷，分別有40.33%、29.65%、30.02%進(jìn)入水體、大氣、土壤環(huán)境?？梢?，常熟市食物鏈氮素流動(dòng)系統(tǒng)中存在氮素環(huán)境損失率高、環(huán)境負(fù)荷量大的問題。對(duì)此，可采取提高廢棄物氮的循環(huán)利用率，減少農(nóng)畜食品生產(chǎn)中氮素投入量的措施進(jìn)行調(diào)控管理。

氮素；食物鏈；生產(chǎn)-消費(fèi)平衡；環(huán)境負(fù)荷

張寧，王延華，楊浩，等.常熟市食物鏈系統(tǒng)氮素生產(chǎn)-消費(fèi)平衡及環(huán)境負(fù)荷特征［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2016，35（9）：1797-1806.

ZHANG Ning，WANG Yan-hua，YANG Hao，et al.Characteristics of production-consumption balance and environmental loads of nitrogen in food chain system in Changshu City［J］.Journal of Agro-Environment Science，2016，35（9）：1797-1806.

氮素是人體必需的養(yǎng)分元素之一，主要通過飲食獲取。氮素隨肥料、飼料、食品的投入產(chǎn)出在人類食物生產(chǎn)與消費(fèi)活動(dòng)中循環(huán)流動(dòng)，食物鏈氮素流動(dòng)系統(tǒng)是對(duì)這一循環(huán)過程的抽象概括。模型模擬是食物鏈氮素流動(dòng)研究常用的方法，目前國內(nèi)外已建立生命周期評(píng)價(jià)模型［1］、氮足跡模型［2］、凈人為氮輸入模型［3］、中國營養(yǎng)體系養(yǎng)分流動(dòng)循環(huán)模型［4］及養(yǎng)分流動(dòng)循環(huán)模型［5］等主要模型。研究發(fā)現(xiàn)氮素在食物鏈及其子系統(tǒng)利用率較低。據(jù)估算，20世紀(jì)90年代中期全球植物性食品氮利用率為26.67%，動(dòng)物性食品氮利用率為15.15%［6］。挪威小麥、牛奶、肉類氮代價(jià)分別為3、14、21，相當(dāng)于氮素利用率分別只有33.3%、7.14%和4.76%［7］。我國2005年農(nóng)田生產(chǎn)、畜禽養(yǎng)殖及整個(gè)食物鏈系統(tǒng)氮素利用率分別為26%、11%和9%［5］。食物鏈系統(tǒng)投入氮素中約有80%［8］損失進(jìn)入環(huán)境，給環(huán)境造成負(fù)荷壓力，并可能引發(fā)氮素污染。挪威研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)農(nóng)田生產(chǎn)中的氮素環(huán)境損失量較高時(shí)，氮素環(huán)境損失量與流域水體氮濃度顯著相關(guān)［9］。我國宜溧河流域種植業(yè)、畜禽及水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)對(duì)水體的氮素污染貢獻(xiàn)率分別為55.9%、34.4%和9.8%［10］。南京市東郊蔬菜生態(tài)系統(tǒng)作物氮肥利用率低，使該區(qū)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)較大［11］。因此，針對(duì)食物鏈系統(tǒng)氮素利用率低、損失多而造成的環(huán)境污染問題，國內(nèi)外學(xué)者在不斷探索和完善調(diào)控方法［12-15］。

常熟市是長(zhǎng)三角地區(qū)重要農(nóng)產(chǎn)區(qū)，農(nóng)田種植、畜禽養(yǎng)殖業(yè)都較發(fā)達(dá)。多年來該區(qū)地表水受到氮素污染［16-17］，或與食物生產(chǎn)和消費(fèi)活動(dòng)有關(guān)，且該市自產(chǎn)的農(nóng)畜食品氮能否滿足消費(fèi)需求？盈虧程度如何？以及該市農(nóng)畜食品的生產(chǎn)消費(fèi)活動(dòng)給當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成了多大氮素負(fù)荷壓力？這些問題目前尚不明確。實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法不能得到答案，就需要模型模擬方法解決。本研究基于食物鏈氮素流動(dòng)模型，對(duì)該市食物鏈氮素流動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行研究，以了解該區(qū)食品氮素生產(chǎn)消費(fèi)平衡狀況以及氮素?fù)p失給當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成的影響，進(jìn)而為該區(qū)氮素資源合理利用和氮素污染問題治理提供參考。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)域概況

常熟市（31°31′～31°51′N，119°14′～120°29′E）是蘇州的縣級(jí)市，地處太湖流域河網(wǎng)平原區(qū)，境內(nèi)水網(wǎng)交織，有望虞河、常滸河、昆承湖等主要水體。水系以城區(qū)為中心向四周放射。該區(qū)為亞熱帶季風(fēng)氣候，多年平均氣溫16.62℃，年均降水量1 206.69 mm［18］。常熟市是太湖流域典型農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)區(qū)［19］，農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)以種植業(yè)為主，畜牧業(yè)居第三位。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活釋放的大量氮素曾給當(dāng)?shù)厮h(huán)境造成污染，目前大多河湖水質(zhì)明顯改善［17］，但仍有個(gè)別水域污染嚴(yán)重，甚至面臨水質(zhì)型缺水問題［16］。

1.2常熟市食物鏈氮素流動(dòng)模型

本研究基于物質(zhì)流分析方法和質(zhì)量平衡原理，參考食物鏈養(yǎng)分流動(dòng)模型［5］，構(gòu)建了常熟市食物鏈氮素流動(dòng)模型，包括農(nóng)田生產(chǎn)、畜禽養(yǎng)殖、家庭消費(fèi)三個(gè)子系統(tǒng)。

1.2.1模型邊界

模型的區(qū)域邊界以常熟市行政邊界為準(zhǔn)，包括虞山、海虞、梅李等9個(gè)行政鎮(zhèn)［18］。模型系統(tǒng)邊界（圖1）是由農(nóng)田生產(chǎn)、畜禽養(yǎng)殖、家庭消費(fèi)三個(gè)子系統(tǒng)中不同輸入、輸出氮素流所構(gòu)成的食物鏈系統(tǒng)邊界。

為保證系統(tǒng)內(nèi)部氮素流動(dòng)的整體關(guān)聯(lián)性和一致性，農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)選擇了在農(nóng)田種植、收獲物主要用于人類食物消費(fèi)、秸稈可用作飼料或肥料的13種農(nóng)作物，包括水稻、麥類、玉米、蔬菜、油菜、豆類、薯類、油料、糖料。畜禽養(yǎng)殖子系統(tǒng)中畜禽種類包括牛（奶牛、肉牛）、羊、豬、家禽、兔。家庭消費(fèi)子系統(tǒng)選擇以農(nóng)田和畜禽子系統(tǒng)中輸出產(chǎn)品為原料的食物種類，包括食用油、糧食、蔬菜、肉、蛋、奶等。

1.2.2模型算法

根據(jù)質(zhì)量平衡原理，設(shè)定每個(gè)子系統(tǒng)的氮素總輸入等于總輸出，各子系統(tǒng)算法如下：

（a）農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)（Crop production subsystem）

圖1　食物鏈氮素流動(dòng)系統(tǒng)Figure 1 Nitrogen flows in food chain system

式（1）～（3）中，各項(xiàng)氮流通量單位均為t，NC-inp和NC-outp分別為農(nóng)田子系統(tǒng)氮素總輸入和總輸出。NFer，化肥氮，包括氮肥和復(fù)合肥中所含氮素；NExc，糞尿肥氮，包括畜禽和人糞尿氮還田部分；NSeed、NIrr、NDep分別為種子、灌溉水、大氣沉降輸入氮；NBNF，生物固氮，采用作物播種面積乘以固氮系數(shù)；NCro，作物還田氮，作物還田部分所含氮素。NGra，作物收獲物氮，收獲產(chǎn)量乘以氮含量；NStr，作物秸稈氮，由作物產(chǎn)量、秸稈/籽粒比、秸稈氮含量三項(xiàng)相乘得到；NNH3、NDen、NRun、NLea分別為氨揮發(fā)、反硝化、徑流和淋溶損失氮，這四項(xiàng)是農(nóng)田子系統(tǒng)進(jìn)入大氣和水體環(huán)境的氮素，由農(nóng)田生產(chǎn)中施入的肥料氮量乘以氨揮發(fā)、反硝化、徑流和淋溶損失系數(shù)得到；NAcc，土壤盈余氮，根據(jù)質(zhì)量平衡，由系統(tǒng)氮素總輸入減去作物收獲氮量、秸稈氮量、損失進(jìn)入水體氮量和進(jìn)入大氣氮量得到。

（b）畜禽養(yǎng)殖子系統(tǒng)（Livestock breeding subsystem）

式（4）～（6）中，各項(xiàng)氮流通量單位均為t，NL-inp和NL-outp分別為畜禽子系統(tǒng)氮素總輸入和總輸出。NCrop、NStr、NBy-pro、NKit依次為飼料糧氮、秸稈飼料氮、畜禽骨副產(chǎn)物飼料氮、廚余垃圾飼料氮，分別由作物收獲氮量、秸稈氮量、骨和副產(chǎn)物氮量、家庭消費(fèi)子系統(tǒng)產(chǎn)生廚余垃圾氮量乘以各項(xiàng)作飼料比例求得；NOther，其他外源飼料氮，由系統(tǒng)輸出總氮量減去其余各項(xiàng)輸入氮量求得。NEgg和NMilk為蛋氮和奶氮，分別由蛋、奶產(chǎn)量乘以氮含量求得；NMeat、NBone、NBy-pro為肉氮、骨氮和副產(chǎn)物氮，由畜禽出欄數(shù)量、畜禽活體重、肉骨副產(chǎn)物占活體重比例及其氮含量四項(xiàng)相乘得到；NExctofie、NExctowat、NExctoair為畜禽糞尿還田、進(jìn)入水體和進(jìn)入大氣氮，這三項(xiàng)由畜禽糞尿氮量乘以糞尿不同去向比例得到，其中畜禽糞尿氮量通過畜禽養(yǎng)殖數(shù)量乘以畜禽排氮量求得。

（c）家庭消費(fèi)子系統(tǒng)（Household consumption subsystem）

式（7）～（9）中，各項(xiàng)氮流通量單位均為t，NH-inp和NH-outp分別為家庭消費(fèi)子系統(tǒng)氮素總輸入和總輸出。NPla、NAni為植物性和動(dòng)物性食品氮，即居民植物性食品氮和動(dòng)物性食品氮的實(shí)際消費(fèi)量，由城鄉(xiāng)人口數(shù)量、人均食物消費(fèi)量和食品氮含量相乘求得。NBody，人體吸收氮，食品氮消費(fèi)量乘以人體吸收比例；NKit as feed、NKittowat、NOtherkit分別為廚余垃圾作飼料、進(jìn)入水體氮及其他去向氮，由廚余垃圾氮量乘以不同去向比例得到，廚余垃圾氮量根據(jù)城鄉(xiāng)人口食物消費(fèi)氮量乘以消費(fèi)中廚余垃圾產(chǎn)生比例求得；NExctofie、NExctowat、NExctoair依次為人糞尿還田、進(jìn)入水體、進(jìn)入大氣氮，由人糞尿氮量乘以糞尿不同去向比例得到，其中人糞尿氮量由系統(tǒng)氮素總輸入減去人體吸收氮和廚余垃圾氮求得。

1.2.3模型數(shù)據(jù)

常熟市食物鏈氮素流動(dòng)模型所需數(shù)據(jù)可分為兩類，即參數(shù)數(shù)據(jù)和基本信息數(shù)據(jù)。

該模型涉及參數(shù)眾多。因地域不同而有明顯差異的參數(shù)，諸如大氣沉降速率［19］、灌溉水氮含量［20］、氮素徑流和淋溶［11，21-22］、氨揮發(fā)［21，23-26］、反硝化［21，24-27］等的損失率，是通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)獲取其合理取值范圍，并結(jié)合研究區(qū)地域符合程度確定取值。而受地域差異影響小的參數(shù)，如復(fù)合肥氮含量比例［4-5，28］、生物固氮速率［21-22］、各類作物收獲物氮含量［19，29-30］、秸稈氮含量［19-21］、秸稈/籽粒比［19-21］、單位面積種子氮輸入量［19，22，29］、畜禽活體重［19-20］、肉骨副產(chǎn)物占體重比例及其氮含量［4，20］、畜禽排氮量［21］、食品氮含量［4，20，31］等參數(shù)參考相關(guān)文獻(xiàn)后合理取值。各類作物收獲物作食品、飼料及其他，秸稈還田、作飼料、燃燒及其他，畜禽骨副產(chǎn)物作食品、飼料，人畜糞尿還田、進(jìn)入大氣、進(jìn)入水體，廚余垃圾作飼料、進(jìn)入水體及其他不同去向的比例參數(shù)，參考了馬林［4］、高利偉［20］相關(guān)研究中2000年以后的數(shù)據(jù)，并結(jié)合我國第一次全國污染源普查的入戶調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、本課題組實(shí)地調(diào)研情況以及周楊等［32］2006、2011年兩次農(nóng)戶調(diào)研統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)綜合整理后確定。歷年城鄉(xiāng)居民人均食品年消費(fèi)量從《常熟統(tǒng)計(jì)年鑒》［33］獲得。由于參數(shù)較多，表1～表3僅列出三個(gè)子系統(tǒng)的部分參數(shù)。

基本信息數(shù)據(jù)，如氮肥與復(fù)合肥折純量、作物播種面積與產(chǎn)量、蛋和牛奶產(chǎn)量、畜禽養(yǎng)殖數(shù)量（豬、羊、兔取當(dāng)年出欄數(shù)；肉牛取當(dāng)年出欄數(shù)，奶牛取年末存欄數(shù)；家禽取年末出欄數(shù)）、城鄉(xiāng)人口數(shù)量等來自《常熟統(tǒng)計(jì)年鑒》［33］；耕地面積、行政面積及其他相關(guān)數(shù)據(jù)同時(shí)參考了《常熟年鑒》［18］和《蘇州統(tǒng)計(jì)年鑒》［34］。

1.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法

本研究使用WPS Office 2016中Excel表格的統(tǒng)計(jì)繪圖功能進(jìn)行數(shù)據(jù)初步統(tǒng)計(jì)分析和制圖，并使用SPSS 18.0的回歸分析和通徑分析［35］功能對(duì)氮素生產(chǎn)-消費(fèi)平衡及環(huán)境負(fù)荷特征的影響因素作進(jìn)一步分析。

1.3.1食品氮盈缺氮量和盈缺率

農(nóng)田和畜禽兩個(gè)生產(chǎn)子系統(tǒng)模擬植物性和動(dòng)物性食品氮的實(shí)際生產(chǎn)情況，家庭子系統(tǒng)模擬居民食品氮實(shí)際消費(fèi)情況。衡量食物鏈氮素養(yǎng)分生產(chǎn)與消費(fèi)平衡使用下列公式：

S=P-C和R=S/P×100%式中：S為食品氮盈缺量；P為食品氮生產(chǎn)量，當(dāng)用于植物性食品氮時(shí)，指農(nóng)田子系統(tǒng)作物收獲物氮中用作食物的部分，由公式（2）中作物收獲氮量乘以收獲物作食品比例求得，當(dāng)用于動(dòng)物性食品氮時(shí)，指畜禽子系統(tǒng)產(chǎn)出的蛋奶肉骨及副產(chǎn)物作食品部分的氮素總量；C為食品氮消費(fèi)量，算法見公式（7）；R為食品氮盈缺率。

表1　化肥氮、灌溉水輸入氮、生物固氮及肥料氮環(huán)境損失參數(shù)Table 1 Parameters for nitrogen losses to environment in chemical fertilizer，irrigation water，biological fixation and organic fertilizer

表2　畜禽養(yǎng)殖子系統(tǒng)參數(shù)Table 2 Parameters for nitrogen in livestock breeding subsystem

表3　食物氮含量Table 3 Nitrogen content in food

S=0時(shí)，表示該區(qū)生產(chǎn)的食品氮恰好滿足居民消費(fèi)需求；S＜0時(shí)，生產(chǎn)少于需求；S＞0時(shí)，生產(chǎn)超過需求。

1.3.2環(huán)境氮損失量和損失率

系統(tǒng)中未被有效利用而損失的氮素，稱為環(huán)境損失氮，包括農(nóng)田子系統(tǒng)通過氨揮發(fā)、反硝化、淋溶、徑流、燃燒損失進(jìn)入水土氣環(huán)境的氮素，畜禽子系統(tǒng)以糞尿?yàn)檩d體進(jìn)入大氣、水體的氮素以及家庭子系統(tǒng)以廚余垃圾、人糞尿?yàn)檩d體進(jìn)入大氣和水體的氮素。燃燒途徑進(jìn)入大氣的氮量由秸稈氮量乘以秸稈燃燒比例得到，其余各項(xiàng)環(huán)境損失氮量算法分別見公式（2）、（5）、（8）。分項(xiàng)環(huán)境損失氮量之和為氮素環(huán)境損失量，損失率按下式計(jì)算：

式中：R為氮素環(huán)境損失率；L為氮素環(huán)境損失量；Ninp為氮素投入量。1.3.3氮素環(huán)境負(fù)荷量

圖2　常熟市2000—2013年食品氮盈缺Figure 2 Surpluses and deficiencies of food nitrogen in Changshu City from 2000 to 2013

本研究用環(huán)境負(fù)荷氮量衡量源于食物鏈系統(tǒng)且能給環(huán)境造成污染的氮素?cái)?shù)量。環(huán)境負(fù)荷氮量與環(huán)境損失氮量區(qū)別在于前者不包含反硝化主要產(chǎn)物N2。反硝化產(chǎn)生的環(huán)境負(fù)荷氮量以N2O-N計(jì)，據(jù)公式“施氮量×環(huán)境排放因子+背景排放量”［36］，其中N2O環(huán)境排放因子為0.66%，水田、旱地排放背景值分別為0.76、0.78 kg N·hm-2。其余分項(xiàng)環(huán)境負(fù)荷氮量算法與環(huán)境損失氮量算法相同。

2　結(jié)果與討論

2.1食物鏈系統(tǒng)氮素生產(chǎn)與消費(fèi)平衡特征

比較食品氮生產(chǎn)量與居民實(shí)際消費(fèi)量可看出氮素生產(chǎn)與消費(fèi)平衡狀況。由圖2可見，2000—2013年常熟市每年植物性食品氮都有盈余，每年平均生產(chǎn)4 562.09 t植物性食品氮，居民實(shí)際消費(fèi)2 390.55 t，年均盈余量達(dá)2 171.54 t，盈缺率在36.40%～62.51%之間，供給遠(yuǎn)高于消費(fèi)需求，表明當(dāng)?shù)孛磕甓伎梢韵蛲獾剌敵鲛r(nóng)作物產(chǎn)品。而動(dòng)物性食品氮只在2000—2002年有56.27、47.71、56.92 t的少量盈余，盈缺率在5.75%～7.12%之間；從2003年起，動(dòng)物性食品氮素盈缺量一直為負(fù)，年均缺少210.03 t，盈缺率為-3.54%～-68.56%，個(gè)別年份缺口較大。

常熟市植物性食品氮年均有47%的盈余，與當(dāng)?shù)胤N植業(yè)單產(chǎn)高和政府高度重視有關(guān)。2013年，該市建立水稻制種基地300 hm2，育成水稻新品種累計(jì)20個(gè)，設(shè)立11個(gè)病蟲預(yù)測(cè)點(diǎn)，可準(zhǔn)確預(yù)報(bào)病蟲害。此外，研究發(fā)現(xiàn)常熟市2000—2013年的植物性食品氮需求波動(dòng)下降了26.27%，生產(chǎn)供給下降了8.39%，植物性食品氮需求減少速度比生產(chǎn)快（圖3），導(dǎo)致盈余總體上增加。而當(dāng)?shù)匦竽翗I(yè)生產(chǎn)規(guī)模小，發(fā)展不穩(wěn)定，其產(chǎn)值只有農(nóng)田種植業(yè)的1/5。雖然2013年畜牧業(yè)產(chǎn)值比2000年增長(zhǎng)98%，但肉蛋奶等產(chǎn)量卻減少了2%。由圖3可見，該地區(qū)動(dòng)物性食品氮的生產(chǎn)總體呈下降趨勢(shì)，而需求卻波動(dòng)增長(zhǎng)，使其近年動(dòng)物性食品缺口較大，平均每年25%的動(dòng)物性食品氮依靠外地輸入。

圖3　常熟市2000—2013年食品氮生產(chǎn)與需求變化總體趨勢(shì)Figure 3 Changes of food nitrogen production and consumption in Changshu City from 2000 to 2013

2.2食物鏈系統(tǒng)氮素環(huán)境損失特征

食物鏈系統(tǒng)投入氮素的去向可分為兩種：一是直接或經(jīng)循環(huán)利用轉(zhuǎn)化為食品氮最終被人體吸收，二是損失進(jìn)入環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計(jì)常熟市2000—2013年平均每年損失氮素23 382.70 t。由圖4可看出，農(nóng)田子系統(tǒng)年均損失最多，達(dá)17 867.81 t，畜禽子系統(tǒng)每年損失3 319.58 t，家庭子系統(tǒng)2 195.31 t。從環(huán)境損失率來看，食物鏈三個(gè)子系統(tǒng)氮素環(huán)境損失率在59.82%～69.81%之間，其中農(nóng)田子系統(tǒng)損失率最低，為65.38%，家庭子系統(tǒng)為68.16%，畜禽子系統(tǒng)最高，達(dá)69.03%。

表4　逐步回歸和通徑分析結(jié)果Table 4 Step-wise regression and path analysis

常熟市食物鏈氮素流動(dòng)系統(tǒng)中，以農(nóng)田子系統(tǒng)環(huán)境損失氮量最多。這可能與該子系統(tǒng)氮素投入量大、環(huán)境損失途徑多有關(guān)。2000—2013年，平均每年種植業(yè)投入氮素2.73萬t，是畜禽子系統(tǒng)氮素投入量的5.68倍、家庭子系統(tǒng)的8.48倍。但農(nóng)作物只吸收利用了39.15%，而且其中的部分氮素（占總投入的4.53%）最后又通過秸稈燃燒損失掉，其余氮素經(jīng)氨揮發(fā)和反硝化損失30.83%，淋溶和徑流損失10.16%，還有19.86%貯存于土壤中。

當(dāng)?shù)厥澄镦溝到y(tǒng)氮素環(huán)境損失率每年都超過氮素投入的50%，從側(cè)面反映出氮素利用率低。本研究中，該地農(nóng)田子系統(tǒng)作物秸稈和收獲物的氮素利用率年均值為39.15%，畜禽系統(tǒng)產(chǎn)出食品的氮素利用率為13.99%。其他地區(qū)同樣存在這種現(xiàn)象。北京市2000—2007年農(nóng)田和畜禽兩個(gè)子系統(tǒng)的氮素利用率分別為25.88%和16.27%［20］，年均環(huán)境損失率在70%以上。張福鎖等［8］總結(jié)國內(nèi)外研究，估算出氮素在食物生產(chǎn)與消費(fèi)系統(tǒng)的利用效率約為20%，其余80%的氮素?fù)p失進(jìn)入環(huán)境。

圖4　常熟市2000—2013年食物鏈系統(tǒng)年均氮素環(huán)境損失Figure 4 Mean annual nitrogen loss from food chain system to environment in Changshu City from 2000 to 2013

將多個(gè)氮素環(huán)境損失量（y3）的影響因素（x）與y3進(jìn)行逐步回歸分析后得到方程Y3（表5）。由剩余通徑可知，除x1、x2、x3以外的因素對(duì)氮素環(huán)境損失的直接影響作用僅為3.2%，因素x1、x2、x3對(duì)y3影響貢獻(xiàn)達(dá)96.8%；由直接通徑系數(shù)可知，農(nóng)田子系統(tǒng)氮素?fù)p失對(duì)食物鏈系統(tǒng)氮素環(huán)境損失產(chǎn)生了最大的直接影響，其次是畜禽子系統(tǒng)氮素?fù)p失和家庭子系統(tǒng)人糞尿氮損失的影響。

2.3常熟市食物鏈系統(tǒng)氮素環(huán)境負(fù)荷特征

2.3.1食物鏈系統(tǒng)氮素環(huán)境負(fù)荷

環(huán)境損失氮中的N2-N對(duì)環(huán)境無害，因此僅衡量環(huán)境損失氮不能真實(shí)反映環(huán)境面臨的氮素污染風(fēng)險(xiǎn)。本研究統(tǒng)計(jì)了食物鏈系統(tǒng)排放的對(duì)環(huán)境具有污染危害的環(huán)境負(fù)荷氮量。常熟市2000—2013年食物鏈系統(tǒng)平均每年給當(dāng)?shù)卦斐?8 101.95 t環(huán)境氮負(fù)荷，其中農(nóng)田子系統(tǒng)排放占69.53%，畜禽子系統(tǒng)占18.34%，家庭子系統(tǒng)占12.13%。這些環(huán)境負(fù)荷氮素最終進(jìn)入水、土、氣環(huán)境，均可能對(duì)環(huán)境造成污染，其中水環(huán)境負(fù)荷氮7 299.83 t，大氣環(huán)境負(fù)荷氮5 367.13 t，土壤環(huán)境負(fù)荷氮5 434.99 t（圖5）。

圖5　常熟市2000—2013年食物鏈系統(tǒng)年均環(huán)境氮素負(fù)荷Figure 5 Annual environmental nitrogen load of food chain system in Changshu City from 2000 to 2013

表5　逐步回歸和通徑分析結(jié)果Table 5 Step-wise regression and path analysis

耕地是這些環(huán)境負(fù)荷氮遷移轉(zhuǎn)化的主要場(chǎng)所，常熟市每公頃耕地每年共向水土氣環(huán)境釋放230 kg負(fù)荷氮。據(jù)報(bào)道，我國2005年平均水平為186 kg·hm-2［5］，遼寧省201 kg·hm-2［37］，常熟市高于這些地區(qū)。該地農(nóng)田子系統(tǒng)產(chǎn)生的這些環(huán)境負(fù)荷氮以食品氮產(chǎn)出折算，相當(dāng)于該區(qū)每產(chǎn)出1 kg植物性食品氮將釋放2.80 kg環(huán)境負(fù)荷氮，比全國水平［5］多1.22 kg。畜禽子系統(tǒng)排放的環(huán)境負(fù)荷氮量相當(dāng)于每生產(chǎn)1 kg動(dòng)物性食品氮伴隨產(chǎn)生4.93 kg環(huán)境負(fù)荷氮，相比也高于全國總體水平（4.17 kg）［5］。該區(qū)家庭消費(fèi)子系統(tǒng)排放的環(huán)境負(fù)荷氮源于居民農(nóng)畜食品消費(fèi)過程，合計(jì)每人年均釋放2.08 kg，高于全國1.53 kg的水平；這些氮素是當(dāng)?shù)鼐用裣M(fèi)3 220.63 t動(dòng)植物性食品氮產(chǎn)生的，因此相當(dāng)于該市居民每消費(fèi)1 kg食品氮將給環(huán)境造成0.68 kg氮負(fù)荷，而我國2005年水平為0.50 kg。對(duì)比看出常熟市2000—2013年食物鏈氮素流動(dòng)系統(tǒng)給當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成的氮素負(fù)荷壓力大于全國平均水平。

2.3.2食物鏈系統(tǒng)氮素環(huán)境負(fù)荷的水環(huán)境影響

常熟市湖蕩眾多，水網(wǎng)密集，種植養(yǎng)殖以及家庭生活損失的氮素容易進(jìn)入并污染水體。本研究核算，2000年以來平均每年有7 299.83 t氮由食物鏈系統(tǒng)進(jìn)入當(dāng)?shù)厮h(huán)境。Ti等［19］對(duì)常熟市2007年水體氮素環(huán)境負(fù)荷進(jìn)行過估算，包括種植業(yè)、畜牧業(yè)、漁業(yè)、工業(yè)、生活等多項(xiàng)來源共計(jì)8 108.3 t氮，本研究同年估算結(jié)果為6 922.4 t氮。每年如此之多的氮素進(jìn)入水體，無疑易使水環(huán)境遭受污染。

常熟市水體環(huán)境氮負(fù)荷中38.07%來源于農(nóng)田生產(chǎn)活動(dòng)，34.18%來源于畜禽養(yǎng)殖活動(dòng)，家庭食物消費(fèi)活動(dòng)占27.75%。與全國［5］以及江蘇?。?8］、浙江?。?8］、上海市［38］等相比，常熟市不同子系統(tǒng)對(duì)水體環(huán)境氮素負(fù)荷的貢獻(xiàn)比例差異較?。▓D6）。據(jù)報(bào)道：黑龍江阿什河流域種植業(yè)向當(dāng)?shù)睾恿髦休斎氲? 229.74 t［39］；日本北海道Kepau河流域一農(nóng)場(chǎng)每年向Kepau河輸入氮素14.4 t，其中90%是隨降雨和春季融雪帶入的［40］；1981—1991年加拿大Fraser山谷的農(nóng)牧生產(chǎn)活動(dòng)每年給當(dāng)?shù)厮h(huán)境造成7 250 t氮負(fù)荷［41］；廈門市2008年居民食物氮消費(fèi)活動(dòng)產(chǎn)生2 673.12 t水體環(huán)境氮負(fù)荷［42］。可見，食物生產(chǎn)與消費(fèi)系統(tǒng)向水體環(huán)境排放氮素的問題早已引起了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。

圖6　水體環(huán)境氮素負(fù)荷的來源Figure 6 Sources of water nitrogen load

從物源來看，常熟市水體環(huán)境的氮素負(fù)荷畜禽糞尿排放量最多，平均每年2 500.90 t，其次是城鄉(xiāng)居民的糞尿1 919.89 t，第三是化肥1 810.22 t，這三大來源共占總量的85.33%。有研究發(fā)現(xiàn)常熟地區(qū)河湖水體的氮污染源主要來自城鎮(zhèn)生活污水和農(nóng)村人畜排泄物［18］，與本研究結(jié)果一致。蘇州2012—2014年環(huán)境公報(bào)顯示其河湖水質(zhì)與氮素有關(guān)，河流首要污染物為氨氮，湖泊首要污染物為總氮?？梢姡h(huán)境負(fù)荷氮多與常熟市河湖水質(zhì)惡化有密切關(guān)系。對(duì)多個(gè)影響因素（x）與水環(huán)境氮素負(fù)荷量（y4）進(jìn)行回歸分析和通徑分析后得到方程Y4（表6）。由剩余通徑可知，逐步回歸自動(dòng)篩選出的4個(gè)變量因素對(duì)水環(huán)境氮素負(fù)荷量的影響貢獻(xiàn)率達(dá)92.3%，直接影響作用依次為：飼料氮投入＞淋溶徑流損失氮量＞居民糞尿氮產(chǎn)生量＞廚余垃圾氮產(chǎn)生量。

3　結(jié)論

常熟市2000—2013年食物鏈系統(tǒng)食品氮生產(chǎn)消費(fèi)平衡呈現(xiàn)植物性食品氮每年盈余、動(dòng)物性食品氮2003年起每年虧缺的特征。食物鏈系統(tǒng)氮素環(huán)境損失率高而利用率低。損失進(jìn)入環(huán)境的氮素使當(dāng)?shù)厮w、土壤、大氣面臨污染威脅，該市河湖水質(zhì)惡化與食物鏈系統(tǒng)產(chǎn)生的大量氮素負(fù)荷有關(guān)。

針對(duì)以上問題，可從以下兩方面進(jìn)行調(diào)控：

（1）提高氮素循環(huán)利用率以降低環(huán)境損失率。如減少秸稈焚燒，增加秸稈和糞尿還田，提高秸稈、糞尿、廚余垃圾原料化能源化比例。

表6　逐步回歸和通徑分析結(jié)果Table 6 Step-wise regression and path analysis

（2）合理減少氮素投入以減輕環(huán)境負(fù)荷壓力。如減少化肥氮的投入量，可將目前化肥氮的投入水平降低至180 kg N·hm-2的合理施用水平；縮減養(yǎng)殖規(guī)模并保持農(nóng)業(yè)委員會(huì)提出的畜禽食品30%自給的農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃目標(biāo)。

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Characteristics of production-consumption balance and environmental loads of nitrogen in food chain system in Changshu City

ZHANG Ning1，WANG Yan-hua1，2*，YANG Hao1，2，ZHOU Wei3，CAI Zu-cong1，2
（1.School of Geography Science，Nanjing Normal University，Nanjing 210023，China；2.Jiangsu Provincial Key Laboratory of Materials Cycling and Pollution Control，Nanjing 210023，China；3.Institute of Soil Science，Chinese Academy of Sciences，Nanjing 210008，China）

Changshu is a developed city in the Taihu Lake Region with intensive agriculture and dense population.It was reported that nitrogen was primary pollutant of the surface water in Changshu City.To understand the characteristics of nitrogen flows in Changshu food chain system，a nitrogen flow model in food chain system was constructed.The model was then applied to calculate the nitrogen fluxes in crop production subsystem，livestock breeding subsystem and household consumption subsystem of Changshu City from 2000 to 2013.The characteristics of production and consumption balance and environmental loads of nitrogen were finally analyzed.Results showed that plantderived food nitrogen had an average annual surplus of 2 171.54 t·a-1from 2000 to 2013.Animal-derived food nitrogen showed a little surplus of 47.71～56.92 t from 2000 to 2002.From 2003 to 2013，however，animal-derived food nitrogen was short of 210.03 t·a-1.The food chain system lost 23 382.70 t N·a-1into the environment.The loss rates of three subsystems were 65.39%，69.03%and 68.16%for crop production，livestock breeding and household consumption subsystems，respectively.The lost nitrogen caused an environmental load of 18 101.95 t N·a-1，40.33%of which was transported into water，29.65%into atmosphere and 30.02%into soil.This revealed that the nitrogen loss rates were relatively high and the environmental load of nitrogen was huge in the food chain system in Changshu City.Enhancing nitrogen cycle utilization efficiency and decreasing nitrogen inputs in farm-livestock production would be critical to nitrogen control in agricultural system.

nitrogen；food chain system；production-consumption balance；environmental load

X171.5

A

1672-2043（2016）09-1797-10doi：10.11654/jaes.2016-0148

2016-01-29

國家重大科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2014CB953801）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41273102）；南京師范大學(xué)百人計(jì)劃項(xiàng)目（184080H20181）

張寧（1990—），女，河北保定人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榈剡w移轉(zhuǎn)化對(duì)環(huán)境的影響。E-mail：zhangning_njnu@163.com

王延華E-mail：wangyanhua@njnu.edu.cn