長(zhǎng)春地區(qū)食物鏈磷素養(yǎng)分流動(dòng)歷史變化特征分析*

張曉萌, 王 寅, 焉 莉, 馮國忠, 高 強(qiáng)**

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長(zhǎng)春地區(qū)食物鏈磷素養(yǎng)分流動(dòng)歷史變化特征分析*

張曉萌, 王 寅, 焉 莉, 馮國忠, 高 強(qiáng)**

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 長(zhǎng)春 130118)

磷是重要的生命元素, 其循環(huán)與轉(zhuǎn)化在食物鏈中起著至關(guān)重要的作用。研究通過整理統(tǒng)計(jì)資料和文獻(xiàn)數(shù)據(jù), 利用NUFER模型(Nutrient flows in Food chain, Environment and Resources use, NUFER), 分析長(zhǎng)春地區(qū)1993—2013年食物鏈磷素流動(dòng)趨勢(shì)特征, 揭示其存在的問題并提出策略, 為該地區(qū)食物鏈磷素的優(yōu)化管理提供依據(jù)。結(jié)果表明, 1993年長(zhǎng)春地區(qū)食物鏈磷素總輸入量為32.6 Gg, 至2013年增長(zhǎng)至113.9 Gg。食品生產(chǎn)方面, 動(dòng)物性食品磷素養(yǎng)分生產(chǎn)量由1993年的0.7 Gg提高到2013年的2.7 Gg, 而植物性食品則由1993年的16.1 Gg降低至2013年的15.7 Gg。食品消費(fèi)方面, 動(dòng)物性食品磷素消耗量由1993年的0.5 Gg提高到2013年的1.1 Gg, 植物性食品則由1993年的5.0 Gg降低至2013年的4.4 Gg。20年間, 長(zhǎng)春地區(qū)食物鏈以廢物形式累積的磷素量上升了15個(gè)百分點(diǎn), 通過徑流、淋洗及侵蝕方式損失掉的磷素增加了17.6 Gg。至2013年, 食物鏈中磷素的損失率達(dá)到20.2%。食物鏈各環(huán)節(jié)的磷素利用效率均呈下降趨勢(shì), 其中作物生產(chǎn)和畜禽生產(chǎn)系統(tǒng)磷素利用效率分別由94.2%和4.1%降至49.3%和3.8%。整個(gè)食物鏈的磷素利用效率降低了20.3個(gè)百分點(diǎn)。同時(shí), 磷素的循環(huán)再利用效率也在逐漸降低。20年間, 長(zhǎng)春地區(qū)食物鏈磷素流動(dòng)呈現(xiàn)出“投入量大、累積量多、損失量高、利用效率和循環(huán)再利用率低”的形式。因此, 該地區(qū)的食物鏈中應(yīng)控制磷素養(yǎng)分的投入, 注意畜禽系統(tǒng)中廢棄物的磷素循環(huán)利用, 減少磷素?fù)p失從而提高磷素的利用效率。

磷素; NUFER模型; 食物鏈; 養(yǎng)分流動(dòng); 磷素利用效率; 磷素?fù)p失率; 長(zhǎng)春地區(qū)

磷素既是動(dòng)植物生長(zhǎng)發(fā)育的必需營養(yǎng)元素, 又是食物鏈系統(tǒng)中重要的養(yǎng)分資源[1]。同時(shí)也是決定水體富養(yǎng)化及生物多樣性的限制因子[2]。磷素的投入是維持動(dòng)植物產(chǎn)品品質(zhì)、產(chǎn)量及滿足全球食品需求的重要手段[3]。但是, 過量的供應(yīng)不僅造成資源浪費(fèi)又給環(huán)境帶來壓力。我國作為農(nóng)牧業(yè)發(fā)展大國, 磷肥使用量居于全球首位[4]。磷素大量累積于土壤中, 并通過徑流、淋洗及侵蝕等方式進(jìn)入水體, 造成環(huán)境污染。同時(shí), 磷資源的可持續(xù)發(fā)展一直是國內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一。目前, 對(duì)磷素養(yǎng)分的物質(zhì)流相關(guān)研究也逐漸受到重視。Smit等[5]對(duì)荷蘭農(nóng)業(yè)及非農(nóng)業(yè)子系統(tǒng)中磷素流動(dòng)進(jìn)行定量分析, 發(fā)現(xiàn)2005年磷素總盈余的一半累積于農(nóng)田土壤, 剩余部分以不同方式損失掉, 極少部分回收到農(nóng)田, 并討論了如何可持續(xù)使用磷資源。Suh等[6]繪制了食品系統(tǒng)的磷素流量框架, 并計(jì)算磷素利用效率。揭示了食物中僅有15%的磷素被人類攝取, 其余損失到環(huán)境中, 其主要損失發(fā)生在畜禽生產(chǎn)和作物種植階段。并設(shè)想了提高磷素利用效率的相關(guān)措施。Egle等[7]試圖量化廢棄物及廢水中磷素的流量和庫存量, 并利用STAN軟件構(gòu)建模型, 為評(píng)估奧地利農(nóng)田土壤中及廢棄物中磷素累積量和制定相關(guān)管理方案提供了良好的基礎(chǔ)。Chen等[8]研究揭示了農(nóng)田系統(tǒng)過量的磷肥輸入導(dǎo)致土壤磷累積, 對(duì)水體構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn); 草地放牧系統(tǒng)面臨嚴(yán)重的磷缺陷, 導(dǎo)致草地大范圍退化。Bai等[9]從奶制品生產(chǎn)角度分析了氮、磷養(yǎng)分流動(dòng)情況, 指出必須在乳制品生產(chǎn)中更有效地利用畜禽排泄物中的養(yǎng)分, 才有助于提高整個(gè)系統(tǒng)的養(yǎng)分利用率。Ma等[10-11]通過相關(guān)研究總結(jié)歸納, 建立了食物鏈養(yǎng)分流動(dòng)模型(Nutrient flows in Food chain, Environment and Resources use, NUFER) , 并基于此模型預(yù)測(cè)我國磷損失情況, 指出磷肥的變化受人口增長(zhǎng)和飲食結(jié)構(gòu)改變的驅(qū)動(dòng)[12]。張建杰等[13]借助NUFER模型, 探究山西省農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷素流動(dòng)空間分布特征, 為山西省養(yǎng)分資源管理提供相應(yīng)的科學(xué)建議。僅分析單一系統(tǒng)的養(yǎng)分流動(dòng)特征, 很難對(duì)食物鏈整體養(yǎng)分進(jìn)行調(diào)控管理。因而, 從食物鏈的角度評(píng)價(jià)磷素養(yǎng)分管理的方式備受關(guān)注, 而我國各區(qū)域?qū)κ澄镦溦w磷素流動(dòng)的相關(guān)研究較少。長(zhǎng)春地區(qū)作為農(nóng)牧產(chǎn)品大量生產(chǎn)及出口的典型區(qū)域, 目前對(duì)其磷素養(yǎng)分流特征尚少有詳細(xì)的了解。因此, 探究長(zhǎng)春地區(qū)食物鏈磷素流動(dòng)趨勢(shì)特征, 有助于該地區(qū)的磷資源可持續(xù)利用, 對(duì)提高長(zhǎng)春地區(qū)磷的利用效率及降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)具有指導(dǎo)意義。本研究利用NUFER模型分析長(zhǎng)春地區(qū)1993—2013年間食物鏈磷素流動(dòng)規(guī)律, 明確該地區(qū)食物鏈的磷素流動(dòng)趨勢(shì)特征, 揭示其中存在的問題, 全面、系統(tǒng)地為該地區(qū)磷素的養(yǎng)分優(yōu)化管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 長(zhǎng)春地區(qū)概況

長(zhǎng)春市位于吉林省中部地區(qū)。屬溫帶大陸性半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候, 雨熱同季。其國土面積2.06×106hm2, 耕地面積1.31×106hm2, 其中約30%用于農(nóng)作物種植。長(zhǎng)春地區(qū)地處全球三大“黃金玉米帶”之一的松遼平原, 因此形成長(zhǎng)期以玉米為主的農(nóng)業(yè)種植模式。2008—2013年的5年間, 該地區(qū)糧食平均產(chǎn)量達(dá)8.47×106t, 其中玉米產(chǎn)量達(dá)6.69×106t, 占吉林省玉米總產(chǎn)量的29%。畜牧業(yè)市場(chǎng)則主要以豬、肉牛、家禽及其副產(chǎn)品生產(chǎn)為主。近5年, 豬、肉牛、家禽的養(yǎng)殖量分別約占畜禽總數(shù)量的37%、31%、27%[14]。

1.2 長(zhǎng)春地區(qū)食物鏈系統(tǒng)

研究以長(zhǎng)春行政區(qū)域邊界作為系統(tǒng)邊界, 長(zhǎng)春地區(qū)食物鏈系統(tǒng)包括作物生產(chǎn)系統(tǒng)、畜禽生產(chǎn)系統(tǒng)、家庭消費(fèi)系統(tǒng)、廢棄物(如作物秸稈、人畜糞便、生活垃圾等)。磷素在食物鏈中的流動(dòng)和循環(huán)途徑如圖1所示。食物鏈磷素通過(1)肥料、(2)飼料外源輸入的方式進(jìn)入食物鏈。食物鏈中磷素的產(chǎn)出表現(xiàn)為(3)植物性產(chǎn)品輸出、(4)動(dòng)物性產(chǎn)品輸出、(5)淋洗和徑流及侵蝕等方式損失。另外, 系統(tǒng)內(nèi)部通過(7)植物性食品、(8)籽粒和秸稈作飼料、(9)動(dòng)物性食品、(10)秸稈、(11)動(dòng)物排泄物、(12)食物殘?jiān)腿祟惻判刮锏壬罾?13)畜禽糞便還田、(14)秸稈作飼料再利用、(15)秸稈還田、(6)系統(tǒng)總輸入和總輸出之間的廢棄物磷素積累等途徑進(jìn)行養(yǎng)分流動(dòng)。隨著人口和食品消費(fèi)的增加, 人體中磷素的沉積量也在增加, 但是相對(duì)于食物鏈中總磷的輸入來說, 其含量不足1%, 因此不作為考慮的對(duì)象。

1.3 食物鏈數(shù)據(jù)來源

食物鏈中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和信息(人口、耕地面積、化肥使用量、作物種植面積和產(chǎn)量、畜禽數(shù)量、食品消費(fèi)情況)均來自長(zhǎng)春統(tǒng)計(jì)年鑒[13], 研究將農(nóng)作物歸為4類(谷物、其他作物、蔬菜、水果), 動(dòng)物分成7類(豬、肉牛、役用牛、奶牛、羊、蛋禽和肉禽), 并采用歐盟統(tǒng)計(jì)局折算方法對(duì)畜禽數(shù)量進(jìn)行估算比較[15], 將奶牛作為標(biāo)準(zhǔn)單位, 其他畜禽均折算成相應(yīng)奶牛數(shù)量進(jìn)行比較。肥料中磷素消耗量來源于磷肥中純磷含量和復(fù)合肥中磷素純養(yǎng)分含量。收獲作物和動(dòng)物產(chǎn)品中的磷含量、每種動(dòng)物的排泄物磷含量及動(dòng)物產(chǎn)品中可食用部分和其他部分的劃分均從文獻(xiàn)中獲取[10-11]。動(dòng)植物生產(chǎn)中磷素的排放系數(shù)等參數(shù)來源于文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)及調(diào)查結(jié)果[10-11]。

1.4 食物鏈磷素流動(dòng)分析計(jì)算[11]

食物鏈磷素養(yǎng)分的計(jì)算方法如下(單位: Gg=103t):

磷素總輸入量=肥料含磷量+飼料外源輸入含磷量 (1)

磷素總輸出量=植物性產(chǎn)品含磷量+動(dòng)物性產(chǎn)品

含磷量+徑流、侵蝕、淋洗的磷素?fù)p失量 (2)

其中, 一部分磷素累積于廢棄物中, 即存在于家庭消耗中產(chǎn)生的排泄物及生活廚余垃圾等的磷素養(yǎng)分, 其計(jì)算公式為:

磷素累積量=磷素總輸入量-磷素總輸出量 (3)

磷素養(yǎng)分損失率(LIR, %)=(磷素?fù)p失量/磷素總輸入量)×100% (4)

磷素循環(huán)再利用率(RRR, %)=(作物秸稈作為飼料的磷素量+動(dòng)物糞便還田的磷素量)/(秸稈收獲的總磷素量+畜禽糞便總磷素量)×100% (5)

磷素養(yǎng)分利用效率公式:

作物生產(chǎn)系統(tǒng)磷素利用效率(PUEc)=(主要農(nóng)產(chǎn)品輸出/作物生產(chǎn)輸入)×100% (6)

畜禽生產(chǎn)系統(tǒng)磷素利用效率(PUEa)=(畜禽產(chǎn)品輸出/畜禽生產(chǎn)輸入)×100% (7)

農(nóng)牧結(jié)合系統(tǒng)磷素利用效率(PUEc+a)=(農(nóng)牧產(chǎn)品輸出/農(nóng)牧生產(chǎn)輸入)×100% (8)

食物鏈磷素利用效率(PUEf)=(食品磷素輸出/磷素生產(chǎn)總輸入)×100% (9)

其余磷素養(yǎng)分計(jì)算相關(guān)指標(biāo)如下:

單位食物磷素消耗量: 食物鏈系統(tǒng)來自作物和畜牧生產(chǎn)系統(tǒng)中的每千克磷素進(jìn)入到家庭消費(fèi)系統(tǒng)中的磷素量。

動(dòng)物性食品在飲食中消費(fèi)比例(AFER, %): 來自于動(dòng)物食品中的磷素量占飲食中磷素量的比例。

磷素外源輸入比例(ITR, %): 來自其他區(qū)域的食品中磷素量占磷素總投入量的比例。

2 結(jié)果與分析

2.1 食物鏈中磷素總輸入與輸出的變化

1993—2013年, 長(zhǎng)春地區(qū)磷素總投入量由32.6 Gg提高至113.9 Gg, 增長(zhǎng)了2.5倍(圖2)。其中大部分磷素投入來自于農(nóng)田肥料施用, 由1993年的30.2 Gg增加至2013年87.7 Gg。隨畜禽數(shù)量的增加, 飼料糧的外源輸入比例大幅提高, 由最初的7%上漲為23%。養(yǎng)分輸出方面, 大部分磷素以廢棄物的形式累積下來, 并且累積量逐年增加, 由1993年的56%增加至2013年的71%, 2013年累積量已達(dá)80.6 Gg。

2.2 食品磷素生產(chǎn)與消耗的變化

1993—2013年, 長(zhǎng)春地區(qū)食物鏈?zhǔn)称分辛姿氐纳a(chǎn)、消耗及出口其他地區(qū)情況如圖3所示。長(zhǎng)春地區(qū)農(nóng)牧產(chǎn)品長(zhǎng)期供過于求, 導(dǎo)致磷素養(yǎng)分大量輸出其他地區(qū)。20年間, 長(zhǎng)春地區(qū)農(nóng)牧產(chǎn)品生產(chǎn)主要以植物性食品為主, 植物性食品磷素生產(chǎn)量分別在1998—2000年、2006—2009年期間出現(xiàn)短暫的下降趨勢(shì); 而動(dòng)物性食品在2009年之前呈快速增長(zhǎng)階段, 2010年受畜禽疫情影響大幅下降, 之后處于恢復(fù)階段(圖3)。植物性食品磷素消耗量趨于平緩, 至2013年達(dá)到4.4 Gg; 動(dòng)物性食品磷素消耗量呈小幅增加趨勢(shì), 2013年磷素消耗量增加至1993年的2.2倍。動(dòng)物性食品磷素在消費(fèi)中所占比例也逐漸提高, 由8.3%提高至17.9%(圖4)。植物性食品和動(dòng)物性食品磷素的出口量隨生產(chǎn)情況發(fā)生波動(dòng), 2013年出口比例分別為72%、60%?？傮w來說, 食物鏈中單位食物的生產(chǎn)投入成本大幅提高, 單位食品磷素消耗量由3.6 kg·kg-1增加至18.5 kg·kg-1。

2.3 食物鏈磷素的損失

1993—2013年, 長(zhǎng)春地區(qū)食物鏈有機(jī)養(yǎng)分磷素可利用量(秸稈、動(dòng)物排泄物)由18.4 Gg增加到52.5 Gg(圖5), 但磷素養(yǎng)分的循環(huán)利用效率并不容樂觀。2000年之前雖有小幅上升階段, 隨后呈持續(xù)下降趨勢(shì)。2013年磷素的循環(huán)再利用率已降至55%。磷素通過淋洗、徑流、侵蝕等方式損失量顯著增加, 整體損失率由1993年的14.3%達(dá)到2009年的21.7%, 2013年降回至20.5%(圖5)。

APFR: 動(dòng)物性食品在食品消費(fèi)中所占的比例。APFR: proportion of animal food in food consumption.

2.4 食物鏈磷素養(yǎng)分利用效率

從作物生產(chǎn)系統(tǒng)來看, 磷素的利用率(PUEc)從1993年的94.2%降至2009年的37.6%, 2013年又提高到49.3%。從畜禽生產(chǎn)系統(tǒng)來看, 磷素的利用效率(PUEa)相對(duì)較低, 由4.1%下降為3.8%, 呈緩慢降低趨勢(shì)。20年間, 長(zhǎng)春地區(qū)食物鏈磷素整體養(yǎng)分利用效率(PUEf)持續(xù)降低, 從1993年的25.7%下降至2013年的5.4%, 降幅較大, 達(dá)4.8倍(圖6)。

3 結(jié)論和討論

1993—2013年間, 長(zhǎng)春地區(qū)人口快速增加, 城鎮(zhèn)化率增加6.6個(gè)百分點(diǎn)。為了滿足日益增長(zhǎng)的糧食需求, 以及農(nóng)牧產(chǎn)品長(zhǎng)期輸出其他地區(qū)的供應(yīng), 長(zhǎng)春地區(qū)食物鏈磷素養(yǎng)分大量投入。同時(shí), 食品結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變, 動(dòng)物性食品消費(fèi)快速增加, 進(jìn)而對(duì)養(yǎng)分流動(dòng)趨勢(shì)及利用效率產(chǎn)生了影響。

研究結(jié)果顯示, 1993—2013年長(zhǎng)春地區(qū)食物鏈農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)磷素利用效率下降44.9%, 磷素以磷肥的形式進(jìn)入作物生產(chǎn)系統(tǒng)中, 而磷肥的利用率偏低, 通常情況下, 被作物直接利用的只有5%~25%[16]。在農(nóng)田管理中, 一方面, 長(zhǎng)春地區(qū)農(nóng)戶習(xí)慣將化肥一次性施入土壤中, 并且該地區(qū)磷肥的施用量普遍偏高[17]。長(zhǎng)期過量施用磷肥, 導(dǎo)致土壤中磷的盈余量不斷攀升, 磷素通過地表徑流和地下排水等方式損失掉, 并由此帶來了水體富營養(yǎng)化等環(huán)境問題。另一方面, 作物生產(chǎn)中收獲的大量秸稈未被合理利用, 農(nóng)戶為方便耕作、減少成本而習(xí)慣將作物秸稈露天焚燒, 導(dǎo)致部分磷素養(yǎng)分損失。因此, 提高農(nóng)民觀念, 合理施用磷肥, 高效利用磷資源是提高作物生產(chǎn)系統(tǒng)磷素利用效率的直接有效途徑。目前, 我國開展的測(cè)土配方施肥技術(shù)[18], 在提高產(chǎn)量的同時(shí)減少施肥量, 這一相關(guān)研究還需進(jìn)一步深入且普遍應(yīng)用。同時(shí)應(yīng)注意增加秸稈還田量, 提高磷素養(yǎng)分循環(huán)利用率。

在畜禽生產(chǎn)中, 隨著居民飲食結(jié)構(gòu)的改變, 長(zhǎng)春地區(qū)動(dòng)物性食品消費(fèi)比例提高了9.6%, 畜禽生產(chǎn)系統(tǒng)的磷素利用效率卻下降0.3%。而北京地區(qū)1978—2008年間隨著動(dòng)物性食品比例的提高, 畜禽生產(chǎn)系統(tǒng)磷素的利用效率增加5%[19]。2013年長(zhǎng)春地區(qū)畜禽生產(chǎn)系統(tǒng)磷素利用效率僅為3.8%, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于全國的平均水平(17%)[4], 進(jìn)一步對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)由于1993—2013年, 長(zhǎng)春地區(qū)居民飲食結(jié)構(gòu)由以植物性食品為主轉(zhuǎn)向以動(dòng)物性食品為主, 畜牧業(yè)迅速發(fā)展, 帶動(dòng)飼料糧的外源輸入大幅提高。同時(shí), 隨著畜牧業(yè)集約化、規(guī)模化發(fā)展, 大量糞尿資源產(chǎn)生。而長(zhǎng)春地區(qū)規(guī)?；B(yǎng)殖體系不夠完善, 對(duì)畜禽糞便未能集中處理及時(shí)利用, 導(dǎo)致磷素養(yǎng)分在各環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)化利用效率低。農(nóng)民也越來越多以化肥提高糧食產(chǎn)量, 而不愿花費(fèi)時(shí)間和體力收集施用農(nóng)家糞尿肥, 導(dǎo)致其不能及時(shí)還田。因此, 長(zhǎng)春地區(qū)的畜牧生產(chǎn)方面, 需要更多地利用秸稈等物質(zhì)加工飼料, 以減少飼料的外源輸入, 縮小養(yǎng)分投入量。同時(shí)加強(qiáng)關(guān)注畜禽糞尿的處理問題。

PUEc: 作物生產(chǎn)系統(tǒng)磷素利用效率; PUEa: 畜禽生產(chǎn)系統(tǒng)磷素利用效率; PUEc+a: 農(nóng)牧結(jié)合系統(tǒng)磷素利用效率; PUEf: 食物鏈磷素利用效率。PUEc: phosphorus utilization efficiency of crop production system; PUEa: phosphorus utilization efficiency of animal production system; PUEc+a: phosphorus utilization efficiency of farming-grazing system; PUEf: phosphorus utilization efficiency of food chain system.

家庭消費(fèi)中, 隨著長(zhǎng)春地區(qū)的都市化發(fā)展, 居民生活水平的提高, 一些食物浪費(fèi)現(xiàn)象普遍存在。亟待提高居民意識(shí), 杜絕糧食浪費(fèi), 從而提高食物鏈的磷素養(yǎng)分利用效率。

1993—2013年, 長(zhǎng)春地區(qū)食物鏈磷素養(yǎng)分總投入大幅提高, 增加了81.3 Gg。廢物累積中磷素增加了62.2 Gg, 通過淋洗、徑流和侵蝕而損失的磷素增加了17.6 Gg, 而磷素整體循環(huán)利用率卻下降了5.3%, 整體利用效率下降了20.3%。磷素的整體流動(dòng)趨勢(shì)與我們對(duì)氮素的研究結(jié)果相似[20], 但磷素的損失率顯著高于氮素。主要由于畜禽排泄物中的磷素含量較多。長(zhǎng)春地區(qū)磷素養(yǎng)分隨農(nóng)牧產(chǎn)品的出口大量流出, 而農(nóng)牧產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的廢棄物卻累積于本地區(qū)食物鏈內(nèi)部, 造成養(yǎng)分利用效率低下。因此, 可利用廢棄物中的養(yǎng)分來提高利用效率。除磷肥外, 動(dòng)物糞尿、作物秸稈、污水和污泥都是較為常見的作物可用磷資源[21]。在對(duì)待磷資源的問題上, 一方面可以有計(jì)劃地加以利用, 變廢為寶。規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)可以通過對(duì)糞尿進(jìn)行集中處理后還田, 生活垃圾及污水經(jīng)過處理后排放, 也可降低隨地表徑流而造成水體富營養(yǎng)化的環(huán)境問題發(fā)生。另一方面可以制定相關(guān)政策規(guī)劃管理, 可以借鑒歐美國家的成功經(jīng)驗(yàn), 為農(nóng)戶提供相應(yīng)的補(bǔ)償, 并制定相關(guān)政策控制磷肥的投入, 監(jiān)督其作物秸稈等還田處理情況。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)作為宏觀數(shù)據(jù)的來源, 其不確定性會(huì)對(duì)研究結(jié)果的估算造成一定的影響。研究通過參考1994—2013年的《長(zhǎng)春統(tǒng)計(jì)年鑒》收集基礎(chǔ)數(shù)據(jù), 盡量確保數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠性。對(duì)研究中所涉及到的其他參數(shù), 則是借鑒Ma等[19]總結(jié)出的較為成熟的一套參數(shù), 并根據(jù)長(zhǎng)春地區(qū)的實(shí)際情況做了部分調(diào)整[20], 以此來盡量減小研究結(jié)果的偏差。同時(shí), 為了便于了解畜禽結(jié)構(gòu)情況, 畜禽數(shù)量采用歐盟統(tǒng)計(jì)局折算方法為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行估算對(duì)比, 是歐美等國家常用的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，可能會(huì)對(duì)結(jié)果略有影響。隨著區(qū)域養(yǎng)分管理研究的不斷深入, 今后則需建立更準(zhǔn)確權(quán)威的參數(shù)體系及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn), 進(jìn)一步修正不同地區(qū)的差異, 完善研究結(jié)果。

長(zhǎng)春作為農(nóng)牧產(chǎn)品大量輸出的地區(qū), 食物鏈磷素流動(dòng)特征呈現(xiàn)出高投入、高累積、高損失、低效率、低循環(huán)的“三高兩低”形式。因此, 今后長(zhǎng)春地區(qū)食物鏈中磷素的管理應(yīng): 1)合理施肥并注意養(yǎng)分循環(huán)利用。減少秸稈焚燒量, 增加秸稈還田量, 減少養(yǎng)分損失。同時(shí)對(duì)畜禽生產(chǎn)中糞便加工處理、及時(shí)還田。2)建立合理規(guī)范化養(yǎng)殖體系, 減少各環(huán)節(jié)養(yǎng)分流動(dòng)的損失。利用作物秸稈等物質(zhì)加工飼料, 減少飼料糧的外源輸入。3)根據(jù)區(qū)域食品消費(fèi)特點(diǎn), 合理調(diào)整食品消費(fèi)結(jié)構(gòu)。并杜絕食品浪費(fèi), 以減少家庭消費(fèi)系統(tǒng)中的養(yǎng)分損失。進(jìn)一步加強(qiáng)長(zhǎng)春地區(qū)食物鏈各系統(tǒng)間磷素養(yǎng)分協(xié)調(diào)管理, 實(shí)現(xiàn)區(qū)域磷素養(yǎng)分可持續(xù)發(fā)展的目的。

[1] 馬文奇, 張福鎖. 食物鏈養(yǎng)分管理——中國可持續(xù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2008, 26(1): 68–73 Ma W Q, Zhang F S. Nutrient management in human food chain: A challenge for sustainable development of China[J]. Science & Technology Review, 2008, 26(1): 68–73

[2] Sharpley A N, Chapra S C, Wedepohl R, et al. Managing agricultural phosphorus for protection of surface waters: Issues and options[J]. Journal of Environmental Quality, 1994, 23(3): 437–451

[3] 魯如坤. 植物營養(yǎng)與施肥原理[M]. 北京: 農(nóng)業(yè)出版社, 2000: 201–202 Lu R K. Principles of Plant Nutrition and Fertilizer Application[M]. Beijing: Agriculture Press, 2000: 201–202

[4] Bai Z H, Ma L, Ma W Q, et al. Changes in phosphorus use and losses in the food chain of China during 1950–2010 and forecasts for 2030[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2016, 104(3): 361–372

[5] Smit A L, Van Middelkoop J C, Van Dijk W, et al. A quantification of phosphorus flows in the Netherlands through agricultural production, industrial processing and households[R]. Wageningen: Plant Research International, 2010,

[6] Suh S, Yee S. Phosphorus use-efficiency of agriculture and food system in the US[J]. Chemosphere, 2011, 84(6): 806–813

[7] Egle L, Zoboli O, Thaler S, et al. The Austrian P budget as a basis for resource optimization[J]. Resources, Conservation and Recycling, 2014, 83: 152–162

[8] Chen M, Chen J, Sun F. Agricultural phosphorus flow and its environmental impacts in China[J]. Science of the Total Environment, 2008, 405(1/3): 140–152

[9] Bai Z H, Ma L, Oenema O, et al. Nitrogen and phosphorus use efficiencies in dairy production in China[J]. Journal of Environmental Quality, 2013, 42(4): 990–1001

[10] Ma L, Ma W Q, Velthof G L, et al. Modeling nutrient flows in the food chain of China[J]. Journal of Environmental Quality, 2010, 39(4): 1279–1289

[11] Ma L, Velthof G L, Wang F H, et al. Nitrogen and phosphorus use efficiencies and losses in the food chain in China at regional scales in 1980 and 2005[J]. Science of the Total Environment, 2012, 434: 51–61

[12] Ma L, Wang F, Zhang W, et al. Environmental assessment of management options for nutrient flows in the food chain in China[J]. Environmental Science & Technology, 2013, 47(13): 7260–7268

[13] 張建杰, 郭彩霞, 張一弓, 等. 山西省農(nóng)牧生產(chǎn)體系磷流動(dòng)空間變異特征[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2016, 24(5): 553–562 Zhang J J, Guo C X, Zhang Y G, et al. Spatial characteristics of phosphorus flow in crop-livestock production systems in Shanxi, China[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2016, 24(5): 553–562

[14] 長(zhǎng)春市統(tǒng)計(jì)局. 長(zhǎng)春統(tǒng)計(jì)年鑒[M]. 北京: 中國統(tǒng)計(jì)出版社, 1994—2014 Changchun Statistic Bureau. Changchun Statistical Yearbook[M]. Beijing: China Statistic Press, 1994–2014

[15] Eurostat. Glossary: Livestock unit[EB/OL]. [2014-06-07]. http://ec.europa.eu/eurostat/statistics-explained/index.php/ Glossary: Livestock_unit_(LSU)––

[16] 李可芳, 黃霞. 磷肥的使用與農(nóng)業(yè)面源污染[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2004, 27(S1): 189–190 Li K F, Huang X. Use of phosphorus fertilizer and agricultural pollution[J]. Environmental Science & Technology, 2004, 27(S1): 189–190

[17] 高強(qiáng), 馮國忠, 王志剛. 東北地區(qū)春玉米施肥現(xiàn)狀調(diào)查[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào), 2010, 26(14): 229–231 Gao Q, Feng G Z, Wang Z G. Present situation of fertilizer application on spring maize in Northeast China[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2010, 26(14): 229–231

[18] 張福鎖. 我國肥料產(chǎn)業(yè)與科學(xué)施肥戰(zhàn)略研究報(bào)告[M]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社, 2008 Zhang F S. China’s Fertilizer Industry and Scientific Fertilization Strategy Research Report[M]. Beijing: China Agricultural University Press, 2008

[19] Ma L, Guo J H, Velthof G L, et al. Impacts of urban expansion on nitrogen and phosphorus flows in the food system of Beijing from 1978 to 2008[J]. Global Environment Change, 2014, 28: 192–204

[20] 張曉萌, 王寅, 焉莉, 等. 長(zhǎng)春地區(qū)食物鏈氮素養(yǎng)分流動(dòng)趨勢(shì)與特征分析[J]. 自然資源學(xué)報(bào), 2017, 32(2): 255–265 Zhang X M, Wang Y, Yan L, et al. The trend and characteristics of nitrogen nutrition in the food chain in Changchun[J]. Journal of Natural Resources, 2017, 32(2): 255–265

[21] 郝曉地, 王崇臣, 金文標(biāo). 磷危機(jī)概觀與磷回收技術(shù)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2011 Hao X D, Wang C C, Jin W B. Overview of Phosphorus Crisis and Technologies of Its Recovery[M]. Beijing: Higher Education Press, 2011

Analysis of historical characteristics of phosphorus nutrient flow in food chain in Changchun area*

ZHANG Xiaomeng, WANG Yin, YAN Li, FENG Guozhong, GAO Qiang**

(College of Resources and Environmental Sciences, Jilin Agricultural University, Changchun 130118, China)

Phosphorus is an important element of life, whose cycle and transformation are critical in the food chain. With statistical and literature data, the trends and characteristics of phosphorus flow in the food chain in Changchun area were investigated for the period 1993–2013 using the NUFER (Nutrient flows in Food chain, Environment and Resources use) model. The study determined the existing problems, put forward strategies and provided examples of optimal management of phosphorus in the food chain. The results showed that total input of phosphorus in the food chain system in Changchun area increased from 32.6 Gg in 1993 to 113.9 Gg in 2013. In food production, phosphorus flow in animal-derived food increased from 0.7 Gg in 1993 to 2.7 Gg in 2013, and that of plant-derived food dropped from 16.1 Gg in 1993 to 15.7 Gg in 2013. In food consumption, phosphorus flow rate in animal-derived food increased from 0.5 Gg in 1993 to 1.1 Gg in 2013, and phosphorus flow in plant-derived food dropped from 5.0 Gg in 1993 to 4.4 Gg in 2013. In the last two decades, phosphorus accumulation in the form of waste in the food chain increased by 15%, while phosphorus loss via runoff, leaching and erosion increased by 17.6 Gg. Up till 2013, the rate of phosphorus loss in the food chain was 20.2%. The trend in phosphorus use efficiency in various paths of the food chain decreased, in which the phosphorus utilization rate by animals/crops decreased from 94.2%/4.1% to 49.3%/3.8%, respectively. Phosphorus use efficiency in the whole food chain decreased by 20.3%. At the same time, the recycling efficiency of phosphorus gradually reduced. In the last two decades, phosphorus flow of food chain in Changchun area followed the path of “high input, high accumulation, high loss, low efficiency and low recycle”. Therefore, it was important to control phosphorus input, reduce phosphorus loss, increase phosphorus recycling in waste and enhance the rate of phosphorus use efficiency in Changchun area.

Phosphorus; NUFER model; Food chain; Nutrient flow; Phosphorus use efficiency; Phosphorus loss rate; Changchun area

10.13930/j.cnki.cjea.170125

S19; X2

A

1671-3990(2017)08-1099-07

*國家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201103003)資助

**通訊作者:高強(qiáng), 主要研究方向?yàn)轲B(yǎng)分資源管理。E-mail: gyt199962@163.com

張曉萌, 主要研究方向?yàn)轲B(yǎng)分資源管理。E-mail: zxmeng9016@163.com

2017-02-14 接受日期: 2017-03-31

* This study was supported by the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest of China (201103003).

, E-mail: gyt199962@163.com

Feb. 14, 2017; accepted Mar. 31, 2017

張曉萌, 王寅, 焉莉, 馮國忠, 高強(qiáng). 長(zhǎng)春地區(qū)食物鏈磷素養(yǎng)分流動(dòng)歷史變化特征分析[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2017, 25(8):1099-1105

Zhang X M, Wang Y, Yan L, Feng G Z, Gao Q. Analysis of historical characteristics of phosphorus nutrient flow in food chain in Changchun area[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2017, 25(8): 1099-1105