第 26 卷 第 6 期 自 然 资 源 学 报 Vol. 26 No. 62011 年 6 月 JOURNAL OF NATURAL RESOURCES Jun．，2011

收稿日期: 2010－ 03－ 25; 修订日期: 2011－ 03－ 01。基金项目: 国家科技支撑计划课题( 2007BAD89B09) ; 中国科学院重要方向性项目( KSCX2 － YW － N － 022，KSCX2 －

YW－ N －46 － 01) 。第一作者简介: 武兰芳( 1963 － ) ，女，博士，副研究员，中国自然资源学会会员( S300001171M) ，主要从事区域农业

可持续评价、农田生态及生产力形成相关方面的研究。E-mail: wulf@ igsnrr． ac． cn

不同种养结合区农田系统氮磷平衡分析

武兰芳1，欧阳竹

1，谢小立2

( 1. 中国科学院 地理科学与资源研究所 生态系统网络观测与模拟重点实验室 禹城试验站，北京 100101;

2. 中国科学院 亚热带农业生态研究所，长沙 415025)

摘要: 山东禹城和湖南桃源是位于我国不同地区均以种养生产为主的两个县( 市) ，根据养分平

衡原理对这两个县级区域尺度的农田系统氮、磷收支状况进行了计算分析，结果表明: 自 1980年以来，单位面积耕地上氮磷的输入量与输出量均表现为不断增加，但是，因为输入增长高于输

出增长，导致农田系统产生较多氮磷养分盈余，两个地区存在明显差异。禹城农田系统氮磷盈

余量呈逐年增长趋势，氮盈余量从 133. 8 kgN·hm －2增加到目前的 450 kgN·hm －2

以上，磷盈余

量从 6. 2 kgP2O5·hm －2增加到目前的 148. 9 kgP2O5·hm －2 ; 在其 11 个乡镇中有 10 个表现为氮

盈余、9 个表现为磷盈余，其中氮盈余量最多的高达 841. 8 kgN·hm －2，磷盈余量最多的达到

297. 8 kgP2O5·hm －2。桃源农田系统氮磷盈余量表现为先增后降，氮盈余量从 100 kgN·hm －2

左右增加到 2002 年达到峰值 253. 7 kgN·hm －2后，逐渐下降到目前的 150. 0 kgN·hm －2

左右，

磷盈余量从 20. 0 kgP2O5·hm －2左右增加到 2002 年的峰值 95. 9 kgP2O5·hm －2

后，下降到目前

的 34. 4 kgP2O5·hm －2 ; 在其 40 个乡镇中有 36 个表现为氮盈余、26 个表现为磷盈余，其中氮盈

余量最高的达到 561. 7 kgN·hm －2，磷盈余量最高的为 171. 1 kgP2O5·hm －2。农田系统氮磷养

分大量盈余主要是源于投入化肥量和承载粪便量较高，山东禹城明显高于湖南桃源，所以，为了

减少养分盈余损失，应根据农田作物生长养分需求尽可能地减少化肥投入，并根据耕地粪便承

载容量在区域内外合理调配畜禽粪便的施用。关 键 词: 氮磷平衡; 农田系统; 山东禹城; 湖南桃源

中图分类号: S143 文献标志码: A 文章编号: 1000 － 3037( 2011) 06 － 0943 － 12

氮磷是农业生产中最重要的养分限制因子，同时，也是日益明显的环境污染因素。在作

物生产中，大多数土壤都需要通过矿物化肥和( 或) 畜禽粪便补充氮磷养分以获得满意的产

量。但是，现代农业对地表水和地下水产生的硝酸盐污染、对大气造成氨和氮氧化污染，已

经成为不争的事实［1］; 来源于农业生产的磷负荷逐渐成为湖泊、河流和海水富营养化的主

要因素［2-5］。所以，为了减少硝态氮淋失，一些国家建立了关于减少硝态氮淋失的农作措施

指导方针，主要包括化肥氮和有机废弃物氮的施用量及施用时间［6-7］，许多经济发达国家已

经把养分不平衡管理引起的土壤磷素盈余看作是一个重要的环境问题而不是农学问题［8］。

养分平衡分析可以在不同尺度的不同系统进行: 如农田尺度、农场尺度、区域尺度和国

家尺度的作物种植和畜禽养殖，在其基础上进行养分平衡管理既有益于经济也有助于环境;

944 自 然 资 源 学 报 26 卷

在农场尺度更有助于养分优化管理，在区域和国家尺度则可用于评价农业对环境的影响，但

不论哪一层次尺度的养分平衡计算，遵循的基本原则却都是相同的［9］。养分平衡的计算方

法主要有两种，其一是农场总体平衡( Farm-gate balance) ，其二是土壤层面平衡( Soil-surfacebalance) ，这两种方法均可以用于计算不同类型和不同尺度农业系统的养分平衡状况。如

Kyllingsbaek 和 Hansen［9］就利用农场总体平衡方法计算了丹麦国家尺度 1980—2004 年养分

平衡状况，结果表明每年的氮素盈余量从 175 kgN·hm －2下降到 123 kgN·hm －2。但是，土

壤层面平衡是指在农业耕地上投入的养分总量( 化肥和畜禽粪便) 减去被作物吸收的养分

总量，如氮素更多的来源可以包括如大气沉降、豆科作物固氮等，虑及了地区之间和国家之

间的可比性，特别是是否具有可比的资料来源［10］。Kopinski 和 Tujaka 等

［11］采用土壤层面

平衡方法，估算了波兰国家尺度及其不同区域的氮素平衡状况，结果表明: 2002—2004 年波

兰国家尺度上平均氮素盈余量为每年 45 kgN·hm －2，但其不同地区之间存在很大差异，其

西北部地区的盈余量最高，每年大于 50 kgN·hm －2，主要是源于集约化生产中投入的大量

无机化肥和畜禽粪便，而其南部地区的盈余量最低，每年不超过 17 kgN·hm －2。Lermercier和 Gaudin 等对法国 Brittany 地区磷素平衡研究表明，磷的平均盈余量与平均投入量呈正相

关，如在 1979、1988 和 2000 年法国 Brittany 地区农田投入磷平均分别是 67. 8 kgP·hm －2、55. 1 kgP·hm －2

和 49. 0 kgP·hm －2，而同期磷的平均输出量分别是 21. 5 kgP·hm －2、22. 7kgP·hm －2

和 23. 5 kgP·hm －2，相应磷的平均盈余量分别是 46. 3 kgP·hm －2、32. 4 kgP·hm －2

和 25. 5 kgP·hm-2［5］。通过对一个系统的投入和产出进行定量化，氮素平衡分析可以确定系统内的氮素盈余

量，利用氮素平衡分析预测改变管理措施对氮素损失的影响，是一个具有较大潜力的管理工

具，所以，尽管氮素平衡作为评价农业系统氮素利用的定量方法已经有 100 多年的历史，但

至今仍然被普遍应用［1］。在欧盟各国，已经把农场的氮素营养平衡作为养分立法中的一个

关键因素，要求农民必需按照每年盈余量的许可临界值权衡其主要投入和产出，临界值的确

定主要根据作物种类和土壤类型，如果盈余量一旦超过规定的最高限量，则被征收环境污染

税或处以其它类型处罚，这一措施的积极作用是唤醒农民的认识并重新审视他们日常的农

作管理措施与环境的关系［12］。

自古以来，畜禽粪便就一直被作为有机肥返还农田，虽然，畜禽粪便含有丰富的养分资

源，作为有机肥用于作物生产是畜禽粪便最合适的去向。但是，当一定区域内畜禽数量规模

及其产生粪便超过作物生长需要和土壤的自净能力时，养分盈余问题就会显现［13］。为此，

欧盟委员会把投入农田的粪便氮作为评价氮素环境污染的一个指标，并确定了每年投入的

最高限额为 170 kgN·hm －2［7］。但是，在很多类型的粪便中同时含有大量磷，按照每年 170kgN·hm －2

施用粪便就可能会超过大部分作物每年对磷的吸收量，这样又可能导致大量磷

盈余损失，所以，有些国家又制定了每年粪便磷的施用限量［14］，如挪威、瑞典和爱尔兰为了

减少磷盈余损失的转移污染分别规定了每年粪便磷的最高施用量为 35 kgP·hm －2、22kgP·hm －2

和 40 kgP·hm －2［15］。几十年来，我国的农作制度发生了重大变化，农业生产结构由以种植业为主逐步向种植

与养殖并重转变，集约化生产水平不断提高，农业物质投入不断增加，耕地生产力得到了提

高。据国家统计资料表明，从 1996 年到 2006 年，粮食单产从 4 482. 8 kg·hm －2增加到 4

716. 0 kg·hm －2，耕地化肥( 折纯量) 用量从 3 828 × 104 t 增加到 4 766 × 104 t; 同期，畜牧业

发展迅速，肉类总产从 4 584 × 104 t 增加到 8 051 × 104 t，禽蛋总产从 1 897 × 104 t 增加到

6 期 武兰芳等: 不同种养结合区农田系统氮磷平衡分析 945

2 946 × 104 t，奶类从 736 × 104 t 增加到 3303 × 104 t，随之相伴的是畜禽数量及其产生的粪便

也在不断增长，而可消纳粪便的耕地面积却从 1. 30 × 108 hm2减少到 1. 22 × 108 hm2。那么，

我国宏观区域尺度上农业生产结构变化所引起的农田系统养分平衡状况及其环境效应如

何? 这方面的研究报导甚少。因此，本研究从县级区域尺度出发，在县级区域种植结构和养

殖结构变化分析基础上，根据农田养分供给和作物产量形成的养分需求，分析评价区域农田

系统氮磷平衡状况，为正确认识我国农作制度变化的养分盈余损失，并进一步从国家尺度分

析农田氮磷平衡状况，以及通过调整农业生产结构、控制养分盈余损失提供参考。

1 材料与方法

1. 1 研究区域概况

选择位于我国不同地区的山东省禹城市和湖南省桃源县为案例。这两个县( 市) 都是

以农业生产为主的县( 市) ，是粮食生产大县( 市) ，畜牧业养殖也较发达。山东省禹城市位于东经 116°23' ～ 116°45'，北纬 36°40' ～ 37°12'，居于黄淮海平原中部。

属黄河冲积平原，地势平缓。在气候上属于暖温带季风气候区，四季分明，气候温和，光照充

足，年平均降雨量 593 mm，降雨多集中在 6、7、8 月，呈现春旱、夏涝、晚秋旱的规律。境内 20多条河流纵横交错，地下水较充裕，并有“引黄”灌溉条件，目前水浇地面积和有效灌溉面积

分别占总耕地面积的 95%和 82%以上。由于土地、水利和光热资源优势，非常适合农业生

产，是典型的农业主产区，20 世纪 80 年代以来，在持续提高粮食单产和增加总产的同时，积

极调整农业生产结构，农业生产结构逐步由单一粮棉生产转向农牧结合，畜牧业产值占农业

总产值的比重由不足 10%增加到 35%以上，畜禽数量迅速增长。目前，种植业以小麦 /玉米

一年两熟为主，近几年农作物种植指数在 180%左右，养殖业以牛、猪和鸡为主。总之，禹城

农业生产的资源条件、发展水平及其生态系统特性在黄淮海平原具有典型性和代表性。湖南省桃源县位于东经 110°50' ～ 111°36'，北纬 28°24' ～ 29°24'，居于中亚热带向北亚

热带过渡地段。在气候上属中亚热带季风湿润气候区域，冷热四季分明，干湿两季明显。多

年平均气温 16. 5 ℃，年平均降水 1 437. 2 mm，无霜期有 283 d。境内河段长 99 km，有白洋

河、大洑溪、小洑溪、夷望溪、陬溪等 48 条一级支流汇入。种植制度以双季稻一年两熟为主，

同时盛产茶叶、苎麻、油料、水果等，近几年农作物复种指数在 260% 左右，畜牧业以牛、猪、禽为主，粮食、油料、肉类产品跻身全国百强县，先后被确定为全国农业现代化试点县、生态

示范县及国家商品粮、优质油料、优质棉、瘦肉型牲猪、蛋品出口重点县和出口绿茶优势区域

县。区域化、特色化的农产品优势区域布局和农业产业格局正在形成，其农业生产条件、生产水平及生态气候特点在长江中下游亚热带地区具有典型性和代表性。1. 2 数据来源与分析方法

本研究参照 Kopinski 和 Tujaka 等［11］

的方法，把区域内所有种植作物的耕地看作是一整

块大的“农田”，采用土壤层面平衡养分平衡计算方法。在氮磷养分平衡分析中基本的概念

是物质守恒，可以简单地表示为:

输入 － 输出 = 贮存或损失

如果农田输入氮磷总量与输出氮磷总量之差为正值，则表明农田系统的氮磷表现为

“盈余”状态，氮磷在土壤中累积或转化损失，氮磷盈余量越大其损失量就可能越大，对环境

污染的风险就越大; 如果农田输入氮磷总量与输出氮磷总量之差为负值，则表明农田系统的

氮磷呈现为“亏缺”状态，此时土壤中没有氮磷累积，氮磷的损失量相对较小，不产生环境污

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染风险。其特点是便于在相同的基础上对不同区域或不同类型农业生态系统进行分析

比较［1］。农田系统中输入氮主要考虑化肥氮、粪便氮及大气沉降氮和非寄生微生物固定的氮，输

出氮主要是粮、棉、油、菜和茶果等农作物产品。农田系统中输入磷主要考虑化肥磷和粪便磷，输出磷主要是粮、棉、油、菜和茶果等农作

物产品。用于计算农田氮磷盈余的农作物产品结构及其数量、化肥氮磷投入量、畜禽生产结构及

其数量等基本数据来源于禹城市和桃源县统计资料。化肥氮和化肥磷的数量: 农田系统的化肥氮和化肥磷投入数量直接来源于每年的县农

业经济统计资料。粪便氮和粪便磷的数量: 粪便氮磷的年产出量根据每年的畜禽存栏量和粪便排泄系数

与粪便含氮磷量计算，畜禽存栏量直接来源于统计资料，各种畜禽的粪便排泄系数及其氮磷

含量参照王方浩等提供的参数［16］。每年施入农田系统的粪便按照粪便年产出量的 80%

计算。据笔者调查了解，虽然近几年奶牛养殖开始发展，但其数量依然偏少，仍然以肉牛和役

用牛养殖为主，大约分别占 60% 和 40% ; 禽类主要是鸡，其中肉鸡和蛋鸡各占 50% ; 猪的饲

养周期为 100 ～ 120 d，平均按 110 d 计，每年饲养 3 批，猪的粪便排泄量按存栏量 × 110 ×3 × 日排泄系数计算; 肉鸡的饲养周期为 55 d，每年最多饲养 4 批，肉鸡的粪便排泄量按其存

栏量 × 55 × 4 × 日排泄系数计算; 其它家畜的粪便排泄量均按存栏量 × 年排泄系数计算。生物固氮的数量: 根瘤菌固定的氮素根据每年豆科作物种植面积和固氮系数计算，大豆

年固氮量按平均计为 180 kgN·hm －2，花生年固氮量按平均计为 100 kgN·hm －2计算

［17］; 非

寄生微生物年固定氮素的标准系数按 4 kgN·hm －2计算

［11］。大气沉降氮的数量: 禹城每年大气氮素沉降按 23. 6 kgN·hm －2

计算［18］，桃源每年大气

氮素沉降按桃源试验站 2006—2009 年实测平均值 37. 6 kgN·hm －2计算。

农田作物输出氮与输出磷的数量: 因为两个地区种植作物种类和复种指数不同，为了便

于比较，根据区域内主要农作物产品产出总量及其每形成 100 kg 产品对氮磷的需求系数［19］

计算得出农田上的氮、磷输出量。在计算蔬菜产品的氮磷输出量时，每 100 kg 蔬菜产品对

氮磷的需求系数采用不同区域种植主要蔬菜的平均值，禹城为黄瓜、番茄和胡萝卜 3 种蔬菜

平均，桃源为黄瓜、番茄、胡萝卜、辣椒、白菜 5 种蔬菜平均。

2 结果与分析

2. 1 不同区域农田系统氮收支与盈亏

从时间动态来看，单位面积耕地上氮的输入量和盈余量均表现为山东禹城始终高于湖

南桃源，氮素盈余量的增长主要是源于化肥氮素投入的增加和粪便氮产出量的增加，而且化

肥 N 高于粪便 N( 图 1 和图 2) 。山东禹城从 1980 年到 2005 年，每年投入化肥氮 ( 折纯 N) 总量从 6 776. 5 t 增加到

22 929. 0 t，单位面积耕地上化肥 N 的平均投入量从 124. 4 kgN·hm －2增加到 432. 3 kgN·

hm －2，同期，粪便氮( 折纯 N) 的年产出总量从 1 902. 0 t 增加到 15 489. 0 t，1985 年以前不足

当年投入化肥氮的 1 /3，1985 年以后达到当年投入化肥氮的 2 /3 以上，单位面积耕地上承载

量从 34. 9 kgN·hm －2增加到 291. 9 kgN·hm －2。与此同时，虽然禹城农田系统的输出 N 也

6 期 武兰芳等: 不同种养结合区农田系统氮磷平衡分析 947

表现为逐年增加，从 1980 年的 75. 2 kgN·hm －2到 2005 年达到 300. 7 kgN·hm －2，但是，由

于农田系统每年的输入氮远远大于其输出氮，所以导致农田氮素大量盈余，氮素盈余总量从

1980 年的 7 290. 4 t 增长到 2005 年的 24 157. 9 t，其中 2002 年盈余量最高，达到 25 476. 6 t，与之相应，单位耕地面积上的氮素盈余量由 1980 年的 133. 8 kgN·hm －2

增加到 2005 年的

455. 4 kgN·hm －2 ( 图 1) 。

图 1 禹城 1980—2005 年耕地氮收支与盈亏变化

Fig. 1 Nitrogen budget of farmland in Yucheng from 1980 to 2005

湖南桃源从 1980 年到 2008 年，每年投入化肥氮( 折纯) 总量从 10 008 t 增加到 22 582t，单位面积耕地上化肥氮的平均投入量从 131. 0 kgN·hm －2

增加到 240. 8 kgN·hm －2，同

期，粪便氮的年产出量从 4 650 t 增加到 15 354. 0 t，按单位耕地面积计从 51. 1 kgN·hm －2增

加到 180. 1 kgN·hm －2，化肥氮和粪便氮的增长速率均低于山东禹城; 与此同时，虽然桃源

农田系统的输出氮也表现为逐年增加，按单位耕地面积计从 1980 年的 98. 4 kgN·hm －2到

2008 年达到 325. 0 kgN·hm －2，氮素盈余总量从 1980 年的 10 627 t 增长到 2008 年的 16 038t，盈余量最高时达到 24 332 t，相应单位面积耕地氮盈余量由 1980 年的 137. 9 kgN·hm －2

增

加到 2002 年最大时为 253. 7 kgN·hm －2，随后下降到目前的 150 kgN·hm －2左右( 图 2) 。

图 2 桃源 1980—2008 年耕地氮收支与盈亏变化

Fig. 2 Nitrogen budget of farmland in Taoyuan from 1980 to 2008

两个地区相比，氮素收支与盈余量的动态变化趋势基本一致，但是，因为山东禹城单位

面积耕地上投入的化肥氮和承载的粪便氮均高于湖南桃源，而输出氮却是禹城略低于桃源，

948 自 然 资 源 学 报 26 卷

所以，氮素盈余量表现为禹城高于桃源。从区域内空间分布差异来看，单位面积耕地上氮素收支与盈亏存在很大差异。禹城 11

个乡镇中只有 1 个乡镇的农田表现为氮亏缺，其余 10 个乡镇均表现出不同程度的氮盈余，

盈余量最低的为 57. 0 kgN·hm －2，最高的达 841. 8 kgN·hm －2 ; 桃源 40 个乡镇中，只有 4 个

乡镇的农田系统表现为氮亏缺，其余 36 个乡镇的农田均表现为不同程度的氮盈余，其中有

22 个乡镇农田氮素盈余量在 150. 0 kgN·hm －2以下，盈余量最低的为 12. 8 kgN·hm －2，最

高的达到 561. 7 kgN·hm －2。氮素盈余量较高的乡镇，均源于投入较多化肥氮或承载较多

粪便氮( 图 3) 。

图 3 山东禹城与湖南桃源分乡镇耕地氮盈亏

Fig. 3 Spatial variation of nitrogen surplus in cropland of Yucheng and Taoyuan

2. 2 不同区域农田系统磷收支与盈亏

从 1980 年到 2005 年，山东禹城每年投入化肥磷( 折纯 P2O5 ) 的总量从 826. 0 t 增加到

6 711. 0 t，单位面积耕地上的投入量从 15. 2 kgP2O5·hm －2增加到 126. 5 kgP2O5·hm －2 ; 同

期，粪便磷( 折纯 P2O5 ) 的年产出量从 1 124. 8 t 增加到 9 036. 4 t，单位面积耕地承载粪便磷

从 20. 6 kgP2O5·hm －2增加到 170. 4 kgP2O5·hm －2。虽然，禹城农田系统的输出磷也表现

为逐年增加，从 1980 年的 29. 6 kgP2O5·hm －2到 2005 年达到 148. 0 kgP2O5·hm －2，但是，农

田系统输入磷的增长大于其输出磷的增长，致使农田系统磷盈余量呈逐年波动增长趋势，

每年磷盈余总量从 1980 年的 339. 7 t P2O5 增长到 2005 年的 7 898. 6 t P2O5，单位面积耕地

磷盈余量从每年 6. 23 kgP2O5·hm －2增加到 148. 9 kgP2O5·hm －2 ( 图 4) 。由图 4 可知，近

10 a 来农田系统承载的粪便磷已经超过了投入的化肥磷，但是化肥磷的投入却并没有下降，

而且粪便磷和化肥磷均呈现增长趋势，导致农田系统磷盈余量呈不断增长趋势，必然带来损

6 期 武兰芳等: 不同种养结合区农田系统氮磷平衡分析 949

图 4 禹城 1980—2005 年耕地磷收支与盈亏变化

Fig. 4 Phosphorus budget of farmland in Yucheng from 1980 to 2005

图 5 桃源县 1980—2008 年耕地磷收支与盈亏变化

Fig. 5 Phosphorus budget of farmland in Taoyuan from 1980 to 2008

失并产生环境污染问题。从 1980 年到 2008 年，湖南桃源县每年投入化肥磷( 折纯 P2O5 ) 总量从 4 650. 0 t 增加到

7 313. 0 t，单位面积耕地上的投入量从 35. 4 kgP2O5·hm －2增加到 65. 4 kgP2O5·hm －2，同

期，粪便磷的年承载总量( 折纯 P2O5 ) 从 2 971. 0 t 增加到 9 741. 0 t，单位面积耕地承载粪便

磷从 32. 5 kgP2O5·hm －2增加到 114. 3 kgP2O5·hm －2，投入化肥磷和承载粪便磷均自 1990

年后呈现较快增长; 与此同时，桃源县农田系统的输出磷也表现为逐年增加，从 1980 年的

56. 9 kgP2O5·hm －2到 2008 年达到 145. 3 kgP2O5·hm －2，自 2002 年呈现较快增长。因此，

从 1980—2008 年，桃源县农田系统 P 盈余量呈现为 3 个阶段，1980 年到 1989 年磷盈余量相

对较低，1990 年到 2002 年表现为增长趋势，农田磷盈余量最高年份达到 95. 9 kgP2O5·hm －2，自 2002 年开始表现为下降趋势，到 2008 年农田磷盈余量为 34. 4 kgP2O5·hm －2 ( 图

5) 。近几年农田盈余磷之所以呈现下降趋势，主要是源于投入化肥磷和承载粪便磷均出现

了下降，而农田输出磷却在不断增长。从区域内空间分布来看，单位面积耕地上的磷盈亏也存在较大差异。山东禹城 11 个乡

镇中，除 2 个乡镇表现为农田磷亏缺外，其余 9 个乡镇均表现出不同程度的农田磷盈余，其

中 8 个乡镇的农田磷盈余量在 100. 0 kgP2O5·hm －2以上，特别是农田输入磷最高的房寺镇，

950 自 然 资 源 学 报 26 卷

其农田磷盈余量也最高，达到 297. 8 kgP2O5·hm －2。湖南桃源与山东禹城一样，因为农田

磷的输入量与输出量表现不一致，所以，桃源各乡镇农田系统磷盈余量也存在较大差异，在

其 40 个乡镇中有 10 个乡镇表现为农田磷亏缺，4 个乡镇农田磷收支基本平衡，有 16 个乡

镇的农田磷盈余量在 50. 0 kgP2O5·hm －2以下，农田磷盈余量超过 100. 0 kgP2O5·hm －2

的

乡镇有 7 个，磷盈余量最高的为牯牛山乡，其农田平均磷盈余量为 171. 1 kgP2O5·hm －2。农

田盈余磷较多的乡镇，主要还是因为承载较多粪便磷或投入较多化肥磷，如禹城的房寺镇、辛寨镇、安仁镇和张庄镇的粪便磷承载量较高，而市中办和辛店镇则是投入化肥磷较高，均

导致农田系统输入磷远远超过其输出磷( 图 6) 。

图 6 山东禹城与湖南桃源分乡镇耕地磷盈亏

Fig. 6 Spatial variation of phosphorus surplus in cropland of Yucheng and Taoyuan

3 结论与讨论

3. 1 农田系统中氮磷输入增长高于其输出增长，导致大量氮磷养分盈余

自 1980 年以来，山东禹城和湖南桃源两个地区的农田系统输入氮磷总量始终高于其输

出氮磷总量，导致农田系统中大量氮磷养分盈余，主要是源于投入化肥和承载粪便的不断增

加。山东禹城单位面积耕地输入氮从 209. 0 kgN·hm －2增加 756. 1 kgN·hm －2，输出氮从

75. 2 kgN·hm －2增加到 300. 7 kgN·hm －2 ; 输入磷从 35. 8 kgP2O5·hm －2

增加到 296. 9kgP2O5·hm －2，输出磷从 29. 6 kgP2O5·hm －2

增加到 148. 0 kgP2O5·hm －2。湖南桃源单位

面积耕地输入氮从 200 kgN·hm －2左右增加到 500 kgN·hm －2

左右，输出量从 79. 3 kgN·hm －2

增加到 325. 0 kgN·hm －2 ; 输入磷从 75. 3 kgP2O5·hm －2增加到 179. 7 kgP2O5·hm －2，

输出磷从 56. 9 kgP2O5·hm －2增加到 145. 3 kgP2O5·hm －2。两个地区农田系统均表现为盈

余氮磷养分较多，但盈余变化动态明显不同，禹城农田氮磷盈余量均呈逐年增长趋势，氮盈

6 期 武兰芳等: 不同种养结合区农田系统氮磷平衡分析 951

余量从 133. 80 kgN·hm －2增加到 450. 0 kgN·hm －2

以上，磷盈余量从每年 6. 2 kgP2O5·hm －2

增加到 148. 9 kgP2O5·hm －2 ; 桃源农田氮磷盈余量均表现为先增后降，氮盈余量从 100kgN·hm －2

左右增加到 2002 年达到高峰值 253. 7 kgN·hm －2后逐渐下降到目前的 150. 0

kgN·hm －2左右，磷盈余量从 18. 4 kgP2O5·hm －2

增加到 2002 年高峰值 95. 9 kgP2O5·hm －2

后下降到目前的 34. 4 kgP2O5·hm －2。湖南桃源氮磷盈余量之所以在 2002 年以后出现了下

降趋势，主要是因为之后农田系统中氮磷的输入量逐年减少而输出量却逐年增长的结果。在区域内空间分布上，氮磷输入、输出及盈余也呈现较大差异。山东禹城的 11 个乡镇

中，有 10 个乡镇呈现不同程度氮盈余，盈余量最多的高达 841. 8 kgN·hm －2，有 8 个乡镇呈

现不同程度磷盈余，盈余量最高的达 297. 8 kgP2O5·hm －2 ; 湖南桃源的 40 个乡镇中，有 36

个乡镇表现为不同程度的氮盈余，盈余量最高的达到 561. 7 kgN·hm －2，26 个乡镇表现为不

同程度磷盈余，盈余量最高的为 171. 1 kgP2O5·hm －2。总体上，农田系统氮磷盈余量均呈

现为山东禹城高于湖南桃源。3. 2 农田系统大量氮磷养分盈余将严重影响环境质量

氮磷盈余是一个与农业生产密切相关的环境质量指标，欧盟许多国家已把农场尺度的

N 素收支平衡作为监测农业环境政策效应的一个重要工具［20-23］。淋失到地下水中的硝酸盐

及氮、磷对地表水的污染与农田氮、磷盈余量、水文状况、耕地利用和土壤类型有关［24］。如

荷兰把养分平衡看作是减少养分从农田向地下水和地表水的淋失的重要措施［25］，既明确规

定了氮素的盈余限量，对于农田，沙壤和粘土中氮盈余的最高限量暂时分别定为每年 60. 0kgN·hm －2

和 100. 0 kgN·hm －2，对于草地，沙壤和粘土中氮盈余的最高限量分别暂定为每

年 140. 0 kgN·hm －2和 180. 0 kgN·hm －2［26］; 同时，荷兰法令还严格限制农业生产中畜禽粪

便磷与化肥磷施用量，从 1987 年以来规定的限量标准不断提高，农田系统中磷的容许最高

施用限量标准由 125. 0 kgP2O5·hm －2提高到 80. 0 kgP2O5·hm －2，许可的最大盈余损失限

量标准由 40. 0 kgP2O5·hm －2提高到 20. 0 kgP2O5·hm －2［21-22］。

以荷兰规定的每年 100. 0 kgN·hm －2氮盈余限量作为参考标准，山东禹城单位面积耕

地上平均氮盈余量自 1980 年始就超过了这一限量标准，目前氮盈余量是这一限量标准的 4倍多，在其 11 个乡镇中有 9 个乡镇的农田氮盈余量均在 150. 0 kgN·hm －2

以上，其中 7 个乡

镇在 300. 0 kgN·hm －2以上，5 个乡镇在 450. 0 kgN·hm －2

以上，3 个乡镇在 600. 0 kgN·hm －2

以上。湖南桃源在近 30 a 中也只有 6 a 农田氮盈余量没有超过以上参考限量标准，氮

盈余量最高的年份是以上参考限量标准的近 3 倍，目前的农田氮盈余量是这一参考限量标

准的 1. 5 倍; 在其 40 个乡镇中有 25 个乡镇的农田氮盈余超过这一限量标准。以荷兰规定

的每年 20. 0 kg P2O5·hm －2磷盈余限量为参考标准，禹城自 1986 年其单位面积耕地上平均

磷盈余量就超过了 50. 0 kgP2O5·hm －2，并且不断增加到目前的近 150. 0 kgP2O5·hm －2左

右，高达荷兰限量标准的近 7. 5 倍左右，在其 11 个乡镇中有 8 个乡镇单位耕地面积上的盈

余磷是荷兰限量标准的 5 倍以上; 桃源在 30 a 中有 10 a 没有超过磷盈余限量标准，磷盈余

量最高时为接近限量标准的 4. 8 倍，目前农田磷盈余量是限量标准的 1. 7 倍，其 40 个乡镇

中有 25 个乡镇的农田磷盈余量超过了限量标准。总之，山东禹城与湖南桃源农田系统中氮、磷的输入、输出及盈余在时空上具有较大差

异，与欧盟国家限定的农田系统中氮、磷的输入量和盈余量相比，总体上表现为氮、磷的输入

和盈余均较高，特别是禹城农田系统投入化肥和承载粪便均高于桃源，更高于国外推荐的限

952 自 然 资 源 学 报 26 卷

量标准，导致氮磷大量盈余，无疑将对环境产生严重威胁。为了控制氮磷盈余损失对环境的

污染风险，从区域尺度农田系统养分平衡出发，进行农田养分平衡管理是重要措施，控制氮、磷的投入量，既应根据作物养分需求减少化肥的投入，并应根据农田粪便承载力对粪便进行

合理调配施用。

参考文献(References):

［1］ Watson C A，Atkinson D． Using nitrogen budgets to indicate nitrogen use efficiency and losses from whole farm systems: A

comparison of three methodological approaches［J］． Nutrient Cycling in Agroecosystems，1999，53( 3) : 259-267．

［2］ Hart M R，Quin B F，Nguyen M L． Phosphorus runoff from agricultural land and direct fertilizer effects: A review ［J］．

Journal of Environmental Quality，2004，33( 6) : 1954-1972．

［3］ Ekholm P，Turtola E，Gronroos J，et al． Phosphorus loss from different farming systems estimated from soil surface phos-

phorus balance［J］． Agriculture，Ecosystems ＆ Environment，2005，110( 3 /4) : 266-278．

［4］ Shigaki F，Sharpley A，Prochnow L I． Animal-based agriculture，phosphorus management and water quality in Brazil: Op-

tions for the future［J］． Scientia Agricola，2006，63( 2) : 194-209．

［5］ Lemercier B，Gaudin L，Walter C，et al． Soil phosphorus monitoring at the regional level by means of a soil test database

［J］． Soil Use and Management，2008，24( 2) : 131-138．

［6］ Di H J，Cameron K C． Nitrate leaching in temperate agroecosystems: Sources，factors and mitigating strategies［J］． Nutri-

ent Cycling in Agroecosystems，2002，46( 3) : 237-256．

［7］ Schroder J J，Aarts H F M，Ten Berge H F M，et al． An evaluation of whole-farm nitrogen balances and related indices for

efficient nitrogen use［J］． European Journal of Agronomy，2003，20( 1 /2) : 33-44．

［8］ Delgado A，Scalenghe R． Aspects of phosphorus transfer from soils in Europe［J］． Journal of Plant Nutrition and Soil Sci-

ence，2008，171( 4) : 552-575．

［9］ Kyllingsbaek A，Hansen J F． Development in nutrient balances in Danish agriculture 1980 － 2004［J］． Nutrient Cycling in

Agroecosystems，2007，79( 3) : 267-280．

［10］ Slak M F，Commagnac L，Lucas S． Feasibility of national nitrogen balances ［J］． Environmental Pollution，1998，102

( Suppl 1) : 235-240．

［11］ Kopinski J，Tujaka A，Igras J． Nitrogen and phosphorus budgets in Poland as a tool for sustainable nutrients management

［J］． Acta Agriculturae Slovenica，2006，87( 1) : 173-181．

［12］ D’Haene K，Magyar M，De Neve S，et al． Nitrogen and phosphorus balances of Hungarian farms［J］． European Journal

of Agronomy，2007，26( 3) : 224-234．

［13］ Teira-Esmatges M R，Flotats X． A method for livestock waste management planning in NE Spain ［J］． Waste Manage-

ment，2003，23( 10) : 917-932．

［14］ Scroder J J，Scholefield D，Cabral F，et al． The effects of nutrient losses from agriculture on ground and surface water

quality: The position of science in developing indicators for regulation［J］． Environmental Science ＆ Policy，2004，7: 15-

23．

［15］ Ulen B，Bechmann M，Folster J，et al． Agriculture as a phosphorus source for eutrophication in the north-west European

countries，Norway，Sweden，United Kingdom and Ireland: A review ［J］． Soil Use and Management，2007，23 ( Supp

1) : 5-15．

［16］ 王方浩，马文奇，窦争霞，等． 中国畜禽粪便产生量估算及环境效应［J］． 中国环境科学，2006，26 ( 5 ) : 614-

617． ［WANG Fang-hao，MA Wen-qi，DOU Zheng-xia，et al． The estimation of the production amount of animal manure

and its environmental effects in China． China Environmental Science，2006，26( 5) : 614-617． ］

［17］ 陈文新，陈文峰． 发挥生物固氮作用 减少化学氮肥用量［J］． 中国农业科技导报，2004，6 ( 6 ) : 3-6． ［CHEN

Wen-xin，CHEN Wen-feng． Exertion of biological nitrogen fixation in order to reducing the consumption of chemical ni-

trogenous fertilizer． Review of China Agricultural Science and Technology，2004，6( 6) : 3-6． ］

［18］ 张颖，刘学军，张福锁，等． 华北平原大气氮素沉降的时空变异［J］． 生态学报，2006，26 ( 6 ) : 1633-1639．

［ZHANG Ying，LIU Xue-jun，ZHANG Fu-suo，et al． Spatial and temporal variation of atmospheric nitrogen deposition in

6 期 武兰芳等: 不同种养结合区农田系统氮磷平衡分析 953

North China Plain． Acta Ecologica Sinica，2006，26( 6) : 1633-1639． ］

［19］ 骆世明． 农业生态学［M］． 北京: 中国农业出版社，2003． ［LUO Shi-ming． Agroecology． Beijing: China Agriculture

Press，2003． ］

［20］ Brouwer F． Nitrogen balances at farm level as a tool to monitor effects of agri-environmental policy［J］． Nutrient Cycling

in Agroecosystems，1998，52( 2 /3) : 303-308．

［21］ Henkens P L C M，van Keulen H． Mineral policy in the Netherlands and nitrate policy within the European Community

［J］． Netherlands Journal of Agricultural Science，2001，49( 2 /3) : 117-134．

［22］ Tamminga S． Polluiton due to nutrient losses and its control in European animal production［J］． Livestock Production Sci-

ence，2003，84: 101-111．

［23］ Schussler J，Baker L A，Chester-Jones H． Whole-system phosphorus balances as a practical tool for lake management

［J］． Ecological Engineering，2007，29( 3) : 294-304．

［24］ Oenema O，van Liere L，Schoumans O． Effects of lowering nitrogen and phosphorus surpluses in agriculture on the quality

of groundwater and surface water in the Netherlands［J］． Journal of Hydrology，2005，304( 1 /4) : 289-301．

［25］ van Beek C L，Brouwer L，Oenema O． The use of farmgate balances and soil surface balances as estimator for nitrogen

leaching to surface water［J］． Nutrient Cycling in Agroecosystems，2003，67( 3) : 233-244．

［26］ Oenema O，Kros H，de Vries W． Approaches and uncertainties in nutrient budgets: Implications for nutrient management

and environmental policies［J］． European Journal of Agronomy，2003，20( 1 /2) : 3-16．

954 自 然 资 源 学 报 26 卷

Nitrogen and Phosphorus Balance of Cropland at Regional Scalefor Integrated Crop-Livestock Farming System

in Two Different Areas

WU Lan-fang1，OUYANG Zhu1，XIE Xiao-li2

( 1． Yucheng Station，Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Modelling，Institute of Geographic Sciences and

Natural Resources Research，CAS，Beijing 100101，China; 2． Institute of Subtropical Agriculture，CAS，

Changsha 410125，China)

Abstract: The nitrogen ( N) and phosphorus ( P) balances of cropland within two different areasof crop-animal mixed farming system，Yucheng County，Shandong Province and Taoyuan County，

Hunan Province were taken as the case study． The result shows that N and P input to the croplandhas been increased since 1980，so is the case of N and P export． However，a large amount of Nand P surplus was produced owing to the increasing input of N and P to cropland which is greaterthan the export，and there were differences between the two areas． In the cropland of YuchengCounty，the surplus of N and P has been increasing year by year，annual N surplus per hectare offarmland was greatly increased from 133． 8 kgN·hm －2 to over 450． 0 kgN·hm －2，and annual Psurplus per hectare farmland was increased from 6． 2 kgP2O5·hm －2 to 148． 9 kgP2O5·hm －2 ． Asa result，in 11 villages and towns of Yucheng，10 of them show N surplus and 9 of them have Psurplus to different extent of which the largest amount of N surplus reaching 841． 8 kgN·hm －2

and the P surplus 297． 8 kgP2O5·hm －2 ． In the cropland of Taoyuan County，the surplus amountof both N and P were increased till 2002，and then began to decline． The N surplus increasedfrom about 100． 0 kgN·hm －2 to the ceiling amount of 253． 7 kgN·hm －2，then decreased to thepresent about 150． 0 kgN·hm －2，and the P surplus increased from about 20 kgP2O5·hm －2 tothe peak of 95． 9 kgP2O5·hm －2 and then decreased to about 34． 4 kgP2O5·hm －2 at present． In40 village and towns of Taoyuan County，36 of them exhibit N surplus and 26 of them appear Psurplus to different extent，of which the highest amount of N surplus is 561． 7 kgN·hm －2and thehighest amount of P surplus is 171． 1 kgP2O5·hm －2 ． A great deal of N and P surplus resultedfrom either overuse of fertilizer or overload of manure within cropland，and the surplus amount ofboth N and P in Yucheng County is greater than that in Taoyuan County． To cut down N and Psurplus and loss，fertilizer should be minimized as much as possible according to crops need，be-sides manure should be applied inside and outside the area according to the carrying capacity ofcropland to manure．Key words: nitrogen and phosphorus balance; cropland; Yucheng， Shandong Province;

Taoyuan，Hunan Province