2017, Vol. 25
2. 中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心/中国科学院农业水资源重点实验室/河北省节水农业重点实验室 石家庄 050022;
3. 北京市畜牧业环境监测站 北京 100083
2. Key Laboratory of Agricultural Water Resources, Chinese Academy of Sciences/Hebei Key Laboratory of Water Saving Agriculture/Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang 050022, China;
3. Beijing Environmental Monitoring Station of Animal Husbandry, Beijing 100083, China
随着规模化畜牧业的发展, 畜禽粪尿污染问题已成为世界关注的焦点[1-4]。畜禽粪尿中氮磷可通过氨 (NH3)、氧化亚氮 (N2O) 等气体排放到空气或通过其他形态淋洗、径流和土壤侵蚀等方式流失到水体[5-7], 成为重要的PM 2.5、温室气体排放和面源污染源。Wang等[7-8]在中国尺度上分析了畜牧业动物产品和粪尿氮磷输入输出情况, 但缺乏对粪尿中氮磷在畜牧业生产整体链条中的流动和损失特征分析[7-8]。Ma等[6]采用物质流的方法建立了食物链养分流动模型 (NUFER模型), 阐明了养分在农田、畜牧、食品加工和家庭消费过程中的利用效率和损失情况, 为畜牧业养分流动提供了更为完善的分析方法。随后, 柏兆海[5]基于NUFER模型建立了NUFER-animal模型, 在全国尺度对不同动物不同生产系统的养分利用和损失进行了深入研究。前人研究表明在我国全国尺度上, 单位耕地面积氮磷排放量较高的区域主要集中在大城市周边[9], 然而现阶段尚缺乏针对都市畜禽养殖体系养分利用特征和环境损失的研究。奶牛作为《北京市种业发展规划 (2010—2015)》中的16个重要优势品种之一, 对奶牛在都市圈环境下养分利用特征和环境损失的研究需求更加迫切[10]。本研究采用物质流动分析法, 利用NUFER-animal模型定量北京市1980—2013年“土壤-饲料-奶牛”生产系统氮磷循环、利用效率和环境排放的时空变化特征, 为探索都市圈“土壤-饲料-畜牧业”系统养分循环和减排策略、优化畜禽养殖布局提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 研究区域概况北京作为中国的首都, 是世界50大都市之一。位于欧亚大陆的东部边缘, 中国华北平原的北端 (39°28′N~41°5′N, 115°25′E~117°30′E)。总面积1.68万km2, 地势西北高, 东南低。郊区 (门头沟、房山、通州、顺义、昌平、大兴、怀柔、平谷、密云和延庆) 土地总面积1.52万km2, 其中耕地2 209 km2, 郊区耕地面积占北京市总耕地面积的95%。北京市人均耕地面积0.01 hm2, 显著低于华北地区人均耕地面积0.093 hm2和全国平均水平的0.18 hm2, 耕地资源明显不足。北京市奶牛养殖数量从1980年的2.0万头增加到2013年的15.1万头[11-12]。奶牛养殖结构从传统养殖模式向规模化养殖模式快速转变, 规模化比例从1980年的无增加到2013年的72.0%[13-14]。
1.2 NUFER模型介绍和系统边界NUFER模型是中国国家和区域尺度食物链系统氮磷流动模型, 模型可以模拟“土壤-作物生产-畜禽生产-家庭消费”系统氮磷流动和利用效率, NH3、N2、N2O挥发, 氮磷淋溶和径流损失[6]; NUFER-animal模型在此基础上可以深入分析主要畜禽品种 (奶牛、肉牛、蛋鸡、肉鸡和生猪)、不同养殖模式 (传统、放牧、专业养殖户、养殖小区和规模化养殖场) 的资源需求、氮磷养分利用及环境损失途径等[15]。
本研究利用NUFER-animal模型分析北京奶牛生产“土壤-饲料-奶牛”生产系统氮磷养分流动、利用效率和环境损失情况。本研究基于3个尺度, 分别为个体尺度、群体尺度和系统尺度。其中, 个体尺度仅考虑泌乳牛个体的养分输入和输出。群体尺度则是在泌乳牛个体尺度基础上考虑犊牛、育成牛、青年牛和干乳牛养分输入及输出。系统尺度是在群体尺度的基础上考虑“土壤-饲料-奶牛”管理体系, 包括饲料生产、粪尿储藏、还田利用等环节养分输出及输入平衡。不同尺度的边界和养分流动如图 1所示。
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图 1 奶牛养殖体系不同尺度系统边界和养分流动图 Figure 1 Research boundary and nutrient flows of different scales in dairy production system |
本研究采用NUFER-animal模型的方法[15]计算饲料投入、养分流动、养分利用效率和环境损失。
奶牛个体尺度饲料转化率 (feed conservation rate, 简称FCR) 的计算公式如下:
| $ {\rm{FCR}} = {I_{{\rm{lactating}}\;{\rm{cow}}}}/{O_{{\rm{milk}}}} $ | (1) |
式中: I指投入量 (input), O指输出量 (output), Ilactating cow为泌乳牛饲料投入量 (kg), Omilk为牛奶输出产量 (kg)。
奶牛个体尺度、群体尺度和系统尺度的氮磷养分利用效率计算公式为:
| $ N\left( P \right)U{E_{{\rm{animal}}}} = N\left( P \right){O_{{\rm{LC}}}}/N\left( P \right){I_{{\rm{LC}}}} \times 100\% $ | (2) |
| $ N\left( P \right)U{E_{{\rm{herd}}}} = N\left( P \right){O_{{\rm{WGC}}}}/(N\left( P \right){I_{{\rm{WGC}}}} \times 100\% $ | (3) |
| $ \begin{array}{l} \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;N\left( P \right)U{E_{{\rm{system}}}} = N\left( P \right){O_{{\rm{WGC}}}}/\\ \left[ {N\left( P \right){I_{{\rm{fer}}}} + N\left( P \right){I_{{\rm{FI}}}} + N{I_{{\rm{BNF}}}} + N{I_{{\rm{dep}}}}} \right] \times 100\% \end{array} $ | (4) |
式中: N(P)UEanimal、N(P)UEherd和N(P)UEsystem是奶牛个体尺度、群体尺度和系统尺度氮或磷利用效率。N(P)OLC是指泌乳牛生长阶段的牛奶氮或磷输出; N(P)ILC是指泌乳牛生长阶段的饲料氮或磷输入; N(P)OWGC是指奶牛整个生长周期 (whole growth cycle) 的产品氮或磷输出, 包括犊牛、育成牛、青年牛、泌乳牛和干乳牛产品氮或磷输出; N(P)IWGC是指奶牛整个生长周期的饲料氮或磷输入, 包括犊牛、育成牛、青年牛、泌乳牛和干乳牛饲料氮或磷输入; N(P)Ifer、N(P)IFI、NIBNF和NIdep分别是生产饲料的化肥氮或磷输入、饲料氮或磷进口 (北京以外地区购买的饲料, 如鱼粉、豆粕、牧草等)、生物固氮输入和氮沉降输入。由于副产品投入属于系统内部循环, 因此在计算系统利用效率时不考虑副产物饲料投入。
根据物质流动平衡方法, 粪尿氮磷排泄量等于动物饲料投入氮和磷 (Ifeed) 与产品氮和磷 (Oanimal) 的差值。
| $ N{\left( P \right)_{{\rm{manure}}}} = N\left( P \right){I_{{\rm{feed}}}} - N\left( P \right){O_{{\rm{animal}}}} $ | (5) |
粪便产生之后养分的去向包括3个部分:气体排放、无序排放和销售。总环境损失包括3个部分:农场门内气体排放、农场门内淋溶径流和通过农场门排放到水体。其中粪便销售比例和无序排放比例通过农场调研获得。气体排放 (NH3、N2O和N2) 发生在粪尿管理的3个环节——圈舍、储存和处理过程。具体计算过程如下:
| $ N{\left( P \right)_{{\rm{manure}}}} = {N_{{\rm{GE}}}} + N{\left( P \right)_{{\rm{GI}}}} + N{\left( P \right)_{{\rm{LE}}}} + N{\left( P \right)_{{\rm{SO}}}} $ | (6) |
式中:
| $ {N_{{\rm{GE}}}} = {N_{{\rm{G}}{{\rm{E}}_{{\rm{housing}}}}}} + {N_{{\rm{G}}{{\rm{E}}_{{\rm{storage}}}}}} + {N_{{\rm{G}}{{\rm{E}}_{{\rm{treatment}}}}}} $ | (7) |
| $ {N_{{\rm{G}}{{\rm{E}}_{{\rm{housing}}}}}} = {N_{{\rm{manure}}}} \times E{f_{1i}} $ | (8) |
| $ {N_{{\rm{G}}{{\rm{E}}_{{\rm{storage}}}}}} = {N_{{\rm{storage}}}} \times E{f_{2i}} $ | (9) |
| $ {N_{{\rm{G}}{{\rm{E}}_{{\rm{treatment}}}}}} = {N_{{\rm{treatment}}}} \times E{f_{3i}} $ | (10) |
| $ N{\left( P \right)_{{\rm{LE}}}} = N{\left( P \right)_{{\rm{L}}{{\rm{E}}_{{\rm{housing}}}}}} + N{\left( P \right)_{{\rm{L}}{{\rm{E}}_{{\rm{storage}}}}}} + N{\left( P \right)_{{\rm{L}}{{\rm{E}}_{{\rm{treatment}}}}}} $ | (11) |
| $ N{\left( P \right)_{{\rm{L}}{{\rm{E}}_{{\rm{housing}}}}}} = N{\left( P \right)_{{\rm{manure}}}} \times E{f_a} $ | (12) |
| $ N{\left( P \right)_{{\rm{L}}{{\rm{E}}_{{\rm{storage}}}}}} = N{\left( P \right)_{{\rm{storage}}}} \times E{f_b} $ | (13) |
| $ N{\left( P \right)_{{\rm{L}}{{\rm{E}}_{{\rm{treatment}}}}}} = N{\left( P \right)_{{\rm{treatment}}}} \times E{f_c} $ | (14) |
| $ \begin{array}{l} N{\left( P \right)_{{\rm{storage}}}} = [{N_{{\rm{manure}}}} - {N_{{\rm{G}}{{\rm{E}}_{{\rm{housing}}}}}} - N{\left( P \right)_{{\rm{L}}{{\rm{E}}_{{\rm{housing}}}}}} - \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;N{\left( P \right)_{{\rm{DI}}{{\rm{S}}_{{\rm{housing}}}}}}] \times E{f_{1j}} \end{array} $ | (15) |
| $ \begin{array}{l} N{\left( P \right)_{{\rm{treatment}}}} = [{N_{{\rm{manure}}}} - {N_{{\rm{G}}{{\rm{E}}_{{\rm{housing}}}}}} - N{\left( P \right)_{{\rm{L}}{{\rm{E}}_{{\rm{housing}}}}}} - \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;N{\left( P \right)_{{\rm{DI}}{{\rm{S}}_{{\rm{housing}}}}}}] \times E{f_{2j}} \end{array} $ | (16) |
| $ N{\left( P \right)_{{\rm{DI}}{{\rm{S}}_{{\rm{housing}}}}}} = N{\left( P \right)_{{\rm{manure}}}} - {N_{{\rm{GE}}}} - N{\left( P \right)_{{\rm{LE}}}} - N{\left( P \right)_{{\rm{SO}}}} $ | (17) |
式中:
本文数据来源包括调研数据、统计数据和文献数据3个部分, 具体如下:
1.4.1 调研数据2012—2013年期间, 本研究通过与农场人员面对面的问卷调研方式收集农场数据。调研样本的选择是基于畜牧业环境排放登记和畜牧部门工作人员的建议, 本次调研包括28个奶牛养殖场, 代表了北京12%的规模化奶牛场 (大于200头)。由于小规模养殖场经济效益低, 预计未来将逐渐消失, 因此本次调研不包括养殖规模小于200头的农场。调研内容包括农场输入、农场输出、生产管理和粪尿管理等, 具体调研内容见表 1。
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表1 北京市奶牛养殖基本信息调查结果 Table 1 Survey results of the basic information of dairy farms in Beijing |
奶牛存栏数量数据来自北京市统计年鉴[11-12], 1998—2013年的奶牛养殖规模比例变化数据来自于中国畜牧业统计年鉴[14, 16-18]。1980—1997年的奶牛养殖规模比例变化数据来源于1999年《中国畜牧业统计年鉴》中的北京市畜牧业规模化程度历史变化和专家经验估算得出[14]。粪尿管理的活动水平数据来自专家经验评估。
1.4.3 文献数据1980—2005年期间不同奶牛养殖体系饲料采食量引用柏兆海[5]的饲料组成, 根据畜禽能量需求和饲料资源量模拟的饲料结构。2013年各奶牛养殖体系饲料配方和采食量、饲养天数及死亡率等信息则采用调研数据。饲料及奶牛产品氮磷养分含量采用NUFER模型参数[6]。粪尿在圈舍、储藏和处理过程中N2O和N2排放系数来自NUFER模型[6]。圈舍阶段的NH3排放系数采用刘东[19]的总结, 储存和处理阶段的NH3排放系数采用贾伟[20]和刘东[19]的总结 (表 2)。回填的粪便进行高温干燥技术处理, 根据专家经验这里假设没有环境排放。
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表2 规模化奶牛养殖场粪尿圈舍、储存和处理过程中的NH3、N2O和N2排放因子 Table 2 Emission factors of NH3, N2O and N2 during housing, storage and treatment for intensive dairy farm |
1980年和2013年, 北京市奶牛养殖氮流动账户特征如图 2所示。2013年, 系统尺度氮素输入项中饲料投入包括进口饲料 (北京以外地区输入, 如青贮玉米、豆粕、牧草等)、副产物饲料和本地主产物饲料, 输入量分别为16 828 t、1 970 t和2 212 t。进口饲料是饲料氮的主要来源, 占饲料氮输入量的80.0%;其次是本地主产物饲料 (玉米、大豆、牧草等), 占11.0%;副产物饲料 (麸皮、棉籽粕等) 的输入量最小, 为9.0%。而1980年, 进口饲料 (北京以外地区输入)、副产物饲料和本地主产物饲料, 输入量分别为773 t、331 t和327 t。进口饲料是饲料氮的主要来源, 占饲料氮输入量的54.0%;其次是副产物饲料和本地主产物饲料, 均占23.0%。1980—2013年, 进口饲料占总饲料投入的比例快速增加。
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图 2 1980年和2013年北京市奶牛养殖“土壤-饲料-奶牛”生产系统氮流动账户变化 Figure 2 Changes of nitrogen flows in the "soil-feed-dairy" production system in Beijing in 1980 and 2013 括号中前一个数字代表 1980年氮流动, 后面一个数字代表 2013年氮流动。The first figures in the brackets represent the flow of nitrogen in 1980, the second numbers represent the flow of nitrogen in 2013. |
2013年, 系统尺度氮素输出项中牛奶和肉产品输出量为3 821 t。系统尺度氮素输出项中粪尿去向包括粪尿损失、粪尿销售和粪尿还田, 输出量分别为13 284 t、3 464 t和441 t。粪尿损失是粪尿氮的主要去向, 占粪尿输出量的77.3%;其次是粪尿销售, 占20.2%;粪尿还田最小, 为2.6%。而1980年, 粪尿损失、粪尿销售和粪尿还田, 输出量分别为617 t、14 t和593 t。粪尿损失是粪尿氮的主要去向, 占粪尿输出量的50.4%;其次是粪尿还田, 占48.4%;粪尿销售所占比例最小, 为1.1%。与2013年相比, 粪尿销售和粪尿还田的比例发生了巨大变化。
1980年和2013年, 北京市奶牛养殖氮流动账户历史变化如图 2所示。2013年, 泌乳牛个体尺度氮素输入项饲料投入量为17 624 t, 比1980年增加14.2倍; 氮素输出项中奶产品质量和粪尿排泄量分别为3 632 t和1.4×104 t, 分别是1980年的21.7倍和14.1倍。2013年, 群体尺度氮素输入项饲料投入量为22 010 t, 比1980年增加14.3倍; 氮素输出项中奶产品质量和粪尿排泄量分别为3 821 t和17 189 t, 比1980年增加17.5倍和13.2倍。2013年, 系统尺度进口饲料、主产物饲料和副产物饲料投入快速增加, 分别是1980年的21.8倍、7.7倍和5.8倍。粪尿环境损失和粪尿销售量是1980年的21.5倍和247.4倍, 而粪尿还田数量比1980年下降25.6%, 粪尿主要销售给周边种植户。2013年, 系统尺度的作物生产环节中, 氮素输入项中化肥氮素投入量为4 782 t, 比1980年增加6.8倍; 同时, 土壤氮素积累量是1980年的5.2倍。
2.2 “土壤-饲料-奶牛”生产系统磷流动特征及历史变化1980年和2013年, 北京市奶牛养殖磷流动账户特征如图 3所示。2013年, 系统尺度磷素输入项中饲料投入包括进口饲料、副产物饲料和本地主产物饲料, 输入量分别为2 267 t、551 t和381 t。进口饲料是饲料磷的主要来源, 占饲料磷输入量的70.8%;其次是副产物饲料, 占17.2%;主产物饲料的输入量最小, 为12.0%。而1980年, 进口饲料、副产物饲料和本地主产物饲料输入量分别为140 t、87 t和61 t。进口饲料是饲料磷的主要来源, 占饲料磷输入量的48.6%, 显著低于2013年; 其次是副产物饲料显著高于2013年, 占总输入量的30.2%;主产物饲料的输入量较2013年比例增加, 为21.2%。2013年, 系统尺度磷素输出项中粪尿去向包括粪尿损失、粪尿销售和粪尿还田, 输出量分别为1 649 t、635 t和119 t。粪尿损失是粪尿磷的主要去向, 占粪尿磷输出量的68.6%;其次是粪尿销售, 占26.4%;粪尿还田最小, 为5.0%。而1980年, 粪尿损失、粪尿销售和粪尿还田输出量分别为55 t、3 t和184 t。粪尿还田是粪尿磷的主要去向, 占粪尿磷输出量的76.0%;其次是粪尿损失, 占22.7%;粪尿销售最小, 为1.2%。2013年相比1980年, 粪尿还田和粪尿销售的比例发生了巨大变化。
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图 3 1980年和2013年北京市奶牛养殖“土壤-饲料-奶牛”生产系统磷流动账户变化 Figure 3 Changes of phosphorus flows in the "soil-feed-dairy" production system in Beijing in 1980 and 2013 括号中前一个数字代表 1980年磷流动, 后面一个数字代表 2013年磷流动。The first figures in the brackets represent the flow of phosphorus in 1980, the second numbers represent the flow of phosphorus in 2013. |
1980年和2013年, 北京市奶牛养殖磷流动账户历史变化如图 3所示。2013年, 个体尺度磷素输入项饲料投入量为2 536 t, 比1980年增加9.9倍; 磷素输出项中奶产品质量和粪尿排泄量分别为692 t和1 845 t, 比1980年分别增加21.3倍和8.2倍。2013年, 群体尺度磷素输入项饲料投入量为3 199 t, 比1980年增加10.1倍; 磷素输出项中奶产品质量和粪尿排泄量分别为797 t和2 402 t, 比1980年分别增加16.7倍和8.9倍。2013年, 系统尺度磷素输入项中进口饲料、主产物饲料和副产物饲料投入量比1980年分别增加15.2倍、5.2倍和5.3倍。2013年, 系统尺度磷素输出项中粪尿环境损失和销售量比1980年分别上升29.0倍和210.7倍, 而粪尿还田数量比1980年下降35.0%。2013年, 系统尺度的作物生产环节中, 磷素输入项中人为化肥养分投入量为761 t, 比1980年增加5.7倍; 土壤磷素积累量比1980年增加1.2倍。
2.3 “土壤-饲料-奶牛”生产系统氮磷环境排放历史变化1980—2013年, 北京市奶牛养殖体系氮、磷损失变化如表 3所示。氮损失包括NH3、N2O、N2挥发、无序排放、淋溶和径流; 磷损失包括无序排放、淋溶和径流。2013年, 生产1 kg牛奶氮产生4.9 kg氮损失, 与1980年的9.1 kg相比降低46.2%。而生产1 kg牛奶磷带来2.7 kg磷损失, 比1980年的3.8 kg降低29.0%。然而, 在过去30年间, 奶牛养殖氮素环境损失降低趋势分为3个阶段: 1985年以前环境损失出现上升趋势, 1985年后快速降低之后保持平缓, 2000年后又出现一次快速降低之后保持平缓。随着奶牛养殖模式从家庭和传统模式向集约化模式转变, 2013年, 无序排放损失量为2.6 kg (N)· kg (氮产品)-1, 比1980年增加12倍; 而淋溶和径流损失量为0.3 kg (N)·kg (氮产品)-1, 比1980年降低88.0%。磷素损失各组分的变化趋势与氮相似。
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表3 1980年至2013年生产1 kg牛奶氮磷带来的氮磷损失变化 Table 3 Changes in mean nitrogen and phosphorus losses associated with the production of 1 kg nitrogen and phosphorus in milk from 1980 to 2013 |
1980年至2013年, 北京市奶牛养殖不同尺度养分利用效率和饲料转化率历史变化如图 4所示。2013年, 泌乳牛个体尺度氮素养分利用效率 (nitrogen use efficiency, NUE) 为21.2%, 群体尺度NUE为18.2%, 系统尺度NUE为15.4%。泌乳牛个体尺度和群体尺度平均NUE 1985年前呈下降趋势, 1985年到2013年呈上升趋势。1980年, 系统尺度NUE低于群体和个体尺度, 而随着养殖模式逐渐向规模化转变, 系统尺度NUE一直呈上升趋势。2013年, 泌乳牛个体尺度、群体尺度和系统尺度磷素养分利用效率 (phosphorus use efficiency, PUE) 为27.3%、24.9%和22.3%, 比1980年分别增加97.8%、57.6%和67.3%。个体尺度、群体尺度和系统尺度PUE从1980年到2013年呈上升趋势。2013年, 泌乳牛个体尺度饲料转化率 (feed conversion rate, FCR) 为1.1 kg·kg-1, 比1980年降低62.0%。
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图 4 1980年至2013年奶牛养殖个体尺度、群体尺度和系统尺度氮和磷养分利用效率变化 Figure 4 Changes in nitrogen and phosphorus use efficiencies of dairy production at animal, herd, and system levels from 1980 to 2013 |
1980年和2013年, 北京市奶牛养殖氮、磷损失时空变异如图 5所示。与1980年相比, 2013年北京市奶牛养殖环境氮损失在城郊区域迅速增加, 而在城市中心区域迅速减少。2013年, 城市中心区域 (朝阳、丰台、石景山) 环境损失量减为0, 而城郊地区环境损失量快速增加。2013年, 奶牛养殖怀柔、顺义、密云和平谷单位耕地面积环境氮损失量为354.3 kg·hm-2、69.8 kg·hm-2、94.4 kg·hm-2和27.9 kg·hm-2, 比1980年分别增加1 896倍、1 308倍、758倍和636倍。2013年, 怀柔、顺义、密云和平谷单位面积环境磷素损失量为34.2 kg·hm-2、6.7 kg·hm-2、9.1 kg·hm-2和2.0 kg·hm-2, 比1980年分别增加2 454倍、1 688倍、977倍和601倍。各区域环境损失与各区域奶牛养殖数量和养殖模式比例密切相关。
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图 5 北京市各区县奶牛养殖1980年和2013年氮损失和磷损失 Figure 5 Comparing of nitrogen losses and phosphorus losses among different counties in Beijing in 1980 and 2013 |
1980年至2013年, 北京市奶牛养殖个体尺度、群体尺度和系统尺度氮素利用效率呈现“先减后增”趋势, 即1985年前降低, 而1985年后出现第一次快速增加, 2000年再次出现第2次快速增加。个体尺度、群体尺度和系统尺度磷素利用效率均不断增加。与此同时, 生产1 kg氮磷产品带来的氮和磷素损失也呈现先增后减的趋势。产生这一系列变化的原因与奶牛养殖数量增加、养殖结构变化和社会对环境问题的重视程度提高有关。20世纪70年代末期之前, 80%的奶牛在国有农场饲养, 在这之后, 70%奶牛是由分散的农户养殖[21]。由于农村农民自身经济条件有限, 许多农户养殖奶牛只是作为增加收入的来源之一, 不是把它作为一个专门的职业。一般饲养在房前屋后, 简单添加一些粗饲料, 奶牛饲养管理水平很低。因此1985年前的阶段, 虽然奶牛养殖数量不断上升, 但是奶牛养殖养分利用效率出现了轻微下降趋势。1986年逐渐开始规模化奶牛场的建设[14], 20世纪90年代末, 随着“菜篮子”工程的实施, 北京市率先发展奶牛规模化、集约化养殖, 示范奶牛场建设进入稳步发展阶段[22], 尤其2000年以来, 奶牛养殖业快速发展, 存栏量迅速增加, 较1985年增加了2.0倍[23-24]。系统尺度养分利用效率不断增长, 这与生猪养殖的趋势不同, 其主要原因是北京奶牛养殖单产量的增加量远远大于饲料的投入增加量。2007年以来, 根据《国务院关于促进奶业持续健康发展的意见》, 北京市以规模养殖基地建设提升工程为着力点, 推进奶牛规模化和标准化饲养。同时, 环境氮损失在2000年出现第2次下降还与2000年起国家环保部和农业部等对畜禽养殖的产地、污染物排放、污染物防治和无害化处理等发布的许多标准、规范、导则和政策有关[25-30]。
2013年, 北京奶牛养殖个体尺度氮素利用效率为20.5%, 高于中国2010年氮素利用效率的17%[15], 低于欧盟2009年的26%[31]。其主要是因为北京奶牛养殖饲料粗蛋白含量为16.6%, 大大高于美国的平均值 (13.6%)[32]和欧盟的平均值 (15.8%)[33]。这是因为北京饲料配方中蛋白质含量较高的饲料比例较大, 如豆粕 (22%)、麸皮 (9%)。北京奶牛养殖个体尺度磷利用效率为25.2%, 高于全国的17%[15]。
3.2 北京市不同区县环境排放量的差异随着城市化的不断发展, 北京市奶牛养殖业的持续发展受到资源和空间的刚性约束越来越凸显, 持续稳定发展的难度加大, 统筹安排奶牛养殖规模化、集约化生产成为“十三五”期间的迫切要求。过去30年, 北京城区和近郊区域由畜禽养殖导致的环境损失迅速减少, 而远郊区域的环境损失快速增加。从畜禽种类的分布来看, 养殖分布基本达到“三带”、“多品种”养殖产业布局[34], 已经形成了以房山、大兴、通州、顺义、昌平、密云和延庆为主的牛养殖带。这与北京市奶牛养殖环境排放分布情况基本吻合。与1980年相比较, 2013年郊区奶牛养殖单位耕地面积的环境排放增加巨大。其原因主要包括养殖数量在郊区各区县的急剧增加、规模化养殖比例的快速变化和耕地数量的减少。以怀柔为例, 1980年奶牛养殖数量为30头, 2013年为19 438头, 养殖数量较1980年增加了647倍。顺义、密云、平谷2013年养殖数量分别较1980年增加565倍、627倍和99倍。产生这样分布的原因包括两部分:自然因素和人为因素。首先, 北京地势西北和东北部高, 群山环绕, 为山区地带。这部分区域可以为奶牛养殖提供更多的养殖空间和粗饲料来源。因此, 奶牛养殖带来的环境排放西北和东北部显著大于西南和东南部。另一主要原因来自于城市化发展和北京政府区域规划。城市功能区域划分带来了各个区域的奶牛养殖数量和养殖结构变化, 从而带来了环境损失的变化[35]。北京市划分为4种功能区:首都功能核心区、城市功能拓展区、城市发展新区和生态涵养发展区[35]。根据各个功能区的职责分工, 城市发展新区功能为发展先进制造业和现代农业, 生态涵养发展区为生态屏障和水源保护地, 重点发展生态农业[35]。因此, 畜禽养殖带来的环境损失在这两个发展区快速增加。与生猪养殖环境排放空间分布不同的是, 奶牛养殖环境排放增加更为显著地集中在生态涵养发展区, 包括怀柔区、密云县和平谷区, 其次增加集中在城市发展新区, 包括顺义区、大兴区。因为奶牛养殖所需的土地资源要求大于生猪养殖, 所有更多地集中在占地面积更大的山区和丘陵地带。
3.3 “土壤-饲料-奶牛”生产系统氮磷优化管理策略北京奶业属于典型的都市型奶业, 随着北京都市化进程的加快, 农用土地面积不断减少, 北京奶业不能像其他资源型城市一样走大规模养殖道路。再加上一些区县功能规划的转变, 使原有一些区县的奶牛养殖面临场地和饲料供应的困难。调整北京市奶牛养殖由数量发展型向质量提高型转变将成为北京市奶业发展的重中之重。2010年, 中型农场奶牛单产为5 127 kg·a-1, 大型农场奶牛单产为7 995 kg·a-1, 牛奶产量超过消费量20.4万t[36]。如果未来达到生产和消费的平衡, 在保持现有最高生产水平的情况下, 可以减少25 527头奶牛养殖数量。因此, 北京要通过提高奶牛单产、提高土地资源效率的途径提高养分利用效率, 弥补自然资源不足所带来的发展困境。
推进适度规模养殖和农牧结合模式。考虑到环境的消纳能力、青粗饲料来源和成本以及疾病防控等方面的问题[37], 适度控制规模化程度、精准饲料投入和提高农牧结合程度是十分必要的。引导农民逐步建立奶牛养殖小区和合作社, 在养殖小区和合作社的基础上实现奶牛养殖的适度规模化和规范化发展[38]。减少2%的蛋白饲料投入量 (从现有水平的16.6%降低到欧美平均水平的14.7%), 从而减少氮气体损失的同时降低经济成本。政府积极推行“种养结合”的养殖模式, 实现“零污染一体化”经营[37-38]。奶牛养殖业适度外移。“十二五”期间, 北京市提出打造“种业之都”的目标, 启动实施北京市种业发展规划[39]。利用首都的经济、技术、人才集中的优势, 大力发展种业, 提高奶牛品种水平。同时, 借助天津市与河北省的自然资源优势, 达到技术与自然资源的有效结合。
3.4 结论本文采用NUFER-animal模型详细分析了30年北京市“土壤-饲料-奶牛”生产系统氮磷流动和时空变化特征, 对该系统氮磷养分利用率和环境损失进行了定量化研究。
北京市“土壤-饲料-奶牛”生产系统氮磷流动特征发生了很大变化。饲料氮磷输入来源仍然以进口饲料为主, 进口饲料所占比例随时间不断增加, 而副产物饲料和本地主产物饲料比例不断下降, 且副产物饲料比较下降大于本地主产物饲料。粪尿输出去向从1980年的以农户内循环为主转变为2013年的以粪尿销售给果蔬种植户为主。输入和输出项的比例发生了巨大变化。
北京市奶牛养殖个体尺度、群体尺度和系统尺度氮利用效率呈现“先减后增”趋势, 即1985年前不断降低, 而1985年后又逐渐增加。个体尺度、群体尺度和系统尺度磷利用效率均不断增加。氮总损失从1980年的1 516 t增加到2013年的16 973 t, 增加10.2倍; 磷总损失从114 t增加到1 763 t, 增加14.5倍。生产1 kg氮磷产品带来的氮和磷损失均表现出先增后减的趋势。因此, 采用集约化模式中的精准喂养技术、粪便管理技术并同时进行农牧生产体系的结合等, 是提高奶牛养殖可持续发展的必要措施。
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