海南島農牧生產體系磷元素流動時空變化特征

丁尚，郭浩浩，宋晨陽，刁曉平，趙洪偉,

?

海南島農牧生產體系磷元素流動時空變化特征

丁尚1，郭浩浩1，宋晨陽1，刁曉平2，趙洪偉1,2

（1海南大學熱帶農林學院，海口 570228；2海南大學南海海洋資源利用國家重點實驗室，海口 570228）

【目的】通過對1987—2016年海南島農牧生產體系磷元素流動時空特征及環境效應進行定量分析，研究其流動過程和規律，探討農牧生產體系磷素的優化管理途徑，為海南島農牧業可持續發展提供科學依據。【方法】研究基于食物鏈養分流動模型（NUtrient flows in Food chains, Environment and Resources use，NUFER），通過統計數據、文獻檢索、實地調研，并結合Origin等軟件，定量計算海南島農牧生產體系的磷素輸入、輸出、利用率及其環境效應，并通過情景分析探索海南島農牧生產體系磷素的可持續利用途徑。【結果】30年間海南島農田生產子系統磷素總投入量從21.34 Gg增至81.19 Gg，總輸出量由6.20 Gg增至18.20 Gg，化肥作為該系統磷素主要來源，輸入量由19.01 Gg增至79.23 Gg，作物產品作為農田磷素主要輸出項，30年間由5.25 Gg增至15.48 Gg。動物生產子系統磷素總輸入量由11.40 Gg增至15.31 Gg，總輸出量由9.63 Gg增至11.90 Gg，其中外源飼料磷素輸入量由1987年的10.97 Gg增至2016年的14.77 Gg，動物產品輸出量30年間增長了4.95 Gg。秸稈還田量和作物飼用量分別增加了0.37和0.26 kg·hm-2，糞尿還田量則減少了0.80 kg·hm-2。空間分布上，澄邁、定安等地30年來磷素輸入和輸出量較高，五指山、瓊中等地較低。就磷素損失情況來看，1987—2016年，海南島單位耕地面積土壤磷盈余量由35.00 kg·hm-2增至147.40 kg·hm-2，2016年土壤磷素盈余量較大的是瓊海、澄邁、保亭和臨高，分別為372.79、279.82、194.14和181.09 kg·hm-2。磷的其他損失途徑為土壤侵蝕、徑流和淋洗，損失量在1.21—5.85 kg·hm-2。畜禽糞便單位耕地面積承載量維持在3.83—5.77 kg·hm-2。30年來，磷素利用率增長緩慢，其中農田生產子系統磷素利用率由13.01%增至13.86%，動物生產子系統磷素利用率由4.78%增至7.62%，農牧結合體系磷素利用率由10.78%增至13.09%。情景分析結果顯示，保證農牧生產體系各子系統間的協調穩定發展以及通過科學的養分管理方式提高資源的循環利用率對促進海南島農牧業發展意義重大。【結論】受農牧生產體系規模、區域發展以及管理方式等因素影響，海南島農牧生產體系環境損失情況嚴重，磷素利用率較低，體系出現了較嚴重的分離。因此，在海南島未來的農牧生產中，應優化技術手段和管理措施，如控制磷素的過量輸入，減少糞尿的直接排放，提高秸稈和糞尿循環利用率。同時也應促進農田生產子系統與動物生產子系統間的協調關系，走農牧結合的可持續發展道路。

海南島；農牧生產體系；磷素流動；時空變化特征；NUFER模型

0 引言

【研究意義】磷元素既是動植物生長所需重要營養元素，同時也是農牧業生產中的重要養分資源[1]。比起氮元素，生物圈中磷元素稀少，農業生產土壤磷素獲取困難[2]。磷肥的使用保證了作物營養元素的供應，是糧食增產的重要保障[3]。但隨著磷肥的不合理施用，大量的磷素累積于土壤中，造成了資源浪費和環境污染等問題[4-5]，畜牧業生產中，畜禽糞尿的排放也造成了一定的環境問題[6]。因此，在農牧業發展過程中，需實現對磷素的優化管理。海南自1988年建省辦經濟特區以來，農牧業已取得長足發展，農業現代化水平不斷提高，但同時也出現了農牧發展不均衡，農牧生產體系結合不緊密等現象。因而了解該區域農牧生產體系磷素流動規律，對提高體系磷循環、優化區域養分資源配置和促進海南島農牧業可持續發展具有重要意義。【前人研究進展】目前，針對養分流動及其平衡管理問題國內外學者已有相關研究。Senthilkumar等[7]利用物質流分析的方法，以法國為研究區域，量化了區域尺度上土壤磷流動和磷預算對農業生產系統的依賴程度；van Dijk等[8]則進一步分析了歐盟國家的磷流動，通過考慮具體國家相關數據和歷史背景，研究包括了“作物生產-動物生產-食品加工-非食品生產-消費”等5大部分，為解決“phosphorous challenges”問題提供了科學的解決方案。在畜禽養殖中的氮磷流動研究上，LIANG等[9]通過優化畜禽糞尿在不同區域間的運輸，提高了農牧結合的緊密程度；Ma等[10]則基于物質流分析的方法構建了中國食物鏈養分流動模型（NUtrient flows in Food chains, Environment and Resources use，NUFER），用于分析評價區域氮磷養分在生產和消費環節的利用率和損失狀況。隨后，Bai等[11]利用NUFER模型，定量分析了全國尺度糧食生產和消費鏈中磷的使用和損失情況，發現了磷的使用與GDP變化間的非線性關系以及與蔬菜、水果、動物來源之間的線性關系，并采用情景分析探討了至2030年實現更加可持續的磷利用途徑。在區域尺度上，張華芳等[12]以河北省為研究對象，對農牧生產體系磷素流動特征及其環境效應進行了詳細分析；張建杰等[13]則使用NUFER模型與ArcGIS相結合，從時空維度分析了2011年山西省11個地/市農牧生產體系磷元素流動特征及環境風險，提出應進一步加強農牧耦合程度、提高有機廢棄物的循環利用效率以實現區域間養分的高效利用。這些研究通過引入方法或模型，使得食物鏈和農牧生產體系的養分流動規律更加清晰，同時也為養分管理提供了科學依據。【本研究切入點】目前，對海南地區農牧生產體系的研究較少，關于體系的磷素輸入輸出量核算、磷素利用率、體系的結合程度以及環境效應等方面的研究尚不明確。【擬解決的關鍵問題】基于NUFER模型，通過數據核算與實地調研，分析1987—2016年間海南熱帶特色農牧生產體系磷素流動、利用率和環境排放特征，明確不同區域間養分流動差異，以期為海南島農牧業生產乃至熱帶地區磷素流動管理提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

海南島是我國第二大島，位于東經108°37′E—111°03′E，北緯18°10′N—20°10′N，面積約3.39萬平方公里。海南島屬熱帶季風氣候，全年氣候溫和，典型土壤為磚紅壤，是發展熱帶特色高效農業的寶地。1987—2016年，本地農牧業取得較快發展。2016年瓜果蔬菜產量為975.14萬噸，主要熱帶作物產量為64.81萬噸，農業總產值695.64億元。截止2016年底，畜牧業總產值達267.10億元，牲畜年出欄量638萬頭，家禽年出欄量15 315萬只，其中肉蛋奶類總產量達81.41萬噸[14]。

1.2 研究方法

NUFER模型適用于國家或區域尺度上養分流動研究，可以模擬“土壤-作物生產-畜禽生產-家庭消費”系統磷素流動過程和利用率[15]。本研究基于NUFER模型，以“土壤-作物-畜禽”為研究對象，定量海南島農牧生產體系磷素流動時空變化特征（圖1），研究單元為海南省18個市/縣（三沙市除外）。

圖1 農牧生產體系磷素流動模型

1.3 計算方法

農牧生產體系中，農田生產子系統磷素輸入項包括化肥投入、糞尿還田、農田灌溉、干濕沉降等；輸出項包括本地飼料供應、作物產品輸出、土壤淋洗及徑流侵蝕作用；動物生產子系統磷素輸入項包括飼料投入（本地飼料投入及外源飼料投入），輸出項包括動物主副產品輸出，以及糞尿損失等。體系磷素循環包括秸稈還田、糞尿還田和本地飼料。

1.3.1 農田生產子系統磷流動項

輸入項PIMPfarm=Pfer++Pirr+Pad；

輸出項PEXPfarm=++Prel+Pfeedin。

式中，Pfer為化肥磷輸入；為糞尿還田；Pirr為灌溉水磷輸入；ad為干濕沉降磷輸入。為主產品磷輸出；為副產品磷輸出；Prel為土壤徑流、侵蝕、淋溶磷輸出。

1.3.2 動物生產子系統磷流動項 輸入項PIMPanimal=Pfeedimport+Pfeedin；輸出項PEXPanimal=+Pful。式中，Pfeedimport為外源飼料磷輸入；Pfeedin為本地飼料磷輸入。為動物主副產品磷輸出；Pful為糞尿磷輸出。

1.3.3 農牧生產體系磷素評價指標 農田生產子系統磷利用率（PUEc）=作物主產品磷素量/農田子系統磷素總投入×100%；動物生產子系統磷利用率（PUEa）=動物主產品磷素量/動物子系統磷素總投入×100%；農牧結合系統磷素綜合利用率（PUEc+a）=（作物主產品磷素量+動物主產品磷素量-作物主產品飼用量）/農牧系統磷素總投入×100%；土壤磷素盈余量=農田輸入磷素量-農田輸出磷素量；體系間磷循環量=秸稈還田磷素+本地飼料磷素+糞尿還田磷素。

1.4 數據來源

本文數據來源包括3個方面：本地數據、統計數據以及文獻數據。

本地數據：本地數據包括熱帶地區單位面積干濕沉降磷量[16]，基于MITERRA-EUROPE模型[17]的本地徑流、侵蝕、淋溶因子，海南省畜牧技術推廣總站提供的海南島畜牧養殖基本信息，調研獲得的作物種植、畜禽糞尿回收利用情況。

統計數據：本研究所需數據包括1987—2016年海南省各市/縣耕地數量、主要農作物播種面積及產量、畜牧業生產情況等主要來源于海南省統計年鑒[14]。

文獻數據：農田生產子系統中，主產品含磷比例來自《中國食物成分表》[18]和張少若等研究結果[19-22]，草谷比、秸稈養分含量等參考李書田等[23]研究，南方地區單位灌溉面積磷含量參考魯如坤等[24]研究結果，作物產品飼用比例、糞尿還田比例在結合調研和馬林[25]研究成果上獲得。動物生產子系統中，畜禽糞尿排泄量和含磷比例等來自王方浩等研究結果[6,26-27]，動物活體各部分磷含量參考張建杰等[13]研究數據。

1.5 情景分析設計

有研究表明[28-29]，在2005年的基礎上，中國2030年植物性和動物性食品的總需求將分別增加25%和80%，其中玉米和大豆的產量將增加40%，其他作物產量將增加10%。在生態文明建設方面，預計到2030年，畜禽糞便資源化利用率達到90%，畜禽規模保持穩定增長[30]。《海南省現代農業“十三五”發展規劃》（2016—2020）指出[31]，家畜數量將緩慢增加，家禽數量將進一步提高，糞尿還田率達到75%，5年內化肥使用減少5%，結合當前海南省化肥使用過量的情況，2030年化肥施用量在2016年的基礎上可減少20%—30%，秸稈還田利用率可達到85%以上。據此設計3種情景進行分析。

情景1（S1）：到2030年，化肥施用量較2016年減少25%，根據近年畜禽養殖數量變化，在2016年的基礎上，家畜按15%增長計算，家禽按50%增長計算，植物性食品按10%增長進行計算。

情景2（S2）：到2030年，化肥施用量較2016年減少25%，依據Chen等[28]的預測，在2005年的基礎上，植物性食品增加25%，動物性食品增加80%。結合海南發展實際，家畜規模按35%增長計算，家禽規模按85%增長計算，畜禽糞便資源化利用率達到90%（其中糞尿還田部分為75%）。

情景3（S3）：根據《海南省現代農業“十三五”發展規劃》中各項指標進行農牧業生產，2030年農牧規模與2020年保持一致。在此基礎上秸稈還田、作物飼用和糞尿還田比例上升10%。

2 結果

2.1 海南島農田、動物生產子系統30年間磷素流動變化

1987—2016年，海南島農田生產子系統磷素輸入、輸出量增長較快（圖2-A、2-B），總輸入量由21.34 Gg增至81.19 Gg，2016年較1987年增長了2.80倍。其中化肥一直是農田生產子系統磷素輸入的重要來源，1987年，其磷素輸入量為19.01 Gg，占農田總投入量的89.08%，到2016年，化肥磷素投入量為79.23 Gg，占農田總投入的97.59%。有機肥料投入30年間維持在2.70—4.28 Gg，在農田生產子系統中始終占據較小比例。從磷素輸出量來看，農田生產子系統輸出總量由1987年的6.20 Gg增至2016年的18.20 Gg，作物產品作為農田磷素主要輸出項，30年間由5.25 Gg增至15.48 Gg，較30年前增長了1.95倍。徑流、侵蝕和淋溶損失量較小，總損失量由0.52 Gg增至2.18 Gg，維持在農田生產子系統磷素總輸出的8.39%—11.98%。對于動物生產子系統（圖2-C、2-D），磷素輸入主要分為兩個階段，第一階段為快速增長階段（1987—2005），磷素總投入由11.40 Gg增至19.92 Gg；第二階段為減產后緩慢增加階段（2006—2016），磷素總輸入量由13.17 Gg增至15.31 Gg。其中外源飼料為動物生產子系統磷素輸入主要來源，30年間由10.97 Gg增至14.77 Gg，維持在系統磷素總投入的95.35%以上。從輸出項來看，動物生產子系統輸出總量由1987年的9.63 Gg增至2016年的11.90 Gg。其中畜禽糞尿量變化緩慢，30年間維持在3.34—5.81 Gg，而動物產品磷素輸出量由1987年的5.65 Gg增至2005年的10.60 Gg，近年保持在8.00 Gg左右。

2.2 海南島農田、動物生產子系統磷素流動空間變化

1987—2016年，海南島農田生產子系統不同區域間差異較大（圖3-A），系統磷總輸入量增長最快的是澄邁，30年間增加了7.65 Gg，其次為瓊海、樂東，分別增加了7.41、5.58 Gg，五指山增長最慢，僅增長了0.15 Gg。從輸入項構成看，澄邁、瓊海等地30年間化肥磷素輸入量增長較快，分別增加了8.22、8.05 Gg，五指山、保亭等地增長緩慢，增值分別為0.36、1.28 Gg。沉降、灌溉和有機肥料的磷素輸入30年間無明顯變化。農田生產子系統磷素總輸出量增長最快的為澄邁，增長1.49 Gg，保亭較1987年降低0.32 Gg。從輸出項構成看，各地作物產品磷素輸出量增長均較為緩慢，且大多低于1.00 Gg，其中澄邁增長最快，為1.26 Gg，保亭較1987年略有降低，減少0.30 Gg。到2016年，各地徑流、侵蝕和淋溶損失均在0.30 Gg以下，損失量較小。對于動物生產子系統（圖3-B），澄邁30年間磷素總輸入增長最多，為0.78 Gg，東方較1987年減少0.22 Gg。從輸入項構成看，1987—2016年，各市/縣外源飼料磷素輸入量變化在0.79 Gg以下，2016年外源需求量較高的有儋州（1.84 Gg）、澄邁（1.52 Gg）、海口（1.45 Gg）。本地飼料磷素輸入量較1987年略有降低。動物生產子系統磷素總輸出量30年間變化不大，從輸出項構成看，2016年儋州動物產品磷素輸出量最多，五指山最少。動物糞尿磷素產生量較高的為儋州、樂東和定安，較低的為五指山、白沙和瓊中。

圖2 海南島農田（A、B）、動物（C、D）生產子系統30年間磷素流動變化

圖3 海南島農田（A）、動物（B）生產子系統磷素流動空間變化

2.3 海南島農牧生產體系磷素損失時空分布特征

由于土壤對磷素吸附能力較強[32]，導致磷在土壤中的移動性較差。農田生產子系統中，磷素主要通過積累在土壤中難以循環利用而損失。1987—2016年單位耕地面積土壤磷素盈余量快速增長，30年間由35.00 kg·hm-2增至147.40 kg·hm-2（圖4）。2016年土壤磷素盈余量較大的為瓊海、澄邁、保亭和臨高，分別為372.79、279.82、194.14和181.09 kg·hm-2（圖5）。磷的其他損失途徑為土壤侵蝕、徑流和淋洗，30年間損失量在1.21—5.85 kg·hm-2。在動物生產子系統中，磷素主要通過糞尿的直接排放而損失，畜禽糞便單位耕地面積承載量由1987年的3.83 kg·hm-2增至2005年的5.77 kg·hm-2，此后呈減少趨勢，到2016年僅為3.77 kg·hm-2（圖4）。空間分布上，2016年各市/縣糞尿損失量較大的為五指山、保亭、陵水等地（圖5）。

圖4 1987—2016年海南島農牧生產體系磷素損失變化特征

圖5 2016年海南島農牧生產體系磷素損失空間變化特征

2.4 農牧生產體系磷素循環及利用率

農牧生產體系間磷素循環大致分為3個階段（圖6-A），第一階段為1987—1998年，單位耕地面積磷素循環量從7.83 kg·hm-2增至11.80 kg·hm-2，第二階段為1999—2004年，保持在11.00 kg·hm-2左右，第三階段為2005—2016年，磷素循環量由10.03 kg·hm-2減至7.72 kg·hm-2。秸稈還田和本地飼料量呈現較小增幅，糞尿還田磷量則由1987年的5.36 kg·hm-2降至2016年的4.56 kg·hm-2。30年來，農田生產子系統磷素利用率由13.01%增至13.86%，動物生產子系統磷素利用率由4.78%增至7.62%，農牧生產體系磷素利用率緩慢增長，由1987年的10.78%增至2016年的13.09%（圖6-B）。空間分布上（圖7-A、7-B），2016年五指山、陵水、屯昌等地磷素循環量相對較高，分別為19.48、12.93和12.46 kg·hm-2。農牧生產體系磷素利用率昌江最高，為23.41%，臨高最低，僅為7.37%。

圖6 海南島農牧生產體系磷素循環量（A）和利用率（B）變化

2.5 基于情景設計下的海南島2030年磷素流動

2016年海南島農牧生產體系磷素主要輸入量（磷肥和外源飼料）為94.00 Gg，單位耕地面積磷素損失量（徑流、淋溶、侵蝕損失以及土壤磷盈余和糞尿損失）為156.27 kg·hm-2，動植物產品量為23.82 Gg，磷素利用率為13.09%。如圖8所示，在減少化肥施用和維持農牧業穩定增長的情況下（S1），2030年海南島農牧生產體系磷素主要輸入量將達77.14 Gg，較2016年減少16.86 Gg，單位耕地面積磷素損失量為107.43 kg·hm-2，動植物產品磷素輸出量將達到27.20 Gg，磷素利用率為17.68%。當減少化肥施用，并較快發展畜牧業和提高畜禽糞尿利用率時（S2），磷素主要輸入量為78.76 Gg，單位耕地面積磷素損失量為123.46 kg·hm-2，動植物產品磷素輸出量將達到21.54 Gg，磷素利用率為11.36%。當減緩發展速度，著力于提高各項效率時（S3），到2030年，農牧生產體系磷素主要輸入量為85.40 Gg，單位耕地面積磷素損失量為126.78 kg·hm-2，動植物產品磷素輸出量將達到27.07 Gg，磷素利用率為15.29%。

3 討論

3.1 海南島農牧生產體系磷素流動時間變化特征

1987—2016年，海南島農田生產子系統磷素輸入量持續增長，化肥磷素輸入量在總輸入中的比例始終在89.08%以上，高于我國其他地區[13,15]。究其原因，由于熱帶區域自然條件，農田復種指數高，可一年四季進行農業耕作，磷肥不斷投入以供作物養分需求。同時，海南島土壤平均pH約為5[33]，對磷元素吸附能力較強[34]，致使磷素利用率較低，磷肥投入量不斷增加。在高磷肥投入條件下，海南島土壤磷素盈余量快速增長，2016年海南島單位耕地面積土壤磷素盈余量為147.40 kg·hm-2，這與陳敏鵬等[35]報道的基于全國尺度的土壤表觀氮磷平衡清單相符（海南大部分區域位于100—300 kg·hm-2），但遠高于歐盟1990—1991年農場水平磷素盈余量標準19.5 kg·hm-2[36]。對于動物生產子系統，畜禽規模在1987—2005年保持快速增長，由于2005年9月臺風“達維”的影響，省內養殖業受損嚴重，加上10月我國部分地區相繼發生高致病性禽流感疫情，本地控制畜禽養殖規模，從2006年開始，畜牧業規模大為縮減，近年來緩慢上升[37]。從輸入項看，動物生產子系統外源飼料依賴比例較大，主要由于本地多發展熱帶經濟作物，糧食作物種植比例較低，致使本地飼料供給始終維持在較低水平。就畜禽糞尿輸出而言，海南島畜禽糞尿磷素損失比例30年間一直在40%以上，這是由于海南島畜禽養殖規模化程度較低且糞尿處理技術較為落后[31]。2016年海南島畜禽糞尿磷素的平均單位耕地面積承載量為3.77 kg·hm-2，低于Oenema等[38]提出的土壤糞肥施磷量的限值35 kg·hm-2，主要因為本地畜禽養殖規模相對較小，糞尿產生總量較低，因此，海南島糞肥施磷量還具有較大的提升空間，同時意味著化肥磷素施用量具有較大的減量空間。

圖7 2016年海南島農牧生產體系磷素循環量（A）和利用率（B）空間變化特征

當前，海南島農牧生產體系分離較嚴重，主要由于畜禽養殖集約化程度的提高和畜禽糞尿資源化利用效率降低，同時體系間磷素利用較低也是農牧生產體系分離的重要原因。30年來，農牧生產體系磷素循環大致可以分為3個階段。1998年以前，海南島種植業、養殖業發展較快，農牧生產體系間磷素循環量穩步上升，1998—2004年間，畜牧業發展緩慢增長，種植業規模略有下降，體系磷素循環量保持穩定。2004年以后，受農牧生產體系集約化程度、畜牧業規模、種植業發展等因素制約，農牧生產體系分離加劇。2016年海南島農田生產、動物生產和農牧生產體系磷素利用率分別為13.86%、7.62%和13.09%，均低于2010年全國平均水平（分別為37%、17%和30.3%）[11]，從農田生產子系統來看，可能與海南島土壤pH較低導致作物對磷素吸收效率較低和較大的磷肥施用量有關。從動物生產子系統來看，主要限制因素是飼料生產體系磷素投入量高和養殖體系糞尿還田利用率低，海南島畜禽養殖規模化程度不高也是導致磷素利用率低的重要原因，柏兆海[39]研究表明，專業養殖戶和大型規模化養殖體系將表現出更高的養分利用效率。就農牧生產體系而言，受農田和動物生產子系統的規模和磷素利用率的影響，農牧生產體系磷素利用率也保持較低水平。本研究結果顯示，與我國其他地區農牧生產體系磷素利用率與農田生產子系統差異較大不同[12-13,15]，海南島兩者磷素利用率相近，這是因為農牧生產體系主要輸出項目來自農田生產子系統。由此反映出海南島農牧生產體系各子系統發展不合理現狀，2016年作物主產品磷素輸出量為11.26 Gg，而動物主產品磷素輸出量僅為1.17 Gg。從規模上來看，以北京市為例[15]，海南島耕地面積4 273 km2，約為北京的2倍，但在畜禽養殖上，2016年海南島畜禽數量約為900萬頭當量豬，略高于北京市的數量。農牧業的不均衡發展導致諸如土壤糞肥施磷量較低，化肥施用量較高，土壤磷素盈余量過大等問題。因而，促進海南島農牧生產各個子系統間協調穩定發展對今后海南島農牧業生產具有重要意義。

圖8 不同情景下磷素主要輸入量（A）、產品輸出量（B）、磷素損失量（C）和磷素利用率（D）比較

3.2 海南島農牧生產體系磷素流動空間變化特征

海南島農田生產子系統磷素輸入和輸出量空間分布特征具體表現為南北高、中部低，這與海南島區域間地理特征、農業發展水平以及耕地面積等因素的差異有關。海南島地勢四周相對低平，中間高聳，呈穹隆山地形，因而在南北地區農業生產條件較為優越，中部地區多發展檳榔、橡膠等種植業。同時，如海口、文昌、臨高、儋州等地農業耕地面積較大，農田生產子系統磷素流動量也較高。而三亞、陵水等地為南繁育種科研基地，農業現代化水平相對較高，在水稻、瓜菜等種苗培育上具有較大優勢。本研究發現，三亞耕地面積約為海口的1/3，2016年磷肥輸入量為海口的1/2，但作物產品磷素輸出量與海口相近，同時，2016年三亞農田生產子系統磷素利用率為23.64%，高于海口的12.31%，可見較高的農業現代化程度有利于提高農牧生產體系磷素流動效率。

為優化資源配置，海南島劃分為“瓊北、瓊南、瓊中、瓊東和瓊西”5個發展區域[31]，近年瓊北地區主要發展生豬，雞、鵝等規模化養殖，瓊南和瓊中地區多發展種植業，瓊東地區近年來調減豬牛羊的養殖規模，導致瓊海、萬寧動物生產子系統磷素流動量降低。瓊西地區正加快建設畜禽養殖規模化基地，因而儋州和東方等地動物生產子系統磷素流動量逐步提高。受區域劃分影響，海南島動物生產子系統磷素流動空間分布特征為西部和北部較高，東部和南部較低。

3.3 3種情景下農牧生產體系磷素流動分析

通過減少磷肥的施用量，土壤磷盈余量將得到較大的降低，但在畜牧業快速發展過程中，畜禽糞尿的無序排放也會導致單位耕地面積磷素損失量的較快增加。S1情景下的農牧生產體系磷素利用率最高，2030年較2016年將增長4.59%，其原因是除了控制磷肥施用量外，動植物產品磷素輸出量在3個情景中也最多，說明保證農田生產和動物生產子系統協調穩定發展將會給農牧生產體系帶來較大收益。由于近年海南島作物生產增長速度高于Chen等[28]預測結果，在S2情景下，依照Chen等預測的作物增長速度，海南農田生產子系統至2030年將表現出緩慢增長。即使期間動物生產子系統得到較快發展，結果農牧生產體系產品輸出量和磷素利用率在3種情境下仍為最低，其主要原因是農田生產子系統體系較為龐大，作物產品輸出量比重較大，一旦減緩農田生產子系統發展，對農牧生產體系產品總輸出量影響較大，同時，較低的主產品輸出量水平會導致磷素利用率的降低。在S3情景下，2030年農牧生產體系主要磷素輸入量較2016年僅減少8.60 Gg，主要由于《海南省現代農業“十三五”發展規劃》對磷肥的輸入要求控制在2016年的85%左右，鑒于海南島施肥過量現狀，磷肥輸入量仍有下降的潛力。同時，通過提高秸稈和糞尿還田以及作物產品飼用比例，可較好地提高農牧耦合程度。

由情景分析看出，S1情景下農牧生產體系管理方式是最優的，由S3可以看出，通過科學的養分管理方式提高資源的循環利用率對促進海南島農牧業綠色發展意義重大。而在S2情景下，僅僅考慮動物生產子系統單個系統的發展，對農牧生產體系整體養分流動效率的提高是不利的。

3.4 海南島農牧生產體系磷素流動管理的相關建議

針對海南島當前農牧生產過程中存在的問題，提出以下優化途徑：（1）優化農牧業布局。農牧生產體系由分散式家庭種養模式到可持續集約化管理。在規模化管理過程中，采用合理的種植技術和飼養管理方式[40-41]，從優化選種到產品管理，逐步提高作物和動物產品產量。并結合區域發展，建立種養結合生產基地；（2）合理施用肥料。對于農牧業養分管理，首要是減少化肥的施用[42]，當前海南島磷肥施用過量問題突出，為保證磷肥合理施用，應結合海南實際情況，合理劃分施肥類型區，推廣測土施肥技術，建設測土配方施肥體系[31]。并推廣優質商品有機肥料、高效緩釋肥料、生物肥料、水溶性肥料等新型肥料；（3）改善畜禽糞尿管理。改善畜禽糞尿管理符合農牧結合的核心要求[43]，首先應按照“廢棄物+清潔能源+有機肥”三位一體技術路線，改造完善規模畜禽場基礎條件。實行畜禽養殖全鏈條管理，從圈舍飼養到糞尿儲存運輸建立糞尿收集裝置和網管運輸裝置，同時推廣多原料全混式發酵、全自動高溫好氧發酵等技術。通過畜禽糞尿的科學管理，以達到減少糞便損失和增加畜禽糞尿還田施用率的目的[44]；（4）應加強管理并出臺相關政策。管理上需從源頭減少磷素的投入，控制化肥和外源飼料的使用量。政策上則要借鑒國內外相關成果，政府對化肥的使用、糞尿的運輸管理等應進行具體指導[45]。同時，應加大針對農業面源污染防治的財政投入，以推動相關技術和設施的落實。

4 結論

1987—2016年海南島農牧生產體系取得較快發展，磷素總輸入與總輸出量不斷上升，受區域農業發展水平、地理環境和農業發展規劃等因素影響，不同區域間養分流動差異較大。當前農田生產子系統主要依賴化肥磷素輸入，隨著磷肥輸入量的快速增長，土壤磷素盈余量也不斷上升。動物生產子系統主要依賴外源飼料磷素輸入，30年間外源輸入量從10.97 Gg增至14.77 Gg，維持在飼料總投入的95.45%—96.80%。與全國平均水平相比，海南島農牧生產體系環境損失情況較為嚴重，磷素利用率較低，農牧生產體系出現了較嚴重的分離。

傳統的粗放式農牧業生產方式已經無法滿足海南當下發展的需要，在未來應進一步優化農牧業布局，推廣種養結合生產模式，加強對畜禽糞尿的管理。通過合理的技術手段和管理方式，在保證農田生產子系統與動物生產子系統協同增長的前提下，實現海南島農牧生產體系的綠色協調發展。

[1] 馬文奇, 張福鎖. 食物鏈養分管理——中國可持續發展面臨的挑戰. 科技導報, 2008, 26(1): 68-73.

MA W Q, ZHANG F S. Nutrient management in human food chain: A challenge for sustainable development of China., 2008, 26(1): 68-73. (in Chinese)

[2] SMIL V. Phosphorus in the environment: Natural flows and human interferences., 2000, 25: 53-88.

[3] RAMAEKERS L, REMANS R, RAO I M, BLAIR W M, VANDERLEYDEN J. Strategies for improving phosphorus acquisition efficiency of crop plants., 2010, 117(2/3): 169-176.

[4] CHEN M, CHEN J, SUN F. Agricultural phosphorus flow and its environmental impacts in China., 2008, 405(1/3): 140-152.

[5] CONLEY D J, PAERL H W, HOWARTH R W, BOESCH D F, SEITZINGER S P, HAVENS K E, LANCELOT C, LIKENS G E. Controlling eutrophication: Nitrogen and phosphorus., 2009, 323(5917): 1014-1015.

[6] 王方浩, 馬文奇, 竇爭霞, 馬林, 劉小利, 許俊香, 張福鎖. 中國畜禽糞便產生量估算及環境效應. 中國環境科學, 2006, 26(5): 614-617.

WANG F H, MA W Q, DOU Z X, MA L, LIU X L, XU J X, ZHANG F S. The estimation of the production amount of animal manure and its environmental effect in China., 2006, 26(5): 614-617. (in Chinese)

[7] SENTHILKUMAR K, NESME T, MOLIER A, PELLERIN S. Regional-scale phosphorus flows and budgets within France: The importance of agricultural production systems., 2012, 92(2): 145-159.

[8] VAN DIJK K C, LESSCHEN J P, OENEMA O. Phosphorus flows and balances of the European Union Member States., 2016, 542(Pt B): 1078-1093.

[9] LIANG L, NAGUMO T, HATANO R. Nitrogen flow in the rural ecosystem of Mikasa City in Hokkaido, Japan., 2006, 16(2): 264-272.

[10] MA L, MA W Q, VELTHOF G L, WANG F H, QIN W, ZHANG F S, OENEMA O. Modeling nutrient flows in the food chain of China., 2010, 39(4): 1279-1289.

[11] BAI Z H, MA L, MA W Q, QIN W, VELTHOF G L, OENEMA O, ZHANG F S. Changes in phosphorus use and losses in the food chain of China during 1950-2010 and forecasts for 2030., 2016, 104(3): 361-372.

[12] 張華芳, 高肖賢, 侯勇, 任月同, 馬文奇. 河北省農牧體系磷素流動及其環境效應. 河北農業大學學報, 2013, 36(2): 17-22.

ZHANG H F, GAO X X, HOU Y, REN Y T, MA W Q. Phosphorus flow in agro-livestock system and its environmental effect of Hebei Province., 2013, 36(2): 17-22. (in Chinese)

[13] 張建杰, 郭彩霞, 張一弓, 張強. 山西省農牧生產體系磷流動空間變異特征. 中國生態農業學報, 2016, 24(5): 553-562.

ZHANG J J, GUO C X, ZHANG Y G, ZHANG Q. Spatial characteristics of phosphorus flow in crop-livestock production systems in Shanxi, China., 2016, 24(5): 553-562. (in Chinese)

[14] 海南省統計局. 海南統計年鑒(1988-2017). 北京: 中國統計出版社.

Hainan Statistical Bureau.(). Beijing: China Statistics Press. (in Chinese)

[15] 魏莎, 柏兆海, 吳迪梅, 江榮風, 夏立江, 馬林. 北京“土壤-飼料-奶牛”系統氮磷流動及環境損失時空特征. 中國生態農業學報, 2017, 25(3): 316-327.

WEI S, BAI Z H, WU D M, JIANG R F, XIA L J, MA L. Temporal and spatial characteristics of nitrogen and phosphorus cycling and environmental losses in the “soil-feed-dairy” production system in Beijing., 2017, 25(3): 316-327. (in Chinese)

[16] 漆智平. 熱帶土壤學. 北京: 中國農業大學出版社, 2007: 46-48.

QI Z P.. Beijing: China Agricultural University Press, 2007: 46-48. (in Chinese)

[17] VELTHOF G L, OUDENDAG D, WITZKE H P, ASMAN W A, KLIMONT Z, OENEMA O. Integrated assessment of nitrogen losses from agriculture in EU-27 using MITERRA-EUROPE., 2009, 38(2): 402-417.

[18] 楊月欣, 王光亞, 潘興昌. 中國食物成分表. 2版. 北京: 北京大學醫學出版社, 2009.

YANG Y X, WANG G Y, PAN X C... Beijing: Peking University Medical Press, 2009. (in Chinese)

[19] 張少若, 梁繼興, 余讓水, 陸行正. 我國熱帶作物營養診斷研究工作的進展. 熱帶作物研究, 1996(2): 60-70.

ZHANG S R, LIANG J X, YU R S, LU X Z. Advances in nutritional diagnosis of tropical crops in China., 1996(2): 60-70. (in Chinese)

[20] 范興安. 芝麻不同生育時期植株營養吸收與土壤養分的動態變化. 河南農業科學, 1998(12): 11-13.

FAN X A. Dynamic changes of nutrient uptake and soil nutrients in sesame at different growth stages., 1998(12): 11-13. (in Chinese)

[21] 陸若輝, 李有香, 徐群英, 孔樟良. 6種經濟作物生物體養分含量分析. 浙江農業科學, 2017, 58(4): 621-622, 625.

LU R H, LI Y X, XU Q Y, KONG Z L. Analysis of nutrient contents of 6 kinds of cash crops., 2017, 58(4): 621-622, 625. (in Chinese)

[22] 陸行正, 何向東. 橡膠樹的營養診斷指導施肥. 熱帶作物學報, 1982, 3(1): 27-39.

LU X Z, HE X D. Fertilizer application based on nutrient diagnosis of rubber tree., 1982, 3(1): 27-39. (in Chinese)

[23] 李書田, 金繼運. 中國不同區域農田養分輸入、輸出與平衡. 中國農業科學, 2011, 44(20): 4207-4229.

LI S T, JIN J Y. Characteristics of nutrient input/output and nutrient balance in different regions of China., 2011, 44(20): 4207-4229. (in Chinese)

[24] 魯如坤, 劉鴻翔, 聞大中, 欽繩武, 鄭劍英, 王周瓊. 我國典型地區農業生態系統養分循環和平衡研究Ⅱ. 農田養分收入參數. 土壤通報, 1996, 27(4): 151-154.

LU R K, LIU H X, WEN D Z, QIN S W, ZHENG J Y, WANG Z Q. Study on nutrient cycling and balance of agro-ecosystem in typical areas of China Ⅱ. Farmland nutrient income parameters., 1996, 27(4): 151-154. (in Chinese)

[25] 馬林. 中國食物鏈氮素流動規律及調控策略[D]. 保定: 河北農業大學, 2009.

MA L. Mechanism and regulatory strategies of nitrogen flow in food chain of China[D]. Baoding: Hebei Agricultural University, 2009. (in Chinese)

[26] 劉永豐. 海南省畜禽養殖環境預警研究[D]. 長沙: 湖南農業大學, 2013.

LIU Y F. The research of environmental alarm of livestock and poultry breeding in Hainan Province[D]. Changsha: Hunan Agricultural University, 2013. (in Chinese)

[27] MA L, VELTHOF G L, WANG F H, QIN W, ZHANG W F, LIU Z, ZHANG Y, WEI J, LESSCHEN J P, MA W Q, OENEMA O, ZHANG F S. Nitrogen and phosphorus use efficiencies and losses in the food chain in China at regional scales in 1980 and 2005., 2012, 434: 51-61.

[28] CHEN X P, CUI Z L, FAN M S, VITOUSEK P, ZHAO M, MA W Q, WANG Z L, ZHANG W J, YAN X Y, YANG J C, DENG X P, GAO Q, ZHANG Q, GUO S W, REN J, LI S Q, YE Y L, WANG Z H, HUANG J L, TANG Q Y, SUN Y X, PENG X L, ZHANG J W, HE M R, ZHU Y J, XUE J Q, WANG G L, WU L, AN N, WU L Q, MA L, ZHANG W F, ZHANG F S. Producing more grain with lower environmental costs., 2014, 514(7523): 486-489.

[29] MA L, WANG F H, ZHANG W J, MA W Q, VELTHOF G, QIN W, OENEMA O, ZHANG F S. Environmental assessment of management options for nutrient flows in the food chain in China.,2013,47(13): 7260-7268.

[30] 中華人民共和國農業農村部. 全國農業可持續發展規劃(2015-2030年). 農計發[2015]145號.

Ministry of Agriculture and Rural Affairs of the People’s Republic of China(). Njf 145 [2015]. (in Chinese)

[31] 海南省農業廳. 海南省現代農業“十三五”發展規劃. 2016.

Hainan Provincial Department of Agriculture.. 2016. (in Chinese)

[32] 王昶, 呂曉翠, 賈青竹, 徐永為. 土壤對磷的吸附效果研究. 天津科技大學學報, 2010, 25(3): 34-38.

WANG C, Lü X C, JIA Q Z, XU Y W. Study on phosphorus adsorption of several soils., 2010, 25(3): 34-38. (in Chinese)

[33] 侯立恒, 王熊飛, 王汀忠, 龍笛笛. 海南省耕地有機質和pH值變化分析. 農業科技通訊, 2018(1): 120-123.

HOU L H, WANG X F, WANG T Z, LONG D D. Change analysis of organic matter and pH value of cultivated land in Hainan Province., 2018(1): 120-123. (in Chinese)

[34] HINSINGER P. Bioavailability of soil inorganic P in the rhizosphere as affected by root-induced chemical changes: a review., 2001, 237(2): 173-195. (in Chinese)

[35] 陳敏鵬, 陳吉寧. 中國區域土壤表觀氮磷平衡清單及政策建議. 環境科學, 2007, 28(6): 1305-1310.

CHEN M P, CHEN J N. Inventory of regional surface nutrient balance and policy recommendations in China., 2007, 28(6): 1305-1310. (in Chinese)

[36] OSEI E, LAKSHMINARAYAN P G, NEIBERGS J S, BOUZAHER A, JOHNSON S R. Livestock and the environment: a national pilot project. the policy space, economic model, and environmental model linkages., 1995, 30: 141-151.

[37] 中國畜牧獸醫年鑒編輯委員會. 中國畜牧獸醫年鑒. 北京: 中國農業出版社, 2005-2006.

Editorial Committee of China Animal Husbandry and Veterinary Yearbook..Beijing: China Agriculture Press, 2005-2006. (in Chinese)

[38] OENEMA O, VAN LIERE L, PLETTE S, PRINS T, VAN Zeijts H, Schoumans O. Environmental effects of manure policy options in the Netherlands., 2004, 49(3): 101-108.

[39] 柏兆海. 我國主要畜禽養殖體系資源需求、氮磷利用和損失研究[D]. 北京: 中國農業大學, 2015.

BAI Z H. The resources requirement, nitrogen and phosphorus use and losses in the main livestock production system in China[D]. Beijing: China Agricultural University, 2015. (in Chinese)

[40] LENIS N P, JONGBLOED A W. New technologies in low pollution swine diets: Diet manipulation and use of synthetic amino acids, phytase and phase feeding for reduction of nitrogen and phosphorus excretion and ammonia emissions., 1999, 12(2): 305-327.

[41] 張福鎖, 馬文奇, 陳新平. 養分資源綜合管理理論與技術概論. 北京: 中國農業大學出版社, 2006.

ZHANG F S, MA W Q, CHEN X P.. Beijing: China Agricultural University Press, 2006. (in Chinese)

[42] ZHU Z L, CHEN D L. Nitrogen fertilizer use in China – Contributions to food production, impacts on the environment and best management strategies., 2002, 63(2/3): 117-127.

[43] 馬林, 馬文奇, 張福鎖. 農牧系統養分管理. 中國農業科學, 2018, 51(3): 401-405.

MA L, MA W Q, ZHANG F S. Nutrient management in soil-crop-animal production system., 2018, 51(3): 401-405. (in Chinese)

[44] OENEMA O, OUDENDAG D, VELTHOF G L. Nutrient losses from manure management in the European Union., 2007, 112(3): 261-272.

[45] OENEMA O. Governmental policies and measures regulating nitrogen and phosphorus from animal manure in European agriculture., 2004, 82(Suppl.): E196-206.

temporal and spatial variation characteristics of phosphorus element flows in the crop-livestock production system of Hainan island

DING Shang1, GUO Haohao1, SONG Chenyang1, DIAO Xiaoping2, ZHAO Hongwei1, 2

(1Institute of Tropical Agriculture and Forestry, Hainan University, Haikou 570228;2State Key Laboratory of Marine Resource Utilization in South China Sea, Hainan University, Haikou 570228)

【Objective】 The objective of this study is to analyze the temporal and spatial characteristics of phosphorus flows and its environmental effects in the crop-livestock production system of Hainan island from 1987 to 2016, research its flow process and discipline, discuss the optimized management approach of phosphorus in the crop-livestock production system, and to provide a scientific basis for the development of farming and animal husbandry in Hainan island.【Method】The study was based on the NUFER model (NUtrient flows in Food chains, Environment and the Resources use). data statistics, literature search and field investigation as well as the software such as Origin were used to calculate phosphorus input, output, efficiency and environmental effects of the crop-livestock production system in Hainan island. Potentially sustainable phosphorus utilization approaches were explored through scenario analysis of the crop-livestock production system.【Result】In the past 30 years, the total input of phosphorus in the farming subsystem of Hainan island increased from 21.34 to 81.19 Gg, and the total output increased from 6.20 to 18.20 Gg. As the main source of phosphorus in the system, the input of chemical fertilizer increased from 19.01 to 79.23 Gg. crop products as the main export of farmland phosphorus, and from 5.25 Gg to 15.48 Gg in 30 years. The total input of phosphorus in the animal production subsystem increased from 11.40 to 15.31 Gg, and the total output increased from 9.63 to 11.90 Gg, in which the input of imported feed phosphorus increased from 10.97 Gg in 1987 to 14.77 Gg in 2016, and the output of animal products increased by 4.95 Gg in 30 years. The amount of crop straw to the field and the local feed increased by 0.37 and 0.26 kg·hm-2, respectively, while the amount of manure to the field decreased by 0.80 kg·hm-2. In terms of spatial distribution, the input and output amounts of phosphorus in Chengmai and Dingan were relatively higher in the past 30 years, while those in Wuzhishan and Qiongzhong were relatively lower.In terms of phosphorus loss, the amount of soil phosphorus surplus per unit cultivated land of Hainan island increased from 35.00 to 147.40 kg·hm-2in 1987-2016. In 2016, the amount of soil phosphorus surplus of Qionghai, Chengmai, Baoting and Lin’gao was relatively higher, which was 372.79, 279.82, 194.14 and 181.09 kg·hm-2, respectively. The other loss ways of phosphorus were soil erosion, runoff and leaching, the loss amounts were from 1.21 to 5.85 kg·hm-2. The carrying capacity of livestock and poultry manure of cultivated area was maintained at 3.83-5.77 kg·hm-2. In the past 30 years, phosphorus use efficiency in the farming production subsystem increased from 13.01% to 13.86%,phosphorus use efficiency in the animal production subsystem increased from 4.78% to 7.62%, and phosphorus use efficiency in the crop-livestock production system increased from 10.78% to 13.09%. The result of scenario analysis showed that it was of great significance to promote the coordinated development between the farming production subsystem and the animal production subsystem of Hainan island and to improve the recycling utilization rate of resources through scientific nutrient management.【Conclusion】Affected by the scale of the crop-livestock production system, regional development and management mode, the environmental loss of the crop-livestock production system was serious, the phosphorus use efficiency was relatively low, and the system was seriously separated in Hainan island. Therefore, in the future crop-livestock production in Hainan island, technical means and management measures should be optimized, such as controlling excessive input of phosphorus, reducing the direct discharge of manure, and improving the phosphorus cycle efficiency of straw and manure. At the same time, the coordination relationship between the farming production subsystem and the animal production subsystem should be promoted, and the sustainable development road of combination of farming and animal husbandry should be carried out.

Hainan Island; crop-livestock production system; phosphorus flows; temporal and spatial variation characteristics; NUFER model

10.3864/j.issn.0578-1752.2019.05.008

2018-08-25；

2018-11-09

海南省重大科技項目（ZDKJ2017002）、海南省自然科學基金（417053，317302）

丁尚，E-mail：Dshainu@163.com。通信作者趙洪偉，E-mail：hwzhao@hainu.edu.cn

（責任編輯 岳梅）