（植物营养学专业论文）中国“农田畜牧营养环境”体系磷素循环与平衡.pdf

摘要 磷不但是动植物必需的营养元素，也是重要的环境污染因子。揭示磷素在“农田一 畜牧一营养一环境”体系的循环与流动规律是实现磷素养分管理的前提和条件。但是目 前对磷素循环与平衡的研究一般比较注重农田，而对于畜牧以及家庭营养系统的研究 非常少。本文从农田、畜牧、人体营养、环境的角度着手，研究磷在整个营养体系的 流动与循环，从而为磷素养分管理提供依据。 本文把我国“农田一畜牧一营养一环境”体系分为植物生产系统、动物生产系统、 饲料加工系统、食品加工系统、家庭系统、废水处理系统和固体废弃物处理系统，然 后分析各孑系统磷素流动特点，确定磷素输入和磷素输出项。查阅文献资料中各项参 数，如作物籽粒、畜产品中的磷含量，再根据统计资料中1 9 8 0 年、1 9 9 0 年和2 0 0 1 年这三年的数据，对我国近2 0 年来磷素循环与流动状况进行评价。 研究结果表明从1 9 8 0 年到2 0 0 1 年，我国农田生态系统磷素逐渐由亏缺转为盈余， 1 9 8 0 年亏缺3 5 万吨，1 9 9 0 年盈余1 4 2 3 万吨，2 0 0 1 年盈余3 7 1 1 万吨。从磷营养 角度来说，我国主要粮食作物水稻、小麦磷素生产效率不同，小麦加工成面粉的磷素 生产效率为4 0 o ，而水稻加工成大米的磷素生产效率只有1 3 2 。在饮食结构方面， 从1 9 8 0 年到2 0 0 1 年这2 0 年问，我国居民的饮食结构发生了重大变化，由原来的“高 谷物膳食”类型向动、植物食品并重方向转变。1 9 8 0 年我国居民消费植物食品磷4 6 1 万吨，消费动物食品磷2 7 万吨，植物食品磷与动物食品磷之比为1 7 1 ：l ；2 0 0 1 年，我国居民消费植物食品磷5 2 4 万吨，消费动物食品磷为儿2 万吨，植物食品磷 与动物食品磷之比为4 7 ：1 ，与1 9 8 0 年相比，植物食品磷比例减少，而动物食品磷 比例增加。从8 0 年代至今的2 0 年来，我国粮食数量增加，畜牧业迅速发展，城市人 口不断增多，城市化率明显上升，这些都与磷紊流动和生态环境息息相关。1 9 8 0 年、 1 9 9 0 年和2 0 0 1 年，农田向环境排放磷分别是2 2 8 万吨、2 2 0 万吨、2 9 9 万吨；畜 牧系统向环境排放磷分别是4 6 0 万吨、8 1 2 万吨、1 1 7 7 万吨：家庭系统向环境排 放磷分别是5 8 万吨、1 2 2 万吨、2 6 1 万吨；各个子系统向环境排放的总磷量分别 是7 4 6 万吨、1 1 5 4 万吨和1 7 3 7 万吨。在各子系统中动物生产系统向环境排放的 磷占整个营养体系向环境排放磷的比例最大，1 9 8 0 年为6 2 5 ，1 9 9 0 年为7 1 8 ，2 0 0 1 年为6 9 7 。而家庭系统向环境排放的磷所占比例增加很快，由1 9 8 0 年的6 1 增加 到2 0 0 1 年1 1 o 。说明我国畜牧业发展和城市化水平提高加大了磷向环境的排放。 关键词：农田：畜牧；营养；环境；磷素循环；磷素平衡 p h o s p h o r u sc y c l i n g a n db a l a n c ei n a g r i c u l t u r e - a n i m a lh u s b a n d r y - n u t r i t i o n - e n v i r o n m e n t ”s y s t e m o fc h i n a a u t h o r ：x u j u n x i a n g t u t o r ：p m f e s s o rm a w e n q m a j o r ：p l a n tn u t r i t i o n a b s t r a c t p h o s p h o r u sw a s n o to n l yt h ee s s e n t i a ln u t r i t i o n a le l e m e n tf o rp l a n t sa n da n i m a l s ，b u t a l s o s i g n i f i c a n t f a c t o ro fe n v i r o n m e n t p o l l u t i o n p h o s p h o r u s f l o wa n d c y c l i n g i n a g r i c u l t u r e a n i m a lh u s b a n d r y - n u t r i t i o n e n v i r o n m e n t ”s y s t e m i st h ef o u n d a t i o no f n u t r i e n tm a n a g e m e n ta tr e g i o n a la n dn a t i o n a ls c a l e h o w e v e r , t h er e s e a r c ho fp h o s p h o m s f l o wa n dc y c l i n gi na g r i c u l t u r a lf i e l dw a sm o s t l yp a i da t t e n t i o nt ob ys c i e n t i s t sa n dt h e r e s e a r c hi na n i m a lh u s b a n d r y s y s t e ma n dh o u s e h o l d ss y s t e mi sv e r yf e w s o i nt h i ss t u d y , p f l o wa n dc y c l i n gf r o ma 西c u l t u r a ls y s t e mt oa n i m a lh u s b a n d r ys y s t e m ，t of a m i l yn u t r i t i o n s y s t e ma n d e n v i r o n m e n t s y s t e m w a ss t u d i e d t h e “a g r i c u l t u r e - a n i m a lh u s b a n d r y n u t r i t i o n e n v i r o n m e n t s y s t e mo f c h i n aw a s d i v i d e d i n t o p l a n tp r o d u c t i o ns y s t e m ( a g r i c u l t u r a ls y s t e m ) ，a n i m a lh u s b a n d r ys y s t e m ，f e e d i n d u s t r ys y s t e m ，f o o di n d u s t r ys y s t e m ，h o u s e h o l d ss y s t e m ，m u n i c i p a lm a k i n gs y s t e ma n d g a r b a g ed i s p o s a ls y s t e m r e s p e c t i v e l y t h e na c c o r d i n g t oa n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fp f l o wi ne v e r ys y s t e m ，p i n p u ti t e m a n d o u t p u ti t e mw e r e d e t e r m i n e d t h e p a r a m e t e r so f p i n p u ta n do u t p u t ，e x a m p l e f o rpc o n t e n ti nc r o pa n da n i m a lp r o d u c ta n ds oo n ，w e r e d e r i v e df r o m m a n y d i f f e r e n tl i t e r a t u r e s o nt h eb a s i so fs t a t i s t i cd a t ao f1 9 8 0 ，1 9 9 0a n d 2 0 0 1f r o mc h i n as t a t i s t i cb u r e a ua sw e l la sp p a r a m e t e r s ，i tw a sa p p r a i s e df o rt h es t a t u so f pf l o wa n dc y c l i n gi nr e c e n tt w e n t y y e a r si nc h i n a t h e r e s u l t sw e r ea sf o l l o w s ：t h ep b a l a n c ei na g r i c u l t u r a lf i e l dw a si nt h ed e f i d ti n1 9 8 0 ，w h i l ei tw a ss u r p l u si n1 9 9 0a n d 2 0 0 1 i n1 9 8 0t h ed e f i c i to fp q u a n t i t y i s3 5k t ；i n1 9 9 0t h es u r p l u so fp q u a n t i t yi s1 4 2 3k t ， w h i l et o2 0 0 1t h es u r p l u si si n c r e a s e dt o3 7 1 1k t t h ep p r o d u c t i o ne f f i c i e n c yi sd i f f e r e n t w i t h i n p r o d u c t i o n a n dc o n s u m p t i o np r o c e s so fv a r i o u sg r a i n c r o p s i nt h e p o i n to fp n u t r i t i o n t h epp r o d u c t i o ne f f i c i e n c yo fp a d d y p r o c e s s e d i n t or i c ei s1 3 2 w h i l et h a to f w h e a tp r o c e s s e di n t of l o u ri s4 0 0 f r o m1 9 8 0t o2 0 0 1 g r e a tc h a n g eh a db e e no c c u r r e d a b o u ts t r u c t u r eo fb i t ea n ds u pi nc h i n a ，w h i c ht r a n s i t e df r o m “h i g l lg r a i n ”t y p et o “p l a n t f o o da n da n i m a lf o o dp a y i n ge q u a l ”t y p e i n1 9 8 0 , t h ep q u a n t i t yo fp l a n tf o o dc o n s u m e d b yc h i n e s ep e o p l ew a s4 6 1k t ，w h i l epq u a n t i t yo fa n i m a lf o o dw a s2 7k t t h er a t i o b e t w e e np l a n tf o o da n da n i m a lf o o dw a s1 7 1 i n2 0 0 1 ，t h epq u a n t i t yo fp l a n tf o o d c o n s u m e db yc h i n e s ep e o p l ew a s5 2 4k t ，w h i l ep q u a n t i t yo f a n i m a lf o o dw a s1 1 2k t t h e r a t i ob e t w e e n p l a n t f o o da n da n i m a lf o o dw a s4 7 f r o m1 9 8 0t o2 0 0 1 ，w i t ht h e d e v e l o p m e n to fe c o n o m y , g r a i ni n c r e a s i n g ，a n i m a lh u s b a n d r yg r o w i n gr a p i d l ya n dc i t y p o p u l a t i o nm a n i f o l d i n g ，pq u a n t i t yi n t oe n v i r o n m e n t w a si n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y i n1 9 8 0 ， 1 9 9 0a n d2 0 0 1 ，pq u a n t i t yi n t oe n v i r o n m e n tf r o ma g r i c u l t u r a ls y s t e mw a s2 2 8k t ，2 2 0k t a n d2 9 9k tr e s p e c t i v e l y , f r o ma n i m a lh u s b a n d r ys y s t e mw a s4 6 0k t ，8 1 2k ta n d1 1 7 7k t ， w h i l ef r o mh o u s e h o l d ss y s t e mw a s5 8k t ，1 2 2k ta n d2 6 1k t ，r e s p e c t i v e l y t h et o t a lpi n e n v i r o n m e n tw a si n c r e a s e df r o m7 4 6 k ti n1 9 8 0t o1 1 5 4 k ti n1 9 9 0a n d1 7 3 7 k ti n2 0 0 1 1 r h e c o n t r i b u t i o no fa n i m a lh u s b a n d r ys y s t e mw a st h el a r g e s ta m o n g3s y s t e m sa n dt h er a t i oo f pf r o ma n i m a lh u s b a n d r ys y s t e mi n1 9 8 0 , 1 9 9 0a n d2 0 0 1w e r e6 2 5 ，7 1 8 a n d6 9 7 ， r e s p e c t i v e l y t h er a t i oo fpf r o mh o u s e h o l d ss y s t e mw a s i n c r e a s e df r o m6 1 i n1 9 8 0t o 1 1 o i n2 0 0 1 k e yw o r d s ：a g r i c u l t u r e ；a n i m a lh u s b a n d r y ；n u t r i t i o n ；e n v i r o n m e n t ；pc y c l i n g ；pb a l a n c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得塑韭壅些左堂或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我同：e 作的同志对本研究所锻的任何贡献均己在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：讶缓看 签字目期：) o v t - 年g 月7 , 3f ：j 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解趣j e 盔些盔堂有关保留及使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门( 机构) 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查( 借) 阅。 本人授权迎韭奎些太堂可以将论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等方法加以保存或编成学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 学位论文作者签名：许 _ 蛩鼋 导师签名： 签字目期： 伽 年月哆日 签字日期： 渺r 年月哆同 中国“食物嘈养环境”体系磷素循环与平衡 1 1 研究背景 1 引言 农业是国民经济的基础。人类的生存和生活质量依赖于农业的持续发展，人们为了生产更 多的农产品以满足人类和畜禽需求而投入大量化肥。自改革开放以来，我国化肥施用量明显增 加，从1 9 8 0 年至2 0 0 1 年的近2 1 年期间，我国化肥施用量由1 2 6 9 4 万t 增至4 2 5 3 8 万t ， 年平均增加量为1 4 2 1 万t 。氮肥由9 3 4 2 万t 增至2 1 6 4 。l 万t ，年平均增加量为5 8 6 万 t ；磷肥由2 7 3 3 万t 增至7 0 5 7 万t ，年平均增加量为2 06 万t ；钾肥由3 46 万t 增至 3 9 9 6 万t ，年平均增加量为1 7 4 万t 。化肥的施用使粮食产量增加，因为我国耕地后备资源 十分有限，要在有限的耕地上实现2 1 世纪1 6 亿人口的粮食安全目标，增加化肥投入以维持粮 食高产是必不可少的。然而随着化肥投入量的增加养分损失程度加利，越来越多的氮和磷进 入环境。黄河流域每年流经- - f l 峡的泥沙量约1 6 1 0 5 万t ，其中含全氮、全磷总量为4 16 2 1 万t “；9 0 年代该流域部分农田径流氮量为1 5 - 4 5k g h m 7 ，而8 0 年代初期只有2 0 - 4 5 k g h m 2 “。 由化肥旌用量增加所导致的环境污染问题已引起，“泛的关注。但是农田对环境的影响究竟有多 火，从农田进入环境的氮磷占总氮磷量的比例又有多大，这个问题目前还没有确切的数据来源。 有资料表明，农田生产对环境的影响并不是主要的污染源，一些农学者甚至认为不应过高估计 施用化肥对生态所造成的负面影响”1 。 畜牧生产系统本身是一个自然、经济和社会子系统的有机复合体”1 ，它从农田获得生产资 料然后将其源源不断的转化为动物产品提供给人类消费。但是畜禽在向社会提供肉、蛋、奶 产品的同时，也向环境摊放粪便、污水等，近些年来，我国畜牧业发展迅速，不论从养殖数量 还是集约化程度来说，都有很大发展。随着集约化程度的加剧，养殖场资金和技术原因，对粪 尿处理力度明显不够，经无害化处理的粪污比例很小，不到3 ”1 ，就连粪污处理力较大的北京 和上海，其处理量也只占摊放总量的5 左右”1 。有资料显示，畜禽生产系统不仅存在环境污染 问题，同时还有资源浪费问题。一些饲养者为了取得较大的经济利益，使畜禽在短期内出栏育 肥而喂以多于畜禽需要的饲料，因此畜禽食入的饲料很大一部分不能被机体吸收而排放到体外， 不仅造成饲料的浪费而且还对环境造成潜在的污染危险。因此畜牧生产系统从农田获得多少 饲料才能满足霈要以及对环境造成多大影响，这些问题的解决要求把农田、畜牧、环境连接起 来作为一个整体来看待。 无论植物生产还是动物生产都有一个共同的目的满足人类物质生活需要以使人类不断 向前发展。生产的物质包括养分登然从植物生产体系和动物生产体系向家庭生产体系迁移。人 类消费是整个体系物质流动的驱动力，因此消费结构决定着植物生产和动物生产系统的发展方 向。目前，一些学者己经开始关注不同的饮食方式和饮食习惯向环境排放的废弃物数量和类别 有所不同。植物食品和动物食品经人体消化后，存留在人体中的氨磷养分数量有所差别，假设 1 0 0 个进入肥科的氮，经过生产、加工过程后以植物蛋白形式进入人体的氮有1 4 个，而如果经 过饲料转化为动物蛋白再进入人体，最后只有4 个氮。由此可见，不同的食物形式在被人体 凋北农业大学硕士学位论文 消化过程中向环境排放的废弃物数量不同。食物消费结构调整作为一项基本国策不但要保证人 体营养均衡需要，还应考虑由此带来的环境问题。随着经济的发展，城市入口越来越多，城市 化率不断提高，但是城镇居民的排泄物不能回田再利用大部分不经任何无害化处理直接排放 到水体中，造成环境污染。 我们正在致力于建设小康社会。但目前却面临粮食产量增加与化肥流失之问的矛盾，人类 对畜禽产品的需求量增加与畜禽污染之间的矛盾，城市化发展与城市化对生态环境的负面影响 之间的矛盾等，这些问题的解决需要把食物、人体营养需求以及环境承载量作为一个循环体来 研究，而且以养分在每个系统的循环流动作为指示物进行优化。西方国家的研究和经验已经证 明，食物结构和饮食习惯对上述循环体有重要影响。我国经济发展迅速，人们生活水平提高， 生活方式改变，必然导致循环体中每个系统养分通量的变化，同时影响环境和可持续发展。为 解决这一系列问题，避免物理环境和景观遭到损害，必须加强在全国范围内对养分从土壤到植 物到动物，再到人体，然后再回到土壤的运动进行定量研究。 1 2 国内外研究进展 养分循环是生态系统最基本的功能之一。上个世纪初，人们就从植物生理的角度开始了营 养物质循环、平衡的研究”1 。专家学者把这种微观的莽分循环与平衡思想逐渐渗入到农田、畜 牧、营养这些大的系统中来，研究养分在这些系统之间的流动与循环。 国外些发达国家由于较早实现完全工业化，对系统养分循环与平衡状况的研究起步也较 旱。很多研究者以农场为例研究农业生态系统，划分为农田生态系统和畜牧生产系统。w i t h e r s 对三个奶牛农场进行对比试验，通过饲料和化肥输入量的不同，研究磷在两个子系统的循环和 转化，以其减少输入和输出之间的盈余量，在保证不损害经济利益的前提下。即节省资金投入， 又减少对环境的潜在危险”1 。非洲国家很注重畜牧生产系统养分平衡模式的研究。m o h a m e d s a l e e m 把非洲畜牧生产系统分为几大类：分别是放牧系统，农业放牧系统，混合农场系统，商 品畜牧系统。不同的系统模式，养分流动方式不同。放牧系统的养分流动链很简单，养分只在 植物、动物和土壤系统之间流动( 图1 - 1 ) 。而混合农场系统，养分链条比较复杂( 图卜2 ) 。m o h a m e d s a l e e m 还提出了提高养分平衡的相关策略”。一些畜牧业发达的国家如荷兰，对畜牧业磷素管 理的研究比较早。从1 9 8 7 年开始，荷兰政府就采取降低有机肥施用量的措施来减少农场对环境 的污染。1 9 9 8 - 2 0 0 8 年，考虑农业生产需求和环境需要，规定磷的最大允许盈余最为9 k g ( h m 2 y r ) i l o 德国教授i s e r m a n n 在过去4 0 年里研究发现：德国和欧盟国家在农业、人类 营养、固体废弃物方面越来越不能保持持续发展。食物和饲料中的脂肪、蛋白质比人体基本营 养需求要高出5 0 。德国在1 9 9 1 9 2 年，农业生态系统氮输入量为1 9 1 k g h m 2 ，收获的净植物生 物量为4 5 k g h r a 2 ，仅利用了2 5 。没有被利用的氮以活性氮和其它养分复合体形式进入水体和 大气，其数量增加了2 - 8 倍。i s e r m a l l n 还指出：由于养分不能广泛循环，德国和欧盟国家废物 废水处理系统释放的氮和磷比日常需要量高，因而对环境造成了危害”“。 2 中国“食物营养环境”体系磷素循环与平衡 围卜1 放牧系统“” f i g1 - 1g r a z i n gs y s t e m 图卜2 涅台农场系统“ f i g1 - 2m i x e df a r m i n gs y s t e m 我国对养分循环与平衡的研究，自踟年代以来比较广泛，尤其重视农业生态系统的研究。 很多省市县都做过所在地区农田生态系统养分平衡状况的研究，得出了近些年来养分收支情况 ”“”。鲁如坤等对我国典型地区农业生态系统进行调查和研究，提出了氨、磷、钾养分收入支 出参数“”，并且还对我国4 0 多年来农田养分平衡状况做了详细研究。我国农田养分平衡历 史大概分为三个阶段：六十年代以前为第一阶段，氮、磷、钾三大养分全面出现赤字：七十年 3 河北农业大学硕士学位论文 代中期为第二阶段。氮、磷养分由全面呈现赤字转向基本平衡钾仍呈现亏缺：七十年代中期 至今为第三阶段，氮磷有盈余，钾继续亏缺”。何电源把养分循环的思想渗入至b 农牧结合系统。 研究了氮在土壤一作物一家畜系统中的循环，为研究养分在各系统之间的循环流动提供了可行 性基础。 目前，我国农田、畜牧、营养、环境系统间养分循环流动的研究还很少，但是这项工作却 至关重要。因为在综合体系中，以家庭系统( 人类营养) 为中心，它决定着植物生产系统和动 物生产系统的发展方向，通过调整和均衡人体营养需要。可以宏观调控植物和动物生产系统的 生产规模，以达到既不浪费资源也不会对环境产生污染，实现景观和生态环境的双赢。而且对 综合系统养分流动和循环的研究可以为养分综合管理提供数量基础。 1 3 研究目的、意义 磷不但是动植物和人类韵必需营养元素，也是重要的环境污染因子，其在“农田一畜牧一 营养一环境”体系中的循环与平衡直接关系到一个国家或区域社会的可持续发展。为此，本研 究将在建立我国“农田一畜牧一营养一环境”体系磷素循环与平衡模型的基础上，研究1 9 8 0 年、1 9 9 0 年和2 0 0 1 年该体系磷素循环与平衡因为从1 9 7 9 年我国开始实行改革开放以来至今 2 0 多年来，经济快速发展，人民生活水平不断提高与此同时环境污染问题越来越严重，我国 江河湖泊等水体不断出现富营养化等现象，为此。本文以1 9 8 0 年为起始年，研究综合体系磷索 流动规律以及各亚系统对环境磷负载的贡献，与2 0 0 1 年磷索流动规律以及箨亚系统对环境磷负 载的贡献进行比较旨在揭示2 0 多年磷素流动的变化，从而为我国磷素综合管理提供依据以 保持资源、环境以及人民生活的可持续发展， 1 4 研究思路 研究技术路线如下图。 4 中国“食物营养环境”体系磷素循环与平衡 具体内容包括以下几个方面： ( 1 ) 构建我国“农田一畜牧一营养一环境”体系磷素循环与平衡的理论框架 ( 2 ) 确定我国营养体系磷素循环与平衡模型输入输出参数 ( 3 ) 收集1 9 8 0 年、1 9 9 0 年、2 0 0 1 年数据，计算我国“农田一畜牧一营养一环境”体系磷素循环 与平衡并进行评价。 5 塑! ! 奎些查堂堡主兰垡笙苎 2 1 模型分析 2 研究方法 本研究参考德国教授 s e r n n a n n 氮素循环与平衡模型，并结合我国实际情况，把我国“农 田一畜牧一营养一环境”体系分为七个子系统，分别是植物生产、动物生产、饲料加工、食品 加工、家庭消费、废水处理、固体废弃物处理系统。磷素在这七个子系统的流动循环情况如图 2 一l ： 固2 1 鞋国4 农田一畜牧一营养一环境”体系磷素话环与平衡模型框架 f i g2 - 1p c y c l i n ga n db a l a n c tm o d e li nt h es y s t e mo f “a g r i c u l t u r e - a n i m a l h u s b a n d r y n m f i t i o n - e n v i r o n m e n t ” 在家庭消费这一子系统中，农村和城镇消费结构和饮食习惯不同，而且对市政废水的处理 方式也不同，因而把农村和城镇划分开来分别计算。还需要指出的是饲料加工系统和食品加工 系统，在本研究中，饲料加工和食品加工都只是初加工，并对其做了假设处理，假定磷素在这 两个系统中有多少输入，就有多少磷量输出，即饲料和食品在加工过程中没有损失。 本研究参考农场门模型，亦称黑箱模型”“。各子系统中所有的磷素输入和输出都通过“黑 箱”这个假定的输入输出端口进行养分流动。所有进入黑箱的养分称为输入项，从黑箱流出的 6 中国“食物一营养环境”体系磷素循环与平衡 养分称为养分输出项。 2 2 各子系统的养分流动模式 2 2 。1 植物生产系统 通过分析植物生产过程磷素流动的特点，确定其输入项主要包括：化肥、有机肥、干湿沉 降和种子带入；输出项主要包括收获的植物生物量，农田向水体的输出。根据植物生物量磷素 的去向，又分为绿色饲料，籽粒饲料，食物以及工业利用。农田向水体的磷素输入有两种方式： 侵蚀和淋溶。磷素流动模式如图2 - 2 。 植 物 生 产 系 统 2 2 2 动物生产系统 生物量 农田向水体的输出 绿色饲料 籽粒饲料 食物 图2 _ 2 植物生产系统磷熹流动模式图 f i g 2 - 2pf l o wi na g r i c u l t u r a ls y s t e m 径流 1 淋溶 分析动物生产过程磷素流动特点，并参考i s e r m a n n 教授的氮素循环模型，确定动物生产系 统的磷素输入项包括：绿色饲料、植物性饲料、动物性饲料；磷素输出项包括动物活体、动物 产品( 蛋奶等) 以及粪尿污水。在我国，畜禽养殖的粪污不能完全无害化处理，有一部分被排 放到环境中，而有一部分回田利用。该系统磷素流动关系如图2 - 3 。 绿色饲料 植物性饲料 动物性饲料 动 物 生 产 系 统 动 l 动物产品 蛋奶) 粪尿污水 图2 - 3 动物生产系统磷素流动模式图 f i g2 - 3pf l o wi na n i m a lh u s b a n d r ys y s l c m 肉 骨 其它 回母利用 捧放到环境 7 河北农业大学硕士学位论文 2 2 3 饲料加工系统和食品加工系统 如前述，饲料加工和食品加工都只是初加工，磷素输入和输出没有变化。磷素流动模式关 系如下图。 用作饲料的籽粒 屠宰副产物 饲 料 加 工 系 统 植物性饲料 用作食品的籽粒 动物性饲料 动物活体 图2 - 4 饲料加工系统磷素平衡 f i g2 - 4pb a l a n c ei n 忙c di n d u s t r ys y s t e m 2 2 4 家庭系统 食 品 加 工 系 统 植物性食品+ 副产物 动物性食品+ 副产物 图2 5 食品加工系统磷素平衡 f i 叠2 - 5p b a l a n c ei nf o o di n d u s t r ys y s t e m 在我国，农村家庭和城镇家庭的消费结构和饮食习惯不同，而且对垃圾和市政废水的处理 方式也不同，因而分开计算。磷素流动模式如下图。 植物性食品 动物性食品 外出就餐 农 檠 橐 统 植物性食品 粪尿肥动物性食品 图2 - 6 农村家庭磷素平衡 f i g2 - 6pb a l a n c ei nr u r a lh o u s e h o l d ss y s t e m 2 2 5 污水处理系统和固体废弃物处理系统 外出就餐 城 镇 家 庭 系 统 7 卜 市政废水_ 一 l l 污水处 理厂 排入水体 生活垃圾固体废弃物 处理系统 图2 - 7 城镇家庭磷素平衡 f i 9 2 - 7p b a l a n c e i zu i b a nh o u s e h a l d ss y s l e m 根据污水实际处理过程中磷素的来源和去向，并参考i s e r m a n n 教授氮索循环模型，确定污 水处理系统磷素输入项为市政废水；输出项包括：处理过的水、污泥。本研究中的固体废弃物 主要是指生活垃圾，通过分析生活垃圾中的磷素在其处理过程中的去向，确定磷素输出项主要 包括：用于填埋的垃圾，用于高温堆肥以及焚烧的垃圾。磷素流动模式如下图。 8 中国“食物营养环境”体系磷素循环与平衡 市政废水 污 水 处 理 处理过的水 污泥 臣2 r 8 污水处理系统磷素平衡 f i g 2 - 8pb a l a n c ei nw a s | ew a t e rs y s t e m 2 3 数据的获取和处理 生活垃圾 周 体 废 弃 物 处 理 填埋 高温堆肥 圈2 - 9 固体废弃物处理系统磷素平衡 f i g 2 - 9p b a l a n c ei ng a r b a g ed i s p o s a ls y s t e m 本研究主要通过文献研究来获取和确定计算参数，通过统计资料获取1 9 8 0 年、1 9 9 0 年和 2 0 0 1 年作物生产、动物生产、人口、食物消费量等数据。具体参数确定方法见结果与分析部分。 9 河北农业大学硕士学位论文 3 1 参数的确定 3 结果与分析 3 1 1 植物生产系统磷素输入参数 3 1 1 ，i 干湿沉降和灌溉水 磷很容易被土壤吸持，因此土壤或施入土壤中的磷几乎不会进入大气。大气中的磷来源主 要是化肥工业生产中磷矿石的燃烧，而大部分会随干湿沉降返回陆地表面。干沉降中的磷含量 一般很低。降雨输入到农田系统中的磷量变幅很大，变动在0 0 2 0 6 4 k g h m 2 “”“，部分地区 甚至未检测出( 痕量) 雨水中含有磷素“”。尽管如此，降水还是向农业系统输入一部分磷素。 降水量的多少和雨水磷含量影响磷的输入量。鲁如坤根据典型生态站的测试结果，建议松嫩平 原和华北平原雨水带入的磷量参数分别为0 6 k g h m 2 和0 0 3 k g h m “”1 ，两者相差2 0 倍之遥，但 绝对数量却相差无几。参考以上文献以及张瑞清硕士论文”“，干湿沉降磷含量采用 0 2 5 k g ( h m 2 年) 。 灌溉水中的磷素含量比较低，但南方稻田灌水次数多，灌水量大，通过灌溉水输入到农田 中磷量也应该多一些。张水铭对苏南太湖地区灌溉用水中磷的浓度测定表明，该区灌溉水输入 到农田中的磷量1 9 8 7 年为0 1 5 6 0 9 1 9k g ( h 舻年) ，平均为0 5 1 1k g ( h m 2 年) ，1 9 9 8 年 0 2 2 3 1 ，3 7 8k g ( h m 2 年) ，平均为0 7 9 5k g ( h m 2 年) ”1 ：董元华观测太湖地区灌溉水带入 农田的磷量在0 5 4 - 0 7 6k g ( h m 2 年) “。如此看来，太湖地区灌溉水带入的磷量平均在0 5 k g ( h m ? 年) 左右。而我国北方旱作地区由于灌水量少，一般只实行冬春季小麦灌溉，因而灌 溉水带入的磷量很少。鲁如坤测定我国北方几个生态站区水田灌溉输入的磷量只有 0 0 1 5 0 3 0 k g ( h m 2 年) “；甘肃黄土高原干旱区灌溉水输入的磷素只有0 0 7 1k g ( h 群年) ( 2 7 1 o 黑龙江海伦地区雪水灌溉相对较高一些，为1 6 5k g ( h m 2 年) 。总起来说，北方灌溉输入的 磷平均为0 1 k g ( h m 2 - 年) 。综合来看，全国灌溉输入的磷量平均为0 2 3k g ( 1 1 i l l 2 年) 。但是 我国有近一半的耕地没有灌溉条件，根据以上资料分析，本研究采用了0 1 2k g ( h m 2 年) 的 磷量计算。 降水和灌溉水带入的磷量可以根据我国耕地面积和其相应磷含量来计算。耕地面积来自中 国统计年鉴1 。 3 1 1 2 化肥投入 近年来，化肥投入数量呈逐年增加趋势。不仅农作物上施肥数量增加，而且林木、蔬菜施 肥以及化肥养鱼迅速发展。据统计，林木和水产业使用磷肥占磷肥使用总量的比例为7 4 ” 即农田生态系统施用磷肥占磷肥旌用总量的9 26 。 31 1 3 有机肥投入 ( 1 ) 粪尿肥 中国“食物营养一环境”体系磷素循环与平衡 德国近代农业化学家李比希在评价1 9 世纪以前的中国农业时说：“中国农民对农业具有独 特的经营方法，以使土地长远保持肥力，并不断提高土地生产力，以无与伦比的农业耕作方法， 满足了人口增长的需要。”地靠粪养，苗靠粪长”，我国农业文明五千年繁衍不衰的基础就是我 国丰富的有机肥资源。然而。近些年来有机肥料在全部肥料投入中所占比例有减少的趋势。首 先，随着我国城市人口不断增加，大量农村人口涌向城市，越来越多的城市粪尿或是进入污水 处理系统或是不经处理直接捧入水体，造成粪尿资源的大量浪费；其次农民越来越多以化肥提 高粮食产量，而不愿花费时间和体力收集施用农家粪尿肥。因而有机肥回田的比例不高”，各 种畜禽粪尿回田比例见表3 1 。 表3 1 畜禽粪尿回田t t 例 1 a b l c3 1r a r i oo f e x c r e t i o ni n l of i e i d 粪屎种类回田比例， 猪粪屎 奶牛粪尿 黄牛和水牛粪尿 羊粪尿 马驴骡粪 家禽粪 6 5 4 0 7 0 4 0 4 4 5 5 近些年来，随着经济的快速发展，人民生活水平的提高，对动物产品的需求量呈现逐年递 增的趋势，一些规模养殖场纷纷建立。但是由于养殖场经济条件和环境处理设备的限制，致使 粪尿回收率很低，一般达不到5 0 。不同的养殖规模，粪尿收集率有所不同，根据专家建议。 现确定不同规模养殖场粪尿回田比例( 袭3 2 ) 。 囊3 2 不同养殖规横畜禽养殖场粪屎画田比倒 1 砧l e3 2r a r i oo f e x c r e t i o ni n mf i e l di nd i f f e r c n tb r e e d i n gs t y l e 粪尿种类 不嗣养殖规摸畜禽养殖场粪尿回田地倒 农户饲养小型养殖场大中型养殖场 人粪尿回田量的计算以我国农村人口为基础，而我国农村人的生活习惯是将粪尿收集作为 肥料回田，不考虑粪尿收集储存过程中的损失，本研究按人粪尿回田率为1 0 0 计算。 河北农业大学硕士学位论文 粪尿中磷含量因粪尿种类不同而不同，而且不同畜禽在饲养期内的粪尿排泄量也不同( 表 3 3 ) 。 表3 - 3 人、畜、禽排泄量以及粪尿磷含量 t 抽i e3 - 3p n l c n ti ne x c r e t i o no fh u m 蜘，a 丑i m a la n dp o u l t r y 数据米张： a ：中国有机肥料葬分志m b ：朱善元工涛，1 9 9 7 “” c ：李宝林王凯军，1 9 9 7 嘲 粪尿肥中磷量的计算可以根据动物出栏数或存栏数以及粪尿磷含量来计算。畜禽出栏数和 存栏数来自中国备牧业年鉴”“。 ( 2 ) 秸秆肥 我国作物种类广泛，许多农作物的总产已居世界前列，因此各种秸秆资源来源广泛，数量 巨大，是一项宝贵的农业资源，利用是否合理直接关系到中国农业的可持续发展。研究表明。 中国化肥用量虽然很大，但仍显不足”1 ，因此，用好秸秆资源，提高秸秆养分的还田率，对 于减少中国化肥需求、缓解化肥数量不足具有重要意义。高祥照等研究表明，我国秸秆资源还 田率平均为3 6 ，6 ，作为饲料的比例为2 2 6 ，而作为燃料和弃置乱堆的比例很高平均为 4 0 8 ”。不同作物的秸秆其利用方式不同，小麦，水稻秸秆还田率较高，都在4 0 以上，而杂 粮和花生秸秆作饲料的比例较高，在4 0 以上。下表是各种作物秸秆的还田率和秸秆籽粒比( 表 3 - 4 ) 。1 9 8 0 年和1 9 9 0 年，我国秸秆还田率比较低，认为1 9 8 0 年作物秸秆还田率为l o ，绿肥 还田率为5 0 ；1 9 9 0 年作物秸秆还田率为2 0 ，绿肥还珊率为6 0 。 1 2 中国“食物营养一环境”体系磷素循环与平衡 表3 - 4 作物秸秆还田率以及秸秆籽粒比 t a b l e3 - 4r a t i oo f s t r a wc n t e r i a gi m of i e l da n ds l r a w s c c d 数据来源： a ：还田芈：高祥照，2 0 0 2 ：邢光熹。1 9 0 0 b 中馐有机肥料黄源 由于秸秆养份含量是在烘干基基础上测定的，因此在计算秸秆磷量时进行了折算。假设收 获秸秆有效水分含量平均为1 5 则秸秆磷量= 秸秆产量秸秆磷含量( 烘干基) 8 5 。 ( 3 ) 饼肥 我国饼肥资源以菜籽饼和棉籽饼为主，还田率为9 0 。，大豆饼粕除大部分用作饲料外， 也有一部分作为肥料还田，约6 左右。榨油作物的出饼率及饼肥的磷含量见表3 - 5 。 1 3 河北农业大学硕士学位论文 表3 - 5 榨油作物出饼率以及饼肥磷含量 t a b l e 3 - 5s q u 。c z er a t e o f o i l p l a n ta n dp c o n t e n t i ns e e dc a k e s 数据来源 出饼率a ；农业经济手册，1 9 8 6 m 1 b ；张子仪2 0 0 0 1 饼肥磷含量：c ：张子仪2 0 0 0 “” d ：郝正里，2 0 0 4 “ e ：中固有机肥料养分志，t 9 9 9 注释：出饼率采用a 。铸柏磷含量采甩带+ ( 4 ) 草灰肥 草灰肥计算标准：根据中国作物秸秆利用情况。按出灰率以7 计算农作物草灰总量，草灰 的收集利用率按6 0 计，草灰磷含量参见中国有机肥料养分志1 。 表3 - 6 草灰磷含量 t a b l e3 - 6pc = 0 n t e n ti np l a n ta s h 数据来潭：a ；中固有机肥料养丹志1 9 9 9 伽 b ：胡霭堂 3 ，1 1 4 污水污泥 污泥是污水处理厂的副产物。对于污泥的处理历来是一个严峻的问题。七十年代以前，污