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《河北农业大学》 2019年
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河北农牧系统氮素流动特征及其优化途径研究

佟丙辛  
【摘要】:近年来,随着我国经济发展、城镇化加快、人口增长和生活水平提高,我国畜牧业也快速转型,在向集约化和规模化养殖发展的同时,也带来了农牧系统氮素利用效率低以及氨挥发、水体富营养化、温室气体排放等一系列环境污染风险,严重制约了农牧系统的可持续发展,亟需在阐明农牧系统氮素流动规律基础上,探索农牧系统高产高效环保的氮素优化管理途径。为此,本研究以河北省农牧系统为例,沿着“饲料投入-奶牛生产-粪尿处理-农田施用”全链条,从奶牛场、农田和区域等多尺度系统研究氮素流动特征及其调控策略。在奶牛场尺度,通过实地跟踪监测和饲喂试验,探讨奶牛养殖场环节氮素利用和去向与养殖规模和日粮氮水平的关系;通过堆肥试验,研究不同堆肥模式下粪尿处理环节碳氮转化和去向特点;通过2年田间试验,探讨有机肥替代部分化肥后的农田系统氮素流动特征;在区域尺度,运用NUFER模型定量分析河北省1980-2015年农牧系统氮素流动的时空变化特征,并通过情景分析,探讨河北省农牧系统全链条氮素优化途径,以期为我国农牧系统的氮素高效利用和可持续发展提供借鉴。主要结果如下:(1)奶牛场尺度氮素利用和输出与养殖规模和泌乳牛日粮蛋白水平密切相关。将奶牛养殖场分成≤100、101-300、301-500和500头4种规模,跟踪监测结果表明,与小于100头养殖规模的奶牛场相比,在氮素平均投入量差异不大的情况下,三种大于100头奶牛场在奶牛场尺度和泌乳牛尺度均具有较高的平均产奶量、牛奶氮素输出量和平均氮素利用效率,而三种大规模奶牛养殖场之间各项均无显著性差异。奶牛场尺度标准牛(600 kg)氮素平衡方面,小于100头养殖规模奶牛场的牛奶氮素输出量显著低于其他三种类型养殖场、粪尿氮素输出(94.0 kg/head/year)和氨挥发氮素损失(26.2 kg/head/year)显著高于其他三种养殖规模的奶牛场,所有类型养殖规模奶牛场之间的氧化亚氮氮素排放和水体氮素损失无显著差异。不同日粮氮水平试验结果表明,与高日粮蛋白水平(17.2%)相比,低日粮蛋白水平(15.0%)泌乳牛产奶量和奶氮输出量无差异,但是能够显著提高氮素利用效率(提高13.4%),显著降低牛奶尿素氮含量,对粪氮含量和粪氮输出量无影响,能够显著降低尿氮含量和尿氮输出量。(2)奶牛场粪尿处理环节的氮素转化和去向因堆肥方式的不同而不同。4种堆肥方式试验结果表明,与静态处理相比,翻堆、强制通风和强制通风+酸化能够显著增加堆肥产物的全氮含量、氨挥发速率,能够显著降低堆肥产物的铵态氮含量、氧化亚氮排放速率;与静态处理相比,翻堆和强制通风处理堆肥产物的硝态氮含量显著降低,强制通风+酸化处理的硝态氮含量基本与静态处理持平(0.170 g/kg)。翻堆和强制通风加快了堆肥进程,提高了堆肥效率,缩短了基于植物生理毒性的无害化时间(缩短60.0%以上),同时也增加了碳和氮的损失。除静态处理外,翻堆、强制通风和强制通风+酸化处理均达到完全腐熟状态。采用强制通风与酸化结合的堆肥方法,其堆肥质量最佳(全氮含量19.7g/kg),GHG值最低(52.8 kg CO_2-eq/t)。综合考虑环境影响、农艺价值、植物毒性和效率指标,强制通风结合酸化的堆肥方法是粪尿处理环节最适合的生产方式。(3)有机肥氮素替代无机肥氮素改变了小麦-玉米轮作体系氮素利用和平衡状况。2年定位试验结果表明,随着有机肥氮施用比例的不断增加,作物地上部吸氮量、氮肥利用效率和土壤Nmin逐渐降低,氨挥发带来的氮素损失显著减少,氮盈余量逐渐增加。与其他处理相比,无机0.75处理(有机肥氮替代化肥氮25%)能够使农田系统的氮素利用更加高效,小麦和玉米的产量、地上部作物吸氮量和氮素利用效率均有不同程度的提高,其中小麦与玉米的平均产量和平均效率分别提高4.6%和5.1%。有机肥替代比例大于25%的各个有机无机配施处理与无机处理相比,作物产量和氮素利用效率均有不同程度的降低。(4)1980年至2015年,河北省农牧系统的氮素输入量、环境氮素损失量(占总氮素输入量的44.9%)显著增加,但是农牧系统的氮素利用效率偏低(31.3%)。2015年河北省农田体系具有氮素投入量大(185.7万吨)、化肥氮素投入占比高(70.0%)、氮素利用效率低、区域之间差异大和环境风险高等特征。2015年河北省畜牧系统的饲料氮素主要来自外省饲料的购入(75.0%),同时各个区域之间的单位面积畜牧业氮素输入输出量差异显著。(5)农牧系统全链条氮素优化管理具有巨大潜力。不同氮素优化管理策略情景分析结果表明,农牧系统全链条的氮素流动在优化管理的条件下呈现出低投入、高效率和低环境风险的良好效果。其中优化堆肥方式和适当比例的有机肥替代化肥还田是影响区域氮素流动的关键环节。以2015年为基准,在全链条的氮素优化条件下,河北省农牧系统的氮素利用效率、主产品氮素输出量均能显著提高,系统氮素投入量总体降低14.8%,水体和大气总氮素损失显著降低31.7%。总之,农牧系统存在严重的分离现象,通过适当扩大养殖规模、降低日粮蛋白水平、优化粪尿处理方式和有机肥部分替代化肥等途径,可以有效的改变系统内部氮素的流动、利用和去向,提高氮养分效率和减少环境排放。通过农牧系统全链条的系统分析,可以更加明确不同环节、不同尺度的氮素优化管理策略的潜力,为实现农牧结合提供方法论依据。
【学位授予单位】:河北农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:S141.4

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