【摘要】： 過去幾十年以來,中國人口不斷增長,國民生活水平不斷提高,為了滿足日益增長的食品需求,生產(chǎn)更多的農(nóng)畜產(chǎn)品,農(nóng)民施用了大量氮肥。過量的氮素將導(dǎo)致一系列嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題。然而當(dāng)前,對于食物氮素需求、氮素投入和環(huán)境排放的定量化研究、對于氮素在食物鏈系統(tǒng)的流動規(guī)律研究以及氮素在區(qū)域尺度上調(diào)控策略的研究仍然十分匱乏。因此本研究通過構(gòu)建模型進行定量分析,揭示氮素在食物鏈系統(tǒng)中的流動規(guī)律,闡明中國食物鏈氮素流動的現(xiàn)狀及其歷史變化趨勢,探究氮素流動引發(fā)的資源和環(huán)境代價,為實現(xiàn)氮素(或者養(yǎng)分)優(yōu)化管理和可持續(xù)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展策略提供科學(xué)依據(jù)。 本文主要研究結(jié)果如下： (1)首次實現(xiàn)在國家和區(qū)域尺度上,從食物鏈角度對氮素平衡、環(huán)境排放、利用效率及流動規(guī)律進行定量分析。NUFER模型是中國第一個能夠在國家和區(qū)域尺度上對氮素流動,氮素生產(chǎn)效率,NH3、N2、N2O揮發(fā),淋溶,徑流和侵蝕損失進行綜合評價的模型。該模型還可以根據(jù)不同的養(yǎng)分管理技術(shù)和政策法規(guī)對流動狀態(tài)的影響進行評估。 (2)2005年,中國食物鏈系統(tǒng)氮素總投入為48.8百萬噸,而食物氮素產(chǎn)出僅為4.4百萬噸,絕大部分氮素排放到環(huán)境中,其中23百萬噸進入大氣環(huán)境,20百萬噸排放到水體環(huán)境。2005年,中國食物鏈系統(tǒng)氮素利用效率(NUEf)僅為9%,這意味著,每生產(chǎn)1 kg食品氮需要投入外源氮11 kg。作物生產(chǎn)子系統(tǒng)和畜禽生產(chǎn)子系統(tǒng)氮素生產(chǎn)效率分別為26%和11%。 (3)2005年,黃淮海區(qū)化肥、飼料、植物食物和動物食物氮素盈缺率分別為33%、-120%、38%和65%。養(yǎng)分勢是區(qū)域食物鏈養(yǎng)分流動的原動力,此外,人口數(shù)、城鎮(zhèn)化率、耕地面積、GDP、運輸距離、運價、市場價格和政府調(diào)控等也是影響食物鏈氮素養(yǎng)分在區(qū)域間流動的重要因素。2005年,黃淮海區(qū)不僅是化肥、食物氮素的源,而且是飼料氮素的匯。北京地區(qū)無論化肥、飼料和食物氮素都為匯。北京地區(qū)單位耕地承載外地區(qū)調(diào)入的氮素養(yǎng)分負荷為872 kg hm-2。即使這些養(yǎng)分全部在本區(qū)域返還農(nóng)田還存在很大的環(huán)境風(fēng)險。因此,對環(huán)北京都市圈食物鏈氮素養(yǎng)分應(yīng)該進行區(qū)域間協(xié)同管理。 (4)2005年中國農(nóng)田和畜牧體系氮素排放量分別為216和111 kg N hm-2,通過水體排放、NH3、N2和N20損失分別為155、117、52和4 kg N hm-2。情景分析顯示通過供需平衡、畜禽糞尿管理和作物綜合管理可以提高氮素生產(chǎn)效率,減少環(huán)境排放,同時提高作物產(chǎn)量。 (5)隨著GDP增長,在食物消費拉動下,2005年人均化肥、飼料、食物氮素消費量分別為1980年的2.1、2.2和1.3倍,養(yǎng)活一個中國人的資源代價在增加。中國食物鏈氮素庫存量和流量大幅增長,1980年到2005年農(nóng)田氮素總流量從2104萬噸增加到4355萬噸,動物生產(chǎn)體系氮素流量從745萬噸提高到2255萬噸。家庭消費系統(tǒng)氮素流量從313萬噸增加到436萬噸。然而,2005年食物鏈氮素生產(chǎn)效率僅為9%,廢棄物循環(huán)率下降。與此同時,食物鏈氮素流動排放造成巨大環(huán)境壓力,2005年食物鏈系統(tǒng)進入環(huán)境氮素為4288萬噸,是1980年的2.4倍。 (6)氮素在食物鏈系統(tǒng)流動受到拉動力、控制力、約束力和推動力等力的合力影響,各種力從不同角度影響著氮素在食物鏈系統(tǒng)的流動,既包括自然因素又包括社會因素。通過線性規(guī)劃,定量各種力的作用下的不同發(fā)展情景。結(jié)果表明：在拉動力、約束力、控制力和推動力的合力的作用下(情景5),在人口數(shù)、膳食結(jié)構(gòu)、城鎮(zhèn)化率等因素的拉動下,食品氮素消費量將達到6.5百萬噸,比2005年增加48%。而約束力是不能支持大量的外源氮投入,環(huán)境承載力也是不允許的。因此,唯有在調(diào)控力和推動力的作用下,外源氮素投入僅增加12%,氮素環(huán)境排放量僅增加7%。于此同時,食物鏈系統(tǒng)氮素生產(chǎn)效率由9%增加到16%。
【學(xué)位授予單位】：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號】：S154;S181
【圖文】：

統(tǒng)位于金字塔底層，食物消費子系統(tǒng)位于金字塔頂層。模型的研究邊界定義為作物生產(chǎn)子系統(tǒng)(農(nóng)田和人工草原)，畜牧生產(chǎn)子系統(tǒng)(畜牧和人工水產(chǎn)品養(yǎng)殖)，食品加工和家庭消費子系統(tǒng)。天然草原和天然水產(chǎn)品作為系統(tǒng)的外源輸入(圖3一1)。研究對象為17種主要作物，n種主要畜禽和4種上壤類型，家庭消費子系統(tǒng)分為城鎮(zhèn)家庭和農(nóng)村家庭。

行情景分析�？梢詫崿F(xiàn)1980一2005年中國食物鏈氮素數(shù)量的查詢功能。計算系統(tǒng)可以實現(xiàn)國家尺度和區(qū)域尺度食物鏈氮素流動的自動計算功能。情景分析系統(tǒng)可以實現(xiàn)在參數(shù)變換的各個情景下食物鏈氮素流動狀況分析(圖3一4)。圖3一4中國食物鏈氮素流動模型系統(tǒng)主界面Fig3一 4themain初 ndowofnitrogenflowmodelinfoodehaininChina本系統(tǒng)按照功能模塊劃分成為3個子系統(tǒng):1、計算系統(tǒng)提供用戶計算氮素流動模型算法，用戶輸入?yún)?shù)即可實現(xiàn)國家尺度和區(qū)域尺度食物鏈氮素流動的自動計算功能;給用戶提供自定義數(shù)據(jù)庫，可以保存每次的計算結(jié)果2、查詢系統(tǒng)對用戶自定義的數(shù)據(jù)庫可以提供查詢;也可查詢1980一2005年中

2.1百萬噸食品加工副產(chǎn)物氮用于工業(yè)生產(chǎn)流出食物鏈系統(tǒng)，0.2百萬噸廚余垃圾氮廢棄堆置， 0.1百萬噸氮存儲于人體中，其余0.2百萬噸氮出口到其他國家(圖4一1)。輸出/損失圖4一 12005年中國食物氮素流動金字塔(單位:百萬噸)Fig4一 1.Thefoodchainwi山foureomPartinentsvisualizedasaPyramid，thefigureshowstheNflowsinthefood ehaininChinaatnationalIevelin2005.InPutsintothefoodchainareshownontheIeftside， outPuts(ineludinglossesto theenvironment)ontherightside.Numbersareinmillionton(Tg).Flowslessthan0.1Tgarenotshown.

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本文編號：2785814