全 文 ：中国生态农业学报 2016年 5月 第 24卷 第 5期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, May 2016, 24(5): 553562


* 山西省科技基础条件平台建设项目(2014091003-1010)、农业部公益性行业(农业)科研专项(201103003)、山西省青年科技研究基金
(2014021031-1)和山西省农业科学院科技攻关项目(YGG1507)资助
** 通讯作者: 张强, 研究方向为养分资源管理。E-mail: sxsnkytfs@163.com
张建杰, 研究方向为区域养分资源管理。E-mail: zhangjianjie@yeah.net
收稿日期: 20151201 接受日期: 20151231
* This study was supported by the Science and Technology Platform Construction Project of Shanxi Province (No. 2014091003-1010), the
Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest (No. 201103003), the Natural Science Foundation for Yong Scientists of
Shanxi Province (No. 2014021031-1), and the Program for Science and Technology Development of Shanxi Academy of Agricultural
Sciences (No. YGG1507).
** Corresponding author, E-mail: sxsnkytfs@163.com
Received Dec. 1, 2015; accepted Dec. 31, 2015
http://www.ecoagri.ac.cn
DOI: 10.13930/j.cnki.cjea.151278
山西省农牧生产体系磷流动空间变异特征*
张建杰1 郭彩霞1 张一弓2 张 强1**
(1. 山西省农业科学院农业环境与资源研究所 太原 030031; 2. 山西省农业科学院 太原 030031)
摘 要 为揭示山西省农牧生产体系磷流动空间分布特征, 进一步为养分资源综合管理提供科学建议, 本研
究使用食物链养分流动模型(NUFER)与 ArcGIS相结合, 以 2011年山西省 11个地市农牧生产体系为研究对象,
计算了农牧生产体系中的磷流动、损失及账户平衡, 并对各个生产体系的磷利用效率(PUE)、有机废弃物中磷
的循环利用效率、磷的损失途径等重要指标进行了综合评价, 描述了 2011年山西省各地市农牧生产体系与区域
尺度的磷流动变化特征。研究结果表明, 山西省各地市农牧体系磷的投入和损失差异较大, 农田生产体系投入范
围在 22.5~83.0 kg·hm2, 而整个农牧生产体系损失区间在 2.7~8.8 kg·hm2; 磷的投入和损失均总体呈现东南部
高、西北部低的空间分布格局; 各地市农田磷素均有盈余但程度不均, 为 9.4~48.4 kg·hm2。农田生产系统的
磷素利用效率 (PUEc)高于全国平均水平 ; 农牧生产体系的磷利用效率 (PUEc+a)较低 , 全省平均水平仅为
30.3%, 主要是由于农牧分离较为严重; 有机废弃物的循环利用效率较低(60%)。省域东南部存在潜在环境风险,
晋城、晋中等地市有大量的粪尿磷未得到回收利用, 可作为周边农业主产区的农田养分资源。因此通过提高
农牧生产体系的养分管理水平和区域间养分资源协同管理, 能够大幅提高磷的利用效率, 同时有效降低环境
风险, 实现山西农业可持续发展。
关键词 农牧生产体系 磷流动 磷利用效率 NUFER模型
中图分类号: S19; S158.5 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2016)05-0553-10
Spatial characteristics of phosphorus flow in crop-livestock production
systems in Shanxi, China*
ZHANG Jianjie1, GUO Caixia1, ZHANG Yigong2, ZHANG Qiang1**
(1. Institute of Agricultural Environment and Resources, Shanxi Academy of Agricultural Sciences, Taiyuan 030031, China;
2. Shanxi Academy of Agricultural Sciences, Taiyuan 030031, China)
Abstract A quantitative understanding of phosphorus (P) flow, loss and use efficiency is critical for improving the
productivity and sustainability of agriculture while minimizing environment impact. However, most studies have focused
primarily on either crop systems or livestock systems. Hence the analysis of P flow in integrated crop-livestock production
systems has been largely lacking and the spatial characteristics of P flow has not been entirely known. Here, we quantified P
flow, loss and use efficiency (PUE) in crop-livestock production systems in Shanxi Province, China, using the NUFER
(nutrient flows in food chain, environment and resources use) simulation model and ArcGIS. We collected the data from a
statistical database in 2011, consisting of 11 municipalities in Shanxi Province, to explore the spatial characteristics of P flow
in the crop-livestock systems and propose scientific regional nutrient management. Our results showed large variations in P
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input and loss under crop/livestock systems in different cities of Shanxi Province. P input under crop production system was
within 22.5–83.0 kghm2 and P loss under crop-livestock system was within 2.7–8.8 kghm2. Both P input and loss were
significantly higher in the southeast than in the northwest regions. For crop systems, surplus P was within 9.4–48.4 kghm2,
which largely varied with region. PUE under crop systems (PUEc) in Shanxi was 45.6%, significantly higher than the national
average (37.0%). Then PUE under livestock system (PUEa) was low (7.6%), mainly because of the large amount of draught
cattle in livestock systems (581×103 heads). As a result, PUE under crop-livestock systems (PUEc+a) was relatively low
(30.3%). This was mainly due to the separation between crop and livestock systems and the resulting low recycling rate of P
(< 60%) from animal excreta and crop residues to croplands. Spatially, the southeast region had the largest potential risks of
environmental pollution. Hence there was an urgent need to improve P management in crop-livestock production systems in
the province. Large amounts of animal manure were not recycled and reused in Jincheng and Jinzhong, which could be used as
nutrient input in croplands. In conclusion, PUE in crop-livestock systems in Shanxi Province was relatively low. This was in
part due to the separation and de-coupling of crop and livestock systems within regions. It also related to the specialization of
crop and livestock production in various regions, which resulted in large spatial variations. P loss under crop production
systems was large in the south than in the north. There was also a large room for animal manure recycling. Hence significant
improvements in P management were realizable via optimizing P flow between crop and livestock systems, and also via
improving P flow among regions. P management needed optimization in crop-livestock production systems and among regions
to significantly improve PUE at large scale and production system scale. This significantly reduced the risk of environmental
pollution and ensured sustainable development.
Keywords Crop-livestock production system; Phosphorus flow; Phosphorus use efficiency; NUFER model
磷是满足动植物和人类生长的必要营养元素 ,
与氮相比, 在生物圈磷是更为稀缺的元素[1]。据估计,
如果不施用磷肥, 粮食产量将难以满足 2050年全球
90 亿人口的需求[2]。中国是世界上最大的磷肥消费
国家 [3], 近些年随着磷在农田生态系统投入量的不
断增加, 已经引起了资源浪费、环境质量下降和影
响人体健康等一系列问题, 磷在土壤中的累积不断
增加[4], 并通过淋洗、径流和侵蚀等方式进入到水体,
造成江河湖泊的富营养化和生物多样性的丧失[5]。
同样中国是全球最大的畜禽养殖国家, 每年有大量
的畜禽粪尿产生 [6], 伴随着畜禽养殖集约化程度的
提高, 导致农牧分离, 大量畜禽粪尿资源不能及时
返回农田生产系统, 造成粪尿养分的流失和一系列
环境问题[7]。在国家层面上, 国务院制定了《畜禽规
模化养殖污染防治条例》[8], 以期对规模化养殖过程
中畜禽粪尿的环境排放进行规范和约束。因此, 揭
示区域尺度农牧生产系统中磷的空间流动规律, 分
析其存在的问题并提出对策, 对于实现区域养分资
源综合管理, 提高磷的利用效率, 保护环境具有现
实的科学指导意义。
已有学者借鉴物质流分析(material flow analysis,
MFA)的思想[9], 在国家尺度上研究了农田生产系统
的养分流动和利用效率[10], 畜牧业生产的磷的流动
和账户平衡 [11], 借助于模型和物质流分析的方法 ,
在区域尺度上研究了氮素在食物生产–消费系统的
流动[12]。Ma 等[13]在基于物质流分析的理念基础之
上 , 构建了食物链养分流动模型 (NUFER, nutrient
flows in food chains, environment and resources use),
这是中国第一个能在国家和区域尺度对氮、磷在“农
田畜牧食品加工家庭消费”环节的流动、利用效
率和损失途径进行定量描述的模型。此后, Hou等[14]
在国家尺度研究了中国食物链的氮、磷利用效率和
损失, 并分析了驱动因素; Bai等[15]研究了中国生猪
生产体系中的氮磷利用效率和损失情况, 并通过情
景分析对 2030年的氮磷养分管理提出了优化建议。
Ma 等[16]定量研究了北京在城镇人口急剧增长的背
景下, “食物生产消费”系统下氮磷流动的特征, 揭
示了存在的问题并提出了对策。然而, 对于省域尺
度农牧生产系统内部磷的流动变化特征的研究甚
少。为此, 本研究通过整理年鉴数据、挖掘文献资
料、实地调研和专家咨询等方式, 将 NUFER模型和
ArcGIS 结合使用, 系统、全面地研究山西省农牧生
产体系中磷流动的空间变化特征, 为今后实现养分
资源的宏观调控提供依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
山西省是内陆省份, 位于黄河中游东岸, 华北
平原西面的黄土高原上, 东经 110°14′~114°33′、北纬
34°34′~40°24′, 全省国土面积 15.6万 km2。地势东北
高西南低, 海拔从 180 m到 3 061.1 m。山西属温带
大陆性季风气候, 南北和垂直差异明显。气候特征
第 5期 张建杰等: 山西省农牧生产体系磷流动空间变异特征 555


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是冬季漫长, 寒冷干燥; 夏季南长北短, 雨水集中;
春季气候多变, 风沙较多; 秋季短暂, 天气温和。全
省日照充足, 昼夜温差较大; 热量资源较丰富; 灾
害性天气较多, 有“十年九旱”的说法。土壤类型以褐
土为主, 占全省面积的 49.8%, 另外还分布有栗褐
土、粗骨土、黄绵土和潮土等[17]。大同、忻定、太
原、临汾和运城盆地是山西省的主要农作区, 主要
粮食作物有玉米、小麦、高粱、谷子、豆类和薯类
作物; 经济作物有棉花、烟叶、甜菜、胡麻等。近
年来, 山西省政府高度重视畜牧业发展, 山西的畜
牧业正在由过去的“家庭养殖”向规模化、集约化模
式转变, 到 2014年山西畜牧产业规模化水平已经达
到 47%, 高于全国平均水平 11个百分点[18]。
1.2 NUFER模型及系统的界定
NUFER 模型是一个国家和区域尺度食物链系
统氮磷流动模型 , 可以定量分析“农田畜牧食品
加工家庭消费”系统氮磷流动、利用效率和损失途
径。本研究以山西省“农田畜牧”生产体系为研究边
界, 系统间磷素流动为研究对象(图 1), 研究单元为
山西省的 11个地市。

图 1 农牧生产体系磷流动模型框架
Fig. 1 Demonstration of P flow model in crop-livestock production system
左侧实线箭头为输入项目, 框内虚线箭头为系统内部循环项; 右侧实线箭头为输出项, 短划线箭头为环境损失项。On the left side,
solid line arrows represent phosphorus inputs. In the middle box, dotted line arrows represent phosphorus recycling inner the system. On the
right side, solid line arrows represent phosphorus products output, dash line arrows represent phosphorus losses.

1.3 模型算法
对于农牧生产体系的磷流动模型, 系统中磷的
投入有化肥和系统外动物饲料进口 2部分; 输出项包
括作物主产品(籽粒)和副产品(秸秆)等带走的磷, 动
物主产品(肉、蛋、奶)和副产品(动物活体)带走的磷;
磷的损失主要包括农田土壤的淋溶、地表的径流以及
土壤侵蚀, 以及来自动物粪尿的堆置损失等; 在系统
内部, 涉及到磷在农业生产子系统和动物生产子系
统相互之间的循环流动, 农田生产子系统的秸秆还
田, 作物产品作为动物饲料进入动物生产系统, 以及
动物粪尿作为养分资源进入农田生产系统, 见图 1。
1)农田生产系统磷流动计算方法
农田生产系统磷输入量=化学磷肥投入量+作物
秸秆还田量+畜禽粪尿还田量 (1)
其中:
作物秸秆还田量=作物秸秆收获磷量×秸秆还田
比例 (2)
畜禽粪尿还田量=畜禽养殖数量×单位动物畜禽
粪尿排磷量×粪尿还田比例 (3)
2)畜牧生产子系统磷流动计算方法
系统内饲料磷投入量=籽粒收获磷量×饲用比例+
秸秆收获磷量×饲用比例 (4)
系统外饲料磷投入量=动物子系统磷需求量(畜
牧主产品带走磷量+动物活体带走磷)本地饲料磷
投入量 (5)
3)磷利用效率的计算
农田系统磷利用效率(PUEc):
PUEc=作物主产品磷素量/农田子系统磷素总投
入×100% (6)
畜牧系统磷利用效率(PUEa):
PUEa=动物主产品磷素量/畜牧子系统磷素总投
入×100% (7)
农牧系统磷素综合利用效率(PUEc+a):
PUEc+a=(作物主产品磷素量+动物主产品磷素
量作物主产品进入动物生产系统的磷素量)/农牧系
统磷素总投入×100% (8)
1.4 数据来源
本研究所需基础数据包括 2011年山西省各地市
耕地数量、主要农作物播种面积及产量、畜牧业生
产情况等来源于山西省统计年鉴[19], 分地市肥料用
量来自 2011年山西省农业统计年鉴。计算过程中涉及
单位农产品(粮食籽粒、蔬菜和水果)含氮量, 主要农
作物的草谷比(表 1)来源于李书田等[20]的研究结果;
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表 1 不同作物的草谷比及收获物和秸秆的含磷量[20]
Table 1 Ratio of straw to grain and P contents in crop
products and straws
磷含量 P content (g·kg1) 作物
Crop
草/谷比
Straw/grain 籽粒 Grain 秸秆 Straw
玉米 Maize 1.2 4.3 1.3
小麦 Wheat 1.1 3.7 0.7
高粱 Sorghum 1.6 4.4 1.5
谷子 Millet 1.6 4.7 0.9
其他谷物
Other cereals
1.6 5.1 1.3
蔬菜 Vegetables 0 0.6 —
水果 Fruits 0 1.1 —
根据李书田等[20]的研究结果, 将 P2O5折算为 P; 结合山西省实
际情况, 水果含磷量为苹果、梨、葡萄和红枣的加权平均值, 蔬菜水
果的草/谷比根据山西的情况进行了调整。According to the finding of
Li et al.[20], the P2O5 content was converted into P content. Combined
with the actual situation in Shanxi Province, P content of fruits was the
average of the P contents of apple, pear and date. The ratio of straw to
grain of fruits and vegetables was adjusted according to the situation in
Shanxi Province.
不同动物排泄粪尿的含磷量见表 2; 动物活体各部
位的含磷量(表 3)参考 Ma 等[13]的研究结果; 秸秆利
用途径及还田比例等参数来源于文献[21]; 粮食饲用
比例和粪尿还田比例来源于实地调查和专家咨询。本
研究根据山西的实际情况对模型的部分参数和计算
过程进行了调整。
表 2 单位畜禽年排磷量[13]
Table 2 P excretion per animal per year of different animals
畜禽 Animal 排磷量 P excretion (kg·a1)
猪 Pig 1.69
奶牛 Dairy cattle 12.92
肉牛 Beef cattle 4.84
役用牛 Draught cattle 5.13
羊 Sheep and goats 1.03
肉禽 Meat poultry 0.02
蛋鸡 Laying hen 0.25
表 3 主要动物活体的产品含磷量[13]
Table 3 P content of production in animal body
动物活体质量划分
Partition of animal live weight (%)
含磷量
P content (g·kg1) 动物
Animal
鲜重
Fresh weight
(kg) 可食用部分
Edible part
骨头
Bone
其他部分
Other parts
可食用部分
Edible part
骨头
Bone
其他部分
Other parts
猪 Pig 90 50 13 37 1.8 33 0.7
奶牛 Dairy cattle — 100 — — 0.9 — —
肉牛 Beef cattle 477.3 45 20 35 1.7 42 0.1
羊 Sheep and goat 35 55 24 21 1.7 56 1.5
肉鸡 Poultry 2.04 65 20 15 1.6 20 0.1
蛋鸡 Eggs — 100 — — 2.1 — —
—: 无数据。—: no data.

1.5 数据处理及计算方法
本研究使用 NUFER 模型定量分析了山西省农
牧生产体系中磷的流动、利用效率和损失途径; 并
用 ArcGIS 9.3计算绘制了相关地理图件。
2 结果与分析
2.1 2011 年山西省各地市农牧体系磷素输入输出
空间分布特征
2011年山西省农田系统投入磷 19.23万 t; 运城
市投入最多, 为 4.62万 t, 占全省总投入的 24%; 投
入最少的为阳泉市, 仅为 0.22 万 t(表 4)。农田体系
的磷投入主要来源为肥料, 全省磷肥(含复合肥)占
总投入的平均比例为 79.5%; 最高的为运城和临汾,
分别占 87.6%和 83.4%; 最低的为吕梁, 占 66.9%。
各区域作物收获带走的磷养分最多的是运城市和临
汾市, 分别为 1.93 万 t 和 1.45 万 t; 最少的为阳泉,
为 0.17 万 t。农田磷盈余量多的为运城市, 为 2.69
万 t, 阳泉盈余量最少, 仅为 0.05万 t; 累积到农田土
壤的磷为 9.53万 t, 最多的为运城市, 达 2.64万 t, 阳
泉市农田土壤磷累积量最少, 仅为 0.05万 t。从单位
面积磷的流量来看(图 2a), 2011 年各地市农田体系
氮素单位面积投入量最大的为运城市和晋城市, 分
别为 82.96 kg·hm2和 74.43 kg·hm2; 最小的为吕梁
市, 仅为 22.54 kg·hm2; 表明农田体系的磷投入在
区域上存在较大的不平衡, 总体呈现东南部高、西
北部低的空间格局。单位面积作物收获磷较多的为
运城市、晋城市、阳泉市、晋中市、临汾市和长治
市 , 均超过 30 kg·hm2; 最少的为吕梁市 , 仅为
12.89 kg·hm2; 表明农田体系上作物收获磷也具有
很大的空间差异性。运城市和晋城市农田磷盈余量
最高, 分别达 48.24 kg·hm2和 42.01 kg·hm2; 阳泉
市盈余量最小, 仅为 9.39 kg·hm2。单位面积农田土
第 5期 张建杰等: 山西省农牧生产体系磷流动空间变异特征 557


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表 4 2011年山西省各地市农牧生产体系磷投入及主要流动特征
Table 4 P inputs and major flows characteristics in crop-livestock production systems in different municipalities of Shanxi
Province in 2011 104 t
系统
System
项目
Item
太原
Taiyuan
大同
Datong
阳泉
Yangquan
长治
Changzhi
晋城
Jincheng
朔州
Shuozhou
晋中
Jinzhong
运城
Yuncheng
忻州
Xinzhou
临汾
Linfen
吕梁
Lüliang
投入合计
Subtotal
0.50 1.35 0.22 1.79 1.41 1.29 1.95 4.62 2.29 2.57 1.24
化学磷肥投入
P fertilizer input
0.35 0.98 0.15 1.45 1.08 0.94 1.43 4.05 1.88 2.14 0.83
作物收获
Crop harvest
0.27 0.59 0.17 1.01 0.61 0.67 1.15 1.93 0.97 1.45 0.71
农田表观盈余
P surpluses
0.23 0.77 0.05 0.79 0.79 0.62 0.80 2.69 1.31 1.12 0.53
农田
Crop
production
土壤累积
Soil accumulation
0.22 0.75 0.05 0.77 0.78 0.61 0.78 2.64 1.29 1.09 0.52
投入合计
Subtotal
0.28 0.69 0.12 0.60 0.59 0.65 0.94 0.98 0.73 0.71 0.74 畜牧
Livestock
production 饲料进口投入
Imported feed input
0.19 0.45 0.04 0.17 0.33 0.37 0.49 0.22 0.30 0.09 0.43
本地饲料粮投入
Local feed input
0.09 0.25 0.07 0.43 0.26 0.28 0.45 0.77 0.43 0.62 0.30
产品产出
Animal harvests
0.03 0.06 0.01 0.04 0.03 0.09 0.07 0.07 0.03 0.04 0.04
总计 Total 0.54 1.42 0.20 1.62 1.41 1.30 1.91 4.27 2.18 2.23 1.26

图 2 2011年山西省各地市农田生产系统单位面积磷素投入与产出(a)、农田单位面积土壤磷累积量(b)和
畜牧系统单位面积磷素投入与产出(c)
Fig. 2 Amount of P inputs and products per hacter arable land in crop production system (a), accumulation of P in soil per hacter
arable land (b), amounts of P inputs and products per hacter arable land in livestock production system (c) from different
municipalities of Shanxi Province in 2011
壤累积磷最高为运城市 (47.35 kg·hm2)和晋城市
(41.22 kg·hm2), 最低的为阳泉市 (8.97 kg·hm2)
(图 2b)。
由表 4 可见, 2011 年山西省畜牧体系磷投入在
空间上也存在很大的差异, 投入最多的为运城市和
晋中市, 分别为 0.98万 t和 0.94万 t, 投入最少的为
阳泉市, 仅为 0.12万 t; 本地饲料磷供应量最高的运
城为 0.77万 t, 阳泉最低为 0.07万 t; 外源饲料磷需
求最多的晋中为 0.49 万 t, 最少的阳泉仅为 0.04 万 t;
动物主产品(肉、蛋、奶)带走的磷最多的朔州为 0.09
万 t, 最少的阳泉仅为 0.01 万 t。2011 年山西省不
同地市畜牧生产体系单位面积磷素流动数量表现
为: 磷投入最多的晋城为 31.25 kg·hm2, 最小的忻
州为 11.11 kg·hm2; 动物主产品磷最高的为朔州市
和太原市 , 均为 2.40 kg·hm2, 最低的忻州市仅为
0.51 kg·hm2; 投入在总体上呈现东北部高于西南部
的格局(图 2c)。
在整个农牧体系中, 全省磷投入量为 18.34万 t,
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运城市投入最多为 4.27万 t, 阳泉市投入最少为 0.20
万 t; 畜牧生产体系投入占整个农牧生产体系投入比
重大于 50%的有阳泉(60.0%)、吕梁(58.7%)、太原
(51.9%)和朔州(50.0%), 比重最低的为运城市(23%);
在畜牧生产体系中, 外源饲料磷占总投入的比重较
高的有太原(67.8%)、大同(65%)、吕梁(58%)和朔州
(56.9%), 比重较低的为运城市 (22.4%)和临汾市
(12.7%)。
2.2 2011 年山西省各地市农牧体系有机废弃物磷
资源量及循环利用空间分布特征
2011 年山西省农牧生产体系有机废弃物的磷
资源量为 6.71 万 t, 实现循环利用(秸秆、畜禽粪
尿的还田以及秸秆作为动物饲料 )的有 4.35 万 t
(表 5); 2011 年山西农田生产系统中作物秸秆产生
的磷为 1.32 万 t, 最多的运城市为 0.26 万 t, 最少
的阳泉市仅有 0.02万 t, 全省秸秆用于农田系统的
还田和畜牧系统的饲料为 0.79万 t, 占比 60%; 山
西省畜禽粪尿产生的磷为 5.39 万 t, 运城最多为
0.79 万 t, 阳泉最少为 0.09 万 t; 畜禽粪尿进入农
田生产体系还田比例最高的为朔州市为 73%, 阳
泉最小为 62%。
从单位耕地面积有机废弃物的磷承载量来看, 晋
城最高, 为 29.32 kg·hm2; 忻州最低, 为 10.41 kg·hm2;
全省平均水平为 18.24 kg·hm2(图 3)。从畜禽粪尿磷的单
位面积承载量来看, 仍然是晋城最高(24.73 kg·hm2), 忻
州最低(8.22 kg·hm2), 全省平均水平为 14.82 kg·hm2。
表 5 2011年山西省农牧生产体系有机废弃物磷资源量
Tabel 5 P amounts in organic residues of crop-livestock production systems in different municipalities of Shanxi Province in 2011 104 t
数量
Amount
项目
Item
太原
Taiyuan
大同
Datong
阳泉
Yangquan
长治
Changzhi
晋城
Jincheng
朔州
Shuozhou
晋中
Jinzhong
运城
Yuncheng
忻州
Xinzhou
临汾
Linfen
吕梁
Lüliang
秸秆 Straw 0.03 0.08 0.02 0.14 0.09 0.09 0.15 0.26 0.14 0.21 0.10
畜禽粪尿
Manure
0.21 0.51 0.09 0.48 0.48 0.45 0.73 0.79 0.54 0.56 0.57
磷素资
源量
P amount
合计 Total 0.24 0.59 0.11 0.62 0.57 0.54 0.88 1.05 0.68 0.77 0.67
秸秆 Straw 0.02 0.05 0.01 0.09 0.05 0.06 0.09 0.15 0.09 0.12 0.06
畜禽粪尿
Manure
0.14 0.35 0.06 0.30 0.30 0.33 0.47 0.50 0.36 0.37 0.38
可利用磷
素数量
Usable P
amount 合计 Total 0.16 0.40 0.07 0.39 0.35 0.39 0.56 0.65 0.45 0.49 0.44


图 3 2011年山西省各地市农牧生产体系单位面积有机
废弃物中磷素承载量
Fig. 3 Amounts of P from crop residues and animal manure
for per ha arable land of different municipalities in Shanxi
Province in 2011
2.3 2011 年山西省各地市农牧体系磷利用效率空
间分布特征
2011 年山西省农田生产体系磷的利用效率
(PUEc)平均水平为 45.6%; 阳泉市最高, 为 65.8%;
运城和忻州最低, 为 36.3%。畜牧生产体系磷的利用
效率 (PUEa)平均水平为 7.6%; 朔州市最高 , 为
13.5%; 忻州市最低, 为 4.8%。磷在整个农牧耦合生
产体系的利用效率(PUEc+a)平均水平为 30.3%, 较
高的地市有阳泉 (45.0%)、太原 (34.6%)、晋中
(34.4%)、朔州(31.7%)和长治(32.3%), 最低为忻州
(22.0%), 见图 4。
2.4 山西省各地市磷损失空间分布特征及损失途
径分析
磷在土壤中的移动性较差 , 在农田生产系统 ,
磷的主要损失途径为土壤侵蚀与径流, 有很小的一
部分通过淋洗损失, 在畜牧生产系统, 主要是粪尿
的直接排放。由表 6可知, 2011年全省农牧生产体系
损失磷共计 2.04 万 t, 占整个农牧生产体系投入的
11%, 损失较多的地市为运城(0.35 万 t)、晋中(0.28
万 t), 最少的为阳泉(380.7 t)。从单位面积的损失途径
第 5期 张建杰等: 山西省农牧生产体系磷流动空间变异特征 559


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图 4 2011年山西省各地市农田生产体系(PUEa)、畜牧生产
体系(PUEc)和农牧耦合生产体系(PUEc+a)的磷利用效率
Fig. 4 P use efficiency (PUE) of crop production system
(PUEa), livestock production system (PUEc) and crop-
livestock production system (PUEc+a) of different
municipalities in Shanxi Province in 2011
可以看出(图 5), 各地市损失主要来自动物的畜禽粪
尿, 晋城最大(8.8 kg·hm2), 忻州最小(2.7 kg·hm2)。
3 讨论
3.1 山西省农牧生产体系磷素流动的空间变异特征
山西省农田生产系统中单位农田面积磷的投入
与产出整体空间分布特征表现为, 东南部高、西北
部低(图 2a), 这与山西的地理特征、气候特征、耕地
资源分布(图 6a)、耕作制度等因素密切相关, 山西地
理特征呈现南北长、东西窄的平行四边形格局, 南
北跨度有 6 个纬度, 使得南北的气候条件差异较大,
无霜期南长北短[22], 因此省域南部的农业生产条件
较为优越, 尤其是运城、临汾, 种植制度以“冬小麦
夏玉米”轮作为主, 历来都是我省重要的粮食产区,
2011 年粮食产量占全省粮食总产的 40.3%[19], 是山
西省“南粮北调”、保障山西粮食安全的重要基地, 因
此磷的投入较高; 11个地市农田磷平衡表现为不同
程度的盈余, 但区域间变异程度较大(表 4), 这与冀
宏杰等[23]对全国的研究结果相似, 盈余量较高区集
中在省域南部的粮食主产区, 阳泉市盈余极少。陈
表 6 2011年山西省各地市农牧生产体系磷损失分析
Table 6 Patterns of P losses in crop-livestock production system of different municipalities in Shanxi Province in 2011 t
系统
System
损失途径
Loss way
太原
Taiyuan
大同
Datong
阳泉
Yangquan
长治
Changzhi
晋城
Jincheng
朔州
Shuozhou
晋中
Jinzhong
运城
Yuncheng
忻州
Xinzhou
临汾
Linfen
吕梁
Lüliang
径流及侵蚀
Runoff and erosion
50.0 135.5 22.1 179.4 140.6 129.4 194.8 462.2 228.2 256.8 123.7农田
Crop
production 淋洗 Leaching 2.5 8.5 0.5 8.6 8.8 6.9 8.8 29.7 14.5 12.3 5.8
畜牧
Livestock
production
直接排放
Discharge
687.7 1 540.0 358.1 1 777.5 1 658.0 1 213.6 2 547.4 2 959.2 1 771.6 1 983.6 1 861.2
总计 Total 740.2 1 684.0 380.7 1 965.5 1 807.4 1 349.9 2 751.0 3 451.1 2 014.3 2 252.7 1 990.7


图 5 2011年山西省各地市农牧生产体系中磷损失量
Fig. 5 Amounts of P losses per hectare arable land in
crop-livestock production system of different municipalities in
Shanxi Province in 2011
明昌等[24]指出, 从 20世纪 80年代以来, 山西农田生
产系统的磷在土壤中开始大量累积, 但阳泉(平定县)
是一个例外, 这与本文的研究结果相互印证。
除了受自然、地理因素的影响外, 主要和近些
年的政策影响关系较为密切, 山西省政府先后通过
建设雁门关生态畜牧经济区、实施“畜牧振兴计划”
等一系列政策来推动集约化畜牧业发展, 使得山西
畜牧空间分布特征明显, 导致畜牧生产系统单位农
田面积磷投入也不均衡(图 2c), 呈现东北部高于西
南部的格局, 晋城最高而忻州最低, 这是由于晋城
是山西最大的生猪养殖区, 2011年生猪出栏 144.4万
头, 占全省生猪出栏的 17.3%[19], 而耕地资源相对
其他地市较为紧缺(图 6a), 畜禽养殖密度最高(图
6b); 由表 4 可知朔州市动物主产品带走的磷最多,
达 900 t, 表明朔州畜牧生产系统的产能最高, 是因
为朔州是山西主要的奶牛养殖基地, 也是伊利、蒙
560 中国生态农业学报 2016 第 24卷


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图 6 2011年山西省各地市耕地占国土面积比例(a)和畜禽养殖密度(b)
Fig. 6 Proportion of arable land (a) and the density of livestock (b) from 11 municipalities in Shanxi Province, 2011
畜牧单位(LSU, livestock unit)采用欧盟统计局折算方法[25], 将奶牛作为标准单位, 1头肉牛或者役用牛折算 0.8头奶牛, 1头猪折
算 0.3头奶牛, 1只肉鸡折算 0.007头奶牛, 1只蛋鸡折算 0.014头奶牛, 1只羊折算 0.1头奶牛。用单位耕地面积的畜禽养殖量来反映畜
禽养殖密度。Livestock unit (LSU) was defined with the conversion method of Eurostat[25]. With dairy cattle as the standard unit, a beef cattle
or draught cattle was converted to 0.8 dairy cattle, a pig was converted to 0.3 dairy cattle, a poultry was converted to 0.007 dairy cattle, a
layer was converted to 0.014 dairy cattle, a sheep or goat was converted to 0.1 dairy cattle. Livestock density was livestock amount for per
hectare arable land.

牛等牛奶企业的重要奶源基地 , 养殖水平较高 ,
2011年牛奶产量占全省总产的 41.6%[19]。
3.2 山西省农牧生产体系磷流动存在的问题及建议
2011 年山西省畜禽粪尿磷的平均单位耕地面积
承载量为 14.8 kg·hm2, 低于 Oenema等[26]给出的土
壤粪肥施磷量的限值(35 kg·hm2), 整体上农田负荷
较小, 晋城粪尿磷耕地承载量为 24.7 kg·hm2, 考虑
到分布的不均衡, 应注意该地区粪尿磷排放对环境
的潜在风险。
2011 年山西省磷在农田生产体系的利用效率
(PUEc)为 45.6%, 高于 2010 年全国平均水平的
37%[3], 是因为山西的磷肥投入在全国处于一个较
低水平[27]; 磷在畜牧生产体系的利用效率(PUEa)很
低, 仅为 7.6%, 低于全国平均水平(17%)[3], 是由于
山西的役用动物所占比重较大; 磷在整个农牧生产
体系的利用效率(PUEc+a)较低, 全省平均水平仅为
30.3%, 是由于农牧生产体系中大量的作物秸秆和
畜禽粪尿等有机废弃物未得到回收利用, 全省有机
废弃物的回收利用率仅为 60%(表 5), 笔者在晋东南
走访时发现, 仍有为数不少的农户在露天焚烧秸秆,
究其原因, 增加投入、影响耕作和政府补贴不到位
是主要限制因素。此外, 随着畜牧养殖由传统养殖
向规模化、集约化方式转变, 大量的畜禽粪尿未能
及时进入农田 [28], 山西虽然养殖总量不大, 但集约
化程度较高[18], 因此要提高磷的利用效率同时避免
环境风险, 需要关注秸秆和畜禽粪尿的问题。
山西农牧生产体系中的磷损失主要来自动物的
畜禽粪尿(图 5), 结合图 6 可知, 单位面积的磷损失
与畜禽养殖密度密切相关, 晋城、晋中单位面积损
失最高, 除了畜禽养殖密度高之外, 可能是因为肉
猪和蛋鸡生产体系对环境造成的污染风险较其他畜
禽生产体系大[29]。晋城拥有较多的粪尿资源, 可作
为周边运城、临汾等粮食主产区的养分来源, 既解
决了当地的养分需求, 减少化肥投入, 又可以降低
当地的环境风险, 与此类似, 太原、晋中等也可以为
周边地市提供养分。
在今后农牧生产体系中磷的管理过程中应 :
1)提高有机废弃物料的循环利用效率, 政府、科研院
所在推广秸秆、粪尿回收利用技术上要切实做到节
本增效 , 可操作性强 ; 2)合理规划种植业、畜牧业
的布局 , 重点加强畜牧生产中磷素养分的管理 ,
减少其对环境的潜在风险 , 并确保农牧生产体系
间的养分流量、流向合理匹配 ; 3)实现区域间养分
协同管理。
第 5期 张建杰等: 山西省农牧生产体系磷流动空间变异特征 561


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3.3 研究局限性及今后研究建议
统计年鉴数据作为宏观研究的惟一数据来源 ,
存在一定的不确定性[29]。本文在研究过程中通过参
阅历年《山西省统计年鉴》、《山西省农业统计年鉴》
和山西省各地市统计公报等资料来综合验证, 尽量
确保基础数据的可靠性。
对于农作物收获物和秸秆的养分含量, 以及作
物草谷比等研究所需的参数, 李书田等[20]在综述了
大量文献资料后, 用于估算全国的农田养分平衡, 其
结果较为可靠, 因此本研究也采用了这一参数。而就
畜禽活体各部分及其粪尿的排泄系数, Ｍa 等[13,16]在
总结前人工作的基础上, 确定了一套较为成熟的参
数, 本文也引用了这一成果, 以确保研究结果不出
大的偏差。随着国家今后对肥料使用总量的控制[30]
和对集约化养殖过程中粪尿资源的排放约束 [8], 国
家和区域尺度农牧结合的养分流动估算会成为一
个热点。因此, 在今后应建立较为权威的分区域农
作物体系的参数, 来修正对于不同气候和环境带来
的差异, 而对于畜牧体系, 则建议以饲料摄入量为
依据对粪尿养分量进行科学的估算, 来代替当前常
用的粪尿排泄系数法, 这也是当前欧美国家常用的
方法。
4 结论
山西省农牧生产体系磷流动空间分布特征明显,
主要受地理位置、气候特征和政策引导的共同影响。
农田生产系统磷投入、产出与损失总体均呈现南高
北低的空间分布特征, 畜牧生产体系的磷流动空间
分布特征较为复杂, 但整体磷的投入和损失呈现东
部高于西部的空间分布特征。
和全国平均水平相比, 山西农田生产系统的磷
投入较低, PUEc 高于全国平均水平; 但畜牧生产系
统中役用动物的比例较高, 使得 PUEa 低于全国平均
水平, 农牧分离严重, 加之畜牧养殖集约化程度较
高, 有机废弃物循环利用较低, 导致 PUEc+a较低。
山西省农牧生产体系中磷的整体损失程度较低,
但区域间差异很大, 晋东南的地市存在潜在的环境
风险, 今后应进一步加强农牧耦合程度、提高有机
废弃物的循环利用效率; 同时在区域间实现养分资
源的协同管理, 是实现山西省农业可持续发展的必
由之路。
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