例论文标题：Toward to agricultural green development by multi-objective zoning and nitrogen nutrient management: a case study in the Baiyangdian Basin, China

期刊：Frontiers of Agricultural Science & Engineering

作者：Xiaomeng ZHANG , Xiangwen FAN , Wenqi MA, Zhaohai BAI , Jiafa LUO , Jing YANG , Ling LIU , Jianjie ZHANG, Lin MA

发表时间：15 Mar 2024

DOI：10.15302/J-FASE-2023533

微信链接：点击此处阅读微信文章

中国农业绿色发展：洞察与进展

Agriculture Green Development in China: Insights and Advances

专 辑 文 章 介 绍

· 第十一篇 ·

▎论文ID

Toward to agricultural green development by multi-objective zoning and nitrogen nutrient management: a case study in the Baiyangdian Basin, China

多目标分区与氮素管理实现农业绿色发展——以白洋淀流域为例

发表年份：2024年

第一作者：张晓萌¹，樊相文²

通讯作者：樊相文²，马文奇¹

fanxiangwen@sjziam.ac.cn, mawq@hebau.edu.cn,

作者单位：1. 河北农业大学资源与环境科学学院；2. 中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心

Cite this article :

Xiaomeng ZHANG, Xiangwen FAN, Wenqi MA, Zhaohai BAI, Jiafa LUO, Jing YANG, Ling LIU, Jianjie ZHANG, Lin MA. Toward to agricultural green development by multi-objective zoning and nitrogen nutrient management: a case study in the Baiyangdian Basin, China. Front. Agr. Sci. Eng., 2024, 11(1): 140-154 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2023533

· 文 章 摘 要 ·

尽管中国在国家粮食安全方面取得了巨大进展，但仍面临着一系列挑战，包括自然资源压力、饮食不均衡和环境污染。农牧系统的优化管理是实现农业绿色转型的关键措施。然而，目前缺乏采用多目标分区的作物–牲畜系统的优化管理。本研究采用多目标分区管理方法，综合分析氨挥发、氮盈余、土壤承载能力和生态红线区4个指标。鉴于白洋淀流域具有重要的生态完整性和高度的可持续性，是开展多目标养分优化管理分析、促进农业绿色转型的独特又适合的案例。研究发现，白洋淀流域达到安全环境指标标准的区域不到8%，而同时存在氮盈余和氨挥发的超阈值区域约为50%。实施统一管理，即在研究区域内采用相同的管理技术，可使满足环境指标阈值的区域增加至21.1%。本项目开发了一种新颖的多指标分区优化方法，针对不同区域量身定制不同的措施，以满足多个环境指标。实施该方法，可使50%以上的区域低于安全阈值，氨排放和氮盈余同时超阈值的地区可减少到15.8%。与统一管理相比，多指标分区优化方法是一种更先进、更高效的管理方法。这种方法可以被视为帮助中国实现农业转型以提高生产效率和减少环境污染的最佳选择之一。

· 文 章 亮 点 ·

1. 开发了一种新的多指标分区氮素养分优化管理方法。

2. 计算了流域内不同区域氨挥发、氮盈余和土壤承载力的多指标环境阈值。

3. 推荐了多指标分区后各区域的空间优化方法，以加强农牧系统的养分管理。

· Graphical abstract ·

 · 研 究 内 容 · 

▎引言

农业绿色发展 (AGD) 的概念被纳入食品系统养分管理优化计，以解决当前食品系统中的多目标挑战。在追求农业绿色发展的过程中，人类生活环境和自然环境的质量变得非常重要。当前在多环境指标约束下，对农牧系统养分管理的研究较少。同时，白洋淀流域作为一种重要的生态水资源，对雄安新区周边居民的生计和经济发展起着至关重要的支撑作用。因此，白洋淀流域在环保要求相对严格的背景下，发展符合多种环境指标阈值的养分优化管理方法，以促进城市化绿色农牧生产已势在必行。本研究选取了氮相关的环境指标建立多目标分区和氮素营养优化管理模型，并利用NUFER (营养物质在食物链、环境和资源利用中的流动) 模型；量化相关指标阈值，确定白洋淀流域当前的环境排放水平；分析不同情景下减少环境影响的潜力，从而实现农牧系统的绿色转型。

▎研究方法

本研究旨在探讨多目标分区与氮素管理之途径，以达到农业转型之目的 (图1)。综合考虑了氨挥发、氮盈余、土壤承载力和生态红线区四个优化农牧系统的关键指标。使用NUFER模型来量化氨挥发、氮盈余、土壤承载力指标现状。通过使用地理加权回归分析，建立了氨排放量与PM_2.5之间的相关性。进一步根据人口密度进行分类来计算氨挥发阈。通过叠加河流距离、坡度和耕地栅格图生成分区图，确定不同区域的氮盈余阈值。流域氮盈余阈值由不同子流域氮素含量和所在县域内硝态氮脆弱区径流或淋溶临界值决定。土壤承载力指该地区畜禽排泄氮与作物收获氮的比值，当二者达到平衡时为临界值。

图1 转型农业概念框架。

氨排放、氮盈余和土壤承载力三个指标根据当前现状与阈值的对比，将超出阈值被定为高，低于阈值定为低，分为八大类区域。此外，还划定了精确的生态红线区域 (图2)。

图2 不同区域环境指标水平。Low，低于阈值；High，高于阈值；A，安全区；B，超载区；C，高氨区；D，高氨超载区；E，高盈余区；F，高盈余超载区；G，高氨高盈余区；H，高风险区；O，生态红线区。

根据分区结果，提出了评价农牧系统潜在减排效果的三种方案：(1) CS，即基于统计数据对白洋淀流域环境指标进行综合评价的现状方案；(2) UT，政府极力推荐的统一管理技术，全区采用主要由国家推动的农牧一体化模式，促进农牧系统的养分循环，以减少养分投入需求，推动养分高效利用；(3) ZM，一种基于统一政策叠加分区管理技术的应用，针对每个分区的特点，采用针对性的减排技术进行分区优化管理。

▎研究结果

(1) 白洋淀流域不同区域指标分类标准及现状

氨排放指标与种群密度呈高度负相关。白洋淀流域高人口密度区 (南部平原)氨排放阈值较低，低人口密度区 (山区和东部平原) 氨排放阈值较高。分区过程中氮盈余阈值是由坡度和河流距离决定的，东部地区的县域氮盈余指标阈值较高，西部地区的县域氮盈余指标阈值较低。白洋淀流域生态红线区和土壤承载力由政府规定，即红线区和土壤承载力阈值在白洋淀流域各县保持一致。当前，位于流域东部的四个县没有超过平原地区的氨排放既定阈值 (图3)。流域氮盈余量很大，特别是40%的县氮盈余水平超过200 kg·ha^–1。就土壤承载力而言，位于山区的五个县的土壤承载力略高于阈值，位于流域中部的唐县尤为明显。

图3 白洋淀流域环境指标的比例分布 (%)。(a) 氨排放；(b) 氮盈余；(c) 土壤承载力。

(2) 农牧系统环境分区

基于多目标环境阈值，确定了白洋淀流域农牧系统的不同环境区域。便于行政管理，整合成八个不同的区 (图4)。特别是高氨高盈余区 (G) 主要集中在流域南部平原地区，约占平原总面积的66%。山区具有相对的复杂性，高氨区 (C) 的比例略高。各子流域中双高区、高氨高氮盈余区 (G) 占比较大。

图4 白洋淀流域农牧系统的环境分区情况。(A–O表示图2所示的含义)

(3) 农牧系统养分优化管理及建议

优化结果表明，统一管理整合了农牧系统，减少了养分投入，使得白洋淀流域各县的氨排放量减少了三分之一，氮盈余量减少了近一半 (图5)。但排放水平仍然超过了安全限度。为进一步实现减排目标，有必要采用分区减排技术。根据缓解效率、实际适用性和实施成本，选择适合具体地区的最佳缓解措施。实施分区管理后，超载区 (B) 可以通过减少5%的畜禽养殖数量达到环境阈值。对分布在流域周围的安新县、高碑店和广陵县的高氨区 (C) 进行圈舍快速清洗和干燥、覆盖储存和反应器堆肥技术管理，则处于安全环境阈值以内。在高盈余区 (E)，实施农田全链减排技术使80%的县环境排放量降低至阈值。在高盈余超载区 (F) 减少25%的畜禽数量会有效地使该区域所有县在安全阈值内。高氨高盈余区 (G) 需要采用农牧系统综合减排技术，促使32%的地区成为安全区，36%的地区成为单因素超限区，其余32%未改变。在高风险区 (H)，位于流域中部的曲阳和易县需要减少5%的畜禽数量，而唐县应该减少70%的养殖数量，同时整个畜禽生产链实施减排技术，这些有针对性的削减将有助于达到环境安全标准。

图5 不同情景下环境指标的变化。(a) 氨排放；(b) 氮盈余；(c) 土壤承载力。

基于上述结果，可以看出，实施统一管理后，安全区县的比例从8%上升到21%，而高氨高氮盈余区仅下降不到6% (图6)。随着分区管控技术的应用，白洋淀流域55%以上的县实现了环境友好型排放。但仍有10.5%的县有较高的氨排放，18.4%的县有较高的氮盈余，15.8%的县两者兼有。

图6 不同场景中不同区域的比例 (%)。(A–H表示图2所示的含义)

 · 结 论 · 

本研究提出以农业绿色转型为重点的流域尺度生态环境分区新方法。确定了各种指标的阈值，为农牧系统的养分管理提供精准优化的解决方案，特别是在环保政策严格的白洋淀流域，其总体环境排放限值被设定在低水平。采用多目标分区方法，将白洋淀流域划分为9个区域，氨挥发和氮盈余排放量均高的区域占50%，安全区域占8%以下。农牧结合的统一管理后，安全区增加到21.1%。但高氨高氮盈余区的减排效果并不显著。引入分区管理技术，使安全区增加至50%，双高区 (氨挥发氮盈余过剩) 减少至15.8%。这种系统方法不仅为解决白洋淀流域面临的挑战提供了一种有效的途径，而且也为中国及其周边地区农牧系统管理提供了一种潜在的途径，帮助中国向更加环境友好型的农业系统转型。此种管理模式的农业既可以保护自然资源，减少污染，提高资源利用效率，又维持了粮食安全。

编辑 | 唐静月 李云舟

审稿 | 许建香

阅读原文请点击“Toward to agricultural green development by multi-objective zoning and nitrogen nutrient management: a case study in the Baiyangdian Basin, China”

免费下载专辑文章请点击“中国农业绿色发展：洞察与进展”

《前沿》系列英文学术期刊

由教育部主管、高等教育出版社主办的《前沿》（Frontiers）系列英文学术期刊，于2006年正式创刊，以网络版和印刷版向全球发行。系列期刊包括基础科学、生命科学、工程技术和人文社会科学四个主题，是我国覆盖学科最广泛的英文学术期刊群，其中12种被SCI收录，其他也被A&HCI、Ei、MEDLINE或相应学科国际权威检索系统收录，具有一定的国际学术影响力。系列期刊采用在线优先出版方式，保证文章以最快速度发表。

中国学术前沿期刊网

http://journal.hep.com.cn