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N-Calculator与nufer耦合模型和组合预测法在食物氮足迹研究中的应用

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安全与环境学报 2024年第2期24卷 778-786页

作者：乔森赵骏廷郑洪波大连理工大学环境学院辽宁大连116024

为改善传统N-Calculator模型的局限性,加强食物氮足迹核算结果与环境影响的联系,提高活性氮管理预见性,将N-Calculator模型与食物系统养分流动(Nutrient Flows in Food Chains,Environment and Resources Use,nufer)模型进行耦合,以估... 详细信息

为改善传统N-Calculator模型的局限性,加强食物氮足迹核算结果与环境影响的联系,提高活性氮管理预见性,将N-Calculator模型与食物系统养分流动(Nutrient Flows in Food Chains,Environment and Resources Use,nufer)模型进行耦合,以估算我国2001—2020年人均食物氮足迹,建立组合预测体系。结果显示:2001—2020年,我国人均食物氮足迹由16.04 kg N/a增至18.95 kg N/a;全国食物氮足迹由20.47 Mt N/a增至26.76 Mt N/a;居民饮食结构正由以植物源食物为主的低氮消费模式转向以动物源食物为主的高氮消费模式;食物生产过程产生的活性氮的最终归宿为大气(64.3%)、水体和深层土壤(35.7%);我国食物氮足迹与人均可支配收入、城市化率、动物源食物消费氮占比呈正相关性,与恩格尔系数呈负相关性;未来10 a我国人均食物氮足迹呈增长趋势,预测结果显示年均增幅为0.16 kg N/a。

关键词：环境学食物氮足迹活性氮 N-Calculator模型 nufer模型组合预测模型

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农业绿色发展系统研究思路与定量方法

中国生态农业学报（中英文） 2020年第8期28卷 1127-1140页

作者：金欣鹏马林张建杰马文奇张福锁中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心/河北省土壤生态学重点实验室/中国科学院农业水资源重点实验室石家庄050022 中国科学院大学北京100049 河北农业大学资源与环境科学学院保定071001 中国农业大学国家绿色农业发展研究院北京100193

农业绿色发展研究是融合多学科知识,以食物系统为研究对象,重点剖析系统内不同单元间关联和互馈关系,进而阐明粮食安全、国民健康、资源节约、环境保护等目标的协调机制,探索全产业链技术途径,并致力于协同实现农业"绿色"和"发展"的科... 详细信息

农业绿色发展研究是融合多学科知识,以食物系统为研究对象,重点剖析系统内不同单元间关联和互馈关系,进而阐明粮食安全、国民健康、资源节约、环境保护等目标的协调机制,探索全产业链技术途径,并致力于协同实现农业"绿色"和"发展"的科学。传统研究方法往往忽视对农业绿色发展的系统思考和定量分析,无法统筹农业绿色发展的各环节和协调多类目标的实现。在本研究中,我们首先基于系统研究的思路,明确了"土壤-作物生产-畜牧业生产-食品加工-家庭消费—环境"整个食物系统是农业绿色发展系统研究边界;其次,结合农业绿色发展全链条和多尺度特性,提出并论述了"自上而下"和"自下而上"的定量研究思路;随后,以上述两方面研究思考为基础,构建了由1个核心模型[食物系统养分流动模型(nufer)]、3个定量分析模块(水、大气和土地利用分析模块)和1个指标关联模块[耦合驱动力-压力-状态-影响-响应概念框架(DPSIR)、可持续发展指标体系(SDGs)和星球边界理论框架(PBs)]组成的农业绿色发展系统分析耦合模型(nufer-AGD);最后,梳理了农业绿色发展定量研究的案例。案例研究通过多指标关联分析和指标评价,协同国家农业绿色发展的总体目标;在流域尺度以绿色环境与资源阈值为约束,定量设计农业绿色发展系统解决方案;系统分析全产业链农业绿色发展的技术实现路径。该研究不仅能为农业绿色发展理论和应用研究提供系统思路和定量方法,还可为国家农业绿色发展战略提供科学支撑。

关键词：农业绿色发展食物系统系统研究 nufer模型多指标关联分析

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海南岛农业绿色发展指标时空变化特征

中国生态农业学报（中英文） 2020年第8期28卷 1156-1167页

作者：宋晨阳张建杰刘玲马文奇马林丁尚赵洪伟海南大学林学院海口570228 海南大学生态与环境学院/海南省农林环境过程与生态调控重点实验室海口570228 河北农业大学资源与环境科学学院保定071001 中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心石家庄050022

海南自建省以来农业生产规模、结构及生产方式均发生了很大改变,影响了其农业绿色发展程度。本文借助中国农业绿色发展指标体系,利用nufer模型(NUtrientflowsinFoodchains,EnvironmentandResources use),选取并定量计算1988—2017年海南... 详细信息

海南自建省以来农业生产规模、结构及生产方式均发生了很大改变,影响了其农业绿色发展程度。本文借助中国农业绿色发展指标体系,利用nufer模型(NUtrientflowsinFoodchains,EnvironmentandResources use),选取并定量计算1988—2017年海南岛20项农业绿色发展指标,研究其时空变化特征,探究制约海南岛农业绿色发展的影响因素。研究表明:30年间海南省农业绿色发展水平总体呈下降趋势,较低级别(Ⅲ、Ⅳ级)指标数量由12个增加至15个,较高级别(Ⅰ、Ⅱ级)指标数量由8个减少至5个。随着蔬菜、水果等经济作物种植比例增加,畜禽养殖规模扩大与集约化程度提高,海南农业产值与社会发展水平不断升高,农业产值和农业机械化投入分别从0.62×104$·hm–2和3 kW·hm–2增加至16.1×104$·hm–2和13 kW·hm–2。30年来农业资源(氮素、磷素、农药和农膜)过量投入,其中农药和农膜的使用强度增幅最大,分别从8.0kg·hm–2和0kg·hm–2增加至41.9 kg·hm–2和34.7 kg·hm–2;由于生产力水平较低,导致养分(农田氮素盈余量、农田氮素径流量、农业源氨挥发等)环境排放量大幅增加,农业源氨挥发和单位播种面积农田氮素盈余增幅最大,分别从61.0 kg·hm–2和152.1 kg·hm–2增加至131.4 kg·hm–2和297.9 kg·hm–2。农业资源投入过量、农牧分离导致的环境污染是制约海南岛农业绿色发展的主要原因。在空间上,由于中部为山地林区,是国家重点生态功能保护区,开发力度较小,因此沿海平原的资源投入增长更快、养分环境损失量更多,经济增长、社会发展和农业生产3类指标提升更为迅速。今后海南岛应合理优化沿海地区种植结构,提高生产管理水平,加强农牧结合减少资源损失,实现海南岛农业绿色发展。

关键词：农业绿色发展 nufer模型种植业结构变化农牧系统热带农业

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江苏省农牧系统氮素流动特征及环境效应评价

中国生态农业学报（中英文） 2021年第10期29卷 1658-1667页

作者：余乐焦阳湄丁尚朱治强赵洪伟江苏农牧科技职业学院泰州225300 海南大学热带作物学院海口570228 海南大学生态与环境学院海口570228

针对农牧业快速发展过程中氮素大量投入引起的一系列问题,本文以江苏省为研究对象,探讨1998—2018年农牧系统氮素流动特征及其环境效应,以期为区域氮素资源管理提供科学参考。研究基于食物链养分流动模型(NUtrient flows in Food chains... 详细信息

针对农牧业快速发展过程中氮素大量投入引起的一系列问题,本文以江苏省为研究对象,探讨1998—2018年农牧系统氮素流动特征及其环境效应,以期为区域氮素资源管理提供科学参考。研究基于食物链养分流动模型(NUtrient flows in Food chains,Environment and Resources use,nufer),结合统计年鉴数据、调研数据和文献数据,定量分析江苏省农牧系统氮素账户平衡、各系统氮素利用效率、氮素循环利用和损失情况,并基于结构方程模型探讨农牧系统中经济-资源-环境间的关系。1998—2018年,江苏省作物子系统在系统氮素总输入逐步减少的情况下实现了产品携出氮素的较大增长,作物主副产品氮素携出量由8.31×105 t增至1.20×106 t,氮素损失总量也在不断降低。对于畜禽子系统,氮素输入主要包括外源饲料和本地饲料输入,其中外源饲料是子系统的主要氮素来源;且本地饲料氮素供给比例在逐年上升,从1998年的29.32%增长至2018年的44.77%。1998—2018年,农牧系统氮素利用率由21.39%增至35.00%,呈上升趋势,本地饲料、秸秆还田和粪尿还田氮素量逐年上升,氮素资源循环利用总量由2.54×105 t增至3.00×105 t。从氮素排放损失来看,20多年来环境排放部分呈下降趋势,其主要损失途径包括土壤氮素盈余、气体排放损失、水体排放损失和粪污残余损失。结构方程模型核算结果表明江苏省农牧系统的发展过程中,经济发展和资源减量推动了产品产量和系统效率的提高。总的来说,受区域发展水平和政策引导,1998—2018年江苏省农牧体系发展较快,规模不断扩大,资源利用相对高效,环境排放逐渐减少;但农牧子系统之间的发展不平衡,农牧结合体系规模相对较小等问题仍值得关注。因此,今后江苏省农牧业的发展应注重作物子系统和畜牧子系统的耦合,适度扩大生产规模,以促进本地农牧业更好发展。

关键词：江苏省农牧系统氮素流动 nufer模型环境效应

近20年重庆市农牧生产体系氮素流动特征及驱动力分析

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中国农业科学 2018年第3期51卷 468-480页

作者：陈轩敬宫雅慧谢军张跃强陈新平石孝均西南大学资源环境学院农业部西南耕地保育重点实验室西南大学经济管理学院西南大学农业科学研究院

【目的】通过评价重庆地区农牧系统的氮素流动特征,明确氮素的主要损失途径及驱动因素,提出未来农牧生产中氮素管理措施,为实现重庆地区农牧系统氮养分的高效利用提供数据支撑。【方法】通过查阅文献及统计数据并结合调查研究,采用nufer... 详细信息

【目的】通过评价重庆地区农牧系统的氮素流动特征,明确氮素的主要损失途径及驱动因素,提出未来农牧生产中氮素管理措施,为实现重庆地区农牧系统氮养分的高效利用提供数据支撑。【方法】通过查阅文献及统计数据并结合调查研究,采用nufer(nutrient flow in food chain,environment and resources use)评价方法,以重庆市农牧生产系统为主要研究对象,定量1996—2015年间农牧系统的氮素流动特征,明确其环境代价。在此基础上,探讨人类活动与农牧系统氮素流动特征变化之间的关系,并通过对2020年不同氮素管理情景分析,探索区域氮素的可持续利用途径。【结果】1996—2015年,重庆市农牧系统氮素输入总量增长19.2%,2015年达到1 006 Gg,其中化肥贡献57%以上;氮素输出总量增长16.5%,2015年达到844 Gg,环境损失为最大的氮素输出项,占输出量的61.7%左右,其中农田生产和畜禽养殖系统分别贡献45.1%和54.9%;农牧系统内氮素循环总量增长42.7%,2015年达到448 Gg,其中秸秆还田和畜禽粪尿还田氮量分别达到32.7和95.0 Gg,20年间分别增长55%和44%。1996—2015年重庆市蔬菜瓜果等经济作物种植比例从10%升至28%,粮食作物种植比例从82%降至62%,肉蛋奶等动物主产品输出量增加83%。农牧生产结构的变化与氮素利用和损失的变化呈现显著的线性正相关关系,但人均GDP(gross domestic product)的增长与氮素利用和损失的变化没有呈现明显的线性关系,表明影响系统氮素流动特征的主导因素应该是农牧生产结构变化,而经济发展水平的变化只是起到了刺激农牧产品消费的作用。通过情景分析,若在2020年实现《重庆市农业农村发展"十三五"规划》的农产品生产目标,保持目前的氮肥投入和氮素管理现状,将会增加18 Gg氮素损失,同时降低氮素利用率1.2%;通过提高系统内部氮素循环利用率,优化作物生产养分管理,可在实现生产目标的同时,分别减少氮肥投入和氮素损失量15%和4.2%,提高农牧系统氮素利用率1.3%以上。【结论】在近20年中,重庆市农牧生产系统氮素流动特征发生了很大变化,氮素输入强度和环境损失在不断增加,而农牧生产结构改变是其变化的主要驱动力。在重庆未来农牧生产中,减少畜禽生产系统氮素的直接排放,加大畜禽粪尿和秸秆循环利用力度,优化作物生产系统氮素管理措施和提高氮素利用效率,是实现农牧生产和生态环境的平衡发展的有效措施。

关键词：氮重庆市农牧系统驱动力 nufer模型

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海南农牧生产体系氮素养分流动时空变化特征

中国生态农业学报（中英文） 2019年第2期27卷 246-256页

作者：丁尚郭浩浩程鸣宇宋晨阳刁晓平赵洪伟海南大学热带农林学院海口570228 海南大学南海海洋资源利用国家重点实验室海口570228 海南师范大学生命科学学院海口571158

氮素是生命活动必须的元素之一,然而一定区域内过多的氮素输入可能会造成严重的环境污染。本研究以热带地区的海南岛为研究对象,明确其农牧生产体系氮素流动过程和特征,分析氮素输入和输出量变化关系及其利用效率的时空变化,以期优化农... 详细信息

氮素是生命活动必须的元素之一,然而一定区域内过多的氮素输入可能会造成严重的环境污染。本研究以热带地区的海南岛为研究对象,明确其农牧生产体系氮素流动过程和特征,分析氮素输入和输出量变化关系及其利用效率的时空变化,以期优化农牧体系养分管理,为制定海南省农牧业发展政策提供科学依据。通过运用食物链养分流动模型(NUtrientflowsinFoodchains,EnvironmentandResourcesuse,nufer)并结合Origin和ArcGIS等软件分析海南地区1987—2016年间农牧生产体系氮素养分流动时空变化特征,同时首次对海南省农牧生产体系内部氮素流动在理想与实际情况下的时空变化做出了相关性分析。结果显示海南地区30年间农牧生产体系氮素总输入量由134.15 Gg增长到406.39 Gg,总输出氮素由84.75 Gg增长到307.77 Gg。30年来,农田生产子系统氮素利用效率由12.39%增长到20.54%,动物生产子系统氮素利用率由6.10%增长到13.88%,农牧结合体系氮素利用效率整体呈现上升趋势,由1987年的12.84%增加到2016年的21.63%。空间上,农田生产子系统中,氮素总输入与总输出项中增幅最高的分别是澄迈县和琼海市,五指山市两项增长均最低;动物生产子系统中,氮素总输入与总输出项增幅最高的分别是文昌市和儋州市,五指山市两项增长均最低。1987—2016年海南岛农牧生产体系氮素投入持续增长,氮素利用率低下,空间差异较大,土壤氮素盈余量较高。相关性分析表明,农田生产子系统与动物生产子系统出现较严重的脱节。因而,为提高海南地区氮素流动效率和促进可持续发展,应注重提高本地饲料产量、合理使用肥料、循环利用畜禽粪尿,进一步优化农牧业发展布局,建立农牧结合的高效生产体系。

关键词：农牧生产体系氮素流动氮素利用效率 nufer模型海南

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东北地区农牧系统氮、磷养分流动特征

中国农业科学 2018年第3期51卷 417-429页

作者：张晓萌王寅焉莉冯国忠高强吉林农业大学资源与环境学院/吉林省商品粮基地土壤资源可持续利用重点实验室

【目的】东北地区是中国重要的商品粮基地及畜牧产品生产地,农牧产品大量生产影响养分流动的趋势,而不同地区的养分流动又存在一定差异,明确不同地区农牧系统养分流动特征,揭示其存在的问题,并针对不同的流动特征提出合理的优化策略,为... 详细信息

【目的】东北地区是中国重要的商品粮基地及畜牧产品生产地,农牧产品大量生产影响养分流动的趋势,而不同地区的养分流动又存在一定差异,明确不同地区农牧系统养分流动特征,揭示其存在的问题,并针对不同的流动特征提出合理的优化策略,为区域农牧系统氮、磷养分的管理提供理论依据。【方法】通过整理1984—2014年统计资料数据和查阅相关文献参数,利用nufer模型(nutrient flows in food chain,environment and resources use),以东北地区3个省份的农牧系统为研究对象,估算各省域农牧系统中氮、磷养分的流量、损失量,并对各省域氮、磷养分的循环利用情况、损失途径及利用率作出综合评价,探究东北地区氮、磷养分在农牧生产系统中变化趋势及特征。【结果】1984年吉林、辽宁、黑龙江地区农牧系统氮素总输入量分别为669、746、716 Gg;磷素总输入量分别为121、222、169 Gg,至2014年氮素输入量增长至1 899、1 572、2 256 Gg;磷素输入量达到471、393、769 Gg,氮、磷养分的投入量表现为黑龙江>吉林>辽宁。氮素养分损失率吉林地区最高,磷素养分损失率辽宁地区最高。氮、磷养分循环再利用方面,吉林地区的循环利用率最高,辽宁地区最低。近30年,吉林、辽宁、黑龙江地区农田生产系统氮素养分利用率分别下降10%、11%、32%;磷素养分利用率分别下降16%、2%、23%。畜禽生产系统中,氮素养分的利用率分别增加3%、11%、10%,磷素养分利用率分别增加0.8%、1.9%、3.2%。农牧结合生产系统氮素养分利用率分别由1984年的26%、36%、52%降至2014年的13%、21%、22%,整体表现为黑龙江>辽宁>吉林;磷素养分利用率由1984年的25%、25%、31%降至2014年的9%、14%、10%,表现为辽宁>黑龙江>吉林。【结论】1984—2014年,东北地区农牧系统氮、磷养分投入大幅增加,不同省域间表现出明显差异。黑龙江地区的氮、磷养分可利用总量均最高,而氮、磷养分的循环再利用率则表现为吉林地区最高。东北地区农牧结合系统中,黑龙江地区氮素利用率高于其他地区,辽宁地区的磷素利用率高于吉林和黑龙江地区。吉林和辽宁地区的氮、磷养分损失率分别高于其他地区。因此,需要针对不同地区的养分流动特征提出农牧管理方面合理化建议,为东北地区的农牧业可持续发展提供依据。

关键词：东北地区农牧系统 nufer模型氮、磷流动养分管理

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海南岛农牧生产体系磷元素流动时空变化特征

中国农业科学 2019年第5期52卷 860-873页

作者：丁尚郭浩浩宋晨阳刁晓平赵洪伟海南大学热带农林学院海南大学南海海洋资源利用国家重点实验室

【目的】通过对1987—2016年海南岛农牧生产体系磷元素流动时空特征及环境效应进行定量分析,研究其流动过程和规律,探讨农牧生产体系磷素的优化管理途径,为海南岛农牧业可持续发展提供科学依据。【方法】研究基于食物链养分流动模型(NUt... 详细信息

【目的】通过对1987—2016年海南岛农牧生产体系磷元素流动时空特征及环境效应进行定量分析,研究其流动过程和规律,探讨农牧生产体系磷素的优化管理途径,为海南岛农牧业可持续发展提供科学依据。【方法】研究基于食物链养分流动模型(NUtrient flows in Food chains, Environment and Resources use,nufer),通过统计数据、文献检索、实地调研,并结合Origin等软件,定量计算海南岛农牧生产体系的磷素输入、输出、利用率及其环境效应,并通过情景分析探索海南岛农牧生产体系磷素的可持续利用途径。【结果】30年间海南岛农田生产子系统磷素总投入量从21.34 Gg增至81.19 Gg,总输出量由6.20 Gg增至18.20 Gg,化肥作为该系统磷素主要来源,输入量由19.01 Gg增至79.23 Gg,作物产品作为农田磷素主要输出项,30年间由5.25 Gg增至15.48 Gg。动物生产子系统磷素总输入量由11.40 Gg增至15.31 Gg,总输出量由9.63 Gg增至11.90 Gg,其中外源饲料磷素输入量由1987年的10.97 Gg增至2016年的14.77 Gg,动物产品输出量30年间增长了4.95 Gg。秸秆还田量和作物饲用量分别增加了0.37和0.26 kg·hm-2,粪尿还田量则减少了0.80 kg·hm-2。空间分布上,澄迈、定安等地30年来磷素输入和输出量较高,五指山、琼中等地较低。就磷素损失情况来看,1987—2016年,海南岛单位耕地面积土壤磷盈余量由35.00 kg·hm-2增至147.40 kg·hm-2,2016年土壤磷素盈余量较大的是琼海、澄迈、保亭和临高,分别为372.79、279.82、194.14和181.09 kg·hm-2。磷的其他损失途径为土壤侵蚀、径流和淋洗,损失量在1.21—5.85 kg·hm-2。畜禽粪便单位耕地面积承载量维持在3.83—5.77 kg·hm-2。30年来,磷素利用率增长缓慢,其中农田生产子系统磷素利用率由13.01%增至13.86%,动物生产子系统磷素利用率由4.78%增至7.62%,农牧结合体系磷素利用率由10.78%增至13.09%。情景分析结果显示,保证农牧生产体系各子系统间的协调稳定发展以及通过科学的养分管理方式提高资源的循环利用率对促进海南岛农牧业发展意义重大。【结论】受农牧生产体系规模、区域发展以及管理方式等因素影响,海南岛农牧生产体系环境损失情况严重,磷素利用率较低,体系出现了较严重的分离。因此,在海南岛未来的农牧生产中,应优化技术手段和管理措施,如控制磷素的过量输入,减少粪尿的直接排放,提高秸秆和粪尿循环利用率。同时也应促进农田生产子系统与动物生产子系统间的协调关系,走农牧结合的可持续发展道路。

关键词：海南岛农牧生产体系磷素流动时空变化特征 nufer模型

云南省农牧生产系统氮素流动时空变化特征与环境效应

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中国农业科学 2018年第3期51卷 481-492页

作者：李晓琳郑毅西南林业大学环境科学与工程学院

【目的】研究云南省农牧生产系统的氮素流动途径并评价其环境效应,提高农牧业氮素利用率,改善农业生态环境,为制定符合云南省农业发展规律的政策提供科学依据,实现社会经济生态的可持续发展。【方法】通过运用食物链养分流动模型(nutrie... 详细信息

【目的】研究云南省农牧生产系统的氮素流动途径并评价其环境效应,提高农牧业氮素利用率,改善农业生态环境,为制定符合云南省农业发展规律的政策提供科学依据,实现社会经济生态的可持续发展。【方法】通过运用食物链养分流动模型(nutrient flows in food chains,environment and resources use,nufer),从时间序列的角度分析1995—2014年云南省农牧业氮素养分流动时间分异特征,结合GIS,从空间格局角度分析2014年云南省16个地州农牧业氮素养分流动空间分布特征。【结果】1995—2014年云南省农牧系统氮素投入量逐年递增,从1995年的2.1×106 t增至2014年的3.5×10~6 t。氮肥的施用和饲料进口是造成农牧系统氮素投入量增加的主要原因。农田主产品吸氮量与动物生产系统主产品吸氮量在时间上呈现同向增长的关系,农产品吸氮量1995—2014年间上涨2.1倍,动物生产系统主产品吸氮量上涨8.5倍,其中2000年、2006年变化最为剧烈。云南农牧业快速发展的过程中,由于作物播种面积扩大、栽植技术提高,畜牧业养殖规模扩大,模式改良所引起的氮素吸收效率提高。云南省农牧生产系统氮素流动表现出极大的不平衡性;氮素投入呈现放射式分布特征,中心投入量高,四周投入量逐渐递减。吸氮量则表现出与区域社会经济发展状况相协同的特点,经济发达地区吸氮量较高,经济发展滞后的区域,吸氮量较低。由于地形条件引起的径流、侵蚀、淋洗,以及由于施肥方式不合理所引起的氨挥发是导致农牧生产系统中氮素损失的重要原因。根据云南省氮素投入、吸收和损失规律,可将各地州划分为高投入高排放(大理、昆明、红河)、高投入低排放(曲靖、丽江、楚雄等)、低投入高排放(迪庆、昭通等)和低投入低排放(怒江、普洱)4大类型。【结论】云南省传统施肥方式导致施肥过量,大量肥料通过氨挥发的方式排入大气中,动物养殖过程中产生的粪尿中氮素通过径流、淋溶进入水体,造成农业生产过程中经济效益的降低、环境污染。从空间格局上看,大理、昆明、红河的氮素损失较高。今后亟需改进化肥施用方式,提高化肥利用率,改进畜牧业养殖模式,提高粪尿有机还田的数量。针对主要区域重点治理,采用因地制宜的农牧体系氮素优化管理技术、增加粪尿养分循环和提高氮养分效率,减少氮素向大气和水体中的排放数量,从而实现农牧体系氮素的合理循环。

关键词：农牧系统氮流动 nufer模型环境效应云南省