食物链养分流动特征及其评价
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马林，2009
食物链养分流动引起国内外广泛关注
N and P flow in food chain is the key process for nutrient management
• N and P effects is greatly depended on Resource their flows and use efficiency in food chain • Food demand is the main driving force for their flows • It is very important to China
Crop Production 8.3
Hou et al， 2013
Water 0.36
+ 0.37
Water 0.73
+1.25
Water 1.98
+0.85
Water 2.83
Unit: Million tonne (Mt)
养分环境流量及其相对贡献-P
Phosphorus losses
3
2.5 Amounts of P losses(Mt)
Crop Production 46.1
Hou et al， 2013
Water 3.3
+ 2.8
Water 6.1
+ 5.6
Water 11.7
+3.5
Water 15.2
Unit: Million tonne (Mt)
Nitrogen flow in the food chain of China
The change of N flux (Mt)
9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 1980 1990 2000 2010 Cropland 100 90
The increase rate of N flux (%)
Livestock
Household
80
croplands livestocks
The ratio of N losses to water in total N losses is increasing
Hou et al， 2013
流量指标的比较
Phosphorus flow in the food chain of China
1980 1990 2000 2010
House3.1 Hold 0.37
养分效率的表达方法
• 农田施肥的养分效率
• 营养遗传研究中的养分效率 • 农田生态系统中的养分效率
养分流动的流量
• 食物链养分流动遵循物质平衡原理
• 特定区域农田－畜牧－家庭的流量逐级减少： 食物链养分流动金字塔 • 食物链养分流动的流量的可调性
4
4
4
家庭消费 植物食品 3 动物生产 植物生产 2 2 2 3 3
1
4000 3000 2000 1000 0 4000 3000 2000 1000 0
Environment
Ma et al., 2008
流量指标的比较
Nitrogen flow in the food chain of China
1980
Air 8.6
1990 + 5.7
Air 14.3
2000 + 8.1
Air 22.4
2010 +1.7
Air 24.1
House3.1 Hold 2.8
1
300 200 ：万吨
芬兰：千吨
食物链养分流动的效率
• 养分库输入养分量和主目标收获养分量决 定了养分效率 • 沿着食物链养分利用效率逐级降低 • 养分效率的可调控性
大气
79% 49% 13% 40% 7% 11%
中国
养分 输入
50%
作物 收获
14%
饲料 投入 动物 产品
Ma et al.,2010
Food security
Environment
欧盟氮评价的养分流动系统
ENA，2011
N and P flows in food chain of China in 2005
The NUFER model
(NUtrient flows in Food chains, Environment and Resources use).
养分排放 氮素：263.2 kg 磷素：39.7 kg
中国人一生的养分消耗量（按平均寿命72岁计算）
食物链养分流动的效应与代价
• 食物链养分流动具有增产和增收的正效应
• 食物链养分流动必然会付出一定的环境代 价 • 食物链养分流动也会带来一定的资源消耗 • 效应和代价之间的负向关系
食物链养分流动的驱动力
• 社会经济发展 • 生活水平改善 • 生态环境改善
生产条件改善
畜牧发展加快 饲料需求增多 集约养殖发展
动物食品增多 营养水平提高 中微量营养缺乏
大气
畜牧
食品 衣物
养分流 动加快
社会经济发展
家庭消费
水体
作物
城镇化加快 废物污水增多 养分循环减少
土壤
耕地减少 单产提高 经作增加
环境排放增多
驱动力 养分流
– 动植物生长发育所必需的矿质营养元素 – 环境污染因子 – 资源
养分资源的纵向流动
涉及“矿产－化肥－种植业-畜牧业-家庭-环境体系”多个单元
生产 大气 消费 废弃物管理
N, P
进口
废水管理 畜牧业 食品工业 人类家庭
矿产
化肥
种植业
饲料工业
废物管理
出口 水体
养分供应与动植物、人体营养和环境有极大的关系
70
60
households
50
40 30 20 10 0 1980s 1990s 2000s
养分环境流量及其相对贡献-N
100% 45 40 Amounts of N losses(Mt) 35 30 25 20 6.1 3.3 14.3 8.6 22.4 24.1 N losses to water N losses to air 15.2 11.7
驱动力 养分流
环境排放增多
能源、资源 开发加剧
外部投入增多（化肥、饲料等）
张福锁等，2006
每个德国人（1991－1995）和中国人（2001） 一生消耗的各类食品
44头猪(22 头) 4.5头牛(0.4 头)
（ 4只 ）
羊
20吨奶及奶制品 （0.8 吨） 930公斤禽肉，16800个鸡蛋 （9846 个）
1.3
Animal Production 18.1
+ 3.1
1.3
Animal Production 21.0
2.0
Crop Production 21 17.3
3.8
5.5
7.5
1.1
+ 11.5
Crop Production 28.9
+ 11.6
Crop Production 40.5
+ 5.6
环境排放增多
能源、资源 开发加剧
外部投入增多（化肥、饲料等）
张福锁等，2006
营养水平提高 动物食品增多 蔬菜、果品增多 中微量营养缺乏
畜牧发展加快 饲料需求增多 畜牧结构调整
大气
畜牧
养分流 动加快
生活水 平提高
家庭消费
食品 衣物
水体
生活废弃物、污 水排放增多 养分循环减少
作物 土壤
粮食面积减少、单产提高 瓜果蔬菜经作面积增加 环境排放增多
养 分 过 量
N S P Fe Mo K Mn Cl Ca B Si Mg Zn
减产、劣质
营养过剩
环境污染
养 分 不 足
产量低下
营养不良
社会贫困
中国将走什么道路？
食物 需求 中国必须考虑食物 需求，定量三者之 间的关系。
欧美国家：
通过限制投入， 减少环境排放。
环境 排放
养分 投入 食物链养分流动金字塔
34%
2
P losses to water 100% 2.83 1.98 51%
1.5
1
0.5 0.73 0.36 0 1980 1990 2000 2010
15%
Hou et al， 2013
养分效率（Nutrient Use Efficiency）的含义 • 特定系统内，反映养分输入与产品或养分 输出定量关系的一个指标 • 养分效率有多种含义和表达方法 • 养分效率是评价养分利用状况和养分效应 的重要指标
+ 0.7
0.8
HouseHold 3.5
+ 0.6
0.9
HouseHold 4.1
+ 0.9
1.5
HouseHold 5.0
0.5
2.3 0.14
2.8 0.17
3.3 0.18 0.15
3.5
Animal Production 7.4
+ 3.6
1.1
Animal Production 11.0
+ 8.1
+ 1.9
0.17
Animal Production 4.0
+ 0.5
0.18
Animal Production 4.5
0.4
Crop Production 21 2.3
0.9
1.2
1.6
0.15
+ 2.1
Crop Production 4.4
+ 2.5
Crop Production 6.9
+ 1.4
+ 0.09
0.06
HouseHold 0.46
+ 0.08
0.08
HouseHold 0.54
+ 0.08
0.13
HouseHold 0.62
0.04
0.33 0.02
0.40 0.02
0.46 0.02
0.02
0.47
Animal Production 1.1
+ 1.0
0.14
Animal Production 2.1
1-2%
食品 消费
人体 吸收
德国 58%
16%
1-2%
35%
65%
49%
8%
16%
27%
水体
2001年消费食物中的养分
1%
养分消耗 氮素：265 kg 磷素： 40 kg
人体保存食用 养分的比例
养分需求 445.5kg 氮素：296.9 kg 磷素：19.6 kg
人体养分量： 4.2 kg 氮素：1.8 kg 磷素：0.6 kg
水体
生活废弃物、污 水排放增多 处理压力加大
作物
养分循环减少
土壤
耕地减少、种植结构调整 粮食面积减少、单产提高 瓜果蔬菜经作面积增加
环境排放增多
驱动力 养分流
环境排放增多
能源、资源 开发加剧
外部投入增多（化肥、饲料等）
张福锁等，2006
主要内容
食物链养分流动评价的重要性 食物链养分流动特征 食物链养分流动的评价
90%
80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%
15
10 5 0
1980
1990
2000
2010
1980
1990 N losses to water
2000 N losses to air
2010
Total N losses to environment in 2010 is nearly 4 times that in 1980
7吨面包 5.5吨马铃薯 3吨水果和蔬菜， 2.6吨糖， 1.2吨植物脂肪 （0.1 吨） 1400升酒， 9700升啤酒 （628 升）
德国数据来自Isermann博士
食物结构改变 动物食品增多 蔬菜、果品增多 中微量营养缺乏
畜牧发展加快 饲料需求增多
大气
畜牧
养分流 动加快
城镇化 发展
家庭消费
食品 衣物
结论与展望
养分流动的评价指标
• • • • • 存量和流量指标 效率指标 效应或效益指标 代价指标 综合指数
指标用来反映养分流动的某种特征，通常用一种 或一组数据来表达
流量指标的比较- 不同年代
Unit: 104 t
1952
2000
1:8
169 351
8 2291
230
1952年
2021 2000年
原因或主导因素
人类需求
资源
环境？土壤？其他？
养分流动的流向
• 食物链养分流动的多向性 • 食物链养分流向的可调性 • 区域食物链养分流动的开放性
大气An1 进出口
R17
驱动
大气An4
大气An2
进出口
R15
大气An3
R19
R18 R6
大气 N2
R9
R14
资源开发 R8 化肥生产
化肥 Fc
R25 农田
第一届全国高产高效现代农业理论与技术培训班 杨凌，2013年7月14-16日
食物链养分流动特征及其评价
马文奇
河北农业大学资源与环境学院
(mawq@)
主要内容
食物链养分流动评价的重要性 食物链养分流动特征 食物链养分流动的评价
结论与展望
食物链养分流动的重要性 • 养分的概念
产品 Cp
R5
R7
直接 加工 Cpf
R3
生产 副产品 Cb
R11
植物 食品 R1 Fp 食品 R2 Ft
R4
R20
人类 消费
能源 Re
R24
R26
其他
R23
饲料 Fe
R12 R10
动物 生产
动物 食品 Fa
R16
R13
R21
R22
水体 Wn1
水体 Wn2
回田
其他
回田
水体
副产品 进出口
回田 水体 Wn4
Ma et al., JEQ,2010
如此复杂系统，如何评价？
刘晓利，2005
主要内容
食物链养分流动评价的重要性 食物链养分流动特征 食物链养分流动的评价
结论与展望
食物链养分流动特征
• • • • • 养分流动的流向 养分流动的流量 养分流动的效率 养分流动的效应与代价 养分流动的驱动力
循环部分 有用部分 输入 副产品部分-利用? 盈余部分（没有利用部分） 方向 数量 流动项之间关系 作用和影响 生产 经济 环境 资源 社会
食物链养分流动引起国内外广泛关注
N and P flow in food chain is the key process for nutrient management
• N and P effects is greatly depended on Resource their flows and use efficiency in food chain • Food demand is the main driving force for their flows • It is very important to China
Crop Production 8.3
Hou et al， 2013
Water 0.36
+ 0.37
Water 0.73
+1.25
Water 1.98
+0.85
Water 2.83
Unit: Million tonne (Mt)
养分环境流量及其相对贡献-P
Phosphorus losses
3
2.5 Amounts of P losses(Mt)
Crop Production 46.1
Hou et al， 2013
Water 3.3
+ 2.8
Water 6.1
+ 5.6
Water 11.7
+3.5
Water 15.2
Unit: Million tonne (Mt)
Nitrogen flow in the food chain of China
The change of N flux (Mt)
9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 1980 1990 2000 2010 Cropland 100 90
The increase rate of N flux (%)
Livestock
Household
80
croplands livestocks
The ratio of N losses to water in total N losses is increasing
Hou et al， 2013
流量指标的比较
Phosphorus flow in the food chain of China
1980 1990 2000 2010
House3.1 Hold 0.37
养分效率的表达方法
• 农田施肥的养分效率
• 营养遗传研究中的养分效率 • 农田生态系统中的养分效率
养分流动的流量
• 食物链养分流动遵循物质平衡原理
• 特定区域农田－畜牧－家庭的流量逐级减少： 食物链养分流动金字塔 • 食物链养分流动的流量的可调性
4
4
4
家庭消费 植物食品 3 动物生产 植物生产 2 2 2 3 3
1
4000 3000 2000 1000 0 4000 3000 2000 1000 0
Environment
Ma et al., 2008
流量指标的比较
Nitrogen flow in the food chain of China
1980
Air 8.6
1990 + 5.7
Air 14.3
2000 + 8.1
Air 22.4
2010 +1.7
Air 24.1
House3.1 Hold 2.8
1
300 200 ：万吨
芬兰：千吨
食物链养分流动的效率
• 养分库输入养分量和主目标收获养分量决 定了养分效率 • 沿着食物链养分利用效率逐级降低 • 养分效率的可调控性
大气
79% 49% 13% 40% 7% 11%
中国
养分 输入
50%
作物 收获
14%
饲料 投入 动物 产品
Ma et al.,2010
Food security
Environment
欧盟氮评价的养分流动系统
ENA，2011
N and P flows in food chain of China in 2005
The NUFER model
(NUtrient flows in Food chains, Environment and Resources use).
养分排放 氮素：263.2 kg 磷素：39.7 kg
中国人一生的养分消耗量（按平均寿命72岁计算）
食物链养分流动的效应与代价
• 食物链养分流动具有增产和增收的正效应
• 食物链养分流动必然会付出一定的环境代 价 • 食物链养分流动也会带来一定的资源消耗 • 效应和代价之间的负向关系
食物链养分流动的驱动力
• 社会经济发展 • 生活水平改善 • 生态环境改善
生产条件改善
畜牧发展加快 饲料需求增多 集约养殖发展
动物食品增多 营养水平提高 中微量营养缺乏
大气
畜牧
食品 衣物
养分流 动加快
社会经济发展
家庭消费
水体
作物
城镇化加快 废物污水增多 养分循环减少
土壤
耕地减少 单产提高 经作增加
环境排放增多
驱动力 养分流
– 动植物生长发育所必需的矿质营养元素 – 环境污染因子 – 资源
养分资源的纵向流动
涉及“矿产－化肥－种植业-畜牧业-家庭-环境体系”多个单元
生产 大气 消费 废弃物管理
N, P
进口
废水管理 畜牧业 食品工业 人类家庭
矿产
化肥
种植业
饲料工业
废物管理
出口 水体
养分供应与动植物、人体营养和环境有极大的关系
70
60
households
50
40 30 20 10 0 1980s 1990s 2000s
养分环境流量及其相对贡献-N
100% 45 40 Amounts of N losses(Mt) 35 30 25 20 6.1 3.3 14.3 8.6 22.4 24.1 N losses to water N losses to air 15.2 11.7
驱动力 养分流
环境排放增多
能源、资源 开发加剧
外部投入增多（化肥、饲料等）
张福锁等，2006
每个德国人（1991－1995）和中国人（2001） 一生消耗的各类食品
44头猪(22 头) 4.5头牛(0.4 头)
（ 4只 ）
羊
20吨奶及奶制品 （0.8 吨） 930公斤禽肉，16800个鸡蛋 （9846 个）
1.3
Animal Production 18.1
+ 3.1
1.3
Animal Production 21.0
2.0
Crop Production 21 17.3
3.8
5.5
7.5
1.1
+ 11.5
Crop Production 28.9
+ 11.6
Crop Production 40.5
+ 5.6
环境排放增多
能源、资源 开发加剧
外部投入增多（化肥、饲料等）
张福锁等，2006
营养水平提高 动物食品增多 蔬菜、果品增多 中微量营养缺乏
畜牧发展加快 饲料需求增多 畜牧结构调整
大气
畜牧
养分流 动加快
生活水 平提高
家庭消费
食品 衣物
水体
生活废弃物、污 水排放增多 养分循环减少
作物 土壤
粮食面积减少、单产提高 瓜果蔬菜经作面积增加 环境排放增多
养 分 过 量
N S P Fe Mo K Mn Cl Ca B Si Mg Zn
减产、劣质
营养过剩
环境污染
养 分 不 足
产量低下
营养不良
社会贫困
中国将走什么道路？
食物 需求 中国必须考虑食物 需求，定量三者之 间的关系。
欧美国家：
通过限制投入， 减少环境排放。
环境 排放
养分 投入 食物链养分流动金字塔
34%
2
P losses to water 100% 2.83 1.98 51%
1.5
1
0.5 0.73 0.36 0 1980 1990 2000 2010
15%
Hou et al， 2013
养分效率（Nutrient Use Efficiency）的含义 • 特定系统内，反映养分输入与产品或养分 输出定量关系的一个指标 • 养分效率有多种含义和表达方法 • 养分效率是评价养分利用状况和养分效应 的重要指标
+ 0.7
0.8
HouseHold 3.5
+ 0.6
0.9
HouseHold 4.1
+ 0.9
1.5
HouseHold 5.0
0.5
2.3 0.14
2.8 0.17
3.3 0.18 0.15
3.5
Animal Production 7.4
+ 3.6
1.1
Animal Production 11.0
+ 8.1
+ 1.9
0.17
Animal Production 4.0
+ 0.5
0.18
Animal Production 4.5
0.4
Crop Production 21 2.3
0.9
1.2
1.6
0.15
+ 2.1
Crop Production 4.4
+ 2.5
Crop Production 6.9
+ 1.4
+ 0.09
0.06
HouseHold 0.46
+ 0.08
0.08
HouseHold 0.54
+ 0.08
0.13
HouseHold 0.62
0.04
0.33 0.02
0.40 0.02
0.46 0.02
0.02
0.47
Animal Production 1.1
+ 1.0
0.14
Animal Production 2.1
1-2%
食品 消费
人体 吸收
德国 58%
16%
1-2%
35%
65%
49%
8%
16%
27%
水体
2001年消费食物中的养分
1%
养分消耗 氮素：265 kg 磷素： 40 kg
人体保存食用 养分的比例
养分需求 445.5kg 氮素：296.9 kg 磷素：19.6 kg
人体养分量： 4.2 kg 氮素：1.8 kg 磷素：0.6 kg
水体
生活废弃物、污 水排放增多 处理压力加大
作物
养分循环减少
土壤
耕地减少、种植结构调整 粮食面积减少、单产提高 瓜果蔬菜经作面积增加
环境排放增多
驱动力 养分流
环境排放增多
能源、资源 开发加剧
外部投入增多（化肥、饲料等）
张福锁等，2006
主要内容
食物链养分流动评价的重要性 食物链养分流动特征 食物链养分流动的评价
90%
80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%
15
10 5 0
1980
1990
2000
2010
1980
1990 N losses to water
2000 N losses to air
2010
Total N losses to environment in 2010 is nearly 4 times that in 1980
7吨面包 5.5吨马铃薯 3吨水果和蔬菜， 2.6吨糖， 1.2吨植物脂肪 （0.1 吨） 1400升酒， 9700升啤酒 （628 升）
德国数据来自Isermann博士
食物结构改变 动物食品增多 蔬菜、果品增多 中微量营养缺乏
畜牧发展加快 饲料需求增多
大气
畜牧
养分流 动加快
城镇化 发展
家庭消费
食品 衣物
结论与展望
养分流动的评价指标
• • • • • 存量和流量指标 效率指标 效应或效益指标 代价指标 综合指数
指标用来反映养分流动的某种特征，通常用一种 或一组数据来表达
流量指标的比较- 不同年代
Unit: 104 t
1952
2000
1:8
169 351
8 2291
230
1952年
2021 2000年
原因或主导因素
人类需求
资源
环境？土壤？其他？
养分流动的流向
• 食物链养分流动的多向性 • 食物链养分流向的可调性 • 区域食物链养分流动的开放性
大气An1 进出口
R17
驱动
大气An4
大气An2
进出口
R15
大气An3
R19
R18 R6
大气 N2
R9
R14
资源开发 R8 化肥生产
化肥 Fc
R25 农田
第一届全国高产高效现代农业理论与技术培训班 杨凌，2013年7月14-16日
食物链养分流动特征及其评价
马文奇
河北农业大学资源与环境学院
(mawq@)
主要内容
食物链养分流动评价的重要性 食物链养分流动特征 食物链养分流动的评价
结论与展望
食物链养分流动的重要性 • 养分的概念
产品 Cp
R5
R7
直接 加工 Cpf
R3
生产 副产品 Cb
R11
植物 食品 R1 Fp 食品 R2 Ft
R4
R20
人类 消费
能源 Re
R24
R26
其他
R23
饲料 Fe
R12 R10
动物 生产
动物 食品 Fa
R16
R13
R21
R22
水体 Wn1
水体 Wn2
回田
其他
回田
水体
副产品 进出口
回田 水体 Wn4
Ma et al., JEQ,2010
如此复杂系统，如何评价？
刘晓利，2005
主要内容
食物链养分流动评价的重要性 食物链养分流动特征 食物链养分流动的评价
结论与展望
食物链养分流动特征
• • • • • 养分流动的流向 养分流动的流量 养分流动的效率 养分流动的效应与代价 养分流动的驱动力
循环部分 有用部分 输入 副产品部分-利用? 盈余部分（没有利用部分） 方向 数量 流动项之间关系 作用和影响 生产 经济 环境 资源 社会