• ISSN 1008-505X
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基于Nufer模型的京津冀农牧系统氮素平衡状况与化学氮肥减施潜力分析

黄少辉 杨云马 侯亮 刘迎夏 宋大利 杨军芳 何萍 贾良良

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基于Nufer模型的京津冀农牧系统氮素平衡状况与化学氮肥减施潜力分析

    作者简介: 黄少辉 E-mail:shaohui1988@sina.com;
    通讯作者: 何萍, E-mail:heping02@caas.cn ; 贾良良, E-mail:jiall@cau.edu.cn
  • 基金项目: 国家重点研发计划 (2018YFD0200608,2016YFD0200105);河北省青年创新团队项目 (F17R01)

Nitrogen balance and potential reduction of nitrogen fertilizer input in Beijing-Tianjin-Hebei crop-livestock system based on NUFER model

    Corresponding author: HE Ping, E-mail:heping02@caas.cn ;JIA Liang-liang, E-mail:jiall@cau.edu.cn
  • 摘要:   【目的】   为明确京津冀地区农牧系统氮素流动及平衡特征,解析化学氮肥减施潜力,从而为该地区化肥零增长和农业绿色发展提供依据。   【方法】   通过收集文献数据及2017年统计数据,采用Nufer (nutrient flows in food chain, environment and resources use) 模型,以“农田-畜牧”系统为研究对象,量化京津冀地区农牧系统氮素流动特征及利用效率,并针对输入输出平衡施氮和增加畜禽粪便还田量以替代化肥两种措施,通过情景分析评估该地区化学氮肥减施潜力。   【结果】   京津冀地区农田系统和畜牧系统氮素输入量分别为296.1和133.6万t,农牧系统氮素总体输入量为306.6万t,其中化学氮肥是最大的输入项,占总输入量的62.5%。农田系统、畜牧系统氮素利用率分别为40.6%和25.0%,农牧系统整体氮素利用率为33.8%,农牧系统氮素循环再利用率为55.2%,生产单位氮含量食物产品所需氮素投入量为3.0 kg/kg。该地区中,土壤氮素累积量为51.2万吨 (占总输入量的16.7%),环境排放总量为140.4万t (占总输入量的45.8%)。环境排放中,氨挥发 (包括农田和畜禽粪便氨挥发)、畜禽粪便水体排放与堆置为占比最大的两种损失途径,分别占总氮投入量的21.0%和9.5%。氮素土壤累积和畜禽粪便水体排放与堆置为两种最易调控的损失途径。通过输入输出平衡降低氮素土壤累积量,此地区有40%的氮肥减施潜力,此时,农牧系统氮素总投入量为230.0万t,农田和农牧系统氮素利用率分别较当前增加14.1和11.3个百分点;继续优化氮素管理,增加部分畜禽粪便还田量 (减少水体排放与堆置部分) 以替代化肥,此地区有50%的氮肥减施潜力,且在此状态下,农牧系统氮素总投入量为210.8万t,较当前降低31.2%,农田系统和农牧系统氮素利用率分别增加15.3和15.4个百分点,氮素环境排放量降低36.2%,氮素循环再利用率增加20.0%,食物氮代价降低33.3%。   【结论】   化学氮肥施用量大,农牧分离是京津冀地区农牧系统氮素利用效率低的主要原因。在农牧系统氮素管理中,平衡作物生产中的氮素投入,系统氮素投入的减少潜力有40%。如果能进一步合理利用有机资源,增加畜禽粪便还田率,化学氮肥减施的总潜力可在50%以上,且可提高氮素利用效率,有效降低氮素的环境排放总量。
  • 图 1  农牧系统边界及氮素流动示意图

    Figure 1.  Diagram of crop-livestock system boundary and the nitrogen flow

    图 2  不同情景下农牧系统环境排放量与比例

    Figure 2.  Nitrogen emission rate and proportion of crop-livestock system under different scenarios

    表 1  京津冀地区氮素资源量与需求量

    Table 1.  Nitrogen resources and demand in Beijing-Tianjin-Hebei region

    项目
    Item
    河北
    Hebei
    天津
    Tianjin
    北京
    Beijing
    京津冀
    Whole region
    资源量 Resources (× 104 t)
    化肥 Fertilizer177.39.25.1191.6
    秸秆 Straw38.31.70.340.4
    畜禽粪便 Manure83.65.53.392.3
    总计 Total299.216.48.7324.3
    需求量 Demand (× 104 t)
    植物生产 Plant production151.37.51.8160.5
    动物生产 Animal production36.23.12.041.3
    人口消费 Human consumption28.66.57.242.2
    比例 Proportion (%)
    资源 Resources92.35.12.7100.0
    人口消费 Human consumption67.815.417.1100.0
    注(Note):植物生产需求量是籽粒氮携出量与秸秆氮携出量之和,动物生产是动物产品氮携出量和动物其他部分氮携出量之和,人口消费需求量是人均消费量 (包括动物产品消费与植物产品消费) 乘以人口数量 Plant production demand refer to the sum of grain N and straw N. Animal production refer to the sum of animal product N and animal other parts N. Population consumption demand is the per capita consumption (including consumption of animal products and plant products) multiplied by the population; 资源比例与人口消费比例是指三地区各自占京津冀地区总资源量和人口消费量的比例 Proportions of resource and human consumption refer to the proportions of each region accounting for the total resources and human consumption of the whole region.
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    表 2  京津冀农田系统氮素流动与平衡

    Table 2.  Nitrogen flow and balance of cropping system in Beijing-Tianjin-Hebei region

    项目
    Item
    河北
    Hebei
    天津
    Tianjin
    北京
    Beijing
    京津冀
    Whole region
    输入 Input (× 104t)
    化肥 Fertilizer177.39.25.1191.6
    畜禽粪便 Manure33.02.21.236.4
    还田秸秆 Returned straw18.00.80.218.9
    沉降 Deposition31.91.80.534.1
    生物固氮 Biological N fixation14.20.70.215.1
    合计 Total274.414.77.1296.1
    输出 Output (× 104t)
    籽粒 Grain112.95.71.5120.1
    秸秆 Straw38.31.70.340.4
    氨挥发 NH334.91.91.137.8
    氧化亚氮 N2O3.40.20.13.7
    淋溶 Leaching25.01.30.727.0
    径流与侵蚀 Runoff and erosion6.30.30.26.8
    反硝化 Denitrification8.00.50.59.0
    土壤累积 Accumulation45.53.02.751.2
    合计 Total274.414.77.1296.1
    农田系统氮素
    利用效率 NUEc (%)
    41.238.920.740.6
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    表 3  京津冀畜牧系统氮素养分流动与平衡

    Table 3.  Nitrogen flow and balance of livestock system in Beijing-Tianjin-Hebei region

    项目
    Item
    河北
    Hebei
    天津
    Tianjin
    北京
    Beijing
    京津冀
    Whole region
    输入 Input (× 104 t)
    籽粒 Grain47.12.30.449.9
    秸秆 Straw17.00.80.117.9
    饲料外地输入 Feed import55.65.54.765.8
    合计 Total119.78.65.3133.6
    输出 Output (× 104 t)
    动物产品 Animal products29.12.51.833.4
    其他部分 Other parts7.10.50.37.9
    畜禽粪便总量 Total manure83.65.53.392.3
    氨挥发 NH3 volatilization24.01.71.026.7
    水体排放与堆置
    via water and manure stacking
    26.51.71.029.3
    还田 Returning to field33.02.21.236.4
    合计 Total119.78.65.3133.6
    畜牧系统氮素
    利用效率 NUEl (%)
    24.329.733.425.0
    注(Note):动物产品是指肉、蛋、奶等主产品 Animal products refer to main products such as meat, eggs and milk; 其他部分是指骨头、皮毛等不可食用部分 other parts refer to inedible parts such as bones and fur.
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    表 4  京津冀农牧系统氮素养分流动与平衡

    Table 4.  Nitrogen flow and balance of crop-livestock system in Beijing-Tianjin-Hebei region

    项目 Item河北 Hebei天津 Tianjin北京 Beijing京津冀 Whole region
    输入 Input (× 104t)
    化肥 Fertilizer177.39.25.1191.6
    沉降 Deposition31.91.80.534.1
    生物固氮 Biological N fixation14.20.70.215.1
    饲料外地输入 Feed import55.65.54.765.8
    合计 Total279.017.210.4306.6
    输出 Output (× 104t)
    植物产品 Plant products65.83.41.070.2
    动物产品 Animal products29.12.51.833.4
    土壤累积 Accumulation45.53.02.751.2
    农田氨挥发 NH3-farmland34.91.91.137.8
    农田氧化亚氮 N2O-farmland3.40.20.13.7
    农田淋溶 Leaching-farmland25.01.30.727.0
    农田径流和侵蚀 Runoff and erosion-farmland6.30.30.26.8
    农田反硝化 Denitrification-farmland8.00.50.59.0
    畜禽粪便氨挥发 NH3-livestock manure24.01.71.026.7
    畜禽粪便水体排放与堆置 Into water and stack- livestock manure26.51.71.029.3
    其他部分 Other parts10.50.70.311.4
    合计 Total279.017.210.4306.6
    农牧系统氮素利用效率 NUEc+l (%)34.034.626.833.8
    农牧系统氮素循环再利用率 NRR (%)55.851.742.955.2
    食物氮代价 NCf (kg/kg)2.92.93.73.0
    注(Note):其余部分包括植物生产的籽粒和秸秆在存放和运输过程的损失,和动物生产中的动物骨头、皮毛等部分 The other parts include the loss of seeds and straw produced by plants during storage and transportation, and animal bones and fur in animal production process.
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    表 5  京津冀农牧系统氮素环境排放量和百分比

    Table 5.  Nitrogen environmental emissions of crop-livestock system in Beijing-Tianjin-Hebei region

    项目 Item河北 Hebei天津 Tianjin北京 Beijing京津冀 Whole region
    (× 104 t)(%)(× 104 t)(%)(× 104 t)(%)(× 104 t)(%)
    农田 Farmland
    氨挥发 NH3 volatilization34.912.51.911.11.110.337.812.3
    氧化亚氮 N2O emission3.41.20.21.10.11.03.71.2
    淋溶 Leaching25.09.01.37.50.76.927.08.8
    径流和侵蚀 Runoff and erosion6.32.30.32.00.21.86.82.2
    反硝化 Denitrification8.02.90.53.10.54.69.02.9
    畜牧业 Livestock
    氨挥发 NH3 volatilization24.08.61.79.61.09.626.78.7
    畜牧水体排放和堆置 Into water and stack-livestock26.59.51.79.91.09.929.39.5
    合计 Total128.245.97.644.34.644.0140.445.8
    注(Note):百分比是指相应损失途径氮素损失量占系统总输入量的百分数 Percentage refers to the percentage of corresponding nitrogen loss to the total N input of the system.
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    表 6  京津冀农牧系统氮素流动情景分析

    Table 6.  Scenario analysis of nitrogen flow of crop-livestock system in Beijing-Tianjin-Hebei region

    项目 ItemS0-currentS1-N20S2-N30S3-N40S4-N50S5-N40+MS6-N50+MS7-N60+M
    化肥 Fertilizer (× 104 t)191.6153.3134.1115.095.8115.095.876.6
    畜禽粪便 Manure (× 104 t)36.436.436.436.436.451.151.151.1
    饲料外地输入 Feed import (× 104 t)133.6133.6133.6133.6133.6133.6133.6133.6
    农牧系统总投入 Total input (× 104 t)306.6268.3249.2230.0210.8230.0210.8191.7
    土壤累积 Soil accumulation (× 104 t)51.229.618.98.1–2.716.96.2–4.6
    NUEc (%)40.646.650.354.760.051.355.961.3
    NUEl (%)25.025.025.025.025.025.025.025.0
    NUEc+l (%)33.838.641.645.149.245.149.254.1
    NRR (%)55.255.255.255.255.266.266.266.2
    NCf (kg/kg)3.02.62.42.22.02.22.01.8
    环境排放 N emission (× 104 t)140.4123.6115.2106.898.498.089.681.2
    环境排放占投入总量比例 (%)
    Percentage of N emission
    45.846.146.246.446.742.642.542.4
    注(Note):S0-cur—当前状况 Current situation; S1-N20—化肥氮减施 20% Reducing chemical N input by 20%; S2-N30—化肥氮减施 30% Reducing chemical N input by 30%; S3-N40—化肥氮减施 40% Reducing chemical N input by 40%; S4-N50—化肥氮减施 50% Reducing chemical N input by 50%; S5-N40+M—化肥氮减施 40% 增施有机肥 N 50%Reducing chemical N input by 40% and increasing manure N by 50%; S6-N50+M—化肥氮减施 50% 增施有机肥 N 50% Reducing chemical N input by 50% and increasing manure N by 50%; S7-N60+M—化肥氮减施 60% 增施有机肥 N50% Reducing chemical N input by 50% and increasing manure N by 50%.
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-06-17

基于Nufer模型的京津冀农牧系统氮素平衡状况与化学氮肥减施潜力分析

    作者简介:黄少辉 E-mail:shaohui1988@sina.com
    通讯作者: 何萍, heping02@caas.cn
    通讯作者: 贾良良, jiall@cau.edu.cn
  • 1. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,北京 100081
  • 2. 河北省农林科学院农业资源环境研究所河北省肥料技术创新中心,石家庄 050051
  • 3. 河北省农林科学院农业信息与经济研究所,石家庄 050051
  • 基金项目: 国家重点研发计划 (2018YFD0200608,2016YFD0200105);河北省青年创新团队项目 (F17R01)
  • 摘要:    【目的】   为明确京津冀地区农牧系统氮素流动及平衡特征,解析化学氮肥减施潜力,从而为该地区化肥零增长和农业绿色发展提供依据。   【方法】   通过收集文献数据及2017年统计数据,采用Nufer (nutrient flows in food chain, environment and resources use) 模型,以“农田-畜牧”系统为研究对象,量化京津冀地区农牧系统氮素流动特征及利用效率,并针对输入输出平衡施氮和增加畜禽粪便还田量以替代化肥两种措施,通过情景分析评估该地区化学氮肥减施潜力。   【结果】   京津冀地区农田系统和畜牧系统氮素输入量分别为296.1和133.6万t,农牧系统氮素总体输入量为306.6万t,其中化学氮肥是最大的输入项,占总输入量的62.5%。农田系统、畜牧系统氮素利用率分别为40.6%和25.0%,农牧系统整体氮素利用率为33.8%,农牧系统氮素循环再利用率为55.2%,生产单位氮含量食物产品所需氮素投入量为3.0 kg/kg。该地区中,土壤氮素累积量为51.2万吨 (占总输入量的16.7%),环境排放总量为140.4万t (占总输入量的45.8%)。环境排放中,氨挥发 (包括农田和畜禽粪便氨挥发)、畜禽粪便水体排放与堆置为占比最大的两种损失途径,分别占总氮投入量的21.0%和9.5%。氮素土壤累积和畜禽粪便水体排放与堆置为两种最易调控的损失途径。通过输入输出平衡降低氮素土壤累积量,此地区有40%的氮肥减施潜力,此时,农牧系统氮素总投入量为230.0万t,农田和农牧系统氮素利用率分别较当前增加14.1和11.3个百分点;继续优化氮素管理,增加部分畜禽粪便还田量 (减少水体排放与堆置部分) 以替代化肥,此地区有50%的氮肥减施潜力,且在此状态下,农牧系统氮素总投入量为210.8万t,较当前降低31.2%,农田系统和农牧系统氮素利用率分别增加15.3和15.4个百分点,氮素环境排放量降低36.2%,氮素循环再利用率增加20.0%,食物氮代价降低33.3%。   【结论】   化学氮肥施用量大,农牧分离是京津冀地区农牧系统氮素利用效率低的主要原因。在农牧系统氮素管理中,平衡作物生产中的氮素投入,系统氮素投入的减少潜力有40%。如果能进一步合理利用有机资源,增加畜禽粪便还田率,化学氮肥减施的总潜力可在50%以上,且可提高氮素利用效率,有效降低氮素的环境排放总量。

    English Abstract

    • 氮素作物生长和产量形成的必需营养元素[1]。近二十年来我国化学氮肥用量连续升高,当前我国氮肥消耗量占全世界氮肥用量的30%左右[2],高量的氮肥投入,不仅造成了资源的浪费,同时带来了一系列的环境问题,如温室气体排放、氨挥发、地下水硝酸盐污染、水体富营养化等[3-5]。与此同时,我国畜牧业也蓬勃发展,但由于我国农牧分离的现状,畜禽粪便等有机资源未得到充分利用,造成了更多的环境污染[6]。众多学者认为,有效利用有机资源,农牧结合是我国氮肥减施增效的重要措施之一[7-9]。2015年以来,我国先后发布《到2020 年化肥使用量零增长行动方案》,《国务院办公厅关于加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用的意见》,《畜禽粪污资源化利用行动方案 (2017—2020 年)》等行动方案,倡导构建种养一体化循环发展机制,提高畜禽粪便利用率,走农业绿色发展道路。因此,将农牧系统作为一个整体,定量分析农牧系统氮素流动途径,是氮素资源高效利用和综合管理的重要内容。

      目前,国外对农牧系统氮素循环和环境排放的研究较多,其中以物质流分析[10](Material flow analysis,MFA) 应用最广,它根据质量守恒定律,在一定时间和空间范围内对特定系统的物质及养分流动和贮存进行系统性分析,定量其在各个环节的转化和移动过程,如Isermann等[11]利用物质流分析计算了德国“作物-畜禽-家庭-污水垃圾处理”系统氮素流动帐户,分析了不同营养需求下德国氮素平衡的前景。Ma等[12]利用物质流方法建立了Nufer模型 (Nutrient flows in food chain,environment and resources use),在全国尺度上定量了食物链和农牧系统氮素平衡、环境排放、利用效率以及流动特征。此后,佟丙辛等[9]、张建杰等[13]、张晓萌等[14]利用Nufer模型定量了河北、山西和东北三省农牧系统氮素流动特征,证明Nufer模型在我国区域尺度具有良好的适用性,也提出了提高有机肥还田率,农牧结合等提高区域氮素利用效率的措施。

      氮素输入输出平衡 (平衡施氮) 是研究化肥减施潜力的主要方法之一,如米国华等[15]通过此方法计算出东北地区氮肥节约潜力为9~25 kg/hm2,赵亚南等[16]的研究也表明通过平衡施氮原则河南地区小麦节氮潜力为16.4%~36.7%,玉米节氮潜力为30.0%。平衡施氮可降低土壤氮素盈余,降低环境损失。此外,有机替代也是重要的化学氮肥减施措施,宋大利等[17]研究表明我国畜禽粪便全量还田理论上可减少氮肥37.3%;耿维等[18]对安徽畜牧养殖产生的畜禽粪便进行分析,表明其替代化肥潜力为21.8%。农牧系统中可通过平衡施氮和有机替代综合应该更大限度地降低氮肥施用量,Jin等[19]研究表明,通过对综合应用这两种措施,我国氮肥可减施50%以上。当前对京津冀地区氮素养分流动的研究较少,且节肥潜力的研究也均未考虑对“农田–畜牧”整体系统的影响。

      京津冀地区是除长三角和珠三角外的第三大经济、政治、交通、文化、科技一体化发展区域,该区域人口密集,养殖业密度大,环境质量要求高,生态压力大[20]。该区域农牧系统整体氮素流动情况、氮肥减施潜力、活性氮减排潜力还不明确,对其研究具有重要的现实意义。本文以京津冀地区农牧系统为研究对象,采用Nufer模型建立氮素账户,定量其流动途径和利用效率,并设置情景分析,探讨平衡施氮 (减少土壤氮盈余和累积) 和有机替代 (增加部分有机肥还田量以替代化学氮肥) 措施下化学氮肥的减施潜力,为该地区实现化肥零增长和种养结合提供科学依据。

      • 京津冀地区 (113°27′~119°50′E,36°05′~42°40′N),是我国重要集约化种植区和养殖区。该区域包括北京市、天津市以及河北省三个行政区,土地面积为21.6万 km2,约占全国的2.7%,人口达1.1亿;耕地面积6.54万km2,约占区域总面积的30%,该地区是全国范围内较为集中的肉类消费区和畜禽养殖区,畜禽存栏总量约占全国6.9%,养殖率明显高于全国平均水平[21-22]。2015年4月30日中共中央政治局通过了《京津冀协同发展规划纲要》,提出京津冀一体化协同发展,要求三地在经济、文化、环境等方面协同治理、共同进步。该区域作为未来中国区域发展“三大战略”之一,在中国社会经济发展中具有重要的战略地位。

      • Nufer(Nutrient flows in food chain,environment and resources use) 模型是国家和区域尺度的食物链系统氮磷流动模型[12],该模型基于“土壤-作物-畜禽-食物消费”4个系统,计算各系统间及系统内氮磷流动量、利用率及环境损失量。本研究以京津冀地区“农田-畜牧”生产系统为研究边界,研究系统氮素输入、输出状况及氮素养分在系统内和系统间流动情况 (图1)。

        图  1  农牧系统边界及氮素流动示意图

        Figure 1.  Diagram of crop-livestock system boundary and the nitrogen flow

      • 系统氮素输入项包括化肥、沉降、生物固氮和饲料等的输入,输出项中有流出系统的供人食用的植物产品、动物产品中所含氮素,环境排放损失的氮素 (包括氨挥发,反硝化脱氮过程的 N2O、N2排放等损失,通过淋溶、地表径流与土壤侵蚀等途径进入到水体,也包括畜禽粪便直接排入水体或闲置的损失),及其他部分 (包括植物生产的籽粒和秸秆在存放和运输过程的损失,和动物生产中的动物骨头、皮毛等部分)。在系统内部,涉及到氮素在农田和畜牧两个子系统的内部循环,主要包括秸秆还田、植物籽粒和秸秆作为饲料进入畜牧系统、畜禽粪便还田等。

      • 农田系统氮素输入量 = 化肥 + 畜禽粪便还田 + 秸秆还田 + 沉降 + 生物固氮。其中,畜禽粪便还田量 = 畜禽排泄量 − 畜禽损失量 (包括氨挥发、水体排放与堆置,见畜牧系统);秸秆还田量 = 秸秆氮素携出量 × 还田比例;沉降量 = 耕地面积 × 单位面积年沉降量;生物固氮 = 粮食作物与豆科作物面积 × 单位面积年固氮量。

        农田系统氮素输出量 = 籽粒氮携出量 + 秸秆氮携出量 + 氨挥发 + 氧化亚氮 + 淋溶 + 径流和侵蚀 + 反硝化氮气 + 土壤累积。其中,籽粒氮量 = 年产量 × 氮含量;秸秆氮量 = 年籽粒产量 × 谷草比 × 氮含量;环境排放量 = 化肥 × 排放系数 + 畜禽粪便还田量 × 排放系数 (以不同的排放形态分别计算,如氨挥发、氧化亚氮、淋溶等);土壤累积量 = 输入量− 籽粒 − 秸秆 − 环境排放。

      • 畜牧系统氮素输入量 = 籽粒氮素投入量 + 秸秆氮素投入量 + 外地输入饲料氮素量。其中,籽粒氮素投入量 = 农田籽粒氮素量 × 饲用比例;秸秆 = 农田秸秆氮量 × 饲用比例;外地输入饲料氮素量 = 本地畜禽氮素输入量 (需求量) − 籽粒氮素投入量 − 秸秆氮素投入量。

        畜牧系统氮素输出量 = 动物产品氮素携出量 + 畜禽粪便氮素携出量 + 动物其他部分氮素携出量。其中,动物产品氮素携出量 = 动物产品产量 × 氮含量;畜禽粪便氮素携出量 = 畜禽量 × 排泄量 × 排泄物氮含量;动物其他部分氮素携出量 = 畜禽量 × 畜禽骨头和皮毛氮含量。

      • 本研究所用京津冀地区数据 (化肥投入量、农作物播种面积、畜牧业各类动物存栏和出栏量、农作物产量、肉蛋奶产量、人口数量、食物人均消费量等) 均来源于“河北省2018年经济统计年鉴”、“天津市2018年经济统计年鉴”、“北京市2018年经济统计年鉴”和国家统计局数据网站 (http://data.stats.gov.cn/index.htm)。化肥氮素投入中,复合肥按N∶P2O5∶K2O=1∶1∶1的比例计算氮量[23];地区氮沉降量参考尹兴等[24]的研究;谷物和豆科作物固氮量参考李贞宇等[25]的研究;作物籽粒和秸秆含氮量参考马林[26]的研究,作物秸秆谷草比参考牛新胜等[6]的研究,粮食作物籽粒用途比例根据FAO(Food and Agriculture Organization of the United Nations,http://www.fao.org/home/en/) 统计数据确定,秸秆利用比例根据高利伟等[27]的研究确定,化肥不同氮素损失系数根据胡春胜等[5]的研究确定,各畜禽种类的产物系数和氮素含量根据耿维等[18]的研究确定,畜禽粪便还田、生产、存储氮素损失系数根据侯勇等[28]的研究确定,畜禽粪便还田比例根据宋大利等[17]的研究确定。其他所需参数来源于Nufer模型[12,26,29]

      • 运行Nufer模型,查看农田系统、畜牧系统和农牧系统养分流动方向与流动量。将土壤累积、畜禽粪便水体排放与堆置这两种最容易调控的途径作为主要调控对象,减少化学氮肥投入,计算化学氮肥减施潜力。

        从降低化肥氮投入20%(S1-N20) 开始,以10%为一个阶段,逐级降低化肥氮投入 (S2-N30、S3-N40),至土壤累积氮出现亏缺 (S4-N50),根据平衡施氮原则[30-31],即氮肥投入量计算中不能长期耗竭土壤养分,则上一个减氮量为当前减排潜力。再将畜禽粪便水体排放和推置量的1/2增加至还田畜禽粪便中 (S5-N40+M),以增加有机替代比例,后续减少化肥氮投入直至至出现亏缺 (S6-N50+M,S7-N60+M),从而得出减氮潜力。

      • 本研究设置以下评价指标[12,28]

        农田系统氮素利用率 (NUEc,%) = 作物籽粒氮素量/农田输入氮素量 × 100;

        畜牧系统氮素利用率 (NUEl,%) = 动物产品氮素量/畜牧体系输入氮素量 × 100;

        农牧系统氮素利用率 (NUEc+l,%) = (植物产品氮素量+动物产品氮素量)/农牧系统总输入氮素量 × 100;

        氮素养分循环再利用率 (NRR,%) = (作物秸秆还田氮素量 + 作物秸秆作饲料量氮素量 + 畜禽粪便还田氮素量)/(作物秸秆收获氮素量+畜禽粪便产生氮素量) × 100;

        食物氮代价 (NCf,kg/kg) = 农牧系统总输入氮素量/(植物产品氮素量 + 动物产品氮素量)。

      • 京津冀地区氮素资源量如表1所示,资源总量为324.3万t,其中化肥、秸秆和畜禽粪便所占比例分别为59.1%、12.5%和28.5%。河北地区资源最多占总资源92.3%、天津占5.1%、北京占2.7%。并且,三种资源分别占当地资源总量百分比有所差异,其中化肥资源由高到低为河北 (59.3%) > 北京 (58.5%) > 天津 (55.7%),秸秆资源为河北 (12.8%) > 天津 (10.6%) > 北京 (3.8%),畜禽粪便为北京 (37.6%) > 天津 (33.7%) > 河北 (27.9%)。京津冀地区氮素需求量分别为植物生产160.5万t,动物生产41.3万t,人口消费42.2万t,三类需求量均以河北最高,但三个地区资源量和需求量占京津冀总资源量和需求量的比例并不匹配,北京和天津需求比例高于资源比例,河北需求比例低于资源比例,河北动植物产品存在外输北京和天津的现象。在农牧生产体系中三种需求量存在交互关系,以最大的植物生产来看,京津冀地区氮素资源量高于需求量,该地区氮素资源可以满足地区需求量,并且有很大节约潜力。

        表 1  京津冀地区氮素资源量与需求量

        Table 1.  Nitrogen resources and demand in Beijing-Tianjin-Hebei region

        项目
        Item
        河北
        Hebei
        天津
        Tianjin
        北京
        Beijing
        京津冀
        Whole region
        资源量 Resources (× 104 t)
        化肥 Fertilizer177.39.25.1191.6
        秸秆 Straw38.31.70.340.4
        畜禽粪便 Manure83.65.53.392.3
        总计 Total299.216.48.7324.3
        需求量 Demand (× 104 t)
        植物生产 Plant production151.37.51.8160.5
        动物生产 Animal production36.23.12.041.3
        人口消费 Human consumption28.66.57.242.2
        比例 Proportion (%)
        资源 Resources92.35.12.7100.0
        人口消费 Human consumption67.815.417.1100.0
        注(Note):植物生产需求量是籽粒氮携出量与秸秆氮携出量之和,动物生产是动物产品氮携出量和动物其他部分氮携出量之和,人口消费需求量是人均消费量 (包括动物产品消费与植物产品消费) 乘以人口数量 Plant production demand refer to the sum of grain N and straw N. Animal production refer to the sum of animal product N and animal other parts N. Population consumption demand is the per capita consumption (including consumption of animal products and plant products) multiplied by the population; 资源比例与人口消费比例是指三地区各自占京津冀地区总资源量和人口消费量的比例 Proportions of resource and human consumption refer to the proportions of each region accounting for the total resources and human consumption of the whole region.
      • 京津冀地区农田系统氮素输入总量为296.1万t,河北、天津、北京分别为274.4、14.7、7.1万t,占总量的92.6%、5.0%、2.4%(表2)。三个地区总输入量中大部分氮素来自化肥,化肥氮素投入占总输入量的64.7%。其次为畜禽粪便和沉降,分别为12.3%和11.5%。输出项中除籽粒和秸秆外,土壤累积和氨挥发是最大的输出项,分别占输出总量的17.3%和12.8%。各地区中土壤累积、氨挥发、氧化亚氮排放、淋溶、径流与侵蚀、反硝化占比最高的地区均为北京,分别占该地区总输出量的38.6%、15.1%、1.4%、10.1%、2.7%、6.8%,且土壤累积量所占比例高于籽粒。农田系统氮素利用效率 (NUEc) 由高到底为河北 (41.2%) > 天津 (38.9%) > 北京 (20.7%),京津冀地区总体NUEc为40.6%。

        表 2  京津冀农田系统氮素流动与平衡

        Table 2.  Nitrogen flow and balance of cropping system in Beijing-Tianjin-Hebei region

        项目
        Item
        河北
        Hebei
        天津
        Tianjin
        北京
        Beijing
        京津冀
        Whole region
        输入 Input (× 104t)
        化肥 Fertilizer177.39.25.1191.6
        畜禽粪便 Manure33.02.21.236.4
        还田秸秆 Returned straw18.00.80.218.9
        沉降 Deposition31.91.80.534.1
        生物固氮 Biological N fixation14.20.70.215.1
        合计 Total274.414.77.1296.1
        输出 Output (× 104t)
        籽粒 Grain112.95.71.5120.1
        秸秆 Straw38.31.70.340.4
        氨挥发 NH334.91.91.137.8
        氧化亚氮 N2O3.40.20.13.7
        淋溶 Leaching25.01.30.727.0
        径流与侵蚀 Runoff and erosion6.30.30.26.8
        反硝化 Denitrification8.00.50.59.0
        土壤累积 Accumulation45.53.02.751.2
        合计 Total274.414.77.1296.1
        农田系统氮素
        利用效率 NUEc (%)
        41.238.920.740.6
      • 京津冀地区畜牧系统氮素投入总量为133.6万t,河北、天津、北京分别为119.7、8.6、5.3万t(表3);氮素输入项中饲料外地输入占比最大 (49.3%),其在三个地区中分别占总量的46.5%、64.0%和88.9%;籽粒饲料和秸秆饲料的氮占总输入量的37.3%和13.4%。京津冀地区畜牧系统输出中,畜禽粪便是最大输出项,为92.3万t,占总量的69.1%,且畜禽粪便中氨挥发、进入水体和堆置、还田三种途径分别占总输出量的19.9%、21.9%和27.3%;动物产品 (肉蛋奶) 是第二大输出项,以动物产品输出氮素占总输入量定义的畜牧系统氮素利用效率 (NUEl) 最高为北京 (33.4%),其次为天津 (29.7%) 和河北 (24.3%),京津冀地区整体为25.0%。

        表 3  京津冀畜牧系统氮素养分流动与平衡

        Table 3.  Nitrogen flow and balance of livestock system in Beijing-Tianjin-Hebei region

        项目
        Item
        河北
        Hebei
        天津
        Tianjin
        北京
        Beijing
        京津冀
        Whole region
        输入 Input (× 104 t)
        籽粒 Grain47.12.30.449.9
        秸秆 Straw17.00.80.117.9
        饲料外地输入 Feed import55.65.54.765.8
        合计 Total119.78.65.3133.6
        输出 Output (× 104 t)
        动物产品 Animal products29.12.51.833.4
        其他部分 Other parts7.10.50.37.9
        畜禽粪便总量 Total manure83.65.53.392.3
        氨挥发 NH3 volatilization24.01.71.026.7
        水体排放与堆置
        via water and manure stacking
        26.51.71.029.3
        还田 Returning to field33.02.21.236.4
        合计 Total119.78.65.3133.6
        畜牧系统氮素
        利用效率 NUEl (%)
        24.329.733.425.0
        注(Note):动物产品是指肉、蛋、奶等主产品 Animal products refer to main products such as meat, eggs and milk; 其他部分是指骨头、皮毛等不可食用部分 other parts refer to inedible parts such as bones and fur.
      • 京津冀地区农牧系统氮素投入总量为306.6万t,河北、天津、北京分别为279.0、17.2、10.4万t,占总量的91.0%、5.6%、3.4% (表4)。三个地区农牧系统氮素输入中以化肥占比最高,为62.5%,其次为饲料外地输入,占21.5%,沉降和生物固氮占总输入11.1%和4.9%。输出项中植物产品、土壤累积、农田氨挥发和动物产品是主要的输出项,分别为70.2、51.2、37.8和33.4万t,占总输出的22.9%、16.7%、12.3%和10.9%。各地区各输出项占当地总输入量的比例中,动物产品、土壤累积、农田反硝化、畜牧氨挥发、畜牧水体排放与堆置以北京地区最高,其余输出项以河北地区最高,天津处于中间位置。农牧系统氮素利用效率 (NUEf+l) 由高到低为天津 (34.6%) > 河北 (34.0%) > 北京 (26.8%),京津冀地区为33.8%。秸秆与畜禽粪便的循环再利用率 (NRR) 以河北地区最高,为55.8%,其次天津,为51.7%,北京为42.9%,京津冀地区整体为55.2%。食物氮代价 (NCf) 由高到低为北京、河北、天津,分别为3.7、2.9、2.9 kg/kg,京津冀地区整体为3.0 kg/kg。

        表 4  京津冀农牧系统氮素养分流动与平衡

        Table 4.  Nitrogen flow and balance of crop-livestock system in Beijing-Tianjin-Hebei region

        项目 Item河北 Hebei天津 Tianjin北京 Beijing京津冀 Whole region
        输入 Input (× 104t)
        化肥 Fertilizer177.39.25.1191.6
        沉降 Deposition31.91.80.534.1
        生物固氮 Biological N fixation14.20.70.215.1
        饲料外地输入 Feed import55.65.54.765.8
        合计 Total279.017.210.4306.6
        输出 Output (× 104t)
        植物产品 Plant products65.83.41.070.2
        动物产品 Animal products29.12.51.833.4
        土壤累积 Accumulation45.53.02.751.2
        农田氨挥发 NH3-farmland34.91.91.137.8
        农田氧化亚氮 N2O-farmland3.40.20.13.7
        农田淋溶 Leaching-farmland25.01.30.727.0
        农田径流和侵蚀 Runoff and erosion-farmland6.30.30.26.8
        农田反硝化 Denitrification-farmland8.00.50.59.0
        畜禽粪便氨挥发 NH3-livestock manure24.01.71.026.7
        畜禽粪便水体排放与堆置 Into water and stack- livestock manure26.51.71.029.3
        其他部分 Other parts10.50.70.311.4
        合计 Total279.017.210.4306.6
        农牧系统氮素利用效率 NUEc+l (%)34.034.626.833.8
        农牧系统氮素循环再利用率 NRR (%)55.851.742.955.2
        食物氮代价 NCf (kg/kg)2.92.93.73.0
        注(Note):其余部分包括植物生产的籽粒和秸秆在存放和运输过程的损失,和动物生产中的动物骨头、皮毛等部分 The other parts include the loss of seeds and straw produced by plants during storage and transportation, and animal bones and fur in animal production process.

        京津冀地区农牧系统环境排放量和百分比如表5所示,环境排放总量为140.4万t,占系统总输出量的45.8%,河北、天津、北京环境排放量分别为128.2、7.6、4.6万t,分别占各地区系统总输出量的45.9%、44.3%、44.0%。其中损失量最大为氨挥发 (包括农田与畜牧氨挥发),京津冀地区合计64.5万t,占总输出量的21.0%,其次为畜牧水体排放与堆置,排放量29.3万t,排放率9.5%。各地区中也均以氨挥发与畜牧水体排放与堆置排放百分比最高。

        表 5  京津冀农牧系统氮素环境排放量和百分比

        Table 5.  Nitrogen environmental emissions of crop-livestock system in Beijing-Tianjin-Hebei region

        项目 Item河北 Hebei天津 Tianjin北京 Beijing京津冀 Whole region
        (× 104 t)(%)(× 104 t)(%)(× 104 t)(%)(× 104 t)(%)
        农田 Farmland
        氨挥发 NH3 volatilization34.912.51.911.11.110.337.812.3
        氧化亚氮 N2O emission3.41.20.21.10.11.03.71.2
        淋溶 Leaching25.09.01.37.50.76.927.08.8
        径流和侵蚀 Runoff and erosion6.32.30.32.00.21.86.82.2
        反硝化 Denitrification8.02.90.53.10.54.69.02.9
        畜牧业 Livestock
        氨挥发 NH3 volatilization24.08.61.79.61.09.626.78.7
        畜牧水体排放和堆置 Into water and stack-livestock26.59.51.79.91.09.929.39.5
        合计 Total128.245.97.644.34.644.0140.445.8
        注(Note):百分比是指相应损失途径氮素损失量占系统总输入量的百分数 Percentage refers to the percentage of corresponding nitrogen loss to the total N input of the system.
      • 不同情景下京津冀地区氮素流动指标结果如表6所示,将化肥氮投入降低20%~40% (S1-N20~S3-N40),农牧系统总投入量也在降低,土壤累积量由当前情况的51.2万t逐渐降至8.1万t,降低幅度为84.2%,化肥投入继续降低至50%时 (S4-N50),土壤氮素出现亏缺现象 (–2.7%),从氮素投入平衡和不损耗土壤养分的角度看,化学氮肥可减施40% (S3-N40)。随氮素投入降低,氮素效率NUEc与NUEc+l逐渐增加,S3-N40情景下这两个效率分别达到54.7%和45.1%,较S0-cur分别增加34.9%和33.3%;食物氮代价和环境排放量逐渐降低,S3-N40情景下分别为2.2 kg/kg和106.8万t,分别较S0降低25.0%和23.9%。在S3-N40基础上,将水体排放与堆置畜禽粪便的1/2还田 (S5-N40+M) 以替代化学氮肥,土壤重新出现累积并且效率降低,即重新出现化肥减施潜力,可继续减施氮肥 (S6-N50+M和S7-N60+M)。其中S7-N60+M情景 (氮肥减施60%) 土壤累积也出现亏缺,因此在增加有机肥还田量替代氮肥情况下氮肥可减施50% (S6-N50+M),在此情景下,NUEc、NUEc+l继续增加至55.9%和49.2%,较S0增加37.7%和45.4%;食物氮代价和环境排放量继续降低至2.0 kg/kg和89.6万t,分别较S0-current降低31.2%和36.2%;氮素循环再利用率 (NRR) 也增加20%。因此,以平衡施氮原则减化学氮肥投入量时,减施潜力为40%,继续增加部分畜禽粪便还田量以替代化学氮肥 (有机替代) 时,减施潜力为50%。

        表 6  京津冀农牧系统氮素流动情景分析

        Table 6.  Scenario analysis of nitrogen flow of crop-livestock system in Beijing-Tianjin-Hebei region

        项目 ItemS0-currentS1-N20S2-N30S3-N40S4-N50S5-N40+MS6-N50+MS7-N60+M
        化肥 Fertilizer (× 104 t)191.6153.3134.1115.095.8115.095.876.6
        畜禽粪便 Manure (× 104 t)36.436.436.436.436.451.151.151.1
        饲料外地输入 Feed import (× 104 t)133.6133.6133.6133.6133.6133.6133.6133.6
        农牧系统总投入 Total input (× 104 t)306.6268.3249.2230.0210.8230.0210.8191.7
        土壤累积 Soil accumulation (× 104 t)51.229.618.98.1–2.716.96.2–4.6
        NUEc (%)40.646.650.354.760.051.355.961.3
        NUEl (%)25.025.025.025.025.025.025.025.0
        NUEc+l (%)33.838.641.645.149.245.149.254.1
        NRR (%)55.255.255.255.255.266.266.266.2
        NCf (kg/kg)3.02.62.42.22.02.22.01.8
        环境排放 N emission (× 104 t)140.4123.6115.2106.898.498.089.681.2
        环境排放占投入总量比例 (%)
        Percentage of N emission
        45.846.146.246.446.742.642.542.4
        注(Note):S0-cur—当前状况 Current situation; S1-N20—化肥氮减施 20% Reducing chemical N input by 20%; S2-N30—化肥氮减施 30% Reducing chemical N input by 30%; S3-N40—化肥氮减施 40% Reducing chemical N input by 40%; S4-N50—化肥氮减施 50% Reducing chemical N input by 50%; S5-N40+M—化肥氮减施 40% 增施有机肥 N 50%Reducing chemical N input by 40% and increasing manure N by 50%; S6-N50+M—化肥氮减施 50% 增施有机肥 N 50% Reducing chemical N input by 50% and increasing manure N by 50%; S7-N60+M—化肥氮减施 60% 增施有机肥 N50% Reducing chemical N input by 50% and increasing manure N by 50%.

        此外各环境排放途径排放量和占比如图2所示,随化肥减施量的增加,各途径氮素排放量随之降低,S3-N40与S0-current相比,降低量最高的为农田氨挥发 (11.5万t),其次为农田淋溶 (10.8万t),降低量分别占其各自途径排放量的30.4%和40%,占环境排放总量的8.2%和7.7%;S6-N50+M与S0-current相比,降低量最高的途径为水体排放或堆置 (14.6万t),其次为农田淋溶 (13.5万t),降低量分别占其各自途径排放量的50.0%和50.0%,占环境排放总量的10.4%和9.6%。

        图  2  不同情景下农牧系统环境排放量与比例

        Figure 2.  Nitrogen emission rate and proportion of crop-livestock system under different scenarios

      • 京津冀地区农田系统氮素输入量为296.1万t,利用率为40.6%;畜牧系统氮素输入量为 133.6万t,利用率为25.0%;农牧系统整体氮素输入量为306.6万t,利用率为33.8%,其低于我国整体农牧系统氮素利用率 (41%)[32]。大量的化学氮肥投入,高外源饲料依赖率和低畜禽粪便还田量是造成利用低的主要原因[9],同时,这与京津冀地区人口氮需求总量大及养分投入量大也有很大关系。高量的氮肥投入及低效率,造成了氮素的环境排放量达140.4万t,占总氮素投入的45.8%,超出欧盟的30%的排放标准[33]。在环境排放中,氨挥发 (包括农田氨挥发与畜禽饲养阶段的氨挥发) 占较大比例,为21.0%,对总排放量贡献46%,这与马林[26]在全国尺度的估算接近,气态损失占总损失的52.6%。本研究中氮素输入项中未包含灌溉水及种子带入氮素,京津冀地区灌溉氮素和种子氮素约分别为4.73 万t和1.86 万t[34],若计入其中,氮素利用率将略降低 (33.1%)。

        在三个地区中,北京地区农田系统氮素利用率低,畜牧系统利用率高,与该地区耕地面积小,农田化肥用量大,畜牧饲料外地输入量高,人口食物资源需求多有很大关系,其食物氮代价也最高 (表4)。河北地区资源量、需求量均最多,但其资源需求占京津冀地区比例与资源提供比例不匹配,承担了向京津地区输出食物的任务,起到了疏解首都生产压力的作用,在食物生产过程中产生的环境排放均留在了河北地区,造成河北地区环境排放率高。

      • 在众多氮素损失途径中,农田氮素累积及畜禽粪便水体排放与堆置是最易调控的两个损失途径。并且,农田氮素累积 (盈余) 与氮素损失之间存在显著相关关系,有研究指出,氮素盈余与活性氮排放呈线性或指数关系[35],降低土壤累积是养分高效利用,降低环境损失的必要措施。本研究中土壤累积占总养分投入量的17.3%,占化肥投入量的26.7%,这引起了该地区很多环境问题,如平均土壤硝酸盐累积量超过150 kg/hm2[36],水体质量低于4级 (5级为最低等级)[37]等。在本研究中,应用输入输出平衡施氮原则,将土壤累积量降至较低情景时 (情景S3-N40),土壤累积量降低84.2%,农田氮素利用率和农牧系统氮素利用率分别增加14.1和11.3个百分点,环境排放降低23.9%,此时节氮潜力为40%。大量研究均指出,采取合理的养分管理措施,在不损失产量的情况下,节约氮肥30%~40%是完全可以实现的,如采用土壤-作物综合管理[34]、养分专家系统[38]、测土配方施肥技术[39]等措施。由于我国农牧分离的现状及畜牧养殖系统的粗犷管理,大量的畜禽粪便在清洗饲舍过程中直接排入水体中,也有部分堆置在养殖场内所含养分也均进入环境中[40]。在氮肥平衡施用的基础上增加1/2水体排放与堆置的畜禽粪便还田进入农田 (情景S6-N50+M) 时,农田系统和农牧系统氮素利用率分别增加15.3和15.4个百分点,环境排放降低36.2%,此时,节氮潜力为50%。畜禽粪便水体排放不仅造成养分资源浪费也严重威胁水体安全,有研究指出,畜禽粪便水体排放对流域水体氮和磷富营养化的贡献率分别为10%和20%[40]。农牧分离是农牧生产系统氮素利用率低下的重要原因[8,13],系统内部循环率低,造成资源的大量浪费与向环境排放[41]。在S6情景下,增加畜禽粪便还田量,增强了系统内部养分循环,氮素循环再利用率较当前状态增加20.0%,食物氮代价也降低了33.3%,既增加了氮肥利用效率,又减少资源消耗和环境排放。在此情景时,化肥投入与有机肥投入比例约为2∶1,相当于有机肥占比为33.3%,田昌玉等[42]也指出的有机肥比例在34%时可达到最大经济收益。因此,此情景是完全可以实现的。

        平衡施氮,有机替代,农牧结合是解决当前我国氮肥过量施用问题的重要措施。欧美等发达国家已经提供了很多先进的经验[8,18],如美国实施的基于种养结合的畜禽粪便综合养分管理计划,通过玉米种植户和养殖场签订合同的方式实现农场间的农牧结合,从而提高氮素在农场间的循环利用;丹麦严格规定中小型畜禽养殖场将种植业和养殖业有机结合实现养分资源的重新利用,这些国家畜禽粪便还田率均高于50%,而我国还不足30%[6]。大量的有机资源排入环境中,造成大气污染及水体污染。合理利用有机资源,农牧结合,可提高氮素利用效率,降低环境损耗。

      • 本研究是建立在统计数据基础上,以模型模拟方式进行的农牧系统氮素流动分析和化肥减施潜力探究,其还存在一些局限性,如本研究所用数据为统计数据,无法进行统计检验,但可以反映区域尺度的整体情况;本研究所用参数,大多数为华北地区通用参数,针对京津冀地区可能存在微小偏差;对于农牧结合的方式,未进行细致研究,在具体应用时还应与土壤消纳能力及资源的空间匹配方面结合。并且研究中所列其他氮素损失途径,也具有很大的节肥潜力,如畜禽粪便存贮阶段的氨挥发等[43-44],应进一步深入研究。

      • 京津冀地区农牧系统总体氮素输入量为306.6万t,农田、畜牧、农牧系统氮素利用率分别为40.6%、25.0%和33.8%,环境排放量为140.4万t,占总输入量的45.8%,其中氨挥发为占比最大的排放途径。优化农田系统肥料氮素投入,使农田系统土壤氮素累积将为较低水平时,化学氮肥有40%的减施潜力,增加部分畜禽粪便还田量以替代化肥时,化学氮肥有50%的减施潜力。

    参考文献 (44)
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