王 芊

(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

農(nóng)業(yè)面源污染已成為世界范圍內(nèi)普遍關(guān)注的問(wèn)題。在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，農(nóng)業(yè)面源污染成為河流污染的重要原因，美國(guó)59%的受污染河流源于農(nóng)業(yè)源污染，歐洲河流氮污染中農(nóng)業(yè)源占50%～70%[1]；我國(guó)太湖流域農(nóng)業(yè)源污染占30%～40%，洱海流域、重慶三峽庫(kù)區(qū)可達(dá)到68%以上，全國(guó)農(nóng)業(yè)源氮、磷污染占50%以上[2-6]。2015年我國(guó)制定了“到2020年化肥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)方案”，大力推廣測(cè)土配方施肥、秸稈還田、有機(jī)肥施用，降低化肥的施用量，以減輕對(duì)環(huán)境的污染[7]。長(zhǎng)期以來(lái)單位面積污染負(fù)荷一直是衡量面源污染水平的主要指標(biāo)，但由于該指標(biāo)設(shè)定沒(méi)有考慮到生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益，不能實(shí)現(xiàn)環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益的統(tǒng)籌兼顧。近年來(lái)，已有研究提出了將氮流失量與產(chǎn)量相結(jié)合的單位產(chǎn)量氮流失量指標(biāo)，作為指導(dǎo)不同管理措施開(kāi)展的重要依據(jù)：如Zhou等[8]通過(guò)收集世界范圍內(nèi)種植玉米、小麥的30余篇氮淋洗文獻(xiàn)，分析了施氮量與單位產(chǎn)量氮淋洗量間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)施氮量降低至100～200 kg/hm2時(shí)，單位產(chǎn)量氮淋洗量平均值為可由5.40～5.41 kg/t降低至3.2～4.5 kg/t；Zhao等[9]基于北美地區(qū)30余篇玉米氮淋洗試驗(yàn)結(jié)果，分析了單位產(chǎn)量氮淋洗量與氮盈余量、降雨量、土壤質(zhì)地、耕作措施間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)氮盈余量、降雨量是影響單位產(chǎn)量氮淋洗量的顯著因子，土壤質(zhì)地具有一定的影響，而耕作措施的影響較小。

現(xiàn)有作物產(chǎn)量尺度的氮流失研究多是基于國(guó)外研究數(shù)據(jù)，針對(duì)我國(guó)不同區(qū)域和施肥管理措施下的開(kāi)展的研究鮮有報(bào)道，并且主要為面積尺度下的氮、磷流失研究[10-17]。因此，為研究我國(guó)單位產(chǎn)量氮流失量的影響因素，本研究擬選取長(zhǎng)江中下游、黃淮海和東北平原這三大我國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)，以大田生產(chǎn)中較為常見(jiàn)的“化肥”、“秸稈還田”、“緩控釋肥”的3類(lèi)施肥管理措施等為關(guān)鍵詞，搜索CNKI、ScienceDirect等國(guó)內(nèi)外主要數(shù)據(jù)庫(kù)，收集并進(jìn)行數(shù)據(jù)提取有關(guān)氮流失文獻(xiàn)工作，并基于典型區(qū)域計(jì)算不同作物、管理措施間的單位產(chǎn)量氮流失量(以下簡(jiǎn)稱(chēng)新指標(biāo))，通過(guò)逐步回歸方法建立新指標(biāo)與影響因子間的線性模型，同時(shí)對(duì)不同區(qū)域、管理措施間的新指標(biāo)差異進(jìn)行比較，進(jìn)而為制訂區(qū)域尺度下農(nóng)田管理措施提出建議，也為我國(guó)農(nóng)田面源污染防控政策提供技術(shù)支撐和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

基于CNKI、Science Direct、Web of Science等數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)展面源污染文獻(xiàn)收集，以“面源污染”為主題，以“N”、“淋洗”、“徑流”、“化肥”、“緩控釋肥”、“秸稈還田”等關(guān)鍵詞分別進(jìn)行搜索，論文發(fā)表年份為1995—2016年，共收集近200篇文獻(xiàn)。調(diào)查作物主要為小麥、水稻、玉米。文獻(xiàn)中涉及東北平原和黃淮海平原的氮流失以硝態(tài)氮為主，長(zhǎng)江中下游平原氮流失主要為全氮。對(duì)于淋洗測(cè)定深度而言，黃淮海平原測(cè)定的土層較深，集中在100～200 cm深處。長(zhǎng)江中下游平原和東北平原深度較淺，集中在50～100 cm深處。

提取的指標(biāo)包括水肥管理措施、土壤養(yǎng)分、質(zhì)地及產(chǎn)量等，主要包含：氮肥施用量(kg/hm2)、磷肥施用量(kg/hm2)、砂粒含量(%)、粉粒含量(%)、粘粒含量(%)、土壤全N(g/kg)、全P(g/kg)、堿解氮(mg/kg)、速效磷(mg/kg)、降雨量(mm)、灌溉量(mm)、施肥方式、作物產(chǎn)量(t/hm2)等。土壤質(zhì)地按美國(guó)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，即粘粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.050 mm)和砂粒(0.05～2.00 mm)。磷肥施用量以P2O5計(jì)，土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)取自0～20 cm耕層。對(duì)于無(wú)法直接獲取的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，利用Engauge Digitizer軟件提取。

1.2 逐步回歸方法

本研究所利用的新指標(biāo)的計(jì)算公式如下：

NI=NL/Y

式中：NI為單位產(chǎn)量氮徑流量或淋洗量，kg/t；NL為氮徑流量或淋洗量，kg/hm2；Y為作物籽粒產(chǎn)量,t/hm2。

本研究利用SPSS 13.0軟件開(kāi)展逐步回歸運(yùn)算。由于不同文獻(xiàn)中提供的指標(biāo)的完整度不盡相同，為了確保在逐步回歸建模型過(guò)程中盡可能多地納入數(shù)據(jù)齊全的自變量，有相當(dāng)一部分文獻(xiàn)在篩選過(guò)程中被排除在建模數(shù)據(jù)之外，因而模型的建模樣本量也相應(yīng)減少。逐步回歸計(jì)算結(jié)果中顯示了各步驟的方差，前后步驟方差的差視為新引入的影響因子的方差，該方差與最終模型總方差之比即為相應(yīng)影響因子的權(quán)重值。對(duì)于未采取逐步回歸方法的個(gè)別后向模型則未計(jì)算權(quán)重。在構(gòu)建逐步回歸模型時(shí)為盡可能考慮更多因素，在前述收集的文獻(xiàn)中進(jìn)一步篩選出23篇開(kāi)展大田試驗(yàn)的文獻(xiàn)，各省份的文獻(xiàn)數(shù)量如表1所示。文中箱式圖用Sigmaplot 12.5(Systat Software Inc.)制作，利用Microsoft Excel 2003軟件制作曲線擬合圖和計(jì)算回歸曲線。

表1 參與計(jì)算文獻(xiàn)省份分布情況Table 1 Adopted literature distribution in three major plains

1.3 水氮管理方式

在長(zhǎng)江中下游平原：1)水稻。主要采取了泡田和曬田交替的常規(guī)的灌溉方式，安徽巢湖采取了淺濕灌溉方式。氮肥按播前、苗期、分蘗期、拔節(jié)期、穗期施肥3～4次，巢湖和江蘇宜興均施用3次氮肥，施用比例各不相同。嘉定地區(qū)主要追施碳銨，而浙江杭州和宜興均為尿素。水稻施用緩控釋肥涉及江蘇常熟和浙江杭州，施肥方式均為底施，灌溉方式為連續(xù)灌溉和節(jié)水灌溉2種；2)小麥。氮肥按播前、苗期、拔節(jié)期、穗期施用分2～3次施用，生育期一般不灌溉。

在黃淮海平原：1)小麥。在播種、分蘗、起身、拔節(jié)、穗期等時(shí)期灌溉2～4次，每次灌溉量為75mm。氮肥按底肥、拔節(jié)肥施用2次；2)玉米。按出苗期和拔節(jié)期灌溉1～2次，氮肥按底肥、追肥施用1～2次；3)秸稈還田涉及河北清苑、欒城與山東南四湖區(qū)，水肥管理方式與常規(guī)方式相仿。

在東北平原：1)玉米。雨養(yǎng)種植，施肥方式多為底肥，玉米生長(zhǎng)季降雨量為280～608 mm；2)水稻。基于黑龍江省齊齊哈爾市的試驗(yàn)，灌溉方式設(shè)置了常規(guī)灌溉、控制灌溉和淺濕灌溉3 種方式，氮肥按播種、返青期2 個(gè)時(shí)期各一半的比例施入。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)江中下游平原新指標(biāo)影響因子

在長(zhǎng)江中下游平原，氮流失新指標(biāo)中以緩控釋肥條件下的水稻氮淋洗值最低(0.77 kg/t)。施用化肥條件下，氮流失新指標(biāo)按從大到小的順序?yàn)樾←湉搅鳌⑺緩搅?、小麥淋洗、水稻淋洗，相?yīng)的數(shù)值分別為4.35、3.07、2.26、0.89 kg/t(圖1)。從氮流失量與作物產(chǎn)量關(guān)系看，與上述5 類(lèi)新指標(biāo)對(duì)應(yīng)的兩者的拋物線模型均未達(dá)顯著水平(P>0.05)(圖2)。水稻的拋物線曲線在產(chǎn)量約為7 t/hm2對(duì)應(yīng)的淋洗量和徑流量值最高(圖2(a)、(c)和(e))，以徑流量值最高，約為25 kg/hm2(圖2(c))。小麥拋物線曲線在產(chǎn)量處于4～5 t/hm2時(shí)對(duì)應(yīng)的淋洗量和徑流量值達(dá)到最高(圖2(b)和(d))，小麥淋洗最高值較水稻值高(圖2(a)和(b))，最高值分別約為13和8 kg/hm2。

箱式圖從下到上的橫實(shí)線分別代表10%、25%、50%、75%、90%的分位線，位于分位線之外的點(diǎn)為所對(duì)應(yīng)分布函數(shù)<10%或>90%的點(diǎn)。虛線為平均值。RL, RR, WL, WR分別代表施用化肥條件下水稻氮淋洗、水稻氮徑流、小麥氮淋洗、小麥氮徑流。RSCRFL為施用緩控釋肥條件下的水稻氮淋洗。n為樣本量。圖3和圖5同。Solid horizontal lines of the box plot from the bottom to the top represent 10%, 25%, 50%, 75% and 90% percentiles, the dots outside the 10% and 90% percentiles represent data lower than 10% percentile or higher than 90% percentile. Dotted lines represent mean values. RL, RR, WL, WR respectively represent N leaching of rice, N runoff loss of rice, N leaching of wheat, N runoff of wheat after applying chemical fertilizer. RSCRFL represents N leaching of rice by applying slow and controlled-release fertilizer. n represents number of samples. The same in Fig.3 and Fig.5.圖1 長(zhǎng)江中下游平原單位產(chǎn)量氮流失量(新指標(biāo))Fig.1 Yield-scaled N loss new index in Middle-Lower Yangtze Plain

在長(zhǎng)江中下游平原，施用化肥條件下水稻氮徑流、淋洗新指標(biāo)模型分別達(dá)到了顯著、極顯著水平，模型自變量分別為施用P2O5量、土壤全N，權(quán)重值分別為0.15、0.49。降雨量與2 個(gè)因變量間的相關(guān)系數(shù)均未達(dá)到顯著水平(P>0.05)(表2)。小麥氮徑流新指標(biāo)模型達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，自變量為土壤全N含量和降雨量，權(quán)重值分別為0.52、0.41。小麥氮淋洗新指標(biāo)模型未達(dá)顯著水平(P>0.05)，從相關(guān)系數(shù)看降雨量的影響相對(duì)較高，且呈正相關(guān)(數(shù)據(jù)未列出)。緩控釋肥條件下，水稻氮淋洗量新指標(biāo)模型的自變量?jī)H為土壤全N含量，模型達(dá)到極顯著水平，且與土壤全N含量間呈正相關(guān)(表3)。從水肥管理措施看，水稻管理存在著較大差異，小麥管理措施基本相同。施用化肥條件下，水稻氮徑流模型的區(qū)域間灌溉和施用微肥管理存在著一定差異(安徽巢湖施用了鋅肥和采取了淺濕灌溉)，水稻氮淋洗模型主要是施用氮肥種類(lèi)的差異(嘉定主要追施碳銨，而杭州和宜興均為尿素)。緩控釋肥條件下，主要差異為普通灌溉和節(jié)水灌溉(杭州采用了節(jié)水灌溉處理)。

表2 長(zhǎng)江中下游平原施用化肥的新指標(biāo)模型系數(shù)[18-26]Table 2 Yield-scaled N loss model by applying chemical fertilizer in Middle-Lower Yangtze Plain[18-26]

表3 長(zhǎng)江中下游平原緩控釋肥條件下水稻氮淋洗新指標(biāo)模型系數(shù)[23,27-28]Table 3 Yield-scaled N leaching loss model by applying slow and controlled-release fertilizer in Middle-Lower Yangtze Plain[23,27-28]

(a)、(b)、(c)和(d)分別為施用化肥條件水稻氮淋洗量、小麥氮淋洗量、水稻氮徑流量及小麥氮徑流量，(e)為緩控釋肥條件下水稻氮淋洗量。R2代表決定系數(shù)，ns代表模型未達(dá)到顯著水平，*、**代表模型分別達(dá)到P=0.05、P=0.01顯著性水平。下同。(a), (b), (c) and (d) represent RL, WL, RR, WR and respectively. (e) represents RSCRFL.R2 represents determination coefficient. ns represents the model doesn’t reach 0.05 significant level. * and ** represent the model reaches P=0.05 and P=0.01 significance level, respectively. The same below.圖2 長(zhǎng)江中下游平原氮流失量與作物產(chǎn)量關(guān)系Fig.2 Relationships between N loss and crop yield in Middle-Lower Yangtze Plain

2.2 黃淮海平原新指標(biāo)影響因子

在黃淮海平原，小麥玉米秸稈還田周年輪作的氮淋洗新指標(biāo)值比僅施用化肥的小麥或玉米單價(jià)低，平均值為 2.35 kg/t，小麥、玉米值分別為5.87 和4.66 kg/t[28-36](圖3)。從產(chǎn)量和氮淋洗量之間的變化趨勢(shì)看，秸稈還田措施下兩者呈指數(shù)曲線變化(圖4(c))，僅施用化肥的玉米氮淋洗量與產(chǎn)量呈線性變化(圖4(a))，這2 個(gè)模型的因變量與自變量均呈正相關(guān)，模型分別達(dá)到極顯著水平(P<0.01)和顯著水平(P<0.05)。對(duì)于僅施用化肥的小麥而言，兩者間拋物線模型未達(dá)顯著水平，拋物線在產(chǎn)量約7 t/hm2時(shí)氮淋洗量最高，約為60 kg/hm2(圖4(b))。

圖3 黃淮海平原氮淋洗新指標(biāo)Fig.3 Yield-scaled N leaching loss in North China Plain

(a)、(b)分別為施用化肥條件玉米氮淋洗量、小麥氮淋洗量。(c)為秸稈還田條件下小麥玉米周年輪作氮淋洗量。(a) and (b) represent maize N leaching and wheat N leaching by applying chemical fertilizer, respectively. (c) N leaching in the case of WMRYRSR.圖4 黃淮海平原氮淋洗量與作物產(chǎn)量間的曲線圖Fig.4 Relationship curves between N leaching loss and crop yield in North China Plain

在黃淮海平原，僅施用化肥條件下小麥、玉米氮淋洗新指標(biāo)模型均達(dá)到極顯著水平。小麥氮淋洗新指標(biāo)與施氮量呈正相關(guān)，與土壤粘粒含量呈負(fù)相關(guān)。玉米則與施氮量、全N含量呈正相關(guān)(表4)。玉米新指標(biāo)模型中權(quán)重值較高的自變量為全N含量，權(quán)重值為0.24。小麥新指標(biāo)模型采用后向回歸方法建模，施氮量、粘粒含量與新指標(biāo)的相關(guān)性均未達(dá)顯著水平，但二元回歸模型達(dá)到極顯著水平，施氮量表現(xiàn)出正向作用，粘粒含量為負(fù)向作用。雖然灌溉與降雨量因子未入選模型，但其與玉米氮淋洗新指標(biāo)呈顯著正相關(guān)，表明了小麥季與玉米季的不同降雨分布特點(diǎn)。據(jù)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)顯示，小麥季的灌溉降雨量之和變幅較小，均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為407、56 mm；而在玉米季，降雨期較集中且降雨量變幅較大，水分供應(yīng)以降雨為主，均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為370、138 mm。在秸稈還田條件下，由于文獻(xiàn)數(shù)據(jù)較少，故本研究利用一個(gè)輪作周期內(nèi)小麥和玉米兩季數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，氮淋洗新指標(biāo)模型僅含施氮量因子，且達(dá)極顯著相關(guān)(表4)。

表4 黃淮海平原僅施用化肥和秸稈還田條件下氮淋洗新指標(biāo)模型系數(shù)[29-37]Table 4 Yield-scaled N leaching model by only applying chemical fertilizer and the model of wheat-maize round year rotation by implementing straw returning tillage in North China Plain[29-37]

2.3 東北平原新指標(biāo)影響因子

在東北平原，施用化肥條件下玉米氮淋洗新指標(biāo)值比水稻高，玉米平均值為2.98 kg/t，水稻值為1.59 kg/t[38-40](圖5)。從玉米的氮淋洗量與產(chǎn)量間的曲線關(guān)系看，兩者間存在開(kāi)口向下的拋物線變化，模型達(dá)到顯著水平(P<0.05)，而水稻的則無(wú)明顯的變化趨勢(shì)，模型未達(dá)到顯著水平(圖6)。

圖5 東北平原氮淋洗新指標(biāo)Fig.5 Yield-scaled N leaching loss in Northeast Plain

(a)、(b)分別為施用化肥條件水稻氮淋洗量、玉米氮淋洗量。(a) and (b) represent rice N leaching and maize N leaching by applying chemical fertilizer, respectively. 圖6 東北平原氮淋洗量與作物產(chǎn)量間的曲線圖Fig.6 Relationship curves between N leaching loss and crop yield in Northeast Plain

由于東北平原的文獻(xiàn)相對(duì)較少，未在文中專(zhuān)門(mén)列出玉米、水稻的單位產(chǎn)量氮淋洗量模型。模型結(jié)果顯示，玉米單位產(chǎn)量氮淋洗量與降雨量呈負(fù)相關(guān)，與化肥氮施用量呈正相關(guān)，降雨量的權(quán)重值高于施氮量。而水稻單位產(chǎn)量氮淋洗量與灌溉降雨之和、化肥氮施用量均呈正相關(guān)，灌溉降雨之和是主要的影響因子。

3 討 論

3.1 不同區(qū)域?qū)π轮笜?biāo)的影響

我國(guó)制訂化肥、農(nóng)藥零增長(zhǎng)政策的出發(fā)點(diǎn)是為了更科學(xué)有效地施用化肥、農(nóng)藥，減少不合理的施用量，通過(guò)開(kāi)展有針對(duì)性的管理技術(shù)措施，進(jìn)而減少面源污染流失量和提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率[41-42]。這與本研究中新指標(biāo)的背景相契合，即在提高效率的基礎(chǔ)上不斷提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量，將效率優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)換為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

由于不同區(qū)域的氣象、土壤等自然環(huán)境條件不同，必然會(huì)導(dǎo)致區(qū)域間新指標(biāo)影響因素的差異。江蘇環(huán)太湖地區(qū)是長(zhǎng)江中下游平原的重要農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)，該區(qū)為北亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候區(qū)，氣候溫和濕潤(rùn)，熱量充足，降雨豐沛，雨熱同季，年平均氣溫15.4～16 ℃，>10 ℃的積溫為4 800～5 000 ℃，年總降水量1 010～1 200 mm。主要土壤類(lèi)型為水稻土，因長(zhǎng)期稻、麥、棉水旱輪作，剖面中沙黏間層明顯，故多漏水漏肥，形成漏水水稻田[43]。在長(zhǎng)江中下游平原，影響新指標(biāo)的主要因素不是施氮量，而是土壤全N含量、降雨、施磷量等因素，應(yīng)加強(qiáng)土壤養(yǎng)分管理和田間水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，穩(wěn)步減少施氮量。同樣，Zhang 等[44]在江蘇常熟開(kāi)展的2 個(gè)周期稻麥輪作試驗(yàn)得出類(lèi)似的結(jié)果，在減少施用氮肥的條件下對(duì)水稻的產(chǎn)量影響并不明顯，水稻季的后作小麥的產(chǎn)量則與其前作的土壤氮盈余呈顯著相關(guān)。

黃淮海平原屬于暖溫帶半濕潤(rùn)、濕潤(rùn)氣候區(qū)，年平均氣溫8～16 ℃，>0 ℃的積溫在4 200～5 500 ℃，無(wú)霜期較長(zhǎng)。光照充足，年日照為 2 800～2 100 h。年降水量為700～900 mm。潮土是該區(qū)域的主要土壤類(lèi)型，有機(jī)質(zhì)含量普遍偏低。潮土土體深厚，結(jié)構(gòu)較松，宜于耕作管理。該區(qū)域影響新指標(biāo)的主要因素是施氮量，同時(shí)也存在土壤質(zhì)地和養(yǎng)分含量等因素，表明該地區(qū)存在滿足減少氮流失和維持現(xiàn)有產(chǎn)量條件的最優(yōu)施氮量。應(yīng)重點(diǎn)圍繞優(yōu)化施氮量來(lái)開(kāi)展田間管理，并考慮土壤養(yǎng)分管理和質(zhì)地改良措施，減少氮流失量。這與一項(xiàng)基于黃淮海平原農(nóng)田的多年的淋洗試驗(yàn)的結(jié)論相似，當(dāng)施氮量介于180～240 kg/hm2可兼顧作物產(chǎn)量和淋溶水水質(zhì)[45]。

東北平原區(qū)屬溫帶季風(fēng)氣候類(lèi)型，年降水量300～900 mm，年均氣溫0.7～9.0 ℃，無(wú)霜期為90～185 d，熱量適于一年一熟。黑土是該區(qū)域的主要土壤類(lèi)型，黑土區(qū)的地形主要是山麓平原臺(tái)地及山前洪積階地，地勢(shì)平緩遼闊，呈波狀漫崗起伏，坡度一般在1°～5°。影響該區(qū)域新指標(biāo)的影響因子主要是水分，另外還有施氮量。研究結(jié)果表明水肥管理對(duì)于東北黑土區(qū)玉米、水稻氮利用率的影響[46-47]。玉米產(chǎn)量與氮肥利用率呈正相關(guān)，隨著降雨量的增加促進(jìn)了玉米的生長(zhǎng)，提高了氮肥利用率，從而降低了氮的淋洗風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于黑土區(qū)水稻籽粒氮含量與氮肥的施用方法和施用量具有統(tǒng)計(jì)相關(guān)性，且氮肥利用率還受到水氮運(yùn)籌方法的影響，不當(dāng)?shù)乃使芾矸绞綍?huì)造成氮損失的增加。

本研究結(jié)果顯示，施化肥條件下黃淮海平原的玉米、小麥氮淋洗新指標(biāo)達(dá)到4.66～5.87 kg/t，而長(zhǎng)江中下游平原的水稻、小麥值為0.89～2.26 kg/t，這與兩地的環(huán)境有關(guān)：黃淮海平原的高施氮量造成較高的土壤氮?dú)埩?，極易隨灌溉和降雨而淋失[30]；而長(zhǎng)江中下游平原發(fā)生的氮反硝化、氨揮發(fā)和徑流損失較高，而淋洗量相對(duì)較少，施肥不會(huì)帶來(lái)過(guò)多的氮?dú)埩鬧25]。東北平原水稻、玉米的氮淋洗新指標(biāo)值為1.59～2.98 kg/t，介于長(zhǎng)江中下游平原與黃淮海平原之間，這與當(dāng)?shù)匾荒暌皇斓姆N植制度及氮肥的激發(fā)效應(yīng)存在關(guān)系[47]。相對(duì)于一年兩熟制，一年一熟制，肥料氮投入減少，因土壤中的殘留氮升高引起的氮淋洗風(fēng)險(xiǎn)也有所降低，但是東北平原地區(qū)增加氮肥時(shí)存在著正激發(fā)效應(yīng)，又促進(jìn)了土壤氮?dú)埩舻脑黾印?/p>

3.2 不同管理措施間新指標(biāo)影響因子差異

1)施用化肥

灌溉和降雨是引起農(nóng)田氮流失的2個(gè)主要的水分因子。長(zhǎng)江中下游平原的小麥氮徑流新指標(biāo)模型的影響因子包括了降雨量因子，但土壤全N含量的權(quán)重更高。而水稻氮徑流新指標(biāo)模型未包括降雨因子，這與水分管理措施間差異有關(guān)。小麥僅靠降雨補(bǔ)給水分，而水稻采用了泡田、曬田等灌溉措施，減弱了降雨對(duì)水稻氮徑流的影響。已有測(cè)定水稻氮徑流量的方法既有僅考慮降雨引的損失量(NI=16.3 kg/t，n=16)[19,20,22,25]的類(lèi)型，也有同時(shí)考慮排水和降雨二者之和的損失量(NI=26.3 kg/t，n=14)[21]的類(lèi)型。東北平原模型數(shù)據(jù)主要由單一地點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建，涉及到玉米和水稻2個(gè)氮淋洗新指標(biāo)模型的主要因子均為水分因子。由于東北玉米主要是雨養(yǎng)種植方式，在降雨量未能造成顯著氮淋洗的條件下，隨著降雨量的升高玉米產(chǎn)量的增加幅度超過(guò)了氮淋洗量，就會(huì)導(dǎo)致新指標(biāo)與降雨量呈負(fù)相關(guān)的現(xiàn)象。這也得到了玉米氮淋洗量與產(chǎn)量間關(guān)系圖的進(jìn)一步印證，當(dāng)產(chǎn)量增加到一定程度后玉米氮淋洗量開(kāi)始下降，表明了降雨增加導(dǎo)致了玉米強(qiáng)烈的氮吸收作用，減少了氮的淋洗(圖6)。

施氮量及土壤養(yǎng)分對(duì)新指標(biāo)具有重要影響。黃淮海平原和東北平原2個(gè)北方地區(qū)新指標(biāo)模型均包括施氮量因子，但南方長(zhǎng)江中下游平原新指標(biāo)模型未包括施氮量。長(zhǎng)江中下游平原氮肥反硝化損失嚴(yán)重，產(chǎn)量因基礎(chǔ)肥力較高受施氮量的影響較小，施氮量對(duì)氮流失和產(chǎn)量的影響有限[21]。長(zhǎng)江中下游平原的小麥氮徑流、水稻氮淋洗和黃淮海平原玉米氮淋洗新指標(biāo)模型均包括了全N含量因子，這表明除肥料外土壤氮?dú)埩艋虻V化作用對(duì)新指標(biāo)具有重要影響，通過(guò)適當(dāng)減少施氮量水平仍能保證較高的環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益。黃淮海平原小麥氮淋洗新指標(biāo)模型包括了土壤粘粒含量、施氮量2 個(gè)因子，表明存在施肥與土壤質(zhì)地間的互作作用，應(yīng)根據(jù)土壤條件合理施肥，減少氮淋洗損失。

此外，長(zhǎng)江中下游平原水稻氮徑流新指標(biāo)與施磷量呈顯著正相關(guān)。施磷量與氮徑流量和籽粒產(chǎn)量分別呈正相關(guān)和負(fù)相關(guān)，卻均未達(dá)到顯著水平(數(shù)據(jù)未列出)，這表明增加施磷量可能通過(guò)促進(jìn)植物根系生長(zhǎng)和土壤氮的礦化增加了氮徑流量，施磷量過(guò)高也會(huì)影響土壤鐵和鋅等微量元素的供應(yīng)進(jìn)而降低作物產(chǎn)量[48]，從而使施磷量成為顯著影響因子。

2)秸稈還田

開(kāi)展秸稈還田措施對(duì)于氮淋洗的影響研究結(jié)果不盡相同：有研究認(rèn)為秸稈覆蓋減少地面蒸發(fā)，在增加水分下滲的同時(shí)加劇了氮淋洗[49]；也有研究發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋條件下存在水肥互作效應(yīng)，能促進(jìn)小麥對(duì)氮肥的吸收利用，減少了土壤中氮?dú)埩鬧50-51]。本研究數(shù)據(jù)顯示，施氮量是小麥玉米周年輪作體系新指標(biāo)的主要影響因子，相對(duì)于僅施用化肥秸稈還田減輕了氮淋洗。但是隨著小麥玉米的周年產(chǎn)量達(dá)到較高水平后，氮淋洗量急劇增加(圖4(c))。這表明在較高的水肥條件下，伴隨著秸稈還田措施的疏松土壤和增加秸稈氮的礦化的雙重作用，促進(jìn)了氮淋洗的發(fā)生。在華北平原黑龍港流域開(kāi)展的秸稈還田試驗(yàn)結(jié)果就表明，降雨量的增加會(huì)使0～90 cm土壤的硝態(tài)氮?dú)埩袅匡@著增加[52]。

3)緩控釋肥

施用緩控肥條件下，長(zhǎng)江中下游平原的水稻新指標(biāo)模型僅含土壤全N含量因子，而施氮量的影響不顯著，表明了緩控釋肥符合作物的吸肥規(guī)律，可減輕氮淋洗發(fā)生。與施用化肥條件下的模型相比，緩控釋肥的土壤全N的權(quán)重更高，二者分別為0.49、0.80。這表明緩控釋肥條件下由于化肥氮逐步釋放，水稻生長(zhǎng)需氮更依賴(lài)于土壤肥力，從而加速了土壤礦化進(jìn)程，使得土壤全N含量與新指標(biāo)相關(guān)性更為顯著。與在湖北江漢平原開(kāi)展的水稻-油菜輪作的緩釋肥試驗(yàn)結(jié)果相似，緩釋肥能夠穩(wěn)定水稻產(chǎn)量，并減少氮的淋洗量[53]。在太湖直湖港流域開(kāi)展水稻氮淋洗試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，緩控釋肥相對(duì)于常規(guī)施肥增加了氮肥恢復(fù)效率，顯著增加了氮肥農(nóng)學(xué)效益，進(jìn)而減少了氮淋洗損失量[54]。

本研究采用了3 個(gè)平原部分地區(qū)的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，文獻(xiàn)量相對(duì)較少，不足以全面反映區(qū)域總體情況，分析結(jié)果僅限于典型區(qū)域的分析。另外，由于區(qū)域內(nèi)水肥管理措施間的差異，也會(huì)對(duì)結(jié)果造成一定影響。今后有待于進(jìn)一步增加研究樣本量，減少管理措施差異影響，提高研究結(jié)果的針對(duì)性。

4 結(jié) 論

本研究圍繞單位產(chǎn)量氮流失量這一新指標(biāo)開(kāi)展了文獻(xiàn)收集和整合，比較了不同區(qū)域、施肥管理措施間的新指標(biāo)差異，重點(diǎn)圍繞長(zhǎng)江中下游平原和黃淮海平原開(kāi)展了新指標(biāo)影響因子分析，并提出了區(qū)域尺度下的水肥管理優(yōu)化措施：1)在長(zhǎng)江中下游平原，由于其影響因子不包括施氮量，需通過(guò)生態(tài)溝渠、緩沖帶來(lái)攔截、回收利用田間徑流氮應(yīng)擴(kuò)大緩控釋肥施用面積；2)在黃淮海平原，影響新指標(biāo)的影響因子中均包括施氮量，因此應(yīng)該優(yōu)化減少施氮量，控制砂質(zhì)土壤區(qū)的水肥施用量，利用在適宜施氮量條件下秸稈還田措施兼具減少新指標(biāo)值和維持周年產(chǎn)量的優(yōu)勢(shì)；3)在東北平原，應(yīng)加強(qiáng)水氮運(yùn)籌以提高氮利用率和減少氮淋洗損失。

致謝

感謝生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院鄭利杰、中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院熊向艷和青島農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院的周奕廷、盧家森在數(shù)據(jù)處理中的細(xì)致工作。