寧夏自流灌區(qū)農作物氮磷低污染種植結構優(yōu)化

劉根紅，許　強，喬　娜，康建宏，吳宏亮

(寧夏大學， 寧夏 銀川 750021)

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寧夏自流灌區(qū)農作物氮磷低污染種植結構優(yōu)化

劉根紅，許強，喬娜，康建宏，吳宏亮

(寧夏大學， 寧夏 銀川 750021)

摘要：針對寧夏引黃灌區(qū)農業(yè)生產中大量施用化肥對環(huán)境及農業(yè)退水污染嚴重等問題，在前期試驗基礎上，運用線性規(guī)劃方法，以降低土壤氮磷流失量，兼顧產量效益條件下對寧夏自流灌區(qū)現(xiàn)有種植業(yè)結構進行了優(yōu)化研究。結果表明：寧夏灌區(qū)主要種植模式的經濟效益單作水稻及冬小麥-水稻較對照春小麥/玉米分別高36.8%和28.2%；氮流失量冬(春)小麥-青貯、冬(春)小麥-蔬菜、單作玉米、油葵較對照小麥/玉米分別低56.8%、50%、36.4%和36.4%；磷流失量冬(春)小麥-青貯、蔬菜、冬(春)小麥-油葵分別比對照低50%、42%和35.7%。優(yōu)化的種植業(yè)結構播種面積為春小麥/玉米3.8萬hm2、蔬菜5.5萬hm2、玉米13.5萬hm2、水稻6.7萬hm2、冬小麥-青貯1.09萬hm2，油葵4萬hm2。在其播種面積條件下，結合灌區(qū)現(xiàn)有的種植條件與技術，進行作物間合理組配，可以在保證經濟效益條件下同時較大幅度降低土壤氮磷流失量。

關鍵詞：氮；磷；低污染；種植模式；寧夏；自流灌區(qū)

近年來，農業(yè)面源污染已成為人們普遍關注的環(huán)境問題[1]，農業(yè)生產中過量施用化肥、農藥是重要原因之一[2]。據(jù)統(tǒng)計，在歐洲，農業(yè)活動所排放的氮占50%～70%；在美國每年因地表徑流損失的氮素為450萬t[4]，英國水體中70%以上的硝酸鹽來自于農業(yè)[5-6]；瑞典水體氮來自農業(yè)的占60%～87%[7]；芬蘭有20%的湖泊水質均有惡化現(xiàn)象[8]。伊利諾斯州和加利福尼亞的一些地區(qū)，井水中的硝態(tài)氮含量已達到了危害人類健康的程度[9]。根據(jù)2010年全國污染源普查公報，我國年排放總氮472.89萬t，總磷42.32萬t。根據(jù)調查全國的532條河流中有80%受到不同程度的氮污染[10]。因此，以水環(huán)境為重要內容的農業(yè)面源污染已經引起廣泛關注。

寧夏自流灌區(qū)地處西北內陸，由青銅峽灌區(qū)和衛(wèi)寧灌區(qū)組成，灌溉面積43.5萬hm2，是寧夏主要農產品生產基地，寧夏黃灌區(qū)每年從黃河引水量超過70億m3,耗水量為30～35億m3，排量為35～40億m3，農業(yè)灌溉面積55萬hm2。其境內有大小排水溝200余條，在接納大量工業(yè)、農業(yè)廢水后，除少數(shù)幾條排水溝有監(jiān)測的斷面控制外,其余的排水溝均無控制地排入黃河,造成灌區(qū)的水體質量明顯下降[12]。

面源污染相關研究表明我國受化肥污染較重的耕地已有133萬hm2，每年化肥使用量達4 700萬t，施入土壤中的氮40%～50%流失進入水體或分解進入空氣，每年有123.5萬t氮通過地表水進入江河湖泊，農業(yè)肥料對水體的污染已成為一個倍受人們關注的問題[13]。

研究表明，間混套作可以利用作物營養(yǎng)異質特性及競爭機制，有效提高土壤氮磷肥利用率，相應降低化肥在土壤中殘留量[14-16]。小麥/玉米/大豆套作對小麥根系分泌有機酸和可溶性糖有促進作用,提高了小麥對氮素的吸收[17-18]。木薯+玉米模式徑流水中的總磷、總鉀、硝態(tài)氮流失量最大；木薯+花生模式徑流水中的養(yǎng)分流失量總磷流失量最多[19]。華北區(qū)冬小麥 -夏玉米一年兩熟常規(guī)模式氮肥利用率均較低，春玉米一熟模式水氮消耗量最小，水氮利用率較高[20]。對磷的競爭能力玉米/大豆套作模式強于玉米/甘薯模式[21]。總之，不同種植模式對氮磷肥的吸收存在差異，使土壤及流失氮磷量也不同，運用科學種植模式降低土壤氮素，是農業(yè)清潔生產的可行之路。

課題組前期對寧夏自流灌區(qū)不同種植模式氮磷運移規(guī)律研究表明，不同種植模式土壤氮磷殘留量不同，退水帶出量不同，總體表現(xiàn)為水田多于旱田，復種后茬少施化肥可以有效降低土壤中氮磷殘留量，從而減少退水中帶出量[22]。因此，在此研究基礎上，結合灌區(qū)種植結構現(xiàn)狀與政策，運用科學方法，進一步探索灌區(qū)經濟、高效、清潔的作物種植業(yè)結構，為灌區(qū)現(xiàn)代可持續(xù)農業(yè)提供技術支持，具有重要意義。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

寧夏自流灌區(qū)海拔1 000～1 100 m，年降水量200～300 mm，年平均溫度9℃左右，≥10℃積溫3 000℃～3 200℃，無霜期140～160 d。土壤類型為灌淤土，日照充足，溫差較大，屬大陸性氣候，小麥、玉米和水稻三大作物播種面積占該區(qū)種植總面積的85%，肥料利用率較低，磷肥不到20%，氮肥30%左右，播前土壤總氮量2 666.3kg·hm-2，總磷量562.5 kg·hm-2。

1.2試驗設計

本試驗于2014年春季設置春小麥/玉米(對照)、冬小麥-西紅柿、西紅柿、水稻、玉米、冬小麥-油葵、春小麥-油葵、冬小麥-青貯、春小麥-青貯、冬小麥-水稻、油葵11種種植模式，在田間常規(guī)管理水平下，測定土壤中全氮、全磷的變化規(guī)律。試驗地選在寧夏靈武農場，試驗地0.53 hm2，小區(qū)面積80 m2，保護行0.5 m，試驗采用隨機區(qū)組設計。在各模式不同作物生長期間，對0～30、30～60、60～90、90～120 cm土層全氮和全磷進行測定，在此基礎上加權求得0～120 cm土層全氮和全磷量，同時分別測定不同作物莖稈、籽粒和葉中全氮和全磷量和不同部分的干重，加權求得作物總氮和總磷的吸收量，利用公式：土壤淋溶氮磷量=作物生長期間施肥總量+播前土壤氮磷總量-收獲后土壤氮磷總量-作物吸收氮磷總量，在此基礎上，針對不同作物種植規(guī)模、效益，結合課題組前期對灌區(qū)主要種植模式氮磷土壤、作物及退水運移規(guī)律的研究基礎[22]，運用目標函數(shù)線性規(guī)劃法，分別確定各種植模式在較高產量、較高經濟效益、退水較低氮磷輸出條件下灌區(qū)高效益低污染科學的種植結構。

1.3田間肥水管理

每種模式播前施3 000 kg·667m-2腐熟的有機肥做底肥。冬小麥播種前施過磷酸鈣50 kg·667m-2，二銨25 kg·667m-2做底肥，10月20日左右追尿素5 kg·667m-2，翌年3月5日追尿素10.6 kg·667m-2，4月20日追尿素6.2 kg·667m-2，冬小麥出苗后11月20日灌水一次，灌水量140 m3·667m-2，翌年4月20日結合追肥灌水130 m3·667m-2，5月20日結合追肥灌水130 m3·667m-2。復種的水稻插秧前施二銨50 kg·667m-2，7月10日拔節(jié)時追施尿素10 kg·667m-2，8月底追施尿素(N)5 kg·667m-2；春小麥/玉米施過磷酸鈣40 kg·667 m-2做底肥，春小麥苗期追施尿素10 kg·667m-2，灌水一次，拔節(jié)期追施尿素5 kg·667m-2，灌水一次，玉米苗期追施尿素10 kg·667m-2，灌水一次，大喇叭口期追施尿素15 kg·667m-2。灌水一次；復種西紅柿每667 m2施尿素10 kg，過磷酸鈣20 kg做底肥，西紅柿開花坐果期追施尿素10 kg·667m-2。玉米4月20日播種，套種大豆4月20日播種，10月中旬收獲，冬小麥復種各模式在7月5日播種，10月中旬收獲；復種的蔬菜主要以果菜西紅柿為主，4月中旬移栽前施過磷酸鈣50 kg·667m-2，二銨25 kg·667m-2做底肥， 7月中旬采果初期追施尿素10 kg·667m-2。

1.4測試指標及方法

測試指標包括土壤及退水中全氮、全磷、速效氮、速效磷含量；土壤有機質、全鹽含量；作物莖稈、籽粒和葉中全氮和全磷量及不同部分的干重、作物干物質積累和作物產量。

全氮采用開氏定氮法測定；速效氮采用堿解蒸餾法測定；全磷采用氫氧化鈉熔融—鉬銻抗混合試劑比色法測定；速效磷采用鉬銻鈧顯色法測定；土壤有機質采用重鉻酸鉀氧化—油浴加熱法測定。

1.5數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)運用目標函數(shù)線性規(guī)劃法[23]，采用DPS軟件處理。

2結果與分析

2.1寧夏自流灌區(qū)主要種植模式效益分析

由表1不同種植模式效益分析得出如下結論：寧夏灌區(qū)現(xiàn)有的種植模式經濟效益以單作水稻及冬小麥-水稻分別較對照小麥/玉米高出36.8%和28.2%，單作西紅柿由于所用勞動力較多，其經濟效益基本與對照相當；其它各模式經濟效益均低于對照。

2.2寧夏自流灌區(qū)主要種植模式氮磷流失量分析

不同種植模式在大田常規(guī)管理水平下，由于作物吸收的氮磷總量、施肥總量不同，所以收獲后土壤中氮磷殘留總量和氮磷流失總量也不同，從表2可看出，各種植模式氮流失量以冬(春)小麥-青貯、冬(春)小麥-蔬菜、單作玉米、油葵在適量施肥條件下較對照小麥/玉米低，分別比對照低56.8%、50%、36.4%和36.4%；磷流失量以冬(春)小麥-青貯、蔬菜、冬(春)小麥-油葵明顯降低，分別比對照低50%、42%和35.7%。

表1　不同種植模式下的產量和經濟效益

冬(春)小麥-青貯、冬小麥-蔬菜模式降低土壤中氮磷效果明顯，這是由于冬小麥復種作物相對單作，后茬增加了一季作物，相對提高了對土壤氮磷吸收量，降低了氮磷流失，單作油葵和玉米的氮磷流失量較少，說明油葵和玉米兩種作物能降低土壤中氮磷殘留量。

根據(jù)不同種植模式下的氮磷流失量，可計算出2014年寧夏自流灌區(qū)農田污染的總氮流失量達34 317 t，磷的流失量高達408 t。根據(jù)寧夏統(tǒng)計年鑒查閱的資料和相應的計算得出2010年寧夏自流灌區(qū)肥料污染、畜禽養(yǎng)殖污染和生活污水污染可知氮磷負荷分別為19 374.4 t和867.1 t，其中施用化肥產生的氮磷負荷量最高，分別為8 618.2 t和322.7 t，畜禽養(yǎng)殖排放的氮磷輸出量為7 699 t和320.4 t，生活污水的氮磷排放量為3 057.2 t和224 t。相比較根據(jù)實驗得出的農田面源污染的氮磷流失量較少，由此可知，寧夏農田面源污染氮磷流失量不可低估。

表2　不同種植模式下0～120 cm土層氮磷輸出和輸入/(kg·hm-2)

2.3寧夏自流灌區(qū)種植業(yè)結構優(yōu)化分析

以農田低污染為前提，發(fā)展經濟高效的種植業(yè)結構為目標，進行線性規(guī)劃，分為三個方案，方案一：經濟效益最大，氮磷流失量最小的多目標線性規(guī)劃(分層評價法)；方案二：氮磷流失量分別減少10%和5%，經濟效益最大的單目標線性規(guī)劃(單純形法)；方案三：氮磷流失量分別減少15%和5%，經濟效益最大的單目標線性規(guī)劃(單純形法)。分別用DPS軟件進行線性規(guī)劃分析，其方法參見文獻[21]。

2.3.1低污染種植結構優(yōu)化結果根據(jù)定位試驗的結果對各作物種植面積、氮磷流失量以及農業(yè)產值確定目標函數(shù)，利用多目標線性規(guī)劃的分層評價法進行分析，求解了農業(yè)產值最高時和氮磷流失量最小時的種植面積及最優(yōu)種植結構。由于農業(yè)面源污染中的最重要的部分是氮磷污染，因此根據(jù)氮和磷的權重分析，氮與磷權值各取0.50。

方案一：

由表3知，在現(xiàn)有的種植面積下，經濟效益最大為40.6億元，氮磷流失量分別為26 096.6 t和413.7 t，幾種種植模式的總播種面積為38萬hm2，單作蔬菜的面積為7萬hm2，春小麥/玉米的面積為3.8萬hm2，單作玉米的面積為13.5萬hm2，冬小麥-蔬菜、冬(春)小麥-青貯和冬(春)小麥-油葵的面積優(yōu)化為0，冬小麥-水稻的面積優(yōu)化為2萬hm2，單作油葵的面積為5萬hm2。

方案二：

由表4知，在氮減少10%、磷減少5%后的氮磷流失量為30 885.2 t和388.2 t，經濟效益最大為38億元，總播種面積為34.2萬hm2，冬小麥-蔬菜的面積優(yōu)化為1.5萬hm2，單作蔬菜的面積為5.5萬hm2，春小麥/玉米的面積為3.8萬hm2，單作玉米的面積為13.5萬hm2，冬(春)小麥-青貯的面積為1.09萬hm2，冬小麥-水稻和冬(春)小麥-油葵的面積優(yōu)化為0，單作油葵的面積優(yōu)化為2.1萬hm2。

方案三：

由表5知，在氮減少15%、磷減少5%后的氮磷流失量為29 169.4 t和388.2 t，經濟效益最大為39.3億元，幾種作物的總種植面積為36.1萬hm2，冬小麥-蔬菜的面積優(yōu)化為1.5萬hm2，單作蔬菜的面積為5.5萬hm2，春小麥/玉米的面積為3.8萬hm2，單作玉米的面積為13.5萬hm2，冬(春)小麥-青貯的面積為1.09萬hm2，冬小麥-水稻和冬(春)小麥-油葵的面積優(yōu)化為0，單作油葵的面積優(yōu)化為4萬hm2。

表3　經濟效益最高氮磷流失量最小優(yōu)化結果/104hm2

表4　氮減少10%、磷減少5%的優(yōu)化結果/104hm2

表5　氮減少15%、磷減少5%的優(yōu)化結果/104hm2

2.3.2低污染種植結構優(yōu)化結果評價

方案一：在經濟效益最大氮磷流失量最小的條件下進行優(yōu)化后的結果為(表3)：優(yōu)化后的氮總流失量相比較之前的氮總流失量降低了25%，優(yōu)化后的磷素總流失量相比較之前的磷素總流失量增加了1.2%。經濟效益為40.6億元，相比較之前的經濟效益增加了5.6億元。冬小麥-蔬菜的面積為0，單作蔬菜的面積為7萬hm2，總蔬菜的種植面積保持穩(wěn)定，規(guī)劃的結果顯示單作蔬菜和設施蔬菜的面積會逐漸取代復種蔬菜，可能是由于冬小麥—蔬菜生產效益雖高，但是該種植方式費工又費時，成本偏高，因此，優(yōu)化后的面積為0，但從氮磷流失量角度考慮，冬小麥-蔬菜對減少氮磷流失量效果較好，應提倡種植復種蔬菜，因此此優(yōu)化不合理。玉米的播種面積呈逐漸增大趨勢，如果不做上限，玉米的播種面積還會增加，其中春小麥/玉米種植面積為3.8萬hm2，原因有兩方面，一方面是由于該方式灌水量較高而播種面積被限制，但另一方面該方式可提供小麥的糧食產量以滿足糧食的需求，從而保持著一定的播種面積。而由于人口的不斷增長和畜牧業(yè)發(fā)展需要，而且玉米需要的灌溉水量較少，還可提供較高的糧食產量，隨著糧食需求量的增大，單作玉米的播種面積不斷上升，彌補了春小麥/玉米播種面積下降引起的糧食不足，增加幅度較大，優(yōu)化后的單作玉米的種植面積僅13.5萬hm2，若不做上限還會減少蔬菜的播種面積繼續(xù)增加玉米的面積。油葵由于較為節(jié)水、投入少，且經濟效益相對較高，冬(春)小麥-油葵的面積被優(yōu)化為0，單作油葵的面積為5萬hm2，油葵的總種植面積為5萬hm2。冬(春)小麥-青貯的面積被優(yōu)化為0，而冬小麥-水稻的面積被優(yōu)化為2萬hm2，可能是由于冬小麥-水稻的經濟效益較高，還能很好地控制氮磷流失量。

方案二：在氮磷流失量分別控制在減少10%和5%，其優(yōu)化后的結果(表4)可看出，相比較沒有控制氮磷流失量時優(yōu)化后的面積較為合理，但經濟效益較少，僅比現(xiàn)在的經濟效益增加了3億元，作物的總播種面積也減少到34.2萬hm2，相比方案一優(yōu)化后的面積少了3.8萬hm2，在播種面積最小的情況下，可以保證經濟效益的提高，但是在可控制氮磷流失量的條件下經濟效益增加較少也可以理解，而且不會影響農民的收入，玉米的種植面積與方案一致，冬小麥-蔬菜的種植面積被優(yōu)化為1.5萬hm2，單作蔬菜的面積為5.5萬hm2，總的蔬菜面積保持穩(wěn)定，在保證人均蔬菜占有量的同時，又可以適當減少氮磷流失量，冬(春)小麥-青貯的播種面積被優(yōu)化為1.09萬hm2，為了保障畜牧業(yè)發(fā)展的需求，冬(春)小麥-青貯應保持一定的種植面積，冬(春)小麥-油葵的面積同樣被優(yōu)化為0，單作油葵的面積也有所減少，優(yōu)化為2.1萬hm2，冬小麥-水稻的面積被優(yōu)化為0，雖然凈收益較高，但復種水稻費工費時，成本較高，且種植過程較為復雜，目前引黃灌區(qū)此種植方式幾乎沒有。

方案三：在氮流失量減少15%磷流失量減少5%的方案中，經濟效益為39.3億元，作物的總播種面積被優(yōu)化為36.1萬hm2，相比方案二經濟效益和播種面積均有所增加，單作玉米的面積被優(yōu)化為13.5萬hm2，與原來的播種面積一致，由此可看出隨著氮磷流失量的減少，冬(春)小麥-油葵的種植面積和玉米的種植面積與方案一和方案二一致，而單作油葵的面積較方案二增加了2萬hm2，優(yōu)化為4萬hm2，這說明隨著氮磷流失量的降低，油葵的面積是上升的，但并不影響寧夏引黃灌區(qū)的種植業(yè)結構，因為全區(qū)的食用油大多數(shù)由山區(qū)提供，影響不大。

從優(yōu)化結果和分析評價可以得出結論，方案三的優(yōu)化結果更為合理，因為氮的流失量減少15%是目前可以達到的范圍，通過合理的優(yōu)化結構，在未來的幾年時間中，可以將氮磷的流失量分別減少15%和5%，而且為了保證寧夏引黃灌區(qū)種植業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，水稻的播種面積穩(wěn)定在6.7萬hm2，逐步增加單作玉米的播種面積，穩(wěn)定春小麥/玉米的播種面積，適應于水資源農業(yè)結構調整，水稻面積會逐漸減少，而且冬小麥-水稻耗工量大，其播種面積優(yōu)化為0，適當增加油葵的播種面積，穩(wěn)定蔬菜的面積，以提高蔬菜的品質和增加經濟效益為主，同時維持一定的冬小麥-蔬菜的種植面積，可降低氮磷流失量，同時保證一定的冬小麥-青貯的面積，以解決畜牧業(yè)所需飼草。減少氮磷污染的同時，作物的經濟效益逐漸提高，改善了農民的生活水平。因此，改善作物的種植模式對控制農業(yè)面源污染有很大的作用。

總之，在穩(wěn)糧、增經、增飼，發(fā)展高效清潔現(xiàn)代農業(yè)的發(fā)展思路下，科學的種植業(yè)結構能在較大程度上實現(xiàn)高效益、化肥低污染，優(yōu)化后的種植業(yè)結構結合灌區(qū)經濟發(fā)展對種植業(yè)的要求，灌區(qū)的種植業(yè)結構總體上適當增加旱作玉米播種面積，維持水稻面積，適量減少小麥面積，在優(yōu)化后各作物面積種植條件下，發(fā)展以旱作為主，高效益，低氮磷流失的小麥、玉米間混套作模式及高經濟效益作物。

3結論

1) 寧夏自流灌區(qū)主要種植模式的經濟效益以單作水稻及冬小麥-水稻較高，分別較對照小麥/玉米高出36.8%和28.2%。

2) 各種植模式氮流失量以冬(春)小麥-青貯、冬(春)小麥-蔬菜、單作玉米、油葵在適量施肥條件下分別比對照低56.8%、50%、36.4%和36.4%；磷流失量以冬(春小麥)-青貯、蔬菜、冬(春)小麥-油葵降低較明顯，分別比對照低50%、42%和35.7%。

3) 優(yōu)化的種植業(yè)結構播種面積為春小麥/玉米3.8萬hm2、蔬菜5.5萬hm2、玉米13.5萬hm2、水稻6.7萬hm2、冬小麥-青貯1.09萬hm2、油葵4萬hm2，在其播種面積條件下，結合灌區(qū)現(xiàn)有的種植條件與技術，進行作物間合理組配，可以在保證經濟產量效益條件下較大幅度降低氮磷流失量。

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Cultivation structure optimization of crops with low nitrogen and phosphorus

pollution in irrigated Yellow River region of Ningxia

LIU Gen-hong, XU Qiang, QIAO Na, KANG Jian-hong, WU Hong-liang

(NingxiaUniversity,Yinchuan,Ningxia750021,China)

Abstract：Because the environment and agricultural water recession polluted severely by fertilizer applied through agricultural production, to reduce losses of soil nitrogen and phosphorus, as well as to improve economic benefits, cultivation structure was optimized in this research using a linear programming method based on a previous trial result. The results showed that the economic benefits of rice and winter wheat-rice were 36.8% and 28.2% higher respectively than the control of spring wheat/corn, respectively. The amounts of nitrogen loss for cultivation patterns of winter/spring wheat-silage, winter/spring wheat-vegetables, solely corn and oil sunflower were reduced by 56.8%, 50%, 36.4% and 50%, respectively from that of wheat/corn. The amounts of phosphorus loss for patterns of winter/spring wheat-silage, vegetables, and winter/spring wheat-oil sunflower were 50%, 42%, and 35.7% lower than that of wheat/corn, respectively. The areas for different cultivation patterns after optimization were as follows: 38 000 hectares sowing area for spring wheat/corn, 10 900 hectares for winter wheat-silage, 6 700 hectares for rice, 55 000 hectares for vegetables, 135 000 hectares for corn, and 40 000 hectares for oil sunflower. Rational field arrangement combined with current cultivation conditions and technologies might be helpful for economy development and minimize nitrogen and phosphorus losses.

Keywords:nitrogen; phosphorus; low pollution; planting patterns; Ningxia; irrigated Yellow River region

中圖分類號：S344

文獻標志碼：A

作者簡介：劉根紅(1973—)，男，寧夏隆德人，博士，副教授，主要研究方向為作物栽培與耕作學。E-mail:liugenhong@163.com。

基金項目：寧夏大學校自然基金

收稿日期：2014-12-10

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.01.22

文章編號：1000-7601(2016)01-0140-07