村域農(nóng)田氮素排放特征研究
——以新安村為例

陳 帥，辛思穎，佟丙辛，呂敏娟，吉慶凱，馬文奇，魏 靜

（河北農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境科學學院，河北 保定 071000）

氮肥在保障糧食生產(chǎn)上起了很大作用，但當投入量過高時氮肥的利用率會明顯降低，未被作物吸收的氮養(yǎng)分或累積在土壤中，或通過徑流、氨揮發(fā)等途徑損失到環(huán)境中，造成了土壤酸化[1]、溫室效應(yīng)[2]、水體污染等[3]環(huán)境問題，因此氮素排放及其減排策略一直是國內(nèi)外關(guān)注熱點，而明確區(qū)域氮素排放特征是優(yōu)化區(qū)域減排措施的前提，前人對此做了大量研究[4-8]。如胡春勝等[5]使用長期定位試驗進行了多項關(guān)于農(nóng)田氮素排放過程的研究。王激清等[8]借助農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮素平衡模型估算了中國不同地區(qū)氮素輸入輸出及盈余，并分析了氮素產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)，認為2004年農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)通過氨揮發(fā)、反硝化、淋溶徑流和侵蝕等途徑損失的氮為1 132.80萬t，氮盈余為1 301.20萬t。Zhao等[9]開發(fā)了NUFER-Farm模型（NUtrient flow in Food chain，Environment and Resources use-Farm），更進一步細化了氮從生產(chǎn)到人類消費，以及最終去向的核算，為中國農(nóng)戶氮素流動分析提供了方法。但這些研究多注重大尺度如全球、國家、區(qū)域和微觀尺度如農(nóng)田及其土壤過程的研究，對氮素減排的實施者農(nóng)戶及小區(qū)域農(nóng)戶構(gòu)成的基本集體——村域重視不夠，使得很多減排措施難以落地，制約了氮素減排的進程。在中國，村域是農(nóng)村社會經(jīng)濟活動的基本單元，農(nóng)戶是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動的主體單位，也是氮素減排的重要實施者，因此闡明村域農(nóng)田氮素排放特征及其影響因素，對于減排措施的落地具有重要指導(dǎo)意義[10-11]。河北省石家莊市正定縣新安村位于華北平原中部，是典型冬小麥-夏玉米輪作區(qū)，其管理方式符合中國目前的小農(nóng)戶模式，代表了我國華北地區(qū)大部分村域的特點。為此，本文以正定新安村為研究對象，從農(nóng)戶作物生產(chǎn)管理現(xiàn)狀出發(fā)，基于NUFER-Farm模型對整個村域的氮素排放進行核算，分析其排放特征及影響因素，以期為村域氮素管理措施的制定提供科學依據(jù)和決策支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

新安村地處石家莊市正定縣北部，該村現(xiàn)有1 370戶，人口5 100余人，耕地面積300 hm2左右，土壤以褐土為主，質(zhì)地主要是砂土與砂壤土。土壤全氮0.8～1.29 g·kg-1，有機質(zhì) 6.9～40.8 g·kg-1，有效磷 4.8～68.8 mg·kg-1，速效鉀 38.8～174.0 mg·kg-1。當?shù)刂饕N植制度為一年兩作，秋冬春季主要為冬小麥，夏季主要為夏玉米或大豆。冬小麥、夏玉米、大豆的種植面積分別為255、170、85 hm2，分別占85.0%、56.7%、28.3%；根據(jù)調(diào)研結(jié)果統(tǒng)計，3種作物的氮肥投入水平分別在48～370、80～268、0～59 kg·hm-2之間，灌溉次數(shù)分別為4～10、1～2、1～2次。

1.2 研究方法

農(nóng)田氮素排放的核算是以Microsoft Access 2010為數(shù)據(jù)管理平臺，以R studio 0.98.978為開發(fā)平臺的NUFER-Farm模型系統(tǒng)[9]。該模型在物質(zhì)守恒條件下用于計算不同作物種類、農(nóng)田、作物子系統(tǒng)的多類農(nóng)戶的養(yǎng)分流動、利用率及環(huán)境損失情況。本研究只用到作物生產(chǎn)子系統(tǒng)，由農(nóng)戶數(shù)據(jù)和系統(tǒng)參數(shù)表組成。農(nóng)戶數(shù)據(jù)包括：農(nóng)戶基本信息、作物生產(chǎn)信息、作物去向表。系統(tǒng)參數(shù)表包括：氮沉降、作物相關(guān)的參數(shù)、農(nóng)田氨揮發(fā)、氧化亞氮排放、氮淋洗系數(shù)表等。其中作物相關(guān)參數(shù)（作物產(chǎn)量、植株各器官吸氮量）由跟蹤農(nóng)田取樣實測獲得，氨揮發(fā)排放由田間試驗實測獲得；其他參數(shù)來自NUFER-Farm模型。采用“Bottom-up”方法，計算農(nóng)田中每種作物的氮素排放量和農(nóng)田每年的氮素排放量，農(nóng)田固氮和大氣沉降根據(jù)地塊面積與單位固氮或沉降速率的乘積得到；化肥、種子、灌溉等帶入和輸出帶走的氮采用各項的數(shù)量與相應(yīng)的氮含量乘積獲得。各種形式的氮素排放量均采用排放系數(shù)法進行估算，不同途徑的氮損失系數(shù)依據(jù)土壤類型、作物種類、肥料種類及施肥方式而定。

氮素總排放應(yīng)包括氨揮發(fā)、氮的淋溶和徑流、脫氮等。華北平原徑流損失很小，不包括在內(nèi)。從環(huán)境角度考慮，本文氮素總排放定義為氨揮發(fā)、硝態(tài)氮淋洗和氧化亞氮的總和。

GIS軟件繪制空間分布圖：首先，將最新版新安村的遙感影像圖從Google Earth大地圖軟件下載，加載到ArcGIS10.2.2軟件上，根據(jù)GPS定位信息對遙感圖進行校準，根據(jù)底圖中居民點、道路、河流、農(nóng)田等空間分布建立點、線、面圖層，用點、線、面對地物進行勾畫，并根據(jù)田間調(diào)研信息、田間跟蹤記錄、模型計算的環(huán)境損失等建立空間分布圖。

為了考察村域氮素排放的空間特征，研究中按照方向不同，以村內(nèi)主要道路為中心線劃分為東北、東南、西北、西南4個方位。

1.3 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源包括田間調(diào)研、跟蹤和實測3部分，覆蓋全村范圍，對2016年10月—2018年10月兩個輪作周期，分5次對村子不同方位的農(nóng)戶開展隨機抽樣調(diào)研，有效樣本量為254份。田間跟蹤信息以中國農(nóng)業(yè)大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)“科技小院”網(wǎng)絡(luò)——河北正定科技小院為依托，進行農(nóng)戶田間記錄跟蹤，在村中隨機選取40戶地塊，對農(nóng)戶種植的冬小麥、夏玉米及大豆的生長管理信息進行記錄并測定。調(diào)研、跟蹤信息包括：戶主基本信息、地塊位置及面積、作物種類、播種面積、播期、播量、播種方式、各時期苗情信息；肥料投入量、養(yǎng)分比例、施肥日期；灌溉日期、次數(shù)、用水量、產(chǎn)量等。

在試驗前進行耕層土壤樣品采集工作，在每個采樣點位置10 m半徑內(nèi)，采用“S”法采集5鉆土壤樣品，最后將充分混合的土樣用四分法保留1 kg。共采集土壤樣品121個，用GPS記錄每個采樣點的經(jīng)緯度，用激光粒度分析儀S3500（美國）測定土壤質(zhì)地。

2 結(jié)果與分析

2.1 新安村不同輪作周期農(nóng)田氮素排放強度

2016年10月—2018年10月，新安村兩個輪作周期單位面積農(nóng)田氮素排放量如圖1所示，兩個輪作周期單位面積農(nóng)田氮素總排放量分別為58.9 kg N·hm-2和61.2 kg N·hm-2，差異不顯著，但具體到硝態(tài)氮淋洗和氨揮發(fā)則有明顯差異，第二個輪作周期單位面積農(nóng)田的硝態(tài)氮淋洗量顯著高于第一個輪作周期，從14.3 kg N·hm-2增加到22.9 kg N·hm-2，增幅為60.1%，氨揮發(fā)量從41.9 kg N·hm-2減少到36.1 kg N·hm-2，降幅為13.8%，差異顯著。氧化亞氮兩個輪作周期差異不顯著。不同季節(jié)單位面積農(nóng)田氮素排放情況如圖2所示，兩個輪作周期單位面積農(nóng)田氮素總排放量均表現(xiàn)為秋冬春季＞夏季，秋冬春季為50.3 kg N·hm-2，夏季為33.3 kg N·hm-2。氨揮發(fā)量、硝態(tài)氮淋洗量、氧化亞氮排放量也表現(xiàn)出相同趨勢。其中秋冬春季硝態(tài)氮淋洗量、氨揮發(fā)量與夏季差異顯著。

2.2 新安村不同方位農(nóng)田氮素排放強度

圖1 新安村不同輪作周期農(nóng)田氮素排放Figure 1 Nitrogen emission of farmland in different rotation cycles of Xinan Village

圖2 新安村不同種植季節(jié)農(nóng)田氮素排放Figure 2 Nitrogen emission of farmland in different planting seasons of Xinan Village

圖3 新安村氮素總排放的空間分布和不同方位氮素排放量Figure 3 Spatial distribution and average in different areas of total nitrogen emissions from Xinan Village

從新安村氮素總排放強度空間分布（圖3a）看，各臨近地塊間差異很大，沒有明顯的規(guī)律；而村域西南方位農(nóng)田氮素總排放量整體低于其他方位（圖3b）。新安村西南方位單位面積農(nóng)田總氮素排放平均值為52.3 kg N·hm-2，顯著低于西北方位的 66.8 kg N·hm-2、東北方位的 60.2 kg N·hm-2和東南方位的 59.6 kg N·hm-2（P＜0.05）；其他方位相互差異不顯著。

2.3 新安村農(nóng)田氮素排放特征與作物種類的關(guān)系

村域氮素排放特征與作物種類和面積緊密相關(guān)，不同作物需肥特性不同，農(nóng)田氮素排放特征也不同。由圖4可知，冬小麥、夏玉米和大豆單位面積農(nóng)田氮素排放平均值分別為40.5、28.5 kg N·hm-2和5.3 kg N·hm-2，3種作物間氮素總排放量差異顯著，大豆的氮素總排放量最小。新安村作物種類以冬小麥占比最大，大豆占比最小。因此增加大豆種植面積能夠明顯降低村域整體氮素排放量。

圖4 不同作物種類農(nóng)田氮素排放Figure 4 Nitrogen emission from farmland of different crop species in Xinan Village

2.4 新安村農(nóng)田氮素排放特征與施氮量的關(guān)系

大量研究表明，施氮量是影響氮素排放的重要因素，本文在村域尺度的研究也證明了這一點。由圖5a可知，隨著氮肥用量的不斷增加，農(nóng)田氮素總排放量也在不斷增加。由此可見，農(nóng)戶氮肥用量的差異是造成單位面積農(nóng)田氮素總排放量差異的重要因素。不同作物種類農(nóng)田氮肥投入量明顯不同（圖5b），冬小麥單位面積農(nóng)田氮肥用量區(qū)間為138.1～272.5 kg·hm-2，平均值為214.7 kg·hm-2，顯著高于夏玉米（區(qū)間為121.1～207.0 kg·hm-2，平均值為160.0 kg·hm-2）、大豆（區(qū)間為0～41.2 kg·hm-2，平均值為 9.84 kg·hm-2），因此，增加大豆種植面積可以有效減少村域整體氮素投入，從而降低村域氮素排放量。

2.5 新安村農(nóng)田氮素排放特征與灌溉次數(shù)的關(guān)系

圖6為不同輪作體系下灌溉次數(shù)與農(nóng)田氮素總排放量的關(guān)系，由圖可知，兩個輪作體系均隨農(nóng)田灌溉次數(shù)的增加而呈現(xiàn)增加的趨勢。在冬小麥-夏玉米輪作體系與農(nóng)田氮素總排放關(guān)系中（圖6a），灌溉次數(shù)≥8次的農(nóng)田氮素總排放量顯著高于灌溉6次和≤5次的。在冬小麥-大豆輪作體系與氮素總排放關(guān)系中（圖6b），農(nóng)田灌溉次數(shù)≥8次的農(nóng)田氮素總排放量與灌溉次數(shù)≤5、6次和7次的相比差異均顯著。

2.6 新安村農(nóng)田氮素排放特征與土壤質(zhì)地的關(guān)系

如圖7a所示，新安村不同土壤質(zhì)地條件下單位面積農(nóng)田氮素排放存在顯著差異，砂土質(zhì)地單位面積農(nóng)田氮素排放平均值為78.2 kg N·hm-2，顯著高于砂壤土的60.4 kg N·hm-2和壤土的51.0 kg N·hm-2，3種質(zhì)地間相比均差異顯著。砂土、砂壤土和壤土單位面積農(nóng)田氮素總排放量區(qū)間分別為63.1～92.3、33.9～84.8 kg N·hm-2和25.9～76.3 kg N·hm-2。

圖5 新安村氮肥用量與氮素排放的關(guān)系及不同作物種類氮肥施用量Figure 5 Relationship between nitrogen application amount and nitrogen emission，and nitrogen application of different crop species in Xinan Village

圖6 新安村冬小麥-夏玉米和冬小麥-大豆農(nóng)田灌溉次數(shù)與氮素排放的關(guān)系Figure 6 Relationship between nitrogen emission and irrigation frequency of winter wheat-summer maize and winter wheat-soybean in Xinan Village

圖7 新安村不同土壤質(zhì)地農(nóng)田氮素排放量Figure 7 Nitrogen emission of farmland with different soil textures in Xinan Village

3 討論

3.1 村域農(nóng)田氮素排放特征

中國食物鏈系統(tǒng)養(yǎng)分流動模型——NUFER是在前人運用的基礎(chǔ)上進行的，近年來已在不同區(qū)域尺度的氮素流動系統(tǒng)得到了驗證與應(yīng)用，具有很高的可信度[12]。本研究結(jié)果表明，在村域尺度下，農(nóng)田氮素的排放強度在作物種植周期上略有不同。新安村2016—2018年兩個輪作周期內(nèi)，第二個輪作周期相比于第一個輪作周期單位面積農(nóng)田硝態(tài)氮淋洗量增長了60.1%；氨揮發(fā)量減少了13.8%，這主要是受到了氣象條件的影響[13]。張英鵬等[14]在山東德州的研究結(jié)果為農(nóng)戶習慣管理中夏玉米季淋洗量要高于冬小麥季，而本研究結(jié)果中，農(nóng)田氮素排放均為秋冬春季＞夏季（即冬小麥季＞夏玉米季），這與村域農(nóng)戶的管理方式有關(guān)：小麥生長周期長于夏玉米/大豆；小麥返青后，為保證作物產(chǎn)量，農(nóng)戶選擇大量追肥且以每10～15 d為周期，采用大水漫灌的方式進行灌溉，夏玉米種植過程中農(nóng)戶多選擇在播種時施入底肥并灌溉，后期不再追肥灌溉，從而造成新安村農(nóng)田單位面積硝態(tài)氮淋洗強度及氨揮發(fā)強度在秋冬春季＞夏季。本研究年平均硝態(tài)氮淋洗量為7.0～29.6 kg N·hm-2，與楊憲龍等[15]研究的4 a平均淋失量2.7～18.9 kg N·hm-2不同，原因可能是硝態(tài)氮在土壤剖面中的累積和移動在年際間變異較大[16]。氧化亞氮的年排放量為1.2～3.7 kg N·hm-2，與張玉銘等[17]在河北欒城褐土上測定的氧化亞氮年排放量1.4～3.3 kg N·hm-2相近。本文對村域農(nóng)田氮素排放空間分布的分析結(jié)果不同于區(qū)域大尺度的研究結(jié)果[7-8]，各鄰近農(nóng)田之間氮素排放量差異較大，規(guī)律不明顯，但在村域不同空間方位分布上有一定的差異，原因是小農(nóng)戶自身生產(chǎn)的特點，造成農(nóng)田氮素排放的差異[18]。因此，在村域尺度下對氮素減排措施的優(yōu)化應(yīng)以農(nóng)戶和田塊的管理為重點。

3.2 村域農(nóng)田氮素排放的影響因素

氮素排放與作物種類、施肥量、灌溉、土壤質(zhì)地等多因素密切相關(guān)。本文研究表明，村域尺度上，作物種類和輪作制度對氮素排放影響顯著，小麥排放最多，玉米次之，而大豆排放最小，這與一些研究結(jié)果是一致的[19-20]。有研究表明[20]，水稻種植過程中，氨揮發(fā)占主導(dǎo)地位，其次是徑流，滲漏損失最小，但豆科類植物加入輪作可有效降低氮素排放。眾多研究表明，隨著氮肥施用量增加，氮素總排放量增加，本文在村域尺度下也證明了這一點。從研究結(jié)果看，新安村單位面積農(nóng)田施氮水平顯著高于華北平原區(qū)域最佳施氮量[21]，農(nóng)戶對氮肥的過量施用依然是影響村域尺度氮素排放的核心因素。灌溉也是影響氮素總排放的重要因素，李楨等[22]研究表明，在粉砂土壤上，當施氮水平不變時，過量灌溉會加劇單位面積農(nóng)田氨揮發(fā)量。在本研究中，隨著灌溉次數(shù)的增加，兩種輪作體系的農(nóng)田總氮素排放量都為增長趨勢。金欣欣等[23]在華北平原的研究也表明，小麥季灌溉超過3水后，氮肥損失率會顯著增加，因此，小麥生長季灌2水或3水是華北地區(qū)較好的選擇。土壤含水量和土壤質(zhì)地通常也是影響農(nóng)田氮素排放的主要因子[24]。本文結(jié)果表明，隨著土壤質(zhì)地加重，氮素排放會減少，主要是土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)決定土壤的透水性，粗質(zhì)地土壤中的水分和硝態(tài)氮遷移深度會明顯大于細質(zhì)地土壤，更易造成硝態(tài)氮淋洗。有研究表明[25-27]，不同質(zhì)地土壤硝態(tài)氮含量為壤土＞砂質(zhì)壤土＞壤質(zhì)砂土，也說明隨質(zhì)地加重，土壤硝態(tài)氮更容易在土體累積而損失減少。

近年來，我國農(nóng)田氮素排放量一直在呈現(xiàn)顯著增加的趨勢，由于受糧食經(jīng)濟利益的驅(qū)動，農(nóng)田氮素排放量在未來還會增加，在保障產(chǎn)量的前提下優(yōu)化氮肥用量是減少農(nóng)田氮素排放最直接和有效的措施[28]。根據(jù)我國發(fā)展的現(xiàn)狀，村域小農(nóng)戶是此項措施的直接行為人，因此，加強小農(nóng)戶對農(nóng)田科學管理的意識是十分必要的。例如Huang等[29]在我國山東通過對農(nóng)民進行技術(shù)培訓(xùn)，有效引導(dǎo)農(nóng)民進行合理施肥，可以達到玉米農(nóng)田氮肥施用減量的效果。采用氮肥后移措施可有效提高作物氮素吸收利用效率，減少氮素損失[30]。另外，新安村的灌溉方式為傳統(tǒng)的大水漫灌，這是造成土壤硝態(tài)氮淋洗的重要原因，因此合理灌溉可減少硝態(tài)氮淋洗。調(diào)控土壤濕度也是降低土壤N2O排放的關(guān)鍵所在[24]。新安村土壤質(zhì)地存在差異，根據(jù)不同質(zhì)地分布因地制宜種植作物，也是改善農(nóng)田氮素排放的重要措施。

4 結(jié)論

（1）兩個輪作周期單位面積農(nóng)田氮素總排放量和氧化亞氮排放量差異不顯著，但硝態(tài)氮淋洗量和氨揮發(fā)量差異顯著，在季節(jié)上，單位面積農(nóng)田氮素總排放量秋冬春季顯著高于夏季。各鄰近田塊間氮素排放差異較大，空間規(guī)律不明顯，但村域整體方位分布存在一定規(guī)律，西南方位氮素排放最低。

（2）作物種類、施氮量、灌溉次數(shù)與土壤質(zhì)地對農(nóng)田氮素排放均有不同程度的影響。作物氮素排放量表現(xiàn)為：冬小麥＞夏玉米＞大豆；兩個輪作體系氮素總排放量均隨施氮量、灌溉次數(shù)的增加而增加；隨著土壤黏粒的減少，單位面積農(nóng)田氮素總排放量增多。

（3）村域農(nóng)田氮素排放特征更多受到農(nóng)戶管理因素的影響，減排重點應(yīng)放在農(nóng)戶和田間管理上。建議采取以下措施：一是優(yōu)化氮肥施用，如降低施氮量、施肥時期后移等。二是合理灌溉，采取噴灌或滴灌等。三是調(diào)整作物布局，如新安村可增加大豆種植面積。