華北平原潮土區(qū)糧田氮淋失阻控措施及效果分析*

孟凡喬，王 坤，肖廣敏，王開永，胡正江，張海霞，許秀春，張 薇，楊 軒

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/農(nóng)田土壤污染防控與修復(fù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100193； 2.淄博市農(nóng)業(yè)農(nóng)村事業(yè)服務(wù)中心 淄博 255033； 3.桓臺(tái)縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局 桓臺(tái) 256400)

改革開放40 多年來(lái)，華北平原等地區(qū)氮肥用量不斷增加，作物產(chǎn)量快速提高，是地下水面源污染的重要原因[1-4]。20 世紀(jì)90年代初，氮肥等引起的面源污染就開始進(jìn)入人們視線，周健等[5]提出通過(guò)降低化肥數(shù)量、優(yōu)化施肥技術(shù)等，有效降低面源污染，并建議 2020年全國(guó)化肥投入總量控制到5.16×107t。張維理等[6]建議華北地區(qū)二熟制糧食作物氮肥用量不超過(guò)400 kg(N)·hm-2·a-1。進(jìn)入21 世紀(jì)，面源污染逐步加劇。劉光棟等[7]對(duì)華北第一噸糧縣——山東桓臺(tái)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于連續(xù)多年大量施用氮肥，1999年全縣地下水硝態(tài)氮濃度>10 mg·L?1的污染區(qū)域占1/5。第1 次和第2 次中國(guó)污染源普查表明，2007年和2017年全國(guó)種植業(yè)總氮排放量分別達(dá)1.59×106kg 和7.2×105kg，遠(yuǎn)超過(guò)工業(yè)與生活源。除了統(tǒng)計(jì)口徑和計(jì)算方法，肥料投入和氮淋失阻控措施的實(shí)施是兩次污染物排放量出現(xiàn)差異的重要原因[8-9]。

從20 世紀(jì)60年代以來(lái)，全球范圍內(nèi)，美國(guó)、中國(guó)和荷蘭等農(nóng)業(yè)集約化國(guó)家對(duì)于氮淋失的研究開始快速增加，對(duì)象主要是小麥(Triticum aestivum)、玉米(Zea mays)和草場(chǎng)，又以在中國(guó)華北地區(qū)的研究更為充分[10]。如在河北欒城的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)表明，年施氮量為400 kg(N)·hm-2情景下，硝態(tài)氮淋溶損失為47.0～65.5 kg(N)·hm-2，占肥料氮的11.8%～16.4%[1]。在夏玉米季，全國(guó)范圍內(nèi)硝態(tài)氮淋失損失平均水平為27.6 kg(N)·hm-2(占氮肥投入的13.3%)，其中華北潮土區(qū)為10～35 kg(N)·hm-2[11]。從農(nóng)田淋失的氮絕大部分進(jìn)入地下水體，造成華北地區(qū)地下水硝酸鹽等逐年增加，已經(jīng)對(duì)該區(qū)水環(huán)境和人群健康造成重大潛在影響，急需采取阻控措施，降低糧食生產(chǎn)過(guò)程中的氮淋失。

華北平原是中國(guó)主要的糧食產(chǎn)區(qū)[12]，目前在該區(qū)圍繞氮淋失與氮肥和水分之間的數(shù)量關(guān)系、肥料增效劑等主要農(nóng)田管理措施的阻控效果進(jìn)行了大量研究，但這些個(gè)案研究效果各異、甚至相反，需要從區(qū)域尺度，采用數(shù)據(jù)整合分析等方法，對(duì)這些研究的整體性規(guī)律進(jìn)行歸納總結(jié)，并對(duì)不同結(jié)果的原因進(jìn)行分析。本研究對(duì)過(guò)去40 多年來(lái)的研究文獻(xiàn)進(jìn)行全面分析，梳理氮肥和水分投入與氮淋失之間的定量關(guān)系，比較主要農(nóng)田管理措施對(duì)氮淋失的阻控效果及其機(jī)理，提出適用于華北平原糧田的源頭減量和過(guò)程阻斷與攔截技術(shù)，為該區(qū)面源污染防控和管理工作提供科技支撐。

1 潮土區(qū)土壤特點(diǎn)與農(nóng)田管理措施

潮土(Alluvial soils，F(xiàn)luvo-aquic soils)是河流沉積物受地下水運(yùn)動(dòng)和耕作活動(dòng)影響而形成的土壤，因有夜潮現(xiàn)象而得名。潮土為發(fā)育于富含碳酸鹽或不含碳酸鹽的河流沖積物，受地下潛水作用，經(jīng)過(guò)耕作熟化而形成的半水成土壤[13]，相當(dāng)于美國(guó)《土壤系統(tǒng)分類》的淡色始成土綱(Ochrepts)，以及世界土壤分類中的飽和始成土(Eutric Cambisols)和石灰性始成土(Calcaric Cambisols)[14]。我國(guó)潮土主要分布于華北平原(黃淮海地區(qū))和長(zhǎng)江中下游平原北部，其中河南省4.16×106hm2[15]、山東省4.70×106hm2[16]。華北地區(qū)潮土粉粒含量較高(65%～80%)，多為粉壤土，而源于潮白河的沉積物的潮土粉粒少。潮土發(fā)育時(shí)間短，土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量(鉀除外)較低，土壤pH 為7.0～8.5，除長(zhǎng)江及支流沉積物發(fā)育潮土外，其他地區(qū)碳酸鈣含量較高[16]。歷史上潮土區(qū)地下水位較淺(1.5～3.0 m)，近年來(lái)，隨著全球氣候變化以及用水需求的快速增加，潮土區(qū)地下水位不斷下降，相應(yīng)的化肥等面源污染源對(duì)地下水體的影響也逐步加深。

改革開放以來(lái)，華北平原農(nóng)業(yè)經(jīng)歷了快速集約化進(jìn)程，其主要特征包括： 1)種植制度從一年1 熟[冬小麥/夏玉米/棉花(Gossypium spp.)/豆類/薯類]逐步向一年兩熟(冬小麥和夏玉米)轉(zhuǎn)變，作物由糧食作物向蔬菜和林果作物轉(zhuǎn)變[17-18]，并在部分地區(qū)試點(diǎn)推廣“一季休耕、一季雨養(yǎng)”和退耕冬小麥等措施[19-20]。2)氮肥投入經(jīng)歷了快速增加到頂點(diǎn)、然后逐步下降的過(guò)程，從 20 世紀(jì) 80年代的每年200～300 kg(N)·hm-2增加到2010年代每年的400～600 kg(N)·hm-2。2010年代以后，隨著緩控釋肥、復(fù)合肥以及增效肥等新型肥料和技術(shù)的引進(jìn)，施肥機(jī)械、秸稈還田和施肥技術(shù)的推廣，目前該區(qū)冬小麥和夏玉米單季的肥料氮投入量為 200～250 kg(N)·hm-2，比 2010年代最高氮肥量下降15%～33%[21]。3)灌溉量快速增加。華北平原正常氣候年份的降水基本可以滿足夏玉米季生長(zhǎng)需求。冬小麥季的降水則無(wú)法滿足作物生長(zhǎng)，從 20 世紀(jì)80年代的雨養(yǎng)演替為灌溉2～5 次，灌溉量150～350 mm[22]。隨著水肥一體化技術(shù)和節(jié)水滴灌技術(shù)推廣應(yīng)用，冬小麥季灌溉量有進(jìn)一步降低的空間[23]。4)作物秸稈逐步還田。隨著人民生活水平的提高和機(jī)械改進(jìn)，兩季作物秸稈逐步全部還田[21]，或通過(guò)種植食用菌、飼料化以及生物質(zhì)處理等再還田[24]。5)肥料增效劑包括尿酶和硝化抑制劑、緩控包膜等得到推廣應(yīng)用，對(duì)提高氮素利用率和作物產(chǎn)量、降低氮肥損失具有顯著效果[22-26]。

華北平原潮土區(qū)的農(nóng)業(yè)集約化，很大程度上改變了該區(qū)的潮土性狀和生產(chǎn)力[27]。對(duì)51 個(gè)潮土肥力點(diǎn)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)表明，潮土有機(jī)質(zhì)、全氮等含量整體呈上升趨勢(shì)，pH 呈下降趨勢(shì)[28]。潮土有機(jī)質(zhì)含量雖然低于棕壤和褐土，但改革開放后25年間的增長(zhǎng)速率是3 類土壤中最快的[16，29]。從土體構(gòu)型上，隨著農(nóng)業(yè)集約措施的應(yīng)用，潮土區(qū)普遍存在著土壤有效耕層變淺、犁底層加厚、耕層土壤質(zhì)量減少等問(wèn)題[30]。

2 潮土區(qū)氮淋失與主要農(nóng)田阻控措施的關(guān)系

氮淋失是指土壤中氮素在水分投入(灌溉、降水)之后隨土壤水分向下運(yùn)移直至進(jìn)入到作物根區(qū)無(wú)法到達(dá)的區(qū)域，最終不能被作物吸收所導(dǎo)致的損失[31]。對(duì)于氮淋失與氮肥施用等諸多農(nóng)田管理措施之間關(guān)系的深入分析，有助于制定和實(shí)施氮淋失的阻控措施。本文以“面源污染” “氮淋失” “氮淋溶”以及“華北”等以及相應(yīng)英文為關(guān)鍵詞，針對(duì)“中國(guó)知網(wǎng)”和“ISI-Web of Science”等數(shù)據(jù)庫(kù)1980—2019年的文獻(xiàn)進(jìn)行搜索，選取代表性文獻(xiàn)進(jìn)行分析。

2.1 化學(xué)氮肥施用

氮肥過(guò)量施用，多余氮素在土壤中積累，遇到降雨或灌溉事件時(shí)，就有可能發(fā)生淋洗。合理施氮條件下，土體氮素收支平衡，氮淋失數(shù)量很小。針對(duì)冬小麥和夏玉米生產(chǎn)中，氮淋失與氮肥之間定量關(guān)系的整合分析表明(表1)： 1)指數(shù)關(guān)系比線性方程更適合對(duì)氮淋失的定量估測(cè)。華北地區(qū)冬小麥?zhǔn)┑吭?0～170 kg(N)·hm-2范圍內(nèi)，硝酸鹽淋溶損失極低，而施氮量達(dá)到240 kg(N)·hm-2后，硝酸鹽淋失量大多數(shù)情況下呈指數(shù)關(guān)系增加[32-33]； 高施氮量下，線性方程嚴(yán)重低估氮淋失[34-35]。研究對(duì)象比較專一，比如冬小麥和夏玉米分開分析，一般獲得指數(shù)關(guān)系而不是線性關(guān)系模型。2)隨著研究的增加和深入，近年來(lái)氮淋失的估測(cè)數(shù)量比早期估測(cè)數(shù)量低，主要表現(xiàn)在指數(shù)方程的各參數(shù)數(shù)值減小[36-37]。3)氮肥施用后，作物吸收一部分氮、且數(shù)量相對(duì)穩(wěn)定，因此對(duì)氮淋失進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，應(yīng)用氮盈余量(即施氮量減去地上部作物吸收量)比施氮量更能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)氮淋失，但在實(shí)際工作中增加了監(jiān)測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)量，較難實(shí)施?；谝陨戏治觯梢哉J(rèn)為配方施肥、水肥一體化、葉片硝酸鹽測(cè)定等精準(zhǔn)施肥可以大幅度降低氮肥投入數(shù)量，因此能有效降低農(nóng)田氮淋失。

除了施肥類型和數(shù)量，其他因素如土壤性質(zhì)和氣象因素，也會(huì)對(duì)潮土區(qū)氮淋失產(chǎn)生重要影響。單純利用氮肥和水分對(duì)氮淋失進(jìn)行預(yù)測(cè)，往往效果較差，因此，計(jì)算能力強(qiáng)、考慮多因素影響和復(fù)雜關(guān)系的機(jī)器學(xué)習(xí)方法凸顯優(yōu)勢(shì)。Ying 等[11]首次引進(jìn)基于機(jī)器學(xué)習(xí)的隨機(jī)森林模型，利用氣溫、氮肥投入、表觀水平衡(灌溉量+降水量?蒸散量)、土壤pH、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤質(zhì)地等多因素對(duì)玉米季農(nóng)田氮淋失進(jìn)行預(yù)測(cè)，取得了很好的效果。另外，研究表明磷肥和鉀肥配合施用，可以增加作物氮吸收，從而減少氮肥在土壤中的殘留和淋失風(fēng)險(xiǎn)[38]。一次施用大量氮肥不利于小麥生產(chǎn)，在小麥生長(zhǎng)關(guān)鍵時(shí)期分次合理施用，比如適當(dāng)增加追肥比例，更能降低氮淋失[39-40]。

2.2 有機(jī)無(wú)機(jī)配施

在同等施氮情況下，與化肥單施相比，有機(jī)無(wú)機(jī)配施一般可以顯著降低氮淋失[47-51]，主要機(jī)理在于： 第一，有機(jī)肥中的氮絕大部分以有機(jī)態(tài)形式存在，其分解和釋放速率遠(yuǎn)低于化肥氮； 第二，有機(jī)肥與化肥氮配合，逐步釋放被植物吸收，與植物需求的時(shí)間規(guī)律契合較好，從而實(shí)現(xiàn)阻控氮淋失效果； 第三，有機(jī)肥中的有機(jī)碳還可以提高土壤對(duì)氮素的固定，降低氮淋失。單施有機(jī)肥的土壤淋溶液中硝酸鹽濃度(31.8 mg·L-1)高于施用化肥農(nóng)田(15.5 mg·L-1)，但是兩種肥料硝酸鹽總淋溶量無(wú)顯著差異[52]； 也有研究發(fā)現(xiàn)，單施有機(jī)肥的氮淋失小于單施化肥[53-54]，這與有機(jī)肥類型、土壤性狀和作物類型都有密切關(guān)系。需要指出的是，這些研究肥料氮投入大多處于較低水平，遠(yuǎn)低于當(dāng)前華北平原每年兩季作物的氮肥量。

2.3 降水和灌溉

氮淋失的發(fā)生必須有足夠水分。土壤水分含量高于田間持水量的情況下，重力水才會(huì)攜帶氮下移到深層土壤或地下水，因此水分投入是影響潮土區(qū)農(nóng)田氮淋失的另一個(gè)主要因素。與氮肥類似，在分析氮淋失量與水分投入之間關(guān)系時(shí)，采用水量平衡(灌溉量+降水量?蒸散量)比應(yīng)用單純的灌溉或降水量更準(zhǔn)確、更符合邏輯關(guān)系[11]。

華北地區(qū)每年的降水75%發(fā)生在夏玉米季的7—9月份(350～450 mm)[20]，因而由于降水引起的氮淋失量夏玉米季遠(yuǎn)高于冬小麥季。冬小麥生長(zhǎng)季降水較少，但由于多在播種和春季返青拔節(jié)兩個(gè)施肥時(shí)期進(jìn)行灌溉，因而氮淋失風(fēng)險(xiǎn)也很高，這從表1 中的估測(cè)模型可以看出。在氮肥投入水平一致的情形下，灌溉量越高，氮淋失量越大[38，49，55-56]。當(dāng)前華北潮土區(qū)的灌溉方式仍以大水漫灌為主，灌溉量遠(yuǎn)超過(guò)作物需水量，灌溉后土壤含水量極易超過(guò)田間持水量，因此降低灌溉量、優(yōu)化灌溉方式是本區(qū)水資源管理和氮淋失控制的有效措施[38，57]。

華北潮土區(qū)冬小麥-夏玉米的根系主要集中在0～180 cm土體中，其中90%以上的根系集中在0～90 cm土層，因此控制0～90 cm 土層土壤無(wú)機(jī)氮的殘留，是阻控氮淋失的重要原則[58-60]。多次、小水量灌溉比少次、大水量灌溉會(huì)顯著減少氮淋失[58-60]，減緩水分與氮素向2 m 土層以下滲漏，但在砂質(zhì)構(gòu)型土壤中這類灌溉方式不適用。

2.4 肥料增效劑

近年來(lái)以緩控釋肥、尿酶和硝化抑制劑為代表的肥料增效劑在華北潮土區(qū)逐漸推廣應(yīng)用。緩控釋肥按照設(shè)定的釋放率和釋放期控制養(yǎng)分釋放，肥效長(zhǎng)、與作物養(yǎng)分的需求強(qiáng)度和容量配合程度高，可以減少養(yǎng)分淋洗[61-62]。硝化抑制劑可以阻斷硝化反應(yīng)發(fā)生，減少硝態(tài)氮的積累從而減少硝態(tài)氮損失[63]。施加3，4-二甲基吡唑磷酸鹽(DMPP)和雙氰胺(DCD)可以減少氮淋溶45%～64%[64-65]。脲酶抑制劑維持土壤氮主要以銨態(tài)氮形態(tài)存在，減少淋洗的發(fā)生，與硝化抑制劑類似，可以降低氮淋失30%以上[66-68]。同時(shí)添加硝化抑制劑和脲酶抑制劑可以有效降低氨揮發(fā)和土壤硝酸鹽積累，比單施可進(jìn)一步減少氮淋溶[68-69]； 也有研究[70-71]認(rèn)為，同時(shí)添加硝化抑制劑和脲酶抑制劑會(huì)刺激硝化抑制劑的分解，增加氮淋溶風(fēng)險(xiǎn)，主要原因在于大量灌溉將硝態(tài)氮快速淋溶到深層土壤，增加了深層氮淋失，因此增效劑等還應(yīng)注意與優(yōu)化灌溉等技術(shù)配合。最新整合研究[11]表明，與常規(guī)氮肥相比，增效肥料(緩控肥和硝化抑制劑)可以降低35%的氮淋失，其中華北和華南地區(qū)分別為28%和39%，在堿性和黏壤土上降低氮淋失效果優(yōu)于酸性和砂壤土，還能促進(jìn)作物增產(chǎn)。此外，羧甲基纖維素鈉、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸鈉以及保水劑、腐植酸和沸石等也可通過(guò)相對(duì)固持施入土壤中的肥料氮，控制其揮發(fā)和轉(zhuǎn)化成硝酸鹽的速度，減少氮淋失、提高氮利用效率[72-73]。

2.5 秸稈還田和耕作

秸稈還田是當(dāng)前華北平原秸稈資源化利用的主要方式。秸稈對(duì)于氮淋失的影響，一方面短期內(nèi)通過(guò)微生物作用固定銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，減少土壤無(wú)機(jī)氮含量，降低氮淋失[38，74-75]； 另一方面長(zhǎng)期秸稈還田下，通過(guò)形成土壤有機(jī)質(zhì)而實(shí)現(xiàn)固氮，減少氮損失。秸稈還田對(duì)氮淋溶的影響取決于還田秸稈本身的碳氮比，低碳氮比的秸稈還田增加氮淋溶風(fēng)險(xiǎn)[76-77]，而高碳氮比秸稈還田則相反[78]。秸稈還田后，深層土壤的氮固持或反硝化作用也會(huì)得到加強(qiáng)，進(jìn)而降低氮淋失[79]。施氮量<140 kg(N)·hm-2時(shí)，秸稈還田的氮淋失稍高，而>140 kg(N)·hm-2時(shí)，秸稈不還田稍高，但都低于10%[46]。

秸稈還田可以通過(guò)防止水分蒸發(fā)、提高土壤保水能力、減少水分滲漏而降低土壤氮淋溶[80]，但碳氮比較低且秸稈數(shù)量較大時(shí)，有可能增加氮淋溶[81-82]。秸稈還田可以固定肥料氮，如在玉米季固定的肥料氮達(dá)100～280 kg(N)·hm-2[83]，這些被固定的氮發(fā)生淋溶風(fēng)險(xiǎn)較低，是作物需求和養(yǎng)分供應(yīng)之間重要的緩沖庫(kù)[84-85]。因此，通過(guò)秸稈還田、維持土壤氮庫(kù)穩(wěn)定并將環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)降到盡可能低的程度，是當(dāng)前華北潮土區(qū)的有效氮淋失阻控措施，值得重點(diǎn)推廣[86]。

耕作通過(guò)影響土壤水分和溫度而影響氮轉(zhuǎn)化和遷移，但因自然條件和作物類型，研究結(jié)果不一致。小麥根系主要分布在土壤較淺層次，免耕條件下土壤水分蒸發(fā)較少，小麥對(duì)深層養(yǎng)分吸收較少，氮淋失較高； 玉米收獲后，在0～180 cm 土體中免耕處理的土壤硝酸鹽累積量最高，氮淋失增加[38]； 此外也有研究發(fā)現(xiàn)免耕可能降低氮淋失[87]。因此，耕作對(duì)于氮淋失的影響，還需要更多長(zhǎng)期定位試驗(yàn)分析和驗(yàn)證。

2.6 土壤性狀

土壤性狀如質(zhì)地等對(duì)氮淋失有重要影響[11]。在質(zhì)地粗糙、通透性好的土壤中容易發(fā)生氮淋失，沙壤土中氮素淋溶損失量占施氮量的16%～32%，而在黏壤土中僅為5%左右[88-89]。也有研究發(fā)現(xiàn)，與粗質(zhì)地土壤相比，由于大孔隙會(huì)產(chǎn)生優(yōu)先流(preferential flow)，細(xì)質(zhì)地土壤的硝態(tài)氮淋溶損失更多[90-91]。同延安等[92]的研究發(fā)現(xiàn)，黏粒含量較低的土壤質(zhì)地疏松，硝化作用強(qiáng)容易造成硝態(tài)氮積累增加淋溶風(fēng)險(xiǎn)。在pH≥7 的時(shí)候，氮淋失量顯著高于pH<7 時(shí)；類似的，在土壤有機(jī)碳≥10 g?kg?1、土壤全氮≥1.0 g?kg?1以及年降水量>700 mm 時(shí)，顯著高于低于這些條件的土壤中的氮淋失[44]。土壤性狀對(duì)于氮淋失的綜合影響較大，因此在最新的定量模擬研究中被列入重要影響因素[11]。

2.7 種植制度

近年來(lái)，休耕政策的實(shí)施逐步改變了華北地區(qū)種植制度，有些地區(qū)減少了耗水量高的冬小麥面積，有些地區(qū)則增加了蔬菜、樹木或者覆蓋作物[51]，或在冬季或作物茬口之間種植填閑作物[93]，這些種植制度有些減少了農(nóng)田氮淋失[94]，而如果施肥量增加較多(如設(shè)施蔬菜)，氮淋失數(shù)量反而會(huì)增加。與大豆(Glycine max)、花生(Arachis hypogaea)和馬鈴薯(Solanum tuberosum)等淺根系作物相比，較深根系作物(冬小麥和夏玉米)更能有效吸收利用土壤氮素，減少氮淋失[95]。小麥和玉米間作可以更好地吸收利用硝態(tài)氮，與單作相比，降低淋失量達(dá)30.75%[96]。種植黑麥草(Lolium perenne)和高丹草(Sorghum sudanese)等填閑作物也是目前華北平原較好的提取深層土壤累積硝態(tài)氮和降低氮淋失的措施，其次是種植甜高粱(Sorghum saccharatum)[97]。

3 潮土區(qū)農(nóng)田氮淋失阻控措施效果評(píng)估

華北平原潮土區(qū)的自然條件和農(nóng)田管理措施相似度較高，在全面分析當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究和實(shí)踐基礎(chǔ)上，對(duì)適合本區(qū)的主要氮淋失阻控措施的效果、技術(shù)可行性、成本以及對(duì)作物產(chǎn)量影響等方面進(jìn)行了綜合評(píng)估(表2)。

華北平原潮土區(qū)氮淋失的主要阻控措施是在不降低產(chǎn)量的前提下，降低氮肥和灌溉水投入量以及優(yōu)化施肥方式(表1 和表2)，但該方法需要充分?jǐn)?shù)據(jù)(土壤和作物)支持，技術(shù)難度高，因而小規(guī)模農(nóng)戶應(yīng)用有一定困難。值得欣喜的是，近年來(lái)由于種糧大戶對(duì)生產(chǎn)資料水平和經(jīng)濟(jì)投入敏感，土地流轉(zhuǎn)和經(jīng)營(yíng)規(guī)模增加促進(jìn)了氮肥和灌溉水減量。筆者在山東桓臺(tái)縣的長(zhǎng)期跟蹤發(fā)現(xiàn)，近年來(lái)該縣冬小麥和夏玉米每季氮肥量已經(jīng)從20 世紀(jì)90年代中期的300 kg(N)·hm-2降到230 kg(N)·hm-2以下，其中種糧大戶做出了重要貢獻(xiàn)。水肥一體化、節(jié)水灌溉等優(yōu)化灌溉技術(shù)面臨的主要問(wèn)題是一次性設(shè)施投資和后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本較高。

肥料增效劑包括緩控釋肥、尿酶和硝化抑制劑，對(duì)于降低氮淋失效果顯著、容易實(shí)施，近年來(lái)隨著施用量增加，其成本也在逐漸降低。2017年以來(lái)筆者等對(duì)河北、山東和河南等華北糧區(qū)的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，含有肥料增效劑的肥料已經(jīng)占據(jù)肥料市場(chǎng)的半壁江山，在降低面源污染中發(fā)揮了重要作用。有機(jī)無(wú)機(jī)配施、改善土壤質(zhì)量等具有包括降低氮淋失等綜合效益的措施，由于收益低，難以大面積推廣應(yīng)用。在中國(guó)政府獎(jiǎng)懲政策的持續(xù)推動(dòng)和機(jī)械技術(shù)的支撐下，秸稈還田目前已經(jīng)在華北平原絕大部分糧區(qū)推廣，顯著提高了土壤氮庫(kù)和無(wú)機(jī)氮緩沖容量，對(duì)降低氮淋失有較好效果，但今后需要在完善機(jī)械秸稈還田質(zhì)量、提高出苗和降低病蟲害發(fā)生等方面繼續(xù)進(jìn)行研發(fā)。調(diào)整種植制度、休耕、間作套種和種植填閑作物等措施，可以有效降低氮肥和水投入、減少氮淋失，但該類措施會(huì)影響糧食產(chǎn)量，因此各地在應(yīng)用過(guò)程中需謹(jǐn)慎考慮。

對(duì)各類技術(shù)措施的分析還表明(表2)，除了技術(shù)自身外，氮淋失的阻控效果更多受到社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和政策等因素的影響。首先，氮淋失阻控措施推廣后，改善土壤質(zhì)量，保護(hù)水體質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境，這些大多屬于公共物品，缺乏相應(yīng)的補(bǔ)償機(jī)制或獎(jiǎng)勵(lì)措施，農(nóng)民何談主動(dòng)降低面源污染？此外，當(dāng)前我國(guó)灌溉用水不收費(fèi)，對(duì)節(jié)水技術(shù)的推廣也造成了一定障礙。因此實(shí)施生態(tài)補(bǔ)償?shù)仁袌?chǎng)手段進(jìn)而發(fā)揮農(nóng)民的主動(dòng)性，是今后我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)進(jìn)程中，從政策和法律法規(guī)層面需要著重考慮的途徑。

表2 華北平原潮土區(qū)農(nóng)田氮淋失阻控措施評(píng)價(jià)Table 2 Evaluation of mitigation measures on nitrogen leaching from farmland of Fluvo-aquic soil areas in the North China Plain

4 結(jié)論

氮肥用量特別是氮盈余量與氮淋失之間總體上呈指數(shù)關(guān)系，即氮肥超過(guò)一定閾值后氮淋失快速增加，因此降低氮肥和水分投入是氮阻控的源頭控制措施。通過(guò)施用緩控施肥和脲酶抑制劑、硝化抑制劑等肥料增效劑較單施化肥能減少33%左右的氮淋失，應(yīng)在華北地區(qū)大力推廣。秸稈還田能夠提高土壤有機(jī)氮庫(kù)、促進(jìn)微生物對(duì)無(wú)機(jī)氮的固定作用、增加土壤中無(wú)機(jī)氮的緩沖容量，從而降低氮淋失風(fēng)險(xiǎn)(降低比例達(dá)10%)。免耕對(duì)氮淋失的阻控效應(yīng)較施肥和灌溉措施低，且具有較大不確定性。調(diào)整種植制度、休耕、間作套種和種植填閑作物等措施會(huì)影響糧食產(chǎn)量，推廣過(guò)程中應(yīng)慎重。氮淋失的阻控效果更多受到社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和政策等因素的影響，今后應(yīng)采取包括生態(tài)補(bǔ)償?shù)仁袌?chǎng)化手段發(fā)揮農(nóng)民主動(dòng)性，從政策和法律法規(guī)層面創(chuàng)造實(shí)現(xiàn)氮淋失阻控措施的社會(huì)環(huán)境。