內(nèi)蒙古河套灌區(qū)主要作物農(nóng)田氮素平衡及潛在污染狀況分析

趙巴音那木拉，路戰(zhàn)遠(yuǎn)，李斐*，紅梅，楊海波，德海山，包明哲

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院，呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)土壤質(zhì)量與養(yǎng)分資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010018；3.農(nóng)業(yè)生態(tài)安全與綠色發(fā)展自治區(qū)高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010018；4.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院，呼和浩特 010031）

化肥作為作物的“糧食”，對作物產(chǎn)量的提高發(fā)揮了巨大作用[1]。氮肥是農(nóng)田化肥的重要組成部分，我國農(nóng)田化肥投入中氮肥占比較大，施用強(qiáng)度遠(yuǎn)高于世界平均水平[2]，然而氮肥利用率卻僅有30%左右[3-4]。

黃河流域內(nèi)的內(nèi)蒙古河套灌區(qū)是我國的主要糧食生產(chǎn)區(qū)，主要種植向日葵和玉米，其播種面積占總播種面積的70%以上。近年來，河套灌區(qū)過量施用氮肥和粗放的灌溉方式已經(jīng)引起了一系列的環(huán)境污染問題，因此，學(xué)者們在河套灌區(qū)主要作物農(nóng)田氮素管理、損失規(guī)律與阻控措施等方面開展了大量的研究[5-7]，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。李哲[8]對河套灌區(qū)玉米的研究表明，在傳統(tǒng)灌溉基礎(chǔ)上減少20%灌水量和施氮肥216 kg·hm-2，能最大限度提高玉米氮素吸收、降低土壤中硝態(tài)氮?dú)埩簟p少環(huán)境中NH3和N2O 排放。氮肥用量介于216~270 kg·hm-2之間時(shí)對玉米各生長指標(biāo)的促進(jìn)作用效果最佳，超過270 kg·hm-2時(shí)，玉米氮素積累增加效果不明顯甚至產(chǎn)生抑制作用，并且氮素?fù)p失增加；戴嘉璐等[9]的研究也表明，在當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)灌水量3 375 m3和施氮量600 kg·hm-2的基礎(chǔ)上，灌水量減少20%和氮肥用量減少50%后玉米產(chǎn)量沒有顯著變化，但是土壤中的硝態(tài)氮累計(jì)量減少23.2%，從而提高了肥料利用率，降低了淋失污染風(fēng)險(xiǎn)。郭富強(qiáng)[10]對河套灌區(qū)向日葵的研究表明，在當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)灌水與施氮的基礎(chǔ)上節(jié)水節(jié)氮20%，向日葵產(chǎn)量可提高16%，氮肥利用率提高36%，而且明顯減少了氮素淋失量。因此，過多的投入和粗放的灌溉方式不僅浪費(fèi)資源，還會加大環(huán)境壓力。

但是，目前河套灌區(qū)農(nóng)戶作物種植過程氮肥施用量遠(yuǎn)超作物最佳施用量[10-11]，生長期未被利用的大量氮肥，一部分損失到環(huán)境中，加劇了環(huán)境污染，另一部分殘留在土壤中，增加了污染風(fēng)險(xiǎn)。特別是河套灌區(qū)多年存在的“秋澆”習(xí)慣，大量的灌溉不僅將鹽分淋洗到更深土層，而且還將殘留在土壤中的硝酸鹽淋洗到根層以下，甚至淺層地下水。已有研究表明，在當(dāng)前的耕作制度及秋澆定額下，河套灌區(qū)每年損失的氮約2.6×107kg[12]，這不僅降低了氮肥的利用率，還提高了環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。目前的研究大部分只是小區(qū)域尺度上的研究，并且農(nóng)作物單一，而從不同作物生長環(huán)境氮素平衡的角度和區(qū)域尺度分析氮素盈余及環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)的研究鮮見報(bào)道。

因此，本研究通過大量問卷調(diào)查、實(shí)地采樣及對試驗(yàn)數(shù)據(jù)及相關(guān)研究結(jié)果進(jìn)行綜合分析，明確內(nèi)蒙古河套灌區(qū)主要農(nóng)作物——玉米和向日葵當(dāng)季土壤氮素殘留特性及地區(qū)差異性，并采用氮素平衡定量化分析該地區(qū)的氮素污染風(fēng)險(xiǎn)，以期為該地區(qū)的農(nóng)田氮素管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)主要分布在巴彥淖爾市內(nèi)，位于40°19'~41°18'N，106°20'~109°19'E，海拔990~1 060 m 之間，現(xiàn)有灌溉面積55.83 萬hm2，是中國設(shè)計(jì)灌溉面積最大的灌區(qū)。該地區(qū)屬于溫帶大陸性氣候，年均氣溫7 ℃，年降水量139~222 mm，年蒸發(fā)量2 200~2 400 mm，全年封凍期5~6 個(gè)月，無霜期135~150 d。耕地土壤長期受人為活動的影響，形成了灌淤土和鹽土為主的土壤類型。研究區(qū)主要作物為向日葵和玉米，其占總播種面積的72%（2020 年），耕作方式為單種和套種。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 研究方法

試驗(yàn)于2020 年3 月作物播種前和9 月作物收獲后進(jìn)行（秋澆前），在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)選擇農(nóng)作物播種面積較大的烏拉特前旗、五原縣、杭錦后旗3 個(gè)旗縣，以旗（縣）域內(nèi)主要種植作物玉米和向日葵為研究對象，采用分區(qū)、GPS 定點(diǎn)、隨機(jī)抽樣調(diào)查的方法，對玉米和向日葵種植戶進(jìn)行入戶調(diào)查及實(shí)地土樣采集。調(diào)查內(nèi)容包括種植戶基本信息、播種量、前茬作物、播種日期、化肥用量、施肥方式、化肥種類、灌溉時(shí)期、灌溉方式、灌溉量、作物種植面積及產(chǎn)量。

1.2.2 樣品采集與測定

調(diào)查田塊采用蛇形采樣方法取10 個(gè)點(diǎn)的混合土壤樣品，重復(fù)3 次，取樣深度為0~30、30~60、60~90 cm 3 個(gè)土層，每個(gè)旗縣選擇5 個(gè)田塊以30 cm 為分段取0~210 cm 深度的土壤樣品。玉米共選取41 個(gè)田塊，向日葵共選取42 個(gè)田塊。將每個(gè)田塊所取的每層土壤樣品分別混勻，帶回實(shí)驗(yàn)室過2 mm 篩，用天平稱10 g新鮮土樣，放入塑料瓶中，加入50 mL 2 mol·L-1的氯化鉀溶液，振蕩30 min，過濾，用連續(xù)流動分析儀（AA3）測定土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。

1.3 計(jì)算方法

輸入氮（kg·hm-2）：

化肥氮輸入=化肥氮施用量×肥料含氮量。

灌溉水輸入氮=灌溉水中全氮含量（mg·L-1）×年灌溉用水量（m3·hm-2）×10-3，根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)和已有的文獻(xiàn)報(bào)道，河套灌區(qū)作物生育期灌溉水量約為3 000 m3·hm-2，含氮量為2.42 mg·L-1[13-15]，計(jì)算灌溉水輸入氮為7.26 kg·hm-2。

種子輸入氮=播種量（kg）×干質(zhì)量與鮮質(zhì)量比例系數(shù)（0.88）×作物干質(zhì)量含氮量，根據(jù)筆者試驗(yàn)測定玉米和向日葵籽粒平均含氮量分別為1.45%、4.48%，計(jì)算出種子輸入氮分別為0.29、0.12 kg·hm-2。

干濕沉降輸入氮，根據(jù)以往的研究報(bào)道估算[16]，內(nèi)蒙古地區(qū)每年干濕沉降氮平均為14.7 kg·hm-2。

非共生固氮，由于河套灌區(qū)該指標(biāo)研究較少，參考已有研究[17]，估算為15 kg·hm-2。

輸出氮（kg·hm-2）：

收獲帶走氮=產(chǎn)量/100×2.03（4.19），根據(jù)大量的文獻(xiàn)資料報(bào)道，玉米和向日葵每生產(chǎn)100 kg需要純氮2.03、4.19 kg。河套灌區(qū)玉米和向日葵產(chǎn)量為12 000~15 000 kg·hm-2和3 300~3 600 kg·hm-2，以13 750 kg·hm-2和3 500 kg·hm-2來計(jì)算收獲帶走的氮量。經(jīng)前期調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，農(nóng)戶秸稈還田比例較低，暫不考慮秸稈輸入土壤中的氮含量[18-22]。

土壤殘留氮=作物收獲前后土壤無機(jī)氮增量（mg·kg-1）×面積（hm2）×土層深度（cm）×容重（g·cm-3）/10，0~30、30~60、60~90 cm 土層容重分別按1.44、1.38、1.36 g·cm-3計(jì)算[23]。

氮素?fù)p失，根據(jù)筆者近幾年試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)資料報(bào)道，本研究以玉米田土壤氨揮發(fā)20 kg·hm-2、反硝化作用損失3 kg·hm-2和氮素淋失60 kg·hm-2，向日葵田土壤氨揮發(fā)35 kg·hm-2、反硝化作用損失3 kg·hm-2和氮素淋失25 kg·hm-2來計(jì)算河套灌區(qū)氮素?fù)p失量[7，12，14，24]。

氮盈余=化肥氮輸入+灌溉輸入氮+種子輸入氮+干濕沉降輸入氮+非共生固氮-收獲帶走氮。

潛在損失氮=氮盈余-土壤殘留無機(jī)氮（0~90 cm土體殘留量）。

2 結(jié)果與分析

2.1 河套灌區(qū)主要種植作物化肥氮投入

據(jù)調(diào)查，2020 年河套灌區(qū)作物總播種面積為76.78 萬hm2，其中玉米28.78 萬hm2、向日葵326.53 萬hm2，占總播種面積的72%。

從化肥投入情況來看（圖1），氮肥投入與作物需肥規(guī)律和產(chǎn)量有直接的關(guān)系，河套灌區(qū)玉米田氮肥投入量較高，平均為477.56 kg·hm-2，向日葵為277.65 kg·hm-2；五原縣玉米和向日葵氮肥投入量最高，達(dá)510.20、308.83 kg·hm-2，其次為烏拉特前旗。這可能與不同區(qū)域農(nóng)戶的氮肥習(xí)慣用量有關(guān)。

圖1 不同旗縣氮肥平均投入量Figure 1 Average nitrogen fertilizer input in different counties

2.2 河套灌區(qū)主要作物土壤無機(jī)氮?dú)埩舴植继卣?/h3>

由圖2 和圖3 可知，河套灌區(qū)內(nèi)不同作物種植地塊施氮量和土壤無機(jī)氮?dú)埩袅坑兴町?，玉米和向日葵種植地塊平均施氮量分別為477.56、277.65 kg·hm-2，平均無機(jī)氮?dú)埩袅浚?~90 cm）分別為66.11、45.53 kg·hm-2。由玉米田土壤無機(jī)氮?dú)埩袅靠臻g分布情況發(fā)現(xiàn)，河套灌區(qū)中部五原縣和東部烏拉特前旗的玉米田土壤無機(jī)氮?dú)埩袅枯^高，最高值出現(xiàn)在隆興昌鎮(zhèn)宏偉村，達(dá)336.93 kg·hm-2，占施氮量的61.7%，而西部杭錦后旗相對較低。由向日葵田土壤無機(jī)氮?dú)埩袅靠臻g分布情況發(fā)現(xiàn)，東部烏拉特前旗向日葵田土壤無機(jī)氮?dú)埩袅枯^高，最高值出現(xiàn)在西小召鎮(zhèn)槐木村，達(dá)273.66 kg·hm-2，而中部五原縣和西部杭錦后旗無機(jī)氮?dú)埩袅枯^低。由此可見，不同作物、不同地塊土壤無機(jī)氮?dú)埩袅坎町愝^大，且土壤無機(jī)氮?dú)埩袅扛叩牡貕K，相應(yīng)的氮肥施用量高。

圖2 河套灌區(qū)玉米田施氮量與土壤無機(jī)氮?dú)埩袅靠臻g分布Figure 2 Spatial distribution of maize fields nitrogen fertilizer application amount and soil inorganic nitrogen residue in Hetao Irrigation area

圖3 河套灌區(qū)向日葵田施氮量與土壤無機(jī)氮?dú)埩袅靠臻g分布Figure 3 Spatial distribution of sunflower fields nitrogen fertilizer application amount and soil inorganic nitrogen residue in Hetao Irrigation area

2.3 河套灌區(qū)主要作物不同土層無機(jī)氮?dú)埩袅糠植?/h3>

由河套灌區(qū)玉米田和向日葵田0~90 cm 土體無機(jī)氮?dú)埩袅靠芍▓D4）：玉米田平均氮?dú)埩袅繛?6.11 kg·hm-2，其中五原縣最高，達(dá)99.77 kg·hm-2，其次為烏拉特前旗，為59.0 kg·hm-2；向日葵田平均氮?dú)埩袅繛?5.53 kg·hm-2，烏拉特前旗最高，達(dá)60.94 kg·hm-2，其次為五原縣，為45.17 kg·hm-2。

圖4 河套灌區(qū)玉米和向日葵不同土層無機(jī)氮?dú)埩袅縁igure 4 Inorganic nitrogen residue at different soil layers of maize and sunflower fields in Hetao Irrigation area

為了秋后淋鹽、春季保墑，河套灌區(qū)收獲后通常進(jìn)行秋澆，這會使土壤無機(jī)氮更易被淋移至更深層的土壤中。由圖4 可知，河套灌區(qū)耕層（0~30 cm）土壤無機(jī)氮?dú)埩袅空急容^小，耕層以下（30~90 cm）土壤無機(jī)氮?dú)埩袅空急容^大，玉米田占69.19%，向日葵占59.86%，相比于向日葵，玉米田秋灌后土壤氮素的淋失風(fēng)險(xiǎn)更大。

2.4 河套灌區(qū)主要作物農(nóng)田氮素盈余

根據(jù)上述農(nóng)田輸入和輸出氮素的計(jì)算方法與土壤無機(jī)氮素殘留的計(jì)算結(jié)果（表1），可得農(nóng)田氮素年輸入總量為：玉米田514.81 kg·hm-2，向日葵田314.73 kg·hm-2。每年的氮素輸出為作物收獲帶走和氮素?fù)p失，計(jì)算得到農(nóng)田氮素年輸出總量為：玉米田362.1 kg·hm-2，向日葵田209.65 kg·hm-2。河套灌區(qū)玉米和向日葵農(nóng)田氮素處于大量盈余狀態(tài)，年盈余量分別為235.71、168.08 kg·hm-2；年度土壤無機(jī)氮?dú)埩袅糠謩e為66.11、45.53 kg·hm-2，玉米田氮素潛在損失風(fēng)險(xiǎn)高于向日葵田。

表1 河套灌區(qū)玉米和向日葵農(nóng)田氮素盈余（kg·hm-2）Table 1 Nitrogen surplus of maize and sunflower fields in Hetao Irrigation area（kg·hm-2）

2.5 河套灌區(qū)主要作物田氮素污染風(fēng)險(xiǎn)分析

土壤中殘留的無機(jī)氮素是氮素?fù)p失、污染的潛在來源，不合理的施肥和灌溉方式很容易加劇氮素的損失，導(dǎo)致環(huán)境污染。由表2 可以看出：向日葵和玉米0~60 cm 土層土壤無機(jī)氮?dú)埩袅颗c氮肥施入量呈極顯著正相關(guān)，高氮肥投入顯著增加了土壤無機(jī)氮?dú)埩袅?；灌水量對不同土層土壤氮素殘留量分布具有明顯影響，隨著灌水量的增加極顯著增加了60~90 cm 土層的無機(jī)氮含量，按當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)秋澆后，0~90 cm 土體的無機(jī)氮很容易被淋洗到根區(qū)外的深層土壤當(dāng)中，因而會加劇農(nóng)田氮素污染風(fēng)險(xiǎn)?？茖W(xué)施肥和合理灌溉是減緩河套灌區(qū)向日葵田和玉米田氮素?fù)p失和面源污染的有效措施。

表2 河套灌區(qū)不同土層無機(jī)氮?dú)埩襞c氮肥施入和灌水量的相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis of inorganic nitrogen residues in different soil layers and nitrogen fertilizer application and irrigation amount in Hetao Irrigation district

3 討論

玉米和向日葵作物90%以上的根系集中在0~90 cm 土層中，僅有少量根系深入到90 cm 以下。因此，深層土壤的無機(jī)氮很難被植物吸收利用，不合理的施肥、灌水很容易導(dǎo)致殘留在根區(qū)（0~90 cm）土層中的無機(jī)氮遷移到根區(qū)（90 cm 以下）以外的土層，從而造成污染。2020 收獲期（秋澆前）河套灌區(qū)農(nóng)田土壤殘留無機(jī)氮隨著施氮量的增加而增加，玉米田土壤0~90 cm 無機(jī)氮平均殘留量為66.11 kg·hm-2，向日葵田平均殘留量為45.53 kg·hm-2（圖4），玉米殘留量最高田塊達(dá)336.93 kg·hm-2，占施氮量（高氮，546 kg·hm-2）的61.7%，向日葵最高殘留量達(dá)273.66 kg·hm-2（圖2、圖3）。劉德平[25]在河套灌區(qū)玉米地得出類似研究結(jié)果，收獲期根區(qū)土壤無機(jī)氮?dú)埩袅吭诟叩幚恚?05 kg·hm-2）下達(dá)到了231.50 kg·hm-2，占施氮量的57%，說明施氮量的高低直接影響土壤無機(jī)氮的殘留量，殘留量越高，污染風(fēng)險(xiǎn)越大。2020 年河套灌區(qū)作物全生育期灌溉次數(shù)為4 次，導(dǎo)致大量的無機(jī)氮淋洗到根區(qū)外土層當(dāng)中。本研究通過調(diào)查每個(gè)旗縣玉米和向日葵5 個(gè)田塊0~210 cm 土層無機(jī)氮?dú)埩袅堪l(fā)現(xiàn)（圖5），玉米地根區(qū)外土層（90 cm 以下）平均富集無機(jī)氮83.26 kg·hm-2，占整個(gè)0~210 cm 土層無機(jī)氮?dú)埩袅康?0.10%，向日葵田塊根區(qū)外土層平均富集無機(jī)氮47.15 kg·hm-2，占整個(gè)土層的54.31%，可見土壤中50%以上的無機(jī)氮分布在90 cm 以下的土層中。另外，秋澆是河套灌區(qū)傳統(tǒng)的秋后淋鹽、春季保墑的一種特殊的灌溉制度，是河套灌區(qū)一年來灌水量最大的一次，為1 800~2 000 m3·hm-2。馮兆忠等[12]研究發(fā)現(xiàn)，河套灌區(qū)農(nóng)田秋澆后，玉米田塊NO3-N 累積高峰向下遷移了40 cm，40~60 cm 土層的土壤NO3-N 損失量最大，并且主要富集在80 cm 土層以下，向日葵地秋澆后表層NO3-N 含量明顯低于灌溉前。本研究是秋澆前土壤無機(jī)氮?dú)埩袅?，因此，秋澆后根區(qū)土層中的無機(jī)氮很容易淋洗到根區(qū)外的土層中，產(chǎn)生富集，加大污染風(fēng)險(xiǎn)。目前，內(nèi)蒙古河套灌區(qū)玉米和向日葵農(nóng)田施氮量較大，這與農(nóng)民為獲得較高的產(chǎn)量而投入過量的氮肥有直接的關(guān)系，玉米地氮肥投入量平均高達(dá)477.56 kg·hm-2，向日葵地高達(dá)277.65 kg·hm-2（表1），根據(jù)河套灌區(qū)目前的生產(chǎn)水平來看，玉米和向日葵農(nóng)田的氮肥投入量遠(yuǎn)高于作物吸收的氮量。在高氮投入的同時(shí)，河套灌區(qū)農(nóng)田氮素存在大量的盈余，且伴隨有大量潛在損失的氮。作物收獲后未被利用的氮主要以潛在損失的氮和殘留無機(jī)氮形式存在，在缺氮或適量施氮條件下，土壤作物系統(tǒng)中潛在損失的氮和殘留無機(jī)氮均較低，在高氮條件下，氮素盈余急劇增加，總體上表現(xiàn)為隨著施氮量的增加而增加[26-27]，

圖5 河套灌區(qū)玉米和向日葵0~210 cm土層無機(jī)氮?dú)埩袅縁igure 5 Residual inorganic nitrogen at 0~210 cm soil layers of maize and sunflower fields in Hetao irrigation area

劉德平[25]對河套灌區(qū)玉米地的優(yōu)化施肥田間試驗(yàn)表明，中氮（270 kg·hm-2）條件下，氮素盈余在222.5~231.1 kg·hm-2之間，而高氮（405 kg·hm-2）條件下，則達(dá)到了351.5 kg·hm-2，當(dāng)施氮量達(dá)到中氮水平時(shí)，再增施氮肥將產(chǎn)生顯著的氮素?fù)p失，造成環(huán)境污染，并且高氮處理顯著增加了37.6%~51.1%的土壤氮素殘留以及77.3%~91.0%的氮素表觀（潛在）損失，而玉米植株吸氮量增加的并不顯著，說明高氮并不能顯著增加玉米產(chǎn)量；戴嘉璐等[9]對河套灌區(qū)玉米地減肥試驗(yàn)表明，在試驗(yàn)區(qū)農(nóng)民常規(guī)施肥量（600 kg·hm-2）減少50%的情況下，獲得了和農(nóng)民相近的產(chǎn)量，但常規(guī)施肥條件下，全生育期土壤硝態(tài)氮累積量高出65.7%。因此，河套灌區(qū)合理的氮肥施用是減少氮素盈余和潛在損失氮的關(guān)鍵。在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)目前的生產(chǎn)水平條件下，根據(jù)巨曉棠[11]的作物氮肥推薦量，保持現(xiàn)有產(chǎn)量水平的氮肥推薦量，玉米約為280 kg·hm-2，向日葵約為150 kg·hm-2，與目前河套灌區(qū)玉米和向日葵氮肥投入相比，分別節(jié)約198 kg·hm-2和128 kg·hm-2，且該施用量也可以顯著降低潛在損失的氮，降低環(huán)境壓力。

4 結(jié)論

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)玉米和向日葵農(nóng)田氮素處于大量盈余狀態(tài)，玉米田氮素年盈余量占投入量的49%左右，向日葵田高達(dá)60%以上，并伴隨著每年169.6 kg·hm-2和122.55 kg·hm-2潛在的氮素?fù)p失。通過氮素平衡的綜合分析得出，內(nèi)蒙古河套灌區(qū)保持現(xiàn)有產(chǎn)量水平的玉米氮肥推薦量約為280 kg·hm-2，向日葵為150 kg·hm-2，與目前河套灌區(qū)玉米和向日葵氮肥投入相比，分別節(jié)約198 kg·hm-2和128 kg·hm-2，同時(shí)該施用量也可以顯著降低潛在損失的氮，降低環(huán)境壓力。