基于文獻調(diào)研的我國部分地區(qū)單位產(chǎn)量氮流失量影響因子研究

王 芊

(中國農(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)境重點實驗室，北京 100081)

農(nóng)業(yè)面源污染已成為世界范圍內(nèi)普遍關(guān)注的問題。在歐美等發(fā)達國家，農(nóng)業(yè)面源污染成為河流污染的重要原因，美國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]；我國太湖流域農(nóng)業(yè)源污染占30%～40%，洱海流域、重慶三峽庫區(qū)可達到68%以上，全國農(nóng)業(yè)源氮、磷污染占50%以上[2-6]。2015年我國制定了“到2020年化肥使用量零增長行動方案”，大力推廣測土配方施肥、秸稈還田、有機肥施用，降低化肥的施用量，以減輕對環(huán)境的污染[7]。長期以來單位面積污染負荷一直是衡量面源污染水平的主要指標，但由于該指標設(shè)定沒有考慮到生產(chǎn)經(jīng)濟效益，不能實現(xiàn)環(huán)境效益與經(jīng)濟效益的統(tǒng)籌兼顧。近年來，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，作為指導(dǎo)不同管理措施開展的重要依據(jù)：如Zhou等[8]通過收集世界范圍內(nèi)種植玉米、小麥的30余篇氮淋洗文獻，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，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外研究數(shù)據(jù)，針對我國不同區(qū)域和施肥管理措施下的開展的研究鮮有報道，并且主要為面積尺度下的氮、磷流失研究[10-17]。因此，為研究我國單位產(chǎn)量氮流失量的影響因素，本研究擬選取長江中下游、黃淮海和東北平原這三大我國糧食主產(chǎn)區(qū)，以大田生產(chǎn)中較為常見的“化肥”、“秸稈還田”、“緩控釋肥”的3類施肥管理措施等為關(guān)鍵詞，搜索CNKI、ScienceDirect等國內(nèi)外主要數(shù)據(jù)庫，收集并進行數(shù)據(jù)提取有關(guān)氮流失文獻工作，并基于典型區(qū)域計算不同作物、管理措施間的單位產(chǎn)量氮流失量(以下簡稱新指標)，通過逐步回歸方法建立新指標與影響因子間的線性模型，同時對不同區(qū)域、管理措施間的新指標差異進行比較，進而為制訂區(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)來源

基于CNKI、Science Direct、Web of Science等數(shù)據(jù)庫開展面源污染文獻收集，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)鍵詞分別進行搜索，論文發(fā)表年份為1995—2016年，共收集近200篇文獻。調(diào)查作物主要為小麥、水稻、玉米。文獻中涉及東北平原和黃淮海平原的氮流失以硝態(tài)氮為主，長江中下游平原氮流失主要為全氮。對于淋洗測定深度而言，黃淮海平原測定的土層較深，集中在100～200 cm深處。長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)地按美國分類標準，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，土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)取自0～20 cm耕層。對于無法直接獲取的文獻數(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的計算公式如下：

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軟件開展逐步回歸運算。由于不同文獻中提供的指標的完整度不盡相同，為了確保在逐步回歸建模型過程中盡可能多地納入數(shù)據(jù)齊全的自變量，有相當(dāng)一部分文獻在篩選過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。對于未采取逐步回歸方法的個別后向模型則未計算權(quán)重。在構(gòu)建逐步回歸模型時為盡可能考慮更多因素，在前述收集的文獻中進一步篩選出23篇開展大田試驗的文獻，各省份的文獻數(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算回歸曲線。

表1 參與計算文獻省份分布情況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，玉米生長季降雨量為280～608 mm；2)水稻?；诤邶埥↓R齊哈爾市的試驗，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 個時期各一半的比例施入。

2 結(jié)果與分析

2.1 長江中下游平原新指標影響因子

在長江中下游平原，氮流失新指標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，氮流失新指標按從大到小的順序為小麥徑流、水稻徑流、小麥淋洗、水稻淋洗，相應(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 類新指標對應(yīng)的兩者的拋物線模型均未達顯著水平(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時對應(yīng)的淋洗量和徑流量值達到最高(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線分別代表10%、25%、50%、75%、90%的分位線，位于分位線之外的點為所對應(yīng)分布函數(shù)<10%或>90%的點。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 長江中下游平原單位產(chǎn)量氮流失量(新指標)Fig.1 Yield-scaled N loss new index in Middle-Lower Yangtze Plain

在長江中下游平原，施用化肥條件下水稻氮徑流、淋洗新指標模型分別達到了顯著、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 個因變量間的相關(guān)系數(shù)均未達到顯著水平(P>0.05)(表2)。小麥氮徑流新指標模型達到極顯著水平(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。小麥氮淋洗新指標模型未達顯著水平(P>0.05)，從相關(guān)系數(shù)看降雨量的影響相對較高，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模型的自變量僅為土壤全N含量，模型達到極顯著水平，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 長江中下游平原施用化肥的新指標模型系數(shù)[18-26]Table 2 Yield-scaled N loss model by applying chemical fertilizer in Middle-Lower Yangtze Plain[18-26]

表3 長江中下游平原緩控釋肥條件下水稻氮淋洗新指標模型系數(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代表模型未達到顯著水平，*、**代表模型分別達到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值比僅施用化肥的小麥或玉米單價低，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 個模型的因變量與自變量均呈正相關(guān)，模型分別達到極顯著水平(P<0.01)和顯著水平(P<0.05)。對于僅施用化肥的小麥而言，兩者間拋物線模型未達顯著水平，拋物線在產(chǎn)量約7 t/hm2時氮淋洗量最高，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、玉米氮淋洗新指標模型均達到極顯著水平。小麥氮淋洗新指標與施氮量呈正相關(guān)，與土壤粘粒含量呈負相關(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。小麥新指標模型采用后向回歸方法建模，施氮量、粘粒含量與新指標的相關(guān)性均未達顯著水平，但二元回歸模型達到極顯著水平，施氮量表現(xiàn)出正向作用，粘粒含量為負向作用。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。據(jù)文獻數(shù)據(jù)顯示，小麥季的灌溉降雨量之和變幅較小，均值和標準差分別為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，均值和標準差分別為370、138 mm。在秸稈還田條件下，由于文獻數(shù)據(jù)較少，故本研究利用一個輪作周期內(nèi)小麥和玉米兩季數(shù)據(jù)進行計算，氮淋洗新指標模型僅含施氮量因子，且達極顯著相關(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 東北平原新指標影響因子

在東北平原，施用化肥條件下玉米氮淋洗新指標值比水稻高，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，兩者間存在開口向下的拋物線變化，模型達到顯著水平(P<0.05)，而水稻的則無明顯的變化趨勢，模型未達到顯著水平(圖6)。

圖5 東北平原氮淋洗新指標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相對較少，未在文中專門列出玉米、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轮笜说挠绊?/h3>

我國制訂化肥、農(nóng)藥零增長政策的出發(fā)點是為了更科學(xué)有效地施用化肥、農(nóng)藥，減少不合理的施用量，通過開展有針對性的管理技術(shù)措施，進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)勢轉(zhuǎn)換為經(jīng)濟優(yōu)勢。

由于不同區(qū)域的氣象、土壤等自然環(huán)境條件不同，必然會導(dǎo)致區(qū)域間新指標影響因素的差異。江蘇環(huán)太湖地區(qū)是長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)性濕潤氣候區(qū)，氣候溫和濕潤，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。主要土壤類型為水稻土，因長期稻、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]。在長江中下游平原，影響新指標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]在江蘇常熟開展的2 個周期稻麥輪作試驗得出類似的結(jié)果，在減少施用氮肥的條件下對水稻的產(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、濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫8～16 ℃，>0 ℃的積溫在4 200～5 500 ℃，無霜期較長。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)域的主要土壤類型，有機質(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)域影響新指標的主要因素是施氮量，同時也存在土壤質(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)重點圍繞優(yōu)化施氮量來開展田間管理，并考慮土壤養(yǎng)分管理和質(zhì)地改良措施，減少氮流失量。這與一項基于黃淮海平原農(nóng)田的多年的淋洗試驗的結(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)氣候類型，年降水量300～900 mm，年均氣溫0.7～9.0 ℃，無霜期為90～185 d，熱量適于一年一熟。黑土是該區(qū)域的主要土壤類型，黑土區(qū)的地形主要是山麓平原臺地及山前洪積階地，地勢平緩遼闊，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了玉米的生長，提高了氮肥利用率，從而降低了氮的淋洗風(fēng)險。對于黑土區(qū)水稻籽粒氮含量與氮肥的施用方法和施用量具有統(tǒng)計相關(guān)性，且氮肥利用率還受到水氮運籌方法的影響，不當(dāng)?shù)乃使芾矸绞綍斐傻獡p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、小麥氮淋洗新指標達到4.66～5.87 kg/t，而長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殘留，極易隨灌溉和降雨而淋失[30]；而長江中下游平原發(fā)生的氮反硝化、氨揮發(fā)和徑流損失較高，而淋洗量相對較少，施肥不會帶來過多的氮殘留[25]。東北平原水稻、玉米的氮淋洗新指標值為1.59～2.98 kg/t，介于長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)險也有所降低，但是東北平原地區(qū)增加氮肥時存在著正激發(fā)效應(yīng)，又促進了土壤氮殘留的增加。

3.2 不同管理措施間新指標影響因子差異

1)施用化肥

灌溉和降雨是引起農(nóng)田氮流失的2個主要的水分因子。長江中下游平原的小麥氮徑流新指標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)。小麥僅靠降雨補給水分，而水稻采用了泡田、曬田等灌溉措施，減弱了降雨對水稻氮徑流的影響。已有測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]的類型，也有同時考慮排水和降雨二者之和的損失量(NI=26.3 kg/t，n=14)[21]的類型。東北平原模型數(shù)據(jù)主要由單一地點試驗數(shù)據(jù)構(gòu)建，涉及到玉米和水稻2個氮淋洗新指標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)量的增加幅度超過了氮淋洗量，就會導(dǎo)致新指標與降雨量呈負相關(guān)的現(xiàn)象。這也得到了玉米氮淋洗量與產(chǎn)量間關(guān)系圖的進一步印證，當(dāng)產(chǎn)量增加到一定程度后玉米氮淋洗量開始下降，表明了降雨增加導(dǎo)致了玉米強烈的氮吸收作用，減少了氮的淋洗(圖6)。

施氮量及土壤養(yǎng)分對新指標具有重要影響。黃淮海平原和東北平原2個北方地區(qū)新指標模型均包括施氮量因子，但南方長江中下游平原新指標模型未包括施氮量。長江中下游平原氮肥反硝化損失嚴重，產(chǎn)量因基礎(chǔ)肥力較高受施氮量的影響較小，施氮量對氮流失和產(chǎn)量的影響有限[21]。長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模型均包括了全N含量因子，這表明除肥料外土壤氮殘留或礦化作用對新指標具有重要影響，通過適當(dāng)減少施氮量水平仍能保證較高的環(huán)境經(jīng)濟效益。黃淮海平原小麥氮淋洗新指標模型包括了土壤粘粒含量、施氮量2 個因子，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，長江中下游平原水稻氮徑流新指標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)和負相關(guān)，卻均未達到顯著水平(數(shù)據(jù)未列出)，這表明增加施磷量可能通過促進植物根系生長和土壤氮的礦化增加了氮徑流量，施磷量過高也會影響土壤鐵和鋅等微量元素的供應(yīng)進而降低作物產(chǎn)量[48]，從而使施磷量成為顯著影響因子。

2)秸稈還田

開展秸稈還田措施對于氮淋洗的影響研究結(jié)果不盡相同：有研究認為秸稈覆蓋減少地面蒸發(fā)，在增加水分下滲的同時加劇了氮淋洗[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)，能促進小麥對氮肥的吸收利用，減少了土壤中氮殘留[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的主要影響因子，相對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，促進了氮淋洗的發(fā)生。在華北平原黑龍港流域開展的秸稈還田試驗結(jié)果就表明，降雨量的增加會使0～90 cm土壤的硝態(tài)氮殘留量顯著增加[52]。

3)緩控釋肥

施用緩控肥條件下，長江中下游平原的水稻新指標模型僅含土壤全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，水稻生長需氮更依賴于土壤肥力，從而加速了土壤礦化進程，使得土壤全N含量與新指標相關(guān)性更為顯著。與在湖北江漢平原開展的水稻-油菜輪作的緩釋肥試驗結(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展水稻氮淋洗試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，緩控釋肥相對于常規(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，進而減少了氮淋洗損失量[54]。

本研究采用了3 個平原部分地區(qū)的文獻數(shù)據(jù)進行分析，文獻量相對較少，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，也會對結(jié)果造成一定影響。今后有待于進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)果的針對性。

4 結(jié) 論

本研究圍繞單位產(chǎn)量氮流失量這一新指標開展了文獻收集和整合，比較了不同區(qū)域、施肥管理措施間的新指標差異，重點圍繞長江中下游平原和黃淮海平原開展了新指標影響因子分析，并提出了區(qū)域尺度下的水肥管理優(yōu)化措施：1)在長江中下游平原，由于其影響因子不包括施氮量，需通過生態(tài)溝渠、緩沖帶來攔截、回收利用田間徑流氮應(yīng)擴大緩控釋肥施用面積；2)在黃淮海平原，影響新指標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值和維持周年產(chǎn)量的優(yōu)勢；3)在東北平原，應(yīng)加強水氮運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)處理中的細致工作。