白洋淀流域核心區(qū)農(nóng)牧系統(tǒng)未利用氮量及空間分布

趙海璇，張亦濤，李文超，馬文奇，翟麗梅，居學海，陳涵婷，康銳，孫志梅，習斌，劉宏斌

白洋淀流域核心區(qū)農(nóng)牧系統(tǒng)未利用氮量及空間分布

趙海璇1，張亦濤2，李文超1，馬文奇1，翟麗梅3，居學海4，陳涵婷1，康銳1，孫志梅1，習斌4，劉宏斌3

1河北農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境科學學院/華北作物改良與調(diào)控國家重點實驗室/河北省農(nóng)田生態(tài)環(huán)境重點實驗室，河北保定 071000；2中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101；3中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部面源污染控制重點實驗室，北京 100081；4農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護總站，北京 100125

【】農(nóng)牧系統(tǒng)過量投入產(chǎn)生的未利用氮素是地表水體中污染負荷的重要來源之一，量化農(nóng)業(yè)未利用氮素的空間分異特征，為氮素的分區(qū)管理，實現(xiàn)流域農(nóng)業(yè)源氮素有效管理提供基礎。【】以白洋淀流域核心區(qū)保定市范圍內(nèi)的農(nóng)牧系統(tǒng)為研究對象，根據(jù)氮素輸入、輸出量，分析2016年保定市各縣（區(qū)）種植業(yè)、畜牧業(yè)以及農(nóng)牧系統(tǒng)的未利用氮素空間分布情況。種植業(yè)的未利用氮量為各輸入項（化肥、有機肥、大氣干濕沉降、灌溉水、種子、非共生固氮和秸稈還田）與輸出項（作物籽粒和秸稈）的差值；畜牧業(yè)未利用氮量為養(yǎng)殖糞污產(chǎn)生量與施用量的差值；農(nóng)牧系統(tǒng)未利用氮量為種植業(yè)與畜牧業(yè)未利用氮量之和?！尽浚?）保定市各縣（區(qū)）種植業(yè)氮未利用強度在90.27—581.73 kg·hm-2之間，其中定興縣氮未利用強度最小，滿城區(qū)的氮未利用強度最大；種植業(yè)中蔬菜生產(chǎn)是未利用氮貢獻最多的產(chǎn)業(yè)，占種植業(yè)未利用氮量的31.3%，其次是果樹（29.0%）、小麥（27.8%）和玉米（11.9%）；化肥是種植業(yè)未利用氮的主要輸入源（占61.8%），其次是有機肥（16.8%）、秸稈還田（8.9%）、大氣沉降（5.2%）、灌溉（3.4%）、非共生固氮（3.0%）和種子（0.9%）。（2）各縣（區(qū)）畜牧業(yè)未利用氮水平在0.06萬—2.48萬t之間，其中徐水區(qū)的未利用氮量最大，蓮池區(qū)的最小。畜牧業(yè)中肉牛是未利用氮貢獻最多的養(yǎng)殖種類，占未利用氮量的71.0%。（3）農(nóng)牧系統(tǒng)未利用氮水平在0.43萬—4.97萬t之間，其中，徐水區(qū)的未利用氮量最高。農(nóng)牧系統(tǒng)中，種植業(yè)是未利用氮的主要貢獻產(chǎn)業(yè)，占農(nóng)牧系統(tǒng)未利用氮的55.8%?！尽堪籽蟮砹饔蚝诵膮^(qū)保定市各縣（區(qū)）未利用氮量空間分異顯著，其中，徐水區(qū)的未利用氮量最高，是競秀區(qū)未利用氮量的10.4倍；對農(nóng)牧系統(tǒng)未利用氮量貢獻最大的是種植業(yè)，其中，蔬菜生產(chǎn)是貢獻最多的產(chǎn)業(yè)。

白洋淀流域；未利用氮量；種植業(yè)；畜牧業(yè)；縣域

0 引言

【研究意義】氮是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中至關重要的養(yǎng)分，但過量投入產(chǎn)生的未利用氮素通過徑流[1-2]、土壤侵蝕等途徑進入地表水體，成為環(huán)境中主要的污染物之一。第二次全國污染源普查公告顯示，農(nóng)業(yè)源排放的總氮為141.49萬t，占全部排放量的46.5%，仍然是氮污染負荷的主要來源之一。由于農(nóng)業(yè)面源污染的廣域性特點，全域開展農(nóng)業(yè)面源污染防控難度較大，識別關鍵源區(qū)，開展針對性防控是當前農(nóng)業(yè)面源污染治理的重要手段之一。因此，量化農(nóng)業(yè)源未利用氮素空間分異特征，劃分空間管理分區(qū)，對實現(xiàn)流域農(nóng)業(yè)源氮素污染有效管理具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】已有研究對不同空間尺度上農(nóng)業(yè)未利用氮素的空間特征及影響因素進行了較好的分析。在全國尺度上，劉曉永等[3]與馬進川等[4]研究了中國農(nóng)田養(yǎng)分平衡的時空分布特征和變化規(guī)律，結(jié)果表明，與1980s相比，2010s全國農(nóng)田養(yǎng)分盈余量大幅增長，東北地區(qū)增幅最大，其次是華北、西北、長江中下游地區(qū)，東南和西南地區(qū)增幅最小。區(qū)域尺度上，楚天舒等[5]通過研究2000－2018年間黑龍江墾區(qū)農(nóng)田土壤的養(yǎng)分平衡發(fā)現(xiàn)，土壤氮、鉀養(yǎng)分處于平衡的狀態(tài)，磷處于盈余狀態(tài)。楊軍香等[6]通過養(yǎng)分平衡原理，研究了不同種植模式下的土地適宜載畜量，結(jié)果表明蔬菜種植模式土地載畜量更高。華玲玲等[7]通過研究三峽庫區(qū)古夫河小流域氮磷排放特征發(fā)現(xiàn)，硝態(tài)氮輸出濃度與降雨量之間存在明顯的線性相關關系。針對白洋淀流域的研究，YANG等[8]通過對白洋淀流域的養(yǎng)分流失進行模擬發(fā)現(xiàn)，加強農(nóng)業(yè)養(yǎng)分流失管理能有效地改善水質(zhì)。李悅昭等[9]估算了白洋淀流域的氮負荷發(fā)現(xiàn)，種植和畜禽養(yǎng)殖是氮污染的主要來源之一。汪敬忠等[10]分析了白洋淀沉積物中營養(yǎng)元素的空間變化特征。然而，當前有關農(nóng)業(yè)污染在流域尺度上空間分布特征的研究較少?！颈狙芯壳腥朦c】2017年國家設立雄安新區(qū)以來，白洋淀生態(tài)環(huán)境治理受到高度重視，但從現(xiàn)有研究來看，當前的重心主要以工業(yè)、污水處理廠等點源污染治理為主，對農(nóng)業(yè)污染的治理還不夠深入，尤其在空間分區(qū)控制方面有所不足?！緮M解決的關鍵問題】以縣（區(qū)）為基本空間單元，量化各空間單元農(nóng)牧系統(tǒng)的未利用氮素，解析氮素來源，探究未利用氮素分布的主要影響因素，為農(nóng)業(yè)污染的分區(qū)管控提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

白洋淀是華北地區(qū)最大的濕地，位于東經(jīng)115°45′－116°07′，北緯38°44′－38°59′，水域面積366 km2，白洋淀流域面積3.12萬km2，包括保定市全部和張家口、石家莊、北京、山西省部分區(qū)域。本研究以白洋淀流域核心區(qū)保定市為研究區(qū)，包括安國市、安新縣、博野縣、定興縣、定州市、阜平縣（無數(shù)據(jù)）、高碑店市、高陽縣、競秀區(qū)、淶水縣、淶源縣（無數(shù)據(jù)）、蠡縣、蓮池區(qū)、滿城區(qū)、清苑區(qū)、曲陽縣、容城縣、順平縣、唐縣、望都縣、雄縣、徐水區(qū)、易縣、涿州市。研究區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)發(fā)達，主要種植玉米、小麥、果樹（蘋果、葡萄、梨、桃等）、蔬菜（白菜、蘿卜等），主要養(yǎng)殖豬、牛、羊、蛋雞、肉雞等。

1.2 未利用氮計算

1.2.1 數(shù)據(jù)來源 本研究中肥料（有機肥、化肥）施入量、秸稈還田量、經(jīng)濟產(chǎn)量（小麥、玉米）來自實地調(diào)研數(shù)據(jù)，作物種植面積、蔬菜和果樹的經(jīng)濟產(chǎn)量、畜禽養(yǎng)殖數(shù)量等主要數(shù)據(jù)來自《2017年保定市農(nóng)村經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒》，畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)污系數(shù)來自《第一次全國污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)源產(chǎn)排污系數(shù)手冊》，非共生固氮[11]、灌溉水攜帶氮量[11-13]、大氣沉降[14]、果實氮含量[11,13,15]、秸稈氮含量[11]、畜禽糞便氮含量[16-17]等數(shù)據(jù)來自文獻。

1.2.2 種植業(yè)未利用氮素計算 種植業(yè)未利用氮素計算公式見（1），為種植業(yè)氮素輸入總量和輸出總量的差值，其中多余氮素以氨揮發(fā)、反硝化、淋洗損失，或者以不同的形態(tài)留存在土壤中[18]。

Nspl= Ninput- Noutput（1）

式中，Nspl為種植業(yè)未利用氮量（kg），Ninput為種植業(yè)氮素輸入的總量（kg），Noutput為種植業(yè)氮素輸出總量（kg）。

（1）氮素輸入

種植業(yè)氮素輸入項包括化肥、有機肥、大氣干濕沉降、灌溉水、種子、非共生固氮和秸稈還田。研究區(qū)內(nèi)的玉米、小麥、蔬菜、果樹的種植面積占總種植面積的94.9%，故本研究主要考慮以上幾種作物作為種植業(yè)氮素輸入來源。種植業(yè)氮素輸入計算公式如下：

Ninput= Nfert+Nman+Ndepo+Nirri+Nsed+Nfix+Nstr（2）

式中，Nfert為化肥（kg）、Nman為有機肥（kg）、Ndepo為大氣沉降（kg）、Nirri為灌溉水（kg）、Nsed為種子（kg）、Nfix為非共生固氮（kg）、Nstr為秸稈還田（kg），

輸入的氮計算公式如下：

Nfert= Nnfer+CONcf×TNcf（3）

Nman= CONman×TNman（4）

Ndepo= Stotal×Udepo（5）

Nirri= Si×TNirr（6）

Nsed= Σ（Si×Ui×DRYi×TNsi） （7）

Nfix= Si×Bi（8）

Nstr= Gi×TNgi（9）

式中，Nnfer為化肥氮折純后的施用量（kg）；CONcf為復合肥折純后的施用量（kg）；TNcf為復合肥氮的質(zhì)量分數(shù)（%）；CONman為有機肥施用量（kg）；TNman為有機肥氮的質(zhì)量分數(shù)（%）；Stotal為農(nóng)作物種植總面積（hm2）；Udepo為單位面積大氣氮干濕沉降量（kg·hm-2）；Si為作物i種植面積（hm2）；TNirr為有效灌溉面積灌溉水攜帶氮量（13 kg·hm-2）；Ui為作物i的播種量（kg·hm-2）；DRYi為作物i籽粒的干物質(zhì)比例；TNsi為作物i籽粒氮的質(zhì)量分數(shù)，小麥、玉米、蔬菜、果樹分別為2.25%、1.9%、0.27%、0.23%；Bi為作物i的非共生固氮量（18.75 kg·hm-2·a-1）；Gi為作物i單位面積秸稈還田的量（kg）；TNgi為作物i秸稈中的氮的質(zhì)量分數(shù)，小麥為0.65%，玉米為0.92%。

（2）氮素輸出

氮素輸出部分，主要包括籽粒（果實）和秸稈，計算公式如下：

Noutput= Nseed+Nstraw（10）

式中，Nseed為籽粒（果實）中的氮量（kg），Nstraw為作物秸稈帶走的氮量（kg），計算公式如下：

Nseed= Σ（Si×TUi×DRYi×TNsi） （11）

Nstraw= Si×TUi×Grai×TNgi（12）

式中，TUi為作物i的經(jīng)濟產(chǎn)量（kg）；Grai為作物i的草谷比[12]，小麥為1.1，玉米為1.2。

1.2.3 畜牧業(yè)未利用氮素計算 畜牧業(yè)未利用氮素為畜牧業(yè)氮輸入總量與輸出總量的差值，畜牧業(yè)糞污產(chǎn)生的氮量是輸入部分，有機肥施用量是輸出部分，計算公式如下：

Nani= Nint- Nout（13）

式中，Nani為畜牧業(yè)未利用氮量（kg）；Nint為畜牧業(yè)氮素輸入量（kg）；Nout為畜牧業(yè)氮素輸出量（kg）。

（1）氮素輸入

畜牧業(yè)氮素輸入項包括畜禽糞便產(chǎn)生的氮量和尿液產(chǎn)生的氮量。研究區(qū)內(nèi)豬、牛、羊、蛋雞、肉雞的養(yǎng)殖數(shù)量達到了總養(yǎng)殖數(shù)量的98.9%，故選取上述養(yǎng)殖種類作為畜牧業(yè)的氮素輸入項，畜牧業(yè)氮素輸入計算公式如下：

Nint= Σ（Ni×DAYfesi×365×TNfesi+Ni×DAYurei×365×TNurei/1000） （14）

式中，Nint為畜牧業(yè)氮素輸入量（kg）；Ni為牲畜i的數(shù)量；DAYfesi為牲畜i每天的糞便產(chǎn)生量（kg）；TNfesi為牲畜i糞便中氮的質(zhì)量分數(shù)，牛、豬、蛋雞、肉雞、羊分別為0.38%、0.55%、1.76%、2.38%、1.01%；DAYurei為牲畜i每天的尿液產(chǎn)生量（L）；TNurei為牲畜i每升尿液中氮的含量，牛、豬尿液的氮含量分別為5和1.7 g·L-1。

（2）氮素輸出

氮素輸出部分，主要是種植業(yè)有機肥的施用，各作物有機肥施用的計算公式見上文公式（4），畜牧業(yè)氮素輸出公式如下：

Nout= ΣNmani（15）

式中，Nmani為作物i的有機肥施用量（kg）。

1.2.4 農(nóng)牧系統(tǒng)未利用氮素計算 農(nóng)牧系統(tǒng)未利用氮素通過種植業(yè)未利用氮素和畜牧業(yè)未利用氮素之和

計算，計算公式如下：

Nagr= Nspl+Nani（16）

式中，Nagr為農(nóng)牧系統(tǒng)未利用氮量（kg）。

1.3 未利用氮水平分級方法

本文利用ArcGIS軟件的自然間斷點分級法對種植業(yè)、畜牧業(yè)和農(nóng)牧系統(tǒng)的未利用氮水平進行分級，該方法類別基于數(shù)據(jù)中固有的自然分組，將對分類間隔加以識別，可對相似值進行最恰當?shù)胤纸M，并可使各個類之間的差異最大化。要素將被劃分為多個類，對于這些類，會在數(shù)據(jù)值的差異相對較大的位置處設置其邊界。對于不均衡分布的數(shù)據(jù)效果較好。

2 結(jié)果

2.1 種植業(yè)未利用氮量及分布

2016年白洋淀流域種植業(yè)未利用氮總量為23.99萬t，平均氮未利用強度為217.44 kg·hm-2，保定市各縣（區(qū)）種植業(yè)氮未利用強度在90.27—581.73 kg·hm-2之間，其中定興縣氮未利用強度最低，滿城區(qū)的最高（圖1）。種植業(yè)中蔬菜生產(chǎn)是未利用氮量貢獻最多的產(chǎn)業(yè)，占種植業(yè)總未利用氮量的31.3%，其次是種植果樹、小麥和玉米，分別占種植業(yè)總未利用氮量的29.0%、27.8%和11.9%。全區(qū)氮素總輸入為42.05萬t，其中，化肥占氮素總輸入的61.8%，其次是有機肥，占總輸入的16.8%，其他氮素來源分別是秸稈還田、大氣沉降、灌溉、非共生固氮和種子，分別占氮素總輸入的8.9%、5.2%、3.4%、3.0%和0.9%。根據(jù)各縣的氮素未利用強度狀況，使用自然間斷點分級法，將氮素未利用強度分為5個水平，即極高（≥360.27萬t）、高（224.56萬—360.26萬t）、中（189.95萬—224.55萬t）、低（143.52萬—189.94萬t）、極低（≤143.51萬t）。其中，滿城區(qū)種植業(yè)氮素未利用強度處于極高水平，占研究區(qū)總面積的4.2%；唐縣、順平縣、蓮池區(qū)和徐水區(qū)處于高水平，占研究區(qū)總面積的17.5%；涿州市、易縣、高陽縣、望都縣、定州市和博野縣處于中水平，占研究區(qū)總面積的33.0%；淶水縣、高碑店市、安新縣、清苑區(qū)、蠡縣、安國市處于低水平，占研究區(qū)總面積的29.6%；定興縣、容城縣、雄縣、曲陽縣和競秀區(qū)處于極低水平，占研究區(qū)總面積的15.7%。

圖1 種植業(yè)氮素未利用強度及各作物的貢獻率

從作物類型對種植業(yè)未利用氮量的貢獻來看（圖1），極高水平區(qū)各種植類型對種植業(yè)未利用氮量的貢獻率分別為果樹（71.5%）＞小麥（10.8%）＞蔬菜（9.1%）＞玉米（8.6%）；高水平區(qū)各種植類型的貢獻率分別為果樹（40.3%）＞蔬菜（36.6%）＞小麥（16.5%）＞玉米（6.6%）；中水平區(qū)各種植類型的貢獻率分別為蔬菜（55.7%）＞果樹（17.0%）＞小麥（15.9%）＞玉米（11.4%）；低水平區(qū)各種植類型的貢獻率分別為小麥（44.1%）＞蔬菜（27.8%）＞玉米（14.5%）＞果樹（13.6%）；極低水平區(qū)各種植類型的貢獻率分別為小麥（48.6%）＞果樹（17.6%）＞玉米（17.1%）＞蔬菜（16.7%）。

從各氮素輸入項對種植業(yè)未利用氮量的貢獻來看（圖2），極高水平區(qū)未利用氮素的貢獻分別為化肥（62.8%）＞有機肥（26.3%）＞秸稈還田（3.6%）＞大氣沉降（3.2%）＞非共生固氮（1.9%）＞灌溉（1.8%）＞種子（0.4%）；高水平區(qū)各氮素來源的貢獻分別為化肥（60.7%）＞有機肥（22.8%）＞秸稈還田（5.8%）＞大氣沉降（4.7%）＞灌溉（2.7%）＞非共生固氮（2.7%）＞種子（0.6%）；中水平區(qū)各氮素來源的貢獻分別為化肥（59.2%）＞有機肥（19.1%）＞秸稈還田（8.8%）＞大氣沉降（5.4%）＞灌溉（3.4%）＞非共生固氮（3.1%）＞種子（1.0%）；低水平區(qū)各氮素來源的貢獻分別為化肥（65.2%）＞秸稈還田（11.0%）＞有機肥（10.8%）＞大氣沉降（5.3%）＞灌溉（3.7%）＞非共生固氮（3.0%）＞種子（1.0%）；極低水平區(qū)各氮素來源的貢獻分別為化肥（62.6%）＞秸稈還田（13.4%）＞有機肥（7.7%）＞大氣沉降（6.7%）＞灌溉（4.6%）＞非共生固氮（3.8%）＞種子（1.2%）。

圖2 種植業(yè)不同未利用氮水平的氮素來源

2.2 畜牧業(yè)糞污未利用氮量及其來源

2016年白洋淀流域核心區(qū)畜牧業(yè)糞污未利用氮總量為19.02萬t，保定市各縣（區(qū)）未利用氮水平在0.01萬—2.48萬t之間，其中徐水區(qū)的未利用氮量最高，蓮池區(qū)的未利用氮量最低（圖3）。全區(qū)畜牧業(yè)氮素總輸入為26.09萬t，畜牧業(yè)中肉牛是氮素貢獻最多的養(yǎng)殖種類，占氮產(chǎn)生量的71.0%，其次是豬、肉雞、奶牛、蛋雞、羊，分別占氮產(chǎn)生量的16.6%、5.9%、5.0%、1.4%、0.1%。根據(jù)各縣（區(qū)）的未利用氮量情況，使用自然間斷點分級法，將未利用氮情況分為5個水平，即極高（≥1.75萬t）、高（1.26萬—1.74萬t）、中（0.81萬—1.25萬t）、低（0.24萬—0.80萬t）、極低（≤0.23萬t）。其中易縣、徐水區(qū)處在極高水平，占研究區(qū)總面積的18.8%；容城縣、高碑店市、定興縣處在高水平，占研究區(qū)總面積的9.7%；曲陽縣、淶水縣、唐縣、涿州市處在中等水平，占研究區(qū)總面積的28.1%；競秀區(qū)、安國市、滿城區(qū)、望都縣、雄縣、定州市、清苑區(qū)處在低水平，占研究區(qū)總面積的25.6%；蓮池區(qū)、順平縣、蠡縣、高陽縣、博野縣、安新縣處在極低水平，占研究區(qū)總面積的17.8%。

圖3 畜牧業(yè)未利用氮量及糞污來源

從養(yǎng)殖類型對未利用氮量的貢獻來看，極高水平區(qū)養(yǎng)殖類型對畜牧業(yè)未利用氮量的貢獻率分別為肉牛（85.1%）＞奶牛（11.1%）＞肉雞（1.9%）＞豬（1.7%）＞蛋雞（0.2%）；高水平區(qū)養(yǎng)殖類型的貢獻率分別為肉牛（54.1%）＞豬（32.7%）＞肉雞（7.3%）＞蛋雞（3.0%）＞奶牛（2.7%）＞羊（0.2%）；中水平區(qū)養(yǎng)殖類型的貢獻率分別為肉牛（86.3%）＞肉雞（6.7%）＞奶牛（4.3%）＞豬（2.3%）＞蛋雞（0.4%）；低水平區(qū)養(yǎng)殖類型的貢獻率分別為肉牛（68.0%）＞豬（20.6%）＞肉雞（6.8%）＞奶牛（3.2%）＞蛋雞（1.3%）＞羊（0.1%）；極低水平區(qū)養(yǎng)殖類型的貢獻率分別為肉牛（64.0%）＞豬（20.7%）＞奶牛（7.1%）＞肉雞（6.5%）＞蛋雞（1.5%）＞羊（0.2%）。

2.3 農(nóng)牧系統(tǒng)未利用氮量及其來源

農(nóng)牧系統(tǒng)未利用氮包括種植業(yè)未利用氮和畜牧業(yè)糞污未利用氮（圖4），研究區(qū)未利用氮總量為43.01萬t，其中徐水區(qū)的未利用氮量最高，競秀區(qū)為最低。未利用氮中種植業(yè)貢獻率為55.8%，畜牧業(yè)貢獻率為44.2%。依據(jù)自然間斷點分級法，將農(nóng)牧系統(tǒng)未利用氮量分為極高（≥3.21萬t）、高（1.80萬—3.20萬t）、中（1.53萬—1.79萬t）、低（1.17萬—1.52萬t）、極低（≤1.16萬t）5個水平。其中易縣、定州市、徐水區(qū)處于極高水平區(qū)，占研究區(qū)總面積的20.5%；清苑區(qū)、定興縣、涿州市、高碑店市、唐縣、滿城區(qū)處于高水平區(qū)，占研究區(qū)總面積的22.2%；容城縣處于中水平區(qū)，占研究區(qū)總面積的1.8%；望都縣、淶水縣、曲陽縣、順平縣處于低水平區(qū)，占研究區(qū)總面積的29.1%；競秀區(qū)、蓮池區(qū)、高陽縣、博野縣、安新縣、安國市、雄縣、蠡縣處于極低水平區(qū)，占研究區(qū)總面積的26.4%。

圖4 農(nóng)牧系統(tǒng)未利用氮量及來源

從農(nóng)牧系統(tǒng)未利用氮量的來源看，極高水平區(qū)種植業(yè)對農(nóng)牧系統(tǒng)未利用氮量的貢獻率為54.0%，畜牧業(yè)的貢獻率為46.0%；高水平區(qū)種植業(yè)對農(nóng)牧系統(tǒng)未利用氮量的貢獻率為55.8%，畜牧業(yè)的貢獻率為44.2%；中水平區(qū)種植業(yè)對農(nóng)牧系統(tǒng)未利用氮量的貢獻率為21.2%，畜牧業(yè)的貢獻率為78.8%；低水平區(qū)種植業(yè)對農(nóng)牧系統(tǒng)未利用氮量的貢獻率為55.0%，畜牧業(yè)的貢獻率為45.0%；極低水平區(qū)種植業(yè)對農(nóng)牧系統(tǒng)未利用氮量的貢獻率為67.8%，畜牧業(yè)的貢獻率僅為32.2%。

3 討論

3.1 種植業(yè)未利用氮

研究發(fā)現(xiàn)，種植業(yè)未利用氮空間變異較大，保定市各縣（區(qū)）種植業(yè)氮未利用強度在90.27—581.73 kg·hm-2之間，其中定興縣未利用氮強度最低，滿城區(qū)最高。其中，作物種植格局是種植業(yè)未利用氮素空間變異的一個重要因素，蔬菜和果樹種植面積是決定區(qū)域種植業(yè)未利用氮量高低的重要因子。種植業(yè)未利用氮高水平區(qū)及以上地區(qū)，果樹對種植業(yè)未利用氮量的貢獻高達40.3%—71.5%，中等水平區(qū)蔬菜的貢獻高達55.7%，而在極低和低水平區(qū)，小麥對種植業(yè)的未利用氮量貢獻最高（44.1%—48.6%）。蔬菜生產(chǎn)是種植業(yè)未利用氮量貢獻最多的作物，單季蔬菜種植產(chǎn)生的未利用氮量高達8.55萬t，平均未利用強度為530.73 kg·hm-2，究其原因，多與蔬菜大量施肥有關，單位種植面積施氮量高達690 kg，是章明清等[19]推薦的蔬菜平均最高施氮量的2.7倍。丘雯文等[20]的研究結(jié)果表明，1998— 2004年全國蔬菜生產(chǎn)的污染排放量占比由18.9%增加到29.1%，超過谷物，成為新的農(nóng)業(yè)面源污染源，蔬菜作物面源污染排放的增加主要歸因于種植面積的擴大。果園是氮未利用強度最高的區(qū)域，果園全年未利用氮量為6.80萬t，平均氮未利用強度為621.42 kg·hm-2。趙佐平等[18]的研究結(jié)果表明，陜西果園總體平均未利用氮量為876.3 kg·hm-2，與本研究結(jié)果相比略高，這是因為陜西果園氮肥投入水平總體偏高，且化學氮肥的投入量遠高于有機肥。另外，研究中涉及的果樹種類不同于本研究，尤其是獼猴桃生產(chǎn)未利用氮量極高，致使未利用氮量高于本研究結(jié)果。小麥田的未利用氮量為155.99 kg·hm-2，遠遠高于串麗敏等[21]的研究結(jié)果，一方面是因為其研究年限偏長，氮肥施入量和秸稈還田量偏??；另一方面其研究涉及到了氮素的揮發(fā)、淋溶問題，而本研究在輸出路徑部分只考慮了秸稈和籽粒。玉米田的氮未利用強度為61.17 kg·hm-2，與孫文彥等[22]的研究結(jié)果接近，但對其研究結(jié)果有必要針對0—120 kg·hm-2處理進行進一步的研究，來確定最佳有機肥施用量。

化肥是主要的氮素輸入源，與佟丙辛等[23]測算的河北省農(nóng)牧系統(tǒng)化肥氮素投入比例（55.7%）基本一致，大量施肥產(chǎn)生了許多土壤問題、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可持續(xù)問題。保定全市種植業(yè)未利用氮量普遍偏高，遠遠超過了巨曉棠等[24]設定的40 kg·hm-2的指標，種植業(yè)未利用氮素狀況，已經(jīng)對環(huán)境產(chǎn)生了一定影響，給白洋淀流域帶來了污染風險。

3.2 畜牧業(yè)未利用氮

華北地區(qū)是畜禽糞尿氮養(yǎng)分量最大的區(qū)域，具有較嚴重的污染風險[25]，研究區(qū)畜牧業(yè)未利用氮量偏高，農(nóng)用地平均糞便負荷量（糞便產(chǎn)生量與種植面積之比）為40.5 t·hm-2，超過了國家規(guī)定的30 t·hm-2的標準[26]，說明畜禽的飼養(yǎng)量已經(jīng)超過了當?shù)氐沫h(huán)境容納力，應優(yōu)化畜禽飼養(yǎng)規(guī)模，科學確定畜禽數(shù)量。潘丹[27]的研究結(jié)果表明，規(guī)模化養(yǎng)殖與畜禽糞污之間存在明顯的倒U型線性關系，與小規(guī)模養(yǎng)殖和大規(guī)模養(yǎng)殖相比，中等規(guī)模養(yǎng)殖產(chǎn)生的畜禽糞污最多且畜禽糞污排放存在眾多的影響因素。徐水區(qū)與易縣和其他縣（區(qū)）相比，畜禽養(yǎng)殖數(shù)量多，畜牧業(yè)未利用氮量也多。保定市2016年共產(chǎn)生畜禽糞便4 600萬t，尿液2 300萬t，畜禽糞便尿液產(chǎn)生了26.91萬t的氮量，將畜禽糞便量轉(zhuǎn)化為豬糞當量，為1 735.6萬t，與孟靖凱[28]對保定市畜禽糞便產(chǎn)生量的測算相比略高，原因是本文采用的畜禽數(shù)量統(tǒng)計方法，為各畜禽種類的出欄量與年末存欄量之和，而孟靖凱在測算時只選用了存欄量，所以其計算的糞污量要少于本研究。

研究區(qū)內(nèi)畜牧業(yè)未利用氮量有明顯的區(qū)域差異性，首先與當?shù)氐牡乩項l件有很大的關系。地域?qū)拸V、交通便利是畜牧業(yè)大力發(fā)展的優(yōu)勢條件；其次與種植業(yè)消耗的有機肥量有極大關系，以定州市為例，畜牧業(yè)產(chǎn)生了極大的糞污量，但是種植業(yè)消耗了相當一部分，因此并未產(chǎn)生過量的未利用氮量。而有些縣（區(qū)）種養(yǎng)脫鉤，產(chǎn)生的畜禽糞污缺少種植業(yè)的消耗，產(chǎn)生了污染。HUANG等[29]的研究結(jié)果表明，在造成環(huán)境富營養(yǎng)化程度方面，玉米青貯飼料自給的奶牛場顯著低于飼料全部依靠外源投入的奶牛場。所以，降低白洋淀流域的農(nóng)牧未利用氮量，不僅要控制畜禽數(shù)量，更要發(fā)展與之相匹配的種植業(yè)規(guī)模。

3.3 農(nóng)牧系統(tǒng)未利用氮

目前我國種植作物和飼養(yǎng)牲畜的農(nóng)村家庭比例從1986年的71%急劇下降到2017年的12%，僅種植作物家庭從26%增加到57%，只飼養(yǎng)牲畜的家庭僅占5%[30]，這說明農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)出現(xiàn)種養(yǎng)脫鉤的情況。農(nóng)牧分離會導致大量的氮素盈余，過量的養(yǎng)分最終會進入環(huán)境，產(chǎn)生一系列的環(huán)境問題。本研究表明，研究區(qū)農(nóng)牧系統(tǒng)未利用氮量為43.01萬t，其中55.8%的未利用氮來自種植業(yè)，而種植業(yè)中78.6%的氮素來自施肥。糞污還田率僅為26.9%，低于歐盟國家的65%[31]，導致糞污還田率低的原因主要是，種植業(yè)大量依靠化肥的投入，有機肥施用率偏低，僅占肥料投入的16.8%。由此可見，要想實現(xiàn)“化肥減施”“有機肥替代化肥”“畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用”[32]的目標，首先要實現(xiàn)種植業(yè)與畜牧業(yè)的接續(xù)、均衡發(fā)展。

4 結(jié)論

白洋淀流域核心區(qū)保定市各縣（區(qū)）農(nóng)牧業(yè)未利用氮量的空間分布差異較大，整體上呈現(xiàn)西北高、東南低的特點。未利用氮量最高的徐水區(qū)與最低的蓮池區(qū)相差4.54萬t。種植業(yè)是未利用氮素的主要來源，占全部未利用氮量的55.8%?；蕿榉N植業(yè)主要的氮素輸入源，占種植業(yè)全部輸入氮的61.8%，有機肥僅占16.8%。肉牛糞污是畜牧業(yè)主要的氮素來源，占畜牧業(yè)全部氮素來源的71.0%，糞污還田率過低會導致大量養(yǎng)分流失到環(huán)境中，造成環(huán)境污染風險。未利用氮量的極高與高水平區(qū)，集中在保定市的中部，應加大治理力度，進行針對性管理，推動白洋淀流域農(nóng)業(yè)綠色持續(xù)發(fā)展。

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Spatial Characteristic and Its Factors of Nitrogen Surplus of Crop and Livestock Production in the Core Area of the Baiyangdian Basin

ZHAO HaiXuan1, ZHANG YiTao2, LI WenChao1, MA WenQi1, ZHAI LiMei3, JU XueHai4, CHEN HanTing1, KANG Rui1, SUN ZhiMei1, XI Bin4, LIU HongBin3

1College of Resources and Environmental Sciences, Hebei Agricultural University/State Key Laboratory of North China Crop Improvement and Regulation/Hebei Province Key Laboratory for Farmland Eco-Environment, Baoding 071000, Hebei;2Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101;3Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Nonpoint Pollution Control, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100081;4Rural Energy and Environment Agency, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100125

【】The nitrogen surplus caused by excessive nitrogen input of crop and livestock production is the major source of pollution load in surface waterbody. The spatial differentiation characteristics of agricultural unused nitrogen were quantified in this study, so as to provide a basis for the zoning management of nitrogen and the effective management of agricultural nitrogen source in the river basin. 【】This study was conducted in Baoding, the central area of the Baiyangdian Basin. The nitrogen input and output of the crop and livestock production system were analyzed in all counties of Baoding in 2016. The nitrogen surplus in the crop production system was defined as the differential value between each input item (chemical fertilizer, organic fertilizer, atmospheric dry and wet settlement, irrigation water, seeds, non-symbiotic nitrogen fixation and straw returning to the field) and the output item (crop grain and straw); the nitrogen surplus in livestock production system was defined as the differential value between the amount of manure and the amount of organic fertilizer; and the nitrogen surplus in the agriculture and animal husbandry was defined as the sum of crop production system and livestock production system.【】(1) The level of nitrogen surplus in crop production was ranging from 90.27 to 581.73 kg·hm-2, with the lowest value in Dingxing District and the largest value in Mancheng District. Vegetables contributed to the most nitrogen surplus of crop production (31.3%), following by fruit trees (29.0%), wheat (27.8%), and maize (11.9%). Fertilizer was the primary source of nitrogen surplus (61.8%), following by organic fertilizer (16.8%), straw return to the field (8.9%), atmospheric settlement (5.2%), irrigation (3.4%), non-symbiotic nitrogen fixation (3.0%), and seeds (0.9%). (2) The nitrogen surplus level of livestock production was ranging from 0.06×104t to 2.48×104t with the lowest value in Lianchi District and the highest value in Xushui Distrct. Beef cattle accounted for 71.0% of the total nitrogen surplus of livestock production. (3) The unused nitrogen level in the agricultural and animal husbandry system was between 0.43×104t and 4.97×104t, among which the unused nitrogen amount was the highest in the Xushui area. In farming systems, farming was the main source of nitrogen (55.8% of unused nitrogen).【】The nitrogen unused space varied significantly in Baoding counties, the core area of Baiyangdian Basin, and the highest nitrogen unused in Xushui District was 10.4 times that in Jingxiu District. The largest contribution to the amount of unused nitrogen in the crop and livestock production is the crop production, of which vegetable production is the most important industry.

Baiyangdian Basin; nitrogen surplus; crop production system; livestock production system; county level

2021-11-10；

2022-04-08

河北省教育廳科學技術研究項目（BJ2021026）、河北省引進留學人員資助項目（C20200330）、華北作物改良與調(diào)控國家重點實驗室自主課題（NCCIR2021ZZ-20）、國家重點研發(fā)計劃項目（2021YFE0101900）、河北省水環(huán)境科學實驗室開放課題（HBSHJ202107）

趙海璇，Tel：15028760822；E-mail：zhaohaixuan1997@163.com。通信作者李文超，Tel：18603329508；E-mail：dachao279@126.com。通信作者習斌，E-mail：xxiibbiinn@163.com

（責任編輯 李云霞）