白洋淀流域種植業(yè)氮磷投入-盈余-排放時(shí)空特征

摘要：為明晰白洋淀流域種植業(yè)氮、磷施用、盈余及流失特征和影響因子，本研究以白洋淀流域36個(gè)縣區(qū)為研究對(duì)象，從種植業(yè)氮、磷施用、盈余與流失角度，分析白洋淀流域2015-2020年種植業(yè)氮、磷排放的時(shí)空特征，量化不同作物的相對(duì)貢獻(xiàn)。結(jié)果表明：2015-2020年，白洋淀流域氮、磷施用強(qiáng)度分別減少30.2%和31.4%，空間上呈現(xiàn)上游低、中下游高的分布特征。在研究周期內(nèi)，玉米對(duì)種植業(yè)氮、磷施用量的貢獻(xiàn)分別達(dá)到31.0%-41.8%和32.6%-48.0%；果樹氮、磷施用強(qiáng)度最大，分別為247.0-299.6 kg·hm-2和145.6-199.4 kg·hm-2。從研究期初至期末，白洋淀流域種植業(yè)氮、磷盈余強(qiáng)度分別減少37.0%、33.1%，空間上呈現(xiàn)上游低、中下游高的分布特征。流域內(nèi)各作物氮盈余量大小由蔬菜，玉米，小麥，果樹變?yōu)橛衩?，小麥，蔬菜，果樹，磷盈余量大小始終為玉米＞小麥＞蔬菜＞果樹，果樹氮、磷盈余強(qiáng)度最大，分別為395.8-480.1 kg·hm-2和148.4-202.3 kg·hm-2。2015-2020年，白洋淀流域氮、磷流失強(qiáng)度分別堿少28.4%、3 3.3%，空間分布特征與氮、磷施用及盈余相同。玉米對(duì)種植業(yè)氮、磷流失量貢獻(xiàn)最大，分別為33.3%-43.3%和31.8%-47.1%；蔬菜氮流失強(qiáng)度最大（4.46-5.60 kg·hm-2），果樹磷流失強(qiáng)度最大（0.52-0.72 kg·hm-2）。種植業(yè)氮、磷盈余與流失強(qiáng)度極大程度上取決于施肥強(qiáng)度，為減少流失應(yīng)對(duì)氮、磷施用強(qiáng)度大的作物及地區(qū)進(jìn)行針對(duì)性管理。

關(guān)鍵詞：種植業(yè)；氮；磷；盈余；流失；白洋淀

中圖分類號(hào)：X71；X52 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1672-2043（2024）08-1824-14 doi：10.11654/jaes.2023 -0907

近年來，全球在快速發(fā)展的同時(shí)面臨著諸多環(huán)境問題，其中，水環(huán)境問題是當(dāng)今人們關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一。隨著一系列水污染管控措施的實(shí)施，點(diǎn)源污染基本得到控制，農(nóng)業(yè)面源污染逐漸成為水環(huán)境污染物的主要來源。種植業(yè)施用過量的氮肥、磷肥，未利用的氮磷通過地表徑流等方式進(jìn)入水體，是導(dǎo)致農(nóng)業(yè)面源污染發(fā)生的主要原因。農(nóng)業(yè)面源污染不僅會(huì)導(dǎo)致河流湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化，威脅水生生物的棲息環(huán)境，造成魚蝦死亡等，還會(huì)影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類健康。農(nóng)業(yè)面源污染的發(fā)生具有滯后性且難以治理。因此，明晰土壤氮、磷施用量及流失量，針對(duì)性地進(jìn)行土壤氮、磷管理對(duì)水環(huán)境保護(hù)具有重要意義。目前，已有學(xué)者對(duì)農(nóng)業(yè)源氮、磷污染進(jìn)行了研究。邱捷等采用多種方法估算我國(guó)種植業(yè)源污染負(fù)荷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)我國(guó)氮素徑流損失在3.0×104-2.4×106t之間，氮素淋洗損失為3.60×105-2.03×106t，磷素徑流損失為3.50-6.4 t。李曉琳等對(duì)洱海流域氮素分布時(shí)空特征分析發(fā)現(xiàn)，化肥污染是洱海流域氮污染負(fù)荷的主要來源，占總污染負(fù)荷的35%。佘冬立等構(gòu)建了寧夏引黃灌區(qū)種植業(yè)面源污染流失量輕簡(jiǎn)化模型，分析發(fā)現(xiàn)水稻對(duì)灌區(qū)總氮、總磷流失貢獻(xiàn)最大。馬恩樸等測(cè)算了1990-2017年我國(guó)省域尺度的農(nóng)業(yè)源氮、磷排放，發(fā)現(xiàn)近30a來各省農(nóng)業(yè)源氮、磷排放特征差異顯著，格局特征相對(duì)穩(wěn)定，但排放重心經(jīng)歷了東西向的往復(fù)式轉(zhuǎn)移并具有北偏西方向的總體轉(zhuǎn)移趨勢(shì)。胡光偉等對(duì)洞庭湖流域氮、磷污染的時(shí)空分布特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)近年來總氮、總磷的污染負(fù)荷量呈現(xiàn)減少趨勢(shì)且在空間排放上呈現(xiàn)明顯的地域差異特征。李剛浩等在2015-2020年對(duì)三峽庫區(qū)長(zhǎng)坪小流域開展水質(zhì)監(jiān)測(cè)，分析發(fā)現(xiàn)不同土地利用類型氮、磷排放濃度存在差異，不同土地利用類型的氮、磷輸出濃度在汛期和非汛期也存在差異。

白洋淀是華北平原最大的淡水湖泊，具有重要的生態(tài)功能。2018年頒布的《河北雄安新區(qū)規(guī)劃綱要》明確了雄安新區(qū)建設(shè)的目標(biāo)與任務(wù)，同時(shí)強(qiáng)調(diào)了白洋淀生態(tài)環(huán)境治理的重要性。2018年以來，白洋淀流域大力開展農(nóng)業(yè)面源污染防治工作，如種植業(yè)退耕還淀、建立多水源補(bǔ)水機(jī)制、實(shí)施節(jié)肥節(jié)藥措施等，但與白洋淀生態(tài)環(huán)境治理和保護(hù)規(guī)劃具體要求還有一定差距。目前已有學(xué)者針對(duì)白洋淀氮、磷污染進(jìn)行了研究。李悅昭等通過建立白洋淀流域氮、磷污染負(fù)荷模型發(fā)現(xiàn)，種植業(yè)是白洋淀流域氮、磷污染來源之一。楊紫薇等通過探究白洋淀流域種植結(jié)構(gòu)變化對(duì)區(qū)域水環(huán)境的影響發(fā)現(xiàn)，白洋淀流域種植業(yè)氮盈余量時(shí)空分異特征明顯，近年來白洋淀流域種植業(yè)氮盈余量總體呈下降趨勢(shì)。Li等通過評(píng)估面源污染對(duì)白洋淀水質(zhì)影響發(fā)現(xiàn)，管控白洋淀流域農(nóng)田肥料的施用可以有效減少白洋淀氮、磷污染。然而當(dāng)前有關(guān)不同作物的氮、磷排放貢獻(xiàn)的研究較少，因此，本研究在前人的基礎(chǔ)上，從種植業(yè)氮、磷施用、盈余與流失的角度出發(fā)，量化白洋淀流域種植業(yè)不同作物對(duì)氮、磷排放的相對(duì)貢獻(xiàn)，對(duì)白洋淀流域氮、磷排放進(jìn)行時(shí)空特征分析，提出針對(duì)性的氮、磷管理建議，研究結(jié)果將對(duì)白洋淀流域農(nóng)業(yè)面源污染治理具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

白洋淀位于華北平原中部，由143個(gè)大小淀泊相互聯(lián)系組成，屬于海河流域大清河南支水系湖泊，水域面積為366 km2。白洋淀流域包括保定市全部和張家口、石家莊、北京、山西省部分區(qū)域，流域面積共3.12×104 km2。本研究以白洋淀流域的36個(gè)縣區(qū)為研究區(qū)，研究區(qū)域圖見圖1。研究區(qū)種植業(yè)主要以小麥、玉米、蔬菜、果樹為主。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究中2015-2020年種植業(yè)小麥、玉米、果樹、蔬菜的種植面積、施氮量、施磷量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)均來源于相關(guān)統(tǒng)計(jì)年鑒及實(shí)地調(diào)查，地表徑流總氮流失系數(shù)、地表徑流總磷流失系數(shù)來源于《第一次全國(guó)污染源普查種植源系數(shù)手冊(cè)》，其他數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)。白洋淀流域位于黃淮海半濕潤(rùn)平原區(qū)，種植模式為大田兩熟及以上，因此白洋淀流域種植業(yè)小麥、玉米、果樹、蔬菜地表徑流總氮系數(shù)分別取0.950%、0.950%、0.598%、0.668%，地表徑流總磷流失系數(shù)分別取0.375%、0.375%、0.360%、0.443%。

1.2.2 氮、磷盈余計(jì)算方法

根據(jù)農(nóng)田土壤養(yǎng)分平衡原理，參考王激清等的氮素平衡方法。農(nóng)田氮、磷盈余量為農(nóng)田氮素、磷素輸入量和輸出量的差值，計(jì)算公式如下：

S=I-O（1）

式中：S為農(nóng)田氮／磷素盈余量，kg；I為農(nóng)田氮／磷素輸入量，kg；O為農(nóng)田氮磷素輸出量，kg。

農(nóng)田氮磷素輸入量計(jì)算公式如下：

I=A+B+D+Iir+Se+St（2）

式中：A為施氮／磷量，kg;B為生物固氮／磷量，kg；D為大氣氮／磷沉降量，kg；Iir為灌溉水氮／磷量，kg；Se為種子氮／磷量，kg；St為秸稈還田氮／磷量，kg。各量計(jì)算公式如下：

A=Aa+Fc×Te+Fm×Tm（3）

B=Si×Bi（4）

D=Sa×Ud（5）

Iir=Si×Vi×ρ×Ti×10-6（6）

Se=∑（Si×Ui×Di×Tsi）（7）

St=Gi×Tgi（8）

式中：Aa為化肥折純后氮／磷施用量，kg；Fe為復(fù)合肥折純后的施用量，kg；Tc為復(fù)合肥中氮／磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；Fm為有機(jī)肥施用量，kg；Tm為有機(jī)肥中氮／磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；Si為作物i種植面積，hm2；Bi為作物i單位面積的生物固氮量，kg·hm-2；Sa為農(nóng)作物種植總面積，hm2；Ud為單位面積大氣氮／磷沉降量，kg·hm-2；Vi為作物i單位面積的灌溉水量，m3·hm-2；ρ為灌溉水密度，kg·m-3；Ti為灌溉水氮磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg·kg-1；Ui為作物i的播種量，kg·hm-2；Di為作物i籽粒的干物質(zhì)比例；Tsi為作物i籽粒氮／磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；Gi為作物i的前茬作物單位面積秸稈還田量，kg；Tgi為作物i秸稈中的氮／磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

農(nóng)田氮／磷素輸出量計(jì)算公式如下：

O=Se'+St'（9）

Se'=∑（Si×Yi×Di×Tsi）（10）

St'=Gi'×Tgi（11）

式中：Se'為籽粒中的氮／磷量，kg；St'為當(dāng)季作物秸稈帶走的氮／磷量，kg；Yi為作物i的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，kg；Gi'為當(dāng)季作物i產(chǎn)生的秸稈量，kg。

1.2.3 氮、磷流失量計(jì)算方法

氮、磷流失量計(jì)算公式如下：

T=∑4 ij（Aij×Fi×ei×10-3）（12）

式中：T為區(qū)域內(nèi)種植業(yè)氮／磷流失量，t·a-1；Aij為j縣第i類作物的播種面積，hm2；Fi為j縣第i類作物的施氮／磷量，kg·hm-2；ei為區(qū)域氮／磷流失系數(shù)，%。

1.2.4 自然間斷點(diǎn)分級(jí)法

為更好地反映白洋淀流域各縣區(qū)氮、磷施用、盈余與流失強(qiáng)度變化，使用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法將氮、磷施用、盈余與流失強(qiáng)度從低到高進(jìn)行劃分，分級(jí)情況見表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 白洋淀流域氮、磷施用時(shí)空特征

2.1.1 白洋淀流域氮肥施用強(qiáng)度時(shí)空特征

如圖2所示，從時(shí)間上來看，2015-2020年白洋淀流域氮肥施用強(qiáng)度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。研究初期，2015-2016年白洋淀流域氮肥平均施用強(qiáng)度為135.2 kg·hm-2（Ⅲ級(jí)），至研究中期（2017-2018年）降低為107.2 kg·hm-2（Ⅲ級(jí)），研究末期降低至研究初期的69.8%，氮肥施用強(qiáng)度等級(jí)降至Ⅱ級(jí)水平。從空間分布上來看，氮肥施用強(qiáng)度總體呈現(xiàn)流域上游低、中下游高的分布特征，其中Ⅰ級(jí)水平區(qū)基本在流域上游，Ⅱ級(jí)-Ⅵ級(jí)水平區(qū)集中分布于中下游。研究期內(nèi)，氮肥施用強(qiáng)度的空間分布也發(fā)生明顯變化。氮肥施用強(qiáng)度處于Ⅵ級(jí)水平（＞250 kg·hm-2）的縣區(qū)數(shù)量和分布面積占比由研究初期的5個(gè)和5.2%，降低至研究期末的1個(gè)和1.2%，分布區(qū)域由流域中下游向流域下游轉(zhuǎn)移。氮肥施用強(qiáng)度處于V級(jí)水平（＞200-250 kg·hm-2）的分布面積占比由研究初期的8.9%降低至2017年的2.7%，2018年后又略微回升至研究期末的5.5%。氮肥施用強(qiáng)度Ⅳ級(jí)水平（＞150-200 kg·hm-2）縣區(qū)分布面積占比由研究初期的9.3%升高到2017年的14.3%，2018年后開始下降，至研究期末已降至7．0%。

2.1.2 白洋淀流域磷肥施用強(qiáng)度時(shí)空特征

如圖3所示，從時(shí)間上來看，2015-2020年白洋淀流域磷肥施用強(qiáng)度同氮肥施用強(qiáng)度變化趨勢(shì)相似。研究初期，2015-2016年白洋淀流域磷肥平均施用強(qiáng)度為60.9 kg·hm-2（Ⅲ級(jí)），至研究中期降低至磷肥施用強(qiáng)度Ⅱ級(jí)水平（47.6 kg·hm-2），研究末期降低至41.8 kg·hm-2（Ⅱ級(jí)），較研究初期降低了31.4%。從空間分布上來看，磷肥施用強(qiáng)度總體也呈現(xiàn)流域上游低、中下游高的分布特征，其中流域上游基本為Ⅰ級(jí)水平區(qū)，流域中下游Ⅱ級(jí)至Ⅵ級(jí)水平區(qū)較集中。研究期內(nèi)，磷肥施用強(qiáng)度處于Ⅰ級(jí)水平（≤25 kg·hm-2）的縣區(qū)數(shù)量和面積比例由研究初期的10個(gè)和49.6%，增加至研究期末的16個(gè)和67.6%，分布區(qū)域由流域上游擴(kuò)大至流域中游。磷肥施用強(qiáng)度處于Ⅳ級(jí)水平（＞75-100 kg·hm-2）的縣區(qū)數(shù)量和分布面積比例由研究初期的9個(gè)和13.3%降低至研究末期的2個(gè)和2.8%。磷肥施用強(qiáng)度Ⅵ級(jí)水平（＞125 kg·hm—2）區(qū)分布面積比例由研究初期的3.4%升高到2018年的4.8%，2019年后開始下降，至研究期末已降至1.2％。

2.2 白洋淀流域氮、磷盈余時(shí)空特征

2.2.1 白洋淀流域氮盈余強(qiáng)度時(shí)空特征

如圖4所示，從時(shí)間上來看，2015-2020年白洋淀流域氮盈余強(qiáng)度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。研究初期，2015-2016年白洋淀流域平均氮盈余強(qiáng)度為113.1 kg·hm-2（Ⅲ級(jí)），研究中期降低至氮盈余強(qiáng)度Ⅱ級(jí)水平（84.8kg·hm-2），研究末期降低至71.3 kg·hm-2（Ⅱ級(jí)），為研究初期的63.0%。從空間分布上來看，受施肥強(qiáng)度的影響，白洋淀流域氮盈余強(qiáng)度也呈現(xiàn)上游低、中下游高的現(xiàn)象，其中Ⅰ級(jí)水平區(qū)基本在流域上游，Ⅱ級(jí)至Ⅵ級(jí)水平區(qū)集中分布于中下游。研究期內(nèi)，氮盈余強(qiáng)度的空間分布也發(fā)生明顯變化。氮盈余強(qiáng)度處于Ⅰ級(jí)水平（≤50 kg·hm-2）的縣區(qū)數(shù)量和面積比例由研究初期的14個(gè)和61.3%，增加至研究期末的19個(gè)和70.5%。氮盈余強(qiáng)度V級(jí)水平（＞200-250 kg·hm-2）的縣區(qū)由研究初期的定州市、蓮池區(qū)變?yōu)檠芯磕┢诘男聵肥?、滿城區(qū)，分布面積比例由3.4%降至2.7%。氮盈余強(qiáng)度Ⅵ級(jí)水平（＞250 kg·hm-2）縣區(qū)的數(shù)量和分布面積比例由研究初期的3個(gè)和4.7%降低至2018年的1個(gè)和1.5%，至研究末期已無Ⅵ級(jí)水平的縣區(qū)。

2.2.2 白洋淀流域磷盈余強(qiáng)度時(shí)空特征

如圖5所示，從時(shí)間上來看，2015-2020年白洋淀流域磷盈余強(qiáng)度也呈減少趨勢(shì)。研究期內(nèi)，白洋淀流域磷盈余強(qiáng)度始終處于Ⅱ級(jí)水平，研究初期白洋淀流域平均磷盈余強(qiáng)度為50.8 kg·hm-2，至研究中期降低至39.7 kg·hm-2，研究末期降低至34.0 kg·hm-2。從空間分布上來看，磷盈余強(qiáng)度總體也呈現(xiàn)流域上游低、中下游高的分布特征，其中流域上游基本為Ⅰ級(jí)水平區(qū)，流域中下游Ⅱ級(jí)水平的縣區(qū)偏多。研究期內(nèi)，磷盈余強(qiáng)度處于Ⅰ級(jí)水平（≤30 kg·hm-2）的縣區(qū)數(shù)量和面積比例由研究初期的13個(gè)和63.4%，增加至研究期末的21個(gè)和81.2%，流域中下游增加7個(gè)磷盈余強(qiáng)度Ⅰ級(jí)水平縣區(qū)。磷盈余強(qiáng)度處于Ⅳ級(jí)水平（＞90-120 kg·hm-2）的縣區(qū)分布面積比例由研究初期的5.2%增加至2017年的6.4%，2018年后開始降低，研究末期降至3.0%。磷盈余強(qiáng)度V級(jí)水平（＞120-150 kg·hm-2）的縣區(qū)由研究初期的競(jìng)秀區(qū)變?yōu)檠芯磕┢诘男聵肥?，分布面積比例由研究初期的0.3%升高到2018年的4.2%，研究末期又降至1.2%。

2.3 白洋淀流域氮、磷流失時(shí)空特征

2.3.1 白洋淀流域氮流失強(qiáng)度時(shí)空特征

氮素流失強(qiáng)度極大程度上取決于氮肥施用強(qiáng)度，因此氮流失強(qiáng)度時(shí)空特征同氮肥施用強(qiáng)度時(shí)空特征相似。由圖6可知，從時(shí)間上來看，研究初期白洋淀流域平均氮流失強(qiáng)度為2.99 kg·hm-2（Ⅲ級(jí)），至研究中期降低至2.42 kg·hm-2，研究末期降低至2.14 kg·hm-2（Ⅲ級(jí)），較研究初期減少了28.4%。從空間分布上來看，流域上游基本為Ⅰ級(jí)水平區(qū)，流域中下游Ⅱ級(jí)至Ⅶ級(jí)水平區(qū)分布較集中。研究期內(nèi)，氮流失強(qiáng)度處于Ⅰ級(jí)水平（≤1 kg.hm-2）的縣區(qū)數(shù)量和面積比例由研究初期的12個(gè)和61.2%，增加至研究期末的16個(gè)和67.1%，分布區(qū)域由流域上游向流域中下游擴(kuò)大。氮流失強(qiáng)度處于V級(jí)水平（＞4-5 kg·hm-2）縣區(qū)的面積比例由研究初期的9.5%增加至2017年的11.6%，2018年開始下降至研究期末的2.3%。氮流失強(qiáng)度Ⅵ級(jí)水平（＞5-6 kg·hm-2）縣區(qū)的面積比例由研究初期的8.1%降低至研究末期的3.8%。氮流失強(qiáng)度Ⅶ級(jí)水平（＞6 kg·hm-2）的縣區(qū)由研究初期的蓮池區(qū)、望都縣、徐水區(qū)變?yōu)檠芯磕┢诘男聵肥?，分布面積減少了5 8.8%。

2.3.2 白洋淀流域磷流失強(qiáng)度時(shí)空特征

如圖7所示，白洋淀流域磷流失強(qiáng)度時(shí)空特征與磷肥施用強(qiáng)度特征相似。從時(shí)間上來看，研究初期，白洋淀流域磷流失強(qiáng)度為Ⅲ級(jí)水平（0.24 kg·hm-2），至研究中期降低至磷流失強(qiáng)度Ⅱ級(jí)水平（0.18 kg·hm-2），研究末期降低至0.16 kg·hm-2（Ⅱ級(jí)），為研究初期的66.7%。從空間分布上來看，磷流失強(qiáng)度總體也呈現(xiàn)流域上游低、中下游高的分布特征。研究期內(nèi)，磷流失強(qiáng)度的空間分布發(fā)生明顯變化。磷流失強(qiáng)度處于Ⅰ級(jí)水平（≤0.1 kg·hm-2）的縣區(qū)數(shù)量和面積變化同磷肥施用強(qiáng)度Ⅰ級(jí)水平的縣區(qū)數(shù)量和面積變化相同。磷流失強(qiáng)度處于Ⅳ級(jí)水平（＞0.3-0.4 kg·hm-2）的縣區(qū)數(shù)量和面積比例由研究初期的8個(gè)和11.9%降低至研究末期的1個(gè)和1.6%。磷流失強(qiáng)度V級(jí)水平（＞0.4-0.5 kg·hm-2）的縣區(qū)面積比例由研究初期的3.8%升高到2017年的4.8%，2018年后開始下降，研究期末降至3.6%。磷流失強(qiáng)度處于Ⅵ級(jí)水平（＞0．5kg·hm-2）的縣區(qū)由研究初期的蓮池區(qū)、定州市變?yōu)檠芯磕┢诘男聵肥?，分布面積減少了64.1%。

3 討論

3.1 白洋淀流域氮、磷施用時(shí)空特征

研究發(fā)現(xiàn)，近年來白洋淀流域種植業(yè)氮、磷施用強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且空間上呈現(xiàn)上游低、中下游高的分布特征，這與楊文寶等對(duì)白洋淀流域氮、磷養(yǎng)分流動(dòng)研究結(jié)果相似。施肥強(qiáng)度的降低主要是因?yàn)樾郯残聟^(qū)設(shè)立后，白洋淀流域大力開展節(jié)肥節(jié)藥工程，嚴(yán)格控制肥料施用，推進(jìn)化肥零增長(zhǎng)行動(dòng)，并且普遍提高了農(nóng)民科學(xué)施肥意識(shí)。而從本分析研究來看，在研究末期，新樂市、定州市、深澤縣、安國(guó)市種植業(yè)氮、磷施用強(qiáng)度都仍處于高水平等級(jí)，其中，新樂市施氮強(qiáng)度較2015年增長(zhǎng)17 .6%，施磷強(qiáng)度增長(zhǎng)35.9%，成為白洋淀流域施肥強(qiáng)度最高的縣區(qū)，其玉米氮、磷施用量分別增長(zhǎng)了50.6%和62.1%，主要原因是新樂市的不合理施肥與肥料管理不善等導(dǎo)致各作物氮、磷施用強(qiáng)度分別增長(zhǎng)了14.3%和23.0%。至研究末期，蓮池區(qū)施氮強(qiáng)度減少了89.9%，施磷強(qiáng)度減少了89.3%，其各作物氮、磷施用量均減少67.0%以上，主要原因是蓮池區(qū)開發(fā)耕地面積多，土地利用方式變化較大，且至2020年蓮池區(qū)設(shè)施蔬菜種植面積是露天蔬菜的2.3倍，明顯減少了肥料施用量。

由圖8、圖9可知，在研究期內(nèi)，小麥和玉米對(duì)種植業(yè)氮、磷施用量貢獻(xiàn)最大，這主要與小麥、玉米的種植面積大有關(guān)，而氮、磷施用強(qiáng)度最大的是果樹，其次是蔬菜。2015-2020年，各作物氮、磷施用強(qiáng)度均出現(xiàn)不同程度的下降，其中小麥、玉米、蔬菜、果樹的氮和磷施用強(qiáng)度分別下降25.2%、15.8%、20.7%、17.4%和27.3%、14.4%、20.1%、21.0%。2020年白洋淀流域果樹施氮強(qiáng)度平均為247.0 kg·hm-2，果樹施磷強(qiáng)度平均為145.6 kg·hm-2;蔬菜施氮強(qiáng)度平均為202.6 kg·hm-2，施磷強(qiáng)度平均為89.5 kg·hm-2。而有研究表明，國(guó)外果園氮肥投入量在100-150 kg·hm-2之間，合理的果園施磷量在100-150 kg·hm-2之間，蔬菜平均適宜化肥施氮量約為111 kg·hm-2，我國(guó)蔬菜需磷量約為100 kg·hm-2。對(duì)比之下不難看出白洋淀流域果樹、蔬菜施肥強(qiáng)度過高，這與粗放經(jīng)營(yíng)的生產(chǎn)方式與傳統(tǒng)的栽培模式有關(guān)。從圖10分析可知，2020年，白洋淀流域果園基本都采用露天栽培的生產(chǎn)方式，蔬菜的露天生產(chǎn)也達(dá)到了81.5%，這種傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式使作物需要更多的水源與養(yǎng)分，且果樹、蔬菜生產(chǎn)成本高，容易遭受自然災(zāi)害與病蟲害，品質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)較大，而傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式使配套設(shè)施難以健全，機(jī)械化生產(chǎn)難度大，生產(chǎn)方式落后，因此采取高強(qiáng)度施肥的方法降低成本風(fēng)險(xiǎn)。2020年，白洋淀流域小麥?zhǔn)┑獜?qiáng)度平均為151.3 kg·hm-2，介于華北平原小麥適宜施氮量之間（150-180 kg·hm-2），小麥?zhǔn)┝讖?qiáng)度為52.5 kg·hm-2，未超出李順晉等在全國(guó)尺度上計(jì)算的實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)的小麥?zhǔn)┝组撝担?8.9 kg·hm-2）；玉米施氮強(qiáng)度平均為136.6 kg·hm-2，低于華北平原玉米適宜施氮量（170-190 kg·hm-2），玉米施磷強(qiáng)度為69.6 kg·hm-2，介于既可以保證高產(chǎn)又可以保持較高的磷肥利用率的玉米磷素用量（60-80 kg·hm-2）之間。由此可見，白洋淀流域的氮、磷施用強(qiáng)度仍具有減施空間，尤其在果樹與蔬菜方面。

研究期內(nèi)，流域種植業(yè)氮、磷施用強(qiáng)度呈現(xiàn)上游低、中下游高的分布特征，這是由于白洋淀流域中下游大多屬于山前平原區(qū)，是華北平原重要的糧食產(chǎn)地，耕地資源較為豐富，土壤保肥性強(qiáng)，適合作物生長(zhǎng)且生產(chǎn)技術(shù)水平先進(jìn)，部分縣區(qū)為滿足產(chǎn)量需求高強(qiáng)度施用化肥，而流域上游大多屬于大清河山區(qū)，耕地資源有限，土壤肥力水平較低，為降低成本風(fēng)險(xiǎn)，僅個(gè)別縣區(qū)化肥施用強(qiáng)度高。盈余強(qiáng)度與流失強(qiáng)度呈現(xiàn)的上游低、中下游高的分布特征也與此有直接關(guān)系。

3.2 白洋淀流域氮、磷盈余時(shí)空特征

施肥強(qiáng)度的高低直接決定著盈余的變化，隨著施肥強(qiáng)度的降低，白洋淀流域種植業(yè)盈余強(qiáng)度也出現(xiàn)明顯的減少趨勢(shì)。然而，研究末期新樂市、定州市種植業(yè)氮、磷盈余強(qiáng)度仍然較高，這主要是受其施肥強(qiáng)度增加的影響。研究末期，新樂市小麥氮盈余量增長(zhǎng)21.3%且對(duì)種植業(yè)氮盈余量貢獻(xiàn)達(dá)到57.4%，玉米磷盈余量增長(zhǎng)63.4%且貢獻(xiàn)達(dá)到69.5%；定州市種植業(yè)氮盈余量貢獻(xiàn)由蔬菜＞玉米＞果樹＞小麥變?yōu)槭卟耍居衩祝拘←湥竟麡?，磷盈余量貢獻(xiàn)由蔬菜＞小麥＞玉米＞果樹變?yōu)橛衩祝拘←湥臼卟耍竟麡洹８弑晔蟹N植業(yè)氮、磷盈余強(qiáng)度水平分別由Ⅵ級(jí)水平降低到Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)水平，其分作物氮、磷盈余量均降低32%以上，種植業(yè)氮、磷盈余量貢獻(xiàn)均為玉米＞小麥＞蔬菜＞果樹，盈余量的降低主要與高碑店市積極響應(yīng)政策措施，加強(qiáng)肥料管理，提高農(nóng)業(yè)技術(shù)水平，有效調(diào)控氮、磷施用量有關(guān)。

由圖11、圖12可知，白洋淀流域種植業(yè)各作物氮盈余量大小由研究初期的蔬菜＞玉米＞小麥＞果樹變?yōu)檠芯磕┢诘挠衩祝拘←湥臼卟耍竟麡?，磷盈余量始終為玉米＞小麥＞蔬菜＞果樹，但研究期內(nèi)果樹、蔬菜的氮、磷盈余強(qiáng)度明顯大于小麥、玉米。白洋淀流域種植業(yè)果樹平均氮盈余強(qiáng)度由研究初期的457.7 kg·hm-2降低到研究末期的395.8 kg·hm-2，磷盈余強(qiáng)度由202.3 kg·hm-2降低到148.4 kg·hm-2，蔬菜氮、磷盈余強(qiáng)度也分別減少22.5%、19.6%。楊紫薇等的研究顯示白洋淀流域種植業(yè)氮盈余強(qiáng)度貢獻(xiàn)蔬菜最大，其次是小麥，這與本研究結(jié)果存在差異，分析主要的原因是本研究中研究區(qū)范圍不同，與其比較，本研究區(qū)包括石家莊、張家口、山西、北京在內(nèi)的14個(gè)縣區(qū)，且其中有6個(gè)縣區(qū)未種植小麥。種植業(yè)氮、磷盈余強(qiáng)度高，除受施肥強(qiáng)度影響外，還與氮、磷利用效率低有關(guān)，白洋淀流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式具有較大發(fā)展空間，可推動(dòng)蔬菜、果樹的設(shè)施種植機(jī)械化發(fā)展，加快完善配套設(shè)施，除此之外還可協(xié)調(diào)化肥氮、磷養(yǎng)分比例，采用機(jī)械施肥、機(jī)械深施、適期施肥的施肥方式，將水肥一體化、有機(jī)肥替代、秸稈還田技術(shù)與高效節(jié)水灌溉，滴灌、噴灌施肥技術(shù)結(jié)合來提高氮、磷利用效率。

3.3 白洋淀流域氮、磷流失時(shí)空特征

種植業(yè)氮、磷流失強(qiáng)度很大程度上取決于施肥強(qiáng)度。2020年，白洋淀流域種植業(yè)氮流失強(qiáng)度為2.12kg·hm-2，低于張育福等估算的長(zhǎng)江流域氮流失強(qiáng)度，主要原因是氮流失強(qiáng)度除受施肥強(qiáng)度影響外，也受降雨強(qiáng)度的影響，長(zhǎng)江流域降雨量大，且水田種植面積大，徑流量大，而白洋淀流域皆為旱地；種植業(yè)磷流失強(qiáng)度為0.16 kg·hm-2，與何卿姮測(cè)算的南流江流域磷流失強(qiáng)度相近。研究末期，新樂市種植業(yè)氮、磷流失強(qiáng)度最高，分別為6.50 kg·hm-2和0.56 kg·hm-2，這主要是由于新樂市施肥不合理，氮、磷施用強(qiáng)度增加導(dǎo)致的。蓮池區(qū)種植業(yè)氮、磷流失強(qiáng)度都由最高級(jí)降低到最低級(jí)水平，分別減少了89.8%、89.5%，這與蓮池區(qū)種植面積減少，氮、磷施用強(qiáng)度降低有關(guān)。

由圖13、圖14可知，2015-2020年白洋淀流域種植業(yè)氮流失量貢獻(xiàn)由小麥＞玉米＞蔬菜＞果樹變?yōu)橛衩祝臼卟耍拘←湥竟麡?，磷流失量貢獻(xiàn)由玉米＞果樹＞小麥＞蔬菜變?yōu)橛衩祝拘←湥臼卟耍竟麡洌←?、玉米種植面積大，因此流失量較大。但流域種植業(yè)氮流失強(qiáng)度最大的是蔬菜，磷流失強(qiáng)度最大的是果樹。研究末期，蔬菜氮流失強(qiáng)度較研究初期減少20.7%，果樹磷流失強(qiáng)度減少了27.0%。2020年白洋淀流域種植業(yè)蔬菜氮流失強(qiáng)度為4.54 kg·hm-2，接近鄧華等測(cè)算的三峽庫區(qū)小流域菜地氮流失強(qiáng)度，果樹磷流失強(qiáng)度為0.52 kg·hm-2，低于馬友華等分析的安徽省葡萄園磷流失強(qiáng)度，主要原因是安徽省施肥強(qiáng)度普遍較大，且葡萄園種植面積大。根據(jù)前人研究結(jié)果，針對(duì)蔬菜，可以通過減少施肥，采用秸稈與有機(jī)肥配合施肥方式，施用生物質(zhì)炭與翻耕措施等來降低氮、磷流失量，也可以種植馬齒莧、黑麥草、羽衣甘藍(lán)作為填閑作物。種植果樹時(shí)，采用生草覆蓋技術(shù)，將水肥一體化施肥方式與種植田間植物籬相結(jié)合能夠有效降低氮、磷流失量。

研究末期，新樂市、定州市、深澤市種植業(yè)氮、磷流失強(qiáng)度都較大，除了對(duì)不同作物采取針對(duì)性措施外，還可結(jié)合調(diào)整種植結(jié)構(gòu)來降低氮、磷流失量。例如2020年新樂市種植業(yè)小麥化肥施氮強(qiáng)度達(dá)到356.2 kg·hm-2，玉米施磷強(qiáng)度達(dá)到209.8 kg·hm-2，而果樹施氮、磷強(qiáng)度僅為40.5、34.0 kg·hm-2，因此在降低小麥、玉米施肥強(qiáng)度的同時(shí)可減少小麥、玉米種植面積，增加果樹種植面積；定州市種植業(yè)氮、磷施用強(qiáng)度蔬菜最高，小麥、玉米較低，因此減少蔬菜施肥強(qiáng)度與種植面積，增加小麥、玉米種植面積可有效降低流失量；深澤縣種植業(yè)果樹施氮強(qiáng)度最高，蔬菜最低，則在降低施肥強(qiáng)度的同時(shí)可減少果樹種植面積，增加蔬菜種植面積。

4 結(jié)論

（1） 2015-2020年，白洋淀流域氮、磷施用強(qiáng)度分別減少了30.2%和31.4%，空間上呈現(xiàn)上游低、中下游高的分布特征；研究期內(nèi)，玉米對(duì)種植業(yè)氮、磷施用量的貢獻(xiàn)分別達(dá)到31.0% -41.8%和32.6% -48.0%；流域內(nèi)果樹氮、磷施用強(qiáng)度最大，分別為247.0-299.6kg·hm-2和145.6-199.4 kg·hm-2。

（2）同一研究期內(nèi)，流域種植業(yè)氮、磷盈余強(qiáng)度從研究期初至研究期末分別減少了37.0%和33.1%，且空間分布特征同氮、磷施用強(qiáng)度；流域內(nèi)各作物氮盈余量大小由蔬菜＞玉米＞小麥＞果樹變?yōu)橛衩祝拘←湥臼卟耍竟麡?，磷盈余量大小始終為玉米＞小麥＞蔬菜＞果樹，果樹氮、磷盈余強(qiáng)度最大，分別為395.8-480.1kg·hm-2和148.4-202.3 kg·hm-2。

（3）研究期內(nèi)，種植業(yè)氮、磷流失強(qiáng)度從研究期初至研究期末分別減少了28.4%和33.3%，且空間分布特征與氮、磷施用及盈余保持一致；各作物中玉米對(duì)種植業(yè)氮、磷流失量的貢獻(xiàn)最大，分別達(dá)到33.3%-43 .3%和31.8%-47.1%；蔬菜氮流失強(qiáng)度最大，達(dá)到4.46-5.60 kg·hm-2；果樹磷流失強(qiáng)度最大，達(dá)到0.52-0.72 kg·hm-2。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42107410）；河北省引進(jìn)留學(xué)人員資助項(xiàng)目（C20200330， C20230337）；河北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（BJ2021026）；華北作物改良與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題（NCCIR202122-20）