村域農田氮素排放特征研究
——以新安村為例

陳 帥，辛思穎，佟丙辛，呂敏娟，吉慶凱，馬文奇，魏 靜

（河北農業大學資源與環境科學學院，河北 保定 071000）

氮肥在保障糧食生產上起了很大作用，但當投入量過高時氮肥的利用率會明顯降低，未被作物吸收的氮養分或累積在土壤中，或通過徑流、氨揮發等途徑損失到環境中，造成了土壤酸化[1]、溫室效應[2]、水體污染等[3]環境問題，因此氮素排放及其減排策略一直是國內外關注熱點，而明確區域氮素排放特征是優化區域減排措施的前提，前人對此做了大量研究[4-8]。如胡春勝等[5]使用長期定位試驗進行了多項關于農田氮素排放過程的研究。王激清等[8]借助農田生態系統氮素平衡模型估算了中國不同地區氮素輸入輸出及盈余，并分析了氮素產生的環境效應，認為2004年農田生態系統通過氨揮發、反硝化、淋溶徑流和侵蝕等途徑損失的氮為1 132.80萬t，氮盈余為1 301.20萬t。Zhao等[9]開發了NUFER-Farm模型（NUtrient flow in Food chain，Environment and Resources use-Farm），更進一步細化了氮從生產到人類消費，以及最終去向的核算，為中國農戶氮素流動分析提供了方法。但這些研究多注重大尺度如全球、國家、區域和微觀尺度如農田及其土壤過程的研究，對氮素減排的實施者農戶及小區域農戶構成的基本集體——村域重視不夠，使得很多減排措施難以落地，制約了氮素減排的進程。在中國，村域是農村社會經濟活動的基本單元，農戶是農業生產經營活動的主體單位，也是氮素減排的重要實施者，因此闡明村域農田氮素排放特征及其影響因素，對于減排措施的落地具有重要指導意義[10-11]。河北省石家莊市正定縣新安村位于華北平原中部，是典型冬小麥-夏玉米輪作區，其管理方式符合中國目前的小農戶模式，代表了我國華北地區大部分村域的特點。為此，本文以正定新安村為研究對象，從農戶作物生產管理現狀出發，基于NUFER-Farm模型對整個村域的氮素排放進行核算，分析其排放特征及影響因素，以期為村域氮素管理措施的制定提供科學依據和決策支持。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

新安村地處石家莊市正定縣北部，該村現有1 370戶，人口5 100余人，耕地面積300 hm2左右，土壤以褐土為主，質地主要是砂土與砂壤土。土壤全氮0.8～1.29 g·kg-1，有機質 6.9～40.8 g·kg-1，有效磷 4.8～68.8 mg·kg-1，速效鉀 38.8～174.0 mg·kg-1。當地主要種植制度為一年兩作，秋冬春季主要為冬小麥，夏季主要為夏玉米或大豆。冬小麥、夏玉米、大豆的種植面積分別為255、170、85 hm2，分別占85.0%、56.7%、28.3%；根據調研結果統計，3種作物的氮肥投入水平分別在48～370、80～268、0～59 kg·hm-2之間，灌溉次數分別為4～10、1～2、1～2次。

1.2 研究方法

農田氮素排放的核算是以Microsoft Access 2010為數據管理平臺，以R studio 0.98.978為開發平臺的NUFER-Farm模型系統[9]。該模型在物質守恒條件下用于計算不同作物種類、農田、作物子系統的多類農戶的養分流動、利用率及環境損失情況。本研究只用到作物生產子系統，由農戶數據和系統參數表組成。農戶數據包括：農戶基本信息、作物生產信息、作物去向表。系統參數表包括：氮沉降、作物相關的參數、農田氨揮發、氧化亞氮排放、氮淋洗系數表等。其中作物相關參數（作物產量、植株各器官吸氮量）由跟蹤農田取樣實測獲得，氨揮發排放由田間試驗實測獲得；其他參數來自NUFER-Farm模型。采用“Bottom-up”方法，計算農田中每種作物的氮素排放量和農田每年的氮素排放量，農田固氮和大氣沉降根據地塊面積與單位固氮或沉降速率的乘積得到；化肥、種子、灌溉等帶入和輸出帶走的氮采用各項的數量與相應的氮含量乘積獲得。各種形式的氮素排放量均采用排放系數法進行估算，不同途徑的氮損失系數依據土壤類型、作物種類、肥料種類及施肥方式而定。

氮素總排放應包括氨揮發、氮的淋溶和徑流、脫氮等。華北平原徑流損失很小，不包括在內。從環境角度考慮，本文氮素總排放定義為氨揮發、硝態氮淋洗和氧化亞氮的總和。

GIS軟件繪制空間分布圖：首先，將最新版新安村的遙感影像圖從Google Earth大地圖軟件下載，加載到ArcGIS10.2.2軟件上，根據GPS定位信息對遙感圖進行校準，根據底圖中居民點、道路、河流、農田等空間分布建立點、線、面圖層，用點、線、面對地物進行勾畫，并根據田間調研信息、田間跟蹤記錄、模型計算的環境損失等建立空間分布圖。

為了考察村域氮素排放的空間特征，研究中按照方向不同，以村內主要道路為中心線劃分為東北、東南、西北、西南4個方位。

1.3 數據來源

數據來源包括田間調研、跟蹤和實測3部分，覆蓋全村范圍，對2016年10月—2018年10月兩個輪作周期，分5次對村子不同方位的農戶開展隨機抽樣調研，有效樣本量為254份。田間跟蹤信息以中國農業大學現代農業“科技小院”網絡——河北正定科技小院為依托，進行農戶田間記錄跟蹤，在村中隨機選取40戶地塊，對農戶種植的冬小麥、夏玉米及大豆的生長管理信息進行記錄并測定。調研、跟蹤信息包括：戶主基本信息、地塊位置及面積、作物種類、播種面積、播期、播量、播種方式、各時期苗情信息；肥料投入量、養分比例、施肥日期；灌溉日期、次數、用水量、產量等。

在試驗前進行耕層土壤樣品采集工作，在每個采樣點位置10 m半徑內，采用“S”法采集5鉆土壤樣品，最后將充分混合的土樣用四分法保留1 kg。共采集土壤樣品121個，用GPS記錄每個采樣點的經緯度，用激光粒度分析儀S3500（美國）測定土壤質地。

2 結果與分析

2.1 新安村不同輪作周期農田氮素排放強度

2016年10月—2018年10月，新安村兩個輪作周期單位面積農田氮素排放量如圖1所示，兩個輪作周期單位面積農田氮素總排放量分別為58.9 kg N·hm-2和61.2 kg N·hm-2，差異不顯著，但具體到硝態氮淋洗和氨揮發則有明顯差異，第二個輪作周期單位面積農田的硝態氮淋洗量顯著高于第一個輪作周期，從14.3 kg N·hm-2增加到22.9 kg N·hm-2，增幅為60.1%，氨揮發量從41.9 kg N·hm-2減少到36.1 kg N·hm-2，降幅為13.8%，差異顯著。氧化亞氮兩個輪作周期差異不顯著。不同季節單位面積農田氮素排放情況如圖2所示，兩個輪作周期單位面積農田氮素總排放量均表現為秋冬春季＞夏季，秋冬春季為50.3 kg N·hm-2，夏季為33.3 kg N·hm-2。氨揮發量、硝態氮淋洗量、氧化亞氮排放量也表現出相同趨勢。其中秋冬春季硝態氮淋洗量、氨揮發量與夏季差異顯著。

2.2 新安村不同方位農田氮素排放強度

圖1 新安村不同輪作周期農田氮素排放Figure 1 Nitrogen emission of farmland in different rotation cycles of Xinan Village

圖2 新安村不同種植季節農田氮素排放Figure 2 Nitrogen emission of farmland in different planting seasons of Xinan Village

圖3 新安村氮素總排放的空間分布和不同方位氮素排放量Figure 3 Spatial distribution and average in different areas of total nitrogen emissions from Xinan Village

從新安村氮素總排放強度空間分布（圖3a）看，各臨近地塊間差異很大，沒有明顯的規律；而村域西南方位農田氮素總排放量整體低于其他方位（圖3b）。新安村西南方位單位面積農田總氮素排放平均值為52.3 kg N·hm-2，顯著低于西北方位的 66.8 kg N·hm-2、東北方位的 60.2 kg N·hm-2和東南方位的 59.6 kg N·hm-2（P＜0.05）；其他方位相互差異不顯著。

2.3 新安村農田氮素排放特征與作物種類的關系

村域氮素排放特征與作物種類和面積緊密相關，不同作物需肥特性不同，農田氮素排放特征也不同。由圖4可知，冬小麥、夏玉米和大豆單位面積農田氮素排放平均值分別為40.5、28.5 kg N·hm-2和5.3 kg N·hm-2，3種作物間氮素總排放量差異顯著，大豆的氮素總排放量最小。新安村作物種類以冬小麥占比最大，大豆占比最小。因此增加大豆種植面積能夠明顯降低村域整體氮素排放量。

圖4 不同作物種類農田氮素排放Figure 4 Nitrogen emission from farmland of different crop species in Xinan Village

2.4 新安村農田氮素排放特征與施氮量的關系

大量研究表明，施氮量是影響氮素排放的重要因素，本文在村域尺度的研究也證明了這一點。由圖5a可知，隨著氮肥用量的不斷增加，農田氮素總排放量也在不斷增加。由此可見，農戶氮肥用量的差異是造成單位面積農田氮素總排放量差異的重要因素。不同作物種類農田氮肥投入量明顯不同（圖5b），冬小麥單位面積農田氮肥用量區間為138.1～272.5 kg·hm-2，平均值為214.7 kg·hm-2，顯著高于夏玉米（區間為121.1～207.0 kg·hm-2，平均值為160.0 kg·hm-2）、大豆（區間為0～41.2 kg·hm-2，平均值為 9.84 kg·hm-2），因此，增加大豆種植面積可以有效減少村域整體氮素投入，從而降低村域氮素排放量。

2.5 新安村農田氮素排放特征與灌溉次數的關系

圖6為不同輪作體系下灌溉次數與農田氮素總排放量的關系，由圖可知，兩個輪作體系均隨農田灌溉次數的增加而呈現增加的趨勢。在冬小麥-夏玉米輪作體系與農田氮素總排放關系中（圖6a），灌溉次數≥8次的農田氮素總排放量顯著高于灌溉6次和≤5次的。在冬小麥-大豆輪作體系與氮素總排放關系中（圖6b），農田灌溉次數≥8次的農田氮素總排放量與灌溉次數≤5、6次和7次的相比差異均顯著。

2.6 新安村農田氮素排放特征與土壤質地的關系

如圖7a所示，新安村不同土壤質地條件下單位面積農田氮素排放存在顯著差異，砂土質地單位面積農田氮素排放平均值為78.2 kg N·hm-2，顯著高于砂壤土的60.4 kg N·hm-2和壤土的51.0 kg N·hm-2，3種質地間相比均差異顯著。砂土、砂壤土和壤土單位面積農田氮素總排放量區間分別為63.1～92.3、33.9～84.8 kg N·hm-2和25.9～76.3 kg N·hm-2。

圖5 新安村氮肥用量與氮素排放的關系及不同作物種類氮肥施用量Figure 5 Relationship between nitrogen application amount and nitrogen emission，and nitrogen application of different crop species in Xinan Village

圖6 新安村冬小麥-夏玉米和冬小麥-大豆農田灌溉次數與氮素排放的關系Figure 6 Relationship between nitrogen emission and irrigation frequency of winter wheat-summer maize and winter wheat-soybean in Xinan Village

圖7 新安村不同土壤質地農田氮素排放量Figure 7 Nitrogen emission of farmland with different soil textures in Xinan Village

3 討論

3.1 村域農田氮素排放特征

中國食物鏈系統養分流動模型——NUFER是在前人運用的基礎上進行的，近年來已在不同區域尺度的氮素流動系統得到了驗證與應用，具有很高的可信度[12]。本研究結果表明，在村域尺度下，農田氮素的排放強度在作物種植周期上略有不同。新安村2016—2018年兩個輪作周期內，第二個輪作周期相比于第一個輪作周期單位面積農田硝態氮淋洗量增長了60.1%；氨揮發量減少了13.8%，這主要是受到了氣象條件的影響[13]。張英鵬等[14]在山東德州的研究結果為農戶習慣管理中夏玉米季淋洗量要高于冬小麥季，而本研究結果中，農田氮素排放均為秋冬春季＞夏季（即冬小麥季＞夏玉米季），這與村域農戶的管理方式有關：小麥生長周期長于夏玉米/大豆；小麥返青后，為保證作物產量，農戶選擇大量追肥且以每10～15 d為周期，采用大水漫灌的方式進行灌溉，夏玉米種植過程中農戶多選擇在播種時施入底肥并灌溉，后期不再追肥灌溉，從而造成新安村農田單位面積硝態氮淋洗強度及氨揮發強度在秋冬春季＞夏季。本研究年平均硝態氮淋洗量為7.0～29.6 kg N·hm-2，與楊憲龍等[15]研究的4 a平均淋失量2.7～18.9 kg N·hm-2不同，原因可能是硝態氮在土壤剖面中的累積和移動在年際間變異較大[16]。氧化亞氮的年排放量為1.2～3.7 kg N·hm-2，與張玉銘等[17]在河北欒城褐土上測定的氧化亞氮年排放量1.4～3.3 kg N·hm-2相近。本文對村域農田氮素排放空間分布的分析結果不同于區域大尺度的研究結果[7-8]，各鄰近農田之間氮素排放量差異較大，規律不明顯，但在村域不同空間方位分布上有一定的差異，原因是小農戶自身生產的特點，造成農田氮素排放的差異[18]。因此，在村域尺度下對氮素減排措施的優化應以農戶和田塊的管理為重點。

3.2 村域農田氮素排放的影響因素

氮素排放與作物種類、施肥量、灌溉、土壤質地等多因素密切相關。本文研究表明，村域尺度上，作物種類和輪作制度對氮素排放影響顯著，小麥排放最多，玉米次之，而大豆排放最小，這與一些研究結果是一致的[19-20]。有研究表明[20]，水稻種植過程中，氨揮發占主導地位，其次是徑流，滲漏損失最小，但豆科類植物加入輪作可有效降低氮素排放。眾多研究表明，隨著氮肥施用量增加，氮素總排放量增加，本文在村域尺度下也證明了這一點。從研究結果看，新安村單位面積農田施氮水平顯著高于華北平原區域最佳施氮量[21]，農戶對氮肥的過量施用依然是影響村域尺度氮素排放的核心因素。灌溉也是影響氮素總排放的重要因素，李楨等[22]研究表明，在粉砂土壤上，當施氮水平不變時，過量灌溉會加劇單位面積農田氨揮發量。在本研究中，隨著灌溉次數的增加，兩種輪作體系的農田總氮素排放量都為增長趨勢。金欣欣等[23]在華北平原的研究也表明，小麥季灌溉超過3水后，氮肥損失率會顯著增加，因此，小麥生長季灌2水或3水是華北地區較好的選擇。土壤含水量和土壤質地通常也是影響農田氮素排放的主要因子[24]。本文結果表明，隨著土壤質地加重，氮素排放會減少，主要是土壤質地和結構決定土壤的透水性，粗質地土壤中的水分和硝態氮遷移深度會明顯大于細質地土壤，更易造成硝態氮淋洗。有研究表明[25-27]，不同質地土壤硝態氮含量為壤土＞砂質壤土＞壤質砂土，也說明隨質地加重，土壤硝態氮更容易在土體累積而損失減少。

近年來，我國農田氮素排放量一直在呈現顯著增加的趨勢，由于受糧食經濟利益的驅動，農田氮素排放量在未來還會增加，在保障產量的前提下優化氮肥用量是減少農田氮素排放最直接和有效的措施[28]。根據我國發展的現狀，村域小農戶是此項措施的直接行為人，因此，加強小農戶對農田科學管理的意識是十分必要的。例如Huang等[29]在我國山東通過對農民進行技術培訓，有效引導農民進行合理施肥，可以達到玉米農田氮肥施用減量的效果。采用氮肥后移措施可有效提高作物氮素吸收利用效率，減少氮素損失[30]。另外，新安村的灌溉方式為傳統的大水漫灌，這是造成土壤硝態氮淋洗的重要原因，因此合理灌溉可減少硝態氮淋洗。調控土壤濕度也是降低土壤N2O排放的關鍵所在[24]。新安村土壤質地存在差異，根據不同質地分布因地制宜種植作物，也是改善農田氮素排放的重要措施。

4 結論

（1）兩個輪作周期單位面積農田氮素總排放量和氧化亞氮排放量差異不顯著，但硝態氮淋洗量和氨揮發量差異顯著，在季節上，單位面積農田氮素總排放量秋冬春季顯著高于夏季。各鄰近田塊間氮素排放差異較大，空間規律不明顯，但村域整體方位分布存在一定規律，西南方位氮素排放最低。

（2）作物種類、施氮量、灌溉次數與土壤質地對農田氮素排放均有不同程度的影響。作物氮素排放量表現為：冬小麥＞夏玉米＞大豆；兩個輪作體系氮素總排放量均隨施氮量、灌溉次數的增加而增加；隨著土壤黏粒的減少，單位面積農田氮素總排放量增多。

（3）村域農田氮素排放特征更多受到農戶管理因素的影響，減排重點應放在農戶和田間管理上。建議采取以下措施：一是優化氮肥施用，如降低施氮量、施肥時期后移等。二是合理灌溉，采取噴灌或滴灌等。三是調整作物布局，如新安村可增加大豆種植面積。