江蘇省農田氮素平衡的時空變化特征分析*

田 冕，楊秉臻，金 濤，張洪程，陸建飛

(揚州大學農學院,江蘇揚州 225009)

0 引言

肥料是作物的“糧食”，是穩定地力、保障食物安全的重要支撐，但受限于養分管理水平和施肥技術，我國氮肥養分利用率顯著低于國際平均水平，由此造成對環境的不良影響[1]。江蘇省是我國重要的集約化農業高產區，人多地少，土地墾殖指數高，開發強度大。作為東部沿海經濟發達地區所剩無幾的糧食主產省， 2015年，江蘇耕地面積占全國3.39%，糧食產量占全國5.73%，但高產嚴重依賴化肥，全國農產品成本收益資料顯示，江蘇粳稻每畝氮肥的折純用量，將近全國平均水平的2倍。因此，有效控制和減少耕地氮負荷，提高農田基礎地力，成為新時期江蘇向綠色農業轉型發展的工作重點。

農業肥料污染問題是當前學界研究熱點[1-3]，以江蘇省為研究靶區，進行農業肥料污染風險測評的相關成果也頗為豐富，研究大體經歷從宏觀辨向到逐步聚焦和細化的過程，研究重點先后從農業面源污染時序演變規律的驗證[4]，到農業面源污染的多種源解析[5]，再具體到氮磷鉀化肥使用強度的分級考評[6]，最后針對農業氮素過剩排放的剖析[7]。在上述研究基礎上，要深入認識江蘇農田氮素平衡的時空演變特征，還需對氮素收支項進行更細化的分析。事實上，有學者從農業氮剩余對水環境的脅迫出發，基于氮平衡模型，按氮素各項收支清單進行較為全面的分析，但研究大多以流域區為分析單元[8-9]。江蘇省是全國農業現代化建設的先行區，農業發展區域差異明顯，文章借鑒這一氮平衡模型，重新理解江蘇省耕地氮素平衡的時空變化規律，為全省農田養分分區管理和農業減排政策提供參考依據。

1 研究方法與數據來源

1.1 氮盈余測算方法

根據物質守恒原理，建立農田生態系統氮平衡模型[9-11]：氮盈余=氮輸入—氮輸出。輸入項包括：化肥氮素，人畜糞便氮素、大氣沉降氮、秸稈還田氮、生物固氮； 輸出項包括：作物吸收氮、氨揮發氮與反硝化氮、淋洗與徑流損失。

表1 人畜糞便氮排泄系數[14-16]

畜禽種類糞便排泄量(t/年)氮含量(%)總氮量(kg/年)豬1.050.238 2.51 肉禽0.011.032 0.09 蛋禽0.051.032 0.50 羊0.871.014 8.82 牛12.40.351 43.52 人0.620.6434.00

(1)化學氮肥輸入，用氮肥施用折純量來代表。該文根據統計年鑒中的氮肥折純量以及復合肥中的全氮比重進行計算，復合肥中氮的比例按32.5%折算[12]。

(2)人畜糞便氮輸入，利用統計年鑒中各地區鄉村人口和畜禽統計數量，乘以人畜的單位氮排放系數(表1)，計算出氮排放總量。由于人畜糞便并不能全部用于農田，因此取總量的40%進入農田計算[13]。

(3)大氣沉降氮輸入，以耕地面積乘以單位面積氮沉降通量得到。江蘇省氮沉降通量按13.6kg/hm2計[17]。

(4)秸稈還田氮輸入，根據不同作物的產量、草谷比、氮含量和返田率計算得出[9， 18]。該文在計算秸稈氮輸入時主要是考慮了水稻、麥類、油菜和玉米這4種主要作物的秸稈氮還田量。

(5)生物固氮輸入，包括豆科植物以及土壤微生物的生物固氮。豆科作物主要包括豆類和花生，豆類的固氮系數為180kg/(hm2·年)，花生的固氮系數為100kg/(hm2·年)[19]，單位面積土壤生物的固氮量取值為25kg/(hm2·年)[8]。

(6)作物吸收氮輸出量，參照江蘇省不同作物吸氮量的研究和《土壤肥料科學通論》，對各作物100kg產量吸氮量進行整理，得出以下農作物生產100kg經濟產量所需的氮量(表2)。

表2 不同作物每100kg經濟產量需氮量[20]kg

(7)氨揮發與反硝化、淋洗與徑流，農田化肥氨揮發與反硝化系數根據水田和旱地分別確定，水田氨揮發25%，旱地氨揮發9%，水田反硝化32%，旱地反硝化15%，人畜糞便等有機肥氨揮發20%，反硝化13%[10]。土壤淋洗損失2%，徑流損失5%[21]。

1.2 數據來源

江蘇省及各地市的人畜數量、主要作物產量、播種面積、耕地面積均來自《江蘇省農村統計年鑒》和《中國統計年鑒》，相關年份分地市氮肥施用量的統計數據由江蘇省農委市場處提供，分地市耕地面積的統計數據由江蘇省國土資源廳提供。此外，畜禽養殖數量中牛與羊的存欄量因統計方法等的差異， 2006年及以前的數據，以近10年統計數據為基礎，通過趨勢回推，生成2006年新統計口徑數據，再運用平加法，修訂形成與新口徑接軌的數據序列； 各類計算氮輸入與輸出的指標參考相關部門公布的數據及公開發表的期刊論文； GIS空間分析數據來源于國家基礎地理信息系統。

2 結果分析

2.1 江蘇省農田氮素平衡的時序變化特征

在耕地面積不斷減少的趨勢下，江蘇省農田氮盈余量總體上升， 2015年達到29.67萬t，大約為1979年15.1萬t的2倍，這也意味著期間單位耕地面積的氮盈余強度翻了1倍有余。改革開放以來，江蘇省農田氮盈余量經歷了從相對平緩，到持續上升，再到逐步緩降的變化過程(圖1)。如果以氮盈余量作為污染指標，這一變化過程基本符合環境庫茲涅茲曲線的基本規律，曲線的拐點大約在2003年。分階段看， 1979—1986年，氮盈余量變化相對平緩，其間氮輸出量和輸入量基本同步上升； 1986—2003年，氮盈余量波動上升，其間氮輸入量與輸出量走勢大體相似，均在1998年前后到達階段性高位，隨后兩相差額即盈余量仍持續擴大。2003—2015年，氮盈余增勢不再，總體呈穩定下降趨勢，主要是期間氮輸入量緩慢下降，而受農業尤其是糧食“十二連增”的影響，氮輸出量卻持續上升(圖1)。

圖1 1979—2015年江蘇省農田氮素平衡變化

圖2 1979—2015年江蘇各類氮輸入比例

江蘇農田氮盈余量與氮輸入量的走勢更為接近(圖1)，可見，氮素調控的重點是輸入端。從江蘇省農田氮輸入量的構成看，主要來源是農用氮肥，初始期最低， 1979年來自氮肥的氮素占氮總輸入量的63.42%，隨后氮肥比重持續上升，至1997年以后相對穩定， 2009年最高，達到80.59%； 江蘇農田氮素的第二大來源是生物固氮，所占份額1979年最高為16.25%，隨著耕地面積和豆科作物面積的不斷減少，此后呈相對減少態勢。這兩大輸入項在構成上總體有此消彼長的態勢，這意味著改革開放以來，尤其是20世紀80年代和90年代，江蘇種植業經歷了對化學氮肥依賴逐漸加大，而生物固氮等傳統養地增肥方式則不斷式微的過程。此外，人畜糞肥輸入比例在30多年間變化相對不大； 大氣沉降與秸稈還田氮輸入比例的變化趨勢大致相同，兩者均呈下降趨勢(圖2)。

2.2 江蘇省農田氮素平衡空間變化特征

2.2.1 氮素盈余及輸入、輸出的空間變化特征

江蘇省農田氮盈余量以2003年為時間拐點，以總體處于下行過程的2005—2015年為研究時段，觀察農田氮盈余變化的空間差異。期間各地市氮盈余量與全省平均水平的變化基本一致，均表現為下降。氮盈余量的年均下降速率以蘇南地區下降最快(14.52%)，其次是蘇中地區(12.8%)、蘇北地區僅為3.22%，分地市看，泰州下降最快，鎮江、南京、揚州次之，淮安、宿遷最低。

蘇北地區農田氮素大多呈高輸入、高輸出狀態，蘇南地區則有低輸入、低輸出的特征。從各市氮輸入構成看，氮肥為第一大輸入項，高值集中在蘇北地區，以徐州、鹽城最高； 其次是生物固氮與人畜糞便，兩者氮輸入較高地區為南通、鹽城和徐州； 秸稈還田與大氣沉降氮輸入比例偏小，鹽城、徐州、淮安的輸入相對較高，這3市的耕地資源相對豐富，是全省大田作物的主要種植區。從氮輸入量變化上，蘇南5市均呈下降趨勢，以南京、無錫下降最為明顯，中北部地區除南通、泰州、鹽城為下降外，其余5市呈上升趨勢。氮輸入量的變化主要來自氮肥施用量的影響，下降區集中在蘇南，上升區分布在中北部。

近10年來，江蘇農產品生產基地持續向耕地資源相對豐富的中北部地區轉移，蘇北地區成為全省農業氮素消費增長最快地區。氮輸出量在蘇南表現為下降，以南京、無錫降速最快，中北部為上升，以連云港、淮安、宿遷增速最快。從氮輸出量構成看，作物吸收是氮輸出的主要項，高值集中在中北部地區，以鹽城、徐州、南通最高； 氨氮揮發與反硝化、淋洗與徑流屬于損失輸出部分，與氮肥輸入密切相關，損失高值區與氮肥輸入高值區一致(表3)。

表3 2005年和2015年江蘇省各市氮收支與盈余量

萬t

2.2.2 氮盈余強度的空間分布特征

單位耕地面積的氮輸入、輸出水平，即強度水平，更能反映區域農田氮素負荷狀態，也是農業肥料污染風險監測的重要依據。基于江蘇省2005年和2015年農田氮盈余強度的數據，按100kg/hm2等間距將氮盈余強度從低到高劃分為4級[18， 22]： Ⅰ級<0kg/hm2， Ⅱ級0～100kg/hm2， Ⅲ級100～200kg/hm2， Ⅳ級>200kg/hm2，以此來反映江蘇省氮素負荷的區域分化情況。

2005—2015年，江蘇省農田氮盈余強度從135.78kg/hm2降低至64.85kg/hm2，各地市農田氮負荷也大多有好轉態勢， 2005年，全省各地市以Ⅲ級盈余地區為主， 2015年則大多為Ⅱ級盈余(圖3)。2015年，以蘇南太湖流域地區、長江沿江地區和沿海地區，農田氮污染風險相對較低，甚至泰州、鎮江、揚州與南京農田總體呈氮虧缺狀態。而風險較高地區相對集中徐淮農業區，徐州、淮安、宿遷處于Ⅲ級氮盈余地區。

江蘇省農田氮盈余強度從2005—2015年的層次變化上，大體分3種類型區，(1)顯著下降：南京，從Ⅲ級盈余降為Ⅰ級氮素虧缺； (2)一般下降，又分：低位下降區：揚州、泰州、鎮江，從Ⅱ級盈余降為Ⅰ級氮素虧缺； 中位下降區：蘇錫常及連云港、鹽城，盈余從Ⅲ級降為Ⅱ級； 高位下降區，徐州，從Ⅳ級盈余轉為Ⅲ級盈余； (3)基本穩定，又分低位穩定區，南通； 中位穩定區，淮安、宿遷。雖然這些基本穩定區保持原有等級不變，但其氮盈余強度均有下降。總體上，江蘇中南部地區農田氮盈余強度下降較為明顯，以泰州年均下降最快，蘇北地區的淮安、宿遷氮盈余強度居高不下，年均下降最慢(圖3)。

圖3 江蘇省農田氮素盈余強度分布的變化

3 結論與討論

相對于以往研究運用平衡法估測農田氮過剩排放，該文納入更多的收支項，如氮輸入項中補充秸稈還田氮、大氣沉降氮，氮輸出中包括氨氮揮發與反硝化項、淋洗與徑流，許多輸入和輸出參數是借鑒前人研究的結果，且假定這些參數相對固定，因此所得的農田氮平衡量與真實值會存在一定差異，但結果基本能呈現江蘇耕地氮素盈余狀態的一般演變趨勢。當然，降低氮盈余強度、控制氮素污染潛在風險的途徑，并不能簡單理解為盡量減少氮的各輸入項、提高各輸出項； 農田養分管理的關鍵是提高農田氮素的作物利用效率，對于特定地區，在認識農田氮盈余演變態勢的基礎上，更要關注氮素輸入構成和氮素利用效率，如通過擴大生物固氮和秸稈還田等肥源、削減過量投入的化學氮肥量，以及確定氮肥的適宜施用量、平衡施肥等，來改善土壤結構、增加有機質含量，并盡可能減少氮素從農田向環境的排放。

江蘇省農田氮盈余量的歷時過程顯示，隨著農業現代化進程加快，耕地面積逐漸下降， 20世紀80年代中期開始，為追求有限耕地上的農業持續增產，江蘇省種植業開始日益依賴化肥，直到1998年前后，江蘇糧食產量達到20世紀的最高水平，農業結構隨后進入戰略性調整時期， 1998—2003年江蘇糧食明顯縮面縮產，農田作物氮吸收量也逐年放緩，期間氮輸入亦從歷史高位開始下行，但盈余量仍在上升。耕地氮盈余量的時間拐點大約在2003年前后，此后，江蘇農作物產量并沒有隨化肥施用的降低而減少，表明農業氮素使用效率在提高，氮素過量投入問題趨于緩和。

江蘇農田氮素平衡的南北分化明顯，近10年來，江蘇中南部地區氮盈余強度有明顯下降，徐淮地區則下降較慢，在氮盈余強度水平上，近期以蘇北地區相對較高，蘇南及沿江地區則較弱。總體上，蘇南的太湖流域地區，江蘇沿長江地區，以及沿海地區，農田氮過剩污染風險相對較低，甚至泰州、鎮江、揚州與南京，近期處于相對虧缺狀態，未來可以適當增施有機肥和擴大綠肥、豆科作物種植面積，恢復地力，補償農作物生長所需的養分。地處淮海經濟區的徐州市，耕地氮素處于相對穩定的高負荷狀態，農田氮素污染潛在風險最大，淮安、宿遷、則為相對穩定的中度負荷狀態。隨著江蘇省糧食在內的農業增產重心北移，這一區域成為江蘇農產品的重要生產基地，但也是全省農田養分管理和科學施肥的重點管治區域、農業面源污染風險的重點防控區域。

徐州、宿遷和淮安地處黃淮平原地區，由歷史上的黃河、淮河及其支流沖積、洪積而成，該區光熱土等農業資源豐富，但土壤有機質含量低，農業高產只能由化學肥料維持。因此，農業調整上，對耕地要用養結合，視地力和施肥水平確定熟制； 要因地制宜、因土適種，選擇地力瘠薄地區作為飼料基地，實行糧草輪作，發展綠肥牧草，過腹還田； 盡可能控制化肥投放，以無機換有機，增加改土增肥的有機物料，如擴大秸稈還田數量。