白洋淀流域種植結構及氮盈余的時空變化特征

楊紫薇，尹高飛，趙海璇，朱 聰，馬文奇，王佳寶，習 斌，李文超，劉宏斌

白洋淀流域種植結構及氮盈余的時空變化特征

楊紫薇1，尹高飛1，趙海璇1，朱 聰2，馬文奇1，王佳寶1，習 斌3，李文超1※，劉宏斌4

(1. 河北農業大學資源與環境科學學院，省部共建華北作物改良與調控國家重點實驗室，河北省農田生態環境重點實驗室，保定 071000；2. 中國農業科學院農業信息研究所，北京 100081；3. 農業農村部農業生態與資源保護總站，北京 100125； 4. 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，農業農村部面源污染控制重點實驗室，北京 100081）

針對種植業氮素過量投入造成的流域農業面源污染問題，該研究以白洋淀流域核心區域糧食作物和經濟作物為研究對象，以糧經比為種植結構評價指標，從氮素平衡角度考慮，探究白洋淀流域種植結構變化對區域水環境的影響。研究結果顯示：1）白洋淀流域種植結構時空變化明顯，時間上，研究期內白洋淀流域糧經比總體呈小幅度上升趨勢（4.47～5.72）；空間上，距白洋淀淀區距離越大，區域內糧經比越小，臨白洋淀區糧經比（15.11～19.23）明顯高于白洋淀上游糧經比（2.44～2.64）；2）白洋淀流域種植業氮盈余量時空分異特征明顯，時間上，研究期內白洋淀流域種植業氮盈余量總體呈下降趨勢（（26.29～18.49）×104t）；空間上，各區域種植業氮盈余量表現為：白洋淀中游（（10.39 ～14.48）×104t）、白洋淀下游（（4.35～7.09）×104t）、臨白洋淀（（2.24～2.64）×104t）、白洋淀上游（（1.51～2.58）×104t）；3）白洋淀流域種植業氮盈余強度與糧經比呈顯著負相關關系（<0.05），其中，研究期內某一區域糧經比基礎值越小，其上升幅度越大，種植業氮盈余強度下降幅度越大；4）通過調控糧經比可明顯改變區域內種植業氮盈余強度，如將白洋淀中游糧經比調整到12.13～17.79，其區域內種植業氮盈余強度可由Ⅳ級水平（>220～260 kg/hm2）降低到Ⅱ級水平（≥140～180 kg/hm2）。因此，基于區域種植結構與氮盈余強度的關系，可通過調整種植結構來調控氮盈余強度，從而控制氮盈余量以降低種植業氮素投入的環境風險。研究結果可為白洋淀流域和其他流域種植業氮素污染控制提供科學依據。

作物；氮；種植結構；氮盈余；時空特征；白洋淀流域

0 引 言

種植業氮素過量投入，造成農田氮素大量盈余，并引發向地表水體流失，是流域農業面源污染形成的原因之一[1]。隨著社會經濟的發展以及人口的增長，對糧食和其他農產品的需求量不斷增加，同時，受農業結構調整與農產品市場開放的影響，中國種植結構不斷發生變化[2-3]，經歷了從“以糧為綱”向“糧經協調發展”的轉變，同時也帶來了嚴重的環境代價[4]。氮素是農作物生長必需的營養元素，氮素投入是提高作物產量的重要途徑，由于不同作物的氮素利用效率和管理水平不同[5-6]，種植結構會顯著影響區域氮素投入及其環境效應[7-9]。因此通過分析流域種植結構及氮素盈余的時空變化特征，研究種植結構變化對環境的影響，可為流域氮素管理及調控提供理論支撐[10]。當前已有部分學者圍繞種植結構的環境效應進行了一些研究。劉靜等[11]通過研究中國種植業結構調整對化肥施用量的影響發現，蔬菜、瓜果等經濟作物的種植面積增加是化肥施用強度高、化肥施用量增長的重要原因。邱樂豐等[12]研究發現，隨著浙江省慈溪市種植結構趨于非糧化，菜地取代稻田成為該地區農田氮流失的首要來源（70.90%）。鄭田甜等[13]對星云湖流域的研究顯示，種植結構改變是該流域種植業面源污染加重的關鍵因素。甄蘭等[14]研究發現，隨著傳統糧食作物播種面積減少，果樹及蔬菜的大面積增加，區域氮盈余強度明顯增加。JU等[15]研究發現，山東地區傳統小麥玉米種植方式大面積改為大棚蔬菜和果樹后，區域種植業氮盈余強度大幅增加，其中大棚蔬菜氮盈余強度（3 327.2 kg/hm2）和果樹氮盈余強度（746.4 kg/hm2），分別是傳統小麥玉米輪作體系的9.5和2.1倍。ZEBARTH等[16]發現，加拿大Fraser Valley地區傳統作物面積的減少以及花卉面積的增加，導致該區域平均氮盈余強度增加4.0 kg/hm2。由此可見，種植結構是種植業及農業面源污染形成的重要原因之一。然而，當前有關種植結構變化與其環境效應響應關系的研究比較缺乏。白洋淀流域所處華北平原，是中國主要的糧食產區，氮素投入量大，氮盈余強度高，農業污染問題嚴重。雄安新區成立以來，白洋淀流域點源污染逐步得到控制，農業面源污染逐漸成為流域的突出問題，但當前還缺乏系統的農業面源污染治理策略[17]。因此，通過研究白洋淀流域種植結構和氮盈余（表征環境效應）的時空變化特征，探明流域種植結構與其環境效應響應關系具有重要的現實意義，以期為白洋淀流域農業面源污染治理提供科學依據，為其他流域開展相似研究和面源污染治理提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

白洋淀流域是華北平原典型流域，流域內河湖、水庫、灌渠眾多，農業生產條件優越，農業經濟較發達，是中國的糧食主產區。白洋淀流域面積3.12×104km2，包括保定市全部和張家口、石家莊、北京、山西省部分區域。本研究以白洋淀流域核心區保定市和定州市為研究區，研究區共包含5個市轄區、15個縣、4個縣級市，區域內主要種植的作物為小麥、玉米、果樹和蔬菜[18]。

1.2 數據來源

本研究選取2013、2015、2017、2019年研究區內小麥、玉米、果樹和蔬菜的相關數據。其中2013、2015和2017年小麥、玉米、果樹和蔬菜的面積以及產量來源于《河北省第三次全國農業普查數據核定和相關歷史修訂匯編》，化肥數據來源于《保定經濟年鑒》；2019年小麥、玉米、果樹和蔬菜的面積以及產量數據來自《保定經濟年鑒》、《河北統計年鑒》和《河北農村統計年鑒》。其他所需數據均主要來源于文獻和調研。

1.3 研究方法

1.3.1 研究區域劃分

按照距白洋淀淀區的距離，以縣/區為基本空間單位，把研究區劃分為臨白洋淀、白洋淀下游、白洋淀中游和白洋淀上游，其中臨白洋淀為距離白洋淀淀區40 km的范圍，白洋淀下游為距離白洋淀淀區>40～80 km的范圍，白洋淀中游為距離白洋淀淀區>80～120 km的范圍，白洋淀上游為距離白洋淀淀區>120 km的范圍（圖1）。

圖1 研究區域劃分圖

1.3.2 種植結構變化特征分析

參考文獻[19]的研究方法，采用糧經比（糧食作物種植面積與經濟作物種植面積比值）作為反映種植結構的表征因子。計算研究區內糧食作物（小麥、玉米）種植面積與經濟作物（果樹、蔬菜）種植面積比值，根據白洋淀流域及空間分區糧經比的時間變化判斷2013—2019年種植結構的時空變化特征。

1.3.3 氮素盈余計算方法

采用氮投入環境效應的常用指標氮盈余作為環境效應表征因子，其計算方法參考王激清等[20-21]所采用的氮素平衡法。

surpius=input-output（1）

input=fert+man+seed+fix+depo+irri+straw（2）

output=sed+str（3）

式中surpius為農田氮素盈余量，kg；input為農田氮素輸入總量，kg；output為農田氮素輸出總量，kg；fert為化肥氮量，kg；man為有機肥氮量，kg；seed為種子攜入氮量，kg；fix為非共生固氮量，kg；depo為大氣沉降帶入氮量，kg；irri為灌溉水氮量，kg；straw為秸稈還田氮量，kg；sed為籽粒（果實）中的含氮量，kg；str為作物秸稈帶走的氮量，kg；各輸入項計算式如下：

fert=+·R（4）

man=M·R（5）

seed=Σ(t·e·)（6）

fix=t·u（7）

depo= t·d（8）

irri= t·n（9）

straw=y·r·w·z（10）

sed=Σ(y·q)（11）

str= y·r·w（12）

式中F為化肥氮折純后的施用量，kg；F為復合肥折純后的施用量，kg；R為復合肥中氮的質量分數，%；M為有機肥施用量，kg；R為有機肥中氮的質量分數，%；t為作物總的種植面積，hm2；e為作物種子的播種量，kg/hm2；q為作物籽粒（果實）氮的質量分數，%；u為作物的非共生固氮量，kg/hm2；d為大氣氮干濕沉降量，kg/hm2；n為有效灌溉面積灌溉水攜帶氮量，kg/hm2；y為作物的經濟產量，kg；r為作物的草谷比；w為作物秸稈還田比例，%；z為作物秸稈中的氮的質量分數，小麥為0.65%，玉米為0.92%。

2 結果與分析

2.1 白洋淀流域種植結構時空變化特征

從時間上看，研究期內白洋淀流域糧食作物與經濟作物總種植面積呈小幅度下降的趨勢，由2013年的106.51×104hm2下降到2019年的102×104hm2；糧經比總體呈上升趨勢，由2013年的4.47上升到2019年的5.72，同比升高27.96%，其中2015—2017年上升趨勢較明顯，升高幅度達25.98%（圖2）。不同空間分區內種植結構變化各異。臨白洋淀區域總種植面積變化不明顯，總體在（14.40～15.73）×104hm2之間；但糧經比變化幅度較大，由研究初期2013年（15.11）到研究期末2019年（19.23），總體上升了27.27%，其中2013—2015年小幅降低（5.82%），2015—2019年大幅度上升（35.14%）（圖 2a）。白洋淀下游區域種植面積呈小幅下降趨勢，研究初期至研究期末下降了2.66 hm2；糧經比由研究初期的7.42上升到雄安新區成立當年（2017年）的8.45，此后小幅下降到研究期末的8.41（圖2b）。白洋淀中游種植面積由研究初期（43.72×104hm2）至研究期末（41.45 ×104hm2）小幅持續下降，但糧經比總體呈明顯上升趨勢，由研究初期（2.93）至雄安新區成立當年（4.29）上升了46.42%，之后至研究期末（4.21）出現小幅下降，整個研究期糧經比總體上升43.69%（圖2c）。白洋淀上游種植面積與糧經比均未出現明顯變化，種植面積由研究初期至期末僅下降2.21%，糧經比則小幅上升了8.20%（圖2d）。

注：臨白洋淀為距離白洋淀淀區40 km的范圍；白洋淀下游為距離白洋淀淀區>40～80 km的范圍；白洋淀中游為距離白洋淀淀區>80～120 km的范圍；白洋淀上游為距離白洋淀淀區>120 km的范圍。下同。

從空間上看，4個空間分區種植面積從大到小依次為白洋淀中游（（41.45～43.72）×104hm2）、白洋淀下游（（35.79～38.45）×104hm2）、臨白洋淀區（（14.4～15.73）×104hm2）、白洋淀上游（（9.72～9.94）×104hm2）。糧經比空間分布從大到小為臨白洋淀區（15.11～19.23）、白洋淀下游（7.42～8.45）、白洋淀中游（2.93～4.21）、白洋淀上游（2.44～2.64）。2013—2019年，各空間分區糧經比上升幅度從大到小為白洋淀中游（43.69%）、臨白洋淀區（27.27%）、白洋淀下游（13.34%）、白洋淀上游（8.20%）。

2.2 白洋淀流域種植業氮素盈余時空特征

2.2.1 化肥氮施用量時空特征分析

從時間上來看，研究期內各空間分區不同作物單位面積化肥施氮量均呈下降趨勢（表1）。其中，臨白洋淀區小麥化肥氮施用強度最大（281.99～311.22 kg/hm2），玉米化肥氮施用強度最小（134.89～145.48 kg/hm2），蔬菜化肥氮施用強度（173.39～250.39 kg/hm2）和果樹化肥氮施用強度（185.46～246.15 kg/hm2）相對較小。小麥化肥施氮強度大，果樹蔬菜化肥施氮強度小，主要是因為該區農田基礎設施依然薄弱，農業生產經營方式主要依靠資源消耗的粗放經營，果蔬缺口大，果樹蔬菜種植面積極少，農業管理不善，且蔬菜中包含不需施肥的水生蔬菜[22]。白洋淀下游各作物化肥氮施用強度為果樹（421.72～533.97 kg/hm2）、蔬菜（271.02～380.46 kg/hm2）、小麥（201.09～258.46 kg/hm2）、玉米（121.53～158.09 kg/hm2）。白洋淀中游各作物化肥氮施用強度從大到小為蔬菜（647.83～818.90 kg/hm2）、果樹（345.80～396.99 kg/hm2）、小麥（192.41～202.26 kg/hm2）、玉米（152.62～159.26 kg/hm2）。白洋淀上游果樹、蔬菜化肥氮施用強度在研究期內下降明顯，果樹由2013年的329.85 kg/hm2下降到2019年的136.19 kg/hm2，蔬菜由2013年的282.61 kg/hm2下降到2019年的191.22 kg/hm2，小麥的化肥氮施用強度在研究期為225.88～259.33 kg/hm2，玉米的化肥氮施用強度在研究期為131.06～154.07 kg/hm2。從空間上來看，白洋淀中游蔬菜的化肥氮施用強度明顯高于其他區域，白洋淀下游果樹的化肥氮施用強度相對較大，臨白洋淀區小麥的化肥氮施用強度相對較高，白洋淀上游四種作物的化肥氮施用強度均處于較低水平。

2.2.2 氮盈余強度時空特征分析

從整體來看，研究期內各空間分區氮盈余強度均呈下降趨勢（表2），臨白洋淀區氮盈余強度從2013年的163.87 kg/hm2下降至2019年的149.21 kg/hm2；白洋淀下游氮盈余強度從2013年的184.48 kg/hm2下降至2019年的121.22 kg/hm2；白洋淀中游氮盈余強度從2013年的329.58 kg/hm2下降至2019年的250.51 kg/hm2；白洋淀上游氮盈余強度從2013年的256.89 kg/hm2下降至2019年的157.60 kg/hm2。

表1 研究區各空間分區化肥施用情況

表2 研究區各空間分區氮盈余強度

為更好的反映各空間分區種植業氮投入環境風險，基于研究期內各空間分區種植業氮盈余強度結果，使用自然間斷點分級法將氮盈余強度從低到高劃分為6級[18]：Ⅰ級（<140 kg/hm2），Ⅱ級（≥140～180 kg/hm2），Ⅲ級（>180～220 kg/hm2），Ⅳ級（>220～260 kg/hm2），Ⅴ級（>260～300 kg/hm2），Ⅵ級（>300 kg/hm2）。

由圖3可知，從時間上來看，研究期內除臨白洋淀區氮盈余強度一直處于Ⅱ級水平，其他空間分區種植業氮投入的環境風險均有下降，其中白洋淀下游氮盈余強度由Ⅲ級降至Ⅰ級，白洋淀中游氮盈余強度由Ⅵ級降為Ⅳ級，白洋淀上游氮盈余強度由Ⅳ級降為Ⅱ級。各空間分區種植業氮投入的環境風險空間格局在研究期內也發生了變化，研究前期氮盈余強度由大到小順序為白洋淀中游、白洋淀上游、白洋淀下游、臨白洋淀區，研究后期氮盈余強度逐步變化，由大到小的順序為白洋淀中游、白洋淀上游、臨白洋淀區、白洋淀下游（表2）。至研究期末（2019年），白洋淀下游氮盈余強度最小（Ⅰ級），白洋淀中游氮盈余強度最大（Ⅳ級）。

圖3 研究區各空間分區氮素盈余強度分級變化

2.2.3 氮素盈余量時空特征分析

表3為研究區及各空間分區氮素盈余。研究期內白洋淀流域總氮盈余量于雄安新區成立之前呈小幅上升趨勢，至雄安新區成立當年（2017年）有所下降，相比研究初期（2013年）下降17.95%，至研究期末（2019年）種植業氮盈余量較研究初期下降29.67%。臨白洋淀區域氮盈余量整體變化不大，雄安新區成立之前，區域種植業氮盈余量小幅上升，雄安新區成立后至研究期末，區域種植業氮盈余量有所下降，但與研究初期相比，僅下降了0.12×104t，研究期內氮盈余量總體降幅為5.08%。白洋淀下游氮盈余量總體呈持續下降趨勢，研究初期至研究期末下降了2.74×104t，降低幅度達38.65%。白洋淀中游氮盈余量呈現先上升后下降趨勢，由2013年至2015年小幅上升（1.32%），2015年后開始大幅下降，至研究期末下降幅度達28.25%。白洋淀上游氮盈余量在雄安新區成立之前變化不大，至雄安新區成立當年開始明顯下降，至研究末期下降了31.98%，總體下降了40.78%。

研究期內，4個空間分區種植業氮盈余量大小順序為白洋淀中游（（10.39～14.48）×104t）、白洋淀下游（（4.35～7.09）×104t）、臨白洋淀區（（2.24～2.64）×104t）、白洋淀上游（（1.51～2.58）×104t）（表 3）。

從種植業氮盈余來源來看，各空間分區氮盈余來源差異明顯，其中臨白洋淀區氮盈余主要來自小麥（57%～64%），其次為玉米（24%～34%）、蔬菜（4%～11%）和果樹（2%～3%）；白洋淀下游氮盈余主要來自小麥（42%～44%），其次為蔬菜（26%～29%）、玉米（17%～25%）、果樹（7%～10%）；白洋淀中游氮盈余主要來自蔬菜（38%～56%），其次為果樹（19%～26%）、小麥（13%～18%）、玉米（10%～18%）；白洋淀上游氮盈余主要來自果樹（35%～55%），其次為玉米（23%～42%），小麥（13%～14%）和蔬菜（8%～9%）貢獻較低。此外，部分區域氮盈余來源在研究期內發生了明顯變化。其中，白洋淀中游，蔬菜對氮盈余量的貢獻由研究初期的56%下降到研究期末的47%，小麥、玉米和果樹對氮盈余量的貢獻分別增加了2%、6%和1%；白洋淀上游氮盈余來源中，果樹的貢獻由2013年的55%下降到2019年的35%，玉米的貢獻由2013年的23%上升到2019年的42%，小麥和蔬菜的貢獻變化不明顯（表3）。

2.3 氮盈余強度與種植結構的響應關系

圖4為白洋淀流域種植業氮盈余強度與糧經比響應關系。研究期內，白洋淀流域糧經比在2.44～19.23之間變化，種植業氮盈余強度出現121.22～336.15 kg/hm2的波動變化。種植結構是影響區域種植業氮盈余的關鍵因子，從整體來看，白洋淀流域氮盈余強度與糧經比呈顯著負相關關系（<0.05）。通過調控種植業結構可顯著改變區域種植業氮盈余強度，白洋淀流域糧經比每增加1個單位，種植業氮盈余強度可降低7.07 kg/hm2，糧經比由2.44增加至19.23時，流域種植業氮盈余強度降低幅度達47.79%。若將環境風險比較高的白洋淀中游氮盈余強度降至Ⅱ級（≥140～180 kg/hm2），該區域內糧經比需調整為12.13～17.79。

圖4 氮盈余強度與糧經比響應關系

3 討 論

3.1 白洋淀流域種植結構時空特征

本研究發現，研究期內白洋淀流域及各空間分區的糧食作物（小麥、玉米）和經濟作物（蔬菜、果樹）種植面積整體變化不大，但種植結構空間分異明顯，總體呈現距白洋淀淀區越遠，糧經比越小的趨勢，其中，臨白洋淀區域糧經比最大，在15.11～19.23之間，白洋淀上游糧經比最小，在2.44～2.64之間。這主要是因為研究區地處太行山北部東麓、冀中平原西部，地勢由西北向東南傾斜，白洋淀中游及白洋淀上游多是山地，部分區域不適宜糧食作物的種植，更適合種植果樹等經濟作物。研究期內，白洋淀流域糧經比總體呈上升趨勢，主要與白洋淀下游和中游經濟作物明顯減少有關。臨白洋淀雖然糧經比增長數值最大，但白洋淀中游糧經比上升幅度最大，這主要是因為臨白洋淀區域2013年的糧經比基礎值較白洋淀中游更大。

3.2 白洋淀流域氮素盈余時空特征

白洋淀流域各空間分區在研究期內的氮盈余強度總體呈現較為明顯的下降趨勢，但不同空間分區的氮盈余強度及來源存在明顯差異。從整體看，白洋淀中游種植業氮盈余強度最大，這主要是因為該區域蔬菜種植面積大，化肥施用強度高。同時，蔬菜是該區域種植業氮盈余的主要來源，研究初期蔬菜對該區域氮盈余量的貢獻達56%，雖然至研究期末其貢獻有所下降，但貢獻仍達47%。其中，作為該區域蔬菜氮素主要輸入來源的化肥施氮量為714.24 kg/hm2，是李書田等[23]推薦施氮量最高值的2.46倍。

白洋淀上游種植業氮盈余強度相對較大，其中果樹和玉米為該區域氮盈余的主要來源。研究期內，該區域氮盈余強度大幅下降的原因與果樹有關。研究初期果樹對該區域氮盈余量的貢獻為55%，至研究期末其貢獻下降至35%，這主要與其化肥施氮量下降有關。果樹化肥施氮量由2013年的329.85 kg/hm2下降到了2019年的136.19 kg/hm2，且遠低于河北省果樹平均化肥施氮量（438 kg/hm2）[24]。同時，玉米對種植業氮盈余量的貢獻由研究初期的23%上升到期末的42%，但該區域玉米施氮量為131.06 kg/hm2，低于巨曉棠等[25]研究的華北平原玉米平均適宜施氮量（170～190 kg/hm2）。研究期內，白洋淀下游和臨白洋淀區域，氮素盈余強度均處于較低水平，對白洋淀的環境影響較小。白洋淀下游雖然種植面積較大，但小麥玉米是主要種植作物，糧經比較高，種植業氮盈余強度總體較低，同時呈現不斷下降的趨勢，尤其自2017年雄安新區成立以來，該區域的種植業氮盈余強度由Ⅱ級水平下降到2019年的Ⅰ級水平。臨白洋淀區域雖然整體盈余強度處于較低水平，但研究期末其區域內小麥氮盈余強度較高（208.64 kg/hm2），化肥施氮量（281.99 kg/hm2）也遠超華北平原小麥平均適宜施氮量（150～180 kg/hm2）。由于臨白洋淀區域對白洋淀淀區水質的影響更為直接，這一區域也是全流域養分管理的重點區域。《河北雄安新區農業產業結構調整專項規劃（2021—2025）》中指出目前雄安新區農業生產經營方式還相對粗放，依靠資源消耗的粗放經營方式仍未根本改變，過度施肥現象仍然存在[22]，小麥氮盈余強度較高主要與此有關。因此，可通過高標準農田建設、增加秸稈還田和優化施肥方式[26-27]進一步降低氮盈余。

3.3 種植結構與環境之間的關系

白洋淀流域氮盈余與其糧經比有著一定的響應關系。研究期內，各研究分區糧經比總體呈上升趨勢，氮盈余量與氮盈余強度均呈明顯下降趨勢，氮盈余強度可反映出區域種植業氮污染風險[28-29]，由于各空間分區種植面積無明顯變化，氮盈余量的變化則主要取決于氮盈余強度的變化。從氮盈余強度與糧經比的關系可以看出，糧經比越大氮盈余強度越小。

4個空間分區中氮盈余強度變化最大的區域為白洋淀上游，氮盈余強度由2013年的256.89 kg/hm2下降到2019年的157.60 kg/hm2，下降了99.29 kg/hm2。以上結果除與該區域果樹化肥施氮量大幅減少有關外，還與種植面積少、糧經比基礎值小（2.44）和糧經比上升有關；與白洋淀上游相比，白洋淀中游氮盈余強度下降幅度次之，氮盈余強度由2013年的329.58 kg/hm2下降到2019年的250.51 kg/hm2，下降了79.07 kg/hm2，其原因主要是該區域糧經比基礎值小（2.93），且研究期內糧經比上升幅度大（43.69%）。白洋淀下游氮盈余強度下降也較大，氮盈余強度由2013年的184.48 kg/hm2下降至2019年的121.22 kg/hm2，下降了63.26 kg/hm2，主要也是因為該區域糧經比基礎值相對較小，糧經比小幅度上升（13.34%）。臨白洋淀區域雖然糧經比上升趨勢較明顯（27.27 %），但是氮盈余強度下降幅度卻較小（平均每公頃下降了14.66 kg），其原因主要是該區域種植面積較小，且糧經比基礎值大，經濟作物種植面積過小，雖然糧經比上升幅度較大，但對氮盈余強度變化影響不大。《河北雄安新區農業產業結構調整專項規劃（2021—2025）》指出，目前雄安新區糧食供給大于需求，果蔬供給仍有缺口。隨著雄安新區的發展，人口增長將會加速，糧食供給雖然可以滿足需求，但果蔬缺口將達到15×104t。因此，就臨白洋淀區域而言，鑒于該區域氮盈余強度較低，可以適當增加果樹蔬菜的種植面積，提高果樹蔬菜產量。由此可見，種植結構變化對區域氮盈余有著重要的影響，其中，糧經比是決定區域氮盈余的重要因子。因此，可適當通過增加小麥玉米種植面積，減少蔬菜果樹種植面積來調控糧經比，以達到減少種植業污染的目標。《白洋淀生態環境治理條例》也提到，白洋淀流域各級人民政府應當加強對生態環境的治理和保護，優化農業種植結構，組織開展面源污染治理[30]。

白洋淀流域各個區域的氮盈余強度在研究期內雖然下降趨勢明顯，但對比趙海璇等[18]對白洋淀流域未利用氮強度進行的分級情況，2019年白洋淀中游種植業氮盈余強度（250.51 kg/hm2）仍處于高水平（224.56～360.26 kg/hm2）。對比趙海璇等[18]盈余強度分級標準，本研究劃分的氮盈余強度Ⅱ級（≥140～180 kg/hm2）處于低水平范圍，流域環境風險較小，因此，把種植業氮盈余強度Ⅱ級作為調控目標，若使白洋淀中游種植業氮盈余強度處于Ⅱ級水平，白洋淀中游糧經比需調整為12.13～17.79。

4 結 論

本文研究了雄安新區成立前后白洋淀流域種植結構及種植業氮盈余的時空變化情況，并在此基礎上探究了兩者之間的關系，研究結果表明：

1）白洋淀流域內種植結構時空變化明顯，在時間上，糧經比總體呈小幅度上升趨勢；在空間上，糧經比隨著距白洋淀淀區距離的增加呈大幅度下降趨勢。

2）白洋淀流域氮盈余量及氮盈余強度總體呈下降趨勢，但不同空間分區氮盈余變化存在差異。白洋淀上游氮盈余量下降幅度最大（40.78%），果樹是白洋淀上游氮盈余的主要來源（35%～55%）。臨白洋淀區域氮盈余量整體下降幅度最小（5.08%）。空間上，白洋淀中游在研究期內氮盈余量（（10.39～14.48）×104t）最大，白洋淀上游氮盈余量（（1.51～2.58）×104t）最小。

3）至2019年，除白洋淀中游外，臨白洋淀、白洋淀下游和白洋淀上游區域氮盈余強度全部處于環境風險較低的Ⅱ級水平以內。白洋淀中游糧經比小（4.29），至2019年，其種植業氮盈余強度仍處于風險較高的Ⅳ級（>220～260 kg/hm2）水平。

4）種植業氮盈余強度與種植結構呈顯著負相關關系。在一定時期內，糧經比基礎值越小，其上升幅度越大，氮盈余量則下降幅度越大。通過調整種植結構來調控氮盈余量是防控種植業污染的重要手段。

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Spatiotemporal variations in planting structure and nitrogen surplus in the Baiyangdian basin

YANG Ziwei1, YIN Gaofei1, ZHAO Haixuan1, ZHU Cong2, MA Wenqi1, WANG Jiabao1, XI Bin3, LI Wenchao1※, LIU Hongbin4

(1.,,,071000,; 2.,100081,; 3.,,100125,; 4.,,,,100081,)

Environmental loss can be caused by the excessive nitrogen input in crop production, leading to non-point source pollution in the lake basin.Among them, the planting structure can be one of the most important factors to affect the nitrogen input, due to the various levels of nitrogen management between different systems of crop production. Therefore, it is very necessary to explore the relationship between planting structure and environmental loss at present.In this study, the grain crops (wheat and maize) and economic crops (vegetables and fruit trees) were taken as research objects in Baoding and Dingzhou from the core areas of the Baiyangdian Basin in the North China Plain. An optimization was made to clarify the effect of planting structure on the regional environment, where the grain economy ratio was taken as the characterization factor of planting structure, while the nitrogen surplus was the characterization factor of environmental loss. Specifically, the grain economic ratio was the planting area ratio of grain crop to economic crop. Nitrogen surplus was the difference between nitrogen input and output in the planting system. The results showed that: 1) There were outstanding spatiotemporal changes in the planting structure in the Baiyangdian Basin. In the spatial view,the largest grain economic ratio was found nearby the Baiyangdian Lake area, whereas, the smallest grain economic ratio was upstream of the Baiyangdian Lake. The grain economy ratio decreased significantly with the increase in distance from the spatial divisions to the lake.In terms of time, the grain economic ratio and each spatial partition showed a slight upward trend during the study period (in 2013, 2015, 2017 and 2019)among the four spatial divisions. There was the largest increase in the grain economy ratio in the middle reaches of Baiyangdian Lake;2) The spatial and temporal differentiation characteristics of planting nitrogen surplus in Baiyangdian Basin were obvious. In terms of time, the planting nitrogen surplus in Baiyangdian Basin showed a downward trend ((26.29-18.49)×104t) during the study period. Spatially, the nitrogen surplus in the midstream and downstream of the basin is larger than those in the upstream and nearby Baiyangdian Lake.3) There was no change in the total planting area of grain crops and economic crops in the four spatial zones, but the nitrogen surplus decreased significantly. Among them, the most decrease in the nitrogen surplus was found in the midstream of Baiyangdian. The trend was attributed to the small basic value of the grain economic ratio and the large increase in the grain economic ratio. Furthermore, the nitrogen surplus decreased with the increase in the grain economy ratio, while the planting area remained unchanged basically in the same area. In addition, the ever-increasing trend was observed in the grain economy ratio with the decrease of the basal value, leading to the decrease of nitrogen surplus;4) There was a strong relationship between the grain economic ratio and nitrogen surplus intensity. The smaller the grain economic ratio was, the greater the nitrogen surplus intensity was. The nitrogen surplus intensity also decreased with the increase in the grain economic ratio. Consequently, the regional nitrogen surplus intensity can be expected to be significantly adjusted via the grain economic ratio. The nitrogen surplus intensity in the midstream of Baiyangdian Lake could be reduced to the level of II (140-180 kg/hm2) from the level of IV (220-260 kg/hm2), when the grain economy ratio is adjusted from 4.21 to 12.13-17.79. Therefore, the nitrogen surplus intensity can be regulated to adjust the planting structure, in order to control the nitrogen surplus for the less environmental risk of nitrogen input in planting industry. This finding can provide a scientific basis for the control of nitrogen pollution in the planting industry.

crops; nitrogen; planting structure; nitrogen surplus; spatiotemporal characteristic; Baiyangdian Basin

10.11975/j.issn.1002-6819.202212005

S19

A

1002-6819(2023)-06-0111-09

楊紫薇，尹高飛，趙海璇，等. 白洋淀流域種植結構及氮盈余的時空變化特征[J]. 農業工程學報，2023，39(6)：111-119.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202212005 http://www.tcsae.org

YANG Ziwei, YIN Gaofei, ZHAO Haixuan, et al. Spatiotemporal variations in planting structure and nitrogen surplus in the Baiyangdian basin[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2023, 39(6): 111-119. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202212005 http://www.tcsae.org

2022-12-01

2023-01-11

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）；華北作物改良與調控國家重點實驗室自主課題項目（NCCIR2021ZZ-20）；河北省水環境科學實驗室開放課題項目（HBSHJ202107）；國家重點研發計劃項目（2021YFE0101900）；國家自然科學基金項目（42107410）

楊紫薇，研究方向為農業面源污染。Email：3194560264@qq.com

李文超，博士，副教授，研究方向為農業面源污染。Email：dachao279@126.com