2000—2020年我國31個省市區玉米生產系統氮收支平衡分析

摘 要 玉米是我國重要的糧食作物，在全國廣泛種植。氮素對農業生產至關重要，探究玉米生產系統的氮素輸入和輸出狀態，有助于明確其資源利用與生長狀況。以我國31個省市區的玉米生產為例，運用物質流分析方法，定量識別區域農作物中玉米的氮素流動過程及特征。結果表明：1）2000—2020年31個省市區的玉米氮素輸入量和輸出量整體上呈波動增長，部分省市區的玉米氮素流動量變少，其中黑龍江省的玉米氮素輸入量與輸出量占比最高（12.56%），吉林、山東和內蒙古等省市區次之，占比分別為12.19%、10.59%和8.92%，可見北方省市區的玉米氮素輸入與輸出量占比相對較高。海南（0.0264%）、上海（0.013%）、西藏（0.012%）是我國玉米氮素流動相對最低的省市區。2）各省市區以灌溉水氮輸入量（FSINirr）和生物固氮量（FSINbnf）居多，其次為種子氮輸入量（FSINsee）、大氣氮沉淀量（FSINdep），種植廢物還田（FSINstr）最少；各省市區玉米農作物氮輸出量（FSOUTcro）占氮素輸出總量的比例最高，其次是大氣釋放氮損失量（FSOUTatm）、肥料淋失氮損失量（FSOUTgro），肥料流失氮損失量（FSOUTsur）最少。3）2000—2020年全國玉米氮輸入量385 478.73萬t，輸出量6 154.87萬t，氮素輸入是31個省市玉米生產氮素流動的主要方式。提出加強農田污染治理、清潔生產及資源循環利用的重要舉措，為玉米生產過程中的氮素調整和優化提供科學支撐。

關鍵詞 玉米；生產系統；氮收支；氮流動

中圖分類號：S513 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2024.17.028

氮是維持動植物生長和人體健康所必需的營養元素，也是組成溫室氣體、光化學煙霧、酸雨、營養性污染物等的主要元素[1]。20世紀以來，在人類社會生產建設活動的干擾下，全球氣溫升高，在一定程度上加劇了環境惡化，全球氮素的生物地球化學循環過程已經發生了深刻變化，化學藥劑的廣泛使用雖然能夠使農產品大幅增產，但也對環境造成了水體富營養化、土壤酸化和大氣污染等多方面的負面影響[2]。相關研究表明，當今世界面臨的十大環境問題中，有一半以上的環境問題與人類活動對氮循環的改變相關[3]，而農業生產是影響全球氮流動最重要的人類活動之一，對農業系統氮流動的研究也成為明確農業生產可持續性及其環境影響的重要內容。氮素在人類的生產生活中應用廣泛，氮素流動系統相關研究被廣泛用于養分監測、管理和控制，為提高養分利用效率、減少生產成本及緩解環境影響起到重要指導作用。由于受自然地理、環境條件和社會經濟等因素的影響，不同空間尺度下氮素的輸移路徑、利用水平及排放方式存在較大差異，而目前國內的研究大多局限于某一特定過程的氮流分析，缺乏對不同氮流過程及其環境影響的綜合考慮[4]。因此，本研究運用物質流分析方法，以我國玉米農業生態系統為例，計算氮素在農業生產系統的流動量，計算玉米的氮素輸入與輸出量，明確其氮素流動相關指標的結構特征，通過直觀呈現數據與對比分析，進而總結出有利于提高資源利用效率、減少污染物排放的區域氮素調控的對策建議。本研究采用物質流分析方法，根據質量守恒定律，定量追蹤玉米作物系統氮素的產生、遷移、轉化、釋放和歸宿過程。綜合考慮研究目的和數據可獲取性等因素，采用文獻調研、專家咨詢等方法，全面剖析玉米氮素輸入與輸出關系，從而識別我國玉米作物氮素流動和循環的主要特征。

1" 數據與方法

1.1" 數據來源與核算方法

本研究所需要的數據如耕地面積、玉米種植面積、玉米產量、化肥施用量等，是2000—2020年的我國數據，來源于中國統計年鑒、省市區統計年鑒、中國經濟社會數據大平臺及相關文獻資料。同時結合相關文獻進行整理統計與分類匯總，得到相關氮流核算所需的參數。通過中國經濟社會數據大平臺獲得玉米種植面積、農作物產量、化肥施用量等相關數據，結合氮素輸入量和輸出量計算公式，分別計算出氮素輸入量與輸出量。

1.2" 農作物氮素輸入量計算

農作物中氮素的總輸入量計算公式如下：

FSIN=FSINdep+FSINbnf+FSINche+FSINsee+FSINirr+FSINman （1）

式（1）中，FSIN表示氮素總輸入量；FSINdep為大氣氮沉降量；FSINbnf為生物固氮量；FSINche為化肥氮輸入量，包括氮肥和復合肥中的氮供給；FSINsee為種子氮輸入量；FSINirr為灌溉水氮輸入量；FSINman為有機肥氮輸入量，包括人糞尿還田、畜禽廢物還田及種植廢物還田3部分。

農作物中氮素的總輸入量中具體核算公式如下：

大氣氮沉淀量：FSINdep=A1×R1" （2）

式中，A1為耕地面積，本文為玉米種植面積；R1為干濕沉降系數，我國農田年均氮素干濕沉降量為30 kg·hm-2[5]。

生物固氮量：FSINbnf=A2×R2 （3）

式中，A2為作物產量，本文為玉米產量（t）；R2為作物的固氮系數，玉米為34.49 kg·t-1[6]。

種子氮輸入量：FSINsee=A2×R3" （4）

式中，A2為玉米產量（t）；R3為作物單位播種面積帶入的氮量，玉米種粒為25.96 kg·t-1 [7]。

灌溉水氮輸入量：FSINirr=A1×R4 （5）

式中，A1為耕地面積；R4為單位面積耕地灌溉水含氮量，為5 t·hm-2[5]。

種植廢物還田：FSINstr=A2×1/R5l×R52×R53 （6）

式中，A2為玉米產量（t）；R51為作物的谷草比，玉米為2.0；R52為作物的廢物含氮量占比，玉米為1.859%；R53為種植廢物還田比例，玉米為26.4%[8]。

通過以上公式分別計算出2000—2020年間中國31個省市區的玉米氮素輸入量。

1.3" 農作物氮素輸出量計算

農作物中氮素的總輸出量計算公式如下：

FSOUT=FSOUTatm+FSOUTcro+FSOUTsur+FSOUTgro" （7）

式（7）中，FSOUT為氮素輸出量；FSOUTatm為大氣釋放氮損失量，包括氨化損失和硝化反硝化損失；FSOUTcro為農作物氮輸出量，包括種植廢物和農產品收獲兩部分；FSOUTsur為肥料流失氮損失量；FSOUTgro為肥料淋失氮損失量。

農作物中氮素的總輸出量具體核算公式如下：

大氣釋放氮損失量：FSOUTatm=FSINfer×（R61+R62）

（8）

式中，FSINfer為玉米種植地的肥料氮輸入量，每生產100 kg玉米籽粒需氮素2.1～2.8 kg，本研究取2.5 kg；R61為玉米種植地的氨化損失系數，一般為18.47%～21.82%，本研究取20.15%；R62為玉米種植地的硝化反硝化損失系數，玉米生長期間的氮肥反硝化損失率為0.7%～0.99%[9-10]，本研究取0.85%。

農作物氮輸出量：FSOUTcro=A2×1/R51×R52+A2×R7 （9）

式中，A2為玉米產量（t）；R51為玉米的谷草比，為2.0；R52為玉米的廢物含氮量占比，根據相關研究取1.859%；R7為農產品含氮量，玉米粒為25 kg·t-1[6]。

肥料流失氮損失量：FSOUTsur=FSINfer×R81 （10）

式中，FSINfer為玉米種植地的肥料氮輸入量，本研究取每生產100 kg玉米籽粒需氮素2.5 kg；R81為玉米種植地的肥料流失系數，玉米所種植的旱地為1.47%[11]。

肥料淋失氮損失量：FSOUTgro=FSINfer×R82 （11）

式中，FSINfer為玉米種植地的肥料氮輸入量，本研究取每生產100 kg玉米籽粒需氮素2.5 kg；R82為玉米種植地的肥料淋失系數，玉米所在的旱地為4.35%[11]。

通過以上公式分別計算出2000—2020年間中國31個省市區玉米的氮素輸出量。

2" 結果與分析

2.1" 氮素輸入量與輸出量分析

本研究統計了2000—2020年我國31個省市區玉米的氮素輸入與輸出總量，如圖1、圖2所示。結果表明31個省市區的玉米氮素輸入（FSIN）與輸出（FSOUT）占各部分總量的比例相同，究其原因是氮輸入量與氮輸出量計算公式的系數呈比例關系，且依據每公頃或每噸玉米產出計算出的玉米氮素輸入量與氮素輸出量是相對應的，輸入的氮素越多，輸出的氮素也越多，因此各省市區玉米氮素輸入占我國玉米總氮素輸入量的比例，與各省市區玉米氮素輸出占我國玉米總氮素輸出量的比例相同。統計發現，黑龍江省玉米氮素輸入41 493.1萬t，輸出為1 980.0萬t，輸入或輸出占比都為12.56%，占比最高；吉林省玉米氮素輸入40 299.86萬t，輸出1 923.1萬t，占比為12.19%；山東、內蒙古、河南、河北、遼寧等省市區的占比依次遞減，分別為10.59%、8.92%、8.87%、8.25%、6.88%，可見北方城市的玉米產量相對更高，其氮素輸入與輸出量占比也是靠前的。海南省玉米氮素輸入87.4萬t，輸出為4.17萬t，占比為0.026 4%；上海市玉米氮素輸入44.19萬t，輸出2.11萬t，占比為0.013%；西藏玉米氮素輸入39.61萬t，輸出1.89萬t，占比為0.012%，這三個省市區的玉米氮素流動相對最低。

對我國31個省市區玉米氮流動量進行年度統計（見表1、表2），可以看出2000年31個省市區玉米氮素輸入量為12 263.95萬t，2020年為22 396.81萬t，20年間增多將近一倍，總氮素輸入量為385 478.73萬t；2000年玉米氮素輸出量為169.63萬t，2020年為417.13萬t，20年間漲了將近2.5倍，總氮素輸出量為6 154.87萬t。2000—2020年我國玉米氮素總輸入量是氮素總輸出量的62倍。

2.2" 氮素流動特征分析

探究玉米氮素輸入與輸出各指標值的結構特征，有助于明確其氮素的循環利用與流動情況。以2020年我國31個省市區玉米的氮素輸入量和輸出量為例，通過統計各省市區氮素輸入與輸出量的各指標值（見圖3、圖4），發現各省市區以灌溉水氮輸入量和生物固氮量居多，其次為種子氮輸入量、大氣氮沉淀量，種植廢物還田最少，如玉米氮素輸入量最多的黑龍江省2020年玉米灌溉水氮輸入量為28 864 702.9 t，生物固氮量為1 257 714.1 t，種子氮輸入量946 658.7 t，大氣氮沉淀量173 188.2 t，種植廢物還田89 483.3 t。同時，統計2020年各省市區氮素輸出量的指標結構發現，農作物氮輸出量最多，其次是大氣釋放氮損失量、肥料淋失氮損失量，肥料流失氮損失量最少，如吉林2020年玉米農作物氮素輸出1 019 741.2 t，大氣釋放氮損失量156 105.6 t，肥料淋失氮損失32 336.2 t，肥料流失氮損失量10 927.4 t。

計算各省市區年度總氮素輸入與輸出量發現，從氮素輸入結構來看，大氣氮沉淀量、生物固氮量、種子氮輸入量、灌溉水氮輸入量和種植廢物還田分別占氮素輸入總量的0.558 2%、3.506 4%、2.639 2%、93.046 6%和0.249 5%，可見灌溉水氮輸入是玉米氮素輸入的主要方式。從氮素輸出結構來看，大氣釋放氮損失量、農作物氮輸出量、肥料流失氮損失量和肥料淋失氮損失量分別占氮素輸出總量的32.807 4%、58.100 3%、2.296 5%和6.795 8%，可見農作物氮素輸出量是玉米氮素輸出的主要成分，其次是大氣釋放氮損失量。從圖5和圖6可見，我國玉米氮素的輸入整體上呈現各指標值逐年遞增的趨勢，2003年、2014年和2016年的玉米生物固氮量和種子氮輸入量明顯低于相鄰的年份，灌溉水氮輸入量從2015年開始減少并趨于平緩；我國玉米氮素的輸出量整體上也呈現各指標逐年遞增的趨勢，其中2013—2016年各指標輸出量增長緩慢，2003年、2009年的大氣氮釋放損失量、農作物氮輸出量明顯低于相鄰年份。

探究玉米氮素輸入與輸出的流動程度，能夠明確玉米將氮素發揮使用價值的比率。氮素輸入與輸出的年份核算結果表明，以2000年為例，31個省市區的玉米氮素總輸出量為169.63萬t，氮素總輸入量為12 263.95萬t，輸出量占比為1.36%，輸入量占比為98.64%。同時，統計得到2000—2020年我國玉米氮素輸入與輸出總量為391 633.63萬t，其中輸入量占98.4%，輸出量占1.6%，可見玉米氮素輸入是31個省市區氮素流動的主要方式。2020年氮素輸入量在氮素流動量的占比相對2000—2020年更高，20年間我國各省市區玉米氮素輸入量整體上不斷提升，且氮素輸入量在氮素流動量中的占比趨于升高，玉米氮素輸入的效率和利用率變低。相關研究表明整體上我國農業生產的氮素生產利用率處于較低水平，主要是由于人為氮營養投入量超出了農作物生長的需求[12]。在農業生產子系統中，氮素循環利用涵蓋了種養廢物用作飼料、沼氣和還田等氮養分量，由于還田是玉米氮素輸入的主要方式，因此本研究主要計算種植廢物還田指標作為氮素循環利用中氮素輸入量的指標之一，通過沼氣的循環利用方式可以緩解人們的能源需求，體現可持續發展的原則，而通過技術處理不到位的焚燒方式，可能會對人類健康和福利產生負面效應。農田多分布于城鎮邊緣，而城鎮化發展產生的資源環境壓力不容忽視。在日后的玉米等農作物產業發展中，應加強生活污染治理，支持新建、改造覆蓋城鄉的垃圾和污水處理設施，提升城鄉污染物處理能力和水平，提倡廢物資源化，減少填埋、焚燒等傳統廢物處理方式，由此降低農田的污染率，提高農田種植系統的健康性與可持續性。

3" 討論與結論

本研究基于物質流分析方法，定量評估了玉米氮素輸入與輸出量的特征。2000—2020年間，31個省市區玉米氮素流動量中，黑龍江、吉林和山東等省份占比最大，北方城市玉米的產量相對更高，海南、上海和西藏的玉米氮素流動量相對最低。從2020年各省市區玉米氮素輸入與輸出結構特征分析發現，各省市區以灌溉水氮輸入量和生物固氮量居多，其次為種子氮輸入量、大氣氮沉淀量，種植廢物還田的最少；各省市區農作物氮輸出量占氮素輸出總量的比例最大，其次是大氣釋放氮損失量、肥料淋失氮損失量，肥料流失氮損失量最少。總體上，2000—2020年我國玉米氮輸入與輸出總量為391 633.63萬t，其中輸入量占98.4%，輸出量占1.6%，氮素輸入是31個省市區玉米氮素流動的主要方式，我國玉米氮素的輸入量與輸出量整體上呈現各指標值逐年遞增的趨勢。

農業生產是影響全球氮流動最重要的人類活動之一，對農業系統氮流動的研究也成為明確農業生產可持續性及其環境影響的重要內容。我國農業生產的氮素循環尚存在亟需解決的問題，相關研究表明，從肥料施用水平來看，肥料過多使用導致氮素利用效率低下是農業種植引起環境氮負荷的主要原因[13]。我國農業生產中化肥施氮的強度超過了歐盟規定的農田氮素養分投入標準（275 kg·hm-2）[14]；從肥料施用結構來看，我國化肥的氮投入是有機肥氮投入的1.32倍，有機糞肥氮的施用量也低于發達國家規定的糞肥氮最高投入限額（170 kg·hm-2）[15]，因此有機肥的使用比例較低，肥料的使用結構有待進一步優化。農業種植控制氮排放的重點在于減少肥料和化肥的使用量，通過優化用肥結構如增施有機肥和高效緩釋肥，可以提高氮素的利用效率，減少資源浪費和環境污染。可使用測土配方施肥技術，根據作物的生長特性、需肥規律、土壤的供肥性能及農業生產區域特征，制定肥料施用量和比例等，提高農作物肥料利用率。適當增加規模化養殖廢物還田的比例，改善農村能源結構，鼓勵沼氣等清潔能源的應用。引導和鼓勵企業采用先進工藝、技術和裝備，促進企業清潔生產，加強農田污染排放控制，實現由末端治理向全程控制的轉變。氮素在玉米等農作物生產系統中的遷移轉化是一個復雜的過程，本研究未充分考慮不同地區農作物的生長條件及玉米廢物的處理方式和處理能力的差異，未來在探究農作物氮收支相關的研究中，可進一步在查閱資料的基礎上，通過實地取樣、測定獲得氮流核算過程涉及的數據和參數。

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（責任編輯：易" 婧）

基金項目：2024年度校級教學管理人員能力提升與研究項目（2024JXGL13）。

作者簡介：何雨鴻（1998—），碩士，助教，主要從事應用統計與經濟學相關研究。E-mail：1257982427@qq.com