福建省戴云山乡镇尺度农田生态系统氮素流动及其效率

邹彩瑜，辛 悦，刘金娥①，蔡祖聪，苏海蓉，黄 黄

(1.南京师范大学环境学院/江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心，江苏 南京 210023;2.江苏省水土环境生态修复工程实验室，江苏 南京 210023)

氮是控制各生态系统物种组成、多样性、动态和功能的关键元素[1-2]，也是农业生产和人类生活不可或缺的营养元素，但人为源氮素的增加，引发了一系列生态环境问题。人类的农业生产活动是生态系统中氮素不断增加的主要原因之一[3]。在中国，从20世纪80年代开始，随着人口增长和对粮食作物需求的增加，农作物产量大幅增长，化肥施用量持续上升[4-5]。福建省氮肥施用强度大，居全国前列[6]，1980—2013年福建省N2O总排放量明显增加，氮肥施用量是影响其排放量的关键因素[7]。2000—2010年，福建省泉州市90%以上的氮素排放来源于农田生态系统和畜禽养殖系统[8]。为了降低氮肥施用量、提高作物生产率，我国开始重视小流域尺度的氮素流动与环境效益研究[9]，但是由于技术受限等原因，氮肥利用率始终处于较低水平。朱兆良[10]的田间实验数据表明，我国氮肥利用率仅为28%～41%，粮食作物的氮肥利用率为30%～35%。太湖流域辛庄镇食物链系统氮素低利用率、高损失率的主要原因是化学氮肥的过量施用与畜禽粪便的大量排放[11]。氮素过量排放带来的一系列环境问题受到广泛关注，蔡祖聪等[12]认为，不仅要关注提高氮肥当季利用率，减轻环境负荷，还要建立相应的理论体系、技术方法，才能实现社会-经济-自然综合体系的可持续发展。

我国目前对农田生态系统氮素流动的研究大多局限于国家尺度以及以省市为基本单元的研究，对于乡镇尺度的研究报道较少。乡镇作为我国农业生产的主要地区，研究其氮素流动及养分平衡状况，对养分管理和环境政策的制定、减轻我国环境氮负荷具有重要意义。该研究以戴云山赤水镇、南埕镇和上涌镇为研究对象，根据质量平衡原理建立统计模型，测算2002—2016年3个镇农田生态系统的氮通量变化趋势、氮素流动效率与环境负荷，探讨戴云山乡镇尺度氮素流动的规律与特征，为实现戴云山地区可持续发展、科学管理戴云山国家级自然保护区提供科学依据。

1 研究区域概况

赤水镇(25° 38′ 39.19″ N,118° 07′ 54.73″ E)位于福建省泉州市德化县西北部，属亚热带季风气候区，四季分明，雨量充沛，湿度大，具有丰富的自然资源，泉水资源得天独厚，是德化县重要的水源保护地。主要经济作物有水稻、甘薯、马铃薯、蔬菜等，施肥以化肥为主。南埕镇(25° 37′ 53.47″ N,118° 23′ 5.21″ E)位于德化县东部，四季分明，属亚热带气候区，年平均降水量为1 750 mm左右，经济上以农业、林业为主，工业为辅,农业生产以粮食、木竹及经济作物为主。上涌镇(25°43′46.2″ N,118°09′27.4″ E)位于德化县西北部，属亚热带气候区，年降水量为1 600～2 000 mm，经济上以农业为主，水稻是当地的主要农作物。

2 数据来源与方法

基于物质流分析法即物质守恒定律，构建戴云山乡镇农田生产系统氮素流动模型(图1)，农业生产子系统氮素输入项主要包括化肥、种子、粪尿肥、秸秆还田、生物固氮、大气沉降和灌溉水，输出项包括作物收获(籽粒和秸秆)、进入大气环境(化肥反硝化、化肥和有机肥挥发)、进入水体环境(养分的淋溶径流和侵蚀损失)以及部分盈余土壤氮。氮素输入和输出项的计算公式为

IC=IFer+ISeed+IExc+IStr+IBNF+IDep+IIrr，

(1)

OC=OGra+OStr+OAtm+OWat+OAcc。

(2)

式(1)～(2)中，IC为农田生态系统氮素总输入量，kg；IFer、ISeed、IExc、IStr、IBNF、IDep、IIrr分别为化肥氮、种子氮、粪尿肥氮、秸秆还田氮、生物固氮、大气沉降氮、灌溉水氮的输入量，kg；OC为农田生态系统氮素总输出量，kg；OGra、OStr、OAtm、OWat、OAcc分别为籽粒氮、作物秸秆氮、进入大气氮(反硝化损失氮、氨挥发损失氮)、进入水体氮(径流损失氮和淋溶损失氮)、土壤累积氮的输出量，kg。

式(1)～(2)中涉及到的基本信息数据来源于《德化统计年鉴》，参数数据获取方式包括对各类文献及统计书籍报告等的调研，对研究区域种养殖活动、居民社会生活的实地调研以及相关部门的采访调研，详细参数见表1。氮素输入和输出量的计算公式见表2。单位面积氮素流动通量计算中，以戴云山地区各乡镇的行政面积(包括耕地、林地与建设用地等)作为分母。采用Excel软件进行数据统计和参数分析，采用SPSS软件进行相关性检验。

表1 农田生态系统主要参数[13-28]Table 1 Parameters of the crop production ecosystem

表2 戴云山乡镇尺度农田生态系统氮素输入、输出量的计算公式Table 2 Formula of nitrogen input/output in crop production ecosystem at the township scale of Daiyun Mountain Area

农田生态系统通过肥料氮的投入获得植物性食品氮，但是投入系统中的氮难以被完全利用，未被利用的氮素进入环境，会对环境造成污染。为了探究乡镇的氮素利用效率特征，分析3个镇的氮素利用率、循环利用率以及环境损失率。

其中，氮素利用率以农田生产系统产出的籽粒氮占系统投入氮量的比例表示；氮素循环利用率以秸秆氮的循环利用量占废弃物氮总量的比例表示；氮素环境损失率以肥料氨挥发、反硝化途径进入大气，秸秆氮燃烧通过径流、淋溶进入水体，以及未被利用盈余于土壤中的氮素总量与输入氮量的比值表示。

3 结果与分析

3.1 单位面积氮素流动通量

2002—2016年3个镇农田生态系统氮素流动通量如图2所示。由图2可见，氮素输入量整体呈下降趋势。其中，赤水镇减少约2/3，且2002—2010年氮素输入量持续下降，由86.40降至41.15 kg·hm-2，在2010年达到拐点后平稳减少至37.19 kg·hm-2，输入总量较2002年下降56.96%。南埕镇由37.63减少到26.81 kg·hm-2，上涌镇由47.05降至37.40 kg·hm-2。化肥氮是农田生态系统氮素的主要来源，占总输入氮量的45.56%～76.64%。15 a来，3个镇的单位面积总氮输入量减少，与我国氮素输入量持续增加的趋势不同[29]。赤水镇化肥氮输入量下降幅度最大，与当地产业结构调整，大量农村劳动力转移至第二、第三产业有关。粮食种植比例下降，种植面积大幅减少，由986下降到363 hm2。粮食作物面积的减少直接导致化肥施用量和植物性食品氮生产量减少，进而导致农田生态系统中氮素输入量降低。合理施用化肥的意识提高也可能是氮输入量下降的原因之一。从氮素输出量来看，3个镇农田生态系统大多数氮素进入大气、水体以及盈余于土壤。其中盈余于土壤的氮素含量变化最为显著，2002—2009年赤水镇盈余于土壤的氮量显著降低，其占比由82.04%下降到52.86%，与化肥输入氮量的下降趋势相近，说明赤水镇存在氮肥施用过量的问题，且在调查期间有所改善，其余各项系统输出氮变化不明显。

3.2 氮素流动效率与环境负荷

2002—2016年3个镇的氮素流动效率如图3所示，环境负荷如图4所示。赤水镇活性氮利用率逐年上升，由10.67%增加到29.25%；南埕镇氮素利用率在13.98%～19.20%之间波动；上涌镇利用率最高，在27.05%～35.05%之间波动。3个镇在2007年后循环利用率总体呈上升趋势，南埕镇循环利用率最低。2002—2016年间，赤水镇秸秆氮循环利用率较高，每年约有32.34%的秸秆氮还田作为肥料，约有52.15%的秸秆氮用作畜禽饲料，这是由于戴云山为国家级森林保护区，禁止秸秆燃烧的相关工作执行到位，因此具有较高的秸秆循环利用率。赤水镇氮素环境损失率呈明显下降趋势，进入水体的氮损失最多，损失率达36.89%±11.02%。南埕镇环境损失率略有下降，大部分氮损失(46.09%±3.66%)进入土壤环境。上涌镇环境损失率总体最低，大多氮损失(39.97%±4.79%)进入水体。3个镇氮素损失率明显高于北京郊区[30]，氮损失可能是导致氮肥利用率较低的主要原因[31-32]。

2002—2016年，赤水镇氮素环境负荷均有所下降，土壤环境负荷尤其明显，占比由56.03%下降到8.92%。南埕镇水体环境负荷与大气环境负荷变化幅度不大，2009年以后土壤环境负荷在122.67 t上下浮动。上涌镇大气与水体环境负荷变化相对平稳，土壤环境负荷除2007和2016年外均低于大气、水体环境负荷，且呈波动变化。

4 讨论

随着城镇居民生活水平的提高，农产品需求量增大，同时也会增加化肥氮等的投入。化肥是戴云山乡镇氮素输入的主要来源，与蛇鱼川小流域氮素输入的情况一致[33]，远高于我国粮食作物的平均化肥氮投入占比46.9%[34]。3个镇均存在化肥氮施用过量的情况，截至2016年，赤水镇单位耕地面积化肥氮输入量下降至190.98 kg·hm-2，较2002年减少70.31%；南埕镇为545.43 kg·hm-2，约为我国化肥氮施用量的2倍[34]。氮肥施用量过高会显著降低作物的氮素利用率[35]。

2011年以后，赤水镇农田生态系统氮素利用率高于全国平均水平[36]，其氮素利用率与化肥投入氮量显著负相关(r=-0.99)，氮素利用率随着化肥氮投入的降低而升高，说明化肥氮的过量施用极大限制了农田生态系统的氮素利用率。上涌镇以籽粒形式输出的氮量最多，具有最高的利用率，与太湖辛庄镇农田生态系统氮素利用率水平相近[11]，但与国外相比仍较低，西欧利用率为38%左右，美国则达52%[37]。上涌镇盈余于土壤的氮素最少，其过量施氮现象明显优于赤水镇与南埕镇，土壤氮负荷最小。2007年之前，赤水镇农业生产特点为高投入-低产出，2007年后化肥氮投入明显减少。农田种植模式改变，籽粒产出略有增加，化肥氮利用率明显上升，环境损失率明显减少，这些是赤水镇农业生产系统活性氮流动效率提高的主要原因。

化肥过量施用一直是我国农业生产中面临的重要问题[38]，福建省施氮量保持在较高水平[8,39-40]。合理施用氮肥对提高作物生产力、氮素利用效率和环境可持续发展至关重要[41]。戴云山地区主要经济作物为水稻等农产品，在满足自身需求的同时还需向外地输出，经济发展导致对农产品需求量增大的同时，也会增加食物供给的压力，从而给当地带来较大的环境负荷[42]，控制化肥施用量是改善当地环境氮负荷最直接的方式。优化种养结构，提高氮素各梯级环节利用率，科学施肥，发展高产低污染农业，能够有效减少化肥过量施用对环境带来的影响。提高农业生产过程中产生的秸秆等副产物的循环利用率，能够有效减缓氮素排放强度，同时减缓农田施肥对化肥的依赖性，减少资源浪费，提高系统的氮素利用效率。

5 结论

(1)2002—2016年，3个镇农田生态系统单位面积氮素输入量总体呈下降趋势，且在2010年后趋于稳定，化肥氮是农田生态系统氮素输入的主要来源，占农田生产系统总氮输入量的45.56%～72.26%。3个镇单位面积施氮量总体偏高，高于全国平均水平，均存在过量施氮的现象。其中，上涌镇氮素以籽粒形式输出最多，该镇农田生态系统的氮素有效利用率较高，过量施氮现象明显优于赤水镇与南埕镇。

(2)3个镇农田生产的氮素利用率较低，但循环利用率较高。这与当地禁烧秸秆、多途径资源化利用秸秆有关。农田生产损失氮大部分进入水体和土壤，农业生产对环境氮负荷的贡献率较高，化肥氮的过量输入是农业生产环境负荷产生的主要原因。尽管农田生产系统氮损失明显减少，但是由于氮易于富集，氮肥施用仍需要加强管理。

总体而言，戴云山地区乡镇农田生态系统氮肥施用需加强管理，提高有机肥的施用比例，从源头控制氮污染的产生，调整农业生产结构，提高氮素各梯级利用率。在兼顾环境效益的同时保证当地作物产量，提高氮肥利用率、生产废物还田率和氮肥的有效性，提高氮素的循环效率，避免资源浪费，是当地亟待解决的问题。