东北三省1987—2018年的种植业氮素投入与未来减施潜力

李柏霖，焉 莉，*，王继岩，高瑞雪，郭黎卿

(1.吉林农业大学 资源与环境学院，吉林 长春 130118； 2.生态环境部环境规划院 总量控制与排放交易研究中心，北京 100012)

随着排污许可证的颁发，工业点源污染逐步得到控制，农业面源污染成为我国地表水与地下水污染的主要风险来源。据2010年发布的《第一次全国污染源普查公报》，农业面源污染总氮排放量占全国排放总量的57%，是我国的主要污染源；据2020年发布的《第二次全国污染源普查公报》，农业面源污染总氮排放量仍占全国污染排放总量的46.52%，其中，种植业排放的总氮占农业面源污染的一半以上，化肥的过量施用是导致我国水体富营养化的主要原因之一。长期过量的氮肥(以下如无特殊说明，均特指无机氮肥)施用使农田土壤酸化情况愈发严重，硝态氮在土壤中大量积累并快速向土壤下层移动，增加了地下水被硝酸盐污染的风险。同时，高浓度的硝酸盐会被蔬菜吸收并积累，食用后会对人体健康造成影响。氮肥的过量施用还会导致其利用率降低，未被作物利用的大部分氮素随地表径流进入湖泊等水体中，造成水体富营养化，严重威胁生态环境。巨晓棠等研究表明，全国过量施氮面积约占总播种面积的20%，尤其是在蔬菜和果树等作物上，过量施氮现象还相当普遍。黄倩楠等也提出，在我国的主要种植区，中低产农户仍存在较为严重的氮肥过量施用的问题。

2015年，国家明确了化肥农药减施的政策导向，要求到2020年实现全国化肥使用量零增长。随着相关政策的推进，2018年，我国已经实现了化肥使用量的零增长；2019年，我国化肥使用量负增长。但与发达国家相比，我国的化肥利用率仍然不高，种植业仍然存在着较大的化肥减施空间。2021年，农业农村部开始推动农业生产方式的全面绿色转型，推行定额施肥，构建绿色种植制度。在此背景下，急需明确我国粮食主产区，尤其是以省域为单位的氮肥施用现状与需氮量，为未来确定各区域甚至各省份的定额施肥指标提供参考。

东北三省(黑龙江、吉林、辽宁)是我国农业资源禀赋最好、粮食增产潜力最大的地区之一。作为全国重要的粮食生产基地，2018年东北三省的粮食产量达到1.33亿t，占全国粮食作物产量的20.26%；氮肥施用总量(折纯，以N计)为196.78万t，仅占全国氮肥施用总量(折纯，以N计)的9.53%。由此推算，东北三省的氮肥施用水平低于全国平均水平。但是，有文献指出，在吉林省梨树县仍有54.1%的农户存在过量施氮的现象。目前，东北三省还需不需要继续进行氮肥减施？如需进行，减施潜力有多大？为了解答上述问题，本文拟从作物养分需求出发，以省域为单位，根据作物养分平衡理论评估东北三省种植作物的氮素需求量，并分别对短期、中期和远期情景下的氮肥减施潜力进行分析，以期为有计划、有目的、有依据地制定东北三省种植业化肥减施计划提供数据支撑和参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

东北三省是我国重要的商品粮生产基地，种植的主要农作物包括玉米、小麦、水稻、大豆、蔬菜、马铃薯、谷子、甜菜、烟叶、花生、芝麻等。东北三省属寒温带湿润、半湿润气候，冬季气温较低，全年平均积温2 000～3 600 ℃，无霜冻天数130～170 d，夏季气温在20～25 ℃，全年降水量在400～800 mm，且降水量由东向西递减，其中，7—9月的降水量约占全年的60%。

1.2 数据来源

东北三省1987—2018年主要农作物的产量、种植面积、化肥施用量等数据均来源于国家统计局。

通过查阅文献，确定玉米、大豆、甜菜、谷子、烟叶、马铃薯，以及水稻、小麦、蔬菜、花生、芝麻的单位产量(100 kg)氮吸收量(即每形成100 kg产量所需氮量)分别为2.30、7.20、0.480、3.80、3.85、0.500、1.46、2.46、0.432、4.37、5.19 kg。

东北地区近些年多施用高氮复合肥，在计算历年化肥氮投入时，统一简按东北三省施用量较高的复合肥(N 22%，PO10%，KO 20%)中的氮素占比进行折算。

1.3 测算方法

1.3.1 化肥氮素投入

=+×。

(1)

式(1)中：为化肥氮素投入量(折纯，下同)，单位为10t；为当季氮肥(不含复合肥)施用量(折纯)，单位为10t；为当季复合肥施用量(折纯)，单位为10t；为氮素在复合肥中所占比例。

1.3.2 作物需氮量

=∑(×/100)。

(2)

式(2)中：为作物需氮量，本文用作物收获部分(对应于作物产量)含有的氮量来表征，单位为10t；为当年作物的产量，单位为10t；为作物的单位产量氮吸收量。

1.3.3 氮肥利用率

基于平衡法，用氮素输出与输入的比来表示氮肥利用率。

因东北地区目前已实现秸秆全量还田，故本研究中的氮素输出仅考虑作物经收获移出的氮量，即作物收获部分含有的氮，也就是作物需氮量，而不考虑秸秆还田部分含有的氮。

目前，东北三省的有机肥投入还不普及，且用量也不高。以黑龙江为例，据相关报道，2018年黑龙江省计划施入有机肥1 600万t，因不明确其中的氮素占比，暂以这些有机肥全部为猪粪有机肥，氮含量在0.3%～0.5%计，则经由有机肥投入的氮素数量在4.8万～8万t，而当年黑龙江省的化肥氮素投入量在116.5万t，两者差异悬殊。另外，目前也缺乏准确的有机肥施用数据。综合考虑，本研究在测算氮肥利用率时暂忽略有机肥的氮素投入，仅考虑经由氮肥投入的氮素。

由此，可得本研究中氮肥利用率的测算公式为

=。

(3)

式(3)中：为氮肥利用率。>120%，表示土壤氮素严重耗竭；90%<≤120%，表示存在土壤肥力降低的风险；65%<≤90%，表示土壤、环境处于平衡状态；30%<≤65%，表示土壤存在氮流失风险；≤30%，表示环境存在很高的氮流失风险。

1.3.4 化肥氮素减施空间

=(-×)×100。

(4)

式(4)中：为化肥氮素减施空间；为情景下作物需氮量中来自化肥的比例；为氮肥利用率，根据相关文献，本文在各种情景下均将其统一设置为39.2%。

1.4 情景模式分析

1.4.1 短期情景

短期情景代表1～2 a内在产量保持不变的条件下化肥氮素的减施空间。根据在不同作物上开展的N定位追踪试验，作物需氮量中约30%来自化肥，另外70%来自土壤。因此，本研究设定短期情景下作物需氮量中来自化肥的比例为30%。

1.4.2 中期情景

中期情景代表5 a内在产量保持不变的条件下化肥氮素的减施空间。查阅文献发现，传统的化肥氮素投入量计算方法是用作物需氮量减去土壤供氮量来计算的，很少考虑土壤氮的消耗是怎么补偿的。同时，中期(3～5 a)的氮定位跟踪研究较少。以茶树为例，多年的N跟踪试验结果表明，第3年时肥料氮在新梢氮素复合体中的组成比率可达60%～70%。由于氮肥连年施用，氮素在土壤中得到累积和转化，作物从化肥中吸收氮的比例增高。据此，本研究设定中期情景作物需氮量中来自化肥的比例为60%。

1.4.3 长期情景

未来，我国会走向种养结合的种植模式，在保证畜禽粪便不会带来重金属等环境威胁的前提下，将采用有机肥部分替代化肥。梁元振等的研究表明：有机无机肥配施可明显提高土壤全量和速效养分含量，以30%有机肥+70%无机肥为最佳施肥模式。若将长期情景下作物需氮量中来自肥料的比例仍设定为60%，且其中70%的肥料为化肥，可得长期情景下作物需氮量中来自化肥的比例为42%。

2 结果与分析

2.1 化肥氮素投入

1987—2018年，东北三省的化肥氮素投入量总体呈现上升趋势(图1)。具体地，可以分为4个阶段：(1)1987—1996年，东北三省的化肥氮素投入量快速上升，从133.90万t上升到225.44万t，增长了68.37%，年均增长5.96%；粮食产量从4 755.8万t上升到7 033.28万t，增长47.89%，年均增长约4.44%。也就是说，这一阶段，东北三省化肥氮素投入的增速要快于粮食产量的增速。(2)1997—2006年，东北三省的化肥氮素投入量无明显上升，基本保持在233万t；粮食产量从6 226.3万t上升到8 366.3万t，增长了34.4%，暗示该阶段东北三省的氮肥利用率可能得到了较大幅度的提高。这可能主要得益于该阶段栽培模式、农田管理手段等的优化改进。(3)2007—2014年，东北三省的化肥氮素投入量又开始缓慢上升，从262.21万t提高到339.32万t，增长了29.41%，年均增长3.75%；粮食产量从8 162.92万t提高到13 077.03万t，增长60.20%，突破1亿t大关，年均增速6.96%。由此可知，这一时期，东北三省的粮食产量和肥料利用率均得到了快速提升。(4)2015—2018年，东北三省的化肥氮素投入量开始持续下降，尽管总降幅仅为5.64%，但却标志着东北三省自此正式迈进化肥使用量负增长的时代，年均降幅1.92%；粮食产量从2015年的13 776.49万t提升到2017年13 895.08万t(2018年因干旱较上年减产)。这一时期粮食产量与化肥氮素投入量的一升一降，暗示当地的氮肥利用率在此期间得到进一步提升。

2.2 作物需氮量

以2018年为例，经测算，东北三省的作物需氮量合计为325.07万t，其中，玉米、水稻和大豆的需氮量分别为194.23万、54.75万和52.62万t(表1)，分别占东北三省所有作物需氮量的59.75%、16.84%和16.19%。分省来看：黑龙江省的作物需氮量合计为183.08万t，占东北三省作物需氮量的56.32%，主要种植作物为玉米、水稻和大豆，相应的需氮量分别占黑龙江省所有作物需氮量的50.03%、21.42%和25.87%；吉林省的作物需氮量合计为83.97万t，占东北三省作物需氮量的25.83%，主要种植作物为玉米和水稻，相应的需氮量分别占吉林省所有作物所需量的76.69%和11.24%；辽宁省的作物需氮量合计为58.02万t，占东北三省作物需氮量的17.85%，主要种植作物为玉米、蔬菜和水稻，相应的需氮量分别占辽宁省所有作物需氮量的65.91%、13.79%和10.52%。

2.3 氮肥利用率

以2018年为例，经测算，黑龙江省的氮素输出远大于氮素输入，氮肥利用率高达157.11%(表2)，而吉林省和辽宁省的氮肥利用率分别为69.00%和69.27%。参照相关标准判断，黑龙江省的农业生产会严重耗竭土壤中的氮素，导致土壤肥力下降，而吉林省和辽宁省目前尚处于平衡状态。

图1 东北三省1987—2018年的化肥氮素投入与粮食产量变化Fig.1 Dynamics of nitrogen application rate and grain output in northeast China in 1987-2018

表1 2018年东北三省的作物需氮量

表2 2018年东北三省的氮肥利用率

2.4 化肥氮素减施空间

以2018年为基期，分别对短期、中期、长期情景下，东北三省的化肥氮素减施空间进行模拟。经测算，短期情景下，黑龙江省、吉林省、辽宁省的化肥氮素投入应分别达到140.11万、64.26万、44.40万t，与2018年的实际化肥氮素投入相比，黑龙江省不仅已经没有化肥氮素减施空间，而且还需要补充一定的化肥氮素，否则可能会进一步加剧土壤的养分亏缺，吉林省和辽宁省的化肥氮素减施空间分别为47.19%和46.99%，整个东北三省的化肥氮素减施空间为22.74%(表3)。

在中期情景下，黑龙江省、吉林省和辽宁省的化肥氮素投入应分别达到280.22万、128.52万和88.81万t。与2018年的实际化肥氮素投入相比，三省均无减施空间。吉林省和辽宁省基本处于输入输出平衡状态，可保持施肥量不变；但黑龙江省如长期保持这种状态，可能会对土壤肥力造成严重破坏。

在长期情景下，即使实现了有机肥部分替代化肥，但与2018年的化肥氮素投入相比，黑龙江省仍需增加68.34%的化肥氮素投入，而吉林省和辽宁省则分别有26.07%和25.78%的减施空间。

表3 短期、中期、长期情景下东北三省的化肥氮素减施空间

3 讨论

在本研究中，作物需氮量对氮肥减施潜力起决定性作用，不同作物的单位产量氮吸收量是重要参数之一。在东北三省，种植作物主要为水稻、玉米和大豆。本文在进行相关测算时，采用的是全国通用的水稻、玉米单位产量氮吸收量数据(分别为1.46 kg和2.3 kg)。但有学者指出，寒地水稻、玉米的单位产量氮吸收量分别为1.4 kg和2.27 kg。这说明，同一作物在不同地区的单位产量氮吸收量是存在差异的。本文是在省级尺度上进行的测算，单位产量氮吸收量取值上的细微变化都可能导致本文计算出来的化肥氮素减施潜力出现较大改变；因此，今后应进一步精确量化不同地区作物的单位产量氮吸收量，以使评估结果能够更加精准。

氮肥利用率是影响本文评估结果的重要参数之一，本文采用39.2%的统一取值，但实际上不同作物的氮肥利用率存在很大差异。张福锁等研究表明，全国层面上，玉米、水稻和小麦的氮肥利用率分别为40%、49%和55%，其他作物，如蔬菜作物、油料作物的氮肥利用率存在更大差异。今后，如果可以得到更加精确的县域数据，可重新结合不同作物的氮肥利用率进行细致分析，以使氮肥减施潜力的估算结果更加准确。

另外，本文在测算化肥氮素投入时，复合肥中的氮素比例统一选定为22%。但若按全国市场销量最大的复合肥配方(N 15%，PO15%，KO 15%)来计算，与本文结果相比将有10%左右的误差。但要说明的是，本文估算的数据仍然能够代表研究区的整体施肥现状和减施潜力。

在情景分析中，在不施用有机肥的前提下，短期内(1～2 a)可以减少吉林省和辽宁省的化肥氮素投入，但该情况不可持续发展，长时间持续的话会造成土壤中氮素资源的耗竭。中期情景是基于5 a左右的时间，测算化肥氮素减施空间。基于测算结果，从生态平衡角度讲，东北三省在不施用有机肥的情况下几乎没有化肥氮素的减施空间，尤其是黑龙江省，无论是短期情景还是中期情景，都应当加强对土地质量的保护。

有机肥的适当投入可减少氮肥的施用和损失，提高氮肥利用率和作物产量。任科宇通过对已发表的110篇有关化肥配施有机肥和单独施用化肥的文献数据进行整合分析，发现在全国尺度上化肥配施有机肥(等氮有机替代)与只施用化肥(推荐施氮量)相比，氮肥利用率平均提高3.6%，作物平均增产5.7%，其中，小麦、玉米和水稻的增产率分别为5.6%、7.6%和4.5%，且土壤有机质、全氮含量越低，配施后产量提高的幅度越大。邹文秀等通过在东北黑土区的多年定位试验发现，有机肥的长期使用能够提高黑土区土壤肥力，改善土壤结构，促进作物产量的稳定和提高。有机肥的施用可不同程度地增加土壤中的细菌数量和种类多样性，进而使土壤系统向稳定健康的方向发展。张伟等的研究表明，在黑土区的玉米农田上，有机肥配施化肥，配合免耕秸秆覆盖技术，可减少农田氮素淋溶风险，实现黑土区农业的绿色可持续发展。有机肥部分替代化肥是未来减少化肥投入的重要手段。从长期来看，在精准施肥、机械化，及其他先进生产管理技术的推动下，化学肥料的利用率有望进一步提高。若能同时叠加有机肥配施，吉林省和辽宁省都将有更广阔的化肥氮素减施空间。

当前，黑龙江省粮食作物生产中的氮素输出远高于化肥氮素投入，对此情况若不加以改变，无论是从短期还是从中长期角度来看，黑龙江省都将面临土壤氮素耗竭的问题。近年来，大量研究也发现，我国黑土区的土壤肥力下降明显。曹宁等的研究证实，黑龙江省面临土壤养分的连年亏缺。关硕研究表明，黑龙江垦区土壤肥力下降，耕地质量退化，有机质含量以每年0.1%～0.3%的速度下降，已由过去的9%～12%下降到现在的2%～5%。黑龙江垦区是我国主要的粮食基地，其黑土区的黑土层厚度由过去的60～70 cm下降到现在的20～30 cm，甚至有的地方黑土已经消失，变成黄土。黑龙江省本来拥有大面积的黑土区，其土壤的自然条件要明显优于吉林省和辽宁省，但与吉林省和辽宁省相比，2018年黑龙江省单位耕地面积的粮食产量仅为5.12 t·hm，分别是吉林省和辽宁省的85.8%和98.3%(国家统计局年鉴数据)。因此，在目前条件下，黑土区暂不宜大量削减化肥氮素投入，应搭配有机肥的施用，及时培肥土壤，切实维护好黑土区的土壤肥力，从而有力支持当地农业的可持续发展。