白洋淀流域种植结构及氮盈余的时空变化特征

杨紫薇，尹高飞，赵海璇，朱 聪，马文奇，王佳宝，习 斌，李文超，刘宏斌

白洋淀流域种植结构及氮盈余的时空变化特征

杨紫薇1，尹高飞1，赵海璇1，朱 聪2，马文奇1，王佳宝1，习 斌3，李文超1※，刘宏斌4

(1. 河北农业大学资源与环境科学学院，省部共建华北作物改良与调控国家重点实验室，河北省农田生态环境重点实验室，保定 071000；2. 中国农业科学院农业信息研究所，北京 100081；3. 农业农村部农业生态与资源保护总站，北京 100125； 4. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，农业农村部面源污染控制重点实验室，北京 100081）

针对种植业氮素过量投入造成的流域农业面源污染问题，该研究以白洋淀流域核心区域粮食作物和经济作物为研究对象，以粮经比为种植结构评价指标，从氮素平衡角度考虑，探究白洋淀流域种植结构变化对区域水环境的影响。研究结果显示：1）白洋淀流域种植结构时空变化明显，时间上，研究期内白洋淀流域粮经比总体呈小幅度上升趋势（4.47～5.72）；空间上，距白洋淀淀区距离越大，区域内粮经比越小，临白洋淀区粮经比（15.11～19.23）明显高于白洋淀上游粮经比（2.44～2.64）；2）白洋淀流域种植业氮盈余量时空分异特征明显，时间上，研究期内白洋淀流域种植业氮盈余量总体呈下降趋势（（26.29～18.49）×104t）；空间上，各区域种植业氮盈余量表现为：白洋淀中游（（10.39 ～14.48）×104t）、白洋淀下游（（4.35～7.09）×104t）、临白洋淀（（2.24～2.64）×104t）、白洋淀上游（（1.51～2.58）×104t）；3）白洋淀流域种植业氮盈余强度与粮经比呈显著负相关关系（<0.05），其中，研究期内某一区域粮经比基础值越小，其上升幅度越大，种植业氮盈余强度下降幅度越大；4）通过调控粮经比可明显改变区域内种植业氮盈余强度，如将白洋淀中游粮经比调整到12.13～17.79，其区域内种植业氮盈余强度可由Ⅳ级水平（>220～260 kg/hm2）降低到Ⅱ级水平（≥140～180 kg/hm2）。因此，基于区域种植结构与氮盈余强度的关系，可通过调整种植结构来调控氮盈余强度，从而控制氮盈余量以降低种植业氮素投入的环境风险。研究结果可为白洋淀流域和其他流域种植业氮素污染控制提供科学依据。

作物；氮；种植结构；氮盈余；时空特征；白洋淀流域

0 引 言

种植业氮素过量投入，造成农田氮素大量盈余，并引发向地表水体流失，是流域农业面源污染形成的原因之一[1]。随着社会经济的发展以及人口的增长，对粮食和其他农产品的需求量不断增加，同时，受农业结构调整与农产品市场开放的影响，中国种植结构不断发生变化[2-3]，经历了从“以粮为纲”向“粮经协调发展”的转变，同时也带来了严重的环境代价[4]。氮素是农作物生长必需的营养元素，氮素投入是提高作物产量的重要途径，由于不同作物的氮素利用效率和管理水平不同[5-6]，种植结构会显著影响区域氮素投入及其环境效应[7-9]。因此通过分析流域种植结构及氮素盈余的时空变化特征，研究种植结构变化对环境的影响，可为流域氮素管理及调控提供理论支撑[10]。当前已有部分学者围绕种植结构的环境效应进行了一些研究。刘静等[11]通过研究中国种植业结构调整对化肥施用量的影响发现，蔬菜、瓜果等经济作物的种植面积增加是化肥施用强度高、化肥施用量增长的重要原因。邱乐丰等[12]研究发现，随着浙江省慈溪市种植结构趋于非粮化，菜地取代稻田成为该地区农田氮流失的首要来源（70.90%）。郑田甜等[13]对星云湖流域的研究显示，种植结构改变是该流域种植业面源污染加重的关键因素。甄兰等[14]研究发现，随着传统粮食作物播种面积减少，果树及蔬菜的大面积增加，区域氮盈余强度明显增加。JU等[15]研究发现，山东地区传统小麦玉米种植方式大面积改为大棚蔬菜和果树后，区域种植业氮盈余强度大幅增加，其中大棚蔬菜氮盈余强度（3 327.2 kg/hm2）和果树氮盈余强度（746.4 kg/hm2），分别是传统小麦玉米轮作体系的9.5和2.1倍。ZEBARTH等[16]发现，加拿大Fraser Valley地区传统作物面积的减少以及花卉面积的增加，导致该区域平均氮盈余强度增加4.0 kg/hm2。由此可见，种植结构是种植业及农业面源污染形成的重要原因之一。然而，当前有关种植结构变化与其环境效应响应关系的研究比较缺乏。白洋淀流域所处华北平原，是中国主要的粮食产区，氮素投入量大，氮盈余强度高，农业污染问题严重。雄安新区成立以来，白洋淀流域点源污染逐步得到控制，农业面源污染逐渐成为流域的突出问题，但当前还缺乏系统的农业面源污染治理策略[17]。因此，通过研究白洋淀流域种植结构和氮盈余（表征环境效应）的时空变化特征，探明流域种植结构与其环境效应响应关系具有重要的现实意义，以期为白洋淀流域农业面源污染治理提供科学依据，为其他流域开展相似研究和面源污染治理提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

白洋淀流域是华北平原典型流域，流域内河湖、水库、灌渠众多，农业生产条件优越，农业经济较发达，是中国的粮食主产区。白洋淀流域面积3.12×104km2，包括保定市全部和张家口、石家庄、北京、山西省部分区域。本研究以白洋淀流域核心区保定市和定州市为研究区，研究区共包含5个市辖区、15个县、4个县级市，区域内主要种植的作物为小麦、玉米、果树和蔬菜[18]。

1.2 数据来源

本研究选取2013、2015、2017、2019年研究区内小麦、玉米、果树和蔬菜的相关数据。其中2013、2015和2017年小麦、玉米、果树和蔬菜的面积以及产量来源于《河北省第三次全国农业普查数据核定和相关历史修订汇编》，化肥数据来源于《保定经济年鉴》；2019年小麦、玉米、果树和蔬菜的面积以及产量数据来自《保定经济年鉴》、《河北统计年鉴》和《河北农村统计年鉴》。其他所需数据均主要来源于文献和调研。

1.3 研究方法

1.3.1 研究区域划分

按照距白洋淀淀区的距离，以县/区为基本空间单位，把研究区划分为临白洋淀、白洋淀下游、白洋淀中游和白洋淀上游，其中临白洋淀为距离白洋淀淀区40 km的范围，白洋淀下游为距离白洋淀淀区>40～80 km的范围，白洋淀中游为距离白洋淀淀区>80～120 km的范围，白洋淀上游为距离白洋淀淀区>120 km的范围（图1）。

图1 研究区域划分图

1.3.2 种植结构变化特征分析

参考文献[19]的研究方法，采用粮经比（粮食作物种植面积与经济作物种植面积比值）作为反映种植结构的表征因子。计算研究区内粮食作物（小麦、玉米）种植面积与经济作物（果树、蔬菜）种植面积比值，根据白洋淀流域及空间分区粮经比的时间变化判断2013—2019年种植结构的时空变化特征。

1.3.3 氮素盈余计算方法

采用氮投入环境效应的常用指标氮盈余作为环境效应表征因子，其计算方法参考王激清等[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为农田氮素盈余量，kg；input为农田氮素输入总量，kg；output为农田氮素输出总量，kg；fert为化肥氮量，kg；man为有机肥氮量，kg；seed为种子携入氮量，kg；fix为非共生固氮量，kg；depo为大气沉降带入氮量，kg；irri为灌溉水氮量，kg；straw为秸秆还田氮量，kg；sed为籽粒（果实）中的含氮量，kg；str为作物秸秆带走的氮量，kg；各输入项计算式如下：

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为化肥氮折纯后的施用量，kg；F为复合肥折纯后的施用量，kg；R为复合肥中氮的质量分数，%；M为有机肥施用量，kg；R为有机肥中氮的质量分数，%；t为作物总的种植面积，hm2；e为作物种子的播种量，kg/hm2；q为作物籽粒（果实）氮的质量分数，%；u为作物的非共生固氮量，kg/hm2；d为大气氮干湿沉降量，kg/hm2；n为有效灌溉面积灌溉水携带氮量，kg/hm2；y为作物的经济产量，kg；r为作物的草谷比；w为作物秸秆还田比例，%；z为作物秸秆中的氮的质量分数，小麦为0.65%，玉米为0.92%。

2 结果与分析

2.1 白洋淀流域种植结构时空变化特征

从时间上看，研究期内白洋淀流域粮食作物与经济作物总种植面积呈小幅度下降的趋势，由2013年的106.51×104hm2下降到2019年的102×104hm2；粮经比总体呈上升趋势，由2013年的4.47上升到2019年的5.72，同比升高27.96%，其中2015—2017年上升趋势较明显，升高幅度达25.98%（图2）。不同空间分区内种植结构变化各异。临白洋淀区域总种植面积变化不明显，总体在（14.40～15.73）×104hm2之间；但粮经比变化幅度较大，由研究初期2013年（15.11）到研究期末2019年（19.23），总体上升了27.27%，其中2013—2015年小幅降低（5.82%），2015—2019年大幅度上升（35.14%）（图 2a）。白洋淀下游区域种植面积呈小幅下降趋势，研究初期至研究期末下降了2.66 hm2；粮经比由研究初期的7.42上升到雄安新区成立当年（2017年）的8.45，此后小幅下降到研究期末的8.41（图2b）。白洋淀中游种植面积由研究初期（43.72×104hm2）至研究期末（41.45 ×104hm2）小幅持续下降，但粮经比总体呈明显上升趋势，由研究初期（2.93）至雄安新区成立当年（4.29）上升了46.42%，之后至研究期末（4.21）出现小幅下降，整个研究期粮经比总体上升43.69%（图2c）。白洋淀上游种植面积与粮经比均未出现明显变化，种植面积由研究初期至期末仅下降2.21%，粮经比则小幅上升了8.20%（图2d）。

注：临白洋淀为距离白洋淀淀区40 km的范围；白洋淀下游为距离白洋淀淀区>40～80 km的范围；白洋淀中游为距离白洋淀淀区>80～120 km的范围；白洋淀上游为距离白洋淀淀区>120 km的范围。下同。

从空间上看，4个空间分区种植面积从大到小依次为白洋淀中游（（41.45～43.72）×104hm2）、白洋淀下游（（35.79～38.45）×104hm2）、临白洋淀区（（14.4～15.73）×104hm2）、白洋淀上游（（9.72～9.94）×104hm2）。粮经比空间分布从大到小为临白洋淀区（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，各空间分区粮经比上升幅度从大到小为白洋淀中游（43.69%）、临白洋淀区（27.27%）、白洋淀下游（13.34%）、白洋淀上游（8.20%）。

2.2 白洋淀流域种植业氮素盈余时空特征

2.2.1 化肥氮施用量时空特征分析

从时间上来看，研究期内各空间分区不同作物单位面积化肥施氮量均呈下降趋势（表1）。其中，临白洋淀区小麦化肥氮施用强度最大（281.99～311.22 kg/hm2），玉米化肥氮施用强度最小（134.89～145.48 kg/hm2），蔬菜化肥氮施用强度（173.39～250.39 kg/hm2）和果树化肥氮施用强度（185.46～246.15 kg/hm2）相对较小。小麦化肥施氮强度大，果树蔬菜化肥施氮强度小，主要是因为该区农田基础设施依然薄弱，农业生产经营方式主要依靠资源消耗的粗放经营，果蔬缺口大，果树蔬菜种植面积极少，农业管理不善，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强度为果树（421.72～533.97 kg/hm2）、蔬菜（271.02～380.46 kg/hm2）、小麦（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强度从大到小为蔬菜（647.83～818.90 kg/hm2）、果树（345.80～396.99 kg/hm2）、小麦（192.41～202.26 kg/hm2）、玉米（152.62～159.26 kg/hm2）。白洋淀上游果树、蔬菜化肥氮施用强度在研究期内下降明显，果树由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，小麦的化肥氮施用强度在研究期为225.88～259.33 kg/hm2，玉米的化肥氮施用强度在研究期为131.06～154.07 kg/hm2。从空间上来看，白洋淀中游蔬菜的化肥氮施用强度明显高于其他区域，白洋淀下游果树的化肥氮施用强度相对较大，临白洋淀区小麦的化肥氮施用强度相对较高，白洋淀上游四种作物的化肥氮施用强度均处于较低水平。

2.2.2 氮盈余强度时空特征分析

从整体来看，研究期内各空间分区氮盈余强度均呈下降趋势（表2），临白洋淀区氮盈余强度从2013年的163.87 kg/hm2下降至2019年的149.21 kg/hm2；白洋淀下游氮盈余强度从2013年的184.48 kg/hm2下降至2019年的121.22 kg/hm2；白洋淀中游氮盈余强度从2013年的329.58 kg/hm2下降至2019年的250.51 kg/hm2；白洋淀上游氮盈余强度从2013年的256.89 kg/hm2下降至2019年的157.60 kg/hm2。

表1 研究区各空间分区化肥施用情况

表2 研究区各空间分区氮盈余强度

为更好的反映各空间分区种植业氮投入环境风险，基于研究期内各空间分区种植业氮盈余强度结果，使用自然间断点分级法将氮盈余强度从低到高划分为6级[18]：Ⅰ级（<140 kg/hm2），Ⅱ级（≥140～180 kg/hm2），Ⅲ级（>180～220 kg/hm2），Ⅳ级（>220～260 kg/hm2），Ⅴ级（>260～300 kg/hm2），Ⅵ级（>300 kg/hm2）。

由图3可知，从时间上来看，研究期内除临白洋淀区氮盈余强度一直处于Ⅱ级水平，其他空间分区种植业氮投入的环境风险均有下降，其中白洋淀下游氮盈余强度由Ⅲ级降至Ⅰ级，白洋淀中游氮盈余强度由Ⅵ级降为Ⅳ级，白洋淀上游氮盈余强度由Ⅳ级降为Ⅱ级。各空间分区种植业氮投入的环境风险空间格局在研究期内也发生了变化，研究前期氮盈余强度由大到小顺序为白洋淀中游、白洋淀上游、白洋淀下游、临白洋淀区，研究后期氮盈余强度逐步变化，由大到小的顺序为白洋淀中游、白洋淀上游、临白洋淀区、白洋淀下游（表2）。至研究期末（2019年），白洋淀下游氮盈余强度最小（Ⅰ级），白洋淀中游氮盈余强度最大（Ⅳ级）。

图3 研究区各空间分区氮素盈余强度分级变化

2.2.3 氮素盈余量时空特征分析

表3为研究区及各空间分区氮素盈余。研究期内白洋淀流域总氮盈余量于雄安新区成立之前呈小幅上升趋势，至雄安新区成立当年（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）种植业氮盈余量较研究初期下降29.67%。临白洋淀区域氮盈余量整体变化不大，雄安新区成立之前，区域种植业氮盈余量小幅上升，雄安新区成立后至研究期末，区域种植业氮盈余量有所下降，但与研究初期相比，仅下降了0.12×104t，研究期内氮盈余量总体降幅为5.08%。白洋淀下游氮盈余量总体呈持续下降趋势，研究初期至研究期末下降了2.74×104t，降低幅度达38.65%。白洋淀中游氮盈余量呈现先上升后下降趋势，由2013年至2015年小幅上升（1.32%），2015年后开始大幅下降，至研究期末下降幅度达28.25%。白洋淀上游氮盈余量在雄安新区成立之前变化不大，至雄安新区成立当年开始明显下降，至研究末期下降了31.98%，总体下降了40.78%。

研究期内，4个空间分区种植业氮盈余量大小顺序为白洋淀中游（（10.39～14.48）×104t）、白洋淀下游（（4.35～7.09）×104t）、临白洋淀区（（2.24～2.64）×104t）、白洋淀上游（（1.51～2.58）×104t）（表 3）。

从种植业氮盈余来源来看，各空间分区氮盈余来源差异明显，其中临白洋淀区氮盈余主要来自小麦（57%～64%），其次为玉米（24%～34%）、蔬菜（4%～11%）和果树（2%～3%）；白洋淀下游氮盈余主要来自小麦（42%～44%），其次为蔬菜（26%～29%）、玉米（17%～25%）、果树（7%～10%）；白洋淀中游氮盈余主要来自蔬菜（38%～56%），其次为果树（19%～26%）、小麦（13%～18%）、玉米（10%～18%）；白洋淀上游氮盈余主要来自果树（35%～55%），其次为玉米（23%～42%），小麦（13%～14%）和蔬菜（8%～9%）贡献较低。此外，部分区域氮盈余来源在研究期内发生了明显变化。其中，白洋淀中游，蔬菜对氮盈余量的贡献由研究初期的56%下降到研究期末的47%，小麦、玉米和果树对氮盈余量的贡献分别增加了2%、6%和1%；白洋淀上游氮盈余来源中，果树的贡献由2013年的55%下降到2019年的35%，玉米的贡献由2013年的23%上升到2019年的42%，小麦和蔬菜的贡献变化不明显（表3）。

2.3 氮盈余强度与种植结构的响应关系

图4为白洋淀流域种植业氮盈余强度与粮经比响应关系。研究期内，白洋淀流域粮经比在2.44～19.23之间变化，种植业氮盈余强度出现121.22～336.15 kg/hm2的波动变化。种植结构是影响区域种植业氮盈余的关键因子，从整体来看，白洋淀流域氮盈余强度与粮经比呈显著负相关关系（<0.05）。通过调控种植业结构可显著改变区域种植业氮盈余强度，白洋淀流域粮经比每增加1个单位，种植业氮盈余强度可降低7.07 kg/hm2，粮经比由2.44增加至19.23时，流域种植业氮盈余强度降低幅度达47.79%。若将环境风险比较高的白洋淀中游氮盈余强度降至Ⅱ级（≥140～180 kg/hm2），该区域内粮经比需调整为12.13～17.79。

图4 氮盈余强度与粮经比响应关系

3 讨 论

3.1 白洋淀流域种植结构时空特征

本研究发现，研究期内白洋淀流域及各空间分区的粮食作物（小麦、玉米）和经济作物（蔬菜、果树）种植面积整体变化不大，但种植结构空间分异明显，总体呈现距白洋淀淀区越远，粮经比越小的趋势，其中，临白洋淀区域粮经比最大，在15.11～19.23之间，白洋淀上游粮经比最小，在2.44～2.64之间。这主要是因为研究区地处太行山北部东麓、冀中平原西部，地势由西北向东南倾斜，白洋淀中游及白洋淀上游多是山地，部分区域不适宜粮食作物的种植，更适合种植果树等经济作物。研究期内，白洋淀流域粮经比总体呈上升趋势，主要与白洋淀下游和中游经济作物明显减少有关。临白洋淀虽然粮经比增长数值最大，但白洋淀中游粮经比上升幅度最大，这主要是因为临白洋淀区域2013年的粮经比基础值较白洋淀中游更大。

3.2 白洋淀流域氮素盈余时空特征

白洋淀流域各空间分区在研究期内的氮盈余强度总体呈现较为明显的下降趋势，但不同空间分区的氮盈余强度及来源存在明显差异。从整体看，白洋淀中游种植业氮盈余强度最大，这主要是因为该区域蔬菜种植面积大，化肥施用强度高。同时，蔬菜是该区域种植业氮盈余的主要来源，研究初期蔬菜对该区域氮盈余量的贡献达56%，虽然至研究期末其贡献有所下降，但贡献仍达47%。其中，作为该区域蔬菜氮素主要输入来源的化肥施氮量为714.24 kg/hm2，是李书田等[23]推荐施氮量最高值的2.46倍。

白洋淀上游种植业氮盈余强度相对较大，其中果树和玉米为该区域氮盈余的主要来源。研究期内，该区域氮盈余强度大幅下降的原因与果树有关。研究初期果树对该区域氮盈余量的贡献为55%，至研究期末其贡献下降至35%，这主要与其化肥施氮量下降有关。果树化肥施氮量由2013年的329.85 kg/hm2下降到了2019年的136.19 kg/hm2，且远低于河北省果树平均化肥施氮量（438 kg/hm2）[24]。同时，玉米对种植业氮盈余量的贡献由研究初期的23%上升到期末的42%，但该区域玉米施氮量为131.06 kg/hm2，低于巨晓棠等[25]研究的华北平原玉米平均适宜施氮量（170～190 kg/hm2）。研究期内，白洋淀下游和临白洋淀区域，氮素盈余强度均处于较低水平，对白洋淀的环境影响较小。白洋淀下游虽然种植面积较大，但小麦玉米是主要种植作物，粮经比较高，种植业氮盈余强度总体较低，同时呈现不断下降的趋势，尤其自2017年雄安新区成立以来，该区域的种植业氮盈余强度由Ⅱ级水平下降到2019年的Ⅰ级水平。临白洋淀区域虽然整体盈余强度处于较低水平，但研究期末其区域内小麦氮盈余强度较高（208.64 kg/hm2），化肥施氮量（281.99 kg/hm2）也远超华北平原小麦平均适宜施氮量（150～180 kg/hm2）。由于临白洋淀区域对白洋淀淀区水质的影响更为直接，这一区域也是全流域养分管理的重点区域。《河北雄安新区农业产业结构调整专项规划（2021—2025）》中指出目前雄安新区农业生产经营方式还相对粗放，依靠资源消耗的粗放经营方式仍未根本改变，过度施肥现象仍然存在[22]，小麦氮盈余强度较高主要与此有关。因此，可通过高标准农田建设、增加秸秆还田和优化施肥方式[26-27]进一步降低氮盈余。

3.3 种植结构与环境之间的关系

白洋淀流域氮盈余与其粮经比有着一定的响应关系。研究期内，各研究分区粮经比总体呈上升趋势，氮盈余量与氮盈余强度均呈明显下降趋势，氮盈余强度可反映出区域种植业氮污染风险[28-29]，由于各空间分区种植面积无明显变化，氮盈余量的变化则主要取决于氮盈余强度的变化。从氮盈余强度与粮经比的关系可以看出，粮经比越大氮盈余强度越小。

4个空间分区中氮盈余强度变化最大的区域为白洋淀上游，氮盈余强度由2013年的256.89 kg/hm2下降到2019年的157.60 kg/hm2，下降了99.29 kg/hm2。以上结果除与该区域果树化肥施氮量大幅减少有关外，还与种植面积少、粮经比基础值小（2.44）和粮经比上升有关；与白洋淀上游相比，白洋淀中游氮盈余强度下降幅度次之，氮盈余强度由2013年的329.58 kg/hm2下降到2019年的250.51 kg/hm2，下降了79.07 kg/hm2，其原因主要是该区域粮经比基础值小（2.93），且研究期内粮经比上升幅度大（43.69%）。白洋淀下游氮盈余强度下降也较大，氮盈余强度由2013年的184.48 kg/hm2下降至2019年的121.22 kg/hm2，下降了63.26 kg/hm2，主要也是因为该区域粮经比基础值相对较小，粮经比小幅度上升（13.34%）。临白洋淀区域虽然粮经比上升趋势较明显（27.27 %），但是氮盈余强度下降幅度却较小（平均每公顷下降了14.66 kg），其原因主要是该区域种植面积较小，且粮经比基础值大，经济作物种植面积过小，虽然粮经比上升幅度较大，但对氮盈余强度变化影响不大。《河北雄安新区农业产业结构调整专项规划（2021—2025）》指出，目前雄安新区粮食供给大于需求，果蔬供给仍有缺口。随着雄安新区的发展，人口增长将会加速，粮食供给虽然可以满足需求，但果蔬缺口将达到15×104t。因此，就临白洋淀区域而言，鉴于该区域氮盈余强度较低，可以适当增加果树蔬菜的种植面积，提高果树蔬菜产量。由此可见，种植结构变化对区域氮盈余有着重要的影响，其中，粮经比是决定区域氮盈余的重要因子。因此，可适当通过增加小麦玉米种植面积，减少蔬菜果树种植面积来调控粮经比，以达到减少种植业污染的目标。《白洋淀生态环境治理条例》也提到，白洋淀流域各级人民政府应当加强对生态环境的治理和保护，优化农业种植结构，组织开展面源污染治理[30]。

白洋淀流域各个区域的氮盈余强度在研究期内虽然下降趋势明显，但对比赵海璇等[18]对白洋淀流域未利用氮强度进行的分级情况，2019年白洋淀中游种植业氮盈余强度（250.51 kg/hm2）仍处于高水平（224.56～360.26 kg/hm2）。对比赵海璇等[18]盈余强度分级标准，本研究划分的氮盈余强度Ⅱ级（≥140～180 kg/hm2）处于低水平范围，流域环境风险较小，因此，把种植业氮盈余强度Ⅱ级作为调控目标，若使白洋淀中游种植业氮盈余强度处于Ⅱ级水平，白洋淀中游粮经比需调整为12.13～17.79。

4 结 论

本文研究了雄安新区成立前后白洋淀流域种植结构及种植业氮盈余的时空变化情况，并在此基础上探究了两者之间的关系，研究结果表明：

1）白洋淀流域内种植结构时空变化明显，在时间上，粮经比总体呈小幅度上升趋势；在空间上，粮经比随着距白洋淀淀区距离的增加呈大幅度下降趋势。

2）白洋淀流域氮盈余量及氮盈余强度总体呈下降趋势，但不同空间分区氮盈余变化存在差异。白洋淀上游氮盈余量下降幅度最大（40.78%），果树是白洋淀上游氮盈余的主要来源（35%～55%）。临白洋淀区域氮盈余量整体下降幅度最小（5.08%）。空间上，白洋淀中游在研究期内氮盈余量（（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，临白洋淀、白洋淀下游和白洋淀上游区域氮盈余强度全部处于环境风险较低的Ⅱ级水平以内。白洋淀中游粮经比小（4.29），至2019年，其种植业氮盈余强度仍处于风险较高的Ⅳ级（>220～260 kg/hm2）水平。

4）种植业氮盈余强度与种植结构呈显著负相关关系。在一定时期内，粮经比基础值越小，其上升幅度越大，氮盈余量则下降幅度越大。通过调整种植结构来调控氮盈余量是防控种植业污染的重要手段。

[1] 李文超，翟丽梅，刘宏斌，等. 流域磷素面源污染产生与输移空间分异特征[J]. 中国环境科学，2017，37(2)：711-719. LI Wenchao, ZHAI Limei, LIU Hongbin, et al. Contrasting spatial distribution of the emission and export of phosphorus loss from a typical watershed in Yunnan Plateau Lakes Area[J]. China Environmental Science, 2017, 37(2): 711-719. (in Chinese with English abstract)

[2] 张雅芳，郭英，沈彦俊，等. 华北平原种植结构变化对农业需水的影响[J]. 中国生态农业学报，2020，28(1)：8-16. ZHANG Yafang, GUO Ying, SHEN Yanjun, et al. Impact of planting structure changes on agricultural water requirement in North China Plain[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2020, 28(1): 8-16. (in Chinese with English abstract)

[3] 蒋凌霄，安悦，谭雪兰，等. 近30年来长株潭地区农作物种植结构演变及优化对策[J]. 经济地理，2020，40(1)：173-180. JIANG Lingxiao, AN Yue, TAN Xuelan, et al. Temporal and spatial evolution and optimized countermeasure of crop planting structure in the Changsha-Zhuzhou-Xiangtan area in recent 30 Years[J]. Economic Geography, 2020, 40(1): 173-180. (in Chinese with English abstract)

[4] 闵炬，纪荣婷，王霞，等. 太湖地区种植结构及农田氮磷流失负荷变化[J]. 中国生态农业学报，2020，28(8)：1230-1238. MIN Ju, JI Rongting, WANG Xia, et al. Changes in planting structure and nitrogen and phosphorus loss loads of farmland in Taihu Lake region[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2020, 28(8): 1230-1238. (in Chinese with English abstract)

[5] 陈世超，刘文丰，杜太生. 基于水氮管理与种植结构优化的作物丰产高效管理策略[J]. 农业工程学报，2022，38(16)：144-152. CHEN Shichao, LIU Wenfeng, DU Taisheng. Achieving high-yield and high-efficient management strategy based on optimized irrigation and nitrogen fertilization management and planting structure[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(16): 144-152. (in Chinese with English abstract)

[6] 邱建军，李虎，王立刚. 中国农田施氮水平与土壤氮平衡的模拟研究[J]. 农业工程学报，2008，24(8)：40-44. QIU Jianjun, LI Hu, WANG Ligang. Simulation of nitrogen level and balance in cropland in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2008, 24(8): 40-44. (in Chinese with English abstract)

[7] 武良，张卫峰，陈新平，等. 中国农田氮肥投入和生产效率[J]. 中国土壤与肥料，2016，11(4)：76-83. WU Liang, ZHANG Weifeng, CHEN Xinping, et al. Nitrogen fertilizer input and nitrogen use efficiency in Chinese farmland[J]. 2016, 11(4): 76-83. (in Chinese with English abstract)

[8] 朱兆良. 中国土壤氮素研究[J]. 土壤学报，2008，45(5)：778-783. ZHU Zhaoliang. Research on soil nitrogen in China[J]. Acta Pedologica Sinica, 2008, 45(5): 778-783. (in Chinese with English abstract)

[9] 吉艳芝，徐明杰，巨晓棠，等. 华北平原不同种植制度对粮食作物氮素利用和土壤氮库的影响[J]. 农业工程学报，2020，36(19)：86-96. JI Yanzhi, XU Mingjie, JU Xiaotang, et al. Effects of different cropping systems on food crop nitrogen utilization and soil nitrogen pool in North China Plain[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(19): 86-96. (in Chinese with English abstract)

[10] 张微微，李红，孙丹峰，等. 怀柔水库上游农业氮磷污染负荷变化[J]. 农业工程学报，2013，29(24)：124-131. ZHANG Weiwei, LI Hong, SUN Danfeng, et al. Pollution loads variation of agricultural source in upstream of Huairou Reservoir[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(24): 124-131. (in Chinese with English abstract)

[11] 刘静，连煜阳. 种植业结构调整对化肥施用量的影响[J].农业环境科学学报，2019，38(11)：2544-2552. LIU Jing, LIAN Yuyang. Effect of planting structure adjustment on chemical fertilizer applications in China[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2019, 38(11): 2544-2552. (in Chinese with English abstract)

[12] 邱乐丰，张玲，徐保根，等. 种植结构非粮化对农田氮磷流失负荷的影响[J]. 浙江农业学报，2022，34(9)：1995-2003. QIU Lefeng, ZHANG Ling, XIU Baogen, et al. Effect of non-grain transition of agricultural planting structure on nitrogen and phosphorus loss from cultivated farmland[J]. Acta Agriculturae Zhejiangensis, 2022, 34(9): 1995-2003. (in Chinese with English abstract)

[13] 郑田甜，赵筱青，顾泽贤，等. 基于种植业面源污染控制的星云湖流域种植业结构优化[J]. 生态与农村环境学报，2019，35(12)：1550-1556. ZHENG Tiantian, ZHAO Xiaoqing, GU Zexian, et al. Optimization of planting structure in Xingyun Lake Basin based on planting non-point source pollution control[J]. Journal of Ecology and Rural Environment, 2019, 35(12): 1550-1556. (in Chinese with English abstract)

[14] 甄兰，崔振岭，陈新平，等. 25年来种植业结构调整驱动的县域养分平衡状况的变化-以山东惠民县为例[J]．植物营养与肥料学报，2007，13(2)：213-222. ZHEN Lan, CUI Zhenling, CHENG Xinping, et al. The changes of nutrient balances driven by adjusting crop structure at county level during 25 years-a case study in Huimin county, Shandong Province[J].(in Chinese with English abstract)

[15] JU X T, KOU C L, ZHANG F S, CHRISTIE P, et al. Nitrogen balance and groundwater nitrate contamination: Comparison among three intensive cropping systems on the North China Plain[J]. Environmental Pollution, 2006, 143(1)117-125.

[16] ZEBARTH B J, PAUL J W, VAN K R, et al. The effect of nitrogen management in agricultural production on water and air quality: Evaluation on a regional scale[J]. Agriculture Ecosystems & Environment, 1999, 72(1)35-52.

[17] 刘鑫，史斌，孟晶，等. 白洋淀水体富营养化和沉积物污染时空变化特征[J]. 环境科学，2020，41(5)：2127-2136. LIU Xin, SHI Bin, MENG Jing, et al. Spatio-temporal variations in the characteristics of water eutrophication and sediment pollution in Baiyangdian Lake[J]. Environmental Science, 2020, 41(5): 2127-2136. (in Chinese with English abstract)

[18] 赵海璇，张亦涛，李文超，等. 白洋淀流域核心区农牧系统未利用氮量及空间分布[J]. 中国农业科学，2023，59(1)：118-128. ZHAO Haixuan, ZHANG Yitao, LI Wenchao, et al. Spatial characteristic and its factors of nitrogen surplus of crop and livestock production in the core area of the Baiyangdian Basin[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2023, 59(1)118-128. (in Chinese with English abstract)

[19] 安悦，谭雪兰，谭杰扬，等. 湖南省农作物种植结构演变及影响因素[J]. 经济地理，2021，41(2)：156-166. AN Yue, TAN Xuelan, TAN Jieyang, et al. Evolution of crop planting structure in traditional areas and its influence factors: a case study in Hunan province[J]. Economic Geography, 2021, 41(2): 156-166. (in Chinese with English abstract)

[20] 王激清，马文奇，江荣风，等. 中国农田生态系统氮素平衡模型的建立及其应用[J]. 农业工程学报，2007，23(8)：210-215. WANG Jiqing, MA Wenqi, JIANG Rongfeng, et al. envelopment and application of nitrogen balance model of agro-ecosystem in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2007, 23(8)210-215. (in Chinese with English abstract)

[21] 万炜，师纪博，刘忠，等. 栖霞市苹果园氮磷养分平衡及环境风险评价[J]. 农业工程学报，2020，36(4)：211-219. WAN Wei, SHI Jibo, LIU Zhong, et al. Nitrogen and phosphorus nutrient balance and environmental risk assessment of apple orchard in Qixia city[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(4): 211-219. (in Chinese with English abstract)

[22] 苑立立. 一心引领、两带联动、三区协调[N]. 河北日报，2021-08-10(5).

[23] 李书田，刘晓永，何萍. 当前我国农业生产中的养分需求分析[J]. 植物营养与肥料学报，2017，23(6)：1416-1432. LI Shutian, LIU Xiaoyong, HE Ping. Analyses on nutrient requirements in current agriculture production in China[J].(in Chinese with English abstract)

[24] 卢树昌，陈清，张福锁，等. 河北省果园氮素投入特点及其土壤氮素负荷分析[J]. 植物营养与肥料学报，2008，14(5)：858-865. LU Shuchang, CHEN Qing, ZHANG Fusuo, et al. Analysis of nitrogen input and soil nitrogen load in orchards of Hebei province[J].(in Chinese with English abstract)

[25] 巨晓棠，谷保静. 我国农田氮肥施用现状、问题及趋势[J]. 植物营养与肥料学报，2014，20(4)：783-795. JU Xiaotang, GU Baojing. Status-quo, problem and trend of nitrogen fertilization in China[J].(in Chinese with English abstract)

[26] 盖霞普，刘宏斌，翟丽梅，等. 长期增施有机肥/秸秆还田对氮素淋湿风险的影响[J]. 中国农业科学，2018，51(12)：2336-2347. GAI Xiapu, LIU Hongbin, ZHAI Limei, et al. Effects of long-term additional application of organic manure or straw incorporation on soil nitrogen leaching risk[J]. Scientia Aaricultura Sinica, 2018, 51(12)2336-2347. (in Chinese with English abstract)

[27] 李越，李根东，陈志君，等. 基于氮收支平衡的河套灌区春小麦农田灌溉和施氮策略[J]. 农业工程学报，2022，38(17)：61-72. LI Yue, LI Gendong, CHEN Zhijun, et al. Irrigation and N application strategies for spring wheat fields in the Hetao irrigation district based on N balance[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(17): 61-72. (in Chinese with English abstract)

[28] 田冕，杨秉臻，金涛，等. 江苏省农田氮素平衡的时空变化特征分析[J]. 中国农业资源与区划，2018，39(12)：146-151. TIAN Mian, YANG Bingzhen, JIN Tao, et al. Spatial-temporal variation characteristics of nitrogen balance in farmland inJiangsu Province[J]. Chinese Society of Agricultural Resources and Regional Planning, 2018, 39(12): 146-151. (in Chinese with English abstract)

[29] 徐昔保，杨桂山，李恒鹏. 三峡库区1980—2005年农业用地氮平衡时空变化研究[J]. 环境科学，2009，30(8)：2227-2233. XU Xibao, YANG Guishan, LI Hengpeng. Spatio-temporal changes of nitrogen balance in1980-2005 for agricultural land in Three Gorges Reservoir Area[J]. Environmental Science, 2009, 30(8): 2227-2233. (in Chinese with English abstract)

[30] 高星，杨刘婉青，李晨曦，等 .模拟多情景下白洋淀流域土地利用变化及生态系统服务价值的空间响应[J].生态学报，2021，41(20)：7974-7988. GAO Xing, YANG Liuwanqing, LI Chenxi. Land use change and ecosystem service value measurement in Baiyangdian Basin under the simulated multiple scenarios[J]. Acta Ecologica Sinica, 2021, 41(20): 7947-7988. (in Chinese with English abstract)

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

杨紫薇，尹高飞，赵海璇，等. 白洋淀流域种植结构及氮盈余的时空变化特征[J]. 农业工程学报，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

河北省教育厅科学技术研究项目（BJ2021026）；河北省引进留学人员资助项目（C20200330）；华北作物改良与调控国家重点实验室自主课题项目（NCCIR2021ZZ-20）；河北省水环境科学实验室开放课题项目（HBSHJ202107）；国家重点研发计划项目（2021YFE0101900）；国家自然科学基金项目（42107410）

杨紫薇，研究方向为农业面源污染。Email：3194560264@qq.com

李文超，博士，副教授，研究方向为农业面源污染。Email：dachao279@126.com