内蒙古河套灌区主要作物农田氮素平衡及潜在污染状况分析

赵巴音那木拉，路战远，李斐*，红梅，杨海波，德海山，包明哲

（1.内蒙古农业大学草原与资源环境学院，呼和浩特 010018；2.内蒙古自治区土壤质量与养分资源重点实验室，呼和浩特 010018；3.农业生态安全与绿色发展自治区高等学校重点实验室，呼和浩特 010018；4.内蒙古自治区农牧业科学院，呼和浩特 010031）

化肥作为作物的“粮食”，对作物产量的提高发挥了巨大作用[1]。氮肥是农田化肥的重要组成部分，我国农田化肥投入中氮肥占比较大，施用强度远高于世界平均水平[2]，然而氮肥利用率却仅有30%左右[3-4]。

黄河流域内的内蒙古河套灌区是我国的主要粮食生产区，主要种植向日葵和玉米，其播种面积占总播种面积的70%以上。近年来，河套灌区过量施用氮肥和粗放的灌溉方式已经引起了一系列的环境污染问题，因此，学者们在河套灌区主要作物农田氮素管理、损失规律与阻控措施等方面开展了大量的研究[5-7]，并取得了良好的经济效益和环境效益。李哲[8]对河套灌区玉米的研究表明，在传统灌溉基础上减少20%灌水量和施氮肥216 kg·hm-2，能最大限度提高玉米氮素吸收、降低土壤中硝态氮残留、减少环境中NH3和N2O 排放。氮肥用量介于216~270 kg·hm-2之间时对玉米各生长指标的促进作用效果最佳，超过270 kg·hm-2时，玉米氮素积累增加效果不明显甚至产生抑制作用，并且氮素损失增加；戴嘉璐等[9]的研究也表明，在当地传统灌水量3 375 m3和施氮量600 kg·hm-2的基础上，灌水量减少20%和氮肥用量减少50%后玉米产量没有显著变化，但是土壤中的硝态氮累计量减少23.2%，从而提高了肥料利用率，降低了淋失污染风险。郭富强[10]对河套灌区向日葵的研究表明，在当地常规灌水与施氮的基础上节水节氮20%，向日葵产量可提高16%，氮肥利用率提高36%，而且明显减少了氮素淋失量。因此，过多的投入和粗放的灌溉方式不仅浪费资源，还会加大环境压力。

但是，目前河套灌区农户作物种植过程氮肥施用量远超作物最佳施用量[10-11]，生长期未被利用的大量氮肥，一部分损失到环境中，加剧了环境污染，另一部分残留在土壤中，增加了污染风险。特别是河套灌区多年存在的“秋浇”习惯，大量的灌溉不仅将盐分淋洗到更深土层，而且还将残留在土壤中的硝酸盐淋洗到根层以下，甚至浅层地下水。已有研究表明，在当前的耕作制度及秋浇定额下，河套灌区每年损失的氮约2.6×107kg[12]，这不仅降低了氮肥的利用率，还提高了环境污染风险。目前的研究大部分只是小区域尺度上的研究，并且农作物单一，而从不同作物生长环境氮素平衡的角度和区域尺度分析氮素盈余及环境污染风险的研究鲜见报道。

因此，本研究通过大量问卷调查、实地采样及对试验数据及相关研究结果进行综合分析，明确内蒙古河套灌区主要农作物——玉米和向日葵当季土壤氮素残留特性及地区差异性，并采用氮素平衡定量化分析该地区的氮素污染风险，以期为该地区的农田氮素管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

内蒙古河套灌区主要分布在巴彦淖尔市内，位于40°19'~41°18'N，106°20'~109°19'E，海拔990~1 060 m 之间，现有灌溉面积55.83 万hm2，是中国设计灌溉面积最大的灌区。该地区属于温带大陆性气候，年均气温7 ℃，年降水量139~222 mm，年蒸发量2 200~2 400 mm，全年封冻期5~6 个月，无霜期135~150 d。耕地土壤长期受人为活动的影响，形成了灌淤土和盐土为主的土壤类型。研究区主要作物为向日葵和玉米，其占总播种面积的72%（2020 年），耕作方式为单种和套种。

1.2 试验方法

1.2.1 研究方法

试验于2020 年3 月作物播种前和9 月作物收获后进行（秋浇前），在内蒙古河套灌区选择农作物播种面积较大的乌拉特前旗、五原县、杭锦后旗3 个旗县，以旗（县）域内主要种植作物玉米和向日葵为研究对象，采用分区、GPS 定点、随机抽样调查的方法，对玉米和向日葵种植户进行入户调查及实地土样采集。调查内容包括种植户基本信息、播种量、前茬作物、播种日期、化肥用量、施肥方式、化肥种类、灌溉时期、灌溉方式、灌溉量、作物种植面积及产量。

1.2.2 样品采集与测定

调查田块采用蛇形采样方法取10 个点的混合土壤样品，重复3 次，取样深度为0~30、30~60、60~90 cm 3 个土层，每个旗县选择5 个田块以30 cm 为分段取0~210 cm 深度的土壤样品。玉米共选取41 个田块，向日葵共选取42 个田块。将每个田块所取的每层土壤样品分别混匀，带回实验室过2 mm 筛，用天平称10 g新鲜土样，放入塑料瓶中，加入50 mL 2 mol·L-1的氯化钾溶液，振荡30 min，过滤，用连续流动分析仪（AA3）测定土壤中铵态氮和硝态氮含量。

1.3 计算方法

输入氮（kg·hm-2）：

化肥氮输入=化肥氮施用量×肥料含氮量。

灌溉水输入氮=灌溉水中全氮含量（mg·L-1）×年灌溉用水量（m3·hm-2）×10-3，根据调查数据和已有的文献报道，河套灌区作物生育期灌溉水量约为3 000 m3·hm-2，含氮量为2.42 mg·L-1[13-15]，计算灌溉水输入氮为7.26 kg·hm-2。

种子输入氮=播种量（kg）×干质量与鲜质量比例系数（0.88）×作物干质量含氮量，根据笔者试验测定玉米和向日葵籽粒平均含氮量分别为1.45%、4.48%，计算出种子输入氮分别为0.29、0.12 kg·hm-2。

干湿沉降输入氮，根据以往的研究报道估算[16]，内蒙古地区每年干湿沉降氮平均为14.7 kg·hm-2。

非共生固氮，由于河套灌区该指标研究较少，参考已有研究[17]，估算为15 kg·hm-2。

输出氮（kg·hm-2）：

收获带走氮=产量/100×2.03（4.19），根据大量的文献资料报道，玉米和向日葵每生产100 kg需要纯氮2.03、4.19 kg。河套灌区玉米和向日葵产量为12 000~15 000 kg·hm-2和3 300~3 600 kg·hm-2，以13 750 kg·hm-2和3 500 kg·hm-2来计算收获带走的氮量。经前期调查数据显示，农户秸秆还田比例较低，暂不考虑秸秆输入土壤中的氮含量[18-22]。

土壤残留氮=作物收获前后土壤无机氮增量（mg·kg-1）×面积（hm2）×土层深度（cm）×容重（g·cm-3）/10，0~30、30~60、60~90 cm 土层容重分别按1.44、1.38、1.36 g·cm-3计算[23]。

氮素损失，根据笔者近几年试验研究数据和文献资料报道，本研究以玉米田土壤氨挥发20 kg·hm-2、反硝化作用损失3 kg·hm-2和氮素淋失60 kg·hm-2，向日葵田土壤氨挥发35 kg·hm-2、反硝化作用损失3 kg·hm-2和氮素淋失25 kg·hm-2来计算河套灌区氮素损失量[7，12，14，24]。

氮盈余=化肥氮输入+灌溉输入氮+种子输入氮+干湿沉降输入氮+非共生固氮-收获带走氮。

潜在损失氮=氮盈余-土壤残留无机氮（0~90 cm土体残留量）。

2 结果与分析

2.1 河套灌区主要种植作物化肥氮投入

据调查，2020 年河套灌区作物总播种面积为76.78 万hm2，其中玉米28.78 万hm2、向日葵326.53 万hm2，占总播种面积的72%。

从化肥投入情况来看（图1），氮肥投入与作物需肥规律和产量有直接的关系，河套灌区玉米田氮肥投入量较高，平均为477.56 kg·hm-2，向日葵为277.65 kg·hm-2；五原县玉米和向日葵氮肥投入量最高，达510.20、308.83 kg·hm-2，其次为乌拉特前旗。这可能与不同区域农户的氮肥习惯用量有关。

图1 不同旗县氮肥平均投入量Figure 1 Average nitrogen fertilizer input in different counties

2.2 河套灌区主要作物土壤无机氮残留分布特征

由图2 和图3 可知，河套灌区内不同作物种植地块施氮量和土壤无机氮残留量有所差异，玉米和向日葵种植地块平均施氮量分别为477.56、277.65 kg·hm-2，平均无机氮残留量（0~90 cm）分别为66.11、45.53 kg·hm-2。由玉米田土壤无机氮残留量空间分布情况发现，河套灌区中部五原县和东部乌拉特前旗的玉米田土壤无机氮残留量较高，最高值出现在隆兴昌镇宏伟村，达336.93 kg·hm-2，占施氮量的61.7%，而西部杭锦后旗相对较低。由向日葵田土壤无机氮残留量空间分布情况发现，东部乌拉特前旗向日葵田土壤无机氮残留量较高，最高值出现在西小召镇槐木村，达273.66 kg·hm-2，而中部五原县和西部杭锦后旗无机氮残留量较低。由此可见，不同作物、不同地块土壤无机氮残留量差异较大，且土壤无机氮残留量高的地块，相应的氮肥施用量高。

图2 河套灌区玉米田施氮量与土壤无机氮残留量空间分布Figure 2 Spatial distribution of maize fields nitrogen fertilizer application amount and soil inorganic nitrogen residue in Hetao Irrigation area

图3 河套灌区向日葵田施氮量与土壤无机氮残留量空间分布Figure 3 Spatial distribution of sunflower fields nitrogen fertilizer application amount and soil inorganic nitrogen residue in Hetao Irrigation area

2.3 河套灌区主要作物不同土层无机氮残留量分布

由河套灌区玉米田和向日葵田0~90 cm 土体无机氮残留量可知（图4）：玉米田平均氮残留量为66.11 kg·hm-2，其中五原县最高，达99.77 kg·hm-2，其次为乌拉特前旗，为59.0 kg·hm-2；向日葵田平均氮残留量为45.53 kg·hm-2，乌拉特前旗最高，达60.94 kg·hm-2，其次为五原县，为45.17 kg·hm-2。

图4 河套灌区玉米和向日葵不同土层无机氮残留量Figure 4 Inorganic nitrogen residue at different soil layers of maize and sunflower fields in Hetao Irrigation area

为了秋后淋盐、春季保墒，河套灌区收获后通常进行秋浇，这会使土壤无机氮更易被淋移至更深层的土壤中。由图4 可知，河套灌区耕层（0~30 cm）土壤无机氮残留量占比较小，耕层以下（30~90 cm）土壤无机氮残留量占比较大，玉米田占69.19%，向日葵占59.86%，相比于向日葵，玉米田秋灌后土壤氮素的淋失风险更大。

2.4 河套灌区主要作物农田氮素盈余

根据上述农田输入和输出氮素的计算方法与土壤无机氮素残留的计算结果（表1），可得农田氮素年输入总量为：玉米田514.81 kg·hm-2，向日葵田314.73 kg·hm-2。每年的氮素输出为作物收获带走和氮素损失，计算得到农田氮素年输出总量为：玉米田362.1 kg·hm-2，向日葵田209.65 kg·hm-2。河套灌区玉米和向日葵农田氮素处于大量盈余状态，年盈余量分别为235.71、168.08 kg·hm-2；年度土壤无机氮残留量分别为66.11、45.53 kg·hm-2，玉米田氮素潜在损失风险高于向日葵田。

表1 河套灌区玉米和向日葵农田氮素盈余（kg·hm-2）Table 1 Nitrogen surplus of maize and sunflower fields in Hetao Irrigation area（kg·hm-2）

2.5 河套灌区主要作物田氮素污染风险分析

土壤中残留的无机氮素是氮素损失、污染的潜在来源，不合理的施肥和灌溉方式很容易加剧氮素的损失，导致环境污染。由表2 可以看出：向日葵和玉米0~60 cm 土层土壤无机氮残留量与氮肥施入量呈极显著正相关，高氮肥投入显著增加了土壤无机氮残留量；灌水量对不同土层土壤氮素残留量分布具有明显影响，随着灌水量的增加极显著增加了60~90 cm 土层的无机氮含量，按当地传统秋浇后，0~90 cm 土体的无机氮很容易被淋洗到根区外的深层土壤当中，因而会加剧农田氮素污染风险。科学施肥和合理灌溉是减缓河套灌区向日葵田和玉米田氮素损失和面源污染的有效措施。

表2 河套灌区不同土层无机氮残留与氮肥施入和灌水量的相关性分析Table 2 Correlation analysis of inorganic nitrogen residues in different soil layers and nitrogen fertilizer application and irrigation amount in Hetao Irrigation district

3 讨论

玉米和向日葵作物90%以上的根系集中在0~90 cm 土层中，仅有少量根系深入到90 cm 以下。因此，深层土壤的无机氮很难被植物吸收利用，不合理的施肥、灌水很容易导致残留在根区（0~90 cm）土层中的无机氮迁移到根区（90 cm 以下）以外的土层，从而造成污染。2020 收获期（秋浇前）河套灌区农田土壤残留无机氮随着施氮量的增加而增加，玉米田土壤0~90 cm 无机氮平均残留量为66.11 kg·hm-2，向日葵田平均残留量为45.53 kg·hm-2（图4），玉米残留量最高田块达336.93 kg·hm-2，占施氮量（高氮，546 kg·hm-2）的61.7%，向日葵最高残留量达273.66 kg·hm-2（图2、图3）。刘德平[25]在河套灌区玉米地得出类似研究结果，收获期根区土壤无机氮残留量在高氮处理（405 kg·hm-2）下达到了231.50 kg·hm-2，占施氮量的57%，说明施氮量的高低直接影响土壤无机氮的残留量，残留量越高，污染风险越大。2020 年河套灌区作物全生育期灌溉次数为4 次，导致大量的无机氮淋洗到根区外土层当中。本研究通过调查每个旗县玉米和向日葵5 个田块0~210 cm 土层无机氮残留量发现（图5），玉米地根区外土层（90 cm 以下）平均富集无机氮83.26 kg·hm-2，占整个0~210 cm 土层无机氮残留量的70.10%，向日葵田块根区外土层平均富集无机氮47.15 kg·hm-2，占整个土层的54.31%，可见土壤中50%以上的无机氮分布在90 cm 以下的土层中。另外，秋浇是河套灌区传统的秋后淋盐、春季保墒的一种特殊的灌溉制度，是河套灌区一年来灌水量最大的一次，为1 800~2 000 m3·hm-2。冯兆忠等[12]研究发现，河套灌区农田秋浇后，玉米田块NO3-N 累积高峰向下迁移了40 cm，40~60 cm 土层的土壤NO3-N 损失量最大，并且主要富集在80 cm 土层以下，向日葵地秋浇后表层NO3-N 含量明显低于灌溉前。本研究是秋浇前土壤无机氮残留量，因此，秋浇后根区土层中的无机氮很容易淋洗到根区外的土层中，产生富集，加大污染风险。目前，内蒙古河套灌区玉米和向日葵农田施氮量较大，这与农民为获得较高的产量而投入过量的氮肥有直接的关系，玉米地氮肥投入量平均高达477.56 kg·hm-2，向日葵地高达277.65 kg·hm-2（表1），根据河套灌区目前的生产水平来看，玉米和向日葵农田的氮肥投入量远高于作物吸收的氮量。在高氮投入的同时，河套灌区农田氮素存在大量的盈余，且伴随有大量潜在损失的氮。作物收获后未被利用的氮主要以潜在损失的氮和残留无机氮形式存在，在缺氮或适量施氮条件下，土壤作物系统中潜在损失的氮和残留无机氮均较低，在高氮条件下，氮素盈余急剧增加，总体上表现为随着施氮量的增加而增加[26-27]，

图5 河套灌区玉米和向日葵0~210 cm土层无机氮残留量Figure 5 Residual inorganic nitrogen at 0~210 cm soil layers of maize and sunflower fields in Hetao irrigation area

刘德平[25]对河套灌区玉米地的优化施肥田间试验表明，中氮（270 kg·hm-2）条件下，氮素盈余在222.5~231.1 kg·hm-2之间，而高氮（405 kg·hm-2）条件下，则达到了351.5 kg·hm-2，当施氮量达到中氮水平时，再增施氮肥将产生显著的氮素损失，造成环境污染，并且高氮处理显著增加了37.6%~51.1%的土壤氮素残留以及77.3%~91.0%的氮素表观（潜在）损失，而玉米植株吸氮量增加的并不显著，说明高氮并不能显著增加玉米产量；戴嘉璐等[9]对河套灌区玉米地减肥试验表明，在试验区农民常规施肥量（600 kg·hm-2）减少50%的情况下，获得了和农民相近的产量，但常规施肥条件下，全生育期土壤硝态氮累积量高出65.7%。因此，河套灌区合理的氮肥施用是减少氮素盈余和潜在损失氮的关键。在内蒙古河套灌区目前的生产水平条件下，根据巨晓棠[11]的作物氮肥推荐量，保持现有产量水平的氮肥推荐量，玉米约为280 kg·hm-2，向日葵约为150 kg·hm-2，与目前河套灌区玉米和向日葵氮肥投入相比，分别节约198 kg·hm-2和128 kg·hm-2，且该施用量也可以显著降低潜在损失的氮，降低环境压力。

4 结论

内蒙古河套灌区玉米和向日葵农田氮素处于大量盈余状态，玉米田氮素年盈余量占投入量的49%左右，向日葵田高达60%以上，并伴随着每年169.6 kg·hm-2和122.55 kg·hm-2潜在的氮素损失。通过氮素平衡的综合分析得出，内蒙古河套灌区保持现有产量水平的玉米氮肥推荐量约为280 kg·hm-2，向日葵为150 kg·hm-2，与目前河套灌区玉米和向日葵氮肥投入相比，分别节约198 kg·hm-2和128 kg·hm-2，同时该施用量也可以显著降低潜在损失的氮，降低环境压力。