全 文 :中国小麦季氮素养分循环与平衡特征∗
串丽敏1,2 何 萍2∗∗ 赵同科3 徐新朋2 周 卫2 郑怀国1
( 1北京市农林科学院农业科技信息研究所, 北京 100097; 2中国农业科学院农业资源与农业区划研究所农业部植物营养与肥
料重点实验室, 北京 100081; 3北京市农林科学院植物营养与资源研究所, 北京 100097)
摘 要 通过汇总 2000—2011年文献数据以及国际植物营养研究所实测试验数据,研究了
华北、长江中下游和西北地区小麦季经过土壤界面的氮素输入和输出各项养分循环参数,分
析并评估了 3大区域的氮素养分平衡状况.结果表明: 华北、长江中下游和西北地区小麦季氮
肥平均施入量分别为 170、183和 150 kg N·hm-2,上季作物秸秆氮素还田量分别为 74.6、15.2
和 8.1 kg N·hm-2,种子带入量分别为 4.9、4.2和 3.5 kg N·hm-2 .华北地区来自非共生固氮、
大气沉降和灌溉水氮素养分输入量分别为 15、12.9 和 9.9 kg N·hm-2,长江中下游地区分别
为 15、14.5和 5.8 kg N·hm-2,西北地区分别为 15、9.4和 7.7 kg N·hm-2 .小麦收获时华北、长
江中下游和西北地区地上部作物吸收的氮分别为 174.3、144.4和 122.3 kg N·hm-2,华北地区
通过氨挥发、N2O排放和淋溶损失的氮素分别为 19.9、2.6 和 11.8 kg N·hm
-2,长江中下游地
区分别为 9.4、2.4和 15.5 kg N·hm-2,西北地区小麦季氨挥发和 N2O排放量分别为 3.4和 0.7
kg N·hm-2,不计淋溶损失的氮素.由此计算的小麦季氮素养分平衡结果显示,华北、长江中下
游和西北地区的氮素养分均表现为盈余,盈余量分别为 78.7、66.0和 67.3 kg N·hm-2,超出了
养分允许平衡盈亏率,应适当调整氮肥投入,避免氮肥的不科学施用带来的负面环境影响.
关键词 小麦; 氮素; 养分循环; 养分平衡
∗国家重点基础研究发展计划项目(2013CB127405)、国际植物营养研究所小麦研究项目、农业面源污染动态监测全程阻控减排技术研究与示
范项目(2012BAD15B01)和北京市农林科学院科技创新能力建设专项资助.
∗∗通讯作者. E⁃mail: phe@ caas.ac.cn
2014⁃08⁃01收稿,2014⁃12⁃02接受.
文章编号 1001-9332(2015)01-0076-11 中图分类号 S143.1 文献标识码 A
Nitrogen cycling and balance for wheat in China. CHUAN Li⁃min1,2, HE Ping2, ZHAO Tong⁃
ke3, XU Xin⁃peng2, ZHOU Wei2, ZHENG Huai⁃guo1 ( 1 Institute of Information on Science and
Technology of Agriculture, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing 100097,
China; 2Ministry of Agriculture Key Laboratory of Crop Nutrition and Fertilization, Institute of Agri⁃
cultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing
100081, China; 3Institute of Plant Nutrition and Resources, Beijing Academy of Agriculture and
Forestry Sciences, Beijing 100097, China) .⁃Chin. J. Appl. Ecol., 2015, 26(1): 76-86.
Abstract: In this study, the input and output parameters of N for wheat production were collected
from published literatures and International Plant Nutrition Institute in the period of 2000 to 2011 to
evaluate N cycling and balances in North China, the middle and lower reaches of Yangtze River and
Northwest China. The results showed that the N fertilizer application rates for each region were 170,
183 and 150 kg N·hm-2, the amounts of N from the previous crop were 74. 6, 15. 2 and 8. 1
kg N·hm-2, and from seeds were 4.9, 4.2 and 3.5 kg N·hm-2, respectively. The N inputs from
symbiotic fixation, atmospheric deposition and irrigation water in North China were 15, 12.9 and
9.9 kg N·hm-2, and in the middle and lower reaches of Yangtze River were 15, 14.5 and 5.8
kg N·hm-2, and in Northwest China were 15, 9. 4 and 7. 7 kg N· hm-2, respectively. The
amounts of N uptake by aboveground plant at harvest time in North China, the middle and lower
reaches of Yangtze River and Northwest China were 174.3, 144.4 and 122.3 kg N·hm-2, respec⁃
tively, and the rates of ammonia volatilization, N2O emission and N leaching in North China were
19.9, 2.6 and 11.8 kg N·hm-2, in the middle and lower reaches of Yangtze River were 9.4, 2.4
and 15.5 kg N·hm-2, and in Northwest China were 3.4, 0.7 and 0 kg N·hm-2, respectively. As
应 用 生 态 学 报 2015年 1月 第 26卷 第 1期
Chinese Journal of Applied Ecology, Jan. 2015, 26(1): 76-86
a result, the N balances in these three regions were all showing surpluses by 78.7, 66.0 and 67.3
kg N·hm-2 . It is therefore necessary to adjust the N fertilizer application rates in these three
regions to avoid the negative impacts on the environment.
Key words: wheat; nitrogen; nutrient cycling; nutrient balance.
氮(N)是作物生长必需的大量营养元素,是生
态系统养分循环和转化中最活跃的因子.氮肥投入、
秸秆还田、大气沉降、灌溉水等养分输入方式以及挥
发、淋溶损失和收获等输出途径共同构成了农田氮
素养分循环[1] .小麦是国家主要粮食作物,在保障粮
食充足供应中起着不可替代的重要作用.随着人口
不断增加和土地资源不断减少,农民在追求高产获
得经济效益的同时,过量或不合理施肥现象普遍存
在,不仅造成土壤养分的不平衡、肥料资源的大量浪
费以及农产品产量和品质的下降,而且未被充分利
用的大量养分还会通过径流、淋溶或挥发途径损失
到环境,造成地表水富营养化以及地下水硝酸盐含
量超标,给人体、牲畜健康带来严重威胁[2] .同时,大
量温室气体排放也会影响大气环境与气候变化[3-4] .
因此,农田氮养分循环与平衡不仅关系到农民收
入 ,更与国家粮食安全以及生态环境安全密不
可分.
我国目前正处于农业结构调整时期,农业投入
与产出变化很快,对养分循环平衡研究也提出了挑
战.前人对农田养分循环研究多集中从县级、省级或
国家级等不同尺度上综合包括粮食、蔬菜和经济作
物全部农业生产的投入与支出进行分析[5-8],且对
小麦、玉米粮食作物也多集中于长期定位试验不同
施肥模式的养分平衡研究以及简单的表观平衡分
析,即输入量主要考虑施肥带入,输出量主要是作物
收获物带走,以某一区域为例或从全国尺度研究农
田生态系统的养分循环[9-16],或仅研究淋溶、径流或
氨挥发单个输出途径的损失量,对养分多个不同途
径输入和输出参数研究较少[17] .
因此,本文针对中国小麦种植季,通过汇总
2000—2011年小麦季农田 N 养分的输入和输出文
献数据及国际植物营养研究所试验数据,研究华北、
长江中下游和西北地区经过土壤界面的氮素输入和
输出各项养分循环参数,并评估三大区域的 N 养分
平衡状况,为合理分配和充分利用氮肥资源,减少农
业生产过程中养分损失,最大限度利用外界环境养
分,合理推荐施肥保障作物高产高效提供指导与
借鉴.
1 材料与方法
1 1 数据来源
基于 CNKI 中国知网文献数据库,汇总 2000—
2011年中国小麦生长体系 N 养分输入和输出等养
分循环相关文献,并收集国际植物营养研究所数据
库 2000—2011年所做试验数据,分析小麦季氮素养
分的肥料投入、上季作物秸秆或残茬还田、大气沉
降、灌溉水、种子带入、非共生固氮等各项养分输入,
以及生长过程中各养分的径流、淋溶、气态损失(包
括氨挥发、硝化⁃反硝化排放)以及收获后作物养分
移走等途径,统计每一项输入和输出参数.本研究中
各个氮素养分输入和输出参数是采用多年多点的统
计结果数据,对某一参数研究较少或样本点个数不
足时,将以该区域具有代表性的样本点代替.
1 2 研究方法
将汇总的各项参数,按照试验点分布划分为华
北、长江中下游和西北 3 大小麦种植区域,其中,华
北地区包括北京、天津、河北、河南、山东和山西 6 省
市,长江中下游地区包括安徽、湖北、湖南、江西、江
苏、浙江和上海 7省市,西北地区包括新疆、甘肃、宁
夏、青海、陕西和内蒙 6 省[18] .通过计算各种植区域
氮素养分每项输入和输出参数的算术平均数,对华
北、长江中下游和西北地区小麦生长季 N 养分的输
入和输出循环参数及养分平衡特征进行分析与评
价.具体养分平衡计算方法如下[16]:
农田氮素养分平衡=肥料投入+灌溉水带入+大
气沉降+非共生固氮+种子带入+秸秆或残茬还田-
收获移走-氨挥发-反硝化-径流损失-淋溶损失
2 结果与分析
2 1 农田养分的输入
2 1 1肥料投入 将华北、长江中下游和西北地区
小麦种植区域的氮肥投入进行汇总,分析其肥料投
入特征.结果显示(表 1),华北、长江中下游和西北
地区的氮肥平均输入量分别为 170、 183 和 150
kg N·hm-2,其中各区域的氮肥投入量变异范围分
别为 0~ 600、0 ~ 405 和 0 ~ 750 kg N·hm-2,施肥量
分布范围较大,侧面反映各地区的氮肥投入水平差
771期 串丽敏等: 中国小麦季氮素养分循环与平衡特征
表 1 华北、长江中下游和西北地区的氮肥施入量
Table 1 Application rates of N fertilizer in North China, the middle and lower reaches of Yangtze River and Northwest Chi⁃
na
区域
Region
样本个数
No. of
observation
最小值
Minimum
(kg N·hm-2)
第 25百分位数
25th percentile
(kg N·hm-2)
第 50百分位数
50th percentile
(kg N·hm-2)
第 75百分位数
75th percentile
(kg N·hm-2)
最大值
Maximum
(kg N·hm-2)
平均值
Mean
(kg N·hm-2)
NC 5836 0 150 180 225 600 170
MLYR 823 0 130 195 270 405 183
NW 1391 0 90 150 198 750 150
NC: 华北 North China; MLYR: 长江中下游 The middle and lower reaches of Yangtze River; NW: 西北 Northwest China. 百分位数是将一组 n个观
测值按数值大小排列,处于 p%位置的值称为第 p百分位数,通过 Percentile函数获得,反映有关数据项在最小值和最大值之间的分布情况 The
p% position value was called the p percentile, which was obtained by Percentile function, and it reflected the data distribution between the minimum and
maximum. 下同 The same below.
距较大,氮肥投入可能存在不平衡.
2 1 2上季作物养分还田 秸秆是作物生产过程中
重要的农副产品之一,也是一种重要的有机肥料资
源[19],具有较高的利用价值.在华北地区的小麦⁃玉
米轮作体系,玉米季收获后,秸秆多直接粉碎入田.
因此,本研究汇总分析了华北地区玉米秸秆还田带
入的氮养分量.结果显示(表 2),其带入的氮养分量
平均为 74.6 kg N·hm-2,作为下季小麦养分输入的
另一重要养分来源.其根茬中所含的养分,既不计入
输入,也不计入输出[13,20-21] .
对长江中下游地区的稻麦轮作种植体系统计指
出,江西省每年稻草直接翻沤还田量约为 4686万 t,
占稻草总量的 31%~36%[22] .李书田等[18]在估算长
江中下游地区的农作物秸秆还田比例时,按照 30%
计算.因此,本文在计算水稻秸秆还田比例时,保守
估计还田率为 30%.依据长江中下游地区水稻秸秆
还田量及养分含量结果显示,约有 15.2 kg N·hm-2
重新返回土壤.
据第一次全国农业污染源普查结果,新疆农作
物秸秆利用结构为:秸秆堆肥占总产量的 1.3%;秸
秆用作饲料占总产量的 53.0%;秸秆用作生活燃料
占总产量的 14. 3%;秸秆其他用途占总产量的
4 1%[23] .另有 2008年对宁夏秸秆资源调研的数据
显示,全区农作物秸秆直接还田 10.3 万 t,占秸秆资
源总量(356.18万 t)的 2.9%,引黄灌区农作物秸秆
还田率 10%左右,中部干旱带和南部山区秸秆还田
率较低,秸秆主要被饲料化利用、工业化利用、生物
转化食用菌利用、能源化利用、丢弃或焚烧[24] .因本
研究汇总的数据多分布在引黄灌区,因此,将西北地
区的秸秆还田率设为 10%,以此计算秸秆中氮养分
的带入量.计算结果显示,西北地区来自秸秆还田的
氮养分输入量为 8.1 kg N·hm-2 .
2 1 3大气沉降 大气干沉降是指颗粒物在重力作
用下的沉降,或与其他物体碰撞后发生的沉降,主要
以气态的 NO、N2O、NH3以及(NH4) 2SO2粒子和吸附
在其他粒子上的氮形式存在,其沉降速率由气象条
件决定[25] .本研究在针对某块特定农田的大气氮沉
降时,只考虑了大气湿沉降,即由降雨降雪所带来的
氮湿沉降输入量,由每次降水量和水中矿质氮浓度
乘积所得,主要为铵态氮和硝态氮.在文献汇总中,
如果文献直接给出小麦单个生长季的大气氮湿沉降
量,则直接引用;如果文献给出小麦⁃玉米、小麦⁃水
稻整个轮作周期或整个地区全年的大气氮湿沉降
量,则根据当地施肥时间和全年的雨水分布进行分
配.由于华北地区属暖温带半湿润半干旱季风气候
区,雨量季节性分配不均,则根据相关文献[25-26] ,华
表 2 华北、长江中下游和西北地区小麦种植季上季作物秸秆 N养分还田量
Table 2 N returning from the previous crop in wheat growing season in North China, the middle and lower reaches of
Yangtze River and Northwest China
区域
Region
上季作物
Previous
crop
样本个数
No. of the
observation
秸秆氮养分含量
N content in
straw
(g·kg-1)
秸秆干质量
Straw dry
mass
(kg·hm-2)
秸秆氮养分累积量
N accumulation in
straw
(kg·hm-2)
秸秆还田比例
Ratio of the
straw returning
(%)
秸秆氮养分还田量
N returning
from previous crop
(kg·hm-2)
NC 玉米
Maize
2445 8.0
(2.3~16.6)
9178.4
(2730.7~25642.7)
74.6
(15.0~234.9)
100 74.6
MLYR 水稻
Rice
1003 6.7
(2.4~16.7)
7362.6
(858.0~19261.0)
50.5
(5.0~198.6)
30 15.2
NW 玉米
Maize
216 8.0
(1.9~18.1)
8540.1
(3520.0~17308.0)
80.8
(18.5~174.3)
10 8.1
括号内数值表示最小值和最大值 The values in the parentheses were the minimum and maximum values.
87 应 用 生 态 学 报 26卷
表 3 华北、长江中下游以及西北地区小麦季大气氮湿沉降
Table 3 Atmospheric wet deposition of N in wheat growing season in North China, the middle and lower reaches of Yangtze
River and Northwest China
区域
Region
样本个数
No. of the
observation
最小值
Minimum
(kg N·hm-2)
第 25百分位数
25th percentile
(kg N·hm-2)
第 50百分位数
50th percentile
(kg N·hm-2)
第 75百分位数
75th percentile
(kg N·hm-2)
最大值
Maximum
(kg N·hm-2)
平均值
Mean
(kg N·hm-2)
NC 70 0.4 7.8 10.5 15.2 39.0 12.9
MLYR 109 1.7 8.6 13.1 18.2 34.0 14.5
NW 33 3.0 8.0 12.5 16.6 15.0 9.4
北平原降水有 72%分布在 6—9月,而同期由降雨输
入的氮素占全年总输入量的 60%,因此按照小麦季
湿沉降占整年湿沉降输入量的 40%计算.对于长江
中下游和西北地区的大气氮湿沉降,则按照小麦生
长季占整个作物轮作周期氮湿沉降量的 50%计算.
根据以上原则,计算华北、长江中下游以及西北地区
的大气氮湿沉降输入量.结果显示(表 3),华北、长
江中下游和西北地区小麦季氮素湿沉降范围分别为
0.1~39.0、1.7 ~ 34.0 和 3.0 ~ 15.0 kg N·hm-2,平均
分别为 12.9、14.5和 9.4 kg N·hm-2 .从整个研究区
域来 看, 小 麦 季 大 气 氮 湿 沉 降 平 均 为 13 2
kg N·hm-2 .
2 1 4灌溉水养分输入 各区域灌溉水 N养分输入
参数结果显示(表 4),华北、长江中下游和西北地区
的灌溉水中氮养分输入量为 4.8 ~ 15.0、1.9 ~ 7.4 和
7.6~7. 8 kg N·hm-2,平均分别为 9. 9、5. 8 和 7 7
kg N·hm-2,全国平均来自灌溉水带入的氮素养分
为 8.0 kg N·hm-2 .可见,华北地区来自灌溉水中的
氮素养分要高于西北和长江中下游地区.
2 1 5 种子带入 通过汇总华北[36-38]、长江中下
游[39-42]和西北地区[43-46]的小麦播种量信息,了解
到华北地区由于秸秆还田技术的推广,为保证出苗
率,小麦播种量呈现增加趋势.计算结果显示,华北
地区小麦平均播种量为 231.0 kg·hm-2 .长江中下游
和西北地区小麦的播种量要低于华北地区,播种范
围分别为 180~227 kg·hm-2和 113~225 kg·hm-2,
平均播种量分别为 199.2和 166.9 kg·hm-2 .种子的
N含量引用本课题组前期研究结果中由 1990 个籽
粒 N含量样本得出的平均含量,为 21.2 g·kg-1[47],
则华北、长江中下游和西北地区小麦播种带入的 N
养分分别为 4.9、4.2和 3.5 kg N·hm-2 .
2 1 6非共生固氮 农田生态系统中非共生固氮主
要包括根际联合固氮、异养固氮以及光合固氮.由于
生物固氮需要特殊的试验或装置来测定,因此得到
真实状态下的生物固氮量比较困难[48] .朱兆良等[9]
研究表明,由于氮肥对非共生固氮具有抑制作用,估
计我国旱地的非共生固氮量为 15 kg·hm-2 .近几年
的相关研究[16,18,42,48]也一直沿用该结果.然而目前
对小麦生长季非共生固氮数量的研究较为缺乏,本
文仍采用这一估算结果,即为 15 kg N·hm-2 .
2 2 农田养分的输出 输入农田土壤系统的养分
主要有 3条输出途径,一是被作物吸收利用;二是以
不同形态残留于土壤剖面中;三是以各种形式损失,
包括氨挥发、硝化⁃反硝化的氮氧化物排放以及淋
溶等.
2 2 1地上部养分吸收 输入到土壤中的养分其最
重要的输出方式之一就是被作物吸收,为作物产量
表 4 不同区域小麦季通过灌溉水带入农田的 N养分量
Table 4 Amount of N nutrient input from irrigation water
in wheat growing season in different regions
区域
Region
地点
Location
灌溉水带入 N量
N input from
irrigation water
(kg N·hm-2)
资料来源
Reference
NC 河北 Hebei 6.0 [27]
河南、山东、山西、太行山前
平原1) Henan, Shandong,
Shanxi, the piedmont plain
of Taihang Mountain
7.5 [16]
河北 Hebei 13.0 [25]
河北 Hebei 10.0 [28]
山东 Shandong 15.0 [29]
山东 Shandong 4.8 [30]
山东 Shandong 5.0 [31]
北京 Beijing 13.0,13.0,12.0,10.0 [32]
平均 Mean 9.9
MLRY 江西1) Jiangxi 7.4 [33]
九江 Jiujiang 3.5 [34]
上饶 Shangrao 4.8 [34]
景德镇 Jingdezhen 5.7 [34]
宜春 Yichun 12.8 [34]
南昌 Nanchang 3.8 [34]
抚州 Fuzhou 1.9 [34]
鹰潭 Yingtan 6.3 [34]
平均 Mean 5.8
NW 宁夏 Ningxia 7.8,7.6 [35]
平均 Mean 7.7
平均 Mean 8.0
1)灌溉水带入 N量按照轮作体系总量的 50%计算 The N input from
irrigation water accounted for 50% of the total in crop rotation system.
971期 串丽敏等: 中国小麦季氮素养分循环与平衡特征
和植株建成提供营养物质.小麦地上部养分吸收数
据由籽粒和秸秆两部分组成.华北、长江中下游和西
北地区由于籽粒干质量和秸秆干质量的差别,导致
籽粒和秸秆氮素累积量存在较大差异.所有样本统
计结果显示,华北、长江中下游和西北地区地上部氮
养分吸收主要分布在 11.0 ~ 393.1、24.5 ~ 324.7 和
11.4~397.5 kg N·hm-2,各地区小麦地上部的氮养
分吸收量呈现出较大的变异范围,也与施肥量的高
低以及地力水平相关.3 大区域地上部氮养分吸收
分别为 174.3、144.4 和 122.3 kg N·hm-2(表 5).整
体来看,华北地区小麦地上部氮养分吸收高于长江
中下游和西北地区.
2 2 2养分淋溶损失 关于氮素淋溶不同学者的观
点有所不同.农学家一般认为氮素移出作物根系活
动层以外则视为淋溶,而环境学家则认为氮素进入
水体后才可以视为淋溶[49] .淋溶损失的氮包括来源
于土壤已有的氮和残留的肥料氮以及当季施入的肥
料氮.淋溶损失受到进入土壤的水量和水流强度、土
壤特性、轮作制度、施肥制度、氮肥种类、氮肥施用量
和施用方法等因素的强烈影响,因而具有很大的变
幅[50] .
华北地区降雨主要集中在每年的 6—9月,即在
夏玉米季,会加剧土壤中硝酸盐的淋洗,而小麦季淋
溶损失较小.已有研究一般认为小麦根系主要集中
在 0~180 cm土体中[51],在华北地区地下埋水较深,
设定 180 cm 处为计算 NO3
- ⁃N 淋溶损失的下边
界[25] .本文汇总了华北区域小麦季土壤氮素淋溶损
失数据[25,32,52-55],其数值大小与施肥量和灌溉水量
相关,变异范围为 0 ~ 160 kg N·hm-2,平均值为
11 8 kg N·hm-2 .
在长江中下游区域,地下水位较浅,有学者认为
土壤中的硝态氮只要进入地下水体,就认为损
失[39] .因此,在该区域选择土壤 50 cm 深处为氮素
损失的临界深度[39] .综合文献数据[33,39,41,56-57]得出
淋溶 损 失 的 硝 态 氮 量 范 围 处 于 1. 5 ~ 38 9
kg N·hm-2之间,平均值为 15.5 kg N·hm-2 .
西北地区属干旱半干旱地区,是典型的雨养农
业区,水资源短缺是该地区农业生产发展的重要限
制因素.由于气候较为干旱,而且该地区地下水深
厚,致使 NO3
- ⁃N 在土体中的运移明显有别于灌区
或多雨区,即 NO3
- ⁃N不易随水渗入地下水[43] .另据
第一次全国农业污染源普查结果显示,该地区旱地
小麦⁃玉米轮作体系硝态氮的淋溶量为 3 0
kg·hm-2,而小麦季的硝态氮淋溶量为 0 kg·hm-2,
则多数氮素淋溶发生在玉米季[58] .因此,在西北地
区认为小麦季硝态氮淋溶损失为 0 kg N·hm-2 .
2 2 3 氨挥发损失 氨挥发是土壤中的铵态氮转化
为气态氨分子而释放到大气中,是农田氮素损失的
重要途径之一[59],肥料氮的氨挥发损失因湿度、温
度、风速、土壤 pH 值、施肥量、施肥时间、施肥方式
以及与其他肥料的配合等不同而存在较大差
异[60-63] .华北地区土壤多属石灰性土壤,pH 值较
高,一般认为华北地区氮肥施用后的氨挥发损失较
高.目前我国小麦管理上,氮肥的施用多采取深施、
“以水带氮”或撒施后翻埋入土等减少氮肥氨挥发
损失的农业措施;小麦季在施入底肥后进行翻耕播
种,底肥的施用日期也多为 10 月中旬,气温相对偏
低;在小麦追肥时多采取沟施覆土或撒施灌溉方式,
一定程度上减少了氨挥发损失量.
朱兆良[59]对国内氨挥发研究结果认为我国氮
肥的氨挥发损失为 11%.董文旭等[3]研究表明大部
分氨挥发发生在夏玉米时期.本研究是在 2000—
2011年相关氨挥发文献数据汇总(主要是采用密闭
式通气法)的基础上,采取分区域多个样点统计平
均值的方法,分析了华北、长江中下游以及西北 3 大
区域的氨挥发量(表 6).结果显示,华北、长江中下
游和西北地区小麦季氨挥发损失量平均分别为
19 9、9. 4 和 3. 4 kg N· hm-2,分别占施氮量的
10 0%、7 9%和 2.4%.全国范围小麦季平均氨挥发
量为 14.4 kg N·hm-2,占施氮量的 8.2%.
表 5 华北、长江中下游和西北地区小麦地上部氮养分吸收量
Table 5 N uptake in aboveground of wheat in North China, the middle and lower reaches of Yangtze River and Northwest
China
区域
Region
样本个数
No. of the
observation
籽粒氮含量
N content
in grain
(g·kg-1)
籽粒干质量
Grain dry
mass
(kg·hm-2)
籽粒氮累积量
N accumulation
in grain
(kg N·hm-2)
秸秆氮含量
N content
in straw
(g·kg-1)
秸秆干质量
Straw dry
mass
(kg·hm-2)
秸秆氮累积量
N accumulation
in straw
(kg N·hm-2)
地上部氮吸收量
N uptake in
aboveground
(kg N·hm-2)
NC 2169 21.5 5785.3 129.8 5.7 7807.0 44.5 174.3
MLYR 690 19.9 5321.6 105.9 4.6 6722.1 38.5 144.4
NW 417 20.1 4398.0 88.4 5.9 4777.9 33.9 122.3
08 应 用 生 态 学 报 26卷
表 6 华北、长江中下游和西北地区小麦生长季氨挥发损
失量
Table 6 Ammonia volatilization for wheat in North China,
the middle and lower reaches of Yangtze River and North⁃
west China
区域
Region
地点
Location
氨挥发损失量
Ammonia volatilization loss
(kg N·hm-2)
资料来源
Reference
NC 北京 Beijing 4.4,6.9,13,38.4 [64]
河北 Hebei 14.9,19. 8,24. 8,30. 3,9. 9,14. 9,
31 68
[27]
河北 Hebei 18.27 [25]
河南 Henan 15.07,11.42,12.14,11.31,17.89 [65]
河北 Hebei 8.01,24.92,18.69,15.43 [28]
山东 Shandong 0.9,31.2,28.5,28,12.2,8.9 [54]
河北 Hebei 5.25,5.97,7.22,9.31,12.85 [62]
山东 Shandong 7.98,45. 41,32. 37,31. 24,21. 72,
28 21,20.53
[66]
北京 Beijing 95.6,58.3,47.1,16.4 [32]
河北 Hebei 5.25,6.03,7.46,9.47,13.26 [37]
河南 Henan 7.16, 11. 01, 20. 15, 6. 47, 24. 22,
33 71
[67]
河北 Hebei 18.9,35.1 [68]
北京 Beijing 4.4,6.9,13,38.4 [69]
天津 Tianjin 5.90,5.35,6.12,5.95,6.40,6.13,
5 87,6.65,7.35,6.62,6.63,7 62,
7 78,7.39,7.30,8.92,3.82
[70]
北京 Beijing 47.74,7.81,37.16,40.23,104.95,
72.33,85.47,160.96,17.43,44.32
[71]
山东 Shandong 3.71,5.74,8.34,15.76,29.72 [72]
河北 Hebei 5.25,6.03,7.46,9.47,13.26 [38]
平均 Mean 19.9
MLYR 湖北 Hubei 4.83,17.05,13.03,12.32 [33]
江苏 Jiangsu 2.26,2.51 [56]
江苏 Jiangsu 3.41,5.47,5.67,6.99,7.63,12.63,
10.75
[73]
江苏 Jiangsu 8.9 [42]
江苏 Jiangsu 14.5,10.7,7.61,0.07,5.62,4.15,
2 06,0.61
[74]
江苏 Jiangsu 0. 67, 10. 71, 5. 17, 6. 82, 2. 73,
17 59,10. 91,11. 81,0. 45,10. 14,
5 82,6. 59, 0. 61, 51. 33, 17. 51,
14 88,25 58,25. 19,0. 65,27 62,
14 53,12 42,21.12,22.34
[75]
平均 Mean 9.4
NW 陕西 Shaanxi 0.01,30.07,15.43,0.01,22.39 [43]
陕西 Shaanxi 1.5,4.3,1.9,2.4 [45]
陕西 Shaanxi 1.29,4.68,1.66,2.16,3.28 [76]
新疆 Xinjiang 0.19,0.87,0.77,1.78,2.24,1.24,
0 88,1.44,0.18,0.14,0.17,0 21,
0 20,0.17,0.16,0.14
[77]
平均 Mean 3.4
平均 Mean 14.4
2 2 4氧化亚氮(N2O)排放 氮肥施入土壤后,除
了氨挥发气态损失外,其重要一项是进行硝化⁃反硝
化过程产生 NO、N2O、NO2等氮氧化物,其中主要为
N2O排放.目前田间原位测定 N2O主要有两种方法,
分别是密闭气室法和微气象法.密闭气室法优点是
便宜、易于使用;缺点是通常只覆盖很小的土壤表
面,密闭时间过长还会影响土壤微气候,从而影响
N2O通量.微气象法假定水平方向气体交换是平衡
的,而测定垂直方向移动气流的密度,测定的面积通
常为 1~10 km2,甚至为百万 hm2,可以消除 N2O 排
放的空间差异,同时能实现长期监测;其主要缺点是
使用费用高,且受天气状况的影响,包括边界层状
况、空气紊流以及测定时降雨的影响.本文将任意一
种方法测得的 N2 O 排放量进行汇总,获得了华
北[25,27-28,37,62,78]、长江中下游[33,40,79]和西北[43] 3 大
区域小麦生长季 N2O 排放量(表 7).结果显示,华
北、长江中下游和西北地区小麦季的 N2O 排放量分
别为 2.6、2.4和 0.7 kg N·hm-2,分别占各自地区平
均施氮量的 0.3%、0.4%和 0.2%.全国小麦季平均
N2O排放量为 2.4 kg N·hm
-2,占施氮量的 0.4%.因
为 N2O是一种主要的温室气体,单位分子量的 N2O
全球增温潜势是 CO2的 296 倍[80],所以即使反硝化
的肥料损失所占比例较小,其环境效应也不容忽视.
2 3 N养分平衡估算与评价
根据以上小麦季各输入输出参数进行养分平
衡估算 .结果显示(表8) ,华北地区N总输入量达
表 7 华北、长江中下游和西北地区小麦生长季 N2O排放量
Table 7 N2 O emission for wheat in North China, the
middle and lower reaches of Yangtze River and Northwest
China
区域
Region
地点
Location
N2O排放量
N2O emission
(kg N·hm-2)
资料来源
Reference
NC 河北 Hebei 4.1,5.4,6.8,8.3,2.7,4.1,5.4,
8.6
[27]
河北 Hebei 5 [25]
河北 Hebei 0.67,1.67,1.4,1.27 [28]
河北 Hebei 0.13,0.14,0.16,0.25,0.24 [62]
山东 Shandong 3.01,4. 68,2. 74,3. 17,2. 36,
7 25,6.44,3,4,2,1.38,4.22
[78]
河北 Hebei 0.13,0.14,0.16,0.25,0.24 [37]
平均 Mean 2.6
MLYR 湖北 Hubei 2.43,4. 84,4. 26,3. 77,1. 55,
3 08,2.71,2.4
[79]
江苏 Jiangsu 0. 43,0. 55,0. 68,0. 69,0 25,
0 4,0. 59, 0. 43, 0. 47, 0 15,
0 14,1. 13,0 93,0 73,0. 79,
0.73,1 27,0.38
[40]
湖北1) Hubei 6.33,13.56,1.99,5.36,11.22,
3.10
[33]
平均 Mean 2.4
NW 陕西 Shaanxi 0.48,0.95,0.74,0.52,1.02 [43]
平均 Mean 0.7
平均 Mean 2.4
1)稻麦轮作体系小麦季的 N2O 排放量按总排放量的 50%计算 The
amount of N2O emission accounted for 50% of the total in rice⁃wheat rota⁃
tion system.
181期 串丽敏等: 中国小麦季氮素养分循环与平衡特征
表 8 华北、长江中下游和西北地区小麦季 N养分平衡估算
Table 8 The N balance estimation for wheat in North Chi⁃
na, the middle and lower reaches of Yangtze River and
Northwest China
输入输出项
Input and output
华北
NC
长江中下游
MLYR
西北
NW
输入 Input (kg N·hm-2)
施肥量 Fertilizer application 170 183 150
秸秆还田 Straw return 74.6 15.2 8.1
种子带入 Seed input 4.9 4.2 3.5
非共生固氮 Asymbiotic nitrogen fixation 15 15 15
大气湿沉降 Atmospheric wet deposition 12.9 14.5 9.4
灌溉水 Irrigation water 9.9 5.8 7.7
总输入 Total input 287.3 237.7 193.7
输出 Output (kg N·hm-2)
地上部吸收 Uptake in aboveground 174.3 144.4 122.3
氨挥发 Ammonia volatilization 19.9 9.4 3.4
N2O排放 N2O emission 2.6 2.4 0.7
淋溶 Leaching 11.8 15.5 0
总输出 Total output 208.6 171.7 126.4
盈余量 Surplus (kg N·hm-2) 78.7 66.0 67.3
盈余率 Surplus rate (%) 37.7 38.4 53.2
盈余率(%)= (总输入 /总输出-1)×100[81-82] Surplus rate =( total in⁃
put / total output-1)×100[81-82] .
287 3 kg N · hm-2, 高于长江中下游 ( 237 7
kg N·hm-2)和西北地区(193.7 kg N·hm-2).同时,
华北、长江中下游和西北地区的 N 养分均表现为盈
余,分别盈余 78.7、66 0和 67.3 kg N·hm-2 .
鲁如坤等[81]提出了用养分允许平衡盈亏率对
农田养分平衡状况进行评价的方法和原则.养分允
许平衡盈亏率是指在当地条件下,计算出的养分平
衡结果虽有亏缺或盈余,但在一定程度上是允许的,
即养分亏缺时并不影响作物产量,养分盈余时也不
造成资源浪费,用字母 B(%)表示,其计算公式如
下:
B={[(1-S) / E]-1}×100%
式中:S为土壤养分贡献率;E为某养分肥料利用率.
S可用不施某种养分的减素处理产量与养分供应充
足时可获得产量之比表示,即为相对产量.本研究中
S引用前期研究结果(620 个样本点)获得的全国平
均 N 相对产量数值,即土壤 N 养分贡献率为
0 76[47] .N养分肥料利用率引用前期研究结果获得
的来自全国 1549 个样本点的 N 肥料利用率平均
值,为 33.1%(待发表数据).据此,计算全国 N 养分
允许平衡盈亏率为 - 27. 5%,表明 N 养分在亏缺
27 5%的赤字情况下,是允许亏缺的范围,在短期内
并不影响作物产量.同时也说明,一个地区的允许养
分平衡盈亏率主要取决于当地土壤肥力状况,在高
肥力土壤上,一季作物体系存在暂时的养分亏缺是
允许的.
本研究计算的实际 N 养分盈余率如表 8 所示,
将其与养分允许平衡盈亏率比较可以发现,华北、长
江中下游和西北地区的 N 养分平衡盈余率分别高
于养分允许平衡盈亏率 65.2%、65.9%和 80.7%,大
大超出了合理的盈亏范围,可能会造成一定的环境
污染风险,应引起足够重视.
3 讨 论
目前已有研究以县级、省级,或以国家为角度,
从整个区域的肥料总投入、养分总输出等途径分析
其养分平衡状况.方玉东等[83]利用养分收支模型和
GIS技术从宏观角度对我国 2000 多个县域单元农
田氮收支调查结果显示,氮总体投入大于支出,处于
盈余状态,但地域分布不均,东部经济发达区氮素盈
余量要高于中部和西部地区.刘晓燕[8]利用《中国农
业年鉴》数据计算了农田土壤养分表观平衡,发现
1985—2005年,我国农田氮盈余总量和单位面积盈
余量均不断增加,至 2005年全国农田单位面积平均
氮盈余量为 42.0 kg N·hm-2,除黑龙江省外,我国
绝大部分地区氮素均已超过养分允许平衡盈余率.
刘忠等[15]利用养分决策支持系统、王激清等[6]利用
“输入=输出+盈余”的物质守恒原理分别研究了中
国不同地区农田氮素养分的投入与支出状况,结果
均表明中国土壤的氮素呈现大量盈余.本研究在文
献数据汇总和已有试验数据基础上,借鉴物质守恒
原理,由“盈余=输入-输出”的方法计算华北、长江
中下游和西北地区小麦种植季氮素的养分输入和输
出参数,发现华北、长江中下游和西北地区的氮养分
均表现为盈余,与上述已有研究结果相似.
鲁如坤等[81]研究表明,农田氮素平衡盈余超过
20%以上,即可引起对环境的潜在威胁.本研究结果
也显示,中国氮素投入过高的问题非常严重,已经给
环境带来潜在的污染风险.朱兆良等[84]研究表明,
我国一些经济较为发达的省市化肥施用量较大,氮
素盈余风险较大.西部地区农田施肥量相对较低,氮
素盈余风险也较低.分析指出,社会发展水平和社会
经济管理方式对农民施肥有较大影响,是驱动区域
农田养分平衡变化的重要因素,农民纯收入对氮素
盈余量有显著影响.本研究同样体现了这一点,在华
北和长江中下游地区的氮肥投入量要高于西北地
区,华北地区的氮素盈余量最高,推测农民经济收入
和社会发展水平对氮素盈余有直接影响.
同时研究发现,由于华北地区大面积秸秆还田,
28 应 用 生 态 学 报 26卷
一定程度上增加了农田氮素养分的输入量,是导致
华北地区氮素总养分输入高于长江中下游和西北地
区的重要原因.华北地区实施秸秆还田,肥料投入较
高,土壤较为肥沃,并且具有良好的降水和灌溉条
件,使小麦产量和生物量均较高,地上部的氮素养分
吸收也高于其他两个地区.为了经济和环境效益,避
免氮素吸收过量或不平衡,应适当降低氮肥投入,平
衡磷钾肥供应.因此,应推荐合理施肥.近几年除测
土配方施肥外,新提出的基于作物地上部产量反应
和农学效率的推荐施肥方法,能够充分利用土壤基
础养分供应,包括土壤本身养分以及秸秆还田、大气
沉降、播种和灌溉水等外界环境带入的养分,从而确
定合理的施肥量.已有试验证明,该方法作为一种可
供选择的推荐施肥方法在理论和实践上是可行
的[47] .
农田养分平衡研究有助于从宏观上观察肥料投
入过程中作物消耗和土壤肥力等变化.然而养分循
环和平衡有一定的地理时空差异,因此,在研究时需
注意气候、土壤和水分条件对养分循环和平衡的影
响.同时,对整个小麦⁃玉米或小麦⁃水稻等轮作体系,
一季的养分亏缺或盈余并不能代表整个轮作体系,
一季的养分盈余或亏缺也会对下一季作物养分循环
产生影响,因此,将来还需要针对整个轮作体系研究
其养分平衡状况,为作物整个轮作周期的养分管理
提供理论指导.
4 结 论
通过对中国小麦季氮素的养分循环和平衡特征
进行研究发现,华北和长江中下游地区小麦季的氮
肥投入量高于西北地区,并且华北地区上季作物氮
养分还田量均高于长江中下游和西北地区.虽然华北
地区小麦地上部氮养分吸收量最高,但是这 3大区域
小麦季氮养分平衡均表现为盈余,分别盈余 78 7、
66 0和 67.3 kg N·hm-2 .大量氮素盈余可能会造成一
定的环境污染风险,在氮肥施用中应注意氮肥的用量
控制与配套管理措施,以使氮肥的施用更加科学合
理,从而避免造成资源浪费和环境污染风险.
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作者简介 串丽敏,女,1984年生,博士,助理研究员.主要从
事农田养分循环和农业环境领域国际发展态势研究. E⁃
mail: xiaochuan200506@ 126.com
责任编辑 张凤丽
68 应 用 生 态 学 报 26卷