全 文 ： * ?中国科学院知识创新工程项目 ( KZCX2-314) 和中国科学院野外台站基金项目资助
收稿日期 : 2004-10-13 改回日期 : 2004-11-20
川中丘陵区典型小流域农田生态系统氮素收支探析 *
朱 波 彭 奎 谢红梅
( 水 利 部中国科学院成都山地灾害与环境研究所 成都 610041)
摘 要 对川中丘陵区典型小流域农田生态系统 N 素收支分析表明 , 紫色土丘陵区农田 N 肥施用量较大 , 旱地、
水田 N 肥年施用量分别为 363.5kg/ hm2 和 161.8kg/ hm2 , 化肥 N 占小流域农田 N 素投入的 76. 65%。除作物收获
外 ,小流域农田生态系统 N 素年损失量为 129.67kg/ hm2 ,且以气态损失为主 , 旱地农田通过径流、淋洗和泥沙等途
径损失的 N 素年均 44.34kg/ hm2。小流域农田生态系统 N 素年均盈余 66.8kg/ hm2 , 农田 N 素盈余加剧了 N 素损
失 ,并已造成小流域农业非点源 N 污染。
关键词 农业生态系统 紫色土 小流域 N 素收支
Nitrogen balance of agro-ecosystem in a typical watershed in the hilly area of central Sichuan Basin . ZHU Bo, PENG
Kui, XIE Hong-Mei ( Chengdu Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences and
Ministry of Water Resources, Chengdu 610041, China) , CJ EA , 2006, 14( 1) :108～111
Abstract The nitrogen balance of agro-ecosystem in a typical watershed in the hilly area of central Sichuan Basin was
studied . The results show that there is an excess application of nitrogen which is 363.5kg/ hm2 in dryland and 161. 8
kg/ hm2 in paddy field, respectively . The chemical nitrogen accounts for 76.65% of the total nitrogen input to the
agro-ecosystem . Besides crops’harvest, nitrogen loss from agro-ecosystem amounts to 129.67kg/ hm2·?mainly by gas .
Runoff , leaching and soil erosion are other important losses primarily from slope cropland which averages 44.34
kg/ hm2·? . The nitrogen surplus of agro-ecosystem in the small watershed is 66.8kg/ hm2·?, which increases the
nitrogen loss and results in non-point source pollution of nitrogen to someextent in this watershed .
Key words Agro-ecosystem, Purple soil , Nitrogen input and output in small watershed
(Received Oct . 13, 2004; revised Nov . 20, 2004)
紫色土普遍缺 N[ 1] , N 是紫色土农田生态系统中最重要的养分限制因子 , 但由于农业生产中 N 肥施用
量不断增加 , N 肥施用的环境问题日益受到广泛关注。合理的 N 肥施用不仅要实现农田土壤的 N 素平衡 ,
而且要求在小流域尺度上避免活性氮的过量输出而造成农业非点源污染[ 2 ,15] 。本研究分析了川中丘陵区
典型小流域农田生态系统 N 素收支状况 , 为该区平衡施肥和防止农业 N 素非点源污染提供理论依据。
1 研究区域概况与研究方法
川中丘陵区指四川盆地腹心的丘陵低山区 , 该区为四川盆地传统农区 , 也是国家重要的商品粮基地。
所选小流域位于四川盆地中北部的盐亭县林山乡截流村 ( 简称截流小流域 ) , 东经 105°27′, 北纬31°16′, 地处
嘉陵江一级支流———涪江支流弥江、湍江的分水岭上 , 海拔高度 400～600m, 面积约 0. 35km2 , 其中小流域旱
耕地 15.64hm2 ,水稻田 3.93hm2 , 林地 12.14hm2 , 其他用地 2. 93hm2。该区属中亚热带湿润季风气候 , 年均
气温 17.3℃ , ≥10℃年积温 5000～6000℃ , 年均降雨量 826mm,年无霜期 297d。土壤为钙质紫色土 ,质地为
中壤 , 土壤 CaCO3、有机质、全 N 含量分别为 131. 6(±4.8) g/ kg、7.8(±0.7) g/ kg、0. 59(±0.3) g/ kg, 速效氮、
速效磷、速效钾分别为 44. 72(±4. 44) mg/ kg、6.94(±1. 02) mg/ kg和 102. 64(±5. 91) mg/ kg。自然植被类型
为桤木 ( Alder cremastogyne)和柏木 ( Cypresses fineries) 混交林 , 主要农作物有水稻、玉米、小麦、甘薯、油菜
等。在小流域内选择 19个不同台位的坡地 ( 包括主要坡耕地利用类型 ) 作为定位监测点 , 测定土壤全 N、有
效氮及土壤有机质含量等 ,记录各点农作物产量、籽粒和秸秆产量、养分投入与产出、有机肥和化肥 N 的施
第 14 ?卷第 1期 中 国 生 态 农 业 学 报 Vol .14 No .1
2 0 0 6 ?年 1 月 Chinese Journal of Eco-Agriculture Jan ., 2006
入量等 ,并对作物籽粒和秸秆采样 , 计算草籽比 ;在林地和农地设置 8个径流观测场 ,并设计了紫色母岩自然
风化观测池[ 3] , 测定母岩养分风化释放量 ; 另在小流域池塘、水田、水井等地选择 18 个水体监测点 , 每月或
降雨产流时采样 ,估算径流、淋洗和侵蚀的 N 素量 , 在小流域出口测定径流与泥沙量及其中 N 素含量。用凯
氏法 (硒粉-硫酸铜-浓硫酸 ) 消煮、蒸馏定 N 法测定土壤和植物 (包括籽粒 ) 中全 N 含量 , 以碱性过硫酸钾消
解-紫外分光光度法测定水样总 N 含量 , 用铬粒-重铬酸钾-硫酸消煮、蒸馏滴定法测定厩肥和堆肥中全 N 含
量[ 4] 。本研究应用 DNDC (Denitrification-Decomposition) 模型的农田/ 草地版 ( DNDC67a) 计算农田 N 的挥
发、硝化和反硝化等损失 [ 12～ 14] 。
2 结果与分析
2 . 1 N 素收入参数
N 素养分收入包括化肥、有机肥
的施用 , 作物秸秆还田 , 降雨带入 , 播
种及紫色母岩风化等。调查显示小流
域农田中主要作物化肥纯 N 平均施用
量小 麦为 135. 5kg/ hm2 , 油 菜 为 98
kg/ hm2 , 大春玉米 ( 套种甘薯 ) 为228
kg/ hm2 ,水稻为 63. 8kg/ hm2。其余旱
地各作物施肥量参照同季主要作物施
肥量计算。川中丘陵区种植习惯旱地
主要为玉米、小麦 , 因此该区旱地化肥
表 1 作物秸秆还田与种子带入 N *
Tab.1 Total N of returned straws and seeds
项 目
I tems
小麦
Wheat
玉米
Maize
油菜
Rape
水稻
Rice
甘薯
Sweet potato
花生
Peanut
绿豆
Mung bean
副产品还田率/ % 100 ?. 0 78 .0 100 . 0 27 .0 5 +. 0 75. 0 100 0. 0
还 田 总 N / kg 147 ?. 4 320 .8 94 . 1 81 .2 65 +. 5 22. 4 1 0. 28
播种量/ kg·hm - 2 C187 ?. 5 45 .0 10 . 5 180 .0 300 +. 0 187. 5 105 0. 0
种 子 总 N / kg 38 ?. 9 9 .26 0 . 9 38 .5 14 +. 9 3. 64 0 0. 36
* 表中秸秆作饲料的部分记入家畜排泄物中 , 此处扣除 ; 种子 N 含量按收获籽粒的
N 含量计算。
年施 N 量为 363.5kg/ hm2 ;稻田通常种植小春油菜、大春水稻 , 稻田化肥年施 N 量为 161. 8 kg/ hm2。此外该
区家畜粪便为本区主要厩肥 , 猪、牛、羊、禽类和人等的排泄物带入 N 量分别为 4. 9kg/ ?·头、40kg/ ?·头、
2. 3kg/?·头、0. 62kg/ ?·头、5.4kg/ ?·人。根据畜禽、人口等统计资料计算得农田平均年施有机肥为 52. 6
kg/ hm2。通过计算可得该小流域旱地与水田施 N 肥量分别为 416. 1kg/ hm2、214.4kg/ hm2。20 世纪 70年
代川中丘陵区开展大规模的植树造林活动 , 森林覆盖率大幅度提高。林地为农村提供了大部分薪柴 , 大部
分作物秸秆得以还田 ,增加了物质的再循环速率[ 5] 。该区作物秸秆还田和播种带入农田生态系统的 N 素见
表 1。紫色土为初育土 ,紫色母岩风化成土速率极快 , 年成土模数达 1.58～2. 55 万 t/ km2 [ 3] , 紫色土养分循
环中最具特色的是紫色母岩的养分输入。试验研究表明 [ 6] , 采用聚土免耕技术凿紫色母质改土 10cm, 促进
紫色岩养分风化释放 , 可向土壤提供 N7.50kg/ hm2 , 传统平作未凿岩改土仅可得 N0.8kg/ hm2 , 而该小流域
约 10%的旱耕地采用聚土改土技术 , 经计算小流域农田母岩风化 N 素为 35. 84kg。生物固 N 主要为豆科作
物、花生和绿豆固 N , 因其播种面积小 , 固 N 量少 , 估算全年为 2.26kg。1999～2002 年共测定 29次降雨全
N 含量 ,得其平均值为 0.115mg/ L , 1999～2002年平均降雨 868mm, 经计算由降雨带入农田生态系统的 N
素为 19.53kg。
表 2 小流域作物种植面积及产量 (1999～2000)
Tab.2 Plantareaandyieldsof cropsin thewatershedfrom1999to2000
项 目
I tems
小麦
Wheat
玉米
M aize
油菜
Rape
水稻
Rice
甘薯
Sweet potato
花生
Peanut
绿豆
Mung bean
种 植 面 积 / hm2 ? 13 ?. 47 14 . 7 4. 8 3 x. 9 15. 5 0. 14 0 .02
播种量/ kg·hm - 2 ?187 ?. 5 45 . 0 1. 05 180 x. 0 300. 0 187. 5 105 .0
单 产 / kg·hm - 2 ?4005 ?.0 4569.0 1600.5 8610 x.0 3855.0 2130. 0 2100.0
总 产 量 / kg 53947 ?.4 67164.3 7682.4 33579 x.0 59752.5 298. 2 42 .0
2 .2 养分支出参数
作物养分的吸收是养分循
环中的主要特征之一 , 也是养
分支出的主要内容 , 作物养分
吸收量与作物产量及养分含量
有关。表 2为小流域各类作物
近几年平均产量。作物养分含
量受施肥、土壤养分、水分、气
候等多种因素的影响 ,其变幅较大[ 7] 。表 3 为该区作物 N 素养分实测结果。作物养分消耗量是指每生产
100kg经济产品需要消耗的养分数量 , 是农田养分支出的重要部分。根据作物养分含量和草/ 籽值 , 各作物
养分消耗量计算式为 :
CN = 100kg× [ NA + ∑ ( N/ M× NB) ] (1)
式中 , CN 为作物 N 素养分消耗量 ( g/ kg) , NA 为作物籽粒含 N 量 (%) , N/ M 为作物草籽比 , NB为作物各副
第 1 ?期 朱 波等 : 川中丘陵区典型小流域农田生态系统氮素收支探析 109
表 3 作物 N素养分平均含量 *
Tab. 3 Average N contents of crops
项 目
I tems
N 素含量/ g·kg - 1 VN Content
小麦 玉米 油菜 水稻 甘薯 花生 绿豆
Wheat M aize Rape Rice Sweet potato Peanut Mung bean
籽 粒 15 k. 4 14 ?. 0 16 . 9 11 .5 3 X. 2 34 . 9 42 ,. 5
副产物 3 k. 3 12 ?.7(叶)、2 x.1
(茎)、3 ?.5(芯)
3 . 5 5 .6 21 X. 3 26 . 5、
10 w.0( 壳 )
10 ,. 0
* 甘薯、花生为新鲜样品测定 ,除特别注明外 ,副产物指茎叶混合样 , 下同。
产物含 N 量 (%)。根据表 2、表 3及作物草
籽比计算该区作物 N 素吸收总量其结果
见表 4。肥料 N 气态损失仅指化学 N 肥
的反硝化和挥发等 , 以及有机肥 ( 主要是
厩肥 )的 N 素损失。肥料 N 的气态损失较
为复杂 , 国内运用15 N 进行了为数不多的
田间定位实验结果发现 ,我国化肥 N 利用
率很低 , 仅 30%～35% [ 8] 。因土壤为钙质
紫色土 ( pH≈8. 3) , 而农田施用的N肥主
要是 NH4HCO3 , 损失较大 , DNDC
模型计算获得本区旱地气态 N
(氨挥发与反硝化 ) 年损失量为
70.89kg/ hm2 , 水田气态 N 损失
为 30. 0kg/ hm2 , 气态 N 为本区
农田 N 素的主要损失途径。有
机肥 ( 厩肥和还田秸秆 ) 在堆积、
运移、使用等各环节均有损失 , 难
以精确计算。据前人试验结果并
表 4 作物草籽比及其 N 素养分吸收量
Tab.4 Ratioof by-product toproduct andtotal N outputsof thedifferent crops
项 目 小麦 玉米 油菜 水稻 甘薯 花生 绿豆
I tems Wheat M aize Rape Rice Sweet potato Peanut Mung bran
草 / 籽 1 6. 39 0 N.55(叶)0 F.65
(茎)1 ?.00(芯)
3 ~. 4 1 ?. 6 2 #. 13 2 . 65、
0.25(壳)
1 ?.0
N消耗量/ g·kg- 1 ?20 6. 0 25 ?. 9 28 ~. 8 20. 5 8 #. 7 62 . 3 50 ?.1
N吸收量/ kg 1078 6. 2 1736 ?.2 221 ~. 2 687. 1 522 #. 1 17 . 8 2 .12
考虑紫色土实际情况 , 本研究以施入厩肥 N 的 30% 作为损失计算 [ 9] , 故有机肥气态 N 年损失量为 15. 8
kg/ hm2。因化肥和有机肥年施用量较大 ,由此损失的 N 素养分可能成为环境污染的重要因素。农田土壤养
分的淋洗、径流和土壤侵蚀等是农田养分支出的重要组成部分。余贵芬等研究表明 [ 10] , 紫色土旱作中
NH4-N易被土壤吸持 ,移动性小 , 但易发生硝化作用变成 NO -3 -N 随水流失 ,因此旱作土壤 N 素淋洗主要考
虑 NO -3 -N 的移动。根据 DNDC 模型 , 结合多年观测资料计算得该区旱地与水田 N 素淋洗分别为 9.48
kg/ hm2、4.91kg/ hm2 , 集水区旱地与水田 N 素淋溶分别为 148.2kg、19.3kg。试验观测表明该小流域坡地径
流系数为 0. 32, 旱地地表径流总 N 相当于 N 肥施用量的 7.3% ,水田 ( 含两季田 ) 径流 N 损失约为施肥量的
4. 8% , 计算得该区旱地径流 N 为 475. 1kg, 水田径流 N 为 40. 4kg。紫色土区因土壤抗蚀性弱 , 降雨集中 ,坡
耕地面积大 ,水土流失严重 , 由此带走的养分不容忽视。该区农田径流场 1998～2002 年连续 5 年观测结果
表明 ,坡度为 5°的坡耕地侵蚀模数为 5.61t/ hm2 ,测得坡耕地泥沙平均含 N 量为 0.80g/ kg, 经计算得小流域
旱坡地土壤年侵蚀 N 总量为 70. 1kg; 水田 (含两季田 ) 侵蚀模数为 1. 83t/ hm2 , 水田泥沙多年平均含 N 量为
0. 96g/ kg,经计算得小流域水田泥沙损失 N 量为 6.9kg。
表 5 紫色土典型小流域农田 N素养分收支
Tab.5 Nitrogen balance in the typical watershed of purple soil
项 目 收入 N/ kg 占收入比例% 项 目 支出 N/ kg 占支出比例/ %

I tems Input N Ratio of input I tems Output N Ratio of output
化 肥 6321 8.0 76 ?.65 作物养分消耗 4324 . 8 62 p. 32
厩 肥 1029 8.4 12 ?.48 化肥反硝化、挥发 1226 . 2 17 p. 67
秸秆还田 732 8.7 8 ?.88 厩肥气态损失 309 . 2 4 p. 46
种 子 106 8.5 1 ?.29 秸 秆 N 损 失 319 . 3 4 p. 60
生 物固 N 2 8.3 0 ?.03 淋 溶 167 . 5 2 p. 41
降 雨 19 8.5 0 ?.24 地表径流与泥沙 592 . 5 8 p. 54
母岩风化 35 8.8 0 ?.43
收入合计 8247 8.2 100 ?.00 支 出 合 计 6939 . 5 100 p. 00
平 衡 + 1307 8.7
2 . 3 典型小流域 N 素收支状况
川中丘陵区典型小流域农田生
态系统 N 素总体平衡计算结果见表
5。由表 5 可知 该区 N 素 盈 余为
1307.7kg,按耕地 19.57hm2 计算 , 平
均盈余为 66. 8kg/ hm2。化肥和厩肥
仍是农田 N 素来源的主体 , 二者之和
占 N 素总投入的 89.13%。目前该
区农田化肥平均使用量较高 , 若完全
不施化肥 N ,农田将出现 N 素严重亏
缺。根据不同作物和土壤 , 适当增加
化肥施用量可大幅提高作物产量。
本区尽管化肥施用和比例逐年增加 ,
但有机厩肥仍然是农田 N素的重要
来源[ 5] , 施用量达 52.6kg/ hm2 , 占稻田施肥量的 32. 5%。秸秆还田带入的养分占有一定比重 , 但由于该区
森林面积较大 (35% ) ,农村薪柴富足 , 秸秆还田的潜力较大 , 极可能增加有机肥源比例。此外若能充分利用
110 中 国 生 态 农 业 学 报 第 14 ?卷
紫色母岩易风化成土、且养分风化释放快的特点 , 通过凿岩改土 , 既能增厚土层 , 又能提供养分 , 可一定程度
缓解对化肥的依赖[ 11] 。该区旱地和水田中 N 素总损失量大 , 为 2537.6kg,平均损失为 129.67kg/ hm2 , 且主
要为 N 素气态损失 , 占 N 素支出总量的 27% , 其中约 22% 是通过化肥和厩肥的硝化-反硝化和氨挥发以气
态形式进入大气 ,农田 N 素的这种迁移不仅造成养分的大量损失 ,且可能造成如 N2 O 等大气环境污染。而
农田通过径流、淋洗和土壤侵蚀等途径损失的 N 素为 760kg, 其中旱地高于水田 , 约占总量的 91% , 年均
44.34kg/ hm2 ,这部分 N 素往往是引起地下水和地表水 NO -3 -N 浓度增加的主要原因之一。本区地下水
NO -3 -N 含量已达 10(±0. 39) mg/ L , 部分地下水 NO -3 -N 含量高达 14. 2mg/ L , 已不太适于饮用 , 而区内地表
径流平均 NO -3 -N 含量为 1. 06(±0. 26) mg/ L , 也已高于水体富营养化的低限。
3 小 结
化肥、厩肥、作物秸秆和母岩风化是川中丘陵区 N 素养分的主要收入 , 其中化肥和厩肥是农田 N 素来源
的主体 ,决定了农田 N 素的盈亏状况。旱地、水田年化肥施 N 量分别为 363.5kg/ hm2、161.8kg/ hm2 , 化肥 N
占 N 素总投入的 76. 65%。作物养分消耗、厩肥和化肥的损失以及土壤侵蚀是川中丘陵区 N 素养分的主要
支出 , 小流域农田生态系统 N 素损失严重 , 为 129.67kg/ hm2 , 其中以 N 素气态损失为主 , 占支出总量的
27% ;农田通过径流、淋洗和泥沙等途径损失的 N 素为 760kg, 旱地损失量约占水土流失总量的 91% , 年均
44.34kg/ hm2。川中丘陵区农田生态系统 N 素已有积累 , 年均盈余 66.8kg/ hm2 , 农田 N 素平衡依赖化肥 ,
而肥料 N 的利用率低 , 农田 N 素通过氨挥发、反硝化及水土流失损失 , 已导致小流域非点源 N 污染。未来
的肥料管理应充分利用当地丰富的有机资源如秸秆 ,适当减少化肥 N 的施用且少施碳铵 , 提高化肥利用率 ,
有效缓解农业非点源 N 污染威胁。
参 考 文 献 h
1 李仲明 .中国紫色土 (上 ) .北京 :科学出版社 , 1991
2 彭 奎 , 朱 波 .试论农业养分的非点源污染与管理 .环境保护 , 2001 ( 1) : 15～17
3 朱 波 , 高美荣 ,刘刚才等 .紫色页岩风化侵蚀及其环境效应 .水土保持学报 , 1999 , 5( 3) : 33～37
4 孙鸿烈 , 刘光崧 .土壤理化分析与剖面描述 .北京 : 中国标准出版社 ,1996 . 33～35
5 朱 波 , 彭 奎 ,高美荣等 .川中丘陵农业生态系统演替 .山地学报 ,2003, 21( 1) : 56～62
6 朱 波 , 李同阳 ,张先婉 .耕作制度对紫色土养分循环的影响 .山地研究 , 1996 , 14( 增刊 ) : 51～54
7 朱 波等 .紫色土肥力要素的剖面分异与肥力潜力 .西南农业学报 ,2000, 13( 4) : 50～57
8 鲁如坤 , 刘鸿翔 ,闻大钟等 .我国典型地区农业生态系统养分循环和平衡研究 .土壤通报 , 1996 ,27( 4) : 145～151
9 沈善敏 .中国土壤肥力 .北京 : 农业出版社 , 1998 . 160～206
10 余贵芬 , 毛知耘 ,石孝均 .氮素在紫色土中的移动和淋失研究 .西南农业大学学报 , 1999, 21(3) :228～230
11 朱 波 , 罗晓梅 ,廖晓勇等 .紫色母岩养分的风化释放 .西南农业学报 , 1999, 12(4) : 63～68
12 ?Li C . S ., Steve F ., Tod A . F . A model of oxide evolution from soil driven by rainfall events:? . Model structure and sensitivi ty . J ournal
of Geophysical Research, 1992, 97( 9) : 9759～9776
13 ?Li C . S ., SteveF ., Tod A . F . A model of oxideevolution from soil driven by rainfall events:? . Model applications . J ournal of Geophysical
Research, 1992, 97(9) : 9777～9783
14 ?Li C . S ., Vi J ay N ., Robert C . H . Model estimates of nitrous oxide emissions from agricultural lands in the United States . Global
Biogeochemical Cycles, 1996, 10(2) : 297～306
15 ?Barrington S .F ., Moreno C . R . Swine manure nitrogen conservation in storage using sphagnum moss . Environ . Qual ., 1994, 24 ( 4) :
492～503
第 1 ?期 朱 波等 : 川中丘陵区典型小流域农田生态系统氮素收支探析 111