全 文 ：第 13卷 第 1期
2 0 0 5年 1月
中 国 生 态 农 业 学 报
Chinese Journal of Eco—Agriculture
V01．13 No．1
Jan．， 2005
农林复合生态系统氮素生物地球化学循环及其环境影响研究*
彭 奎 欧阳华 朱 波
(中国科学院地理科学与资源研究所 北京 100101)(中国科学院成都山地灾害与环境研究所 成都 610041)
摘 要 对长江上游典型农林复合生态系统 N素收支平衡及其污染特征研究结果表明，农林复合生态系统旱地 N
素盈余相对较多，水田基本平衡，而林地有较大亏缺。N素收支平衡评价表明其旱地平衡合理，水 田平衡略高，但
整个农田N素 已由20世纪 60年代严重亏缺达到目前的较合理水平；大规模造林以及水保耕作措施对农 田N素
合理分配均产生重要影响。但化肥施用量剧增已导致农田气态 N素释放量增加和水体非点源污染风险加大。
关键词 农林复合系统 N素收支平衡 生物地球化学 非点源污染
N biogeochemical cycle and its impacts on environments in an agro-forest ecosystem．PENG Kui，OUYANG Hua(Insti—
tute of Geographical Sciences and Natural Resources Research，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101)，ZHU Bo
(Chengdu Institute of Mountain Hazards and Environment，Chinese Academy of Sciences，Chengdu 610041)，CJEA，
2005，13(1)：111～l15
Abstract The N balance and its polution characteristics on environments in a typical agro—forestry ecosystem in the up—
per reaches of the Yangtze River were studied．The results show that in ecosystem，there is relatively high N surplus in
croplands，almost N balan ce in paddies and high N deficit in forest．N balance apprmsals show the N balance rate of crop—
lands is reasonable but that of paddies shows a little hi ghcr．However，N balance of the whole arable lands has changed
greatly from heavy deficit of 1960s tO reasonable balance of nowadays ．Forest and cultivations play the impo rtant roles in
the N balance changes of ecosystem ．But the great increases chemical N fertilizer usages lead to the increasing of the gas
N em issions and N non—po int source polutions risk of water bodies．
Key words Agro—forest ecosystem，N balance，Biogeochemistry，Non—po int source pollution
研究认为uoJ人类活动是引起水体富营养化、地下水硝酸盐含量超标以及农田温室气体排放加剧等非点
源污染的主要原因【1 。1968～1997年长江流域 N素负荷已增加 4倍，而施用 N肥是长江流域 N素的主要
输入源⋯。四川盆地丘陵区地处三峡库区入口，是长江上游的生态屏障和长江洪涝灾害及养分流失的主要
发源地，本试验研究了该区典型农林复合生态系统 N素生物地球化学循环及其环境影响，为合理施用 N肥
与有效控制非点源污染提供理论依据。
1 研究区域概况与研究方法
研究区域位于四川盆地中北部一集水区(东经 105。27 ，北纬 31。16 )，面积 34．64hm2，属中亚热带湿润
季风气候，年均降雨量 836mm，土壤类型为水稻土和钙质紫色土，生态系统由各山丘顶部到沟谷依次分布有
林地、旱地、林地坡坎、水田、塘库和居民点等景观，且三面环山，集水区径流汇聚于一截流堰出口，封闭性较
好。在人为活动干扰下研究区域生态系统经历了 1972年前的退化和之后的进化 2个时期，1974年完成大
规模荒山植被恢复后森林覆盖率由约 10％猛增至 44．6％，单一农田生态系统发展为农林复合生态系统。四
川盆地丘陵区农林复合生态系统 N素主要输入参数包括化肥与有机肥带入、母岩风化、降雨和林地固 N等 ，
主要输出参数包括作物 N素消耗量、农地与林地径流、土壤侵蚀、肥料 N素的硝化一反硝化和挥发及林地饲
草带走的N素等。试验于 1999-2001年在不同台位耕地设立 24个 N素定位观测点，记录其有机肥与化肥
N素施入量、作物籽粒及秸秆产量，并采集有机肥、籽粒、秸秆和叶片等计算草籽比和耕地养分的产出与投
入。在旱地设 6个 20m×5m的径流观测场(3个顺坡种植，2个聚土免耕，1个平板种植)和 9个 2m×3m的
紫色母质风化径流场，观测农田径流与侵蚀 N的输出。于集水区东、南、北 3面坡的山顶、山腰和坡坎各选 3
*“九五”中国科学院重大项目(1∞ 51．A1—301)资助
收穑日期：2003—12—25 改回日期 ：2004—01—31
112 中 国 生 态 农 业 学 报 第 13卷
个 100m2的林地调查点，调查其固N树种和放牧情况，设立凋落物收集点并取样测定主要树种柏树的枝、叶
等含 N量，林地内外各设 1个径流观测场(观测范围 1．5683hm2)，观测林地养分流失状况。集水区水质监
测试验设不同部位的地下水(井水)和地表水(池塘水、径流水和田间水)共 17个监测点，另设 1雨水和 1自
来水对照观测点，于每次降雨产流后 24h内取样测其总 N和 NO3-一N含量及其变化。设紫色母岩风化的盆
钵试验和田间试验，分别于风化 3月、6月、9月和 12月后定期筛分以上风化岩屑与土粒 ，取土样与渗漏径流
水样测定其含 N量，并进行数次农户调查和访问知情者。具体参数计算方法和过程见文献[2]。各样品分
析方法均按中国生态系统网络观测与分析标准进行，农田N肥淋失、挥发、硝化与反硝化等损失 目前尚无法
精确测定 ，本研究采用 DNDC计算机模型[1 ]简单模拟 ，模型中气候数据采用 1985～1994年中国科学院盐
亭农业生态试验站 10年观测资料，20世纪 60年代农田养分平衡参数估算中土壤侵蚀采用 1965年的航片
解译而对侵蚀模数进行分级 ，作物种植面积、产量、施肥等通过访问知情者和历史资料获得，其他参数均按
目前参数估算。
2 结果与分析
2．1 农林复合生态系统 N素收支与平衡
通过参数计算得出(见图 1和图2)研究区域旱地 N素实际盈亏率[(收入 一支出)／支出]为 10．4％，年
均 N素盈余 56．1kg／hm2；水稻田N素实际盈亏率为 一3．2％，年均 N素亏缺 13．2kg／hm ；林地 N素实际盈
亏率为 一39．2％，年均N素亏缺165．9kg／hm 。旱地N素盈余相对较多 ，水稻田基本平衡 ，林地有较大亏
图 1 农林复合生态系统 N素收支与平衡 图 2 农林复合生态系统 N素平衡率与盈亏率
Fig．1 Input and output of N and its balance Fig．2 Balance rates and surplus or deficit rates
in agro’fl0rest ecosystem of N in agro—fl0rest ecosystem
缺，而整个农林复合生态系统年均 N素亏缺较小 ，为 一37．5kg／hm ，实际盈亏率仅为 一7．8％。鲁如坤等E3]
用养分允许平衡率评价农田养分平衡的合理性，其计算公式为：
scJ= 1 (1)
B= [( 一1)]×100％ (2)
式中，SCI(Soil Contribution Index)为养分 自然供给力，D为养分增产率，B为 N素允许平衡盈亏率 ，E为 N
素肥料利用率 ，用相对值表示。对紫色土 N肥效应研究表明，N素 自然增产率旱地玉米为 1．62 E ，水稻为
1．26 E
，代入模型得出该区旱地 N素允许平衡率较高，为 +23．4％，故土壤N素自然供给能力较低。对该区
旱地而言，保证农作物正常生长其 N素养分允许阈值为 N素支出值～作物带出 N素量的23．4％，超出其范
围养分则不会带来增产。该区旱地 N素实际盈亏率为 10．4％，其 N素平衡合理。水稻田 N素允许平衡率
为一37．6％，表明该区水稻 田允许 N肥有 37．6％赤字，即允许投入 N素达到作物带走量的 62．4％(1—
37．6％)，其原因是稻田复种指数低，且水稻生长期田间热量充足，有机质 N素矿化率较高，可为水稻提供较
多的 N素养分所致。水稻田实际盈亏率 一3．2％与允许盈亏率相比平衡略偏大。经计算所得造林以前 20
世纪 60年代该区农田(旱地+水田)N素平衡为负值，平均达 一103．6kg／hm2，实际盈亏率为 一54％。因该区
耕地中水稻田比例很小 ，将实际盈亏率与旱地允许盈亏率 23．4％对比表明，当时耕地 N素亏缺十分严重 ，处
于极不合理状态。
2．2 不同耕作方式对农林复合生态系统 N素收支平衡的影响
除大量施用化肥外，试验区域 20世纪 70年代景观的巨变也改变了生态系统物质循环功能，造林后林地
∞ 加∞ ∞ ∞ ∞加 0 加 ∞ ∞
，0／斛 鎏N
瑚 啪 鲫枷 瑚 。 瑚
a． 罩 ∞)I证2
第 1期 彭 奎等 ：农林复合生态系统氮素生物地球化学循环及其环境影响研究 113
给农村提供了大部分燃料，玉米秆叶、稻草、甘薯藤等作饲料，增加
了饲料和肥料来源；不能食用的作物残体则直接还田，促进了 N素
合理分配与系统生产力的发展。目前收获物总 N为 4325kg，为 20
世纪 60年代的3．69倍。目前收获物投入燃料的 N素比例已由 20
世纪 60年代的26％降至 7％，而作为饲料和秸秆还田的 N素比例
分别由17％和3％提高至 26％和 24％(见图 3)。且林地通过为牲
畜提供大量饲草(年均达 N 373．6kg／hm2)，促进畜牧业发展 ，使部
分 N通过粪便形式输入农 田。故林地缓和了“燃料、饲料、肥料”之
间的矛盾，是引起 N素收支平衡变化的直接驱动因素。2000年试
12O
100
80
鬟60
釜4o
20
O
2o世纪 60年代 2000年
年 份
圈3 20世纪60年代与2O呻年收获翱N素分配比较
验区域耕地径流场数次降雨产流后观测结果见图 4，图 4表明林地 ．3 Ndis~ibtrdondharvestedpaxi ctsd1960 and 200
径流量和土壤侵蚀量均远低于各种耕作方式的耕地 ，故退耕还林能有效减少丘陵区水土流失，从而减少 N
素流失。顺坡种植方式土壤侵蚀量略大于平板耕作，而以聚土免耕土壤侵蚀量最小。计算得出顺坡种植方
式年均土壤侵蚀量为 70t／km2，平板种植为 65t／km2，而聚土免耕仅为 31t／krn2。中国科学院盐亭农业生态
试验站多年观测也发现，聚土免耕方式土壤侵蚀模数仅为平板耕作的 38％左右 J，故聚土免耕能有效减轻
土壤侵蚀，从而降低 N素的环境污染压力。不同耕作方式耕地径流量相差较小，但均远高于林地径流量。
g
鳢；
- 19 06-24 07-09 07-15 08-l9
观测时间(月一日)
●
＼
磐
圈4 不同耕作方式耕地土壤侵蚀量(a)与径流量(b)比较
Fig．4 Soil erosions(a)and water runoff(b)of different cultivations
*顺坡种植为3个径流场平均，聚土免耕为2个径流场平均；种植作物皆为花生+玉米，下同。
2．3 N素非点源污染特征
试验 区域农 田平均施
用化肥 N 358kg／hm2(全 国
平均228kg／hm2[ ])，进入农
田的 N素除部分被农作物
吸收外，绝大部分主要通过
气态损失进入大气、水土流
失进入地表水和渗漏淋洗
进入地下水等各种途径损
失于环境 中 J。集水 区农
田生态系统 N素损失(指除
作物带走外的农田N素支出总和)研究表明，目前年农田N素损失途径化肥反硝化与挥发、厩肥损失、秸秆
N损失、淋失、水土流失等损失量分别为 196kg／hm2、33kg／hm2、16kg／hm2、9kg／hm2和 39kg／hm2，而 20世
纪 60年代分别为 0kg／hm2、22kg／hm2、0．7kg／hm2、1．7kg／hm2和 108kg／hm2。农 田损失的气态 N主要有
NH3和 N2O等(为大气温室气体主要来源)，后者还能破坏臭氧层而引起地表辐射增强，故减少农田 N源排
放是应对全球变化的重要途径。目前通过硝化-反硝化与挥发损失的化肥 N占化肥 N投入总量的 54．7％，
占损失量的66．9％，即施入农 田化肥 N的 50％通过气态损失进入到大气中。有机肥 N(厩肥 +秸秆)田间
淋失相对较小，但其施用或添加可显著增强土壤的反硝化潜势，增加稻田N2o排放 ，其损失主要为挥发损失
(约 49kg／hm2)，施有机肥与化肥农田年均输入大气的 N素高达245kg／hm2。而20世纪 60年代农田不施化
肥，即使全部有机肥损失进入大气也仅 22．7kg／hm2，农田年均流失 N 108kg／hm2，占N素损失的81．6％，甚
至高于当时N的输入量 88kg／hm2，是农田N素严重亏损的首要因素，其原因为 20世纪 60年代林地少而荒
地多，系统处于不稳定状态，荒地和耕地水土流失严重(计算得其年土壤侵蚀模数达 145t／hm2)，损失的 N素
养分较大。目前该区水土流失状况有所改善，农 田年水土流失 N素 39kg／hm2，比20世纪 60年代约减少
2／3，仅占N素损失的 13．3％，但 目前因丘陵区实施工程项 目日益增夺而引起的大量岩石裸露、泥沙入河入
库等工程侵蚀已成为紫色土区新的侵蚀源，暴露母岩年所带走的 N素可达 58kg／hm ，若不加以严格控制必
将对三峡库区水质产生严重影响。
由图5和图6可知随降雨量的增加，自然系统(如山顶池塘、林地内径流和林地截流堰等)地表水 NO／-N
含量因稀释而趋于降低 ，但试验区域水田和旱地径流水中 NO3-一N含量均随降雨量的增加而相应增加；旱地
不同种植方式中该趋势均较明显，且 NO；一N含量均较高，其 中平作种植 NO；一N含量变化最大，最高达
16mg／L，顺坡种植最高达 10mg／L，聚土免耕最小(>8mg／L)。其原因是农 田降雨产流最集中的 6～9月份
5 O 5 O 5 O 5 O
3 3 2 2 l l O O
114 中 国 生 态 农 业 学 报 第 13卷
∞
，
金
军
I
0
Z
吕
栅
崆
逝
图5 降雨对非农田径流水 NO；-N含量的影响
Fig．5 Effects of rainfall on the NO3-一N concentra
tions of water runoff of no-farmlands
吕
咖1
窿
逝
图7 降雨对集水区径流 NO；-N含量的影响
Fig．7 Effects of rainfall on the NOr-N concentra．
tions of water runoff of catchments with rainfalls
姜
军
0
Z
∞
军
I n
0
Z
吕
栅
窿
逝
图 6 降雨对农 田径流水 NO；-N含量的影响
Fig．6 Effects of rainfall on the NOr。N concentra-
tions of water runoff of farmlands
正是玉米和水稻等主要夏作粮食生长期，农田施肥最多，施
人农 田的NH —N易发生硝化作用转变为 NO —N，降雨量增
加使未被作物利用的部分 N素通过径流进入水体，增加地
表水中 NOr—N含量。图 7表明集水区底部池塘和截流堰出
口径流中NOr—N含量变化与农地趋势相同，且均高于枯水
期(1月 7日)含量，故施肥可增加生态系统地表水 N素流
失，其长期大量积累必将对湖泊、水库和江河造成污染。图
8表明降雨量对集水区底部不同位置井水 NO；一N含量并无
太大影响，但不同季节 NO；·N含量却有较大差异。同等降
雨量夏季地下水 NOr—N含量均比冬季成倍增加，其原因为
夏季农田大量施肥，淋洗入地下水的 NO；一N含量增加而引
吕
栅
崆
逝
∞
主
’
歪
＼
嘲j
旺
蠼
誉
Z
钼
图8 降雨对地下水 NO； -N含量的影响 图 9 施 N肥对盐亭、沱江水体 NO；-N含量的影响
Fig．8 Efects of rain／all on the NO；一N Fig．9 Efects of applying fertilizer on the NOr-N
concentrations of groundwater concentrations of water in Yanting and Tuojiang
*中上部和中下部井均位于山脚接近稻田，下部 *盐亭县水体 NO3-N含量以该区测得值为代表，
井处于紧邻集水区出水 口，井深均>5m，下同。 沱江水质为全流域平均值 。
起地下水污染。下部井则由于地处截流堰出口的稻田，其受地表水水质影响，全年 NO；·N含量低且变化较
小。由图9可知四川省盐亭县 N肥施用量由1965年的41t猛增至目前的 1．9036万 t，其地表水和地下水中
NOr·N含量均显著增加 ，目前该县地表水中 NOr—N含量 0．16mg／L，为 20世纪 60年代中期的 8倍、80年
代中期的3倍 ；地下水中NOr—N含量4．26mg／L，分别为 60年代、80年代的85倍和 7倍。而同处川中丘陵
区的沱江流域水体 NOr·N含量也呈相同变化趋势。故随 N肥施用量的增加，试验区域生态系统水体中
NOr·N含量迅速增加，水质有恶化趋势，但施 N肥与水质变化的相关性尚需进一步研究。
3 小 结
川中丘陵区农林复合生态系统旱地 N素盈余相对较多(年均盈余 56．1kg／hm2)，水田基本平衡(年均亏
缺 13．2kg／hm2)，林地有较大赤字(年均亏缺 165．9kg／hm2)，而农林复合系统年均亏缺较小 (为 一37．5
∞∞∞ 加 o
4 2 O 8 6 4 2 O
第 1期 彭 奎等 ：农林复合生态系统氮素生物地球化学循环及其环境影响研究 115
kg／hm2)。农田N素允许盈亏率评价表明，该区旱地 N素平衡较合理，水田平衡略偏高。而 20世纪 60年
代该区农田N素平衡为 一103．6kg／hm2，处于严重亏缺的不合理状态。造林增加了饲料和肥料来源，改变了
农田 N素循环途径，使 N素趋于合理分配，是农田N素由严重亏缺到盈余的主要驱动因素。耕作措施对农
田水土流失有较大影响。不同耕作方式农田土壤侵蚀量依次为顺坡种植>平板种植 >聚土免耕，径流量依
次为顺坡种植、平板种植>聚土免耕，聚土免耕能有效减少 N素流失，但耕地水土流失均远大于林地。大量
施用化肥使 目前农田N素气态损失较 20世纪 60年代增加了 11倍 ，并引起地表径流和地下水中 NOr—N含
量的成倍增长，增加了 N素非点源污染风险，应进一步加强 N素管理的深入研究。
参 考 文 献
1 晏维金。章 申。王嘉慧．长江流域氮的生物地球化学循环及其对输送无机氮的影响——1968～1997年的时间变化分析．地理学报，
2001(5)：505～514
2 彭 奎，朱 波，KazukoAbe．紫色土集水区氮素收支状况与平衡分析．山地学报。2001，19(增刊)：30～35
3 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．Ⅳ．农田养分平衡的评价方法和原则．土壤通报，1996。
27(5)：197～199
4 朱 波，罗晓梅，徐 佩等．紫色土肥力要素的剖面分异与肥力潜力．西南农业学报，2000(4)：50～55
5 何才富．四川省化肥试验研究总结．四川农业科技 。1983(6)：6～11
6 李仲明主编．中国紫色土(上篇)．北京：科学出版社。1991．277～313
7 国家统计局农村社会经济调查总队．中国农村统计年鉴．北京 ：中国统计出版社。2001．44
8 何 萍，王家骥．非点源(NPS)污染控制与管理研究的现状、困境与挑战．农业环境保护 。1999，18(5)：234～237
9 施为光．沱江流域综合整治规划．四川环境 。1996，15(1)：67～71
10 Vitousek P．，Aber J．D．，Howarth R．Weta1．Human alteratiotxs of the global nitrogen cyde：SOUrCes and consequences．EcoLogical Apptica—
tions，1997。7(3)：737
11 MurmT．WhyteA．Timmerman P．Emerging environmentalisues：a global perspective of SCOPE．Ambio，1999，28(6)：464～471
12 Li C．S．。Vijay N．，Robe~C．H．Model estimates of nitrous oxide emissions from agricultural lands in the United States．Global Biogeochemi—
cal Cycles。1996，10(2)：297～306
敬告广大作者与读者
《中国生态农业学报》自2005年第 1期始主办单位由原 中国科学院石家庄农业现代化研
究所更名为中国科学院遗传与发育生物学研究所，其他办刊内容事项均不变，欢迎广大作者与
读者继续踊跃投稿和订 阅。本刊通讯地址仍为(050021)河北省石 家庄市槐 中路 286号
《中国生态农业学报》编辑部。电话：(0311)5818007。
《中国，生态农业学报》编辑部