孟凡喬，王 坤，肖廣敏，王開永，胡正江，張海霞，許秀春，張 薇，楊 軒

(1.中國農業(yè)大學資源與環(huán)境學院/農田土壤污染防控與修復北京市重點實驗室 北京 100193； 2.淄博市農業(yè)農村事業(yè)服務中心 淄博 255033； 3.桓臺縣農業(yè)農村局 桓臺 256400)

改革開放40 多年來，華北平原等地區(qū)氮肥用量不斷增加，作物產量快速提高，是地下水面源污染的重要原因[1-4]。20 世紀90年代初，氮肥等引起的面源污染就開始進入人們視線，周健等[5]提出通過降低化肥數(shù)量、優(yōu)化施肥技術等，有效降低面源污染，并建議 2020年全國化肥投入總量控制到5.16×107t。張維理等[6]建議華北地區(qū)二熟制糧食作物氮肥用量不超過400 kg(N)·hm-2·a-1。進入21 世紀，面源污染逐步加劇。劉光棟等[7]對華北第一噸糧縣——山東桓臺調查發(fā)現(xiàn)，由于連續(xù)多年大量施用氮肥，1999年全縣地下水硝態(tài)氮濃度>10 mg·L?1的污染區(qū)域占1/5。第1 次和第2 次中國污染源普查表明，2007年和2017年全國種植業(yè)總氮排放量分別達1.59×106kg 和7.2×105kg，遠超過工業(yè)與生活源。除了統(tǒng)計口徑和計算方法，肥料投入和氮淋失阻控措施的實施是兩次污染物排放量出現(xiàn)差異的重要原因[8-9]。

從20 世紀60年代以來，全球范圍內，美國、中國和荷蘭等農業(yè)集約化國家對于氮淋失的研究開始快速增加，對象主要是小麥(Triticum aestivum)、玉米(Zea mays)和草場，又以在中國華北地區(qū)的研究更為充分[10]。如在河北欒城的長期定位試驗表明，年施氮量為400 kg(N)·hm-2情景下，硝態(tài)氮淋溶損失為47.0～65.5 kg(N)·hm-2，占肥料氮的11.8%～16.4%[1]。在夏玉米季，全國范圍內硝態(tài)氮淋失損失平均水平為27.6 kg(N)·hm-2(占氮肥投入的13.3%)，其中華北潮土區(qū)為10～35 kg(N)·hm-2[11]。從農田淋失的氮絕大部分進入地下水體，造成華北地區(qū)地下水硝酸鹽等逐年增加，已經對該區(qū)水環(huán)境和人群健康造成重大潛在影響，急需采取阻控措施，降低糧食生產過程中的氮淋失。

華北平原是中國主要的糧食產區(qū)[12]，目前在該區(qū)圍繞氮淋失與氮肥和水分之間的數(shù)量關系、肥料增效劑等主要農田管理措施的阻控效果進行了大量研究，但這些個案研究效果各異、甚至相反，需要從區(qū)域尺度，采用數(shù)據整合分析等方法，對這些研究的整體性規(guī)律進行歸納總結，并對不同結果的原因進行分析。本研究對過去40 多年來的研究文獻進行全面分析，梳理氮肥和水分投入與氮淋失之間的定量關系，比較主要農田管理措施對氮淋失的阻控效果及其機理，提出適用于華北平原糧田的源頭減量和過程阻斷與攔截技術，為該區(qū)面源污染防控和管理工作提供科技支撐。

1 潮土區(qū)土壤特點與農田管理措施

潮土(Alluvial soils，F(xiàn)luvo-aquic soils)是河流沉積物受地下水運動和耕作活動影響而形成的土壤，因有夜潮現(xiàn)象而得名。潮土為發(fā)育于富含碳酸鹽或不含碳酸鹽的河流沖積物，受地下潛水作用，經過耕作熟化而形成的半水成土壤[13]，相當于美國《土壤系統(tǒng)分類》的淡色始成土綱(Ochrepts)，以及世界土壤分類中的飽和始成土(Eutric Cambisols)和石灰性始成土(Calcaric Cambisols)[14]。我國潮土主要分布于華北平原(黃淮海地區(qū))和長江中下游平原北部，其中河南省4.16×106hm2[15]、山東省4.70×106hm2[16]。華北地區(qū)潮土粉粒含量較高(65%～80%)，多為粉壤土，而源于潮白河的沉積物的潮土粉粒少。潮土發(fā)育時間短，土壤有機質和養(yǎng)分含量(鉀除外)較低，土壤pH 為7.0～8.5，除長江及支流沉積物發(fā)育潮土外，其他地區(qū)碳酸鈣含量較高[16]。歷史上潮土區(qū)地下水位較淺(1.5～3.0 m)，近年來，隨著全球氣候變化以及用水需求的快速增加，潮土區(qū)地下水位不斷下降，相應的化肥等面源污染源對地下水體的影響也逐步加深。

改革開放以來，華北平原農業(yè)經歷了快速集約化進程，其主要特征包括： 1)種植制度從一年1 熟[冬小麥/夏玉米/棉花(Gossypium spp.)/豆類/薯類]逐步向一年兩熟(冬小麥和夏玉米)轉變，作物由糧食作物向蔬菜和林果作物轉變[17-18]，并在部分地區(qū)試點推廣“一季休耕、一季雨養(yǎng)”和退耕冬小麥等措施[19-20]。2)氮肥投入經歷了快速增加到頂點、然后逐步下降的過程，從 20 世紀 80年代的每年200～300 kg(N)·hm-2增加到2010年代每年的400～600 kg(N)·hm-2。2010年代以后，隨著緩控釋肥、復合肥以及增效肥等新型肥料和技術的引進，施肥機械、秸稈還田和施肥技術的推廣，目前該區(qū)冬小麥和夏玉米單季的肥料氮投入量為 200～250 kg(N)·hm-2，比 2010年代最高氮肥量下降15%～33%[21]。3)灌溉量快速增加。華北平原正常氣候年份的降水基本可以滿足夏玉米季生長需求。冬小麥季的降水則無法滿足作物生長，從 20 世紀80年代的雨養(yǎng)演替為灌溉2～5 次，灌溉量150～350 mm[22]。隨著水肥一體化技術和節(jié)水滴灌技術推廣應用，冬小麥季灌溉量有進一步降低的空間[23]。4)作物秸稈逐步還田。隨著人民生活水平的提高和機械改進，兩季作物秸稈逐步全部還田[21]，或通過種植食用菌、飼料化以及生物質處理等再還田[24]。5)肥料增效劑包括尿酶和硝化抑制劑、緩控包膜等得到推廣應用，對提高氮素利用率和作物產量、降低氮肥損失具有顯著效果[22-26]。

華北平原潮土區(qū)的農業(yè)集約化，很大程度上改變了該區(qū)的潮土性狀和生產力[27]。對51 個潮土肥力點的長期監(jiān)測表明，潮土有機質、全氮等含量整體呈上升趨勢，pH 呈下降趨勢[28]。潮土有機質含量雖然低于棕壤和褐土，但改革開放后25年間的增長速率是3 類土壤中最快的[16，29]。從土體構型上，隨著農業(yè)集約措施的應用，潮土區(qū)普遍存在著土壤有效耕層變淺、犁底層加厚、耕層土壤質量減少等問題[30]。

2 潮土區(qū)氮淋失與主要農田阻控措施的關系

氮淋失是指土壤中氮素在水分投入(灌溉、降水)之后隨土壤水分向下運移直至進入到作物根區(qū)無法到達的區(qū)域，最終不能被作物吸收所導致的損失[31]。對于氮淋失與氮肥施用等諸多農田管理措施之間關系的深入分析，有助于制定和實施氮淋失的阻控措施。本文以“面源污染” “氮淋失” “氮淋溶”以及“華北”等以及相應英文為關鍵詞，針對“中國知網”和“ISI-Web of Science”等數(shù)據庫1980—2019年的文獻進行搜索，選取代表性文獻進行分析。

2.1 化學氮肥施用

氮肥過量施用，多余氮素在土壤中積累，遇到降雨或灌溉事件時，就有可能發(fā)生淋洗。合理施氮條件下，土體氮素收支平衡，氮淋失數(shù)量很小。針對冬小麥和夏玉米生產中，氮淋失與氮肥之間定量關系的整合分析表明(表1)： 1)指數(shù)關系比線性方程更適合對氮淋失的定量估測。華北地區(qū)冬小麥施氮量在90～170 kg(N)·hm-2范圍內，硝酸鹽淋溶損失極低，而施氮量達到240 kg(N)·hm-2后，硝酸鹽淋失量大多數(shù)情況下呈指數(shù)關系增加[32-33]； 高施氮量下，線性方程嚴重低估氮淋失[34-35]。研究對象比較專一，比如冬小麥和夏玉米分開分析，一般獲得指數(shù)關系而不是線性關系模型。2)隨著研究的增加和深入，近年來氮淋失的估測數(shù)量比早期估測數(shù)量低，主要表現(xiàn)在指數(shù)方程的各參數(shù)數(shù)值減小[36-37]。3)氮肥施用后，作物吸收一部分氮、且數(shù)量相對穩(wěn)定，因此對氮淋失進行預測時，應用氮盈余量(即施氮量減去地上部作物吸收量)比施氮量更能準確預測氮淋失，但在實際工作中增加了監(jiān)測指標數(shù)據量，較難實施?；谝陨戏治觯梢哉J為配方施肥、水肥一體化、葉片硝酸鹽測定等精準施肥可以大幅度降低氮肥投入數(shù)量，因此能有效降低農田氮淋失。

除了施肥類型和數(shù)量，其他因素如土壤性質和氣象因素，也會對潮土區(qū)氮淋失產生重要影響。單純利用氮肥和水分對氮淋失進行預測，往往效果較差，因此，計算能力強、考慮多因素影響和復雜關系的機器學習方法凸顯優(yōu)勢。Ying 等[11]首次引進基于機器學習的隨機森林模型，利用氣溫、氮肥投入、表觀水平衡(灌溉量+降水量?蒸散量)、土壤pH、土壤有機質、土壤質地等多因素對玉米季農田氮淋失進行預測，取得了很好的效果。另外，研究表明磷肥和鉀肥配合施用，可以增加作物氮吸收，從而減少氮肥在土壤中的殘留和淋失風險[38]。一次施用大量氮肥不利于小麥生產，在小麥生長關鍵時期分次合理施用，比如適當增加追肥比例，更能降低氮淋失[39-40]。

2.2 有機無機配施

在同等施氮情況下，與化肥單施相比，有機無機配施一般可以顯著降低氮淋失[47-51]，主要機理在于： 第一，有機肥中的氮絕大部分以有機態(tài)形式存在，其分解和釋放速率遠低于化肥氮； 第二，有機肥與化肥氮配合，逐步釋放被植物吸收，與植物需求的時間規(guī)律契合較好，從而實現(xiàn)阻控氮淋失效果； 第三，有機肥中的有機碳還可以提高土壤對氮素的固定，降低氮淋失。單施有機肥的土壤淋溶液中硝酸鹽濃度(31.8 mg·L-1)高于施用化肥農田(15.5 mg·L-1)，但是兩種肥料硝酸鹽總淋溶量無顯著差異[52]； 也有研究發(fā)現(xiàn)，單施有機肥的氮淋失小于單施化肥[53-54]，這與有機肥類型、土壤性狀和作物類型都有密切關系。需要指出的是，這些研究肥料氮投入大多處于較低水平，遠低于當前華北平原每年兩季作物的氮肥量。

2.3 降水和灌溉

氮淋失的發(fā)生必須有足夠水分。土壤水分含量高于田間持水量的情況下，重力水才會攜帶氮下移到深層土壤或地下水，因此水分投入是影響潮土區(qū)農田氮淋失的另一個主要因素。與氮肥類似，在分析氮淋失量與水分投入之間關系時，采用水量平衡(灌溉量+降水量?蒸散量)比應用單純的灌溉或降水量更準確、更符合邏輯關系[11]。

華北地區(qū)每年的降水75%發(fā)生在夏玉米季的7—9月份(350～450 mm)[20]，因而由于降水引起的氮淋失量夏玉米季遠高于冬小麥季。冬小麥生長季降水較少，但由于多在播種和春季返青拔節(jié)兩個施肥時期進行灌溉，因而氮淋失風險也很高，這從表1 中的估測模型可以看出。在氮肥投入水平一致的情形下，灌溉量越高，氮淋失量越大[38，49，55-56]。當前華北潮土區(qū)的灌溉方式仍以大水漫灌為主，灌溉量遠超過作物需水量，灌溉后土壤含水量極易超過田間持水量，因此降低灌溉量、優(yōu)化灌溉方式是本區(qū)水資源管理和氮淋失控制的有效措施[38，57]。

華北潮土區(qū)冬小麥-夏玉米的根系主要集中在0～180 cm土體中，其中90%以上的根系集中在0～90 cm土層，因此控制0～90 cm 土層土壤無機氮的殘留，是阻控氮淋失的重要原則[58-60]。多次、小水量灌溉比少次、大水量灌溉會顯著減少氮淋失[58-60]，減緩水分與氮素向2 m 土層以下滲漏，但在砂質構型土壤中這類灌溉方式不適用。

2.4 肥料增效劑

近年來以緩控釋肥、尿酶和硝化抑制劑為代表的肥料增效劑在華北潮土區(qū)逐漸推廣應用。緩控釋肥按照設定的釋放率和釋放期控制養(yǎng)分釋放，肥效長、與作物養(yǎng)分的需求強度和容量配合程度高，可以減少養(yǎng)分淋洗[61-62]。硝化抑制劑可以阻斷硝化反應發(fā)生，減少硝態(tài)氮的積累從而減少硝態(tài)氮損失[63]。施加3，4-二甲基吡唑磷酸鹽(DMPP)和雙氰胺(DCD)可以減少氮淋溶45%～64%[64-65]。脲酶抑制劑維持土壤氮主要以銨態(tài)氮形態(tài)存在，減少淋洗的發(fā)生，與硝化抑制劑類似，可以降低氮淋失30%以上[66-68]。同時添加硝化抑制劑和脲酶抑制劑可以有效降低氨揮發(fā)和土壤硝酸鹽積累，比單施可進一步減少氮淋溶[68-69]； 也有研究[70-71]認為，同時添加硝化抑制劑和脲酶抑制劑會刺激硝化抑制劑的分解，增加氮淋溶風險，主要原因在于大量灌溉將硝態(tài)氮快速淋溶到深層土壤，增加了深層氮淋失，因此增效劑等還應注意與優(yōu)化灌溉等技術配合。最新整合研究[11]表明，與常規(guī)氮肥相比，增效肥料(緩控肥和硝化抑制劑)可以降低35%的氮淋失，其中華北和華南地區(qū)分別為28%和39%，在堿性和黏壤土上降低氮淋失效果優(yōu)于酸性和砂壤土，還能促進作物增產。此外，羧甲基纖維素鈉、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸鈉以及保水劑、腐植酸和沸石等也可通過相對固持施入土壤中的肥料氮，控制其揮發(fā)和轉化成硝酸鹽的速度，減少氮淋失、提高氮利用效率[72-73]。

2.5 秸稈還田和耕作

秸稈還田是當前華北平原秸稈資源化利用的主要方式。秸稈對于氮淋失的影響，一方面短期內通過微生物作用固定銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，減少土壤無機氮含量，降低氮淋失[38，74-75]； 另一方面長期秸稈還田下，通過形成土壤有機質而實現(xiàn)固氮，減少氮損失。秸稈還田對氮淋溶的影響取決于還田秸稈本身的碳氮比，低碳氮比的秸稈還田增加氮淋溶風險[76-77]，而高碳氮比秸稈還田則相反[78]。秸稈還田后，深層土壤的氮固持或反硝化作用也會得到加強，進而降低氮淋失[79]。施氮量<140 kg(N)·hm-2時，秸稈還田的氮淋失稍高，而>140 kg(N)·hm-2時，秸稈不還田稍高，但都低于10%[46]。

秸稈還田可以通過防止水分蒸發(fā)、提高土壤保水能力、減少水分滲漏而降低土壤氮淋溶[80]，但碳氮比較低且秸稈數(shù)量較大時，有可能增加氮淋溶[81-82]。秸稈還田可以固定肥料氮，如在玉米季固定的肥料氮達100～280 kg(N)·hm-2[83]，這些被固定的氮發(fā)生淋溶風險較低，是作物需求和養(yǎng)分供應之間重要的緩沖庫[84-85]。因此，通過秸稈還田、維持土壤氮庫穩(wěn)定并將環(huán)境污染風險降到盡可能低的程度，是當前華北潮土區(qū)的有效氮淋失阻控措施，值得重點推廣[86]。

耕作通過影響土壤水分和溫度而影響氮轉化和遷移，但因自然條件和作物類型，研究結果不一致。小麥根系主要分布在土壤較淺層次，免耕條件下土壤水分蒸發(fā)較少，小麥對深層養(yǎng)分吸收較少，氮淋失較高； 玉米收獲后，在0～180 cm 土體中免耕處理的土壤硝酸鹽累積量最高，氮淋失增加[38]； 此外也有研究發(fā)現(xiàn)免耕可能降低氮淋失[87]。因此，耕作對于氮淋失的影響，還需要更多長期定位試驗分析和驗證。

2.6 土壤性狀

土壤性狀如質地等對氮淋失有重要影響[11]。在質地粗糙、通透性好的土壤中容易發(fā)生氮淋失，沙壤土中氮素淋溶損失量占施氮量的16%～32%，而在黏壤土中僅為5%左右[88-89]。也有研究發(fā)現(xiàn)，與粗質地土壤相比，由于大孔隙會產生優(yōu)先流(preferential flow)，細質地土壤的硝態(tài)氮淋溶損失更多[90-91]。同延安等[92]的研究發(fā)現(xiàn)，黏粒含量較低的土壤質地疏松，硝化作用強容易造成硝態(tài)氮積累增加淋溶風險。在pH≥7 的時候，氮淋失量顯著高于pH<7 時；類似的，在土壤有機碳≥10 g?kg?1、土壤全氮≥1.0 g?kg?1以及年降水量>700 mm 時，顯著高于低于這些條件的土壤中的氮淋失[44]。土壤性狀對于氮淋失的綜合影響較大，因此在最新的定量模擬研究中被列入重要影響因素[11]。

2.7 種植制度

近年來，休耕政策的實施逐步改變了華北地區(qū)種植制度，有些地區(qū)減少了耗水量高的冬小麥面積，有些地區(qū)則增加了蔬菜、樹木或者覆蓋作物[51]，或在冬季或作物茬口之間種植填閑作物[93]，這些種植制度有些減少了農田氮淋失[94]，而如果施肥量增加較多(如設施蔬菜)，氮淋失數(shù)量反而會增加。與大豆(Glycine max)、花生(Arachis hypogaea)和馬鈴薯(Solanum tuberosum)等淺根系作物相比，較深根系作物(冬小麥和夏玉米)更能有效吸收利用土壤氮素，減少氮淋失[95]。小麥和玉米間作可以更好地吸收利用硝態(tài)氮，與單作相比，降低淋失量達30.75%[96]。種植黑麥草(Lolium perenne)和高丹草(Sorghum sudanese)等填閑作物也是目前華北平原較好的提取深層土壤累積硝態(tài)氮和降低氮淋失的措施，其次是種植甜高粱(Sorghum saccharatum)[97]。

3 潮土區(qū)農田氮淋失阻控措施效果評估

華北平原潮土區(qū)的自然條件和農田管理措施相似度較高，在全面分析當前國內外研究和實踐基礎上，對適合本區(qū)的主要氮淋失阻控措施的效果、技術可行性、成本以及對作物產量影響等方面進行了綜合評估(表2)。

華北平原潮土區(qū)氮淋失的主要阻控措施是在不降低產量的前提下，降低氮肥和灌溉水投入量以及優(yōu)化施肥方式(表1 和表2)，但該方法需要充分數(shù)據(土壤和作物)支持，技術難度高，因而小規(guī)模農戶應用有一定困難。值得欣喜的是，近年來由于種糧大戶對生產資料水平和經濟投入敏感，土地流轉和經營規(guī)模增加促進了氮肥和灌溉水減量。筆者在山東桓臺縣的長期跟蹤發(fā)現(xiàn)，近年來該縣冬小麥和夏玉米每季氮肥量已經從20 世紀90年代中期的300 kg(N)·hm-2降到230 kg(N)·hm-2以下，其中種糧大戶做出了重要貢獻。水肥一體化、節(jié)水灌溉等優(yōu)化灌溉技術面臨的主要問題是一次性設施投資和后期運營維護成本較高。

肥料增效劑包括緩控釋肥、尿酶和硝化抑制劑，對于降低氮淋失效果顯著、容易實施，近年來隨著施用量增加，其成本也在逐漸降低。2017年以來筆者等對河北、山東和河南等華北糧區(qū)的調研發(fā)現(xiàn)，含有肥料增效劑的肥料已經占據肥料市場的半壁江山，在降低面源污染中發(fā)揮了重要作用。有機無機配施、改善土壤質量等具有包括降低氮淋失等綜合效益的措施，由于收益低，難以大面積推廣應用。在中國政府獎懲政策的持續(xù)推動和機械技術的支撐下，秸稈還田目前已經在華北平原絕大部分糧區(qū)推廣，顯著提高了土壤氮庫和無機氮緩沖容量，對降低氮淋失有較好效果，但今后需要在完善機械秸稈還田質量、提高出苗和降低病蟲害發(fā)生等方面繼續(xù)進行研發(fā)。調整種植制度、休耕、間作套種和種植填閑作物等措施，可以有效降低氮肥和水投入、減少氮淋失，但該類措施會影響糧食產量，因此各地在應用過程中需謹慎考慮。

對各類技術措施的分析還表明(表2)，除了技術自身外，氮淋失的阻控效果更多受到社會、經濟和政策等因素的影響。首先，氮淋失阻控措施推廣后，改善土壤質量，保護水體質量和生態(tài)環(huán)境，這些大多屬于公共物品，缺乏相應的補償機制或獎勵措施，農民何談主動降低面源污染？此外，當前我國灌溉用水不收費，對節(jié)水技術的推廣也造成了一定障礙。因此實施生態(tài)補償?shù)仁袌鍪侄芜M而發(fā)揮農民的主動性，是今后我國農業(yè)發(fā)展和生態(tài)文明建設進程中，從政策和法律法規(guī)層面需要著重考慮的途徑。

表2 華北平原潮土區(qū)農田氮淋失阻控措施評價Table 2 Evaluation of mitigation measures on nitrogen leaching from farmland of Fluvo-aquic soil areas in the North China Plain

4 結論

氮肥用量特別是氮盈余量與氮淋失之間總體上呈指數(shù)關系，即氮肥超過一定閾值后氮淋失快速增加，因此降低氮肥和水分投入是氮阻控的源頭控制措施。通過施用緩控施肥和脲酶抑制劑、硝化抑制劑等肥料增效劑較單施化肥能減少33%左右的氮淋失，應在華北地區(qū)大力推廣。秸稈還田能夠提高土壤有機氮庫、促進微生物對無機氮的固定作用、增加土壤中無機氮的緩沖容量，從而降低氮淋失風險(降低比例達10%)。免耕對氮淋失的阻控效應較施肥和灌溉措施低，且具有較大不確定性。調整種植制度、休耕、間作套種和種植填閑作物等措施會影響糧食產量，推廣過程中應慎重。氮淋失的阻控效果更多受到社會、經濟和政策等因素的影響，今后應采取包括生態(tài)補償?shù)仁袌龌侄伟l(fā)揮農民主動性，從政策和法律法規(guī)層面創(chuàng)造實現(xiàn)氮淋失阻控措施的社會環(huán)境。