李柏霖，焉 莉，*，王繼巖，高瑞雪，郭黎卿

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，吉林 長春 130118； 2.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院 總量控制與排放交易研究中心，北京 100012)

隨著排污許可證的頒發(fā)，工業(yè)點(diǎn)源污染逐步得到控制，農(nóng)業(yè)面源污染成為我國地表水與地下水污染的主要風(fēng)險(xiǎn)來源。據(jù)2010年發(fā)布的《第一次全國污染源普查公報(bào)》，農(nóng)業(yè)面源污染總氮排放量占全國排放總量的57%，是我國的主要污染源；據(jù)2020年發(fā)布的《第二次全國污染源普查公報(bào)》，農(nóng)業(yè)面源污染總氮排放量仍占全國污染排放總量的46.52%，其中，種植業(yè)排放的總氮占農(nóng)業(yè)面源污染的一半以上，化肥的過量施用是導(dǎo)致我國水體富營養(yǎng)化的主要原因之一。長期過量的氮肥(以下如無特殊說明，均特指無機(jī)氮肥)施用使農(nóng)田土壤酸化情況愈發(fā)嚴(yán)重，硝態(tài)氮在土壤中大量積累并快速向土壤下層移動，增加了地下水被硝酸鹽污染的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，高濃度的硝酸鹽會被蔬菜吸收并積累，食用后會對人體健康造成影響。氮肥的過量施用還會導(dǎo)致其利用率降低，未被作物利用的大部分氮素隨地表徑流進(jìn)入湖泊等水體中，造成水體富營養(yǎng)化，嚴(yán)重威脅生態(tài)環(huán)境。巨曉棠等研究表明，全國過量施氮面積約占總播種面積的20%，尤其是在蔬菜和果樹等作物上，過量施氮現(xiàn)象還相當(dāng)普遍。黃倩楠等也提出，在我國的主要種植區(qū)，中低產(chǎn)農(nóng)戶仍存在較為嚴(yán)重的氮肥過量施用的問題。

2015年，國家明確了化肥農(nóng)藥減施的政策導(dǎo)向，要求到2020年實(shí)現(xiàn)全國化肥使用量零增長。隨著相關(guān)政策的推進(jìn)，2018年，我國已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了化肥使用量的零增長；2019年，我國化肥使用量負(fù)增長。但與發(fā)達(dá)國家相比，我國的化肥利用率仍然不高，種植業(yè)仍然存在著較大的化肥減施空間。2021年，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部開始推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的全面綠色轉(zhuǎn)型，推行定額施肥，構(gòu)建綠色種植制度。在此背景下，急需明確我國糧食主產(chǎn)區(qū)，尤其是以省域?yàn)閱挝坏牡适┯矛F(xiàn)狀與需氮量，為未來確定各區(qū)域甚至各省份的定額施肥指標(biāo)提供參考。

東北三省(黑龍江、吉林、遼寧)是我國農(nóng)業(yè)資源稟賦最好、糧食增產(chǎn)潛力最大的地區(qū)之一。作為全國重要的糧食生產(chǎn)基地，2018年東北三省的糧食產(chǎn)量達(dá)到1.33億t，占全國糧食作物產(chǎn)量的20.26%；氮肥施用總量(折純，以N計(jì))為196.78萬t，僅占全國氮肥施用總量(折純，以N計(jì))的9.53%。由此推算，東北三省的氮肥施用水平低于全國平均水平。但是，有文獻(xiàn)指出，在吉林省梨樹縣仍有54.1%的農(nóng)戶存在過量施氮的現(xiàn)象。目前，東北三省還需不需要繼續(xù)進(jìn)行氮肥減施？如需進(jìn)行，減施潛力有多大？為了解答上述問題，本文擬從作物養(yǎng)分需求出發(fā)，以省域?yàn)閱挝?，根?jù)作物養(yǎng)分平衡理論評估東北三省種植作物的氮素需求量，并分別對短期、中期和遠(yuǎn)期情景下的氮肥減施潛力進(jìn)行分析，以期為有計(jì)劃、有目的、有依據(jù)地制定東北三省種植業(yè)化肥減施計(jì)劃提供數(shù)據(jù)支撐和參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

東北三省是我國重要的商品糧生產(chǎn)基地，種植的主要農(nóng)作物包括玉米、小麥、水稻、大豆、蔬菜、馬鈴薯、谷子、甜菜、煙葉、花生、芝麻等。東北三省屬寒溫帶濕潤、半濕潤氣候，冬季氣溫較低，全年平均積溫2 000～3 600 ℃，無霜凍天數(shù)130～170 d，夏季氣溫在20～25 ℃，全年降水量在400～800 mm，且降水量由東向西遞減，其中，7—9月的降水量約占全年的60%。

1.2 數(shù)據(jù)來源

東北三省1987—2018年主要農(nóng)作物的產(chǎn)量、種植面積、化肥施用量等數(shù)據(jù)均來源于國家統(tǒng)計(jì)局。

通過查閱文獻(xiàn)，確定玉米、大豆、甜菜、谷子、煙葉、馬鈴薯，以及水稻、小麥、蔬菜、花生、芝麻的單位產(chǎn)量(100 kg)氮吸收量(即每形成100 kg產(chǎn)量所需氮量)分別為2.30、7.20、0.480、3.80、3.85、0.500、1.46、2.46、0.432、4.37、5.19 kg。

東北地區(qū)近些年多施用高氮復(fù)合肥，在計(jì)算歷年化肥氮投入時(shí)，統(tǒng)一簡按東北三省施用量較高的復(fù)合肥(N 22%，PO10%，KO 20%)中的氮素占比進(jìn)行折算。

1.3 測算方法

1.3.1 化肥氮素投入

=+×。

(1)

式(1)中：為化肥氮素投入量(折純，下同)，單位為10t；為當(dāng)季氮肥(不含復(fù)合肥)施用量(折純)，單位為10t；為當(dāng)季復(fù)合肥施用量(折純)，單位為10t；為氮素在復(fù)合肥中所占比例。

1.3.2 作物需氮量

=∑(×/100)。

(2)

式(2)中：為作物需氮量，本文用作物收獲部分(對應(yīng)于作物產(chǎn)量)含有的氮量來表征，單位為10t；為當(dāng)年作物的產(chǎn)量，單位為10t；為作物的單位產(chǎn)量氮吸收量。

1.3.3 氮肥利用率

基于平衡法，用氮素輸出與輸入的比來表示氮肥利用率。

因東北地區(qū)目前已實(shí)現(xiàn)秸稈全量還田，故本研究中的氮素輸出僅考慮作物經(jīng)收獲移出的氮量，即作物收獲部分含有的氮，也就是作物需氮量，而不考慮秸稈還田部分含有的氮。

目前，東北三省的有機(jī)肥投入還不普及，且用量也不高。以黑龍江為例，據(jù)相關(guān)報(bào)道，2018年黑龍江省計(jì)劃施入有機(jī)肥1 600萬t，因不明確其中的氮素占比，暫以這些有機(jī)肥全部為豬糞有機(jī)肥，氮含量在0.3%～0.5%計(jì)，則經(jīng)由有機(jī)肥投入的氮素?cái)?shù)量在4.8萬～8萬t，而當(dāng)年黑龍江省的化肥氮素投入量在116.5萬t，兩者差異懸殊。另外，目前也缺乏準(zhǔn)確的有機(jī)肥施用數(shù)據(jù)。綜合考慮，本研究在測算氮肥利用率時(shí)暫忽略有機(jī)肥的氮素投入，僅考慮經(jīng)由氮肥投入的氮素。

由此，可得本研究中氮肥利用率的測算公式為

=。

(3)

式(3)中：為氮肥利用率。>120%，表示土壤氮素嚴(yán)重耗竭；90%<≤120%，表示存在土壤肥力降低的風(fēng)險(xiǎn)；65%<≤90%，表示土壤、環(huán)境處于平衡狀態(tài)；30%<≤65%，表示土壤存在氮流失風(fēng)險(xiǎn)；≤30%，表示環(huán)境存在很高的氮流失風(fēng)險(xiǎn)。

1.3.4 化肥氮素減施空間

=(-×)×100。

(4)

式(4)中：為化肥氮素減施空間；為情景下作物需氮量中來自化肥的比例；為氮肥利用率，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，本文在各種情景下均將其統(tǒng)一設(shè)置為39.2%。

1.4 情景模式分析

1.4.1 短期情景

短期情景代表1～2 a內(nèi)在產(chǎn)量保持不變的條件下化肥氮素的減施空間。根據(jù)在不同作物上開展的N定位追蹤試驗(yàn)，作物需氮量中約30%來自化肥，另外70%來自土壤。因此，本研究設(shè)定短期情景下作物需氮量中來自化肥的比例為30%。

1.4.2 中期情景

中期情景代表5 a內(nèi)在產(chǎn)量保持不變的條件下化肥氮素的減施空間。查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的化肥氮素投入量計(jì)算方法是用作物需氮量減去土壤供氮量來計(jì)算的，很少考慮土壤氮的消耗是怎么補(bǔ)償?shù)?。同時(shí)，中期(3～5 a)的氮定位跟蹤研究較少。以茶樹為例，多年的N跟蹤試驗(yàn)結(jié)果表明，第3年時(shí)肥料氮在新梢氮素復(fù)合體中的組成比率可達(dá)60%～70%。由于氮肥連年施用，氮素在土壤中得到累積和轉(zhuǎn)化，作物從化肥中吸收氮的比例增高。據(jù)此，本研究設(shè)定中期情景作物需氮量中來自化肥的比例為60%。

1.4.3 長期情景

未來，我國會走向種養(yǎng)結(jié)合的種植模式，在保證畜禽糞便不會帶來重金屬等環(huán)境威脅的前提下，將采用有機(jī)肥部分替代化肥。梁元振等的研究表明：有機(jī)無機(jī)肥配施可明顯提高土壤全量和速效養(yǎng)分含量，以30%有機(jī)肥+70%無機(jī)肥為最佳施肥模式。若將長期情景下作物需氮量中來自肥料的比例仍設(shè)定為60%，且其中70%的肥料為化肥，可得長期情景下作物需氮量中來自化肥的比例為42%。

2 結(jié)果與分析

2.1 化肥氮素投入

1987—2018年，東北三省的化肥氮素投入量總體呈現(xiàn)上升趨勢(圖1)。具體地，可以分為4個(gè)階段：(1)1987—1996年，東北三省的化肥氮素投入量快速上升，從133.90萬t上升到225.44萬t，增長了68.37%，年均增長5.96%；糧食產(chǎn)量從4 755.8萬t上升到7 033.28萬t，增長47.89%，年均增長約4.44%。也就是說，這一階段，東北三省化肥氮素投入的增速要快于糧食產(chǎn)量的增速。(2)1997—2006年，東北三省的化肥氮素投入量無明顯上升，基本保持在233萬t；糧食產(chǎn)量從6 226.3萬t上升到8 366.3萬t，增長了34.4%，暗示該階段東北三省的氮肥利用率可能得到了較大幅度的提高。這可能主要得益于該階段栽培模式、農(nóng)田管理手段等的優(yōu)化改進(jìn)。(3)2007—2014年，東北三省的化肥氮素投入量又開始緩慢上升，從262.21萬t提高到339.32萬t，增長了29.41%，年均增長3.75%；糧食產(chǎn)量從8 162.92萬t提高到13 077.03萬t，增長60.20%，突破1億t大關(guān)，年均增速6.96%。由此可知，這一時(shí)期，東北三省的糧食產(chǎn)量和肥料利用率均得到了快速提升。(4)2015—2018年，東北三省的化肥氮素投入量開始持續(xù)下降，盡管總降幅僅為5.64%，但卻標(biāo)志著東北三省自此正式邁進(jìn)化肥使用量負(fù)增長的時(shí)代，年均降幅1.92%；糧食產(chǎn)量從2015年的13 776.49萬t提升到2017年13 895.08萬t(2018年因干旱較上年減產(chǎn))。這一時(shí)期糧食產(chǎn)量與化肥氮素投入量的一升一降，暗示當(dāng)?shù)氐牡世寐试诖似陂g得到進(jìn)一步提升。

2.2 作物需氮量

以2018年為例，經(jīng)測算，東北三省的作物需氮量合計(jì)為325.07萬t，其中，玉米、水稻和大豆的需氮量分別為194.23萬、54.75萬和52.62萬t(表1)，分別占東北三省所有作物需氮量的59.75%、16.84%和16.19%。分省來看：黑龍江省的作物需氮量合計(jì)為183.08萬t，占東北三省作物需氮量的56.32%，主要種植作物為玉米、水稻和大豆，相應(yīng)的需氮量分別占黑龍江省所有作物需氮量的50.03%、21.42%和25.87%；吉林省的作物需氮量合計(jì)為83.97萬t，占東北三省作物需氮量的25.83%，主要種植作物為玉米和水稻，相應(yīng)的需氮量分別占吉林省所有作物所需量的76.69%和11.24%；遼寧省的作物需氮量合計(jì)為58.02萬t，占東北三省作物需氮量的17.85%，主要種植作物為玉米、蔬菜和水稻，相應(yīng)的需氮量分別占遼寧省所有作物需氮量的65.91%、13.79%和10.52%。

2.3 氮肥利用率

以2018年為例，經(jīng)測算，黑龍江省的氮素輸出遠(yuǎn)大于氮素輸入，氮肥利用率高達(dá)157.11%(表2)，而吉林省和遼寧省的氮肥利用率分別為69.00%和69.27%。參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)判斷，黑龍江省的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)會嚴(yán)重耗竭土壤中的氮素，導(dǎo)致土壤肥力下降，而吉林省和遼寧省目前尚處于平衡狀態(tài)。

圖1 東北三省1987—2018年的化肥氮素投入與糧食產(chǎn)量變化Fig.1 Dynamics of nitrogen application rate and grain output in northeast China in 1987-2018

表1 2018年東北三省的作物需氮量

表2 2018年東北三省的氮肥利用率

2.4 化肥氮素減施空間

以2018年為基期，分別對短期、中期、長期情景下，東北三省的化肥氮素減施空間進(jìn)行模擬。經(jīng)測算，短期情景下，黑龍江省、吉林省、遼寧省的化肥氮素投入應(yīng)分別達(dá)到140.11萬、64.26萬、44.40萬t，與2018年的實(shí)際化肥氮素投入相比，黑龍江省不僅已經(jīng)沒有化肥氮素減施空間，而且還需要補(bǔ)充一定的化肥氮素，否則可能會進(jìn)一步加劇土壤的養(yǎng)分虧缺，吉林省和遼寧省的化肥氮素減施空間分別為47.19%和46.99%，整個(gè)東北三省的化肥氮素減施空間為22.74%(表3)。

在中期情景下，黑龍江省、吉林省和遼寧省的化肥氮素投入應(yīng)分別達(dá)到280.22萬、128.52萬和88.81萬t。與2018年的實(shí)際化肥氮素投入相比，三省均無減施空間。吉林省和遼寧省基本處于輸入輸出平衡狀態(tài)，可保持施肥量不變；但黑龍江省如長期保持這種狀態(tài)，可能會對土壤肥力造成嚴(yán)重破壞。

在長期情景下，即使實(shí)現(xiàn)了有機(jī)肥部分替代化肥，但與2018年的化肥氮素投入相比，黑龍江省仍需增加68.34%的化肥氮素投入，而吉林省和遼寧省則分別有26.07%和25.78%的減施空間。

表3 短期、中期、長期情景下東北三省的化肥氮素減施空間

3 討論

在本研究中，作物需氮量對氮肥減施潛力起決定性作用，不同作物的單位產(chǎn)量氮吸收量是重要參數(shù)之一。在東北三省，種植作物主要為水稻、玉米和大豆。本文在進(jìn)行相關(guān)測算時(shí)，采用的是全國通用的水稻、玉米單位產(chǎn)量氮吸收量數(shù)據(jù)(分別為1.46 kg和2.3 kg)。但有學(xué)者指出，寒地水稻、玉米的單位產(chǎn)量氮吸收量分別為1.4 kg和2.27 kg。這說明，同一作物在不同地區(qū)的單位產(chǎn)量氮吸收量是存在差異的。本文是在省級尺度上進(jìn)行的測算，單位產(chǎn)量氮吸收量取值上的細(xì)微變化都可能導(dǎo)致本文計(jì)算出來的化肥氮素減施潛力出現(xiàn)較大改變；因此，今后應(yīng)進(jìn)一步精確量化不同地區(qū)作物的單位產(chǎn)量氮吸收量，以使評估結(jié)果能夠更加精準(zhǔn)。

氮肥利用率是影響本文評估結(jié)果的重要參數(shù)之一，本文采用39.2%的統(tǒng)一取值，但實(shí)際上不同作物的氮肥利用率存在很大差異。張福鎖等研究表明，全國層面上，玉米、水稻和小麥的氮肥利用率分別為40%、49%和55%，其他作物，如蔬菜作物、油料作物的氮肥利用率存在更大差異。今后，如果可以得到更加精確的縣域數(shù)據(jù)，可重新結(jié)合不同作物的氮肥利用率進(jìn)行細(xì)致分析，以使氮肥減施潛力的估算結(jié)果更加準(zhǔn)確。

另外，本文在測算化肥氮素投入時(shí)，復(fù)合肥中的氮素比例統(tǒng)一選定為22%。但若按全國市場銷量最大的復(fù)合肥配方(N 15%，PO15%，KO 15%)來計(jì)算，與本文結(jié)果相比將有10%左右的誤差。但要說明的是，本文估算的數(shù)據(jù)仍然能夠代表研究區(qū)的整體施肥現(xiàn)狀和減施潛力。

在情景分析中，在不施用有機(jī)肥的前提下，短期內(nèi)(1～2 a)可以減少吉林省和遼寧省的化肥氮素投入，但該情況不可持續(xù)發(fā)展，長時(shí)間持續(xù)的話會造成土壤中氮素資源的耗竭。中期情景是基于5 a左右的時(shí)間，測算化肥氮素減施空間。基于測算結(jié)果，從生態(tài)平衡角度講，東北三省在不施用有機(jī)肥的情況下幾乎沒有化肥氮素的減施空間，尤其是黑龍江省，無論是短期情景還是中期情景，都應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對土地質(zhì)量的保護(hù)。

有機(jī)肥的適當(dāng)投入可減少氮肥的施用和損失，提高氮肥利用率和作物產(chǎn)量。任科宇通過對已發(fā)表的110篇有關(guān)化肥配施有機(jī)肥和單獨(dú)施用化肥的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，發(fā)現(xiàn)在全國尺度上化肥配施有機(jī)肥(等氮有機(jī)替代)與只施用化肥(推薦施氮量)相比，氮肥利用率平均提高3.6%，作物平均增產(chǎn)5.7%，其中，小麥、玉米和水稻的增產(chǎn)率分別為5.6%、7.6%和4.5%，且土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量越低，配施后產(chǎn)量提高的幅度越大。鄒文秀等通過在東北黑土區(qū)的多年定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥的長期使用能夠提高黑土區(qū)土壤肥力，改善土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)作物產(chǎn)量的穩(wěn)定和提高。有機(jī)肥的施用可不同程度地增加土壤中的細(xì)菌數(shù)量和種類多樣性，進(jìn)而使土壤系統(tǒng)向穩(wěn)定健康的方向發(fā)展。張偉等的研究表明，在黑土區(qū)的玉米農(nóng)田上，有機(jī)肥配施化肥，配合免耕秸稈覆蓋技術(shù)，可減少農(nóng)田氮素淋溶風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)黑土區(qū)農(nóng)業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展。有機(jī)肥部分替代化肥是未來減少化肥投入的重要手段。從長期來看，在精準(zhǔn)施肥、機(jī)械化，及其他先進(jìn)生產(chǎn)管理技術(shù)的推動下，化學(xué)肥料的利用率有望進(jìn)一步提高。若能同時(shí)疊加有機(jī)肥配施，吉林省和遼寧省都將有更廣闊的化肥氮素減施空間。

當(dāng)前，黑龍江省糧食作物生產(chǎn)中的氮素輸出遠(yuǎn)高于化肥氮素投入，對此情況若不加以改變，無論是從短期還是從中長期角度來看，黑龍江省都將面臨土壤氮素耗竭的問題。近年來，大量研究也發(fā)現(xiàn)，我國黑土區(qū)的土壤肥力下降明顯。曹寧等的研究證實(shí)，黑龍江省面臨土壤養(yǎng)分的連年虧缺。關(guān)碩研究表明，黑龍江墾區(qū)土壤肥力下降，耕地質(zhì)量退化，有機(jī)質(zhì)含量以每年0.1%～0.3%的速度下降，已由過去的9%～12%下降到現(xiàn)在的2%～5%。黑龍江墾區(qū)是我國主要的糧食基地，其黑土區(qū)的黑土層厚度由過去的60～70 cm下降到現(xiàn)在的20～30 cm，甚至有的地方黑土已經(jīng)消失，變成黃土。黑龍江省本來擁有大面積的黑土區(qū)，其土壤的自然條件要明顯優(yōu)于吉林省和遼寧省，但與吉林省和遼寧省相比，2018年黑龍江省單位耕地面積的糧食產(chǎn)量僅為5.12 t·hm，分別是吉林省和遼寧省的85.8%和98.3%(國家統(tǒng)計(jì)局年鑒數(shù)據(jù))。因此，在目前條件下，黑土區(qū)暫不宜大量削減化肥氮素投入，應(yīng)搭配有機(jī)肥的施用，及時(shí)培肥土壤，切實(shí)維護(hù)好黑土區(qū)的土壤肥力，從而有力支持當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。