楊紫薇，尹高飛，趙海璇，朱 聰，馬文奇，王佳寶，習(xí) 斌，李文超，劉宏斌

白洋淀流域種植結(jié)構(gòu)及氮盈余的時空變化特征

楊紫薇1，尹高飛1，趙海璇1，朱 聰2，馬文奇1，王佳寶1，習(xí) 斌3，李文超1※，劉宏斌4

(1. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，省部共建華北作物改良與調(diào)控國家重點實驗室，河北省農(nóng)田生態(tài)環(huán)境重點實驗室，保定 071000；2. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所，北京 100081；3. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護(hù)總站，北京 100125； 4. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部面源污染控制重點實驗室，北京 100081）

針對種植業(yè)氮素過量投入造成的流域農(nóng)業(yè)面源污染問題，該研究以白洋淀流域核心區(qū)域糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物為研究對象，以糧經(jīng)比為種植結(jié)構(gòu)評價指標(biāo)，從氮素平衡角度考慮，探究白洋淀流域種植結(jié)構(gòu)變化對區(qū)域水環(huán)境的影響。研究結(jié)果顯示：1）白洋淀流域種植結(jié)構(gòu)時空變化明顯，時間上，研究期內(nèi)白洋淀流域糧經(jīng)比總體呈小幅度上升趨勢（4.47～5.72）；空間上，距白洋淀淀區(qū)距離越大，區(qū)域內(nèi)糧經(jīng)比越小，臨白洋淀區(qū)糧經(jīng)比（15.11～19.23）明顯高于白洋淀上游糧經(jīng)比（2.44～2.64）；2）白洋淀流域種植業(yè)氮盈余量時空分異特征明顯，時間上，研究期內(nèi)白洋淀流域種植業(yè)氮盈余量總體呈下降趨勢（（26.29～18.49）×104t）；空間上，各區(qū)域種植業(yè)氮盈余量表現(xiàn)為：白洋淀中游（（10.39 ～14.48）×104t）、白洋淀下游（（4.35～7.09）×104t）、臨白洋淀（（2.24～2.64）×104t）、白洋淀上游（（1.51～2.58）×104t）；3）白洋淀流域種植業(yè)氮盈余強(qiáng)度與糧經(jīng)比呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（<0.05），其中，研究期內(nèi)某一區(qū)域糧經(jīng)比基礎(chǔ)值越小，其上升幅度越大，種植業(yè)氮盈余強(qiáng)度下降幅度越大；4）通過調(diào)控糧經(jīng)比可明顯改變區(qū)域內(nèi)種植業(yè)氮盈余強(qiáng)度，如將白洋淀中游糧經(jīng)比調(diào)整到12.13～17.79，其區(qū)域內(nèi)種植業(yè)氮盈余強(qiáng)度可由Ⅳ級水平（>220～260 kg/hm2）降低到Ⅱ級水平（≥140～180 kg/hm2）。因此，基于區(qū)域種植結(jié)構(gòu)與氮盈余強(qiáng)度的關(guān)系，可通過調(diào)整種植結(jié)構(gòu)來調(diào)控氮盈余強(qiáng)度，從而控制氮盈余量以降低種植業(yè)氮素投入的環(huán)境風(fēng)險。研究結(jié)果可為白洋淀流域和其他流域種植業(yè)氮素污染控制提供科學(xué)依據(jù)。

作物；氮；種植結(jié)構(gòu)；氮盈余；時空特征；白洋淀流域

0 引 言

種植業(yè)氮素過量投入，造成農(nóng)田氮素大量盈余，并引發(fā)向地表水體流失，是流域農(nóng)業(yè)面源污染形成的原因之一[1]。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人口的增長，對糧食和其他農(nóng)產(chǎn)品的需求量不斷增加，同時，受農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與農(nóng)產(chǎn)品市場開放的影響，中國種植結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化[2-3]，經(jīng)歷了從“以糧為綱”向“糧經(jīng)協(xié)調(diào)發(fā)展”的轉(zhuǎn)變，同時也帶來了嚴(yán)重的環(huán)境代價[4]。氮素是農(nóng)作物生長必需的營養(yǎng)元素，氮素投入是提高作物產(chǎn)量的重要途徑，由于不同作物的氮素利用效率和管理水平不同[5-6]，種植結(jié)構(gòu)會顯著影響區(qū)域氮素投入及其環(huán)境效應(yīng)[7-9]。因此通過分析流域種植結(jié)構(gòu)及氮素盈余的時空變化特征，研究種植結(jié)構(gòu)變化對環(huán)境的影響，可為流域氮素管理及調(diào)控提供理論支撐[10]。當(dāng)前已有部分學(xué)者圍繞種植結(jié)構(gòu)的環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行了一些研究。劉靜等[11]通過研究中國種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整對化肥施用量的影響發(fā)現(xiàn)，蔬菜、瓜果等經(jīng)濟(jì)作物的種植面積增加是化肥施用強(qiáng)度高、化肥施用量增長的重要原因。邱樂豐等[12]研究發(fā)現(xiàn)，隨著浙江省慈溪市種植結(jié)構(gòu)趨于非糧化，菜地取代稻田成為該地區(qū)農(nóng)田氮流失的首要來源（70.90%）。鄭田甜等[13]對星云湖流域的研究顯示，種植結(jié)構(gòu)改變是該流域種植業(yè)面源污染加重的關(guān)鍵因素。甄蘭等[14]研究發(fā)現(xiàn)，隨著傳統(tǒng)糧食作物播種面積減少，果樹及蔬菜的大面積增加，區(qū)域氮盈余強(qiáng)度明顯增加。JU等[15]研究發(fā)現(xiàn)，山東地區(qū)傳統(tǒng)小麥玉米種植方式大面積改為大棚蔬菜和果樹后，區(qū)域種植業(yè)氮盈余強(qiáng)度大幅增加，其中大棚蔬菜氮盈余強(qiáng)度（3 327.2 kg/hm2）和果樹氮盈余強(qiáng)度（746.4 kg/hm2），分別是傳統(tǒng)小麥玉米輪作體系的9.5和2.1倍。ZEBARTH等[16]發(fā)現(xiàn)，加拿大Fraser Valley地區(qū)傳統(tǒng)作物面積的減少以及花卉面積的增加，導(dǎo)致該區(qū)域平均氮盈余強(qiáng)度增加4.0 kg/hm2。由此可見，種植結(jié)構(gòu)是種植業(yè)及農(nóng)業(yè)面源污染形成的重要原因之一。然而，當(dāng)前有關(guān)種植結(jié)構(gòu)變化與其環(huán)境效應(yīng)響應(yīng)關(guān)系的研究比較缺乏。白洋淀流域所處華北平原，是中國主要的糧食產(chǎn)區(qū)，氮素投入量大，氮盈余強(qiáng)度高，農(nóng)業(yè)污染問題嚴(yán)重。雄安新區(qū)成立以來，白洋淀流域點源污染逐步得到控制，農(nóng)業(yè)面源污染逐漸成為流域的突出問題，但當(dāng)前還缺乏系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)面源污染治理策略[17]。因此，通過研究白洋淀流域種植結(jié)構(gòu)和氮盈余（表征環(huán)境效應(yīng)）的時空變化特征，探明流域種植結(jié)構(gòu)與其環(huán)境效應(yīng)響應(yīng)關(guān)系具有重要的現(xiàn)實意義，以期為白洋淀流域農(nóng)業(yè)面源污染治理提供科學(xué)依據(jù)，為其他流域開展相似研究和面源污染治理提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

白洋淀流域是華北平原典型流域，流域內(nèi)河湖、水庫、灌渠眾多，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件優(yōu)越，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)，是中國的糧食主產(chǎn)區(qū)。白洋淀流域面積3.12×104km2，包括保定市全部和張家口、石家莊、北京、山西省部分區(qū)域。本研究以白洋淀流域核心區(qū)保定市和定州市為研究區(qū)，研究區(qū)共包含5個市轄區(qū)、15個縣、4個縣級市，區(qū)域內(nèi)主要種植的作物為小麥、玉米、果樹和蔬菜[18]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究選取2013、2015、2017、2019年研究區(qū)內(nèi)小麥、玉米、果樹和蔬菜的相關(guān)數(shù)據(jù)。其中2013、2015和2017年小麥、玉米、果樹和蔬菜的面積以及產(chǎn)量來源于《河北省第三次全國農(nóng)業(yè)普查數(shù)據(jù)核定和相關(guān)歷史修訂匯編》，化肥數(shù)據(jù)來源于《保定經(jīng)濟(jì)年鑒》；2019年小麥、玉米、果樹和蔬菜的面積以及產(chǎn)量數(shù)據(jù)來自《保定經(jīng)濟(jì)年鑒》、《河北統(tǒng)計年鑒》和《河北農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》。其他所需數(shù)據(jù)均主要來源于文獻(xiàn)和調(diào)研。

1.3 研究方法

1.3.1 研究區(qū)域劃分

按照距白洋淀淀區(qū)的距離，以縣/區(qū)為基本空間單位，把研究區(qū)劃分為臨白洋淀、白洋淀下游、白洋淀中游和白洋淀上游，其中臨白洋淀為距離白洋淀淀區(qū)40 km的范圍，白洋淀下游為距離白洋淀淀區(qū)>40～80 km的范圍，白洋淀中游為距離白洋淀淀區(qū)>80～120 km的范圍，白洋淀上游為距離白洋淀淀區(qū)>120 km的范圍（圖1）。

圖1 研究區(qū)域劃分圖

1.3.2 種植結(jié)構(gòu)變化特征分析

參考文獻(xiàn)[19]的研究方法，采用糧經(jīng)比（糧食作物種植面積與經(jīng)濟(jì)作物種植面積比值）作為反映種植結(jié)構(gòu)的表征因子。計算研究區(qū)內(nèi)糧食作物（小麥、玉米）種植面積與經(jīng)濟(jì)作物（果樹、蔬菜）種植面積比值，根據(jù)白洋淀流域及空間分區(qū)糧經(jīng)比的時間變化判斷2013—2019年種植結(jié)構(gòu)的時空變化特征。

1.3.3 氮素盈余計算方法

采用氮投入環(huán)境效應(yīng)的常用指標(biāo)氮盈余作為環(huán)境效應(yīng)表征因子，其計算方法參考王激清等[20-21]所采用的氮素平衡法。

surpius=input-output（1）

input=fert+man+seed+fix+depo+irri+straw（2）

output=sed+str（3）

式中surpius為農(nóng)田氮素盈余量，kg；input為農(nóng)田氮素輸入總量，kg；output為農(nóng)田氮素輸出總量，kg；fert為化肥氮量，kg；man為有機(jī)肥氮量，kg；seed為種子攜入氮量，kg；fix為非共生固氮量，kg；depo為大氣沉降帶入氮量，kg；irri為灌溉水氮量，kg；straw為秸稈還田氮量，kg；sed為籽粒（果實）中的含氮量，kg；str為作物秸稈帶走的氮量，kg；各輸入項計算式如下：

fert=+·R（4）

man=M·R（5）

seed=Σ(t·e·)（6）

fix=t·u（7）

depo= t·d（8）

irri= t·n（9）

straw=y·r·w·z（10）

sed=Σ(y·q)（11）

str= y·r·w（12）

式中F為化肥氮折純后的施用量，kg；F為復(fù)合肥折純后的施用量，kg；R為復(fù)合肥中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；M為有機(jī)肥施用量，kg；R為有機(jī)肥中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；t為作物總的種植面積，hm2；e為作物種子的播種量，kg/hm2；q為作物籽粒（果實）氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；u為作物的非共生固氮量，kg/hm2；d為大氣氮干濕沉降量，kg/hm2；n為有效灌溉面積灌溉水?dāng)y帶氮量，kg/hm2；y為作物的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，kg；r為作物的草谷比；w為作物秸稈還田比例，%；z為作物秸稈中的氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，小麥為0.65%，玉米為0.92%。

2 結(jié)果與分析

2.1 白洋淀流域種植結(jié)構(gòu)時空變化特征

從時間上看，研究期內(nèi)白洋淀流域糧食作物與經(jīng)濟(jì)作物總種植面積呈小幅度下降的趨勢，由2013年的106.51×104hm2下降到2019年的102×104hm2；糧經(jīng)比總體呈上升趨勢，由2013年的4.47上升到2019年的5.72，同比升高27.96%，其中2015—2017年上升趨勢較明顯，升高幅度達(dá)25.98%（圖2）。不同空間分區(qū)內(nèi)種植結(jié)構(gòu)變化各異。臨白洋淀區(qū)域總種植面積變化不明顯，總體在（14.40～15.73）×104hm2之間；但糧經(jīng)比變化幅度較大，由研究初期2013年（15.11）到研究期末2019年（19.23），總體上升了27.27%，其中2013—2015年小幅降低（5.82%），2015—2019年大幅度上升（35.14%）（圖 2a）。白洋淀下游區(qū)域種植面積呈小幅下降趨勢，研究初期至研究期末下降了2.66 hm2；糧經(jīng)比由研究初期的7.42上升到雄安新區(qū)成立當(dāng)年（2017年）的8.45，此后小幅下降到研究期末的8.41（圖2b）。白洋淀中游種植面積由研究初期（43.72×104hm2）至研究期末（41.45 ×104hm2）小幅持續(xù)下降，但糧經(jīng)比總體呈明顯上升趨勢，由研究初期（2.93）至雄安新區(qū)成立當(dāng)年（4.29）上升了46.42%，之后至研究期末（4.21）出現(xiàn)小幅下降，整個研究期糧經(jīng)比總體上升43.69%（圖2c）。白洋淀上游種植面積與糧經(jīng)比均未出現(xiàn)明顯變化，種植面積由研究初期至期末僅下降2.21%，糧經(jīng)比則小幅上升了8.20%（圖2d）。

注：臨白洋淀為距離白洋淀淀區(qū)40 km的范圍；白洋淀下游為距離白洋淀淀區(qū)>40～80 km的范圍；白洋淀中游為距離白洋淀淀區(qū)>80～120 km的范圍；白洋淀上游為距離白洋淀淀區(qū)>120 km的范圍。下同。

從空間上看，4個空間分區(qū)種植面積從大到小依次為白洋淀中游（（41.45～43.72）×104hm2）、白洋淀下游（（35.79～38.45）×104hm2）、臨白洋淀區(qū)（（14.4～15.73）×104hm2）、白洋淀上游（（9.72～9.94）×104hm2）。糧經(jīng)比空間分布從大到小為臨白洋淀區(qū)（15.11～19.23）、白洋淀下游（7.42～8.45）、白洋淀中游（2.93～4.21）、白洋淀上游（2.44～2.64）。2013—2019年，各空間分區(qū)糧經(jīng)比上升幅度從大到小為白洋淀中游（43.69%）、臨白洋淀區(qū)（27.27%）、白洋淀下游（13.34%）、白洋淀上游（8.20%）。

2.2 白洋淀流域種植業(yè)氮素盈余時空特征

2.2.1 化肥氮施用量時空特征分析

從時間上來看，研究期內(nèi)各空間分區(qū)不同作物單位面積化肥施氮量均呈下降趨勢（表1）。其中，臨白洋淀區(qū)小麥化肥氮施用強(qiáng)度最大（281.99～311.22 kg/hm2），玉米化肥氮施用強(qiáng)度最?。?34.89～145.48 kg/hm2），蔬菜化肥氮施用強(qiáng)度（173.39～250.39 kg/hm2）和果樹化肥氮施用強(qiáng)度（185.46～246.15 kg/hm2）相對較小。小麥化肥施氮強(qiáng)度大，果樹蔬菜化肥施氮強(qiáng)度小，主要是因為該區(qū)農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施依然薄弱，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營方式主要依靠資源消耗的粗放經(jīng)營，果蔬缺口大，果樹蔬菜種植面積極少，農(nóng)業(yè)管理不善，且蔬菜中包含不需施肥的水生蔬菜[22]。白洋淀下游各作物化肥氮施用強(qiáng)度為果樹（421.72～533.97 kg/hm2）、蔬菜（271.02～380.46 kg/hm2）、小麥（201.09～258.46 kg/hm2）、玉米（121.53～158.09 kg/hm2）。白洋淀中游各作物化肥氮施用強(qiáng)度從大到小為蔬菜（647.83～818.90 kg/hm2）、果樹（345.80～396.99 kg/hm2）、小麥（192.41～202.26 kg/hm2）、玉米（152.62～159.26 kg/hm2）。白洋淀上游果樹、蔬菜化肥氮施用強(qiáng)度在研究期內(nèi)下降明顯，果樹由2013年的329.85 kg/hm2下降到2019年的136.19 kg/hm2，蔬菜由2013年的282.61 kg/hm2下降到2019年的191.22 kg/hm2，小麥的化肥氮施用強(qiáng)度在研究期為225.88～259.33 kg/hm2，玉米的化肥氮施用強(qiáng)度在研究期為131.06～154.07 kg/hm2。從空間上來看，白洋淀中游蔬菜的化肥氮施用強(qiáng)度明顯高于其他區(qū)域，白洋淀下游果樹的化肥氮施用強(qiáng)度相對較大，臨白洋淀區(qū)小麥的化肥氮施用強(qiáng)度相對較高，白洋淀上游四種作物的化肥氮施用強(qiáng)度均處于較低水平。

2.2.2 氮盈余強(qiáng)度時空特征分析

從整體來看，研究期內(nèi)各空間分區(qū)氮盈余強(qiáng)度均呈下降趨勢（表2），臨白洋淀區(qū)氮盈余強(qiáng)度從2013年的163.87 kg/hm2下降至2019年的149.21 kg/hm2；白洋淀下游氮盈余強(qiáng)度從2013年的184.48 kg/hm2下降至2019年的121.22 kg/hm2；白洋淀中游氮盈余強(qiáng)度從2013年的329.58 kg/hm2下降至2019年的250.51 kg/hm2；白洋淀上游氮盈余強(qiáng)度從2013年的256.89 kg/hm2下降至2019年的157.60 kg/hm2。

表1 研究區(qū)各空間分區(qū)化肥施用情況

表2 研究區(qū)各空間分區(qū)氮盈余強(qiáng)度

為更好的反映各空間分區(qū)種植業(yè)氮投入環(huán)境風(fēng)險，基于研究期內(nèi)各空間分區(qū)種植業(yè)氮盈余強(qiáng)度結(jié)果，使用自然間斷點分級法將氮盈余強(qiáng)度從低到高劃分為6級[18]：Ⅰ級（<140 kg/hm2），Ⅱ級（≥140～180 kg/hm2），Ⅲ級（>180～220 kg/hm2），Ⅳ級（>220～260 kg/hm2），Ⅴ級（>260～300 kg/hm2），Ⅵ級（>300 kg/hm2）。

由圖3可知，從時間上來看，研究期內(nèi)除臨白洋淀區(qū)氮盈余強(qiáng)度一直處于Ⅱ級水平，其他空間分區(qū)種植業(yè)氮投入的環(huán)境風(fēng)險均有下降，其中白洋淀下游氮盈余強(qiáng)度由Ⅲ級降至Ⅰ級，白洋淀中游氮盈余強(qiáng)度由Ⅵ級降為Ⅳ級，白洋淀上游氮盈余強(qiáng)度由Ⅳ級降為Ⅱ級。各空間分區(qū)種植業(yè)氮投入的環(huán)境風(fēng)險空間格局在研究期內(nèi)也發(fā)生了變化，研究前期氮盈余強(qiáng)度由大到小順序為白洋淀中游、白洋淀上游、白洋淀下游、臨白洋淀區(qū)，研究后期氮盈余強(qiáng)度逐步變化，由大到小的順序為白洋淀中游、白洋淀上游、臨白洋淀區(qū)、白洋淀下游（表2）。至研究期末（2019年），白洋淀下游氮盈余強(qiáng)度最?。á窦墸籽蟮碇杏蔚鄰?qiáng)度最大（Ⅳ級）。

圖3 研究區(qū)各空間分區(qū)氮素盈余強(qiáng)度分級變化

2.2.3 氮素盈余量時空特征分析

表3為研究區(qū)及各空間分區(qū)氮素盈余。研究期內(nèi)白洋淀流域總氮盈余量于雄安新區(qū)成立之前呈小幅上升趨勢，至雄安新區(qū)成立當(dāng)年（2017年）有所下降，相比研究初期（2013年）下降17.95%，至研究期末（2019年）種植業(yè)氮盈余量較研究初期下降29.67%。臨白洋淀區(qū)域氮盈余量整體變化不大，雄安新區(qū)成立之前，區(qū)域種植業(yè)氮盈余量小幅上升，雄安新區(qū)成立后至研究期末，區(qū)域種植業(yè)氮盈余量有所下降，但與研究初期相比，僅下降了0.12×104t，研究期內(nèi)氮盈余量總體降幅為5.08%。白洋淀下游氮盈余量總體呈持續(xù)下降趨勢，研究初期至研究期末下降了2.74×104t，降低幅度達(dá)38.65%。白洋淀中游氮盈余量呈現(xiàn)先上升后下降趨勢，由2013年至2015年小幅上升（1.32%），2015年后開始大幅下降，至研究期末下降幅度達(dá)28.25%。白洋淀上游氮盈余量在雄安新區(qū)成立之前變化不大，至雄安新區(qū)成立當(dāng)年開始明顯下降，至研究末期下降了31.98%，總體下降了40.78%。

研究期內(nèi)，4個空間分區(qū)種植業(yè)氮盈余量大小順序為白洋淀中游（（10.39～14.48）×104t）、白洋淀下游（（4.35～7.09）×104t）、臨白洋淀區(qū)（（2.24～2.64）×104t）、白洋淀上游（（1.51～2.58）×104t）（表 3）。

從種植業(yè)氮盈余來源來看，各空間分區(qū)氮盈余來源差異明顯，其中臨白洋淀區(qū)氮盈余主要來自小麥（57%～64%），其次為玉米（24%～34%）、蔬菜（4%～11%）和果樹（2%～3%）；白洋淀下游氮盈余主要來自小麥（42%～44%），其次為蔬菜（26%～29%）、玉米（17%～25%）、果樹（7%～10%）；白洋淀中游氮盈余主要來自蔬菜（38%～56%），其次為果樹（19%～26%）、小麥（13%～18%）、玉米（10%～18%）；白洋淀上游氮盈余主要來自果樹（35%～55%），其次為玉米（23%～42%），小麥（13%～14%）和蔬菜（8%～9%）貢獻(xiàn)較低。此外，部分區(qū)域氮盈余來源在研究期內(nèi)發(fā)生了明顯變化。其中，白洋淀中游，蔬菜對氮盈余量的貢獻(xiàn)由研究初期的56%下降到研究期末的47%，小麥、玉米和果樹對氮盈余量的貢獻(xiàn)分別增加了2%、6%和1%；白洋淀上游氮盈余來源中，果樹的貢獻(xiàn)由2013年的55%下降到2019年的35%，玉米的貢獻(xiàn)由2013年的23%上升到2019年的42%，小麥和蔬菜的貢獻(xiàn)變化不明顯（表3）。

2.3 氮盈余強(qiáng)度與種植結(jié)構(gòu)的響應(yīng)關(guān)系

圖4為白洋淀流域種植業(yè)氮盈余強(qiáng)度與糧經(jīng)比響應(yīng)關(guān)系。研究期內(nèi)，白洋淀流域糧經(jīng)比在2.44～19.23之間變化，種植業(yè)氮盈余強(qiáng)度出現(xiàn)121.22～336.15 kg/hm2的波動變化。種植結(jié)構(gòu)是影響區(qū)域種植業(yè)氮盈余的關(guān)鍵因子，從整體來看，白洋淀流域氮盈余強(qiáng)度與糧經(jīng)比呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（<0.05）。通過調(diào)控種植業(yè)結(jié)構(gòu)可顯著改變區(qū)域種植業(yè)氮盈余強(qiáng)度，白洋淀流域糧經(jīng)比每增加1個單位，種植業(yè)氮盈余強(qiáng)度可降低7.07 kg/hm2，糧經(jīng)比由2.44增加至19.23時，流域種植業(yè)氮盈余強(qiáng)度降低幅度達(dá)47.79%。若將環(huán)境風(fēng)險比較高的白洋淀中游氮盈余強(qiáng)度降至Ⅱ級（≥140～180 kg/hm2），該區(qū)域內(nèi)糧經(jīng)比需調(diào)整為12.13～17.79。

圖4 氮盈余強(qiáng)度與糧經(jīng)比響應(yīng)關(guān)系

3 討 論

3.1 白洋淀流域種植結(jié)構(gòu)時空特征

本研究發(fā)現(xiàn)，研究期內(nèi)白洋淀流域及各空間分區(qū)的糧食作物（小麥、玉米）和經(jīng)濟(jì)作物（蔬菜、果樹）種植面積整體變化不大，但種植結(jié)構(gòu)空間分異明顯，總體呈現(xiàn)距白洋淀淀區(qū)越遠(yuǎn)，糧經(jīng)比越小的趨勢，其中，臨白洋淀區(qū)域糧經(jīng)比最大，在15.11～19.23之間，白洋淀上游糧經(jīng)比最小，在2.44～2.64之間。這主要是因為研究區(qū)地處太行山北部東麓、冀中平原西部，地勢由西北向東南傾斜，白洋淀中游及白洋淀上游多是山地，部分區(qū)域不適宜糧食作物的種植，更適合種植果樹等經(jīng)濟(jì)作物。研究期內(nèi)，白洋淀流域糧經(jīng)比總體呈上升趨勢，主要與白洋淀下游和中游經(jīng)濟(jì)作物明顯減少有關(guān)。臨白洋淀雖然糧經(jīng)比增長數(shù)值最大，但白洋淀中游糧經(jīng)比上升幅度最大，這主要是因為臨白洋淀區(qū)域2013年的糧經(jīng)比基礎(chǔ)值較白洋淀中游更大。

3.2 白洋淀流域氮素盈余時空特征

白洋淀流域各空間分區(qū)在研究期內(nèi)的氮盈余強(qiáng)度總體呈現(xiàn)較為明顯的下降趨勢，但不同空間分區(qū)的氮盈余強(qiáng)度及來源存在明顯差異。從整體看，白洋淀中游種植業(yè)氮盈余強(qiáng)度最大，這主要是因為該區(qū)域蔬菜種植面積大，化肥施用強(qiáng)度高。同時，蔬菜是該區(qū)域種植業(yè)氮盈余的主要來源，研究初期蔬菜對該區(qū)域氮盈余量的貢獻(xiàn)達(dá)56%，雖然至研究期末其貢獻(xiàn)有所下降，但貢獻(xiàn)仍達(dá)47%。其中，作為該區(qū)域蔬菜氮素主要輸入來源的化肥施氮量為714.24 kg/hm2，是李書田等[23]推薦施氮量最高值的2.46倍。

白洋淀上游種植業(yè)氮盈余強(qiáng)度相對較大，其中果樹和玉米為該區(qū)域氮盈余的主要來源。研究期內(nèi)，該區(qū)域氮盈余強(qiáng)度大幅下降的原因與果樹有關(guān)。研究初期果樹對該區(qū)域氮盈余量的貢獻(xiàn)為55%，至研究期末其貢獻(xiàn)下降至35%，這主要與其化肥施氮量下降有關(guān)。果樹化肥施氮量由2013年的329.85 kg/hm2下降到了2019年的136.19 kg/hm2，且遠(yuǎn)低于河北省果樹平均化肥施氮量（438 kg/hm2）[24]。同時，玉米對種植業(yè)氮盈余量的貢獻(xiàn)由研究初期的23%上升到期末的42%，但該區(qū)域玉米施氮量為131.06 kg/hm2，低于巨曉棠等[25]研究的華北平原玉米平均適宜施氮量（170～190 kg/hm2）。研究期內(nèi)，白洋淀下游和臨白洋淀區(qū)域，氮素盈余強(qiáng)度均處于較低水平，對白洋淀的環(huán)境影響較小。白洋淀下游雖然種植面積較大，但小麥玉米是主要種植作物，糧經(jīng)比較高，種植業(yè)氮盈余強(qiáng)度總體較低，同時呈現(xiàn)不斷下降的趨勢，尤其自2017年雄安新區(qū)成立以來，該區(qū)域的種植業(yè)氮盈余強(qiáng)度由Ⅱ級水平下降到2019年的Ⅰ級水平。臨白洋淀區(qū)域雖然整體盈余強(qiáng)度處于較低水平，但研究期末其區(qū)域內(nèi)小麥氮盈余強(qiáng)度較高（208.64 kg/hm2），化肥施氮量（281.99 kg/hm2）也遠(yuǎn)超華北平原小麥平均適宜施氮量（150～180 kg/hm2）。由于臨白洋淀區(qū)域?qū)Π籽蟮淼韰^(qū)水質(zhì)的影響更為直接，這一區(qū)域也是全流域養(yǎng)分管理的重點區(qū)域?！逗颖毙郯残聟^(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整專項規(guī)劃（2021—2025）》中指出目前雄安新區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營方式還相對粗放，依靠資源消耗的粗放經(jīng)營方式仍未根本改變，過度施肥現(xiàn)象仍然存在[22]，小麥氮盈余強(qiáng)度較高主要與此有關(guān)。因此，可通過高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)、增加秸稈還田和優(yōu)化施肥方式[26-27]進(jìn)一步降低氮盈余。

3.3 種植結(jié)構(gòu)與環(huán)境之間的關(guān)系

白洋淀流域氮盈余與其糧經(jīng)比有著一定的響應(yīng)關(guān)系。研究期內(nèi)，各研究分區(qū)糧經(jīng)比總體呈上升趨勢，氮盈余量與氮盈余強(qiáng)度均呈明顯下降趨勢，氮盈余強(qiáng)度可反映出區(qū)域種植業(yè)氮污染風(fēng)險[28-29]，由于各空間分區(qū)種植面積無明顯變化，氮盈余量的變化則主要取決于氮盈余強(qiáng)度的變化。從氮盈余強(qiáng)度與糧經(jīng)比的關(guān)系可以看出，糧經(jīng)比越大氮盈余強(qiáng)度越小。

4個空間分區(qū)中氮盈余強(qiáng)度變化最大的區(qū)域為白洋淀上游，氮盈余強(qiáng)度由2013年的256.89 kg/hm2下降到2019年的157.60 kg/hm2，下降了99.29 kg/hm2。以上結(jié)果除與該區(qū)域果樹化肥施氮量大幅減少有關(guān)外，還與種植面積少、糧經(jīng)比基礎(chǔ)值小（2.44）和糧經(jīng)比上升有關(guān)；與白洋淀上游相比，白洋淀中游氮盈余強(qiáng)度下降幅度次之，氮盈余強(qiáng)度由2013年的329.58 kg/hm2下降到2019年的250.51 kg/hm2，下降了79.07 kg/hm2，其原因主要是該區(qū)域糧經(jīng)比基礎(chǔ)值小（2.93），且研究期內(nèi)糧經(jīng)比上升幅度大（43.69%）。白洋淀下游氮盈余強(qiáng)度下降也較大，氮盈余強(qiáng)度由2013年的184.48 kg/hm2下降至2019年的121.22 kg/hm2，下降了63.26 kg/hm2，主要也是因為該區(qū)域糧經(jīng)比基礎(chǔ)值相對較小，糧經(jīng)比小幅度上升（13.34%）。臨白洋淀區(qū)域雖然糧經(jīng)比上升趨勢較明顯（27.27 %），但是氮盈余強(qiáng)度下降幅度卻較?。ㄆ骄抗曄陆盗?4.66 kg），其原因主要是該區(qū)域種植面積較小，且糧經(jīng)比基礎(chǔ)值大，經(jīng)濟(jì)作物種植面積過小，雖然糧經(jīng)比上升幅度較大，但對氮盈余強(qiáng)度變化影響不大?！逗颖毙郯残聟^(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整專項規(guī)劃（2021—2025）》指出，目前雄安新區(qū)糧食供給大于需求，果蔬供給仍有缺口。隨著雄安新區(qū)的發(fā)展，人口增長將會加速，糧食供給雖然可以滿足需求，但果蔬缺口將達(dá)到15×104t。因此，就臨白洋淀區(qū)域而言，鑒于該區(qū)域氮盈余強(qiáng)度較低，可以適當(dāng)增加果樹蔬菜的種植面積，提高果樹蔬菜產(chǎn)量。由此可見，種植結(jié)構(gòu)變化對區(qū)域氮盈余有著重要的影響，其中，糧經(jīng)比是決定區(qū)域氮盈余的重要因子。因此，可適當(dāng)通過增加小麥玉米種植面積，減少蔬菜果樹種植面積來調(diào)控糧經(jīng)比，以達(dá)到減少種植業(yè)污染的目標(biāo)。《白洋淀生態(tài)環(huán)境治理條例》也提到，白洋淀流域各級人民政府應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對生態(tài)環(huán)境的治理和保護(hù)，優(yōu)化農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)，組織開展面源污染治理[30]。

白洋淀流域各個區(qū)域的氮盈余強(qiáng)度在研究期內(nèi)雖然下降趨勢明顯，但對比趙海璇等[18]對白洋淀流域未利用氮強(qiáng)度進(jìn)行的分級情況，2019年白洋淀中游種植業(yè)氮盈余強(qiáng)度（250.51 kg/hm2）仍處于高水平（224.56～360.26 kg/hm2）。對比趙海璇等[18]盈余強(qiáng)度分級標(biāo)準(zhǔn)，本研究劃分的氮盈余強(qiáng)度Ⅱ級（≥140～180 kg/hm2）處于低水平范圍，流域環(huán)境風(fēng)險較小，因此，把種植業(yè)氮盈余強(qiáng)度Ⅱ級作為調(diào)控目標(biāo)，若使白洋淀中游種植業(yè)氮盈余強(qiáng)度處于Ⅱ級水平，白洋淀中游糧經(jīng)比需調(diào)整為12.13～17.79。

4 結(jié) 論

本文研究了雄安新區(qū)成立前后白洋淀流域種植結(jié)構(gòu)及種植業(yè)氮盈余的時空變化情況，并在此基礎(chǔ)上探究了兩者之間的關(guān)系，研究結(jié)果表明：

1）白洋淀流域內(nèi)種植結(jié)構(gòu)時空變化明顯，在時間上，糧經(jīng)比總體呈小幅度上升趨勢；在空間上，糧經(jīng)比隨著距白洋淀淀區(qū)距離的增加呈大幅度下降趨勢。

2）白洋淀流域氮盈余量及氮盈余強(qiáng)度總體呈下降趨勢，但不同空間分區(qū)氮盈余變化存在差異。白洋淀上游氮盈余量下降幅度最大（40.78%），果樹是白洋淀上游氮盈余的主要來源（35%～55%）。臨白洋淀區(qū)域氮盈余量整體下降幅度最?。?.08%）。空間上，白洋淀中游在研究期內(nèi)氮盈余量（（10.39～14.48）×104t）最大，白洋淀上游氮盈余量（（1.51～2.58）×104t）最小。

3）至2019年，除白洋淀中游外，臨白洋淀、白洋淀下游和白洋淀上游區(qū)域氮盈余強(qiáng)度全部處于環(huán)境風(fēng)險較低的Ⅱ級水平以內(nèi)。白洋淀中游糧經(jīng)比小（4.29），至2019年，其種植業(yè)氮盈余強(qiáng)度仍處于風(fēng)險較高的Ⅳ級（>220～260 kg/hm2）水平。

4）種植業(yè)氮盈余強(qiáng)度與種植結(jié)構(gòu)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。在一定時期內(nèi)，糧經(jīng)比基礎(chǔ)值越小，其上升幅度越大，氮盈余量則下降幅度越大。通過調(diào)整種植結(jié)構(gòu)來調(diào)控氮盈余量是防控種植業(yè)污染的重要手段。

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Spatiotemporal variations in planting structure and nitrogen surplus in the Baiyangdian basin

YANG Ziwei1, YIN Gaofei1, ZHAO Haixuan1, ZHU Cong2, MA Wenqi1, WANG Jiabao1, XI Bin3, LI Wenchao1※, LIU Hongbin4

(1.,,,071000,; 2.,100081,; 3.,,100125,; 4.,,,,100081,)

Environmental loss can be caused by the excessive nitrogen input in crop production, leading to non-point source pollution in the lake basin.Among them, the planting structure can be one of the most important factors to affect the nitrogen input, due to the various levels of nitrogen management between different systems of crop production. Therefore, it is very necessary to explore the relationship between planting structure and environmental loss at present.In this study, the grain crops (wheat and maize) and economic crops (vegetables and fruit trees) were taken as research objects in Baoding and Dingzhou from the core areas of the Baiyangdian Basin in the North China Plain. An optimization was made to clarify the effect of planting structure on the regional environment, where the grain economy ratio was taken as the characterization factor of planting structure, while the nitrogen surplus was the characterization factor of environmental loss. Specifically, the grain economic ratio was the planting area ratio of grain crop to economic crop. Nitrogen surplus was the difference between nitrogen input and output in the planting system. The results showed that: 1) There were outstanding spatiotemporal changes in the planting structure in the Baiyangdian Basin. In the spatial view,the largest grain economic ratio was found nearby the Baiyangdian Lake area, whereas, the smallest grain economic ratio was upstream of the Baiyangdian Lake. The grain economy ratio decreased significantly with the increase in distance from the spatial divisions to the lake.In terms of time, the grain economic ratio and each spatial partition showed a slight upward trend during the study period (in 2013, 2015, 2017 and 2019)among the four spatial divisions. There was the largest increase in the grain economy ratio in the middle reaches of Baiyangdian Lake;2) The spatial and temporal differentiation characteristics of planting nitrogen surplus in Baiyangdian Basin were obvious. In terms of time, the planting nitrogen surplus in Baiyangdian Basin showed a downward trend ((26.29-18.49)×104t) during the study period. Spatially, the nitrogen surplus in the midstream and downstream of the basin is larger than those in the upstream and nearby Baiyangdian Lake.3) There was no change in the total planting area of grain crops and economic crops in the four spatial zones, but the nitrogen surplus decreased significantly. Among them, the most decrease in the nitrogen surplus was found in the midstream of Baiyangdian. The trend was attributed to the small basic value of the grain economic ratio and the large increase in the grain economic ratio. Furthermore, the nitrogen surplus decreased with the increase in the grain economy ratio, while the planting area remained unchanged basically in the same area. In addition, the ever-increasing trend was observed in the grain economy ratio with the decrease of the basal value, leading to the decrease of nitrogen surplus;4) There was a strong relationship between the grain economic ratio and nitrogen surplus intensity. The smaller the grain economic ratio was, the greater the nitrogen surplus intensity was. The nitrogen surplus intensity also decreased with the increase in the grain economic ratio. Consequently, the regional nitrogen surplus intensity can be expected to be significantly adjusted via the grain economic ratio. The nitrogen surplus intensity in the midstream of Baiyangdian Lake could be reduced to the level of II (140-180 kg/hm2) from the level of IV (220-260 kg/hm2), when the grain economy ratio is adjusted from 4.21 to 12.13-17.79. Therefore, the nitrogen surplus intensity can be regulated to adjust the planting structure, in order to control the nitrogen surplus for the less environmental risk of nitrogen input in planting industry. This finding can provide a scientific basis for the control of nitrogen pollution in the planting industry.

crops; nitrogen; planting structure; nitrogen surplus; spatiotemporal characteristic; Baiyangdian Basin

10.11975/j.issn.1002-6819.202212005

S19

A

1002-6819(2023)-06-0111-09

楊紫薇，尹高飛，趙海璇，等. 白洋淀流域種植結(jié)構(gòu)及氮盈余的時空變化特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2023，39(6)：111-119.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202212005 http://www.tcsae.org

YANG Ziwei, YIN Gaofei, ZHAO Haixuan, et al. Spatiotemporal variations in planting structure and nitrogen surplus in the Baiyangdian basin[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2023, 39(6): 111-119. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202212005 http://www.tcsae.org

2022-12-01

2023-01-11

河北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目（BJ2021026）；河北省引進(jìn)留學(xué)人員資助項目（C20200330）；華北作物改良與調(diào)控國家重點實驗室自主課題項目（NCCIR2021ZZ-20）；河北省水環(huán)境科學(xué)實驗室開放課題項目（HBSHJ202107）；國家重點研發(fā)計劃項目（2021YFE0101900）；國家自然科學(xué)基金項目（42107410）

楊紫薇，研究方向為農(nóng)業(yè)面源污染。Email：3194560264@qq.com

李文超，博士，副教授，研究方向為農(nóng)業(yè)面源污染。Email：dachao279@126.com