夏永秋,楊旺鑫,施衛(wèi)明,顏曉元

(中國科學(xué)院南京土壤研究所,江蘇 南京 210008)

農(nóng)田中的氮經(jīng)過地表徑流和淋溶進(jìn)入地表、地下水體,形成農(nóng)業(yè)面源污染。水體氮污染已經(jīng)是一個(gè)世界性的問題,中國的水體氮污染問題尤為嚴(yán)重[1]。據(jù)研究,長江水體硝態(tài)氮濃度從1968年到1997年升高10倍[2]。第一次全國農(nóng)業(yè)源污染調(diào)查數(shù)據(jù)顯示,農(nóng)業(yè)面源污染在水域富營養(yǎng)化和水質(zhì)惡化中的貢獻(xiàn)率呈逐年增加趨勢,平均達(dá)到30%以上,銨態(tài)氮貢獻(xiàn)率甚至達(dá)到60%以上。然而,由于面源氮發(fā)生時(shí)間的隨機(jī)性、發(fā)生方式的間歇性、發(fā)生機(jī)理的復(fù)雜性、排放途徑及排放量的不確定性、污染負(fù)荷的時(shí)空變異性、監(jiān)測模擬與控制的困難性等特點(diǎn)[3],很難對面源氮的發(fā)生過程進(jìn)行監(jiān)測和模擬。在區(qū)域尺度上,各流域由于地形、地貌、土地利用、氣候等差異,面源氮水質(zhì)貢獻(xiàn)尤為復(fù)雜。

由于存在明顯的匯水區(qū)和確定的遷移路徑,目前,面源氮水質(zhì)負(fù)荷核算研究多集中在流域尺度,方法也比較多樣化,包括經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?如輸出系數(shù)模型[4])、統(tǒng)計(jì)模型(如多元回歸方程、混合線性模型[5-6])、機(jī)理模型(如SWAT、HSPF、SHE、AGNPS等[7])、半經(jīng)驗(yàn)半機(jī)理模型(如SPARROW[8])等。而在區(qū)域尺度開展面源氮水質(zhì)負(fù)荷核算的研究方法比較單一,大多通過區(qū)域收支法或者只考慮氮肥用量的輸出系數(shù)模型實(shí)現(xiàn)[9-12],存在很大的不確定性。如朱兆良[13]根據(jù)全國種植業(yè)平均徑流和淋失系數(shù),估算全國種植業(yè)面源氮徑流貢獻(xiàn)量為1.2 Tg,淋洗損失量為0.5 Tg。胡玉婷等[12]區(qū)分水田和旱地的徑流和淋失系數(shù),估算出全國氮素徑流損失為1.3 Tg,淋洗損失量為2.03 Tg;而2007年第一次全國污染源普查將更多土地利用方式的徑流和淋失系數(shù)區(qū)分開,得到種植業(yè)總氮發(fā)生量為0.71 Tg。因此,采用上述3種方法估算得到的全國種植業(yè)面源氮損失量差別巨大,其主要原因是這些方法只考慮氮肥用量對面源氮損失的影響,而忽略了氣候、地理、作物管理和土壤等因子對種植業(yè)面源氮損失的影響。

基于此,筆者將種植業(yè)區(qū)分為水田和旱地,通過收集農(nóng)田氮素徑流和淋洗損失方面的文獻(xiàn),提取影響氮素?fù)p失的關(guān)鍵影響因子并進(jìn)行回歸分析,構(gòu)建大尺度集約化種植業(yè)氮素發(fā)生量估算模型。

1 材料與方法

1.1 研究思路

由于水田和旱地氮素?fù)p失機(jī)制有顯著差異,為了準(zhǔn)確模擬兩種典型土地利用方式下的氮素?fù)p失量,將種植業(yè)區(qū)分為水田和旱地,并進(jìn)一步將氮素?fù)p失區(qū)分為徑流和淋洗。文獻(xiàn)分析結(jié)果表明,在區(qū)域上控制徑流和淋洗的主要影響因素為施氮量、土壤全氮含量、土壤黏粒含量和降雨量,分別代表作物管理、土壤和氣候因子。為充分利用現(xiàn)有研究成果,增強(qiáng)模型的可信度和應(yīng)用性,建立氮素?fù)p失與上述4個(gè)影響因素的回歸模型,研究思路見圖1。

圖1 研究方法與思路

1.2 數(shù)據(jù)收集與整理

收集的中文文獻(xiàn)主要來源于中國知網(wǎng) (http:∥www.cnki.net/)和維普網(wǎng) (http:∥qikan.cqvip.com/),英文文獻(xiàn)主要來源于Google學(xué)術(shù)(http:∥www.scholar.google.com)。對收集到的文獻(xiàn)進(jìn)行篩選,最終得到2004—2014年間的文獻(xiàn)資料,試驗(yàn)地點(diǎn)主要包括安徽、湖南、廣東、江蘇、浙江、上海、江西、重慶、山東和陜西,種植作物主要有水稻、小麥、玉米、油菜和棉花,總共187組徑流和淋洗數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)中的研究方法多為田間小區(qū)試驗(yàn),在田間建設(shè)徑流池,使用一定高度的水泥墻體作為田埂,用徑流收集管連通監(jiān)測小區(qū)和徑流池,徑流管由直徑為5 cm的PVC管和2個(gè)三通管連接而成。在麥季,PVC管高度略低于圍溝底部,以保障能充分采集到麥季徑流;在稻季,PVC管口比田面高約7 cm,使灌溉或降雨導(dǎo)致的超出該高度的田面水經(jīng)徑流管導(dǎo)入徑流池,測量徑流池水深,換算后得到稻季徑流總量。由于在不同深度土壤剖面測得的氮素淋溶量不同,取0～100 cm土層中總氮淋溶量平均值。對于部分缺失數(shù)據(jù),通過換算進(jìn)行補(bǔ)充,總氮淋溶損失量(kg·hm-2)由總氮淋溶損失濃度(mg·L-1)與滲漏水量(mm)相乘后再除以100得到。試驗(yàn)中施用的肥料類型不同,筆者只收集了無機(jī)氮肥的數(shù)據(jù),并將其統(tǒng)一換算為化學(xué)純氮用量。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析與估算

采用Excel 2007軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,建立農(nóng)田氮素?fù)p失與影響因素?cái)?shù)據(jù)庫,剔除離群值之后,采用SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和多元回歸分析,建立氮素?fù)p失與影響因素的回歸模型。逐步回歸能有效避免參數(shù)多重共線性問題,其基本思想是將變量逐個(gè)引入模型,每引入一個(gè)解釋變量后都進(jìn)行F檢驗(yàn),并對已經(jīng)選入的解釋變量逐個(gè)進(jìn)行t檢驗(yàn),當(dāng)原來引入的解釋變量由于后面解釋變量的引入而變得不再顯著時(shí),則將其刪除,以確保每次引入新的變量之前回歸方程中只包含顯著性變量。查閱《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》[14]和《中國氣象年鑒》[15],得到2011年我國除臺灣、香港、澳門以外其他31個(gè)省、自治區(qū)、直轄市年平均降雨量,氮肥施用量,農(nóng)作物播種總面積,水稻(代表水田)播種面積,小麥、玉米、棉花、油菜(代表旱地)播種面積,根據(jù)各省、自治區(qū)、直轄市氮肥施用量及播種總面積得到各省、自治區(qū)、直轄市單位面積農(nóng)田施氮量。由于模型的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)具有較大的變異區(qū)間,而全國收集的數(shù)據(jù)(圖2)處于收集數(shù)據(jù)變異區(qū)間之內(nèi),因而該逐步回歸模型可應(yīng)用于全國尺度,用于估算我國種植業(yè)面源氮發(fā)生量。

圖2 文獻(xiàn)中施氮量、土壤全氮含量、土壤黏粒含量和降雨量統(tǒng)計(jì)分布

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)生量核算方法

應(yīng)用逐步回歸方法,可以在大尺度提取影響水田、旱地徑流和淋洗的控制因子。水田總氮淋洗損失的主要影響因素為施氮量和土壤黏粒含量,常量、施氮量和土壤黏粒含量的回歸系數(shù)分別為8.606、0.018和-0.216,模型相關(guān)系數(shù)為0.794;水田總氮徑流損失的主要影響因素為施氮量和降雨量,常量、施氮量和降雨量的回歸系數(shù)分別為-0.958、0.027和0.005,模型相關(guān)系數(shù)為0.753,都通過了回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)(表1)。旱地總氮淋洗和徑流損失的主要影響因素都為降雨量和施氮量,其中,淋洗模型中,常量、降雨量和施氮量的回歸系數(shù)分別為-12.106、0.041和0.035,模型相關(guān)系數(shù)為0.735;徑流模型中,常量、降雨量和施氮量的回歸系數(shù)分別為-12.650、0.041和0.073,模型相關(guān)系數(shù)為0.899,也都通過了回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)(表2)。由此可以獲得水田總氮徑流損失量(Y1)估算模型為Y1=-0.958+0.027X1+0.005X2;旱地總氮徑流損失量(Y2)估算模型為Y2=-12.650+0.041X2+0.073X1,水田中總氮淋洗損失量(Y3)估算模型為Y3=8.606-0.216X3+0.018X1,旱地中總氮淋洗損失量(Y4)估算模型為Y4=-12.106+0.041X2+0.035X1,其中,X1為施氮量,X2為降雨量,X3為土壤黏粒含量。由回歸方程和標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)可知農(nóng)田總氮徑流損失主要受施氮量和降雨量的影響,其中,施氮量對水田和旱地中總氮徑流損失的影響最大。農(nóng)田總氮淋洗損失主要受土壤黏粒含量、施氮量和降雨量的影響,其中,土壤黏粒含量對水田中總氮淋洗損失量影響最大,降雨量對旱地中總氮淋洗損失量影響最大。

表1水田氮素?fù)p失多元回歸模型的回歸系數(shù)

Table1MultivariateregressionmodelcoefficientsofNlossesfrompaddyfield

模型名稱模型參數(shù)非標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)誤差標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)t值顯著性 淋洗常量8.6061.594—5.400<0.001 土壤黏粒含量-0.2160.043-0.556-5.067<0.001 施氮量0.0180.0040.5124.663<0.001 徑流常量-0.9581.168—-0.8200.416 施氮量0.0270.0040.6426.778<0.001 降雨量0.0050.0020.3203.3710.001

“—”表示無此項(xiàng)。

表2旱地氮素?fù)p失多元回歸模型的回歸系數(shù)

Table2MultivariateregressionmodelcoefficientsofNlossesfromdryland

模型名稱模型參數(shù)非標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)誤差標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)t值顯著性 淋洗常量-12.1064.233—-2.8600.006 降雨量0.0410.0070.5605.669<0.001 施氮量0.0350.0090.3793.835<0.001 徑流常量-12.6503.047—-4.1520.001 降雨量0.0410.0070.6376.316<0.001 施氮量0.0730.0120.5885.835<0.001

“—”表示無此項(xiàng)。

2.2 我國種植業(yè)面源氮發(fā)生量核算

收集全國尺度水田和旱地中施氮量、黏粒含量和降雨量數(shù)據(jù),應(yīng)用上述構(gòu)建的模型,估算我國種植業(yè)面源氮發(fā)生量。結(jié)果表明旱地總氮徑流損失量為0.76 Tg,水田總氮徑流損失量為0.20 Tg, 2011年全國總氮徑流損失總量為0.96 Tg,占總氮投入量的6.0%。旱地總氮淋洗損失量為0.87 Tg,水田總氮淋洗損失量為0.14 Tg, 2011年全國總氮淋洗損失總量為1.01 Tg,占總氮投入量的6.3%。我國31個(gè)省、自治區(qū)、直轄市種植業(yè)面源氮發(fā)生量核算結(jié)果見圖3。水田氮素?fù)p失量較高的省份有廣東、廣西、湖南、湖北、江蘇和江西，而旱地?fù)p失量較高區(qū)域位于我國的山東、河南、安徽、江蘇、湖北、河北、四川等地。

圖3 我國31個(gè)省(自治區(qū)、直轄市)水田和旱地的徑流和淋洗估算

3 討論

我國化肥使用量一直處于上升態(tài)勢,尤其是集約化農(nóng)區(qū),化肥使用強(qiáng)度平均達(dá)400 kg·hm-2,遠(yuǎn)超過發(fā)達(dá)國家為防止水體污染而設(shè)置的225 kg·hm-2的安全標(biāo)準(zhǔn)。目前,我國肥料平均利用率僅約為30%,大多數(shù)養(yǎng)分隨徑流、滲漏等途徑損失,這不僅增加生產(chǎn)成本,浪費(fèi)資源,更重要的是造成環(huán)境污染。據(jù)估算,2007年我國農(nóng)業(yè)源總氮流失量為187.2萬t,其中種植業(yè)源約為133.3萬t,在高排放情景下,2030年種植業(yè)約排放99萬t[16]。因此,種植業(yè)尤其是集約化種植面源污染形勢不容樂觀。隨著種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整,集約化種植業(yè)面積仍將擴(kuò)大,化肥污染將日趨嚴(yán)重。準(zhǔn)確核算我國種植業(yè)面源氮發(fā)生量是實(shí)現(xiàn)國家“十三五”規(guī)劃約束性指標(biāo)的基礎(chǔ)。

當(dāng)前,在全國尺度開展種植業(yè)面源氮發(fā)生量估算的研究還不多,大多以氮肥施用量為基礎(chǔ),乘以一定的損失系數(shù)獲得。如朱兆良經(jīng)過長期的定位試驗(yàn),估算種植業(yè)多年平均徑流損失系數(shù)約為氮肥用量的5%,淋洗損失系數(shù)為氮肥用量的3%[13],根據(jù)全國化肥投入總量,估算全國種植業(yè)面源氮損失量為1.7 Tg。為提高估算精度,胡玉婷等[12]將種植業(yè)進(jìn)一步分為稻田和旱地,根據(jù)全國的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),分別確定旱地和稻田的徑流和淋洗損失系數(shù),并根據(jù)各省級氮肥投入量,估算得到全國省級尺度面源氮損失量分布,得到全國種植業(yè)面源氮總損失量為3.33 Tg。2007年開展了第一次全國污染源普查,全國共設(shè)置地下淋溶和地表徑流定位監(jiān)測試驗(yàn)點(diǎn)372個(gè)。其中,地下淋溶試驗(yàn)點(diǎn)140個(gè),包括大田試驗(yàn)點(diǎn)47個(gè),保護(hù)地菜田40個(gè),露地菜田31個(gè),果園22個(gè);地表徑流試驗(yàn)點(diǎn)232個(gè),包括水田試驗(yàn)點(diǎn)46個(gè),水旱輪作51個(gè),旱地平原57個(gè),坡耕地78個(gè)。通過此次普查得到我國主要種植業(yè)的徑流和淋洗損失系數(shù),并估算全國縣級尺度面源氮素?fù)p失量分布,得到全國種植業(yè)面源氮總損失量為0.71 Tg。各方法的主要差別是土地利用方式區(qū)分粗細(xì)程度不同,但是都只考慮了氮肥用量。因此,在估算上不可避免地存在很大不確定性。筆者除考慮氮肥用量以外,還增加了第2個(gè)因子,如降雨量或土壤黏粒含量。如表3所示,與單變量氮肥用量相比,增加第2個(gè)因子之后,水田徑流氮損失解釋度由46.7%增加到56.7%,旱地徑流氮損失解釋度由46.4%增加到80.8%,水田淋洗氮損失解釋度由37.1%增加到63.0%,旱地淋洗氮損失解釋度由40.3%增加到54.1%,表明模型準(zhǔn)確性得到提高,區(qū)域尺度面源氮發(fā)生量核算的不確定性則大大降低。

表3考慮不同影響因素的氮素?fù)p失模型結(jié)果比較

Table3ComparisonofNlossmodelswhendifferentfactorsincluded

模型因子rR2調(diào)整R2標(biāo)準(zhǔn)估計(jì)的誤差 水田淋洗氮肥用量0.6090.3710.3522.538 304 氮肥用量+黏粒含量0.7940.6300.6071.977 097 旱地淋洗氮肥用量0.6350.4030.39111.565 929 氮肥用量+降雨量0.7350.5410.52210.246 515 水田徑流氮肥用量0.6830.4670.4563.238 356 氮肥用量+降雨量0.7530.5670.5492.947 239 旱地徑流氮肥用量0.6810.4640.4388.900 207 氮肥用量+降雨量0.8990.8080.7885.465 034

r為相關(guān)系數(shù),R2為決定系數(shù)。

筆者研究結(jié)果顯示2011年我國種植業(yè)面源氮發(fā)生量約為1.97 Tg,占氮肥投入量的12.3%。面源氮發(fā)生的主要區(qū)域位于長江中下游、西南丘陵、山東半島和華北平原區(qū),該結(jié)果與第一次全國污染源普查結(jié)果及其他估算結(jié)果相一致[16]。這些區(qū)域一般為農(nóng)業(yè)歷史開發(fā)悠久、種植業(yè)發(fā)達(dá)、化肥施用量和流失量較大的地區(qū)。其中,山東、河南、河北均為我國重要的農(nóng)業(yè)區(qū)。山東省糧食產(chǎn)量居全國第2位,是我國重要的蔬菜、溫帶水果主產(chǎn)區(qū)和北方重要產(chǎn)棉基地;河北省糧、棉、油產(chǎn)量穩(wěn)居全國前列,是全國3大小麥集中產(chǎn)區(qū)之一和重要的產(chǎn)棉基地,蔬菜種植發(fā)展迅猛;河南省為我國糧油、棉花和烤煙的主要產(chǎn)區(qū)之一。2011年河南、江蘇、山東和河北化肥施用量居于全國前4位,這4個(gè)省農(nóng)用氮肥施用折純量分別為245.28萬、173.64萬、158.61萬和152.42萬t。西南地區(qū)化肥施用量高,如四川和云南2011年農(nóng)用氮肥施用折純量分別為128.78和103.24萬t,加之降雨比較集中,坡地較多,容易造成氮肥流失。

4 結(jié)論

該研究收集了大量試驗(yàn)數(shù)據(jù),根據(jù)影響氮素徑流和淋洗損失的氣候、地理、作物管理和土壤等因子,應(yīng)用逐步回歸方法,提取了氮肥用量、降雨量和土壤黏粒含量3個(gè)最重要的影響因素,建立氮素?fù)p失發(fā)生量核算方法?；?011年統(tǒng)計(jì)年鑒、氣象年鑒和土壤屬性數(shù)據(jù)庫,應(yīng)用上述構(gòu)建的模型,估算我國種植業(yè)面源氮發(fā)生量。 結(jié)果表明,2011年全國總氮徑流損失總量為0.96 Tg,占總氮投入量的6.0%,全國總氮淋洗損失總量為1.01 Tg,占總氮投入量的6.3%。水田氮素?fù)p失量較高的地區(qū)主要位于長江流域,而旱地氮素?fù)p失量較高的區(qū)域位于我國山東半島、華北平原和西南丘陵地區(qū)。與僅考慮氮肥用量的輸出系數(shù)模型相比,該研究通過增加一個(gè)影響因子大大提高了估算的準(zhǔn)確性,可為農(nóng)業(yè)面源污染的控制和管理決策提供參考。