趙海璇，張亦濤，李文超，馬文奇，翟麗梅，居學(xué)海，陳涵婷，康銳，孫志梅，習(xí)斌，劉宏斌

白洋淀流域核心區(qū)農(nóng)牧系統(tǒng)未利用氮量及空間分布

趙海璇1，張亦濤2，李文超1，馬文奇1，翟麗梅3，居學(xué)海4，陳涵婷1，康銳1，孫志梅1，習(xí)斌4，劉宏斌3

1河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/華北作物改良與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河北省農(nóng)田生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定 071000；2中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101；3中國(guó)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；4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

【】農(nóng)牧系統(tǒng)過(guò)量投入產(chǎn)生的未利用氮素是地表水體中污染負(fù)荷的重要來(lái)源之一，量化農(nóng)業(yè)未利用氮素的空間分異特征，為氮素的分區(qū)管理，實(shí)現(xiàn)流域農(nóng)業(yè)源氮素有效管理提供基礎(chǔ)?！尽恳园籽蟮砹饔蚝诵膮^(qū)保定市范圍內(nèi)的農(nóng)牧系統(tǒng)為研究對(duì)象，根據(jù)氮素輸入、輸出量，分析2016年保定市各縣（區(qū)）種植業(yè)、畜牧業(yè)以及農(nóng)牧系統(tǒng)的未利用氮素空間分布情況。種植業(yè)的未利用氮量為各輸入項(xiàng)（化肥、有機(jī)肥、大氣干濕沉降、灌溉水、種子、非共生固氮和秸稈還田）與輸出項(xiàng)（作物籽粒和秸稈）的差值；畜牧業(yè)未利用氮量為養(yǎng)殖糞污產(chǎn)生量與施用量的差值；農(nóng)牧系統(tǒng)未利用氮量為種植業(yè)與畜牧業(yè)未利用氮量之和?！尽浚?）保定市各縣（區(qū)）種植業(yè)氮未利用強(qiáng)度在90.27—581.73 kg·hm-2之間，其中定興縣氮未利用強(qiáng)度最小，滿(mǎn)城區(qū)的氮未利用強(qiáng)度最大；種植業(yè)中蔬菜生產(chǎn)是未利用氮貢獻(xiàn)最多的產(chǎn)業(yè)，占種植業(yè)未利用氮量的31.3%，其次是果樹(shù)（29.0%）、小麥（27.8%）和玉米（11.9%）；化肥是種植業(yè)未利用氮的主要輸入源（占61.8%），其次是有機(jī)肥（16.8%）、秸稈還田（8.9%）、大氣沉降（5.2%）、灌溉（3.4%）、非共生固氮（3.0%）和種子（0.9%）。（2）各縣（區(qū)）畜牧業(yè)未利用氮水平在0.06萬(wàn)—2.48萬(wàn)t之間，其中徐水區(qū)的未利用氮量最大，蓮池區(qū)的最小。畜牧業(yè)中肉牛是未利用氮貢獻(xiàn)最多的養(yǎng)殖種類(lèi)，占未利用氮量的71.0%。（3）農(nóng)牧系統(tǒng)未利用氮水平在0.43萬(wàn)—4.97萬(wàn)t之間，其中，徐水區(qū)的未利用氮量最高。農(nóng)牧系統(tǒng)中，種植業(yè)是未利用氮的主要貢獻(xiàn)產(chǎn)業(yè)，占農(nóng)牧系統(tǒng)未利用氮的55.8%?！尽堪籽蟮砹饔蚝诵膮^(qū)保定市各縣（區(qū)）未利用氮量空間分異顯著，其中，徐水區(qū)的未利用氮量最高，是競(jìng)秀區(qū)未利用氮量的10.4倍；對(duì)農(nóng)牧系統(tǒng)未利用氮量貢獻(xiàn)最大的是種植業(yè)，其中，蔬菜生產(chǎn)是貢獻(xiàn)最多的產(chǎn)業(yè)。

白洋淀流域；未利用氮量；種植業(yè)；畜牧業(yè)；縣域

0 引言

【研究意義】氮是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中至關(guān)重要的養(yǎng)分，但過(guò)量投入產(chǎn)生的未利用氮素通過(guò)徑流[1-2]、土壤侵蝕等途徑進(jìn)入地表水體，成為環(huán)境中主要的污染物之一。第二次全國(guó)污染源普查公告顯示，農(nóng)業(yè)源排放的總氮為141.49萬(wàn)t，占全部排放量的46.5%，仍然是氮污染負(fù)荷的主要來(lái)源之一。由于農(nóng)業(yè)面源污染的廣域性特點(diǎn)，全域開(kāi)展農(nóng)業(yè)面源污染防控難度較大，識(shí)別關(guān)鍵源區(qū)，開(kāi)展針對(duì)性防控是當(dāng)前農(nóng)業(yè)面源污染治理的重要手段之一。因此，量化農(nóng)業(yè)源未利用氮素空間分異特征，劃分空間管理分區(qū)，對(duì)實(shí)現(xiàn)流域農(nóng)業(yè)源氮素污染有效管理具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】已有研究對(duì)不同空間尺度上農(nóng)業(yè)未利用氮素的空間特征及影響因素進(jìn)行了較好的分析。在全國(guó)尺度上，劉曉永等[3]與馬進(jìn)川等[4]研究了中國(guó)農(nóng)田養(yǎng)分平衡的時(shí)空分布特征和變化規(guī)律，結(jié)果表明，與1980s相比，2010s全國(guó)農(nóng)田養(yǎng)分盈余量大幅增長(zhǎng)，東北地區(qū)增幅最大，其次是華北、西北、長(zhǎng)江中下游地區(qū)，東南和西南地區(qū)增幅最小。區(qū)域尺度上，楚天舒等[5]通過(guò)研究2000－2018年間黑龍江墾區(qū)農(nóng)田土壤的養(yǎng)分平衡發(fā)現(xiàn)，土壤氮、鉀養(yǎng)分處于平衡的狀態(tài)，磷處于盈余狀態(tài)。楊軍香等[6]通過(guò)養(yǎng)分平衡原理，研究了不同種植模式下的土地適宜載畜量，結(jié)果表明蔬菜種植模式土地載畜量更高。華玲玲等[7]通過(guò)研究三峽庫(kù)區(qū)古夫河小流域氮磷排放特征發(fā)現(xiàn)，硝態(tài)氮輸出濃度與降雨量之間存在明顯的線性相關(guān)關(guān)系。針對(duì)白洋淀流域的研究，YANG等[8]通過(guò)對(duì)白洋淀流域的養(yǎng)分流失進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)養(yǎng)分流失管理能有效地改善水質(zhì)。李?lèi)傉训萚9]估算了白洋淀流域的氮負(fù)荷發(fā)現(xiàn)，種植和畜禽養(yǎng)殖是氮污染的主要來(lái)源之一。汪敬忠等[10]分析了白洋淀沉積物中營(yíng)養(yǎng)元素的空間變化特征。然而，當(dāng)前有關(guān)農(nóng)業(yè)污染在流域尺度上空間分布特征的研究較少?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】2017年國(guó)家設(shè)立雄安新區(qū)以來(lái)，白洋淀生態(tài)環(huán)境治理受到高度重視，但從現(xiàn)有研究來(lái)看，當(dāng)前的重心主要以工業(yè)、污水處理廠等點(diǎn)源污染治理為主，對(duì)農(nóng)業(yè)污染的治理還不夠深入，尤其在空間分區(qū)控制方面有所不足?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以縣（區(qū)）為基本空間單元，量化各空間單元農(nóng)牧系統(tǒng)的未利用氮素，解析氮素來(lái)源，探究未利用氮素分布的主要影響因素，為農(nóng)業(yè)污染的分區(qū)管控提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

白洋淀是華北地區(qū)最大的濕地，位于東經(jīng)115°45′－116°07′，北緯38°44′－38°59′，水域面積366 km2，白洋淀流域面積3.12萬(wàn)km2，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)保定市為研究區(qū)，包括安國(guó)市、安新縣、博野縣、定興縣、定州市、阜平縣（無(wú)數(shù)據(jù)）、高碑店市、高陽(yáng)縣、競(jìng)秀區(qū)、淶水縣、淶源縣（無(wú)數(shù)據(jù)）、蠡縣、蓮池區(qū)、滿(mǎn)城區(qū)、清苑區(qū)、曲陽(yáng)縣、容城縣、順平縣、唐縣、望都縣、雄縣、徐水區(qū)、易縣、涿州市。研究區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，主要種植玉米、小麥、果樹(shù)（蘋(píng)果、葡萄、梨、桃等）、蔬菜（白菜、蘿卜等），主要養(yǎng)殖豬、牛、羊、蛋雞、肉雞等。

1.2 未利用氮計(jì)算

1.2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源 本研究中肥料（有機(jī)肥、化肥）施入量、秸稈還田量、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量（小麥、玉米）來(lái)自實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)，作物種植面積、蔬菜和果樹(shù)的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量、畜禽養(yǎng)殖數(shù)量等主要數(shù)據(jù)來(lái)自《2017年保定市農(nóng)村經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒》，畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)污系數(shù)來(lái)自《第一次全國(guó)污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》，非共生固氮[11]、灌溉水?dāng)y帶氮量[11-13]、大氣沉降[14]、果實(shí)氮含量[11,13,15]、秸稈氮含量[11]、畜禽糞便氮含量[16-17]等數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)。

1.2.2 種植業(yè)未利用氮素計(jì)算 種植業(yè)未利用氮素計(jì)算公式見(jiàn)（1），為種植業(yè)氮素輸入總量和輸出總量的差值，其中多余氮素以氨揮發(fā)、反硝化、淋洗損失，或者以不同的形態(tài)留存在土壤中[18]。

Nspl= Ninput- Noutput（1）

式中，Nspl為種植業(yè)未利用氮量（kg），Ninput為種植業(yè)氮素輸入的總量（kg），Noutput為種植業(yè)氮素輸出總量（kg）。

（1）氮素輸入

種植業(yè)氮素輸入項(xiàng)包括化肥、有機(jī)肥、大氣干濕沉降、灌溉水、種子、非共生固氮和秸稈還田。研究區(qū)內(nèi)的玉米、小麥、蔬菜、果樹(shù)的種植面積占總種植面積的94.9%，故本研究主要考慮以上幾種作物作為種植業(yè)氮素輸入來(lái)源。種植業(yè)氮素輸入計(jì)算公式如下：

Ninput= Nfert+Nman+Ndepo+Nirri+Nsed+Nfix+Nstr（2）

式中，Nfert為化肥（kg）、Nman為有機(jī)肥（kg）、Ndepo為大氣沉降（kg）、Nirri為灌溉水（kg）、Nsed為種子（kg）、Nfix為非共生固氮（kg）、Nstr為秸稈還田（kg），

輸入的氮計(jì)算公式如下：

Nfert= Nnfer+CONcf×TNcf（3）

Nman= CONman×TNman（4）

Ndepo= Stotal×Udepo（5）

Nirri= Si×TNirr（6）

Nsed= Σ（Si×Ui×DRYi×TNsi） （7）

Nfix= Si×Bi（8）

Nstr= Gi×TNgi（9）

式中，Nnfer為化肥氮折純后的施用量（kg）；CONcf為復(fù)合肥折純后的施用量（kg）；TNcf為復(fù)合肥氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）；CONman為有機(jī)肥施用量（kg）；TNman為有機(jī)肥氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）；Stotal為農(nóng)作物種植總面積（hm2）；Udepo為單位面積大氣氮干濕沉降量（kg·hm-2）；Si為作物i種植面積（hm2）；TNirr為有效灌溉面積灌溉水?dāng)y帶氮量（13 kg·hm-2）；Ui為作物i的播種量（kg·hm-2）；DRYi為作物i籽粒的干物質(zhì)比例；TNsi為作物i籽粒氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，小麥、玉米、蔬菜、果樹(shù)分別為2.25%、1.9%、0.27%、0.23%；Bi為作物i的非共生固氮量（18.75 kg·hm-2·a-1）；Gi為作物i單位面積秸稈還田的量（kg）；TNgi為作物i秸稈中的氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，小麥為0.65%，玉米為0.92%。

（2）氮素輸出

氮素輸出部分，主要包括籽粒（果實(shí)）和秸稈，計(jì)算公式如下：

Noutput= Nseed+Nstraw（10）

式中，Nseed為籽粒（果實(shí)）中的氮量（kg），Nstraw為作物秸稈帶走的氮量（kg），計(jì)算公式如下：

Nseed= Σ（Si×TUi×DRYi×TNsi） （11）

Nstraw= Si×TUi×Grai×TNgi（12）

式中，TUi為作物i的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量（kg）；Grai為作物i的草谷比[12]，小麥為1.1，玉米為1.2。

1.2.3 畜牧業(yè)未利用氮素計(jì)算 畜牧業(yè)未利用氮素為畜牧業(yè)氮輸入總量與輸出總量的差值，畜牧業(yè)糞污產(chǎn)生的氮量是輸入部分，有機(jī)肥施用量是輸出部分，計(jì)算公式如下：

Nani= Nint- Nout（13）

式中，Nani為畜牧業(yè)未利用氮量（kg）；Nint為畜牧業(yè)氮素輸入量（kg）；Nout為畜牧業(yè)氮素輸出量（kg）。

（1）氮素輸入

畜牧業(yè)氮素輸入項(xiàng)包括畜禽糞便產(chǎn)生的氮量和尿液產(chǎn)生的氮量。研究區(qū)內(nèi)豬、牛、羊、蛋雞、肉雞的養(yǎng)殖數(shù)量達(dá)到了總養(yǎng)殖數(shù)量的98.9%，故選取上述養(yǎng)殖種類(lèi)作為畜牧業(yè)的氮素輸入項(xiàng)，畜牧業(yè)氮素輸入計(jì)算公式如下：

Nint= Σ（Ni×DAYfesi×365×TNfesi+Ni×DAYurei×365×TNurei/1000） （14）

式中，Nint為畜牧業(yè)氮素輸入量（kg）；Ni為牲畜i的數(shù)量；DAYfesi為牲畜i每天的糞便產(chǎn)生量（kg）；TNfesi為牲畜i糞便中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，牛、豬、蛋雞、肉雞、羊分別為0.38%、0.55%、1.76%、2.38%、1.01%；DAYurei為牲畜i每天的尿液產(chǎn)生量（L）；TNurei為牲畜i每升尿液中氮的含量，牛、豬尿液的氮含量分別為5和1.7 g·L-1。

（2）氮素輸出

氮素輸出部分，主要是種植業(yè)有機(jī)肥的施用，各作物有機(jī)肥施用的計(jì)算公式見(jiàn)上文公式（4），畜牧業(yè)氮素輸出公式如下：

Nout= ΣNmani（15）

式中，Nmani為作物i的有機(jī)肥施用量（kg）。

1.2.4 農(nóng)牧系統(tǒng)未利用氮素計(jì)算 農(nóng)牧系統(tǒng)未利用氮素通過(guò)種植業(yè)未利用氮素和畜牧業(yè)未利用氮素之和

計(jì)算，計(jì)算公式如下：

Nagr= Nspl+Nani（16）

式中，Nagr為農(nóng)牧系統(tǒng)未利用氮量（kg）。

1.3 未利用氮水平分級(jí)方法

本文利用ArcGIS軟件的自然間斷點(diǎn)分級(jí)法對(duì)種植業(yè)、畜牧業(yè)和農(nóng)牧系統(tǒng)的未利用氮水平進(jìn)行分級(jí)，該方法類(lèi)別基于數(shù)據(jù)中固有的自然分組，將對(duì)分類(lèi)間隔加以識(shí)別，可對(duì)相似值進(jìn)行最恰當(dāng)?shù)胤纸M，并可使各個(gè)類(lèi)之間的差異最大化。要素將被劃分為多個(gè)類(lèi)，對(duì)于這些類(lèi)，會(huì)在數(shù)據(jù)值的差異相對(duì)較大的位置處設(shè)置其邊界。對(duì)于不均衡分布的數(shù)據(jù)效果較好。

2 結(jié)果

2.1 種植業(yè)未利用氮量及分布

2016年白洋淀流域種植業(yè)未利用氮總量為23.99萬(wàn)t，平均氮未利用強(qiáng)度為217.44 kg·hm-2，保定市各縣（區(qū)）種植業(yè)氮未利用強(qiáng)度在90.27—581.73 kg·hm-2之間，其中定興縣氮未利用強(qiáng)度最低，滿(mǎn)城區(qū)的最高（圖1）。種植業(yè)中蔬菜生產(chǎn)是未利用氮量貢獻(xiàn)最多的產(chǎn)業(yè)，占種植業(yè)總未利用氮量的31.3%，其次是種植果樹(shù)、小麥和玉米，分別占種植業(yè)總未利用氮量的29.0%、27.8%和11.9%。全區(qū)氮素總輸入為42.05萬(wàn)t，其中，化肥占氮素總輸入的61.8%，其次是有機(jī)肥，占總輸入的16.8%，其他氮素來(lái)源分別是秸稈還田、大氣沉降、灌溉、非共生固氮和種子，分別占氮素總輸入的8.9%、5.2%、3.4%、3.0%和0.9%。根據(jù)各縣的氮素未利用強(qiáng)度狀況，使用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法，將氮素未利用強(qiáng)度分為5個(gè)水平，即極高（≥360.27萬(wàn)t）、高（224.56萬(wàn)—360.26萬(wàn)t）、中（189.95萬(wàn)—224.55萬(wàn)t）、低（143.52萬(wàn)—189.94萬(wàn)t）、極低（≤143.51萬(wàn)t）。其中，滿(mǎn)城區(qū)種植業(yè)氮素未利用強(qiáng)度處于極高水平，占研究區(qū)總面積的4.2%；唐縣、順平縣、蓮池區(qū)和徐水區(qū)處于高水平，占研究區(qū)總面積的17.5%；涿州市、易縣、高陽(yáng)縣、望都縣、定州市和博野縣處于中水平，占研究區(qū)總面積的33.0%；淶水縣、高碑店市、安新縣、清苑區(qū)、蠡縣、安國(guó)市處于低水平，占研究區(qū)總面積的29.6%；定興縣、容城縣、雄縣、曲陽(yáng)縣和競(jìng)秀區(qū)處于極低水平，占研究區(qū)總面積的15.7%。

圖1 種植業(yè)氮素未利用強(qiáng)度及各作物的貢獻(xiàn)率

從作物類(lèi)型對(duì)種植業(yè)未利用氮量的貢獻(xiàn)來(lái)看（圖1），極高水平區(qū)各種植類(lèi)型對(duì)種植業(yè)未利用氮量的貢獻(xiàn)率分別為果樹(shù)（71.5%）＞小麥（10.8%）＞蔬菜（9.1%）＞玉米（8.6%）；高水平區(qū)各種植類(lèi)型的貢獻(xiàn)率分別為果樹(shù)（40.3%）＞蔬菜（36.6%）＞小麥（16.5%）＞玉米（6.6%）；中水平區(qū)各種植類(lèi)型的貢獻(xiàn)率分別為蔬菜（55.7%）＞果樹(shù)（17.0%）＞小麥（15.9%）＞玉米（11.4%）；低水平區(qū)各種植類(lèi)型的貢獻(xiàn)率分別為小麥（44.1%）＞蔬菜（27.8%）＞玉米（14.5%）＞果樹(shù)（13.6%）；極低水平區(qū)各種植類(lèi)型的貢獻(xiàn)率分別為小麥（48.6%）＞果樹(shù)（17.6%）＞玉米（17.1%）＞蔬菜（16.7%）。

從各氮素輸入項(xiàng)對(duì)種植業(yè)未利用氮量的貢獻(xiàn)來(lái)看（圖2），極高水平區(qū)未利用氮素的貢獻(xiàn)分別為化肥（62.8%）＞有機(jī)肥（26.3%）＞秸稈還田（3.6%）＞大氣沉降（3.2%）＞非共生固氮（1.9%）＞灌溉（1.8%）＞種子（0.4%）；高水平區(qū)各氮素來(lái)源的貢獻(xiàn)分別為化肥（60.7%）＞有機(jī)肥（22.8%）＞秸稈還田（5.8%）＞大氣沉降（4.7%）＞灌溉（2.7%）＞非共生固氮（2.7%）＞種子（0.6%）；中水平區(qū)各氮素來(lái)源的貢獻(xiàn)分別為化肥（59.2%）＞有機(jī)肥（19.1%）＞秸稈還田（8.8%）＞大氣沉降（5.4%）＞灌溉（3.4%）＞非共生固氮（3.1%）＞種子（1.0%）；低水平區(qū)各氮素來(lái)源的貢獻(xiàn)分別為化肥（65.2%）＞秸稈還田（11.0%）＞有機(jī)肥（10.8%）＞大氣沉降（5.3%）＞灌溉（3.7%）＞非共生固氮（3.0%）＞種子（1.0%）；極低水平區(qū)各氮素來(lái)源的貢獻(xiàn)分別為化肥（62.6%）＞秸稈還田（13.4%）＞有機(jī)肥（7.7%）＞大氣沉降（6.7%）＞灌溉（4.6%）＞非共生固氮（3.8%）＞種子（1.2%）。

圖2 種植業(yè)不同未利用氮水平的氮素來(lái)源

2.2 畜牧業(yè)糞污未利用氮量及其來(lái)源

2016年白洋淀流域核心區(qū)畜牧業(yè)糞污未利用氮總量為19.02萬(wàn)t，保定市各縣（區(qū)）未利用氮水平在0.01萬(wàn)—2.48萬(wàn)t之間，其中徐水區(qū)的未利用氮量最高，蓮池區(qū)的未利用氮量最低（圖3）。全區(qū)畜牧業(yè)氮素總輸入為26.09萬(wàn)t，畜牧業(yè)中肉牛是氮素貢獻(xiàn)最多的養(yǎng)殖種類(lèi)，占氮產(chǎn)生量的71.0%，其次是豬、肉雞、奶牛、蛋雞、羊，分別占氮產(chǎn)生量的16.6%、5.9%、5.0%、1.4%、0.1%。根據(jù)各縣（區(qū)）的未利用氮量情況，使用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法，將未利用氮情況分為5個(gè)水平，即極高（≥1.75萬(wàn)t）、高（1.26萬(wàn)—1.74萬(wàn)t）、中（0.81萬(wàn)—1.25萬(wàn)t）、低（0.24萬(wàn)—0.80萬(wàn)t）、極低（≤0.23萬(wàn)t）。其中易縣、徐水區(qū)處在極高水平，占研究區(qū)總面積的18.8%；容城縣、高碑店市、定興縣處在高水平，占研究區(qū)總面積的9.7%；曲陽(yáng)縣、淶水縣、唐縣、涿州市處在中等水平，占研究區(qū)總面積的28.1%；競(jìng)秀區(qū)、安國(guó)市、滿(mǎn)城區(qū)、望都縣、雄縣、定州市、清苑區(qū)處在低水平，占研究區(qū)總面積的25.6%；蓮池區(qū)、順平縣、蠡縣、高陽(yáng)縣、博野縣、安新縣處在極低水平，占研究區(qū)總面積的17.8%。

圖3 畜牧業(yè)未利用氮量及糞污來(lái)源

從養(yǎng)殖類(lèi)型對(duì)未利用氮量的貢獻(xiàn)來(lái)看，極高水平區(qū)養(yǎng)殖類(lèi)型對(duì)畜牧業(yè)未利用氮量的貢獻(xiàn)率分別為肉牛（85.1%）＞奶牛（11.1%）＞肉雞（1.9%）＞豬（1.7%）＞蛋雞（0.2%）；高水平區(qū)養(yǎng)殖類(lèi)型的貢獻(xiàn)率分別為肉牛（54.1%）＞豬（32.7%）＞肉雞（7.3%）＞蛋雞（3.0%）＞奶牛（2.7%）＞羊（0.2%）；中水平區(qū)養(yǎng)殖類(lèi)型的貢獻(xiàn)率分別為肉牛（86.3%）＞肉雞（6.7%）＞奶牛（4.3%）＞豬（2.3%）＞蛋雞（0.4%）；低水平區(qū)養(yǎng)殖類(lèi)型的貢獻(xiàn)率分別為肉牛（68.0%）＞豬（20.6%）＞肉雞（6.8%）＞奶牛（3.2%）＞蛋雞（1.3%）＞羊（0.1%）；極低水平區(qū)養(yǎng)殖類(lèi)型的貢獻(xiàn)率分別為肉牛（64.0%）＞豬（20.7%）＞奶牛（7.1%）＞肉雞（6.5%）＞蛋雞（1.5%）＞羊（0.2%）。

2.3 農(nóng)牧系統(tǒng)未利用氮量及其來(lái)源

農(nóng)牧系統(tǒng)未利用氮包括種植業(yè)未利用氮和畜牧業(yè)糞污未利用氮（圖4），研究區(qū)未利用氮總量為43.01萬(wàn)t，其中徐水區(qū)的未利用氮量最高，競(jìng)秀區(qū)為最低。未利用氮中種植業(yè)貢獻(xiàn)率為55.8%，畜牧業(yè)貢獻(xiàn)率為44.2%。依據(jù)自然間斷點(diǎn)分級(jí)法，將農(nóng)牧系統(tǒng)未利用氮量分為極高（≥3.21萬(wàn)t）、高（1.80萬(wàn)—3.20萬(wàn)t）、中（1.53萬(wàn)—1.79萬(wàn)t）、低（1.17萬(wàn)—1.52萬(wàn)t）、極低（≤1.16萬(wàn)t）5個(gè)水平。其中易縣、定州市、徐水區(qū)處于極高水平區(qū)，占研究區(qū)總面積的20.5%；清苑區(qū)、定興縣、涿州市、高碑店市、唐縣、滿(mǎn)城區(qū)處于高水平區(qū)，占研究區(qū)總面積的22.2%；容城縣處于中水平區(qū)，占研究區(qū)總面積的1.8%；望都縣、淶水縣、曲陽(yáng)縣、順平縣處于低水平區(qū)，占研究區(qū)總面積的29.1%；競(jìng)秀區(qū)、蓮池區(qū)、高陽(yáng)縣、博野縣、安新縣、安國(guó)市、雄縣、蠡縣處于極低水平區(qū)，占研究區(qū)總面積的26.4%。

圖4 農(nóng)牧系統(tǒng)未利用氮量及來(lái)源

從農(nóng)牧系統(tǒng)未利用氮量的來(lái)源看，極高水平區(qū)種植業(yè)對(duì)農(nóng)牧系統(tǒng)未利用氮量的貢獻(xiàn)率為54.0%，畜牧業(yè)的貢獻(xiàn)率為46.0%；高水平區(qū)種植業(yè)對(duì)農(nóng)牧系統(tǒng)未利用氮量的貢獻(xiàn)率為55.8%，畜牧業(yè)的貢獻(xiàn)率為44.2%；中水平區(qū)種植業(yè)對(duì)農(nóng)牧系統(tǒng)未利用氮量的貢獻(xiàn)率為21.2%，畜牧業(yè)的貢獻(xiàn)率為78.8%；低水平區(qū)種植業(yè)對(duì)農(nóng)牧系統(tǒng)未利用氮量的貢獻(xiàn)率為55.0%，畜牧業(yè)的貢獻(xiàn)率為45.0%；極低水平區(qū)種植業(yè)對(duì)農(nóng)牧系統(tǒng)未利用氮量的貢獻(xiàn)率為67.8%，畜牧業(yè)的貢獻(xiàn)率僅為32.2%。

3 討論

3.1 種植業(yè)未利用氮

研究發(fā)現(xiàn)，種植業(yè)未利用氮空間變異較大，保定市各縣（區(qū)）種植業(yè)氮未利用強(qiáng)度在90.27—581.73 kg·hm-2之間，其中定興縣未利用氮強(qiáng)度最低，滿(mǎn)城區(qū)最高。其中，作物種植格局是種植業(yè)未利用氮素空間變異的一個(gè)重要因素，蔬菜和果樹(shù)種植面積是決定區(qū)域種植業(yè)未利用氮量高低的重要因子。種植業(yè)未利用氮高水平區(qū)及以上地區(qū)，果樹(shù)對(duì)種植業(yè)未利用氮量的貢獻(xiàn)高達(dá)40.3%—71.5%，中等水平區(qū)蔬菜的貢獻(xiàn)高達(dá)55.7%，而在極低和低水平區(qū)，小麥對(duì)種植業(yè)的未利用氮量貢獻(xiàn)最高（44.1%—48.6%）。蔬菜生產(chǎn)是種植業(yè)未利用氮量貢獻(xiàn)最多的作物，單季蔬菜種植產(chǎn)生的未利用氮量高達(dá)8.55萬(wàn)t，平均未利用強(qiáng)度為530.73 kg·hm-2，究其原因，多與蔬菜大量施肥有關(guān)，單位種植面積施氮量高達(dá)690 kg，是章明清等[19]推薦的蔬菜平均最高施氮量的2.7倍。丘雯文等[20]的研究結(jié)果表明，1998— 2004年全國(guó)蔬菜生產(chǎn)的污染排放量占比由18.9%增加到29.1%，超過(guò)谷物，成為新的農(nóng)業(yè)面源污染源，蔬菜作物面源污染排放的增加主要?dú)w因于種植面積的擴(kuò)大。果園是氮未利用強(qiáng)度最高的區(qū)域，果園全年未利用氮量為6.80萬(wàn)t，平均氮未利用強(qiáng)度為621.42 kg·hm-2。趙佐平等[18]的研究結(jié)果表明，陜西果園總體平均未利用氮量為876.3 kg·hm-2，與本研究結(jié)果相比略高，這是因?yàn)殛兾鞴麍@氮肥投入水平總體偏高，且化學(xué)氮肥的投入量遠(yuǎn)高于有機(jī)肥。另外，研究中涉及的果樹(shù)種類(lèi)不同于本研究，尤其是獼猴桃生產(chǎn)未利用氮量極高，致使未利用氮量高于本研究結(jié)果。小麥田的未利用氮量為155.99 kg·hm-2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于串麗敏等[21]的研究結(jié)果，一方面是因?yàn)槠溲芯磕晗奁L(zhǎng)，氮肥施入量和秸稈還田量偏?。涣硪环矫嫫溲芯可婕暗搅说氐膿]發(fā)、淋溶問(wèn)題，而本研究在輸出路徑部分只考慮了秸稈和籽粒。玉米田的氮未利用強(qiáng)度為61.17 kg·hm-2，與孫文彥等[22]的研究結(jié)果接近，但對(duì)其研究結(jié)果有必要針對(duì)0—120 kg·hm-2處理進(jìn)行進(jìn)一步的研究，來(lái)確定最佳有機(jī)肥施用量。

化肥是主要的氮素輸入源，與佟丙辛等[23]測(cè)算的河北省農(nóng)牧系統(tǒng)化肥氮素投入比例（55.7%）基本一致，大量施肥產(chǎn)生了許多土壤問(wèn)題、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可持續(xù)問(wèn)題。保定全市種植業(yè)未利用氮量普遍偏高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了巨曉棠等[24]設(shè)定的40 kg·hm-2的指標(biāo)，種植業(yè)未利用氮素狀況，已經(jīng)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了一定影響，給白洋淀流域帶來(lái)了污染風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 畜牧業(yè)未利用氮

華北地區(qū)是畜禽糞尿氮養(yǎng)分量最大的區(qū)域，具有較嚴(yán)重的污染風(fēng)險(xiǎn)[25]，研究區(qū)畜牧業(yè)未利用氮量偏高，農(nóng)用地平均糞便負(fù)荷量（糞便產(chǎn)生量與種植面積之比）為40.5 t·hm-2，超過(guò)了國(guó)家規(guī)定的30 t·hm-2的標(biāo)準(zhǔn)[26]，說(shuō)明畜禽的飼養(yǎng)量已經(jīng)超過(guò)了當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境容納力，應(yīng)優(yōu)化畜禽飼養(yǎng)規(guī)模，科學(xué)確定畜禽數(shù)量。潘丹[27]的研究結(jié)果表明，規(guī)?；B(yǎng)殖與畜禽糞污之間存在明顯的倒U型線性關(guān)系，與小規(guī)模養(yǎng)殖和大規(guī)模養(yǎng)殖相比，中等規(guī)模養(yǎng)殖產(chǎn)生的畜禽糞污最多且畜禽糞污排放存在眾多的影響因素。徐水區(qū)與易縣和其他縣（區(qū)）相比，畜禽養(yǎng)殖數(shù)量多，畜牧業(yè)未利用氮量也多。保定市2016年共產(chǎn)生畜禽糞便4 600萬(wàn)t，尿液2 300萬(wàn)t，畜禽糞便尿液產(chǎn)生了26.91萬(wàn)t的氮量，將畜禽糞便量轉(zhuǎn)化為豬糞當(dāng)量，為1 735.6萬(wàn)t，與孟靖凱[28]對(duì)保定市畜禽糞便產(chǎn)生量的測(cè)算相比略高，原因是本文采用的畜禽數(shù)量統(tǒng)計(jì)方法，為各畜禽種類(lèi)的出欄量與年末存欄量之和，而孟靖凱在測(cè)算時(shí)只選用了存欄量，所以其計(jì)算的糞污量要少于本研究。

研究區(qū)內(nèi)畜牧業(yè)未利用氮量有明顯的區(qū)域差異性，首先與當(dāng)?shù)氐牡乩項(xiàng)l件有很大的關(guān)系。地域?qū)拸V、交通便利是畜牧業(yè)大力發(fā)展的優(yōu)勢(shì)條件；其次與種植業(yè)消耗的有機(jī)肥量有極大關(guān)系，以定州市為例，畜牧業(yè)產(chǎn)生了極大的糞污量，但是種植業(yè)消耗了相當(dāng)一部分，因此并未產(chǎn)生過(guò)量的未利用氮量。而有些縣（區(qū)）種養(yǎng)脫鉤，產(chǎn)生的畜禽糞污缺少種植業(yè)的消耗，產(chǎn)生了污染。HUANG等[29]的研究結(jié)果表明，在造成環(huán)境富營(yíng)養(yǎng)化程度方面，玉米青貯飼料自給的奶牛場(chǎng)顯著低于飼料全部依靠外源投入的奶牛場(chǎng)。所以，降低白洋淀流域的農(nóng)牧未利用氮量，不僅要控制畜禽數(shù)量，更要發(fā)展與之相匹配的種植業(yè)規(guī)模。

3.3 農(nóng)牧系統(tǒng)未利用氮

目前我國(guó)種植作物和飼養(yǎng)牲畜的農(nóng)村家庭比例從1986年的71%急劇下降到2017年的12%，僅種植作物家庭從26%增加到57%，只飼養(yǎng)牲畜的家庭僅占5%[30]，這說(shuō)明農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)出現(xiàn)種養(yǎng)脫鉤的情況。農(nóng)牧分離會(huì)導(dǎo)致大量的氮素盈余，過(guò)量的養(yǎng)分最終會(huì)進(jìn)入環(huán)境，產(chǎn)生一系列的環(huán)境問(wèn)題。本研究表明，研究區(qū)農(nóng)牧系統(tǒng)未利用氮量為43.01萬(wàn)t，其中55.8%的未利用氮來(lái)自種植業(yè)，而種植業(yè)中78.6%的氮素來(lái)自施肥。糞污還田率僅為26.9%，低于歐盟國(guó)家的65%[31]，導(dǎo)致糞污還田率低的原因主要是，種植業(yè)大量依靠化肥的投入，有機(jī)肥施用率偏低，僅占肥料投入的16.8%。由此可見(jiàn)，要想實(shí)現(xiàn)“化肥減施”“有機(jī)肥替代化肥”“畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用”[32]的目標(biāo)，首先要實(shí)現(xiàn)種植業(yè)與畜牧業(yè)的接續(xù)、均衡發(fā)展。

4 結(jié)論

白洋淀流域核心區(qū)保定市各縣（區(qū)）農(nóng)牧業(yè)未利用氮量的空間分布差異較大，整體上呈現(xiàn)西北高、東南低的特點(diǎn)。未利用氮量最高的徐水區(qū)與最低的蓮池區(qū)相差4.54萬(wàn)t。種植業(yè)是未利用氮素的主要來(lái)源，占全部未利用氮量的55.8%。化肥為種植業(yè)主要的氮素輸入源，占種植業(yè)全部輸入氮的61.8%，有機(jī)肥僅占16.8%。肉牛糞污是畜牧業(yè)主要的氮素來(lái)源，占畜牧業(yè)全部氮素來(lái)源的71.0%，糞污還田率過(guò)低會(huì)導(dǎo)致大量養(yǎng)分流失到環(huán)境中，造成環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。未利用氮量的極高與高水平區(qū)，集中在保定市的中部，應(yīng)加大治理力度，進(jìn)行針對(duì)性管理，推動(dòng)白洋淀流域農(nóng)業(yè)綠色持續(xù)發(fā)展。

[1] 王宏, 徐婭玲, 張奇, 林超文, 翟麗梅, 劉海濤, 蒲波. 沱江流域典型農(nóng)業(yè)小流域氮和磷排放特征. 環(huán)境科學(xué), 2020, 41(10): 4547-4554. doi:10.13227/j.hjkx.202003213.

WANG H, XU Y L, ZHANG Q, LIN C W, ZHAI L M, LIU H T, PU B. Emission characteristics of nitrogen and phosphorus in a typical agricultural small watershed in Tuojiang River Basin. Environmental Science, 2020, 41(10): 4547-4554. doi:10.13227/j.hjkx.202003213. (in Chinese)

[2] 李文超, 雷秋良, 翟麗梅, 劉宏斌, 胡萬(wàn)里, 劉申, 任天志. 流域氮素主要輸出途徑及變化特征. 環(huán)境科學(xué), 2018, 39(12): 5375-5382. doi:10.13227/j.hjkx.201805008.

LI W C, LEI Q L, ZHAI L M, LIU H B, HU W L, LIU S, REN T Z. Seasonal changes of the pathways of nitrogen export from an agricultural watershed in China. Environmental Science, 2018, 39(12): 5375-5382. doi:10.13227/j.hjkx.201805008. (in Chinese)

[3] 劉曉永. 中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的養(yǎng)分平衡與需求研究[D]. 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 2018.

LIU X Y. Study on nutrients balance and requirement in agricultural production in China[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2018. (in Chinese)

[4] 馬進(jìn)川. 我國(guó)農(nóng)田磷素平衡的時(shí)空變化與高效利用途徑[D]. 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 2018.

MA J C. Temporal and spatial variation of phosphorus balance and solutions to improve phosphorus use efficiency in Chinese arable land[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2018. (in Chinese)

[5] 楚天舒, 王德睿, 韓魯佳, 楊增玲. 黑龍江墾區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分平衡分析與評(píng)價(jià). 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2020, 36(15): 19-27. doi:10.11975/j. issn.1002-6819.2020.15.003.

CHU T S, WANG D R, HAN L J, YANG Z L. Analysis and evaluation of farmland soil nutrient balance in Heilongjiang Land Reclamation Areas, China. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2020, 36(15): 19-27. doi:10.11975/j.issn.1002-6819. 2020.15.003. (in Chinese)

[6] 楊軍香, 王合亮, 焦洪超, 林海. 不同種植模式下的土地適宜載畜量. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2016, 49(2): 339-347. doi:10.3864/j.issn.0578- 1752.2016.02.014.

YANG J X, WANG H L, JIAO H C, LIN H. Stock capacity in different cropping systems. Scientia Agricultura Sinica, 2016, 49(2): 339-347. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2016.02.014. (in Chinese)

[7] 華玲玲, 李文超, 翟麗梅, 崔超, 劉宏斌, 任天志, 張富林, 雷秋良. 三峽庫(kù)區(qū)古夫河小流域氮磷排放特征. 環(huán)境科學(xué), 2017, 38(1): 138-146. doi:10.13227/j.hjkx.201606210.

HUA L L, LI W C, ZHAI L M, CUI C, LIU H B, REN T Z, ZHANG F L, LEI Q L. Characteristics of nitrogen and phosphorus emissions in the Gufu river small watershed of the Three Georges reservoir area. Environmental Science, 2017, 38(1): 138-146. doi:10.13227/j.hjkx. 201606210. (in Chinese)

[8] YANG J, STROKAL M, KROEZE C, WANG M R, WANG J F, WU Y H, BAI Z H, MA L. Nutrient losses to surface waters in Hai He basin: a case study of Guanting reservoir and Baiyangdian Lake. Agricultural Water Management, 2019, 213: 62-75. doi:10.1016/j. agwat.2018.09.022.

[9] 李?lèi)傉? 陳海洋, 孫文超. 白洋淀流域氮、磷、COD負(fù)荷估算及來(lái)源解析. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2021, 41(1): 366-376. doi:10.19674/j.cnki. issn1000-6923.2021.0042.

LI Y Z, CHEN H Y, SUN W C. Load estimation and source apportionment of nitrogen, phosphorus and COD in the basin of Lake Baiyang. China Environmental Science, 2021, 41(1): 366-376. doi:10. 19674/j.cnki.issn1000-6923.2021.0042. (in Chinese)

[10] 汪敬忠, 劉卓, 魏浩, 吳玉會(huì), 占水娥, 朱遲, 張益淼. 白洋淀表層沉積物元素的空間特征、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及來(lái)源分析. 環(huán)境科學(xué), 2020, 41(1): 224-231. doi:10.13227/j.hjkx.201907005.

WANG J Z, LIU Z, WEI H, WU Y H, ZHAN S E, ZHU C, ZHANG Y M. Spatial characteristics, risk assessment, and source analysis of elements in surface sediments from the Baiyangdian Lake. Environmental Science, 2020, 41(1): 224-231. doi:10.13227/j.hjkx. 201907005. (in Chinese)

[11] MA L, MA W Q, VELTHOF G L, WANG F H, QIN W, ZHANG F S, OENEMA O. Modeling nutrient flows in the food chain of China. Journal of Environmental Quality, 2010, 39(4): 1279-1289. doi:10. 2134/jeq2009.0403.

[12] 付莉, 王貴云, 杜連柱, 楊柳, 張克強(qiáng), 杜會(huì)英. 豬場(chǎng)廢水施用對(duì)設(shè)施白菜地土壤氮盈余的影響. 農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究, 2021, 42(2): 215-222. doi:10.13872/j.1000-0275.2021.0037.

FU L, WANG G Y, DU L Z, YANG L, ZHANG K Q, DU H Y. Effects of swine wastewater manure application on soil nitrogen surplus characteristics of facility cabbage field. Research of Agricultural Modernization, 2021, 42(2): 215-222. doi:10.13872/j.1000-0275.2021. 0037. (in Chinese)

[13] HE W T, JIANG R, HE P, YANG J Y, ZHOU W, MA J C, LIU Y X. Estimating soil nitrogen balance at regional scale in China's croplands from 1984 to 2014. Agricultural Systems, 2018, 167: 125-135. doi:10. 1016/j.agsy.2018.09.002.

[14] 尹興, 張麗娟, 劉學(xué)軍, 許穩(wěn), 倪玉雪, 劉新宇. 河北平原城市近郊農(nóng)田大氣氮沉降特征. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2017, 50(4): 698-710. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2017.04.010.

YIN X, ZHANG L J, LIU X J, XU W, NI Y X, LIU X Y. Nitrogen deposition in suburban croplands of Hebei plain. Scientia Agricultura Sinica, 2017, 50(4): 698-710. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2017.04. 010. (in Chinese)

[15] 李莎莎, 王朝輝, 刁超朋, 王森, 劉璐, 黃寧. 旱地高產(chǎn)小麥品種籽粒鋅含量差異與氮磷鉀吸收利用的關(guān)系. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2019, 25(2): 167-175. doi:10.11674/zwyf.18003.

LI S S, WANG Z H, DIAO C P, WANG S, LIU L, HUANG N. Differences in grain zinc concentration and its relationship to NPK uptake and utilization for high-yielding wheat cultivars in dryland. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2019, 25(2): 167-175. doi:10. 11674/zwyf.18003. (in Chinese)

[16] 李丹陽(yáng), 亓傳仁, 衛(wèi)亞楠, 李國(guó)學(xué). 中國(guó)北方地區(qū)羊養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)污系數(shù)測(cè)算. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2021, 37(6): 220-227. doi:10.11975/j.issn. 1002-6819.2021.06.027.

LI D Y, QI C R, WEI Y N, LI G X. Measurement of pollution production coefficient of sheep breeding industry in Northern China. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2021, 37(6): 220-227. doi:10.11975/j.issn.1002-6819. 2021.06.027. (in Chinese)

[17] 張輝, 王二云, 張杰. 畜禽常見(jiàn)糞便的營(yíng)養(yǎng)成分及堆肥技術(shù)和影響因素. 畜牧與飼料科學(xué), 2014, 35(3): 70-71. doi:10.16003/j.cnki.issn1672- 5190.2014.03.010.

ZHANG H, WANG E Y, ZHANG J. Nutrients of common manure and composting technology and influencing factors of livestock and poultry. Animal Husbandry and Feed Science, 2014, 35(3): 70-71. doi:10.16003/j.cnki.issn1672-5190.2014.03.010. (in Chinese)

[18] 趙佐平, 閆莎, 劉芬, 王小英, 同延安. 陜西果園主要分布區(qū)氮素投入特點(diǎn)及氮負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)分析. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2014, 34(19): 5642-5649. doi:10.5846/stxb201301120087.

ZHAO Z P, YAN S, LIU F, WANG X Y, TONG Y N. Analysis of nitrogen inputs and soil nitrogen loading in different kinds of orchards in Shaanxi Province. Chinese Journal of Plant Ecology, 2014, 34(19): 5642-5649. doi:10.5846/stxb201301120087. (in Chinese)

[19] 章明清, 李娟, 章贊德, 姚寶全, 許文江, 沈金泉. 基于農(nóng)學(xué)效應(yīng)的露地蔬菜氮磷鉀推薦施肥量研究. 福建農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2018, 33(10): 1023-1029. doi:10.19303/j.issn.1008-0384.2018.10.003.

ZHANG M Q, LI J, ZHANG Z D, YAO B Q, XU W J, SHEN J Q. Agronomic effects of recommended NPK fertilization on vegetable farming. Fujian Journal of Agricultural Sciences, 2018, 33(10): 1023-1029. doi:10.19303/j.issn.1008-0384.2018.10.003. (in Chinese)

[20] 丘雯文, 鐘漲寶, 李兆亮, 潘雅琴. 中國(guó)農(nóng)業(yè)面源污染排放格局的時(shí)空特征. 中國(guó)農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃, 2019, 40(1): 26-34. doi:10.7621/ cjarrp.1005-9121.20190104.

QIU W W, ZHONG Z B, LI Z L, PAN Y Q. Spatial-temporal variations of agricultural non-point source pollution in China. Chinese Journal of Agricultural Resources and Regional Planning, 2019, 40(1): 26-34. doi:10.7621/cjarrp.1005-9121.20190104. (in Chinese)

[21] 串麗敏, 何萍, 趙同科, 徐新朋, 周衛(wèi), 鄭懷國(guó). 中國(guó)小麥季氮素養(yǎng)分循環(huán)與平衡特征. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2015, 26(1): 76-86. doi:10. 13287/j.1001-9332.20141208.003.

CHUAN L M, HE P, ZHAO T K, XU X P, ZHOU W, ZHENG H G. Nitrogen cycling and balance for wheat in China. Chinese Journal of Applied Ecology, 2015, 26(1): 76-86. doi:10.13287/j.1001-9332. 20141208.003. (in Chinese)

[22] 孫文彥, 田昌玉, 尹紅娟, 徐久凱, 趙秉強(qiáng), 唐繼偉. 長(zhǎng)期施用有機(jī)肥小麥玉米輪作土壤系統(tǒng)氮盈余及損失量估算. 中國(guó)土壤與肥料. 2022(3): 21-28. doi: 10.11838/sfsc.1673-6257.20680.

SUN W Y, TIAN C Y, YIN H J, XU J K, ZHAO B Q, TANG J W. Long-term effect of organic fertilizer on soil system nitrogen surplus and nitrogen loss in winter wheat summer maize rotation system. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2022(3): 21-28. doi: 10.11838/ sfsc.1673-6257.20680. (in Chinese)

[23] 佟丙辛, 張華芳, 高肖賢, 侯勇, 馬文奇. 華北平原典型區(qū)域農(nóng)牧系統(tǒng)氮素流動(dòng)及其環(huán)境效應(yīng): 以河北省為例. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2018, 51(3): 442-455. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.03.005.

TONG B X, ZHANG H F, GAO X X, HOU Y, MA W Q. Nitrogen flow and environmental effects of crop-livestock system in typical area of North China plain—A case study in Hebei Province. Scientia Agricultura Sinica, 2018, 51(3): 442-455. doi:10.3864/j.issn.0578- 1752.2018.03.005. (in Chinese)

[24] 巨曉棠, 谷保靜. 氮素管理的指標(biāo). 土壤學(xué)報(bào), 2017, 54(2): 281-296. doi:10.11766/trxb201609150320.

JU X T, GU B J. Indexes of nitrogen management. Acta Pedologica Sinica, 2017, 54(2): 281-296. doi:10.11766/trxb201609150320. (in Chinese)

[25] 劉曉永, 王秀斌, 李書(shū)田. 中國(guó)農(nóng)田畜禽糞尿氮負(fù)荷量及其還田潛力. 環(huán)境科學(xué), 2018, 39(12): 5723-5739. doi:10.13227/j.hjkx. 201802024.

LIU X Y, WANG X B, LI S T. Livestock and poultry faeces nitrogen loading rate and its potential return to farmland in China. Environmental Science, 2018, 39(12): 5723-5739. doi:10.13227/j.hjkx. 201802024. (in Chinese)

[26] 潘瑜春, 孫超, 劉玉, 唐秀美, 任艷敏. 基于土地消納糞便能力的畜禽養(yǎng)殖承載力. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2015, 31(4): 232-239. doi:10. 3969/j.issn.1002-6819.2015.04.033.

PAN Y C, SUN C, LIU Y, TANG X M, REN Y M. Carrying capacity of livestock and poultry breeding based on feces disposal volume of land. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2015, 31(4): 232-239. doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2015.04.033. (in Chinese)

[27] 潘丹. 規(guī)模養(yǎng)殖與畜禽污染關(guān)系研究: 以生豬養(yǎng)殖為例. 資源科學(xué), 2015, 37(11): 2279-2287.

PAN D. The relationship between intensification of livestock production and livestock pollution for pig-breeding. Resources Science, 2015, 37(11): 2279-2287. (in Chinese)

[28] 孟靖凱. 河北不同規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)糞污管理差異及其COD、全氮、全磷排放規(guī)律[D]. 保定: 河北農(nóng)業(yè)大學(xué), 2019.

MENG J K. Manure management and the discharges of COD, total nitrogen and total phosphorus of animal operations in different scales in Hebei Province[D]. Baoding: Hebei Agricultural University, 2019. (in Chinese)

[29] HUANG X L, SHI B Y, WANG S, YIN C B, FANG L N. Mitigating environmental impacts of milk production via integrated maize silage planting and dairy cow breeding system: a case study in China. Journal of Cleaner Production, 2021, 309: 127343. doi:10.1016/j. jclepro.2021.127343.

[30] JIN S, ZHANG B, WU B, HAN D, HU Y, REN C, ZHANG C, WEI X, WU Y, MOL A P J, REIS S, GU B, CHEN J. Decoupling livestock and crop production at the household level in China. Nature Sustainability, 2021, 4(1): 48-55. doi:10.1038/s41893-020-00596-0.

[31] OENEMA O, OUDENDAG D, VELTHOF G L. Nutrient losses from manure management in the European Union. Livestock Science, 2007, 112(3): 261-272. doi:10.1016/j.livsci.2007.09.007.

[32] 馬林, 柏兆海, 王選, 曹玉博, 馬文奇, 張福鎖. 中國(guó)農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分管理研究的意義與重點(diǎn). 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2018, 51(3): 406-416. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.03.002.

MA L, BAI Z H, WANG X, CAO Y B, MA W Q, ZHANG F S. Significance and research priority of nutrient management in soil-crop-animal production system in China. Scientia Agricultura Sinica, 2018, 51(3): 406-416. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.03. 002. (in Chinese)

Spatial Characteristic and Its Factors of Nitrogen Surplus of Crop and Livestock Production in the Core Area of the Baiyangdian Basin

ZHAO HaiXuan1, ZHANG YiTao2, LI WenChao1, MA WenQi1, ZHAI LiMei3, JU XueHai4, CHEN HanTing1, KANG Rui1, SUN ZhiMei1, XI Bin4, LIU HongBin3

1College of Resources and Environmental Sciences, Hebei Agricultural University/State Key Laboratory of North China Crop Improvement and Regulation/Hebei Province Key Laboratory for Farmland Eco-Environment, Baoding 071000, Hebei;2Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101;3Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Nonpoint Pollution Control, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100081;4Rural Energy and Environment Agency, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100125

【】The nitrogen surplus caused by excessive nitrogen input of crop and livestock production is the major source of pollution load in surface waterbody. The spatial differentiation characteristics of agricultural unused nitrogen were quantified in this study, so as to provide a basis for the zoning management of nitrogen and the effective management of agricultural nitrogen source in the river basin. 【】This study was conducted in Baoding, the central area of the Baiyangdian Basin. The nitrogen input and output of the crop and livestock production system were analyzed in all counties of Baoding in 2016. The nitrogen surplus in the crop production system was defined as the differential value between each input item (chemical fertilizer, organic fertilizer, atmospheric dry and wet settlement, irrigation water, seeds, non-symbiotic nitrogen fixation and straw returning to the field) and the output item (crop grain and straw); the nitrogen surplus in livestock production system was defined as the differential value between the amount of manure and the amount of organic fertilizer; and the nitrogen surplus in the agriculture and animal husbandry was defined as the sum of crop production system and livestock production system.【】(1) The level of nitrogen surplus in crop production was ranging from 90.27 to 581.73 kg·hm-2, with the lowest value in Dingxing District and the largest value in Mancheng District. Vegetables contributed to the most nitrogen surplus of crop production (31.3%), following by fruit trees (29.0%), wheat (27.8%), and maize (11.9%). Fertilizer was the primary source of nitrogen surplus (61.8%), following by organic fertilizer (16.8%), straw return to the field (8.9%), atmospheric settlement (5.2%), irrigation (3.4%), non-symbiotic nitrogen fixation (3.0%), and seeds (0.9%). (2) The nitrogen surplus level of livestock production was ranging from 0.06×104t to 2.48×104t with the lowest value in Lianchi District and the highest value in Xushui Distrct. Beef cattle accounted for 71.0% of the total nitrogen surplus of livestock production. (3) The unused nitrogen level in the agricultural and animal husbandry system was between 0.43×104t and 4.97×104t, among which the unused nitrogen amount was the highest in the Xushui area. In farming systems, farming was the main source of nitrogen (55.8% of unused nitrogen).【】The nitrogen unused space varied significantly in Baoding counties, the core area of Baiyangdian Basin, and the highest nitrogen unused in Xushui District was 10.4 times that in Jingxiu District. The largest contribution to the amount of unused nitrogen in the crop and livestock production is the crop production, of which vegetable production is the most important industry.

Baiyangdian Basin; nitrogen surplus; crop production system; livestock production system; county level

2021-11-10；

2022-04-08

河北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（BJ2021026）、河北省引進(jìn)留學(xué)人員資助項(xiàng)目（C20200330）、華北作物改良與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題（NCCIR2021ZZ-20）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2021YFE0101900）、河北省水環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題（HBSHJ202107）

趙海璇，Tel：15028760822；E-mail：zhaohaixuan1997@163.com。通信作者李文超，Tel：18603329508；E-mail：dachao279@126.com。通信作者習(xí)斌，E-mail：xxiibbiinn@163.com

（責(zé)任編輯 李云霞）