摘 要 玉米是我國重要的糧食作物，在全國廣泛種植。氮素對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)至關(guān)重要，探究玉米生產(chǎn)系統(tǒng)的氮素輸入和輸出狀態(tài)，有助于明確其資源利用與生長狀況。以我國31個省市區(qū)的玉米生產(chǎn)為例，運用物質(zhì)流分析方法，定量識別區(qū)域農(nóng)作物中玉米的氮素流動過程及特征。結(jié)果表明：1）2000—2020年31個省市區(qū)的玉米氮素輸入量和輸出量整體上呈波動增長，部分省市區(qū)的玉米氮素流動量變少，其中黑龍江省的玉米氮素輸入量與輸出量占比最高（12.56%），吉林、山東和內(nèi)蒙古等省市區(qū)次之，占比分別為12.19%、10.59%和8.92%，可見北方省市區(qū)的玉米氮素輸入與輸出量占比相對較高。海南（0.0264%）、上海（0.013%）、西藏（0.012%）是我國玉米氮素流動相對最低的省市區(qū)。2）各省市區(qū)以灌溉水氮輸入量（FSINirr）和生物固氮量（FSINbnf）居多，其次為種子氮輸入量（FSINsee）、大氣氮沉淀量（FSINdep），種植廢物還田（FSINstr）最少；各省市區(qū)玉米農(nóng)作物氮輸出量（FSOUTcro）占氮素輸出總量的比例最高，其次是大氣釋放氮損失量（FSOUTatm）、肥料淋失氮損失量（FSOUTgro），肥料流失氮損失量（FSOUTsur）最少。3）2000—2020年全國玉米氮輸入量385 478.73萬t，輸出量6 154.87萬t，氮素輸入是31個省市玉米生產(chǎn)氮素流動的主要方式。提出加強農(nóng)田污染治理、清潔生產(chǎn)及資源循環(huán)利用的重要舉措，為玉米生產(chǎn)過程中的氮素調(diào)整和優(yōu)化提供科學(xué)支撐。

關(guān)鍵詞 玉米；生產(chǎn)系統(tǒng)；氮收支；氮流動

中圖分類號：S513 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2024.17.028

氮是維持動植物生長和人體健康所必需的營養(yǎng)元素，也是組成溫室氣體、光化學(xué)煙霧、酸雨、營養(yǎng)性污染物等的主要元素[1]。20世紀(jì)以來，在人類社會生產(chǎn)建設(shè)活動的干擾下，全球氣溫升高，在一定程度上加劇了環(huán)境惡化，全球氮素的生物地球化學(xué)循環(huán)過程已經(jīng)發(fā)生了深刻變化，化學(xué)藥劑的廣泛使用雖然能夠使農(nóng)產(chǎn)品大幅增產(chǎn)，但也對環(huán)境造成了水體富營養(yǎng)化、土壤酸化和大氣污染等多方面的負(fù)面影響[2]。相關(guān)研究表明，當(dāng)今世界面臨的十大環(huán)境問題中，有一半以上的環(huán)境問題與人類活動對氮循環(huán)的改變相關(guān)[3]，而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是影響全球氮流動最重要的人類活動之一，對農(nóng)業(yè)系統(tǒng)氮流動的研究也成為明確農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)性及其環(huán)境影響的重要內(nèi)容。氮素在人類的生產(chǎn)生活中應(yīng)用廣泛，氮素流動系統(tǒng)相關(guān)研究被廣泛用于養(yǎng)分監(jiān)測、管理和控制，為提高養(yǎng)分利用效率、減少生產(chǎn)成本及緩解環(huán)境影響起到重要指導(dǎo)作用。由于受自然地理、環(huán)境條件和社會經(jīng)濟(jì)等因素的影響，不同空間尺度下氮素的輸移路徑、利用水平及排放方式存在較大差異，而目前國內(nèi)的研究大多局限于某一特定過程的氮流分析，缺乏對不同氮流過程及其環(huán)境影響的綜合考慮[4]。因此，本研究運用物質(zhì)流分析方法，以我國玉米農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)為例，計算氮素在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的流動量，計算玉米的氮素輸入與輸出量，明確其氮素流動相關(guān)指標(biāo)的結(jié)構(gòu)特征，通過直觀呈現(xiàn)數(shù)據(jù)與對比分析，進(jìn)而總結(jié)出有利于提高資源利用效率、減少污染物排放的區(qū)域氮素調(diào)控的對策建議。本研究采用物質(zhì)流分析方法，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，定量追蹤玉米作物系統(tǒng)氮素的產(chǎn)生、遷移、轉(zhuǎn)化、釋放和歸宿過程。綜合考慮研究目的和數(shù)據(jù)可獲取性等因素，采用文獻(xiàn)調(diào)研、專家咨詢等方法，全面剖析玉米氮素輸入與輸出關(guān)系，從而識別我國玉米作物氮素流動和循環(huán)的主要特征。

1" 數(shù)據(jù)與方法

1.1" 數(shù)據(jù)來源與核算方法

本研究所需要的數(shù)據(jù)如耕地面積、玉米種植面積、玉米產(chǎn)量、化肥施用量等，是2000—2020年的我國數(shù)據(jù)，來源于中國統(tǒng)計年鑒、省市區(qū)統(tǒng)計年鑒、中國經(jīng)濟(jì)社會數(shù)據(jù)大平臺及相關(guān)文獻(xiàn)資料。同時結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行整理統(tǒng)計與分類匯總，得到相關(guān)氮流核算所需的參數(shù)。通過中國經(jīng)濟(jì)社會數(shù)據(jù)大平臺獲得玉米種植面積、農(nóng)作物產(chǎn)量、化肥施用量等相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合氮素輸入量和輸出量計算公式，分別計算出氮素輸入量與輸出量。

1.2" 農(nóng)作物氮素輸入量計算

農(nóng)作物中氮素的總輸入量計算公式如下：

FSIN=FSINdep+FSINbnf+FSINche+FSINsee+FSINirr+FSINman （1）

式（1）中，F(xiàn)SIN表示氮素總輸入量；FSINdep為大氣氮沉降量；FSINbnf為生物固氮量；FSINche為化肥氮輸入量，包括氮肥和復(fù)合肥中的氮供給；FSINsee為種子氮輸入量；FSINirr為灌溉水氮輸入量；FSINman為有機(jī)肥氮輸入量，包括人糞尿還田、畜禽廢物還田及種植廢物還田3部分。

農(nóng)作物中氮素的總輸入量中具體核算公式如下：

大氣氮沉淀量：FSINdep=A1×R1" （2）

式中，A1為耕地面積，本文為玉米種植面積；R1為干濕沉降系數(shù)，我國農(nóng)田年均氮素干濕沉降量為30 kg·hm-2[5]。

生物固氮量：FSINbnf=A2×R2 （3）

式中，A2為作物產(chǎn)量，本文為玉米產(chǎn)量（t）；R2為作物的固氮系數(shù)，玉米為34.49 kg·t-1[6]。

種子氮輸入量：FSINsee=A2×R3" （4）

式中，A2為玉米產(chǎn)量（t）；R3為作物單位播種面積帶入的氮量，玉米種粒為25.96 kg·t-1 [7]。

灌溉水氮輸入量：FSINirr=A1×R4 （5）

式中，A1為耕地面積；R4為單位面積耕地灌溉水含氮量，為5 t·hm-2[5]。

種植廢物還田：FSINstr=A2×1/R5l×R52×R53 （6）

式中，A2為玉米產(chǎn)量（t）；R51為作物的谷草比，玉米為2.0；R52為作物的廢物含氮量占比，玉米為1.859%；R53為種植廢物還田比例，玉米為26.4%[8]。

通過以上公式分別計算出2000—2020年間中國31個省市區(qū)的玉米氮素輸入量。

1.3" 農(nóng)作物氮素輸出量計算

農(nóng)作物中氮素的總輸出量計算公式如下：

FSOUT=FSOUTatm+FSOUTcro+FSOUTsur+FSOUTgro" （7）

式（7）中，F(xiàn)SOUT為氮素輸出量；FSOUTatm為大氣釋放氮損失量，包括氨化損失和硝化反硝化損失；FSOUTcro為農(nóng)作物氮輸出量，包括種植廢物和農(nóng)產(chǎn)品收獲兩部分；FSOUTsur為肥料流失氮損失量；FSOUTgro為肥料淋失氮損失量。

農(nóng)作物中氮素的總輸出量具體核算公式如下：

大氣釋放氮損失量：FSOUTatm=FSINfer×（R61+R62）

（8）

式中，F(xiàn)SINfer為玉米種植地的肥料氮輸入量，每生產(chǎn)100 kg玉米籽粒需氮素2.1～2.8 kg，本研究取2.5 kg；R61為玉米種植地的氨化損失系數(shù)，一般為18.47%～21.82%，本研究取20.15%；R62為玉米種植地的硝化反硝化損失系數(shù)，玉米生長期間的氮肥反硝化損失率為0.7%～0.99%[9-10]，本研究取0.85%。

農(nóng)作物氮輸出量：FSOUTcro=A2×1/R51×R52+A2×R7 （9）

式中，A2為玉米產(chǎn)量（t）；R51為玉米的谷草比，為2.0；R52為玉米的廢物含氮量占比，根據(jù)相關(guān)研究取1.859%；R7為農(nóng)產(chǎn)品含氮量，玉米粒為25 kg·t-1[6]。

肥料流失氮損失量：FSOUTsur=FSINfer×R81 （10）

式中，F(xiàn)SINfer為玉米種植地的肥料氮輸入量，本研究取每生產(chǎn)100 kg玉米籽粒需氮素2.5 kg；R81為玉米種植地的肥料流失系數(shù)，玉米所種植的旱地為1.47%[11]。

肥料淋失氮損失量：FSOUTgro=FSINfer×R82 （11）

式中，F(xiàn)SINfer為玉米種植地的肥料氮輸入量，本研究取每生產(chǎn)100 kg玉米籽粒需氮素2.5 kg；R82為玉米種植地的肥料淋失系數(shù)，玉米所在的旱地為4.35%[11]。

通過以上公式分別計算出2000—2020年間中國31個省市區(qū)玉米的氮素輸出量。

2" 結(jié)果與分析

2.1" 氮素輸入量與輸出量分析

本研究統(tǒng)計了2000—2020年我國31個省市區(qū)玉米的氮素輸入與輸出總量，如圖1、圖2所示。結(jié)果表明31個省市區(qū)的玉米氮素輸入（FSIN）與輸出（FSOUT）占各部分總量的比例相同，究其原因是氮輸入量與氮輸出量計算公式的系數(shù)呈比例關(guān)系，且依據(jù)每公頃或每噸玉米產(chǎn)出計算出的玉米氮素輸入量與氮素輸出量是相對應(yīng)的，輸入的氮素越多，輸出的氮素也越多，因此各省市區(qū)玉米氮素輸入占我國玉米總氮素輸入量的比例，與各省市區(qū)玉米氮素輸出占我國玉米總氮素輸出量的比例相同。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，黑龍江省玉米氮素輸入41 493.1萬t，輸出為1 980.0萬t，輸入或輸出占比都為12.56%，占比最高；吉林省玉米氮素輸入40 299.86萬t，輸出1 923.1萬t，占比為12.19%；山東、內(nèi)蒙古、河南、河北、遼寧等省市區(qū)的占比依次遞減，分別為10.59%、8.92%、8.87%、8.25%、6.88%，可見北方城市的玉米產(chǎn)量相對更高，其氮素輸入與輸出量占比也是靠前的。海南省玉米氮素輸入87.4萬t，輸出為4.17萬t，占比為0.026 4%；上海市玉米氮素輸入44.19萬t，輸出2.11萬t，占比為0.013%；西藏玉米氮素輸入39.61萬t，輸出1.89萬t，占比為0.012%，這三個省市區(qū)的玉米氮素流動相對最低。

對我國31個省市區(qū)玉米氮流動量進(jìn)行年度統(tǒng)計（見表1、表2），可以看出2000年31個省市區(qū)玉米氮素輸入量為12 263.95萬t，2020年為22 396.81萬t，20年間增多將近一倍，總氮素輸入量為385 478.73萬t；2000年玉米氮素輸出量為169.63萬t，2020年為417.13萬t，20年間漲了將近2.5倍，總氮素輸出量為6 154.87萬t。2000—2020年我國玉米氮素總輸入量是氮素總輸出量的62倍。

2.2" 氮素流動特征分析

探究玉米氮素輸入與輸出各指標(biāo)值的結(jié)構(gòu)特征，有助于明確其氮素的循環(huán)利用與流動情況。以2020年我國31個省市區(qū)玉米的氮素輸入量和輸出量為例，通過統(tǒng)計各省市區(qū)氮素輸入與輸出量的各指標(biāo)值（見圖3、圖4），發(fā)現(xiàn)各省市區(qū)以灌溉水氮輸入量和生物固氮量居多，其次為種子氮輸入量、大氣氮沉淀量，種植廢物還田最少，如玉米氮素輸入量最多的黑龍江省2020年玉米灌溉水氮輸入量為28 864 702.9 t，生物固氮量為1 257 714.1 t，種子氮輸入量946 658.7 t，大氣氮沉淀量173 188.2 t，種植廢物還田89 483.3 t。同時，統(tǒng)計2020年各省市區(qū)氮素輸出量的指標(biāo)結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，農(nóng)作物氮輸出量最多，其次是大氣釋放氮損失量、肥料淋失氮損失量，肥料流失氮損失量最少，如吉林2020年玉米農(nóng)作物氮素輸出1 019 741.2 t，大氣釋放氮損失量156 105.6 t，肥料淋失氮損失32 336.2 t，肥料流失氮損失量10 927.4 t。

計算各省市區(qū)年度總氮素輸入與輸出量發(fā)現(xiàn)，從氮素輸入結(jié)構(gòu)來看，大氣氮沉淀量、生物固氮量、種子氮輸入量、灌溉水氮輸入量和種植廢物還田分別占氮素輸入總量的0.558 2%、3.506 4%、2.639 2%、93.046 6%和0.249 5%，可見灌溉水氮輸入是玉米氮素輸入的主要方式。從氮素輸出結(jié)構(gòu)來看，大氣釋放氮損失量、農(nóng)作物氮輸出量、肥料流失氮損失量和肥料淋失氮損失量分別占氮素輸出總量的32.807 4%、58.100 3%、2.296 5%和6.795 8%，可見農(nóng)作物氮素輸出量是玉米氮素輸出的主要成分，其次是大氣釋放氮損失量。從圖5和圖6可見，我國玉米氮素的輸入整體上呈現(xiàn)各指標(biāo)值逐年遞增的趨勢，2003年、2014年和2016年的玉米生物固氮量和種子氮輸入量明顯低于相鄰的年份，灌溉水氮輸入量從2015年開始減少并趨于平緩；我國玉米氮素的輸出量整體上也呈現(xiàn)各指標(biāo)逐年遞增的趨勢，其中2013—2016年各指標(biāo)輸出量增長緩慢，2003年、2009年的大氣氮釋放損失量、農(nóng)作物氮輸出量明顯低于相鄰年份。

探究玉米氮素輸入與輸出的流動程度，能夠明確玉米將氮素發(fā)揮使用價值的比率。氮素輸入與輸出的年份核算結(jié)果表明，以2000年為例，31個省市區(qū)的玉米氮素總輸出量為169.63萬t，氮素總輸入量為12 263.95萬t，輸出量占比為1.36%，輸入量占比為98.64%。同時，統(tǒng)計得到2000—2020年我國玉米氮素輸入與輸出總量為391 633.63萬t，其中輸入量占98.4%，輸出量占1.6%，可見玉米氮素輸入是31個省市區(qū)氮素流動的主要方式。2020年氮素輸入量在氮素流動量的占比相對2000—2020年更高，20年間我國各省市區(qū)玉米氮素輸入量整體上不斷提升，且氮素輸入量在氮素流動量中的占比趨于升高，玉米氮素輸入的效率和利用率變低。相關(guān)研究表明整體上我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的氮素生產(chǎn)利用率處于較低水平，主要是由于人為氮營養(yǎng)投入量超出了農(nóng)作物生長的需求[12]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)子系統(tǒng)中，氮素循環(huán)利用涵蓋了種養(yǎng)廢物用作飼料、沼氣和還田等氮養(yǎng)分量，由于還田是玉米氮素輸入的主要方式，因此本研究主要計算種植廢物還田指標(biāo)作為氮素循環(huán)利用中氮素輸入量的指標(biāo)之一，通過沼氣的循環(huán)利用方式可以緩解人們的能源需求，體現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的原則，而通過技術(shù)處理不到位的焚燒方式，可能會對人類健康和福利產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)。農(nóng)田多分布于城鎮(zhèn)邊緣，而城鎮(zhèn)化發(fā)展產(chǎn)生的資源環(huán)境壓力不容忽視。在日后的玉米等農(nóng)作物產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，應(yīng)加強生活污染治理，支持新建、改造覆蓋城鄉(xiāng)的垃圾和污水處理設(shè)施，提升城鄉(xiāng)污染物處理能力和水平，提倡廢物資源化，減少填埋、焚燒等傳統(tǒng)廢物處理方式，由此降低農(nóng)田的污染率，提高農(nóng)田種植系統(tǒng)的健康性與可持續(xù)性。

3" 討論與結(jié)論

本研究基于物質(zhì)流分析方法，定量評估了玉米氮素輸入與輸出量的特征。2000—2020年間，31個省市區(qū)玉米氮素流動量中，黑龍江、吉林和山東等省份占比最大，北方城市玉米的產(chǎn)量相對更高，海南、上海和西藏的玉米氮素流動量相對最低。從2020年各省市區(qū)玉米氮素輸入與輸出結(jié)構(gòu)特征分析發(fā)現(xiàn)，各省市區(qū)以灌溉水氮輸入量和生物固氮量居多，其次為種子氮輸入量、大氣氮沉淀量，種植廢物還田的最少；各省市區(qū)農(nóng)作物氮輸出量占氮素輸出總量的比例最大，其次是大氣釋放氮損失量、肥料淋失氮損失量，肥料流失氮損失量最少?？傮w上，2000—2020年我國玉米氮輸入與輸出總量為391 633.63萬t，其中輸入量占98.4%，輸出量占1.6%，氮素輸入是31個省市區(qū)玉米氮素流動的主要方式，我國玉米氮素的輸入量與輸出量整體上呈現(xiàn)各指標(biāo)值逐年遞增的趨勢。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是影響全球氮流動最重要的人類活動之一，對農(nóng)業(yè)系統(tǒng)氮流動的研究也成為明確農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)性及其環(huán)境影響的重要內(nèi)容。我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的氮素循環(huán)尚存在亟需解決的問題，相關(guān)研究表明，從肥料施用水平來看，肥料過多使用導(dǎo)致氮素利用效率低下是農(nóng)業(yè)種植引起環(huán)境氮負(fù)荷的主要原因[13]。我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥施氮的強度超過了歐盟規(guī)定的農(nóng)田氮素養(yǎng)分投入標(biāo)準(zhǔn)（275 kg·hm-2）[14]；從肥料施用結(jié)構(gòu)來看，我國化肥的氮投入是有機(jī)肥氮投入的1.32倍，有機(jī)糞肥氮的施用量也低于發(fā)達(dá)國家規(guī)定的糞肥氮最高投入限額（170 kg·hm-2）[15]，因此有機(jī)肥的使用比例較低，肥料的使用結(jié)構(gòu)有待進(jìn)一步優(yōu)化。農(nóng)業(yè)種植控制氮排放的重點在于減少肥料和化肥的使用量，通過優(yōu)化用肥結(jié)構(gòu)如增施有機(jī)肥和高效緩釋肥，可以提高氮素的利用效率，減少資源浪費和環(huán)境污染?？墒褂脺y土配方施肥技術(shù)，根據(jù)作物的生長特性、需肥規(guī)律、土壤的供肥性能及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域特征，制定肥料施用量和比例等，提高農(nóng)作物肥料利用率。適當(dāng)增加規(guī)?；B(yǎng)殖廢物還田的比例，改善農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)，鼓勵沼氣等清潔能源的應(yīng)用。引導(dǎo)和鼓勵企業(yè)采用先進(jìn)工藝、技術(shù)和裝備，促進(jìn)企業(yè)清潔生產(chǎn)，加強農(nóng)田污染排放控制，實現(xiàn)由末端治理向全程控制的轉(zhuǎn)變。氮素在玉米等農(nóng)作物生產(chǎn)系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化是一個復(fù)雜的過程，本研究未充分考慮不同地區(qū)農(nóng)作物的生長條件及玉米廢物的處理方式和處理能力的差異，未來在探究農(nóng)作物氮收支相關(guān)的研究中，可進(jìn)一步在查閱資料的基礎(chǔ)上，通過實地取樣、測定獲得氮流核算過程涉及的數(shù)據(jù)和參數(shù)。

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（責(zé)任編輯：易" 婧）

基金項目：2024年度校級教學(xué)管理人員能力提升與研究項目（2024JXGL13）。

作者簡介：何雨鴻（1998—），碩士，助教，主要從事應(yīng)用統(tǒng)計與經(jīng)濟(jì)學(xué)相關(guān)研究。E-mail：1257982427@qq.com