农业面源污染是指人们在从事农业耕作活动过程中，由于使用化肥、农药及农田水土流失而引起受纳水体(如河流、湖泊、水库、海湾等)的污染(朱铁群，2000).农业面源污染中，氮、磷等营养元素是主要污染物质.我国农田氮肥使用量居世界首位，过量使用化肥是促使面源污染产生的主要原因.据世界粮农组织统计，技术先进国家氮肥的利用率为68%，而我国现阶段约为10.8%~40.5%，平均为27.5%，不及发达国家的一半，每年农用化肥的60%~70%进入环境(李鑫，2007；张福锁等，2008)，不但造成了巨大的经济损失，而且使得许多地表水和地下水硝酸盐含量过高.陈清硕早在1997年研究发现，长江口河水硝酸盐含量已达0.49~0.95 μg · g^-1，而世界河口平均值仅为0.1 μg · g^-1(陈清硕，1997).我国5大湖泊、7个大型水库多已处于中-富营养状态，导致“藻华”频发，影响渔业生产，有些地方甚至出现了水质性缺水.在北方，地下水硝酸盐的污染问题也十分突出，部分地区硝酸盐含量超过饮用水标准的5~10倍，基本不能饮用，京津唐地区50%的地下水硝酸盐含量超标(郝高建，2005).张云贵等(2005)研究发现，农业上长期施用高量氮肥是造成地下水硝酸盐污染的重要原因之一，而且氮肥所造成的氮素径流是引起水体氮富营养化的重要原因(张维理等，2004).吕殿青等(1998)指出，陕西省有些粮食高产区由于过量施氮已在0~4 m深的土层中积累了大量NO^-₃-N，并使地下水和地表水受到不同程度的污染.同延安等(2004)在陕西粮食作物氮肥施用调查中指出，现今陕西粮食作物生产中化肥的施用量是20年前的5倍，但粮食产量平均仅增加了60%.

汉江是长江最大的支流之一，发源于陕西省汉中市宁强县秦岭南麓的潘家山，由西向东流经汉中市所辖的勉县、南郑、汉台、城固、洋县、西乡进入陕西省安康市，最终由湖北省武汉市汉口汇入长江(赵佐平等，2012).因汉江流域水量充沛，2000年国家将汉江作为南水北调中线工程水源地，近期计划年调水量 95亿m³，远期达到 130亿m³，用以补充京、津、冀地区的城市用水和工业用水，以缓解该地区长期以来水资源紧张的情况(李思悦等，2005).因此，汉江水质安全关乎该地区数千万人口的生命安全，保护好汉江至关重要.汉江汉中段作为汉江上游，其水质污染状况及变化趋势更是不可小觑.近年来，由于“南水北调”工程的实施，使得汉江上游沿岸高污染的皂素、造纸等点源污染小作坊已经全部关闭.而汉中平原在我国历史上最重大的意义是我国古代的天下粮仓，盛产粮食.目前，水稻、油菜仍是主要的粮食作物，其中，水稻种植面积达180万亩以上，占陕西水稻种植面积的93%以上；油菜种植面积约175万亩，占陕西油菜总面积的64.2%.由于大面积、高投入、高产出的种植模式，农民对化肥的依赖程度可想而知，但有关汉江上游汉中段农作物的化肥施用现状及土壤养分现状评估的研究报道甚少.在该地区开展主要农作物氮肥投入特点及土壤养分负荷分析，对汉江水质安全及日后的农业面源污染防治等都有重大意义.因此，本文以汉江上游汉中段沿河岸土壤养分分析、农户施肥调查等统计数据为基础，采用盈余法从作物种类分析种植生产体系中氮素输入输出特点及土壤氮素盈余状况.

汉江汉中段位于汉水上游，汉中盆地中部，东经106°51′~107°10′、北纬33°2′~33°22′之间.流域地形特点为南低北高，内有平坝、丘陵和山地等3种地貌，平坝为汉江冲积平原的一、二阶梯，海拔500~600 m，地势平坦，土壤肥沃，占全市面积的34.62%；丘陵为山前洪积扇形成的宽谷浅丘地带，海拔600~800 m，地势起伏较大，约占全市面积的28.1%；山区是秦岭南坡形成的浅山和中山地区，地势较为复杂，土壤贫瘠，海拔在700~2038 m之间，约占全市总面积的37.2%.该区属北亚热带季气侯的温暖半湿润气候区，年均气温12~16 ℃，年均降雨量约700~1800 mm，其中，5—10月降雨量占全年降雨量的80%.由于北有秦岭屏障，寒流不易侵入，气候温和湿润，是陕西最大的水稻、油菜种植基地.调查区域具有较强的代表性.

选取汉江上游汉中段南郑县、汉台区、城固县、洋县4个汉江流经县为调查对象，依据4个调查县总面积、沿河地块部位和面积、作物品种确定调查点数量及分布.确定调查点时，首先考虑沿河地块地形部位，其次为作物种类，最后参考第二次土壤普查采样点位置.根据地形部位、作物种类等因素，统计各因素的点位数.当某一因素点位数过少或过多时进行调整，同时考虑点位的均匀性.调查的同时采集其对应调查农户地块土样，土样采样深度为0~20 cm耕层土.最后确定调查采样点总计406个.

调查分别在2012年和2013年1—3月进行，连续2 年共调查农户456户，有效农户406户.调查内容包括：作物品种、作物籽粒产量、作物茎叶产量、肥料品种、施肥量、施肥时期、施肥方法、施肥所占总投资的份额等基本情况.调查同时采集土样，采集0~20 cm耕层土.土壤有机质用重铬酸钾容重法-外加热法测定，碱解氮采用1 mol · L^-1 NaOH碱解扩散法测定，0.5 mol · L^-1 NaHCO₃浸提-钼锑抗比色法测定速效磷，1 mol · L^-1 NH₄OAc 浸提-火焰光度法测定速效钾.

氮养分平衡指数为氮养分投入量与氮养分吸收量之比.氮素平衡为输入项(化肥氮+有机肥氮)与输出项(籽粒和茎叶带出量)之差(方玉东等，2007).

输入项：化肥氮按照调查农户施肥包装袋上标识的养分含量计算；有机肥氮养分依据调查的实际值，根据《中国有机肥料养分志》(全国农业技术推广服务中心，1999)和《中国有机肥料资源》(全国农业技术推广服务中心，1999)的参数汇总计算(表 1).沉降氮按照魏样等(2010)在陕西5个监测点通过连续2年的监测结果得到的陕南大气氮素沉降平均值(15.62 kg · hm^-2 · a^-1)统一估算.

表 1(Table 1)

表 1 各种有机肥氮养分含量和不同作物氮养分吸收量 Table 1 Nitrogen nutrient content of different manures and nitrogen nutrient uptake rates of different crops

表 1 各种有机肥氮养分含量和不同作物氮养分吸收量 Table 1 Nitrogen nutrient content of different manures and nitrogen nutrient uptake rates of different crops 有机肥种类 有机肥氮养分含量 作物种类 籽粒、茎叶氮养分吸收量/(g·kg-1) 猪粪 0.55% 水稻 19.8，3.8 牛粪 0.38% 油菜 30.7，5.2 羊圈粪 0.78% 鸡粪 1.03% 人粪尿 0.64% 普通堆肥 0.18% 土粪 0.15%

输出项：不同作物籽粒、茎叶产量、面积按照农户调查值计算；不同作物籽粒、茎叶吸收氮养分量依据前人研究结果(张福锁等，2008；杜加银等，2013；邹娟等，2011；王伟妮等，2011)汇总计算(表 1).

采用Excel 2007进行数据处理，用DPS软件进行数据分析.

汉江上游主要农作物氮肥投入量见图 1.总体上，化肥氮的投入水平远高于有机肥氮的投入量.王小英等(2013a，2013b)依据养分投入分级的方法和原则提出了陕西油菜和水稻的合适施肥量分别是135~180 kg · hm^-2和150~180 kg · hm^-2.而调查结果显示，化肥氮投入在 180 kg · hm^-2以上的样本为 48.8%；其中，施氮量在225 kg · hm^-2以上的样本占11.6%，此样本中平均施用量达到了351.9 kg · hm^-2，最高施氮量高达630 kg · hm^-2.不施化学氮肥的现象依然存在，但所占比例甚少，仅为4.67%.有机肥投入量更少，仅有34.97%的调查农户施有机肥，且施肥量主要集中在0~90 kg · hm^-2.不施有机肥的农户高达65.03%.由此可知，汉江上游主要农作物氮肥投入水平过量与不足并存，化肥氮的投入量远高于有机肥提供的氮.

图 1(Fig. 1)

图 1 汉江上游主要农作物氮素不同投入分级下施用量和样本分布频率 Fig. 1 Application rate and samples distribution frequency under different input groupings of nitrogen in the upper Hanjiang River

不同作物肥料投入特点存在差异，由表 2 可知，油菜最大肥料投入量为528.7 kg · hm^-2，最小则不施肥，平均施肥量为221.1 kg · hm^-2.而纯氮投入情况与肥料总投入状况有相似之处，最高投入量为480 kg · hm^-2，平均施肥量为153.2 kg · hm^-2，且氮肥投入主要以化肥氮为主，有机氮平均投入量仅为6.7 kg · hm^-2.

表 2(Table 2)

表 2 汉江上游主要农作物水稻、油菜的肥料投入量 Table 2 Nutrient inputs on rice and rapeseed in the upper Hanjiang River

表 2 汉江上游主要农作物水稻、油菜的肥料投入量 Table 2 Nutrient inputs on rice and rapeseed in the upper Hanjiang River 农作物 样本数 指标 肥料总投入量/(kg·hm-2) 化肥氮/(kg·hm-2) 有机肥氮/(kg·hm-2) 油菜 206 最大值 528.7 480.0 28.9 最小值 0 0 0 平均值 221.1 153.2 6.7 标准差 92.6 69.8 10.9 水稻 200 最大值 659.1 630.0 48.3 最小值 135.0 90.0 0 平均值 289.5 194.6 7.6 标准差 79.1 88.4 10.7

水稻肥料投入量较油菜投入量更高，最大投入量为659.1 kg · hm^-2，平均投入量为289.5 kg · hm^-2，较油菜的平均施肥量高出68.4 kg · hm^-2，而最低投入量也达到了135 kg · hm^-2.纯氮平均投入量为194.6 kg · hm^-2，同样以化肥氮为主，有机肥氮平均投入量仅为7.6 kg · hm^-2.从连续2 年的调查数据不难发现，汉江上游农户对氮肥的投入存在较大的不合理性.同时，有机氮肥投入量太少，仅占总氮投入的4.3%(油菜)和3.9%(水稻)，比王小英等(2013a；2013b)在秦巴山区油菜和水稻中调研发现的有机肥提供农田总养分的17.18%和5.5%还少.造成此现状有两方面的原因：一方面是由于近年来调查区种植绿肥和从事养殖业的农户逐渐减少，有机肥源短缺；另一方面是由于使用有机肥费工费时且效果不明显，导致农民过分依赖化肥，忽视了对有机肥的利用.

晏娟等(2009)研究发现，当氮肥过量施用时，水稻对氮的奢侈吸收导致氮肥生理利用率急剧下降.当稻田施氮量由 46 kg · hm^-2增加到 200 kg · hm^-2时，氮肥的生理利用率由 45.0 kg · kg^-1下降至 22.7 kg · kg^-1.而水稻施氮量为 350 kg · hm^-2时的平均氮肥农学利用率最低，只有5.56 kg · kg^-1，与施氮量为 100 kg · hm^-2时的最大值相比，下降了62.8%.因此，本研究调查结果采用氮100 kg · hm^-2和200 kg · hm^-2分级来反映氮素的环境效应.由表 3可知，氮盈余量超过100 kg · hm^-2的样本共166个，占总调查样本量的40.8%；而盈余量超过200 kg · hm^-2的样本占4.6%，平均盈余量为325.9 kg · hm^-2.调查农户(406个样本)平均氮盈余量达 77.4 kg · hm^-2，同时，养分投入不足的农户相应的氮养分表现为亏缺，其样本比例也达到16.0%.土壤氮养分盈余量越高其土壤氮负荷程度越高，对当地环境质量的影响越大；反之，土壤养分表现亏缺，则会影响作物产量，长期以往还会引起土壤质量退化.由调查情况来看，汉江上游土壤氮素养分高负荷与低亏缺并存，推荐合理的施肥量对该区域农户增产增收，减少环境压力都有重要意义.

表 3(Table 3)

表 3 汉江上游主要农作物氮养分平衡总体状况 Table 3 Total nitrogen nutrient surplus status in the upper Hanjiang River

表 3 汉江上游主要农作物氮养分平衡总体状况 Table 3 Total nitrogen nutrient surplus status in the upper Hanjiang River 分级/(kg·hm-2) 样本量 样本分布频率 氮盈余量/(kg·hm-2) 变异系数 <0 65 16.0% -35.9 74.2% 0 ~100 175 43.1% 44.8 64.7% 100~200 147 36.2% 134.2 17.2% >200 19 4.6% 325.9 24.0% 总计 406 100% 77.4 112.1%

从不同作物氮肥投入来看，水稻化肥氮和有机肥氮的投入量都略高于油菜(表 4).但由于水稻籽粒产量及茎叶产量都显著高于油菜产量，因此，作物成熟后氮素的带出量相应也高.其中，水稻收获后带出量为197.1 kg · hm^-2，而油菜收获时带出量为103.5 kg · hm^-2.而从氮养分盈余量来看，水稻和油菜作物均表现出盈余现象，其盈余量分别为20.72和72.02 kg · hm^-2.另外，从氮养分平衡指数来看，即氮养分投入量与氮养分吸收量之比均不高，分别为1.69和1.10，均小于2.

表 4(Table 4)

表 4 不同作物土壤氮养分平衡状况 Table 4 Nitrogen nutrient surplus status of different crops

表 4 不同作物土壤氮养分平衡状况 Table 4 Nitrogen nutrient surplus status of different crops 农作物 样本数 氮投入/(kg·hm-2) 平均籽粒产量/(kg·hm-2) 平均茎叶产量/(kg·hm-2) 氮带走量/(kg·hm-2) 氮盈余量/(kg·hm-2) NBI 化肥氮 有机肥氮 沉降氮 注：NBI为养分平衡指数. 油菜 206 153.2 6.7 15.62 2440 5509 103.5 72.02 1.69 水稻 200 194.6 7.6 15.62 8424 7978 197.1 20.72 1.10

从连续2年调查数据可知，汉江上游水稻平均产量为8424.4 kg · hm^-2，平均氮肥投入量为202.2 kg · hm^-2.通过进一步分析发现，水稻产量与氮肥施用量表现一定的关系(图 2a)，用多项式拟合，其方程为：y=-0.0095x² +4.8336x+7881.1(R²=0.0218)，表明在合适的施肥范围内，增加1 kg氮肥可增加水稻产量约4.8 kg.同时，由图 2a还可知，随着氮肥用量的增加，增产量却逐渐下降，这与南方水稻主产区得出结果相一致.而油菜平均产量为2440.5 kg · hm^-2，平均氮肥投入为159.9 kg · hm^-2.通过分析可知，油菜产量与氮肥施用量与水稻具有相似趋势(图 2b)，用多项式拟合，其方程为：y=-0.0042x²+2.6208x+1955.8(R²=0.0717)，表明在合适的施肥范围内，增加1 kg氮肥可增加油菜产量约2.6 kg；随着氮肥用量的增加，油菜产量逐渐下降.

图 2(Fig. 2)

图 2 氮肥投入量与产量的关系 Fig. 2 Relationship between yield and nitrogen fertilizer inputs

通过对调查时采集的土壤样品分析可知，汉江上游农田土壤耕层有机质平均值为20.43 g · kg^-1，低于全国水平24.9 g · kg^-1(国家耕地质量长期定位监测报告，2011年)，与南方水稻主产区耕层有机质平均值33.5 g · kg^-1相比更低，且主要集中在10~20 g · kg^-1和20~30 g · kg^-1两个区间，分别占43.8%和46.5%(表 5)，小于10 g · kg^-1和大于30 g · kg^-1的仅占3.8%和5.9%.根据全国土壤第二次普查养分分级标准，调查区土壤耕层有机质含量处于3级(20~30 g · kg^-1)和4级(10~20 g · kg^-1)水平，属于较缺乏状态.整个调查区土壤有机质含量变化幅度较大，在1.4~37.1 g · kg^-1之间.这与农户不重视有机肥的投入有很大关系.

表 5(Table 5)

表 5 汉江上游农田土壤养分含量现状 Table 5 Content of nutrient in the upper Hanjiang river

表 5 汉江上游农田土壤养分含量现状 Table 5 Content of nutrient in the upper Hanjiang river

由表 5可知，调查区土壤碱解氮平均值为118.3 mg · kg^-1，且主要集中在50~100 mg · kg^-1和100~150 mg · kg^-1两个区间，分别占32.2%和47.1%，小于50 mg · kg^-1和大于200 mg · kg^-1的分别占2.8%和3.8%.与南方水稻主产区耕层土壤碱解氮平均值113.5 mg · kg^-1基本处于同一水平(邹娟等，2011).根据全国土壤第二次普查养分分级标准，调查区土壤耕层碱解氮含量处于2级水平(100~150 mg · kg^-1)，属于丰富状态.但整个调查区土壤碱解氮变化幅度较大，变异系数为33.84%.

调查区土壤有效磷含量平均值为16.87 mg · kg^-1.而全国耕层土壤有效磷含量自2004—2011年一直呈上升趋势，2011年全国耕层土壤有效磷平均值达到了27.2 mg · kg^-1，南方水稻主产区耕层土壤有效磷平均值为19.4 mg · kg^-1.连续2年调查的采样区农田土壤耕层有效磷含量低于全国水平及南方水稻主产区水平(表 5)，且主要集中在10~20 mg · kg^-1和20~40 mg · kg^-1两个区间，分别占50.3%和25.6%，小于5 mg · kg^-1和大于40 mg · kg^-1的分别占6.9%和1.5%.与邹娟等(2011)在长江流域湖北、四川、江苏等10个省74个田间试验的监测值(16.0 mg · kg^-1)相比，处在同一水平.整个调查区土壤有效磷含量变异系数较大(52.1%)，说明调查的406个有效样本中农户磷肥投入差异较大.

速效钾含量平均值为147 mg · kg^-1.全国土壤耕地质量监测显示，2011年全国耕层土壤速效钾平均值为130.1 mg · kg^-1，南方水稻主产区耕层土壤速效钾平均值为87 mg · kg^-1.汉江上游农田土壤耕层速效钾含量略高于全国水平，显著高于南方水稻主产区.且调查采样区农田土壤耕层速效钾含量分布较为分散(表 5)，50~100、100~150、150~200及200 mg · kg^-1以上所占比例均占20%左右.调查区土壤速效钾含量变异系数较大，为48.9%，仅次于有效磷变异系数.说明尽管土壤速效钾较为丰富，但后期农民施肥过程对钾肥的投入差异较大，长期以往必将引起土壤缺钾现象，影响作物增产增收.

汉江上游主要农作物化肥氮的投入量远高于有机肥氮的投入量.施氮量在180 kg · hm^-2以上的样本占48.8%，最高施氮量达630 kg · hm^-2.同时，不施化学氮肥的现象依然存在.通过多项式拟合方程可知，水稻产量与氮肥施用量表现一定的正向关系，但随着氮肥用量的增加，特别是在施氮量超过200 kg · hm^-2后，增产量却逐渐下降，油菜与水稻具有相似的结果.这与Jing等(2007)的研究结果一致，当施氮量超过 225 kg · hm^-2后，作物产量将不会变化.过量施氮只会使作物奢侈吸收，造成作物籽粒灌浆不充分，千粒重下降(李伟波等，1997)，而且还会滋生病虫害，作物容易发生倒伏(Tirol et al., 1996).此外，当氮肥过量施用时，作物对氮的奢侈吸收会导致氮肥生理利用率急剧下降.过量施氮肥不仅不增产，反而降低了氮肥利用率，造成大量资源浪费和环境污染，无论在经济上，还是在生态环境上都得不偿失.

农田生产体系氮素负荷量与施氮量之间存在显著正相关关系，过量施用氮肥会造成土壤及周边环境氮负荷的增加.调查区不同作物氮肥投入存在差异，过量与不足并存，但总体上氮肥投入量高于产出的需求量.过量施氮必然会造成氮素盈余，调查区农田氮盈余量超过100 kg · hm^-2的样本占调查样本的40.8%，但养分投入不足相应氮养分会表现亏缺，其样本比例也到达了16.0%.不同作物比较而言，水稻田氮盈余量(20.72 kg · hm^-2)低于油菜地(72.02 kg · hm^-2).张维理等(2004)在北方农用氮肥造成地下水硝酸盐污染调查研究时指出，凡是年施氮量超过500 kg · hm^-2，作物施氮量与吸氮量之比大于2.5的地区，地下水硝酸盐含量基本上全部超标.尽管该调查区域个别农户施氮量超过500 kg · hm^-2，但养分平衡指数均小于2.5，依此判断调查区农户施氮量还未造成地下水硝酸盐污染，这与同延安等(2004)在汉中水稻田间试验的结果一致.但樊军等(2005)研究表明，过量施氮时，硝态氮累积严重，累积层主要集中在100 cm以下.也有大量研究资料(陈静生等，2004; Riley et al., 2001)表明，目前，农业生产地区浅层地下水或地表水硝酸盐浓度的提高与大量施用氮肥及灌溉有直接的关系.过量施用氮肥会导致作物生长期间及收获后土壤积累大量的硝态氮，进而增强了向非土壤环境迁移的能力.李志宏等(2001)研究表明，高氮处理的土壤剖面无机氮分布呈明显的淋洗剖面.Raun等(2005)通过23 年长期定位试验研究表明，作物在肥料氮用量达到85.4 kg · hm^-2以前，0~240 cm深的土壤剖面中无机氮的数量与无肥对照区的土壤剖面相同，超过这一数量后引起土壤剖面无机氮明显线性累积.而调查区农田施氮量远远超过85 kg · hm^-2，因此，对该区域氮肥投入量是否引了环境污染问题及对地下水污染造成潜在威胁还需更为深入的探讨研究.

结合调查区农田土壤养分析可知，该区域土壤耕层有机质含量为20.43 g · kg^-1，低于全国和南方水稻主产区水平.这可能是由于近些年调查区农田有机肥的投入量少所致，不施有机肥的农户高达65.03%.而土壤有机质是土壤肥力的重要基础物质，有机肥中不仅含有植物所必需的大量和微量元素，还含有丰富的有机养分，如蛋白质、氨基酸、纤维素等，肥效持久，能促进土壤中微生物的繁殖，改善土壤理化性状，从而提高土壤肥力(赵佐平等，2013).根据全国土壤第二次普查养分分级标准，该区域碱解氮含量处于2级水平，属于丰富状态，这与当地农户习惯高量氮肥投入有关.由于调查农户传统的重氮偏磷轻钾的习惯还未改变，土壤有效磷含量低于全国水平.而调查区地处“西北小江南”的汉中地区，属北方富钾地，尽管农民对钾肥投入积极性不高，但土壤速效钾含量为147 mg · kg^-1，仍略高于全国水平130.1 mg · kg^-1.这并非说明该区域不需要施钾肥，如果长期对钾肥投入不足，必将引起土壤缺钾现象，导致土壤质量下降，影响作物产量.

有研究指出，由于不合理施肥，陕西省每年在粮食作物上可能损失的化肥氮高达12.2万t(同延安等，2004)，这不仅造成肥料资源浪费，而且大大加剧了该地区环境氮负荷.其次，过量施氮不仅对作物产量没有帮助，反而会增加温室气体排放.研究表明，农业中70%的温室气体来自于氮肥(Metz et al., 2007).可见，汉江上游农田生产体系氮养分的不合理施用造成的氮盈余，不仅会给农田带来土壤环境氮素负荷，而且给环境造成潜在威胁，长期以往会给汉江上游水质带来环境压力.

汉江上游主要农作物平均化肥氮投入量为173.9 kg · hm^-2，有机肥氮投入量仅为7.2 kg · hm^-2.84.0%的农田氮素样本处于盈余状态，平均盈余量为77.4 kg · hm^-2，其中，盈余量超过100 kg · hm^-2的样本占40.8%.养分投入不足表现为氮养分亏缺的样本占调查样本的16.0%.土壤养分含量表现为氮、钾丰富，有机质、有效磷含量偏低现象.