内蒙古河套灌区农业常规管理下土壤硝态氮与氮淋失的元分析

严佳乐 赖黎明 董瑞敏 杨旸 王海伟

严佳乐，赖黎明，董瑞敏，等. 内蒙古河套灌区农业常规管理下土壤硝态氮与氮淋失的元分析［J］. 湖北农业科学，2024，63（2）：36-40，49．

摘要：为了控制氮肥量、节水、提升土壤地力，通过收集已发表结果的数据，采用元分析方法系统地探索了内蒙古河套灌区土壤硝态氮与氮淋失量状况及其相关因素。结果表明，常规管理下玉米（Zea mays L.）地、向日葵（Helianthus annuus L.）地、春小麦（Triticum aestivum L.）地土壤表层（0～20 cm）平均硝态氮含量分别为22.78、9.92、17.80 mg/kg，土壤平均氮淋失量分别为49.82、45.11、93.73 kg/（hm²·年），常规施氮（N）量分别为357.7、233.2、320.0 kg/hm²。常规施氮量导致的土壤氮淋失量是不施用氮肥的6.76倍，其主要影响因素为土壤质地、土壤表层有机质含量、土壤表层pH、作物类型、灌溉量。这表明河套灌区常规管理下的施氮量偏高，地力随时间有降低的趋势，氮淋失较严重。

关键词：土壤硝态氮；土壤氮淋失；农业常规管理；元分析；河套灌区

中图分类号：S156.4         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2024）02-0036-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.02.007 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Meta-analysis of soil nitrate nitrogen and nitrogen leaching under conventional agricultural management in Hetao Irrigation District， Inner Mongolia

YAN Jia-lea， LAI Li-minga，b， DONG Rui-mina， YANG Yanga，b， WANG Hai-weia，b

（a. Department of Agronomy； b.Academician and Expert Workstation， Hetao College， Bayannur  015000， Inner Mongolia， China）

Abstract： In order to controll nitrogen fertilizer amount， save water， and improve soil fertility， soil nitrate nitrogen and nitrogen leaching and their related factors were systematically explored using meta-analysis methods in terms of the data collected from the published results in the Hetao Irrigation District， Inner Mongolia. The results showed that the means of nitrate nitrogen at the 0～20 cm depth in the corn， sunflower， and spring wheat fields under conventional management were 22.78， 9.92， and 17.80 mg/kg， the means of soil nitrogen leaching were 49.82， 45.11， and 93.73 kg/（hm²·a）， and the means of conventional nitrogen （N） application rate were 357.7， 233.2， and 320.0 kg/hm²， respectively. The soil nitrogen leaching resulting from the conventional nitrogen application rate was 6.76 times that from the no nitrogen fertilizer application， and the main influencing factors were soil texture， soil surface organic matter， soil surface pH， crop tape， and irrigation rate. These findings indicated that the nitrogen application rate under the conventional management in the Hetao Irrigation District was high， the soil fertility tended to decrease over time， and the nitrogen leaching was serious.

Key words： soil nitrate nitrogen； soil nitrogen leaching； conventional agricultural management； meta-analysis； Hetao Irrigation District

河套灌區坐落在内蒙古自治区西部，紧邻黄河北岸，属寒冷干旱地区^［1］。它是亚洲最大的“一首制”引黄灌区，也是内蒙古重要的商品粮基地^［2，3］。该地区主要作物是玉米（Zea mays L.）、向日葵（Helianthus annuus L.）、春小麦（Triticum aestivum L.），主要依靠引黄灌溉。长期的引黄大水漫灌导致地下水埋深较浅（年际波动范围在0.5～3.0 m），加上氮肥施用量过高，造成硝态氮（NO₃^--N）大量淋失^［4，5］，导致灌区浅层地下水与湖泊富营养化的污染^［6，7］。因此，对整个灌区土壤硝态氮及氮淋失的研究结果将为该区控制氮肥量、节水、提升土壤地力提供一定的理论依据，也能够为其他地区提供借鉴。

以往研究主要是建立不同的试验，评估不同处理对土壤硝态氮与氮淋失的影响，目的在于节肥或节水与增产等^［7-17］。其中，每项研究均设置对照组（常规施肥量或灌溉量等），如果收集这些研究中对照组的数据，就能够获取河套灌区农业常规管理状况。另外，这些研究是分散的，结果也不同，且单项研究不能够显示河套灌区土壤硝态氮与氮淋失的整体状况，也不能够探索二者与气候、土壤基本性质、管理等因素之间的关系。因此，本研究通过收集已发表论文中的结果数据，运用元分析（Meta-analysis）方法研究河套灌区土壤硝态氮及氮淋失的整体状况及其与农田管理、土壤和环境因素的关系。本研究分析了内蒙古河套灌区农业常规管理下土壤硝态氮与土壤氮淋失量的总体状况及其与气候变化、土壤质地、土壤表层有机质、土壤表层pH、施氮量、灌溉量、作物产量等因素间的关系，评估常规施氮量对土壤氮淋失量的效应，并分析影响该效应的主要因素。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域为内蒙古河套灌区，耕地面积为90.51万hm^2［18］。耕地土壤以灌淤土为主，土壤表层pH为8.00～8.15^［19］，土壤无机氮以硝态氮为主^［20］，耕层质地以沙壤土为主。该区年平均降水量130～220 mm，年平均气温5.6～7.8 ℃，年蒸发量约2 200 mm^［21］。2021年，河套灌区粮食总产量为300万t，占内蒙古粮食总产量的7.81%，油料作物总产量为60万t，占内蒙古油料作物总产量的29.75%^［22］。

1.2 数据收集与整理方法

原始数据是从发表过的中英文论文中收集。其中，中文论文通过在中国知网中使用关键字“河套灌区”“硝态氮”和“氮淋失”搜索，英文论文运用Microsoft Bing Academic 搜索引擎，经仔细核实每篇论文，共发现符合本研究要求的论文20篇。直接复制收集每篇论文表格中的数据，使用 WebPlotDigitizer3.8软件收集图中数据，相对应的其他信息从论文中直接复制提取（少數论文中的缺失信息，通过联系作者或者从网上查找收集）。

本研究收集方法和收集的原始数据符合以下标准：①收集河套灌区主要作物（玉米、向日葵、春小麦）在常规管理下的灌溉量（生育期）、施氮量、作物产量数据。②收集该区常规管理下不同作物的氮肥利用率、氮肥农学利用率、氮淋失量的数据。③收集该区常规管理下不同作物的土壤硝态氮含量在0～100 cm土壤深度的数据，具体深度分别为0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm。④对应上述数据的信息也同时被收集，包括作物、经纬度、海拔高度、日平均气温、年降水量、生育期灌溉量（灌溉定额）、施氮量、采样年份、作物产量及土壤表层有机质、pH、质地。

1.3 分析方法

1.3.1 描述性统计分析 对收集到的河套灌区不同作物的施氮量、灌溉量、作物产量、肥料利用率、土壤硝态氮含量、土壤氮淋失量的数据进行描述性统计，计算出这些指标的均值、标准差以及变异系数。

1.3.2 荟萃分析方法 荟萃分析方法（Meta-analysis）是一种成熟的综合分析与定量分析的元分析，可以解决具有不同方向和结果的问题^［23］，也可以探讨在初级研究中无法调查的关系^［24］。本研究荟萃分析的目的是评估河套灌区常规施氮量对土壤氮淋失量影响的效应。其效应被定义为响应比的自然对数，作为土壤氮淋失量对施氮肥响应的度量。具体来说，对于给定的土壤氮淋失量，效应根据式（1）计算^{［23，25］}。

式中，ES_x是常规施氮量对土壤氮淋失的效应；X_N为常规施氮量下的土壤氮淋失量；X_CK是不施氮肥对照下的土壤氮淋失量。

本研究采用SAS 9.4软件中SURVEYSELECT方法重复抽取ES_x100 000次得到1组数据，然后计算其均值与5%的置信区间，进行效应分析。

1.3.3 统计回归模型方法 该方法也是一种元分析方法，用于分析土壤硝态氮含量与土壤氮淋失量的影响因素。应用SAS 9.4软件中的GLM方法建立4个统计回归模型。

1）模型1：因变量是硝态氮随100 cm土壤深度斜率。自变量包括土壤质地（黏土、黏壤土、粉沙土、粉沙壤土）、作物类型（玉米、向日葵、春小麦）、海拔高度、气温、灌溉量、施氮量、采样年份、作物产量、土壤表层有机质含量、土壤表层pH。

2）模型2：因变量是0～20 cm土壤硝态氮含量。自变量包括土壤质地（黏土、黏壤土、粉沙土、粉沙壤土）、作物类型（玉米、向日葵、春小麦）、海拔高度、气温、灌溉量、施氮量、采样年份、作物产量、土壤表层有机质含量、土壤表层pH。

3）模型3：因变量是土壤氮淋失量。自变量包括土壤质地（黏壤土、粉沙黏土、粉沙土、粉沙壤土）、作物类型（玉米、向日葵、春小麦）、灌溉量、施氮量、作物产量、土壤表层有机质含量、土壤表层pH。

4）模型4：因变量是常规施氮量对土壤氮淋失量的效应（ES_x）。自变量包括土壤质地（黏壤土、粉沙黏土、粉沙壤土）、作物类型（玉米、向日葵、春小麦）、灌溉量、作物产量、土壤表层有机质含量、土壤表层pH。

2 结果与分析

2.1 常规施氮量、氮肥利用率、灌溉量与作物产量

河套灌区常规管理下玉米地平均施氮量（纯N）为（357.7±100.3） kg/hm²，向日葵地平均施氮量（纯N）为（233.2±59.38）kg/hm²，春小麦地平均施氮量（纯N）为（320.0±93.72）kg/hm²；玉米地、向日葵地、春小麦地的平均氮肥利用率分别为31.81%±3.74%、29.61%±1.59%、26.73%±1.46%，平均氮肥农学利用率分别为15.05%±10.87%、13.36%±2.06%、6.29%±1.85%。河套灌区常规管理下的玉米地、向日葵地、春小麦地的平均灌溉量分别为（3 238±1 131）、（1 875±947）、（3 246±889） m³/hm²，玉米、向日葵、春小麦3种作物的平均产量分别为10 851、4 607、      5 489 kg/hm²。

2.2 土壤硝态氮含量

河套灌区常规管理下玉米地、向日葵地、春小麦地中土壤平均硝态氮含量在0～20 cm深度分别为（22.78±14.64）、（9.92±5.32）、（17.80±7.73）mg/kg，在20～40 cm深度分别为（20.82±19.33）、（7.52±5.00）、（18.52±12.25）mg/kg，在40～60 cm深度分别为（26.22±18.77）、（7.53±6.22）、（28.48±21.62）mg/kg，在60～80 cm深度分别为（30.42±26.57）、（8.68±0.77）、（38.19±29.60）mg/kg，在80～100 cm深度分别为（23.53±30.07）、（6.28±3.74）、（35.77±34.48）mg/kg（表1）。

回归模型1（因变量是“土壤硝态氮随100 cm斜率”）的结果显示，模型R²=0.96，土壤质地、气温、采样年份、土壤表层有机质含量、土壤表层pH对硝态氮随100 cm土壤深度斜率有显著影响（表2）。在其他自变量因素不变的条件下，黏土、黏壤土比粉沙壤土条件下的土壤硝态氮含量随100 cm土壤深度斜率分别高105.56%与116.64%，而粉沙土比粉沙壤土则降低430.67%。气温、采样年份、土壤表层有机质含量、土壤pH每增加1个单位，土壤硝态氮含量随100 cm土壤深度斜率分别降低72.61%、22.43%、28.62%、126.93%。

回归模型2（因变量是“土壤0～20 cm硝态氮含量”）的结果显示，模型R²=0.93，土壤质地、海拔高度、气温、灌溉量、采样年份、作物产量、土壤表层pH对0～20 cm土壤硝态氮含量有显著影响（表2）。在其他自变量因素不变的条件下，黏土、黏壤土0～20 cm土壤硝态氮含量比粉沙壤土分别减少426.79%、356.18%，粉沙土比粉沙壤土增加317.71%。海拔高度与作物产量每增加1个单位，0～20 cm土壤硝态氮含量分别减少6.96%、0.02%。氣温、灌溉量、采样年份、土壤表层pH每增加1个单位，0～20 cm土壤硝态氮含量分别增加101.68%、0.06%、27.22%、212.29%。

2.3 土壤氮淋失量

河套灌区常规管理下的玉米地、向日葵地、春小麦地的平均氮淋失量分别为（49.82±35.40）、（45.11±23.01）、（93.73±60.71）kg/（hm²·年），变异系数分别为71.05%、51.00%、64.77%。

回归模型3（因变量是“土壤氮淋失量”）的结果显示，模型R²=0.72，且粉沙土vs粉沙壤土、灌溉量、土壤表层有机质含量与土壤氮淋失量有显著关系（表3）。在其他自变量因素不变的条件下，粉沙土比粉沙壤土条件下的土壤氮淋失量增加420.24%，灌溉量与土壤表层有机质含量每增加1个单位，土壤氮淋失量分别增加0.06%与35.26%。

常规施氮量对土壤氮淋失量效果的元分析结果显示，施用氮肥和不施用氮肥的结果有明显不同，施用氮肥的氮淋失量远高于不施氮肥（表4）。常规施氮量下种植玉米的土壤氮淋失量是不施用氮肥的6.980 4倍，其置信区间为6.969 5～6.991 3倍。常规施氮量下种植春小麦的土壤氮淋失量是不施氮肥的5.913 9倍，其置信区间为5.902 4～5.925 3倍。常规施氮量下种植玉米、向日葵、春小麦的土壤氮淋失量是不施用氮肥种植玉米、向日葵、春小麦土地的6.755 3倍， 其置信区间为6.747 3～6.763 2倍。

回归模型4（因变量是“常规施氮量对土壤氮淋失量的效应”）的结果显示，模型R²=0.97，且黏壤土vs粉沙壤土、向日葵vs春小麦、灌溉量、土壤表层有机质含量与土壤表层pH与土壤氮淋失量有显著关系（表5）。在其他自变量因素不变的条件下，黏壤土比粉沙壤土、向日葵比春小麦条件下的土壤氮淋失量分别增加80.61%、303.69%。灌溉量、土壤表层有机质含量与土壤表层pH每增加1个单位，土壤氮淋失量分别增加0.12%、53.66%、1 257.75%（表5）。

3 讨论

3.1 河套灌区土壤硝态氮含量及其影响因素

河套灌区常规管理下玉米地、向日葵地、春小麦地0～20 cm土壤硝态氮含量均值分别为22.78、9.92、17.80 mg/kg，玉米地与小麦地的硝态氮含量明显高于向日葵地。这主要是因为向日葵主要种植在“差地”^［19］，差地的土壤pH、含盐量、碱化度较高，有机质含量较低，因此保肥性较差，导致向日葵地硝态氮含量较低。影响0～20 cm土壤硝态氮含量的主要因素为土壤质地、海拔高度、气温、灌溉量、采样年份、作物产量、土壤表层pH。土壤质地的黏粒含量越高，其表面积越大，排斥力越大，土壤硝态氮越易淋失^［26］。海拔越高，土壤越容易干裂，当灌水或降雨时，土壤渗透越快，越容易导致硝态氮淋失。气温增加会导致更多的土壤有机质矿化分解，产生更多的硝态氮^［27］。灌溉量的增加会导致更多的硝态氮随水淋失^［28］。作物产量的增加意味着作物消耗掉更多的土壤硝态氮，导致土壤硝态氮减少。土壤pH增加预示土壤碱性更强，而碱性土壤会产生更多的以硝态氮为主的无机氮^［20］。随着采样年份的增加，土壤硝态氮增加有两种可能的原因：化肥使用量逐年增加，有可能增加土壤硝态氮；土壤pH呈弱增加的趋势^［19］，这会导致产生更多的以硝态氮为主的无机氮^［20］。

影响土壤硝态氮含量随0～100 cm土壤深度斜率变化的因素包括土壤质地、气温、采样年份、土壤表层有机质含量与土壤表层pH。土壤有机质含量的增加能够提高阳离子的代换量，增加对硝态氮的固持作用，进而阻碍NO₃^-- N向下部移动^［29］，使土壤硝态氮淋失减少，导致土壤硝态氮含量随0～100 cm土壤深度的变化斜率较小，反之，则增大。随采样年份的增加，土壤硝态氮含量随0～100 cm土壤深度的变化斜率变小，预示着耕地地力有逐年降低的趋势。

3.2 河套灌区土壤氮淋失量及其影响因素

本研究结果显示，河套灌区常规管理下的玉米地、向日葵地、小麦地的氮淋失量的平均值分别为49.82、45.11、93.73 kg/（hm²·年），与之相对应的氮肥利用率分别为31.81%、29.61%、26.73%。这意味着小麦地的氮淋失量最高，其可能的原因是小麦的主要根系不如玉米与向日葵^［30-32］，而硝态氮容易随水淋失，小麦不能够吸收较深土壤中的硝态氮而导致淋失。向日葵地的氮淋失量低于玉米地，但是氮肥利用率也低于玉米地，其主要原因是向日葵地力较低^［19］，保肥保水能力较低，导致氮肥利用率较低；而向日葵在生育期最多灌溉1次且灌水量较少，玉米则需要灌溉3～4次，因而，向日葵地的氮淋失量低于玉米地。

影响河套灌区硝态氮淋失的主要因素是土壤质地与有机质含量、灌溉量。硝态氮带有负电荷，而土壤胶体也普遍带有负电荷，二者相互排斥，容易导致硝态氮随水淋失^［26］。黏粒比例高的土壤孔隙较小，灌溉水渗透慢，养分淋失较慢且量少^［26］。土壤有机质含量高的土壤能够提升土壤保肥能力，减少氮淋失^［29］。灌溉量增加，养分随水下渗较多，导致较多的氮淋失^［28］。玉米地的氮淋失量明显高于小麦地，可能的原因是玉米须根（主要在40 cm，最深可达2 m）比小麦（主要在20 cm，最深可达3 m）发达^{［30，31］}，因此小麦吸收20～100 cm土层的养分比玉米少，可能导致较多的硝态氮淋失。

本研究评估了河套灌区常规施氮量对土壤氮淋失量的影响效果，常规施氮量下的氮淋失量比不施氮肥平均高6.76倍，意味着常规施氮量远高于作物的需求量，导致大量的硝态氮流失。据估算，河套灌区每年秋季灌水洗盐淋失的氮是当年施氮量的20.3%^［33］。影响氮淋失效果的主要因素是土壤质地、作物类型、灌溉量、土壤表层有机质含量与土壤表层pH。在常规施肥量过高时，黏壤土比粉沙壤土导致的氮淋失量高的原因可能是黏壤土有较高的有机质含量^［34］，释放养分较多。向日葵地比春小麦地的土壤氮淋失量高的原因是向日葵地有机质含量偏低、盐碱化程度较高，保肥保水能力弱，当施用过量氮肥时，有较多的氮肥淋失。土壤有机质可以在不同条件下对土壤溶质起双重作用，即吸附^［35］或者增强流动性^［36］，而离子活性随着pH的增加而降低^［37］。

4 小结

在河套灌区农业常规管理下，玉米地与小麦地的土壤硝态氮含量明显高于向日葵地，影响土壤硝态氮含量的主要因素为土壤质地、海拔高度、气温、灌溉量、采样年份、作物产量与土壤表层pH。常规施氮量偏高導致土壤氮淋失量显著高于不施用氮肥的土壤，其影响主要因素为土壤质地、作物类型、灌溉量、土壤表层有机质含量与土壤表层pH。这预示该区常规管理下的地力随时间有降低的趋势，土壤氮淋失较严重，需要在土壤有机质、pH、质地、灌溉量、作物选择、施氮量方面做进一步研究与改进。

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收稿日期：2023-02-15

基金项目：内蒙古自治区自然科学基金项目（2020MS04001）；内蒙古自治区科技计划项目“河套灌区农业土壤二氧化碳排放与质量提升研究”；内蒙古自治区科技厅项目“河套学院巴彦淖尔生态治理与绿色发展院士专家工作站建设”

作者简介：严佳乐（2000-），女，内蒙古武川人，在读硕士研究生，研究方向为农业资源与环境，（电话）13214035621（电子信箱）jiale.yan@qq.com；通信作者，赖黎明（1965-），男，河南汝南人，教授，博士，主要从事土壤学、农业生产活动对土壤与环境的影响研究，（电话）18547808369（电子信箱）liming.lai@qq.com。