植物营养与肥料学报

情景 Scenarios	环节 Section	技术 Technique	效果 Effect
S1	施肥量 Fertilizer application rate	化肥减施 Chemical fertilizer reduction	氨挥发减少29.51% Reduce 29.51% of NH₃ emission
S2	肥料产品 Fertilizer products	新型肥料 New-type fertilizer	氨挥发减少40%，氮淋溶减少60% Reduce 40% of NH₃ emission and 60% of N leaching
S3	施肥方式 Fertilization method	条施 Band application	氨挥发减少20%，氮径流减少50% Reduce 20% of NH₃ emission and 50% of N runoff
S4	灌溉 Irrigation	工程节水 Engineering water-saving method	氮淋溶减少40% Reduce 40% of N leaching

情景 Scenarios	环节 Section	技术 Technique	效果 Effect
S1	施肥量 Fertilizer application rate	化肥减施 Chemical fertilizer reduction	氨挥发减少29.51% Reduce 29.51% of NH₃ emission
S2	肥料产品 Fertilizer products	新型肥料 New-type fertilizer	氨挥发减少40%，氮淋溶减少60% Reduce 40% of NH₃ emission and 60% of N leaching
S3	施肥方式 Fertilization method	条施 Band application	氨挥发减少20%，氮径流减少50% Reduce 20% of NH₃ emission and 50% of N runoff
S4	灌溉 Irrigation	工程节水 Engineering water-saving method	氮淋溶减少40% Reduce 40% of N leaching

县区 Counties	S0			S2			S4
兴庆区 Xingqing	270.00	42.59	216.98	19.64	53.00	197.80	26.74	58.14	208.43	22.81	55.17	211.36	21.72	54.41
金凤区 Jinfeng	372.75	31.39	221.44	40.59	52.84	201.87	45.84	57.96	212.71	42.93	55.01	215.71	42.13	54.25
西夏区 Xixia	430.50	30.46	252.70	41.30	51.90	230.37	46.49	56.93	242.74	43.62	54.02	246.15	42.82	53.27
永宁县 Yongning	337.50	41.25	270.56	19.84	51.45	246.65	26.92	56.44	259.89	23.00	53.56	263.55	21.91	52.82
贺兰县 Helan	420.00	30.60	246.89	41.22	52.05	225.07	46.41	57.10	237.16	43.53	54.19	240.50	42.74	53.44
灵武市 Lingwu	322.50	38.79	239.30	25.80	52.27	218.15	32.36	57.34	229.87	28.72	54.42	233.11	27.72	53.66
平罗县 Pingluo	379.50	44.39	335.30	11.65	50.24	305.66	19.46	55.11	322.08	15.13	52.30	326.61	13.94	51.58
惠农区 Huinong	364.50	47.71	347.35	4.71	50.07	316.65	13.13	54.92	333.66	8.46	52.12	338.36	7.17	51.40
大武口区 Dawukou	363.00	45.80	330.38	8.99	50.32	301.19	17.03	55.20	317.36	12.57	52.38	321.83	11.34	51.66
利通区 Litong	376.95	51.06	388.43		49.55	354.10	6.06	54.35	373.11	1.02	51.58	378.37		50.87
青铜峡市 Qingtongxia	412.50	46.41	386.19	6.38	49.58	352.06	14.65	54.38	370.97	10.07	51.61	376.19	8.80	50.89
青铜峡灌区 Qingtongxiaguanqu	4049.7	42.92	3235.52	20.1	50.48	2949.57	27.17	55.37	3107.98	23.25	52.55	3151.74	22.17	51.82

县区 Counties	S0			S2			S4
兴庆区 Xingqing	270.00	42.59	216.98	19.64	53.00	197.80	26.74	58.14	208.43	22.81	55.17	211.36	21.72	54.41
金凤区 Jinfeng	372.75	31.39	221.44	40.59	52.84	201.87	45.84	57.96	212.71	42.93	55.01	215.71	42.13	54.25
西夏区 Xixia	430.50	30.46	252.70	41.30	51.90	230.37	46.49	56.93	242.74	43.62	54.02	246.15	42.82	53.27
永宁县 Yongning	337.50	41.25	270.56	19.84	51.45	246.65	26.92	56.44	259.89	23.00	53.56	263.55	21.91	52.82
贺兰县 Helan	420.00	30.60	246.89	41.22	52.05	225.07	46.41	57.10	237.16	43.53	54.19	240.50	42.74	53.44
灵武市 Lingwu	322.50	38.79	239.30	25.80	52.27	218.15	32.36	57.34	229.87	28.72	54.42	233.11	27.72	53.66
平罗县 Pingluo	379.50	44.39	335.30	11.65	50.24	305.66	19.46	55.11	322.08	15.13	52.30	326.61	13.94	51.58
惠农区 Huinong	364.50	47.71	347.35	4.71	50.07	316.65	13.13	54.92	333.66	8.46	52.12	338.36	7.17	51.40
大武口区 Dawukou	363.00	45.80	330.38	8.99	50.32	301.19	17.03	55.20	317.36	12.57	52.38	321.83	11.34	51.66
利通区 Litong	376.95	51.06	388.43		49.55	354.10	6.06	54.35	373.11	1.02	51.58	378.37		50.87
青铜峡市 Qingtongxia	412.50	46.41	386.19	6.38	49.58	352.06	14.65	54.38	370.97	10.07	51.61	376.19	8.80	50.89
青铜峡灌区 Qingtongxiaguanqu	4049.7	42.92	3235.52	20.1	50.48	2949.57	27.17	55.37	3107.98	23.25	52.55	3151.74	22.17	51.82

宁夏青铜峡灌区县域尺度玉米田氮素投入及损失风险评价

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罗健航 ¹ , 徐宇宙 ² , 刘晓彤 ¹ , 侯克峰 ³ , 丁永峰 ⁴ , 王翰霖 ⁵ , 李志 ⁶ , 马晓霞 ⁷ , 赵营 ¹ , 马英 ¹ , 张学军 ¹^,^* , 张天鹏 ⁸ , 雷秋良 ⁸

植物营养与肥料学报 | 研究论文 2026,32(5): 1030-1042

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植物营养与肥料学报 |研究论文 2026 , 32 (5) : 1030 -1042

宁夏青铜峡灌区县域尺度玉米田氮素投入及损失风险评价

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罗健航¹, 徐宇宙², 刘晓彤¹, 侯克峰³, 丁永峰⁴, 王翰霖⁵, 李志⁶, 马晓霞⁷, 赵营¹, 马英¹, 张学军¹^,^*, 张天鹏⁸, 雷秋良⁸

作者信息

¹宁夏农林科学院农业资源与环境研究所，宁夏银川 750002

²西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌 712100

³青铜峡市科学技术局，宁夏吴忠 751600

⁴青铜峡市农业技术和农机化推广服务中心，宁夏吴忠 751600

⁵银川市农业技术推广服务中心，宁夏银川 750002

⁶石嘴山市农业技术推广服务中心，宁夏石嘴山 753000

⁷吴忠市利通区农业技术推广服务中心，宁夏吴忠 751100

⁸农业农村部面源污染控制重点实验室 / 北京昌平土壤质量国家野外科学观测研究站 / 北方干旱半干旱耕地高效利用全国重点实验室 / 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081

通讯作者:

^* 张学军 E-mail: zhxjun2002@163.com

作者简介:

罗建航 E-mail: 172881602@qq.com

Assessment of nitrogen inputs and loss risks in maize fields at the county scale in the Qingtongxia Irrigation District, Ningxia

Jian-hang LUO¹, Yu-zhou XU², Xiao-tong LIU¹, Ke-feng HOU³, Yong-feng DING⁴, Han-lin WANG⁵, Zhi LI⁶, Xiao-xia MA⁷, Ying ZHAO¹, Ying MA¹, Xue-jun ZHANG¹^,^*, Tian-peng ZHANG⁸, Qiu-liang LEI⁸

Affiliations

¹Institute of Agricultural Resources and Environment, Ningxia Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Yinchuan, Ningxia 750002, China

²College of Natural Resources and Environment, Northwest A & F University, Yangling, Shaaxi 712100, China

³Qingtongxia Science and Technology Bureau, Wuzhong, Ningxia

⁴Qingtongxia Agricultural Technology and Agricultural Mechanization Extension Service Center, Wuzhong, Ningxia

⁵Yinchuan Agricultural Technology Promotion Service Center, Yinchuan, Ningxia

⁶Shizuishan Agricultural Technology Promotion Service Center, Shizuishan, Ningxia

⁷Wuzhong Agricultural Technology Promotion Service Center, Wuzhong, Ningxia

⁸State Key Laboratory of Efficient Utilization of Arid and Semiarid Arable Land in Northern China / Key Laboratory of Non-point Source Pollution Control, Ministry of Agriculture and Rural Affairs / Changping Soil Quality National Observation and Research Station / Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China

出版时间: 2026-05-25 doi: 10.11674/zwyf.2025238

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摘要

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目的

明确宁夏青铜峡灌区玉米田氮素流动与平衡特征、氮肥利用效率、氮素环境排放阈值(环境可承载的最大排放量)，并制定相应防控体系。

方法

以宁夏青铜峡灌区玉米农田系统为研究对象，基于2018年和2023年的统计数据，运用Nufer (nutrient flows in food chain, environment and resources use)模型，评估玉米田氮素流动与平衡，并利用情景模拟明确该地氮肥减施潜力。

结果

2018—2023年期间，灌区玉米田氮素总输入量从4.78万t增加到6.50万t，增幅达35.83%，这主要源于种植面积扩大了1.71万hm²。环境排放总量从0.89万t (占输入量18.70%)升至1.21万t (占输入量18.55%)，增幅34.69%，其中，氨挥发为主要途径(占环境排放总量的56.98%)，其次为淋溶损失(占环境排放总量的26.54%)、径流与侵蚀损失(占环境排放总量的9.99%)。2023年灌区的氮肥利用率为42.92%，较2018年增加5.72个百分点。2018年金凤区氨挥发为阈值的208%，属于高风险区；2023年采用化肥减施后降至低风险；淋溶损失控制效果突出，2023年仅西夏区为低风险，其余县区均处于无风险水平。平衡施肥+新型肥料(S2)为最优方案，与单纯减氮(S1)相比，氮肥减施潜力提升5.19~8.42个百分点，利用率提高4.80~5.14个百分点；环境排放总量降低44.13%，各途径损失均低于阈值；与2023年基准(S0)方案相比，排放量减少52.50%，利用率提升12.45个百分点。

结论

通过平衡施肥配合施用新型肥料，并同时实施工程节水等措施，可将宁夏青铜峡灌区各种途径氮素环境排放降低至阈值以下，是实现区域农业绿色发展与氮素减排的重要技术路径。

关键词

Nufer模型 / 青铜峡灌区 / 玉米田系统 / 氮素平衡 / 氮素流失 / 损失风险评价

Abstract

收起

Objectives

To clarify the characteristics of nitrogen flux balance, nitrogen fertilizer use efficiency, and nitrogen loss thresholds (maximum environmentally permissible emissions) in maize fields of the Qingtongxia Irrigation District, Ningxia, and to establish a corresponding management system.

Methods

From 2018 to 2023, total nitrogen input in maize fields across the irrigation district increased from 47800 t in 2018 to 65000 t in 2023, an increase of 35.83%, primarily due to a cropland expansion of 17100 hectares. Concurrently, environmental nitrogen emissions rose from 8900 t (18.70% of input) to 12100 t (18.55% of input), a 34.69% growth, with ammonia volatilization as the dominant pathway (accounting for 56.98% of total environmental emissions), followed by leaching (accounting for 26.54% of total environmental emissions) and runoff/erosion (accounting for 9.99% of total environmental emissions). The nitrogen fertilizer use efficiency in the irrigation district reached 42.92% in 2023, an increase of 5.72 percentage points compared with 2018. Notably, in Jinfeng District, ammonia volatilization risk decreased from 208% above the threshold (high risk in 2018) to low risk in 2023 through fertilizer reduction, while leaching risk was effectively controlled−by 2023, only Xixia District remained at low risk, and all other counties achieved risk-free status. Balanced fertilization combined with enhanced-efficiency fertilizers (S2) was identified as the optimal strategy. Compared with nitrogen reduction alone (S1), S2 increased nitrogen fertilizer reduction potential by 5.19−8.42 percentage points, improved use efficiency by 4.80−5.14 percentage points, reduced total environmental emissions by 44.13% (with all loss pathways below thresholds), and decreased environmental emissions by 52.50% while increasing nitrogen fertilizer use efficiency by 12.45 percentage points, compared with the 2023 baseline (S0).

Conclusions

Integrating balanced fertilization with enhanced efficiency fertilizers, together with water saving engineering measures, can reduce all forms of nitrogen emissions below environmental thresholds in the Qingtongxia Irrigation District, representing a key technological pathway for achieving regional agricultural green development and nitrogen emission mitigation.

Key words

Nufer model / Qingtongxia irrigation district / maize field system / nitrogen balance / nitrogen loss / loss risk assessment

引用本文

罗健航, 徐宇宙, 刘晓彤, 侯克峰, 丁永峰, 王翰霖, 李志, 马晓霞, 赵营, 马英, 张学军, 张天鹏, 雷秋良. 宁夏青铜峡灌区县域尺度玉米田氮素投入及损失风险评价. 植物营养与肥料学报, 2026 , 32 (5) : 1030 -1042 . DOI: 10.11674/zwyf.2025238

Jian-hang LUO, Yu-zhou XU, Xiao-tong LIU, Ke-feng HOU, Yong-feng DING, Han-lin WANG, Zhi LI, Xiao-xia MA, Ying ZHAO, Ying MA, Xue-jun ZHANG, Tian-peng ZHANG, Qiu-liang LEI. Assessment of nitrogen inputs and loss risks in maize fields at the county scale in the Qingtongxia Irrigation District, Ningxia[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2026 , 32 (5) : 1030 -1042 . DOI: 10.11674/zwyf.2025238

正文

收起

氮素是植物生长发育必需营养元素之一，参与植物多个代谢过程，对作物产量形成起着至关重要的作用^[1]。为提高作物产量，自20世纪80年代起，我国氮肥施入量逐年增加，氮肥的大量使用不但降低了其利用效率，还造成温室气体排放、地下水硝酸盐污染、水体富营养化和土壤板结等一系列环境问题^[2−4]。要改善这些问题，可根据国内外水质标准，确定氮素流失阈值，并制定相应防控体系。

金欣鹏等^[5]根据国内外标准，参考de Vries等^[6]的计算公式，将地下水硝态氮浓度阈值(11.5 mg/L)折算为单位耕地面积的氮素径流和淋溶损失量，确定的合理施氮量，可以在保证产量的同时，最大化氮肥利用率，降低氮素流失，防止污染环境^[7]。罗付香等^[8]在四川通过大田试验结合回归分析发现，兼顾玉米产量及环境效应的氮素投入阈值为186.7～393.6 kg/hm²；而在安徽，该阈值为157.5～262.5 kg/hm²，显示不同区域间存在显著差异。目前预防氮素流失常用的防控措施主要是减施氮肥^[9]、有机无机肥配施^[10]、缓释肥料^[11]和节水灌溉^[12]等多种技术手段，它们都可以减少氮素流失，提高氮肥利用效率。例如，Chen等^[11]研究发现，与普通肥料相比，缓释肥料可使氨挥发、径流和淋失分别降低24.69%～29.54%，20.05%～25.37%和21.86%～38.05%；Xiao等^[12]研究显示，与常规灌溉相比，节水灌溉可使氮淋失量降低62.00%～64.00%，氮肥利用效率提高5.00%～9.70%。此外，施肥量和施肥时间^[13]、土壤类型和质地^[14]、气候条件^[2]和作物养分需求与吸收特性^[15]等因素，均会影响氮素流失。因此，有必要在区域尺度上系统解析不同作物、土壤和气候条件下氮素流动和平衡特征，以此制定有针对性的氮素管理和防控措施，以降低氮素流失，提高氮肥利用效率。

Nufer (nutrient flows in food chain, environment and resources use)模型可用于定量计算农业系统中氮素流动、氮素利用效率及环境排放量，同时还可通过情景模拟预测不同管理措施下氮素流动变化特征^{[5, 16]}。该模型已广泛用于评估农牧系统氮素流动平衡特征。黄少辉等^[16]、余乐等^[17]和王一莹等^[18]利用Nufer模型在京津冀、江苏省和吉林省农安县尺度上，定量评估了农牧系统氮素流动特征，结果显示氮肥减施潜力在30%以上。众多研究结果表明，氮肥投入是玉米田氮素输入的主要来源，占比达75%～85%，传统施肥模式下氮肥利用效率仅35%～40%，氨挥发是主要的环境排放途径，占比40%～50%，其次为淋溶损失^{[16, 19−20]}。综上，不同地区在土壤条件、气候背景及管理方法上的差别，决定了氮素管理策略的区域适应性，亟需发展更加精准高效的施肥技术，以实现玉米生产的可持续发展。

宁夏青铜峡灌区总灌溉面积约550万亩(36.67万hm²)，占宁夏引黄灌区总面积的一半以上，其中玉米田面积为323.5万亩(21.57万hm²)，占灌区灌溉面积的58%。受氮肥不合理施用等因素的影响，该区域玉米田普遍存在氮肥利用效率低、地下水污染和大气环境风险加剧等问题^[21−22]。本研究以宁夏青铜峡灌区玉米田系统为研究对象，利用Nufer模型定量解析其氮素流动与平衡特征，并通过情景分析评估氮肥减施潜力及氮素损失风险，为该区域玉米田系统氮素流失防控和绿色发展提供科学依据。

1　材料与方法

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1.1　研究区概况

青铜峡灌区是宁夏引黄灌区的重要农业核心区，以青铜峡市为中心，覆盖宁夏平原(银川平原)的南部地区，东依黄河，西靠贺兰山余脉，南北延伸至吴忠市和银川市部分地区，包括11个县区，灌区属于典型的温带大陆性气候，日照时间充足，昼夜温差大，年均降雨量177.8 mm，年蒸发量1946.1 mm，气候干燥，年均气温8℃～9℃，无霜期短，夏季多东北风，其他季节以西北风为主。灌区地形平坦，土地肥沃，是黄河冲积平原，主要土壤类型包括冲积土、灌於土和盐碱土。农业生产主要依靠黄河水进行灌溉，而黄河径流量季节分配不均，且含沙量高，汛期(6—10月)占全年径流量的60%以上，枯水期(11—5月)水量不足。

1.2　数据来源

本研究所采用的2018和2023年相关统计数据均来源于宁夏回族自治区统计局，包括青铜峡灌区玉米田化肥投入量、玉米田面积及产量等。大气氮素干湿沉降量根据刘晓利^[22]的研究结果，确定为30 kg/(hm²·a)；玉米籽粒和秸秆含氮量均参考马林^[19]的研究，籽粒秸秆含氮量分别为1.35%和0.83%；玉米秸秆谷草比参考牛新胜等^[23]的研究，取值为1.252；化肥氮素不同途径损失系数根据相关研究结果^{[2, 24−26]}确定，损失系数分别为：NH₃ 11.41%，N₂O 0.30%，N₂ 1.00%，淋失系数5.32%，径流和侵蚀系数2.00%。

1.3　Nufer模型及计算方法

1.3.1　Nufer模型边界

本研究以青铜峡灌区“玉米农田”生产系统为研究边界，仅计算灌区内玉米农田中的氮素流动，Nufer模型边界的氮素输入为大气氮沉降和肥料氮素输入；输出为籽粒和秸秆带出氮、气体排放(NH₃、N₂O、N₂等)、氮素径流和侵蚀、氮素淋溶和土壤氮素累积。其他氮素流动过程(如养殖业系统)不纳入本系统内。基于物质守恒原理，玉米田系统内氮素的输入量等于输出量。

1.3.2　玉米农田系统氮素平衡

玉米农田系统的氮素输入总量等于输入系统的化肥氮和大气沉降氮之和，而氮素输出总量由作物吸收带出、环境损失及土壤氮素累积共同构成。

玉米农田系统氮素输入量计算如下：

$ \mathrm{IN}_{ \mathrm{c}} = \mathrm{IN}_{ \mathrm{fer}} +\mathrm{IN}_{ \mathrm{dep}} $

(1)

$ \mathrm{IN}_{ \mathrm{dep}} = \mathrm{A}_{ \mathrm{cul}} \times \mathrm{ R}_{ \mathrm{dep}} $

(2)

式中，IN_c为玉米农田系统氮输入量；IN_fer为化肥氮投入量；IN_dep为氮干湿沉降量；A_cul为玉米种植面积；R_dep为单位面积年氮干湿沉降量。

玉米农田系统氮素输出量计算如下：

$ \mathrm{OUT}_{ \mathrm{c}} = \mathrm{OUT}_{ \mathrm{grain}} +\mathrm{OUT}_{ \mathrm{straw}} +\sum \mathrm{OUT}_{ \mathrm{i}} +\mathrm{OUT}_{ \mathrm{soil}} $

(3)

$ \mathrm{OUT}_{ \mathrm{grain}} = \mathrm{PRO}_{ \mathrm{grain}} \times \mathrm{ N}_{ \mathrm{grain}} $

(4)

$ \mathrm{OUT}_{ \mathrm{straw}} = \mathrm{PRO}_{ \mathrm{grain}} \times \mathrm{ R}_{ \mathrm{straw/grain}} \times \mathrm{ N}_{ \mathrm{straw}} $

(5)

$ \mathrm{OUT}_{{i}} = \mathrm{IN}_{ \mathrm{fer}} \times \mathrm{ F}_{ \mathrm{fer,i}} $

(6)

$ \mathrm{OUT}_{ \mathrm{soil}} = \mathrm{IN}_{ \mathrm{c}} - \mathrm{OUT}_{ \mathrm{grain}} - \mathrm{OUT}_{ \mathrm{straw}} - \sum \mathrm{OUT}_{ {i}} $

(7)

式中，OUT_c为玉米农田系统氮输出量；OUT_grain为籽粒吸收带出的氮量；OUT_straw为秸秆吸收带出的氮量；∑OUT_i为不同形态氮环境损失量之和；OUT_i为第i种途径氮损失量，包括氨挥发、硝酸盐淋溶、径流和侵蚀氮素损失、氧化亚氮排放等；OUT_soil为土壤氮累积量；PRO_grain为籽粒产量；N_grain为籽粒含氮量；R_straw/grain为秸秆和籽粒产量比；N_straw为秸秆含氮量；F_fer,i为化肥氮第i种途径氮排放因子；IN_c为玉米农田系统氮输入量；IN_fer为化肥氮投入量。

1.4　评价指标

玉米农田系统氮肥利用效率(NUEc)计算公式：

$ \mathrm{NUEc=(OUT}_{ \mathrm{grain}} \mathrm{/IN}_{ \mathrm{c}})\times 100\text% $

(8)

氮肥减施潜力(NRP)计算公式：

$ {{\mathrm{NRP}}=(({\mathrm{IN}}_{{\mathrm{c}},{\mathrm{S0}}}-{\mathrm{IN}}_{{\mathrm{c}},{\mathrm{Si}}})/{\mathrm{IN}}_{{\mathrm{c}},{\mathrm{S0}}})\times 100\text% } $

(9)

式中， IN_c,S0为2023年玉米农田系统氮输入量；IN_c,Si为第i个情境(i=1～4)下的氮输入量。

1.4.1　氨挥发阈值的确定

氨挥发是农田氮肥损失的主要途径，当其超过一定阈值后会影响人类健康。因此，根据不同人口密度等级(0～500、500～1000、和>1000人/km²)来划分氨挥发阈值，具体数值根据张晓萌等^[27]的研究结果，分别设定为31、27.5、24 kg/hm²。

1.4.2　径流和淋溶阈值的确定

金欣鹏等^[5]根据欧盟国家硝酸盐脆弱区划分规则、WHO饮用水标准和我国地下水环境标准，将水体硝态氮浓度11.5 mg/L定为养分损失脆弱区划定的阈值，并通过养分流动模型将该阈值转化为单位耕地面积农田的氮素径流和淋溶损失量。阈值定为径流氮为28.3 kg/hm²或淋溶氮为22.6 kg/hm²，大于上述阈值的区域划分为养分损失潜在脆弱区。

根据以上标准，通过计算不同年份、不同区域氮素实际损失量与阈值的比值进行风险分级，比值<1为无风险区，1～2为低风险区，2～3为高风险区。

1.5　情景设置

为进一步探究青铜峡灌区氮肥流失风险，为不考虑氮盈余，计算理想状态下的氮肥减施潜力，设置以下情景：

基线情景(S0)：玉米田系统当前2023年氮素流动特征。

化肥减施情景(S1)：维持当前玉米田系统氮通量，通过减少化肥氮施用，使土壤氮素盈余量降为零。

新型肥料情景(S2)：在S1基础上，通过施用新型肥料提高肥料利用效率，进一步减少化肥施用，同时使土壤氮素盈余量为零。

施肥方式情景(S3)：在S1基础上，通过条施的方式将肥料施入土壤，进一步减少化肥施用，同时使土壤氮素盈余量为零。

灌溉方式情景(S4)：在S1基础上，通过工程节水减少氮素淋溶损失，进一步减少化肥施用，同时保持土壤氮素盈余量为零。

具体计算方法为：在不同情境下根据对应技术措施调整相应参数，其他参数保持不变，使最终土壤氮素盈余为零，反推各情景下的理想氮肥施用量。不同情境下的技术效果如表1所示。

1.6　数据处理与制图

采用Microsoft Office 2019软件进行数据处理，利用ArcGIS 10.2和Origin Pro 2025进行绘图。

2　结果与分析

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2.1　玉米田氮素资源量和需求量

从时间上看，青铜峡灌区玉米田氮素资源总量和需求总量均随年份延后呈上升趋势。2023年灌区玉米田氮素资源总量为6.02万t，较2018年增加1.50万t (图1a，b)，增幅为34.69%；2023年氮素需求总量为4.57万t，较2018年增加1.63万t (图1c，d)，增幅为55.41%。

从空间上看，2018年青铜峡灌区玉米田氮素资源总量为4.47万t (图1a)，排名前三的县区依次为平罗县(1.04万t)、利通区(0.79万t)和青铜峡市(0.60万t)，分别占灌区氮素总资源量的23.21%、17.69%和13.51%。同年氮素需求量为2.94万t (图1c)，排名前三的县区同为平罗县(0.74万t)、利通区(0.59万t)和青铜峡市(0.44万t)，且各县区氮素需求量均小于对应的资源量。2023年青铜峡灌区玉米田氮素资源总量为6.02万t (图1b)，排名前三的县区分别为平罗县(1.41万t)、青铜峡市(1.04万t)和利通区(0.89万t)，分别占总资源量的23.39%、17.27%和14.77%。同期氮素需求量为4.57万t (图1d)，排名前三的县区同为平罗县(1.11万t)、青铜峡市(0.85万t)和利通区(0.80万t)，资源量和需求量相匹配且有盈余。综上，平罗县、利通区和青铜峡市是青铜峡灌区玉米田氮素资源与需求的主要集中区，其氮资源量占全区的55%左右，需求量占全区的60%左右。

2.2　玉米田氮素输入(输出)时空特征和环境排放量

2.2.1　玉米田氮素输入(输出)时空特征

从时间上看，2023年青铜峡灌区玉米田氮素输入(输出)量为6.50万t，较2018年的4.78万t增加1.71万t (图2a，b)，增幅为35.83%。其中，兴庆区输入(输出)量增幅最大，为246.13%，贺兰县次之，为163.78%，其他县区增幅多在13%～36%。尽管部分县区相对增幅较高，但从绝对量变化看，青铜峡市的输入(输出)增加量最大，为0.47万t，平罗县次之，为0.41万t。在氮素输入中，肥料氮素投入占92.96%，大气氮沉降占7.04%；氮素(输出)量中，籽粒带出37.63%，秸秆带出28.97%，土壤氮素积累14.78%，气体排放11.81%，氮素淋溶4.94%，径流和侵蚀1.86% (图3)。

从空间上看，2018年青铜峡灌区玉米田氮素输入(输出)总量为4.78万t (图2a)，其中平罗县、利通区和青铜峡市位列前三，贡献量分别为1.1万t (占比23.21%)、0.85万t (占比17.75%)和0.64万t (占比13.46%)。平罗县氮素投入量最高，是灌区内氮素输入 (输出) 的主要贡献区域。2023年青铜峡灌区氮素输入 (输出) 总量为6.50万t (图2b)，其中平罗县、青铜峡市和利通区位列前三，贡献量分别为1.52万t (占比23.38%)、1.11万t (占比17.16%)和0.96万t (占比14.77%)。综上，平罗县、利通区和青铜峡市3个县区的氮素输入(输出)量占灌区氮素输入(输出)总量的55%左右。

2.2.2　玉米田环境排放量

如图4所示，2018年各个县区玉米田环境排放的氮素总量为53.65～2076.39 t (图4a)，到2023年增加至96.54～2819.41 t (图4b)。其中，两年间平罗县环境排放的氮素总量在11个县区中均属最大值，且2023年环境排放的氮素总量较2018年增加了34.69%。2018年环境排放的氮素总量最小的县区为兴庆区，而2023年变为金凤区；与2018年相比，2023年兴庆区环境排放的氮素总量增加了143%，而金凤区降低了36.81%。环境排放各途径中，最大的是氨挥发(NH₃)，两年的输出总量为30.57～1606.47 t，占环境排放总量的56.98%；其次是淋溶损失，两年输出总量为14.24～748.32 t，占环境排放总量的26.54%；再次是径流和侵蚀损失，两年输出总量为5.36～281.59 t，占环境排放总量的9.99%；而氮气(N₂)和氧化亚氮(N₂O)损失量分别占环境排放总量的4.99%和1.50%。

2.3　阈值分析

2018年和2023年所有县区氨挥发损失风险均较高，而径流和侵蚀损失风险均属无风险等级(图5)。2018年灌区氨挥发损失等级除金凤区为高风险区外(图5a)，其余县区均属于低风险区，损失量为阈值的124%～208%；而氮素淋溶等级中，只有西夏区和青铜峡市贺兰县、金凤区和永宁县等5个县区属于低风险区(图5b)，损失量是阈值的103%～113%，其余县区属于无风险区。2023年所有县区氨挥发损失等级属于低风险(图5d)，损失量是阈值的112%～179%，其中西夏区、金凤区和贺兰县位列前三位；2023年除西夏区氮素淋溶等级属于低风险区外(图5e)，其他10个县区都属于无风险区。

2.4　不同情景环境减排效果及阈值评价

通过情景分析(表2)可知，与当前氮素流动状况(S0)相比，化肥减施(S1)下，各县区减少17.15～177.80 kg/hm²氮肥投入可以使土壤氮盈余降为零，氮肥减施潜力为4.71%～41.22%，其中贺兰县最大；同期氮肥利用效率提高2.36～21.45个百分点，以金凤区与贺兰县提升最高。由于利通区氮盈余为负数，故不纳入上述比较。施用新型肥料情景(S2)下，与S1相比，各县区氮肥减施潜力增加5.19～8.42个百分点，其中惠农区提升最高；氮肥利用效率提高4.80～5.14个百分点，以兴庆区提升最高。在优化施肥方式情景(S3)下，与S1相比，各县区氮肥减施潜力增加2.32～3.75个百分点，其中惠农区提升最高；氮肥利用效率提高2.03～2.17个百分点，以兴庆区和金凤区提升最高。采用工程节水情景(S4)下，与S1相比，各县区氮肥减施潜力增加1.52～2.46个百分点，其中惠农区提升最高；氮肥利用效率提高1.31～1.41个百分点，以兴庆区和金凤区提升最高；2023年S0情境下灌区的氮肥利用率为42.92%，较2018年增加5.72个百分点，较S2降低12.45个百分点。S2情境下，灌区的氮肥利用率和化肥减施潜力最大，分别为55.37%和27.17%。

不同情境下玉米田氮素环境排放量不同，其中S2情境下各个县区环境排放量均最小(图6)。S1情境下(图6a)，灌区环境排放总量为10247.92 t，各县区环境排放总量为57.35～2491.00 t，其中平罗县氮素排放总量最大，占灌区排放总量的24.31%。S2情境下(图6b)，灌区环境排放总量为5725.25 t，较S1降低了44.13%，较S0（2023年）降低了52.50%，各个县区环境排放总量为32.04～1391.66 t。S3情境下(图6c)，灌区环境排放总量为8230.57 t，较S1降低了19.68%，各个县区环境排放总量为46.06～2000.64 t。S4情境下(图6d)，灌区环境排放总量为8922.73 t，较S1降低了12.93%，各个县区环境排放总量为49.94～2168.88 t。NH₃是氮素环境排放的主要途径，占总排放量的54.52%～63.75%，4个情境下NH₃排放量在17.87～1419 t；其次是淋溶损失量，占环境排放总量的17.32%～31.74%，淋溶损失量为5.55～635.09 t；第三位是径流和侵蚀损失量，占环境排放总量的5.97%～16.30%，损失量为2.75～226.80 t。

在S1～S4情景下，所有县区的氮素淋溶等级均是无风险(图7)，且S2情景下的氨挥发损失等级也为无风险(图7c)。S1情境下(图7a)，利通区、青铜峡市、惠农区、平罗县、大武口区、金凤区和西夏区等7个县区氨挥发损失等级为低风险，损失量为阈值的105%～143%；在S3情境下(图7e)，仅利通区和青铜峡市氨挥发损失等级为低风险，损失量分别是阈值的110%和109%，其余县区的氨挥发损失等级均为无风险；在S4情境下(图7g)，利通区2023年灌区的氮肥利用率为42.92%，较2018年增加5.72%。其中，氨挥发是氮肥损失的主要途径，占环境排放总量的56.98%。7个县区仍为低风险区，损失量有所降低，为阈值的103%～139%，其余县区为无风险区。

3　讨论

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3.1　当前青铜峡灌区玉米田系统中氮素流动特征

虽然国家尺度上农田氮肥施用量近年来逐渐降低，但局部地区施肥过量与不足的问题应予以重视^[29]。本研究中，与2018年相比，2023年青铜峡灌区玉米田氮素输入量与输出量均有大幅度提升(图2)。根据2023年宁夏统计年鉴，其提升的主要原因是，在化肥减量增效背景下，青铜峡灌区玉米田平均纯氮施用量由2018年的425.10 kg/hm²降低至2023年的376.77 kg/hm²，降幅为11.37%，但是灌区内的玉米总种植面积却由10.51万hm²增加至15.97万hm²，增加51.97%，为保证玉米产量稳定，氮肥施用总量随种植面积扩大而增加，使得灌区玉米总产量由1235.88 t增加至1920.63 t，增加55.41%。

然而，过量施用氮肥会导致氮肥利用效率降低、农业面源污染加剧和温室气体排放增加等一系列问题^{[3−4, 30]}。为保护生态环境、提高化肥利用效率、实现农业绿色发展，宁夏回族自治区农业农村厅制定了《到2020年宁夏农药化肥使用量零增长行动方案》，并取得了显著效果。宁夏2021年统计年鉴显示，截至2020年宁夏化肥使用量年增长率降至0.3%，肥料利用效率较2015年的35%提升至2020年的40.5%。

随着氮肥施入量的增加，氮素环境排放量也随之增加，与2018年相比，2023年灌区氮素总环境排放量增加了34.69%，其中平罗县排放量最高，紧接着是青铜峡市和利通区(图4)，这与马思琪等^[20]研究结果接近。主要原因与当地以种植业为主，氮肥投入量较高密切相关。在不同氮素环境排放途径中，氨挥发和淋溶均存在超出阈值的情况，其中氨挥发损失最为严重，2018年金凤区属于高风险区，排放量是阈值的208%，存在较大环境风险(图5)。2023年经氮肥减量后，金凤区氨挥发损失等级降为低风险；同时，氮素淋溶风险明显降低，由2018年西夏区、青铜峡市、贺兰县、金凤区和永宁县等5个低风险区，缩减为2023年仅西夏区1个低风险区。

3.2　青铜峡灌区玉米田系统中氮素优化管理途径

众多研究表明，采用科学合理的养分管理措施，可以在节约施氮30%～40%的情况下，保持产量不下降，如采用土壤−作物综合管理^[31]、养分专家系统^[32]、测土配方施肥技术^[33]等。我国普遍存在过量施肥，造成肥料利用效率低、土壤板结和水体富营养化等问题^{[3, 34]}。为降低玉米田氮素投入，提高肥料利用效率，减少环境排放量，我们设置了4个情景进行模拟。结果显示，4个情境下都能有效降低氮素投入量，提高肥料利用效率，减少环境排放量，其中S2情境下灌区玉米田氮素优化效果最好。具体表现为各个县区氮素输入(197.80～354.10 kg/hm²)最少，氮肥减施潜力(6.06%～46.49%)和氮肥利用效率(54.35%～58.14%，表2)最高，并且环境排放量(32.04～1391.66 t，图6)最低，氨挥发及氮素淋溶损失均为无风险(图7)，这与现有研究^[16]结果一致。因此，对于氮素环境排放量较高的县区，应大力推广平衡施肥及新型肥料，同时结合肥料条施及工程节水等技术措施，将氮素环境排放降至无风险水平。

有机替代^[35]、种养结合^[27]和水肥一体化^[36]等技术措施也是提高我国氮肥利用效率的重要措施。Yang等^[37]的2年试验结果显示，30%有机肥替代化肥更有利于提高小麦产量和氮肥利用效率，同步实现环境安全。近年来，我国越来越重视种养结合模式，并针对性制定了《全国农业可持续发展规划(2015—2030年)》。王一莹等^[18]利用NUFER模型，以“农田−畜牧”生产系统为边界研究发现，2020年农安县农牧系统整体氮磷损失较1990年分别减少41%和29%，未来10年氮磷肥减施潜力分别为80%和85%。有Meta分析^[36]表明，水肥一体化和滴灌技术通过改变土壤的物理和化学性质提高养分利用效率(31.3%)、水分利用效率(34.5%)和作物产量(12.5%)。未来还可以通过推广智能化监测系统，结合卫星遥感、气象预测等技术手段，监测土壤、作物和气象状况，智能化决策玉米田水肥管理。

3.3　模型优势和局限

NUFER模型可清晰展示氮素在玉米田系统中的全链条流动，揭示各个环节的损失节点，并利用流动情景模型量化不同管理措施对养分利用效率和环境排放的影响，同时预测环境排放风险，根据结果作出决策，选择优化方案。例如，本研究中，2023年青铜峡灌区玉米田氮素利用效率为42.92%，氨挥发是氮素环境排放的主要形式，通过情景模拟发现，在化肥减量的同时配合新型肥料效果最好，可以使氮肥利用效率提高12.45%，且环境排放量降低一半。本研究只局限于玉米田系统的氮素流动情况，可为宁夏青铜峡灌区玉米田间管理提供针对性指导。

本研究所用参数大多为西北地区通用参数，针对宁夏青铜峡灌区的实际情况可能存在一定偏差。在情景分析中，仅考虑了氮肥减施、新型肥料、施肥方式和工程节水等情境下的减肥增效潜力，未来需要进一步深入探究其他措施及多种措施结合下的减肥增效潜力，优化防控策略。

4　结论

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1)宁夏青铜峡灌区玉米田的氮素输入量在2023年较2018年增加1.71万 t，主要是因为种植面积的增加。2023年灌区的氮肥利用率为42.92%，较2018年增加5.72%。其中，氨挥发是氮肥损失的主要途径，占环境排放总量的56.98%。2023年氨挥发及淋溶环境风险等级均有所降低。

2)在宁夏青铜峡灌区的4个情景模拟中，平衡施肥配合新型肥料情景(S2)最有利于提高氮肥利用效率和氮肥减施潜力，分别为55.37%和27.17%，环境排放量较2023年(S0)降低52.50%。为进一步确保环境安全，可结合工程节水等技术措施，以实现灌区各种形式的氮素环境排放达到零风险的目标。

参考文献

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文献

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2026年第32卷第5期

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doi: 10.11674/zwyf.2025238

接收时间：2025-06-02
首发时间：2026-07-16
出版时间：2026-05-25

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出版历史

收稿日期：2025-06-02
录用日期：2025-10-04

基金

作者信息

¹宁夏农林科学院农业资源与环境研究所，宁夏银川 750002

²西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌 712100

³青铜峡市科学技术局，宁夏吴忠 751600

⁴青铜峡市农业技术和农机化推广服务中心，宁夏吴忠 751600

⁵银川市农业技术推广服务中心，宁夏银川 750002

⁶石嘴山市农业技术推广服务中心，宁夏石嘴山 753000

⁷吴忠市利通区农业技术推广服务中心，宁夏吴忠 751100

通讯作者:

^* 张学军 E-mail: zhxjun2002@163.com

参考文献

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https://castjournals.cast.org.cn/joweb/zwyyyflxb/CN/10.11674/zwyf.2025238

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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TxT

情景 Scenarios	环节 Section	技术 Technique	效果 Effect
S1	施肥量 Fertilizer application rate	化肥减施 Chemical fertilizer reduction	氨挥发减少29.51% Reduce 29.51% of NH₃ emission
S2	肥料产品 Fertilizer products	新型肥料 New-type fertilizer	氨挥发减少40%，氮淋溶减少60% Reduce 40% of NH₃ emission and 60% of N leaching
S3	施肥方式 Fertilization method	条施 Band application	氨挥发减少20%，氮径流减少50% Reduce 20% of NH₃ emission and 50% of N runoff
S4	灌溉 Irrigation	工程节水 Engineering water-saving method	氮淋溶减少40% Reduce 40% of N leaching

情景 Scenarios

环节 Section

技术 Technique

效果 Effect

施肥量
Fertilizer application rate

化肥减施
Chemical fertilizer reduction

氨挥发减少29.51%
Reduce 29.51% of NH₃ emission

肥料产品
Fertilizer products

新型肥料 New-type fertilizer

氨挥发减少40%，氮淋溶减少60%
Reduce 40% of NH₃ emission and 60% of N leaching

施肥方式
Fertilization method

条施 Band application

氨挥发减少20%，氮径流减少50%
Reduce 20% of NH₃ emission and 50% of N runoff

灌溉 Irrigation

工程节水
Engineering water-saving method

氮淋溶减少40%
Reduce 40% of N leaching

县区 Counties	S0			S2			S4
兴庆区 Xingqing	270.00	42.59	216.98	19.64	53.00	197.80	26.74	58.14	208.43	22.81	55.17	211.36	21.72	54.41
金凤区 Jinfeng	372.75	31.39	221.44	40.59	52.84	201.87	45.84	57.96	212.71	42.93	55.01	215.71	42.13	54.25
西夏区 Xixia	430.50	30.46	252.70	41.30	51.90	230.37	46.49	56.93	242.74	43.62	54.02	246.15	42.82	53.27
永宁县 Yongning	337.50	41.25	270.56	19.84	51.45	246.65	26.92	56.44	259.89	23.00	53.56	263.55	21.91	52.82
贺兰县 Helan	420.00	30.60	246.89	41.22	52.05	225.07	46.41	57.10	237.16	43.53	54.19	240.50	42.74	53.44
灵武市 Lingwu	322.50	38.79	239.30	25.80	52.27	218.15	32.36	57.34	229.87	28.72	54.42	233.11	27.72	53.66
平罗县 Pingluo	379.50	44.39	335.30	11.65	50.24	305.66	19.46	55.11	322.08	15.13	52.30	326.61	13.94	51.58
惠农区 Huinong	364.50	47.71	347.35	4.71	50.07	316.65	13.13	54.92	333.66	8.46	52.12	338.36	7.17	51.40
大武口区 Dawukou	363.00	45.80	330.38	8.99	50.32	301.19	17.03	55.20	317.36	12.57	52.38	321.83	11.34	51.66
利通区 Litong	376.95	51.06	388.43		49.55	354.10	6.06	54.35	373.11	1.02	51.58	378.37		50.87
青铜峡市 Qingtongxia	412.50	46.41	386.19	6.38	49.58	352.06	14.65	54.38	370.97	10.07	51.61	376.19	8.80	50.89
青铜峡灌区 Qingtongxiaguanqu	4049.7	42.92	3235.52	20.1	50.48	2949.57	27.17	55.37	3107.98	23.25	52.55	3151.74	22.17	51.82

县区
Counties

N_input
(kg/hm²⁾

NUE_c
(%)

N_input
(kg/hm²⁾

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(kg/hm²⁾

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(kg/hm²)

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N_input
(kg/hm²)

NRP
(%)

NUE_c
(%)

兴庆区
Xingqing

270.00

42.59

216.98

19.64

53.00

197.80

26.74

58.14

208.43

22.81

55.17

211.36

21.72

54.41

金凤区
Jinfeng

372.75

31.39

221.44

40.59

52.84

201.87

45.84

57.96

212.71

42.93

55.01

215.71

42.13

54.25

西夏区
Xixia

430.50

30.46

252.70

41.30

51.90

230.37

46.49

56.93

242.74

43.62

54.02

246.15

42.82

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永宁县
Yongning

337.50

41.25

270.56

19.84

51.45

246.65

26.92

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贺兰县
Helan

420.00

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灵武市
Lingwu

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52.27

218.15

32.36

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平罗县
Pingluo

379.50

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惠农区
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大武口区
Dawukou

363.00

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利通区
Litong

376.95

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49.55

354.10

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青铜峡市
Qingtongxia

412.50

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386.19

6.38

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14.65

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青铜峡灌区
Qingtongxiaguanqu

4049.7

42.92

3235.52

20.1

50.48

2949.57

27.17

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