农田地表径流和地下淋溶是氮素流失的主要途径。第一次全国污染普查公报显示，农业源总氮排放占全国排放总量的57.2%^[1-2]，因此，农田氮素流失已成为治理全国面源污染亟待解决的问题。随着我国农田氮素污染日益严峻，其氮素流失途径研究也受到学者们的广泛关注，大部分研究侧重于地表径流氮素损失，地下淋溶方面因监测困难，仍较为薄弱^[3-4]。Carpenter等^[5]研究表明，淋溶多发生在强降雨或不合理灌溉条件下，溶出的氮磷养分随地下淋溶迁移，造成养分流失从而引发环境污染。其中，铵态氮、硝态氮、亚硝态氮是氮素流失的主要形态，而磷素由于其吸附性强较难发生淋溶迁移^[6]。

东北三省是我国重要的商品粮基地，但在保障粮食安全的刚性需求下，其化肥用量呈现显著增长趋势^[7]。根据吉林、辽宁、黑龙江三省的统计年鉴数据，2005—2015年东北三省的总施肥量从333.24万t增长到485.07万t，增加了46%。化肥的过量施用引发了一系列农业面源污染问题。彭畅等^[7]基于渗漏池方法研究了吉林省玉米田氮素地下淋溶年际间的变化规律，为吉林省农业面源污染治理提供相应参考。研究表明，东北地区已成为农田氮流失和地下水污染的易发区和高发区^[8]。但是，大部分研究采用田间实验法，点位有限，这种单点、局部的研究无法体现区域氮地下淋溶的空间特征。

本文以东北三省为研究区，以市为单位，开展农田化肥地下淋溶氮素流失估算以及污染等级评估研究。东北三省土壤类型以黑土为主，黑土区是我国的粮仓，是我国重要的农业生产基地^[9]。因此，对该区域氮素地下淋溶流失进行等级评估，对防治农业面源污染具有重要意义，有利于保证该区域粮食安全和生态环境可持续。同时，通过污染分级识别重点区域，有助于推行区域化措施，提高面源污染控制效率。

1 材料与方法 1.1 试验区概况

研究区位于我国东北部，地跨吉林、辽宁、黑龙江三省，共有36个市级行政单元（图 1），面积约为7.873×10⁵ km²，海拔平均约为200 m，冬季寒冷漫长，夏季温暖而短促，冬季降雪，蒸发小，气候湿润，低地多沼泽^[10]。东北三省属于大陆性季风气候，四季分明、雨热同期，地形以山地、平原、河流为主，平均年降雨量约为767.5 mm。根据《中国统计年鉴》，2013年东北三省的耕地面积为2.786×10⁷ hm²，约为全国总耕地面积的11.11%，主要的种植制度为大田一熟。农业生产活动较多，主要种植的农作物有水稻、玉米、大豆等。

1.2 数据资料

本研究的基础数据资料主要包括市级行政单元划分、农作物播种面积、市级化肥折纯量、省级化肥施用数据、地下淋溶流失系数^[11]。主要数据及来源见表 1。

1.3 研究方法 1.3.1 化肥施用量及施用强度的估算方法

本文选取了数据相对完善、年份较近的2013年数据进行化肥施用的空间分布特征分析，由于数据的不完整性，采用估算的方法对缺失数据进行插补，具体估算方法参考文献[14]。农田氮肥的总施用量包括单一元素肥料和复合肥中氮素有效成分之和。复合肥中氮磷钾有效成分采用通用型化肥比例15:15:15进行计算^[12]，即：

(1)

化肥施用强度表示为单位农作物播种面积的年化肥施用量，相对于化肥施用总量更能直观地反映一个地区的化肥施用状况。氮肥施用强度计算公式：

(2)

1.3.2 农田化肥氮地下淋溶流失量计算

以农业部《全国农业面源污染流失系数手册》 ^[13]中的农田氮地下淋溶流失系数为基础，采用加权平均法，测算各个市级行政单元的氮地下淋溶流失系数，具体计算公式如下：

(3)

式中：β_i为某类种植模式面积占该市农作物总播种面积的比例，%；μ_i为该类种植模式农田肥料氮地下淋溶流失系数；μ为该市的农田化肥氮地下淋溶流失系数。

其中《全国农业面源污染流失系数手册》 ^[13]不同种植模式农田肥料氮流失系数通过大量田间原位监测，按以下公式测算：

(4)

式中：RL为常规处理下，即常规施肥状态下农田氮地下淋溶流失量，kg；CK为对照处理农田氮地下淋溶的流失量，kg；FA为氮肥的施用量，kg。因此，农田肥料氮的流失量可由流失系数与氮肥施用量相乘获得。

1.3.3 等级划分标准与方法

对于氮肥施用强度的划分，根据农业部相关数据划定标准。对于氮素地下淋溶流失量及氮素地下淋溶流失强度的等级划分，目前并没有统一标准。为了更好地表现区域的空间差异，利用GIS中的Jenks自然最佳断裂点分级方法对其进行等级评估，该方法是一种不等值分级方法，以数据分布的自然裂点作为分级的依据，基于让各级别中的变异总和达到最小的原则来确定分级点，其特征就是类内差异最小，而类间差异最大^[15]，对于氮肥施用量同样采取该方法，具体划分标准如表 2所示。

2 结果与讨论 2.1 化肥施用的时空分布特征 2.1.1 化肥施用的时间变化特征

东北三省2005—2015年的化肥施用趋势如图 2所示。总体来看，黑龙江省、吉林省、辽宁省以及东北三省总体的化肥施用量均呈现上升趋势，但波动较小。黑龙江省、吉林省、辽宁省化肥施用总量范围分别是127.831~212.702、104.743~154.378、100.666~117.991万t，其中，黑龙江省的化肥施用总量是三省中最高的，约占总数的41.96%，主要原因是黑龙江省为我国的农业大省，也是东北三省中的粮食大户；东北三省的总施肥量从2005年的333.240万t上升至2015年的485.070万t，增长幅度达45.56%，表明近10年来东北三省化肥施用量显著提升，由化肥过量施用造成的水质恶化以及富营养化等环境问题也日益显现^[16]。从肥料结构来看，黑龙江、吉林、辽宁三省的氮肥施用量分别约占施肥总量的41.96%、62.69%、66.22%，表明吉林省和辽宁省的氮肥施用占比相较黑龙江省要高，主要原因是吉林省和辽宁省的玉米产量较高，而玉米是需氮量较高的粮食作物。

2.1.2 氮肥施用的空间分布特征

东北地区共有36个市级行政单元，2013年各市的氮肥施用量和施用强度的空间分布如图 3所示。从氮肥施用量来看，东北地区中部氮肥施用量最高，从中部向外呈现递减的趋势。原因在于，根据粮食作物区域配方与作物施肥建议中对小麦、玉米、水稻三大粮食作物施氮量建议，玉米是需氮量最高的作物，其次是水稻和小麦。结合中国省级统计年鉴中东北三省三大粮食作物产量的统计，2013年吉林省玉米产量占三者总和的83.11%，占比最高，其次是辽宁省，黑龙江省占比最低，这和氮肥施用总量的空间特征基本一致。

从氮肥施用强度上来看，七台河市处于黑龙江省氮肥施用强度的最高水平，吉林省中部地区处于该省氮肥施用强度的最高水平，按照高低依次排序为：通化市>吉林市>辽源市>长春市>四平市；吉林省其他地区的氮肥施用强度处于较高水平或中等水平。从整体上来看，吉林省氮肥施用强度高于其他两省，同时吉林省的农田面积也低于其他两省。在保障粮食产量的需求下吉林省化肥施用量显著上升，导致单位面积上氮肥施用呈现增长趋势^[17]。辽宁省的南方地区除营口市处于高化肥施用强度外，大部分地区氮肥施用强度处于中等水平，其化肥施用管理也需要得到相应的重视，尽量做到合理施肥。此外，黑龙江省整体上氮肥施用量及施用强度较低，其中，黑龙江省大兴安岭地区的2013年氮肥施用量仅为0.329 8万t，这与大兴安岭原始森林占地面积较多有关。综上所述，从整体上来看，东北三省氮肥施用强度呈现明显的区域性分布特征，化肥施用强度较高的区域集中在吉林省。

2.2 农田化肥氮地下淋溶流失特征

根据《全国农田面源污染排放系数手册》中的地下淋溶氮流失系数^[13]，对2013年东北三省的氮地下流失量进行估算，计算结果如图 4所示。东北地区化肥氮地下淋溶流失总量为7.179 2×10³ t，其中最高等级氮流失量约占总量的46.58%。对于化肥氮地下淋溶强度，东北地区的平均值为0.314 4 kg·hm^-2·a^-1。根据彭畅等^[7]的地下淋溶监测结果，东北玉米土壤氮素淋溶强度为4.53~7.17 kg·hm^-2·a^-1，其中农田本底氮素流失70%以上，而本研究计算的东北地区化肥氮地下淋溶约占其结果的6%，计算结果相对偏小。可能因为是氮地下淋溶与降雨、施肥以及种植类型等多因素相关，本研究仅探讨了农田化肥的氮素地下淋溶量，未考虑农田本底氮素，东北地区多年施肥导致土壤存留大量氮素，具有长期过量施肥产生的累积影响。同时本研究只对当年的施肥量进行了估算，彭畅等^[7]的研究对2010—2013年的玉米氮素地下淋溶量都进行了研究，不同年份下的肥料投入和降雨情况均有不同。同时，其采样点的主要种植模式为春玉米一年一季连作，以往研究表明，玉米的土壤氮素淋溶强度处于较高水平^[8]，在东北的各个作物中玉米的氮素淋溶强度最大；而本研究考虑了多种作物的氮地下淋溶，因此估算结果较小，这也从侧面表明基于特定作物类型的地下淋溶估算可能会造成一定的高估现象。

从空间分布来看，2013年东北三省地下淋溶氮流失量的范围在0.1~1 402.4 t内。其中吉林省中部地区拥有3个处于高流失量的市级行政单元，其排序依次为长春市（1.402 4×10³ t）>四平市（1.007 3×10³ t）>松原市（9.344×10² t）。可以看出吉林省氮地下淋溶量比其他两省高，主要原因在于施肥量是影响氮素地下淋溶量的直接因素^[18]，而长春市、四平市、松原市都具有最高水平的施肥量。对比不同种植模式的氮地下淋溶流失系数可知，玉米的氮地下淋溶流失系数高于其他大田作物；吉林省的玉米产量约1600万t，玉米单产水平、人均占有量、商品率及出口量均居全国首位^[7]。而吉林省的白城市和黑龙江省的绥化市、齐齐哈尔市、哈尔滨市也属于氮地下淋溶的较高流失区。黑龙江、吉林、辽宁三省的氮地下淋溶强度分别为0.179 8、0.539 1、0.295 1 kg·hm^-2·a^-1，吉林省氮地下淋溶流失强度明显高于其他两省，这是因为2013年吉林省的化肥施用量是三省中最高且该省年降雨充沛。黑龙江省的七台河市，吉林省的四平市、长春市、松原市和辽源市处于氮地下淋溶流失强度的最高等级区，氮地下淋溶流失强度分别为1.360 3、1.100 1、1.043、0.772 0、0.738 8 kg·hm^-2·a^-1，远远高于东北三省氮地下淋溶流失强度的平均水平。吉林省的白城市和吉林市均为较高流失强度区域，辽宁省的大部分地区也处于较高流失等级，而黑龙江省大部分区域氮地下淋溶等级较低。总体来看，研究区氮地下淋溶流失强度处于低级的居多。综上所述，吉林省的长春市、四平市和松原市不仅具有较高的流失量，同样具有较高的流失强度；同时，研究区虽然大部分区域氮流失强度较低，但部分省市流失量仍处于较高水平，因此东北地区的氮地下淋溶流失应受到关注。

从整体结果来看，东北三省大部分地区的氮肥施用强度与氮地下淋溶流失紧密相关，因此防治氮地下淋溶流失的关键在于严格把控化肥施用。对于控制氮肥过量施用，提出以下建议：①对于化肥施用量及化肥施用强度均较高的城市，例如吉林省的长春市、四平市和松原市，建议对整体的施肥方案进行规划，严防过量施肥，同时可适当调整化肥中的磷、钾比例，以提高氮肥的利用率；②对于其氮肥施用量较高但氮肥施用强度处于较低等级的城市，建议重点区域重点施肥，推广测土施肥、配方施肥技术，合理施用化肥^[19]；③对于东北地区的中心城市，例如哈尔滨市，是黑龙江省的政治、经济、文化中心，包括市辖8区10县（市），大部分的农业生产集中于周边农区，应进行相应规划，对其肥料施用采取强制措施，减少农业面源污染，在进行农业生产的同时，维护中心城市的环境^[18]；④对于种植玉米的农田，因东北地区雨热同期，在玉米拔节期、追肥期的的雨季应严格控制肥料施用，并避免雨前施肥。

3 结论

本研究以东北三省（黑龙江、吉林、辽宁）的36个市级行政单元为研究对象，分析了其化肥施用及其氮地下淋溶量、流失强度的空间分布，并利用Jenks自然最佳断裂点分级方法识别了氮地下淋溶的重点区域。

本研究结果表明，东北地区近10年化肥施用量呈现显著上升趋势，氮地下淋溶流失强度的平均值为0.314 4 kg·hm^-2·a^-1。从空间特征来看，吉林省部分地区为化肥施用最严重的地区，具有较高的氮地下淋溶流失量及流失强度；而黑龙江省除部分地区外，氮地下淋溶流失量及流失强度均处于较低水平，氮肥施用量与氮地下淋溶流失量紧密相关，因此防治农田氮素地下淋溶污染的关键在于化肥的合理施用。