农业面源污染日益严重，为改善这一现状， 2015 年，农业部先后制定和发布了《到 2020 年化肥使用量零增长行动方案》和《关于打好农业面源污染防治攻坚战的实施意见》，加强农业面源污染的治理。2017 年“中央一号”文件进一步提出 “深入推进化肥零增长行动，开展有机肥替代化肥试点，促进农业节本增效”的要求。同时，大量学者针对氮素面源污染的发生机理、产生过程等也进行了深入的研究，并针对性地提出了有机肥替代化肥、新型肥料施用、水肥一体化、缓控释肥一次性深施等面源污染防控技术^[1-4]。但在实际应用过程中各地区由于气候、种植的作物体系、土壤的水热条件的不同，这些防治技术的效果有很大的差异，因此，在农业面源污染防治中，必须针对区域特点优选适用的技术。

农业面源污染防治技术效果评价涉及环境效益、经济效益、社会效益等多方面的指标，有些指标较难定量确定，同时采用传统的方差分析法对单一技术参数进行差异性分析，在实际的应用过程中也会经常出现经济、环境、社会效益不相统一的问题。因此，构建合理的氮素面源污染防治技术综合评价指标体系及方法迫在眉睫。层次-灰色关联法将层次分析法的系统性、简洁实用性和所需定量数据信息较少的优点，与灰色关联法计算量较小、与定性分析结果吻合度高的优点相结合，能为面源污染防治技术效果的综合评价构建科学评价指标和技术体系^[5-6]。而当前层次分析及灰色关联法在安全和环境研究的多个领域应用较为广泛^[7-9]，而在面源污染防治技术效果的评价中应用相对较少，且也主要针对湖泊等流域面源污染治理的工程防治措施上^[10]，针对农田面源污染防治技术效果的评价则较为少见。

内蒙古河套灌区毗邻黄河，水源丰富，光热资源充足，是内蒙古乃至全国的重要粮食生产基地。河套灌区粮食增产约有 40% 的贡献率来自于氮肥的施用，当地有着“无化肥不农业”的传统思维^[11]。然而，由于种植户对作物氮素养分吸收规律的认识不足，片面追求高产，氮肥的用量往往超过作物的吸收量（即过量施肥），未被作物吸收利用的氮素通过径流、淋洗以及气态等途径迁移到环境中去，不仅会导致作物产量与品质的降低、资源的浪费、成本的增加，还会因为氮素向地下水、大气等的迁移而引起一系列的环境问题，造成区域面源污染的发生^[12-16]。为此，本文在对河套灌区常用氮素面源污染防治技术经济效益、生产效果和社会效益评价的基础上，通过层次-灰色关联法对不同氮素面源污染防治技术进行综合评价，从而筛选出适宜于河套灌区的面源污染防治技术，实现区域农业的可持续发展。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

试验区位于内蒙古河套平原腹地五原县 （107°35′～108°37′ E，40°46′～41°16′ N）。年平均降水量 177 mm，年蒸发量 2039.2 mm。气候属于中温带大陆性气候，本地年日照时数 1813.9 h，年平均气温 6.1℃，≥10℃积温 3362.5℃，无霜期 117～136 d。

1.2 玉米主产区农田常用氮素面源污染综合防治技术简介

1.2.1 滴灌减量施肥技术

滴灌减量施肥技术播种前在田间进行滴灌设备的安装和铺设工作。春播前采集耕层土壤样品进行监测分析，了解土壤基本养分供应能力，根据目标产量下玉米养分吸收量，确定氮肥施用总量。氮肥施用时间分别在播种前、小喇叭口期、大喇叭口期、灌浆期时进行，施肥比例为 3∶3∶3∶1。

1.2.2 有机肥替代化肥技术

有机无机配施区在将田间氮肥用量由传统施肥模式下 N 364～384 kg·hm^-2 优化为 N 300 kg·hm^-2，并确定有机肥替代化肥比例为 20%～30%，全部作为基肥施用，折合当季纯氮施用量为 N 60～90 kg·hm^-2。需要补充施用化肥量为 N 210～240 kg·hm^-2，其中将化肥用量的 30% 用于基肥，70% 用于追施。其余农田管理措施皆为当地常规管理模式。

1.2.3 综合优化施肥技术（有机肥替代化肥 + 新型肥料施用）

播前采集耕层土壤样品进行监测分析，了解土壤基本养分供应能力，根据目标产量下玉米养分吸收量，确定氮肥施用总量。选用合适配比的有机无机复混肥作为基肥，保证磷钾肥投入的基础上，将 30% 的氮肥作为基肥施入。在玉米的小喇叭口期 6～8 叶追施氮肥总量的 70%，肥料类型为增效尿素。其余农田管理措施皆为当地常规管理模式。

1.3 田间试验

为了探讨和评价不同面源污染防治技术在河套灌区玉米田上的应用效果，在内蒙古巴彦淖尔市五原县永利村选择地力均匀、地势平坦、灌排条件完善的地块，开展大区试验，并对试验结果进行评价，从而为今后大面积推广应用提供科学依据。具体试验设计见表1。

1.4 面源污染防治技术效果评价

1.4.1 环境效益评价

通过不同技术模式下氮肥偏生产力及土壤硝态氮淋失量对不同面源污染防治技术模式环境效益进行评价。

硝态氮淋失负荷削减量：分别在不同试验处理随机选择三处地块埋入淋溶桶，桶距地面 90 cm，用于收集地表淋溶水。定期抽取淋溶桶中的淋溶水，并记录淋溶水的总体积，混匀后取部分淋溶水带回实验室，用 FIAstax5000 流动分析仪测定淋溶水中硝态氮浓度，并与传统施肥模式相比，通过以下公式计算硝态氮淋失负荷消减量：

$D=\frac{F_1-F_2}{F_1}\times 100\mathrm{\%}$

式中，D 为不同面源污染防治技术硝态氮淋失消减比（%）；F₁ 为农户传统施肥模式下硝态氮流失通量；F₂ 为不同面源污染防治技术下硝态氮流失通量。

氮肥利用率（%）＝（施氮素处理植株地上部分吸氮量－氮素空白处理植株地上部分吸氮量）/ 施用氮素总量 ×100

1.4.2 生产效果评价

通过对比不同技术模式下玉米产量及化学肥料、有机肥、滴灌带等投入成本来评价不同面源污染防治技术的生产效果。

各个模式产量数据来源于玉米收获实际数据，化肥、有机肥、滴灌带等成本数据根据用量及价格进行计算。

1.4.3 社会效益评价

不同面源污染防治技术的社会效益主要通过不同技术模式与区域内国家政策的匹配程度、愿意采用新技术的农民比例和农民对技术的掌握程度 3 个指标进行评价。首先，将上述 3 个指标设计成权重调查表，征询专家的意见，对不同面源污染防治技术与区域内国家政策的匹配程度按照 81～100 分为优，61～80 分为良，41～60 分为中，21～40 分为较差，0～20 分为差进行打分；同时，开展问卷调查，对示范区内农民愿意采用新技术的农民的比例按照 81%～100%、61%～80%、 41%～60%、21%～40%、0%～20% 5 个层次进行统计分析；农民对技术的掌握程度按照 81～100 分为比较熟悉，61～80 分为熟悉，41～60 分为一般，21～40 分为不熟悉，0～20 分为不了解进行打分。

1.4.4 面源污染防治技术防治效果综合评价

1.4.4.1 面源污染防治技术指标体系的构建

根据层次分析法的科学性可操作性原则、代表性原则、系统性原则和易获取性原则建立氮素面源污染治理效果评价体系见表2，其中每个分指标层如表2 所示。

1.4.4.2 指标权重的确定

层次分析法是定性和定量相结合、层次化和系统化的分析法，其主要赋权步骤如下：

（1）构建判断矩阵，依 Saaty 1～9 比率标度法，通过指标因素间两两比较构建判断矩阵 A-B_i、 B₁-C_i、B₂-C_i、B₃-C_i ^[17]，见表3。

（2）层次单排序：根据判断矩阵计算对上层某元素或本层与之有联系的元素重要次序的权值，是本层元素对上层元素进行重要性排序的基础。应用求和法计算目标层和 3 个准则层指标（A，B₁，B₂，B₃）的特征向量与特征根，进行层次单排序及一致性检验。

指标层对目标层权向量计算，依据层次总排序计算法，指标层对目标层权向量：

$W=w\times w_i$

式中，w 为准则层对目标层的权向量，w_i 为指标层对准则层的权向量。

一致性检验：由于对因素进行两两比较时有可能会出现自相矛盾的现象，因此在进行层次单排序时为了避免出现这种现象，必须检验一致性。检验的步骤如下：

a. 计算一致性指标 CI：

$\left.CI=\frac{{\lambda }_{max}-n}{n-1}\text{（}\mathrm{n}\text{为判断矩阵的阶数}\right)$

b. 定义随机一致性指标均值 RI：

对 n =3～9 阶，经过计算，可以分别得出它们的 RI，考虑到 1、2 阶判断矩阵总有完全一致性，其 RI 的数值自然为 0。

c. 计算一致性比率 CR：

$CR=\frac{CI}{RI}$

对于 n>3 的判断矩阵 A，将计算得到的 CI 与同阶（指 n 相同）的 RI 相比，两个的比值即为 CR，当比值小于或者等于 0.1 时认为 A 的不一致程度在容许范围之内，则表示通过检验；当比值大于 0.1 时，则判断矩阵没有通过一致性检验，就需要对判断矩阵作适当的修正并继续检验直至通过。

1.4.4.3 构建灰色关联数学模型

假设有 m 个氮素面源污染防治技术，记为 A；每个面源防治技术包括 n 个评价指标，记为 a_j （j=1，2，3···n），在进行面源污染技术灰色关联分析时，添加反映技术优劣度的理想方案，记为 a₀=（a₀₁，a₀₂，a₀₃···a_0n），构成矩阵，记为$\overline{\mathrm{A}}$。

$A=\left[\begin{array}{cccc}{a}_{11}& a_{21}& \cdots & a_{1n}\\ a_{21}& \cdots & \cdots & a_{2n}\\ ⋮& \cdots & \cdots & ⋮\\ a_{m1}& \cdots & \cdots & a_{mn}\end{array}\right]\overline{\mathrm{A}}=\left[\begin{array}{cccc}{a}_{11}& a_{21}& \cdots & a_{1n}\\ a_{21}& \cdots & \cdots & a_{2n}\\ ⋮& \cdots & \cdots & ⋮\\ a_{m1}& \cdots & \cdots & a_{mn}\\ a_{01}& a_{02}& \cdots & a_{0n}\end{array}\right]$

为将 A 转化为规范的矩阵 S，需进行无量纲化处理，以消除量纲不同对结果的影响。

$S=\left[\begin{array}{cccc}{s}_{11}& s_{21}& \cdots & s_{1n}\\ s_{21}& \cdots & \cdots & s_{2n}\\ ⋮& \cdots & \cdots & ⋮\\ s_{m1}& \cdots & \cdots & s_{mn}\\ s_{01}& s_{02}& \cdots & s_{0n}\end{array}\right]$

1.4.4.4 确定灰色关联系数

决策矩阵中 Si 元素关联系数，ε_ij 的计算如下：

${\epsilon }_{ij}=\frac{\underset{i}{min}\left[\underset{j}{min}\left(s_{oj}-s_{ij}\right)\right]+\rho \underset{i}{max}\left[\underset{j}{max}\left(s_{oj}-s_{ij}\right)\right]}{\left(s_{oj}-s_{ij}\right)+\underset{i}{max}\left[\underset{j}{max}\left(s_{oj}-s_{ij}\right)\right]}$

ρ为分辨系数，等于 0.5，关联系数采用矩阵表示记为 εi；如下计算关联度：

${\epsilon }_i=\left[\begin{array}{cccc}{\epsilon }_{11}& {\epsilon }_{21}& \cdots & {\epsilon }_{1n}\\ {\epsilon }_{21}& \cdots & \cdots & {\epsilon }_{2n}\\ ⋮& \cdots & \cdots & ⋮\\ {\epsilon }_{m1}& \cdots & \cdots & {\epsilon }_{mn}\end{array}\right]$

通过灰色关联系数的大小，对不同面源污染阻控技术进行综合评价。

1.5 数据分析与整理

所有数据经 Excel 2010 进行预整理和作图，利用 SPSS 26.0 进行指标的权重计算，一致性检验，关联系数以及综合关联度的计算。

2 结果与分析

2.1 不同面源污染防治技术的环境效应评价

与农户常规施肥模式相比，2019 年滴灌减量施肥（D）、有机肥替代化肥（F）以及综合优化施肥（OPT）氮肥利用率分别增加了 56.61%、14.38% 和 163.33%；2020 年 D、F 以及 OPT 技术氮肥利用率分别增加了 92.51%、37.68% 和 136.24% （图1）。两年田间试验均以 OPT 技术模式下氮肥利用率最高。

从图2 可以看出，2019 年 D、F 以及 OPT 技术模式下氮流失负荷削减量分别为 56.80%、46.68% 和 50.14%，2020 年 D、F 以及 OPT 技术模式下氮流失负荷削减量分别为 29.60%、4.19% 和 22.17%。两年田间试验中 D 技术模式下氮流失负荷削减量均最高。

注：不同小写字母代表相同年份不同处理间差异显著（P<0.05）。下同。

2.2 不同面源污染防治技术的生产效果评价

与农户常规施肥模式相比，2019 年 D、OPT 技术模式下玉米产量分别增加了 6.48%、31.16%，F 技术模式下玉米产量下降了 2.79%；2020 年 OPT 和 F 技术模式下玉米产量分别增加了 9.91% 和 4.60%，D 技术模式下玉米产量下降了 2.29% （图3）。两年田间试验中均以 OPT 技术模式下玉米产量最高。

根据肥料等的市场价格，按照尿素 2.2 元 / kg、增效尿素 3.4 元 /kg、有机肥（当地养殖场农家肥）200 元 /t、滴灌带 1500 元 /hm²、氯化钾 3.6 元 /kg、磷酸二铵 4.0 元 /kg、过磷酸钙 2.6 元 /kg、复合肥 3.6 元 /kg、有机无机复混肥 2.3 元 /kg 计算成本。由于有机肥、滴灌带等的投入相对较高，导致与农户常规施肥模式相比，2019 年 D 和 F 技术模式下肥料、滴灌带、有机肥等必要的生产资料成本分别增加了 73.62% 和 186.0%，2020 年分别增加了 62.22% 和 124.43%；OPT 技术模式下 2019 和 2020 年必要的生产成本分别下降了 10.61% 和 32.94% （图4）。

2.3 不同面源污染防治技术的可操作性、可复制性评价

由于近年来国家和自治区对面源污染的重视，不同的技术模式与当地的相关政策均有很好的匹配（表4）。其中 F 技术充分考虑了农业废弃物的再利用，因此与当地的政策匹配度更高，但由于有机肥需要一定的成本投入，因此在 2019 和 2020 年分别有 53.3% 和 50.3% 的农户愿意采用此技术。D 技术由于操作相对比较麻烦，需要农户投入更多的精力，同时，D 技术需要一定的设备投资，增加了农民的种植成本，因此愿意采用此项技术的农户也相对较少，仅有 60% 左右，并且对此项技术的掌握程度较差。由于 OPT 技术操作简单，因此有更多的农户（90% 以上）愿意采用此项技术并且掌握程度较高。综合区域内国家政策匹配程度、采用新技术的农民比例和农民对技术掌握的程度三点来看 OPT 优于 F 优于 D。

2.4 不同面源污染防治技术的综合评价

面源污染控制技术的筛选需综合考虑生产效果、环境效应和技术的可操作性、可复制性，而不同的技术模式下其生产效果、环境效应和技术的可操作性、可复制性有很大的差异，因此，需要对不同的面源污染防控技术进行综合评价。

根据层次分析法，运用求和法、层次总排序计算法计算得出组合权重结果见表5。

结合河套灌区玉米田氮素面源污染防治技术的试验研究，收集调查结果并结合现有试验资料，对 OPT、F 以及 D 技术模式的各项评价指标见表6。

运用灰色关联分析法，在将氮素面源污染控制技术方案记为 A；每个技术进行灰色关联分析时包括 7 个指标，再引入能反映技术优劣度的理想方案建立最终关联矩阵 a₀=（60.00，50.00，1500.00， 18.00，100.00，100.00，100.00），计算综合关联度。

从表7 可以看出，根据各个防治技术的综合评价值可以看出，OPT 技术模式 2019 和 2020 年综合评价值分别为 0.8149 和 0.7149，均为最高。同时由于 OPT 技术模式能够有效地提高氮肥利用效率和削减氮淋失量，提高玉米产量、降低生产成本，且该技术模式操作简单、农民掌握难度较低，因此有较大的意愿在生产实践中进行应用，导致不管是 2019 年还是 2020 年 OPT 的环境效益、生产效果以及技术可操作性、可复制性的评价值均最高。

3 讨论

3.1 不同面源污染防治技术的环境效应评价

与传统农户施肥模式相比，不同面源污染防控技术的实施能够有效降低氮素流失，提高氮肥利用效率。本研究结果也表明，滴灌减量施肥技术下，两年氮素淋失平均削减了 43.2%，氮肥利用率平均提高了 74.56%。这主要是由于滴灌减量施肥技术能够根据玉米水肥需求规律，在保证植物需水的同时，及时补充了植物生长所需营养^[18]，有效控制水量减少了氮素的淋溶损失，而且能够增加植株氮素吸收转运，并能够增强玉米花后氮代谢酶活性和保持花后氮素光合生产能力^[19]，从而明显增加了氮肥利用效率。有机肥替代化肥技术能够充分利用有机肥对土壤的改良作用，提高了土壤对养分和水分的蓄持能力，并为植物创造了良好的生长环境，增强了土壤微生物的活性，对养分进行调控周转^[20]。李磊等^[21]研究发现植株氮素积累量与土壤理化指标等相关性显著，有机肥氮替代化肥氮能够有效改善土壤理化性质，从而显著提高玉米氮素利用效率。本研究也证实了有机肥替代化肥技术平均能够减少 25.44% 的氮素损失，氮肥利用率平均提高了 26.03%。新型肥料的施用也是有效防控面源污染发生的技术之一。脲酶抑制剂和硝化抑制剂的添加可延缓土壤氮素转化，减少施肥后土壤氮素的损失，在较长的时间内维持土壤矿质态氮稳定，从而达到降低土壤活性氮对环境的负面效应、提高氮肥利用效率的目的^[22]。本研究优选了目前常用的新型肥料并结合有机肥替代施用技术，组成了适宜于当地的面源污染综合优化施肥技术。综合优化施肥技术充分利用有机物料对土壤的改良及促进养分吸收的优势，并结合增效尿素对尿素水解的延缓作用，因此能够有效地抑制氮素的淋溶损失并提高氮肥的利用效率^[23-24]。该技术模式下两年平均评价值达到 0.7500，优于滴灌减量施肥和有机肥替代化肥单项技术模式。

3.2 不同面源污染防治技术的生产效果评价

除了环境效益外，不同面源污染防治技术能否维持或者提高作物产量也是必须考虑的指标。两年的田间试验证明，有机肥替代化肥技术和滴灌减量施肥技术分别在 2019 和 2020 年玉米产量有所降低，但差异并不显著，综合优化施肥技术在两年均显著提高了玉米产量，平均增幅达到 20.54%，表明不同面源污染防治技术均能维持或者增加作物产量。这与已有的研究结果相一致^[25-26]。但与传统施肥模式相比，有机肥替代化肥技术和滴灌减量施肥技术需要投入有机肥、滴灌带等必要的生产资料，其生产成本分别增加了 155.22% 和 67.92%。而综合优化施肥技术依托当地大型养殖业，其生产的有机无机复混肥成本相对较低。虽然在生产中运用了增效尿素，但由于减少了氮肥的投入，因此该技术模式下，生产成本平均降低了 21.78%。生产效果评价结果也表明综合优化施肥技术具有最优的评价值，平均为 0.7290。

3.3 不同面源污染防治技术的可操作性、可复制性评价

有机肥代替化肥技术充分考虑了农业废弃物的再利用，因此与当地的政策配度更高，但由于其成本较高，愿意采用该技术的农户比例不高，仅为 50.3%～53.3%。滴灌减量施肥技术要求相对较高，滴灌系统的成本也高，因此能够熟练使用该技术的农户比例仅为 57.7%～65.4%，且该技术需要投资建设配套的滴灌系统，加大了农户的投入，愿意采取该项技术的农户比例也相对较低。综合优化施肥技术相对于其他两个技术具有更高的可操作性、可复制性，评价值达到 0.9688。该技术模式对农户常规施肥的肥料品种进行优化，基肥采用有机无机复混肥，追肥优化为增效氮素，该技术模式并未过多地改变农户的施肥习惯，且技术操作简单，更易于被农户操作，因此有更多的农户愿意采用此项掌握熟悉程度较高的技术。

3.4 不同面源污染防治技术的综合评价

在综合评价排序表中综合优化施肥技术最优，综合评价值平均为 0.7649，且在环境效益、生产效果以及技术的可操作性性和可操作性上均显著由于滴灌减量施肥技术和有机肥替代化肥技术。这不仅表明该技术模式能够有效降低环境污染的同时，还能降低生产成本投入和提高作物产量，且该技术具有较高的操作性和可复制性，能够在该区域进行大面积的推广应用。因此，应建立政府、企业、农户的三级联动机制，通过由上而下的培训与推广，由下而上的反馈机制，并进一步进行优化集成，最终实现该地区农业的可持续发展。

4 结论

与传统施肥相比，不同面源污染防治技术均不同程度地降低了氮素流失并提高了氮肥利用率，其中综合优化施肥技术硝态氮淋失负荷平均削减 43.2%，氮肥利用率平均提高 149.79%，单项评价值平均为 0.7500。不同面源污染防治技术能够维持或增加玉米产量，其中滴灌减量施肥技术和有机肥替代化肥技术增加了必要资料的生产投入，综合优化施肥技术生产成本平均降低了 21.78%，玉米产量平均增加 20.54%，单项评价值为 0.7290。由于综合优化施肥技术操作简单，因此有 93.3%～97.3% 的农户愿意采用此项技术， 95.5%～97.5% 的农户对该项技术较为熟悉，同时该项技术与当地政策的匹配程度居中，评分为 85～88 分，单项评分为 0.9688，优于滴灌减量施肥技术和有机肥替代化肥技术。由层次-灰色关联法计算得出综合优化施肥技术综合评价值最高，平均为 0.7649，优于有机无机配施技术（0.5543）和滴灌减量施肥技术（0.6020），适宜于在河套灌区面源污染防治过程中大力推广应用。

参考文献