南方典型水稻灌區(qū)肥藥及廢棄物空間變異規(guī)律

于海蛟，趙樹君，崔遠(yuǎn)來，杜秀文，張紹強，鄭傳舉

(1.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，武漢 430072；2.中國灌溉排水發(fā)展中心，北京 100083；3.湖北省樊口電排站管理處，湖北 鄂州 436001

0 引 言

水稻是我國最重要的糧食作物之一，種植面積達到3 000萬hm2左右，居世界第二位，總產(chǎn)量2.04億t, 居世界第一位[1]。水稻生產(chǎn)在我國糧食安全、抗擊自然災(zāi)害、提高地力、防止水土流失以及與環(huán)境友好等方面具有不可替代的作用[2]。南方稻區(qū)約占我國水稻播種面積的94%，其中長江流域水稻面積已占全國的65.70%，北方稻作面積約占全國的6%[3,4]。水稻不僅耗水量大，也是耗肥最多、施用農(nóng)藥較多的糧食作物，化肥的不合理使用導(dǎo)致養(yǎng)分損失嚴(yán)重，肥料利用率較低，水稻生產(chǎn)潛力和土壤等自然資源效率得不到應(yīng)有的發(fā)揮[5]；農(nóng)藥的過量使用，導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)、畸形，農(nóng)作物品質(zhì)下降，農(nóng)藥已成為農(nóng)業(yè)面源污染的重要組成部分。近年來，水稻灌區(qū)秸稈、養(yǎng)殖糞便污水等廢棄物處理不合理的問題日趨嚴(yán)重，進一步使得空氣質(zhì)量下降，農(nóng)業(yè)面源污染加劇?；兽r(nóng)藥的不合理使用以及廢棄物的不合理處理，已經(jīng)成為導(dǎo)致耕地退化、農(nóng)業(yè)內(nèi)部環(huán)境惡化，江河湖泊水質(zhì)下降、影響飲水安全與食品安全的主要原因[6]。

對于水稻灌區(qū)的化肥、農(nóng)藥使用及廢棄物處理，前人也做過一些研究分析，韓寶吉等[5]分析了湖北省水稻主產(chǎn)區(qū)的水稻養(yǎng)分施用量、水稻產(chǎn)量和肥料利用率的現(xiàn)狀；唐珍琦等[7]對湖南省水肥現(xiàn)狀進行分析，指出了湖南水稻施肥中化肥品種單一、肥料利用率低,施肥結(jié)構(gòu)不合理等主要問題；吳進才等[8]研究稻田常用農(nóng)藥對水稻3個品種生理生化的影響，結(jié)果表明5種農(nóng)藥嚴(yán)重影響了3個水稻品種的光合速率，幾乎所有處理光合速率均顯著受抑制；詹紅麗等[9]對我國典型大型灌區(qū)面源污染現(xiàn)狀進行調(diào)研，分析了河套灌區(qū)化肥、農(nóng)藥使用殘余量的發(fā)生強度及變化規(guī)律。郭佩玉等[10]選擇了國內(nèi)外較有發(fā)展前景的秸稈處理方法進行了綜合對比研究，黃武等[11]〗對江蘇省農(nóng)戶秸稈處理行為建立模型，進行實證分析，分析了農(nóng)戶秸稈處理方式的影響因素。但是，以往研究主要集中于理論、試驗研究或小尺度的調(diào)查分析，對于我國水稻種植區(qū)施肥、打藥、秸稈等廢棄物處理在大尺度范圍內(nèi)的分布規(guī)律及其原因的認(rèn)識略顯薄弱?；诖?，本文針對湖北、湖南、江西、浙江、江蘇、廣西6省(區(qū))的27個典型水稻灌區(qū)開展調(diào)查分析，以期摸清我國南方主要水稻種植區(qū)稻田施肥、農(nóng)藥使用、廢棄物處理空間分布規(guī)律及其原因，為科學(xué)的施肥、打藥及農(nóng)田廢棄物處理政策制定提供參考。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查區(qū)域概況

調(diào)查對象涉及6個省(區(qū))中的27個灌區(qū)，286個行政村，1 357個農(nóng)戶，具體灌區(qū)包括江西省的白塔渠灌區(qū)、贛撫平原灌區(qū)、潦河灌區(qū)、鄱湖灌區(qū)、袁惠渠灌區(qū)，湖南省的梨溪口灌區(qū)、黃石灌區(qū)、雙牌灌區(qū)、澧陽平原灌區(qū)、韶山灌區(qū)、魚形山灌區(qū)，湖北省的東風(fēng)渠灌區(qū)、太湖港灌區(qū)、漳河灌區(qū)、隨中灌區(qū)、天門市引漢灌區(qū)、平湖灌區(qū)，浙江省的長潭灌區(qū)、楊溪水庫灌區(qū)、太平水庫灌區(qū)、銅山源水庫灌區(qū)，江蘇省的高郵灌區(qū)，廣西壯族自治區(qū)的右江灌區(qū)、達開灌區(qū)、龜石灌區(qū)、合浦灌區(qū)、青獅潭灌區(qū)，調(diào)研灌區(qū)空間分布如圖1。對所選灌區(qū)依照灌區(qū)灌溉面積的不同，抽樣選取至少10處行政村，在行政村內(nèi)再選取3到5戶農(nóng)戶進行抽樣調(diào)查。

圖1 南方典型水稻灌區(qū)調(diào)研灌區(qū)分布圖

1.2 調(diào)查內(nèi)容及方法

調(diào)查灌區(qū)施肥、農(nóng)藥使用、廢棄物處理三個方面的內(nèi)容。其中施肥及農(nóng)藥使用的調(diào)查對象為當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶，采取典型抽樣方式。施肥調(diào)查內(nèi)容為施肥種類、施肥量和施肥次數(shù)，農(nóng)藥使用調(diào)查內(nèi)容為農(nóng)藥使用種類和用量；廢棄物處理情況調(diào)查對象為行政村村長，具體內(nèi)容包括水稻秸稈處理情況、養(yǎng)殖糞便處理情況、養(yǎng)殖尿液污水處理情況等，其中秸稈處理調(diào)查科目包括秸稈焚燒、還田、其他處理的比例，養(yǎng)殖糞便處理調(diào)查科目包括養(yǎng)殖糞便直接農(nóng)業(yè)利用、生產(chǎn)沼氣或有機肥或沼氣、無處理、其他處理4種處理方式所占比例，養(yǎng)殖污水處理調(diào)查科目包括養(yǎng)殖污水直接農(nóng)業(yè)利用、無處理、其他處理3種處理方式所占比例。調(diào)查基準(zhǔn)年為2013年，缺少記錄數(shù)據(jù)可采用前后2年的數(shù)據(jù)替代。

首先針對不同的調(diào)查內(nèi)容，設(shè)計調(diào)查表格，召開各灌區(qū)調(diào)查人員培訓(xùn)會議，然后發(fā)放調(diào)查表格并針對典型農(nóng)戶抽樣實地調(diào)查。共發(fā)放調(diào)查表格3 572份，回收表格2 791份，調(diào)查表格回收率78%。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

回收調(diào)查表格后，以灌區(qū)為基本單元進行數(shù)據(jù)分析，將同一灌區(qū)同一調(diào)查科目的所有調(diào)查數(shù)據(jù)匯總，用TRIMMEAN函數(shù)(percent=0.20)去除最高、最低各20%的數(shù)據(jù)后求所有調(diào)查樣本的平均值。

由于農(nóng)戶化肥及農(nóng)藥使用的種類多、用量差異大，直接分類統(tǒng)計計算難都大。處理方法是根據(jù)不同種類化肥氮磷鉀含量百分比將化肥施用量換算成單位面積施氮量、施磷量、施鉀量(折純)，按半數(shù)致死量(LD50)將農(nóng)藥按照高毒、中毒、低毒進行分類[12,13]，統(tǒng)計不同毒性農(nóng)藥使用量，實現(xiàn)施肥量、打藥量的定量評估。對變量進行正態(tài)分布檢驗后，在surfer 9.0軟件中，以處理后獲得的灌區(qū)樣點數(shù)據(jù)為已知點，采用克里金插值方法對湖北、湖南、江西、浙江、江蘇、廣西6省份進行插值計算，繪制相關(guān)指標(biāo)等值線圖。

2 結(jié)果分析

2.1 施肥量空間分布規(guī)律

每個灌區(qū)單位面積施用化肥量均為一季水稻生育期測算量，雙季稻種植區(qū)取早稻、晚稻測算量的平均值，以反映單個生育期施肥水平，單位面積農(nóng)藥用量作同樣處理。根據(jù)調(diào)查，灌區(qū)常用的化肥種類有：三元復(fù)合肥(N∶P∶K=15∶15∶15)、史丹利復(fù)合肥(N∶P∶K=22∶8∶15)、尿素(氮46%)、過磷酸鈣(磷15%)、氯化鉀(鉀60%)，27個調(diào)研灌區(qū)單位面積平均施氮227.50 kg/hm2，施磷107 kg/hm2，施鉀135.10 kg/hm2，單位面積施氮量廣西最高250.70 kg/hm2、江西最低205.40 kg/hm2，但都明顯高于水稻施氮量推薦值180 kg/hm2[14]，結(jié)合水稻單產(chǎn)等值線圖分析，水稻產(chǎn)量與施氮量并沒有固定的正負(fù)相關(guān)關(guān)系，過度施肥并未促進增產(chǎn)。

圖2可見，整體上氮磷鉀的空間分布特征是相似的，施氮量較高的區(qū)域其施磷量、施鉀量一般也較高。單位面積施氮量等值線圖高值區(qū)為湖北東部、湖南東北部，低值區(qū)為湖北西部，高值區(qū)與低值區(qū)分布集中，湖北省內(nèi)產(chǎn)生較大變異，同時產(chǎn)生高值區(qū)與低值區(qū)，其余區(qū)域分布較為均勻；單位面積施磷量高值區(qū)為湖北北部、湖南東北部、江蘇西北端，低值區(qū)為廣西西部，浙江東部，高值區(qū)與低值區(qū)分布分散，等值線空間變異性大；單位面積施鉀量高值區(qū)為湖北東部、廣西南部，低值區(qū)為江蘇東南、浙江東部、湖北中部偏西區(qū)域，其等值線圖高值區(qū)與低值區(qū)分布分散，等值線空間變異性大，湖北省內(nèi)產(chǎn)生較大變異，同時產(chǎn)生高值區(qū)與低值區(qū)。

湖北等值線圖空間變異性大主要是由于樣本灌區(qū)施肥量最高值(天門引漢灌區(qū))及最低值(漳河灌區(qū))都位于湖北省內(nèi)，漳河灌區(qū)施用氮磷鉀量都處于較低水平，原因是當(dāng)?shù)囟嗄陙硗茝V水稻水肥綜合調(diào)控技術(shù)的結(jié)果。

圖2 2013年南方典型水稻灌區(qū)施肥量等值線圖

2.2 農(nóng)藥使用量空間分布規(guī)律

27個灌區(qū)農(nóng)藥使用量平均情況見表1，各省低毒農(nóng)藥使用量高，中毒、高毒農(nóng)藥使用量低，江西低毒農(nóng)藥使用量最高，湖南中毒農(nóng)藥使用量最高，湖南、湖北均未使用高毒農(nóng)藥。

圖3可見，低毒農(nóng)藥使用量等值線圖高值區(qū)為廣西東部、江西、浙江西部，低值區(qū)為湖北西部、湖南北部，浙江東部出現(xiàn)低值突變，湖北、浙江等值線分布密集，變異性大；中毒農(nóng)藥使用量高值區(qū)為廣西北部，低值區(qū)為湖北北部、江西東北部、浙江省、江蘇省，等值線分布特征明顯，整體上西南到東北依次遞減，廣西南部出現(xiàn)次低值突變，廣西等值線密集，變異性大；高毒農(nóng)藥使用量高值區(qū)為廣西東部、湖南南部，低值區(qū)為浙江省、江蘇省，等值線圖自西向東依次遞減，僅廣西西南部出現(xiàn)低值突變，廣西等值線密集，變異性大。

表1 調(diào)研灌區(qū)(省份)農(nóng)藥使用量平均值 kg/hm2

圖3 2013年南方典型水稻灌區(qū)農(nóng)藥使用量等值線圖

廣西低毒、中毒、高毒同時處于高值區(qū)，分別達到2.83、1.20、0.60 kg/hm2，區(qū)域不同毒性的農(nóng)藥使用量都處于較高水平，原因是2013 年廣西農(nóng)作物病蟲害總體發(fā)生為中等偏重，水稻病蟲發(fā)生面積占到農(nóng)作物病蟲鼠害發(fā)生總面積的近三成[15]。

2.3 水稻秸稈處理空間分布規(guī)律

調(diào)研灌區(qū)及省份秸稈處理方式平均值見表2，所有調(diào)研灌區(qū)秸稈處理焚燒處理占比37.64%、還田占比45.55%、其他處理占比16.81%，湖北秸稈焚燒比例最高，達57.60%，江西秸稈還田比例最高，達69.25%，廣西秸稈其他處理比例最高，達36.20%。

圖4可見，焚燒秸稈高值區(qū)為湖北西部、湖南東北部、江蘇東部，低值區(qū)為廣西東部、江西東部，等值線圖3個高值區(qū)、兩個低值區(qū)，湖北、湖南、浙江等值線分布密集，變異性大；秸稈還田面積處理高值區(qū)為廣西西部、江西東北部、浙江南部，低值區(qū)為廣西東部、湖北西部、湖南東北部、江蘇東南部，等值線圖西南到東北高、低、高、低交錯分布，湖北、廣西內(nèi)部差異較大；秸稈其他處理高值區(qū)為廣西東部，其余部分都處于低值區(qū)，廣西區(qū)內(nèi)等值線分布密集，有高值區(qū)也有低值區(qū)，其余省份均為低值區(qū)域，其他處理比例都維持在較低水平。

表2 調(diào)研灌區(qū)(省份)秸稈處理方式平均值 %

圖4 2013年南方典型水稻灌區(qū)秸稈處理方式等值線圖

除廣西東部外，大部分區(qū)域水稻收割后秸稈主要以焚燒、還田處理為主，廣西東部秸稈采用其他處理比例較高(占比50%～70%)，其他區(qū)域秸稈處理主要以焚燒、還田為主，其他處理所占比例不超過20%，主要是由于廣西甘蔗產(chǎn)量占全國比重60%以上，近年在政策支持下，秸稈綜合利用取得了顯著成效，綜合利用率達到了55.01%[16]，甘蔗秸稈處理的相關(guān)技術(shù)、經(jīng)驗在當(dāng)?shù)匾朴玫剿窘斩捥幚砩蟻?，使廣西秸稈其他處理比例很高。除廣西外，整體上焚燒與還田處理呈負(fù)相關(guān)分布。

2.4 養(yǎng)殖糞便處理比例空間分布規(guī)律

養(yǎng)殖糞便各處理方式所占比例平均值見表3，養(yǎng)殖糞便4種處理方式中，最適宜的是生產(chǎn)沼氣及有機肥、其他處理，直接農(nóng)業(yè)利用為推薦采用的處理方式，無處理是最不宜采取的處理方式。

表3 調(diào)研灌區(qū)(省份)養(yǎng)殖糞便處理方式平均值 %

圖5可見，養(yǎng)殖糞便直接農(nóng)業(yè)利用高值區(qū)為湖北中南部、湖南東部，低值區(qū)為江西中部、江蘇省，等值線整體自西向東先遞增后遞減，中間地帶高，東西兩端低；養(yǎng)殖糞便無處理高值區(qū)為江西北部，低值區(qū)為湖南南部、廣西東部，等值線江西出現(xiàn)高值區(qū)及次低值區(qū)，等值線分布密集，變異性最大，其余省份分布較為平均，變異性不大；養(yǎng)殖糞便生產(chǎn)沼氣或有機肥高值區(qū)為湖南西南部，低值區(qū)為湖南北部、江西北部、浙江東部，等值線整體處于低值水平，分布較為均勻，湖南西部出現(xiàn)高值區(qū)，等值線密集，變異性較大；養(yǎng)殖糞便其他處理比例高值區(qū)為湖北北部，低值區(qū)為湖北南部、湖南東部、廣西東部、江西西北部，等值線整體上西低東高，湖北等值線相對密集，變異性大。分析可知，整體上四種處理方式呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，某種處理方式的高值區(qū)同時也是其他處理方式的低值區(qū)，江蘇、浙江其他處理比例高，湖南西部生產(chǎn)沼氣或有機肥比例高，養(yǎng)殖糞便處理較為合理；湖北中南部、湖南東部、廣西東部主要采取直接農(nóng)業(yè)利用的處理方式，這部分區(qū)域養(yǎng)殖糞便處理方式較為合理；江西北部及湖北東部養(yǎng)殖糞便無處理比例最高，養(yǎng)殖糞便處理方式最不合理。

圖5 2013年南方典型水稻灌區(qū)養(yǎng)殖糞便處理方式等值線圖

2.5 養(yǎng)殖污水處理比例空間分布規(guī)律

養(yǎng)殖污水各處理方式占比見表4，調(diào)研灌區(qū)直接農(nóng)業(yè)利用占比57.69%，無處理31.38%，其他處理10.93%，養(yǎng)殖污水推薦處理方式為直接農(nóng)業(yè)利用及其他處理。

表4 調(diào)研灌區(qū)(省份)養(yǎng)殖污水處理方式平均值 %

圖6可見，養(yǎng)殖污水直接利用高值區(qū)為廣西、湖南東部，低值區(qū)為江蘇省、浙江省，等值線整體上西高東低，自西向東遞減分布，湖南北部區(qū)域出現(xiàn)高值與低值，等值線密集，變異性大；養(yǎng)殖污水無處理高值區(qū)為浙江東部，低值區(qū)為廣西西部、湖北北部，等值線整體上西低東高，浙江等值線分布密集，變異性較大；養(yǎng)殖污水其他處理高值區(qū)為湖北北部、江蘇、浙江西部，低值區(qū)為浙江東南部、廣西、湖南、江西，等值線整體上北高南低，由北向南遞減分布；因多數(shù)樣本灌區(qū)此項為“0”，廣西、湖南、江西南部出現(xiàn)大面積空白區(qū)域(0值區(qū))。分析可知，湖北、湖南、廣西3省(區(qū))主要采取直接利用方式，無處理比例低，處理方式較為合理；江蘇省、浙江西部、湖北北部其他處理方式所占比例高，采取的處理方式最為合理；浙江東部、江西東部無處理比例較高，合理處理方式所占比例低，處理措施最不合理。

圖6 2013年南方典型水稻灌區(qū)養(yǎng)殖污水處理方式等值線圖

綜合分析養(yǎng)殖糞便處理方式與養(yǎng)殖污水處理方式的相關(guān)性，糞便直接農(nóng)業(yè)利用的空間分布與污水直接利用的空間分布大體相同，整體呈現(xiàn)湖北、湖南、廣西高，江西、江蘇、浙江低的分布特征，對糞便采取直接農(nóng)業(yè)利用的區(qū)域在處理農(nóng)業(yè)污水時也更傾向采取直接農(nóng)業(yè)利用的處理方式；養(yǎng)殖糞便無處理的等值線分布與農(nóng)業(yè)污水無處理等值線分布在廣西、湖南、江西、湖北整體上呈現(xiàn)正相關(guān)特性，在江蘇省、浙江省呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)特性，這種變異性主要是由于養(yǎng)殖糞便、污水處理方式在浙江、江蘇兩省僅收集到浙江長潭灌區(qū)和銅山源水庫灌區(qū)兩個灌區(qū)的數(shù)據(jù)，在插值過程中由于個別極值影響了真實的空間分布。

3 結(jié)論與討論

針對南方6省(區(qū))共27個以水稻為主要灌溉作物的灌區(qū)開展水稻施肥、打藥、廢棄物處理數(shù)據(jù)調(diào)查，基于調(diào)查數(shù)據(jù)，按克里金插值方法對南方典型區(qū)域水稻種植的施肥量、農(nóng)藥使用量、廢棄物處理的空間分布規(guī)律進行分析，主要結(jié)論如下。

(1)南方典型水稻灌區(qū)單位面積平均施氮量227.50 kg/hm2，施磷量107 kg/hm2，施鉀量135.10kg/hm2，施氮量顯著高于水稻推薦施氮量180 kg/hm2，水稻單位面積施氮量、施磷量、施鉀量具有相似的空間分布特征，施用氮肥較多的農(nóng)戶在施用磷肥、鉀肥或復(fù)合肥方面也處于高值水平。

(2)農(nóng)藥使用量的空間變異較大，低毒、中毒、高毒農(nóng)藥使用量同時處于高值區(qū)，說明該區(qū)農(nóng)藥使用量較高，其他區(qū)域低毒、中毒、高毒農(nóng)藥使用量均未同時處于高值區(qū)。

(3)水稻秸稈處理主要以焚燒、還田為主，平均情況下焚燒率37.64%、還田率45.55%、其他處理率16.81%。廣西東部秸稈采用其他處理比例較高(占比50%～70%)，其他區(qū)域秸稈處理主要以焚燒、還田為主，其他處理所占比例不超過20%，且焚燒與還田處理在這些區(qū)域呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)分布。

(4)養(yǎng)殖糞便各處理方式平均所占比例為：直接農(nóng)業(yè)利用36.24%，無處理30.94%，生產(chǎn)沼氣或有機肥12.03%，其他處理20.69%。江蘇、浙江、湖南西部養(yǎng)殖糞便處理以其他處理、生產(chǎn)沼氣或有機肥為主，最為合理；廣西東部采用直接農(nóng)業(yè)利用處理比例較高，較為合理；江西鄱陽湖區(qū)及湖北東部無處理比例高，最不合理。

(5)養(yǎng)殖污水各處理方式所占比例為直接農(nóng)業(yè)利用57.69%，無處理31.38%，其他處理10.93%。江蘇省、浙江西部、湖北北部以其他處理為主，最為合理；湖北、湖南、廣西以直接利用為主，較為合理；浙江東部、江西東部以無處理為主，最不合理。

(6)養(yǎng)殖糞便直接農(nóng)業(yè)利用的空間分布與養(yǎng)殖污水直接利用的空間分布大體相同，整體呈現(xiàn)湖北、湖南、廣西高，江西、江蘇、浙江低的分布特征，對糞便采取直接農(nóng)業(yè)利用的區(qū)域在處理養(yǎng)殖污水時也更傾向采取直接農(nóng)業(yè)利用的方式。

本文的分析結(jié)論基于大尺度范圍內(nèi)的調(diào)研數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)資料來自于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)第一線的農(nóng)戶、行政村長，數(shù)據(jù)較為貼近農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際情況，但也存在一些不足：①受實際條件限制，在江蘇省僅選擇高郵灌區(qū)一個樣本點，所以空間變異等值線圖中無法看出江蘇省內(nèi)空間變異特征；②因部分灌區(qū)沒有養(yǎng)殖糞便、污水處理方式統(tǒng)計資料，養(yǎng)殖糞便污水處理方式在浙江、江蘇僅回收到3個灌區(qū)數(shù)據(jù)，兩省廢棄物處理空間插值效果不理想。③本研究只是基于2013年數(shù)據(jù)分析得出的結(jié)論，其他年份變化規(guī)律是否相同還有待于分析。

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