陜西省農(nóng)田化肥投入過量與不足的研究

王小英，陳占飛，胡 凡，同延安

(1.榆林市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院， 陜西 榆林 719000; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院， 陜西 楊凌 712100)

隨著人口的增加和耕地的減少, 我國(guó)糧食安全與環(huán)境保護(hù)的矛盾日益尖銳[1]。1980到2011年，我國(guó)糧食總產(chǎn)量增加了78.19%，糧食作物播種面積卻減少了5.68%，而化肥消費(fèi)量增加了349.36%[2]。據(jù)報(bào)道施用化肥可提高糧食單產(chǎn)40%～50%以上，糧食總產(chǎn)中約1/3是施用化肥的貢獻(xiàn)[3-4]。同時(shí)，化肥又是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投資中最大的物質(zhì)投資，其支出約占全部農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投資的50%[5]。近年來我國(guó)很多地區(qū)化肥過量施用尤其是氮肥的過量施用已很嚴(yán)重[6-10]，出現(xiàn)了一系列環(huán)境問題[11-13]，包括地下水硝酸鹽污染、水體富營(yíng)養(yǎng)化、溫室氣體排放增加、酸雨、土壤酸化。在過去20年里，由于氮肥的過量施用導(dǎo)致全國(guó)土壤pH值平均下降0.5個(gè)單位[14]。由此可見，如何用好化肥，充分發(fā)揮化肥的作用，提高作物產(chǎn)量和降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)關(guān)系到我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，是我國(guó)迫切需要解決的問題。

農(nóng)戶是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最基本的活動(dòng)單元，也是目前農(nóng)田養(yǎng)分優(yōu)化管理的重要細(xì)胞，其科學(xué)化管理程度的高低直接影響著肥料資源的綜合利用效率和全國(guó)農(nóng)作物產(chǎn)量[15]。農(nóng)田施肥是保持土壤肥力和增加作物產(chǎn)量的重要環(huán)節(jié)之一[16-17]，因此調(diào)查與研究主要農(nóng)作物施肥狀況對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與國(guó)家糧食安全有重要意義。近來關(guān)于農(nóng)戶施肥調(diào)查的報(bào)道已有很多[18-23]，但主要集中在某一作物或某一輪作體系，而全省尺度上主要農(nóng)作物的化肥施用整體評(píng)價(jià)鮮有報(bào)道。本文利用陜西省測(cè)土配方施肥項(xiàng)目縣2006—2011年的主要農(nóng)作物施肥調(diào)查數(shù)據(jù)，對(duì)全省化肥施用狀況進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)，尋求農(nóng)戶施肥中存在的問題，提出解決問題的對(duì)策，為養(yǎng)分資源綜合管理的宏觀調(diào)控提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

陜西省位于中國(guó)西北地區(qū)東部的黃河中游，地處東經(jīng)105°29′～111°15′、北緯31°42′～39°35′之間，全省南北長(zhǎng)約880 km，東西寬約160～490 km，面積為20.56萬km2。以秦嶺為界南北河流分屬長(zhǎng)江水系和黃河水系，全省根據(jù)氣候條件、種植制度等自北向南分為4個(gè)農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)，即陜北高原、渭北旱塬、關(guān)中灌區(qū)和陜南秦巴山區(qū)，本文分別簡(jiǎn)稱陜北、渭北、關(guān)中和陜南。種植農(nóng)作物主要包括小麥、玉米、馬鈴薯、油菜、水稻和蘋果，其中陜北地區(qū)主要種植玉米、馬鈴薯和蘋果，渭北和關(guān)中地區(qū)主要種植小麥、玉米和蘋果，陜南地區(qū)主要種植小麥、玉米、馬鈴薯、油菜和水稻。各區(qū)域土壤類型、氣候條件和土壤理化性狀見表1。

表1 不同區(qū)域土壤類型、氣候條件[24]和土壤理化性狀1)

注：1)土壤理化性狀數(shù)據(jù)采用陜西省測(cè)土配方施肥項(xiàng)目縣土壤測(cè)定值。

Note: 1) Soil properties data collected by testing centers in the different regions of Shaanxi Province.

1.2 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)來源于2006—2011年陜西省69個(gè)測(cè)土配方施肥項(xiàng)目縣的施肥調(diào)查信息。各項(xiàng)目縣每年選取具有代表性的自然村，由農(nóng)技推廣人員隨機(jī)選取農(nóng)戶進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查內(nèi)容主要包括：作物品種、作物產(chǎn)量、肥料品種、施肥量、施肥時(shí)期等。不同區(qū)域不同作物調(diào)查樣本量見表2。

所有數(shù)據(jù)均用EXCEL和SAS統(tǒng)計(jì)軟件處理分析。

表2 不同區(qū)域不同作物調(diào)查樣本分布

注：“—”表示相應(yīng)作物不屬于該區(qū)域主要種植作物，下同。

Note： “—”means the crop is not the main crops in the region, the same as below.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同作物化肥投入狀況

在已有試驗(yàn)研究、調(diào)查結(jié)果以及專家建議基礎(chǔ)上制定陜西省不同區(qū)域主要種植作物的合理施肥量[9,25-29](表3)。由表3可知，與合理施氮量比較，全省小麥、玉米、馬鈴薯和蘋果平均施用量較高，分別為183、230、155 kg·hm-2和558 kg·hm-2，而油菜和水稻平均施用量適中，分別為145 kg·hm-2和159 kg·hm-2；與合理施磷量比較，全省小麥、馬鈴薯和蘋果平均施用量較高，分別為110、78 kg·hm-2和358 kg·hm-2，而玉米、油菜和水稻平均施用量適中，分別為63、62 kg·hm-2和62 kg·hm-2；與合理施鉀量比較，全省小麥、玉米、馬鈴薯、油菜和水稻平均施用量極低，分別為21、20、13、34 kg·hm-2和45 kg·hm-2，而蘋果平均施用量適中，為208 kg·hm-2。另外由圖1可知全省主要作物化肥氮磷鉀農(nóng)戶合理投入的比例較低，均達(dá)不到50%。氮肥投入過量現(xiàn)象非常嚴(yán)重，尤其是小麥、玉米、蘋果等，農(nóng)戶氮肥投入過量比例分別為68.42%、63.25%和72.30%，而馬鈴薯、油菜和水稻作物氮肥投入過量和不足并存，過量比例分別為26.88%、15.22%和22.60%，不足比例分別為33.76%、46.23%和29.36%。磷肥投入過量和不足并存，小麥、玉米、馬鈴薯、油菜、水稻和蘋果磷肥投入過量比例分別為41.00%、30.79%、25.03%、26.24%、11.18%和50.02%，不足比例分別為38.09%、58.76%、14.87%、46.16%、46.46%和29.81%。鉀肥投入則嚴(yán)重表現(xiàn)為不足，以上六種作物鉀肥投入不足比例均較高，分別為77.52%、82.96%、96.56%、63.78%、92.19%和56.39%。說明全省農(nóng)戶不合理施肥非常嚴(yán)重，合理引導(dǎo)農(nóng)戶根據(jù)不同作物施用化肥是今后全省施肥工作的重要內(nèi)容之一。

表3 不同作物化肥投入狀況與合理施肥量比較

2.2 不同作物合理施肥的增產(chǎn)潛力

陜西省主要作物施肥合理的產(chǎn)量較施肥不足的產(chǎn)量有所增加(表4)。全省小麥、玉米、馬鈴薯、油菜、水稻和蘋果合理增施氮肥單位面積增產(chǎn)率分別為0.35%～12.06%、0.87%～17.70%、9.99%～24.20%、17.32%、2.88%和1.06%；合理增施磷肥單位面積增產(chǎn)率分別為1.43%～2.24%、0.36%～22.04%、11.06%～-23.75%、10.67%、4.93%和10.88%；合理增施鉀肥單位面積增產(chǎn)率分別為0.92%～16.26%、2.51%～23.93%、53.75%～115.08%、11.42%、5.81%和3.53%。由單位面積增產(chǎn)量乘以施肥不足面積即可計(jì)算不同區(qū)域及全省的總增產(chǎn)量。由表4可知，如果氮肥投入不足的農(nóng)戶將其用量增加到合理水平，全省小麥、玉米、馬鈴薯、油菜、水稻和蘋果將分別增產(chǎn)0.51、10.17、26.95、3.37、0.82萬t和1.92萬t；如果磷肥投入不足的農(nóng)戶將其用量增加到合理水平，全省這六種作物將分別增產(chǎn)4.53、36.67、10.50、2.20、2.21萬t和52.53萬t；如果鉀肥投入不足的農(nóng)戶將其用量增加到合理水平，全省這六種作物總產(chǎn)量增加幅度更大，分別為19.86、55.62、459.35、3.21、5.24萬t和34.08萬t。因此，引導(dǎo)施肥不足的農(nóng)戶增加施肥量到合理水平對(duì)全省糧食增產(chǎn)有重要意義。

2.3 不同作物過量施用的氮、磷肥總量

與陜西省主要作物鉀肥投入嚴(yán)重不足不同，化肥氮、磷投入過量現(xiàn)象較嚴(yán)重，尤其是氮肥(圖1)。

圖1 陜西省不同作物氮、磷、鉀肥投入比例分布

由單位面積過量投入氮、磷量減去合理施肥量的上限，乘以各作物種植面積[30]，然后再乘以過量投入比例，可得到過量投入總量(表5)。由表5可知，全省氮肥投入過量的作物主要是小麥、玉米和蘋果，分別為5.37、6.59萬t和12.83萬t，小麥、玉米、馬鈴薯、油菜、水稻和蘋果總氮肥投入過量高達(dá)25.76萬t，面積為210.2萬hm2。與氮肥相似，全省磷肥投入過量的作物主要也是小麥、玉米和蘋果，分別為2.17、1.20萬t和5.13萬t。以上六種主要作物總磷肥投入過量9.32萬t，總面積為123.8萬hm2。

表5 陜西省不同作物化肥氮、磷投入過量的面積和總量

3 結(jié)論與討論

陜西省農(nóng)田氮肥投入過量較嚴(yán)重，尤其是種植面積較大的小麥、玉米和蘋果，農(nóng)戶氮肥投入過量比例分別為68.42%、63.25%和72.30%，全省氮肥投入過量數(shù)量達(dá)25.76萬t。氮肥投入過量不僅大量浪費(fèi)資源，同時(shí)對(duì)環(huán)境造成潛在威脅[31-32]。首先是造成硝酸鹽大量積累，引起地下水的污染。楊學(xué)云等[33]利用18 a長(zhǎng)期定位試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)冬小麥-夏玉米輪作制度下土壤剖面中硝態(tài)氮的總量與氮肥施用量直接相關(guān)，而作物對(duì)化肥氮的利用率與施肥量呈相反趨勢(shì)。郭勝利等[34]研究發(fā)現(xiàn)糧食作物年平均施化學(xué)氮肥120 kg·hm-217 a時(shí)，0～3 m土壤剖面累積硝態(tài)氮達(dá)1 065 kg·hm-2。很多對(duì)糧田的研究也證明了過量施用氮肥時(shí)，深層土壤硝態(tài)氮累積量大幅增加，淋失風(fēng)險(xiǎn)大大增強(qiáng)[35-37]。樊軍等[38]研究表明，與糧田相比，果園硝態(tài)氮累積嚴(yán)重，累積層在80～160 cm，最高含量達(dá)201.9 mg·kg-1。呂殿青等[39]研究指出，在0～2 m和0～4 m深層內(nèi)硝態(tài)氮累積量在8 a以上蘋果園分別達(dá)1 602 kg·hm-2和3 414 kg·hm-2。其次是增加了溫室氣體排放。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)第四次評(píng)估報(bào)告指出，農(nóng)業(yè)中70%的溫室氣體來自于氮肥[40]。張福鎖等[41]指出我國(guó)每噸氮肥從生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)睫r(nóng)田施用共排放12.85 t等當(dāng)量CO2，由此計(jì)算陜西省每年主要農(nóng)作物僅過量投入的氮肥排放CO2量高達(dá)331.02萬t。Feath and Greenhalgh[42]指出農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中任何氮素施用的減少都會(huì)對(duì)水質(zhì)量和氣候保護(hù)有很大益處。同時(shí)，適當(dāng)降低施肥量不一定意味著減產(chǎn)[43-44]。例如我國(guó)水稻/小麥輪作體系和冬小麥/夏玉米輪作體系的大量試驗(yàn)表明，利用養(yǎng)分資源科學(xué)管理方法，在氮肥減少30%～60%的情況下作物產(chǎn)量沒有減少[13]。婁庭等[45]指出，在農(nóng)戶習(xí)慣施肥量的基礎(chǔ)上減氮20%能提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)。

陜西省農(nóng)田磷肥投入過量與氮肥一致，主要是種植面積較大的小麥、玉米和蘋果，農(nóng)戶磷肥投入過量比例分別為41.00%、30.79%和50.02%，全省磷肥投入過量數(shù)量達(dá)9.32萬t。磷肥投入過量不僅大量浪費(fèi)資源，同時(shí)對(duì)環(huán)境造成潛在威脅[31-32]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)磷肥生產(chǎn)消耗了80%以上的磷礦資源[46]，而磷礦資源有限，高品位磷礦資源可利用年度不到10年[47]。另外，我國(guó)主要糧食作物的磷肥利用率變幅為7.3%～20.1%，平均11.6%[1]，這導(dǎo)致施入土壤的磷素在土壤中大量累積，并通過地表徑流造成面源污染[48]。全國(guó)目前水體污染物來源于工業(yè)、生活和農(nóng)業(yè)面源的大約各占1/3，朱兆良等[49]研究表明，我國(guó)農(nóng)業(yè)的面源污染問題日趨嚴(yán)重，特別是富營(yíng)養(yǎng)化成為一個(gè)嚴(yán)重的環(huán)境問題，其表現(xiàn)在湖泊富營(yíng)養(yǎng)化迅速上升、城市湖泊富營(yíng)養(yǎng)化程度嚴(yán)重、大型淡水湖泊富營(yíng)養(yǎng)化程度嚴(yán)重。其中太湖、滇池和巢湖面源污染物對(duì)全氮的貢獻(xiàn)率分別為59%、33%和63%，對(duì)全磷的貢獻(xiàn)率分別為30%、41%和73%。李維平等[50]對(duì)黃河濕地監(jiān)測(cè)結(jié)果表明池塘全磷和全氮分別超出GB3838-2002標(biāo)準(zhǔn)的300%和195%，大水面的全磷和全氮分別超出GB3838-2002標(biāo)準(zhǔn)的105.0%和125.0%。因此，農(nóng)業(yè)面源污染已經(jīng)成為我國(guó)水體污染中氮、磷的主要來源。

解決糧食安全壓力的基礎(chǔ)是提高糧食總產(chǎn)，在中國(guó)由于耕地面積的限制，糧食總產(chǎn)的增加只能依靠單產(chǎn)的提高[51]。張福鎖等[52]對(duì)全國(guó)20個(gè)省兩萬多農(nóng)戶施肥狀況調(diào)查發(fā)現(xiàn)，有1/3的農(nóng)戶施肥不足。本研究表明如果引導(dǎo)施肥不足的農(nóng)戶將化肥氮、磷、鉀施用增加到合理水平，主要農(nóng)作物產(chǎn)量相應(yīng)增加，尤其是磷、鉀肥效果更明顯(表4)。張衛(wèi)峰等[53]指出，全國(guó)小麥?zhǔn)┓什蛔愕霓r(nóng)戶需要增加化肥的數(shù)量平均每公頃地在75 kg以內(nèi)，能增加產(chǎn)量同時(shí)能增加經(jīng)濟(jì)效益。王西娜等[54]研究表明，與不施氮相比，適量施氮會(huì)促進(jìn)玉米對(duì)土壤水氮的利用，提高生物量和產(chǎn)量。郭志平[55]研究表明增施鉀肥提高了馬鈴薯產(chǎn)量18.2%～42.1%、塊莖淀粉含量3.2%～7.9%和商品率9.2%～20.9%。李銀水等[56-57]研究指出合理增施磷肥油菜增產(chǎn)24.2%～43.2%，增施鉀肥增產(chǎn)16.9%～21.6%。王偉妮等[58-59]研究指出合理增施磷肥水稻增產(chǎn)9.4%～13.3%，增施鉀肥增產(chǎn)9.6%～12.6%。趙佐平等[60]研究指出合理增施磷、鉀肥能提高蘋果產(chǎn)量，且隨時(shí)間推移效果越來越明顯。

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