河北省葡萄施肥現狀及節能減排潛力分析

馬振朝， 王嘉瑩， 龐新宇， 李　蕊， 謝　楓， 孫　浩， 吉艷芝

(1.河北農業大學資源與環境科學學院，河北保定 071000； 2.河北農業大學國土資源學院，河北保定 071000)

葡萄是適應范圍最廣的果樹，在我國各地區均有種植，我國葡萄的種植面積由2010年的70.37萬hm2增加到2013年81.40萬hm2，產量也由2010年854.89萬t升至2013年的 1 155.00萬t[1-2]。河北省葡萄種植面積和產量均居全國第二，2014年河北省葡萄種植面積達13.282萬hm2，總產量達163.02萬t[3]。在葡萄生產中，施肥是葡萄種植的關鍵，為了追求高產，盲目施肥不僅導致葡萄產量下降和品質降低，也造成資源嚴重浪費與環境日益惡化[4]。

合理施肥不僅能增加葡萄產量，改善葡萄的品質，降低生產成本，而且能提高肥料利用率，增強果園土壤肥力，創造良好的土壤環境[5]。王探魁等對河北省葡萄主產區施肥現狀調查分析，研究發現河北省葡萄主產區養分施用量過大，氮磷鉀養分比例不協調，施肥時期不合理[6]。魏建林等對不同用量控釋氮肥在葡萄生產上的施用效果研究發現，優化施肥方式，減少氮素養分投入量，與傳統施肥相比葡萄產量增加211.9 kg/667 m2，增幅達7%，且在減氮15%、30%情況下葡萄的可溶性糖含量最高，與傳統施肥相比提高了10%左右，差異明顯[7]。趙翠芳在遼寧省撫順市順城區會元鄉進行了葡萄配方肥對比校正試驗，結果施用葡萄配方肥的地塊增產幅度達14.93%～33.24%，減少投入50%，產量提高了35%左右，配方肥能基本滿足葡萄正常生長發育對氮、磷、鉀養分的需求[8]。程杰山等研究不同施肥量對“巨玫瑰”葡萄生長和果實品質的影響，結果增加施肥量超過300 kg/hm2時，葡萄果實的糖含量、可滴定酸含量等品質指標并未顯著增加，反而稍有下降趨勢，葡萄果實的物理性狀和硬度也沒有顯著差異。此外，合理施肥能夠有效節約自然資源和能源，減少污染物排放量，節能減排潛力巨大[9]。秦淑平等對合理調控化肥農藥施用，有效促進農業節能減排進行研究，通過合理施用化肥、農藥，肥料利用率提高3%～5%，節省化肥39 kg/hm2，節約化肥成本120～150元/hm2，節本增收750元/hm2較大程度上促進了吳江市農業清潔生產工作，進一步改善了農業生態環境，實現農業可持續發展[10]。

本研究在河北省葡萄主產區懷來縣和昌黎縣進行，通過現場調查和田間試驗，分析葡萄園施肥現狀，明確葡萄園合理施肥量，估算河北省葡萄種植的節肥與節能減排潛力，為實現河北省葡萄優質、安全、高效生產提供技術支撐，為養分的高效利用、資源節約和葡萄產業的可持續發展提供理論依據。

1　材料與方法

1.1　施肥現狀調查

2015年8月，在河北省葡萄主產區昌黎縣、懷來縣，分別對50戶釀酒葡萄種植戶和56戶鮮食葡萄種植戶進行施肥調查。調查內容包括園地面積、葡萄種類、種植年限、產量、施肥種類、施肥量、施肥方式、施肥時間等。分析河北省葡萄主產區施肥中存在的主要問題。

1.2　優化施肥試驗設計

試驗在昌黎縣進行，昌黎屬于暖溫帶季風區，無霜期 186 d，最高平均氣溫為25.1 ℃，最低平均氣溫為-5.2 ℃，年平均氣溫為11 ℃，平均年降水量為712.7 mm。試驗地土壤質地為礫質沙壤土，試驗土壤養分狀況見表1。

表1　試驗地10～30 cm土層的土壤理化性質

釀酒葡萄品種為赤霞珠，樹齡10年；鮮食葡萄品種為紅地球，樹齡12年。試驗分為傳統施肥和優化施肥，小區面積為60 m2，重復3次。試驗所用氮肥為尿素(含N量46%)，磷肥為過磷酸鈣(含P2O516%)，鉀肥為硫酸鉀(含K2O 50%)；有機肥采用腐熟的鮮羊糞(含N 0.65%、P2O50.47%、K2O 0.45%)，傳統施肥肥料施入量為50.8 t/hm2，優化施肥肥料施入量為30.6 t/hm2。栽培管理措施與當地生產一致。不同處理養分投入量見表2。

表2　不同處理肥料投入量

1.3　分析與測定

葡萄成熟時，田間按小區實收稱質量，計算小區產量，并折算單位面積產量；每個處理隨機選取3株葡萄，并在上中下3個部位分別選取3個果穗，剪取每個果穗中部果粒20粒，混合后用于品質的測定。同時采集0～60 cm(間隔30 cm)土壤樣品，測定土壤硝態氮、速效磷、速效鉀。

用1/100天平測定千粒質量；用酸度計測定pH值；手持糖度儀測定可溶性固形物；2，6-二氯酚靛酚滴定法測定還原性維生素C；NaOH滴定法測定可滴定酸。土壤硝態氮采用KCl浸提，TRACCS2000型連續流動分析儀測定；速效磷采用碳酸氫鈉浸提鉬銻抗比色分光光度法；速效鉀采用乙酸銨浸提火焰光度法。

1.4　節能減排潛力分析

根據田間試驗中優化施肥處理與傳統施肥處理的施肥量差異，可計算出采用優化施肥處理氮肥、磷肥、鉀肥分別節約了31.6%、32%、29.1%。根據統計年鑒查出河北省葡萄種植面積，進而推算出采用優化施肥處理后河北省葡萄種植過程中氮、磷、鉀肥比傳統施肥處理節約了25%～30%，具有極大的節能減排潛力。

根據曹侖等研究[11-14]，可得到生產1 t肥料的能耗及排放污染物的量，根據河北省葡萄種植面積可進一步計算出河北省葡萄種植區能源量節約30%左右，與傳統施肥模式相比污染物減少量也有大幅度下降。根據統計年鑒查出全國葡萄種植面積，結合河北省葡萄在全國的種植比例，得出采用優化施肥后全國葡萄園節約能源量與污染物減少量。

2　結果與分析

2.1　河北省葡萄主產區施肥現狀分析

河北省葡萄主產區果園肥料純養分投入見表3。鮮食與釀酒葡萄化肥養分投入量均高于有機肥投入量，氮投入量均高于磷、鉀，釀酒葡萄總養分投入量高于鮮食葡萄。根據葡萄豐產園資料，我國北方葡萄園施N用量為187.5～225.0 kg/hm2，P2O5用量為150.0～187.5 kg/hm2，K2O用量為150.0～225 kg/hm2[15]，調查結果，河北省葡萄主產區的氮磷鉀養分投入明顯偏高，N、P2O5、K2O分別高出標準42.27%～182.86%、50.66%～112.45%、48.57%～80.80%。葡萄為喜鉀果樹，北方葡萄適宜的N ∶P2O5∶K2O為1.40 ∶1.0 ∶2.1[13]，相對氮素投入來說，鉀素投入比例偏低，鮮食葡萄N、P2O5、K2O投入比例為1.5 ∶1.0 ∶0.8，釀酒葡萄為1.5 ∶1.0 ∶1.0。

調查發現，果農對有機肥施用情況不一致，鮮食葡萄種植戶中的73.21%施肥量低于15 000 kg/hm2，釀酒葡萄種植戶中的46.00%施肥量超過了45 000 kg/hm2。施肥方式不合理，90%以上的果農為淺穴或淺溝(5～10 cm)追肥，有機肥則平鋪于地表。

表3　種植戶葡萄產量及養分投入量

2.2　優化施肥對葡萄產量、品質及土壤養分的影響

2.2.1產量和品質從表4可以看出，優化施肥處理產量顯著高于傳統施肥種植，鮮食葡萄、釀酒葡萄分別增產13.6%、20.9%。除鮮食葡萄優化施肥處理維生素C含量顯著高于傳統施肥外，釀酒、鮮食葡萄其他品質指標差異不顯著。表明優化施肥不僅顯著提高了葡萄產量，而且葡萄品質沒有下降，反而有小幅度提升。

表4　不同施肥方式對葡萄產量及品質的影響

注：同列數據后不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

2.2.2土壤氮磷鉀養分累積從表5可以看出，硝態氮在>30～60 cm土層均高于0～30 cm，無論是傳統施肥還是優化施肥，土壤中速效養分均有不同程度的累積，而且有向下層土壤遷移的趨勢。傳統施肥的施肥量高于優化施肥，在土壤中的累積量隨著施肥量的增加而上升[16]。優化施肥處理下，鮮食、釀酒葡萄在0～60 cm土層的硝態氮累積量分別比傳統施肥降低26.79%、28.31%。

鮮食葡萄土壤中速效磷含量隨土層深度增加呈增加趨勢，而釀酒葡萄土壤中速效磷含量隨土層深度增加呈減少趨勢。優化施肥條件下，鮮食葡萄在0～30 cm、0～60 cm土層的速效磷累積量分別比傳統施肥降低19.04%、11.67%；釀酒葡萄在0～30 cm、0～60 cm土層的速效磷累積量分別比傳統施肥降低16.21%、11.64%。

傳統施肥條件下，鮮食葡萄土壤中速效鉀含量隨土層深度增加呈增加趨勢，而優化施肥條件下，鮮食葡萄土壤中速效鉀含量隨土層深度增加呈減少趨勢，在0～30 cm、0～60 cm土層的速效鉀累積量分別比傳統施肥降低5.98%、21.60%。無論是傳統施肥還是優化施肥，釀酒葡萄土壤中速效鉀含量隨土層深度增加均呈減少趨勢，在0～30 cm、0～60 cm土層的速效鉀累積量優化施肥分別比傳統施肥降低13.06%、10.44%。

表5　不同施肥方法對土壤養分累積量的影響

2.2.3土壤氮素平衡長期過量施用氮肥會使土壤氮素大量盈余，盈余氮素一部分殘留于土壤中，后期被果樹吸收利用，而另一部分氮素通過硝態氮淋溶、氨揮發和反硝化作用而損失，不僅降低氮肥利用率，而且污染環境[17]。從表6可以看出，傳統施肥氮投入總量為672.31 kg/hm2，氮支出總量為195.52 kg/hm2，氮盈余量為476.79 kg/hm2，氮平衡率為 243.85%；優化施肥氮投入總量為465.20 kg/hm2，氮支出總量為211.61 kg/hm2，氮盈余量為253.59 kg/hm2，氮平衡率為119.84%，較傳統施肥均明顯降低 。

2.3　節能減排潛力分析

2.3.1節肥潛力分析從圖1可以看出，傳統施肥條件下N、P2O5、K2O總養分投入量分別為655.46、454.29、637.42 kg/hm2，優化施肥條件下N、P2O5、K2O總養分投入量分別為448.35、309.07、451.66 kg/hm2。優化施肥比傳統施肥用肥量明顯降低。經計算氮肥、磷肥、鉀肥的節肥率分別為31.59%、31.97%、29.14%；節約N、P2O5、K2O養分量分別為207.11、145.22、185.76 kg/hm2，折合成尿素(含N量46%)、磷酸二銨(含P2O5量46%)、硫酸鉀(含K2O量50%)，則分別為450.24、315.70、371.52 kg/hm2。如果河北省葡萄實現合理施肥，節肥總量分別可達到尿素5.98萬t、磷酸二銨4.19萬t、硫酸鉀4.93萬t。

表6　不同施肥方式的氮素平衡

2.3.2氮肥合理施用條件下的節能減排潛力分析從表7可以看出，在實現河北省葡萄合理施用氮肥的情況下，可減少施用5.98萬t尿素，可減少標煤使用量29.33萬t，節電 735.54萬kW·h，節氨3.52萬t，節約蒸汽8.37萬t，資源消耗用量顯著降低。而氨氮、COD、SS(懸浮物)等嚴重影響水質的污染物及污水的減排量亦可明顯下降。

2.3.3磷肥合理施用條件下的節能減排潛力分析農業生產中磷酸二銨仍是主要的磷源， 但目前生產磷酸二銨的磷礦資源綜合利用率僅為40.1%，而我國磷礦資源并不豐富，已被國土資源部列為2010年以后的緊缺資源。從表8可以看出，在實現河北省葡萄合理施用磷肥的情況下，可以節約磷礦石資源消耗5.03萬～10.48萬t，節水1.68萬t，節煤 0.50萬t，節電 126.96萬kW·h，此外，還可以顯著減少硫酸、磷酸、硫磺、合成氨以及蒸汽的消耗量，降低能耗；浪費的磷礦石資源減少量達2.51萬～6.29萬t，磷石膏、大氣污染物以及蒸發排放的蒸汽量亦可顯著降低，節能減排效益顯著。

表7　河北省葡萄氮肥合理施用條件下的節能減排潛力分析

注：減少污染物的排放量按生產1 t尿素污染物排放量的平均值計算。

表8　河北省葡萄磷肥合理施用條件下的節能減排潛力分析

2.3.4鉀肥合理施用條件下的節能減排潛力分析合理鉀素營養是河北省葡萄獲得優質高產的關鍵。全球鉀肥資源并不緊缺，但93%的資源量和89%的產量集中在加拿大、俄羅斯、白俄羅斯、德國、約旦、以色列6個國家，分布極不均衡[22]。我國鉀肥資源極其緊缺，且鉀礦資源集中的西北地區地下水資源緊缺，導致我國鉀肥的對外依存度高達60%[23]。一旦遇到國際環境和特殊國際重大事件，這些國家出于種種原因如果對中國“短供”的話，中國將被迫面臨海外鉀肥價格高得離譜的狀況。所以生產中鉀肥的浪費本身不僅關乎緊缺資源的浪費和生產成本的增加，還直接關乎我國的戰略安全和穩定。從表9可以看出，在實現河北省葡萄合理施用鉀肥的情況下，可以節約氯化鉀10.03萬t，節約硫酸10.19萬t，節水5.91萬t，節煤3.45萬t，節電1 080萬kW·h，此外還可以顯著減少廢水、煙塵、二氧化硫等污染物的排放。

3　結論與討論

河北省葡萄主產區養分施用量過大，氮磷鉀養分比例不協調，土壤養分累積量過大。根據我國近年來豐產園的資料，我國北方葡萄豐產穩產園施純氮187.5～225 kg/hm2、P2O5150～187.5 kg/hm2、K2O 150～225 kg/hm2[15]，與調查結果比較，河北省葡萄主產區的氮磷鉀養分投入明顯偏高。相關研究表明，北方葡萄適宜的氮 ∶磷 ∶鉀比例為 1.4 ∶1.0 ∶2.1[13]。鮮食葡萄施氮過量，施鉀明顯不足；釀酒葡萄氮、鉀投入均不足。從總體看，河北省葡萄的氮、磷、鉀養分投入量均較高，比例不協調，導致肥料利用率較低。此外，由于施肥量高，導致土壤中速效養分大量累積，而且有向下層土壤遷移的趨勢。土壤中硝態氮、速效磷、速效鉀累積量過高，不僅降低了肥料利用率，而且容易發生揮發、淋溶造成環境污染[25]。基于合理施肥和科學提高肥料利用率的角度，結合河北省葡萄種植面積，優化施肥不僅可以顯著降低生產成本，而且可顯著提高經濟效益、生態效益和社會效益[26-28]。

表9　河北省葡萄鉀肥合理施用條件下的節能減排潛力分析

本研究結果，葡萄優化施肥比傳統施肥可節約N 207.11 kg/hm2、P2O5145.22 kg/hm2、K2O 185.76 kg/hm2，折合節約450.24 kg、磷 315.70 kg、硫酸鉀371.52 kg/hm2。截至2014年，河北省葡萄種植面積已達 132.82 hm2以上，由此可以估算采用優化施肥，節約尿素、磷酸二銨、硫酸鉀分別為5.98萬、4.19萬、4.93萬t。化肥生產不僅消耗大量自然資源和能源，還排放大量污染物質。由上述結果推算，河北省葡萄種植區生產在資源消耗上可節約氨5.22～7.12萬t、蒸汽10.47萬～13.40萬t、電3 035.46萬kW·h、標煤33.28萬t、磷礦石5.03萬～10.48萬t、硫酸(98%)12.62萬t、水7.59萬t。在污染物排放方面，可減少氨氮11.96～123.69萬t、COD 35.88萬～259.16萬t、SS 23.92萬～170.81萬t、磷石膏8.38萬～10.48萬t、大氣污染物0.17～0.25 km3、蒸汽量 1 089.40萬t/h、水60.69萬～297.05萬m3。

根據國家統計年鑒，2014年河北省葡萄種植面積為 13.282萬hm2，占全國葡萄種植面積的16.77%，可以推算若在全國采取優化施肥的方式，在資源消耗量方面，可節約氨31.13萬～42.46萬t、蒸汽62.43萬～79.90萬t、電1.81×108kW·h、標煤198.45萬t、磷礦石29.99萬～62.49萬t、硫酸(98%)75.25萬t、水45.26萬t。在污染物排放方面，可減少氨氮71.32萬～737.57萬t、COD 213.95萬～1 545.37萬t、SS 142.64萬～1 018.54萬t，磷石膏49.97萬～62.49萬t、大氣污染物 1.01～1.49 km3、蒸汽量6 496.12萬t/h、水361.89萬～1 771.31萬m3。表明采用優化施肥方法節能減排潛力巨大。

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