中國糧食主產區化肥施用時空特征及生態經濟合理性分析

劉欽普，濮勵杰

中國糧食主產區化肥施用時空特征及生態經濟合理性分析

劉欽普1，濮勵杰2

（1. 南京曉莊學院環境科學與工程重點學科組，南京 211171； 2. 南京大學地理與海洋科學學院，南京 210093）

研究糧食主產區化肥施用狀況能夠為化肥減量增效、防治化肥損失引起的面源污染、保障國家糧食安全提供決策參考。該研究在分析中國糧食主產區化肥施用強度的時空變化特征的基礎上，根據大田糧食作物對氮磷鉀的養分要求，提出化肥施用生態經濟合理性評價方法，并對中國糧食主產區化肥施用生態經濟合理性進行評價。研究表明：從1993到2017年，中國糧食主產區化肥施用強度從205.5 kg/hm2增加到319.9 kg/hm2，其中氮、磷、鉀化肥的施用強度分別從133.8、48.0、23.7 kg/hm2增加到162.6、84.2、73.2 kg/hm2；總化肥及氮、磷、鉀化肥施用生態經濟適宜量分別從217.4、108.7、54.4、54.4 kg/hm2增加到300.6、150.3、75.2、75.2 kg/hm2；氮肥施用強度在1993年已經超過了其生態經濟適宜量，磷肥從2001年開始超過了其生態經濟適宜量，鉀肥在2009年后逼近其生態經濟適宜量；1993－2007年間，河南、山東、江蘇一直是高強度施肥省份，其他次高強度施肥的省份由高強度施肥省份逐步向周圍擴散。2017年，河南為化肥施用生態經濟不合理區，化肥施用明顯過量；河北、江蘇、安徽、山東和湖北則屬于經濟合理生態不合理區，化肥施用有所過量；湖南、吉林、遼寧和內蒙古施肥適當，屬于施肥生態經濟合理區；黑龍江、四川和江西為施肥生態合理經濟不合理區，化肥施用不足。因此，中國糧食主產區化肥施用強度及生態經濟合理性差異較大，總體施肥過量，部分地區存在施肥不足的情況。節肥增效、防治農業面源污染要堅持分類指導、因地減量的原則，完善配方測土施肥政策和技術手段，大力推進信息技術和有機肥利用，走有機無機肥相結合道路。

農業；化肥；環境安全；時空特征；生態經濟適宜量；環境安全系數；生態經濟合理性

0 引 言

2019年1月《中共中央國務院關于堅持農業農村優先發展做好“三農”工作的若干意見》中明確要求“加大農業面源污染治理力度，開展農業節肥節藥行動，實現化肥農藥使用量負增長”[1]。因此，合理施用化肥，治理面源污染是當前中國農業發展和科學研究面臨的重大課題，加強對中國糧食主產區化肥施用特征及生態經濟合理性研究顯得尤為重要。根據國家財政部 2003 年12月下發的《關于改革和完善農業綜合開發政策措施的意見》，河北、內蒙古、遼寧、吉林、黑龍江、江蘇、安徽、江西、山東、河南、湖北、湖南、四川 13個省（區）為中國糧食主產區。2017年，中國糧食主產區糧食播種面積為8.87×107hm2，占全國的75%，主產區糧食產量47 568.9萬t，占全國糧食總產量的80%以上。因此，糧食主產區對中國糧食生產和安全做出了巨大貢獻。然而，糧食主產區同時面臨著極大的資源和環境壓力[2]。2017年，糧食主產區化肥施用量達到了3 894.07萬t，單位播種面積化肥用量（含氮肥、磷肥、鉀肥和復合肥折純后的N，P2O5,K2O養分，下同）達到441.1 kg/hm2。大大超過國家生態鄉鎮建設規定的化肥施用強度小于250 kg/hm2的約束性指標和國際公認的225 kg/hm2的化肥安全施用上限[3]。根據《第一次全國污染源普查公報》，中國農業總氮、總磷排放比例高達57.2%和67.3%，其中化肥、農藥的過量使用是造成面源污染的重要原因[4]。為了控制過度施肥造成的環境污染，中國在糧食主產區化肥合理用量方面做了大量研究。河北省小麥化肥施用合理量約為390 kg/hm2，其中氮肥、磷肥和鉀肥施用量分別為231、135、24 kg/hm2，玉米化肥施用合理量為233 kg/hm2，其中氮肥、磷肥和鉀肥分別為186、35、12 kg/hm2；山東省小麥化肥施用量為440 kg/hm2，其中氮肥、磷肥和鉀肥分別為263、138、39 kg/hm2，玉米化肥施用量為233 kg/hm2，其中氮肥、磷肥和鉀肥分別為181、35、17 kg/hm2 [5]。張君等[6]研究表明，內蒙古河套灌區保證玉米產量和環境友好的施氮適宜量是193～291 kg/hm2。仇煥廣等[7]通過對黑龍江、吉林、山東、河南四省585戶種植玉米化肥施用量的調查，發現這4省受調查農戶的實際化肥施用量都超過了249 kg/hm2的最優化肥施用量，其中山東樣本農戶平均施用495 kg/hm2，是4省中單位面積化肥施用量最高的省份。在江淮地區，玉米的最佳推薦施氮量為169 kg/hm2[8]。在湖南長沙，水稻早、晚季產量分別為5 474～5 552和7 096～7 521 kg/hm2時，生態經濟效應最佳的施磷適宜量分別約為49和57 kg/hm2[9]。以上研究為糧食主產區合理施用化肥、促進糧食增產和農田生態環境保護、實現農業可持續發展起到了一定的指導作用，但這些研究多是基于田間試驗或農戶調查，而綜合考慮環境安全和糧食安全分析化肥合理施用的生態經濟適宜量，評價化肥施用生態經濟合理性的研究甚少。本文通過構建化肥施用的生態經濟合理性評價方法，對中國糧食主產區1993—2017年化肥施用的時空變化特征及生態經濟合理性進行研究，以期為有關部門制定糧食主產區化肥施用決策、實現化肥施用量負增長、加強生態農業建設提供參考。

1 材料與方法

1.1 化肥施用生態經濟合理性評價方法

1.1.1 化肥施用生態經濟適宜量模型

研究表明，理論推薦施氮量可用作物目標產量乘以單位產量作物需氮量獲得[10]。據此，本文借鑒發達國家氮磷鉀比例1:0.5:0.5（0.4）的施肥實踐[11]，結合中國大田作物小麥、水稻和玉米等氮磷鉀施肥比例平均大約為1:0.5:0.5的養分要求[12-14]，提出化肥施用生態經濟適宜量（fertilization eco-economic appropriate amount，FEAA）測度模型。化肥施用生態經濟適宜量是指為獲得某一季作物目標產量而不危害環境的單位播種面積最大施肥量，相當于化肥施用環境安全閾值[15]。氮、磷和鉀及總的化肥施用生態經濟適宜量計算方法如下：

FEAA

P

=FEAA

K

=0.5FEAA

N

（2）

FEAA=FEAA

N

+FEAA

P

+FEAA

K

=2 FEAA

N

（3）

式中FEAAN、FEAAP、FEAAK和FEAA分別氮肥、磷肥、鉀肥施用和化肥總施用的生態經濟適宜量，kg/hm2；為作物需氮系數（即單位產量的作物需氮量），大約為0.03[10]；Y為某地區近3年某種或某類作物年產量，kg；為化肥施用生態經濟適宜量相對于最佳經濟適宜量的下浮比例。國內研究表明，生態經濟適宜量比最佳經濟施肥量至少低20%[16-17]。日本的“生態農家”認證中也規定化肥施用量要比通常作物栽培方法減少20%以上[18]。因此，這里取0.2。為作物目標產量相對于當前產量的上浮比例。作物目標產量的確定有多種方法，在前3年平均產量的基礎上增加10%～15%作為目標產量是生產上應用最廣泛的方法之一[19]。由于難以收集到所有作物的歷年產量，且糧食作物為中國主要農作物，據統計資料，在糧食主產區糧食作物播種面積占農作物播種面積平均75%以上，故本研究采用前3年糧食作物平均產量確定目標產量，根據糧食主產區近25年來糧食產量增產每年沒有超過5%的生產實際，將前3年糧食平均產量上浮5%～7%為作物目標產量，取0.06。

1.1.2 化肥施用環境安全系數模型

為了評價化肥施用的生態經濟合理性，本文提出化肥施用環境安全系數（fertilization environmental safety coefficient, FESC）的概念及其計算模型。化肥施用環境安全系數是指化肥施用生態經濟適宜量與化肥施用強度之比，反映了化肥施用的安全性。其計算公式為

FESCFEAA/FI（4）

式中FESC為化肥施用環境安全系數；FI表示化肥施用強度，是指一年內農作物單位播種面積實際化肥施用數量，kg/hm2。由于農作物化肥施用強度數據比糧食作物化肥施用強度數據更易于獲得，與有關文獻[20-21]研究結果對比發現，相關年份農作物化肥施用強度與糧食作物化肥施用強度平均相對誤差約7.7%，所以，在公式（4）中，用農作物化肥施用強度代替糧食作物化肥施用強度，與糧食作物化肥施用生態經濟適宜量進行比較，以糧食作物來判斷糧食主產區化肥施用生態安全情況和施肥的生態經濟合理性。化肥施用環境安全系數等于1時，化肥施用強度等于生態經濟適宜量，化肥施用最合理；環境安全系數過大過小都屬于施肥不合理。

1.1.3 化肥施用生態經濟合理性分類

多項研究表明，化肥施用適宜量的變化范圍，大約在其平均數的上下浮動10%～20%[16,22-23]。因此，以實際化肥施用強度在生態經濟適宜量（統計平均值）的上下15%區間為生態經濟合理施肥量，根據環境安全系數的大小，可以將化肥施用生態經濟合理性分成不同的等級類型（表1）。

表1 化肥施用生態經濟合理性分類

注：表中施肥量為化肥施用強度，kg?hm-2；適宜量為化肥施用生態經濟適宜量，kg?hm-2。

Note: Fertilization amount means fertilization intensity, kg?hm-2; Rational amount means eco-economic rational amount, kg?hm-2.

1.2 數據來源

為了避免1993年以前某些作物化肥施用強度存在“失真”的可能[20]和便于與有關文獻[20-21]比較相關研究結果，本研究所使用的數據主要為糧食主產區13個省（區）1993—2017年的農用氮肥、磷肥、鉀肥和復合肥施用量（折純）、農作物播種面積、糧食作物播種面積和總產量等，數據來自中華人民共和國統計局網站的《國家數據》欄目[24]。由于《國家數據》沒有給出復合肥中氮磷鉀的含量，根據市場調查情況，并參考有關文獻[25-26]和聯合國糧農組織對中國復合肥中養分比例的計算方法[27]，復合肥中的氮磷鉀含量統一按1:1:1處理。

2 結果與分析

2.1 中國糧食主產區化肥施用的時空變化特征

2.1.1 化肥施用的時間變化特征

近幾十年來，中國糧食主產區化肥消費呈快速增加的趨勢，年施用總量從1993年的2 232.3萬t增加到2017年的3 894.07萬t[24]，其中氮肥從1 436.0萬t增加到1 956.7萬t，增加了36%，磷肥從545.5萬t增加到1 050.5萬t，增加了93%，鉀肥從250.8萬t增加到886.8萬t，增加了250%。相應的化肥施用強度也呈增加趨勢。本研究發現，糧食主產區化肥施用的時間變化特征如下：

1）化肥施用強度總體呈增加趨勢，其中氮肥增加較慢，磷肥較快，鉀肥最快（圖1）。化肥施用強度從1993年的205.5 kg/hm2，增加到2017年的319.9 kg/hm2，其中氮肥、磷肥和鉀肥的施用強度分別從133.8、48.0、23.7 kg/hm2增加到162.6、84.2、73.2 kg/hm2，分別增加了21.5%、75.2%和210%。由圖1可見，1993年以來，隨著中國經濟的發展和對糧食需求的增加，糧食主產區化肥施用強度呈現波動增長趨勢，但2013－2017年有了明顯的下降，首先氮肥施用強度從2013年開始下降，而磷肥施用強度從2015年開始下降，鉀肥施用強度從2017年開始下降。化肥施用強度下降與國家的生態治理力度加大有關。這些年來，化肥施用過量引起水土環境污染日趨嚴重，減量增效防治污染的呼聲越來越高。2012年中國生態文明建設被提升到“五位一體”的戰略高度，國務院研究部署了土壤環境保護和綜合治理工作，多種原因促使糧食主產區在作物播種面積不斷上升的情況下，氮肥施用總量在2013年開始下降（2012年為1 590.4萬t，2013年為1 579.9萬t），磷肥和鉀肥施用總量都在2015年開始下降（2014年分別568.1、386.4萬t，2015年分別為559.2、381.7萬t），播種面積的增加和施肥量的減少共同作用的結果，使得氮、磷和鉀化肥施用強度下降的時間不同。下降的順序不同可能與農民施肥的歷史和習慣有關。中國首先重視氮肥的使用，其后是磷肥和鉀肥。人們長期習慣使用氮肥，使得氮肥過量嚴重，故化肥減量也先從氮肥開始。1999到2003年氮磷化肥施用強度也出現明顯下降趨勢，其原因一是由于作物種植面積的增加；二是由于在1995－1998年間，中國糧食產量每年接近和超過約5億t，絕大多數農產品出現供大于求的局面，農產品價格持續低迷，農民對土地投入的積極性不高[28]，化肥施用總量特別是氮肥的施用總量出現了持續下降（如糧食主產區氮肥投入總量1998年為1 552.0萬t，2003年已降到1 471.4萬t）。同期糧食產量也明顯下降，引起了政府的重視，自2004年開始實施了一系列的支農惠農政策，提高了農民化肥投入的積極性，氮磷化肥施用強度再次上升。氮磷鉀比例從1993年的1:0.4:0.17調整到2017年的1:0.52:0.45，氮肥比例不斷下降，鉀肥比例上升較快，氮磷鉀比例接近發達國家1:0.5:0.4的水平[11]。

2）化肥施用效率（即單位化肥施用量的糧食產量）總體呈下降趨勢，與化肥施用強度的變化趨勢相反（圖1）。主產區化肥施用效率從1993年的22.7下降到2017年的19.6，這是由于糧食產量增長的速度小于化肥施用量增加的速度，體現了化肥投入的報酬遞減規律。值得注意的是，2006年后化肥施用強度增長速度變慢，化肥施用效率趨于穩定，這與中國2005年開始普遍推廣測土配方施肥措施有關。2015年之后，化肥施用強度呈下降趨勢，但化肥施用效率卻有所提高。說明中國政府于2015年提出《到2020年化肥使用量零增長行動方案》[29]后采取的一系列政策和措施初見成效。如各地進一步提高施肥技術、作物秸稈還田和增施有機肥料等。

圖1 化肥施用強度及施用效率的變化

2.1.2 化肥施用的空間格局變化特征

中國糧食主產區分布在松花江、黃河和長江3大流域，各省份自然環境不同，社會經濟發展程度差別大，化肥施用強度表現出明顯的地域差異。根據國家生態鄉鎮建設要求單位播種面積化肥施用強度不超過250 kg/hm2的標準[30]，參考張福鎖等[31]對化肥施用強度等級以100 kg間隔劃分方法，按照化肥施用強度<250、250～350、351～450、>450 kg/hm2的變化范圍，把主產區各省份化肥投入分為低施肥強度區、中施肥強度區、高施肥強度區、超高施肥強度區4個類型，1993－2017年化肥施用強度類型的空間分布如圖2所示。

1993－2017年糧食主產區化肥施用強度的空間格局變化特征如下：

1）化肥施用強度區域差異越來越明顯，從1993年的2個化肥施用強度類型增加到2017年的4個類型。山東、江蘇、河南一直是高強度施肥中心，隨著時間的變化，高強度施肥省份越來越多，由高強度施肥中心逐步向南北和西部擴散。1993年江蘇和山東2個省份為中施肥強度區，其余11個省（區）為低施肥強度區。1997江蘇施肥強度超過350 kg/hm2，首先成為高強度施肥區，圍繞江蘇的中施肥區達到了7個，整個糧食主產區出現了3個施肥強度類型。2007年高強度施肥區擴大，除江蘇外，山東、河南和湖北的施肥強度超過了350 kg/hm2，也成為高強度施肥區；2017年，河南首先成為超高強度施肥區，施肥強度超過450 kg/hm2，高達462 kg/hm2，是施肥強度最低的黑龍江省170 kg/hm2的2.72倍。吉林、河北、山東、江蘇、安徽和湖北為高強度施肥區；遼寧、內蒙和湖南為中強度施肥區；江西、四川和黑龍江為低強度施肥區。

2）化肥施用高強度區與低強度區的施肥強度差距逐漸減小。1993—2007年，江蘇一直是化肥施用強度最高的省份，2017年河南超過江蘇成為最高省份；1993和1997年，最低的省（區）是內蒙古，而2007和2017年為黑龍江。4個不同年份最高省份的化肥施用強度和最低省份的化肥施用強度的比值，分別是3.31、3.25、3.05、2.72，呈現下降的趨勢。說明隨著經濟的發展和對糧食需求的增加，人們對化肥的投入不斷增加，尤其是低化肥施用強度區投入增加更快。

圖2 1993－2017年化肥施用強度的空間格局

總之，主產區糧食生產對化肥施用的依賴程度越來越強，但施肥強度空間差異的基本格局沒有發生根本性的變化，基本是位于黃淮海平原和長江中下游平原的中東部省份化肥施用強度高，周圍省份施用強度低，地區分布不平衡。這與中國的自然、經濟和社會地理條件有很大的關系，施肥強度低的地區如黑龍江、四川和江西等多為偏遠地區，農業資源和生產條件限制性因素較多，經濟欠發達。黑龍江地多人少，是中國人均耕地面積最多的省份，勞動力稀缺，有限的土地投入更偏向于農業機械而不是化肥；四川和江西山地丘陵面積大，耕地面積小，交通不便，耕地復種指數較高，糧食生產壓力較小，單位播種面積化肥投入相對較少；而河南、山東和江蘇是糧食主產區中人口密度最高、區域耕地面積占土地面積比例最大的省份，這里農業開發歷史悠久，人均耕地少，糧食生產壓力大，傳統上農業精耕細作，這些省份經濟發展水平較高，對外貿易和市場條件好，居民消費能力強，經濟和園藝高肥作物比重大，多種原因使得這些地區始終是化肥投入的高強度中心。

2.2 中國糧食主產區生態經濟合理性變化

2.2.1 化肥施用生態經濟適宜量的時空變化

由于糧食產量的提高，中國糧食主產區化肥施用生態經濟適宜量從1993年的217.4 kg/hm2增加到2017年的300.6 kg/hm2，其中氮肥適宜量為總的化肥適宜量的一半，從108.7 kg/hm2增加到150.3 kg/hm2；磷肥或者鉀肥的適宜量為氮肥的一半，從54.4 kg/hm2增加到75.2 kg/hm2。氮肥施用強度在1993年已經超過了生態經濟適宜量，磷肥從2001年開始超過生態經濟適宜量，鉀肥一直在生態經濟適宜量之內，到2009年后逼近適宜量（表2）。因此，糧食主產區環境壓力不斷增加，氮磷面源污染環境風險較高。

表2 1993—2017年氮磷鉀化肥施用強度與生態經濟適宜量

注：FEAAN、FEAAP、FEAAK分別為N、P、K肥施用的生態經濟適宜量。

Note: FEAAN、FEAAP、FEAAKare fertilization eco-economic appropriate amount of nitrogen, phosphorus, potassium respectively.

2.2.2 化肥施用環境安全系數的時空變化

化肥施用環境安全系數是化肥施用生態經濟適宜量與化肥施用強度的比值，反映了化肥施用對環境的潛在影響和糧食生產安全程度，能夠較好地評價化肥施用的環境安全狀況。主產區各個省份的環境安全系數均呈現快速降低后緩慢升高的趨勢（圖3），其中，黑龍江、江西、湖南和四川的環境安全系數基本均在1以上，說明這些區域的化肥施用強度均未超過適宜量，對生態環境的壓力較小。而河南、山東、湖北、安徽、江蘇和河北的化肥施用強度均超過適宜量，環境安全系數均在1以下，環境壓力大，環境安全面臨嚴峻挑戰。特別是2017年，河南省的化肥施用強度是其生態經濟適宜量的1.5倍多，環境安全系數為0.65，環境風險極高，且化肥施用效率最低，不及黑龍江的一半。吉林、遼寧和內蒙的環境安全系數在1左右，環境壓力處于中等水平。

需要指出的是，近20年來吉林省化肥施用強度一直在適宜量附近，平均環境安全系數為1，且化肥施用效率一直處于高水平，說明糧食產量一直較高。湖南省的化肥施用強度一直低于適宜量，環境安全系數平均為1.2，且化肥施用效率更高。這可能與吉林早在1980年代后期就推廣了配方施肥技術、做到了合理施肥，湖南省復種指數高、化肥利用率高有關[32-33]。

圖3 1993－2017年化肥施用環境安全系數變化

由于糧食主產區化肥施用的空間格局每年變化較小，為簡便起見，氮肥、磷肥和鉀肥的化肥施用的環境安全的時空變化以2007年和2017年為例說明（表3）。2007年氮肥施用環境安全系數大于1的僅有江西和黑龍江2個省份，磷肥安全系數大于1的僅有吉林、遼寧、湖南和江西4個省份，鉀肥的安全系數小于1的僅有河南、山東和安徽3個省份。這說明2007年多數省份氮肥和磷肥施用過量，環境風險較高，而鉀肥施用則是多數省份沒有過量。2017年，氮肥施用環境安全系數大于1的省份增加到5個，磷肥施用環境安全系數大于1的省份增加到6個，鉀肥施用環境安全系數小于1的省份增加到5個，說明2017年部分省份氮肥和磷肥施用量有所下降，環境風險有所降低，而鉀肥的過量施用省份卻有所增加，但糧食主產區環境安全的總體格局變化不大。

表3 中國糧食主產區氮磷鉀肥施用環境安全系數和施肥結構（2007、2017年）

注：FESCN、FESCP、FESCK分別為N、P、K肥施用的環境安全系數。

Note: FESCN、FESCP、FESCKare fertilization environmental safety coefficient of nitrogen, phosphorus, potassium respectively.

從氮磷鉀養分結構看，與2007年相比，2017年各省份的磷鉀比例均有提升，除吉林和湖南外，各省份均呈現出氮肥>磷肥>鉀肥的化肥消費模式。吉林和湖南的磷肥施用強度小于鉀肥，2省氮磷鉀比例2007年分別為1:0.36:0.41、1:0.34:0.43，2017年分別為1:0.49:0.57、1:0.42:0.55，表現為氮肥>鉀肥>磷肥的消費模式，并且2省2007和2017年氮磷鉀化肥施用環境安全系數基本上接近或大于1。這可能與當地的種植結構和施肥方法有關。因此，吉林和湖南2省化肥施用低強度、低磷肥、高效安全的消費模式，類似于德國等歐盟國家，有利于防止化肥施用重金屬污染和“水體富營養化”，基本上做到了糧食和環境安全雙贏發展，分別為糧食主產區其他省（區）提供了良好借鑒。

2.2.3 化肥施用生態經濟合理性的時空變化

按照化肥施用環境安全系數的大小，根據表1對糧食主產區化肥施用的生態經濟合理性進行分類。為簡便起見，僅以2007年與2017年為例進行對比分析，其生態經濟合理性時空變化見圖4。2017年湖南、吉林、遼寧和內蒙古4個省份屬于生態經濟合理類型。四川、江西和黑龍江3個省份是化肥施用生態合理經濟不合理類型，其中黑龍江是中國第一產糧大戶，也是主產區中化肥用量和糧食單產最低的省份之一，與相鄰省份吉林相比，其糧食生產能力因施肥不足沒有充分的發揮出來。相反，中國第二產糧大戶河南省則屬于生態經濟不合理類型，化肥施用強度462 kg/hm2，遠超過生態經濟適宜量（300 kg/hm2）。河南省長期以來一直是全國化肥消費量最大的省份，2017年化肥施用總量為707萬t，大約是黑龍江3倍，但糧食單產5 977.3 kg/hm2，僅比黑龍江高14%。因此，河南省是化肥施用效率最低的省份，也是化肥減量任務最大的省份。河北、江蘇、安徽、山東和湖北5個省份則屬于經濟合理生態不合理類型，因為這些省份的糧食產量接近最佳經濟產量，化肥施用效率較好，但化肥施用強度卻超過了生態經濟適宜量。與2007年相比，2017年生態經濟不合理的省份明顯減少，多數轉變成經濟合理生態不合理，說明這些省份化肥施用仍過量，但糧食產量與之前相比有顯著提高。四川和江西2個省份從生態經濟合理狀態轉變為生態合理經濟不合理狀態，化肥施用量相對不足。因此，在中國糧食主產區，化肥施用總體過量，但也存在施用適量和施用不足的情況，這與閆湘等對中國19個省13 667個地塊施肥調查的研究結果一致[34]。

圖4 2007年和2017年化肥施用生態經濟合理性空間格局

3 討 論

使用本文提出的化肥施用環境安全系數評價化肥施用的生態經濟合理性，較好地處理了化肥施用強度大小與施肥安全性和合理性的關系。環境安全系數評價指標的指向性很強，對于生態經濟適宜量相同的地區來說，化肥施用環境安全系數越大，表明環境越安全，意味著化肥施用強度越小，越遠離生態經濟適宜量。反之，環境安全系數越小，表明環境越不安全，意味著化肥施用強度越大，越超過了生態經濟適宜量，對環境的影響越大。化肥施用環境安全系數也可用于化肥施用生態經濟適宜量不同的地區化肥施用安全性或合理性的比較。環境安全系數過小和過大均屬于不合理施肥狀態。所以，根據化肥施用環境安全系數大于或小于1的程度，可以判斷化肥施用生態經濟的合理程度。從理論上講，化肥施用環境安全系數等于1，是化肥施用環境安全和環境風險的分界點，若安全系數小于1，即化肥施用強度大于生態經濟適宜量，化肥施用就是不安全的。但是，由于化肥施用生態經濟適宜量是統計計算出來的平均值，在實際應用中，將化肥施用強度與之相比較時，一定要給出一個適當的化肥施用適宜量變化的范圍，只有當化肥施用強度落在此范圍內，即化肥施用環境安全系數在1的附近，化肥施用才是既合理又安全的。

總體上，近20年以來，中國糧食主產區的化肥施用強度已經大于生態經濟適宜量，超出了作物的實際需要。多余的養分流入到環境，在一些地區造成了比較嚴重的面源污染。但是，在有些地區仍存在化肥施用不足的問題。有關專家指出，中國化肥施用存在總量過量問題，但具體到各地塊，施肥量的差異很大，大約1/3的地塊過量，1/3的地塊合理，1/3的地塊不足[35]。另有研究表明，中國合理施氮面積占播種面積70%，過量面積占20%，不足面積占10%[36]。本文基于省域數據對中國糧食主產區化肥施用的合理性進行研究，從宏觀角度來認識中國糧食主產區化肥施用情況，同樣發現存在著有施肥過量和施肥不足的省份。總體來講，糧食主產區化肥施用過量情況比中國其他多數省份嚴重，但在施肥過量的省份也有少量施肥不足的地區，在施肥不足的省份也有少量施肥過量的地區。因此，在施肥減量增效、防治面源污染的同時，一定要謹慎看待化肥施用過量的問題，應防止一些本來施肥不足或施肥適量的地區過分地強調減量，給糧食生產帶來不利的影響。本文使用的化肥施用強度數據和糧食產量是各省的平均值，生態經濟合理性的評價結果為各省平均情況。具體到某一地區甚至地塊，可以根據各自的化肥施用量和糧食產量，通過簡單計算得出其化肥施用生態經濟適宜量和環境安全系數，判斷其施肥的合理性。由于糧食產量是各地農業生產的自然要素（如土壤和氣候等）和經濟技術要素（如施肥及管理等）的綜合反映，用其確定化肥施用的生態經濟合理性省去了測定多種土壤要素的過程。因此，本文提出的化肥施用生態經濟合理性評價方法，不管是宏觀指導政策制定或對于日益細化的田間化肥管理來說均適用。

總之，中國實施化肥減量增效防治化肥面源污染不能搞“一刀切”，首先，各地要明確區分出化肥施用過量區、適量區和不足區，要因地制宜，有針對性地分區實施減肥增效措施。與此同時，各地要確定化肥合理施用參考標準，完善配方測土施肥政策和技術手段，利用各種信息技術和傳播方法，加強對農戶認土、識肥的科學教育和技術培訓，提高農戶科學施肥的積極性和自覺性，使廣大農民真正成為合理施用化肥的執行者和受益者。其次, 化肥減量行動可分幾個階段進行，從最高產量施肥量、最佳經濟施肥量和生態經濟施肥量等逐步減少，根據這些施肥量的減量效果，采取不同的減肥策略。另外, 政府加大有機肥補貼力度，制定有機肥替代化肥政策，從需肥量高的果菜茶等經濟作物為試點，促進有機肥的推廣使用，使中國農業真正走有機無機肥相結合的道路，確實保障中國糧食生產和環境保護雙贏發展。

4 結 論

本文通過建立化肥施用生態經濟適宜量模型和環境安全系數模型的方法，分析中國糧食主產區化肥施用時空變化特征及其生態經濟合理性。研究結論如下：

1）從1993年到2017年，中國糧食主產區化肥施用總量和施用強度總體呈增加趨勢。其中氮肥增加較慢，磷肥較快，鉀肥最快，2013年以后，分別呈現下降的趨勢。氮磷鉀比例從1993年的1:0.4:0.17增加到2017年的1:0.52:0.45，逐步改善了高氮中磷低鉀施肥結構，接近發達國家氮磷鉀比例1:0.5:0.5（0.4）的水平。

2）氮肥施用強度在1993年已經超過了生態經濟適宜量，磷肥從2001年開始超過生態經濟適宜量，鉀肥一直生態經濟適宜量之內，2009年后逼近適宜量，氮磷面源污染環境風險較高。化肥施用效率總體呈下降趨勢，從1993年的22.7下降到2017年的19.6，但2016和2017年有上升趨勢，與化肥施用強度的變化趨勢相反。

3）1993－2017年，山東、江蘇、河南一直是高強度施肥中心。隨著農業經濟的發展，高強度施肥省份越來越多，由高強度中心逐步向周圍擴散。2017年河南、江蘇、山東、湖北、河北、安徽和內蒙古7個省（區）化肥施用強度明顯超過其生態經濟適宜量，化肥施用效率普遍小于主產區平均值，吉林、遼寧、黑龍江、湖南、江西和四川6個省的化肥施用強度基本上接近或低于適宜量，化肥施用效率高于主產區平均值，特別是吉林和湖南2省基本做到了糧食生產和環境安全雙贏發展。

4）化肥施用的生態經濟合理性區域差異明顯，施肥合理性近些年有所改善。2017年河南為化肥施用生態經濟不合理區，施肥明顯過量。河北、江蘇、安徽、山東和湖北則屬于經濟合理生態不合理區域，化肥施用有所過量。湖南、吉林、遼寧和內蒙古屬于生態經濟合理區域。黑龍江、四川和江西為生態合理經濟不合理區域，化肥施用略顯不足。與2007年相比，化肥施用生態經濟不合理的省份大為減少，國家提出的化肥施用量零增長行動方案初見成效。

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Spatiotemporal variation of fertilizer utilization and its eco-economic rationality in major grain production areas of China

Liu Qinpu1, Pu Lijie2

(1.,,211171,; 2.,,210093,)

Studies on the spatial-temporal dynamic changes of fertilizer use and its eco-economic rationality in major grain production areas of China were made in order to provide some references for dealing with fertilizer’s non-point pollution, reduction of fertilizers and grain production safety. Based on the data of fertilizers consumption, crops sowing areas and grain yields during 1993-2017, fertilization eco-economic appropriate amount (FEAA) model and fertilization environmental safety coefficient (FESC) model were established to form the method to assess the rationalities of fertilizer use in major grain production areas of China. The results showed that the fertilization intensities in major grain areas of China increased from 205.5 kg/hm2in 1993 to 319.9 kg/hm2in 2017 and the fertilization intensities of nitrogen (N) , phosphorus (P) and potassium (K) increased from 133.8, 48.0, 23.7 kg/hm2in 1993 to 162.6, 84.2, 73.2 kg/hm2in 2017, respectively. Proportion of N:P:K was from 1:0.4:0.17 in 1993 to 1:0.52:0.45 in 2017. FEAAs increased from 217.4 kg/hm2in 1993 to 300.6 kg/hm2in 2017. The fertilization intensities of N had been above the FEAA in 1993, P was above the FEAA from 2001, and K was close to its FEAA from 2009. So the higher risks of non-point pollution of N and P obviously existed. Shandong, Jiangsu and Henan Province were the highest fertilization intensity center during 1993-2017, with other sub-intensity provinces around. In 2017, Henan Provine had the highest fertilization intensity with 462 kg/hm2, while Helongjiang Province had the lowest fertilization intensity with 170 kg/hm2. Among the 13 provinces of grain production areas, 7 areas, Henan, Jiangsu, Shandong, Hubei, Hebei, Anhui and Inner Mongolia, were all individually beyond their own FEAAs with their fertilization efficiencies lower than the average in 2017, while the other 6 areas were close to or less than their FEAAs with their fertilization efficiencies higher than the average, especially Jilin and Hunan Province was with win-win development of grain production and environmental safety. In 2017, Henan belonged to eco-economic irrationality area due to overuse of fertilizers; Hebei, Jiangsu, Anhui, Shandong and Hubei Province belonged to economic rational and ecological irrational areas of fertilization; Hunan, Jilin, Liaoning and Inner Mongolia belonged to eco-economic rational areas of fertilization. Heilongjiang, Sichuan and Jiangxi Province were ecological rational and economic irrational fertilization areas because of insufficient fertilizer use. So there were great differences of fertilization intensities and rationalities in major grain production areas of China. Overall, the fertilizers were overused in China, but some areas were underused. Governments at all levels should classify the major grain production areas into different sorts of fertilization, and determine the categories of overused, rational used or insufficient used in fertilization. Guidance should be given to farmers to upgrade the grain yield and prevent fertilizer’s non-point pollution, and organic fertilizers should be encouraged to use, and the construction of fertilization standards and information services should be reinforced.

agriculture; fertilizer; environmental safety; fertilization spatial-temporal change; eco-economic appropriate amount; environmental safety coefficient; eco-economic rationality

劉欽普，濮勵杰. 中國糧食主產區化肥施用時空特征及生態經濟合理性分析[J]. 農業工程學報，2019，35(23)：142－150.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.23.018 http://www.tcsae.org

Liu Qinpu, Pu Lijie. Spatiotemporal variation of fertilizer utilization and its eco-economic rationality in major grain production areas of China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(23): 142－150. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.23.018 http://www.tcsae.org

2019-07-16

2019-10-06

國家自然科學基金重點項目（41230751）；國家自然科學基金面上項目（41871083）；南京市環境科學與工程重點學科項目（2017-2019）。

劉欽普，博士，教授。主要從事土地資源利用與環境評價研究。Email：liuqinpu@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.23.018

F307

A

1002-6819(2019)-23-0142-09