中國蘋果主產區2006—2016年磷元素收支及其環境風險變化

趙 旸，李 卓，劉 明，肖 瀟，王重陽，孫丹峰，倫 飛

（中國農業大學土地科學與技術學院，北京100193）

磷元素是植物生長所必需的營養元素，磷元素的缺乏會對作物的產量產生影響。因此，磷肥施用的增加在一定程度上有利于作物產量的提高[1-2]，這使得農業生產對磷元素的需求不斷增加。與此同時，磷元素的大量施用，已經超過了全球可持續發展的“行星邊界”，使得磷元素的開采利用處于高風險狀態[3]。作為不可再生資源的磷礦，以目前的開采速度，全球磷礦將在未來40～400年內枯竭[4]。目前研究表明，中國農田磷肥使用量不斷增加，且已經遠超農作物磷吸收量，使得中國農田磷使用效率明顯下降，由20 世紀60年代的0.6左右下降到2011年的0.3左右[5-6]。與此同時，中國農業系統高投入、低效率的粗放式管理方式，也帶來了一些生態環境問題，如土壤磷積累和水體富營養化等[7-8]，這已經影響到了我國生態文明建設和鄉村振興建設的目標。因此，研究農業系統的磷循環及其環境風險具有重要的理論價值與現實意義。

隨著經濟水平的提高，人們對水果的消費量不斷增加，根據世界糧農組織數據統計，2000 年至2016年，全球水果產量從4.79 億t 增長至7.23 億t，尤其是蘋果的生產量不斷增加，由2000年的5913萬t增長至2016 年的8868 萬t，這表明全球蘋果的種植面積和物質投入不斷增大[9]。中國作為世界上蘋果種植面積最大的國家，在2017 年，其種植面積達到了194.69 萬hm2，產量達到了4139 萬t；與此同時，我國蘋果種植的物質投入也不斷增加，以磷元素施用量為例，其單位面積施用量已經由2008 年的181.5 kg·hm-2增加到2013 年的238.5 kg·hm-2，并呈逐年增加趨勢，而遠高于全球平均水平[10-12]。蘋果園粗放式的磷元素管理方式，不僅加劇了我國磷礦資源的耗竭，還給我國蘋果種植區帶來了嚴重的生態環境問題，威脅到當地的生態安全[13-15]；此外，過量的磷肥施用還會對蘋果的品質產生一定的影響，進而對其銷售產生影響[16]。因此，如何在保障蘋果產量和品質的前提下，更好地實現區域環境可持續發展，已經成為中國蘋果主產區所面臨的關鍵問題，受到了社會各界的廣泛關注。

國內外學者對農業系統的磷元素利用及其環境風險狀況開展了大量的研究，并取得了很好的研究成果。目前的研究主要是基于物質流分析的方法，研究了不同尺度下農業利用系統磷元素循環[17-18]、施用效率[5]、利用強度[19-20]等問題。針對以蘋果為代表的經濟作物磷元素循環及其環境風險的研究，主要采用種植實驗分析和養分盈余分析等方法，研究某一特定地區果園的土壤磷素環境敏感臨界值[21]、磷投入特征[22]、磷素盈余狀況[23-24]，缺少分析不同區域的蘋果種植磷循環過程及其環境風險狀況。因此，對比分析我國蘋果主產區磷元素循環過程，探討其風險狀況及其變化規律，對于更好地實現我國區域可持續發展和生態文明建設具有重要的現實意義和價值。

由于我國地域面積大，地區之間的差異明顯，蘋果生產主要集中在陜西、山東、河南、山西、河北、遼寧、甘肅、寧夏等地區，其2016 年的蘋果種植面積占全國總種植面積的88%左右，而產量則占全國總產量的90%以上。因此，對比研究我國蘋果主產區的磷元素收支及其環境風險變化狀況，對于更好地實現當地鄉村振興和區域生態文明建設，具有重要的意義。因此，本文基于物質流分析的方法，研究了2006—2016 年中國蘋果主產區的磷元素收支狀況，并以磷足跡為基礎，探究了不同區域蘋果種植的環境風險及其變化規律，以期為更好地實現區域生態文明建設和鄉村振興提供政策建議。

1 材料與方法

1.1 研究方法

1.1.1 蘋果園磷收支研究

基于物質流分析方法，蘋果園磷元素收支主要是由磷元素的投入量和輸出量決定的，其中蘋果園磷元素投入（Pinput）包括化肥（PCF）和農家肥（Pman）的投入，而蘋果園磷輸出主要包括經濟產品輸出（Pout-eco）、地表徑流（Prunoff）和地下滲漏（Pleach），其中蘋果園經濟產品磷輸出主要是指所生產蘋果中的磷元素含量。具體計算方法如下：

化肥的磷投入量（PCF）是根據化肥消費量（CFi）與其含磷量（PCF-i）相乘得到的。由于農家肥的施用量難以直接獲取，本文假定來自農家肥和化肥的單位磷元素的費用一致，故可以通過施用化肥的費用（CCF）、施用農家肥的費用（Cman）及化肥的磷投入（PCF）得到農家肥施用量（Pman），因此，蘋果園磷元素的收入量計算公式如下：

蘋果園的經濟產品磷輸出（Pout-eco）主要是根據蘋果園產量（PDeco）及其單位蘋果的含磷量（PCeco=0.02 kg·100 kg-1）得到的；根據付永虎等[25]的研究結果，蘋果園磷肥地表徑流（Prunoff）和地下滲漏（Pleach）的磷輸出量主要是根據磷元素徑流流失系數（αapple）和磷肥淋溶流失系數（βapple）得到的，其值分別為0.514 和0.278，具體如下：

1.1.2 磷足跡

足跡分析可以探究作物產出與環境風險之間的聯系，如用于衡量自然資源可持續利用的水足跡、碳足跡、氮足跡等[26-27]。磷元素作為一種有限的自然資源，利用足跡分析的方法，可用來研究農作物在不同生產過程中磷循環的資源環境效應問題。目前，對于磷足跡的研究，國內外學者基于不同角度提出了不同的磷足跡概念和計算方法，例如Meston等[28]將人均磷足跡定義為“滿足每年的人均食物消耗量所需磷礦石量”，許肅等[19]將磷足跡定義為“在生產某種產品整個供應鏈的所有磷元素投入之和”，而張丹等將磷足跡定義為“1 kg 食物所需投入的所有磷元素總量”[20]。因此，本文借鑒前人對磷足跡的相關研究，從資源投入和產品產出的角度出發，將磷足跡（Phosphorus Footprint）定義為：每生產含1 kg 磷元素的農作物所需要投入磷元素的總量，故其可以揭示農作物生產的磷元素利用效率等問題。因此，蘋果園磷足跡的計算公式如下：

1.1.3 蘋果主產區總磷投入量

蘋果主產區的總磷投入量是由蘋果園的經濟產品磷輸出（Pout-eco）及其磷足跡（PF）得到的。因此，根據蘋果主產區2006—2016 年的蘋果總產量（PTcrop），便可以得到蘋果主產區的經濟產品磷輸出，進而可以得到總磷投入量，具體的計算公式如下：

式中：Ptotal為蘋果主產區每年的總磷投入量；PTcrop為蘋果主產區每年的總產量。

1.1.4 蘋果園磷投入環境風險評價

根據前人的研究結果，蘋果園磷投入的環境風險主要包括水體環境風險和土壤環境風險[25，29]，其中：水體環境風險主要是指農業生產活動中，磷元素通過地表徑流和地下滲漏進入水體中所造成的環境污染[25]，目前對于農業生產磷投入的水體環境風險主要是通過灰水足跡的方式進行表征；磷投入的土壤環境風險，主要是由于磷元素大量投入之后，使得過量的磷元素積累于農地土壤之中，進而對土壤理化性質產生影響，目前，土壤環境風險的評價主要是與土壤磷環境安全閾值比較，確定農業系統磷投入的土壤環境風險狀態[29]。因此，蘋果主產區磷投入的環境風險評價方法具體如下：

（1）水體環境風險

付永虎等[25]采用氮足跡和灰水足跡理論，對農業土地利用系統投入減量化趨勢與環境風險降低潛勢進行綜合評估，為農業土地利用環境效率評價提供了全新的定量化指標。因此，本文基于灰水足跡的方法，利用蘋果園磷收支狀況，估算了中國蘋果主產區磷投入所造成的水體環境風險狀況，具體計算公式如下：

式中：GWFTP為磷肥灰水足跡；Prunoff為總磷流失總量；Pleach為總磷淋溶損失總量；CTPmax為水體中允許總磷的最大濃度，取值0.2 mg·L-1（Ⅲ類）；CTPnat為水體中的本底濃度，取值0 mg·L-1；FPK為蘋果園的施磷量；αapple為蘋果園磷肥徑流流失系數，取值0.514；?apple為蘋果園磷肥淋溶流失系數，取值0.278。

（2）土壤環境風險

劉欽普利用環境風險指數模型得出磷元素的環境安全閾值為62.5 kg·hm-2，并按照施用量超過環境安全閾值的倍數，把磷元素施用所造成的土壤環境風險分成了6 個不同的等級，如表1 所示。本文根據劉欽普[29]的環境風險指數模型，對蘋果園的土壤環境風險進行了評價，具體計算公式如下：

式中：Rp為磷肥污染環境風險指數；Tp為磷肥環境安全閾值，取值為62.5 kg·hm-2；Fp為磷肥施用強度，是指本年內單位面積耕地實際用于農業生產的磷肥施用量，kg·hm-2；MP表示當年磷肥施用量，kg；A表示耕地面積，hm2。

1.2 數據來源

本研究需要的數據包括2006—2016 年中國蘋果主產區的播種面積，年產量，單產，化肥施用量，化肥、農家肥價格，蘋果含磷量，蘋果園磷肥徑流流失系數，蘋果園磷肥淋溶流失系數，水體中允許總磷的最大濃度，磷肥環境安全閾值等，主要來源為《全國農產品成本收益資料匯編》（2006—2016）、農村統計年鑒及相關文獻[25，29]。

表1 磷肥使用環境風險指數（Ri）Table 1 Environmental risk index（Ri）for P application

2 結果和分析

2.1 中國蘋果主產區磷收支

在2006—2016 年，中國蘋果主產區單位面積磷投入呈先增加后減少的變化趨勢（圖1），且在2010年時達到了最大值（185.90 kg·hm-2），其為2006 年單位面積磷投入量的1.69 倍。隨著生態文明建設的不斷推進，中國開始實行農業雙減政策，蘋果主產區的磷投入量逐漸減少，到2016 年時，單位面積磷投入量降低至142.51 kg·hm-2。此外，受國際磷肥價格上漲的影響，2008 年中國蘋果主產區磷元素的投入量相對較低。由此可見，中國蘋果主產區磷元素的投入量受農業發展水平、國家政策、市場經濟等方面的綜合影響。

在2006—2016 年間，中國蘋果主產區單位面積產量呈略微波動增加的趨勢，其含磷量由2006 年的5.84 kg·hm-2增加到2015 年的6.61 kg·hm-2，平均為6.16 kg·hm-2。盡管單位面積磷投入量在2008年相對較少，但其產量并未受明顯的影響，這表明中國蘋果主產區土壤磷積累量相對較高，在磷投入量相對減少時仍能保持相對較高的產量。因此，通過充分合理利用土壤中的營養元素，不僅能夠保證蘋果產量，還能夠實現農業化肥減施的目標。

2016 年中國不同蘋果主產區單位面積磷收支存在較大的差異（表2），其中：山東的單位面積蘋果園磷投入量最高，達到了248.62 kg·hm-2，為甘肅的3 倍左右；山東蘋果園高投入的管理方式，使得單位面積蘋果產量相對較高，其含磷量達到了8.11 kg·hm-2，是全國蘋果主產區平均值的1.31倍。然而，與其他省份相比，山東磷元素的利用效率最小（僅為3.26%），不到寧夏蘋果園磷利用效率的一半。此外，遼寧和河南單位面積磷投入量也相對較高，但他們的磷元素利用效率也相對較低，均低于4%，這表明山東、遼寧和河南蘋果種植面臨著較高的磷環境風險，需要引起進一步的關注。

圖1 中國蘋果主產區2006—2016年單位面積磷收支情況Figure 1 P inputs and outputs per unit area in different provinces during the period of 2006—2016

2.2 中國蘋果主產區磷足跡

磷足跡可以用于表征蘋果種植過程中磷元素投入與產出情況（表3）。在2006—2016年，中國蘋果主產區的磷足跡為25.19 kg·kg-1，即每生產含1 kg 磷的蘋果需要投入的磷元素總量為25.19 kg。與單位面積磷投入量類似，我國蘋果主產區的磷足跡也呈現出先增加后減少的變化趨勢，且在2010 年時達到了最大值（32.48 kg·kg-1）。2008 年磷投入量相對較少，但其產量并未受到影響，因此2008 年磷足跡最低，為17.01 kg·kg-1，但也遠高于世界平均水平。此外，中國蘋果主產區的磷足跡在2009—2014 年時相對較高，均高于25 kg·kg-1，但2015 年和2016 年呈現出明顯的下降趨勢，這表明我國農業雙減政策效果開始呈現。因此，合理的農業生產方式，能夠維持相對較高的農作物產量，還有利于節約自然資源。

在2016 年，中國不同蘋果主產區的磷足跡存在一定的差異（表4）。遼寧、山東和河南的磷足跡相對較高，均高于2016 年的平均水平（24.13 kg·kg-1），其中：遼寧蘋果種植的磷足跡最高，其值為31.31 kg·kg-1，其次為山東，其蘋果種植的磷足跡為30.78 kg·kg-1，表明這兩個地區面臨著相對較大的環境風險。甘肅蘋果種植的磷足跡最低，為13.88 kg·kg-1，這主要是由于其蘋果園產量相對較高，而其投入量相對較少，使得磷元素利用率相對較高。

表2 2016年中國蘋果主產區單位面積磷收支情況Table 2 P inputs and outputs per unit area in different provinces in 2016

表3 中國2006—2016年蘋果磷足跡變化情況Table 3 P footprints of apple orchards in China during the period of 2006—2016

表4 2016年中國不同蘋果主產區磷足跡對比Table 4 Comparison of P footprints for different provinces in China in 2016

表5 中國蘋果主產區磷投入情況Table 5 P input in China′s main apple producing areas

2.3 中國蘋果主產區總磷投入量

在2006—2016 年，中國蘋果主產區總產量達366.94 Mt，總磷含量為7.34 萬t（表5）。因此，根據不同省份蘋果生產的產量及其磷足跡，便可以得到其蘋果種植的磷元素投入情況。在2006—2016 年間，中國蘋果主產區蘋果種植投入的總磷量達到了184.86萬t（即11 年蘋果種植的年均磷投入量達16.81 萬t），總磷含量為7.34 萬t，故其磷元素利用效率僅為3.95%。在這時期內，中國蘋果主產區的蘋果產量、磷投入量和含磷量均呈增加的趨勢，其中：蘋果總產量增加了55%，由2006 年的26.06 Mt 增加到2016 年的40.39 Mt，而其含磷量由2006 年的0.52 萬t 增加到2016 年的0.81 萬t；蘋果生產的磷投入總量在2014 年達到最高，為20.84 萬t，隨著中國政府采取“雙減”政策和開展“2020 年化肥零增長”項目，蘋果種植的總磷投入量在2015 年和2016 年有所減少。在2016年，中國蘋果主產區的總磷投入量達到了17.93 萬t，其中山東的總磷投入量最多，投入了5.07 萬t，占主產區總磷投入量的28.31%；其次是陜西，占主產區總投入量的27.57%。此外，山西、河南蘋果種植的總磷投入也超過了主產區總磷投入量的15%。

圖2 2006—2016年中國蘋果主產區總磷投入變化情況Figure 2 Total P inputs for main apple producers in China during the period of 2006—2016

中國蘋果主產區2006—2016 年果園種植磷元素總投入量呈現出不同規律（圖2），這與果園種植面積、單位面積產量和磷足跡均有密切關系，其中：山東省的總磷投入變化趨勢為先增加后減少，主要是蘋果磷足跡和單位面積產量在2012 年后有所下降，帶動了山東蘋果種植總磷投入量的下降；陜西、河北和河南蘋果種植總磷投入呈波動上升，是因為陜西擴大了種植面積，磷足跡波動較小；河北和河南雖然單位面積產量和播種面積變化較小，但磷足跡小幅度增加帶動了總磷投入的增加；遼寧、甘肅、寧夏等地區蘋果種植受磷足跡逐年增加的影響較大，總磷投入呈增加趨勢。

圖3 中國蘋果主產區2016磷投入灰水足跡對比Figure 3 The total P grey water footprints in the main apple orchard areas in China in 2016

2.4 中國蘋果主產區環境風險變化

2.4.1 水環境風險

本文對于蘋果主產區的水環境風險研究采用了灰水足跡法，其是用稀釋污染物所需要的水量對環境風險進行評價，其數值越大表明風險相對越高。中國蘋果主產區的水環境風險呈現出先迅速增加，再波動緩慢增加，近期出現逐漸改善的趨勢。如表6 所示，2006—2010 年（除2008 年受國際磷肥價格的影響外），果園面積的迅速增加和單位面積磷投入量的不斷增加，使得中國蘋果主產區的水環境風險日趨嚴重。中國蘋果主產區2010 年的總灰水足跡達到了8.1×1011m3，是2006 年的2.08 倍，此外單位面積灰水足跡由2006 年的2.05×105m3·hm-2增加到2010 的4.22×105m3·hm-2；在2011—2014 年間，盡管單位面積磷投入量略有減少，但果園面積呈不斷增加趨勢，這使得中國蘋果主產區的水環境風險呈波動增加的趨勢，到2014 年時，中國蘋果主產區的總灰水足跡達到了8.3×1011m3，在這段時間，單位面積灰水足跡為4.18×105m3·hm-2；中國蘋果主產區在2015 年和2016年的單位面積灰水足跡不斷下降，且蘋果種植面積也相對穩定，使得總灰水足跡分別為7.5×1011m3和7.1×1011m3，與2014 年相比，蘋果種植的水環境風險得到了一定的控制。

由圖3 可見，在2016 年，磷肥灰水足跡年均最大值的蘋果主產區為山東（2.1×1011m3），其次為陜西（1.6×1011m3），兩個高產區的蘋果種植面積大，磷投入量高，使得磷肥灰水足跡較大。甘肅蘋果園的磷足跡較小，磷肥灰水足跡最小，僅為3×1010m3。蘋果主產區磷肥灰水足跡的大小與蘋果種植面積、磷足跡大小有一定的關系，種植面積較大、磷足跡較大的產區，磷的投入量較大，果園的水環境風險程度也相對較高。

2.4.2 土壤環境風險

根據劉欽普的估算方法，本文對比分析了中國蘋果主產區磷投入的土壤環境風險情況（圖4）。與2006 年相比，中國各個蘋果主產區的磷投入土壤環境風險分析均呈加劇趨勢，在2016 年，除寧夏處于低度風險外，其他蘋果主產區均處于中度風險或重度風險情況。具體而言：山東蘋果園磷投入環境風險程度由低度風險轉為嚴重風險后降為重度風險；河南和遼寧蘋果園磷投入環境，除少數幾年處于重度風險外，基本都處于中度風險；河北和山西蘋果種植土壤環境由低風險變為中風險；甘肅蘋果磷投入土壤環境風險由安全轉向低度風險再轉向中度風險；寧夏則由安全轉為低風險。由此可見，我國蘋果種植土壤環境風險仍處于風險不斷增加趨勢，需要得到進一步的控制，從而更好地實現區域鄉村振興和生態文明建設。

表6 2006—2016年蘋果園磷肥灰水足跡Table 6 The P grey water footprints for the main apple orchard areas in China during the period of 2006—2016

3 結論與建議

3.1 結論

（1）在2006—2016 年，中國蘋果主產區單位面積磷投入呈先增加后減少的趨勢，而生產蘋果的含磷量則呈現略微波動增加的趨勢，這使得中國蘋果主產區磷足跡也呈現出先增加后減少的變化趨勢，且在2010 年時達到了最大值。此外，中國的農業環境政策在一定程度上有利于提高蘋果種植的磷元素利用效率，實現資源可持續利用。

圖4 中國蘋果主產區2006—2016磷投入的土壤環境風險變化情況Figure 4 The soil environmental risks due to P inputs for the main apple orchard areas in China during the period of 2006—2016

（2）中國不同的蘋果主產區單位面積磷投入和磷足跡呈現出一定的差異，其中：山東、遼寧、河南單位面積磷投入量較高，且磷足跡相對較高，使得磷元素利用效率相對較低，它們面臨著相對較高的磷環境風險，需要引起進一步的關注。

（3）蘋果種植對中國蘋果主產區造成了一定的環境風險，其中：水環境風險在2006—2010 年時呈不斷嚴重的趨勢，但隨后幾年則有所改善，而土壤環境風險則均呈不斷嚴重的趨勢。此外，不同區域的環境風險有所差異，其中山東和陜西的水環境風險相對嚴重，而山東和河南的土壤環境風險則相對嚴重。

3.2 建議

（1）確定合理的化肥投入，保障資源利用效率、作物產量和生態環境風險之間的耦合關系，實現區域經濟發展、鄉村振興和生態環境保護三重目標。

（2）加強政府引導機制，保障蘋果種植肥料合理施用。

（3）加強果農的管理教育，提高他們的科學種植和環境保護意識。