通遼市化肥施用強度及環境安全閾值時空變異

侯迷紅，紀鳳輝，范 富，宋桂云，馬玉露，邰繼承，張慶國

（1.內蒙古民族大學 農學院，內蒙古 通遼 028043；2.通遼市農牧局，內蒙古 通遼 028000）

化肥是糧食的“食物”.20世紀80年代開始，我國糧食產量連年增長，到21世紀已經達到6 000億kg，近幾年保持在6 500億kg以上，化肥功不可沒.1979年至2019年40年間，我國化肥用量由1 086萬t增加到5 404萬t［1］.化肥的施用對農業的增產貢獻很大，但是隨著化肥施用量和施用強度的逐年增加，造成了農業面源污染、生態環境惡化.施肥不當引起的土壤退化、耕地地力下降、水體污染、大氣污染等問題在糧食主產區更為突出，成為農業可持續發展的制約因素.近年，專家學者關于化肥施用強度的研究主要集中在3個方面：一是化肥施用強度在不同地區、不同作物及不同年份的變化特征［2-6］及其污染風險評價［7-11］.主要依據田間調查數據或宏觀統計數據對化肥施用強度進行計算與評價，結果表明，中國化肥施用強度遠遠高于國際標準.二是化肥施用強度不斷增長的原因、因素分析，主要依據微觀調查數據，分析政策、制度、經濟、人口、技術等內部、外部因素分析要素投入配比對糧食產量的影響［12］.三是預測今后農業污染的發展趨勢，提出減少化肥施用強度的政策建議［13-22］，包括各種經濟措施以及相應的政策法規、制度和補貼等.關于環境安全閾值的研究主要根據化肥用量和養分流失的關系，計算不同地區不同作物氮肥、磷肥的環境安全閾值，提出適宜的氮、磷肥施用量［23-29］.

2019年，內蒙古通遼市糧食總產達到84.85億kg，實現了“十八連增”.但隨著糧食產量的不斷增加，化肥的用量也迅猛增長.據統計，2004年內蒙古通遼市化肥施用量（折純）為23.50萬t（同年耕地面積為91.44萬hm2），到2019年通遼市化肥施用量（折純）達到61.88萬t（同年耕地面積為147.67萬hm2）［30］.15年間，化肥施用總量增長了163.31%，公頃均施用量增長了63.08%，而作為通遼市主栽作物玉米的平均公頃產量由2004年的6 936 kg增長到2019年的7 346 kg，僅提高了5.85%.化肥施用量大，利用率卻很低，據測算，通遼市化肥利用率僅為30%～35%，大量未被利用的化肥（氮、磷等營養元素）殘留土體或通過農田排水、地表徑流或地下淋溶等途徑造成水體污染、土地污染和大氣污染，給糧食可持續增產、食品安全帶來了嚴重危害.不合理施肥和過量施肥造成的化肥面源污染是通遼市糧食產量“十八連增”所面臨無法回避的現實.協調好減排增匯與糧食供給之間的關系，任重而道遠.因此，筆者擬通過耕地化肥污染指標監測，分析西遼河灌區內蒙古通遼市化肥施用量、化肥施用強度和化肥施用環境安全閾值的時空變異，摸清化肥污染現狀和發展變化趨勢，為進一步控制本地區化肥施用提供實踐指導及理論參考.

1 材料和方法

1.1 研究區概況 通遼市位處內蒙古東部，土地總面積59 535 km2，屬溫帶大陸性氣候，大部分地區無霜期為130 d，年降雨量350～450 mm，主要作物為玉米，種植制度為一年一熟.通遼市地處西遼河平原腹地，屬西遼河平原灌區，為國家和自治區主要的商品糧生產基地，素有“內蒙古糧倉”的美譽［31］.

1.2 數據來源 數據來源包括2000—2019年《通遼市統計年鑒》、通遼市耕地資源管理信息系統數據庫、通遼市耕地質量長期定位監測點數據、2020年的《第二次全國污染源普查公報》等.調查數據包括測土配方施肥農戶調查表及有關專題調研數據.化肥使用強度標準數據來自于國家環境保護總局2007年印發的《生態縣、生態市、生態省建設指標（修訂稿）》［32］.

1.3 化肥施用環境安全閾值的計算方法 化肥施用環境安全閾值指為獲得某一季作物的目標產量但不危害環境時某種化肥的最大施用量（kg·hm-2）.劉欽普［33］提出總化肥和氮、磷、鉀單質化肥施用的環境安全閾值（environmental safety threshold，ET）測度模型為

公式中ET、ETN、ETP、ETK分別指總化肥、氮肥、磷肥和鉀肥施用環境安全閾值（kg·hm-2），Yi指某地區近n年中第i年的糧食產量（kg·hm-2），取值3；A指作物需氮系數0.03（單位產量作物需氮量）；ρ指化肥施用環境安全調節系數（小于1），用來調節化肥施用環境安全閾值和目標產量的化肥經濟施用量的關系，取值0.9.

2 結果與分析

2.1 通遼市化肥施用與環境安全閾值的動態變化

2.1.1 通遼市化肥施用量隨時間的變化 根據對2000—2019年通遼市統計數據分析，該市化肥施用總量與氮、磷、鉀肥及復合肥施用量變化情況見圖1.由圖1可見，20年間化肥施用總量變化出現2個峰值，第一個峰值出現在2009年，第二個峰值出現在2017年.2000—2009年，化肥施用量呈持續增加趨勢，2010—2013年間化肥施用量較2009年有所下降，這段時間通遼市全面實施測土配方施肥技術，化肥施用過量情況得到一定的控制.2014—2017年，化肥施用量又呈持續增加趨勢，2018—2019年，化肥施用量又出現下降趨勢，這段時間通遼市全面實施化肥零增長措施，化肥施用量再次得到控制.2000年，化肥總量與氮、磷、鉀肥及復合肥施用的純養分投入量分別從10.6萬t、6.1萬t、2.5萬t、0.9萬t、10.3萬t增加到2019年的61.9萬t、21.4萬t、10.6萬t、5.4萬t、24.4萬t，2019年分別是2000年的5.8、3.5、4.2、5.9、23.8倍.其中，氮肥的施用總量和凈增量最大，2000年總量為6.1萬t，2019年達到21.4萬t，凈增15.3萬t；而復合肥的增幅最大，達136.9%；化肥總量從2000年到2019年增長了484.0%，年均增長率達24.2%.氮、磷肥和復合肥施用量2000—2009年持續上升，2009年達到第一個峰值，鉀肥施用量基本呈緩慢上升趨勢，2007年達到第一個峰值.繼第一個峰值后，氮肥施用量在2016年達到第二個峰值，磷、鉀肥施用量在2017年達到第二個峰值，之后均有所下降.說明2010—2013年隨著測土配方施肥技術的不斷普及，通遼市氮、磷、鉀肥施肥用量有所下降，但伴隨農作物播種面積的擴大，自2014年以后，化肥施用總量和各種化肥用量均又呈上升趨勢，2017年以來，通遼市實施化肥減量增效、化肥零增長等措施，化肥施用量呈下降趨勢.復合肥施用量自第一個峰值以后呈逐漸上升趨勢.

圖1 2000—2019年份通遼市化肥施用量動態變化Fig.1 Dynamic changes of fertilizer application rate in Tongliao from 2000 to 2019

2000—2019年，通遼市糧食連續增產，年均增長率為11.6%，而化肥施用總量的年均增長率為24.2%，增加幅度明顯高于糧食增產幅度，這表明，化肥的利用效率在下降，施肥對糧食增產的邊際效應越來越低.糧食產量增長速度遠低于化肥增長速度，20年間糧食增產3.31倍.通遼市施肥效益（每千克化肥糧食產量）從2000年的24.1 kg·kg-1下降到2019年的13.7 kg·kg-1，20年下降了43.2%（圖2）.

圖2 2000—2019年份糧食產量及施肥效益動態變化Fig.2 Dynamic changes of grain yield and efficiency of fertilization in Tongliao from 2000 to 2019

2.1.2 化肥施用強度（FI）和環境安全閾值（ET）動態變化 按作物播種面積計算，通遼市單位面積化肥施用強度及氮、磷、鉀單質施用強度分別從2000年的 112.6、65.1、26.9、9.7 kg·hm-2增加到2019年的502.0、173.5、86.1、43.9 kg·hm-2，2019年分別是2000年的 4.5、2.7、3.2、4.5 倍（表1）.化肥施用強度（單位播種面積所施化肥量）從112.6 kg·hm-2增長到502.0 kg·hm-2，以每年平均17.3%的速度上升，高于全國平均335.3 kg·hm-2（2010年）的水平，遠遠超過發達國家公認的225 kg·hm-2上限［34］.N∶P2O5∶K2O在2000年為 1.00∶0.40∶0.15，2019年增長到1.00∶0.50∶0.25（表1）.

表1 通遼市2000和 2019年化肥施用強度（FI）及其環境安全閾值（ET）Tab.1 Fertilization intensity（FI）and its environmental safety threshold（ET）in Tongliao in 2000 and 2019

隨著農業的不斷發展，通遼市化肥投入強度越來越大，而施肥效益卻越來越低，當化肥投入超過環境安全閾值，將會給農業生態環境造成不利影響.因此，化肥施用的環境安全閾值確定就顯得尤其重要.根據劉欽普［33］提出的公式（1）～公式（3），可以計算出某年化肥投入的環境安全閾值.通遼市2000—2019年氮、磷、鉀肥施用強度及環境安全閾值變化見圖3.化肥施用環境安全閾值是和糧食產量相關的動態值，糧食產量越高，需要的化肥投入量就越大，對環境的影響也會隨著變化，化肥環境安全閾值就會不同.通遼市的化肥施用強度從2003年開始超過了化肥環境安全閾值.單質肥料氮肥和磷肥投入分別在2003年、2006年超過了環境安全閾值，鉀肥投入到2019年還沒有超出環境安全閥值.從2006—2009年化肥施用強度、氮肥施用強度、磷肥施用強度與閾值的距離越來越大，2010年距離明顯縮小，2010—2013年兩者距離又逐漸增大，2014—2019年兩者距離又呈縮小趨勢，尤其是2018—2019年兩者距離明顯縮小.這是由于自2006年開始通遼市推廣測土配方施肥技術，直至2010年在通遼市實現了技術推廣全覆蓋，使得化肥施肥強度有所減緩.2018年，通遼市實施減肥增效、化肥零增長等技術措施，化肥施用量有所下降.

圖3 通遼市2000—2019年份化肥FI及ET的動態變化Fig.3 Dynamic changes of fertilization intensity and environmental safety threshold in Tongliao from 2000 to 2019

2.2 通遼市化肥施用強度及其環境安全閾值的空間變化

2.2.1 化肥施用強度的空間變化 通遼市南北跨度較大，自然環境與社會經濟發展差異很大，化肥施用強度也表現出明顯的區域差異.按糧食作物播種面積算，2019年的化肥施用強度最高的奈曼旗為815 kg·hm-2，是霍林郭勒市124 kg·hm-2的6.6倍.按照中國生態縣及生態鄉鎮建設的要求，化肥施用強度不能超過250 kg·hm-2的標準［22］，根據化肥施用強度≤250、＞250～350、＞350～450、＞450 kg·hm-2的變化范圍，施肥區分為低強度、中強度、高強度施肥及超高強度施肥4個等級.通遼市各旗（縣、市、區）化肥投入空間變化情況見表2.由表2可知，扎魯特旗、開魯縣、霍林郭勒市3個旗（縣、市）屬于低強度施肥區，科左中旗和庫倫旗2個旗屬于中強度施肥區，科爾沁區、奈曼旗、科左后旗3個旗（區）屬于超高強度施肥區.低強度化肥投入區位于中北部地區，超高強度化肥投入區位于中南區和西南區.對于氮、磷、鉀肥養分結構來說，絕大多數旗縣表現出氮、磷、鉀施用不平衡現象，尤其是氮肥施用比例偏大，鉀肥施用比例不足.

表2 2019年通遼市化肥施用強度、化肥施用環境安全閾值及化肥施用合理性分布Tab.2 The distribution of fertilization FI，fertilizer ET and fertilizer rationality in Tongliao in 2019

2.2.2 化肥施用的環境安全閾值空間動態變化 根據化肥施用環境安全閾值測度模型，計算通遼市各旗縣2019年各旗（縣、市、區）氮、磷、鉀化肥施用環境安全閾值的變化范圍是36～440 kg·hm-2，平均277 kg·hm-2，按照平均閾值上下各浮動約20～25 kg·hm-2，分出≤250、250～300、＞300 kg·hm-2的低閾值區域、中閾值區域和高閾值區域3個化肥閾值類型，其空間分布見表2.由表2可見，通遼市有55%以上的旗縣，其施用環境安全閾值屬于高閾值區范圍，低閾值區分布在科左后旗、扎魯特旗和霍林郭勒市.各旗縣化肥施用的環境安全閾值區域分布，綜合反映出各區域自然與經濟社會條件差異以及對化肥施用的風險抵抗潛在能力.

2.2.3 化肥投入的合理性分析 根據劉欽普［9］提出的化肥施用合理性進行分類，當化肥施用的強度等于環境安全閾值時，其比值等于1，當二者比值≤0.9為施肥不足區，當二者比值在＞0.9～1.1為適量施肥區，當二者比值在＞1.1～2.0為過量施肥區，當二者比值＞2.0為超過量施肥區.適量施肥區屬于合理施肥區，施肥不足區與過量施肥區均為不合理施肥區.計算結果表明，2019年化肥的施用強度為環境安全閾值的2.1倍，施肥強度最大區域為奈曼旗，為安全閾值的2.6倍.由表2可見，科爾沁區、科左中旗、科左后旗、奈曼旗、霍林郭勒市5個旗縣，65%以上化肥施用過量，庫倫旗和扎魯特旗2個旗縣，22%化肥施用合理.

3 結論

3.1 2000 —2019年通遼市化肥施用量迅速提高，2019年化肥施用總量和化肥施用強度分別為2000年的5.8倍和4.0倍，而 2019年比2000年的化肥施用效益降低了46%.氮、磷、鉀施肥比例從2000年的1.00∶0.40∶0.15，增加到2019年的 1.00∶0.50∶0.25.氮、磷化肥施用分別在2007年、2008年超過了環境安全閾值.從2006—2009年化肥總量和氮肥施用強度與閾值的距離越來越大，2010年距離明顯縮小，2010—2013年兩者距離又逐漸增大，2014—2019年兩者距離又呈縮小趨勢，尤其是2018—2019年兩者距離明顯縮小.3.2 2019年扎魯特旗、開魯縣、霍林郭勒市3個旗（縣、市）屬于低強度施肥區，科左中旗和庫倫旗2個旗屬于中強度施肥區，科爾沁區、奈曼旗、科左后旗3個旗（區）屬于超高強度施肥區.低強度化肥投入區在中北部地區，超高強度化肥投入區在中南區和西南區.化肥施用強度最高的奈曼旗為815 kg·hm-2，是霍林郭勒市124 kg·hm-2的6.6倍.

3.3 2019年通遼市各旗（縣、市、區）化肥施用環境安全閾值的變化范圍是36～440 kg·hm-2，平均277 kg·hm-2，通遼市55%以上的旗縣的施用環境安全閾值在高閾值區范圍變化，低閾值區分布在科左后旗、扎魯特旗和霍林郭勒市.通遼市各旗縣的化肥施用環境安全閾值綜合反映了各旗縣自然和經濟社會條件的差異以及對糧食產量的影響和對化肥的需求量以及控制程度.庫倫旗和扎魯特旗為適宜施肥區，應當保持目前施肥量或適當調節，保持糧食作物穩產增產，科爾沁區等5個過量和超過量施肥旗縣區應積極采取相應措施控肥減肥，以降低化肥資源浪費和預防對生態環境的污染.

通過對化肥施用量、化肥施用強度和化肥施用環境安全閾值的時空變異分析，綜合反映了不同旗縣區的自然資源情況、社會經濟條件及農田利用管理措施對化肥施用環境安全的影響，詮釋了低強度施肥不一定是施肥不足，如扎魯特旗和霍林郭勒市屬于低強度施肥區，而扎魯特旗屬于化肥施用合理區，霍林郭勒市屬于化肥施用過量區；中強度施肥不一定是合理的，科左中旗和庫倫旗2個旗屬于中強度施肥區，而科左中旗屬于化肥施用過量區，庫倫旗為化肥施用合理區.從化肥施用強度和環境安全閾值二者比值的角度去評估比從化肥施用強度評估能更好地體現出化肥施用的效果，對廣大農民開展施肥指導會更具說服力.也可為各地農業土肥環保部門進行生態農業建設、開展防控治理技術研究、制定化肥施用強度的評價指標提供有力的理論參考和科學根據.