基于農作物施肥量視角的區域尺度農田面源污染風險評價研究

楊世琦 顏 鑫

(中國農業科學院 農業環境與可持續發展研究所，北京 100081)

化肥是作物生產的關鍵要素，也是農田面源污染的重要原因之一，尤其過量施肥。適宜施肥量是農田面源污染防治的重要途徑，也是提高化肥效率的重要手段。現代農業離不開化肥：聯合國糧農組織FAO研究表明全球糧食產量的50%～60%來自化肥貢獻[1]；張福鎖等[2]研究證實我國糧食產量的一半來自化肥，產量貢獻率達到56.8%[3]。近年來化肥邊際報酬遞減問題逐漸突顯，環境負效應逐漸增加[4]。朱兆良等[5]研究認為不合理和過量施肥是導致農田面源污染的重要原因。巨曉棠等[6]研究發現，追求高產穩產是過量施肥的重要原因，農戶田塊尺度的過量施氮占到33.0%。我國上世紀60年代的農田氮磷施用量分別為34.0和9.1 kg/hm2，80年代末增長到125.2和24.0 kg/hm2，2000年達到183.1和 54.2 kg/hm2；蔬菜、水果、花卉等單季作物氮磷鉀用量平均569～2 000 kg/hm2，是普通大田作物的數倍甚至數十倍[7]。谷類作物單位面積化肥用量361.0 kg/hm2，水果和蔬菜單位面積化肥用量分別為 932.0 和 603.3 kg/hm2[8]。全國尺度下化肥施用量比例如下：糧食作物52.5%、蔬菜15.2%、果園10.8%、油料7.7%、馬鈴薯3.5%、棉花3.0%、煙草1.4%、糖類1.8%和其他4.5%[9]。對19 個省份農戶的調查結果表明，主要作物單位面積化肥施肥量(N+P2O5+K2O)差異較大，依次是果園>蔬菜>油料作物>纖維作物>谷類作物>薯類作物>豆類作物，分別為 724.5、573.0、390.0、358.5、273.1、238.5和223.6 kg/hm2，蔬菜和瓜果氮磷鉀肥施用量是其它作物的1～3 倍[10]。通過分析全國農村固定觀察點22年的統計數據發現，農戶尺度的糧食、蔬菜和果園化肥平均施肥量分別為907.8～1054.1、1 494.8和2 254.5 kg/hm2；糧食作物施肥量有所降低，蔬菜和水果的施肥量還在逐步升高[11]。2017 年中國三大糧食作物化肥利用率為 37.8%[12]，美國糧食作物氮肥利用率50%，歐洲60%以上[13]。區域尺度農田面源污染風險評價的影響因素涉及施肥量、施肥方法、土壤性質、作物類型、農田類型、氣候類型、地理類型與經營模式等，多維度綜合評價難度很大，結果應用與指導性不高。以農作物化肥施用量為單一維度的全國尺度農田面源污染風險評價的研究尚少，有關農田尺度施肥量在尺度升級情況下的區域農田面源污染表現狀況也尚不清晰，因此，本研究擬以國家、地區與省域3 個尺度為研究對象，以施肥量這一最主要因素為切入點，分析近20多年我國不同作物施肥量變化及其農田面源污染風險，構建農田面源污染風險評價模型，揭示不同作物、不同區域和不同省份農田面源污染風險，以期為區域農田面源污染風險評價及防控提供了理論依據，為國家農業污染控制及相關政策制定提供支撐。

1 農田面源污染風險等級與評價模型構建

1.1 基于氮磷施用量的農田面源污染風險等級

控制施肥量是農田面源污染風險防治的重要途徑。朱兆良[14]認為考慮到作物增產需求，大面積化肥施氮量應該控制在150.0～180.0 kg/hm2，并根據情況增減。巨曉棠研究發現，施氮低于150.0 kg/hm2達不到目標產量或者消耗土壤氮素，高于250.0 kg/hm2增產幅度很小，氮素損失和環境代價增加；施氮合理區間是150.0～250.0 kg/hm2[15]。歐盟規定氮肥施用量不能超過175.0 kg/hm2，英國洛桑試驗站推薦安全用量不超過276.0 kg/hm2[16]。按土壤氮安全殘留量，一般認為90 cm土層60.0～90.0 kg/hm2或1 m土體的硝態氮淋洗不超過100.0 kg/hm2就在環境容量范圍[17-19]，相當于歐洲作物收獲后硝態氮允許殘留量[20]。Oenema等[21]研究表明，磷肥施用量(P2O5)不能超過80 kg/hm2，否則淋洗導致水體污染。基于施肥量視角的農田面源污染風險等級見表1。氮肥施用<150.0 kg/hm2和磷肥施用<80.0 kg/hm2為安全，基本沒有農田面源污染；氮肥施用>300.0 kg/hm2和磷肥施用>170.0 kg/hm2為高風險，存在較大的氮磷流失與水體污染風險。考慮到作物產量需求以及水環境容量，氮肥施用150.0～300.0 kg/hm2和磷肥施用80.0～170.0 kg/hm2范圍的前、中和后區間分別賦予微風險、低風險和中風險。1980-2019年我國農田氮肥施用量平均64.4～161.1 kg/hm2(2012年189.0 kg/hm2為歷史最高)，多處微風險與安全級別，個別年份低風險級別；磷肥施用量19.3～85.9 kg/hm2(2015年94.01 kg/hm2為歷史最高)[22]，多處微風險與安全等級。

表1 基于施肥量視角的農田面源污染風險等級Table 1 Risk grade of non-point sources pollution from farmland based on fertilizer application

1.2 區域尺度農田面源污染風險評價模型構建

1.2.1主要作物與作物類型的氮磷施用量

主要作物類型與作物的氮、磷肥施用量見圖1。可知：糧食作物氮、磷施用量195.3和88.6 kg/hm2[23]，屬氮低風險和磷微風險；棉花305.5和114.3 kg/hm2[23]，屬氮高風險和磷低風險；油料作物126.7和82.2 kg/hm2[23]，屬氮、磷微風險；麻類作物395.4和93.1 kg/hm2[24]，屬氮高風險和磷微風險；糖料作物432.9和183.4 kg/hm2[23]，屬氮、磷高風險；煙葉139.6和149.0 kg/hm2[23]，屬氮安全與磷中風險；蔬菜285.0和175.0 kg/hm2[23]，屬氮中風險和磷高風險；茶園491.0和147.0 kg/hm2[25]，屬氮高風險和磷中風險；果園364.0和227.5 kg/hm2[23](包括蘋果、柑類和桔類)，屬氮、磷高風險。

1.2.2區域農田面源污染風險評價模型

區域尺度農田面源污染風險是不同作物農田面源污染的時空疊加。為消除不同作物農田面源污染風險差異，提出糧食作物當量概念，即糧食作物單位面積的氮、磷施用量均為1當量(相當于氮、磷施用量分別是195.3 kg/hm2與88.6 kg/hm2)，其它作物施肥量與糧食作物相比取得當量值。糧食作物屬于氮低風險和磷微風險，正好具有農田面源污染風險“晴雨表”指示功能，同時也是主要種植作物類型。當量大于1，污染風險高；小于1，污染風險低，甚至無風險。主要作物類型的氮磷當量見表2。可知：棉花氮、磷當量1.6和1.3，表示單位面積棉花氮肥和磷肥施用量分別是糧食作物的1.6 和1.3倍，或1單位面積的棉花氮、磷施用量相當于1.6或1.3單位面積的糧食作物；油料作物氮、磷當量小于1；其它作物類型均大于1，表明大多非糧作物單位面積氮、磷施用量高于糧食作物，其潛在農田面源污染風險也高于糧食作物。

圖1 主要作物與作物類型的氮磷施用量Fig.1 Nitrogen and phosphorus fertilizer application rate of main crops and crop types

表2 主要作物與作物類型的氮磷當量Table 2 Nitrogen and phosphorus equivalent of main crops and crop types

基于糧食作物當量概念，構建農田面源污染風險評價模型如下：

式中：RCN和RCP分別為農田氮面源污染風險系數和農田磷面源污染風險系數，RCN與RCP的值表示農田面源污染風險程度，值越大反映非糧食作物種植面積就越大，單位面積的氮、磷施用量也越大，農田面源污染風險也就越高；Si為第i種作物或作物類型的種植面積；NEi為該作物或作物類型的氮當量，PEi為該作物或作物類型的磷當量。區域尺度農田氮、磷面源污染風險系數對應的涵義見表3。

2 評價結果與分析

2.1 近年我國主要作物的農田面源污染風險狀況

1998—2018年，我國主要作物氮肥、磷肥施用量分別見圖2和圖3[23]，主要作物氮、磷施用量及其風險情況見表4。總之：不同作物施肥量具有較大的差異，蔬菜、茶葉和水果類作物施肥量較高，農田面源污染風險較大；糧食與油菜作物施肥量較低，農田面源污染風險較小。

2.1 區域尺度與省域尺度農田面源污染風險評價

以2018年我國農作物化肥施用量為例，采用本研究構建的農田面源污染風險評價模型， 分析了我國不同區域及各省農田面源污染風險。

2.1.1區域尺度農田面源污染風險評價

不同區域的農田面源污染風險系數從小到大排依次為：東北地區農田氮、磷污染風險系數1.02和1.08屬氮低風險和磷微風險；華北地區1.06和1.27屬氮、磷低風險；華中地區1.08和1.36屬氮、

表3 區域尺度農田氮、磷面源污染風險系數及其涵義Table 3 Risk coefficient of nitrogen non-point source pollution from farmland (RCN) and risk coefficient of phosphorus non-point source pollution from farmland RCP and their meaning at regional scale

圖2 1998—2018年主要作物氮肥施用量Fig.2 Main crop nitrogen fertilizer application during 1998 to 2018

磷低風險；華東地區1.13和1.39屬氮、磷低風險；西南地區1.19和1.66屬氮、磷低風險)；西北地區1.24和1.80屬氮低風險與磷中風險；華南地區1.37和2.20屬氮中風險與磷高風險(圖4)。國家尺度農田氮面源污染風險系數1.14，相當于氮施用量221.8 kg/hm2；農田磷面源污染風險系數1.45，相當于磷施用量128.6 kg/hm2，均屬低風險。總體上看，華南、西南和西北地區農田面源污染風險系數高于全國平均值，主要原因是蔬菜與水果等非糧作物面積比例較高。

2.2.2省域尺度農田面源污染風險評價

全國各省農田氮面源污染風險系數從小到大排序依次為青海、內蒙古、吉林、黑龍江、西藏、河南、安徽、遼寧、甘肅、山東、河北、湖南、山西、江西、江蘇、寧夏、湖北、天津、四川、重慶、上海、云南、陜西和貴州的農田氮面源污染風險系數0.95～1.27屬低風險，廣東、浙江、海南、新疆、北京、廣西和福建的農田氮面源污染風險系數1.32～1.41屬中風險(圖5)。青海農田氮面源污染風險系數0.95最小，源于油菜面積14.8萬hm2超過糧食作物面積的一半還多。內蒙古、吉林和黑龍江的農田氮面源污染風險系數是1.00或非常接近1.00，源于糧食作物占比較高，依次為76.9%、92.1%和96.9%，均高于全國平均值70.7%。農田氮面源污染風險系數較高的廣東、浙江、海南、新疆、北京、廣西和福建，其主要原因是蔬菜、果園占比較高，如浙江省蔬菜、茶葉和果園的面積116.9萬hm2是糧食作物面積的1.2倍，新疆棉花、蔬菜和果園面積375.1萬hm2是糧食作物面積的1.7倍(棉花面積占比41.1%超過糧食作物)，北京蔬菜和果園面積7.4萬hm2是糧食作物面積的1.6倍，廣西甘蔗、蔬菜和果園的面積370.7萬hm2是糧食作物的1.3倍，福建蔬菜、茶葉和果園的面積114.4萬hm2是糧食作物的1.4倍。國家尺度農田氮面源污染風險系數在省域尺度下排第20位，重慶、上海、云南、陜西、貴州、廣東、浙江、海南、新疆、北京、廣西和福建等省份高于全國平均值。

圖3 1998—2018年主要作物磷肥施用量Fig.3 Main crop phosphorus fertilizer application rate during 1998 to 2018

表4 1998—2018年主要作物氮、磷施肥量及其農田面源污染風險等級Table 2 Main crop nitrogen and phosphorus application rate and their risk degrade of NSPF during 1998 to 2018 kg/hm2

表4(續)

圖4 2018年區域尺度下農田氮和磷面源污染風險系數Fig.4 RCN and RCP at regional scale in 2018

不包括港、澳、臺地區數據。下同。 Data do not include those of Hong Kong, Macao and Taiwan regions. The same below.圖5 2018年省域尺度農田氮面源污染風險系數排序Fig.5 RCN rank at provincial scale in 2018

全國各省農田磷面源污染風險系數從小到大排序依次為黑龍江與吉林省農田磷面源污染風險系數1.03與1.04均屬微風險，內蒙古、安徽、河南、青海、河北、山東、天津、遼寧、江蘇、西藏、山西、湖北、江西、四川、湖南、甘肅和重慶等農田磷面源污染風險系數1.16～1.61為低風險，云南、寧夏、新疆和上海等1.76～1.85均為中風險，貴州、陜西、廣東、浙江、廣西、福建、海南和北京等1.95～2.99均為高風險(圖6)。青海蔬菜與果園面積23.4萬hm2，是糧食作物面積的34.65%，相對比例較高，導致農田磷面源污染風險排序升高；類似問題也出現在蔬菜與果園占比較高的其它省。新疆農田磷面源污染風險排序低于農田氮面源污染風險排序的主要原因是棉花的磷當量較氮當量低。國家尺度農田磷面源污染風險系數在省域尺度下排第15位，江西、四川、湖南、甘肅、重慶、云南、寧夏、新疆、上海、貴州、陜西、廣東、浙江、廣西、福建、海南和北京等高于全國平均值。國家尺度農田磷面源污染風險系數比農田氮面源污染風險系數排序更靠前，表明全國農田磷面源污染風險區域更大，涉及面更廣。

圖6 2018年省域尺度農田磷面源污染風險系數排序Fig.6 RCP ranking at provincial scale in 2018

3 討 論

3.1 不同作物施肥量差異較大，施肥量越大，農田面源污染風險就越大

不同作物施肥量有較大的差異。糧食與油料作物施肥量較低，其它作物施肥量相對較大，如蔬菜與水果，糖料作物、纖維作物、烤煙與茶樹等。施肥量越大，潛在農田面源污染風險也越大。蔬菜和水果經濟效益較好，種植戶愿意多施肥，因而施肥量普遍較大。隨著人們生活水平提高，蔬菜水果的消費量持續上升，追求高產導致的農田面源污染風險也隨之增大。天津市日光溫室氮磷鉀平均施用量顯著高于塑料大棚[26]，山東和河北省設施菜地氮肥施用量則高達1 200.0～4 500.0 kg/hm2[27-28]，設施蔬菜氮磷鉀的平均施用量分別是各自推薦量的1.9、5.4和1.6 倍[30]，全國設施黃瓜氮磷鉀平均施用量為1 122.0、954.0、1 158.0 kg/hm2[30]。蔬菜根系較小和根冠比較低，養分吸收利用不高，露地菜花、設施茄子、設施黃瓜、露地豆角的等產量肥耗分別為0.33、0.26、0.24和0.22 kg ·kg-1，明顯高于中秈稻、粳稻、小麥和玉米分別是0.05、0.06、0.07和0.09 kg·kg-1[31]。我國果樹化肥用量是世界平均水平的2倍，是歐美國家的4倍，化肥利用率相差20%～30%，如3 000.0 kg蘋果的氮肥施用量91.0 kg，美國21.0 kg，日本25.0 kg[32]。由此可見，提高作物化肥利用效率有利于降低施肥量，是農田面源污染風險控制的重要途徑。

3.2 合理施肥是農田面源污染防治的重要途徑

合理施肥是化肥減量的重要手段，兼顧了農田面源污染防治與作物高產需求，有利于減少浪費和提高肥效。合理施肥是基于土壤與作物系統，運用科技手段，協調作物與土壤關系，促進肥效提升和降低養分流失風險(圖7)。合理施肥包括精準施肥、測土配方、優化施肥、水肥一體化、少基多追、緩控釋肥、葉面噴肥、氮肥后移、化學調控、有機替代與秸稈還田等。農田1 m土體氮盈余量80.0 kg/hm2左右時的硝態氮淋洗在環境容量范圍內，小麥、玉米、水稻單季合理施肥量的土壤氮素盈余量參考指標是40.0、40.0和60.0 kg/hm2[17]。在氮素優化管理條件下，收獲后90.0 cm根層硝態氮殘留在90.0～100.0 kg/hm2臨界區間內，既能維持較高目標產量，又可付出較低環境代價[18]。科學施肥降肥、增產和提品質，60%化肥損失源于不正確的施肥方法[33-35]。有機肥替代化肥能減少50%的土壤氮淋失，提高作物氮吸收量與氮素利用率，促進作物生長，減少土壤氮盈余量，降低氮流失風險[36-38]。紫色土坡耕地長期有機替代化肥，能保持作物目標產量，顯著降氮流失24.3%～44.8%[39]。秸稈還田與綠肥還田能夠提高氮磷農學利用效率，獲得較高產量[40-42]。在推薦施肥量下，畜禽糞便單施或配施化肥，提高土壤肥力與氮素利用效率，降低土壤氮淋溶與徑流損失[43-46]。荷蘭對砂壤和黏壤耕地年氮素盈余參考指標60.0和100.0 kg/hm2，砂壤和黏壤草地年氮素盈余140和180 kg/hm2，磷素年盈余參考指標8.7 kg/hm2，均能夠有效降低土壤氮磷流失風險[47]。

圖7 化肥與農作物生產、農田土壤儲存和農田面源污染之間的關系及調控途徑Fig.7 Relationships and regulation approach among fertilizer and agriculture production, field soil storage and NSPF

3.3 作物高產品種是農田面源污染防治的有效途徑

培育作物高產品種能夠提高養分利用效率，降低土壤殘留，為肥料減量使用提供重要保障，可有效防治農田面源污染。高產小麥具有株高略矮與穗粒數多等特征，因而能夠獲得較大產量[48]，不同小麥品種6個產量性狀與6個養分利用效率性狀的差異達到極顯著[49]，小麥穗數、穗粒數、千粒重、株高等性狀是高產品種選育的關鍵指標[50]。花生根冠比、根長、根表面積和根瘤數增加能夠提高磷素利用率[51]。雜交品種能夠有效提高作物產量，雜交水稻比常規稻增產20.0%以上[52]，雜交優勢貢獻了玉米增產20.0%～24.0%的效應[53]，油菜雜種優勢為單產提高發揮了重要作用[54]。作物間作豆類能穩定產量，顯著降低0～90 cm土層硝態氮殘留[55-56]。采用復種模式的土壤氮磷流失量較單作降低36.4%～56.8%和35.7%～50.0%[57]。通過基因技術創制的作物品種具有生態環保特性，顯著提高氮素利用效率，是未來實現農田面源污染有效控制的重要途徑[58-59]。

4 結 論

通過對我國區域尺度農田面源污染風險評價研究，主要結論如下：

1)不同作物類型的農田面源污染風險有較大差異，非糧食作物的農田面源污染風險較高。糧食作物屬氮低風險和磷微風險，油料作物屬氮、磷微風險，棉花屬氮高風險和磷低風險，麻類作物屬氮高風險和磷微風險，糖料作物屬氮、磷高風險，煙葉屬氮安全與磷中風險，蔬菜屬氮中風險和磷高風險，茶園屬氮高風險和磷中風險，果園屬氮、磷高風險；2)國家尺度農田面源污染處于氮、磷低風險，區域尺度農田氮、磷面源污染風險有較大差異。東北、華北、華東和華中地區農田氮、磷面源污染風險相對較低均屬低風險；西南、西北和華南相對較高，其中，西南屬氮磷低風險，西北屬氮低風險與磷中風險，華南屬氮中風險與磷高風險；

3)省域尺度農田氮、磷面源污染風險分布有較大差異。國家尺度農田氮面源污染低風險在省域尺度中排第20位，其中12省高于全國平均值，包括重慶、上海、云南、陜西和貴州等5省屬低風險，廣東、浙江、海南、新疆、北京、廣西和福建等7省中風險，低于全國平均值的19省均屬于低風險。國家尺度農田磷面源污染風險系數在省域尺度排第15位，其中17省高于全國平均值，包括江西、四川、湖南、甘肅和重慶等5省屬低風險，云南、寧夏、新疆和上海等4省中風險，貴州、陜西、廣東、浙江、廣西、福建、海南和北京等8省高風險；低于全國平均值的14省中，除黑龍江與吉林等2省微風險外，其余均為低風險。國家尺度農田磷面源污染風險較農田氮面源污染風險系數排序靠前，表明全國農田磷面源污染涉及范圍相對更大和風險相對更高。