快速城市化背景下縣域尺度農(nóng)田氮素平衡狀況的演變
——以江蘇省宜興市為例

寧 彤,高 超,許有鵬 (南京大學地理與海洋科學學院,江蘇 南京 210093)

快速城市化背景下縣域尺度農(nóng)田氮素平衡狀況的演變
——以江蘇省宜興市為例

寧 彤,高 超*,許有鵬 (南京大學地理與海洋科學學院,江蘇 南京 210093)

以蘇南宜興市為例,通過收支計算,揭示快速城市化背景下縣域尺度農(nóng)田土壤氮素平衡的演變及其主要影響因素.結(jié)果表明,自 1985年以來,由于化肥施用量的大幅度下降和有機肥使用的減少,宜興市農(nóng)田氮素輸入總量減少,氮素盈余由1985年的131.7kg/hm2減少至2008年的 5.0kg/hm2,收支逐漸趨于平衡.這一變化有利于減少農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮素的積累,從而降低非點源污染的危害.然而,人畜排泄物利用的減少雖然能夠在一定程度上降低農(nóng)田氮素的盈余,但增加了向水體的直接排放,從全局考慮不利于區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量的改善.

養(yǎng)分平衡；氮肥損失；環(huán)境效應；宜興市；城市化

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分平衡狀況是評價農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展重要的可量化指標之一[1-2].適量的養(yǎng)分投入可保持和提高土壤肥力,有利于維持土壤生產(chǎn)力和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定.但如果養(yǎng)分投入量過多,剩余的養(yǎng)分向系統(tǒng)外的損失量也隨之增加,不僅造成資源的嚴重浪費,而且會對環(huán)境產(chǎn)生種種負面影響[3-4].我國的農(nóng)業(yè)非點源污染正呈現(xiàn)逐漸加重的趨勢[5-6],揭示區(qū)域土壤養(yǎng)分平衡狀況的變化趨勢和原因,分析其對土壤肥力和區(qū)域環(huán)境質(zhì)量的影響,具有重要的意義.

前人廣泛開展了農(nóng)田養(yǎng)分平衡狀況的研究,研究尺度小到田間、農(nóng)場,大到國家、大陸甚至全球[7-11].這些研究雖然層次不一,側(cè)重點也不一樣,但已經(jīng)基本形成了固定的氮收支計算方法和模式.在已有研究中,往往僅考慮區(qū)域的環(huán)境狀況未能將農(nóng)田養(yǎng)分平衡與地區(qū)的社會經(jīng)濟狀況變化聯(lián)系起來,尤其是對于經(jīng)濟高速發(fā)展、城市化水平大幅度提高背景下農(nóng)田養(yǎng)分平衡狀況演變的相關研究,基本未見報道.我國改革開放 30年來,城鄉(xiāng)人民的生活水平有了大幅度的提高,生產(chǎn)和生活方式有了顯著的變化,這些變化不可避免地影響到各地的農(nóng)田養(yǎng)分管理措施[12-13].在此背景下,對于農(nóng)田養(yǎng)分的估算和研究分析就必須考慮到社會經(jīng)濟的因素,為體現(xiàn)這一影響,本研究以長江三角洲經(jīng)濟較為發(fā)達的宜興市為例,對比該市1985年、2003年和2008年的農(nóng)田土壤氮素收支狀況,以分析快速城市化背景下農(nóng)田氮素平衡狀況的演變特征.

1 研究區(qū)域和研究方法

1.1 研究區(qū)域

宜興市地處江蘇省南端,太湖西岸.區(qū)內(nèi)除南部為丘陵山區(qū)外,大部分為平原和圩區(qū).屬亞熱帶季風氣候,全年溫暖濕潤,降雨充沛,年均溫15.7,℃年均降雨量1177mm,是著名的魚米之鄉(xiāng).全市總面積2038.7km2(包括太湖水面),2008年末,區(qū)內(nèi)耕地面積66120hm2,耕作制度主要為兩熟制的稻麥(油)水旱輪作.年末總?cè)丝?106.8萬,城市化率49.7%.

1.2 氮收支模型與參數(shù)選取

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮素收支狀況是其輸入量和輸出量的差額,即

計算所用的人口數(shù)量、耕地面積、作物播種面積及收獲量、化肥施用量和畜禽養(yǎng)殖等數(shù)據(jù)資料主要來自統(tǒng)計年鑒[14-16]和相關調(diào)查工作.各項參數(shù)的選取主要包括:1985年和 2003年后的大氣降水氮濃度[17-18];不同作物的固氮系數(shù)[19];人畜排泄物氮含量[20].1985年的人畜排泄物和農(nóng)作物殘余部分的返田率根據(jù)《江蘇省宜興縣土壤志》[21]中有關有機肥制造和施用量的記載來估算.2000年后的人畜排泄物返田系數(shù)為 40%[20].農(nóng)作物返田率按60%計,作物收獲部分(籽實和秸稈)的含氮量參照IPCC數(shù)據(jù)取值[22].根據(jù)前人的農(nóng)田實驗觀測數(shù)據(jù),確定化學氮肥的反硝化損失率為 18% ,有機肥的損失率確定為 13% .氨揮發(fā)系數(shù)根據(jù)水田和旱地分別確定[25].土壤淋洗和徑流損失的氮占各種形式氮肥輸入的11.4%[23].

2 結(jié)果與討論

2.1 宜興市社會經(jīng)濟發(fā)展特征及城市化進程

表1 宜興市社會發(fā)展概況Table 1 Main characters of social development of Yixing

改革開放以來,宜興市社會經(jīng)濟發(fā)展迅速,在全國縣域經(jīng)濟基本競爭力與科學發(fā)展評價中的排名由2000年的第14位上升到2009年的第6位.自1985到2008年,城市化率由12.7%上升至49.7%.隨著經(jīng)濟的發(fā)展和城市化水平的不斷提高,農(nóng)業(yè)在GDP中所占比重不斷下降,2008年已經(jīng)低于 5%.很多農(nóng)戶不再將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作為主要經(jīng)濟來源,投入農(nóng)業(yè)的勞動力也逐漸減少.與此同時,第二產(chǎn)業(yè)占 GDP比重不斷上升,這同城市化水平的不斷升高共同導致了宜興市能源消耗量的不斷增高,僅從2003年到2008年,能源消耗量便增長了近 1倍.農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式也發(fā)生了顯著變化,如 2008年宜興市的規(guī)?；B(yǎng)殖率已經(jīng)達到65%,機械收割面積達到總耕地面積的90.5%.

城市化水平的提高和居民生產(chǎn)、生活方式的變化對區(qū)內(nèi)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的影響主要表現(xiàn)在:綠肥種植和有機肥料收集減少而化肥施用量增加、畜禽養(yǎng)殖方式由原來的散養(yǎng)為主變?yōu)橐?guī)?；B(yǎng)殖為主以及人糞尿農(nóng)用利用率的大幅度減少[27].

2.2 宜興市農(nóng)田氮素收支狀況的演變及其原因

通過計算,得到宜興市 1985年、2003年和2008年農(nóng)田土壤氮素總收支和單位耕地面積收支狀況如表2所示.1985、2003和2008年宜興市農(nóng)田土壤氮素總輸入分別為 51225.2t、33068.5t和27715.6t,同期總輸出分別為41146.1t、25229.9t和 27383.0t,總輸入均大于輸出.三個時期分別有10079.1t、7838.5t和332.6t氮素儲存于農(nóng)田土壤中,分別占各年輸入總量的19.7%, 23.7%和1.2%.

各年總收支中,占輸入比例最大的是肥料的輸入,包括化肥和有機肥.研究年份中,以肥料形式輸入土壤的氮占各年總輸入量的 80%以上,體現(xiàn)出人類在農(nóng)田系統(tǒng)養(yǎng)分平衡中的主導地位.作物收獲為農(nóng)田氮素最主要的輸出途徑,分別占1985、2003和 2008年土壤氮素總輸出量的41.8%、37.6%和48.5%.除此之外,農(nóng)田氮素以各種方式損失,其他途徑的損失大小順序為氨揮發(fā)＞反硝化作用＞徑流和淋洗.

表2 宜興市農(nóng)田土壤氮素收支Table 2 Nitrogen budgets of farmland soil in Yixing

總輸入和總輸出各項總體來看呈現(xiàn)下降趨勢,尤其體現(xiàn)在化肥和有機肥使用總量的減少上.造成這一現(xiàn)象的主要原因是當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的下降.自1985年到2008年,宜興市城鎮(zhèn)化率由12.7%上升至49.7%,農(nóng)業(yè)人口總數(shù)下降了39.1%.隨著農(nóng)業(yè)人口的不斷下降,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷減小,復種指數(shù)下降.快速城市化過程中耕地面積大量減少是生產(chǎn)規(guī)模下降的另一重要原因.兩期對比,研究區(qū)耕地面積減少 13.7%,由 1985年的76.6×103hm2減少到2008年的66.1×103hm2.20多年間,全市作物產(chǎn)出下降了 31.0%,農(nóng)業(yè)產(chǎn)值占GDP比重由28.9%下降至3.6%.農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的減小直接導致了化肥和有機肥使用的減少.同時,農(nóng)村勞動力機會成本的增加,使得農(nóng)民種植綠肥和利用人畜糞便的積極性下降,綠肥種植的大面積減少,也降低了通過生物固氮途徑進入土壤的氮素總量.通過秸稈返田的氮總體呈現(xiàn)減少趨勢,2003年作物秸稈返田的氮僅為1985年的1/3左右,但近年有所增加.

輸入項中大氣沉降中的氮有所增加,主要是因為研究區(qū)工業(yè)化和城市化進程加快,能耗增加,更多的氮素通過化石燃料燃燒被活化后進入大氣,導致大氣中活化氮含量增加造成.實測數(shù)據(jù)也顯示,研究時段降水中的無機氮濃度有了明顯的增加[17-18],降水中含氮量的增加導致了通過干濕沉降方式輸入土壤的氮量增長.

相比總量,單位耕地面積土壤的氮收支更能體現(xiàn)氮素在土壤中的利用和積累狀況.1985到2008年,化肥施用量由 480.2kg/hm2下降到310.2kg/hm2,有機肥的施用總量也有了明顯下降單位面積農(nóng)田氮輸入由 1985年的 669.2kg/hm2下降到2003年的515.7kg/hm2,到2008年進一步下降至 419.2kg/hm2.2008年通過作物收獲輸出的氮素和1985年相差不大,考慮到肥料施用量的大幅下降,說明氮肥利用效率有了一定的提高.1985,2003,2008年農(nóng)田氮收支差額分別為131.7,122.2,5.0kg/hm2.2008年的農(nóng)田氮收支基本已經(jīng)達到平衡狀態(tài).

圖1 研究年份輸入、輸出各項百分比Fig.1 The percentage of input and output in study years

從輸入和輸出各項的比例來看,各年單位耕地面積化肥輸入均占到總輸入的 70%以上,且這一比例相比1985年略有增加(圖1a).這是由于雖然近年來化肥施用量有較大幅度下降,但除大氣沉降外的其它各輸入項也都有所下降,因此化肥占輸入比例反而上升.通過秸稈返田形式輸入土壤的氮素比例上升,這同區(qū)內(nèi)秸稈收集率的下降有關,選多作物殘留部分直接在田中堆放下來.大氣沉降氮占輸入比例由 1985年的 2.1%上升到2008年的 4.1%,呈現(xiàn)增加趨勢.輸出項中作物收獲所占比例由1985年的33.6%下降到2003年的28.7%,后又上升到2008年的48.0%(圖1b),這主要與各年的產(chǎn)量有關.由于各種肥料的施用量都呈下降趨勢,因此通過氨揮發(fā)、反硝化、徑流和淋洗等其它各項輸出減少,其比例近年來都有所降低.

2.3 農(nóng)田氮素收支狀況變化的環(huán)境效應分析

從1980年代初期至2000年,研究區(qū)單位耕地面積的化肥用量是持續(xù)上升的[12].由于化肥施用量過高,單位農(nóng)田面積的氮盈余量在 1985年至2003年間保持在120kg/hm2以上的較高水平.如此高的盈余量必然導致氮素在農(nóng)田土壤中的不斷積累,進而增加農(nóng)田氮素的流失風險.事實上,太湖地區(qū)農(nóng)業(yè)非點源污染對流域水環(huán)境質(zhì)量的影響一直受到高度關注[5].近 5年來農(nóng)田氮素的盈余急劇下降,現(xiàn)已達到基本平衡狀態(tài).這一積極的變化也正是人們逐漸重視治理農(nóng)業(yè)非點源污染的結(jié)果.2007年太湖藍藻大暴發(fā)以來,太湖流域內(nèi)已實施了多項農(nóng)業(yè)非點源污染的治理措施,其中包括環(huán)太湖地區(qū)的化肥減量化工程.宜興市地處太湖西岸,是太湖治理的重點區(qū).該市通過各種措施降低了化肥的施用量,這是近兩年農(nóng)田氮素趨于平衡的主要原因.肥料施用量的大幅下降,氮肥利用效率有所提高,有利于太湖水環(huán)境質(zhì)量的改善.應當繼續(xù)保持這種氮素基本平衡的狀況,使得從農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)流失的氮素處于較低的水平.

另一方面,人畜排泄物農(nóng)用的減少也是區(qū)內(nèi)農(nóng)田氮素總輸入和盈余減少的原因之一.由表 2可見,人畜排泄物氮的輸入總量由 1985年的約6000t下降到2008年的3468t,單位耕地面積的輸入量由 78.6kg/hm2下降到 52.5kg/hm2,凈減少26.1kg/hm2.下降幅度對農(nóng)田氮素的盈余減少有一定貢獻.然而從全局考慮,人畜排泄物利用的減少不利于區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量的改善.這是因為通過農(nóng)田循環(huán)利用的人畜排泄物中的養(yǎng)分雖然不能全部為作物所利用,但僅有一小部分會流失到環(huán)境之中,而在目前環(huán)境基礎設施仍較落后的條件下,城鄉(xiāng)生活污水和養(yǎng)殖廢水的處理能力較弱,未參與農(nóng)田循環(huán)利用的人畜排泄物中的養(yǎng)分有較大一部分進入水體,其對水環(huán)境的影響是直接的.

研究區(qū)所在的長江三角洲地區(qū)是我國精細化農(nóng)業(yè)的代表地區(qū)之一,當?shù)剞r(nóng)戶很早便發(fā)展了對人畜排泄物以及作物殘余部分的有機肥加工技術.但是隨著當?shù)亟?jīng)濟和技術的不斷發(fā)展,化肥的價格相對變低,而有機肥的加工往往又耗費大量的人力物力和時間成本,且短期肥效沒有化肥明顯,因此有機肥施用量以及在肥料結(jié)構(gòu)中所占比例不斷下降.棄用有機肥資源利用所造成的負面影響已受到廣泛的關注[6,27].

研究區(qū)氨揮發(fā)和反硝化作用導致的氮素損失是除了作物收獲之外的最主要輸出方式,其損失量一直占化肥輸入氮的 50%左右,過高的氣態(tài)損失是導致氮肥利用效率較低的重要因素之一.在氨揮發(fā)和反硝化作用的過程中,不僅有NH3和N2釋放到大氣中,而且有大量的N2O和NOx釋放,對大氣環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生負面影響.

2.4 不確定性分析

由于氮收支計算中所用參數(shù)受到多種因素的綜合影響,存在一定的變異性,因此給計算結(jié)果帶來了不確定性.氮收支各項中存在變異的參數(shù)包括大氣降水氮濃度、人畜排泄物返田率、作物秸稈返田率、反硝化和氨揮發(fā)系數(shù)、淋洗和徑流系數(shù).利用敏感性分析方法,以 2008年為例,分析農(nóng)田氮收支計算對以上參數(shù)變化的敏感性.由于氮收支計算中均為線性計算,因此對于任何一個項目,其敏感系數(shù)固定,計算結(jié)果如表3所示.

表中敏感系數(shù)表示在某一參數(shù)變化100%時,對應氮輸入或輸出總量計算結(jié)果的變化.分析結(jié)果表明,對氮平衡計算對各參數(shù)變動的敏感性較低,這主要是由于存在變動的參數(shù)對應的輸入輸出項目占總輸入輸出比例較小造成的.其中＞0.20的僅有氨揮發(fā)敏感系數(shù) 0.23,即氨揮發(fā)系數(shù)變動 10%,氮輸出總量僅變動 2.3%.不確定分析的結(jié)果表明,對農(nóng)田土壤氮平衡狀況的計算較為準確,基本不存在因參數(shù)變化而導致的計算結(jié)果較大波動.

表3 各項目敏感系數(shù)Table 3 Sensitivity coefficients of items

3 結(jié)論

3.1 快速城市化進程導致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)方式的變化,在一定程度上影響農(nóng)田養(yǎng)分平衡狀況.1980年代中期以來,宜興市農(nóng)田土壤氮收支始終處于盈余狀態(tài),其主要原因是2000年以前區(qū)內(nèi)化肥用量持續(xù)增加.近年來隨著化肥和有機肥用量的迅速下降,農(nóng)田氮盈余也逐漸減少,現(xiàn)已處于基本平衡狀態(tài).繼續(xù)保持這種狀態(tài)有利于減少農(nóng)田氮素向水體的流失,降低非點源污染的危害.

3.2 人畜排泄物農(nóng)用的減少雖然能夠在一定程度上降低農(nóng)田氮素的盈余,然而從全局考慮卻不利于區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量的改善.因為在目前環(huán)境基礎設施仍較落后的條件下,城鄉(xiāng)生活污水和養(yǎng)殖廢水的處理能力較弱,未參與農(nóng)田循環(huán)利用的人畜排泄物中的養(yǎng)分有較大一部分進入水體,對水環(huán)境產(chǎn)生直接影響.

3.3 分析表明計算結(jié)果不確定性較小.然而某一區(qū)域的農(nóng)田存在多種不同的利用方式,化肥的施用類型也往往因地而異,將來的研究需將這些因素進一步細化并加入到農(nóng)田養(yǎng)分平衡計算的框架中.

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County-level changes in nitrogen budgets in agroecosystems against the background of rapid urbanization: A case study of Yixing Municipality in Eastern China’s Jiangsu Province.

NING Tong, GAO Chao*, XU You-peng (School of Geographic and Oceanographic Sciences, Nanjing University, Nanjing 210093, China). China Environmental Science,2011,31(4)：668～673

Nitrogen budgets in agroecosystems in the year 1985, 2003 and 2008 were calculated for Yixing Municipality in Eastern China’s Jiangsu Province. Nitrogen surpluses on farmland was as high as 131.7 kg/hm2in 1985, but had dropped sharply in recent years. By 2008, it had reached a well balanced nitrogen supply due to a remarkably lower input and the surplus was only a 5.0 kg/hm2. Reduced application of chemical fertilizers was the main explanation for the decreasing nitrogen input. Another major reason for the lower nitrogen input was the decreasing recycling of organic wastes in agriculture as the region became more and more urbanized. Reduced nitrogen surplus in farmlands favors the remediation of water pollution from non-point source. However, parts of discarded organic wastes are discharged into surface water without or with little treatment, posing new challenges to water quality management.

nutrient budgets；nitrogen losses；environmental effect；Yixing Municipality；urbanization

X825

A

1000-6923(2011)04-0668-06

2010-09-03

國家自然科學基金資助項目(40730635)

* 責任作者, 教授, chgao@nju.edu.cn

寧 彤(1986-),男,山東青島人,南京大學碩士研究生,主要從事土地利用變化的環(huán)境效應研究.發(fā)表論文1篇.