中國糧食主產(chǎn)區(qū)化肥施用時(shí)空特征及生態(tài)經(jīng)濟(jì)合理性分析

劉欽普，濮勵(lì)杰

中國糧食主產(chǎn)區(qū)化肥施用時(shí)空特征及生態(tài)經(jīng)濟(jì)合理性分析

劉欽普1，濮勵(lì)杰2

（1. 南京曉莊學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程重點(diǎn)學(xué)科組，南京 211171； 2. 南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，南京 210093）

研究糧食主產(chǎn)區(qū)化肥施用狀況能夠?yàn)榛蕼p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(chǎn)區(qū)化肥施用強(qiáng)度的時(shí)空變化特征的基礎(chǔ)上，根據(jù)大田糧食作物對氮磷鉀的養(yǎng)分要求，提出化肥施用生態(tài)經(jīng)濟(jì)合理性評價(jià)方法，并對中國糧食主產(chǎn)區(qū)化肥施用生態(tài)經(jīng)濟(jì)合理性進(jìn)行評價(jià)。研究表明：從1993到2017年，中國糧食主產(chǎn)區(qū)化肥施用強(qiáng)度從205.5 kg/hm2增加到319.9 kg/hm2，其中氮、磷、鉀化肥的施用強(qiáng)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(tài)經(jīng)濟(jì)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(qiáng)度在1993年已經(jīng)超過了其生態(tài)經(jīng)濟(jì)適宜量，磷肥從2001年開始超過了其生態(tài)經(jīng)濟(jì)適宜量，鉀肥在2009年后逼近其生態(tài)經(jīng)濟(jì)適宜量；1993－2007年間，河南、山東、江蘇一直是高強(qiáng)度施肥省份，其他次高強(qiáng)度施肥的省份由高強(qiáng)度施肥省份逐步向周圍擴(kuò)散。2017年，河南為化肥施用生態(tài)經(jīng)濟(jì)不合理區(qū)，化肥施用明顯過量；河北、江蘇、安徽、山東和湖北則屬于經(jīng)濟(jì)合理生態(tài)不合理區(qū)，化肥施用有所過量；湖南、吉林、遼寧和內(nèi)蒙古施肥適當(dāng)，屬于施肥生態(tài)經(jīng)濟(jì)合理區(qū)；黑龍江、四川和江西為施肥生態(tài)合理經(jīng)濟(jì)不合理區(qū)，化肥施用不足。因此，中國糧食主產(chǎn)區(qū)化肥施用強(qiáng)度及生態(tài)經(jīng)濟(jì)合理性差異較大，總體施肥過量，部分地區(qū)存在施肥不足的情況。節(jié)肥增效、防治農(nóng)業(yè)面源污染要堅(jiān)持分類指導(dǎo)、因地減量的原則，完善配方測土施肥政策和技術(shù)手段，大力推進(jìn)信息技術(shù)和有機(jī)肥利用，走有機(jī)無機(jī)肥相結(jié)合道路。

農(nóng)業(yè)；化肥；環(huán)境安全；時(shí)空特征；生態(tài)經(jīng)濟(jì)適宜量；環(huán)境安全系數(shù)；生態(tài)經(jīng)濟(jì)合理性

0 引 言

2019年1月《中共中央國務(wù)院關(guān)于堅(jiān)持農(nóng)業(yè)農(nóng)村優(yōu)先發(fā)展做好“三農(nóng)”工作的若干意見》中明確要求“加大農(nóng)業(yè)面源污染治理力度，開展農(nóng)業(yè)節(jié)肥節(jié)藥行動(dòng)，實(shí)現(xiàn)化肥農(nóng)藥使用量負(fù)增長”[1]。因此，合理施用化肥，治理面源污染是當(dāng)前中國農(nóng)業(yè)發(fā)展和科學(xué)研究面臨的重大課題，加強(qiáng)對中國糧食主產(chǎn)區(qū)化肥施用特征及生態(tài)經(jīng)濟(jì)合理性研究顯得尤為重要。根據(jù)國家財(cái)政部 2003 年12月下發(fā)的《關(guān)于改革和完善農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)政策措施的意見》，河北、內(nèi)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(gè)省（區(qū)）為中國糧食主產(chǎn)區(qū)。2017年，中國糧食主產(chǎn)區(qū)糧食播種面積為8.87×107hm2，占全國的75%，主產(chǎn)區(qū)糧食產(chǎn)量47 568.9萬t，占全國糧食總產(chǎn)量的80%以上。因此，糧食主產(chǎn)區(qū)對中國糧食生產(chǎn)和安全做出了巨大貢獻(xiàn)。然而，糧食主產(chǎn)區(qū)同時(shí)面臨著極大的資源和環(huán)境壓力[2]。2017年，糧食主產(chǎn)區(qū)化肥施用量達(dá)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(fù)合肥折純后的N，P2O5,K2O養(yǎng)分，下同）達(dá)到441.1 kg/hm2。大大超過國家生態(tài)鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)定的化肥施用強(qiáng)度小于250 kg/hm2的約束性指標(biāo)和國際公認(rèn)的225 kg/hm2的化肥安全施用上限[3]。根據(jù)《第一次全國污染源普查公報(bào)》，中國農(nóng)業(yè)總氮、總磷排放比例高達(dá)57.2%和67.3%，其中化肥、農(nóng)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(huán)境污染，中國在糧食主產(chǎn)區(qū)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(nèi)蒙古河套灌區(qū)保證玉米產(chǎn)量和環(huán)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(diào)查，發(fā)現(xiàn)這4省受調(diào)查農(nóng)戶的實(shí)際化肥施用量都超過了249 kg/hm2的最優(yōu)化肥施用量，其中山東樣本農(nóng)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(qū)，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(chǎn)量分別為5 474～5 552和7 096～7 521 kg/hm2時(shí)，生態(tài)經(jīng)濟(jì)效應(yīng)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(chǎn)區(qū)合理施用化肥、促進(jìn)糧食增產(chǎn)和農(nóng)田生態(tài)環(huán)境保護(hù)、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展起到了一定的指導(dǎo)作用，但這些研究多是基于田間試驗(yàn)或農(nóng)戶調(diào)查，而綜合考慮環(huán)境安全和糧食安全分析化肥合理施用的生態(tài)經(jīng)濟(jì)適宜量，評價(jià)化肥施用生態(tài)經(jīng)濟(jì)合理性的研究甚少。本文通過構(gòu)建化肥施用的生態(tài)經(jīng)濟(jì)合理性評價(jià)方法，對中國糧食主產(chǎn)區(qū)1993—2017年化肥施用的時(shí)空變化特征及生態(tài)經(jīng)濟(jì)合理性進(jìn)行研究，以期為有關(guān)部門制定糧食主產(chǎn)區(qū)化肥施用決策、實(shí)現(xiàn)化肥施用量負(fù)增長、加強(qiáng)生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)提供參考。

1 材料與方法

1.1 化肥施用生態(tài)經(jīng)濟(jì)合理性評價(jià)方法

1.1.1 化肥施用生態(tài)經(jīng)濟(jì)適宜量模型

研究表明，理論推薦施氮量可用作物目標(biāo)產(chǎn)量乘以單位產(chǎn)量作物需氮量獲得[10]。據(jù)此，本文借鑒發(fā)達(dá)國家氮磷鉀比例1:0.5:0.5（0.4）的施肥實(shí)踐[11]，結(jié)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(yǎng)分要求[12-14]，提出化肥施用生態(tài)經(jīng)濟(jì)適宜量（fertilization eco-economic appropriate amount，F(xiàn)EAA）測度模型?；适┯蒙鷳B(tài)經(jīng)濟(jì)適宜量是指為獲得某一季作物目標(biāo)產(chǎn)量而不危害環(huán)境的單位播種面積最大施肥量，相當(dāng)于化肥施用環(huán)境安全閾值[15]。氮、磷和鉀及總的化肥施用生態(tài)經(jīng)濟(jì)適宜量計(jì)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(tài)經(jīng)濟(jì)適宜量，kg/hm2；為作物需氮系數(shù)（即單位產(chǎn)量的作物需氮量），大約為0.03[10]；Y為某地區(qū)近3年某種或某類作物年產(chǎn)量，kg；為化肥施用生態(tài)經(jīng)濟(jì)適宜量相對于最佳經(jīng)濟(jì)適宜量的下浮比例。國內(nèi)研究表明，生態(tài)經(jīng)濟(jì)適宜量比最佳經(jīng)濟(jì)施肥量至少低20%[16-17]。日本的“生態(tài)農(nóng)家”認(rèn)證中也規(guī)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(biāo)產(chǎn)量相對于當(dāng)前產(chǎn)量的上浮比例。作物目標(biāo)產(chǎn)量的確定有多種方法，在前3年平均產(chǎn)量的基礎(chǔ)上增加10%～15%作為目標(biāo)產(chǎn)量是生產(chǎn)上應(yīng)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(chǎn)量，且糧食作物為中國主要農(nóng)作物，據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，在糧食主產(chǎn)區(qū)糧食作物播種面積占農(nóng)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(chǎn)量確定目標(biāo)產(chǎn)量，根據(jù)糧食主產(chǎn)區(qū)近25年來糧食產(chǎn)量增產(chǎn)每年沒有超過5%的生產(chǎn)實(shí)際，將前3年糧食平均產(chǎn)量上浮5%～7%為作物目標(biāo)產(chǎn)量，取0.06。

1.1.2 化肥施用環(huán)境安全系數(shù)模型

為了評價(jià)化肥施用的生態(tài)經(jīng)濟(jì)合理性，本文提出化肥施用環(huán)境安全系數(shù)（fertilization environmental safety coefficient, FESC）的概念及其計(jì)算模型?；适┯铆h(huán)境安全系數(shù)是指化肥施用生態(tài)經(jīng)濟(jì)適宜量與化肥施用強(qiáng)度之比，反映了化肥施用的安全性。其計(jì)算公式為

FESCFEAA/FI（4）

式中FESC為化肥施用環(huán)境安全系數(shù)；FI表示化肥施用強(qiáng)度，是指一年內(nèi)農(nóng)作物單位播種面積實(shí)際化肥施用數(shù)量，kg/hm2。由于農(nóng)作物化肥施用強(qiáng)度數(shù)據(jù)比糧食作物化肥施用強(qiáng)度數(shù)據(jù)更易于獲得，與有關(guān)文獻(xiàn)[20-21]研究結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，相關(guān)年份農(nóng)作物化肥施用強(qiáng)度與糧食作物化肥施用強(qiáng)度平均相對誤差約7.7%，所以，在公式（4）中，用農(nóng)作物化肥施用強(qiáng)度代替糧食作物化肥施用強(qiáng)度，與糧食作物化肥施用生態(tài)經(jīng)濟(jì)適宜量進(jìn)行比較，以糧食作物來判斷糧食主產(chǎn)區(qū)化肥施用生態(tài)安全情況和施肥的生態(tài)經(jīng)濟(jì)合理性。化肥施用環(huán)境安全系數(shù)等于1時(shí)，化肥施用強(qiáng)度等于生態(tài)經(jīng)濟(jì)適宜量，化肥施用最合理；環(huán)境安全系數(shù)過大過小都屬于施肥不合理。

1.1.3 化肥施用生態(tài)經(jīng)濟(jì)合理性分類

多項(xiàng)研究表明，化肥施用適宜量的變化范圍，大約在其平均數(shù)的上下浮動(dòng)10%～20%[16,22-23]。因此，以實(shí)際化肥施用強(qiáng)度在生態(tài)經(jīng)濟(jì)適宜量（統(tǒng)計(jì)平均值）的上下15%區(qū)間為生態(tài)經(jīng)濟(jì)合理施肥量，根據(jù)環(huán)境安全系數(shù)的大小，可以將化肥施用生態(tài)經(jīng)濟(jì)合理性分成不同的等級類型（表1）。

表1 化肥施用生態(tài)經(jīng)濟(jì)合理性分類

注：表中施肥量為化肥施用強(qiáng)度，kg?hm-2；適宜量為化肥施用生態(tài)經(jīng)濟(jì)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(shù)據(jù)來源

為了避免1993年以前某些作物化肥施用強(qiáng)度存在“失真”的可能[20]和便于與有關(guān)文獻(xiàn)[20-21]比較相關(guān)研究結(jié)果，本研究所使用的數(shù)據(jù)主要為糧食主產(chǎn)區(qū)13個(gè)?。▍^(qū)）1993—2017年的農(nóng)用氮肥、磷肥、鉀肥和復(fù)合肥施用量（折純）、農(nóng)作物播種面積、糧食作物播種面積和總產(chǎn)量等，數(shù)據(jù)來自中華人民共和國統(tǒng)計(jì)局網(wǎng)站的《國家數(shù)據(jù)》欄目[24]。由于《國家數(shù)據(jù)》沒有給出復(fù)合肥中氮磷鉀的含量，根據(jù)市場調(diào)查情況，并參考有關(guān)文獻(xiàn)[25-26]和聯(lián)合國糧農(nóng)組織對中國復(fù)合肥中養(yǎng)分比例的計(jì)算方法[27]，復(fù)合肥中的氮磷鉀含量統(tǒng)一按1:1:1處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 中國糧食主產(chǎn)區(qū)化肥施用的時(shí)空變化特征

2.1.1 化肥施用的時(shí)間變化特征

近幾十年來，中國糧食主產(chǎn)區(qū)化肥消費(fèi)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(yīng)的化肥施用強(qiáng)度也呈增加趨勢。本研究發(fā)現(xiàn)，糧食主產(chǎn)區(qū)化肥施用的時(shí)間變化特征如下：

1）化肥施用強(qiáng)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）?；适┯脧?qiáng)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(qiáng)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(jīng)濟(jì)的發(fā)展和對糧食需求的增加，糧食主產(chǎn)區(qū)化肥施用強(qiáng)度呈現(xiàn)波動(dòng)增長趨勢，但2013－2017年有了明顯的下降，首先氮肥施用強(qiáng)度從2013年開始下降，而磷肥施用強(qiáng)度從2015年開始下降，鉀肥施用強(qiáng)度從2017年開始下降。化肥施用強(qiáng)度下降與國家的生態(tài)治理力度加大有關(guān)。這些年來，化肥施用過量引起水土環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，減量增效防治污染的呼聲越來越高。2012年中國生態(tài)文明建設(shè)被提升到“五位一體”的戰(zhàn)略高度，國務(wù)院研究部署了土壤環(huán)境保護(hù)和綜合治理工作，多種原因促使糧食主產(chǎn)區(qū)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(jié)果，使得氮、磷和鉀化肥施用強(qiáng)度下降的時(shí)間不同。下降的順序不同可能與農(nóng)民施肥的歷史和習(xí)慣有關(guān)。中國首先重視氮肥的使用，其后是磷肥和鉀肥。人們長期習(xí)慣使用氮肥，使得氮肥過量嚴(yán)重，故化肥減量也先從氮肥開始。1999到2003年氮磷化肥施用強(qiáng)度也出現(xiàn)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(chǎn)量每年接近和超過約5億t，絕大多數(shù)農(nóng)產(chǎn)品出現(xiàn)供大于求的局面，農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格持續(xù)低迷，農(nóng)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(xiàn)了持續(xù)下降（如糧食主產(chǎn)區(qū)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(chǎn)量也明顯下降，引起了政府的重視，自2004年開始實(shí)施了一系列的支農(nóng)惠農(nóng)政策，提高了農(nóng)民化肥投入的積極性，氮磷化肥施用強(qiáng)度再次上升。氮磷鉀比例從1993年的1:0.4:0.17調(diào)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(fā)達(dá)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(chǎn)量）總體呈下降趨勢，與化肥施用強(qiáng)度的變化趨勢相反（圖1）。主產(chǎn)區(qū)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(chǎn)量增長的速度小于化肥施用量增加的速度，體現(xiàn)了化肥投入的報(bào)酬遞減規(guī)律。值得注意的是，2006年后化肥施用強(qiáng)度增長速度變慢，化肥施用效率趨于穩(wěn)定，這與中國2005年開始普遍推廣測土配方施肥措施有關(guān)。2015年之后，化肥施用強(qiáng)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(dòng)方案》[29]后采取的一系列政策和措施初見成效。如各地進(jìn)一步提高施肥技術(shù)、作物秸稈還田和增施有機(jī)肥料等。

圖1 化肥施用強(qiáng)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(chǎn)區(qū)分布在松花江、黃河和長江3大流域，各省份自然環(huán)境不同，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度差別大，化肥施用強(qiáng)度表現(xiàn)出明顯的地域差異。根據(jù)國家生態(tài)鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)要求單位播種面積化肥施用強(qiáng)度不超過250 kg/hm2的標(biāo)準(zhǔn)[30]，參考張福鎖等[31]對化肥施用強(qiáng)度等級以100 kg間隔劃分方法，按照化肥施用強(qiáng)度<250、250～350、351～450、>450 kg/hm2的變化范圍，把主產(chǎn)區(qū)各省份化肥投入分為低施肥強(qiáng)度區(qū)、中施肥強(qiáng)度區(qū)、高施肥強(qiáng)度區(qū)、超高施肥強(qiáng)度區(qū)4個(gè)類型，1993－2017年化肥施用強(qiáng)度類型的空間分布如圖2所示。

1993－2017年糧食主產(chǎn)區(qū)化肥施用強(qiáng)度的空間格局變化特征如下：

1）化肥施用強(qiáng)度區(qū)域差異越來越明顯，從1993年的2個(gè)化肥施用強(qiáng)度類型增加到2017年的4個(gè)類型。山東、江蘇、河南一直是高強(qiáng)度施肥中心，隨著時(shí)間的變化，高強(qiáng)度施肥省份越來越多，由高強(qiáng)度施肥中心逐步向南北和西部擴(kuò)散。1993年江蘇和山東2個(gè)省份為中施肥強(qiáng)度區(qū)，其余11個(gè)?。▍^(qū)）為低施肥強(qiáng)度區(qū)。1997江蘇施肥強(qiáng)度超過350 kg/hm2，首先成為高強(qiáng)度施肥區(qū)，圍繞江蘇的中施肥區(qū)達(dá)到了7個(gè)，整個(gè)糧食主產(chǎn)區(qū)出現(xiàn)了3個(gè)施肥強(qiáng)度類型。2007年高強(qiáng)度施肥區(qū)擴(kuò)大，除江蘇外，山東、河南和湖北的施肥強(qiáng)度超過了350 kg/hm2，也成為高強(qiáng)度施肥區(qū)；2017年，河南首先成為超高強(qiáng)度施肥區(qū)，施肥強(qiáng)度超過450 kg/hm2，高達(dá)462 kg/hm2，是施肥強(qiáng)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(qiáng)度施肥區(qū)；遼寧、內(nèi)蒙和湖南為中強(qiáng)度施肥區(qū)；江西、四川和黑龍江為低強(qiáng)度施肥區(qū)。

2）化肥施用高強(qiáng)度區(qū)與低強(qiáng)度區(qū)的施肥強(qiáng)度差距逐漸減小。1993—2007年，江蘇一直是化肥施用強(qiáng)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(qū)）是內(nèi)蒙古，而2007和2017年為黑龍江。4個(gè)不同年份最高省份的化肥施用強(qiáng)度和最低省份的化肥施用強(qiáng)度的比值，分別是3.31、3.25、3.05、2.72，呈現(xiàn)下降的趨勢。說明隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)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(qiáng)度區(qū)投入增加更快。

圖2 1993－2017年化肥施用強(qiáng)度的空間格局

總之，主產(chǎn)區(qū)糧食生產(chǎn)對化肥施用的依賴程度越來越強(qiáng)，但施肥強(qiáng)度空間差異的基本格局沒有發(fā)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(qiáng)度高，周圍省份施用強(qiáng)度低，地區(qū)分布不平衡。這與中國的自然、經(jīng)濟(jì)和社會地理?xiàng)l件有很大的關(guān)系，施肥強(qiáng)度低的地區(qū)如黑龍江、四川和江西等多為偏遠(yuǎn)地區(qū)，農(nóng)業(yè)資源和生產(chǎn)條件限制性因素較多，經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)。黑龍江地多人少，是中國人均耕地面積最多的省份，勞動(dòng)力稀缺，有限的土地投入更偏向于農(nóng)業(yè)機(jī)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(fù)種指數(shù)較高，糧食生產(chǎn)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(chǎn)區(qū)中人口密度最高、區(qū)域耕地面積占土地面積比例最大的省份，這里農(nóng)業(yè)開發(fā)歷史悠久，人均耕地少，糧食生產(chǎn)壓力大，傳統(tǒng)上農(nóng)業(yè)精耕細(xì)作，這些省份經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高，對外貿(mào)易和市場條件好，居民消費(fèi)能力強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)和園藝高肥作物比重大，多種原因使得這些地區(qū)始終是化肥投入的高強(qiáng)度中心。

2.2 中國糧食主產(chǎn)區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)合理性變化

2.2.1 化肥施用生態(tài)經(jīng)濟(jì)適宜量的時(shí)空變化

由于糧食產(chǎn)量的提高，中國糧食主產(chǎn)區(qū)化肥施用生態(tài)經(jīng)濟(jì)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(qiáng)度在1993年已經(jīng)超過了生態(tài)經(jīng)濟(jì)適宜量，磷肥從2001年開始超過生態(tài)經(jīng)濟(jì)適宜量，鉀肥一直在生態(tài)經(jīng)濟(jì)適宜量之內(nèi)，到2009年后逼近適宜量（表2）。因此，糧食主產(chǎn)區(qū)環(huán)境壓力不斷增加，氮磷面源污染環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較高。

表2 1993—2017年氮磷鉀化肥施用強(qiáng)度與生態(tài)經(jīng)濟(jì)適宜量

注：FEAAN、FEAAP、FEAAK分別為N、P、K肥施用的生態(tài)經(jīng)濟(jì)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(huán)境安全系數(shù)的時(shí)空變化

化肥施用環(huán)境安全系數(shù)是化肥施用生態(tài)經(jīng)濟(jì)適宜量與化肥施用強(qiáng)度的比值，反映了化肥施用對環(huán)境的潛在影響和糧食生產(chǎn)安全程度，能夠較好地評價(jià)化肥施用的環(huán)境安全狀況。主產(chǎn)區(qū)各個(gè)省份的環(huán)境安全系數(shù)均呈現(xiàn)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(huán)境安全系數(shù)基本均在1以上，說明這些區(qū)域的化肥施用強(qiáng)度均未超過適宜量，對生態(tài)環(huán)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(qiáng)度均超過適宜量，環(huán)境安全系數(shù)均在1以下，環(huán)境壓力大，環(huán)境安全面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。特別是2017年，河南省的化肥施用強(qiáng)度是其生態(tài)經(jīng)濟(jì)適宜量的1.5倍多，環(huán)境安全系數(shù)為0.65，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)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(nèi)蒙的環(huán)境安全系數(shù)在1左右，環(huán)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(qiáng)度一直在適宜量附近，平均環(huán)境安全系數(shù)為1，且化肥施用效率一直處于高水平，說明糧食產(chǎn)量一直較高。湖南省的化肥施用強(qiáng)度一直低于適宜量，環(huán)境安全系數(shù)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(shù)、做到了合理施肥，湖南省復(fù)種指數(shù)高、化肥利用率高有關(guān)[32-33]。

圖3 1993－2017年化肥施用環(huán)境安全系數(shù)變化

由于糧食主產(chǎn)區(qū)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(huán)境安全的時(shí)空變化以2007年和2017年為例說明（表3）。2007年氮肥施用環(huán)境安全系數(shù)大于1的僅有江西和黑龍江2個(gè)省份，磷肥安全系數(shù)大于1的僅有吉林、遼寧、湖南和江西4個(gè)省份，鉀肥的安全系數(shù)小于1的僅有河南、山東和安徽3個(gè)省份。這說明2007年多數(shù)省份氮肥和磷肥施用過量，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較高，而鉀肥施用則是多數(shù)省份沒有過量。2017年，氮肥施用環(huán)境安全系數(shù)大于1的省份增加到5個(gè)，磷肥施用環(huán)境安全系數(shù)大于1的省份增加到6個(gè)，鉀肥施用環(huán)境安全系數(shù)小于1的省份增加到5個(gè)，說明2017年部分省份氮肥和磷肥施用量有所下降，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)有所降低，而鉀肥的過量施用省份卻有所增加，但糧食主產(chǎn)區(qū)環(huán)境安全的總體格局變化不大。

表3 中國糧食主產(chǎn)區(qū)氮磷鉀肥施用環(huán)境安全系數(shù)和施肥結(jié)構(gòu)（2007、2017年）

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

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

從氮磷鉀養(yǎng)分結(jié)構(gòu)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(xiàn)出氮肥>磷肥>鉀肥的化肥消費(fèi)模式。吉林和湖南的磷肥施用強(qiáng)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(xiàn)為氮肥>鉀肥>磷肥的消費(fèi)模式，并且2省2007和2017年氮磷鉀化肥施用環(huán)境安全系數(shù)基本上接近或大于1。這可能與當(dāng)?shù)氐姆N植結(jié)構(gòu)和施肥方法有關(guān)。因此，吉林和湖南2省化肥施用低強(qiáng)度、低磷肥、高效安全的消費(fèi)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(yǎng)化”，基本上做到了糧食和環(huán)境安全雙贏發(fā)展，分別為糧食主產(chǎn)區(qū)其他?。▍^(qū)）提供了良好借鑒。

2.2.3 化肥施用生態(tài)經(jīng)濟(jì)合理性的時(shí)空變化

按照化肥施用環(huán)境安全系數(shù)的大小，根據(jù)表1對糧食主產(chǎn)區(qū)化肥施用的生態(tài)經(jīng)濟(jì)合理性進(jìn)行分類。為簡便起見，僅以2007年與2017年為例進(jìn)行對比分析，其生態(tài)經(jīng)濟(jì)合理性時(shí)空變化見圖4。2017年湖南、吉林、遼寧和內(nèi)蒙古4個(gè)省份屬于生態(tài)經(jīng)濟(jì)合理類型。四川、江西和黑龍江3個(gè)省份是化肥施用生態(tài)合理經(jīng)濟(jì)不合理類型，其中黑龍江是中國第一產(chǎn)糧大戶，也是主產(chǎn)區(qū)中化肥用量和糧食單產(chǎn)最低的省份之一，與相鄰省份吉林相比，其糧食生產(chǎn)能力因施肥不足沒有充分的發(fā)揮出來。相反，中國第二產(chǎn)糧大戶河南省則屬于生態(tài)經(jīng)濟(jì)不合理類型，化肥施用強(qiáng)度462 kg/hm2，遠(yuǎn)超過生態(tài)經(jīng)濟(jì)適宜量（300 kg/hm2）。河南省長期以來一直是全國化肥消費(fèi)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(chǎn)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(wù)最大的省份。河北、江蘇、安徽、山東和湖北5個(gè)省份則屬于經(jīng)濟(jì)合理生態(tài)不合理類型，因?yàn)檫@些省份的糧食產(chǎn)量接近最佳經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，化肥施用效率較好，但化肥施用強(qiáng)度卻超過了生態(tài)經(jīng)濟(jì)適宜量。與2007年相比，2017年生態(tài)經(jīng)濟(jì)不合理的省份明顯減少，多數(shù)轉(zhuǎn)變成經(jīng)濟(jì)合理生態(tài)不合理，說明這些省份化肥施用仍過量，但糧食產(chǎn)量與之前相比有顯著提高。四川和江西2個(gè)省份從生態(tài)經(jīng)濟(jì)合理狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷳B(tài)合理經(jīng)濟(jì)不合理狀態(tài)，化肥施用量相對不足。因此，在中國糧食主產(chǎn)區(qū)，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(gè)省13 667個(gè)地塊施肥調(diào)查的研究結(jié)果一致[34]。

圖4 2007年和2017年化肥施用生態(tài)經(jīng)濟(jì)合理性空間格局

3 討 論

使用本文提出的化肥施用環(huán)境安全系數(shù)評價(jià)化肥施用的生態(tài)經(jīng)濟(jì)合理性，較好地處理了化肥施用強(qiáng)度大小與施肥安全性和合理性的關(guān)系。環(huán)境安全系數(shù)評價(jià)指標(biāo)的指向性很強(qiáng)，對于生態(tài)經(jīng)濟(jì)適宜量相同的地區(qū)來說，化肥施用環(huán)境安全系數(shù)越大，表明環(huán)境越安全，意味著化肥施用強(qiáng)度越小，越遠(yuǎn)離生態(tài)經(jīng)濟(jì)適宜量。反之，環(huán)境安全系數(shù)越小，表明環(huán)境越不安全，意味著化肥施用強(qiáng)度越大，越超過了生態(tài)經(jīng)濟(jì)適宜量，對環(huán)境的影響越大?；适┯铆h(huán)境安全系數(shù)也可用于化肥施用生態(tài)經(jīng)濟(jì)適宜量不同的地區(qū)化肥施用安全性或合理性的比較。環(huán)境安全系數(shù)過小和過大均屬于不合理施肥狀態(tài)。所以，根據(jù)化肥施用環(huán)境安全系數(shù)大于或小于1的程度，可以判斷化肥施用生態(tài)經(jīng)濟(jì)的合理程度。從理論上講，化肥施用環(huán)境安全系數(shù)等于1，是化肥施用環(huán)境安全和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的分界點(diǎn)，若安全系數(shù)小于1，即化肥施用強(qiáng)度大于生態(tài)經(jīng)濟(jì)適宜量，化肥施用就是不安全的。但是，由于化肥施用生態(tài)經(jīng)濟(jì)適宜量是統(tǒng)計(jì)計(jì)算出來的平均值，在實(shí)際應(yīng)用中，將化肥施用強(qiáng)度與之相比較時(shí)，一定要給出一個(gè)適當(dāng)?shù)幕适┯眠m宜量變化的范圍，只有當(dāng)化肥施用強(qiáng)度落在此范圍內(nèi)，即化肥施用環(huán)境安全系數(shù)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(chǎn)區(qū)的化肥施用強(qiáng)度已經(jīng)大于生態(tài)經(jīng)濟(jì)適宜量，超出了作物的實(shí)際需要。多余的養(yǎng)分流入到環(huán)境，在一些地區(qū)造成了比較嚴(yán)重的面源污染。但是，在有些地區(qū)仍存在化肥施用不足的問題。有關(guān)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(shù)據(jù)對中國糧食主產(chǎn)區(qū)化肥施用的合理性進(jìn)行研究，從宏觀角度來認(rèn)識中國糧食主產(chǎn)區(qū)化肥施用情況，同樣發(fā)現(xiàn)存在著有施肥過量和施肥不足的省份。總體來講，糧食主產(chǎn)區(qū)化肥施用過量情況比中國其他多數(shù)省份嚴(yán)重，但在施肥過量的省份也有少量施肥不足的地區(qū)，在施肥不足的省份也有少量施肥過量的地區(qū)。因此，在施肥減量增效、防治面源污染的同時(shí)，一定要謹(jǐn)慎看待化肥施用過量的問題，應(yīng)防止一些本來施肥不足或施肥適量的地區(qū)過分地強(qiáng)調(diào)減量，給糧食生產(chǎn)帶來不利的影響。本文使用的化肥施用強(qiáng)度數(shù)據(jù)和糧食產(chǎn)量是各省的平均值，生態(tài)經(jīng)濟(jì)合理性的評價(jià)結(jié)果為各省平均情況。具體到某一地區(qū)甚至地塊，可以根據(jù)各自的化肥施用量和糧食產(chǎn)量，通過簡單計(jì)算得出其化肥施用生態(tài)經(jīng)濟(jì)適宜量和環(huán)境安全系數(shù)，判斷其施肥的合理性。由于糧食產(chǎn)量是各地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自然要素（如土壤和氣候等）和經(jīng)濟(jì)技術(shù)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(tài)經(jīng)濟(jì)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(tài)經(jīng)濟(jì)合理性評價(jià)方法，不管是宏觀指導(dǎo)政策制定或?qū)τ谌找婕?xì)化的田間化肥管理來說均適用。

總之，中國實(shí)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(qū)分出化肥施用過量區(qū)、適量區(qū)和不足區(qū)，要因地制宜，有針對性地分區(qū)實(shí)施減肥增效措施。與此同時(shí)，各地要確定化肥合理施用參考標(biāo)準(zhǔn)，完善配方測土施肥政策和技術(shù)手段，利用各種信息技術(shù)和傳播方法，加強(qiáng)對農(nóng)戶認(rèn)土、識肥的科學(xué)教育和技術(shù)培訓(xùn)，提高農(nóng)戶科學(xué)施肥的積極性和自覺性，使廣大農(nóng)民真正成為合理施用化肥的執(zhí)行者和受益者。其次, 化肥減量行動(dòng)可分幾個(gè)階段進(jìn)行，從最高產(chǎn)量施肥量、最佳經(jīng)濟(jì)施肥量和生態(tài)經(jīng)濟(jì)施肥量等逐步減少，根據(jù)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(jī)肥補(bǔ)貼力度，制定有機(jī)肥替代化肥政策，從需肥量高的果菜茶等經(jīng)濟(jì)作物為試點(diǎn)，促進(jìn)有機(jī)肥的推廣使用，使中國農(nóng)業(yè)真正走有機(jī)無機(jī)肥相結(jié)合的道路，確實(shí)保障中國糧食生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)雙贏發(fā)展。

4 結(jié) 論

本文通過建立化肥施用生態(tài)經(jīng)濟(jì)適宜量模型和環(huán)境安全系數(shù)模型的方法，分析中國糧食主產(chǎn)區(qū)化肥施用時(shí)空變化特征及其生態(tài)經(jīng)濟(jì)合理性。研究結(jié)論如下：

1）從1993年到2017年，中國糧食主產(chǎn)區(qū)化肥施用總量和施用強(qiáng)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(xiàn)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(jié)構(gòu)，接近發(fā)達(dá)國家氮磷鉀比例1:0.5:0.5（0.4）的水平。

2）氮肥施用強(qiáng)度在1993年已經(jīng)超過了生態(tài)經(jīng)濟(jì)適宜量，磷肥從2001年開始超過生態(tài)經(jīng)濟(jì)適宜量，鉀肥一直生態(tài)經(jīng)濟(jì)適宜量之內(nèi)，2009年后逼近適宜量，氮磷面源污染環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較高?；适┯眯士傮w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(qiáng)度的變化趨勢相反。

3）1993－2017年，山東、江蘇、河南一直是高強(qiáng)度施肥中心。隨著農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高強(qiáng)度施肥省份越來越多，由高強(qiáng)度中心逐步向周圍擴(kuò)散。2017年河南、江蘇、山東、湖北、河北、安徽和內(nèi)蒙古7個(gè)省（區(qū)）化肥施用強(qiáng)度明顯超過其生態(tài)經(jīng)濟(jì)適宜量，化肥施用效率普遍小于主產(chǎn)區(qū)平均值，吉林、遼寧、黑龍江、湖南、江西和四川6個(gè)省的化肥施用強(qiáng)度基本上接近或低于適宜量，化肥施用效率高于主產(chǎn)區(qū)平均值，特別是吉林和湖南2省基本做到了糧食生產(chǎn)和環(huán)境安全雙贏發(fā)展。

4）化肥施用的生態(tài)經(jīng)濟(jì)合理性區(qū)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(tài)經(jīng)濟(jì)不合理區(qū)，施肥明顯過量。河北、江蘇、安徽、山東和湖北則屬于經(jīng)濟(jì)合理生態(tài)不合理區(qū)域，化肥施用有所過量。湖南、吉林、遼寧和內(nèi)蒙古屬于生態(tài)經(jīng)濟(jì)合理區(qū)域。黑龍江、四川和江西為生態(tài)合理經(jīng)濟(jì)不合理區(qū)域，化肥施用略顯不足。與2007年相比，化肥施用生態(tài)經(jīng)濟(jì)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(dòng)方案初見成效。

[1]新華社. 中共中央國務(wù)院關(guān)于堅(jiān)持農(nóng)業(yè)農(nóng)村優(yōu)先發(fā)展做好“三農(nóng)”工作的若干意見[EB/OL]. (2019-02-19)[2019-02-20]. http://www.gov.cn/zhengce/2019-02/19/content_5366917.htm.

[2]羅海平，朱勤勤，羅逸倫，等. 耕地生態(tài)足跡與生態(tài)承載力研究——基于中國糧食主產(chǎn)區(qū)2007－2016年面板數(shù)據(jù)[J]. 華東經(jīng)濟(jì)管理，2019，33(5)：68－75.

Luo Haiiping, Zhu Qinqin, Luo Yilun, et al. Study on the ecological footprint and ecological capacity of cultivated land—based on the panel data of main grain producing areas of China: 2007－2016[J]. East China Economic Management, 2019, 33(5): 68－75. (in Chinese with English abstract)

[3]王珊珊，張廣勝，李秋丹，等. 我國糧食主產(chǎn)區(qū)化肥施用量增長的驅(qū)動(dòng)因素分解[J]. 農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究，2017，38(4)：658－665.

Wang Shanshan, Zhang Guangsheng, Li Qiudan, et al. Driving factor decomposition of fertilizer application growth in China’s main grain producing areas[J]. Research of Agricultural Modernization, 2017, 38(4): 658－665. (in Chinese with English abstract)

[4]陳寶珍，任金政. 糧食生產(chǎn)生態(tài)效率測算與改善路徑[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2019，35(1)：211－218.

Chen Baozhen, Ren Jinzheng. Measurement and improvement of ecological efficiency in grain production[J]. Jiangsu Journal of Agricultural Sciences, 2019, 35(1): 211－218. (in Chinese with English abstract)

[5]馬驥，蔡曉羽. 農(nóng)戶降低氮肥施用量的意愿及其影響因素分析：以華北平原為例[J]. 中國農(nóng)村經(jīng)濟(jì)，2007(9)：9－16.

[6]張君，趙沛義，潘志華. 基于產(chǎn)量及環(huán)境友好的玉米氮肥投入適宜量確定[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(12)：136－143.

Zhang Jun, Zhao Peiyi, Pan Zhihua. Determination of input appropriate amounts of nitrogen fertilizer based on environment-friendly agriculture and maize yield[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(12): 136－143. (in Chinese with English abstract)

[7]仇煥廣，欒昊，李瑾，等. 風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避對農(nóng)戶化肥過量施用行為的影響[J]. 中國農(nóng)村經(jīng)濟(jì)，2014(3)：85－96.

[8]王世濟(jì)，韓坤龍，李強(qiáng)，等. 江淮旱地玉米氮肥適宜用量研究[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2013，29(21)：47－50.

Wang Shiji, Han Kunlong, Li Qiang, et al. The optimum amount of nitrogen fertilizer of maize in Jianghuai Area[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2013, 29(21): 47－50. (in Chinese with English abstract)

[9]朱堅(jiān)，紀(jì)雄輝，田發(fā)祥. 典型雙季稻田施磷流失風(fēng)險(xiǎn)及閾值研究[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2017，36(7)：1425－1433.

Zhu Jian, Ji Xionghui, Tian Faxiang. Research on P loss risk and appropriate amounts value in typical double-cropping rice field[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2017, 36(7): 1425－1433. (in Chinese with English abstract)

[10]巨曉棠. 理論施氮量的改進(jìn)及驗(yàn)證：兼論確定作物氮肥推薦量的方法[J]. 土壤學(xué)報(bào)，2015，52(2)：1－13.

Ju Xiaotang. Improvement and validation of theoretical N rate (TNR)-discussing the methods for N fertilizer recommendation[J]. Acta Pedologica Sinica, 2015, 52(2): 1－13. (in Chinese with English abstract)

[11]Motesharezadeh B, Etesami H, Bagheri-Novair S, et al. Fertilizer consumption trend in developing countries vs. developed countries[J/OL]. Environmental Monitoring and Assessment, 2017, 189(3): 103.

[12]王激清，馬文奇. 五大因素影響化肥氮磷鉀消費(fèi)比例合理化[J]. 中國農(nóng)資，2006(6)：14－15.

[13]丁祖芬，彭浩. 水稻產(chǎn)業(yè)提升行動(dòng)中土肥技術(shù)的綜合應(yīng)用[J]. 安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)，2007，13(5)：112－113.

[14]任瑞嫻，王瑞卿，許恩懷，等. 冬小麥-夏玉米輪作區(qū)動(dòng)態(tài)平衡施肥配方的研究[J]. 天津農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，1(2)：1－6.

[15]劉欽普. 中國化肥施用強(qiáng)度及環(huán)境安全閾值時(shí)空變化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(6)：214－221.

Liu Qinpu. Spatio-temporal changes of fertilization intensity and environmental safety threshold in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(6): 214－221. (in Chinese with English abstract)

[16]崔玉亭，程序，韓純?nèi)?，? 蘇南太湖流域水稻經(jīng)濟(jì)生態(tài)適宜施氮量研究[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2000，20(4)：659－662.

Cui Yuting, Cheng Xu, Han Chunru, et al. The economic and ecological satisfactory amount of nitrogen fertilizer using on rice in Tai Lake watershed[J]. Acta Ecologica Sinica, 2000, 20(4): 659－662. (in Chinese with English abstract)

[17]駱世明. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)制度的構(gòu)建[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2018，26(5)：759－770.

Luo Shiming. Setting up policy system for eco-agriculture in China[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(5): 759－770. (in Chinese with English abstract)

[18]秦炳濤. 日本生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展策略探析[J]. 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)問題，2015(6)：104－109.

[19]杜君，孫克剛，白由路，等. 北方褐土區(qū)冬小麥養(yǎng)分平衡施肥參數(shù)研究[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2015，21(5)：1113－1122.

Du Jun, Sun Kegang, Bai Youlu, et al. Study on parameters of balanced fertilization for winter wheat in Cinnamon Soil in Northern China[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2015, 21(5): 1113－1122. (in Chinese with English abstract)

[20]朱滿德，李辛一，徐雪高. 化肥施用強(qiáng)度對中國糧食單產(chǎn)的影響分析：基于省級面板數(shù)據(jù)的分位數(shù)回歸[J]. 農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究，2017，38(4)：649－657.

Zhu Mande, Li Xinyi, Xu Xuegao. The effects of fertilizer application intensity on grain yields in China: A quantile regression model analysis based on provincial panel data[J]. Research of Agricultural Modernization, 2017, 38(4): 649－657. (in Chinese with English abstract)

[21]史常亮，郭焱，朱峻峰. 中國糧食生產(chǎn)中化肥過量施用評價(jià)及影響因素研究[J]. 農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究，2016，37(4)：671－679.

Shi Changliang, Guo Yan, Zhu Junfeng. Evaluation of over fertilization in China and its influencing factors[J]. Research of Agricultural Modernization, 2016, 37(4): 671－679. (in Chinese with English abstract)

[22]馬驥，蔡曉羽. 農(nóng)戶降低氮肥施用量的意愿及其影響因素分析：以華北平原為例[J]. 中國農(nóng)村經(jīng)濟(jì)，2007(9)：9－16.

[23]邵華，朱安繁，石慶華. 江西省水稻氮肥推薦施肥體系研究[J]. 中國土壤與肥料，2016(5)：55－60.

Shao Hua, Zhu Anfan, Shi Qinghua. Study on the recommended nitrogen fertilization system of rice in Jiangxi Province[J]. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2016(5): 55－60. (in Chinese with English abstract)

[24]中華人民共和國國家統(tǒng)計(jì)局. 國家數(shù)據(jù)[EB/OL]. (2019-02-20)[ 2019-02-20]. http://data.stats.gov.cn/.

[25]宋大平，左強(qiáng)，劉本生，等. 農(nóng)業(yè)面源污染中氮排放時(shí)空變化及其健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)研究：以淮河流域?yàn)槔齕J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2018，37(6)：1219－1231.

Song Daping, Zuo Qiang, Liu Bensheng, et al. Estimation of spatio-temporal variability and health risks of nitrogen emissions from agricultural non-point source pollution: A case study of the Huaihe River Basin[J]. China. Journal of Agro-Environment Science, 2018, 37(6): 1219－1231. (in Chinese with English abstract)

[26]趙建勛，程燚. 安徽省肥料施用現(xiàn)狀與對策[J]. 安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)，2011，17(1)：102－103.

[27]FAOSTAT. data[EB/OL]. (2019-02-20)[2019-02-20]. http://www.fao.org/faostat/ en/#data.

[28]王祖力，肖海峰. 化肥施用對糧食產(chǎn)量增長的作用分析[J].農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)問題，2008(8)：65－68.

[29]農(nóng)業(yè)部種植業(yè)管理司. 農(nóng)業(yè)部關(guān)于印發(fā)《到2020年化肥使用量零增長行動(dòng)方案》和《到2020年農(nóng)藥使用量零增長行動(dòng)方案》的通知[EB/OL]. (2015-03-18)[2019-02-20]. http://jiuban.moa.gov.cn/zwllm/tzgg/tz/201503/t20150318_4444765.htm.

[30]環(huán)境保護(hù)部. 關(guān)于印發(fā)《國家級生態(tài)鄉(xiāng)鎮(zhèn)申報(bào)及管理規(guī)定（試行）》的通知(環(huán)發(fā)[2010]75號)[EB/OL]. (2010-06-23)[2019-02-20].http://www.jhepb.gov.cn/html/news/20150818/15303.shtml.

[31]張福鎖，王激清，張衛(wèi)鋒，等. 中國主要糧食作物肥料利用率現(xiàn)狀與提高途徑[J]. 土壤學(xué)報(bào)，2008，45(5)：915－924.

Zhang Fusuo, Wang Jiqing, Zhang Weifeng, et al. Nutrient use efficiencies of major cereal crops in China and measures for improvement[J]. Acta Pedologica Sinica, 2008, 45(5):915－924. (in Chinese with English abstract)

[32]黃健，王愛文，張惠琳，等. 吉林省農(nóng)田養(yǎng)分平衡的研究[J]. 吉林農(nóng)業(yè)科學(xué)，2001，26(2)：36－40.

[33]彭行宇，紀(jì)雄輝. 湖南省化肥施用現(xiàn)狀及其前景探討[J]. 湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006(6)：66－69.

Pen Xingyu, Ji Xionghui. Fertilizer application and its applied prospect in Hunan Province[J]. Hunan Agricultural Sciences, 2006(6): 66－69. (in Chinese with English abstract)

[34]閆湘，金繼運(yùn)，梁鳴早. 我國主要糧食作物化肥增產(chǎn)效應(yīng)與肥料利用效率[J]. 土壤，2017，49(6)：1067－1077.

Yan Xiang, Jin Jiyun, Liang Mingzao. Fertilizer use efficiencies and yield-increasing rates of grain crops in China[J]. Soils, 2017, 49(6): 1067－1077. (in Chinese with English abstract)

[35]李飛. 切實(shí)加強(qiáng)農(nóng)業(yè)污染治理[J]. 農(nóng)村經(jīng)濟(jì)與科技，2012，23(8)：11－13.

[36]巨曉棠，谷保靜. 我國農(nóng)田氮肥施用現(xiàn)狀、問題及趨勢[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2014，20(4)：783－795.

Ju Xiaotang, Gu Baojing. Status-quo, problem and trend of nitrogen fertilization in China[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2014, 20(4): 783－795. (in Chinese with English abstract)

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(lì)杰. 中國糧食主產(chǎn)區(qū)化肥施用時(shí)空特征及生態(tài)經(jīng)濟(jì)合理性分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，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(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（41230751）；國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（41871083）；南京市環(huán)境科學(xué)與工程重點(diǎn)學(xué)科項(xiàng)目（2017-2019）。

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

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.23.018

F307

A

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