華北兩熟區(qū)農(nóng)田磷流失風(fēng)險預(yù)警研究*

冀宏杰, 張懷志, 張認(rèn)連, 徐愛國, 田昌玉

華北兩熟區(qū)農(nóng)田磷流失風(fēng)險預(yù)警研究*

冀宏杰, 張懷志, 張認(rèn)連, 徐愛國, 田昌玉

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物營養(yǎng)與養(yǎng)分循環(huán)重點開放實驗室 北京 100081)

輪作是長期以來在各地形成的相對固定的作物組合模式, 同時也是農(nóng)田養(yǎng)分平衡狀況計算的基本單元, 多年累積形成的養(yǎng)分盈虧則直接影響環(huán)境。在植物必需的3種大量營養(yǎng)元素中, 對環(huán)境影響最大的營養(yǎng)元素是磷和氮, 與氮素相比, 磷素循環(huán)途徑則相對穩(wěn)定, 沒有氣態(tài)損失, 磷的表觀養(yǎng)分平衡與環(huán)境污染的相關(guān)性高, 且計算方便, 因而本文選擇磷素作為環(huán)境風(fēng)險預(yù)警指示元素。為探究簡易、有效的輪作環(huán)境效應(yīng)預(yù)警方法, 從篩選適宜預(yù)警的關(guān)鍵元素和環(huán)境風(fēng)險產(chǎn)生的關(guān)鍵環(huán)節(jié)入手, 提出適合我國小農(nóng)戶現(xiàn)實國情的、基于農(nóng)田地塊級別的預(yù)警指標(biāo)體系, 并以華北兩熟區(qū)5種輪作類型、38個地塊的調(diào)查數(shù)據(jù)為例進行了驗證。該預(yù)警體系包括3級評價指標(biāo)(周年磷平衡、耕層土壤質(zhì)地、周年磷肥運籌)共6種預(yù)警級別并用3種色系進行標(biāo)識(深綠、淺綠、淺黃、深黃、淺紅、深紅)。該預(yù)警方法的特點為: 研究對象為整個輪作周期而非單茬作物; 磷平衡既考慮周年的總量均衡(即整個輪作周期磷素投入、產(chǎn)出平衡狀況), 又考慮不同茬次間的科學(xué)分配(即磷素統(tǒng)籌), 且二者均采用相對平衡值而非絕對平衡值, 從而使得不同輪作類型之間的磷平衡可以進行統(tǒng)一量化和比較; 土壤質(zhì)地簡化為沙土、壤土、黏土3種。驗證結(jié)果表明, 磷肥用量、運籌合理、環(huán)境友好(深綠)的地塊僅占10.53%; 而高環(huán)境風(fēng)險(深紅、淺紅)的輪作地塊達(dá)57.89%, 即一半以上的地塊目前的輪作方式存在高或極高的環(huán)境風(fēng)險。該預(yù)警方法具有科學(xué)、實用、簡便, 所需數(shù)據(jù)容易獲得的特點, 可用于農(nóng)戶對自己地塊磷流失風(fēng)險進行判斷, 也可用于國家、區(qū)域或地方農(nóng)業(yè)主管部門進行種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整時參考。

兩熟區(qū); 輪作; 農(nóng)田養(yǎng)分; 磷; 流失風(fēng)險; 預(yù)警系統(tǒng); 華北

兩熟區(qū)是我國糧食作物和經(jīng)濟作物生產(chǎn)供應(yīng)的重要區(qū)域, 如華北平原、黃土高原、江淮丘陵等區(qū)域[1]。在漫長的歷史發(fā)展過程中, 兩熟區(qū)形成了眾多的種植類型, 特別是輪作, 栽培面積廣泛。其中既有冬小麥(L.)-夏玉米(L.)這樣典型的糧食作物組合, 也有冬小麥-夏大豆[(L.) Merr.]、小麥-花生(L.)、小麥-棉花(spp.)等糧食作物與經(jīng)濟作物組合, 甚至還有大蒜(L.)-棉花等具有區(qū)域特色的作物組合。多樣的輪作類型充分利用了當(dāng)?shù)毓鉁責(zé)豳Y源, 對于國家大宗糧油作物、特色作物供給, 保障國家糧食安全、促進農(nóng)民增收、農(nóng)業(yè)增效發(fā)揮了不可替代的作用。

從養(yǎng)分與環(huán)境的關(guān)系來看, 當(dāng)某種養(yǎng)分的投入大于支出時, 就會造成該養(yǎng)分盈余, 反之則造成養(yǎng)分虧缺, 短期、適度盈余或虧缺不會影響環(huán)境, 也不會影響作物生長, 而長期大量盈余或虧缺則不僅會影響產(chǎn)量、品質(zhì), 降低肥料利用效率, 還會引起諸多環(huán)境問題[2]。尤其是磷素, 磷盈余引起的土壤磷含量提高會增大通過地表徑流和滲漏量進入環(huán)境的量[3-4], 從而會對土壤、水環(huán)境造成負(fù)面影響, 如地表水富營養(yǎng)化等問題[5-7]。因此, 建立基于地塊的預(yù)警系統(tǒng), 進行農(nóng)田磷素流失預(yù)警對優(yōu)化施肥措施, 提高肥料利用效率及保護環(huán)境意義重大。

一個區(qū)域輪作制度是多年逐漸形成的相對穩(wěn)定的作物組合, 由于累積效應(yīng)往往造成不同輪作系統(tǒng)之間的養(yǎng)分平衡狀況差異巨大。輪作是作物種植的基本單元, 也是決定周年養(yǎng)分投入的基本單元。由于輪作對于周年養(yǎng)分乃至多年養(yǎng)分累積(盈余或虧缺)的決定性作用, 故地塊的多年養(yǎng)分平衡狀況可通過周年輪作的養(yǎng)分盈余評估計算[2]。因此以周年輪作系統(tǒng)為研究的基本單元。一方面, 由于組成某種輪作系統(tǒng)的作物是固定的, 而作物對養(yǎng)分吸收的偏好及農(nóng)民生產(chǎn)習(xí)慣等因素, 長期固定輪作會導(dǎo)致土壤中某種養(yǎng)分的過?；騾T乏, 以及病蟲害加劇、土壤鹽漬化、酸化等問題, 不利于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定, 最終造成產(chǎn)量降低。另一方面, 即使同一種輪作系統(tǒng), 由于不同農(nóng)戶管理水平的差異, 不同地塊間養(yǎng)分平衡狀況有極大差異。因而預(yù)警系統(tǒng)既需要考慮輪作的共性特征, 又需要考慮農(nóng)戶個體極端風(fēng)險, 基于地塊進行預(yù)警系統(tǒng)研究對于環(huán)境風(fēng)險管控更具科學(xué)價值。而我國尚缺乏針對地塊的從環(huán)境風(fēng)險角度考慮的預(yù)警系統(tǒng)。

目前的環(huán)境風(fēng)險預(yù)警往往針對的重金屬指標(biāo)[8-9]、畜禽養(yǎng)殖[10], 或從社會經(jīng)濟等宏觀角度出發(fā)[11], 尚缺乏農(nóng)業(yè)環(huán)境風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)。據(jù)農(nóng)業(yè)調(diào)查, 農(nóng)業(yè)面源污染在總污染中占比嚴(yán)重, 據(jù)2010年《第一次全國污染源普查公報》結(jié)果, 我國農(nóng)業(yè)污染源(不包括典型地區(qū)農(nóng)村生活源)的總氮(TN)和總磷(TP)排放分別為270.46萬t和28.47萬t, 占地表水體污染總負(fù)荷的57.2%和67.4%。可見, 農(nóng)業(yè)面源污染已經(jīng)成為當(dāng)前地表水體污染的主要來源[12-13]。

在植物必需的3種大量營養(yǎng)元素中, 對環(huán)境影響最大的營養(yǎng)元素是磷和氮, 這可以從歷年《中國環(huán)境狀況公報》公布的地表水主要污染物類型看出[14-16]。然而由于在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中氮素的循環(huán)途徑非常多, 氮素?fù)]發(fā)與徑流、淋溶等損失的影響因素多, 造成氮表觀平衡值往往變化比較大; 與氮素相比, 磷素循環(huán)途徑則相對穩(wěn)定, 沒有氣態(tài)損失, 磷的表觀養(yǎng)分平衡與環(huán)境污染的相關(guān)性高, 且計算方便, 因而本文選擇磷素作為環(huán)境風(fēng)險預(yù)警指示元素。

施肥量既關(guān)系到農(nóng)民生產(chǎn)成本, 又關(guān)系到農(nóng)業(yè)環(huán)境健康。近些年來, 我國農(nóng)業(yè)面源污染形勢日趨嚴(yán)峻, 對農(nóng)業(yè)環(huán)境保護空前重視, “綠水青山就是金山銀山”理念日益深入人心, 亟需開發(fā)一種針對地塊種植磷素流失風(fēng)險進行預(yù)警的簡便易行的方法, 既便于國家、區(qū)域或地方農(nóng)業(yè)主管部門進行種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整, 也利于農(nóng)戶自身判斷與決策。本研究從分析農(nóng)田養(yǎng)分平衡關(guān)鍵元素入手, 通過篩選農(nóng)田地塊適宜預(yù)警的關(guān)鍵元素(磷)、環(huán)境風(fēng)險產(chǎn)生的關(guān)鍵環(huán)節(jié)入手, 提出適合我國小農(nóng)戶現(xiàn)實國情的、基于農(nóng)田地塊級別的預(yù)警指標(biāo)體系, 并以華北兩熟區(qū)5種輪作類型、38個地塊的調(diào)查數(shù)據(jù)為例進行了驗證。

1 研究方法

1.1 輪作系統(tǒng)農(nóng)田磷流失風(fēng)險預(yù)警評價指標(biāo)體系的建立

農(nóng)田磷素流失風(fēng)險首先取決于輪作周期內(nèi)磷素投入與輸出量的差異(即: 數(shù)量因素), 也取決于周年內(nèi)不同茬次間的比例(即: 運籌因素), 還要考慮流失過程的控制因素(即: 過程因素)。因而本文著重從以上3個方面選擇關(guān)鍵因素形成預(yù)警評價指標(biāo)體系。

數(shù)量因素: 農(nóng)田磷素平衡是廣為應(yīng)用的指標(biāo), 主要用于土壤肥力評估、肥料利用效率、肥料量推薦、農(nóng)學(xué)閾值等方面[17-20], 而磷素平衡與磷素流失關(guān)系、環(huán)境閾值的研究相對較少。

過程因素: 磷在土壤中的移動與土壤質(zhì)地有關(guān), 土壤質(zhì)地是影響磷流失的重要因素之一。一般來說, 質(zhì)地細(xì)的土壤的磷吸附能力強。在美國兩種不同黏粒含量的土壤研究發(fā)現(xiàn), 黏粒含量32%的土壤造成的磷素流失遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于黏粒含量為5%的土壤[21]; 中國紫色土研究發(fā)現(xiàn)0~15 cm層中0.001 mm黏粒團聚度與徑流泥沙中全磷、速效磷含量顯著正相關(guān)[22]。土壤質(zhì)地主要取決于母質(zhì), 也受到地形等因素影響。

運籌因素: 磷肥總量和磷肥在不同茬次間分配是影響磷素流失的重要因子。根據(jù)土壤磷有效性變化規(guī)律和輪作作物的磷養(yǎng)分吸收規(guī)律, 對輪作周期的每種作物的磷進行科學(xué)分配。研究表明, 一年兩熟地區(qū)的旱地, 磷肥重點施用在冬季作物上(冬重夏輕)[23], 而這恰恰在當(dāng)前肥料運籌中被忽視(詳見本文農(nóng)戶調(diào)查結(jié)果)。磷素在不同季節(jié)(或茬次)間分配的科學(xué)性與否, 在一定程度上決定了作物對土壤磷素吸收利用的程度, 并進一步?jīng)Q定其環(huán)境污染概率。

基于以上3類因素, 確定了預(yù)警系統(tǒng)采用3級指標(biāo)評價體系, 分別為: 周年磷平衡、土壤質(zhì)地、周年磷肥運籌(秋播與夏播作物磷肥投入之比, 即“P秋/P夏”)。一級指標(biāo)為周年磷平衡狀況, 該指標(biāo)決定了不同的色系[綠色(環(huán)境相對友好)、紅色(環(huán)境風(fēng)險預(yù)警)、黃色(環(huán)境風(fēng)險中等)], 在此基礎(chǔ)上再依據(jù)土壤質(zhì)地(二級指標(biāo))與磷肥在不同茬次間分配情況(三級指標(biāo))細(xì)分, 共分為6種預(yù)警級別(深綠、淺綠、淺黃、深黃、淺紅、深紅, 深和淺表示各級別的程度)。根據(jù)不同土壤質(zhì)地對磷盈余的保持能力(黏土>壤土>沙土)分別將沙土、壤土、黏土的最適宜磷素平衡定為0.9~1.1、0.8~1.2和0.7~1.3。

1.2 風(fēng)險預(yù)警實施步驟

首先分別測定、計算地塊的周年磷平衡、耕層土壤質(zhì)地與周年磷肥運籌, 然后將所得結(jié)果填入系統(tǒng)預(yù)警表相應(yīng)位置即可自行得到該地塊、當(dāng)前輪作類型的預(yù)警級別。具體步驟如下:

1)計算地塊的周年磷平衡, 即農(nóng)田磷素周年投入與產(chǎn)出之比:

周年磷平衡=兩茬作物的磷投入量/兩茬作物的磷帶走量 (1)

投入包括一年兩茬作物投入的基肥和追肥中有機肥、化肥的磷含量, 以肥料施用量乘以該肥料磷含量(P2O5)計算; 帶走量包括一年兩茬作物收獲攜出量, 以單位產(chǎn)量帶走磷養(yǎng)分量(P2O5)乘以產(chǎn)量計算。

2)測定目標(biāo)地塊的耕層土壤質(zhì)地

采用土壤質(zhì)地速測方法, 即手測法判斷耕層土壤的質(zhì)地, 分為砂質(zhì)、壤質(zhì)、黏質(zhì)3種[24]。

3)計算秋播作物與夏播作物磷肥投入比

計算秋播作物與夏播作物磷肥投入比(P秋/P夏), 該步驟的科學(xué)依據(jù)為根據(jù)土壤磷循環(huán)的生物地球化學(xué)特征, 周年中磷肥應(yīng)重點施用在秋播作物上以提高磷肥利用效率[23], 計算公式如下:

P秋/P夏=秋播作物磷投入量/夏播作物磷投入量 (2)

秋播作物磷投入量和夏播作物投入量分別包括一年兩茬作物所投入的基肥和追肥中有機肥、化肥的磷含量, 以肥料施用量乘以該肥料磷含量(P2O5)計算。

4)根據(jù)以上步驟計算結(jié)果, 依據(jù)表1判斷地塊農(nóng)田的磷預(yù)警級別。

表1 一年兩作輪作農(nóng)田磷流失預(yù)警指標(biāo)體系表1)

1)用綠、黃、紅3種色系代表預(yù)警級別的高低, 紅色代表風(fēng)險等級最高, 綠色代表風(fēng)險最低, 黃色風(fēng)險居中; 深淺表示級別的程度。1) The alert level is shown by the colors. The red means high phosphorus loss risk; the green means low phosphorus loss risk; the yellow means medium phosphorus loss risk. Deep and light mean degree of the level.

用綠、黃、紅3種色系代表預(yù)警級別, 紅色代表磷流失風(fēng)險等級最高, 綠色有環(huán)保之含義代表磷流失風(fēng)險最低, 而黃色表示磷流失風(fēng)險居中。色系的選擇由周年磷平衡值決定, 每種土壤質(zhì)地均包括此3種色系: 綠色系列代表周年磷投入量比較合理; 黃色系列代表周年磷投入量偏少, 需增加磷肥投入量; 紅色系列代表周年磷投入量偏多, 需減少磷肥投入量。

每種色系又根據(jù)周年磷肥運籌細(xì)分為深淺兩級, 共計6種顏色, 分別代表6種預(yù)警級別, 各顏色所代表的含義如下: 深綠代表磷肥施用合理、茬次間分配合理、環(huán)境友好。淺綠代表磷肥周年投入總量合理, 但茬次間的分配不合理, 需調(diào)整磷肥的茬次間分配; 環(huán)境風(fēng)險較低。淺黃代表磷肥周年投入偏少, 但茬次間的分配合理, 需增加磷肥的周年總投入量; 環(huán)境風(fēng)險較低。深黃代表磷肥周年投入偏少, 需調(diào)整季節(jié)分配, 需增加磷肥的周年總投入量; 環(huán)境風(fēng)險中等。淺紅代表磷肥投入過量, 季節(jié)分配合理, 需減少磷肥的周年投入量; 環(huán)境風(fēng)險高。深紅代表磷投入過量, 且茬次間分配不合理, 需減少磷投入量, 且調(diào)整茬次間的分配; 環(huán)境風(fēng)險極高。

1.3 應(yīng)用驗證

采用本課題組調(diào)查數(shù)據(jù)對該方法體系進行說明, 并運用得到的結(jié)果對該區(qū)域的輪作風(fēng)險進行分析。數(shù)據(jù)來源為課題組2015年在山東、河北兩個省6個地區(qū)的11個縣市共38個農(nóng)戶地塊的調(diào)查結(jié)果, 主要包括華北地區(qū)5種輪作類型: 冬小麥-夏玉米、冬小麥-夏大豆、小麥-花生、小麥-棉花、大蒜-棉花; 調(diào)查內(nèi)容包括地塊位置、輪作情況、作物產(chǎn)量、施肥、耕層土壤質(zhì)地等信息。

調(diào)查取樣的原則采用“隨機等比例”調(diào)查, 即首先按照各縣統(tǒng)計數(shù)據(jù)中的各種作物播種面積確定各縣的取樣點數(shù)量, 然后在各縣該種作物的集中種植區(qū)重點取樣, 而具體取樣位置采用隨機原則, 以最大限度地保證取樣的代表性。編號采用“縣名+順序號”命名法。

2 結(jié)果與分析

在華北兩熟區(qū)38個農(nóng)戶地塊上的周年磷平衡、秋播與夏播磷肥投入比、耕層土壤質(zhì)地及根據(jù)本文建立的預(yù)警方法得到預(yù)警結(jié)果如表2所示。

2.1 不同輪作類型的周年磷平衡

結(jié)果表明, 調(diào)查的38個地塊中, 兩茬作物的周年磷平衡值大于1的有30個, 占總樣本量的79%, ≤1的有8個, 占總樣本量的21%, 說明絕大部分地塊磷投入量超過帶走量, 為盈余狀態(tài); 按照輪作類型統(tǒng)計, 調(diào)查的5種輪作類型中, 周年磷平衡平均值從大到小依次為: 冬小麥-夏玉米(1.66)、冬小麥-花生(1.60)、大蒜-棉花(1.00)、冬小麥-大豆(0.85)、冬小麥-棉花(0.75)?？梢钥闯? 種植面積最大、調(diào)查樣本量也最多的冬小麥-夏玉米輪作類型的周年磷平衡平均值恰恰也是最大, 表明當(dāng)前華北地區(qū)冬小麥-玉米輪作總體上磷肥投入過量, 普遍超過了其需求量造成磷盈余。這也與土壤速效磷含量持續(xù)上升的諸多證據(jù)相互印證[25-26]。廣大區(qū)域內(nèi)種植面積最大的大宗糧食作物磷肥盈余如此嚴(yán)重, 不僅造成嚴(yán)重了肥料資源浪費, 也會有潛在的日益增加的環(huán)境風(fēng)險, 亟需加強磷肥管理。

表2 華北不同輪作系統(tǒng)的周年磷平衡、秋播作物與夏播作物磷肥投入比、土壤質(zhì)地及預(yù)警結(jié)果

1)周年磷肥運籌指秋播與夏播磷肥投入比; 2)“#DIV/0!”代表夏播作物磷投入量為零, 此種情況按秋播作物與夏播作物磷肥投入比大于1計。1) The annual phosphorus allocation is the phosphorus input ratio of autumn-sowing crop to summer-sowing crop. 2) “#DIV/0!” means that the amount of phosphorus input of summer-sowing crop is zero, the phosphorus input ratio of autumn-sowing crop to summer-sowing crop is greater than 1.

統(tǒng)計分析還表明, 同一輪作類型內(nèi)部, 不同農(nóng)戶之間的周年磷平衡值差異巨大, 以樣本量最大的兩種輪作類型為例: 冬小麥-夏玉米輪作最大值為2.80, 最小值僅為0.70, 兩者相差3倍, 標(biāo)準(zhǔn)差為0.58; 冬小麥-花生最大值為2.30, 最小值僅為1.00, 兩者相差1.3倍, 標(biāo)準(zhǔn)差為0.44(表3)。說明華北地區(qū)同一輪作類型內(nèi), 不同農(nóng)戶之間磷投入差異巨大, 農(nóng)戶對磷肥施用缺乏科學(xué)足夠認(rèn)識, 從另一側(cè)面反映了加強磷肥管理的必要性。

表3 華北幾種典型輪作類型的周年磷平衡

2.2 不同輪作類型的周年磷肥運籌(秋播與夏播磷肥投入比)情況

調(diào)查的38個地塊中, 秋播與夏播磷肥投入比(周年磷肥運籌)>1和≤1的地塊數(shù)量正好相等(#DIV/0!代表夏播作物磷投入量為零, 此種情況按“P秋/P夏>1”計), 說明從周年磷肥統(tǒng)籌的角度來衡量(“P秋/P夏>1”為合理, “P秋/P夏≤1”為不合理), 所調(diào)查的50%地塊磷肥運籌不合理; 若按照輪作類型統(tǒng)計, 調(diào)查的5種輪作類型中, 1種(冬小麥-夏玉米)平均值>1, 為1.28(由于#DIV/0!無法計算, 此處統(tǒng)計平均值時去掉), 整體比較合理; 1種(冬小麥-花生)平均值為0.87, 整體表現(xiàn)為不合理; 另外3種(冬小麥-大豆、大蒜-棉花、冬小麥-棉花)均為夏播作物不施磷肥, 雖然按照此評價方法結(jié)果為合理, 但是由于夏播作物完全不施磷是否能夠保障該茬作物全生育期供應(yīng), 尚需更多田間試驗驗證。

統(tǒng)計分析還表明, 同一輪作類型內(nèi)部, 不同農(nóng)戶之間的周年磷肥運籌差異巨大, 以樣本量最大的麥玉輪作類型為例(由于#DIV/0!無法計算, 此處統(tǒng)計平均值時去掉): 秋播與夏播磷肥投入比最大值為2.70, 最小值僅為0.90, 兩者相差2倍, 標(biāo)準(zhǔn)差為0.61。

2.3 預(yù)警結(jié)果情況

38個地塊中, 磷肥施用合理、茬次間分配合理、環(huán)境友好(深綠)的地塊僅4個, 占總樣本量10.53%; 磷肥周年投入總量合理, 但茬次間的分配不合理, 需調(diào)整磷肥的茬次間分配, 環(huán)境風(fēng)險較低(淺綠)的地塊5個, 占總樣本量13.16%; 磷肥周年投入偏少, 但茬次間的分配合理, 需增加磷肥的周年總投入量, 環(huán)境風(fēng)險較低(淺黃)的地塊5個, 占總樣本量13.16%; 磷肥周年投入偏少, 需調(diào)整季節(jié)分配, 增加磷肥的周年總投入量, 環(huán)境風(fēng)險中等(深黃)的地塊2個, 占總樣本量5.26%; 磷肥投入過量, 季節(jié)分配合理, 需減少磷肥的周年投入量, 環(huán)境風(fēng)險高(淺紅)的地塊9個, 占總樣本量23.68%; 磷肥投入過量, 且茬次間分配不合理, 需減少磷投入量, 且調(diào)整茬次間的分配, 環(huán)境風(fēng)險極高(深紅)的地塊13個, 占總樣本量34.21%。由以上結(jié)果可知, 磷流失高環(huán)境風(fēng)險(包括高和極高)的輪作地塊達(dá)57.89%, 即一半以上地塊的輪作方式存在高或極高的環(huán)境風(fēng)險, 亟需引起足夠的重視, 后續(xù)可通過調(diào)整輪作類型的方式加以改善, 綜合考慮經(jīng)濟效益和環(huán)境風(fēng)險, 尋找到最優(yōu)輪作方式。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

關(guān)于磷平衡的計算對象, 本文采用了一個輪作周期中所有作物的磷素平衡, 而非單茬次作物的磷平衡, 這是由于對于有長期種植歷史的地塊來說, 一個輪作周期是一個基本的種植單元。而該地塊多年磷素的累積(或盈虧狀況)直接取決于輪作(而非單茬)磷平衡值的正負(fù)與絕對值大小。

關(guān)于周年磷平衡的計算方法, 本文采用周年磷投入量與帶走量的比值(而非二者的差值)。即: 周年磷平衡=兩茬作物磷投入總量/兩茬作物磷帶走總量。通常磷平衡值的計算是投入與產(chǎn)出的差值, 即磷平衡的絕對值[2,27]。但此種方法得到的磷平衡值, 由于不同作物(輪作)類型之間對磷素吸收量的差異較大, 從而難以用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)判斷結(jié)果的合理性, 而只能分別對不同輪作類型采用不同的數(shù)據(jù)單獨判斷, 限制了應(yīng)用的靈活性。本研究中磷平衡的計算采用投入與產(chǎn)出的比值(商)而非差值, 使不同輪作類型之間的磷平衡可以進行統(tǒng)一量化和比較; 當(dāng)然具體值還可根據(jù)將來試驗進一步優(yōu)化。

為了操作方便, 本方法周年磷肥運籌簡化為以P秋/P夏=1(即兩茬作物的磷投入量相同)為界限, 僅分成>1和≤1兩種情況。將來如果某地有不同輪作類型茬次最佳比例數(shù)據(jù), 可依據(jù)數(shù)據(jù)對該地區(qū)該指標(biāo)進行細(xì)化更新。

土壤質(zhì)地分類是指按照土壤顆粒組成的比例對土壤進行的分類。最常見的土壤質(zhì)地分類有國際制、美國農(nóng)業(yè)部制、蘇聯(lián)卡慶斯基制3種。這3種質(zhì)地分類制都是與其粒組分級標(biāo)準(zhǔn)和顆粒大小分析時的土粒分散方法相配套的[28]。但往往需要進行實驗室測定黏粒粒級數(shù)據(jù), 且分類級別都較多, 如1987年《中國土壤》(第2版)中公布了中國的質(zhì)地分類制, 分為3組12種質(zhì)地名稱[29]。本系統(tǒng)從實用性、簡便性角度將土壤質(zhì)地粗分為砂土、壤土和黏土3種, 未進一步細(xì)化。

本文建立的預(yù)警方法是為單個地塊的輪作風(fēng)險給出相對合理的評價, 即應(yīng)用對象為地塊, 但是當(dāng)用戶數(shù)量達(dá)到一定規(guī)模后, 可進一步對區(qū)域性的所有輪作類型進行分類匯總, 找出該研究區(qū)域各輪作類型的共性風(fēng)險及差異性評價, 進而通過種植結(jié)構(gòu)調(diào)整等措施加以政策引導(dǎo), 形成區(qū)域農(nóng)業(yè)良性循環(huán)。因此, 該方法既可作為區(qū)域土壤養(yǎng)分管理預(yù)警依據(jù), 又可作為主動調(diào)控的方法。

3.2 結(jié)論

本文從影響輪作環(huán)境風(fēng)險的關(guān)鍵元素、關(guān)鍵環(huán)節(jié)入手, 提出適合我國小農(nóng)戶現(xiàn)實國情的、基于農(nóng)田地塊的輪作風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)體系, 并以華北平原的農(nóng)戶調(diào)查數(shù)據(jù)為例具體說明了預(yù)警系統(tǒng)的使用方法。結(jié)果表明: 該預(yù)警方法科學(xué)、實用、簡便, 所需數(shù)據(jù)容易獲得; 3種色系的預(yù)警結(jié)果易于普通農(nóng)戶識別推廣。華北38個地塊預(yù)警結(jié)果表明, 磷肥施用合理、茬次間分配合理、環(huán)境友好(深綠)的地塊僅4個, 占總樣本量10.53%; 高環(huán)境風(fēng)險(包括高和極高)的輪作地塊達(dá)57.89%, 即一半以上的地塊目前的輪作方式存在高或極高的環(huán)境風(fēng)險。該預(yù)警方法既可用于農(nóng)戶對自己地塊磷流失風(fēng)險進行判斷, 進而選擇更優(yōu)化的輪作模式, 也可用于國家、區(qū)域或地方農(nóng)業(yè)主管部門進行種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整時參考。

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Early warning system of field phosphorus loss risk for double cropping area in North China*

JI Hongjie, ZHANG Huaizhi, ZHANG Renlian, XU Aiguo, TIAN Changyu

(Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of Plant Nutrient and Nutrient Cycle, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100081, China)

Rotation is a relatively fixed crop combination pattern that forms in various places over a long period. It is also the basic unit for the calculation of farmland nutrient balance. The accumulation of nutrient surplus or deficiency over the years directly affects the environment. Among the three essential nutrients for plants, the most important for the environment are phosphorus and nitrogen. Compared with nitrogen, the phosphorus cycle is relatively stable, has no gas loss, and reveals a high correlation between apparent nutrient balance and environmental pollution of phosphorus, and the calculation for which is convenient. Therefore, phosphorus was selected as the indicator for environment risk in this study. In order to establish a simple and effective method to detect early warnings of environmental effects, starting with the screening of key elements suitable for early warning and key links to phosphorus loss in farmland, this article proposed an early warning indicator system based on farmland plots suitable for small-holder farmers in China. The study also performed trial calculations with survey data from 38 plots, including five typical rotation systems in North China. The early warning system included three evaluation indicators — annual phosphorus balance, plough layer soil texture, and annual phosphate fertilizer operation. A total of six early warning levels of phosphorus loss was set in the early warning system — dark green, light green, light yellow, deep yellow, light red, and deep red, in which the red meant high phosphorus loss risk, the green meant low phosphorus loss risk, the yellow meant medium phosphorus loss risk, deep and light mean degree of the level. The characteristics of the early warning system were 1) measuring the entire rotation cycle rather than a single crop; and 2) the phosphorus balance considered the total balance of the anniversary (i.e., the phosphorus input and output balance of the entire rotation cycle) and considered the difference between different crops. Scientific allocation (i.e., phosphorus co-ordination) used relative equilibrium values rather than absolute equilibrium values so that the phosphorus balance between different rotation types could be uniformly quantified and compared. Soil texture was simplified to sand, loam, and clay species. The trial results showed that a low early warning level (dark green) which was rational in application of phosphate fertilizer with reasonable application rate and co-ordination between rotation crops only occupied 10.53% of all plots analyzed, while the high environmental risk (dark red, light red) rotation plots accounted for 57.89%, i.e., more than half of the plots using the current rotation methods had high or extremely high environmental risks. The early warning system was scientific, practical, and simple, and the required data were easy to be obtained. It can be used for farmers to judge the risk of phosphorus loss in their own plots and for national, regional, or local agricultural authorities to reference when adjusting planting structures.

Double cropping area; Crop rotation system; Farmland nutrient; Phosphorus; Loss risk; Early warning system; North China

, JI Hongjie, E-mail: jihongjie@caas.cn

Apr. 19, 2019;

Jun. 27, 2019

S19

2096-6237(2019)09-1394-08

10.13930/j.cnki.cjea.190229

2019-04-19

2019-06-27

冀宏杰, 主要從事土壤養(yǎng)分庫調(diào)控增效技術(shù)研究。E-mail: jihongjie@caas.cn

* This study was supported by the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest of China (201503121-13) and the National Key R&D Program of China (2016YFC0501302).

* 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部公益性行業(yè)專項(201503121-13)和國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0501302)資助

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