太湖地區(qū)種植結(jié)構(gòu)及農(nóng)田氮磷流失負(fù)荷變化*

閔 炬, 紀(jì)榮婷, 王 霞, 陳可偉, 徐建陶, 潘云楓, 陸志新, 路 廣, 王 遠(yuǎn), 施衛(wèi)明**

太湖地區(qū)種植結(jié)構(gòu)及農(nóng)田氮磷流失負(fù)荷變化*

閔 炬1, 紀(jì)榮婷2, 王 霞3, 陳可偉4, 徐建陶5, 潘云楓6, 陸志新7, 路 廣7, 王 遠(yuǎn)1, 施衛(wèi)明1**

(1. 中國科學(xué)院南京土壤研究所/土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210008; 2. 生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所 南京 210042; 3. 江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心 南京 210036; 4. 宜興市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心 宜興 214206; 5. 宜興市茶果指導(dǎo)站 宜興 214206; 6. 宜興市土肥站 宜興 214206; 7. 宜興市蔬菜辦公室 宜興 214206)

太湖地區(qū)是我國農(nóng)業(yè)最發(fā)達(dá)區(qū)域, 近年來隨著經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)動(dòng), 太湖地區(qū)稻田改為果園、菜地、茶園現(xiàn)象突出, 該地區(qū)種植結(jié)構(gòu)的變化趨勢和分布特征以及種植結(jié)構(gòu)改變前后的氮(N)、磷(P)肥投入量、徑流流失負(fù)荷量尚缺乏研究。本研究基于農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒和文獻(xiàn)調(diào)研數(shù)據(jù), 通過2002—2017年太湖地區(qū)主要城市(常州、無錫、蘇州、湖州)果菜茶和水稻種植面積、N和P養(yǎng)分投入量、農(nóng)田N和P流失負(fù)荷研究分析, 為該地區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染防治和治理提供科學(xué)依據(jù)。得出如下結(jié)論: 2002—2017年太湖地區(qū)果菜茶種植面積顯著增加, 尤其是果園(增加2.852×104hm2)和茶園(增加1.892×104hm2), 而稻田種植面積下降顯著(下降1.985×105hm2); 2002—2010年間種植結(jié)構(gòu)變化速率遠(yuǎn)高于2010—2017年, 且果菜茶種植面積增加主要集中在武進(jìn)、南潯、宜興、蘇州市區(qū)、長興等臨湖地區(qū)。2002—2017年太湖地區(qū)N、P肥投入量分別降低25.26%和9.59%, N流失量顯著下降34.66%, P流失量僅下降1.84%?，F(xiàn)今太湖地區(qū)稻田、果園、菜園和茶園的N流失負(fù)荷分別為10 200 t、670 t和10 100 t、250t, P流失負(fù)荷估算量分別為290 t、400 t、3 000 t和50 t。隨著種植結(jié)構(gòu)的改變, 太湖地區(qū)稻田種植體系已不是農(nóng)田N、P流失的最大來源, 果菜茶來源的N、P流失總和已排在第一位, 成為了目前農(nóng)田N、P流失的優(yōu)先控制對象。建議下一階段太湖地區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染防治應(yīng)側(cè)重于優(yōu)化果菜茶與水稻種植結(jié)構(gòu), 同時(shí)強(qiáng)化P污染防治技術(shù)研究, 最終實(shí)現(xiàn)太湖地區(qū)種植業(yè)的清潔可持續(xù)發(fā)展。

太湖地區(qū); 稻田; 果園、菜地和茶園; 種植面積; 氮磷投入量; 徑流損失

太湖地區(qū)自古以來就是我國農(nóng)業(yè)最發(fā)達(dá)區(qū)域之一, 古時(shí)有謂“蘇湖熟, 天下足”, 可見太湖流域在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的地位。到了現(xiàn)代, 隨著改革開放的逐步發(fā)展, 太湖流域已經(jīng)成為我國經(jīng)濟(jì)最為發(fā)達(dá)的地區(qū)之一[1]。太湖流域水、光、熱資源充足, 具備發(fā)展農(nóng)業(yè)的有利條件, 區(qū)域內(nèi)傳統(tǒng)種植業(yè)主要以水稻()種植為主[2]。自20世紀(jì)80年代以來, 隨著種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整, 太湖地區(qū)果樹、蔬菜、茶葉等經(jīng)濟(jì)作物播種面積逐年擴(kuò)大[3]。截止到2010年, 流域內(nèi)有耕地151萬hm2, 占全國的1.8%, 其中水田124 hm2, 旱地27萬hm2, 復(fù)種指數(shù)200%[4]。由于果樹、蔬菜、茶葉等作物的經(jīng)濟(jì)效益較高, 太湖地區(qū)稻田改為果園、菜地、茶園(以下簡稱果菜茶)現(xiàn)象十分突出[5-7]。種植結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生了明顯的變化, 然而稻田和果菜茶種植面積變化幅度及區(qū)域分布特征尚不清楚。

隨著人口密度的不斷增加和經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展, 太湖地區(qū)水污染問題尤其是水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象日趨加劇, 來源于農(nóng)業(yè)面源的氮(N)和磷(P)已成為太湖水體的重要污染物, 種植業(yè)污染對太湖水體總N和總P的貢獻(xiàn)率分別為29%和19%[8-10]。據(jù)統(tǒng)計(jì), 太湖地區(qū)耕地平均化肥施用量600 kg?hm–2, 為全國平均水平的2.16倍, 果樹、蔬菜和茶葉等經(jīng)濟(jì)作物的施肥量遠(yuǎn)高于一般大田作物[11-13]。據(jù)報(bào)道太湖地區(qū)設(shè)施菜地周年蔬菜作物N、P肥施用量分別為1 104~1 309.5 kg(N)?hm–2和360~464.5 kg(P2O5)? hm–2[14-15]。程誼等[16]采取資料調(diào)研與實(shí)地調(diào)查相結(jié)合的方法分析表明, 太湖竺山灣地區(qū)果園N、P平均投入量分別為N 522 kg?hm–2、P2O5674 kg?hm–2。Han等[17]研究表明, 浙江地區(qū)部分茶園N肥施用量可高達(dá)900 kg(N)?hm–2。徑流是N、P流失進(jìn)入水體的最主要途徑之一。研究表明, 太湖地區(qū)傳統(tǒng)水稻-小麥()輪作體系下, 每年通過徑流排放的N、P量分別為55.2~77.9 kg(N)?hm–2和1.49~2.86 kg(P)?hm–2[18-19]。近年來稻田和果菜茶種植結(jié)構(gòu)改變后, 對該地區(qū)N、P養(yǎng)分投入量的影響以及N、P徑流流失負(fù)荷的變化情況如何, 鮮見報(bào)道?；诖? 本研究通過調(diào)研2002—2017年來太湖地區(qū)稻田和果菜茶種植面積變化, 明確太湖地區(qū)種植結(jié)構(gòu)的變化趨勢和分布特征, 并估算了太湖地區(qū)種植結(jié)構(gòu)改變前后的N、P肥投入量及N、P徑流流失負(fù)荷量, 以期為太湖地區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染防治和治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

太湖位于長三角地帶的南緣位置, 是我國第三大淡水湖泊。太湖地區(qū)位于中緯度地區(qū), 屬濕潤的北亞熱帶氣候區(qū), 年平均氣溫15~17 ℃, 自北向南遞增, 多年平均降雨量為1 181 mm, 其中60%的降雨集中在5—9月; 區(qū)域內(nèi)以平原為主, 占總面積2/3, 水面占1/6, 丘陵和山地占總面積1/6。位于蘇、寧、杭的三角中心地區(qū)的宜興市東臨太湖, 全市幅員面積2 038 km2(含太湖水域), 地勢南高北低, 南部為丘陵山區(qū), 北部為平原區(qū), 東部為太湖瀆區(qū), 西部為低洼圩區(qū)。農(nóng)作物一年可2~3熟, 農(nóng)業(yè)以水稻-小麥種植為主, 果菜茶種植面積逐年增加, 是研究太湖地區(qū)種植結(jié)構(gòu)變化的代表性地區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

為開展2002—2017年太湖地區(qū)種植結(jié)構(gòu)及農(nóng)田氮磷流失負(fù)荷變化研究, 本文的數(shù)據(jù)來源有2種: 統(tǒng)計(jì)年鑒和文獻(xiàn)調(diào)研數(shù)據(jù)。選取太湖地區(qū)主要城市常州、無錫、蘇州、湖州4市2002年、2010年和2017年統(tǒng)計(jì)年鑒中的稻田和果菜茶的種植面積數(shù)據(jù),宜興市農(nóng)業(yè)部門稻田和果菜茶N、P肥施用量年度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù), 以及2000—2019年間發(fā)表的關(guān)于稻田和果菜茶的N、P徑流流失特征數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1 種植面積變化

通過太湖地區(qū)主要城市(常州、無錫、蘇州、湖州)統(tǒng)計(jì)年鑒調(diào)研, 以各地區(qū)各類型種植面積總和計(jì)算太湖地區(qū)不同年份稻田和果菜茶種植面積的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。

1.3.2 種植面積的時(shí)空變化特征

本研究通過調(diào)研分析太湖地區(qū)主要城市、各縣(市)稻田和果菜茶種植面積動(dòng)態(tài)變化來揭示太湖地區(qū)不同種植結(jié)構(gòu)面積的時(shí)空變化特征, 并采用不同種植結(jié)構(gòu)面積變化動(dòng)態(tài)度(, %)揭示太湖地區(qū)主要縣市果菜茶種植面積的變化情況[20], 其計(jì)算公式為:

式中:表示研究期內(nèi)不同種植結(jié)構(gòu)變化動(dòng)態(tài)度;U、U代表研究期初始年和末年的各類型種植面積, 單位為hm2;為時(shí)段步長, 單位為年。

1.3.3 N、P投入量估算

選取宜興市為太湖地區(qū)不同種植結(jié)構(gòu)變化的代表性區(qū)域, 通過當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)部門年度統(tǒng)計(jì)信息調(diào)研, 計(jì)算太湖地區(qū)稻田以及果菜茶等不同種植類型N、P肥投入量的變化, 計(jì)算公式為:

太湖地區(qū)稻田/果園/菜地/茶園N和P肥年投入量[kg(N/P)?hm–2?a–1]=宜興地區(qū)稻田/果園/菜地/茶園N/P肥年施用量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[kg(N/P)?hm–2?a–1]×太湖地區(qū)(包括常州、無錫、蘇州、湖州市)稻田/果園/菜地/茶園種植面積(hm2) (2)

1.3.4 N、P徑流流失負(fù)荷(流失量)估算

通過文獻(xiàn)調(diào)研, 分析太湖地區(qū)不同種植結(jié)構(gòu)下的徑流流失系數(shù), 計(jì)算太湖地區(qū)稻田和果菜茶N、P徑流流失量, 計(jì)算公式為:

太湖地區(qū)稻田/果園/菜地/茶園N、P徑流流失量[kg(N/P)?hm–2?a–1]=稻田/果園/菜地/茶園N和P肥年投入量[kg(N/P)?hm–2?a–1]×N/P流失系數(shù)(%) (3)

2 結(jié)果與分析

2.1 種植結(jié)構(gòu)變化

太湖地區(qū)不同種植結(jié)構(gòu)面積總體上呈現(xiàn)果菜茶逐漸增加, 稻田逐漸減少的趨勢(圖1a)。2002—2010年果菜茶種植總面積由231.48×103hm2上升到260.29×103hm2, 上升了12.45%; 2010—2017年, 果菜茶種植面積上升至280.75×103hm2, 面積增幅7.86%。統(tǒng)計(jì)太湖地區(qū)不同年份稻田種植面積變化可知, 稻田種植面積由2002年的480.41×103hm2下降為2010年的323.35×103hm2, 面積降幅32.69%; 2010—2017年稻田種植面積降低93.40×103hm2, 降幅為28.89%。2002—2010年果菜茶與稻田種植面積比率由0.482上升為0.805, 至2017年該比值上升為1.221, 太湖地區(qū)果菜茶種植總面積超過稻田(圖1a)。太湖地區(qū)果樹種植面積呈現(xiàn)持續(xù)增長的趨勢(圖1b), 2002—2010年由20.17×103hm2上升為42.73×103hm2, 增幅達(dá)111.84%; 2010—2017年增幅為13.95%。菜地種植面積穩(wěn)定在190×103hm2左右, 總體增長1.84×103hm2。2002—2010年, 茶園種植面積由21.46×103hm2上升為32.87×103hm2, 增幅達(dá)53.13%; 2010—2017年增幅為22.88%; 茶園種植面積總體增長88.16%。

2002—2017年, 除蘇州地區(qū)果菜茶種植總面積連年降低外, 其他地區(qū)果菜茶種植總面積均保持一定速度穩(wěn)步上升, 增長速度表現(xiàn)為: 無錫>常州>湖州(圖2)。無錫、常州地區(qū)果菜茶種植總面積增長率分別為75.58%和52.34%, 2002—2010年湖州地區(qū)果菜茶種植總面積由58.26×103hm2上升為64.02×103hm2, 增幅為9.87%; 至2017年增幅為13.53%, 主要表現(xiàn)在茶園種植面積的顯著增加。由于近年來蘇州地區(qū)快速城市化發(fā)展, 果菜茶種植總面積略有下降, 2002—2010年, 種植面積由102.75×103hm2下降為93.17×103hm2, 降幅9.33%; 至2017年種植面積為91.87×103hm2, 降幅1.39%。

圖1 2002—2017年太湖地區(qū)稻田及果菜茶種植面積變化(a)及果園、菜地和茶園種植面積變化(b)

圖2 2002—2017年太湖地區(qū)主要城市果菜茶種植面積變化

2.2 主要縣市種植結(jié)構(gòu)變化

分析2002—2010年太湖地區(qū)主要縣市果菜茶種植面積變化動(dòng)態(tài)度值變化(圖3a)可知, 大部分縣市稻田面積不同程度減少, 其中武進(jìn)、蘇州市區(qū)、昆山、吳江、江陰地區(qū)面積下降較快(值均低于-3), 常州其他地區(qū)(常州轄區(qū)除溧陽、金壇和武進(jìn)以外的其他地區(qū), 下同)種植面積略有增加(值為6.12); 大部分地區(qū)果園面積顯著增加, 其中溧陽、武進(jìn)、常熟、太倉、江陰、南潯、無錫其他地區(qū)(無錫轄區(qū)除宜興和江陰外的地區(qū), 下同)種植面積增長均較快(值均高于25); 金壇、宜興、江陰地區(qū)菜地面積增加較快(值大于3), 蘇州市區(qū)菜地面積下降較為顯著(值為-6.90); 蘇州市區(qū)、溧陽、南潯、長興、安吉地區(qū)茶園面積增長較快(值介于11.55~40.28)。由圖3b可知, 2010—2017年, 各縣市稻田面積均不同程度地降低(值介于-8.45~-0.85), 其中武進(jìn)、無錫其他和德清地區(qū)下降最為顯著(值低于-8); 常州其他、宜興地區(qū)果園面積增長較快(值分別為47.32和14.85); 常州其他、德清、無錫其他、吳江地區(qū)菜地面積增長較快(值為3.00~11.40); 吳興、南潯、德清、長興、安吉地區(qū)茶園面積增加較快(值介于3.88~23.81)。2002—2017年太湖地區(qū)果菜茶種植面積增加速率較快, 尤其是果園和茶園; 空間分布上, 武進(jìn)、南潯、宜興、蘇州市區(qū)、長興等瀕臨太湖地區(qū)果菜茶面積增長速度較快, 稻改果菜茶比例較高。

2.3 氮磷養(yǎng)分投入總量變化

由于瀕臨太湖地區(qū)良好的水熱條件和灌溉便利性, 2002—2017年太湖地區(qū)果菜茶種植面積顯著增長, 大量稻田改種果園、菜地和茶園, 種植類型改變后, 其養(yǎng)分投入量亦發(fā)生變化。以宜興市為例, 不同種植結(jié)構(gòu)下N、P投入量調(diào)研結(jié)果如表1所示。

調(diào)查結(jié)果表明, 太湖地區(qū)果菜茶種植體系的施肥量遠(yuǎn)高于稻田, 尤其是果園和菜地。菜地、果園和茶園N投入量分別為稻田的1.85~1.90倍、1.41~1.45倍和0.63~0.69倍, P投入量分別為稻田的4.25~4.80倍、2.91~3.25倍和0.84~1.35倍。2002—2010年, 稻田種植體系N投入減少了67.47×106kg×a-1, 降幅為30.40%, 2010—2017年下降為102.67×106kg×a-1, 降幅為33.52%。2002—2017年, 果園和茶園N投入量顯著上升, 分別增加18.19×106kg×a-1和4.89×106kg×a-1, 增幅分別為136.12%和71.43%。菜地N投入量一直穩(wěn)定在160×106kg×a-1左右。綜合稻田和果菜茶N投入變化情況, 2002—2010年, 太湖地區(qū)N投入總量由403.94×106kg(N)×a-1下降為356.05×106kg(N)×a-1, 降幅11.86%, 2010—2017年, 降低至308.30×106kg(N)×a-1, 降幅為13.41%(圖4a)。

圖3 2002—2010年(a)和2010—2017年(b)太湖地區(qū)主要縣市稻田及果園、菜地和茶園種植面積變化動(dòng)態(tài)度(K值)變化

表1 不同年份太湖地區(qū)稻田及果園、菜地和茶園的N、P投入量

表中數(shù)據(jù)來源于宜興市農(nóng)業(yè)部門年度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù), 調(diào)研結(jié)果為1年施肥量。稻田施肥量按太湖地區(qū)常見水稻-油菜()輪作模式下年施肥量計(jì)算, 菜地種植茬數(shù)按太湖地區(qū)平均復(fù)種指數(shù)200%計(jì)算。The data in the table are from the annual statistics of Yixing Agricultural Department. The research result is the amount of fertilizer applied in one year. The fertilizer application rate of rice paddy is calculated based on the common rice-oilseed rape () rotation system, and the vegetable multiple-cropping index is 200% according to the average of Taihu Lake region.

2002—2017年, 太湖地區(qū)稻田P投入量逐年下降, 由48.14×106kg×a-1下降為24.83×106kg×a-1, 降幅為48.42%; 而果園和茶園P投入量逐年上升, 分別增加8.74×106kg×a-1和5.3×106kg×a-1, 增幅分別為133.23%和194.44%; 菜地P投入量為88×106kg×a-1左右, 2002—2017年間變化幅度在-2.36%~0.41%。太湖地區(qū)稻田和果菜茶種植體系, 在2002—2010年, P投入量由146.14×106kg×a-1下降為141.53×106kg×a-1, 降幅3.15%, 2010—2017年, 逐步降低至133.35×106kg(P)×a-1, 降幅5.78%(圖4b)。

圖4 不同年份太湖地區(qū)稻田及果園、菜地和茶園的N肥(a)和P(b)肥投入量變化

2.4 氮磷流失負(fù)荷變化

徑流是農(nóng)田N、P流失進(jìn)入水體的主要途徑之一, 通過文獻(xiàn)調(diào)研分析了太湖地區(qū)稻田和果菜茶N、P徑流流失系數(shù)(表2), 基于該系數(shù)估算了太湖地區(qū)不同種植結(jié)構(gòu)的N、P徑流流失量(流失負(fù)荷)(表3)。根據(jù)N、P徑流流失量估算結(jié)果, 不同種植結(jié)構(gòu)下徑流N流失量為稻田>菜地>果園>茶園, 徑流P流失量為菜地>稻田>果園>茶園。2002—2010年, 稻田N、P徑流流失量分別降低30.32%、30.91%; 2010—2017年, N、P徑流流失量分別下降33.77%、23.68%。2002—2010年, 果園和茶園N、P徑流流失量分別上升117.86%、50.00%和117.65%、100.00%, 2010—2017年, 果園N、P徑流流失量上升幅度減緩, 分別上升9.84%、8.11%, 而茶園N、P徑流流失量上升幅度仍較高, 分別為19.05%和25.00%。2002—2017年, 菜地N、P流失量增幅較小, 僅為0和2.00%。

2002—2017年, 隨著種植結(jié)構(gòu)的改變, 太湖地區(qū)N流失量下降顯著, 2002—2010年和2010—2017年, 徑流N流失量分別降低19.14%和19.20%; 然而, 種植結(jié)構(gòu)的改變對太湖地區(qū)P流失量影響不大, 2002—2010年, 徑流P流失量上升1.57%, 2010—2017年, 徑流P流失量僅下降3.36%。

表2 太湖地區(qū)稻田及果園、菜地和茶園的N、P徑流流失系數(shù)

表中數(shù)據(jù)通過分析不同文獻(xiàn)中N、P徑流流失系數(shù)計(jì)算得出。The data are calculated by analyzing N and P runoff loss coefficients in different references.

3 討論

近年來, 太湖地區(qū)稻田改種果園、菜地、茶園的種植結(jié)構(gòu)變化現(xiàn)象十分普遍[5-7,30]。研究表明, 種植結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化主要受經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展、政策、人口變化等社會經(jīng)濟(jì)因素, 以及氣候、水文、土壤等自然因素共同驅(qū)動(dòng)[31]。以阿克蘇河灌區(qū)為例, 1998—2014年間, 園地、草地和耕地的面積變化較大, 其中, 水稻和馬鈴薯()耕種面積有所減少; 而果樹、小麥、玉米()和棉花(spp.)種植面積有所增加, 這主要是受經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展以及農(nóng)戶生產(chǎn)行為影響[32]。本研究表明, 2002—2017年, 太湖地區(qū)稻田種植面積顯著下降, 幅度為58.6%, 而果菜茶種植面積總體上升21.28%, 尤以果園和茶園增加較為顯著(圖1a)。一方面是因?yàn)榻陙硖貐^(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速, 人口不斷增加, 城鎮(zhèn)化速度快速提升, 國家和當(dāng)?shù)卣诮?jīng)濟(jì)發(fā)展決策和土地利用規(guī)劃管理上向經(jīng)濟(jì)建設(shè)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的傾斜導(dǎo)致耕地向其他地類單向轉(zhuǎn)出增加[20];另一方面, 由于水果、蔬菜等經(jīng)濟(jì)作物的單位面積經(jīng)濟(jì)效益顯著高于傳統(tǒng)糧食作物, 農(nóng)戶行為在不同程度上對作物種植類型選擇產(chǎn)生影響, 導(dǎo)致太湖地區(qū)種植業(yè)結(jié)構(gòu)逐漸由“以糧為綱”向“糧經(jīng)協(xié)調(diào)發(fā)展”轉(zhuǎn)變[33]。從太湖地區(qū)果菜茶不同種植類型面積變化的空間分布來看, 各縣市中, 武進(jìn)、南潯、宜興、蘇州市區(qū)、長興等臨湖地區(qū)果菜茶種植面積增長速度較快(圖3a-b), 這主要是由于臨太湖地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件較好、土壤肥沃、水熱條件好、生產(chǎn)潛力高, 自然因素驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致各類型種植業(yè)分布逐漸向臨湖地區(qū)發(fā)展[34]。

表3 不同年份太湖地區(qū)稻田及果園、菜地和茶園的N、P徑流流失量

同時(shí), 在生產(chǎn)中, 農(nóng)民主要通過不斷提高施肥量來提高作物產(chǎn)量和品質(zhì), 2002—2010年, 太湖地區(qū)各種植體系施肥量均不斷提高[3]。近年來, 由于《到2020年化肥使用量零增長行動(dòng)方案》等面源污染控制政策的實(shí)施[35], 各種植體系N、P肥投入量均有一定程度下降(表1)。對比太湖地區(qū)4種種植體系施肥量, 菜地>果園>稻田>茶園, 這主要是由于不同種植體系養(yǎng)分利用率及施肥習(xí)慣導(dǎo)致的[36-37]。本研究結(jié)果表明, 近20年來, 隨著太湖地區(qū)種植體系改變, 果園N、P投入量分別增加125.53%、123.68%, 菜地N、P肥投入量保持在160×106kg(N)×a-1、88×106kg(P)×a-1左右, 茶園N、P肥投入量分別提高63.16%、168.37%。結(jié)合稻田種植體系N、P投入量的變化, 太湖地區(qū)各種植體系N、P總投入量分別降低25.26%、8.93%(圖4)。由于不同種植結(jié)構(gòu)下徑流N、P流失系數(shù)的差異, 各種植體系N、P徑流損失量變化趨勢有所不同(表2)。本研究表明, 隨著種植結(jié)構(gòu)的改變, 太湖地區(qū)N流失量下降顯著, 降幅為38.50%, 但種植結(jié)構(gòu)的改變對太湖地區(qū)P流失量無顯著影響, 2002—2010年, P徑流量上升比例為1.57%, 2010—2017年, P徑流量僅下降3.36%(表3)。在N、P面源污染風(fēng)險(xiǎn)影響的分析上, 由于各個(gè)種植體系農(nóng)田N、P徑流流失系數(shù)依據(jù)的是本地區(qū)的文獻(xiàn)調(diào)研數(shù)據(jù), 該系數(shù)均由農(nóng)田排水口N、P流失量計(jì)算而來, 未考慮入河、湖輸移路徑中的削減量。因此, 由此得出的N、P流失量很可能偏大。此外, 農(nóng)田流失N、P進(jìn)入河流湖泊水體之前, 在輸移過程中會發(fā)生沉積、吸收以及生物脫氮等過程, 農(nóng)田N、P徑流流失量并不等同于入河入湖量[38]?？傮w而言, 2002—2017年果菜茶及稻田種植結(jié)構(gòu)的變化對太湖地區(qū)N污染負(fù)荷有一定緩解作用, 但P污染負(fù)荷無明顯降低。

4 結(jié)論

本研究通過對2002—2017年來太湖地區(qū)稻田和果菜茶種植結(jié)構(gòu)的調(diào)研分析, 明確了太湖地區(qū)種植結(jié)構(gòu)變化并估算了N、P流失負(fù)荷。研究表明,太湖地區(qū)果菜茶種植面積總增長49.27×103hm2, 果園和茶園增加尤為顯著, 且增加面積主要集中在武進(jìn)、南潯、宜興、蘇州市區(qū)、長興等臨湖地區(qū)。稻田種植面積下降了198.46×103hm2。隨著種植結(jié)構(gòu)的改變, 稻田已不是農(nóng)田流失N、P的最大來源, 果菜茶來源的N、P流失已排在第一位, 成為農(nóng)田N、P流失的優(yōu)先控制對象。但從流失總量上看, 通過統(tǒng)計(jì)太湖地區(qū)不同種植體系施肥情況和氮磷徑流流失負(fù)荷發(fā)現(xiàn), 2002—2017年間種植結(jié)構(gòu)變化后N、P投入量分別降低25.26%、8.93%, 徑流N流失量下降34.66%, 但P流失量下降不明顯。

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Changes in planting structure and nitrogen and phosphorus loss loads of farmland in Taihu Lake region*

MIN Ju1, JI Rongting2, WANG Xia3, CHEN Kewei4, XU Jiantao5, PAN Yunfeng6, LU Zhixin7, LU Guang7, WANG Yuan1, SHI Weiming1**

(1. Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences / State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Nanjing 210008, China; 2. Nanjing Institute of Environmental Sciences, Ministry of Ecology and Environment of the People’s Republic of China, Nanjing 210042, China; 3. Jiangsu Environmental Monitoring Center, Nanjing 210036, China; 4. Agricultural Technology Popularization Center in Yixing, Yixing 214206, China; 5. The Tea and Fruit Technical Guidance Station in Yixing, Yixing 214206, China; 6. Yixing Soil and Fertilizer Station, Yixing 214206, China; 7. Yixing Vegetable Office, Yixing 214206, China)

The Taihu Lake region is the most developed agricultural region in China. In recent years, driven by economic interests, the transformation of rice paddy into orchard, vegetable field and tea garden in Taihu Lake region has become prominent. The changes in the trend and distribution characteristics of planting structure, as well as the N and P fertilizer inputs and runoff loads (before and after the change in planting structure) are still not studied. Based on the Agricultural Statistical Yearbook and survey data of literatures, through the analysis on planting areas of rice paddy, orchard, vegetable field, and tea garden in major cities in Taihu region (Changzhou, Wuxi, Suzhou, and Huzhou) from 2002 to 2017, nutrient input and N and P loads in farmland were studied to provide scientific basis for prevention and treatment of agricultural non-point source pollution in the area. The main results were summarized as follows: from 2002 to 2017, the planting areas of orchard, vegetable field, and tea garden significantly increased; especially for orchard (increased by 2.852×104hm2) and tea garden (increased by 1.892×104hm2). However, the area of rice paddy was decreased by 1.985×105hm2; the change in rate of planting structure from 2002 to 2010 was much higher than that of 2010 to 2017. The increased planting areas of orchard, vegetable field, and tea garden were mainly concentrated in the lakeside districts, such as Wujin, Nanxun, Yixing, Suzhouurban area, and Changxing. The total N and P fertilizer inputs were decreased by 25.26% and 9.59%, respectively, from 2002 to 2017. The risk of total N runoff reduced significantly by 34.66%, while the total P loss amount remained stable (overall decline by 1.84%). In 2017, the estimated N loss loads from the sources of rice paddy, orchard, vegetable field, and tea garden were 10 200 t, 670t, 10 100t and 250 t respectively, and the P loss loads were 290 t, 400 t, 3 000 t and 50 t, respectively, in the Taihu Lake region. With the change in planting structure, rice paddy was no longer the largest source of N and P loss in the farmland, but the total N and P loss from orchard, vegetable field, and tea garden was the largest; these are currently the priority control objects of N and P loss in farmland of the Taihu Lake region. It is suggested that in the next stage, the prevention and control of agricultural non-point source pollution should focus on the optimization of planting structure, and strengthen research on the prevention and control technology of P pollution, in order to achieve clean and sustainable development of the planting industry in the Taihu Lake region.

Taihu Lake region; Rice paddy; Orchard, vegetable field and tea garden; Planting area; N, P nutrient input; Runoff loss

X524

10.13930/j.cnki.cjea.200152

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* 江蘇省太湖水環(huán)境綜合治理科研課題(TH2018305)、江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金項(xiàng)目[CX(18)1005]和山東省重大科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目(2019JZZY010701)資助

施衛(wèi)明, 主要研究方向?yàn)橥寥?植物營養(yǎng)學(xué)等。E-mail: wmshi@issas.ac.cn

閔炬, 從事農(nóng)田養(yǎng)分循環(huán)與面源污染防控研究。E-mail: jmin@issas.ac.cn

2020-03-02

2020-04-26

* This work was supported by the Scientific Research on Comprehensive Treatment of Taihu Lake Water Environment in Jiangsu Province (TH2018305), the Independent Innovation Fund Project of Agricultural Science and Technology in Jiangsu Province [CX(18)1005] and Shandong Provincial Key Research and Development Program (2019JZZY010701).

, E-mail: wmshi@issas.ac.cn

Mar. 2, 2020;

Apr. 26, 2020