豫北小麥高產(chǎn)區(qū)化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分析

王玉姝,韓燕來(lái),柴 汕,高慧珊,李青松

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州 450002；2.河南省土地整治與生態(tài)重建工程技術(shù)研究中心，河南鄭州 450002)

化肥是形成產(chǎn)量的關(guān)鍵因素，對(duì)提高世界糧食產(chǎn)量的貢獻(xiàn)達(dá)50%～60%[1]。為追求作物高產(chǎn)，我國(guó)普遍存在過(guò)量施用化肥的情況[2]，化肥使用量和使用強(qiáng)度均遠(yuǎn)超其他發(fā)達(dá)國(guó)家[3]。過(guò)量施肥導(dǎo)致化肥利用率低、環(huán)境負(fù)效應(yīng)突出，成為農(nóng)業(yè)面源污染的最直接原因之一[4,5]。我國(guó)主糧作物生產(chǎn)中，小麥的化肥施用量已達(dá)到經(jīng)濟(jì)上限，玉米和水稻的化肥施用量也已逼近經(jīng)濟(jì)上限，肥料的邊際效應(yīng)下降，報(bào)酬遞減明顯，生產(chǎn)成本增加[6]。目前施肥與作物產(chǎn)量并不呈簡(jiǎn)單的線性關(guān)系[7]，化肥對(duì)我國(guó)糧食增產(chǎn)作用已經(jīng)很低[8]。因此，過(guò)高的施肥量在資源和環(huán)境方面均不經(jīng)濟(jì)。我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨著糧食安全、資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)等多重任務(wù)，節(jié)肥、節(jié)藥和農(nóng)業(yè)面源污染防控等成為政府管理和科學(xué)研究關(guān)注的熱點(diǎn)[9-11]。

前人從農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)[12]、環(huán)境污染[13-15]對(duì)化肥過(guò)量施用效應(yīng)及其超標(biāo)程度[13]、影響因素[16]等進(jìn)行了大量研究，明確了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥過(guò)量施用的危害，引起了人們對(duì)過(guò)量施肥的關(guān)注。對(duì)于化肥的環(huán)境污染，劉欽普[17]首次提出了化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，并從宏觀角度分析了化肥施用的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。在此基礎(chǔ)上，連煜陽(yáng)等[18]、薛超等[19]、任世鑫等[20]、陳超等[21]分別從區(qū)域、作物種類、農(nóng)戶偏好等視角對(duì)我國(guó)化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了探討。但前人采用的化肥施用數(shù)據(jù)基于統(tǒng)計(jì)年鑒或“全國(guó)農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編”等大數(shù)據(jù)資料，而基于某種農(nóng)作物生產(chǎn)實(shí)際的問(wèn)卷調(diào)查數(shù)據(jù)還相對(duì)較少。不同區(qū)域農(nóng)業(yè)自然條件，農(nóng)戶施肥習(xí)慣和適宜的化肥施用量均不相同，若以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定化肥施用的環(huán)境安全閾值，其結(jié)果不能準(zhǔn)確客觀地反映各區(qū)域化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)際狀況[19]。基于此，本研究選取豫北小麥高產(chǎn)區(qū)(河南省滑縣)為研究區(qū)域，采用面訪式問(wèn)卷調(diào)查法收集小麥生產(chǎn)中實(shí)際施肥數(shù)據(jù)，并選用原中國(guó)農(nóng)業(yè)部(豫北小麥)“3414”測(cè)土配方試驗(yàn)推薦施肥量[22]作為化肥施用的環(huán)境安全閾值，結(jié)合化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)模型[17]，分析了小麥生產(chǎn)中農(nóng)戶施肥與化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)狀況，以期為小麥該區(qū)域合理施肥和促進(jìn)農(nóng)業(yè)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)防控提供參考。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

于2019年7-9月，采用面訪式問(wèn)卷調(diào)查方法，對(duì)滑縣轄區(qū)內(nèi)小麥種植狀況進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查范圍包括14個(gè)鎮(zhèn)、6個(gè)鄉(xiāng)和3個(gè)街道辦，樣點(diǎn)比例根據(jù)種植面積進(jìn)行均衡，樣點(diǎn)分布狀況見(jiàn)圖1。調(diào)查指標(biāo)包括小麥產(chǎn)量、種植面積、化肥(包括氮肥、磷肥、鉀肥和復(fù)合肥料)施用量等。共發(fā)放調(diào)查問(wèn)卷474份，收回有效問(wèn)卷470份，有效率為99.2%。小麥產(chǎn)量按照面積加權(quán)平均法進(jìn)行計(jì)算。氮肥、磷肥、鉀肥和復(fù)合肥以農(nóng)戶實(shí)際肥料施用量為依據(jù)，并根據(jù)對(duì)應(yīng)的肥料養(yǎng)分標(biāo)識(shí)量折純?yōu)镹、P2O5和K2O，而后進(jìn)行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算。

圖1 滑縣樣點(diǎn)分布

1.2 研究方法

化肥環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估采用環(huán)境指數(shù)模型，主要參考劉欽普[23-28]的方法，并結(jié)合小麥生產(chǎn)實(shí)際，對(duì)化肥使用強(qiáng)度、化肥利用率、化肥安全使用推薦量、作物復(fù)種系數(shù)等進(jìn)行了厘定。

化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算方法：

式中i為單質(zhì)肥料(N、P2O5、K2O)類型；Ri為化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；Fi為化肥使用強(qiáng)度，即單位面積耕地上實(shí)際施用于小麥生產(chǎn)的化肥量(kg·hm-2)；m為小麥復(fù)種指數(shù)，由于滑縣每年僅能種植一季小麥，故取值m=1；ui為化肥利用率，參考彭雪松[22]在小麥上研究的結(jié)果，N、P2O5、K2O利用率分別取值27%、15.8%和27%；Ti為指化肥生態(tài)安全標(biāo)準(zhǔn)，即為獲得最理想的產(chǎn)量，在糧食作物種植中環(huán)境所能接受的最大化肥施用量(kg·hm-2)。結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，本研究采用原中國(guó)農(nóng)業(yè)部“3414”測(cè)土配方試驗(yàn)結(jié)果(豫北小麥生產(chǎn))推薦施肥量做為安全標(biāo)準(zhǔn)用量，即N、P2O5、K2O施用量分別為134、93、83 kg·hm-2。

參考劉欽普[27]的建議，結(jié)合滑縣小麥生產(chǎn)實(shí)際，對(duì)化肥使用強(qiáng)度和化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分級(jí)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，依據(jù)推薦施肥量的1、1.5、2、2.5倍，將所對(duì)應(yīng)的化肥使用強(qiáng)度和化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分為安全、輕度、中度、重度和嚴(yán)重5個(gè)等級(jí)，具體見(jiàn)表1。

表1 化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分級(jí)

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥產(chǎn)量與化肥施用狀況

經(jīng)調(diào)查，滑縣小麥產(chǎn)量最高值為11 250.0 kg·hm-2，最低值為5 250.0 kg·hm-2，平均為 8 354.1 kg·hm-2，變異系數(shù)為10.4%(表2)，可見(jiàn)該地區(qū)小麥產(chǎn)量普遍較高。小麥生產(chǎn)中，農(nóng)戶普遍施用氮肥，氮肥施用量最高值是最低值的8倍，變異系數(shù)達(dá)到31.8%。磷鉀肥施用量變化也很大，過(guò)量施肥和不施肥現(xiàn)象均存在，不施用磷肥和鉀肥的農(nóng)戶數(shù)分別為13和92戶(表4)，分別占調(diào)查農(nóng)戶總數(shù)的2.7%和19.7%；磷鉀肥的變異系數(shù)超過(guò)了60%，高出了氮肥變異系數(shù)的兩倍。另外，氮肥和磷肥的平均施用強(qiáng)度與原中國(guó)農(nóng)業(yè)部“3414”測(cè)土配方試驗(yàn)推薦施肥強(qiáng)度相比，分別超標(biāo)112.9%和82.2%，鉀肥施用強(qiáng)度僅為國(guó)家推薦標(biāo)準(zhǔn)的77.5%，低于國(guó)家推薦用量。這說(shuō)明農(nóng)戶對(duì)不同肥料作用及其施用量的認(rèn)識(shí)和重視程度存在差異。

表2 滑縣被調(diào)查農(nóng)戶小麥產(chǎn)量和化肥施用狀況

2.2 化肥施用強(qiáng)度與小麥產(chǎn)量的關(guān)系

從小麥產(chǎn)量與化肥施用強(qiáng)度的分布(圖2、表3和表4)看，隨著氮肥、磷肥及鉀肥施用強(qiáng)度的增加，小麥產(chǎn)量并沒(méi)有出現(xiàn)增加的趨勢(shì)，其產(chǎn)量多集中于7 000～9 000 kg·hm-2，相應(yīng)的農(nóng)戶數(shù)占農(nóng)戶調(diào)查總數(shù)的83.0%，即施肥強(qiáng)度與產(chǎn)量間并不存在簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，高化肥施用強(qiáng)度并不意味著高產(chǎn)量；氮肥、磷肥和鉀肥的施用強(qiáng)度分別集中于200～400 kg·hm-2、0～200 kg·hm-2和 0～200 kg·hm-2，其養(yǎng)分比例為2～3∶1～ 2∶0～1，與原中國(guó)農(nóng)業(yè)部“3414”試驗(yàn)推薦標(biāo)準(zhǔn)1.6∶1.1∶1相比，氮肥和磷肥施用強(qiáng)度較高，鉀肥施用強(qiáng)度不足。

圖2 化肥施用強(qiáng)度與小麥產(chǎn)量

表3 被調(diào)查農(nóng)戶產(chǎn)量分布狀況

表4 被調(diào)查農(nóng)戶施肥強(qiáng)度分布狀況

2.3 化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)與小麥產(chǎn)量關(guān)系

高化肥施用強(qiáng)度未必提高作物產(chǎn)量，卻會(huì)增加化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。為了進(jìn)一步探究化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)與小麥產(chǎn)量的關(guān)系，選用小提琴圖來(lái)顯示化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)不同等級(jí)間農(nóng)戶的分布狀態(tài)以及概率密度(圖3)。從圖3可以看出，隨著氮肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的增加，小麥的產(chǎn)量有較小程度的下降，但等級(jí)間差異未達(dá)到0.05顯著水平；磷肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)間小麥產(chǎn)量差異也不顯著；鉀肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)達(dá)到重度風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，小麥產(chǎn)量開(kāi)始有所下降，到嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)時(shí)，小麥產(chǎn)量顯著下降。這說(shuō)明高化肥施用強(qiáng)度并不能提高小麥的產(chǎn)量，甚至?xí)斐僧a(chǎn)量下降。

圖上不同字母表示不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)間差異顯著(P<0.05)。

2.4 農(nóng)戶施肥與化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)系

由表5知，隨著氮肥施用風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的增加，其對(duì)應(yīng)農(nóng)戶比例呈先增后降的趨勢(shì)，在中度風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)時(shí)達(dá)到最大值(36.8%)，氮肥施用處于安全和輕度風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的農(nóng)戶分別占3.8%和 10.9%，中度以上風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的農(nóng)戶占85.3%；磷肥施用重度風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的農(nóng)戶比例較小(5.3%)，其余風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的農(nóng)戶分布相對(duì)均勻，所占比例介于20.6%～26.6%范圍；隨著鉀肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的增加，其對(duì)應(yīng)農(nóng)戶比例總體上呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，處于安全和輕度風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的農(nóng)戶比例分別為68.3%和20.4%，其余風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的農(nóng)戶比例均小于10%。由此可見(jiàn)滑縣小麥生產(chǎn)中，農(nóng)戶重視氮肥施用，一般關(guān)注磷肥施用，而忽略鉀肥施用，農(nóng)戶施肥習(xí)慣是導(dǎo)致化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的直接原因。

表5 不同化肥環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)下小麥種植戶分布

3 討 論

我國(guó)糧食生產(chǎn)中化肥過(guò)量施用程度嚴(yán)重[29]，小麥、玉米、水稻的化肥使用效率普遍較低[30]，玉米和水稻的化肥施用強(qiáng)度接近經(jīng)濟(jì)臨界閾值，小麥的化肥施用強(qiáng)度已超過(guò)經(jīng)濟(jì)上限[6]?；适┯脧?qiáng)度與糧食產(chǎn)量間不存在簡(jiǎn)單的線性關(guān)系[7]，一定基數(shù)的化肥用量就可以保證糧食高產(chǎn)，再增加化肥用量時(shí)邊際報(bào)酬遞減迅速[8]，出現(xiàn)化肥施用“內(nèi)卷化”[31]。目前我國(guó)種植業(yè)總氮流失量72萬(wàn)t，總磷流失量7.6萬(wàn)t，分別占全國(guó)農(nóng)業(yè)污染物排放總氮和總磷的50.9%和35.9%[32]，可見(jiàn)高的化肥施用強(qiáng)度會(huì)帶來(lái)農(nóng)業(yè)面源污染，引起土壤[13]、水體[33]、大氣[15]等環(huán)境問(wèn)題，導(dǎo)致化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)程度增大[23-28]。本研究的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，滑縣小麥生產(chǎn)中，與農(nóng)業(yè)部“3414”測(cè)土配方試驗(yàn)推薦施肥強(qiáng)度相比，氮肥和磷肥施用強(qiáng)度分別超標(biāo)112.9%和82.2%，鉀肥施用強(qiáng)度僅為國(guó)家推薦標(biāo)準(zhǔn)的77.5%，而且氮、磷、鉀養(yǎng)分配比不合理，小麥產(chǎn)量并不隨著氮、磷、鉀化肥施用強(qiáng)度的增加而提高，這與李青松等[7]、麻坤等[8]和孫小鈞等[33]的研究結(jié)論相一致，因此滑縣小麥生產(chǎn)中有節(jié)肥潛力，應(yīng)當(dāng)注意控制氮肥和磷肥的施用[34]，適當(dāng)補(bǔ)充鉀肥，協(xié)調(diào)養(yǎng)分平衡，通過(guò)相應(yīng)的技術(shù)手段如優(yōu)良品種、有機(jī)替代、緩控釋肥、配方施肥等[35-37]達(dá)到節(jié)肥增效，降低化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

滑縣小麥生產(chǎn)中，氮肥和磷肥超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，鉀肥有所不足，同時(shí)存在不施用磷鉀肥的現(xiàn)象，說(shuō)明農(nóng)戶對(duì)平衡施肥缺乏正確的了解和認(rèn)知?；蔬^(guò)量施用及不合理的配比均會(huì)對(duì)環(huán)境造成負(fù)影響，對(duì)環(huán)境安全產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)[38]。不同化肥類型施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的差異主要?dú)w因于農(nóng)戶施肥決策。農(nóng)戶施肥決策受到諸多因素的影響：(1)施肥認(rèn)知，農(nóng)戶對(duì)施肥的認(rèn)知具有一定的生產(chǎn)慣性[39]，同時(shí)受教育程度影響，往往種植年限較長(zhǎng)的農(nóng)戶施肥多依靠經(jīng)驗(yàn)，對(duì)新技術(shù)接受程度較差，而學(xué)歷較高的農(nóng)戶則更愿意參加技術(shù)培訓(xùn)，對(duì)科學(xué)施肥認(rèn)知程度較高[40-41]；(2)市場(chǎng)價(jià)格，農(nóng)作物價(jià)格的上漲和化肥價(jià)格下降均會(huì)導(dǎo)致過(guò)量施肥[42-43]；(3)經(jīng)營(yíng)規(guī)模，糧食種植規(guī)模較大的農(nóng)戶，化肥施用強(qiáng)度反而不高，更注重科學(xué)施肥[30]；(4)政策支持，政府的農(nóng)業(yè)補(bǔ)貼對(duì)化肥施用量具有正向影響，使農(nóng)戶的化肥施用量增加[44]，而政府頒布的技術(shù)性指導(dǎo)文件又會(huì)對(duì)農(nóng)戶的施肥行為有所約束[45-46]。此外，農(nóng)戶收入水平和農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力非農(nóng)專業(yè)比例等[30]也會(huì)對(duì)施肥決策產(chǎn)生影響，可見(jiàn)農(nóng)戶施肥決策最終受到內(nèi)、外部多重因素的影響，加之這些因素本身具有多變性，平衡施肥技術(shù)的推廣應(yīng)用將是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程。