通遼市化肥施用強(qiáng)度及環(huán)境安全閾值時(shí)空變異

侯迷紅，紀(jì)鳳輝，范 富，宋桂云，馬玉露，邰繼承，張慶國

（1.內(nèi)蒙古民族大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古 通遼 028043；2.通遼市農(nóng)牧局，內(nèi)蒙古 通遼 028000）

化肥是糧食的“食物”.20世紀(jì)80年代開始，我國糧食產(chǎn)量連年增長，到21世紀(jì)已經(jīng)達(dá)到6 000億kg，近幾年保持在6 500億kg以上，化肥功不可沒.1979年至2019年40年間，我國化肥用量由1 086萬t增加到5 404萬t［1］.化肥的施用對農(nóng)業(yè)的增產(chǎn)貢獻(xiàn)很大，但是隨著化肥施用量和施用強(qiáng)度的逐年增加，造成了農(nóng)業(yè)面源污染、生態(tài)環(huán)境惡化.施肥不當(dāng)引起的土壤退化、耕地地力下降、水體污染、大氣污染等問題在糧食主產(chǎn)區(qū)更為突出，成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的制約因素.近年，專家學(xué)者關(guān)于化肥施用強(qiáng)度的研究主要集中在3個(gè)方面：一是化肥施用強(qiáng)度在不同地區(qū)、不同作物及不同年份的變化特征［2-6］及其污染風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)［7-11］.主要依據(jù)田間調(diào)查數(shù)據(jù)或宏觀統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對化肥施用強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算與評價(jià)，結(jié)果表明，中國化肥施用強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國際標(biāo)準(zhǔn).二是化肥施用強(qiáng)度不斷增長的原因、因素分析，主要依據(jù)微觀調(diào)查數(shù)據(jù)，分析政策、制度、經(jīng)濟(jì)、人口、技術(shù)等內(nèi)部、外部因素分析要素投入配比對糧食產(chǎn)量的影響［12］.三是預(yù)測今后農(nóng)業(yè)污染的發(fā)展趨勢，提出減少化肥施用強(qiáng)度的政策建議［13-22］，包括各種經(jīng)濟(jì)措施以及相應(yīng)的政策法規(guī)、制度和補(bǔ)貼等.關(guān)于環(huán)境安全閾值的研究主要根據(jù)化肥用量和養(yǎng)分流失的關(guān)系，計(jì)算不同地區(qū)不同作物氮肥、磷肥的環(huán)境安全閾值，提出適宜的氮、磷肥施用量［23-29］.

2019年，內(nèi)蒙古通遼市糧食總產(chǎn)達(dá)到84.85億kg，實(shí)現(xiàn)了“十八連增”.但隨著糧食產(chǎn)量的不斷增加，化肥的用量也迅猛增長.據(jù)統(tǒng)計(jì)，2004年內(nèi)蒙古通遼市化肥施用量（折純）為23.50萬t（同年耕地面積為91.44萬hm2），到2019年通遼市化肥施用量（折純）達(dá)到61.88萬t（同年耕地面積為147.67萬hm2）［30］.15年間，化肥施用總量增長了163.31%，公頃均施用量增長了63.08%，而作為通遼市主栽作物玉米的平均公頃產(chǎn)量由2004年的6 936 kg增長到2019年的7 346 kg，僅提高了5.85%.化肥施用量大，利用率卻很低，據(jù)測算，通遼市化肥利用率僅為30%～35%，大量未被利用的化肥（氮、磷等營養(yǎng)元素）殘留土體或通過農(nóng)田排水、地表徑流或地下淋溶等途徑造成水體污染、土地污染和大氣污染，給糧食可持續(xù)增產(chǎn)、食品安全帶來了嚴(yán)重危害.不合理施肥和過量施肥造成的化肥面源污染是通遼市糧食產(chǎn)量“十八連增”所面臨無法回避的現(xiàn)實(shí).協(xié)調(diào)好減排增匯與糧食供給之間的關(guān)系，任重而道遠(yuǎn).因此，筆者擬通過耕地化肥污染指標(biāo)監(jiān)測，分析西遼河灌區(qū)內(nèi)蒙古通遼市化肥施用量、化肥施用強(qiáng)度和化肥施用環(huán)境安全閾值的時(shí)空變異，摸清化肥污染現(xiàn)狀和發(fā)展變化趨勢，為進(jìn)一步控制本地區(qū)化肥施用提供實(shí)踐指導(dǎo)及理論參考.

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況 通遼市位處內(nèi)蒙古東部，土地總面積59 535 km2，屬溫帶大陸性氣候，大部分地區(qū)無霜期為130 d，年降雨量350～450 mm，主要作物為玉米，種植制度為一年一熟.通遼市地處西遼河平原腹地，屬西遼河平原灌區(qū)，為國家和自治區(qū)主要的商品糧生產(chǎn)基地，素有“內(nèi)蒙古糧倉”的美譽(yù)［31］.

1.2 數(shù)據(jù)來源 數(shù)據(jù)來源包括2000—2019年《通遼市統(tǒng)計(jì)年鑒》、通遼市耕地資源管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、通遼市耕地質(zhì)量長期定位監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)、2020年的《第二次全國污染源普查公報(bào)》等.調(diào)查數(shù)據(jù)包括測土配方施肥農(nóng)戶調(diào)查表及有關(guān)專題調(diào)研數(shù)據(jù).化肥使用強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)來自于國家環(huán)境保護(hù)總局2007年印發(fā)的《生態(tài)縣、生態(tài)市、生態(tài)省建設(shè)指標(biāo)（修訂稿）》［32］.

1.3 化肥施用環(huán)境安全閾值的計(jì)算方法 化肥施用環(huán)境安全閾值指為獲得某一季作物的目標(biāo)產(chǎn)量但不危害環(huán)境時(shí)某種化肥的最大施用量（kg·hm-2）.劉欽普［33］提出總化肥和氮、磷、鉀單質(zhì)化肥施用的環(huán)境安全閾值（environmental safety threshold，ET）測度模型為

公式中ET、ETN、ETP、ETK分別指總化肥、氮肥、磷肥和鉀肥施用環(huán)境安全閾值（kg·hm-2），Yi指某地區(qū)近n年中第i年的糧食產(chǎn)量（kg·hm-2），取值3；A指作物需氮系數(shù)0.03（單位產(chǎn)量作物需氮量）；ρ指化肥施用環(huán)境安全調(diào)節(jié)系數(shù)（小于1），用來調(diào)節(jié)化肥施用環(huán)境安全閾值和目標(biāo)產(chǎn)量的化肥經(jīng)濟(jì)施用量的關(guān)系，取值0.9.

2 結(jié)果與分析

2.1 通遼市化肥施用與環(huán)境安全閾值的動態(tài)變化

2.1.1 通遼市化肥施用量隨時(shí)間的變化 根據(jù)對2000—2019年通遼市統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，該市化肥施用總量與氮、磷、鉀肥及復(fù)合肥施用量變化情況見圖1.由圖1可見，20年間化肥施用總量變化出現(xiàn)2個(gè)峰值，第一個(gè)峰值出現(xiàn)在2009年，第二個(gè)峰值出現(xiàn)在2017年.2000—2009年，化肥施用量呈持續(xù)增加趨勢，2010—2013年間化肥施用量較2009年有所下降，這段時(shí)間通遼市全面實(shí)施測土配方施肥技術(shù)，化肥施用過量情況得到一定的控制.2014—2017年，化肥施用量又呈持續(xù)增加趨勢，2018—2019年，化肥施用量又出現(xiàn)下降趨勢，這段時(shí)間通遼市全面實(shí)施化肥零增長措施，化肥施用量再次得到控制.2000年，化肥總量與氮、磷、鉀肥及復(fù)合肥施用的純養(yǎng)分投入量分別從10.6萬t、6.1萬t、2.5萬t、0.9萬t、10.3萬t增加到2019年的61.9萬t、21.4萬t、10.6萬t、5.4萬t、24.4萬t，2019年分別是2000年的5.8、3.5、4.2、5.9、23.8倍.其中，氮肥的施用總量和凈增量最大，2000年總量為6.1萬t，2019年達(dá)到21.4萬t，凈增15.3萬t；而復(fù)合肥的增幅最大，達(dá)136.9%；化肥總量從2000年到2019年增長了484.0%，年均增長率達(dá)24.2%.氮、磷肥和復(fù)合肥施用量2000—2009年持續(xù)上升，2009年達(dá)到第一個(gè)峰值，鉀肥施用量基本呈緩慢上升趨勢，2007年達(dá)到第一個(gè)峰值.繼第一個(gè)峰值后，氮肥施用量在2016年達(dá)到第二個(gè)峰值，磷、鉀肥施用量在2017年達(dá)到第二個(gè)峰值，之后均有所下降.說明2010—2013年隨著測土配方施肥技術(shù)的不斷普及，通遼市氮、磷、鉀肥施肥用量有所下降，但伴隨農(nóng)作物播種面積的擴(kuò)大，自2014年以后，化肥施用總量和各種化肥用量均又呈上升趨勢，2017年以來，通遼市實(shí)施化肥減量增效、化肥零增長等措施，化肥施用量呈下降趨勢.復(fù)合肥施用量自第一個(gè)峰值以后呈逐漸上升趨勢.

圖1 2000—2019年份通遼市化肥施用量動態(tài)變化Fig.1 Dynamic changes of fertilizer application rate in Tongliao from 2000 to 2019

2000—2019年，通遼市糧食連續(xù)增產(chǎn)，年均增長率為11.6%，而化肥施用總量的年均增長率為24.2%，增加幅度明顯高于糧食增產(chǎn)幅度，這表明，化肥的利用效率在下降，施肥對糧食增產(chǎn)的邊際效應(yīng)越來越低.糧食產(chǎn)量增長速度遠(yuǎn)低于化肥增長速度，20年間糧食增產(chǎn)3.31倍.通遼市施肥效益（每千克化肥糧食產(chǎn)量）從2000年的24.1 kg·kg-1下降到2019年的13.7 kg·kg-1，20年下降了43.2%（圖2）.

圖2 2000—2019年份糧食產(chǎn)量及施肥效益動態(tài)變化Fig.2 Dynamic changes of grain yield and efficiency of fertilization in Tongliao from 2000 to 2019

2.1.2 化肥施用強(qiáng)度（FI）和環(huán)境安全閾值（ET）動態(tài)變化 按作物播種面積計(jì)算，通遼市單位面積化肥施用強(qiáng)度及氮、磷、鉀單質(zhì)施用強(qiáng)度分別從2000年的 112.6、65.1、26.9、9.7 kg·hm-2增加到2019年的502.0、173.5、86.1、43.9 kg·hm-2，2019年分別是2000年的 4.5、2.7、3.2、4.5 倍（表1）.化肥施用強(qiáng)度（單位播種面積所施化肥量）從112.6 kg·hm-2增長到502.0 kg·hm-2，以每年平均17.3%的速度上升，高于全國平均335.3 kg·hm-2（2010年）的水平，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過發(fā)達(dá)國家公認(rèn)的225 kg·hm-2上限［34］.N∶P2O5∶K2O在2000年為 1.00∶0.40∶0.15，2019年增長到1.00∶0.50∶0.25（表1）.

表1 通遼市2000和 2019年化肥施用強(qiáng)度（FI）及其環(huán)境安全閾值（ET）Tab.1 Fertilization intensity（FI）and its environmental safety threshold（ET）in Tongliao in 2000 and 2019

隨著農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，通遼市化肥投入強(qiáng)度越來越大，而施肥效益卻越來越低，當(dāng)化肥投入超過環(huán)境安全閾值，將會給農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境造成不利影響.因此，化肥施用的環(huán)境安全閾值確定就顯得尤其重要.根據(jù)劉欽普［33］提出的公式（1）～公式（3），可以計(jì)算出某年化肥投入的環(huán)境安全閾值.通遼市2000—2019年氮、磷、鉀肥施用強(qiáng)度及環(huán)境安全閾值變化見圖3.化肥施用環(huán)境安全閾值是和糧食產(chǎn)量相關(guān)的動態(tài)值，糧食產(chǎn)量越高，需要的化肥投入量就越大，對環(huán)境的影響也會隨著變化，化肥環(huán)境安全閾值就會不同.通遼市的化肥施用強(qiáng)度從2003年開始超過了化肥環(huán)境安全閾值.單質(zhì)肥料氮肥和磷肥投入分別在2003年、2006年超過了環(huán)境安全閾值，鉀肥投入到2019年還沒有超出環(huán)境安全閥值.從2006—2009年化肥施用強(qiáng)度、氮肥施用強(qiáng)度、磷肥施用強(qiáng)度與閾值的距離越來越大，2010年距離明顯縮小，2010—2013年兩者距離又逐漸增大，2014—2019年兩者距離又呈縮小趨勢，尤其是2018—2019年兩者距離明顯縮小.這是由于自2006年開始通遼市推廣測土配方施肥技術(shù)，直至2010年在通遼市實(shí)現(xiàn)了技術(shù)推廣全覆蓋，使得化肥施肥強(qiáng)度有所減緩.2018年，通遼市實(shí)施減肥增效、化肥零增長等技術(shù)措施，化肥施用量有所下降.

圖3 通遼市2000—2019年份化肥FI及ET的動態(tài)變化Fig.3 Dynamic changes of fertilization intensity and environmental safety threshold in Tongliao from 2000 to 2019

2.2 通遼市化肥施用強(qiáng)度及其環(huán)境安全閾值的空間變化

2.2.1 化肥施用強(qiáng)度的空間變化 通遼市南北跨度較大，自然環(huán)境與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展差異很大，化肥施用強(qiáng)度也表現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異.按糧食作物播種面積算，2019年的化肥施用強(qiáng)度最高的奈曼旗為815 kg·hm-2，是霍林郭勒市124 kg·hm-2的6.6倍.按照中國生態(tài)縣及生態(tài)鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)的要求，化肥施用強(qiáng)度不能超過250 kg·hm-2的標(biāo)準(zhǔn)［22］，根據(jù)化肥施用強(qiáng)度≤250、＞250～350、＞350～450、＞450 kg·hm-2的變化范圍，施肥區(qū)分為低強(qiáng)度、中強(qiáng)度、高強(qiáng)度施肥及超高強(qiáng)度施肥4個(gè)等級.通遼市各旗（縣、市、區(qū)）化肥投入空間變化情況見表2.由表2可知，扎魯特旗、開魯縣、霍林郭勒市3個(gè)旗（縣、市）屬于低強(qiáng)度施肥區(qū)，科左中旗和庫倫旗2個(gè)旗屬于中強(qiáng)度施肥區(qū)，科爾沁區(qū)、奈曼旗、科左后旗3個(gè)旗（區(qū)）屬于超高強(qiáng)度施肥區(qū).低強(qiáng)度化肥投入?yún)^(qū)位于中北部地區(qū)，超高強(qiáng)度化肥投入?yún)^(qū)位于中南區(qū)和西南區(qū).對于氮、磷、鉀肥養(yǎng)分結(jié)構(gòu)來說，絕大多數(shù)旗縣表現(xiàn)出氮、磷、鉀施用不平衡現(xiàn)象，尤其是氮肥施用比例偏大，鉀肥施用比例不足.

表2 2019年通遼市化肥施用強(qiáng)度、化肥施用環(huán)境安全閾值及化肥施用合理性分布Tab.2 The distribution of fertilization FI，fertilizer ET and fertilizer rationality in Tongliao in 2019

2.2.2 化肥施用的環(huán)境安全閾值空間動態(tài)變化 根據(jù)化肥施用環(huán)境安全閾值測度模型，計(jì)算通遼市各旗縣2019年各旗（縣、市、區(qū)）氮、磷、鉀化肥施用環(huán)境安全閾值的變化范圍是36～440 kg·hm-2，平均277 kg·hm-2，按照平均閾值上下各浮動約20～25 kg·hm-2，分出≤250、250～300、＞300 kg·hm-2的低閾值區(qū)域、中閾值區(qū)域和高閾值區(qū)域3個(gè)化肥閾值類型，其空間分布見表2.由表2可見，通遼市有55%以上的旗縣，其施用環(huán)境安全閾值屬于高閾值區(qū)范圍，低閾值區(qū)分布在科左后旗、扎魯特旗和霍林郭勒市.各旗縣化肥施用的環(huán)境安全閾值區(qū)域分布，綜合反映出各區(qū)域自然與經(jīng)濟(jì)社會條件差異以及對化肥施用的風(fēng)險(xiǎn)抵抗?jié)撛谀芰?

2.2.3 化肥投入的合理性分析 根據(jù)劉欽普［9］提出的化肥施用合理性進(jìn)行分類，當(dāng)化肥施用的強(qiáng)度等于環(huán)境安全閾值時(shí)，其比值等于1，當(dāng)二者比值≤0.9為施肥不足區(qū)，當(dāng)二者比值在＞0.9～1.1為適量施肥區(qū)，當(dāng)二者比值在＞1.1～2.0為過量施肥區(qū)，當(dāng)二者比值＞2.0為超過量施肥區(qū).適量施肥區(qū)屬于合理施肥區(qū)，施肥不足區(qū)與過量施肥區(qū)均為不合理施肥區(qū).計(jì)算結(jié)果表明，2019年化肥的施用強(qiáng)度為環(huán)境安全閾值的2.1倍，施肥強(qiáng)度最大區(qū)域?yàn)槟温?，為安全閾值?.6倍.由表2可見，科爾沁區(qū)、科左中旗、科左后旗、奈曼旗、霍林郭勒市5個(gè)旗縣，65%以上化肥施用過量，庫倫旗和扎魯特旗2個(gè)旗縣，22%化肥施用合理.

3 結(jié)論

3.1 2000 —2019年通遼市化肥施用量迅速提高，2019年化肥施用總量和化肥施用強(qiáng)度分別為2000年的5.8倍和4.0倍，而 2019年比2000年的化肥施用效益降低了46%.氮、磷、鉀施肥比例從2000年的1.00∶0.40∶0.15，增加到2019年的 1.00∶0.50∶0.25.氮、磷化肥施用分別在2007年、2008年超過了環(huán)境安全閾值.從2006—2009年化肥總量和氮肥施用強(qiáng)度與閾值的距離越來越大，2010年距離明顯縮小，2010—2013年兩者距離又逐漸增大，2014—2019年兩者距離又呈縮小趨勢，尤其是2018—2019年兩者距離明顯縮小.3.2 2019年扎魯特旗、開魯縣、霍林郭勒市3個(gè)旗（縣、市）屬于低強(qiáng)度施肥區(qū)，科左中旗和庫倫旗2個(gè)旗屬于中強(qiáng)度施肥區(qū)，科爾沁區(qū)、奈曼旗、科左后旗3個(gè)旗（區(qū)）屬于超高強(qiáng)度施肥區(qū).低強(qiáng)度化肥投入?yún)^(qū)在中北部地區(qū)，超高強(qiáng)度化肥投入?yún)^(qū)在中南區(qū)和西南區(qū).化肥施用強(qiáng)度最高的奈曼旗為815 kg·hm-2，是霍林郭勒市124 kg·hm-2的6.6倍.

3.3 2019年通遼市各旗（縣、市、區(qū)）化肥施用環(huán)境安全閾值的變化范圍是36～440 kg·hm-2，平均277 kg·hm-2，通遼市55%以上的旗縣的施用環(huán)境安全閾值在高閾值區(qū)范圍變化，低閾值區(qū)分布在科左后旗、扎魯特旗和霍林郭勒市.通遼市各旗縣的化肥施用環(huán)境安全閾值綜合反映了各旗縣自然和經(jīng)濟(jì)社會條件的差異以及對糧食產(chǎn)量的影響和對化肥的需求量以及控制程度.庫倫旗和扎魯特旗為適宜施肥區(qū)，應(yīng)當(dāng)保持目前施肥量或適當(dāng)調(diào)節(jié)，保持糧食作物穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)，科爾沁區(qū)等5個(gè)過量和超過量施肥旗縣區(qū)應(yīng)積極采取相應(yīng)措施控肥減肥，以降低化肥資源浪費(fèi)和預(yù)防對生態(tài)環(huán)境的污染.

通過對化肥施用量、化肥施用強(qiáng)度和化肥施用環(huán)境安全閾值的時(shí)空變異分析，綜合反映了不同旗縣區(qū)的自然資源情況、社會經(jīng)濟(jì)條件及農(nóng)田利用管理措施對化肥施用環(huán)境安全的影響，詮釋了低強(qiáng)度施肥不一定是施肥不足，如扎魯特旗和霍林郭勒市屬于低強(qiáng)度施肥區(qū)，而扎魯特旗屬于化肥施用合理區(qū)，霍林郭勒市屬于化肥施用過量區(qū)；中強(qiáng)度施肥不一定是合理的，科左中旗和庫倫旗2個(gè)旗屬于中強(qiáng)度施肥區(qū)，而科左中旗屬于化肥施用過量區(qū)，庫倫旗為化肥施用合理區(qū).從化肥施用強(qiáng)度和環(huán)境安全閾值二者比值的角度去評估比從化肥施用強(qiáng)度評估能更好地體現(xiàn)出化肥施用的效果，對廣大農(nóng)民開展施肥指導(dǎo)會更具說服力.也可為各地農(nóng)業(yè)土肥環(huán)保部門進(jìn)行生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)、開展防控治理技術(shù)研究、制定化肥施用強(qiáng)度的評價(jià)指標(biāo)提供有力的理論參考和科學(xué)根據(jù).