蕪湖市化肥減量增效與農(nóng)田氮磷流失控制技術(shù)研究

李 陳，郭 龍，馬中文，武 升，吳支行，馬友華

（1農(nóng)田生態(tài)保育與污染防控安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，合肥 230036；2蕪湖市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，安徽蕪湖 241000）

0 引言

蕪湖市位于長(zhǎng)江中下游平原，水陽(yáng)江、青弋江等河湖水網(wǎng)密布，屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，由南向北地勢(shì)逐漸變低，是中國(guó)稻油的重要種植基地[1]。2019年蕪湖市全年農(nóng)作物播種面積329024 hm2，水稻播種面積211252 hm2，占全年農(nóng)作物總播種面積的48.3%。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷加快，蕪湖市2019年農(nóng)業(yè)機(jī)耕面積達(dá)303860 hm2，農(nóng)業(yè)機(jī)械化率達(dá)92.3%。

2019年中國(guó)化肥施用強(qiáng)度為325.65 kg/hm2，安徽省為339.35 kg/hm2，安徽省化肥施用強(qiáng)度稍高于全國(guó)平均水平，蕪湖市為514.13 kg/hm2，蕪湖市化肥施用強(qiáng)度是全國(guó)平均水平的1.58倍，蕪湖市存在化肥超量施用風(fēng)險(xiǎn)。有研究表明，土壤中氮含量超過(guò)448 kg/hm2會(huì)顯著提高地下水的硝酸鹽濃度[2]，而降雨量大、化肥施用強(qiáng)度大會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量低、土壤質(zhì)量下降[3-4]?；噬a(chǎn)過(guò)程中難以完全分離重金屬和有毒元素，且土壤難以分解重金屬和有毒元素，造成物質(zhì)的累積，最終導(dǎo)致土壤的污染[5-6]。為完成蕪湖市化肥利用率增長(zhǎng)目標(biāo)，減輕蕪湖市種植業(yè)面源污染現(xiàn)狀，研究基于蕪湖市化肥使用現(xiàn)狀，通過(guò)對(duì)蕪湖市種植業(yè)氮、磷流失總量進(jìn)行核算，相應(yīng)提出蕪湖市化肥減量增效技術(shù)措施及農(nóng)田氮磷流失控制建議。

1 蕪湖市化肥施用現(xiàn)狀

在《2018年蕪湖市化肥使用量零增長(zhǎng)工作實(shí)施方案》指導(dǎo)下，蕪湖市2018年全年化肥施用量（折純）17.40萬(wàn)t（見(jiàn)圖1），相較于2017年下降2.6%。據(jù)分析，蕪湖市2018年化肥施用強(qiáng)度高達(dá)649 kg/hm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全國(guó)平均水平359 kg/hm2，并已達(dá)到國(guó)家化肥施用安全標(biāo)準(zhǔn)線(225 kg/hm2)的2.8倍，蕪湖市化肥減量工作仍有很大進(jìn)步空間。2018年蕪湖市氮肥、磷肥、鉀肥施用情況如圖2所示，2018年氮肥施用量44835 t，占總施用量的56%，氮肥施用過(guò)多的化肥施用結(jié)構(gòu)性問(wèn)題是導(dǎo)致農(nóng)田酸化的主要原因，在減少施肥總量的基礎(chǔ)上，應(yīng)圍繞減氮方向開(kāi)展蕪湖市化肥減量工作[7-8]。

圖1 蕪湖市2012—2018年化肥施用量

圖2 2018年各類(lèi)肥料施用折純量

2 蕪湖市農(nóng)田氮磷流失核算

根據(jù)《蕪湖市2018年統(tǒng)計(jì)年鑒》[9]統(tǒng)計(jì)繪制出表1，在蕪湖市作物種植結(jié)構(gòu)中，主要種植種類(lèi)有水稻、小麥、蔬菜、油菜、棉麻，其中水稻種植面積最大，占總面積的49.9%。

表1 2017年蕪湖市作物種植面積hm2

續(xù)表1

對(duì)蕪湖市種植業(yè)進(jìn)行氮磷流失計(jì)算，流失系數(shù)[10]如表2～3所示。

表2 地表徑流流失系數(shù)kg/hm2

表3 地下淋溶流失系數(shù)kg/hm2

種植業(yè)氮磷流失量計(jì)算如式(1)所示。

結(jié)合蕪湖市2017年各作物種植面積，對(duì)2017年蕪湖市主要農(nóng)作物種植農(nóng)田進(jìn)行氮磷流失量核算，得到蕪湖市2017年各縣區(qū)種植業(yè)氮磷流失造成的總氮、總磷、氨氮流失量，如表4所示。

表4 蕪湖市2017年各縣區(qū)種植業(yè)氮磷流失量t

綜合表4可知，蕪湖市2017年總氮流失量達(dá)到9106.578 t，總磷流失量為483.313 t，氨氮流失量達(dá)740.627 t。在蕪湖市各縣區(qū)中，無(wú)為市種植業(yè)氮磷流失量最大，總氮、總磷、氨氮流失量分別占2017年蕪湖市流失量的37.38%、37.90%、36.43%，這與無(wú)為市作物播種面積占蕪湖市總播種面積的35.28%，作物需肥壓力較大密不可分。

3 蕪湖市化肥施用中存在問(wèn)題剖析

3.1 施肥方法和施肥結(jié)構(gòu)不合理

蕪湖市在化肥施用過(guò)程中主要以撒施、淺施、隨水為主，施肥類(lèi)型主要以氮肥為主，氮、磷、鉀施用比例不平衡，施肥方法和施肥結(jié)構(gòu)不合理。農(nóng)村一家一戶(hù)的生產(chǎn)現(xiàn)狀普遍存在，農(nóng)戶(hù)生產(chǎn)的主觀意識(shí)很強(qiáng)，農(nóng)戶(hù)完全按照自己的習(xí)慣和經(jīng)驗(yàn)施肥，造成了肥料施用上的多樣性和隨意性[11]。且蕪湖市在農(nóng)業(yè)操作中偏施氮肥，2018年氮肥施用量（折純）44835 t占總施肥量的56%。相關(guān)研究表明，通過(guò)采用氮肥減量深施，可有效降低氮揮發(fā)損失率達(dá)23.89%～53.10%，在稻田的應(yīng)用中，田面水中銨態(tài)氮濃度表現(xiàn)出顯著下降的趨勢(shì)，可有效減少氨揮發(fā)造成的損失，提高氮素利用率[12-13]。當(dāng)前蕪湖市施肥方法及施肥結(jié)構(gòu)不合理問(wèn)題是阻礙蕪湖市化肥利用率進(jìn)一步提高的一大障礙。

3.2 化肥施用類(lèi)型單一施用量偏大

蕪湖市化肥施用過(guò)程中有機(jī)肥施用比例不高，傳統(tǒng)化肥施用量偏大。蕪湖市2018年應(yīng)用各類(lèi)有機(jī)肥肥料18.8萬(wàn)t，肥料應(yīng)用面積5.74萬(wàn)hm2，占蕪湖市2018年總耕地面積的3.80%。造成這種現(xiàn)象的原因主要在于有機(jī)肥肥效不如化肥快，當(dāng)季作物增產(chǎn)緩慢，與農(nóng)戶(hù)一心追求產(chǎn)量的心理存在矛盾[14]。農(nóng)戶(hù)對(duì)耕地質(zhì)量與農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)重視不夠，對(duì)土地利用、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)存在短期近利行為，有機(jī)肥在施用上費(fèi)工費(fèi)力，在勞動(dòng)力短缺且年齡偏大的農(nóng)村，不易被農(nóng)戶(hù)接受[15]。而有機(jī)肥料的短缺，使得土壤有機(jī)質(zhì)含量降低，導(dǎo)致土壤透氣性、微生物活性、耕作性等變差，供肥性能降低，肥料利用率下降[16-17]，土壤性狀的惡化進(jìn)一步導(dǎo)致農(nóng)戶(hù)為增加產(chǎn)量繼續(xù)加施化肥，化肥的超量使用造成土壤酸化和作物中硝酸鹽含量增加，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)以及人們的健康造成了一定程度上的威脅[18-19]。

3.3 高效施肥技術(shù)普及率低，農(nóng)田氮磷流失風(fēng)險(xiǎn)性加劇

長(zhǎng)期以來(lái)，蕪湖市機(jī)械化側(cè)深施肥、機(jī)械化深施、水肥一體化等高效施肥技術(shù)普及率低，新型施肥技術(shù)推廣長(zhǎng)期停留在試點(diǎn)項(xiàng)目中，難以支撐起農(nóng)業(yè)農(nóng)民的實(shí)際需求。這其中既有農(nóng)戶(hù)為追求短期經(jīng)濟(jì)效益對(duì)化肥減量工作不配合，當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)部門(mén)對(duì)不規(guī)范的生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)行為缺少監(jiān)督管理，也存在著高效施肥技術(shù)集成性差的原因[20]。由于農(nóng)戶(hù)普遍采用低效的施肥方式，大量難以利用的化肥經(jīng)過(guò)淋失以及徑流的方式進(jìn)入各大水域，致蕪湖市水系面源污染壓力突出[21]。蕪湖市急需在化肥高效利用技術(shù)的推廣以及農(nóng)田氮、磷流失的治理上做出相應(yīng)的調(diào)整。

4 蕪湖市農(nóng)田污染源頭控制與化肥減量增效技術(shù)

4.1 水稻機(jī)械化插秧同步側(cè)深施肥技術(shù)

在水稻種植時(shí)采用水稻同步側(cè)深施肥技術(shù)，可通過(guò)機(jī)械在秧苗一側(cè)土壤中將肥料呈條狀集中施肥，一般要求離秧苗3.0～5.0 cm，土壤深4.0～5.0 cm，該技術(shù)通過(guò)將肥料直接輸送到根區(qū)，有效減少了肥料與空氣反應(yīng)而造成的氮揮發(fā)[22-24]，促進(jìn)稻株對(duì)肥料養(yǎng)分的吸收，提高肥料利用率和稻谷產(chǎn)量[25]。在當(dāng)前的水稻種植模式中，面臨著勞動(dòng)力短缺、種植成本連年升高、多季稻種植經(jīng)濟(jì)效益下滑等多種實(shí)際問(wèn)題，在當(dāng)前形勢(shì)下，水稻生產(chǎn)機(jī)械化、規(guī)?；蔀橐环N主流形式[26]。

目前日本、韓國(guó)等近鄰國(guó)家的水稻機(jī)插一體化作業(yè)比例高達(dá)50%，相比傳統(tǒng)人工撒施，側(cè)深施肥能顯著提高水稻有效穗數(shù)，且隨著近年來(lái)側(cè)深施肥技術(shù)的發(fā)展，與水稻插秧機(jī)配套的氣吹風(fēng)送式、螺桿推送式等側(cè)深施肥裝置陸續(xù)推出，機(jī)型達(dá)到50余個(gè)，有力推動(dòng)了水稻機(jī)插側(cè)深施肥技術(shù)推廣。由于側(cè)深施肥配套機(jī)械的特殊性，對(duì)肥料的抗壓耐碎性能要求較高，而普通肥料容易堵塞，造成排肥不暢[27-28]。因此，水稻側(cè)深施肥技術(shù)一般采用緩控釋型肥料作為主要肥料，采用緩控釋肥、側(cè)深施肥技術(shù)可顯著降低后期追肥成本[29]。劉曉偉、陳小琴[30]的研究表明，通過(guò)增加肥料在土壤中的儲(chǔ)存時(shí)間，提高耕層土壤速效氮的養(yǎng)分含量，肥料氮損失可從73.0%降低至29.7%，氮肥表觀利用率提高22.6%～30.6%。馬昕[31]研究表明，控釋尿素機(jī)械側(cè)深施用顯著增加了水稻早期分蘗和最高分蘗數(shù),成熟期有效穗數(shù)提高15.8%～21.1%，產(chǎn)量增加13.4%～18.7%。

2015年中國(guó)糧食作物中水稻過(guò)量施肥程度達(dá)到43.38%[32]。安徽省的過(guò)量施肥情況較多、減肥壓力較大，傳統(tǒng)施肥模式的減肥空間較大，采用機(jī)械化同步側(cè)深施肥技術(shù)能有效促進(jìn)水稻的減肥增效工作。

4.2 水稻精確定量栽培技術(shù)

落后的水稻種植模式無(wú)法支撐現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，水稻精確定量栽培技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[33]。國(guó)家糧食豐產(chǎn)科技工程江蘇水稻項(xiàng)目研制了精確定量栽培技術(shù)，將以水稻葉齡模式為代表的作物生育進(jìn)程定量化，以水稻群體質(zhì)量指標(biāo)體系為代表的高產(chǎn)群體空間形態(tài)、生理指標(biāo)定量化，并精確定量播期、壯秧、基本苗、施肥和管水[34]。目前，以水稻定量栽培理論為基礎(chǔ)構(gòu)建的水稻體系已經(jīng)在中國(guó)南方省份大范圍推廣使用，并取得了良好的效果，利用該技術(shù)種植的水稻相較于普通種植技術(shù)，產(chǎn)量要高出25%左右。2004—2021年水稻精確定量栽培技術(shù)在江蘇省累計(jì)推廣超153.3萬(wàn)hm2。由于中國(guó)各水稻種植區(qū)耕作制度、作物品種、栽培方式等均有所不同，為滿(mǎn)足水稻種植時(shí)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性的要求，水稻精確定量施肥栽培技術(shù)借助于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可有效收集水稻生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)相關(guān)的環(huán)境因素、苗情數(shù)據(jù)及農(nóng)事記載等實(shí)時(shí)資料并進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，以合理確定獲取相關(guān)決策信息，并形成相關(guān)意見(jiàn)，對(duì)田間工作進(jìn)行指導(dǎo)[35]。蕪湖市2019年水稻單產(chǎn)464.5 kg/hm2，2000年水稻單產(chǎn)428.9 kg/hm2；2019年江蘇省水稻單產(chǎn)598.1kg/hm2，2000年水稻單產(chǎn)545.0kg/hm2；2019年蕪湖市化肥施用強(qiáng)度為514.1 kg/hm2，江蘇省為400.4 kg/hm2；以同期化肥施肥強(qiáng)度相比較，蕪湖市為江蘇省的1.284倍，江蘇省的水稻單產(chǎn)量則為蕪湖市的1.287倍[36]。在當(dāng)前農(nóng)業(yè)發(fā)展追求高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、生態(tài)的綜合目標(biāo)下，以水稻精確定量施肥為基礎(chǔ)的耕作措施，對(duì)降低化肥施用強(qiáng)度、提高水稻產(chǎn)量有著顯著成效[37]。

4.3 油菜輕簡(jiǎn)化栽培技術(shù)

油菜是精耕細(xì)作、人工種植的代表農(nóng)作物，化肥投入成本可占據(jù)總體成本的34%。受制于生產(chǎn)工序相對(duì)復(fù)雜以及經(jīng)濟(jì)效益較低等因素的影響，蕪湖市油菜種植面積連年下滑，2020年相較于2019年下降幅度約為0.97%。隨著耕作模式的轉(zhuǎn)變，蕪湖市油菜種植具有很高的化肥減量增效潛力[38-39]。油菜輕簡(jiǎn)化技術(shù)是一種通過(guò)簡(jiǎn)單工序、投入較少人力、快速高效且成本較低的栽培技術(shù)。采用油菜輕簡(jiǎn)化栽培技術(shù)可有效減少成本，提高作物產(chǎn)量、質(zhì)量，減少化肥的施用[40]。它的主要技術(shù)內(nèi)容包括免耕播種技術(shù)、半免耕播種技術(shù)、秸稈覆蓋栽培技術(shù)等。陳靈芝等[41]研究表明，油菜輕簡(jiǎn)化栽培技術(shù)在較傳統(tǒng)生產(chǎn)增產(chǎn)625.5 kg/hm2的基礎(chǔ)上，對(duì)油菜秸稈進(jìn)行粉碎還田可減少化肥施用量105～150 kg/hm2。隨著技術(shù)的發(fā)展，輕簡(jiǎn)化油菜免耕栽培技術(shù)在實(shí)際種植中相性好，不需要對(duì)土地進(jìn)行翻耕可直接播種，兼具保持土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、保水保肥、減少水土流失的作用。在保證油菜產(chǎn)量與質(zhì)量的同時(shí)，可有效提高油菜種植的經(jīng)濟(jì)效益[42]。輕簡(jiǎn)化油菜免耕栽培技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中需要考慮油菜品種免耕栽培的適應(yīng)能力及根系扎根力度，以避免后期出現(xiàn)倒伏以及凍害等現(xiàn)象[43]。在油菜輕簡(jiǎn)化種植中，由于油菜種植面積上較為分散，難以形成大面積種植，導(dǎo)致技術(shù)推廣受到了阻礙，政府在推行輕簡(jiǎn)化油菜種植階段時(shí)，需要合理規(guī)劃油菜種植區(qū)域，并配備專(zhuān)業(yè)化人才，采取農(nóng)場(chǎng)種植和合作社大面積種植等方式[44]。

5 蕪湖市農(nóng)田氮磷流失控制技術(shù)

5.1 生態(tài)溝渠攔截技術(shù)

由于蕪湖市長(zhǎng)江水系旁多為農(nóng)田，而長(zhǎng)江流域雨量充沛，將大量化肥與農(nóng)田水沖入長(zhǎng)江水系中，造成嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)面源污染。在國(guó)外有研究得出，其地表水中一半以上的氮、磷源自于農(nóng)田的排放，而中國(guó)農(nóng)業(yè)面源污染氮、磷占30%～60%以上[45]。農(nóng)田排水溝渠系統(tǒng)為農(nóng)田與水體過(guò)渡帶，相較于土溝渠和混凝土溝渠，具有排水和生態(tài)濕地雙重功效，是農(nóng)田氮、磷等面源污染物的匯聚地。生態(tài)溝渠是將自然排水溝渠進(jìn)行改造，在滿(mǎn)足農(nóng)田排澇防滯前提下，增加溝渠植被覆蓋量[46]。生態(tài)溝渠通過(guò)植物、基質(zhì)、土壤對(duì)農(nóng)田水中的氮、磷等污染物進(jìn)行吸收，降低周?chē)虻母粻I(yíng)養(yǎng)化程度。針對(duì)冬季生態(tài)溝渠對(duì)磷吸收效率低下的問(wèn)題，常小云[47]通過(guò)采用新的植物綠尾狐藻，對(duì)總氮的平均吸收率可達(dá)到70%左右。生態(tài)溝渠是長(zhǎng)期性工程，為更好的發(fā)揮對(duì)氮、磷的去除作用，日常運(yùn)作時(shí)應(yīng)及時(shí)對(duì)溝渠內(nèi)的枯萎作物進(jìn)行清理，以避免二次污染，更要建立多層次管理制度，以保障生態(tài)溝渠的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。

5.2 農(nóng)田尾水利用技術(shù)

在灌溉、降雨事件發(fā)生后，由農(nóng)田中流出的徑流水稱(chēng)為農(nóng)田尾水。農(nóng)田尾水的產(chǎn)生帶走了農(nóng)田中各種形態(tài)氮、磷營(yíng)養(yǎng)元素，明顯抑制了化肥利用率的提高及土壤肥力的提升，并在后續(xù)過(guò)程中造成了湖區(qū)的富營(yíng)養(yǎng)化[48]。人工濕地技術(shù)通過(guò)土壤、植物、生物的一系列物理化學(xué)反應(yīng)，可有效吸收和轉(zhuǎn)化農(nóng)田尾水中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素。王宇娜[49]通過(guò)對(duì)多種人工濕地研究發(fā)現(xiàn)，C/N比不同，人工濕地對(duì)總氮的吸收率出現(xiàn)顯著性差異，吸收率最高可達(dá)90%，最低時(shí)僅40%。同時(shí)由Peterjohn等[50]研究可知，僅建造50 m寬的人工濕地便可以減少89%的氮、80%的磷進(jìn)入水域中。采取人工濕地技術(shù)對(duì)于蕪湖市控制農(nóng)田氮磷流失對(duì)生態(tài)的影響有著較好的效果。人工濕地對(duì)水體凈化作用的優(yōu)劣主要取決于作物種類(lèi)，因此，如何選擇適宜蕪湖需求的吸收效率高、存活能力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)效益好的作物是極為關(guān)鍵的。

6 展望

蕪湖市通過(guò)在生產(chǎn)實(shí)踐中對(duì)部分農(nóng)業(yè)大戶(hù)以及示范點(diǎn)的施肥技術(shù)、耕作方式進(jìn)行指導(dǎo)，大力推廣水肥一體化、機(jī)械化深施、精準(zhǔn)測(cè)土配方施肥技術(shù)，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益。蕪湖市下一步應(yīng)加大對(duì)農(nóng)村教育投資，建立完善的農(nóng)業(yè)培訓(xùn)系統(tǒng)，不斷健全農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣體系，轉(zhuǎn)變農(nóng)戶(hù)施肥觀念。同時(shí)加快高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)，將推動(dòng)農(nóng)業(yè)規(guī)模化經(jīng)營(yíng)作為政府工作目標(biāo)，逐步扭轉(zhuǎn)農(nóng)田碎片化這一生產(chǎn)現(xiàn)狀，并同步推進(jìn)農(nóng)田節(jié)水基礎(chǔ)工程，從而為化肥高效利用技術(shù)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。農(nóng)業(yè)規(guī)?；ㄔO(shè)也將有力促進(jìn)蕪湖市完善以人工濕地、生態(tài)溝渠等為代表的農(nóng)田氮、磷流失防控體系建設(shè)。蕪湖市在肥料高效利用技術(shù)以及農(nóng)田氮、磷流失控制技術(shù)的推廣中，既要認(rèn)識(shí)到政府的主導(dǎo)作用，也要認(rèn)識(shí)到農(nóng)戶(hù)、企業(yè)作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主體，兩者之間的同一性，通過(guò)扶持農(nóng)業(yè)龍頭企業(yè)提高農(nóng)民生產(chǎn)促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展，提高農(nóng)民種植積極性。此外蕪湖市應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)水稻、果、菜等高需肥作物的集成施肥技術(shù)研究與推廣，通過(guò)逐步建立化肥減量增效技術(shù)體系，推動(dòng)農(nóng)業(yè)的生態(tài)循環(huán)發(fā)展。