煙臺(tái)市農(nóng)田N?P 2O 5和K 2O供需平衡及環(huán)境影響研究

摘要 通過估算農(nóng)作物的N、 P 2O 5、K 2O需要量，農(nóng)作物秸稈的N、 P 2O 5、K 2O還田量，人、畜、禽糞尿的N、 P 2O 5、K 2O還田量 和化肥的N、 P 2O 5、K 2O施用量，研究煙臺(tái)市農(nóng)田N、 P 2O 5、K 2O供需平衡。結(jié)果農(nóng)作物對(duì)N、 P 2O 5、K 2O的需要量分別是146 977.71、60 273.35和130 907.02 t;有機(jī)肥的N、 P 2O 5、K 2O還田量分別是89 154.77、45 966.96和97 214.73 t;化肥的N、 P 2O 5、K 2O施用量分別是196 262.66、57 171.31 和83 863.03 t。結(jié)果表明，化肥、有機(jī)肥的N、 P 2O 5、K 2O供應(yīng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于農(nóng)作物的需要量;有機(jī)肥作為主肥，其養(yǎng)分供應(yīng)量低于農(nóng)作物對(duì)養(yǎng)分的需要量，但化肥作為輔肥，其養(yǎng)分供應(yīng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于有機(jī)肥的缺口;有機(jī)肥不足和化肥過量，造成土壤板結(jié)、肥力下降、農(nóng)作物品質(zhì)下降和水、土環(huán)境污染;通過政府組建公益性專業(yè)公司收集養(yǎng)殖場糞污，生產(chǎn)有機(jī)肥還田，并通過精準(zhǔn)施肥，大幅削減化肥施用量，來改善土壤環(huán)境、水環(huán)境質(zhì)量，提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)。該研究可為煙臺(tái)市農(nóng)田科學(xué)施肥提供指導(dǎo)，為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展研究提供思路。

關(guān)鍵詞 農(nóng)田;N;P 2O 5;K 2O;供需平衡;環(huán)境影響;煙臺(tái)

中圖分類號(hào) F 323.22文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 0517-6611（2022）02-0162-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.02.044

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Balance of Supply and Demand and Environmental Effect of N， P 2O 5 and K 2O in Farmland of Yantai City

SUN Rui-chuan

（Yantai Environmental Engineering Consulting and Design Institute Co.，Ltd.，Yantai，Shandong 264000）

Abstract In this paper， the supply and demand balance of N， P 2O 5 and K 2O in farmland of Yantai City was studied by estimating the N， P 2O 5 and K 2O demand of crops， the amount of N， P 2O 5 and K 2O returned to the field by crop straw， the amount of N， P 2O 5 and K 2O returned to the field by human， livestock and poultry manure and urine， and the amount of N， P 2O 5 and K 2O applied by chemical fertilizer. The following results were obtained. First， the requirements of N， P 2O 5 and K 2O for crops were 146 977.71， 60 273.35 and 130 907.02 t， respectively. Second， the amount of N， P 2O 5 and K 2O returned to the field were 89 154.77， 45 966.96 and 97 214.73 t， respectively. Third， the application amounts of N， P 2O 5 and K 2O in chemical fertilizer were 196 262.66， 57 171.31 and 83 863.03 t， respectively. The results showed the following conclusions. First， the supply of N， P 2O 5 and K 2O of chemical fertilizer and organic fertilizer was far greater than the demand of crops. Second， organic fertilizer as the main fertilizer， its nutrient supply was lower than the crop nutrient requirements， but chemical fertilizer as a supplementary fertilizer， its nutrient supply was far greater than the gap of organic fertilizer. Third， lack of organic fertilizer and excessive chemical fertilizer caused soil hardening， fertility decline， crop quality decline and water and soil environmental pollution. Finally， the government ought to set up a professional company to collect manure from the farms and produce organic fertilizer， giving priority to supporting agricultural production bases， and the large amount of chemical fertilizer ought to be reduced through precise fertilization. These measures could improve the quality of soil environment and water environment and improve the quality of agricultural products. The conclusions could provide guidance for scientific fertilization of farmland in Yantai City， and provide ideas for research on sustainable development of agro-ecosystem.

Key words Farmland;N;P 2O 5;K 2O;Supply and demand balance;Environmental effect;Yantai

基金項(xiàng)目 政府采購項(xiàng)目“牟平區(qū)近岸海域污染防治規(guī)劃編制”（SDGP37061220180-2000007）。

作者簡介 孫瑞川（1963—），男，山東煙臺(tái)人，高級(jí)工程師，從事近岸海域環(huán)境工程規(guī)劃與設(shè)計(jì)研究。

收稿日期 2021-05-03

長期以來，煙臺(tái)市使用化肥強(qiáng)度高，在800 kg/hm2以上，超過化肥使用安全上限225 kg/hm2[1]。高強(qiáng)度使用化肥，會(huì)引起土壤板結(jié)、肥力下降、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降和水環(huán)境污染。研究農(nóng)田養(yǎng)分供需平衡，有效削減化肥使用量，對(duì)煙臺(tái)市農(nóng)田土壤環(huán)境、水環(huán)境質(zhì)量改善和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量提高具有重要作用。

過去，農(nóng)田養(yǎng)分平衡的研究重點(diǎn)在于養(yǎng)分的收支平衡。基于化肥、有機(jī)肥的施入量計(jì)算養(yǎng)分收入[2-4]，或基于化肥、有機(jī)肥、干濕沉降、生物固氮量計(jì)算養(yǎng)分收入[5-6]。基于農(nóng)作物產(chǎn)量、氮流失和滲漏、徑流損失計(jì)算養(yǎng)分支出。養(yǎng)分收支平衡研究的重點(diǎn)在于揭示土壤養(yǎng)分盈虧狀況。研究過程中，未明確有機(jī)肥、化肥的優(yōu)先使用順序，并將農(nóng)田養(yǎng)分淋失視為正常的支出項(xiàng)目，可能會(huì)導(dǎo)致過量使用化肥，引起土壤板結(jié)、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降和水環(huán)境污染。

有機(jī)肥改良土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力，改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)?；势茐耐寥澜Y(jié)構(gòu)，降低農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，污染水環(huán)境。因此，農(nóng)田肥料應(yīng)以有機(jī)肥為主，化肥為輔。基于此，筆者通過估算農(nóng)作物的N、P 2O 5、K 2O需要量，人、畜、禽糞尿的N、P 2O 5、K 2O還田量，秸稈的N、P 2O 5、K 2O還田量和化肥的N、P 2O 5、K 2O施用量，研究煙臺(tái)市農(nóng)田的N、P 2O 5、K 2O供需平衡，揭示煙臺(tái)市農(nóng)田N、P 2O 5、K 2O供需平衡特征，有機(jī)肥、化肥的供應(yīng)特征，探討影響，提出對(duì)策，為煙臺(tái)市農(nóng)田科學(xué)施肥提供指導(dǎo)，為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展研究提供思路。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

煙臺(tái)市位于山東半島中東部。北接渤海、黃海，南臨黃海，西鄰濰坊、青島，東鄰?fù)?。陸地介?19°32′56″～121°55′48″ E，36°34′23″～37°49′52″ N。

煙臺(tái)市包括芝罘區(qū)、福山區(qū)、開發(fā)區(qū)、蓬萊區(qū)、萊山區(qū)、高新區(qū)、牟平區(qū)、昆崳區(qū)、棲霞市、龍口市、招遠(yuǎn)市、萊州市、 萊陽市和海陽市。面積13 864.54 km2。

煙臺(tái)市屬溫帶季風(fēng)氣候。2018年年降水量659.1 mm，集中于5—8月，占全年的71.64%。集中降水，易形成農(nóng)田徑流。河流眾多，落差大，短小流急，徑流季節(jié)變化明顯。主要河流有五龍河、大沽夾河、黃水河、王河、界河和辛安河?，F(xiàn)有大型水庫3座，中型水庫26座，小型水庫1 084座，可供水量26 598×104 m3。

2019年末，煙臺(tái)市戶籍人口6 534 515人。大牲畜存欄數(shù)131 917頭。生豬存欄數(shù)2 388 595頭。羊存欄數(shù)3 539 809只。家禽存養(yǎng)數(shù)7 268.47×104只。

現(xiàn)有耕地444 866.67 hm2，其中，1/3為水澆地，2/3為旱地?，F(xiàn)有園地229 941.14 hm2，以果園為主，占98.90%。小麥播種面積122 830 hm2，玉米播種面積152 133 hm2，谷子播種面積1 172 hm2，大豆播種面積10 518 hm2，薯類播種面積9 504 hm2，花生播種面積97 163 hm2，蔬菜、瓜類種植面積46 405 hm2，蘋果園129 462 hm2，梨園7 642 hm2，葡萄園10 814 hm2，桃園3 451 hm2?；适┯脤?shí)物量967 589 t，折純量337 297 t。

1.2 研究方法

1.2.1 農(nóng)作物N、P 2O 5、K 2O需要量。

農(nóng)作物N、P 2O 5、K 2O需要量按公式（1）估算。

M j= H if ij（1）

式中，M j表示第j種養(yǎng)分的需要量，單位為t;H i表示第i種農(nóng)作物的產(chǎn)量，單位為t;f ij表示單位產(chǎn)量的第i種農(nóng)作物對(duì)第j種養(yǎng)分的年需要量，單位為t/t;i=小麥、玉米、谷子、高粱、大豆、綠豆、薯類、花生、棉花、蔬菜、西瓜、甜瓜、草莓、蘋果、梨、葡萄、桃子、杏;j=N，P 2O 5，K 2O。

1.2.2 農(nóng)作物秸稈N、P 2O 5、K 2O還田量。

1.2.2.1 農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量。

農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量按公式（2）估算。

J u=H ur u（2）

式中，J u表示第u種農(nóng)作物秸稈的產(chǎn)量，單位是t;H u表示第u種農(nóng)作物籽粒的產(chǎn)量，單位是t;r u表示農(nóng)作物秸稈與籽粒的重量比值;u=小麥、玉米、谷子、高粱、大豆、綠豆、薯類、花生、棉花。

1.2.2.2 農(nóng)作物秸稈中N、P 2O 5、K 2O總量。

農(nóng)作物秸稈中N、P 2O 5、K 2O總量按公式（3）估算。

L j= uJ ud uj（3）

式中，L j表示農(nóng)作物秸稈中第j種養(yǎng)分的總量;J u、u的含義與公式（2）中的相同;d uj表示第u種農(nóng)作物秸稈中第j種養(yǎng)分的含量;j的含義與公式（1）中的相同。

1.2.2.3 農(nóng)作物秸稈N、P 2O 5、K 2O的還田量。

農(nóng)作物秸稈N、P 2O 5、K 2O的還田量按公式（4）估算。

W j=L je（4）

式中，W j表示農(nóng)作物秸稈中第j種養(yǎng)分的還田量;L j含義與公式（3）中的相同;e表示農(nóng)作物秸稈的還田率;j的含義與公式（1）中的相同。

1.2.3 人、畜、禽糞尿N、P 2O 5、K 2O還田量。

1.2.3.1 人、畜、禽糞尿年產(chǎn)量。

人、畜、禽糞尿年產(chǎn)量按公式（5）估算。

Q mn=R mg mn（5）

式中，Q mn表示第m種動(dòng)物的第n種排泄物的產(chǎn)生量，單位為t;R m表示第m種動(dòng)物的平均存欄數(shù)量，單位為口、頭或只;g mn表示第n種動(dòng)物的第m種排泄物的產(chǎn)量，單位為t/個(gè);m=人、牛、馬、驢、騾、豬、羊、雞;n=鮮糞、鮮尿。

1.2.3.2 人、畜、禽糞尿中N、P 2O 5、K 2O總量。

人、畜、禽糞尿中N、P 2O 5、K 2O總量按公式（6）估算。

P j= m nQ mnh mnj（6）

式中，P j表示第j種養(yǎng)分的總量，單位是t;Q mn、m、n的含義與公式（5）中的相同;h mnj表示第m種動(dòng)物的第n種排泄物的第j種養(yǎng)分的含量;j的含義與公式（1）中的相同。

1.2.3.3 人、畜、禽糞尿中N、P 2O 5、K 2O的還田量。

人、畜、禽糞尿中N、P 2O 5、K 2O的還田量按公式（7）估算。

S j=P jw（7）

式中，S j表示第j種養(yǎng)分的還田量，單位是t;P j的含義與公式（6）中的相同;w表示糞尿還田率。

1.2.4 農(nóng)田施用化肥的N、P 2O 5、K 2O數(shù)量。

單位產(chǎn)量的農(nóng)作物對(duì)養(yǎng)分的需要量按公式（8）估算。

F j=Fv j（8）

式中，F(xiàn) j表示施用化肥中第j種養(yǎng)分的數(shù)量，單位是t;F表示化肥施用量（折純量），單位是t;v j表示化肥施用量中N、P 2O 5、K 2O的含量;j的含義與公式（1）中的相同。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理。

牛、豬、羊、雞的年均存欄數(shù)的計(jì)算，根據(jù)不同情況，分別采用公式（1）和公式（2）2種方法。

C=（Cs +Ce）/2，當(dāng)CH≤（Cs +Ce）/2時(shí)（9）

C =（Cs +Ce）/2+[CH-（Cs +Ce）/2]×R i，當(dāng)CH﹥（Cs +Ce）/2時(shí)（10）

公式（9）、（10）中，C表示年均存欄數(shù)，單位是頭或只;Cs表示年初存欄數(shù)（以2018年年末存欄數(shù)計(jì)），單位是頭或只;Ce表示年末存欄數(shù)（以2019年年末存欄數(shù)計(jì)），單位是頭或只;CH表示2019年出欄數(shù)，單位是頭或只;R i表示出欄周期率，R i =出欄周期/年，i=牛、羊、豬、雞，R 牛=1，R 羊=1，R 豬=1/2，R 雞=1/3。

1.3 數(shù)據(jù)來源

1.3.1 農(nóng)作物產(chǎn)量，單位產(chǎn)量對(duì)N、P 2O 5、K 2O的需要量。

農(nóng)作物產(chǎn)量來自2020年煙臺(tái)市統(tǒng)計(jì)年鑒的2019年數(shù)據(jù)[7]（表1）。單位產(chǎn)量（1 000 kg）所需N、P 2O 5、K 2O的數(shù)量來自“計(jì)量施肥”等相關(guān)文獻(xiàn)[8-10]（表2）。

1.3.2 秸稈籽粒比和秸稈中養(yǎng)分含量。

農(nóng)作物產(chǎn)量來自2019年煙臺(tái)市統(tǒng)計(jì)年鑒的2018年數(shù)據(jù)[11]（表3）。作物的秸稈籽粒比和秸稈中的N、P 2O 5、K 2O含量來自文獻(xiàn)“中國作物秸稈養(yǎng)分資源數(shù)量估算和其利用狀況”[12]（表4）。秸稈還田率取26%[13]。

1.3.3 人、畜、禽數(shù)量，鮮糞、尿產(chǎn)量，糞、尿中養(yǎng)分含量。

煙臺(tái)人口、畜、禽數(shù)量數(shù)據(jù)來自“2019年煙臺(tái)統(tǒng)計(jì)年鑒”和“2020年煙臺(tái)統(tǒng)計(jì)年鑒”[7，11]（表5）。人、畜、禽糞尿年產(chǎn)量數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)“農(nóng)家肥料”[14]（表6）。

人、畜、禽鮮糞、鮮尿中N、P 2O 5、K 2O的含量來自文獻(xiàn)“農(nóng)家肥料”[15]（表7、8）。人、畜、禽糞尿還田率為76.16%[16]。

1.3.4 化肥施用量（折純量）及其N、P 2O 5、K 2O含量。

化肥施用量（折純量）數(shù)據(jù)來自“2020煙臺(tái)統(tǒng)計(jì)年鑒”的2019年數(shù)據(jù)，為337 297 t[7]。其中，N、P 2O 5、K 2O分別占58.19%、16.95%和24.86%[17-19]。

2 結(jié)果與分析

根據(jù)公式（1）和表1、表2中的數(shù)據(jù)，估算出農(nóng)作物的養(yǎng)分需要量。根據(jù)公式（2）、（3）、（4）和表3、表4數(shù)據(jù)和秸稈還田率26%，估算出秸稈還田的養(yǎng)分。根據(jù)公式（5）、（6）、（7）、（8）、（9）和表5、6、7、8中的數(shù)據(jù)，以及糞尿還田率76.16%，估算糞尿還田的養(yǎng)分。根據(jù)公式（10）和化肥施用量、施用量中N、P 2O 5、K 2O的含量，估算N、P 2O 5、K 2O的施用量。結(jié)果見表9。

表9表明，煙臺(tái)市農(nóng)田的N、P 2O 5、K 2O供應(yīng)量大于作物的需要量，N、P 2O 5、K 2O供應(yīng)量分別是作物需要量的1.94、1.71和1.38倍。有機(jī)肥的N、P 2O 5、K 2O供應(yīng)量分別占作物需要量的60.66%、72.26%和74.26%，有機(jī)肥的N、P 2O 5、K 2O供應(yīng)量不能滿足作物的需要?；适┯昧糠謩e是有機(jī)肥缺口的3.39、4.00和2.49倍，化肥補(bǔ)充量過大。

3 討論

3.1 有機(jī)肥不足、化肥過量的影響

3.1.1 破壞土壤。

有機(jī)肥含有豐富的有機(jī)質(zhì)。有機(jī)質(zhì)是土壤腐殖質(zhì)的重要來源。腐殖質(zhì)促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，改良土壤性質(zhì)，提高土壤肥力。施用有機(jī)肥，可增加土壤中有機(jī)膠體，膠體對(duì)重金屬有吸附作用，可防止土壤污染。

化肥中大量的NH 3+、K+與土壤膠體吸附的Ca2+、Mg2+交換，導(dǎo)致Ca2+、Mg2+流失，破壞土壤結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土壤板結(jié)，土壤肥力下降。

化肥中含有多種重金屬、放射性物質(zhì)及其他有害物質(zhì)。有害物質(zhì)降低土壤微生物活性，難以轉(zhuǎn)化有機(jī)質(zhì)和降解有毒、有害物質(zhì)，造成土壤污染。酸性化肥，造成土壤酸化。酸性土壤釋放有毒物質(zhì)，增強(qiáng)有害物質(zhì)的毒性，造成土壤污染。因此，有機(jī)肥不足，化肥過量破壞土壤結(jié)構(gòu)、污染土壤，降低土壤肥力。

3.1.2 降低農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)。

有機(jī)肥是完全肥料，含有農(nóng)作物需要的各種營養(yǎng)元素，大多數(shù)養(yǎng)分以有機(jī)化合物的狀態(tài)存在。有機(jī)肥能提供土壤微生物生命活動(dòng)所需的能源和養(yǎng)料，促進(jìn)微生物的活動(dòng)，加速土壤內(nèi)養(yǎng)分的分解和供應(yīng)。

化肥養(yǎng)分單一。大量使用化肥，土壤有機(jī)質(zhì)下降，影響土壤微生物生存，破壞土壤肥力結(jié)構(gòu)，降低肥效。因此，有機(jī)肥不足，化肥超量，造成養(yǎng)分供應(yīng)不全面、不均衡，而且，土壤污染物質(zhì)被植物吸收，必然導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降。

3.1.3 污染水環(huán)境。

有機(jī)肥中大多數(shù)養(yǎng)分以有機(jī)化合物狀態(tài)存在，必須經(jīng)過微生物分解才能轉(zhuǎn)化為有效養(yǎng)分，供作物吸收利用。因此，有機(jī)肥肥效穩(wěn)定持久。

化肥是無機(jī)速效肥，易流失。N、P 2O 5、K 2O，尤其是N，隨農(nóng)田徑流流失嚴(yán)重。若N、P 2O 5流失率按施肥量的11%計(jì)算[20]，煙臺(tái)市農(nóng)田N、P 2O 5年流失量分別達(dá)21 588.89和1 715.14 t。

化肥養(yǎng)分流失嚴(yán)重污染水環(huán)境。2020年9月，煙臺(tái)市重點(diǎn)河流，辛安河、泳汶河出現(xiàn)Ⅴ類水質(zhì)河段，東村河、界河出現(xiàn)劣Ⅴ類水質(zhì)河段，五龍河、沁水河出現(xiàn)Ⅳ類水質(zhì)河段。

3.2 對(duì)策

3.2.1 努力提高畜禽糞尿資源還田率。

當(dāng)前，仍有近25%的糞尿資源未能還田，特別是畜禽養(yǎng)殖場畜禽糞尿浪費(fèi)嚴(yán)重。大部分養(yǎng)殖場缺少糞污收集、貯存、處理和利用設(shè)施，隨意堆放，流失現(xiàn)象嚴(yán)重。種、養(yǎng)分離，有機(jī)肥價(jià)格優(yōu)勢不明顯，缺乏合理出路。

因此，政府組建公益性質(zhì)的專業(yè)公司，收集畜、禽養(yǎng)殖場的糞污資源，加工處理，生產(chǎn)沼氣和有機(jī)肥。有機(jī)肥優(yōu)先供應(yīng)政府扶持的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地。

3.2.2 大幅度削減無機(jī)肥施肥量。

化肥施肥折純量的N、P 2O 5、K 2O分別為196 262.66、57 171.31和83 863.03 t，分別是有機(jī)肥缺口的3.39、4.00和2.49倍。

施用化肥是為了彌補(bǔ)有機(jī)肥的不足。就目前有機(jī)肥施用狀況，需要化肥的N、P 2O 5、K 2O供應(yīng)量分別為57 822.94、14 306.39和33 692.29，則化肥的N、P 2O 5、K 2O削減量分別為138 439.72、42 864.92和50 170.74 t。

精準(zhǔn)施肥是削減化肥的前提。要根據(jù)作物的生理生長特征、天氣條件，定時(shí)、定位、定量施肥，防止因流失導(dǎo)致養(yǎng)分不足。

4 結(jié)論

利用農(nóng)作物產(chǎn)量估算農(nóng)作物的N、P 2O 5、K 2O需要量分別為146 977.71、60 273.35和130 907.02 t，秸稈的N、P 2O 5、K 2O還田量分別為10 378.16、3 102.81和14 146.06 t。利用人口、畜禽數(shù)量估算糞尿的N、P 2O 5、K 2O還田量分別為78 776.61、42 864.15和83 068.67 t。

煙臺(tái)市農(nóng)田的N、P 2O 5、K 2O供應(yīng)量大于作物的需要量;有機(jī)肥供應(yīng)量不足，化肥補(bǔ)充量過大。

有機(jī)肥不足、化肥施用過量破壞土壤、降低農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)并污染水環(huán)境。

通過政府組建公益性專業(yè)公司，收集、加工、處理畜禽養(yǎng)殖場糞污資源，生產(chǎn)有機(jī)肥還田，來提高畜禽糞尿資源還田率。通過精準(zhǔn)施肥，防止養(yǎng)分流失，大幅度削減化肥使用量。這些措施可防止對(duì)土壤的破壞、提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)并保護(hù)水環(huán)境，保障大眾的健康生存。

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