種植結(jié)構(gòu)非糧化對農(nóng)田氮磷流失負(fù)荷的影響

邱樂豐，張 玲，徐保根，吳紹華，徐明星

(1.浙江財經(jīng)大學(xué) 土地與城鄉(xiāng)發(fā)展研究院，浙江 杭州 310018； 2.杭州學(xué)聯(lián)土地規(guī)劃設(shè)計咨詢有限公司，浙江 杭州 310030； 3.浙江省地質(zhì)調(diào)查院，浙江 杭州 311200)

農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整不僅直接關(guān)乎糧食安全，而且可以驅(qū)動區(qū)域乃至全球生態(tài)環(huán)境變化。近年來，在我國農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整過程中，非糧化現(xiàn)象在一些地方呈現(xiàn)蔓延趨勢，成為威脅糧食安全保障的新問題。雖然，非糧化體現(xiàn)了農(nóng)戶追求經(jīng)濟利益的自發(fā)需求和農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)多元化調(diào)整的合理需要，但我國糧食供求總體上仍處于緊平衡狀況，結(jié)構(gòu)性緊缺矛盾和應(yīng)對突發(fā)災(zāi)害的風(fēng)險越來越突出。非糧化導(dǎo)致用于種植糧食作物的耕地，尤其是優(yōu)質(zhì)耕地數(shù)量銳減。作物生產(chǎn)管理方式，及土地利用布局和結(jié)構(gòu)的改變，必然會引起耕地利用的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)發(fā)生變化，勢必影響到我國糧食安全的基礎(chǔ)。在此背景下，中央政府于2020年連續(xù)發(fā)布《國務(wù)院辦公廳關(guān)于堅決制止耕地“非農(nóng)化”行為的通知》和《國務(wù)院辦公廳關(guān)于防止耕地“非糧化”穩(wěn)定糧食生產(chǎn)的意見》，明確提出嚴(yán)格耕地農(nóng)業(yè)用途管制，加強耕地保護(hù)監(jiān)管，防止過度非糧化。

開展種植結(jié)構(gòu)非糧化演變及其生態(tài)效應(yīng)研究，可為我國新一輪農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展決策提供科學(xué)依據(jù)，已成為當(dāng)前鄉(xiāng)村農(nóng)業(yè)地理研究的關(guān)鍵課題之一。近年來，學(xué)界圍繞非糧化問題的成因和對策開展了廣泛研究，但涉及非糧化生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的研究較為缺乏。非糧化使農(nóng)田植被覆蓋類型和管理模式發(fā)生變化，直接影響土壤生物多樣性、土壤結(jié)構(gòu)和土壤肥力，從而改變土壤質(zhì)量。在國際上，相關(guān)研究主要涉及種植結(jié)構(gòu)變化對土壤孔隙度和聚集體等土壤結(jié)構(gòu)因子、土壤有機質(zhì)輸入和礦化、土壤侵蝕和養(yǎng)分流失、農(nóng)業(yè)生態(tài)集約化與資源可利用性等的影響，進(jìn)而論及農(nóng)田土壤質(zhì)量和生產(chǎn)力等方面。在國內(nèi)，相關(guān)研究主要包括：(1)基于實地調(diào)查，結(jié)合專家咨詢，調(diào)研非糧化利用對耕地耕作層的影響，定性分析耕地質(zhì)量的變化；(2)采用多特征變化向量評定方法，監(jiān)測種植結(jié)構(gòu)調(diào)整對耕地質(zhì)量變化的影響；(3)運用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估方法，研究茶園擴張對土壤侵蝕和養(yǎng)分流失的影響；(4)運用負(fù)外部效益測算方法，間接測算非糧化造成的土壤污染等生態(tài)環(huán)境負(fù)外部效益。但也有學(xué)者認(rèn)為，非糧化雖然會導(dǎo)致土壤肥力、生態(tài)和環(huán)境等維度的改變，但對土壤質(zhì)量和生產(chǎn)潛力究竟造成了多大程度的影響仍然存疑。綜上所述，傳統(tǒng)研究多集中于種植結(jié)構(gòu)變化對土壤理化性質(zhì)和耕地地力的影響，而上升到土壤質(zhì)量和生態(tài)保護(hù)層面，定量評價非糧化對農(nóng)田生態(tài)環(huán)境影響程度的成果極少，還未厘清種植結(jié)構(gòu)非糧化轉(zhuǎn)變過程對農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的影響機理，也沒有給出一個定量評估具體區(qū)域種植結(jié)構(gòu)非糧化轉(zhuǎn)變綜合生態(tài)效應(yīng)的研究范式。

我國水體富營養(yǎng)化問題嚴(yán)峻，來源于農(nóng)業(yè)面源的氮、磷已成為東部沿海地區(qū)水體的重要污染物，種植業(yè)氮、磷流失負(fù)荷也成為了最受關(guān)注的農(nóng)業(yè)土地利用生態(tài)效應(yīng)之一。國內(nèi)種植業(yè)普遍存在著不合理的化肥施用方式，特別是在蔬菜、瓜果等經(jīng)濟作物的生產(chǎn)過程中，過量施肥的現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計，太湖地區(qū)農(nóng)田平均化肥施用量600 kg·hm，為全國平均水平的2.2倍。果樹、蔬菜和茶葉等經(jīng)濟作物的施肥量遠(yuǎn)高于糧食作物。隨著種植結(jié)構(gòu)調(diào)整過程中經(jīng)濟作物比重的提高，農(nóng)業(yè)面源污染形勢料將進(jìn)一步加劇。早期關(guān)于農(nóng)田氮、磷養(yǎng)分的研究較多關(guān)注土壤肥力和生產(chǎn)力，將氮、磷含量作為提升土壤質(zhì)量的正向因子；目前，相關(guān)研究則更加關(guān)注農(nóng)田過量施用氮、磷的負(fù)面生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，通過耦合土壤系統(tǒng)氮、磷動態(tài)平衡過程與種植結(jié)構(gòu)調(diào)整過程以減少農(nóng)田氮、磷負(fù)荷及其輸出量已成為當(dāng)前研究的重點。

浙江省慈溪市是我國長三角地區(qū)農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟發(fā)展最發(fā)達(dá)的縣市之一，現(xiàn)代都市農(nóng)業(yè)發(fā)展迅猛，種植結(jié)構(gòu)趨向多元化和非糧化，稻田改種蔬菜、水果等經(jīng)濟作物的現(xiàn)象突出。以該區(qū)域為對象進(jìn)行種植結(jié)構(gòu)非糧化演變研究，具有較強的典型性和代表性，能夠為我國東部經(jīng)濟發(fā)達(dá)地區(qū)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整與優(yōu)化提供借鑒和指導(dǎo)。關(guān)于種植結(jié)構(gòu)非糧化的演變對慈溪市農(nóng)業(yè)種植氮、磷養(yǎng)分投入量，以及氮、磷徑流流失負(fù)荷的影響如何，在本研究檢索范圍內(nèi)，鮮見報道。為此，本研究通過調(diào)研1995—2019年慈溪市主要農(nóng)作物種植面積的變化，明確該地區(qū)種植結(jié)構(gòu)非糧化的演變特征，并估算該地區(qū)種植結(jié)構(gòu)變化過程中的氮、磷投入量和徑流流失負(fù)荷量，以期為深入認(rèn)識和合理管控種植結(jié)構(gòu)“非糧化”提供科學(xué)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

慈溪市地處浙東沿海、杭州灣南岸，下轄5個街道、14個鎮(zhèn)，全市總面積1 154 km，其中，平原775.4 km，山地166.8 km，有“二山一水七分地”之稱。地勢南高北低，呈丘陵、平原、灘涂三級臺階狀朝杭州灣展開。土壤為典型的組合型平原土壤：南部丘陵區(qū)多屬水稻土，質(zhì)地為中壤至輕黏，土層深厚，肥力穩(wěn)長；北部濱海平原地區(qū)，自海濱向內(nèi)依次有鹽土、潮土、水稻土3個土類，粉砂含量高，呈中性至微堿性。慈溪屬于北亞熱帶南緣季風(fēng)型氣候，四季分明，雨量充足，年平均氣溫16.0 ℃，年平均降水量1 272.8 mm，農(nóng)作物一年兩熟或三熟。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)以水稻、棉花種植為主，農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整起步于1985年，果菜種植面積逐年增加，是研究耕地非糧化的代表性地區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文的研究對象為慈溪市第三次全國國土調(diào)查成果數(shù)據(jù)庫中的耕地圖斑。主要數(shù)據(jù)來源有3種——統(tǒng)計年鑒、文獻(xiàn)調(diào)研和實地調(diào)查數(shù)據(jù)。選取慈溪市1995—2019年統(tǒng)計年鑒中主要農(nóng)作物種植面積數(shù)據(jù)，慈溪市農(nóng)業(yè)部門農(nóng)田氮、磷肥施用量年度統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以及近年間發(fā)表的與慈溪市農(nóng)業(yè)施肥管理和自然地理條件相近的長三角地區(qū)關(guān)于農(nóng)業(yè)氮、磷徑流流失特征的數(shù)據(jù)(表1)。

表1 慈溪市稻田、果園、苗木基地和菜地的氮、磷徑流流失系數(shù)

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1 種植結(jié)構(gòu)變化特征

考慮到農(nóng)業(yè)播種總面積和作物經(jīng)濟產(chǎn)值的波動影響，本研究參考我國傳統(tǒng)的“糧經(jīng)比”概念，通過調(diào)研分析慈溪市主要糧食作物和經(jīng)濟作物種植面積比例的動態(tài)變化來揭示慈溪市種植結(jié)構(gòu)的時空變化特征，并構(gòu)建非糧化指數(shù)(NGP)揭示慈溪市種植結(jié)構(gòu)非糧化的演變特征，其計算公式為

=/。

(1)

式(1)中：表示某一年份非糧化指數(shù)的值，值越大，說明非糧化越嚴(yán)重；和分別代表某一年份經(jīng)濟作物和糧食作物的種植面積，單位均為hm。選取的慈溪市主要經(jīng)濟作物包括棉花、蔬菜、苗木、茶葉和水果。

1.3.2 氮磷投入量和徑流流失量估算

通過農(nóng)業(yè)部門農(nóng)田氮、磷肥施用量年度統(tǒng)計數(shù)據(jù)，計算慈溪市稻田、果園、苗木基地和菜地的氮、磷肥投入量(分別以N、P計)變化。

稻田(菜地/果園/苗木基地)氮(磷)肥年投入量(kg·a)=稻田(菜地/果園/苗木基地)氮(磷)肥單位面積施用量統(tǒng)計數(shù)據(jù)(kg·hm·a)×稻田(菜地/果園/苗木基地)種植面積(hm)。

通過文獻(xiàn)調(diào)研，分析不同種植結(jié)構(gòu)下的徑流流失系數(shù)，計算慈溪市稻田、果園、苗木基地和菜地的氮、磷徑流流失量(分別以N、P計)：

稻田(菜地/果園/苗木基地)氮(磷)徑流流失量(kg·a)=稻田(菜地/果園/苗木基地)氮(磷)肥年投入量(kg·a)×氮(磷)流失系數(shù)(%)。

2 結(jié)果與分析

2.1 種植結(jié)構(gòu)演變

慈溪市的種植結(jié)構(gòu)總體上呈現(xiàn)糧食作物和傳統(tǒng)經(jīng)濟作物(棉花、油菜)種植面積連續(xù)減少，蔬菜、水果種植面積持續(xù)增加的趨勢(圖1)。1995—2019年，糧食作物種植面積由35 850 hm減少到18 180 hm，銳減49.3%；而蔬菜和水果的種植面積則分別由14 350 hm和5 518 hm增長至30 686 hm和11 498 hm，漲幅分別高達(dá)113.8%和108.4%。苗木種植面積經(jīng)歷先上升后下降的過程：1995—2005年由270 hm上升至3 557 hm，至2019年又回落到2 960 hm。慈溪市的茶葉種植面積較小，多年穩(wěn)定在300 hm以內(nèi)。由于城鎮(zhèn)建設(shè)占用和后備資源缺乏，慈溪市農(nóng)業(yè)種植總面積在研究期內(nèi)呈下降趨勢，蔬菜和水果的新增面積主要來源于原有糧田，說明慈溪市的農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整存在明顯的非糧化趨勢。

圖1 慈溪市1995—2019年主要農(nóng)作物的種植面積變化Fig.1 Dynamics of planting area of main crops in Cixi City from 1995 to 2019

基于1995—2019年慈溪市種植結(jié)構(gòu)的非糧化指數(shù)(NGP)變化(圖2)，可將慈溪市的非糧化過程劃分為3個階段：1995—2007年，為穩(wěn)定上升期，NGP由1.02上升至1.74，年均增長5.9%；2007—2013年，為回調(diào)下降期，NGP由1.74下降為1.44，年均下降4.9%，據(jù)推斷，這可能與2004年后國家實施糧食最低收購價政策等一系列鼓勵糧食生產(chǎn)的宏觀調(diào)控措施有關(guān)；2013—2019年，為快速上升期，NGP由1.44提高到2.59，年均漲幅達(dá)19.1%。

圖2 慈溪市1995—2019年種植結(jié)構(gòu)非糧化指數(shù)的變化Fig.2 Dynamic of non-grain index in Cixi City from 1995 to 2019

2.2 氮磷養(yǎng)分投入總量變化

隨著種植結(jié)構(gòu)中糧食作物向經(jīng)濟作物轉(zhuǎn)變，大量稻田改種蔬菜、水果和苗木，生產(chǎn)管理方式相應(yīng)改變，耕地的氮、磷養(yǎng)分投入量亦發(fā)生變化。調(diào)研結(jié)果表明，慈溪市當(dāng)前果園、苗木基地和菜地的氮、磷單位投入量大都高于稻田，尤其是菜地(表2)。以2018年為例，單位面積菜地的氮磷投入量分別是稻田的2.9倍和5.9倍。2001—2018年，稻田的氮單位投入量累計降低103.1 kg·hm·a，降幅為22.3%，而菜地的氮單位投入量累計提高607.7 kg·hm·a，增幅達(dá)137.7%。這說明，化肥減量增效和面源污染整治政策成效初顯，但在降低稻田氮流失的同時，對蔬菜等經(jīng)濟作物的重視還不夠。從投入總量來看(圖3)，2001—2018年，慈溪市種植業(yè)氮、磷投入總量分別由31.99×10kg·a和8.83×10kg·a上升至44.39×10kg·a和30.85×10kg·a，增幅分別達(dá)到38.8%和249.5%。菜地已經(jīng)取代稻田成為種植結(jié)構(gòu)中首要的氮、磷投入作物，占種植結(jié)構(gòu)年氮、磷投入總量的72.2%和82.3%。同時，果園和苗木基地等的氮、磷投入總量也呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢。

表2 慈溪市不同年份稻田、果園、苗木基地和菜地的單位面積氮、磷投入量

圖3 慈溪市不同年份稻田、果園、苗木基地和菜地的氮、磷投入總量Fig.3 Total N， P input in paddy field， orchard， nursery stock， and vegetable field in Cixi City in different years

2.3 氮磷流失負(fù)荷變化

基于農(nóng)田徑流流失系數(shù)估算慈溪不同種植結(jié)構(gòu)下的氮、磷徑流流失量(圖4)。隨著種植結(jié)構(gòu)非糧化調(diào)整，2001—2018年，慈溪市農(nóng)田氮、磷流失總量上升，徑流氮流失總量上升12.6%，磷流失總量上升649.4%。其中：稻田氮、磷徑流流失量分別降低59.4%、36.6%，而菜地氮、磷徑流流失量分別上升121.8%和649.4%，果園氮、磷徑流流失量分別上升120.1%和156.6%，苗木基地的氮、磷徑流流失量先升后降。至2018年，慈溪市農(nóng)田氮、磷流失負(fù)荷分別為2 823.3 t和971.5 t。菜地已經(jīng)取代稻田成為農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)中農(nóng)田氮、磷流失的首要來源，占當(dāng)?shù)胤N植結(jié)構(gòu)下年氮、磷流失總量的70.9%和89.2%，成為農(nóng)業(yè)面源污染控制的重點對象。

圖4 慈溪市不同年份稻田、果園、苗木基地和菜地的氮磷徑流流失量Fig.4 N and P runoff losses of paddy field， orchards， nursery stock， and vegetable fields in Cixi City in different years

3 討論

近年來，我國糧田改種果菜茶等經(jīng)濟作物的種植結(jié)構(gòu)非糧化現(xiàn)象在一些地方呈逐步擴大趨勢。研究表明，種植結(jié)構(gòu)變化主要受氣候、水文、土壤等自然因素和市場、政策、人口等社會經(jīng)濟因素的共同驅(qū)動。慈溪市種植結(jié)構(gòu)的快速非糧化演變：一方面，是因為蔬菜、水果等經(jīng)濟作物的單位面積經(jīng)濟效益顯著高于糧食作物，生產(chǎn)資料、勞動力等種糧成本逐年提高，而糧食收購價格仍相對較低，改種經(jīng)濟作物后，雖然投入成本和市場風(fēng)險較高，但收益回報也相對更高，因此農(nóng)戶會基于理性選擇種植經(jīng)濟效益更高的作物；另一方面，在城鄉(xiāng)居民膳食結(jié)構(gòu)升級換代和食物需求多元化轉(zhuǎn)型的客觀背景下，國家和地方政府在農(nóng)業(yè)發(fā)展決策和土地利用規(guī)劃管理上向經(jīng)濟效益和產(chǎn)業(yè)發(fā)展傾斜，種植業(yè)發(fā)展目標(biāo)從糧食安全向食物安全轉(zhuǎn)變，亦會助推種植結(jié)構(gòu)向非糧化方向轉(zhuǎn)變。本文研究的慈溪地區(qū)業(yè)已發(fā)展形成以設(shè)施農(nóng)業(yè)為特征的蔬菜、水果產(chǎn)業(yè)帶，在提升地方農(nóng)戶經(jīng)濟收入的同時，也在一定程度上弱化了農(nóng)田保障糧食生產(chǎn)的基本功能。這種現(xiàn)象在我國東部沿海發(fā)達(dá)地區(qū)的廣大農(nóng)區(qū)具有極強的代表性和典型性。

2020年以來，從中央到地方，各級政府密集出臺系列管控非糧化的政策文件，其中，制止破壞耕作條件和降低耕地質(zhì)量的非糧化行為是核心內(nèi)容之一。因此，明確非糧化的生態(tài)效應(yīng)不僅是實施耕地數(shù)量、質(zhì)量和生態(tài)“三位一體”保護(hù)的前提，也是科學(xué)管控非糧化的關(guān)鍵。

本研究通過對1995—2019年慈溪市農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)變化的調(diào)研分析，明確了慈溪市種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的非糧化趨勢及其對農(nóng)田氮、磷流失負(fù)荷變化的影響。研究期內(nèi)，慈溪市糧食種植面積持續(xù)減少，而蔬菜、水果種植面積持續(xù)增加，存在明顯非糧化傾向。根據(jù)種植結(jié)構(gòu)非糧化指數(shù)，可將當(dāng)?shù)氐姆羌Z化過程分為穩(wěn)定上升、回調(diào)下降和快速上升3個階段。隨著種植結(jié)構(gòu)的非糧化，2001—2018年慈溪市農(nóng)田氮、磷流失總量明顯上升，經(jīng)濟作物已取代水稻成為農(nóng)業(yè)種植中主要的氮、磷養(yǎng)分投入對象和流失來源，特別是來源于菜地的氮、磷流失已成為農(nóng)田氮、磷流失的優(yōu)先控制對象。

本研究展示了通過文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)合實地調(diào)查方法來評估農(nóng)田氮、磷流失負(fù)荷的可行性，研究結(jié)果可以為案例區(qū)下一階段種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整提供科學(xué)基礎(chǔ)。但是，本文也存在一些局限性，需要在未來的研究中加以改進(jìn)。首先，利用文獻(xiàn)調(diào)研方法分析不同種植結(jié)構(gòu)下的農(nóng)田氮、磷徑流流失系數(shù)，并基于此計算農(nóng)田的氮、磷流失總量，這在方法上存在一定的不確定性。例如：(1)未考慮徑流路徑中的削減量，很可能會導(dǎo)致計算出的氮、磷流失量偏大；(2)多源數(shù)據(jù)的獲取途徑、精度和尺度不統(tǒng)一，需要詳細(xì)的現(xiàn)場采樣和測量進(jìn)行驗證，以提高基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的可靠性；(3)影響農(nóng)田氮、磷流失的環(huán)境因素非常復(fù)雜，包括施肥管理、地形特征、氣候因子等，但這些均沒有加入本文進(jìn)行分析。在未來的研究中，補充和分析這些變量可以更全面地理解種植結(jié)構(gòu)改變對農(nóng)田氮、磷流失負(fù)荷的影響。

根據(jù)本文研究結(jié)果，針對非糧化問題提出如下對策建議。

(1)嚴(yán)控非糧化行為導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險。種植結(jié)構(gòu)調(diào)整對區(qū)域農(nóng)田氮、磷流失負(fù)荷的影響不容忽視。不同種植體系的養(yǎng)分利用率和農(nóng)戶施肥習(xí)慣會導(dǎo)致當(dāng)?shù)剞r(nóng)田的氮、磷徑流損失量發(fā)生變化，從而產(chǎn)生不同程度的農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險。然而，目前各地出臺的非糧化行為管控政策措施并沒有注意到這一負(fù)面生態(tài)效應(yīng)。下一步，應(yīng)在提高糧食種植面積、壓實耕地保護(hù)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，加強耕地生產(chǎn)對土壤養(yǎng)分指標(biāo)的監(jiān)管和預(yù)警，緩解地區(qū)氮、磷污染負(fù)荷。同時，可以從優(yōu)化土地利用方式、施肥方式等角度測算不同管控措施下的食物產(chǎn)出與養(yǎng)分平衡，以期更合理地調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，優(yōu)化土地資源分配。

(2)明確非糧化行為破壞農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的評估標(biāo)準(zhǔn)。目前，對于農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的動態(tài)監(jiān)管監(jiān)測，以及土壤質(zhì)量破壞鑒定，均缺乏權(quán)威鑒定機構(gòu)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，少數(shù)地方或部門自行制定的辦法中也僅包含了耕作層厚度、土體構(gòu)型、土壤質(zhì)地和田間雜物等表觀物理指標(biāo)或有機質(zhì)含量、pH值、重金屬含量等簡單理化指標(biāo)，難以全面反映種植結(jié)構(gòu)非糧化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，更不能滿足耕地“三位一體”保護(hù)的需求。本文提出的區(qū)域農(nóng)田氮、磷流失負(fù)荷變化評估方法，雖然還有待進(jìn)一步完善，但有助于定量判斷種植結(jié)構(gòu)非糧化的生態(tài)環(huán)境負(fù)效應(yīng)，可為制定種植結(jié)構(gòu)非糧化管控政策提供參考。