海南農(nóng)田養(yǎng)分平衡狀況及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

洪秀楊，鐘于秀，李偉芳，劉爍然，巨曉棠，阮云澤，李婷玉*

（1 海南大學(xué)三亞南繁研究院，海南三亞 572000；2 海南大學(xué)熱帶作物學(xué)院，海南?？?570208）

海南是我國唯一的“熱帶特色農(nóng)業(yè)基地”，農(nóng)牧業(yè)占地區(qū)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)總值的33%。由于海南得天獨(dú)厚的熱區(qū)優(yōu)勢，近年來本地農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，過去30年農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量增長了3.3倍，尤其是水果、蔬菜的產(chǎn)量分別增加了11和10倍[1]，水稻等糧食作物種植面積占比則不斷下降。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從1990年到2020年，海南糧食作物種植面積下降了一半 (從56萬hm2下降到27萬hm2)，經(jīng)濟(jì)作物占比目前已達(dá)到總播種面積的81%，成為驅(qū)動(dòng)化肥用量增長的主要因素。自1990年到2015年，海南島的化肥用量 (實(shí)物量)增長了近3倍 (從37萬t增長到136萬t)，農(nóng)田氮素養(yǎng)分輸入量增長近2倍[2]，磷素總輸入量增長2.8倍[3]。海南島土壤以高度風(fēng)化的磚紅壤為主，有機(jī)質(zhì)含量和陽離子交換量低，對養(yǎng)分的持留和供應(yīng)能力差，過量投入的養(yǎng)分不能被作物有效利用而損失到環(huán)境中，導(dǎo)致農(nóng)田養(yǎng)分大量損失[4]。加之近些年熱帶風(fēng)暴等極端天氣頻發(fā)，土壤侵蝕和流失呈增強(qiáng)趨勢，加劇了面源污染的形成和發(fā)展。

研究表明，海南島多個(gè)入?？诒O(jiān)測點(diǎn)的水體總?cè)芙獾獫舛瘸^國家水質(zhì)Ⅲ類飲用水標(biāo)準(zhǔn)，可溶性無機(jī)氮濃度也高于我國黃渤海等地區(qū)[5]。農(nóng)業(yè)面源污染問題已經(jīng)嚴(yán)重制約了海南島的可持續(xù)發(fā)展。2018年國家確立了海南省建設(shè)“國家生態(tài)文明試驗(yàn)區(qū)”、“國際旅游消費(fèi)中心”和“農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展先行區(qū)”的戰(zhàn)略定位，這意味著海南未來面臨著雙重挑戰(zhàn)，既要保證熱帶特色農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)，又不能犧牲生態(tài)環(huán)境，甚至要引領(lǐng)全國生態(tài)文明建設(shè)。本研究通過對海南島主要農(nóng)作物施肥情況的全覆蓋實(shí)地調(diào)研和養(yǎng)分收支分析，以闡明主要農(nóng)作物的養(yǎng)分施用強(qiáng)度和養(yǎng)分平衡，開展活性氮損失、溫室氣體排放和水體富營養(yǎng)化等環(huán)境影響評價(jià)，為海南科學(xué)施肥、有機(jī)肥替代等相關(guān)研究及政策提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

海南島地處我國最南端，屬熱帶季風(fēng)海洋性氣候，全年暖熱，雨量充沛，作物全年可生長，被譽(yù)為天然溫室，稻可三熟，菜滿四季。在此特殊的光溫水資源下，海南成為中國大陸冬季的“菜籃子”、“果盤子”。年均氣溫為23℃～25℃，年平均降水量為1639 mm，但時(shí)空變異較大，干濕季明顯[4]。海南島陸地面積354萬hm2，耕地面積為43.6萬hm2(2020年)。常住人口1008萬人[6]，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值為1821億元，芒果、菠蘿等熱帶水果產(chǎn)量位居全國第一和第二位。海南島農(nóng)田多分布在海口、文昌、儋州和東方等北部和西部沿海市縣[1]，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對近海水體污染風(fēng)險(xiǎn)較大。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)來源包括統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、調(diào)研數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)包括作物種植結(jié)構(gòu)、主要農(nóng)作物在各市縣的分布情況等；調(diào)研數(shù)據(jù)包括農(nóng)戶化肥和有機(jī)肥氮磷鉀養(yǎng)分施用強(qiáng)度、產(chǎn)量水平、肥料產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、作物秸稈處理方式、農(nóng)戶基本信息和地塊基本信息等；文獻(xiàn)數(shù)據(jù)主要包括熱帶土壤作物體系氮磷流失系數(shù)、作物產(chǎn)品氮磷鉀養(yǎng)分濃度[7–13]及全國主要農(nóng)作物的養(yǎng)分投入等，用于作物體系氮磷養(yǎng)分平衡分析以及活性氮損失、溫室氣體排放和富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)等環(huán)境影響評價(jià)。

1.3 研究方法

1.3.1 調(diào)研樣本 本研究通過對海南島18個(gè)市縣進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，共獲取有效樣本1199個(gè)，分布見圖1，其中北部4個(gè)市縣共計(jì)420個(gè) (海口130、文昌142、臨高38、澄邁110)，西部3個(gè)市縣共計(jì)220個(gè) (儋州75、昌江72、東方73)，南部4個(gè)市縣共計(jì)251個(gè) (樂東85、三亞73、保亭33、陵水60)，東部兩個(gè)市縣共計(jì)93個(gè) (萬寧50、瓊海43)，中部5個(gè)市縣共計(jì)215個(gè) (定安61、屯昌36、瓊中43、白沙45、五指山30)；作物類型中，糧食、水果、蔬菜和其他經(jīng)濟(jì)作物調(diào)研樣本量分別為380、276、265和278，共計(jì)36種作物，1199個(gè)樣本，具體作物樣本分布見表1。

表1 海南主要作物施肥管理及產(chǎn)量水平調(diào)研樣本分布Table 1 Sample distribution of fertilization management and yield level of main crops in Hainan Province

圖1 調(diào)研樣本分布圖Fig.1 Distribution map of survey samples

1.3.2 區(qū)域養(yǎng)分投入強(qiáng)度計(jì)算 由于各個(gè)區(qū)域的農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)、地形氣候、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平及農(nóng)業(yè)經(jīng)營者種植理念等存在較大差異，導(dǎo)致海南島各區(qū)域養(yǎng)分投入強(qiáng)度大不相同。本研究以市縣為單位，計(jì)算海南島各市縣的區(qū)域化肥氮、磷、鉀養(yǎng)分施用強(qiáng)度。

區(qū)域養(yǎng)分投入強(qiáng)度的計(jì)算公式如下：

式中，Nufer-region為區(qū)域化肥氮磷鉀養(yǎng)分投入強(qiáng)度，Inputi代表主要農(nóng)作物“i”單位面積化肥養(yǎng)分投入強(qiáng)度，Ai表示“i”在該區(qū)域的種植面積，其中Inputi參數(shù)由本研究調(diào)研所得，Ai數(shù)據(jù)參考《海南統(tǒng)計(jì)年鑒 2020》[1]。

1.3.3 養(yǎng)分平衡估算 養(yǎng)分平衡是養(yǎng)分管理和政策制定的重要指標(biāo)[14–15]，其定義為一個(gè)給定系統(tǒng)在給定時(shí)間段內(nèi) (一般一季作物或周年，本研究對一季作物養(yǎng)分平衡情況進(jìn)行探討)詳細(xì)的養(yǎng)分輸入 (inputs)與輸出 (outputs)的關(guān)系。養(yǎng)分盈余過剩 (surplus)或虧缺 (deficiency)基于單位耕地面積上養(yǎng)分輸入與輸出的差值 (difference)獲得。養(yǎng)分輸入是指投入到作物體系氮磷等養(yǎng)分的總和，如化肥、有機(jī)肥、生物固氮、氮沉降等；養(yǎng)分輸出是指輸出產(chǎn)品帶走養(yǎng)分的總和，如作物收獲物、未作還田處理移出的作物秸稈[16]。通過調(diào)研得知海南糧食作物秸稈大多全部還田，而蔬菜類作物 (辣椒、瓜類、豆類等)秸稈少有還田處理，故蔬菜的養(yǎng)分輸出以作物地上部養(yǎng)分吸收量計(jì)算，其他作物如糧食和果樹則是計(jì)算其籽粒或果實(shí)等產(chǎn)物的養(yǎng)分含量。

養(yǎng)分平衡的計(jì)算公式如下：

式中，NuSur為農(nóng)田系統(tǒng)氮磷養(yǎng)分的盈余；Nuinputs為農(nóng)田系統(tǒng)養(yǎng)分投入；Nuhar為農(nóng)田系統(tǒng)養(yǎng)分輸出，即以作物產(chǎn)品形式收獲的養(yǎng)分加未還田的部分秸稈；Nufer為化肥氮磷養(yǎng)分投入；Numan為有機(jī)肥氮磷養(yǎng)分投入，NuBNF為生物固氮量，Nudep為大氣氮沉降[17]。

1.3.4 環(huán)境影響評價(jià) 本研究用全生命周期進(jìn)行農(nóng)田氮磷鉀化肥及有機(jī)肥投入的環(huán)境影響評價(jià)，所用指標(biāo)包括活性氮損失、溫室氣體排放和水體富營養(yǎng)化。

1)活性氮損失 (reactive nitrogen loss, Nr)：主要包括化肥和有機(jī)肥施用階段以及化肥生產(chǎn)和運(yùn)輸階段的氮損失，在施用階段主要是硝酸鹽淋洗、氨揮發(fā)、氧化亞氮排放等，在肥料生產(chǎn)和運(yùn)輸階段主要有氮氧化物排放、氨排放等。

施用過程產(chǎn)生的活性氮損失計(jì)算公式如下：

式中，N2Oemission、NH3 voltalization、的計(jì)算主要參考 Wang 等[18–19]、王桂良[20]、Armour等[21]、Pandeya[22]等總結(jié)的參數(shù)，Nrate為化肥和有機(jī)肥的總氮施用量。

其它途徑的活性氮損失排放主要包括肥料生產(chǎn)和運(yùn)輸階段的活性氮損失量，用 NrMS表示，單位是N kg/hm2；其計(jì)算公式為：

式中，“i”代表每個(gè)農(nóng)業(yè)投入品類別，Ratei代表“i”的用量：主要包括氮肥、磷肥和鉀肥，F(xiàn)i代表“i”生產(chǎn)和運(yùn)輸階段的活性氮損失因子，參數(shù)如表2所示。

2) 溫室氣體排放潛值 (global warming potential,GWP)：在本研究中包括化肥和有機(jī)肥施用過程以及化肥生產(chǎn)和運(yùn)輸過程排放的CO2和N2O，以CO2為參照物，單位統(tǒng)一為CO2-eq kg/hm2[23]。其計(jì)算公式為：

式中，GWPTotal表示單位面積的溫室氣體排放總量，單位為CO2-eq kg/hm2；N2OTotal表示氮肥施用階段直接引起土壤N2O排放，及由NH3揮發(fā)和NO3－淋洗途徑間接產(chǎn)生的總N2O排放，44/28是N2O-N對N2O的換算系數(shù)，265為N2O以CO2-eq計(jì)的全球增溫潛勢，1.0%和2.5%分別是與NH3揮發(fā)和NO3－淋洗相關(guān)的N2O間接排放系數(shù)[24]；GWPFS表示氮磷鉀肥的生產(chǎn)和運(yùn)輸過程中的溫室氣體排放量，單位是CO2-eq kg/hm2；“i”代表不同肥料類別，PECi表示“i”的生產(chǎn)和運(yùn)輸階段溫室氣體排放的相關(guān)排放系數(shù)，Ratei代表“i”的用量，詳見表2。

3)富營養(yǎng)化 (eutrophication potential, EP)：在本研究中包括化肥和有機(jī)肥施用階段以及化肥生產(chǎn)和運(yùn)輸階段排放的NH3和，以PO4為參照物[23]。其計(jì)算公式為：

式中，EP-Total表示單位面積上的富營養(yǎng)化，NH3和轉(zhuǎn)換為PO4的當(dāng)量系數(shù)分別為0.33和0.42[28–29]，17/14為NH3-N對NH3的換算系數(shù)，95/31為P對PO4的換算系數(shù)。PO4-MS表示農(nóng)業(yè)投入品 (包括氮磷鉀肥) 生產(chǎn)和運(yùn)輸階段排放的PO4量，其中“i”代表肥料類別，Pi表示“i”的生產(chǎn)和運(yùn)輸階段排放PO4的相關(guān)系數(shù)，詳見表2，Ratei代表“i”的用量。0.98%和2.18%為磷素淋洗量和徑流量占投入量的比例，磷素淋洗的文獻(xiàn)主要參考劉建霞、姚春霞等的文獻(xiàn)[30–31]。

表2 單位化肥用量環(huán)境影響評價(jià)參數(shù)及數(shù)據(jù)來源[25-27]Table 2 Parameters and data sources of environmental impact of one unit chemical fertilizer application

2 結(jié)果與分析

2.1 海南農(nóng)田化肥施用強(qiáng)度和肥料產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

2.1.1 糧食作物化肥施用量及有機(jī)肥養(yǎng)分占比 海南糧食作物 (水稻、玉米、番薯等)化肥N、P2O5、K2O養(yǎng)分投入量分別為226、103、98 kg/hm2；有機(jī)肥 N、P2O5、K2O 投入分別為 10、5、8 kg/hm2；糧食作物化肥N、P2O5、K2O投入均超過全國平均水平，其中磷、鉀超過全國水平50%[32]。海南3種主要糧食作物的化肥氮磷鉀養(yǎng)分投入，均表現(xiàn)為氮投入量較高、磷鉀投入量相近 (表3)。糧食作物有機(jī)肥投入的氮、磷、鉀分別占總養(yǎng)分投入量的4%、4%、8%，低于全國平均水平69%～83%。全國糧食作物有機(jī)肥 N、P2O5、K2O 投入分別為 29、21、24 kg/hm2，有機(jī)肥投入的氮、磷、鉀分別占糧食作物總養(yǎng)分投入量的13%、23%、27%[32]。

表3 海南及全國糧食作物化肥養(yǎng)分施用水平(kg/hm2·season)Table 3 The chemical nutrient application rates of grain crops in Hainan province and the whole country

2.1.2 蔬菜作物化肥施用量及有機(jī)肥養(yǎng)分占比 海南省蔬菜作物 (葉菜、豇豆、辣椒等)化肥N、P2O5、K2O養(yǎng)分平均投入量分別為470、483、474 kg/hm2，有機(jī)肥N、P2O5、K2O投入量分別為116、48、88 kg/hm2。蔬菜作物單位面積化肥N、P2O5、K2O養(yǎng)分投入量均高于全國平均水平，分別高出48%、164%、138%。如表4所示，海南蔬菜作物中化肥養(yǎng)分投入量較高的是冬瓜、辣椒和豇豆；葉菜雖然單季養(yǎng)分投入量較低，但由于其生長周期短，一年可種植3～10茬，所以其周年的養(yǎng)分投入量也處于高位，這里我們按照海南近5年平均復(fù)種指數(shù)150%～170%[1]將4茬蔬菜計(jì)算為一季。磷投入過量在蔬菜作物表現(xiàn)尤為突出，海南蔬菜磷素投入量普遍接近甚至高于氮素。有機(jī)肥N、P2O5、K2O投入量分別占總養(yǎng)分投入量的20%、9%、16%，低于全國平均水平9%～65%。全國蔬菜作物有機(jī)肥N、P2O5、K2O投入分別為91、64、60 kg/hm2，有機(jī)肥投入的氮、磷、鉀分別占蔬菜總養(yǎng)分投入量的22%、26%、24%[32]。

表4 海南及全國蔬菜作物化肥養(yǎng)分年施用強(qiáng)度(kg/hm2·season)Table 4 Nutrient application intensity of vegetable crops on Hainan Province and the whole country

2.1.3 水果化肥施用量及有機(jī)肥養(yǎng)分占比 海南水果 (芒果、香蕉、菠蘿等)化肥N、P2O5、K2O養(yǎng)分投入量分別為473、355、493 kg/hm2；有機(jī)肥N、P2O5、K2O 養(yǎng)分投入量分別為 65、39、48 kg/hm2；水果單位面積化肥N、P2O5、K2O養(yǎng)分投入量均高于全國平均水平，分別高出20%、55%、91%。如表5所示，海南水果的養(yǎng)分投入量差異較大，其中菠蘿和香蕉化肥養(yǎng)分投入量最高，氮磷鉀養(yǎng)分投入量在2100 kg/hm2以上。水果有機(jī)肥投入的氮、磷、鉀養(yǎng)分分別占總養(yǎng)分投入量的12%、10%、9%，低于全國平均水平52%～69%。全國水果作物有機(jī)肥N、P2O5、K2O 投入分別為 132、97、105 kg/hm2，有機(jī)肥投入的氮、磷、鉀分別占水果總養(yǎng)分投入量的25%、30%、29%[32]。

表5 海南及全國水果化肥養(yǎng)分施用強(qiáng)度(kg/hm2·season)Table 5 Chemical nutrient application intensity of fruit crops on Hainan Province and the whole country

根據(jù)《海南統(tǒng)計(jì)年鑒》計(jì)算，海南省其他經(jīng)濟(jì)作物主要為橡膠和檳榔，其面積在其他經(jīng)濟(jì)作物總面積中占比分別為75%和15% (圖2)。橡膠化肥氮、磷、鉀養(yǎng)分投入量分別為 N 76 kg/hm2、P2O572 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2，檳榔分別為 N 345 kg/hm2、P2O5340 kg/hm2、K2O 357 kg/hm2。檳榔的養(yǎng)分投入較高，且種植面積增長較快，目前已經(jīng)達(dá)到水稻面積的一半左右，是海南化肥減量潛力較大的作物。由于海南其他經(jīng)濟(jì)作物種類與全國差異較大，在此不做比較。

圖2 海南省2020年主要農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)Fig.2 Planting structure of main crops on Hainan Province in 2020

2.1.4 海南各市縣化肥施用強(qiáng)度 海南化肥氮、磷、鉀養(yǎng)分面積加權(quán)平均值分別為N 261 kg/hm2、P2O5206 kg/hm2、K2O 225 kg/hm2，高出全國水平10%、101%、148%；其中化肥氮、磷、鉀占總養(yǎng)分投入量的比例分別為87%、92%、88%。18個(gè)市縣中單位面積化肥養(yǎng)分施用強(qiáng)度，呈現(xiàn)沿海市縣高于中部市縣態(tài)勢，其中最高的是昌江 (N 366 kg/hm2、P2O5291 kg/hm2、K2O 351 kg/hm2) 和?？?(N 321 kg/hm2、P2O5258 kg/hm2、K2O 295 kg/hm2)，施用強(qiáng)度最低的是白沙 (N 150 kg/hm2、P2O5101 kg/hm2、K2O 109 kg/hm2) 和瓊中 (N 163 kg/hm2、P2O5130 kg/hm2、K2O 138 kg/hm2)，昌江、?？诘?、磷、鉀投入量為白沙、瓊中等市縣的1.0～2.2倍 (圖3)。這主要和區(qū)域種植結(jié)構(gòu)有關(guān)，昌江和?？诘南憬丁⒏收?、菠蘿、辣椒和葉菜等高養(yǎng)分投入作物面積占比在全島名列前茅，而低養(yǎng)分投入的橡膠等種植面積則較小 (昌江、?？谙鹉z種植面積占全省的比例分別為3.0%和0.9%)。

圖3 海南省各市縣化肥施用強(qiáng)度Fig.3 Chemical nutrient rate intensity in cities and counties on Hainan Province

2.1.5 肥料產(chǎn)品結(jié)構(gòu) 海南主要農(nóng)作物施用的化肥中，氮肥主要以尿素為主，在氮肥中的使用比例達(dá)84% (以施用頻率計(jì)算)；磷肥以過磷酸鈣和鈣鎂磷肥為主，在磷肥中的使用比例分別為84%和16%；鉀肥以氯化鉀和硫酸鉀為主，在鉀肥中的使用比例分別為55%和31%；復(fù)合肥以不同配方的平衡肥為主，其中 15–15–15、16–16–16 和 17–17–17 的平衡肥分別占復(fù)合肥施用頻率的62%、5%、5% (圖4)，有很多農(nóng)戶施用的配方肥為作物專用配方肥，主要見于水稻、香蕉、檳榔等作物。除了這些傳統(tǒng)化肥外，不同類型的水溶肥、桶裝肥在水果、蔬菜種植中有較高的施用比例，尤其是哈密瓜、西瓜等瓜類種植。

圖4 海南化肥施用產(chǎn)品結(jié)構(gòu)Fig.4 The structures of chemical fertilizers applied in Hainan Province

有機(jī)肥施用方面，海南經(jīng)濟(jì)作物的有機(jī)肥施用比率高于糧食作物。雞糞是農(nóng)戶最常使用的有機(jī)肥，在不同類型的作物中施用比例較高；在糧食、蔬菜、水果和其他類型作物的比例分別為50%、31%、20%和41%，牛糞次之。蔬菜和水果作物羊糞的使用比例較高，分別為31%和48%，商品有機(jī)肥的使用比例較低，均在10%以下，商品有機(jī)肥主要施用于蔬菜作物。海南糧食作物、蔬菜、水果和其他經(jīng)濟(jì)作物農(nóng)戶中施用有機(jī)肥的比例分別為15%、61%、59%和47%。

2.2 典型農(nóng)作物氮磷養(yǎng)分平衡

養(yǎng)分平衡 (盈余)為總養(yǎng)分投入與有效氮磷產(chǎn)出之差，是指未被有效利用的養(yǎng)分，大多通過徑流、揮發(fā)和淋洗損失到水和空氣中，少部分貯存于土壤養(yǎng)分庫中，是反映養(yǎng)分損失環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的重要指標(biāo)[14–16]。本研究分析了海南典型作物體系水稻–蔬菜輪作以及熱帶特色水果香蕉和菠蘿的氮磷養(yǎng)分平衡(圖5)。

圖5 海南典型作物體系氮磷養(yǎng)分平衡及損失去向 [(kg/hm2·season)] [33]Fig.5 Balance and loss of N and P in typical cropping systems in Hainan Province

水稻是海南種植面積最大的糧食作物，播種面積將近30萬hm2，目前海南水稻生產(chǎn)從傳統(tǒng)的早晚雙季稻逐漸轉(zhuǎn)向水稻–蔬菜輪作模式。本研究分析了目前廣泛種植的水稻–辣椒輪作體系，該作物體系周年氮素投入為 N 798 kg/hm2，有效氮產(chǎn)出 (收獲的作物籽粒及辣椒產(chǎn)品)為 N 278 kg/hm2，每年有 N 520 kg/hm2的氮素盈余殘留在土壤或流失到環(huán)境中，周年氮素利用率為35%。全國水稻、辣椒氮素利用率分別為53%和37%[32]，均高于海南水稻–辣椒輪作體系。海南省水稻–辣椒的磷 (純磷)投入為P 268 kg/hm2，有效磷產(chǎn)出為 P 51 kg/hm2，盈余為 P 217 kg/hm2，磷素利用率為19%。盈余的氮素主要去向?yàn)榈乇韽搅骱土芟?，損失總量高達(dá)N 203 kg/hm2，磷素?fù)p失中地表徑流和淋洗總量為P 35 kg/hm2，主要的磷素盈余則被土壤固定。

香蕉是海南第二大水果作物，種植面積僅次于芒果。香蕉的平均氮素投入為N 827 kg/hm2，有效氮輸出 (香蕉果實(shí)的氮輸出)為 N 152 kg/hm2，投入產(chǎn)出均高于全國平均水平約5%[34]，氮素盈余N 675 kg/hm2，氮素利用率為18%。香蕉的磷素 (純磷)投入為P 305 kg/hm2，高出全國平均水平27%，有效磷輸出為 P 28 kg/hm2，磷素盈余 P 277 kg/hm2，磷素利用率為9%。菠蘿是海南的特色熱帶作物之一，也是海南甚至全國養(yǎng)分投入強(qiáng)度最高的作物之一，總氮投入高達(dá) N 928 kg/hm2，有效氮產(chǎn)出 (菠蘿果實(shí)氮素輸出量)為 N 260 kg/hm2，氮素盈余為 N 668 kg/hm2，氮素利用率為28%；菠蘿的磷素投入量為P 262 kg/hm2，有效產(chǎn)出為 P 34 kg/hm2，磷盈余為 P 228 kg/hm2，磷素利用率為13%[35]。

2.3 環(huán)境影響評估

海南主要農(nóng)作物單位面積環(huán)境排放較高，其中單位面積活性氮損失、單位面積溫室氣體排放和富營養(yǎng)化效應(yīng)，均以菠蘿最高 (圖6)，分別達(dá)到N 201 kg/hm2、CO2-eq 13112 kg/hm2和 PO4-eq 121 kg/hm2。此外香蕉、龍眼、甘蔗等水果的單位面積環(huán)境排放也位于前列，花生、橡膠、茶葉等單位面積環(huán)境排放值相對較低?；钚缘獡p失的4個(gè)途徑中，貢獻(xiàn)最大的是施用階段硝酸鹽淋洗達(dá)85%，其次是氨揮發(fā)、氧化亞氮排放和肥料生產(chǎn)運(yùn)輸階段產(chǎn)生的活性氮損失。單位面積溫室氣體排放的調(diào)查結(jié)果表明，肥料生產(chǎn)運(yùn)輸過程產(chǎn)生的溫室氣體排放與施用階段相當(dāng)。在單位面積富營養(yǎng)化潛值中，肥料施用階段排放較大，氮肥和磷肥肥料施用過程對富營養(yǎng)化效應(yīng)的貢獻(xiàn)度分別為62.5%和35.7%。

圖6 海南主要作物的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評估Fig.6 Assessment of environmental risks of the main crops in Hainan Province

3 結(jié)論與建議

本研究通過對1199個(gè)農(nóng)戶生產(chǎn)樣本的深入分析，得出海南的氮肥單季投入強(qiáng)度高于全國10%，磷、鉀投入超出全國平均水平的1.0、1.5倍。農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)和肥料產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致磷鉀過量施用的重要因素。海南經(jīng)濟(jì)作物種植面積在總種植面積中占比達(dá)80%以上，位居全國前列，經(jīng)濟(jì)作物施肥過分偏重高磷鉀濃度的平衡復(fù)合肥。種植結(jié)構(gòu)的差異是也導(dǎo)致海南省沿海市縣養(yǎng)分投入大于中部市縣的主要原因。此外，海南的有機(jī)肥占比較低，氮磷鉀有機(jī)養(yǎng)分投入分別占總養(yǎng)分投入的13%、8%、12%，分別低于全國水平。全國氮、磷、鉀有機(jī)養(yǎng)分投入分別占總養(yǎng)分投入的18%、24%、29%[32]。有機(jī)肥比例偏低一方面是因?yàn)榛蕪?qiáng)度基數(shù)大，拉低了有機(jī)肥的占比；另一方面是因?yàn)楹Ｄ嫌袡C(jī)廢棄物的循環(huán)比例較低，僅為48%，一半以上的有機(jī)肥資源未被有效利用并成為環(huán)境污染的來源。

海南典型農(nóng)作物的養(yǎng)分平衡狀況：香蕉、菠蘿的氮盈余分別為 N 675 kg/hm2和 N 668 kg/hm2，磷盈余分別為 P 277 kg/hm2和 P 228 kg/hm2。以氮為例，是安全環(huán)境閾值的8倍以上，是歐盟盈余指標(biāo)的13 倍以上 (氮素安全盈余閾值為 N 80 kg/hm2[16]，歐盟規(guī)定了每年土壤氮盈余不得超過N 50 kg/hm2[36])。高強(qiáng)度的施肥也導(dǎo)致菠蘿、香蕉體系的各項(xiàng)環(huán)境影響均較高，是水稻環(huán)境排放的3～4倍。海南島熱帶特色蔬菜和水果的大幅度增產(chǎn)背后是高額的環(huán)境代價(jià)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式亟待轉(zhuǎn)型。針對以上問題，提出以下幾點(diǎn)建議：

1)根據(jù)作物的需肥特征，進(jìn)一步優(yōu)化肥料產(chǎn)品結(jié)構(gòu)；制定作物專用肥配方，降低高磷配方復(fù)合肥的比例，在配方肥的基礎(chǔ)上完善功能肥、水溶肥的搭配，建立科學(xué)施肥技術(shù)體系及規(guī)程，并覆蓋到主要作物的主要區(qū)域。

2)在作物配方肥及科學(xué)施肥體系下，實(shí)施化肥定額制 (氮、磷、鉀定額)和實(shí)名制度，限制化肥投入量；并將肥料定額和作物科學(xué)施肥與本地的綠色農(nóng)產(chǎn)品或地標(biāo)農(nóng)產(chǎn)品認(rèn)證相結(jié)合。

3)穩(wěn)定糧食作物種植面積，限制經(jīng)濟(jì)作物種植面積的進(jìn)一步增加，特別是檳榔，其種植面積已擴(kuò)大到水稻的一半，而施肥強(qiáng)度則和水果等經(jīng)濟(jì)作物相當(dāng)。

4)規(guī)范主要作物施肥強(qiáng)度監(jiān)控指標(biāo)，構(gòu)建覆蓋全島的主要作物施肥強(qiáng)度監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

5)加強(qiáng)不同作物體系養(yǎng)分循環(huán)和損失途徑的科學(xué)研究，建立養(yǎng)分綜合管理指標(biāo)體系，以控制面源污染。