快速城市化背景下县域尺度农田氮素平衡状况的演变——以江苏省宜兴市为例

宁 彤,高 超,许有鹏 (南京大学地理与海洋科学学院,江苏 南京 210093)

快速城市化背景下县域尺度农田氮素平衡状况的演变
——以江苏省宜兴市为例

宁 彤,高 超*,许有鹏 (南京大学地理与海洋科学学院,江苏 南京 210093)

以苏南宜兴市为例,通过收支计算,揭示快速城市化背景下县域尺度农田土壤氮素平衡的演变及其主要影响因素.结果表明,自 1985年以来,由于化肥施用量的大幅度下降和有机肥使用的减少,宜兴市农田氮素输入总量减少,氮素盈余由1985年的131.7kg/hm2减少至2008年的 5.0kg/hm2,收支逐渐趋于平衡.这一变化有利于减少农田生态系统氮素的积累,从而降低非点源污染的危害.然而,人畜排泄物利用的减少虽然能够在一定程度上降低农田氮素的盈余,但增加了向水体的直接排放,从全局考虑不利于区域水环境质量的改善.

养分平衡；氮肥损失；环境效应；宜兴市；城市化

农田生态系统的养分平衡状况是评价农业可持续发展重要的可量化指标之一[1-2].适量的养分投入可保持和提高土壤肥力,有利于维持土壤生产力和农田生态系统的稳定.但如果养分投入量过多,剩余的养分向系统外的损失量也随之增加,不仅造成资源的严重浪费,而且会对环境产生种种负面影响[3-4].我国的农业非点源污染正呈现逐渐加重的趋势[5-6],揭示区域土壤养分平衡状况的变化趋势和原因,分析其对土壤肥力和区域环境质量的影响,具有重要的意义.

前人广泛开展了农田养分平衡状况的研究,研究尺度小到田间、农场,大到国家、大陆甚至全球[7-11].这些研究虽然层次不一,侧重点也不一样,但已经基本形成了固定的氮收支计算方法和模式.在已有研究中,往往仅考虑区域的环境状况未能将农田养分平衡与地区的社会经济状况变化联系起来,尤其是对于经济高速发展、城市化水平大幅度提高背景下农田养分平衡状况演变的相关研究,基本未见报道.我国改革开放 30年来,城乡人民的生活水平有了大幅度的提高,生产和生活方式有了显著的变化,这些变化不可避免地影响到各地的农田养分管理措施[12-13].在此背景下,对于农田养分的估算和研究分析就必须考虑到社会经济的因素,为体现这一影响,本研究以长江三角洲经济较为发达的宜兴市为例,对比该市1985年、2003年和2008年的农田土壤氮素收支状况,以分析快速城市化背景下农田氮素平衡状况的演变特征.

1 研究区域和研究方法

1.1 研究区域

宜兴市地处江苏省南端,太湖西岸.区内除南部为丘陵山区外,大部分为平原和圩区.属亚热带季风气候,全年温暖湿润,降雨充沛,年均温15.7,℃年均降雨量1177mm,是著名的鱼米之乡.全市总面积2038.7km2(包括太湖水面),2008年末,区内耕地面积66120hm2,耕作制度主要为两熟制的稻麦(油)水旱轮作.年末总人口 106.8万,城市化率49.7%.

1.2 氮收支模型与参数选取

农田生态系统氮素收支状况是其输入量和输出量的差额,即

计算所用的人口数量、耕地面积、作物播种面积及收获量、化肥施用量和畜禽养殖等数据资料主要来自统计年鉴[14-16]和相关调查工作.各项参数的选取主要包括:1985年和 2003年后的大气降水氮浓度[17-18];不同作物的固氮系数[19];人畜排泄物氮含量[20].1985年的人畜排泄物和农作物残余部分的返田率根据《江苏省宜兴县土壤志》[21]中有关有机肥制造和施用量的记载来估算.2000年后的人畜排泄物返田系数为 40%[20].农作物返田率按60%计,作物收获部分(籽实和秸秆)的含氮量参照IPCC数据取值[22].根据前人的农田实验观测数据,确定化学氮肥的反硝化损失率为 18% ,有机肥的损失率确定为 13% .氨挥发系数根据水田和旱地分别确定[25].土壤淋洗和径流损失的氮占各种形式氮肥输入的11.4%[23].

2 结果与讨论

2.1 宜兴市社会经济发展特征及城市化进程

表1 宜兴市社会发展概况Table 1 Main characters of social development of Yixing

改革开放以来,宜兴市社会经济发展迅速,在全国县域经济基本竞争力与科学发展评价中的排名由2000年的第14位上升到2009年的第6位.自1985到2008年,城市化率由12.7%上升至49.7%.随着经济的发展和城市化水平的不断提高,农业在GDP中所占比重不断下降,2008年已经低于 5%.很多农户不再将农业生产作为主要经济来源,投入农业的劳动力也逐渐减少.与此同时,第二产业占 GDP比重不断上升,这同城市化水平的不断升高共同导致了宜兴市能源消耗量的不断增高,仅从2003年到2008年,能源消耗量便增长了近 1倍.农业生产方式也发生了显著变化,如 2008年宜兴市的规模化养殖率已经达到65%,机械收割面积达到总耕地面积的90.5%.

城市化水平的提高和居民生产、生活方式的变化对区内农田生态系统养分循环的影响主要表现在:绿肥种植和有机肥料收集减少而化肥施用量增加、畜禽养殖方式由原来的散养为主变为规模化养殖为主以及人粪尿农用利用率的大幅度减少[27].

2.2 宜兴市农田氮素收支状况的演变及其原因

通过计算,得到宜兴市 1985年、2003年和2008年农田土壤氮素总收支和单位耕地面积收支状况如表2所示.1985、2003和2008年宜兴市农田土壤氮素总输入分别为 51225.2t、33068.5t和27715.6t,同期总输出分别为41146.1t、25229.9t和 27383.0t,总输入均大于输出.三个时期分别有10079.1t、7838.5t和332.6t氮素储存于农田土壤中,分别占各年输入总量的19.7%, 23.7%和1.2%.

各年总收支中,占输入比例最大的是肥料的输入,包括化肥和有机肥.研究年份中,以肥料形式输入土壤的氮占各年总输入量的 80%以上,体现出人类在农田系统养分平衡中的主导地位.作物收获为农田氮素最主要的输出途径,分别占1985、2003和 2008年土壤氮素总输出量的41.8%、37.6%和48.5%.除此之外,农田氮素以各种方式损失,其他途径的损失大小顺序为氨挥发＞反硝化作用＞径流和淋洗.

表2 宜兴市农田土壤氮素收支Table 2 Nitrogen budgets of farmland soil in Yixing

总输入和总输出各项总体来看呈现下降趋势,尤其体现在化肥和有机肥使用总量的减少上.造成这一现象的主要原因是当地农业生产规模的下降.自1985年到2008年,宜兴市城镇化率由12.7%上升至49.7%,农业人口总数下降了39.1%.随着农业人口的不断下降,农业生产规模不断减小,复种指数下降.快速城市化过程中耕地面积大量减少是生产规模下降的另一重要原因.两期对比,研究区耕地面积减少 13.7%,由 1985年的76.6×103hm2减少到2008年的66.1×103hm2.20多年间,全市作物产出下降了 31.0%,农业产值占GDP比重由28.9%下降至3.6%.农业生产规模的减小直接导致了化肥和有机肥使用的减少.同时,农村劳动力机会成本的增加,使得农民种植绿肥和利用人畜粪便的积极性下降,绿肥种植的大面积减少,也降低了通过生物固氮途径进入土壤的氮素总量.通过秸秆返田的氮总体呈现减少趋势,2003年作物秸秆返田的氮仅为1985年的1/3左右,但近年有所增加.

输入项中大气沉降中的氮有所增加,主要是因为研究区工业化和城市化进程加快,能耗增加,更多的氮素通过化石燃料燃烧被活化后进入大气,导致大气中活化氮含量增加造成.实测数据也显示,研究时段降水中的无机氮浓度有了明显的增加[17-18],降水中含氮量的增加导致了通过干湿沉降方式输入土壤的氮量增长.

相比总量,单位耕地面积土壤的氮收支更能体现氮素在土壤中的利用和积累状况.1985到2008年,化肥施用量由 480.2kg/hm2下降到310.2kg/hm2,有机肥的施用总量也有了明显下降单位面积农田氮输入由 1985年的 669.2kg/hm2下降到2003年的515.7kg/hm2,到2008年进一步下降至 419.2kg/hm2.2008年通过作物收获输出的氮素和1985年相差不大,考虑到肥料施用量的大幅下降,说明氮肥利用效率有了一定的提高.1985,2003,2008年农田氮收支差额分别为131.7,122.2,5.0kg/hm2.2008年的农田氮收支基本已经达到平衡状态.

图1 研究年份输入、输出各项百分比Fig.1 The percentage of input and output in study years

从输入和输出各项的比例来看,各年单位耕地面积化肥输入均占到总输入的 70%以上,且这一比例相比1985年略有增加(图1a).这是由于虽然近年来化肥施用量有较大幅度下降,但除大气沉降外的其它各输入项也都有所下降,因此化肥占输入比例反而上升.通过秸秆返田形式输入土壤的氮素比例上升,这同区内秸秆收集率的下降有关,选多作物残留部分直接在田中堆放下来.大气沉降氮占输入比例由 1985年的 2.1%上升到2008年的 4.1%,呈现增加趋势.输出项中作物收获所占比例由1985年的33.6%下降到2003年的28.7%,后又上升到2008年的48.0%(图1b),这主要与各年的产量有关.由于各种肥料的施用量都呈下降趋势,因此通过氨挥发、反硝化、径流和淋洗等其它各项输出减少,其比例近年来都有所降低.

2.3 农田氮素收支状况变化的环境效应分析

从1980年代初期至2000年,研究区单位耕地面积的化肥用量是持续上升的[12].由于化肥施用量过高,单位农田面积的氮盈余量在 1985年至2003年间保持在120kg/hm2以上的较高水平.如此高的盈余量必然导致氮素在农田土壤中的不断积累,进而增加农田氮素的流失风险.事实上,太湖地区农业非点源污染对流域水环境质量的影响一直受到高度关注[5].近 5年来农田氮素的盈余急剧下降,现已达到基本平衡状态.这一积极的变化也正是人们逐渐重视治理农业非点源污染的结果.2007年太湖蓝藻大暴发以来,太湖流域内已实施了多项农业非点源污染的治理措施,其中包括环太湖地区的化肥减量化工程.宜兴市地处太湖西岸,是太湖治理的重点区.该市通过各种措施降低了化肥的施用量,这是近两年农田氮素趋于平衡的主要原因.肥料施用量的大幅下降,氮肥利用效率有所提高,有利于太湖水环境质量的改善.应当继续保持这种氮素基本平衡的状况,使得从农田生态系统流失的氮素处于较低的水平.

另一方面,人畜排泄物农用的减少也是区内农田氮素总输入和盈余减少的原因之一.由表 2可见,人畜排泄物氮的输入总量由 1985年的约6000t下降到2008年的3468t,单位耕地面积的输入量由 78.6kg/hm2下降到 52.5kg/hm2,净减少26.1kg/hm2.下降幅度对农田氮素的盈余减少有一定贡献.然而从全局考虑,人畜排泄物利用的减少不利于区域水环境质量的改善.这是因为通过农田循环利用的人畜排泄物中的养分虽然不能全部为作物所利用,但仅有一小部分会流失到环境之中,而在目前环境基础设施仍较落后的条件下,城乡生活污水和养殖废水的处理能力较弱,未参与农田循环利用的人畜排泄物中的养分有较大一部分进入水体,其对水环境的影响是直接的.

研究区所在的长江三角洲地区是我国精细化农业的代表地区之一,当地农户很早便发展了对人畜排泄物以及作物残余部分的有机肥加工技术.但是随着当地经济和技术的不断发展,化肥的价格相对变低,而有机肥的加工往往又耗费大量的人力物力和时间成本,且短期肥效没有化肥明显,因此有机肥施用量以及在肥料结构中所占比例不断下降.弃用有机肥资源利用所造成的负面影响已受到广泛的关注[6,27].

研究区氨挥发和反硝化作用导致的氮素损失是除了作物收获之外的最主要输出方式,其损失量一直占化肥输入氮的 50%左右,过高的气态损失是导致氮肥利用效率较低的重要因素之一.在氨挥发和反硝化作用的过程中,不仅有NH3和N2释放到大气中,而且有大量的N2O和NOx释放,对大气环境质量产生负面影响.

2.4 不确定性分析

由于氮收支计算中所用参数受到多种因素的综合影响,存在一定的变异性,因此给计算结果带来了不确定性.氮收支各项中存在变异的参数包括大气降水氮浓度、人畜排泄物返田率、作物秸秆返田率、反硝化和氨挥发系数、淋洗和径流系数.利用敏感性分析方法,以 2008年为例,分析农田氮收支计算对以上参数变化的敏感性.由于氮收支计算中均为线性计算,因此对于任何一个项目,其敏感系数固定,计算结果如表3所示.

表中敏感系数表示在某一参数变化100%时,对应氮输入或输出总量计算结果的变化.分析结果表明,对氮平衡计算对各参数变动的敏感性较低,这主要是由于存在变动的参数对应的输入输出项目占总输入输出比例较小造成的.其中＞0.20的仅有氨挥发敏感系数 0.23,即氨挥发系数变动 10%,氮输出总量仅变动 2.3%.不确定分析的结果表明,对农田土壤氮平衡状况的计算较为准确,基本不存在因参数变化而导致的计算结果较大波动.

表3 各项目敏感系数Table 3 Sensitivity coefficients of items

3 结论

3.1 快速城市化进程导致农业生产规模和生产方式的变化,在一定程度上影响农田养分平衡状况.1980年代中期以来,宜兴市农田土壤氮收支始终处于盈余状态,其主要原因是2000年以前区内化肥用量持续增加.近年来随着化肥和有机肥用量的迅速下降,农田氮盈余也逐渐减少,现已处于基本平衡状态.继续保持这种状态有利于减少农田氮素向水体的流失,降低非点源污染的危害.

3.2 人畜排泄物农用的减少虽然能够在一定程度上降低农田氮素的盈余,然而从全局考虑却不利于区域水环境质量的改善.因为在目前环境基础设施仍较落后的条件下,城乡生活污水和养殖废水的处理能力较弱,未参与农田循环利用的人畜排泄物中的养分有较大一部分进入水体,对水环境产生直接影响.

3.3 分析表明计算结果不确定性较小.然而某一区域的农田存在多种不同的利用方式,化肥的施用类型也往往因地而异,将来的研究需将这些因素进一步细化并加入到农田养分平衡计算的框架中.

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County-level changes in nitrogen budgets in agroecosystems against the background of rapid urbanization: A case study of Yixing Municipality in Eastern China’s Jiangsu Province.

NING Tong, GAO Chao*, XU You-peng (School of Geographic and Oceanographic Sciences, Nanjing University, Nanjing 210093, China). China Environmental Science,2011,31(4)：668～673

Nitrogen budgets in agroecosystems in the year 1985, 2003 and 2008 were calculated for Yixing Municipality in Eastern China’s Jiangsu Province. Nitrogen surpluses on farmland was as high as 131.7 kg/hm2in 1985, but had dropped sharply in recent years. By 2008, it had reached a well balanced nitrogen supply due to a remarkably lower input and the surplus was only a 5.0 kg/hm2. Reduced application of chemical fertilizers was the main explanation for the decreasing nitrogen input. Another major reason for the lower nitrogen input was the decreasing recycling of organic wastes in agriculture as the region became more and more urbanized. Reduced nitrogen surplus in farmlands favors the remediation of water pollution from non-point source. However, parts of discarded organic wastes are discharged into surface water without or with little treatment, posing new challenges to water quality management.

nutrient budgets；nitrogen losses；environmental effect；Yixing Municipality；urbanization

X825

A

1000-6923(2011)04-0668-06

2010-09-03

国家自然科学基金资助项目(40730635)

* 责任作者, 教授, chgao@nju.edu.cn

宁 彤(1986-),男,山东青岛人,南京大学硕士研究生,主要从事土地利用变化的环境效应研究.发表论文1篇.