河北省不同利用方式农田土壤氮磷环境风险分析*

李　玲,段英华,徐明岗※,Mishima Shin-Ichiro,Chien Hsiaoping

(1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地培育技术国家工程实验室，北京　100081；2.日本农业环境研究所，日本筑波　305-8604； 3.日本国际农林水产业研究中心，日本筑波　305-8686)



·中日合作项目——“北方农业循环型系统设计与评价”专栏·

河北省不同利用方式农田土壤氮磷环境风险分析*

李玲1,段英华1,徐明岗1※,Mishima Shin-Ichiro2,Chien Hsiaoping3

(1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地培育技术国家工程实验室，北京100081；2.日本农业环境研究所，日本筑波305-8604； 3.日本国际农林水产业研究中心，日本筑波305-8686)

弄清不同利用方式农田土壤氮磷养分平衡状况，进而明确其环境风险特征，为进一步指导土壤养分管理及环境政策制定具有重要意义。研究以河北省的粮田、果园和菜地为研究对象，通过分析三种利用方式氮磷的输入、化肥和有机肥的分配比例及氮磷养分的盈余状况，并结合化肥使用环境风险指数，评价三种不同利用方式化肥氮磷的环境风险类型。结果表明，氮总输入量为菜地明显高于果园和粮田，磷总输入量为菜地和果园明显高于粮田，且粮田和菜地氮磷输入主要以化肥为主。三种不同利用方式农田氮磷均呈盈余状态，其中氮盈余率为果园(532.6%)明显高于菜地(61.5%)和粮田(31.6%)，磷盈余率为菜地(700.4%)和果园(615.7%)明显高于粮田(66.6%)。化肥氮磷的环境风险指数均为菜地(0.83)明显高于粮田(0.59-0.62)，三种不同利用方式下化肥氮磷的环境风险类型均达低度风险及以上，特别是菜地达严重风险。为了农业的可持续发展，河北省粮田应控制氮磷肥的投入，果园和菜地应加大减少氮磷肥化肥投入，以减少对环境的潜在危害。同时为了更好地培肥地力，在控制施肥总量的前提下应加大粮田和菜地有机肥的投入比例。

环境风险养分平衡氮磷利用方式农田

0　引言

肥料是重要的农业生产资料，是粮食的“粮食”，在保障我国粮食安全中发挥不可替代的支撑作用[1]。我国以占世界7%的耕地养活占世界22%的人口，应该说一半归功于肥料的作用。其中化肥在促进粮食安全和农业生产发展中起了不可替代的作用，其使用对我国粮食增产的贡献在40%以上[1]。但目前存在化肥使用量远高于世界平均水平，且化肥利用率不足1/3，同时存在施肥不均衡、结构不合理，存在重化肥、轻有机肥等问题[2， 3]，从而引起水体富营养化、土壤理化性质变差、耕层变浅、农产品质量下降等问题日益突出，对我国的生态环境造成极大的威胁[4-5]。因此为了保持土壤的可持续发展，响应中央文件《力争到2020年实现化肥使用零增长》，应加大土壤养分资源的环境风险分析，以进一步指导科学施肥及养分资源管理。

农田土壤养分的输入与输出决定了土壤养分库的盈亏及土壤肥力的发展方向，同时对环境产生潜在的影响[6]。养分平衡状况早已成为欧美发达国家养分管理和环境政策制定的重要依据[7]。鲁如坤等[7]总结了我国40多年来农田的养分平衡状况，发现自20世纪70年代以来氮磷开始出现盈余，且近10年来随着农业集约化的发展，种植业结构和施肥水平发生较大变化，氮磷的盈余更加明显[8]。不同区域、不同作物及产量的差异，导致作物对养分的需求及输出不同，使养分平衡具有差异性，从而对环境的影响不同[8， 9]。如柏兆海等[9]通过比较京郊平谷区不同作物体系中土壤磷素累积对环境的影响，发现菜地和果园的年际磷盈余量明显高于粮田。孙旭霞研究了廊坊市菜地和粮田的养分平衡，发现菜地氮磷盈余量分别是粮田的18倍和78倍[10]。曹宁等[11]对东北地区土壤氮磷养分平衡状况及其对面源污染的贡献进行了研究，指出不同种植区化肥投入具有较大差异，其中果树蔬菜种植比例的增加是造成农田土壤氮素盈余增加的重要原因。河北省地处京津唐环渤海经济圈，集约化程度较高，果树栽培面积和蔬菜种植面积均位列全国第二位[12， 13]。目前河北省农田土壤养分的总体平衡现状已有报道[14]，而对于不同利用方式下土壤氮磷养分的环境风险分析还缺乏系统的研究。

针对以上问题，文章选取河北省各地区果园、菜地和粮田为研究对象，通过系统分析不同利用方式土壤氮磷养分的收支平衡状况，并结合化肥使用环境风险指数，评价三种不同利用方式化肥氮磷的环境风险差异，为进一步指导土壤养分管理及环境政策制定提供理论依据。

1　材料与方法

1.1研究区的选取

该研究选取河北省各地区的粮田、果园和菜地为研究对象。河北省地处东经113°27′～119°50′，北纬36°05′～42°40′之间，地势西北高、东南低，由西北向东南倾斜。地貌复杂多样，高原、山地、丘陵、盆地、平原类型齐全，属温带大陆性季风气候。

1.2基础数据

该研究主要以搜集文献的方式进行，主要资料来自中国知网的期刊论文。为了更好地比较粮田、果园和菜地氮磷养分的环境风险，该研究选取了2005～2010年间具有面上调查数据的文献资料，基础数据包括农田氮磷养分的输入量及输出量，同时结合相关年鉴统计资料。

1.3计算方法

养分平衡=养分输入-养分输出

其中养分输入包括化肥、有机肥、大气干湿沉降、灌溉水、生物固氮、种子养分等。

养分输出=作物移走+养分损失

养分损失=化肥损失+有机肥损失+大气干湿沉降损失+灌溉水损失

农田土壤养分盈亏率=(输入-输出)/输出×100%

化肥使用环境风险指数(Ri)=Fi/(Fi+Ti)[15]，其中Ri为单质化肥(氮、磷)污染环境风险指数，Fi为化肥使用强度，是指单位面积耕地使用的化肥量(kg/hm2)，Ti为单质化肥环境安全阈值(氮为125kg/hm2，磷为62.5kg/hm2)。

1.4数据处理

数据采用Excel2007和Spss16.0进行统计分析，作图采用Sigmaplot12.5软件。

2　结果与分析

2.1氮磷养分的输入

不同利用方式氮磷养分的投入具有差异性(图1A)，以菜地氮磷肥的投入量最高。统计分析表明菜地氮肥的投入量明显高于果园和粮田(P<0.05)，菜地和果园的磷肥投入量明显高于粮田。由氮肥分配比例来看(图1B)，粮田和菜地来自化肥的氮占总氮输入量的比例为70%左右，明显高于果园(P<0.05)。而果园来自化肥和有机肥的氮基本持平。由磷肥的分配比例来看(图1C)，3种不同利用方式来自化肥的磷占60%以上，特别是粮田达到85%。

2.2氮磷养分平衡

3种不同利用方式氮磷养分均出现盈余，其盈余量的变化趋势同养分输入量的变化趋势基本一致，均以菜地和果园的盈余量最高，粮田最低(图2A)。由养分的盈余率来看(图2B)，菜地和果园磷素的盈余率明显高于氮素，粮田、果园和菜地磷素的盈余率分别是氮素的2.1、2.0和15.0倍。其中氮肥盈余率以果园最高(532.6%)，菜地和粮田次之(61.5%和31.6%)； 磷肥盈余率以菜地和果园最高(700.4%和615.7%)，粮田最低(66.6%)。

图1　不同利用方式氮磷养分总投入量(A)及氮(B)、磷(C)在化肥和有机肥中的分配比例

图2　不同利用方式氮磷养分盈余量(A)和盈余率(B)

2.3氮磷养分的环境风险分析

由不同养分的盈余率来看，当农田氮素平衡盈余率大于20%时，可对环境产生潜在的威胁[16]。该研究中3种不同利用方式氮素的盈余率均超过20%，特别是果园和菜地的盈余率均超过50%，对环境的潜在威胁相对较高。与氮肥相比，磷肥具有较高的后效性，所以磷肥的盈余率允许超过80%[16， 17]，甚至在磷素较低的红壤区旱地磷的平衡允许有100%～150%的盈余[16]，而该研究中除了粮田的磷肥盈余率在相对允许范围内，菜地和果园的磷肥盈余率已经严重超标，对环境的潜在威胁较大。

表1　化肥使用环境风险指数(Ri)

利用方式氮肥磷肥环境风险指数环境风险类型分类依据环境风险指数环境风险类型分类依据粮田0.620.08低度风险施肥量不超过安全阈值2倍0.590.07低度风险施肥量不超过安全阈值2倍果园0.580.07低度风险施肥量不超过安全阈值2倍0.720.07中度风险施肥量不超过安全阈值3倍菜地0.830.02严重风险施肥量不超过安全阈值4倍0.830.01严重风险施肥量超过安全阈值4倍以上

刘钦普[15]根据环境风险指数模型得出250kg/hm2可作为化肥使用环境安全阈值，其中氮、磷、钾三元素的环境安全阈值分别为125kg/hm2、62.5kg/hm2、62.5kg/hm2。并按照化肥使用量超过环境安全阈值的倍数，把化肥使用环境风险程度从环境安全到严重风险分为6个不同的等级类型。并把环境风险指数0.5作为安全界线，低于0.5对环境没有风险。该研究中3种不同利用方式氮肥的环境风险指数为0.62～0.83，磷肥为0.59～0.83，可见氮磷肥均对环境具有明显影响。其中粮田氮磷的环境风险类型均为低度风险，果园磷的环境风险类型为中度风险，而菜地氮磷的环境风险类型均达到严重风险。

3　讨论

3.1氮磷存在环境风险的原因

(1)作物间不平衡施肥现象突出。粮食作物与果树、蔬菜等经济作物相比，经济效益相对较低，为了追求更多的经济效益，农民更倾向于把肥料投入到果园和菜地，如该研究菜地氮肥的投入量是粮田和果园的2.8和2.0倍，菜地磷肥的投入量是粮田和果园的4.3和1.3倍，从而导致果园和菜地氮磷养分的盈余量和盈余率明显高于粮田。这种现象不只发生在河北省，全国范围内同样存在[8， 18]。与一般农田相比，菜地的灌溉强度大[19]，加上高强度的施肥量，导致氮素的淋洗损失及径流损失更为严重。长期以来人们一直认为土壤对磷具有较强的固持能力，而忽视其淋溶的危害。目前研究表明磷的地下淋溶损失与地表径流损失同样要引起重视[20]，特别是针对高度集约化的菜地。作物间不平衡施肥可影响作物间的均衡增产，进而影响各种作物总产量的提高[18]，从而制约农业的总体发展水平。

(2)过量使用化肥仍普遍存在。化肥为我国的粮食增产发挥了重要作用，特别是建国后到2000年，化肥使用量与粮食增产是同步的[1]，但此后我国化肥使用量仍持续高速增长，而粮食增产并不与之同步，出现所谓的报酬递减现象[2]。与此同时，过量使用化肥带来的环境负效应日益突出，如水体富营养化、土壤酸化、农产品品质下降等，严重危险了农业的可持续发展[21-23]。研究表明氮的损失率约为50%[8]，损失的氮成为水体富营养化及温室气体N2O的重要来源。盈余的磷肥可引起水体蓝绿藻的爆发。该研究3种不同利用方式下化肥氮磷使用环境风险指数均已超过安全界线，特别是菜地化肥氮磷的施肥量已超过安全阈值的4倍以上。由化肥与有机肥的平衡来看，粮田来自化肥的氮磷是来自有机肥的4.5和9.6倍，果园来自化肥的氮磷是来自有机肥的0.9和1.5倍，而菜地来自化肥的氮磷是来自有机肥的2.3和2.4倍。可见，除了果园氮肥来自化肥与有机肥的比例基本持平外，粮田和菜地的氮磷输入主要来自化肥，特别是粮田来自有机肥的氮磷比例不超过总投入量的15%。

(3)缺少养分平衡施肥意识。为了追求高产，农民盲目施肥，总以为投入的越多，产量越高，但实践证明近20年来我国肥料用量增加的同时，粮食产量却增加缓慢，可见养分输入和输出是不平衡的。农田生态系统输入输出的平衡是评价养分管理可持续发展的重要指标，该研究不同利用方式下氮磷均出现盈余，特别是菜地和果园的盈余率明显高于粮田，且磷肥盈余率总体高于氮肥。

3.2采取的改进措施及建议

(1)作物之间要均衡合理施肥。应根据粮食作物、果树、蔬菜的需肥规律合理施肥，同时可以根据不同作物的推荐施肥量进行施肥[18]，提高养分资源利用效率，挖掘作物产量潜力和提高土地生产力，不要过度依赖肥料的过量投入[2]，从而实现资源节约、环境友好、养分高效的可持续发展的目标。

(2)化肥与有机肥要合理配施。为了土壤的可持续发展，要做到用地与养地相结合。加强有机肥资源的利用，大力开展有机肥替代化肥技术，改善土壤结构，提高土壤肥力。特别是对研究区的粮田，应加大有机肥的投入力度，从而更好的培肥地力，提高粮食作物的增产潜力。同时也应明确，有机肥的使用量并不是越多越好，过量施入有机肥同样也会污染环境，且要重视有机肥的质量[18， 24]。

(3)提高农民养分平衡施肥意识。农业农村服务部门如农技推广站应大力宣传平衡施肥技术，大力推广测土配方施肥技术，根据作物的需肥规律、土壤供肥性及肥料效应，实现各种养分的平衡供应，满足作物的需求，克服盲目过量施肥，节省开支并减少对环境的危害。

(4)大力推广缓/控释肥料。缓/控释肥料指肥料养分释放速率缓慢，释放期较长，依据不同作物的需肥特性及生长规律，采用物理、化学和生物学等技术调节和控制养分的释放，满足整个生长期作物生长所需的肥料，因此缓控释肥料被称为“21世纪新型环保肥料”。缓/控释肥料具有提高化肥利用率、减少使用量与施肥次数、降低生产成本、减少环境污染、提高农作物产品品质等优点。因此，大力普及缓控释肥料知识，实现缓控释肥料下乡、服务进村、技术入户，更好地指导农民施肥技术，也是提高肥料利用效率，降低环境风险的重要途径之一。

4　结论

河北省菜地氮磷输入量明显高于粮田和果园，且粮田和菜地氮磷输入主要以化肥为主。粮田、果园和菜地的氮磷均呈盈余状态，氮的盈余率为果园明显高于菜地和粮田，磷的盈余率为菜地和果园明显高于粮田，且总体上磷肥的盈余率高于氮肥。三种利用方式下氮磷肥的环境风险达低度风险及以上，特别是菜地氮磷肥的环境风险达严重风险。因此该研究区粮田应控制氮磷肥的投入，果园和菜地减少的比例应相应增大，以减少对环境的负面影响。同时为了更好地培肥地力，在控制施肥总量的前提下应加大粮田和菜地有机肥的投入比例。

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ENVIRONMENT RISK ANALYSIS OF SOIL NITROGEN AND PHOSPHORUS IN FARMLANDS OF HEBEI PROVINCE WITH DIFFERENT LAND USE*

Li Ling1，Duan Yinghua1，Xu Minggang1※，Mishima Shin-Ichiro2，Chien Hsiaoping3

(1.National Engineering Laboratory for Improving Quality of Arable land，Institute of Agricultural Resources and Regional Planning，Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China；2.National Institute for Agro-Environmental Sciences，Tsukuba 305-8604, Japan；3.Japan Institutional Research Center for Agricultural Sciences，Tsukuba 305-8686, Japan)

Understanding nutrient balance of soil nitrogen and phosphorus and its environmental risks in farmlands with different land use is critical to guide the nutrient management and formulate environmental policy. Taking the grainfield, orchard and vegetable field of Hebei province as an example, this paper analyzed the input of nitrogen and phosphorus, proportion of chemical fertilizer and organic fertilizer, nutrient surplus and fertilization environmental risk indexes, and further evaluated the environmental risk of chemical fertilizer N and P in the three land use farmland. The results showed that nitrogen input was significantly higher in the vegetable field than that in the orchard and grainfield, and phosphorus input was significantly higher in the vegetable field and orchard than that in the grainfield. A large part of nutrient source was from chemical fertilizer in the grainfield and vegetable field.Nitrogen surplus was significantly higher in the orchard (532.6%) than that in vegetable field (61.5%) and grainfield (31.6%). Phosphorus surplus was significantly higher in the vegetable field (700.4%) and orchard (615.7%) than that in the grainfield (66.6%). Fertilization environmental risk index was significantly higher in vegetable field(0.83) than that in grainfield (0.59-0.62). Types of environmental risk of nitrogen and phosphorus in the three farmlands were all exceeded light risk. Especially, fertilization environmental risk in vegetable field was more serious.It suggested that the input of chemical fertilizer nitrogen and phosphorus should be reduced, especially in the orchard and vegetable fields, to reduce the potential environment harm and maintain the sustainable development of agriculture. Meanwhile, the proportion of organic fertilizer input in the grainfield and vegetable field should be enhanced to improve soil fertility under the controlling of total amount of fertilizer.

environmental risk； nutrient balance； nitrogen and phosphorus； land use； farmland

10.7621/cjarrp.1005-9121.20160714

2016-02-03

李玲(1978—)，女，山东莱州人，副教授。研究方向：土壤培肥与改良。※通讯作者：徐明岗(1961—)，男，陕西武功人，研究员。研究方向：土壤肥力演变、污染土壤修复及区域治理。Email：xuminggang@caas.cn

X822.1; S158

A

1005-9121[2016]07-0096-06

*资助项目：中-日国际合作项目“华北农田环境负荷评价”；农业公益性科研项目(201203030)