APP下载

华北两熟区农田磷流失风险预警研究*

2019-08-31冀宏杰张怀志张认连徐爱国田昌玉

中国生态农业学报(中英文) 2019年9期
关键词:投入量磷素磷肥

冀宏杰, 张怀志, 张认连, 徐爱国, 田昌玉

华北两熟区农田磷流失风险预警研究*

冀宏杰, 张怀志, 张认连, 徐爱国, 田昌玉

(中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业农村部植物营养与养分循环重点开放实验室 北京 100081)

轮作是长期以来在各地形成的相对固定的作物组合模式, 同时也是农田养分平衡状况计算的基本单元, 多年累积形成的养分盈亏则直接影响环境。在植物必需的3种大量营养元素中, 对环境影响最大的营养元素是磷和氮, 与氮素相比, 磷素循环途径则相对稳定, 没有气态损失, 磷的表观养分平衡与环境污染的相关性高, 且计算方便, 因而本文选择磷素作为环境风险预警指示元素。为探究简易、有效的轮作环境效应预警方法, 从筛选适宜预警的关键元素和环境风险产生的关键环节入手, 提出适合我国小农户现实国情的、基于农田地块级别的预警指标体系, 并以华北两熟区5种轮作类型、38个地块的调查数据为例进行了验证。该预警体系包括3级评价指标(周年磷平衡、耕层土壤质地、周年磷肥运筹)共6种预警级别并用3种色系进行标识(深绿、浅绿、浅黄、深黄、浅红、深红)。该预警方法的特点为: 研究对象为整个轮作周期而非单茬作物; 磷平衡既考虑周年的总量均衡(即整个轮作周期磷素投入、产出平衡状况), 又考虑不同茬次间的科学分配(即磷素统筹), 且二者均采用相对平衡值而非绝对平衡值, 从而使得不同轮作类型之间的磷平衡可以进行统一量化和比较; 土壤质地简化为沙土、壤土、黏土3种。验证结果表明, 磷肥用量、运筹合理、环境友好(深绿)的地块仅占10.53%; 而高环境风险(深红、浅红)的轮作地块达57.89%, 即一半以上的地块目前的轮作方式存在高或极高的环境风险。该预警方法具有科学、实用、简便, 所需数据容易获得的特点, 可用于农户对自己地块磷流失风险进行判断, 也可用于国家、区域或地方农业主管部门进行种植业结构调整时参考。

两熟区; 轮作; 农田养分; 磷; 流失风险; 预警系统; 华北

两熟区是我国粮食作物和经济作物生产供应的重要区域, 如华北平原、黄土高原、江淮丘陵等区域[1]。在漫长的历史发展过程中, 两熟区形成了众多的种植类型, 特别是轮作, 栽培面积广泛。其中既有冬小麦(L.)-夏玉米(L.)这样典型的粮食作物组合, 也有冬小麦-夏大豆[(L.) Merr.]、小麦-花生(L.)、小麦-棉花(spp.)等粮食作物与经济作物组合, 甚至还有大蒜(L.)-棉花等具有区域特色的作物组合。多样的轮作类型充分利用了当地光温热资源, 对于国家大宗粮油作物、特色作物供给, 保障国家粮食安全、促进农民增收、农业增效发挥了不可替代的作用。

从养分与环境的关系来看, 当某种养分的投入大于支出时, 就会造成该养分盈余, 反之则造成养分亏缺, 短期、适度盈余或亏缺不会影响环境, 也不会影响作物生长, 而长期大量盈余或亏缺则不仅会影响产量、品质, 降低肥料利用效率, 还会引起诸多环境问题[2]。尤其是磷素, 磷盈余引起的土壤磷含量提高会增大通过地表径流和渗漏量进入环境的量[3-4], 从而会对土壤、水环境造成负面影响, 如地表水富营养化等问题[5-7]。因此, 建立基于地块的预警系统, 进行农田磷素流失预警对优化施肥措施, 提高肥料利用效率及保护环境意义重大。

一个区域轮作制度是多年逐渐形成的相对稳定的作物组合, 由于累积效应往往造成不同轮作系统之间的养分平衡状况差异巨大。轮作是作物种植的基本单元, 也是决定周年养分投入的基本单元。由于轮作对于周年养分乃至多年养分累积(盈余或亏缺)的决定性作用, 故地块的多年养分平衡状况可通过周年轮作的养分盈余评估计算[2]。因此以周年轮作系统为研究的基本单元。一方面, 由于组成某种轮作系统的作物是固定的, 而作物对养分吸收的偏好及农民生产习惯等因素, 长期固定轮作会导致土壤中某种养分的过剩或匮乏, 以及病虫害加剧、土壤盐渍化、酸化等问题, 不利于农田生态系统稳定, 最终造成产量降低。另一方面, 即使同一种轮作系统, 由于不同农户管理水平的差异, 不同地块间养分平衡状况有极大差异。因而预警系统既需要考虑轮作的共性特征, 又需要考虑农户个体极端风险, 基于地块进行预警系统研究对于环境风险管控更具科学价值。而我国尚缺乏针对地块的从环境风险角度考虑的预警系统。

目前的环境风险预警往往针对的重金属指标[8-9]、畜禽养殖[10], 或从社会经济等宏观角度出发[11], 尚缺乏农业环境风险预警系统。据农业调查, 农业面源污染在总污染中占比严重, 据2010年《第一次全国污染源普查公报》结果, 我国农业污染源(不包括典型地区农村生活源)的总氮(TN)和总磷(TP)排放分别为270.46万t和28.47万t, 占地表水体污染总负荷的57.2%和67.4%。可见, 农业面源污染已经成为当前地表水体污染的主要来源[12-13]。

在植物必需的3种大量营养元素中, 对环境影响最大的营养元素是磷和氮, 这可以从历年《中国环境状况公报》公布的地表水主要污染物类型看出[14-16]。然而由于在农田生态系统中氮素的循环途径非常多, 氮素挥发与径流、淋溶等损失的影响因素多, 造成氮表观平衡值往往变化比较大; 与氮素相比, 磷素循环途径则相对稳定, 没有气态损失, 磷的表观养分平衡与环境污染的相关性高, 且计算方便, 因而本文选择磷素作为环境风险预警指示元素。

施肥量既关系到农民生产成本, 又关系到农业环境健康。近些年来, 我国农业面源污染形势日趋严峻, 对农业环境保护空前重视, “绿水青山就是金山银山”理念日益深入人心, 亟需开发一种针对地块种植磷素流失风险进行预警的简便易行的方法, 既便于国家、区域或地方农业主管部门进行种植业结构调整, 也利于农户自身判断与决策。本研究从分析农田养分平衡关键元素入手, 通过筛选农田地块适宜预警的关键元素(磷)、环境风险产生的关键环节入手, 提出适合我国小农户现实国情的、基于农田地块级别的预警指标体系, 并以华北两熟区5种轮作类型、38个地块的调查数据为例进行了验证。

1 研究方法

1.1 轮作系统农田磷流失风险预警评价指标体系的建立

农田磷素流失风险首先取决于轮作周期内磷素投入与输出量的差异(即: 数量因素), 也取决于周年内不同茬次间的比例(即: 运筹因素), 还要考虑流失过程的控制因素(即: 过程因素)。因而本文着重从以上3个方面选择关键因素形成预警评价指标体系。

数量因素: 农田磷素平衡是广为应用的指标, 主要用于土壤肥力评估、肥料利用效率、肥料量推荐、农学阈值等方面[17-20], 而磷素平衡与磷素流失关系、环境阈值的研究相对较少。

过程因素: 磷在土壤中的移动与土壤质地有关, 土壤质地是影响磷流失的重要因素之一。一般来说, 质地细的土壤的磷吸附能力强。在美国两种不同黏粒含量的土壤研究发现, 黏粒含量32%的土壤造成的磷素流失远远小于黏粒含量为5%的土壤[21]; 中国紫色土研究发现0~15 cm层中0.001 mm黏粒团聚度与径流泥沙中全磷、速效磷含量显著正相关[22]。土壤质地主要取决于母质, 也受到地形等因素影响。

运筹因素: 磷肥总量和磷肥在不同茬次间分配是影响磷素流失的重要因子。根据土壤磷有效性变化规律和轮作作物的磷养分吸收规律, 对轮作周期的每种作物的磷进行科学分配。研究表明, 一年两熟地区的旱地, 磷肥重点施用在冬季作物上(冬重夏轻)[23], 而这恰恰在当前肥料运筹中被忽视(详见本文农户调查结果)。磷素在不同季节(或茬次)间分配的科学性与否, 在一定程度上决定了作物对土壤磷素吸收利用的程度, 并进一步决定其环境污染概率。

基于以上3类因素, 确定了预警系统采用3级指标评价体系, 分别为: 周年磷平衡、土壤质地、周年磷肥运筹(秋播与夏播作物磷肥投入之比, 即“P秋/P夏”)。一级指标为周年磷平衡状况, 该指标决定了不同的色系[绿色(环境相对友好)、红色(环境风险预警)、黄色(环境风险中等)], 在此基础上再依据土壤质地(二级指标)与磷肥在不同茬次间分配情况(三级指标)细分, 共分为6种预警级别(深绿、浅绿、浅黄、深黄、浅红、深红, 深和浅表示各级别的程度)。根据不同土壤质地对磷盈余的保持能力(黏土>壤土>沙土)分别将沙土、壤土、黏土的最适宜磷素平衡定为0.9~1.1、0.8~1.2和0.7~1.3。

1.2 风险预警实施步骤

首先分别测定、计算地块的周年磷平衡、耕层土壤质地与周年磷肥运筹, 然后将所得结果填入系统预警表相应位置即可自行得到该地块、当前轮作类型的预警级别。具体步骤如下:

1)计算地块的周年磷平衡, 即农田磷素周年投入与产出之比:

周年磷平衡=两茬作物的磷投入量/两茬作物的磷带走量 (1)

投入包括一年两茬作物投入的基肥和追肥中有机肥、化肥的磷含量, 以肥料施用量乘以该肥料磷含量(P2O5)计算; 带走量包括一年两茬作物收获携出量, 以单位产量带走磷养分量(P2O5)乘以产量计算。

2)测定目标地块的耕层土壤质地

采用土壤质地速测方法, 即手测法判断耕层土壤的质地, 分为砂质、壤质、黏质3种[24]。

3)计算秋播作物与夏播作物磷肥投入比

计算秋播作物与夏播作物磷肥投入比(P秋/P夏), 该步骤的科学依据为根据土壤磷循环的生物地球化学特征, 周年中磷肥应重点施用在秋播作物上以提高磷肥利用效率[23], 计算公式如下:

P秋/P夏=秋播作物磷投入量/夏播作物磷投入量 (2)

秋播作物磷投入量和夏播作物投入量分别包括一年两茬作物所投入的基肥和追肥中有机肥、化肥的磷含量, 以肥料施用量乘以该肥料磷含量(P2O5)计算。

4)根据以上步骤计算结果, 依据表1判断地块农田的磷预警级别。

表1 一年两作轮作农田磷流失预警指标体系表1)

1)用绿、黄、红3种色系代表预警级别的高低, 红色代表风险等级最高, 绿色代表风险最低, 黄色风险居中; 深浅表示级别的程度。1) The alert level is shown by the colors. The red means high phosphorus loss risk; the green means low phosphorus loss risk; the yellow means medium phosphorus loss risk. Deep and light mean degree of the level.

用绿、黄、红3种色系代表预警级别, 红色代表磷流失风险等级最高, 绿色有环保之含义代表磷流失风险最低, 而黄色表示磷流失风险居中。色系的选择由周年磷平衡值决定, 每种土壤质地均包括此3种色系: 绿色系列代表周年磷投入量比较合理; 黄色系列代表周年磷投入量偏少, 需增加磷肥投入量; 红色系列代表周年磷投入量偏多, 需减少磷肥投入量。

每种色系又根据周年磷肥运筹细分为深浅两级, 共计6种颜色, 分别代表6种预警级别, 各颜色所代表的含义如下: 深绿代表磷肥施用合理、茬次间分配合理、环境友好。浅绿代表磷肥周年投入总量合理, 但茬次间的分配不合理, 需调整磷肥的茬次间分配; 环境风险较低。浅黄代表磷肥周年投入偏少, 但茬次间的分配合理, 需增加磷肥的周年总投入量; 环境风险较低。深黄代表磷肥周年投入偏少, 需调整季节分配, 需增加磷肥的周年总投入量; 环境风险中等。浅红代表磷肥投入过量, 季节分配合理, 需减少磷肥的周年投入量; 环境风险高。深红代表磷投入过量, 且茬次间分配不合理, 需减少磷投入量, 且调整茬次间的分配; 环境风险极高。

1.3 应用验证

采用本课题组调查数据对该方法体系进行说明, 并运用得到的结果对该区域的轮作风险进行分析。数据来源为课题组2015年在山东、河北两个省6个地区的11个县市共38个农户地块的调查结果, 主要包括华北地区5种轮作类型: 冬小麦-夏玉米、冬小麦-夏大豆、小麦-花生、小麦-棉花、大蒜-棉花; 调查内容包括地块位置、轮作情况、作物产量、施肥、耕层土壤质地等信息。

调查取样的原则采用“随机等比例”调查, 即首先按照各县统计数据中的各种作物播种面积确定各县的取样点数量, 然后在各县该种作物的集中种植区重点取样, 而具体取样位置采用随机原则, 以最大限度地保证取样的代表性。编号采用“县名+顺序号”命名法。

2 结果与分析

在华北两熟区38个农户地块上的周年磷平衡、秋播与夏播磷肥投入比、耕层土壤质地及根据本文建立的预警方法得到预警结果如表2所示。

2.1 不同轮作类型的周年磷平衡

结果表明, 调查的38个地块中, 两茬作物的周年磷平衡值大于1的有30个, 占总样本量的79%, ≤1的有8个, 占总样本量的21%, 说明绝大部分地块磷投入量超过带走量, 为盈余状态; 按照轮作类型统计, 调查的5种轮作类型中, 周年磷平衡平均值从大到小依次为: 冬小麦-夏玉米(1.66)、冬小麦-花生(1.60)、大蒜-棉花(1.00)、冬小麦-大豆(0.85)、冬小麦-棉花(0.75)。可以看出, 种植面积最大、调查样本量也最多的冬小麦-夏玉米轮作类型的周年磷平衡平均值恰恰也是最大, 表明当前华北地区冬小麦-玉米轮作总体上磷肥投入过量, 普遍超过了其需求量造成磷盈余。这也与土壤速效磷含量持续上升的诸多证据相互印证[25-26]。广大区域内种植面积最大的大宗粮食作物磷肥盈余如此严重, 不仅造成严重了肥料资源浪费, 也会有潜在的日益增加的环境风险, 亟需加强磷肥管理。

表2 华北不同轮作系统的周年磷平衡、秋播作物与夏播作物磷肥投入比、土壤质地及预警结果

1)周年磷肥运筹指秋播与夏播磷肥投入比; 2)“#DIV/0!”代表夏播作物磷投入量为零, 此种情况按秋播作物与夏播作物磷肥投入比大于1计。1) The annual phosphorus allocation is the phosphorus input ratio of autumn-sowing crop to summer-sowing crop. 2) “#DIV/0!” means that the amount of phosphorus input of summer-sowing crop is zero, the phosphorus input ratio of autumn-sowing crop to summer-sowing crop is greater than 1.

统计分析还表明, 同一轮作类型内部, 不同农户之间的周年磷平衡值差异巨大, 以样本量最大的两种轮作类型为例: 冬小麦-夏玉米轮作最大值为2.80, 最小值仅为0.70, 两者相差3倍, 标准差为0.58; 冬小麦-花生最大值为2.30, 最小值仅为1.00, 两者相差1.3倍, 标准差为0.44(表3)。说明华北地区同一轮作类型内, 不同农户之间磷投入差异巨大, 农户对磷肥施用缺乏科学足够认识, 从另一侧面反映了加强磷肥管理的必要性。

表3 华北几种典型轮作类型的周年磷平衡

2.2 不同轮作类型的周年磷肥运筹(秋播与夏播磷肥投入比)情况

调查的38个地块中, 秋播与夏播磷肥投入比(周年磷肥运筹)>1和≤1的地块数量正好相等(#DIV/0!代表夏播作物磷投入量为零, 此种情况按“P秋/P夏>1”计), 说明从周年磷肥统筹的角度来衡量(“P秋/P夏>1”为合理, “P秋/P夏≤1”为不合理), 所调查的50%地块磷肥运筹不合理; 若按照轮作类型统计, 调查的5种轮作类型中, 1种(冬小麦-夏玉米)平均值>1, 为1.28(由于#DIV/0!无法计算, 此处统计平均值时去掉), 整体比较合理; 1种(冬小麦-花生)平均值为0.87, 整体表现为不合理; 另外3种(冬小麦-大豆、大蒜-棉花、冬小麦-棉花)均为夏播作物不施磷肥, 虽然按照此评价方法结果为合理, 但是由于夏播作物完全不施磷是否能够保障该茬作物全生育期供应, 尚需更多田间试验验证。

统计分析还表明, 同一轮作类型内部, 不同农户之间的周年磷肥运筹差异巨大, 以样本量最大的麦玉轮作类型为例(由于#DIV/0!无法计算, 此处统计平均值时去掉): 秋播与夏播磷肥投入比最大值为2.70, 最小值仅为0.90, 两者相差2倍, 标准差为0.61。

2.3 预警结果情况

38个地块中, 磷肥施用合理、茬次间分配合理、环境友好(深绿)的地块仅4个, 占总样本量10.53%; 磷肥周年投入总量合理, 但茬次间的分配不合理, 需调整磷肥的茬次间分配, 环境风险较低(浅绿)的地块5个, 占总样本量13.16%; 磷肥周年投入偏少, 但茬次间的分配合理, 需增加磷肥的周年总投入量, 环境风险较低(浅黄)的地块5个, 占总样本量13.16%; 磷肥周年投入偏少, 需调整季节分配, 增加磷肥的周年总投入量, 环境风险中等(深黄)的地块2个, 占总样本量5.26%; 磷肥投入过量, 季节分配合理, 需减少磷肥的周年投入量, 环境风险高(浅红)的地块9个, 占总样本量23.68%; 磷肥投入过量, 且茬次间分配不合理, 需减少磷投入量, 且调整茬次间的分配, 环境风险极高(深红)的地块13个, 占总样本量34.21%。由以上结果可知, 磷流失高环境风险(包括高和极高)的轮作地块达57.89%, 即一半以上地块的轮作方式存在高或极高的环境风险, 亟需引起足够的重视, 后续可通过调整轮作类型的方式加以改善, 综合考虑经济效益和环境风险, 寻找到最优轮作方式。

3 讨论与结论

3.1 讨论

关于磷平衡的计算对象, 本文采用了一个轮作周期中所有作物的磷素平衡, 而非单茬次作物的磷平衡, 这是由于对于有长期种植历史的地块来说, 一个轮作周期是一个基本的种植单元。而该地块多年磷素的累积(或盈亏状况)直接取决于轮作(而非单茬)磷平衡值的正负与绝对值大小。

关于周年磷平衡的计算方法, 本文采用周年磷投入量与带走量的比值(而非二者的差值)。即: 周年磷平衡=两茬作物磷投入总量/两茬作物磷带走总量。通常磷平衡值的计算是投入与产出的差值, 即磷平衡的绝对值[2,27]。但此种方法得到的磷平衡值, 由于不同作物(轮作)类型之间对磷素吸收量的差异较大, 从而难以用统一的标准判断结果的合理性, 而只能分别对不同轮作类型采用不同的数据单独判断, 限制了应用的灵活性。本研究中磷平衡的计算采用投入与产出的比值(商)而非差值, 使不同轮作类型之间的磷平衡可以进行统一量化和比较; 当然具体值还可根据将来试验进一步优化。

为了操作方便, 本方法周年磷肥运筹简化为以P秋/P夏=1(即两茬作物的磷投入量相同)为界限, 仅分成>1和≤1两种情况。将来如果某地有不同轮作类型茬次最佳比例数据, 可依据数据对该地区该指标进行细化更新。

土壤质地分类是指按照土壤颗粒组成的比例对土壤进行的分类。最常见的土壤质地分类有国际制、美国农业部制、苏联卡庆斯基制3种。这3种质地分类制都是与其粒组分级标准和颗粒大小分析时的土粒分散方法相配套的[28]。但往往需要进行实验室测定黏粒粒级数据, 且分类级别都较多, 如1987年《中国土壤》(第2版)中公布了中国的质地分类制, 分为3组12种质地名称[29]。本系统从实用性、简便性角度将土壤质地粗分为砂土、壤土和黏土3种, 未进一步细化。

本文建立的预警方法是为单个地块的轮作风险给出相对合理的评价, 即应用对象为地块, 但是当用户数量达到一定规模后, 可进一步对区域性的所有轮作类型进行分类汇总, 找出该研究区域各轮作类型的共性风险及差异性评价, 进而通过种植结构调整等措施加以政策引导, 形成区域农业良性循环。因此, 该方法既可作为区域土壤养分管理预警依据, 又可作为主动调控的方法。

3.2 结论

本文从影响轮作环境风险的关键元素、关键环节入手, 提出适合我国小农户现实国情的、基于农田地块的轮作风险预警指标体系, 并以华北平原的农户调查数据为例具体说明了预警系统的使用方法。结果表明: 该预警方法科学、实用、简便, 所需数据容易获得; 3种色系的预警结果易于普通农户识别推广。华北38个地块预警结果表明, 磷肥施用合理、茬次间分配合理、环境友好(深绿)的地块仅4个, 占总样本量10.53%; 高环境风险(包括高和极高)的轮作地块达57.89%, 即一半以上的地块目前的轮作方式存在高或极高的环境风险。该预警方法既可用于农户对自己地块磷流失风险进行判断, 进而选择更优化的轮作模式, 也可用于国家、区域或地方农业主管部门进行种植业结构调整时参考。

[1] 李鹏, 关强, 邬梦成, 等. 我国旱地两熟区土壤养分时空变异的调查研究[J]. 土壤通报, 2017, 48(2): 380–386 LI P, GUAN Q, WU M C, et al. Investigation of temporal and spatial variability of soil nutrients in double cropping area of the upland, China[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2017, 48(2): 380–386

[2] 冀宏杰, 张怀志, 张维理, 等. 我国农田磷养分平衡研究进展[J]. 中国生态农业学报, 2015, 23(1): 1–8 JI H J, ZHANG H Z, ZHANG W L, et al. Research progress on cropland phosphorus balance in China[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2015, 23(1): 1–8

[3] 宋科, 张维理, 徐爱国, 等. 太湖水网地区不同种植类型农田磷素渗漏流失研究[J]. 植物营养与肥料学报, 2009, 15(6): 1288–1294 SONG K, ZHANG W L, XU A G, et al. Phosphorus leaching losses in different planting farmlands in the riverine plain area of Taihu Lake[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2009, 15(6): 1288–1294

[4] 张燕, 李永梅, 张怀志, 等. 滇池流域农田径流磷素流失的土壤影响因子[J]. 水土保持学报, 2011, 25(4): 41–45 ZHANG Y, LI Y M, ZHANG H Z, et al. The soil factors influencing phosphorus loss by field surface runoff in Dianchi watershed[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2011, 25(4): 41–45

[5] 闫兴成, 张重乾, 季铭, 等. 富营养化湖泊夏季表层水体温室气体浓度及其影响因素[J]. 湖泊科学, 2018, 30(5): 1420–1428 YAN X C , ZHANG C Q, JI M, et al. Concentration of dissolved greenhouse gas and its influence factors in the summer surface water of eutrophic lake[J]. Journal of Lake Sciences, 2018, 30(5): 1420–1428

[6] 邹银洪, 张润宇, 陈敬安, 等. 黏土矿物在富营养化水体和底泥磷污染控制中的应用研究进展[J]. 地球科学进展, 2018, 33(6): 578–589 ZOU Y H, ZHANG R Y, CHEN J A, et al. Research advance in the application of clay minerals to phosphorus pollution control in eutrophic water bodies and sediments[J]. Advances in Earth Science, 2018, 33(6): 578–589

[7] 刘玉萍, 陈西, 王延华, 等. 滇池流域土壤养分分布及其对水体富营养化的影响[J]. 南京师大学报: 自然科学版, 2017, 40(4): 129–136 LIU Y P, CHEN X, WANG Y H, et al. Soil nutrients distribution in the small catchment and their effects on the eutrophication of Dianchi Lake[J]. Journal of Nanjing Normal University: Natural Science Edition, 2017, 40(4): 129–136

[8] 陈思萱. 土壤重金属污染时空模拟与环境风险预警研究[D]. 长沙: 中南大学, 2014 CHEN S X. Spatial-temporal modeling of heavy metal pollution in soil and its environmental risk warning[D]. Changsha: Central South University, 2014

[9] 侯彦林. 中国农田重金属污染预警系统研究[J]. 农业环境科学学报, 2012, 31(4): 697–705 HOU Y L. The warning system of heavy metal pollution in the farmland of China[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2012, 31(4): 697–705

[10] YAN B J, PAN Y C, WU W Y, et al. WebGIS-based early warning system of farmland environmental pollution caused by livestock waste[J]. Agricultural Science & Technology, 2011, 12(7): 1062–1066

[11] 李维新, 张永春, 张海平, 等. 太湖流域水环境风险预警系统构建[J]. 生态与农村环境学报, 2010, 26(z1): 4–8 LI W X, ZHANG Y C, ZHANG H P, et al. Construction of water environmental risk early warning system for Taihu Lake basin[J]. Journal of Ecology and Rural Environment, 2010, 26(z1): 4–8

[12] 国家统计局. 第一次全国污染源普查公报[R/OL]. (2010-02-11). http://www.stats.gov.cn/tjsj/tjgb/qttjgb/qgqttjgb/201002/t20100211_30641.html National Bureau of Statistics. The First National Pollution Source Census Bulletin[R/OL]. (2010-02-11). http://www.stats. gov.cn/tjsj/tjgb/qttjgb/qgqttjgb/201002/t20100211_30641.html

[13] 杨林章, 吴永红. 农业面源污染防控与水环境保护[J]. 中国科学院院刊, 2018, 33(2): 168–176 YANG L Z, WU Y H. Prevention and control of agricultural non-point source pollution and aquatic environmental protection[J]. Bulletin of Chinese Academy of Sciences, 2018, 33(2): 168–176

[14] 中国人民共和国生态环境部. 2017中国生态环境状况公报[R/OL]. (2018-05-31). http://www.mee.gov.cn/hjzl/zghjzkgb/ lnzghjzkgb/Ministry of Ecology and Environment of the People’s Republic of China. 2017 China Ecological Environment Bulletin[R/OL]. (2018-05-31). http://www.mee.gov.cn/hjzl/zghjzkgb/ lnzghjzkgb/

[15] 中国人民共和国生态环境部. 2016中国生态环境状况公报[R/OL]. (2017-06-05). http://www.mee.gov.cn/hjzl/zghjzkgb/ lnzghjzkgb/Ministry of Ecology and Environment of the People’s Republic of China. 2016 China Ecological Environment Bulletin[R/OL]. (2017-06-05). http://www.mee.gov.cn/hjzl/zghjzkgb/lnzghjzkgb/

[16] 中国人民共和国生态环境部. 2015中国生态环境状况公报[R/OL]. (2016-06-01). http://www.mee.gov.cn/hjzl/zghjzkgb/ lnzghjzkgb/Ministry of Ecology and Environment of the People’s Republic of China. 2015 China Ecological Environment Bulletin[R/OL]. (2016-06-01). http://www.mee.gov.cn/hjzl/zghjzkgb/lnzghjzkgb/

[17] 吴启华, 刘晓斌, 张淑香, 等. 施用常规磷水平的80%可实现玉米高产、磷素高效利用和土壤磷平衡[J]. 植物营养与肥料学报, 2016, 22(6): 1468–1476 WU Q H, LIU X B, ZHANG S X, et al. Application of 80% of routine phosphorus rate to keep high yield and P efficiency of maize and P balance in soil[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2016, 22(6): 1468–1476

[18] 刘彦伶, 李渝, 张雅蓉, 等. 长期施肥对黄壤性水稻土磷平衡及农学阈值的影响[J]. 中国农业科学, 2016, 49(10): 1903–1912 LIU Y L, LI Y, ZHANG Y R, et al. Effect of long-term fertilization on the P balance and critical value of soil Olsen-P in paddy soil from yellow earth[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2016, 49(10): 1903–1912

[19] 展晓莹, 任意, 张淑香, 等. 中国主要土壤有效磷演变及其与磷平衡的响应关系[J]. 中国农业科学, 2015, 48(23): 4728–4737 ZHAN X Y, REN Y, ZHANG S X, et al. Changes in Olsen phosphorus concentration and its response to phosphorus balance in the main types of soil in China[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2015, 48(23): 4728–4737

[20] 李娟, 章明清, 孔庆波. 不同施肥模式对菜稻轮作产量和菜田氮磷平衡的影响[J]. 中国农学通报, 2016, 32(3): 146–150 LI J, ZHANG M Q, KONG Q B. Effect of different fertilization patterns on yield of vegetable-rice rotation and nitrogen and phosphorus balance in vegetable field[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2016, 32(3): 146–150

[21] COX F R, HENDRICKS S E. Soil test phosphorus and clay content effects on runoff water quality[J]. Journal of Environment Quality, 2000, 29(5): 1582

[22] 刘玉民, 龙伟, 刘亚敏, 等. 不同种植模式下紫色土养分流失影响因子研究[J]. 水土保持学报, 2005, 19(5): 81–84 LIU Y M, LONG W, LIU Y M, et al. Study on influencing factors of nutrient loss under different land use patterns in purple soils[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2005, 19(5): 81–84

[23] 鲁如坤, 刘鸿翔, 闻大中, 等. 我国典型地区农业生态系统养分循环和平衡研究Ⅳ. 农田养分平衡的评价方法和原则[J]. 土壤通报, 1996, 27(5): 197–199 LU R K, LIU H X, WEN D Z, et al. Research on nutrient cycling and balance of agricultural ecosystem in typical areas of China. Ⅳ. Evaluation methods and principles of farmland nutrient balance[J]. Chinese Journal of Soil Science, 1996, 27(5): 197–199

[24] 张甘霖, 李德成. 野外土壤描述与采样手册[M]. 北京: 科学出版社, 2017 ZHANG G L, LI D C. Manual of Field Soil Description and Sampling[M]. Beijing: Science Press, 2017

[25] 全国农业技术推广服务中心, 中国农业科学院农业资源与区划研究所. 耕地质量演变趋势研究——国家级耕地土壤监测数据整编[M]. 北京: 中国农业科学技术出版社, 2008 National Agro-Tech Extension and Service Center, Institute of Agricultural Resources and Regional Planning of Chinese Academy of Agricultural Sciences. Research of the Evolution of Arable Land Quality — Date Set of National Soil Monitoring of Farmland[M]. Beijing: China Agricultural Science and Technology Press, 2008

[26] 黄欣欣, 廖文华, 刘建玲, 等. 河北省典型土壤磷库状况及对长期施磷和秸秆还田的响应[J]. 中国土壤与肥料, 2017, (6): 30–36HUANG X X, LIAO W H, LIU J L, et al. Response of long-term phosphorus fertilization and straw return to various fractions of phosphorus in typical soil of Hebei Province[J]. Soils and Fertilizers Sciences in China, 2017, (6): 30–36

[27] 李书田, 金继运. 中国不同区域农田养分输入、输出与平衡[J]. 中国农业科学, 2011, 44(20): 4207–4229 LI S T, JIN J Y. Characteristics of nutrient input/output and nutrient balance in different regions of China[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2011, 44(20): 4207–4229

[28] 周健民, 沈仁芳. 土壤学大辞典[M]. 北京: 科学出版社, 2013 ZHOU J M, SHEN R F. Dictionary of Soil Science[M]. Beijing: Science Press, 2013

[29] 熊毅, 李庆奎. 中国土壤[M]. 北京: 科学出版社, 1987 XIONG Y, LI Q K. Soils of China[M]. Beijing: Science Press, 1987

Early warning system of field phosphorus loss risk for double cropping area in North China*

JI Hongjie, ZHANG Huaizhi, ZHANG Renlian, XU Aiguo, TIAN Changyu

(Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of Plant Nutrient and Nutrient Cycle, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100081, China)

Rotation is a relatively fixed crop combination pattern that forms in various places over a long period. It is also the basic unit for the calculation of farmland nutrient balance. The accumulation of nutrient surplus or deficiency over the years directly affects the environment. Among the three essential nutrients for plants, the most important for the environment are phosphorus and nitrogen. Compared with nitrogen, the phosphorus cycle is relatively stable, has no gas loss, and reveals a high correlation between apparent nutrient balance and environmental pollution of phosphorus, and the calculation for which is convenient. Therefore, phosphorus was selected as the indicator for environment risk in this study. In order to establish a simple and effective method to detect early warnings of environmental effects, starting with the screening of key elements suitable for early warning and key links to phosphorus loss in farmland, this article proposed an early warning indicator system based on farmland plots suitable for small-holder farmers in China. The study also performed trial calculations with survey data from 38 plots, including five typical rotation systems in North China. The early warning system included three evaluation indicators — annual phosphorus balance, plough layer soil texture, and annual phosphate fertilizer operation. A total of six early warning levels of phosphorus loss was set in the early warning system — dark green, light green, light yellow, deep yellow, light red, and deep red, in which the red meant high phosphorus loss risk, the green meant low phosphorus loss risk, the yellow meant medium phosphorus loss risk, deep and light mean degree of the level. The characteristics of the early warning system were 1) measuring the entire rotation cycle rather than a single crop; and 2) the phosphorus balance considered the total balance of the anniversary (i.e., the phosphorus input and output balance of the entire rotation cycle) and considered the difference between different crops. Scientific allocation (i.e., phosphorus co-ordination) used relative equilibrium values rather than absolute equilibrium values so that the phosphorus balance between different rotation types could be uniformly quantified and compared. Soil texture was simplified to sand, loam, and clay species. The trial results showed that a low early warning level (dark green) which was rational in application of phosphate fertilizer with reasonable application rate and co-ordination between rotation crops only occupied 10.53% of all plots analyzed, while the high environmental risk (dark red, light red) rotation plots accounted for 57.89%, i.e., more than half of the plots using the current rotation methods had high or extremely high environmental risks. The early warning system was scientific, practical, and simple, and the required data were easy to be obtained. It can be used for farmers to judge the risk of phosphorus loss in their own plots and for national, regional, or local agricultural authorities to reference when adjusting planting structures.

Double cropping area; Crop rotation system; Farmland nutrient; Phosphorus; Loss risk; Early warning system; North China

, JI Hongjie, E-mail: jihongjie@caas.cn

Apr. 19, 2019;

Jun. 27, 2019

S19

2096-6237(2019)09-1394-08

10.13930/j.cnki.cjea.190229

2019-04-19

2019-06-27

冀宏杰, 主要从事土壤养分库调控增效技术研究。E-mail: jihongjie@caas.cn

* This study was supported by the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest of China (201503121-13) and the National Key R&D Program of China (2016YFC0501302).

* 农业农村部公益性行业专项(201503121-13)和国家重点研发计划项目(2016YFC0501302)资助

冀宏杰, 张怀志, 张认连, 徐爱国, 田昌玉. 华北两熟区农田磷流失风险预警研究[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2019, 27(9): 1394-1401

JI H J, ZHANG H Z, ZHANG R L, XU A G, TIAN C Y.Early warning system of field phosphorus loss risk for double cropping area in North China[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(9): 1394-1401

猜你喜欢

投入量磷素磷肥
上半年磷肥行业运行呈现“两降三增”特点
土壤磷素活化剂在夏玉米上的田间试验效应分析报告
氮肥用量对不同氮高效玉米品种产量和磷素吸收利用的影响
施氮对胡麻磷素营养状况的影响
磷素添加对土壤水分一维垂直入渗特性的影响
印度磷肥需求提升
花生增产巧喷磷肥
词汇加工深度理论对二语课堂词汇附带习得的影响
磷肥:国内屡遭“冷眼”国际利好频传
影响英语阅读中词汇附带习得的学习者因素