三峡库区典型粮菜轮作系统施肥管理及环境代价评价

武秋甫,王孝忠,陈新平,刘敦一（西南大学资源环境学院,重庆市土肥资源高效利用重点实验室,重庆 400715）

农业面源污染是三峡库区生态环境面临的主要问题之一[1].当前,三峡库区的农用耕地类型主要为坡耕地[2],土壤类型以紫色土为主,榨菜-水稻轮作和榨菜-玉米轮作是典型的轮作模式[3],肥料投入量较大,土壤复耕率高且降雨十分集中,导致三峡库区化肥年流失总量高达1.23万t,当季氮肥利用率只有30%～35%[4-5],水土肥流失十分严重[6].然而,库区的两个典型轮作模式在生产力、肥料投入及损失途径存在较大差异.例如,全国农田平均活性氮损失中,玉米氮淋洗损失是水稻的5.5倍,而氨挥发损失则约为水稻损失的一半[7].同时,近几年从事农业的劳动力减少,而水田需要投入的劳动力较多,所以玉米-榨菜轮作系统的种植比例增加[8].对两种轮作系统进行综合评价,明确农户的种植管理模式,分析其减肥潜力,量化不同轮作系统的环境代价,对三峡库区可持续农业种植结构提供理论支撑有重大意义.

据中国农田氮肥用量和利用效率的大样本数据研究显示,西南地区仍然存在氮肥用量上升而氮肥效率下降的状况,而三峡库区肥料用量在国内一直处在较高水平[9],因而导致库区水质的改善趋势不稳定[10].改善这一现状不仅需要优化肥料的施用量,还需考虑不同轮作系统环境代价的差异.例如,在玉米-小麦、水稻-小麦、水稻-冬水休闲三种轮作系统中,甲烷（CH4）的排放有很大差异,以水稻-冬水休闲系统排放量最高[11].对比单季稻-小麦和双季稻-油菜两种水旱轮作系统,后者的产量更高,但其CH4和二氧化氮（NO2）累积排放量都显著高于前者[12].与连续种植非豆类作物相比,豆类与非豆类作物的轮作并不影响 NO2排放[13].可见,农业生产中不同轮作系统之间在产量、环境效应等方面差异很大,合理调整农业种植结构是发展可持续集约化农业的重要手段.

轮作系统的优化施肥管理可显著降低其环境代价.在华北平原玉米-小麦轮作系统中,相比于农户传统施肥量,降低 50%的施肥量并配合秸秆还田能够实现更高产量,同时显著降低N2O排放[14];在玉米-榨菜轮作系统中,农户传统施磷量的 50%～75%即可满足作物的养分需求,并有效减少土壤氮磷养分的损失[3].通过测土配方技术确定小麦-玉米轮作系统的施肥量,比传统施肥处理可降低 37%的温室气体排放及 30%～37%的水足迹[15].据统计,2006～2013年间测土配方施肥技术的应用平均减少氮肥施用 27.2kg/hm2,农田温室气体减排共 1171.8万 t CO2-e[16].因此,合理的施肥管理对满足轮作系统中作物的养分需求、实现作物高产、养分高效并降低系统环境代价有重要意义.

另一方面,新型肥料的应用也是满足作物养分需求,实现作物高产、养分高效和减少环境污染的有效途径.研究结果表明,应用新型肥料,如包膜尿素,可以减少35%的N2O排放[17]以及68%的氨（NH3）挥发[18];在肥料中添加硝化抑制剂也是非常有效的抑制 N2O排放的手段[19],并且平均可以提高 12.9%的氮肥利用率[20].

以往对于农业生产研究大多在田间试验条件下详细对比了不同轮作系统的某一个或几个指标,通过农户实地调研进而对轮作系统环境代价（如活性氮损失、温室气体效应、酸化效应和富营养化效应）综合评价的研究相对较少.因此,本文通过对三峡库区展开多点农户调研,在了解农户施肥量和产量的基础上,系统揭示了两种典型粮菜轮作系统下的农学效应、环境代价和经济效益,并通过情景分析明确优化施肥及新型肥料的应用对降低环境代价的作用,文章为指导区域优化施肥管理措施及合理的作物种植结构提供科学合理的依据.

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

调研区域为三峡库区腹地—重庆市涪陵区（E106°56'～107°43',N29°21'～30°01'）,地势以丘陵为主,属亚热带湿润季风气候,常年平均气温 18.1℃,年均降水量为1072mm,雨季集中在4～10月.农作物主要种植模式为:夏季以玉米（3月中旬播种,7月中下旬收获）、水稻（3月初播种,8月初收获,早稻,单季稻）为主,秋季轮种榨菜（10月中旬移栽,次年 2月初收获）.其中,玉米和水稻的秸秆的处理方式以焚烧为主,少量原位还田,榨菜叶全部原位还田.涪陵地区榨菜种植面积占全国的43.2%,是中国规模最大、最集中的榨菜产区,榨菜种植也是库区农民增收的支柱产业之一.

1.2 调研方法及内容

于2018年9月份通过访谈和问卷调查的方式,针对两种典型粮菜种植模式,在涪陵区随机选取 3个乡镇,然后在每个乡镇随机抽取 2～3个有代表性的村庄,每个村庄随机调研25名农民,调研农户总数为 175户,其中榨菜-玉米轮作共 132份,榨菜-水稻轮作共43份.调研内容主要包括种植作物品种、作物产量及其对应的肥料品种、施肥时期、施肥量、施肥方法、农作物销售价格、劳动力成本和其他田间管理措施等.

1.3 相关指标及计算方法

1.3.1 活性氮损失 本文计算的活性氮损失（Reactive nitrogen loss,Nr）=N2O+NH3+NO3-,单位为kg/hm2.

式中 N2O、NH3、NO3-分别为在农作系统中每单位（每hm2或每1000元纯收入）氮肥用量直接产生的N2O排放、NH3挥发和NO3-淋洗损失量.通过查阅文献选取最适合当地种植作物的参数进行计算（表1）[7,21-22].

表1 活性氮损失计算方法Table 1 Calculation method of reactive nitrogen loss

1.3.2 温室气体排放潜值（Global warming potential,GWP）以CO2为参照物,单位为kg/hm2（以CO2-eq计,下同）.温室气体排放主要包括CO2、CH4和N2O,转换为CO2当量系数分别为1、28和265[23],CH4排放只计算水稻季,数据来源于省级温室气体清单编制指南（试行）.本研究温室气体排放潜值仅关注于作物生产过程,从播种到收获过程,温室气体排放潜值计算公式如下:

GWP=Total N2O×44/28×265+Total CH4×28

Total N2O=N2O direct +1%×NH3+2.5%×NO3–

1.3.3 酸化效应潜值（Acidification potential,AP）以SO2为参考物,单位为kg/hm2（以SO2-eq计,下同）,引起酸化效应的气体主要包括SOx（SO2）、NOx和 NH3,转化为转换位 SO2当量系数分别为 1、0.7和 1.88[24-25].本研究酸化效应潜值仅关注于作物生产过程,从播种到收获过程,酸化效应潜值计算公式如下:AP=1.88×NH3×17/14

1.3.4 富营养化效应潜值（Eutrophication potential,EP）一般以 PO4为参考物,单位为 kg/hm2（以PO4-eq计,下同）,引起富营养化效应物质主要包括NH3、NOx、NO3-、NH4-N、COD 和 Ptot,转换为PO4当量系数分别为 0.33、0.13、0.42、0.33、0.022和 3.06[24-25].本研究富营养化效应潜值仅关注于作物生产过程,从播种到收获过程,富营养化效应潜值计算公式如下:

EP=0.33×NH3×17/14+0.42×NO3-+0.2%×P input

1.3.5 成本和收益率计算 产值=产量×单价

成本（人工费）:纯收入（元）=产值-总成本收益率（%）=纯收入/总成本×100

人工投入、作物产量、榨菜单价（1.36元/kg）及所需物资投入费用源自调研数据（表 3）.水稻稻谷、玉米籽粒单价及生产所需物资投入费用引用自重庆市渝北区主要粮食作物生产成本及效益分析[26]:水稻稻谷单价2.6元/kg,所需物资投入3825元/hm2,玉米籽粒单价 2.55元/kg,物资投入费用3765元/hm2.

1.4 数据处理

使用 Microsoft Excel 2016整理数据,SPSS Statistics 25.0进行t检验统计分析,SigmaPlot 12.5作图.

2 结果与分析

2.1 三峡库区两种典型粮菜轮作模式生产力的对比

结果显示（图 1）,调研的所有农户中（n=175）,榨菜产量变异较大,榨菜-水稻轮作系统的榨菜平均产量高于榨菜-玉米轮作系统.经 t检验,榨菜-水稻轮作系统与榨菜-玉米轮作系统的榨菜平均产量或谷物籽粒平均产量均没有显著差异,即 2个系统的生产力无显著差异.

图1 两种轮作系统的生产力对比Fig.1 Comparison of productivity between two rotation systems

2.2 三峡库区两种典型粮菜轮作模式肥料投入量的对比

如表 2所示,榨菜-玉米轮作系统和榨菜-水稻轮作系统在榨菜季的磷肥、钾肥用量相差不大,氮肥用量前者比后者高12.0%.超过40%的农户选择一次基肥一次追肥的施肥方式,同时大部分单一施用化肥.两种轮作系统在玉米季和水稻季的施肥量差异十分显著,玉米季氮、磷、钾肥用量都远高于水稻季,分别高出 369%、390%、411%.对比两个轮作系统,榨菜-玉米轮作系统的总体施肥量比榨菜-水稻轮作系统高68.4%,氮肥、磷肥、钾肥分别高出72.2%、73.1%、49.6%.

表2 两种轮作系统施肥量对比（kg/hm2）Table 2 Comparison of fertilizer application between two rotation systems（kg/hm2）

2.3 三峡库区两种典型粮菜轮作系统施肥过程环境代价的对比

对比两种轮作系统在施肥过程中单位面积（每hm2）的环境代价（图2）,榨菜种植方面,两者造成的环境代价相差较小,榨菜-玉米轮作系统的榨菜氮、磷肥用量更高,产生的活性氮损失、温室气体效应、酸化效应和富营养化效应比榨菜-水稻轮作的榨菜高11.8%、10.5%、11.8%和 11.8%.玉米和水稻种植方面,玉米季产生的活性氮损失是水稻季产生的3.3倍,而水稻季造成的温室气体效应比玉米季高137%.两种轮作系统生产过程中造成的环境代价差异较大,榨菜-玉米轮作系统造成的活性氮损失、酸化效应和富营养化效应比榨菜-水稻轮作系统分别高出44.6%、27.1%和44.1%,而造成的温室气体效应比榨菜-水稻轮作系统低33.3%.

图2 两种轮作系统的（A）活性氮损失、（B）温室气体排放潜值、（C）酸化效应潜值、（D）富营养化效应潜值对比Fig.2 Comparison of reactive nitrogen loss,greenhouse gas emission potential,acidification effect potential and eutrophication effect potential between two rotation systems

2.4 三峡库区两种典型粮菜轮作模式经济收支的对比

比较两种轮作系统的经济收支（表 3）,榨菜生产属于高投入高收益的经济作物,榨菜-玉米轮作系统的榨菜生产所需物资投入比榨菜-水稻轮作高 9.84%,产值和纯收入低4.27%和7.76%,收益率低11.2%.水稻种植所需物资投入比玉米高 1.59%,人工投入是玉米种植的1.3倍,产值和纯收入分别比玉米高22.1%和26.2%,收益率高6.16%.整体而言,榨菜-水稻轮作系统的成本投入比榨菜-玉米轮作系统高 4.19%,产值和纯收入分别高出8.66%和11.4%,收益率高6.94%.

表3 两种轮作系统的生产投入及经济效益对比Table 3 Comparison of production input and economic benefits between two rotation systems

2.5 三峡库区两种典型粮菜轮作模式单位收益的环境代价对比

三峡库区两种典型粮菜轮作模式在施肥过程中,每获得1000元纯收入产生的活性氮损失、温室气体效应、酸化效应和富营养化效应如表 4所示.玉米的活性氮损失、酸化效应和富营养化效应分别比水稻高8.81kg/1000元、5.09kg/1000元和3.50kg/1000元,温室气体效应比水稻低271kg/1000元.榨菜施肥过程中单位收益的环境代价差距较小.对比两个轮作系统,榨菜-玉米轮作施肥过程中产生的活性氮损失、酸化效应和富营养化效应分别比榨菜-水稻轮作高147%、73.1%和146%,温室气体效应比榨菜-水稻轮作低38.9%.

表4 两种轮作系统单位收益（kg/1000元）的环境代价对比Table 4 Comparison of environmental cost of unit benefit（kg/1000-Yuan）between two rotation systems

2.6 三峡库区两种典型粮菜轮作模式情景分析

基于三峡库区两种典型粮菜轮作系统的调研结果,运用情景分析法,预测优化施肥及其在优化施肥的基础上应用新型肥料（添加硝化抑制剂）两种措施可能取得的减少环境代价的效果.农民习惯（Business as usual,BAU）基于调研结果,情景1（Scenario 1,S1）为基于以往研究的优化施肥量,分别为:榨菜施氮 300kg/hm2,施磷 90.0kg/hm2,施钾150kg/hm2;玉米季施氮 225kg/hm2,施磷 75.0kg/hm2,施钾60.0kg/hm2;水稻季按榨菜叶还田15t计算,施氮117kg/hm2,施磷 81.0kg/hm2,施钾 57.5kg/hm2,（两种轮作系统优化施肥量的确定见讨论部分3.2.3）;情景2（Scenario 2,S2）为在S1施肥量的基础上使用含硝化抑制剂的新型氮肥替代普通氮肥.如图 3所示,优化施肥量可以显著的降低环境代价,应用新型肥料可以进一步降低整个轮作系统的活性氮损失、温室气体效应和富营养化效应,但是提高了酸化效应.例如榨菜-玉米轮作中,榨菜季通过优化施肥可以减少48.6kg/hm2的活性氮损失,进而降低30.5%的温室气体排放、33.8%的酸化效应和33.9%的富营养化效应,添加硝化抑制剂后,相比较于S1会降低18.8%的活性氮损失、45.4%的温室气体排放和18.0%的富营养化效应,但酸化效应提高了28.2%.

图3 不同情景假设降低（A）活性氮损失、（B）温室气体排放潜值、（C）酸化效应潜值、（D）富营养化效应潜值效果对比Fig.3 Comparison of reactive nitrogen loss,greenhouse gas emission potential,acidification effect potential and eutrophication effect potential of different scenarios

3 讨论

3.1 两种粮菜轮作系统生产力、经济效益对比分析

175份农户随机抽样调研结果显示,共有 132户农户选择了榨菜-玉米轮作系统,43户农户选择了榨菜-水稻轮作系统,其中榨菜-玉米轮作系统的平均产量分别为榨菜 34.6t/hm2,玉米 5.77t/hm2,榨菜-水稻轮作系统的平均产量分别为榨菜36.1t/hm2,水稻6.92t/hm2.当地玉米、水稻的产量已经基本达到西南地区平均水平[27],但低于全国平均水平.中国的玉米产量[28]和水稻产量[29]近年来一直处于上升水平,但西南地区地形复杂,高差悬殊,导致农业机械化程度不高,例如,三峡库区农用耕地以坡耕地为主[3],严重制约了农业现代化发展.经济效益而言,榨菜-玉米轮作和榨菜-水稻轮作两种轮作系统在成本投入和经济收益上相差不大,从当地农户调研得到的反馈来看,在两种轮作系统经济收支基本相同的情况下,农户偏向选择相对节省劳动力的榨菜-玉米轮作系统.

3.2 两种粮菜轮作系统施肥过程的环境代价和减肥潜力

3.2.1 环境代价计算参数选择 由于榨菜种植的区域性,目前对榨菜生产过程中的环境代价研究较少,本课题组[21]通过数据整合分析的方法筛选了2017年 1月之前发表的关于我国蔬菜生产系统的N2O排放、NH3挥发和硝酸盐淋洗的中英文文献,通过分别对N2O排放、NH3挥发和硝酸盐淋洗与氮肥用量进行相关回归分析,建立了我国蔬菜生产系统的活性氮损失模型,运用其模型能更准确的计算榨菜的活性氮损失.王桂良[7]的研究中详细统计了西南夏玉米的N2O排放及NO3-淋洗,更符合本研究中的玉米生产状况,但缺乏NH3挥发的统计数据,Cui等[22]的研究收集了 13123个田间试验点的数据,总结出了中国南部的施肥量与玉米及水稻活性氮损失的模型,更具代表性和准确性,因此,为了更准确的计算西南地区玉米、水稻的活性氮损失,我们采用王桂良[6]的模型计算玉米的N2O排放及NO3-淋洗,采用Cui等[22]的模型计算玉米的NH3挥发和水稻活性氮损失.

3.2.2 环境代价现状分析 小农户经营的模式为了取得粮食的增产进而获得更高的经济收益,容易造成高环境代价和投入高成本.对比本次调研结果中两种轮作系统的环境代价发现,单位收益（每1000元）上榨菜-玉米轮作产生的活性氮损失、酸化效应和富营养化效应分别比榨菜-水稻轮作高 147%、73.1%和 146%,温室气体效应比榨菜-水稻轮作低38.9%;单位面积（每hm2）上榨菜-玉米轮作体系造成的活性氮损失、酸化效应和富营养化效应比榨菜-水稻轮作体系分别高出 44.6%、27.1%和 44.1%,而造成的温室气体效应比榨菜-水稻轮作体系低33.3%.环境酸化的主要污染物是农业生产过程中的NH3排放,而富营养化则是种植过程中的 NH3排放和NO3-淋洗等造成的,可以说活性氮损失的多少直接影响了环境酸化和富营养化[30],而氮肥的过量施用则是引起酸化效应和富营养化效应的主要原因.水稻季的温室气体排放要明显高于玉米季,尽管CO2的排放量最大,但是就温室效应潜力而言,单位CH4和N2O远大于CO2[31],因此,N2O排放量较低却依然造成了较大的温室气体效应,而水稻季的 CH4排放也成为了全球变暖的主要贡献因子之一.

3.2.3 减肥潜力 本研究结果显示,当地榨菜平均施肥量为施氮 456kg/hm2,施磷 109kg/hm2,施钾114kg/hm2,其施氮量明显存在着盲目过量施用的问题,詹凤[32]的研究结果指出,涪陵榨菜的推荐平均施肥量为施氮 300kg/hm2,施磷 90.0kg/hm2,施钾150kg/hm2,并且过量施氮并不会显著的降低榨菜产量,从而误导了农户投入过量的氮肥,可见在榨菜种植中,氮肥的施用上有很大的减肥潜力,可减少34.2%的氮肥投入.

《中国主要作物施肥指南》中给出的重庆地区玉米施肥建议:氮肥 225kg/hm2,磷肥 75.0kg/hm2,钾肥 60.0kg/hm2,而本研究中农户平均施氮量高达387kg/hm2,比重庆玉米施肥建议氮肥用量高出72.1%,这一数据表明当地过量施氮现象严重,极易造成肥料的大量流失,造成环境污染.磷肥施用方面,当地平均施磷量116kg/hm2,比重庆地区推荐施磷量高出 40.9kg/hm2,仍有减施空间.总体表现为氮肥减肥空间较大、磷肥减肥空间较小,这一结果与陈尚洪等[33]报道的结果基本一致,反映了西南地区玉米养分管理不平衡问题.

本研究中,水稻平均施肥量普遍偏低,分别为施氮 82.5kg/hm2,施磷 23.7kg/hm2,施钾 16.2kg/hm2,而重庆地区的推荐施肥量[34]为施氮 157kg/hm2,施磷87.0kg/hm2,施钾78.0kg/hm2.施肥量较低的原因在于当地农户的施肥经验是在榨菜季大量施肥以及将榨菜叶还田以后水稻季可以不施肥或少施肥[35].已有研究报告指出,榨菜叶还田的养分含量为每吨新鲜菜叶含N 2.64kg,P2O50.40kg,K2O 1.37kg[36].在长期榨菜-水稻轮作的田块,由于榨菜季大量施肥和榨菜叶还田,后季水稻即使不施肥料仍可以获得高产,但榨菜季合理优化施肥后,土壤中残留养分下降,仅靠榨菜叶还田无法保证作物高产[37].结合榨菜季优化施肥和榨菜叶还田措施,水稻季优化施肥方案为:氮肥 117kg/hm2,磷肥 81.0kg/hm2,钾肥 57.5kg/hm2.而榨菜-玉米轮作系统的耕地类型以旱地坡耕地为主,且玉米生育期大多处在雨季,榨菜叶还田的养分径流损失较大,因此本研究中分析玉米的减肥潜力时没有考虑榨菜叶还田所提供的养分.

3.3 减排潜力

当前,如何通过改变农业生产管理提高产量,同时减少随之产生的环境代价是主流话题,为了进一步分析施肥技术的优化和新型肥料可能带来的减少环境污染的效果,本文设定了两种情景假设（S1和S2）,结合过去的资料和数据选择,运用定量情景分析法进行情景模拟.基于S1情景分析可知,通过合理地调整施肥量,可以显著地降低环境代价,例如活性氮损失方面,榨菜季可以平均降低 33.8%,玉米可以降低 40.8%.而对比S1和 S2发现,添加硝化抑制剂降低其他环境代价的同时提高了酸化效应,主要原因在于硝化抑制剂虽然可以抑制氨氧化作用,降低了土壤中NO3-的浓度,减少了 NO3-和N2O的损失,但同时也使土壤中 NH4+的浓度升高,使得排放到环境中的NH3增加[38],而NH3的转换当量为1.88,是造成酸化效应的主要污染物,因此添加硝化抑制剂后增加环境酸化效应.稻田中应用硝化抑制剂引起的氨挥发排放增加问题使得稻田整体的活性氮损失增加,相比于 S1,虽然可以降低 0.81%的温室气体排放,却分别提高了活性氮损失12.1%、酸化效应21.2%、富营养化效应 12.0%,对于添加硝化抑制剂导致的氨挥发损失增加问题仍需进一步的研究[39].

3.4 三峡库区粮菜轮作环境可持续系统

作物生产系统中,肥料的大量投入（尤其是氮肥）,是导致活性氮损失、温室气体排放、酸化效应和富营养化效应的主要贡献因子.已有研究表明,由于稻田田面平整,发育有紧实的犁底层并且四周修有田坎,是一个相对比较封闭的系统,一般只有雨量过大才会产生稻田水的溢出进而产生径流损失,属于“机会径流”[40],合理的增加区域稻田数量,优化稻田的分布格局是三峡库区农业面源污染防控的重要手段[8,41].因此,在两个系统生产力和经济收益相近的情况下,从降低环境代价的角度更推荐农户选择榨菜-水稻轮作系统,特别是位于坡底的田块,从而充分发挥稻田的拦截和消纳地表径流损失的能力.而实际上三峡库区的稻田面积正在逐年减少,是由于外出打工报酬更加丰厚,造成了在玉米和水稻经济收入相差不大的情况下,人们更倾向于放弃需要较大劳动力的稻田种植模式,改而种植玉米,这也致使了当地的环境问题进一步的恶化[8,42].

基于减肥潜力分析和情景分析,我们推荐农户更多地使用测土配方施肥技术,减少肥料用量,同时选用新型肥料.通过改变肥料用量和形态,在保障作物产量的同时减少肥料损失,降低环境代价,从源头减量方面为防控三峡库区农业面源污染做出贡献.

4 结论

4.1 榨菜-玉米轮作和榨菜-水稻轮作两种轮作系统中,生产力和经济效益方面相差较小,施肥方面玉米和水稻施肥量差异显著,种植玉米的氮肥、磷肥和钾肥用量比种植水稻分别高出 305kg/hm2、92.3kg/hm2和66.6kg/hm2.

4.2 单位收益上榨菜-玉米轮作产生的活性氮损失、酸化效应和富营养化效应分别比榨菜-水稻轮作高 147%、73.1%和 146%,温室气体效应比榨菜-水稻轮作低 38.9%;单位面积上榨菜-玉米轮作系统造成的活性氮损失、酸化效应和富营养化效应比榨菜-水稻轮作系统分别高出44.6%、27.1%和44.1%,而造成的温室气体效应比榨菜-水稻轮作系统低33.3%.榨菜-水稻轮作系统整体造成的环境代价更低,但目前水田的种植比例降低.

4.3 情景分析表明,优化施肥量同时应用新型肥料可以有效降低粮菜轮作系统的环境代价,实现源头减量防控面源污染.