种植结构非粮化对农田氮磷流失负荷的影响

邱乐丰，张 玲，徐保根，吴绍华，徐明星

(1.浙江财经大学 土地与城乡发展研究院，浙江 杭州 310018； 2.杭州学联土地规划设计咨询有限公司，浙江 杭州 310030； 3.浙江省地质调查院，浙江 杭州 311200)

农作物种植结构调整不仅直接关乎粮食安全，而且可以驱动区域乃至全球生态环境变化。近年来，在我国农作物种植结构调整过程中，非粮化现象在一些地方呈现蔓延趋势，成为威胁粮食安全保障的新问题。虽然，非粮化体现了农户追求经济利益的自发需求和农业种植结构多元化调整的合理需要，但我国粮食供求总体上仍处于紧平衡状况，结构性紧缺矛盾和应对突发灾害的风险越来越突出。非粮化导致用于种植粮食作物的耕地，尤其是优质耕地数量锐减。作物生产管理方式，及土地利用布局和结构的改变，必然会引起耕地利用的生态环境效应发生变化，势必影响到我国粮食安全的基础。在此背景下，中央政府于2020年连续发布《国务院办公厅关于坚决制止耕地“非农化”行为的通知》和《国务院办公厅关于防止耕地“非粮化”稳定粮食生产的意见》，明确提出严格耕地农业用途管制，加强耕地保护监管，防止过度非粮化。

开展种植结构非粮化演变及其生态效应研究，可为我国新一轮农业种植结构调整和农业可持续发展决策提供科学依据，已成为当前乡村农业地理研究的关键课题之一。近年来，学界围绕非粮化问题的成因和对策开展了广泛研究，但涉及非粮化生态环境效应的研究较为缺乏。非粮化使农田植被覆盖类型和管理模式发生变化，直接影响土壤生物多样性、土壤结构和土壤肥力，从而改变土壤质量。在国际上，相关研究主要涉及种植结构变化对土壤孔隙度和聚集体等土壤结构因子、土壤有机质输入和矿化、土壤侵蚀和养分流失、农业生态集约化与资源可利用性等的影响，进而论及农田土壤质量和生产力等方面。在国内，相关研究主要包括：(1)基于实地调查，结合专家咨询，调研非粮化利用对耕地耕作层的影响，定性分析耕地质量的变化；(2)采用多特征变化向量评定方法，监测种植结构调整对耕地质量变化的影响；(3)运用生态系统服务评估方法，研究茶园扩张对土壤侵蚀和养分流失的影响；(4)运用负外部效益测算方法，间接测算非粮化造成的土壤污染等生态环境负外部效益。但也有学者认为，非粮化虽然会导致土壤肥力、生态和环境等维度的改变，但对土壤质量和生产潜力究竟造成了多大程度的影响仍然存疑。综上所述，传统研究多集中于种植结构变化对土壤理化性质和耕地地力的影响，而上升到土壤质量和生态保护层面，定量评价非粮化对农田生态环境影响程度的成果极少，还未厘清种植结构非粮化转变过程对农田生态环境的影响机理，也没有给出一个定量评估具体区域种植结构非粮化转变综合生态效应的研究范式。

我国水体富营养化问题严峻，来源于农业面源的氮、磷已成为东部沿海地区水体的重要污染物，种植业氮、磷流失负荷也成为了最受关注的农业土地利用生态效应之一。国内种植业普遍存在着不合理的化肥施用方式，特别是在蔬菜、瓜果等经济作物的生产过程中，过量施肥的现象尤为严重。据统计，太湖地区农田平均化肥施用量600 kg·hm，为全国平均水平的2.2倍。果树、蔬菜和茶叶等经济作物的施肥量远高于粮食作物。随着种植结构调整过程中经济作物比重的提高，农业面源污染形势料将进一步加剧。早期关于农田氮、磷养分的研究较多关注土壤肥力和生产力，将氮、磷含量作为提升土壤质量的正向因子；目前，相关研究则更加关注农田过量施用氮、磷的负面生态环境效应，通过耦合土壤系统氮、磷动态平衡过程与种植结构调整过程以减少农田氮、磷负荷及其输出量已成为当前研究的重点。

浙江省慈溪市是我国长三角地区农业和经济发展最发达的县市之一，现代都市农业发展迅猛，种植结构趋向多元化和非粮化，稻田改种蔬菜、水果等经济作物的现象突出。以该区域为对象进行种植结构非粮化演变研究，具有较强的典型性和代表性，能够为我国东部经济发达地区种植结构的调整与优化提供借鉴和指导。关于种植结构非粮化的演变对慈溪市农业种植氮、磷养分投入量，以及氮、磷径流流失负荷的影响如何，在本研究检索范围内，鲜见报道。为此，本研究通过调研1995—2019年慈溪市主要农作物种植面积的变化，明确该地区种植结构非粮化的演变特征，并估算该地区种植结构变化过程中的氮、磷投入量和径流流失负荷量，以期为深入认识和合理管控种植结构“非粮化”提供科学基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

慈溪市地处浙东沿海、杭州湾南岸，下辖5个街道、14个镇，全市总面积1 154 km，其中，平原775.4 km，山地166.8 km，有“二山一水七分地”之称。地势南高北低，呈丘陵、平原、滩涂三级台阶状朝杭州湾展开。土壤为典型的组合型平原土壤：南部丘陵区多属水稻土，质地为中壤至轻黏，土层深厚，肥力稳长；北部滨海平原地区，自海滨向内依次有盐土、潮土、水稻土3个土类，粉砂含量高，呈中性至微碱性。慈溪属于北亚热带南缘季风型气候，四季分明，雨量充足，年平均气温16.0 ℃，年平均降水量1 272.8 mm，农作物一年两熟或三熟。传统农业以水稻、棉花种植为主，农业种植结构调整起步于1985年，果菜种植面积逐年增加，是研究耕地非粮化的代表性地区。

1.2 数据来源

本文的研究对象为慈溪市第三次全国国土调查成果数据库中的耕地图斑。主要数据来源有3种——统计年鉴、文献调研和实地调查数据。选取慈溪市1995—2019年统计年鉴中主要农作物种植面积数据，慈溪市农业部门农田氮、磷肥施用量年度统计数据，以及近年间发表的与慈溪市农业施肥管理和自然地理条件相近的长三角地区关于农业氮、磷径流流失特征的数据(表1)。

表1 慈溪市稻田、果园、苗木基地和菜地的氮、磷径流流失系数

1.3 数据分析

1.3.1 种植结构变化特征

考虑到农业播种总面积和作物经济产值的波动影响，本研究参考我国传统的“粮经比”概念，通过调研分析慈溪市主要粮食作物和经济作物种植面积比例的动态变化来揭示慈溪市种植结构的时空变化特征，并构建非粮化指数(NGP)揭示慈溪市种植结构非粮化的演变特征，其计算公式为

=/。

(1)

式(1)中：表示某一年份非粮化指数的值，值越大，说明非粮化越严重；和分别代表某一年份经济作物和粮食作物的种植面积，单位均为hm。选取的慈溪市主要经济作物包括棉花、蔬菜、苗木、茶叶和水果。

1.3.2 氮磷投入量和径流流失量估算

通过农业部门农田氮、磷肥施用量年度统计数据，计算慈溪市稻田、果园、苗木基地和菜地的氮、磷肥投入量(分别以N、P计)变化。

稻田(菜地/果园/苗木基地)氮(磷)肥年投入量(kg·a)=稻田(菜地/果园/苗木基地)氮(磷)肥单位面积施用量统计数据(kg·hm·a)×稻田(菜地/果园/苗木基地)种植面积(hm)。

通过文献调研，分析不同种植结构下的径流流失系数，计算慈溪市稻田、果园、苗木基地和菜地的氮、磷径流流失量(分别以N、P计)：

稻田(菜地/果园/苗木基地)氮(磷)径流流失量(kg·a)=稻田(菜地/果园/苗木基地)氮(磷)肥年投入量(kg·a)×氮(磷)流失系数(%)。

2 结果与分析

2.1 种植结构演变

慈溪市的种植结构总体上呈现粮食作物和传统经济作物(棉花、油菜)种植面积连续减少，蔬菜、水果种植面积持续增加的趋势(图1)。1995—2019年，粮食作物种植面积由35 850 hm减少到18 180 hm，锐减49.3%；而蔬菜和水果的种植面积则分别由14 350 hm和5 518 hm增长至30 686 hm和11 498 hm，涨幅分别高达113.8%和108.4%。苗木种植面积经历先上升后下降的过程：1995—2005年由270 hm上升至3 557 hm，至2019年又回落到2 960 hm。慈溪市的茶叶种植面积较小，多年稳定在300 hm以内。由于城镇建设占用和后备资源缺乏，慈溪市农业种植总面积在研究期内呈下降趋势，蔬菜和水果的新增面积主要来源于原有粮田，说明慈溪市的农业种植结构调整存在明显的非粮化趋势。

图1 慈溪市1995—2019年主要农作物的种植面积变化Fig.1 Dynamics of planting area of main crops in Cixi City from 1995 to 2019

基于1995—2019年慈溪市种植结构的非粮化指数(NGP)变化(图2)，可将慈溪市的非粮化过程划分为3个阶段：1995—2007年，为稳定上升期，NGP由1.02上升至1.74，年均增长5.9%；2007—2013年，为回调下降期，NGP由1.74下降为1.44，年均下降4.9%，据推断，这可能与2004年后国家实施粮食最低收购价政策等一系列鼓励粮食生产的宏观调控措施有关；2013—2019年，为快速上升期，NGP由1.44提高到2.59，年均涨幅达19.1%。

图2 慈溪市1995—2019年种植结构非粮化指数的变化Fig.2 Dynamic of non-grain index in Cixi City from 1995 to 2019

2.2 氮磷养分投入总量变化

随着种植结构中粮食作物向经济作物转变，大量稻田改种蔬菜、水果和苗木，生产管理方式相应改变，耕地的氮、磷养分投入量亦发生变化。调研结果表明，慈溪市当前果园、苗木基地和菜地的氮、磷单位投入量大都高于稻田，尤其是菜地(表2)。以2018年为例，单位面积菜地的氮磷投入量分别是稻田的2.9倍和5.9倍。2001—2018年，稻田的氮单位投入量累计降低103.1 kg·hm·a，降幅为22.3%，而菜地的氮单位投入量累计提高607.7 kg·hm·a，增幅达137.7%。这说明，化肥减量增效和面源污染整治政策成效初显，但在降低稻田氮流失的同时，对蔬菜等经济作物的重视还不够。从投入总量来看(图3)，2001—2018年，慈溪市种植业氮、磷投入总量分别由31.99×10kg·a和8.83×10kg·a上升至44.39×10kg·a和30.85×10kg·a，增幅分别达到38.8%和249.5%。菜地已经取代稻田成为种植结构中首要的氮、磷投入作物，占种植结构年氮、磷投入总量的72.2%和82.3%。同时，果园和苗木基地等的氮、磷投入总量也呈现出不断上升的趋势。

表2 慈溪市不同年份稻田、果园、苗木基地和菜地的单位面积氮、磷投入量

图3 慈溪市不同年份稻田、果园、苗木基地和菜地的氮、磷投入总量Fig.3 Total N， P input in paddy field， orchard， nursery stock， and vegetable field in Cixi City in different years

2.3 氮磷流失负荷变化

基于农田径流流失系数估算慈溪不同种植结构下的氮、磷径流流失量(图4)。随着种植结构非粮化调整，2001—2018年，慈溪市农田氮、磷流失总量上升，径流氮流失总量上升12.6%，磷流失总量上升649.4%。其中：稻田氮、磷径流流失量分别降低59.4%、36.6%，而菜地氮、磷径流流失量分别上升121.8%和649.4%，果园氮、磷径流流失量分别上升120.1%和156.6%，苗木基地的氮、磷径流流失量先升后降。至2018年，慈溪市农田氮、磷流失负荷分别为2 823.3 t和971.5 t。菜地已经取代稻田成为农业种植结构中农田氮、磷流失的首要来源，占当地种植结构下年氮、磷流失总量的70.9%和89.2%，成为农业面源污染控制的重点对象。

图4 慈溪市不同年份稻田、果园、苗木基地和菜地的氮磷径流流失量Fig.4 N and P runoff losses of paddy field， orchards， nursery stock， and vegetable fields in Cixi City in different years

3 讨论

近年来，我国粮田改种果菜茶等经济作物的种植结构非粮化现象在一些地方呈逐步扩大趋势。研究表明，种植结构变化主要受气候、水文、土壤等自然因素和市场、政策、人口等社会经济因素的共同驱动。慈溪市种植结构的快速非粮化演变：一方面，是因为蔬菜、水果等经济作物的单位面积经济效益显著高于粮食作物，生产资料、劳动力等种粮成本逐年提高，而粮食收购价格仍相对较低，改种经济作物后，虽然投入成本和市场风险较高，但收益回报也相对更高，因此农户会基于理性选择种植经济效益更高的作物；另一方面，在城乡居民膳食结构升级换代和食物需求多元化转型的客观背景下，国家和地方政府在农业发展决策和土地利用规划管理上向经济效益和产业发展倾斜，种植业发展目标从粮食安全向食物安全转变，亦会助推种植结构向非粮化方向转变。本文研究的慈溪地区业已发展形成以设施农业为特征的蔬菜、水果产业带，在提升地方农户经济收入的同时，也在一定程度上弱化了农田保障粮食生产的基本功能。这种现象在我国东部沿海发达地区的广大农区具有极强的代表性和典型性。

2020年以来，从中央到地方，各级政府密集出台系列管控非粮化的政策文件，其中，制止破坏耕作条件和降低耕地质量的非粮化行为是核心内容之一。因此，明确非粮化的生态效应不仅是实施耕地数量、质量和生态“三位一体”保护的前提，也是科学管控非粮化的关键。

本研究通过对1995—2019年慈溪市农业种植结构变化的调研分析，明确了慈溪市种植结构调整的非粮化趋势及其对农田氮、磷流失负荷变化的影响。研究期内，慈溪市粮食种植面积持续减少，而蔬菜、水果种植面积持续增加，存在明显非粮化倾向。根据种植结构非粮化指数，可将当地的非粮化过程分为稳定上升、回调下降和快速上升3个阶段。随着种植结构的非粮化，2001—2018年慈溪市农田氮、磷流失总量明显上升，经济作物已取代水稻成为农业种植中主要的氮、磷养分投入对象和流失来源，特别是来源于菜地的氮、磷流失已成为农田氮、磷流失的优先控制对象。

本研究展示了通过文献调研结合实地调查方法来评估农田氮、磷流失负荷的可行性，研究结果可以为案例区下一阶段种植结构的调整提供科学基础。但是，本文也存在一些局限性，需要在未来的研究中加以改进。首先，利用文献调研方法分析不同种植结构下的农田氮、磷径流流失系数，并基于此计算农田的氮、磷流失总量，这在方法上存在一定的不确定性。例如：(1)未考虑径流路径中的削减量，很可能会导致计算出的氮、磷流失量偏大；(2)多源数据的获取途径、精度和尺度不统一，需要详细的现场采样和测量进行验证，以提高基础数据的可靠性；(3)影响农田氮、磷流失的环境因素非常复杂，包括施肥管理、地形特征、气候因子等，但这些均没有加入本文进行分析。在未来的研究中，补充和分析这些变量可以更全面地理解种植结构改变对农田氮、磷流失负荷的影响。

根据本文研究结果，针对非粮化问题提出如下对策建议。

(1)严控非粮化行为导致的农业面源污染风险。种植结构调整对区域农田氮、磷流失负荷的影响不容忽视。不同种植体系的养分利用率和农户施肥习惯会导致当地农田的氮、磷径流损失量发生变化，从而产生不同程度的农业面源污染风险。然而，目前各地出台的非粮化行为管控政策措施并没有注意到这一负面生态效应。下一步，应在提高粮食种植面积、压实耕地保护目标的基础上，加强耕地生产对土壤养分指标的监管和预警，缓解地区氮、磷污染负荷。同时，可以从优化土地利用方式、施肥方式等角度测算不同管控措施下的食物产出与养分平衡，以期更合理地调整种植结构，优化土地资源分配。

(2)明确非粮化行为破坏农田生态环境的评估标准。目前，对于农田生态环境的动态监管监测，以及土壤质量破坏鉴定，均缺乏权威鉴定机构和技术标准，少数地方或部门自行制定的办法中也仅包含了耕作层厚度、土体构型、土壤质地和田间杂物等表观物理指标或有机质含量、pH值、重金属含量等简单理化指标，难以全面反映种植结构非粮化的生态环境效应，更不能满足耕地“三位一体”保护的需求。本文提出的区域农田氮、磷流失负荷变化评估方法，虽然还有待进一步完善，但有助于定量判断种植结构非粮化的生态环境负效应，可为制定种植结构非粮化管控政策提供参考。