海南农田养分平衡状况及环境风险评价

洪秀杨，钟于秀，李伟芳，刘烁然，巨晓棠，阮云泽，李婷玉*

（1 海南大学三亚南繁研究院，海南三亚 572000；2 海南大学热带作物学院，海南海口 570208）

海南是我国唯一的“热带特色农业基地”，农牧业占地区经济生产总值的33%。由于海南得天独厚的热区优势，近年来本地农业发展迅速，过去30年农产品产量增长了3.3倍，尤其是水果、蔬菜的产量分别增加了11和10倍[1]，水稻等粮食作物种植面积占比则不断下降。据统计，从1990年到2020年，海南粮食作物种植面积下降了一半 (从56万hm2下降到27万hm2)，经济作物占比目前已达到总播种面积的81%，成为驱动化肥用量增长的主要因素。自1990年到2015年，海南岛的化肥用量 (实物量)增长了近3倍 (从37万t增长到136万t)，农田氮素养分输入量增长近2倍[2]，磷素总输入量增长2.8倍[3]。海南岛土壤以高度风化的砖红壤为主，有机质含量和阳离子交换量低，对养分的持留和供应能力差，过量投入的养分不能被作物有效利用而损失到环境中，导致农田养分大量损失[4]。加之近些年热带风暴等极端天气频发，土壤侵蚀和流失呈增强趋势，加剧了面源污染的形成和发展。

研究表明，海南岛多个入海口监测点的水体总溶解氮浓度超过国家水质Ⅲ类饮用水标准，可溶性无机氮浓度也高于我国黄渤海等地区[5]。农业面源污染问题已经严重制约了海南岛的可持续发展。2018年国家确立了海南省建设“国家生态文明试验区”、“国际旅游消费中心”和“农业绿色发展先行区”的战略定位，这意味着海南未来面临着双重挑战，既要保证热带特色农产品供应，又不能牺牲生态环境，甚至要引领全国生态文明建设。本研究通过对海南岛主要农作物施肥情况的全覆盖实地调研和养分收支分析，以阐明主要农作物的养分施用强度和养分平衡，开展活性氮损失、温室气体排放和水体富营养化等环境影响评价，为海南科学施肥、有机肥替代等相关研究及政策提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

海南岛地处我国最南端，属热带季风海洋性气候，全年暖热，雨量充沛，作物全年可生长，被誉为天然温室，稻可三熟，菜满四季。在此特殊的光温水资源下，海南成为中国大陆冬季的“菜篮子”、“果盘子”。年均气温为23℃～25℃，年平均降水量为1639 mm，但时空变异较大，干湿季明显[4]。海南岛陆地面积354万hm2，耕地面积为43.6万hm2(2020年)。常住人口1008万人[6]，农业生产总值为1821亿元，芒果、菠萝等热带水果产量位居全国第一和第二位。海南岛农田多分布在海口、文昌、儋州和东方等北部和西部沿海市县[1]，农业生产对近海水体污染风险较大。

1.2 数据来源

研究数据来源包括统计数据、调研数据和文献数据，统计数据包括作物种植结构、主要农作物在各市县的分布情况等；调研数据包括农户化肥和有机肥氮磷钾养分施用强度、产量水平、肥料产品结构、作物秸秆处理方式、农户基本信息和地块基本信息等；文献数据主要包括热带土壤作物体系氮磷流失系数、作物产品氮磷钾养分浓度[7–13]及全国主要农作物的养分投入等，用于作物体系氮磷养分平衡分析以及活性氮损失、温室气体排放和富营养化风险等环境影响评价。

1.3 研究方法

1.3.1 调研样本 本研究通过对海南岛18个市县进行实地调研，共获取有效样本1199个，分布见图1，其中北部4个市县共计420个 (海口130、文昌142、临高38、澄迈110)，西部3个市县共计220个 (儋州75、昌江72、东方73)，南部4个市县共计251个 (乐东85、三亚73、保亭33、陵水60)，东部两个市县共计93个 (万宁50、琼海43)，中部5个市县共计215个 (定安61、屯昌36、琼中43、白沙45、五指山30)；作物类型中，粮食、水果、蔬菜和其他经济作物调研样本量分别为380、276、265和278，共计36种作物，1199个样本，具体作物样本分布见表1。

表1 海南主要作物施肥管理及产量水平调研样本分布Table 1 Sample distribution of fertilization management and yield level of main crops in Hainan Province

图1 调研样本分布图Fig.1 Distribution map of survey samples

1.3.2 区域养分投入强度计算 由于各个区域的农业种植结构、地形气候、经济发展水平及农业经营者种植理念等存在较大差异，导致海南岛各区域养分投入强度大不相同。本研究以市县为单位，计算海南岛各市县的区域化肥氮、磷、钾养分施用强度。

区域养分投入强度的计算公式如下：

式中，Nufer-region为区域化肥氮磷钾养分投入强度，Inputi代表主要农作物“i”单位面积化肥养分投入强度，Ai表示“i”在该区域的种植面积，其中Inputi参数由本研究调研所得，Ai数据参考《海南统计年鉴 2020》[1]。

1.3.3 养分平衡估算 养分平衡是养分管理和政策制定的重要指标[14–15]，其定义为一个给定系统在给定时间段内 (一般一季作物或周年，本研究对一季作物养分平衡情况进行探讨)详细的养分输入 (inputs)与输出 (outputs)的关系。养分盈余过剩 (surplus)或亏缺 (deficiency)基于单位耕地面积上养分输入与输出的差值 (difference)获得。养分输入是指投入到作物体系氮磷等养分的总和，如化肥、有机肥、生物固氮、氮沉降等；养分输出是指输出产品带走养分的总和，如作物收获物、未作还田处理移出的作物秸秆[16]。通过调研得知海南粮食作物秸秆大多全部还田，而蔬菜类作物 (辣椒、瓜类、豆类等)秸秆少有还田处理，故蔬菜的养分输出以作物地上部养分吸收量计算，其他作物如粮食和果树则是计算其籽粒或果实等产物的养分含量。

养分平衡的计算公式如下：

式中，NuSur为农田系统氮磷养分的盈余；Nuinputs为农田系统养分投入；Nuhar为农田系统养分输出，即以作物产品形式收获的养分加未还田的部分秸秆；Nufer为化肥氮磷养分投入；Numan为有机肥氮磷养分投入，NuBNF为生物固氮量，Nudep为大气氮沉降[17]。

1.3.4 环境影响评价 本研究用全生命周期进行农田氮磷钾化肥及有机肥投入的环境影响评价，所用指标包括活性氮损失、温室气体排放和水体富营养化。

1)活性氮损失 (reactive nitrogen loss, Nr)：主要包括化肥和有机肥施用阶段以及化肥生产和运输阶段的氮损失，在施用阶段主要是硝酸盐淋洗、氨挥发、氧化亚氮排放等，在肥料生产和运输阶段主要有氮氧化物排放、氨排放等。

施用过程产生的活性氮损失计算公式如下：

式中，N2Oemission、NH3 voltalization、的计算主要参考 Wang 等[18–19]、王桂良[20]、Armour等[21]、Pandeya[22]等总结的参数，Nrate为化肥和有机肥的总氮施用量。

其它途径的活性氮损失排放主要包括肥料生产和运输阶段的活性氮损失量，用 NrMS表示，单位是N kg/hm2；其计算公式为：

式中，“i”代表每个农业投入品类别，Ratei代表“i”的用量：主要包括氮肥、磷肥和钾肥，Fi代表“i”生产和运输阶段的活性氮损失因子，参数如表2所示。

2) 温室气体排放潜值 (global warming potential,GWP)：在本研究中包括化肥和有机肥施用过程以及化肥生产和运输过程排放的CO2和N2O，以CO2为参照物，单位统一为CO2-eq kg/hm2[23]。其计算公式为：

式中，GWPTotal表示单位面积的温室气体排放总量，单位为CO2-eq kg/hm2；N2OTotal表示氮肥施用阶段直接引起土壤N2O排放，及由NH3挥发和NO3－淋洗途径间接产生的总N2O排放，44/28是N2O-N对N2O的换算系数，265为N2O以CO2-eq计的全球增温潜势，1.0%和2.5%分别是与NH3挥发和NO3－淋洗相关的N2O间接排放系数[24]；GWPFS表示氮磷钾肥的生产和运输过程中的温室气体排放量，单位是CO2-eq kg/hm2；“i”代表不同肥料类别，PECi表示“i”的生产和运输阶段温室气体排放的相关排放系数，Ratei代表“i”的用量，详见表2。

3)富营养化 (eutrophication potential, EP)：在本研究中包括化肥和有机肥施用阶段以及化肥生产和运输阶段排放的NH3和，以PO4为参照物[23]。其计算公式为：

式中，EP-Total表示单位面积上的富营养化，NH3和转换为PO4的当量系数分别为0.33和0.42[28–29]，17/14为NH3-N对NH3的换算系数，95/31为P对PO4的换算系数。PO4-MS表示农业投入品 (包括氮磷钾肥) 生产和运输阶段排放的PO4量，其中“i”代表肥料类别，Pi表示“i”的生产和运输阶段排放PO4的相关系数，详见表2，Ratei代表“i”的用量。0.98%和2.18%为磷素淋洗量和径流量占投入量的比例，磷素淋洗的文献主要参考刘建霞、姚春霞等的文献[30–31]。

表2 单位化肥用量环境影响评价参数及数据来源[25-27]Table 2 Parameters and data sources of environmental impact of one unit chemical fertilizer application

2 结果与分析

2.1 海南农田化肥施用强度和肥料产品结构

2.1.1 粮食作物化肥施用量及有机肥养分占比 海南粮食作物 (水稻、玉米、番薯等)化肥N、P2O5、K2O养分投入量分别为226、103、98 kg/hm2；有机肥 N、P2O5、K2O 投入分别为 10、5、8 kg/hm2；粮食作物化肥N、P2O5、K2O投入均超过全国平均水平，其中磷、钾超过全国水平50%[32]。海南3种主要粮食作物的化肥氮磷钾养分投入，均表现为氮投入量较高、磷钾投入量相近 (表3)。粮食作物有机肥投入的氮、磷、钾分别占总养分投入量的4%、4%、8%，低于全国平均水平69%～83%。全国粮食作物有机肥 N、P2O5、K2O 投入分别为 29、21、24 kg/hm2，有机肥投入的氮、磷、钾分别占粮食作物总养分投入量的13%、23%、27%[32]。

表3 海南及全国粮食作物化肥养分施用水平(kg/hm2·season)Table 3 The chemical nutrient application rates of grain crops in Hainan province and the whole country

2.1.2 蔬菜作物化肥施用量及有机肥养分占比 海南省蔬菜作物 (叶菜、豇豆、辣椒等)化肥N、P2O5、K2O养分平均投入量分别为470、483、474 kg/hm2，有机肥N、P2O5、K2O投入量分别为116、48、88 kg/hm2。蔬菜作物单位面积化肥N、P2O5、K2O养分投入量均高于全国平均水平，分别高出48%、164%、138%。如表4所示，海南蔬菜作物中化肥养分投入量较高的是冬瓜、辣椒和豇豆；叶菜虽然单季养分投入量较低，但由于其生长周期短，一年可种植3～10茬，所以其周年的养分投入量也处于高位，这里我们按照海南近5年平均复种指数150%～170%[1]将4茬蔬菜计算为一季。磷投入过量在蔬菜作物表现尤为突出，海南蔬菜磷素投入量普遍接近甚至高于氮素。有机肥N、P2O5、K2O投入量分别占总养分投入量的20%、9%、16%，低于全国平均水平9%～65%。全国蔬菜作物有机肥N、P2O5、K2O投入分别为91、64、60 kg/hm2，有机肥投入的氮、磷、钾分别占蔬菜总养分投入量的22%、26%、24%[32]。

表4 海南及全国蔬菜作物化肥养分年施用强度(kg/hm2·season)Table 4 Nutrient application intensity of vegetable crops on Hainan Province and the whole country

2.1.3 水果化肥施用量及有机肥养分占比 海南水果 (芒果、香蕉、菠萝等)化肥N、P2O5、K2O养分投入量分别为473、355、493 kg/hm2；有机肥N、P2O5、K2O 养分投入量分别为 65、39、48 kg/hm2；水果单位面积化肥N、P2O5、K2O养分投入量均高于全国平均水平，分别高出20%、55%、91%。如表5所示，海南水果的养分投入量差异较大，其中菠萝和香蕉化肥养分投入量最高，氮磷钾养分投入量在2100 kg/hm2以上。水果有机肥投入的氮、磷、钾养分分别占总养分投入量的12%、10%、9%，低于全国平均水平52%～69%。全国水果作物有机肥N、P2O5、K2O 投入分别为 132、97、105 kg/hm2，有机肥投入的氮、磷、钾分别占水果总养分投入量的25%、30%、29%[32]。

表5 海南及全国水果化肥养分施用强度(kg/hm2·season)Table 5 Chemical nutrient application intensity of fruit crops on Hainan Province and the whole country

根据《海南统计年鉴》计算，海南省其他经济作物主要为橡胶和槟榔，其面积在其他经济作物总面积中占比分别为75%和15% (图2)。橡胶化肥氮、磷、钾养分投入量分别为 N 76 kg/hm2、P2O572 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2，槟榔分别为 N 345 kg/hm2、P2O5340 kg/hm2、K2O 357 kg/hm2。槟榔的养分投入较高，且种植面积增长较快，目前已经达到水稻面积的一半左右，是海南化肥减量潜力较大的作物。由于海南其他经济作物种类与全国差异较大，在此不做比较。

图2 海南省2020年主要农作物种植结构Fig.2 Planting structure of main crops on Hainan Province in 2020

2.1.4 海南各市县化肥施用强度 海南化肥氮、磷、钾养分面积加权平均值分别为N 261 kg/hm2、P2O5206 kg/hm2、K2O 225 kg/hm2，高出全国水平10%、101%、148%；其中化肥氮、磷、钾占总养分投入量的比例分别为87%、92%、88%。18个市县中单位面积化肥养分施用强度，呈现沿海市县高于中部市县态势，其中最高的是昌江 (N 366 kg/hm2、P2O5291 kg/hm2、K2O 351 kg/hm2) 和海口 (N 321 kg/hm2、P2O5258 kg/hm2、K2O 295 kg/hm2)，施用强度最低的是白沙 (N 150 kg/hm2、P2O5101 kg/hm2、K2O 109 kg/hm2) 和琼中 (N 163 kg/hm2、P2O5130 kg/hm2、K2O 138 kg/hm2)，昌江、海口氮、磷、钾投入量为白沙、琼中等市县的1.0～2.2倍 (图3)。这主要和区域种植结构有关，昌江和海口的香蕉、甘蔗、菠萝、辣椒和叶菜等高养分投入作物面积占比在全岛名列前茅，而低养分投入的橡胶等种植面积则较小 (昌江、海口橡胶种植面积占全省的比例分别为3.0%和0.9%)。

图3 海南省各市县化肥施用强度Fig.3 Chemical nutrient rate intensity in cities and counties on Hainan Province

2.1.5 肥料产品结构 海南主要农作物施用的化肥中，氮肥主要以尿素为主，在氮肥中的使用比例达84% (以施用频率计算)；磷肥以过磷酸钙和钙镁磷肥为主，在磷肥中的使用比例分别为84%和16%；钾肥以氯化钾和硫酸钾为主，在钾肥中的使用比例分别为55%和31%；复合肥以不同配方的平衡肥为主，其中 15–15–15、16–16–16 和 17–17–17 的平衡肥分别占复合肥施用频率的62%、5%、5% (图4)，有很多农户施用的配方肥为作物专用配方肥，主要见于水稻、香蕉、槟榔等作物。除了这些传统化肥外，不同类型的水溶肥、桶装肥在水果、蔬菜种植中有较高的施用比例，尤其是哈密瓜、西瓜等瓜类种植。

图4 海南化肥施用产品结构Fig.4 The structures of chemical fertilizers applied in Hainan Province

有机肥施用方面，海南经济作物的有机肥施用比率高于粮食作物。鸡粪是农户最常使用的有机肥，在不同类型的作物中施用比例较高；在粮食、蔬菜、水果和其他类型作物的比例分别为50%、31%、20%和41%，牛粪次之。蔬菜和水果作物羊粪的使用比例较高，分别为31%和48%，商品有机肥的使用比例较低，均在10%以下，商品有机肥主要施用于蔬菜作物。海南粮食作物、蔬菜、水果和其他经济作物农户中施用有机肥的比例分别为15%、61%、59%和47%。

2.2 典型农作物氮磷养分平衡

养分平衡 (盈余)为总养分投入与有效氮磷产出之差，是指未被有效利用的养分，大多通过径流、挥发和淋洗损失到水和空气中，少部分贮存于土壤养分库中，是反映养分损失环境风险的重要指标[14–16]。本研究分析了海南典型作物体系水稻–蔬菜轮作以及热带特色水果香蕉和菠萝的氮磷养分平衡(图5)。

图5 海南典型作物体系氮磷养分平衡及损失去向 [(kg/hm2·season)] [33]Fig.5 Balance and loss of N and P in typical cropping systems in Hainan Province

水稻是海南种植面积最大的粮食作物，播种面积将近30万hm2，目前海南水稻生产从传统的早晚双季稻逐渐转向水稻–蔬菜轮作模式。本研究分析了目前广泛种植的水稻–辣椒轮作体系，该作物体系周年氮素投入为 N 798 kg/hm2，有效氮产出 (收获的作物籽粒及辣椒产品)为 N 278 kg/hm2，每年有 N 520 kg/hm2的氮素盈余残留在土壤或流失到环境中，周年氮素利用率为35%。全国水稻、辣椒氮素利用率分别为53%和37%[32]，均高于海南水稻–辣椒轮作体系。海南省水稻–辣椒的磷 (纯磷)投入为P 268 kg/hm2，有效磷产出为 P 51 kg/hm2，盈余为 P 217 kg/hm2，磷素利用率为19%。盈余的氮素主要去向为地表径流和淋洗，损失总量高达N 203 kg/hm2，磷素损失中地表径流和淋洗总量为P 35 kg/hm2，主要的磷素盈余则被土壤固定。

香蕉是海南第二大水果作物，种植面积仅次于芒果。香蕉的平均氮素投入为N 827 kg/hm2，有效氮输出 (香蕉果实的氮输出)为 N 152 kg/hm2，投入产出均高于全国平均水平约5%[34]，氮素盈余N 675 kg/hm2，氮素利用率为18%。香蕉的磷素 (纯磷)投入为P 305 kg/hm2，高出全国平均水平27%，有效磷输出为 P 28 kg/hm2，磷素盈余 P 277 kg/hm2，磷素利用率为9%。菠萝是海南的特色热带作物之一，也是海南甚至全国养分投入强度最高的作物之一，总氮投入高达 N 928 kg/hm2，有效氮产出 (菠萝果实氮素输出量)为 N 260 kg/hm2，氮素盈余为 N 668 kg/hm2，氮素利用率为28%；菠萝的磷素投入量为P 262 kg/hm2，有效产出为 P 34 kg/hm2，磷盈余为 P 228 kg/hm2，磷素利用率为13%[35]。

2.3 环境影响评估

海南主要农作物单位面积环境排放较高，其中单位面积活性氮损失、单位面积温室气体排放和富营养化效应，均以菠萝最高 (图6)，分别达到N 201 kg/hm2、CO2-eq 13112 kg/hm2和 PO4-eq 121 kg/hm2。此外香蕉、龙眼、甘蔗等水果的单位面积环境排放也位于前列，花生、橡胶、茶叶等单位面积环境排放值相对较低。活性氮损失的4个途径中，贡献最大的是施用阶段硝酸盐淋洗达85%，其次是氨挥发、氧化亚氮排放和肥料生产运输阶段产生的活性氮损失。单位面积温室气体排放的调查结果表明，肥料生产运输过程产生的温室气体排放与施用阶段相当。在单位面积富营养化潜值中，肥料施用阶段排放较大，氮肥和磷肥肥料施用过程对富营养化效应的贡献度分别为62.5%和35.7%。

图6 海南主要作物的环境风险评估Fig.6 Assessment of environmental risks of the main crops in Hainan Province

3 结论与建议

本研究通过对1199个农户生产样本的深入分析，得出海南的氮肥单季投入强度高于全国10%，磷、钾投入超出全国平均水平的1.0、1.5倍。农作物种植结构和肥料产品结构是导致磷钾过量施用的重要因素。海南经济作物种植面积在总种植面积中占比达80%以上，位居全国前列，经济作物施肥过分偏重高磷钾浓度的平衡复合肥。种植结构的差异是也导致海南省沿海市县养分投入大于中部市县的主要原因。此外，海南的有机肥占比较低，氮磷钾有机养分投入分别占总养分投入的13%、8%、12%，分别低于全国水平。全国氮、磷、钾有机养分投入分别占总养分投入的18%、24%、29%[32]。有机肥比例偏低一方面是因为化肥强度基数大，拉低了有机肥的占比；另一方面是因为海南有机废弃物的循环比例较低，仅为48%，一半以上的有机肥资源未被有效利用并成为环境污染的来源。

海南典型农作物的养分平衡状况：香蕉、菠萝的氮盈余分别为 N 675 kg/hm2和 N 668 kg/hm2，磷盈余分别为 P 277 kg/hm2和 P 228 kg/hm2。以氮为例，是安全环境阈值的8倍以上，是欧盟盈余指标的13 倍以上 (氮素安全盈余阈值为 N 80 kg/hm2[16]，欧盟规定了每年土壤氮盈余不得超过N 50 kg/hm2[36])。高强度的施肥也导致菠萝、香蕉体系的各项环境影响均较高，是水稻环境排放的3～4倍。海南岛热带特色蔬菜和水果的大幅度增产背后是高额的环境代价，农业生产方式亟待转型。针对以上问题，提出以下几点建议：

1)根据作物的需肥特征，进一步优化肥料产品结构；制定作物专用肥配方，降低高磷配方复合肥的比例，在配方肥的基础上完善功能肥、水溶肥的搭配，建立科学施肥技术体系及规程，并覆盖到主要作物的主要区域。

2)在作物配方肥及科学施肥体系下，实施化肥定额制 (氮、磷、钾定额)和实名制度，限制化肥投入量；并将肥料定额和作物科学施肥与本地的绿色农产品或地标农产品认证相结合。

3)稳定粮食作物种植面积，限制经济作物种植面积的进一步增加，特别是槟榔，其种植面积已扩大到水稻的一半，而施肥强度则和水果等经济作物相当。

4)规范主要作物施肥强度监控指标，构建覆盖全岛的主要作物施肥强度监测网络。

5)加强不同作物体系养分循环和损失途径的科学研究，建立养分综合管理指标体系，以控制面源污染。