劉欽普

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中國化肥施用強度及環(huán)境安全閾值時空變化

劉欽普

（南京曉莊學(xué)院環(huán)境科學(xué)學(xué)院，南京 211171）

確定化肥投入強度環(huán)境安全閾值對于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護具有重要的意義。根據(jù)大田作物氮磷鉀1:0.5:0.5（質(zhì)量比，下同）的養(yǎng)分要求，建立氮磷鉀化肥施用環(huán)境安全閾值模型，對中國化肥施用強度和環(huán)境安全閾值的時空變化及施肥合理性進行研究。結(jié)果表明：1）1980年以來中國化肥施用量迅速提高，化肥施用強度則以每年平均增長4.1%的速度上升。氮磷鉀肥料比例從1980年的1:0.3:0.05，增加到2014年的1:0.5:0.43，逐漸趨于發(fā)達國家1:0.50:0.50的水平。氮磷鉀肥料投入分別在1988年、2000年、2009年超過了環(huán)境安全閾值，之后差距越來越大；2）青海、西藏、甘肅、四川、貴州、江西和黑龍江屬于低強度施肥區(qū)，重慶等為中強度施肥區(qū)，新疆等為高強度施肥區(qū)，海南、河南、北京、天津為超高強度施肥區(qū)；3）中國60%以上省份的化肥施用環(huán)境安全閾值在中閾值區(qū)范圍變化；4）2014年中國化肥施用強度是環(huán)境安全閾值1.2倍，施用強度最高的陜西省是安全閾值的3倍，但是仍有不少省份施肥不足；氮肥、磷肥施用過量比較嚴(yán)重，鉀肥施用不足較為普遍。各省份應(yīng)根據(jù)具體情況采取不同的施肥策略，正確處理糧食安全與環(huán)境保護的關(guān)系。

化肥；污染控制；農(nóng)業(yè)；環(huán)境安全閾值；施肥強度；時空變化；中國

0 引 言

隨著點源污染的不斷控制，面源污染已成為世界范圍內(nèi)地表水與地下水污染的主要來源，具有廣泛性、隨機性、不確定性和難監(jiān)測性等特點[1]。研究表明，農(nóng)業(yè)面源污染的第一位污染物是化學(xué)肥料[2]。美國的調(diào)查和研究指出，15%的排水良好的農(nóng)業(yè)區(qū)地下水硝態(tài)氮的濃度超過了飲用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[3]，這些氮源于施用在土壤中的高含量的氮（448 kg/hm2）。歐洲因農(nóng)業(yè)活動輸入到北海河口的總氮和總磷分別占入海通量的60%和25%[4]。在中國，農(nóng)業(yè)面源污染來源于種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、農(nóng)村企業(yè)以及農(nóng)村生活，其中種植業(yè)是主要來源[5]。為了控制種植業(yè)肥料過度施用造成的面源污染，國內(nèi)外在化肥適宜（或安全）用量方面做了大量研究。英國洛桑試驗站的研究結(jié)果表明：英國冬小麥生產(chǎn)體系中，氮的主要損失途徑是硝酸鹽淋失，淋失量隨著氮肥用量增加而增加，尤其是氮肥用量超過最佳經(jīng)濟投入量時尤甚[6]；當(dāng)土壤有效磷大于 57 mg/kg時，土壤水溶性磷顯著增加，土壤磷淋失風(fēng)險顯著增大[7]。中國在改進氮肥施用技術(shù)、平衡施肥、減少農(nóng)田環(huán)境污染風(fēng)險方面做了許多研究[8]。一些學(xué)者根據(jù)化肥用量和養(yǎng)分流失的關(guān)系，對華北平原和太湖流域的適宜氮肥施用量進行研究，給出了這些區(qū)域“最佳經(jīng)濟施肥量”和“生態(tài)經(jīng)濟施肥量”的建議[9-11]。就全國平均來說，一般糧食作物氮素用量在150～180 kg/hm2較適宜[12]。研究表明，北方平原區(qū)春玉米化學(xué)氮肥投入閾值為270～337 kg/hm2時，既能保證春玉米高產(chǎn)，又不對環(huán)境造成污染[13]。內(nèi)蒙古河套灌區(qū)施氮量193～291 kg/hm2是保證玉米產(chǎn)量和環(huán)境友好的合理施氮閾值[14]。太湖流域稻田施氮肥221～261 kg/hm2比較適宜[15]。魯如坤[16]認(rèn)為，土壤有效磷50～70 mg/kg可能是污染水源的臨界指標(biāo)。張世民等[17]在新疆阿克蘇地區(qū)的春玉米試驗表明，土壤有效磷達到14.4 mg/kg時可獲得玉米高產(chǎn)，其對應(yīng)的施磷閾值為130.2 kg/hm2。席雪琴[18]研究表明，當(dāng)土壤有效磷大于39.3 mg/kg時，磷素淋溶風(fēng)險增大；在土壤有效磷為25～40 mg/kg時，冬小麥?zhǔn)┝琢繎?yīng)為60～80 kg/hm2。以上研究為合理施用氮肥和磷肥控制面源污染提供了重要的參考依據(jù)，但多是基于田間試驗結(jié)果，且各地對同一作物的建議施肥量數(shù)據(jù)差距較大。目前國內(nèi)外用模型方法計算化肥施用環(huán)境安全閾值，防止農(nóng)業(yè)面源污染的研究較少。本文擬提出化肥施用環(huán)境安全閾值計算模型，研究中國近35 a的化肥投入的強度及環(huán)境安全閾值時空變化，以期為中國各地生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)、面源污染防治提供參考。

1 材料與方法

1.1 資料來源

本研究所需數(shù)據(jù)按來源分2類：1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。主要包括中國1980—2014年期間的氮肥、磷肥、鉀肥和復(fù)合肥的農(nóng)用量和同期的作物播種面積、果園種植面積等。這些數(shù)據(jù)主要來自中國國家統(tǒng)計局網(wǎng)站[19]。這些數(shù)據(jù)中的復(fù)合肥沒有明確表明氮磷鉀的含量，但根據(jù)市場考察和有關(guān)文獻，等養(yǎng)分配比通用型復(fù)合肥一直是復(fù)合肥中的主流產(chǎn)品[20-22]，因此復(fù)合肥中的氮磷鉀的比例根據(jù)經(jīng)驗按照1:1:1計算[23-26]；2）估算數(shù)據(jù)。對一些無法直接通過年鑒或調(diào)查獲得的數(shù)據(jù)，用已獲得的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的估算。在中國統(tǒng)計年鑒中，1980—2014年35 a中1982年、1983年中國的氮肥、磷肥、鉀肥和復(fù)合肥的用量數(shù)據(jù)缺失，為了便于做出趨勢變化圖，文章對這2 a的數(shù)據(jù)利用線性插值法進行估算[27]。估算后的化肥用量變化趨勢與同期糧食產(chǎn)量的變化趨勢是一致的，證明對個別年份化肥用量數(shù)據(jù)采用線性插值法估算是可行的。

1.2 化肥施用環(huán)境安全閾值的計算方法

化肥施用環(huán)境安全閾值是指在為獲得某一季作物目標(biāo)產(chǎn)量而不危害環(huán)境的某種化肥的最大施用量（kg/hm2）[28]。通過比較化肥施用強度與化肥施用環(huán)境安全閾值，即可表征化肥施用的合理性和安全性。通常，考慮生態(tài)安全的作物施肥量比作物最佳經(jīng)濟施肥量低[15]。巨曉棠[29]研究表明，理論推薦施氮量可用作物目標(biāo)產(chǎn)量乘以作物需氮量獲得。筆者參考以上研究結(jié)果，借鑒發(fā)達國家氮磷鉀比例1:0.5:0.5的施肥實踐[30]及中國大田作物小麥水稻等氮磷鉀施肥比例為1:0.5:0.5的養(yǎng)分要求[31]，提出總化肥和氮磷鉀單質(zhì)化肥施用的環(huán)境安全閾值（environmental safety threshold，ET）測度模型為

ETN= 0.5ET（2）

ETPETK= 0.5ETN（3）

式中ET、ETN、ETP、ETK分別為總化肥、氮肥、磷肥和鉀肥施用環(huán)境安全閾值（kg/hm2），Y為某地區(qū)近期年中第年的作物產(chǎn)量（kg/hm2），為作物需氮系數(shù)（即單位產(chǎn)量的作物需氮量）；為化肥施用環(huán)境安全調(diào)節(jié)系數(shù)（值小于1），用于調(diào)節(jié)化肥施用環(huán)境安全閾值與某一目標(biāo)產(chǎn)量下的化肥施用經(jīng)濟適宜量的關(guān)系。研究表明，考慮生態(tài)環(huán)境為主的作物施肥量（即環(huán)境安全閾值）比以考慮經(jīng)濟為主的作物施肥量（即經(jīng)濟適宜量）低20%左右[15,32]，而目標(biāo)產(chǎn)量的確定通常采用平均產(chǎn)量法[33]，是近3 a作物平均產(chǎn)量上浮10%[34]。綜合二者，化肥施用環(huán)境安全閾值測度模型中一般取0.9，還可根據(jù)具體情況進行調(diào)整。

由于糧食作物是各地主要的農(nóng)作物，其產(chǎn)量水平綜合反映了該地區(qū)的地形-氣候條件、土壤肥力水平、社會經(jīng)濟條件和農(nóng)田管理水平。依據(jù)糧食作物目標(biāo)產(chǎn)量確定適宜施肥量，既不會因為施肥過多而浪費肥料，也不會因為施肥量不足而損失應(yīng)有的產(chǎn)量[29]。因此，合理的施肥量取決于目標(biāo)產(chǎn)量，而不是決定目標(biāo)產(chǎn)量。在合理施肥量的基礎(chǔ)上，確定化肥施用環(huán)境安全閾值有一定的可行性。

2 結(jié)果與分析

2.1 中國化肥施用及環(huán)境安全閾值動態(tài)變化

2.1.1 化肥施用量及施用強度隨時間的變化

中華人民共和國建國以來，特別是改革開放以后，為實現(xiàn)糧食增產(chǎn)，化肥施用量不管是總量還是單位面積用量一直是穩(wěn)步增加的。1980年化肥施用總量及氮肥、磷肥、鉀肥和復(fù)合肥的投入分別為1 269.4萬t、934.2萬t、273.3萬t、34.6萬t、27.2萬t，2014年分別為5 995.94萬t、2 392.86萬t、845.34萬t、641.94萬t、2 115.81萬t，2014年分別是1980年的4.7、2.6、3.1、18.6、77.8倍。中國氮肥和磷肥施用量自1996年以來趨于平穩(wěn)，鉀肥用量緩慢上升，復(fù)合肥施用量快速上升（圖1）。

圖1 1980—2014年中國化肥施用量動態(tài)變化

按作物播種面積（含果園種植面積）計算，中國單位面積化肥施用強度及氮、磷、鉀單質(zhì)施用強度分別從1980年的86.4、64.2、19.2、3.0 kg/hm2增加到的337.2、174.2、87.2、75.8 kg/hm2，2014年分別是1980年的3.9、2.7、4.5、25.5倍（表1）。

表1 中國1980和2014年化肥施用強度（FI）及其環(huán)境安全閾值（ET）

N﹕P2O5﹕K2O（簡寫為N﹕P﹕K）的比例1980年為1:0.3:0.05，增長到2014年的1:0.50:0.43（表1）。目前中國化肥磷鉀養(yǎng)分比例高于世界平均水平1﹕0.46﹕0.36[30]，正逐漸趨于1:0.50:0.50的發(fā)達國家水平。然而，糧食產(chǎn)量的增長速度遠遠低于化肥增長的速度，35 a來糧食增產(chǎn)1.97倍（表2）。中國的施肥效益（每千克化肥的糧食產(chǎn)量）從1980年的32 kg/kg下降到2014年的16 kg/kg，35 a下降了50%，化肥施用強度則以每年平均增長4.1%的速度上升。

表2 中國1980—2014年糧食產(chǎn)量及施肥效益變化

2.1.2 化肥施用環(huán)境安全閾值動態(tài)變化

隨著中國農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，化肥投入強度越來越大，其施肥效益也越來越低，當(dāng)化肥投入數(shù)量超過環(huán)境安全閾值后，就會對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利的影響。因此，化肥施用環(huán)境安全閾值的確定顯得至關(guān)重要。根據(jù)式（1）～（3），可以計算出某年化肥投入的環(huán)境安全閾值。這里取3，單位產(chǎn)量的作物需氮系數(shù)（每千克產(chǎn)量需氮量）取水稻、冬小麥和玉米等常見作物的平均值，大約為0.03。用3 a滑動平均的方法，計算出各年的平均產(chǎn)量。在平均產(chǎn)量的基礎(chǔ)上浮10%作為目標(biāo)產(chǎn)量。設(shè)化肥施用環(huán)境安全閾值比適宜施肥量低20%，綜合這2個因素，取0.9，作為化肥施用環(huán)境安全調(diào)節(jié)系數(shù)。中國1980—2014年氮磷鉀肥施用環(huán)境安全閾值計算結(jié)果見表1和圖2?；适┯铆h(huán)境安全閾值是與糧食產(chǎn)量有關(guān)的動態(tài)數(shù)值，糧食產(chǎn)量越高，需要的化肥投入則越多，對環(huán)境的影響也隨著化肥的投入量有所變化，化肥投入的環(huán)境安全閾值也就不同。中國化肥施用強度于1995年超過了環(huán)境安全閾值。由于化肥投入結(jié)構(gòu)的不平衡性，單質(zhì)肥料氮肥、磷肥和鉀肥投入分別在1988年、2000年、2009年超過了安全閾值。此后，各類化肥施用強度與閾值的距離越來越大，對生態(tài)環(huán)境的影響越來越嚴(yán)重，環(huán)境風(fēng)險不斷增加，這與中國化肥過量投入造成了環(huán)境污染的現(xiàn)實是符合的。

2.2 中國化肥施用強度及其環(huán)境安全閾值的空間變化

2.2.1 化肥施用強度的空間變化

中國是一個幅員遼闊的農(nóng)業(yè)大國，各地自然環(huán)境和社會經(jīng)濟發(fā)展程度差異很大，化肥施用強度表現(xiàn)出明顯的地域差異。按農(nóng)作物播種面積（含果園面積）計算，2014年化肥施用強度最高的海南省為480 kg/hm2，是青海省174 kg/hm2的2.8倍。根據(jù)中國生態(tài)縣和生態(tài)鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)要求化肥施用強度不超過250kg/hm2的標(biāo)準(zhǔn)[35-36]，按照化肥施用強度≤250、>250～350、>350～450、>450 kg/hm2的變化范圍，把中國各?。ㄊ小⒆灾螀^(qū)）化肥投入分為4個類型，分別是低強度施肥區(qū)、中強度施肥區(qū)、高強度施肥區(qū)、超高強度施肥區(qū)，其空間變化如圖3所示。

圖2 中國1980—2014年化肥FI及ET的動態(tài)變化

注：港、澳、臺數(shù)據(jù)暫無，下同。

由圖3可知，青海、西藏、甘肅、四川、貴州、江西和黑龍江7個省（市、自治區(qū)）屬于低強度施肥區(qū)，重慶、云南、湖南、浙江、上海、寧夏、內(nèi)蒙古、山西、河北和遼寧10個?。ㄊ小⒆灾螀^(qū)）為中強度施肥區(qū)，新疆、廣西、廣東、福建、陜西、湖北、安徽、江蘇、山東和吉林10個省（市、自治區(qū)）為高強度施肥區(qū)，海南、河南、北京、天津4個省（市）為超高強度施肥區(qū)。低強度化肥投入?yún)^(qū)在西部地區(qū)，高強度和超高強度化肥投入?yún)^(qū)多在華北平原區(qū)和東南沿海地區(qū)。對于氮磷鉀養(yǎng)分結(jié)構(gòu)來說，大多數(shù)省份存在氮磷鉀不平衡現(xiàn)象。特別是西藏、新疆、青海、甘肅、山西、河南、湖北等磷肥比例較高，廣東、廣西、福建和海南等鉀肥比例偏高。

2.2.2 化肥施用環(huán)境安全閾值的空間變化

根據(jù)化肥施用環(huán)境安全閾值測度模型，計算全國各省份2012、2013、2014年3 a的糧食產(chǎn)量平均值，將其上浮10%作為近期的目標(biāo)產(chǎn)量，根據(jù)大田作物氮肥需求量，求出理論施氮量。在理論施氮量的基礎(chǔ)上降低20%作為氮肥施用的環(huán)境安全閾值。按照氮磷鉀1:0.5:0.5的養(yǎng)分比例，確定磷肥和鉀肥的環(huán)境安全閾值。2014年各?。ㄊ?、自治區(qū)）氮磷鉀化肥施用環(huán)境安全閾值計算結(jié)果見表3。

表3可見，2014年全國各?。ㄊ?、自治區(qū)）氮肥環(huán)境安全閾值的變化范圍是94～196 kg/hm2，平均142.3 kg/hm2，按照平均閾值上下各浮動約20～25 kg/hm2，分出<125、125～165、>165 kg/hm2的低閾值區(qū)、中閾值區(qū)和高閾值區(qū)3個氮肥閾值類型，其空間格局見圖4（磷肥、鉀肥和總肥的閾值分布同此）。圖4可見，中國60%以上的省份的施用環(huán)境安全閾值在中閾值區(qū)范圍變化，說明平均閾值具有一定的代表性。低閾值區(qū)集中分布在青海、甘肅、陜西、山西、云南和貴州，高閾值區(qū)集中分布在新疆、吉林、遼寧、山東、上海和江蘇6個?。ㄊ?、自治區(qū)）。各省份化肥施用環(huán)境安全閾值的分布綜合地反映了各地自然和社會經(jīng)濟條件的差異以及對化肥施用風(fēng)險的抵御潛力。

表3 2014年中國主要省（市、自治區(qū)）（PMR）氮磷鉀肥FI及ET

圖4 2014年中國氮肥施用環(huán)境安全閾值分布圖

2.2.3 中國化肥投入合理性分析

通過對中國各省份化肥施用環(huán)境安全閾值的定量分析，來確定在確保糧食增產(chǎn)的前提下化肥的使用量是否合理，可為防范化肥過度施用造成環(huán)境污染提供決策根據(jù)，有助于解決中國糧食安全和環(huán)境安全的矛盾。假設(shè)2014年各省份的化肥投入在環(huán)境安全閾值的上下10%區(qū)間為適量施肥區(qū)，按照化肥施用強度（包括總肥和氮磷鉀單質(zhì)肥料施用強度）與環(huán)境安全閾值的比值大小劃分出不同的施肥合理性類型。當(dāng)化肥施用強度等于環(huán)境安全閾值時，比值等于1，比值≤0.9為施肥不足區(qū)，比值在＞0.9～1.1為適量施肥區(qū)，比值在＞1.1～2為過量施肥區(qū)，比值＞2為超過量施肥區(qū)。據(jù)此對各省（市、自治區(qū)）的化肥施用和氮磷鉀單質(zhì)化肥的施用合理性進行分類。適量施肥區(qū)為合理施肥區(qū)，施肥不足區(qū)和過量施肥區(qū)都屬于不合理施肥區(qū)。計算表明，2014年中國化肥施用強度是環(huán)境安全閾值的1.2倍，施肥強度最大的陜西省是安全閾值的3倍?？傮w來說，50%以上的省份施肥過量，少部分省份施肥不足，氮肥、磷肥過量情況比較嚴(yán)重，鉀肥施用不足較為普遍（見圖5）。

圖5 2014年中國氮磷鉀化肥施用合理性分區(qū)

圖5a表明，當(dāng)前施肥不足區(qū)有西藏、青海、四川、重慶、貴州、湖南、江西、黑龍江和上海共9個省（市、自治區(qū)），合理施肥區(qū)有新疆、甘肅、寧夏、浙江、吉林和遼寧6個?。ㄊ?、自治區(qū)），其余為過量施肥區(qū)。過量施肥區(qū)聚集分布在華北地區(qū)和華南南部。圖5b表明，陜西屬于超過量施氮區(qū)，西藏、青海、黑龍江、上海、湖南和江西為施氮不足區(qū)外，重慶、四川、貴州、廣西、甘肅、新疆、吉林和遼寧8個省（市、自治區(qū)）為合理施氮區(qū)，其余16個為施氮過量區(qū)。施氮過量區(qū)的分布基本上與總肥相同，說明氮肥仍然是肥料的主導(dǎo)。圖5c表明，磷肥不足區(qū)主要分布在東北三省和上海、浙江、江西、湖南、貴州和西藏一線，適量施磷區(qū)有青海、甘肅、寧夏、四川、重慶、廣東和江蘇7個?。ㄊ?、自治區(qū)），磷肥過量區(qū)主要在華北地區(qū)和華南及新疆等15個省（市、自治區(qū)）。圖5d表明，鉀肥施用不足的情況較為普遍，主要分布在東北、西北和南方北部地區(qū)17個省（市、自治區(qū)），過量施鉀區(qū)集中分布在陜西、山西、河南、山東、安徽、天津、廣西、廣東和福建，海南屬于超過量施鉀區(qū)，適量施鉀肥區(qū)有吉林、北京、湖北和云南4個省（市）。

因此，各省份應(yīng)根據(jù)具體情況采取不同的施肥策略，施肥不足區(qū)可以繼續(xù)加大化肥的投入量，促進糧食產(chǎn)量提高，適宜施肥區(qū)可以保持當(dāng)前施肥數(shù)量或適當(dāng)調(diào)節(jié)，保持糧食穩(wěn)定增產(chǎn)，過量和超過量施肥區(qū)要采取控肥減肥措施，防止和減輕化肥資源的浪費和對環(huán)境的危害。

3 討 論

化肥施用環(huán)境安全閾值的計算結(jié)果與國家環(huán)境保護部制定的生態(tài)縣和生態(tài)鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)化肥施用強度標(biāo)準(zhǔn)相吻合。根據(jù)本文計算，2006年中國化肥施用的環(huán)境安全閾值為252 kg/hm2，從動態(tài)的角度來看，自1995年以來的近20 a的中國化肥施用環(huán)境安全閾值的平均數(shù)是254 kg/hm2，這2個數(shù)字基本上與2007年和2010年國家環(huán)保部關(guān)于中國生態(tài)縣和生態(tài)鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)化肥施用強度不超過250 kg/hm2的生態(tài)標(biāo)準(zhǔn)[35-36]是一致的。本文設(shè)計的化肥施用環(huán)境安全閾值的測度方法為國家生態(tài)縣、生態(tài)鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)化肥施用的評價指標(biāo)的制定提供了有力的科學(xué)根據(jù)，也為各省份制定化肥施用環(huán)境安全標(biāo)準(zhǔn)提供參考。另外，國家環(huán)保部制定的標(biāo)準(zhǔn)是一個靜態(tài)的數(shù)值，沒有考慮各地具體的生產(chǎn)條件和時間的變化。而本文提出的化肥施用環(huán)境安全閾值的計算方法是一個動態(tài)數(shù)據(jù)，隨著環(huán)境條件的變化和糧食產(chǎn)量的提高而變化，避免了評價標(biāo)準(zhǔn)一刀切現(xiàn)象，更具合理性。

在實際應(yīng)用化肥施用環(huán)境安全閾值時，可通過調(diào)整調(diào)節(jié)系數(shù)的大小，適應(yīng)于不同的地方和情況。本文是從宏觀角度控制化肥施用的環(huán)境安全，就全國總的平均來說，模型計算結(jié)果是比較準(zhǔn)確的。但是如果具體到某一個微觀區(qū)域，肯定是有一定的誤差，區(qū)域越小誤差可能越大。例如，江蘇一個示范點水稻種植，在目標(biāo)產(chǎn)量為 9 105 kg/hm2時，精確定量施氮量為252 kg/hm2，若乘以調(diào)節(jié)系數(shù)0.9，則環(huán)境安全閾值為226.8 kg/hm2[29]。按照本文公式計算，江蘇省的作物種植氮肥施用環(huán)境安全閾值為172.8 kg/hm2，兩者相差24%。如果把區(qū)域擴大到長江中游平原單雙季稻區(qū)，該區(qū)域在目標(biāo)產(chǎn)量為7 220 kg/hm2時，當(dāng)?shù)赝扑]的氮肥施用量為174 kg/hm2[29]，則化肥環(huán)境安全閾值為157 kg/hm2。按照本文計算，該區(qū)域湖北省的安全閾值為158.7 kg/hm2，兩者相差無幾。再如東北溫暖濕潤春玉米區(qū)，在目標(biāo)產(chǎn)量為8 930 kg/hm2時，當(dāng)?shù)赝扑]的施肥量是204 kg/hm2[29]，則環(huán)境安全閾值為184 kg/hm2。按照本文計算，遼寧省的化肥環(huán)境安全閾值為168 kg/hm2，兩者相對誤差為9%。雖然本文設(shè)計的化肥施用環(huán)境安全閾值測度模型與作物目標(biāo)產(chǎn)量有一定的關(guān)系，并不意味著產(chǎn)量越高，化肥施用環(huán)境安全閾值就越高。隨著生產(chǎn)條件的變化和科學(xué)技術(shù)的提高，化肥施用量會控制在一定的水平，化肥施用環(huán)境安全閾值也應(yīng)該是相對比較穩(wěn)定的?？梢赃m當(dāng)調(diào)整調(diào)節(jié)系數(shù)的大小，確定適合不同情況的化肥施用環(huán)境安全閾值。

基于化肥施用環(huán)境安全閾值確定的化肥施用合理性分類比單純的化肥施用強度分類更易于被農(nóng)民接受。本文對化肥施用狀況的分類采用了2種方法：1）依據(jù)通常使用的根據(jù)化肥施用強度的變化范圍來化分，分出低強度施肥、中強度施肥、高強度施肥類型；2）按照化肥施用強度與化肥施用環(huán)境安全閾值的比值進行施肥的合理性分類，比值小于1，說明化肥施用強度小于環(huán)境安全閾值，反之亦然。根據(jù)環(huán)境安全閾值上下各變化10%，確定一個變化區(qū)間，確定為適量施肥區(qū)間，然后再根據(jù)化肥施用強度大于環(huán)境安全閾值的倍數(shù)進行分類，劃分出施肥不足、施肥合理、過量施肥和超過量施肥等幾個類型。2個分類方法雖然都與化肥施用強度有關(guān)系，但施肥合理性分類理清了低強度施肥與施肥不足、中度施肥與合理施肥、高強度施肥與過度施肥的關(guān)系。也就是說，低強度施肥不一定是施肥不足，中強度施肥不一定是合理的，高強度施肥不一定是過度的。例如，在化肥施用強度分類中，中國青海、西藏、四川、貴州、江西和黑龍江屬于低強度施肥區(qū)，也屬于化肥投入不足區(qū)，重慶是中強度施肥區(qū)，卻屬于施肥不足區(qū)。內(nèi)蒙、云南等屬于中強度施肥區(qū)，卻是過量施肥區(qū)。海南、河南、北京、天津?qū)儆诔邚姸韧度雲(yún)^(qū)，是屬于過量施肥區(qū)。因此，基于環(huán)境安全閾值的施肥合理性分類比一般強度分類更能說明化肥投入的效果，對廣大農(nóng)民的施肥指導(dǎo)更有說服力。

4 結(jié) 論

1）1980—2014年中國化肥施用量迅速提高，2014年化肥施用總量和化肥施用強度分別為1980年的近5倍和近4倍，而2014年比1980年的化肥施用效益降低了50%。氮磷鉀施肥比例從1980年為1﹕0.3﹕0.05，增加到2014年的1﹕0.50﹕0.43，逐漸趨于發(fā)達國家1﹕0.50﹕0.50的水平。氮磷鉀化肥施用分別在1988年、2000年、2009年超過了環(huán)境安全閾值。此后氮磷鉀肥料投入與閾值的距離越來越大，環(huán)境風(fēng)險不斷增加。

2）2014年青海、西藏、甘肅、四川、貴州、江西和黑龍江7個（市、自治區(qū)）屬于低強度施肥區(qū)，重慶等為中度施肥區(qū)，新疆等為高強度施肥區(qū)，海南、河南、北京、天津為超高強度施肥區(qū)?；适┯脧姸茸罡叩暮Ｄ鲜?80 kg/hm2，是青海174 kg/hm2的2.8倍。

3）2014年全國氮肥施用環(huán)境安全閾值的變化范圍是94～196 kg/hm2，平均142.3 kg/hm2，60%以上的省份的化肥施用環(huán)境安全閾值在中閾值區(qū)范圍變化。低閾值區(qū)集中分布在青海、甘肅、陜西、山西和云貴省份，高閾值區(qū)集中分布在新疆、吉林、遼寧、山東、上海和江蘇。閾值的高低綜合反映了當(dāng)?shù)氐淖匀唤?jīng)濟和社會條件對糧食生產(chǎn)的影響和對肥料的需求及控制。

4）中國過量施肥的省份占大多數(shù)，氮肥過量和超過量的省份數(shù)有17個，磷肥過量的省份有16個，而鉀肥不足區(qū)有18個。氮磷鉀單質(zhì)肥料和總肥的施肥過量與施肥不足共存。各類施肥合理性分區(qū)基本上是呈集聚連片分布。各省份應(yīng)根據(jù)具體情況采取不同的施肥策略，正確處理糧食安全與環(huán)境保護的關(guān)系。

本文提出的化肥施用環(huán)境安全閾值模型綜合地反映了不同地區(qū)的土壤-氣候條件、社會經(jīng)濟條件和農(nóng)田管理水平對化肥施用環(huán)境安全的影響，計算出的閾值既不會因為數(shù)值過低，限制肥料的施用，影響糧食生產(chǎn)，也不會因為數(shù)值過高，誤導(dǎo)過量施肥而污染環(huán)境?；适┯铆h(huán)境安全閾值是一個動態(tài)數(shù)據(jù)，為各地生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)制定化肥施用強度評價指標(biāo)提供了有力的科學(xué)根據(jù)。

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Spatio-temporal changes of fertilization intensity and environmental safety threshold in China

Liu Qinpu

(211171,)

It is very important for the sustainable agriculture development and environmental protection to determine the environmental safety threshold of fertilizer in China. Models of fertilization environmental safety threshold were setup to study the spatio-temporal changes, reasonability of fertilization intensity and its environmental safety threshold. The results showed that: 1) the fertilizer application rate had been increasing since 1980 in China. The application rate in 2014 was as about 5 times as that in 1980, the fertilizer intensity in 2014 was as nearly 4 times as that in 1980, and the efficiency of fertilization decreased by 50% from 1980 to 2014. The proportion of N : P : K was from 1 : 0.3 : 0.05 in 1980 to 1 : 0.5 : 0.43 in 2014. Intensities of N, P and K fertilizer application rate started to exceed the environmental safety thresholds in 1988, 2000, 2009, respectively. The gaps had been increasing ever since; 2) in China, the areas with low intensity of fertilization included Qinghai, Xizang, Gansu, Sichuan, Guizhou, Jiangxi and Heilongjiang, mainly distributed in the west part of China. The areas with medium intensity of fertilization included Chongqing and some others. Hainan, Henan, Beijing and Tianjin belonged to those with very high intensity of fertilization. Xinjiang and some others belonged to the high intensity fertilization area. The high and very high intensity fertilization areas were located at North China Plain and south-east coastal areas; 3) There were 3 types of N fertilizer environmental safety threshold regions: low threshold area (≤125 kg/hm2), medium Nitrogen threshold region (125-165 kg/hm2), and high Nitrogen threshold region (>165 kg/hm2). More than 60% of the studied areas in China belonged to the medium environmental safety threshold area; Qinghai, Gansu, Shannxi, Shanxi, Yunnan and Guizhou belonged to the low threshold area; Jilin, Liaoning, Shandong, Jiangsu and Xinjiang belonged to the high threshold area. The distributions of fertilization environmental safety thresholds for P and K were same as Nitrogen threshold regions; 4) At average, the fertilization intensity in 2014 was as high as 1.2 times the environmental safety threshold, while the highest fertilization intensity in Shannxi wastwice higher than its safety threshold. But there were still some provinces that had lower fertilization intensity than their fertilization environmental safety threshold, which had not met the need for fertilizers. Although N and P inputting were beyond their thresholds in many provinces, the deficient inputting of K was popular in most provinces. So each province should take different measures of fertilization to deal with the relationship between food production and environmental protection. The model of fertilization environmental safety threshold in this paper showed that the threshold of fertilization is affected by the local natural, economic and cropland management condition, which is related with local crops’ production and environmental quality. It would play important roles in the eco-agricultural construction in China.

fertilizers; pollution control; agriculture; environmental safety threshold; intensity of fertilization; spatio-temporal change; China

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.06.028

X592; S147.2

A

1002-6819(2017)-06-0214-08

2016-09-22

2016-12-10

國家自然科學(xué)基金項目（31470519）；江蘇省自然科學(xué)基金項目（BK20131399）；南京市環(huán)境科學(xué)與工程重點建設(shè)學(xué)科項目資助

劉欽普，男，河南許昌人，教授，博士，主要從事土地資源利用與環(huán)境評價研究。南京 南京曉莊學(xué)院環(huán)境科學(xué)學(xué)院，211171。Email：liuqinpu@163.com