金新港，常國(guó)華，李昌明，王聞天，王瑞兵

(蘭州城市學(xué)院地理與環(huán)境工程學(xué)院 甘肅省礦區(qū)污染治理與生態(tài)修復(fù)工程研究中心，甘肅 蘭州 730070)

近十幾年來(lái)，我國(guó)農(nóng)業(yè)化肥使用量不斷增長(zhǎng)，已成為世界化肥消費(fèi)第一大國(guó)[1]。化肥的使用對(duì)提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量具有重要的作用。但是，我國(guó)肥料的平均利用率僅30%左右，大部分養(yǎng)分，如氮和磷等流失到大氣、水體和土壤中，引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題[2-3]?；实某渴┯煤兔つ渴┯茫粌H不利于糧食增產(chǎn)，而且還會(huì)降低農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，影響食品質(zhì)量，危害人體健康，同時(shí)也增加了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，并導(dǎo)致土壤理化性狀變劣，如土壤酸化、土壤肥力下降，從而進(jìn)一步產(chǎn)生追施化肥的惡性循環(huán)。據(jù)2010年發(fā)布的《第一次全國(guó)污染源普查公報(bào)》顯示，農(nóng)業(yè)面源污染已成為我國(guó)水環(huán)境污染的主要因素，而化肥的大量施用正是誘發(fā)農(nóng)業(yè)面源污染的重要因素之一[4-5]。楊家曼等[6]對(duì)2011年我國(guó)31個(gè)省(市、自治區(qū))的化肥施用情況進(jìn)行分析，結(jié)果表明，我國(guó)大部分糧食產(chǎn)地都存在氮、磷、鉀肥施用比例失衡、化肥污染較嚴(yán)重的問(wèn)題。同時(shí)，化肥在制造過(guò)程中的能耗和產(chǎn)生的工業(yè)污染也是相當(dāng)驚人的，以氮肥為例，我國(guó)氮肥生產(chǎn)年均能源消耗量約為1億t標(biāo)準(zhǔn)煤，而且正以每年接近1 000萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤的速度增長(zhǎng)[7]。因此，控制化肥的使用量對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境和人群健康均具有重要意義。

河南省擁有豐富的農(nóng)產(chǎn)品資源，是我國(guó)重要的商品糧基地和棉、油、煙主產(chǎn)區(qū)之一。2012年，河南省糧食總產(chǎn)量達(dá)到5 638.6萬(wàn)t，連續(xù)9 a增產(chǎn)，連續(xù)7 a年糧食總產(chǎn)超500億kg。河南省糧、棉、油、煙產(chǎn)量的提高離不開(kāi)化肥的使用。2012年，河南化肥用量(折純)達(dá)684.43萬(wàn)t，居全國(guó)首位，平均施用量為950.31 kg·hm-2，是全國(guó)化肥平均施用水平的2倍[8]。1978—2016年，河南化肥使用量年均遞增7.11%，目前仍處于上升趨勢(shì)，因此，研究該地區(qū)化肥使用量對(duì)糧食產(chǎn)量的影響具有典型意義。

1 材料與方法

1.1 資料來(lái)源

糧食產(chǎn)量、化肥使用量及有效灌溉面積等數(shù)據(jù)源于國(guó)家統(tǒng)計(jì)局。

1.2 研究方法

查閱數(shù)據(jù)并對(duì)各數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。引入化肥使用強(qiáng)度的概念，以反映單位有效灌溉面積上的化肥使用量。為評(píng)價(jià)單位土地面積上化肥對(duì)糧食增產(chǎn)的效果，引入單位土地面積化肥增產(chǎn)率(%)的概念，即某年度單位有效灌溉面積的糧食增量與當(dāng)年化肥使用強(qiáng)度的比值。其中，某年度單位有效灌溉面積的糧食增量為本年度糧食產(chǎn)量較上年度糧食產(chǎn)量的增加值。

2 結(jié)果與分析

2.1 化肥使用量

1987—2016年，河南省化肥使用(折純)量見(jiàn)表1。折純是指將氮肥、磷肥、鉀肥分別按含N、P2O5、K2O的含量進(jìn)行折算[9]。下文所說(shuō)的使用量均為折純后的用量。根據(jù)大多數(shù)情況，將復(fù)合肥中的N、P2O5、K2O含量統(tǒng)一按1∶1∶1做簡(jiǎn)化處理。

表1 河南省1987—2016年的化肥使用量 單位：萬(wàn)t

從表1可以看出，河南省1987—2016年的化肥使用量升高。對(duì)氮肥、磷肥、鉀肥及復(fù)合肥的使用量(yN、yP、yK、yC)分別與時(shí)間(t)進(jìn)行線性擬合：

yN=4.8t-9 422.5，R2=0.864 7；

yP=2.99t-5 888.92，R2=0.889 1；

yK=2.47t-4 907.09，R2=0.986 1；

yC=10.76t-21 417.93，R2=0.944 9。

由上述擬合方程可知，鉀肥用量與時(shí)間的線性關(guān)系較好，復(fù)合肥使用量的增長(zhǎng)速度最快。1987年，氮肥使用量最大；到2012年，復(fù)合肥的使用量超過(guò)氮肥，成為使用量最大的化肥。復(fù)合肥使用量的增加，說(shuō)明土地的綜合肥力水平下降。應(yīng)施加有機(jī)肥，改善土壤狀況，發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)。

農(nóng)用化肥中氮肥、磷肥和鉀肥比例是影響糧食產(chǎn)量的重要因素。目前，世界上發(fā)達(dá)國(guó)家的這一比例是1∶0.5∶0.5，世界平均水平是1∶0.46∶0.36，我國(guó)是1∶0.5∶0.4[10]。以2016年為例，河南省的氮磷鉀肥用量比例是1∶0.65∶0.5，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，磷肥施用量偏高。應(yīng)根據(jù)土地營(yíng)養(yǎng)狀況、土壤肥力和農(nóng)作物特點(diǎn)，進(jìn)一步優(yōu)化肥料施用比例，提高化肥有效利用率。

2.2 化肥總使用量、有效灌溉面積和糧食產(chǎn)量

不區(qū)分具體化肥種類，統(tǒng)計(jì)河南省1978—2016年糧食產(chǎn)量、化肥總使用量及有效灌溉面積的變化趨勢(shì)(圖1)?；士偸褂昧吭?978—2016年穩(wěn)步增加，從1978年的52.54萬(wàn)t增加到2016年的715萬(wàn)t，38 a間增長(zhǎng)12.6倍，年均增長(zhǎng)率為7.1%；有效灌溉面積從1978年的372.2萬(wàn)hm2增加到2016年的524.3萬(wàn)hm2，年均增長(zhǎng)率為0.9%；糧食產(chǎn)量自1978年的1 900萬(wàn)t增加到2016年的5 946.6萬(wàn)t，38 a間增長(zhǎng)了2.1倍，年均增長(zhǎng)率為3.1%。

對(duì)1978—2016年的糧食產(chǎn)量和化肥總使用量進(jìn)行線性擬合(圖1)，結(jié)果表明，化肥使用量(y1)與年份(t)的線性關(guān)系，及糧食產(chǎn)量(y2)與年份(t)的線性關(guān)系都較好，擬合方程：

y1=19.25t-38 071.57，R2=0.989 8；

y2=106.25t-208 277.6，R2=0.954 5。

2.3 化肥使用強(qiáng)度

如圖2所示，1978—2016年間，河南省的化肥使用強(qiáng)度整體呈上升趨勢(shì)，但自2013年后化肥使用強(qiáng)度逐年減弱。對(duì)河南省化肥使用強(qiáng)度(y)與時(shí)間(t)進(jìn)行線性擬合：y=0.034t-66.19，R2=0.989 7?？梢钥闯?，河南省1978—2016年的化肥使用強(qiáng)度隨時(shí)間推進(jìn)呈線性上升趨勢(shì)，且線性關(guān)系較好。以2016年為例，河南省的化肥使用強(qiáng)度為1 363.7 kg·hm-2，是發(fā)達(dá)國(guó)家規(guī)定值(225 kg·hm-2)的6倍。

圖1 河南省1978—2016年糧食產(chǎn)量、化肥總使用量及有效灌溉面積的變化

圖2 河南省1978—2016年化肥使用強(qiáng)度的變化

2.4 單位有效灌溉面積的糧食產(chǎn)量

有效灌溉面積是衡量農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一個(gè)重要指標(biāo)，是保障糧食安全的關(guān)鍵[11]。河南省1978—2016年單位有效灌溉面積的糧食產(chǎn)量的變化趨勢(shì)如圖3所示：1984年之前，增長(zhǎng)迅速；1984—2004年，在8.67 t·hm-2上下波動(dòng)；之后，快速增長(zhǎng)并趨于穩(wěn)定。若要進(jìn)一步提高單位有效灌溉面積的糧食產(chǎn)量：一方面，應(yīng)在保證現(xiàn)有農(nóng)田有效灌溉面積的基礎(chǔ)上，合理調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，提高糧食作物有效灌溉面積的比例，這也是未來(lái)農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)增加糧食產(chǎn)量的根本出路[12]；另一方面，應(yīng)提高灌溉用水效率，適度增加農(nóng)田灌溉用水量。

圖3 河南省1978—2016年單位有效灌溉面積的糧食產(chǎn)量的變化

2.5 單位面積化肥增產(chǎn)效果

化肥是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入中的重要元素，與糧食增產(chǎn)有著密切的關(guān)系[13-14]。如圖4所示，1978—2016年，單位質(zhì)量化肥投入對(duì)應(yīng)的糧食產(chǎn)量整體下降，至2000年后趨于穩(wěn)定，1萬(wàn)t化肥的產(chǎn)糧量基本維持在8.59萬(wàn)t。對(duì)1978—2016年河南省單位質(zhì)量化肥投入對(duì)應(yīng)的糧食產(chǎn)量(yg)與時(shí)間(t)進(jìn)行擬合：yg=7.96+8.82×1099e(-t/8.72)，R2=0.929 4?？梢钥闯?，單位質(zhì)量的化肥投入對(duì)應(yīng)的糧食產(chǎn)量隨時(shí)間推進(jìn)呈指數(shù)下降趨勢(shì)。

圖4 1978—2016年河南省單位質(zhì)量化肥投入對(duì)應(yīng)的糧食產(chǎn)量的變化

如圖5所示，1978—2016年河南省單位土地面積化肥增產(chǎn)率整體呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，有幾年甚至為負(fù)，到2000年以后漸趨于0。這說(shuō)明，當(dāng)前條件下化肥投入對(duì)河南省糧食增產(chǎn)的效果已經(jīng)很低，雖然化肥使用量持續(xù)增加，但由此帶來(lái)的化肥增產(chǎn)效益基本穩(wěn)定，繼續(xù)增加化肥使用量并不會(huì)帶來(lái)產(chǎn)量的大幅提高。若要進(jìn)一步增加糧食產(chǎn)量，應(yīng)考慮推廣使用有機(jī)肥。有機(jī)肥的施用可以改善土地土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤本身的透氣性和透水能力，在提高糧食產(chǎn)量和質(zhì)量的同時(shí)減少環(huán)境污染[15]。同時(shí)，也要注意發(fā)揮防災(zāi)技術(shù)、農(nóng)業(yè)機(jī)械化等其他要素對(duì)糧食增產(chǎn)的作用[16]。

圖5 1978—2016年河南省單位土地面積化肥增產(chǎn)率的變化

3 小結(jié)

1978—2016年，河南省化肥使用量、化肥使用強(qiáng)度整體上升，但單位土地面積化肥增產(chǎn)率卻波動(dòng)下降，近年來(lái)單位土地面積化肥增產(chǎn)率已趨近于0，化肥對(duì)糧食增產(chǎn)的效果已經(jīng)很低。河南省想要進(jìn)一步提高糧食產(chǎn)量：一方面應(yīng)大力推廣有機(jī)肥，通過(guò)調(diào)整施肥方式、優(yōu)化施肥結(jié)構(gòu)、對(duì)傳統(tǒng)化肥進(jìn)行增效改性等措施進(jìn)一步提高肥料的增產(chǎn)效果，同時(shí)應(yīng)著力發(fā)揮技術(shù)要素對(duì)糧食增產(chǎn)的作用；另一方面，要增加農(nóng)田有效灌溉面積，提高農(nóng)田土壤質(zhì)量和肥力，為糧食增產(chǎn)打下基礎(chǔ)。