任榮儀，賀中華

(貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550000)

0 引言

中國是農(nóng)業(yè)大國，也是化肥施用大國[1]。從1970年末，中國重視化肥工業(yè)的發(fā)展，大力推廣農(nóng)業(yè)化肥的施用[2]，化肥的施用強(qiáng)度不斷增大。貴州省1999年化肥施用總量為67.7萬t，2018年化肥施用總量89.5萬t，20年間化肥施用增加了21.8萬t，增長幅度為32.2%。糧食作物播種面積從1999年的3.13×106hm2減少到2018年的2.74×106hm2；減少幅度為12.62%。糧食產(chǎn)量由1999年的3588.16 kg/hm2增加到2018年的3867.22 kg/hm2，增長幅度為7.78%。由此可推斷化肥的施用提升了單位面積的糧食產(chǎn)量，一定程度上保證了糧食充足[3-4]，但過度施用化肥也日趨嚴(yán)重。2015年，貴州省的化肥施用強(qiáng)度為319.40 kg/hm2，已超過國際化肥安全施用量(225 kg/hm2)的上限[5]。化肥過量施用不但影響農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)質(zhì)量[6-7]，還引起土壤[8-9]、水體[10-11]和大氣[12]等污染問題產(chǎn)生，這引起學(xué)者們廣泛關(guān)注。目前，針對(duì)中國化肥的施用時(shí)空變化、驅(qū)動(dòng)因子、變化格局等進(jìn)行了研究[13-14]，學(xué)者們對(duì)淮河流域[15]、江漢平原[16]、山東省[17]、江蘇省[18-19]、江西省[20]等區(qū)域化肥施用情況及驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行了研究，分析人們對(duì)化肥施用過量對(duì)環(huán)境造成污染的認(rèn)知和規(guī)避能力，而針對(duì)喀斯特地區(qū)化肥施用現(xiàn)狀以及過量施用化肥對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響的研究相對(duì)較少。貴州屬于典型喀斯特環(huán)境，素有“八山一水一分田”之稱，區(qū)域內(nèi)地表破碎、山石裸露，土壤層淺薄且成土周期長，山高坡陡，生態(tài)環(huán)境脆弱[23]，農(nóng)作物出產(chǎn)率相對(duì)較低，為增加農(nóng)作物產(chǎn)量，不可避免使用化肥。研究貴州省化肥施用強(qiáng)度的空間分布，以期為喀斯特地區(qū)化肥合理施用和環(huán)境保護(hù)提供參考。

1 研究區(qū)域概況與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

貴州省介于24°37′～29°13′N，103°36′～109°35′E。其碳酸鹽巖石分布廣，外加雨熱同期的氣候條件，喀斯特發(fā)育強(qiáng)烈、范圍廣、類型豐富，其面積占全省面積的73%[21-23]；該地區(qū)成土速度慢、土層薄，并且地處第二階梯與第三階梯過渡帶，地形起伏大，導(dǎo)致坡耕地占比大[24]，該類土地有保肥保濕保土能力差、生產(chǎn)力弱、產(chǎn)量低等特點(diǎn)。為保證糧食的供給，化肥施用量強(qiáng)度大。

圖1 研究區(qū)位置圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

貴州省及各地級(jí)市的化肥施用量和耕地面積均來源于《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》和《貴州省統(tǒng)計(jì)年鑒》。復(fù)合肥氮磷鉀含量數(shù)據(jù)按照1∶1∶1型三元相等比例折算[25-26]；化肥施用強(qiáng)度安全閾值數(shù)據(jù)來源于中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部2007年發(fā)布的《生態(tài)縣、生態(tài)市、生態(tài)省建設(shè)指標(biāo)(修訂稿)》。對(duì)于一些無法直接通過統(tǒng)計(jì)年鑒獲取的耕地?cái)?shù)據(jù)用已獲取的最近年份數(shù)據(jù)代替。

1.3 研究方法

化肥施用強(qiáng)度是指本年內(nèi)單位面積耕地實(shí)際用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的化肥數(shù)量。化肥施用量要求按折純量計(jì)算。折純量是指將氮肥、磷肥、鉀肥分別按含氮、含五氧化二磷、含氧化鉀的百分之百成分進(jìn)行折算后的數(shù)量。復(fù)合肥按其所含主要成分折算。計(jì)算公式為：

(1)

其中，N是指化肥施用量，單位為千克(kg)；A是指耕地面積，單位為公頃(hm2)；F是指化肥施用強(qiáng)度，單位為千克每公頃(kg/hm2)。

根據(jù)公式(1)，計(jì)算貴州省及各地級(jí)市的化肥施用強(qiáng)度，參考劉欽普等人[17-18]的分級(jí)方法，結(jié)合貴州省化肥施用強(qiáng)度情況，按照環(huán)境安全閾值倍數(shù)分為4個(gè)等級(jí)，即：低度施用強(qiáng)度、中度施用強(qiáng)度、重度施用強(qiáng)度、高度施用強(qiáng)度(表1)。

表1 化肥使用強(qiáng)度分級(jí)

2 結(jié)果與分析

2.1 化肥施用強(qiáng)度空間分布

2.1.1 總肥施用強(qiáng)度空間分布

由表2可得，化肥施用強(qiáng)度最大的貴陽市為500.139 kg/hm2，是施用強(qiáng)度最小的黔東南州(225.487 kg/hm2)的2.218倍，極值比為1.218，由此能夠分析出各地州市之間化肥施用強(qiáng)度差異懸殊不大；貴州省化肥使用強(qiáng)度平均為319.401 kg/hm2，是歐洲部分發(fā)達(dá)國家化肥使用安全上限225 kg/hm2的1.42倍[27]，是我國2018年環(huán)境生態(tài)縣建設(shè)中化肥使用強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)250 kg/hm2的1.28倍?？梢娰F州省化肥量可以有大幅度減少的空間。

表2 2018年貴州省各地級(jí)市化肥使用強(qiáng)度

圖2呈現(xiàn)了貴州省2018年的化肥施用強(qiáng)度空間分布。從圖中可以看出我省化肥施用強(qiáng)度空間上呈現(xiàn)出中部地區(qū)高四周低的分布特征，其中東南部地區(qū)化肥施用強(qiáng)度呈現(xiàn)低度施用強(qiáng)度；東北部、北部、西北部和西南部地區(qū)主要呈現(xiàn)中度施用強(qiáng)度，南部和西部地區(qū)呈現(xiàn)重度施用強(qiáng)度，中部地區(qū)呈現(xiàn)高度施用強(qiáng)度。

圖2 2018年貴州省總化肥使用強(qiáng)度分布圖

2.1.2 氮肥施用強(qiáng)度空間分布

根據(jù)表2分析出氮肥施用強(qiáng)度最大的貴陽市為266.845 kg/hm2，是最小的黔東南(111.143 kg/hm2)的2.401倍，極值比為1.401。高度施用強(qiáng)度等級(jí)分布在貴陽市(266.845 kg/hm2)、安順市(228.590 kg/hm2)、盤州(225.448 kg/hm2)和黔南州(193.913 kg/hm2)，分別是貴州省化肥平均施用強(qiáng)度的1.485倍、1.272倍、1.255倍和1.079倍，是環(huán)境安全閾值125 kg/hm2的2.135倍、1.829倍、1.804倍和1.551倍[18]。參考20世紀(jì)后期西歐國家對(duì)氮肥的控制：施用總量約下降了30%。其中德國氮肥用量由180 kg/hm2下降到110 kg/hm2，法國由148 kg/hm2下降到125 kg/hm2，荷蘭由600 kg/hm2下降到330 kg/hm2[28]，由此可見，貴州省各地區(qū)之間氮肥施用強(qiáng)度出現(xiàn)了差異，其施用量有很大的下降空間。

圖3展示了貴州省2018年氮肥施用強(qiáng)度空間分布情況，可以看出：貴州省東南部為化肥低度施用強(qiáng)度；北部和東北部為中度施用強(qiáng)度；西北部和西南部是化肥中度施用強(qiáng)度的集中分布區(qū)域；中部地區(qū)是高強(qiáng)度施用強(qiáng)度主要分布地區(qū)。

圖3 2018年貴州省氮肥使用強(qiáng)度分布圖

2.1.3 磷肥使用強(qiáng)度空間分布

由表2可知，施用強(qiáng)度最大的安順市(116.896 kg/hm2)和貴陽市(102.025 kg/hm2)，分別是最小的黔西南州(54.140kg/hm2)的2.159倍和1.884倍，分別是省平均(72.857 kg/hm2)的1.604倍和1.4倍，是環(huán)境安全閾值62.5 kg/hm2的1.87倍和1.632倍；省平均是環(huán)境安全閾值的1.166倍，使用強(qiáng)度超過世界部分發(fā)達(dá)國家。我省可以借鑒20世紀(jì)后期，西歐國家對(duì)磷肥的控制措施：磷肥使用量約下降了50%。其中德國磷肥用量由94 kg/hm2下降到30 kg/hm2，法國由83 kg/hm2下降到43 kg/hm2，荷蘭由100 kg/hm2下降到60 kg/hm2[28]，進(jìn)一步降低我省的磷肥施用強(qiáng)度。由圖4可知，我省北部、西北部、西部和西南部的化肥施用等級(jí)為低度施用強(qiáng)度；東北部、東部東南部和南部為中度施用強(qiáng)度，中部地區(qū)仍然是高度施用強(qiáng)度。

圖4 2018年貴州省磷肥使用強(qiáng)度分布圖

2.1.4 鉀肥使用強(qiáng)度空間分布

貴陽市和安順市化肥施用強(qiáng)度分別為131.269 kg/hm2和83.903 kg/hm2，分別是鉀肥安全閾值(62.5 kg/hm2)的2.1倍和1.342倍，是省平均施用強(qiáng)度(66.869 kg/hm2)的1.963倍和1.255倍，是最低化肥施用強(qiáng)度黔西南州(48.588 kg/hm2)的2.702倍和1.727倍。省平均施用強(qiáng)度與環(huán)境安全施用閾值差異較小(4.369 kg/hm2)，極值比為1.702，說明強(qiáng)度偏高的地區(qū)與強(qiáng)度偏低的地區(qū)存在很大的差異性(表2)。由圖5可知，我省鉀肥大部分地區(qū)施用強(qiáng)度等級(jí)均為低度施用強(qiáng)度，僅安順市為重度施用強(qiáng)度，貴陽市為高度施用強(qiáng)度。

圖5 貴州省2018年鉀肥使用強(qiáng)度分布圖

2.1.5 氮磷鉀比例空間分布

由表2可知，貴州省的化肥營養(yǎng)比例結(jié)構(gòu)為1∶0.35∶0.31，與當(dāng)前世界平均比例1∶0.46∶0.36、發(fā)達(dá)國家1∶0.5∶0.5、我國1∶0.49∶0.42相比較[9]，貴州省氮肥比例偏大，占總養(yǎng)分的56.62%，磷肥和鉀肥比重偏低，分別占22.81%和20.94%。盤州的氮肥比例高達(dá)66.85%，磷鉀肥僅占17.92%和15.22%；遵義市、銅仁市和黔東南州化肥使用結(jié)構(gòu)比較合理，基本接近1∶0.5∶0.5?？梢苑治龅贸鋈〉租洷壤煌耆侠恚鞯刂菔兄g差異不特別明顯，我省化肥施用的養(yǎng)分結(jié)構(gòu)的均衡性和合理性仍然不足。

2.2 化肥施用量時(shí)間變化

根據(jù)圖6可以分析出各類化肥從1999—2018年的變化情況，在研究期間化肥施用量均呈現(xiàn)增長趨勢，化肥總施用量于2015年達(dá)最大值，為103.7萬t，2016年與2015年相持平，比1999年增加了53.18%。此后施用量有所下降，截止到2018年施用量為89.5萬t，只有在2001年、2004年、2010年、2013年和2017年有較小幅度的下降。氮肥施用量具有比較大的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)而且?guī)资陙頉]有特別大的變化，在2015達(dá)到最大值(52.8萬t)，比1999年增加了28.16%。磷肥施用量折線變化波動(dòng)不明顯，從21世紀(jì)初的11.4萬t增長到2018年的29.8萬t，增長量為18.4萬t，最大施用量為12.3萬t(2015年)，比1999年的施用量增加了21.78%。鉀肥增長量不大，從1999年的4.6萬t增長到2018年的8.9萬t，增長量為4.3萬t，最大施用量出現(xiàn)在2016年(10.1萬t)，增長量為5.5萬t，增長幅度高達(dá)119.57%。復(fù)合肥營養(yǎng)元素組成的多樣性和靈活性是復(fù)合肥的顯在優(yōu)勢：單次給作物施加肥料，農(nóng)作物可以同時(shí)吸收到多種生長必需元素；這樣的優(yōu)勢為復(fù)合肥的大量使用提供了可能。從圖表可以看得出，只有在2001年復(fù)合肥的使用量有很小程度的下降，此后的年份里，復(fù)合肥的用量不斷增加，于 2016年已經(jīng)突破了30萬t，達(dá)到20年化肥施用量的峰值，相比較1999年增長了166.7%。磷肥是使用量且增量最少的化肥類型。

*數(shù)據(jù)來源于中國國家統(tǒng)計(jì)局。

3 討論

化肥施用強(qiáng)度受到自然和人為因素的共同影響?？λ固氐貐^(qū)土層薄且土壤肥力差，除黔東南地區(qū)是非喀斯特地貌，其余地區(qū)均屬于喀斯特地貌，研究發(fā)現(xiàn)黔東南州的化肥施用強(qiáng)度是全省最低的，這與其非喀斯特地貌有關(guān)，非喀斯特地區(qū)，土壤成土周期短，土層厚度大，其保水保肥能力強(qiáng)，農(nóng)作物長勢好，人工施肥的需求量較低[29-33]；喀斯特地區(qū)坡耕地居多，根據(jù)第二次土地調(diào)查結(jié)果顯示貴州省有90%以上的耕地屬于坡耕地。

由圖7可知，貴州省的糧食作物的播種面積在1999年為3135.87千公頃，2018年為2740.2千公頃，20年間整體以4.34千公頃/a的速率減少；而糧食產(chǎn)量在1999年為1125.2萬t，于2016年達(dá)多年最大值1264.25萬t，隨后呈現(xiàn)一定程度下降，但在20年間整體以3.46萬t/a的速率增加；此期間，根據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，截止2018年，貴州省的城鎮(zhèn)化率為47.5%，而在2001年城鎮(zhèn)化率僅為23.95%，在近20年間，城鎮(zhèn)化率翻了一番。城市擴(kuò)張，在一定程度上減少了可利用耕地，人口逐漸增加，耕地面積減少，人地關(guān)系進(jìn)一步緊張，而化肥是增加糧食產(chǎn)量最快且成本最小的選擇，為了保證基本的糧食需求，化肥施用強(qiáng)度不斷增大。

圖7 貴州省糧食作物播種面積及糧食產(chǎn)量(1999—2018年)

4 結(jié)論

1)20年間，研究發(fā)現(xiàn)貴州省總化肥施用強(qiáng)度空間上呈現(xiàn)出中部地區(qū)高四周低，其中低度施用強(qiáng)度主要在我省東南部地區(qū)，高度施用強(qiáng)度集中分布在中部地區(qū)；氮肥低度施用強(qiáng)度集中在東南部，高強(qiáng)度施用強(qiáng)度分布在中部地區(qū)；磷肥低度施用強(qiáng)度分布在北部、西北部、西部和西南部，高強(qiáng)度施用強(qiáng)度分布在中部地區(qū)；鉀肥低度施用強(qiáng)度分布在我省大部分地區(qū)，高度施用強(qiáng)度仍然集中在中部地區(qū)。全省的化肥營養(yǎng)比例結(jié)構(gòu)為1∶0.35∶0.31，氮肥比例偏大，磷肥和鉀肥比重偏低，養(yǎng)分結(jié)構(gòu)的均衡性和合理性仍然不足；遵義市、銅仁市和黔東南州基本接近1∶0.5∶0.5，營養(yǎng)結(jié)構(gòu)相對(duì)合理。

2)貴州省各類化肥施用均呈現(xiàn)增加趨勢但變化幅度有差異性，總肥由1999年的67.7萬t增長到2018年的89.5萬t，增長幅度為32.2%；于2015年施用量達(dá)最大值(103.7萬t)，最大增加幅度為53.18%；氮肥在2015年施用量最大值52.8萬t，比1999年增加了28.16%；磷肥施用量折線波動(dòng)不明顯，20年間化肥施用增量為18.4萬t，總體呈現(xiàn)增加趨勢，最大增加幅度為21.78%；鉀肥施用量從1999的4.6萬t增長到2018年的8.9萬t，增長量為4.3萬t；最大施用量出現(xiàn)在2016年(10.1萬t)，增加幅度為119.57%；復(fù)合肥的施用量20年間呈現(xiàn)增加趨勢，在單質(zhì)化肥中增長最快，最大施用量為20萬t(2016年)，比1999年增長了166.67%。

3)化肥的施用強(qiáng)度受到地區(qū)的自然環(huán)境影響較大，坡耕地面積占比高，研究期間城市化率不斷增加，糧食播種面積不斷減少而人口不斷增加，人地關(guān)系進(jìn)一步緊張，為了保證基本的糧食需求，化肥施用強(qiáng)度不斷增大。