東北地區(qū)農(nóng)田土壤氮磷養(yǎng)分平衡及其對(duì)水環(huán)境的影響

化肥可以提供穩(wěn)定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需的養(yǎng)分，但過(guò)度使用不僅會(huì)損害農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，還會(huì)導(dǎo)致污染。由農(nóng)田氮、磷流失引起的水體富營(yíng)養(yǎng)化問題已受到國(guó)內(nèi)外的普遍關(guān)注。90年代以前,東北地區(qū)水體污染一直是以工業(yè)點(diǎn)源污染為主,但近年來(lái)一些湖庫(kù)水體表現(xiàn)出枯水期污染較輕,而豐水期污染較重的面源污染特征。水體面源污染的來(lái)源主要有種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)及生活污水。自2001-07起遼寧在全省范圍內(nèi)禁止生產(chǎn)、銷售和使用含磷洗滌劑后,生活污水進(jìn)入地表水的磷負(fù)荷可能會(huì)得到削減,但是種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的負(fù)荷還沒有得到相應(yīng)的控制。隨著單位面積化肥投入的增加和畜禽養(yǎng)殖規(guī)模的擴(kuò)大,由種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)帶來(lái)的面源污染威脅將越來(lái)越嚴(yán)重。若將有機(jī)肥和化肥看作系統(tǒng)的輸入項(xiàng),作物收獲看作輸出項(xiàng),則農(nóng)田養(yǎng)分平衡即為輸入項(xiàng)與輸出項(xiàng)的差值。農(nóng)田養(yǎng)分平衡作為理解養(yǎng)分在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)循環(huán)周轉(zhuǎn)的有效手段,也是評(píng)價(jià)施肥是否合理、農(nóng)業(yè)可否持續(xù)發(fā)展、環(huán)境效益是否最佳的一個(gè)重要指標(biāo),并且可以為養(yǎng)分管理和環(huán)境政策制定提供可靠依據(jù)。美國(guó)、英國(guó)、荷蘭、瑞典等發(fā)達(dá)國(guó)家根據(jù)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的養(yǎng)分循環(huán)及平衡狀況,為養(yǎng)分管理和環(huán)境政策制定提供可靠依據(jù),以有效控制和減少農(nóng)業(yè)氮、磷排放量。我國(guó)目前的農(nóng)田土壤氮、磷平衡研究,主要集中在南方部分典型地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán),及國(guó)家尺度或省級(jí)區(qū)域尺度養(yǎng)分平衡的計(jì)算,而有關(guān)東北地區(qū)縣域尺度養(yǎng)分平衡及其對(duì)面源污染的貢獻(xiàn)還未見有報(bào)道。本試驗(yàn)對(duì)東北地區(qū)化肥投入和養(yǎng)分平衡狀況以及水體環(huán)境氮磷負(fù)荷進(jìn)行了研究,以期為正確評(píng)價(jià)當(dāng)前農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整可能對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響提供參考依據(jù)。1材料和方法1.1農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)量用于計(jì)算東北地區(qū)氮、磷平衡的氮、磷肥施用量、復(fù)合肥施用量、農(nóng)業(yè)人口數(shù)、大畜存欄數(shù)、牛存欄數(shù)、羊存欄數(shù)、家禽出欄數(shù)、各類作物產(chǎn)量和面積等縣級(jí)農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)均來(lái)源于1992~2002年?yáng)|北三省各縣市農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)資料。1.2氮磷投入的計(jì)算農(nóng)田氮、磷平衡是以化肥和有機(jī)肥作為投入項(xiàng),以作物收獲為產(chǎn)出項(xiàng)進(jìn)行計(jì)算的。其中有機(jī)肥中氮、磷養(yǎng)分含量及還田率、秸稈/籽粒、籽/棉、出餅率、燃燒率、出灰率、收集利用率等參照全國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心1999年編寫的《中國(guó)有機(jī)肥料養(yǎng)分志》,作物籽粒及秸稈中氮、磷養(yǎng)分含量參照魯如坤等的研究結(jié)果?；实?磷)投入=氮(磷)肥+復(fù)合肥×復(fù)合肥中氮(磷)養(yǎng)分含量有機(jī)氮(磷)投入=秸稈氮(磷)+綠肥氮(磷)+餅肥氮(磷)+糞肥氮(磷)+草灰氮(磷)秸稈氮(磷)=作物產(chǎn)量×秸稈/籽粒×該作物秸稈中含氮(磷)量×還田率綠肥氮(磷)=綠肥面積×綠肥產(chǎn)量×干重/鮮重×含氮(磷)量×還田率餅肥氮(磷)=皮棉產(chǎn)量×籽/棉×出餅率×含氮(磷)量×還田率+油菜籽產(chǎn)量×出餅率×含氮(磷)量×還田率糞肥氮(磷)=農(nóng)業(yè)人口×人糞肥氮(磷)系數(shù)+大畜存欄數(shù)×大畜糞肥氮(磷)系數(shù)+牛存欄數(shù)×大畜糞肥氮(磷)系數(shù)+羊存欄數(shù)×羊糞肥氮(磷)系數(shù)+豬出欄數(shù)×豬糞肥氮(磷)系數(shù)+家禽出欄數(shù)×家禽糞肥氮(磷)系數(shù)草灰氮(磷)=作物產(chǎn)量×秸稈/籽?！猎撟魑锝斩捴泻?磷)量×燃燒率×出灰率×收集利用率氮(磷)投入=化肥氮(磷)投入+有機(jī)氮(磷)投入氮(磷)支出=各種作物產(chǎn)量×相應(yīng)籽粒中氮(磷)含量+各作物產(chǎn)量×秸稈/籽?！猎撟魑锝斩捴械?磷)含量氮(磷)平衡=氮(磷)投入-氮(磷)支出1.3分平衡計(jì)算將東北地區(qū)分縣農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)表建立屬性數(shù)據(jù)庫(kù),完成分縣農(nóng)田土壤氮、磷養(yǎng)分平衡計(jì)算;根據(jù)具體情況按某一特征將東北三省縣級(jí)數(shù)字化地圖的圖形庫(kù)和計(jì)算的縣級(jí)養(yǎng)分平衡屬性數(shù)據(jù)庫(kù)連接起來(lái),并在Mapinfo系統(tǒng)中生成數(shù)字土壤氮、磷養(yǎng)分平衡圖,表征東北地區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分分布規(guī)律。2結(jié)果與分析2.1農(nóng)田土壤養(yǎng)分含量及變化趨勢(shì)東北三省、山東省及全國(guó)單位耕地面積化肥用量的歷史變化見圖1。由圖1可知,自1980年以來(lái),東北三省單位耕地面積的化肥用量變化總趨勢(shì)與全國(guó)相似,即單位耕地面積的化肥用量隨著時(shí)間的增加而增大。東北三省單位耕地面積化肥用量的年增長(zhǎng)率分別為:遼寧,4.0%;吉林,6.2%;黑龍江,2.9%。2003年遼寧、吉林及黑龍江單位耕地面積的化肥用量分別為269.7,219.2和106.8kg/(hm2·年),均低于全國(guó)平均水平(339.3kg/(hm2·年))。但不同作物種植區(qū)域間的化肥投入量存在較大的空間變異。由2002年?yáng)|北地區(qū)各縣市農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知,部分果樹、蔬菜集中種植地區(qū),如吉林通化、四平、綏中等地區(qū)2002年單位耕地面積化肥用量均在900kg/(hm2·年)以上;而作為商品糧主要生產(chǎn)基地的吉林省輝南縣、磐石市、梅河口市2002年單位耕地面積的化肥用量分別為1529.8,1051.9和802.4kg/(hm2·年),遠(yuǎn)高于施肥量較高的山東省(567.2kg/(hm2·年))。由表1可知,東北三省農(nóng)田土壤氮、磷平衡均由建國(guó)初期的虧缺轉(zhuǎn)為盈余,且平衡量隨時(shí)間的增加而增大。1952~2002年,遼寧省農(nóng)田土壤總氮、總磷平衡分別由-4.72萬(wàn)t/年和-0.88萬(wàn)t/年增加到50.55萬(wàn)t/年和9.59萬(wàn)t/年;吉林省農(nóng)田土壤總氮、總磷平衡分別由-4.70萬(wàn)t/年和-1.08萬(wàn)t/年增加到30.57萬(wàn)t/年和6.56萬(wàn)t/年;黑龍江省農(nóng)田土壤總氮、總磷平衡分別由-9.37萬(wàn)t/年和-1.73萬(wàn)t/年增加到16.11萬(wàn)t/年和13.43萬(wàn)t/年。與總氮、總磷平衡的變化趨勢(shì)相同,東北三省單位耕地面積氮、磷平衡也在逐年增加,2002年?yáng)|北三省單位耕地面積氮平衡分別為:遼寧,131.46kg/(hm2·年);吉林,71.91kg/(hm2·年);黑龍江,22.33kg/(hm2·年)。磷平衡分別為:遼寧,24.93kg/(hm2·年);吉林,11.75kg/(hm2·年);黑龍江,18.61kg/(hm2·年)。1992年和2002年?yáng)|北地區(qū)不同區(qū)域之間農(nóng)田土壤氮、磷平衡分布狀況如圖2和圖3所示。從圖2可以看出,東北地區(qū)單位耕地面積氮素盈虧存在很大空間變異。2002年氮平衡較高地區(qū),如吉林省通化市、磐石市、吉林市等的單位耕地面積氮平衡可達(dá)500kg/(hm2·年)以上;而在黑龍江省的嫩江縣、巴彥縣、克山縣等地區(qū)氮平衡仍處于虧缺狀態(tài)。2002年?yáng)|北地區(qū)各縣市氮素盈虧狀況較1992年兩極分化現(xiàn)象更為嚴(yán)重,2002年單位耕地面積氮平衡量在0~500kg/(hm2·年)的縣市比1992年減少了28個(gè),而單位耕地面積氮平衡小于0kg/(hm2·年)和大于500kg/(hm2·年)的縣市分別增加了20個(gè)和8個(gè),即2002年農(nóng)田土壤氮素虧缺和過(guò)度累積現(xiàn)象均較1992年有所加重。從圖3可以看出,1992~2002年,東北地區(qū)農(nóng)田土壤磷盈余水平整體有所提高。2002年單位耕地面積磷平衡小于30kg/(hm2·年)的縣市較1992年少64個(gè),而單位耕地面積磷平衡在30~85kg/(hm2·年)和大于85kg/(hm2·年)的縣市分別增加了53個(gè)和11個(gè)。2002年各縣市單位耕地面積的磷平衡與土壤氮平衡同樣存在較大的地區(qū)差異。1992年和2002年?yáng)|北地區(qū)182個(gè)縣市氮、磷肥施用量與氮、磷平衡的相關(guān)關(guān)系見圖4和圖5。由圖4和圖5可知,1992年?yáng)|北地區(qū)182個(gè)縣市氮、磷肥投入與氮、磷平衡的相關(guān)系數(shù)分別為0.863和0.673,兩者均呈極顯著相關(guān)關(guān)系;2002年氮、磷肥投入與氮、磷平衡的相關(guān)系數(shù)比1992年有所提高,分別達(dá)到0.975和0.965。表明化肥在造成區(qū)域氮、磷平衡空間差異上的作用越來(lái)越明顯。由于施肥的空間變異性很大,造成了不同農(nóng)田之間氮、磷平衡存在很大差異。同時(shí),土壤氮、磷平衡狀況的不同對(duì)環(huán)境的影響也可能不同。2.2東北化肥的使用對(duì)農(nóng)業(yè)表面污染的影響2.2.1林分氮、磷負(fù)荷農(nóng)田中氮、磷養(yǎng)分主要是通過(guò)徑流和淋洗進(jìn)入水體環(huán)境,按照東北地區(qū)耕地和果園氮、磷營(yíng)養(yǎng)物的徑流、淋洗損失量分別占總氮平衡和總磷平衡的35.39%和4.02%來(lái)估算,則1982年?yáng)|北三省由農(nóng)田土壤總氮平衡、總磷平衡進(jìn)入水體環(huán)境的氮、磷負(fù)荷分別為:遼寧,13.90萬(wàn)和0.38萬(wàn)t/年;吉林,5.60萬(wàn)和0.079萬(wàn)t/年,黑龍江,4.09萬(wàn)和0.24萬(wàn)t/年。2002年?yáng)|北三省由農(nóng)田土壤進(jìn)入水體環(huán)境的氮、磷負(fù)荷分別為:遼寧省,17.89萬(wàn)和0.39萬(wàn)t/年;吉林省,10.82萬(wàn)和0.26萬(wàn)t/年,黑龍江省,5.70萬(wàn)和0.54萬(wàn)t/年。2002年?yáng)|北三省由農(nóng)田進(jìn)入水體環(huán)境的氮、磷負(fù)荷均比80年代有所升高,升高的幅度分別為:遼寧,氮負(fù)荷29%,磷負(fù)荷3%;吉林,氮負(fù)荷93%,磷負(fù)荷229%;黑龍江,氮負(fù)荷39%,磷負(fù)荷125%,其中以吉林省氮磷負(fù)荷升高的比例最大。由此可知,由農(nóng)田土壤總氮平衡和總磷平衡進(jìn)入水體環(huán)境的氮、磷負(fù)荷呈增加趨勢(shì),吉林省化肥施用對(duì)東北地區(qū)面源污染的貢獻(xiàn)不容忽視。2.2.2蔬菜種植面積對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響2002年?yáng)|北地區(qū)各縣市農(nóng)田土壤氮平衡與果樹和蔬菜種植面積占總播種面積比例的相關(guān)關(guān)系如圖6所示。由圖6可知,農(nóng)田土壤氮平衡隨果樹和蔬菜種植面積占總播種面積比例的增加而增大,兩者呈極顯著相關(guān)關(guān)系(r=0.528**),說(shuō)明果樹和蔬菜種植面積是影響東北地區(qū)農(nóng)田土壤氮平衡增加的主要原因之一。這是由于農(nóng)民在果樹、蔬菜上的肥料投入量遠(yuǎn)大于糧食作物所致。杜秋根的調(diào)查結(jié)果表明,遼寧大伙房水庫(kù)匯水區(qū)蔬菜和果樹種植區(qū)單位面積氮、磷肥施用量是糧食種植區(qū)的2~5倍。對(duì)東北遼河流域40個(gè)縣市果樹和蔬菜種植面積占總播種面積比例的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,1992年遼河流域果樹和蔬菜種植面積為25.4萬(wàn)hm2,占總播種面積的6.1%;2002年果樹和蔬菜種植面積達(dá)到50.8萬(wàn)hm2,占總播種面積的22%,果樹和蔬菜農(nóng)田氮、磷養(yǎng)分量遠(yuǎn)高于糧食種植區(qū),同時(shí)遼河流域附近的果樹和蔬菜種植區(qū)由于距水源較近,累積在土壤中的氮、磷養(yǎng)分向水體流失的風(fēng)險(xiǎn)也高于其他地區(qū)。因此,隨著種植面積的逐年增加,果樹和蔬菜種植區(qū)對(duì)遼河流域水體面源污染的貢獻(xiàn)不容忽視。3農(nóng)田土壤養(yǎng)分分配規(guī)律(1)1980~2003年,東北三省單位耕地面積化肥用量隨著時(shí)間的增加而增大,各縣市間單位耕地面積化肥用量空間變異較大,局部地區(qū)已遠(yuǎn)超過(guò)全國(guó)平均水平,甚至超過(guò)化肥用量較高的山東省。氮、磷肥施用量不同是造成農(nóng)田土壤氮、磷平衡空間差異的直接因素,氮、磷肥施用量與氮、磷平衡間均呈極顯著相關(guān)關(guān)系。隨著時(shí)間的推移,化肥在造成區(qū)域氮、磷平衡空間差異上的作用愈加明顯。(2)由于化肥投入量的增加,東北三省農(nóng)田土壤氮、磷平衡均由建國(guó)初期的虧缺轉(zhuǎn)為盈余,贏余量呈現(xiàn)隨時(shí)間增加而增大的趨勢(shì)。2002年單位耕地面積氮、磷平衡超過(guò)500和85kg/(hm2·年)的縣市主要集中在吉林省,而單位耕地面積氮、磷平衡仍處在虧缺狀態(tài)(<0kg/(hm2·年))的縣市主要分布在黑龍江省。按照目前的發(fā)展趨勢(shì),東北地區(qū)可能面臨吉林省農(nóng)田土壤由于養(yǎng)分累積過(guò)多出現(xiàn)環(huán)境問題,而黑龍江省農(nóng)田土壤因養(yǎng)分連年虧缺導(dǎo)致肥力嚴(yán)重耗竭的局面。(3)與80年代相比,2002年?yáng)|北三省農(nóng)田土壤總氮、磷平衡進(jìn)入水體環(huán)境的氮磷負(fù)荷均有所增加,其中仍以吉林省農(nóng)田土壤進(jìn)入水體環(huán)境的氮、磷負(fù)荷增加的幅度最大。因此,吉林省化肥施用對(duì)東北地區(qū)面源污染的貢獻(xiàn)不容忽視。為保證環(huán)境安全和糧食安全達(dá)到雙贏,應(yīng)適當(dāng)減少吉林省的化肥投入而增加黑龍江省的化肥投入。建議通過(guò)稅收和補(bǔ)貼等宏觀調(diào)控政策,使區(qū)域間化肥配置更加合理。(4)果樹和蔬