南方典型水稻灌区肥药及废弃物空间变异规律

于海蛟，赵树君，崔远来，杜秀文，张绍强，郑传举

(1.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072；2.中国灌溉排水发展中心，北京 100083；3.湖北省樊口电排站管理处，湖北 鄂州 436001

0 引 言

水稻是我国最重要的粮食作物之一，种植面积达到3 000万hm2左右，居世界第二位，总产量2.04亿t, 居世界第一位[1]。水稻生产在我国粮食安全、抗击自然灾害、提高地力、防止水土流失以及与环境友好等方面具有不可替代的作用[2]。南方稻区约占我国水稻播种面积的94%，其中长江流域水稻面积已占全国的65.70%，北方稻作面积约占全国的6%[3,4]。水稻不仅耗水量大，也是耗肥最多、施用农药较多的粮食作物，化肥的不合理使用导致养分损失严重，肥料利用率较低，水稻生产潜力和土壤等自然资源效率得不到应有的发挥[5]；农药的过量使用，导致农作物减产、畸形，农作物品质下降，农药已成为农业面源污染的重要组成部分。近年来，水稻灌区秸秆、养殖粪便污水等废弃物处理不合理的问题日趋严重，进一步使得空气质量下降，农业面源污染加剧。化肥农药的不合理使用以及废弃物的不合理处理，已经成为导致耕地退化、农业内部环境恶化，江河湖泊水质下降、影响饮水安全与食品安全的主要原因[6]。

对于水稻灌区的化肥、农药使用及废弃物处理，前人也做过一些研究分析，韩宝吉等[5]分析了湖北省水稻主产区的水稻养分施用量、水稻产量和肥料利用率的现状；唐珍琦等[7]对湖南省水肥现状进行分析，指出了湖南水稻施肥中化肥品种单一、肥料利用率低,施肥结构不合理等主要问题；吴进才等[8]研究稻田常用农药对水稻3个品种生理生化的影响，结果表明5种农药严重影响了3个水稻品种的光合速率，几乎所有处理光合速率均显著受抑制；詹红丽等[9]对我国典型大型灌区面源污染现状进行调研，分析了河套灌区化肥、农药使用残余量的发生强度及变化规律。郭佩玉等[10]选择了国内外较有发展前景的秸秆处理方法进行了综合对比研究，黄武等[11]〗对江苏省农户秸秆处理行为建立模型，进行实证分析，分析了农户秸秆处理方式的影响因素。但是，以往研究主要集中于理论、试验研究或小尺度的调查分析，对于我国水稻种植区施肥、打药、秸秆等废弃物处理在大尺度范围内的分布规律及其原因的认识略显薄弱。基于此，本文针对湖北、湖南、江西、浙江、江苏、广西6省(区)的27个典型水稻灌区开展调查分析，以期摸清我国南方主要水稻种植区稻田施肥、农药使用、废弃物处理空间分布规律及其原因，为科学的施肥、打药及农田废弃物处理政策制定提供参考。

1 材料与方法

1.1 调查区域概况

调查对象涉及6个省(区)中的27个灌区，286个行政村，1 357个农户，具体灌区包括江西省的白塔渠灌区、赣抚平原灌区、潦河灌区、鄱湖灌区、袁惠渠灌区，湖南省的梨溪口灌区、黄石灌区、双牌灌区、澧阳平原灌区、韶山灌区、鱼形山灌区，湖北省的东风渠灌区、太湖港灌区、漳河灌区、随中灌区、天门市引汉灌区、平湖灌区，浙江省的长潭灌区、杨溪水库灌区、太平水库灌区、铜山源水库灌区，江苏省的高邮灌区，广西壮族自治区的右江灌区、达开灌区、龟石灌区、合浦灌区、青狮潭灌区，调研灌区空间分布如图1。对所选灌区依照灌区灌溉面积的不同，抽样选取至少10处行政村，在行政村内再选取3到5户农户进行抽样调查。

图1 南方典型水稻灌区调研灌区分布图

1.2 调查内容及方法

调查灌区施肥、农药使用、废弃物处理三个方面的内容。其中施肥及农药使用的调查对象为当地农户，采取典型抽样方式。施肥调查内容为施肥种类、施肥量和施肥次数，农药使用调查内容为农药使用种类和用量；废弃物处理情况调查对象为行政村村长，具体内容包括水稻秸秆处理情况、养殖粪便处理情况、养殖尿液污水处理情况等，其中秸秆处理调查科目包括秸秆焚烧、还田、其他处理的比例，养殖粪便处理调查科目包括养殖粪便直接农业利用、生产沼气或有机肥或沼气、无处理、其他处理4种处理方式所占比例，养殖污水处理调查科目包括养殖污水直接农业利用、无处理、其他处理3种处理方式所占比例。调查基准年为2013年，缺少记录数据可采用前后2年的数据替代。

首先针对不同的调查内容，设计调查表格，召开各灌区调查人员培训会议，然后发放调查表格并针对典型农户抽样实地调查。共发放调查表格3 572份，回收表格2 791份，调查表格回收率78%。

1.3 数据处理方法

回收调查表格后，以灌区为基本单元进行数据分析，将同一灌区同一调查科目的所有调查数据汇总，用TRIMMEAN函数(percent=0.20)去除最高、最低各20%的数据后求所有调查样本的平均值。

由于农户化肥及农药使用的种类多、用量差异大，直接分类统计计算难都大。处理方法是根据不同种类化肥氮磷钾含量百分比将化肥施用量换算成单位面积施氮量、施磷量、施钾量(折纯)，按半数致死量(LD50)将农药按照高毒、中毒、低毒进行分类[12,13]，统计不同毒性农药使用量，实现施肥量、打药量的定量评估。对变量进行正态分布检验后，在surfer 9.0软件中，以处理后获得的灌区样点数据为已知点，采用克里金插值方法对湖北、湖南、江西、浙江、江苏、广西6省份进行插值计算，绘制相关指标等值线图。

2 结果分析

2.1 施肥量空间分布规律

每个灌区单位面积施用化肥量均为一季水稻生育期测算量，双季稻种植区取早稻、晚稻测算量的平均值，以反映单个生育期施肥水平，单位面积农药用量作同样处理。根据调查，灌区常用的化肥种类有：三元复合肥(N∶P∶K=15∶15∶15)、史丹利复合肥(N∶P∶K=22∶8∶15)、尿素(氮46%)、过磷酸钙(磷15%)、氯化钾(钾60%)，27个调研灌区单位面积平均施氮227.50 kg/hm2，施磷107 kg/hm2，施钾135.10 kg/hm2，单位面积施氮量广西最高250.70 kg/hm2、江西最低205.40 kg/hm2，但都明显高于水稻施氮量推荐值180 kg/hm2[14]，结合水稻单产等值线图分析，水稻产量与施氮量并没有固定的正负相关关系，过度施肥并未促进增产。

图2可见，整体上氮磷钾的空间分布特征是相似的，施氮量较高的区域其施磷量、施钾量一般也较高。单位面积施氮量等值线图高值区为湖北东部、湖南东北部，低值区为湖北西部，高值区与低值区分布集中，湖北省内产生较大变异，同时产生高值区与低值区，其余区域分布较为均匀；单位面积施磷量高值区为湖北北部、湖南东北部、江苏西北端，低值区为广西西部，浙江东部，高值区与低值区分布分散，等值线空间变异性大；单位面积施钾量高值区为湖北东部、广西南部，低值区为江苏东南、浙江东部、湖北中部偏西区域，其等值线图高值区与低值区分布分散，等值线空间变异性大，湖北省内产生较大变异，同时产生高值区与低值区。

湖北等值线图空间变异性大主要是由于样本灌区施肥量最高值(天门引汉灌区)及最低值(漳河灌区)都位于湖北省内，漳河灌区施用氮磷钾量都处于较低水平，原因是当地多年来推广水稻水肥综合调控技术的结果。

图2 2013年南方典型水稻灌区施肥量等值线图

2.2 农药使用量空间分布规律

27个灌区农药使用量平均情况见表1，各省低毒农药使用量高，中毒、高毒农药使用量低，江西低毒农药使用量最高，湖南中毒农药使用量最高，湖南、湖北均未使用高毒农药。

图3可见，低毒农药使用量等值线图高值区为广西东部、江西、浙江西部，低值区为湖北西部、湖南北部，浙江东部出现低值突变，湖北、浙江等值线分布密集，变异性大；中毒农药使用量高值区为广西北部，低值区为湖北北部、江西东北部、浙江省、江苏省，等值线分布特征明显，整体上西南到东北依次递减，广西南部出现次低值突变，广西等值线密集，变异性大；高毒农药使用量高值区为广西东部、湖南南部，低值区为浙江省、江苏省，等值线图自西向东依次递减，仅广西西南部出现低值突变，广西等值线密集，变异性大。

表1 调研灌区(省份)农药使用量平均值 kg/hm2

图3 2013年南方典型水稻灌区农药使用量等值线图

广西低毒、中毒、高毒同时处于高值区，分别达到2.83、1.20、0.60 kg/hm2，区域不同毒性的农药使用量都处于较高水平，原因是2013 年广西农作物病虫害总体发生为中等偏重，水稻病虫发生面积占到农作物病虫鼠害发生总面积的近三成[15]。

2.3 水稻秸秆处理空间分布规律

调研灌区及省份秸秆处理方式平均值见表2，所有调研灌区秸秆处理焚烧处理占比37.64%、还田占比45.55%、其他处理占比16.81%，湖北秸秆焚烧比例最高，达57.60%，江西秸秆还田比例最高，达69.25%，广西秸秆其他处理比例最高，达36.20%。

图4可见，焚烧秸秆高值区为湖北西部、湖南东北部、江苏东部，低值区为广西东部、江西东部，等值线图3个高值区、两个低值区，湖北、湖南、浙江等值线分布密集，变异性大；秸秆还田面积处理高值区为广西西部、江西东北部、浙江南部，低值区为广西东部、湖北西部、湖南东北部、江苏东南部，等值线图西南到东北高、低、高、低交错分布，湖北、广西内部差异较大；秸秆其他处理高值区为广西东部，其余部分都处于低值区，广西区内等值线分布密集，有高值区也有低值区，其余省份均为低值区域，其他处理比例都维持在较低水平。

表2 调研灌区(省份)秸秆处理方式平均值 %

图4 2013年南方典型水稻灌区秸秆处理方式等值线图

除广西东部外，大部分区域水稻收割后秸秆主要以焚烧、还田处理为主，广西东部秸秆采用其他处理比例较高(占比50%～70%)，其他区域秸秆处理主要以焚烧、还田为主，其他处理所占比例不超过20%，主要是由于广西甘蔗产量占全国比重60%以上，近年在政策支持下，秸秆综合利用取得了显著成效，综合利用率达到了55.01%[16]，甘蔗秸秆处理的相关技术、经验在当地移用到水稻秸秆处理上来，使广西秸秆其他处理比例很高。除广西外，整体上焚烧与还田处理呈负相关分布。

2.4 养殖粪便处理比例空间分布规律

养殖粪便各处理方式所占比例平均值见表3，养殖粪便4种处理方式中，最适宜的是生产沼气及有机肥、其他处理，直接农业利用为推荐采用的处理方式，无处理是最不宜采取的处理方式。

表3 调研灌区(省份)养殖粪便处理方式平均值 %

图5可见，养殖粪便直接农业利用高值区为湖北中南部、湖南东部，低值区为江西中部、江苏省，等值线整体自西向东先递增后递减，中间地带高，东西两端低；养殖粪便无处理高值区为江西北部，低值区为湖南南部、广西东部，等值线江西出现高值区及次低值区，等值线分布密集，变异性最大，其余省份分布较为平均，变异性不大；养殖粪便生产沼气或有机肥高值区为湖南西南部，低值区为湖南北部、江西北部、浙江东部，等值线整体处于低值水平，分布较为均匀，湖南西部出现高值区，等值线密集，变异性较大；养殖粪便其他处理比例高值区为湖北北部，低值区为湖北南部、湖南东部、广西东部、江西西北部，等值线整体上西低东高，湖北等值线相对密集，变异性大。分析可知，整体上四种处理方式呈现负相关关系，某种处理方式的高值区同时也是其他处理方式的低值区，江苏、浙江其他处理比例高，湖南西部生产沼气或有机肥比例高，养殖粪便处理较为合理；湖北中南部、湖南东部、广西东部主要采取直接农业利用的处理方式，这部分区域养殖粪便处理方式较为合理；江西北部及湖北东部养殖粪便无处理比例最高，养殖粪便处理方式最不合理。

图5 2013年南方典型水稻灌区养殖粪便处理方式等值线图

2.5 养殖污水处理比例空间分布规律

养殖污水各处理方式占比见表4，调研灌区直接农业利用占比57.69%，无处理31.38%，其他处理10.93%，养殖污水推荐处理方式为直接农业利用及其他处理。

表4 调研灌区(省份)养殖污水处理方式平均值 %

图6可见，养殖污水直接利用高值区为广西、湖南东部，低值区为江苏省、浙江省，等值线整体上西高东低，自西向东递减分布，湖南北部区域出现高值与低值，等值线密集，变异性大；养殖污水无处理高值区为浙江东部，低值区为广西西部、湖北北部，等值线整体上西低东高，浙江等值线分布密集，变异性较大；养殖污水其他处理高值区为湖北北部、江苏、浙江西部，低值区为浙江东南部、广西、湖南、江西，等值线整体上北高南低，由北向南递减分布；因多数样本灌区此项为“0”，广西、湖南、江西南部出现大面积空白区域(0值区)。分析可知，湖北、湖南、广西3省(区)主要采取直接利用方式，无处理比例低，处理方式较为合理；江苏省、浙江西部、湖北北部其他处理方式所占比例高，采取的处理方式最为合理；浙江东部、江西东部无处理比例较高，合理处理方式所占比例低，处理措施最不合理。

图6 2013年南方典型水稻灌区养殖污水处理方式等值线图

综合分析养殖粪便处理方式与养殖污水处理方式的相关性，粪便直接农业利用的空间分布与污水直接利用的空间分布大体相同，整体呈现湖北、湖南、广西高，江西、江苏、浙江低的分布特征，对粪便采取直接农业利用的区域在处理农业污水时也更倾向采取直接农业利用的处理方式；养殖粪便无处理的等值线分布与农业污水无处理等值线分布在广西、湖南、江西、湖北整体上呈现正相关特性，在江苏省、浙江省呈现出负相关特性，这种变异性主要是由于养殖粪便、污水处理方式在浙江、江苏两省仅收集到浙江长潭灌区和铜山源水库灌区两个灌区的数据，在插值过程中由于个别极值影响了真实的空间分布。

3 结论与讨论

针对南方6省(区)共27个以水稻为主要灌溉作物的灌区开展水稻施肥、打药、废弃物处理数据调查，基于调查数据，按克里金插值方法对南方典型区域水稻种植的施肥量、农药使用量、废弃物处理的空间分布规律进行分析，主要结论如下。

(1)南方典型水稻灌区单位面积平均施氮量227.50 kg/hm2，施磷量107 kg/hm2，施钾量135.10kg/hm2，施氮量显著高于水稻推荐施氮量180 kg/hm2，水稻单位面积施氮量、施磷量、施钾量具有相似的空间分布特征，施用氮肥较多的农户在施用磷肥、钾肥或复合肥方面也处于高值水平。

(2)农药使用量的空间变异较大，低毒、中毒、高毒农药使用量同时处于高值区，说明该区农药使用量较高，其他区域低毒、中毒、高毒农药使用量均未同时处于高值区。

(3)水稻秸秆处理主要以焚烧、还田为主，平均情况下焚烧率37.64%、还田率45.55%、其他处理率16.81%。广西东部秸秆采用其他处理比例较高(占比50%～70%)，其他区域秸秆处理主要以焚烧、还田为主，其他处理所占比例不超过20%，且焚烧与还田处理在这些区域呈现负相关分布。

(4)养殖粪便各处理方式平均所占比例为：直接农业利用36.24%，无处理30.94%，生产沼气或有机肥12.03%，其他处理20.69%。江苏、浙江、湖南西部养殖粪便处理以其他处理、生产沼气或有机肥为主，最为合理；广西东部采用直接农业利用处理比例较高，较为合理；江西鄱阳湖区及湖北东部无处理比例高，最不合理。

(5)养殖污水各处理方式所占比例为直接农业利用57.69%，无处理31.38%，其他处理10.93%。江苏省、浙江西部、湖北北部以其他处理为主，最为合理；湖北、湖南、广西以直接利用为主，较为合理；浙江东部、江西东部以无处理为主，最不合理。

(6)养殖粪便直接农业利用的空间分布与养殖污水直接利用的空间分布大体相同，整体呈现湖北、湖南、广西高，江西、江苏、浙江低的分布特征，对粪便采取直接农业利用的区域在处理养殖污水时也更倾向采取直接农业利用的方式。

本文的分析结论基于大尺度范围内的调研数据，数据资料来自于农业生产第一线的农户、行政村长，数据较为贴近农业生产实际情况，但也存在一些不足：①受实际条件限制，在江苏省仅选择高邮灌区一个样本点，所以空间变异等值线图中无法看出江苏省内空间变异特征；②因部分灌区没有养殖粪便、污水处理方式统计资料，养殖粪便污水处理方式在浙江、江苏仅回收到3个灌区数据，两省废弃物处理空间插值效果不理想。③本研究只是基于2013年数据分析得出的结论，其他年份变化规律是否相同还有待于分析。

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