中国粮食主产区化肥施用时空特征及生态经济合理性分析

刘钦普，濮励杰

中国粮食主产区化肥施用时空特征及生态经济合理性分析

刘钦普1，濮励杰2

（1. 南京晓庄学院环境科学与工程重点学科组，南京 211171； 2. 南京大学地理与海洋科学学院，南京 210093）

研究粮食主产区化肥施用状况能够为化肥减量增效、防治化肥损失引起的面源污染、保障国家粮食安全提供决策参考。该研究在分析中国粮食主产区化肥施用强度的时空变化特征的基础上，根据大田粮食作物对氮磷钾的养分要求，提出化肥施用生态经济合理性评价方法，并对中国粮食主产区化肥施用生态经济合理性进行评价。研究表明：从1993到2017年，中国粮食主产区化肥施用强度从205.5 kg/hm2增加到319.9 kg/hm2，其中氮、磷、钾化肥的施用强度分别从133.8、48.0、23.7 kg/hm2增加到162.6、84.2、73.2 kg/hm2；总化肥及氮、磷、钾化肥施用生态经济适宜量分别从217.4、108.7、54.4、54.4 kg/hm2增加到300.6、150.3、75.2、75.2 kg/hm2；氮肥施用强度在1993年已经超过了其生态经济适宜量，磷肥从2001年开始超过了其生态经济适宜量，钾肥在2009年后逼近其生态经济适宜量；1993－2007年间，河南、山东、江苏一直是高强度施肥省份，其他次高强度施肥的省份由高强度施肥省份逐步向周围扩散。2017年，河南为化肥施用生态经济不合理区，化肥施用明显过量；河北、江苏、安徽、山东和湖北则属于经济合理生态不合理区，化肥施用有所过量；湖南、吉林、辽宁和内蒙古施肥适当，属于施肥生态经济合理区；黑龙江、四川和江西为施肥生态合理经济不合理区，化肥施用不足。因此，中国粮食主产区化肥施用强度及生态经济合理性差异较大，总体施肥过量，部分地区存在施肥不足的情况。节肥增效、防治农业面源污染要坚持分类指导、因地减量的原则，完善配方测土施肥政策和技术手段，大力推进信息技术和有机肥利用，走有机无机肥相结合道路。

农业；化肥；环境安全；时空特征；生态经济适宜量；环境安全系数；生态经济合理性

0 引 言

2019年1月《中共中央国务院关于坚持农业农村优先发展做好“三农”工作的若干意见》中明确要求“加大农业面源污染治理力度，开展农业节肥节药行动，实现化肥农药使用量负增长”[1]。因此，合理施用化肥，治理面源污染是当前中国农业发展和科学研究面临的重大课题，加强对中国粮食主产区化肥施用特征及生态经济合理性研究显得尤为重要。根据国家财政部 2003 年12月下发的《关于改革和完善农业综合开发政策措施的意见》，河北、内蒙古、辽宁、吉林、黑龙江、江苏、安徽、江西、山东、河南、湖北、湖南、四川 13个省（区）为中国粮食主产区。2017年，中国粮食主产区粮食播种面积为8.87×107hm2，占全国的75%，主产区粮食产量47 568.9万t，占全国粮食总产量的80%以上。因此，粮食主产区对中国粮食生产和安全做出了巨大贡献。然而，粮食主产区同时面临着极大的资源和环境压力[2]。2017年，粮食主产区化肥施用量达到了3 894.07万t，单位播种面积化肥用量（含氮肥、磷肥、钾肥和复合肥折纯后的N，P2O5,K2O养分，下同）达到441.1 kg/hm2。大大超过国家生态乡镇建设规定的化肥施用强度小于250 kg/hm2的约束性指标和国际公认的225 kg/hm2的化肥安全施用上限[3]。根据《第一次全国污染源普查公报》，中国农业总氮、总磷排放比例高达57.2%和67.3%，其中化肥、农药的过量使用是造成面源污染的重要原因[4]。为了控制过度施肥造成的环境污染，中国在粮食主产区化肥合理用量方面做了大量研究。河北省小麦化肥施用合理量约为390 kg/hm2，其中氮肥、磷肥和钾肥施用量分别为231、135、24 kg/hm2，玉米化肥施用合理量为233 kg/hm2，其中氮肥、磷肥和钾肥分别为186、35、12 kg/hm2；山东省小麦化肥施用量为440 kg/hm2，其中氮肥、磷肥和钾肥分别为263、138、39 kg/hm2，玉米化肥施用量为233 kg/hm2，其中氮肥、磷肥和钾肥分别为181、35、17 kg/hm2 [5]。张君等[6]研究表明，内蒙古河套灌区保证玉米产量和环境友好的施氮适宜量是193～291 kg/hm2。仇焕广等[7]通过对黑龙江、吉林、山东、河南四省585户种植玉米化肥施用量的调查，发现这4省受调查农户的实际化肥施用量都超过了249 kg/hm2的最优化肥施用量，其中山东样本农户平均施用495 kg/hm2，是4省中单位面积化肥施用量最高的省份。在江淮地区，玉米的最佳推荐施氮量为169 kg/hm2[8]。在湖南长沙，水稻早、晚季产量分别为5 474～5 552和7 096～7 521 kg/hm2时，生态经济效应最佳的施磷适宜量分别约为49和57 kg/hm2[9]。以上研究为粮食主产区合理施用化肥、促进粮食增产和农田生态环境保护、实现农业可持续发展起到了一定的指导作用，但这些研究多是基于田间试验或农户调查，而综合考虑环境安全和粮食安全分析化肥合理施用的生态经济适宜量，评价化肥施用生态经济合理性的研究甚少。本文通过构建化肥施用的生态经济合理性评价方法，对中国粮食主产区1993—2017年化肥施用的时空变化特征及生态经济合理性进行研究，以期为有关部门制定粮食主产区化肥施用决策、实现化肥施用量负增长、加强生态农业建设提供参考。

1 材料与方法

1.1 化肥施用生态经济合理性评价方法

1.1.1 化肥施用生态经济适宜量模型

研究表明，理论推荐施氮量可用作物目标产量乘以单位产量作物需氮量获得[10]。据此，本文借鉴发达国家氮磷钾比例1:0.5:0.5（0.4）的施肥实践[11]，结合中国大田作物小麦、水稻和玉米等氮磷钾施肥比例平均大约为1:0.5:0.5的养分要求[12-14]，提出化肥施用生态经济适宜量（fertilization eco-economic appropriate amount，FEAA）测度模型。化肥施用生态经济适宜量是指为获得某一季作物目标产量而不危害环境的单位播种面积最大施肥量，相当于化肥施用环境安全阈值[15]。氮、磷和钾及总的化肥施用生态经济适宜量计算方法如下：

FEAA

P

=FEAA

K

=0.5FEAA

N

（2）

FEAA=FEAA

N

+FEAA

P

+FEAA

K

=2 FEAA

N

（3）

式中FEAAN、FEAAP、FEAAK和FEAA分别氮肥、磷肥、钾肥施用和化肥总施用的生态经济适宜量，kg/hm2；为作物需氮系数（即单位产量的作物需氮量），大约为0.03[10]；Y为某地区近3年某种或某类作物年产量，kg；为化肥施用生态经济适宜量相对于最佳经济适宜量的下浮比例。国内研究表明，生态经济适宜量比最佳经济施肥量至少低20%[16-17]。日本的“生态农家”认证中也规定化肥施用量要比通常作物栽培方法减少20%以上[18]。因此，这里取0.2。为作物目标产量相对于当前产量的上浮比例。作物目标产量的确定有多种方法，在前3年平均产量的基础上增加10%～15%作为目标产量是生产上应用最广泛的方法之一[19]。由于难以收集到所有作物的历年产量，且粮食作物为中国主要农作物，据统计资料，在粮食主产区粮食作物播种面积占农作物播种面积平均75%以上，故本研究采用前3年粮食作物平均产量确定目标产量，根据粮食主产区近25年来粮食产量增产每年没有超过5%的生产实际，将前3年粮食平均产量上浮5%～7%为作物目标产量，取0.06。

1.1.2 化肥施用环境安全系数模型

为了评价化肥施用的生态经济合理性，本文提出化肥施用环境安全系数（fertilization environmental safety coefficient, FESC）的概念及其计算模型。化肥施用环境安全系数是指化肥施用生态经济适宜量与化肥施用强度之比，反映了化肥施用的安全性。其计算公式为

FESCFEAA/FI（4）

式中FESC为化肥施用环境安全系数；FI表示化肥施用强度，是指一年内农作物单位播种面积实际化肥施用数量，kg/hm2。由于农作物化肥施用强度数据比粮食作物化肥施用强度数据更易于获得，与有关文献[20-21]研究结果对比发现，相关年份农作物化肥施用强度与粮食作物化肥施用强度平均相对误差约7.7%，所以，在公式（4）中，用农作物化肥施用强度代替粮食作物化肥施用强度，与粮食作物化肥施用生态经济适宜量进行比较，以粮食作物来判断粮食主产区化肥施用生态安全情况和施肥的生态经济合理性。化肥施用环境安全系数等于1时，化肥施用强度等于生态经济适宜量，化肥施用最合理；环境安全系数过大过小都属于施肥不合理。

1.1.3 化肥施用生态经济合理性分类

多项研究表明，化肥施用适宜量的变化范围，大约在其平均数的上下浮动10%～20%[16,22-23]。因此，以实际化肥施用强度在生态经济适宜量（统计平均值）的上下15%区间为生态经济合理施肥量，根据环境安全系数的大小，可以将化肥施用生态经济合理性分成不同的等级类型（表1）。

表1 化肥施用生态经济合理性分类

注：表中施肥量为化肥施用强度，kg∙hm-2；适宜量为化肥施用生态经济适宜量，kg∙hm-2。

Note: Fertilization amount means fertilization intensity, kg∙hm-2; Rational amount means eco-economic rational amount, kg∙hm-2.

1.2 数据来源

为了避免1993年以前某些作物化肥施用强度存在“失真”的可能[20]和便于与有关文献[20-21]比较相关研究结果，本研究所使用的数据主要为粮食主产区13个省（区）1993—2017年的农用氮肥、磷肥、钾肥和复合肥施用量（折纯）、农作物播种面积、粮食作物播种面积和总产量等，数据来自中华人民共和国统计局网站的《国家数据》栏目[24]。由于《国家数据》没有给出复合肥中氮磷钾的含量，根据市场调查情况，并参考有关文献[25-26]和联合国粮农组织对中国复合肥中养分比例的计算方法[27]，复合肥中的氮磷钾含量统一按1:1:1处理。

2 结果与分析

2.1 中国粮食主产区化肥施用的时空变化特征

2.1.1 化肥施用的时间变化特征

近几十年来，中国粮食主产区化肥消费呈快速增加的趋势，年施用总量从1993年的2 232.3万t增加到2017年的3 894.07万t[24]，其中氮肥从1 436.0万t增加到1 956.7万t，增加了36%，磷肥从545.5万t增加到1 050.5万t，增加了93%，钾肥从250.8万t增加到886.8万t，增加了250%。相应的化肥施用强度也呈增加趋势。本研究发现，粮食主产区化肥施用的时间变化特征如下：

1）化肥施用强度总体呈增加趋势，其中氮肥增加较慢，磷肥较快，钾肥最快（图1）。化肥施用强度从1993年的205.5 kg/hm2，增加到2017年的319.9 kg/hm2，其中氮肥、磷肥和钾肥的施用强度分别从133.8、48.0、23.7 kg/hm2增加到162.6、84.2、73.2 kg/hm2，分别增加了21.5%、75.2%和210%。由图1可见，1993年以来，随着中国经济的发展和对粮食需求的增加，粮食主产区化肥施用强度呈现波动增长趋势，但2013－2017年有了明显的下降，首先氮肥施用强度从2013年开始下降，而磷肥施用强度从2015年开始下降，钾肥施用强度从2017年开始下降。化肥施用强度下降与国家的生态治理力度加大有关。这些年来，化肥施用过量引起水土环境污染日趋严重，减量增效防治污染的呼声越来越高。2012年中国生态文明建设被提升到“五位一体”的战略高度，国务院研究部署了土壤环境保护和综合治理工作，多种原因促使粮食主产区在作物播种面积不断上升的情况下，氮肥施用总量在2013年开始下降（2012年为1 590.4万t，2013年为1 579.9万t），磷肥和钾肥施用总量都在2015年开始下降（2014年分别568.1、386.4万t，2015年分别为559.2、381.7万t），播种面积的增加和施肥量的减少共同作用的结果，使得氮、磷和钾化肥施用强度下降的时间不同。下降的顺序不同可能与农民施肥的历史和习惯有关。中国首先重视氮肥的使用，其后是磷肥和钾肥。人们长期习惯使用氮肥，使得氮肥过量严重，故化肥减量也先从氮肥开始。1999到2003年氮磷化肥施用强度也出现明显下降趋势，其原因一是由于作物种植面积的增加；二是由于在1995－1998年间，中国粮食产量每年接近和超过约5亿t，绝大多数农产品出现供大于求的局面，农产品价格持续低迷，农民对土地投入的积极性不高[28]，化肥施用总量特别是氮肥的施用总量出现了持续下降（如粮食主产区氮肥投入总量1998年为1 552.0万t，2003年已降到1 471.4万t）。同期粮食产量也明显下降，引起了政府的重视，自2004年开始实施了一系列的支农惠农政策，提高了农民化肥投入的积极性，氮磷化肥施用强度再次上升。氮磷钾比例从1993年的1:0.4:0.17调整到2017年的1:0.52:0.45，氮肥比例不断下降，钾肥比例上升较快，氮磷钾比例接近发达国家1:0.5:0.4的水平[11]。

2）化肥施用效率（即单位化肥施用量的粮食产量）总体呈下降趋势，与化肥施用强度的变化趋势相反（图1）。主产区化肥施用效率从1993年的22.7下降到2017年的19.6，这是由于粮食产量增长的速度小于化肥施用量增加的速度，体现了化肥投入的报酬递减规律。值得注意的是，2006年后化肥施用强度增长速度变慢，化肥施用效率趋于稳定，这与中国2005年开始普遍推广测土配方施肥措施有关。2015年之后，化肥施用强度呈下降趋势，但化肥施用效率却有所提高。说明中国政府于2015年提出《到2020年化肥使用量零增长行动方案》[29]后采取的一系列政策和措施初见成效。如各地进一步提高施肥技术、作物秸秆还田和增施有机肥料等。

图1 化肥施用强度及施用效率的变化

2.1.2 化肥施用的空间格局变化特征

中国粮食主产区分布在松花江、黄河和长江3大流域，各省份自然环境不同，社会经济发展程度差别大，化肥施用强度表现出明显的地域差异。根据国家生态乡镇建设要求单位播种面积化肥施用强度不超过250 kg/hm2的标准[30]，参考张福锁等[31]对化肥施用强度等级以100 kg间隔划分方法，按照化肥施用强度<250、250～350、351～450、>450 kg/hm2的变化范围，把主产区各省份化肥投入分为低施肥强度区、中施肥强度区、高施肥强度区、超高施肥强度区4个类型，1993－2017年化肥施用强度类型的空间分布如图2所示。

1993－2017年粮食主产区化肥施用强度的空间格局变化特征如下：

1）化肥施用强度区域差异越来越明显，从1993年的2个化肥施用强度类型增加到2017年的4个类型。山东、江苏、河南一直是高强度施肥中心，随着时间的变化，高强度施肥省份越来越多，由高强度施肥中心逐步向南北和西部扩散。1993年江苏和山东2个省份为中施肥强度区，其余11个省（区）为低施肥强度区。1997江苏施肥强度超过350 kg/hm2，首先成为高强度施肥区，围绕江苏的中施肥区达到了7个，整个粮食主产区出现了3个施肥强度类型。2007年高强度施肥区扩大，除江苏外，山东、河南和湖北的施肥强度超过了350 kg/hm2，也成为高强度施肥区；2017年，河南首先成为超高强度施肥区，施肥强度超过450 kg/hm2，高达462 kg/hm2，是施肥强度最低的黑龙江省170 kg/hm2的2.72倍。吉林、河北、山东、江苏、安徽和湖北为高强度施肥区；辽宁、内蒙和湖南为中强度施肥区；江西、四川和黑龙江为低强度施肥区。

2）化肥施用高强度区与低强度区的施肥强度差距逐渐减小。1993—2007年，江苏一直是化肥施用强度最高的省份，2017年河南超过江苏成为最高省份；1993和1997年，最低的省（区）是内蒙古，而2007和2017年为黑龙江。4个不同年份最高省份的化肥施用强度和最低省份的化肥施用强度的比值，分别是3.31、3.25、3.05、2.72，呈现下降的趋势。说明随着经济的发展和对粮食需求的增加，人们对化肥的投入不断增加，尤其是低化肥施用强度区投入增加更快。

图2 1993－2017年化肥施用强度的空间格局

总之，主产区粮食生产对化肥施用的依赖程度越来越强，但施肥强度空间差异的基本格局没有发生根本性的变化，基本是位于黄淮海平原和长江中下游平原的中东部省份化肥施用强度高，周围省份施用强度低，地区分布不平衡。这与中国的自然、经济和社会地理条件有很大的关系，施肥强度低的地区如黑龙江、四川和江西等多为偏远地区，农业资源和生产条件限制性因素较多，经济欠发达。黑龙江地多人少，是中国人均耕地面积最多的省份，劳动力稀缺，有限的土地投入更偏向于农业机械而不是化肥；四川和江西山地丘陵面积大，耕地面积小，交通不便，耕地复种指数较高，粮食生产压力较小，单位播种面积化肥投入相对较少；而河南、山东和江苏是粮食主产区中人口密度最高、区域耕地面积占土地面积比例最大的省份，这里农业开发历史悠久，人均耕地少，粮食生产压力大，传统上农业精耕细作，这些省份经济发展水平较高，对外贸易和市场条件好，居民消费能力强，经济和园艺高肥作物比重大，多种原因使得这些地区始终是化肥投入的高强度中心。

2.2 中国粮食主产区生态经济合理性变化

2.2.1 化肥施用生态经济适宜量的时空变化

由于粮食产量的提高，中国粮食主产区化肥施用生态经济适宜量从1993年的217.4 kg/hm2增加到2017年的300.6 kg/hm2，其中氮肥适宜量为总的化肥适宜量的一半，从108.7 kg/hm2增加到150.3 kg/hm2；磷肥或者钾肥的适宜量为氮肥的一半，从54.4 kg/hm2增加到75.2 kg/hm2。氮肥施用强度在1993年已经超过了生态经济适宜量，磷肥从2001年开始超过生态经济适宜量，钾肥一直在生态经济适宜量之内，到2009年后逼近适宜量（表2）。因此，粮食主产区环境压力不断增加，氮磷面源污染环境风险较高。

表2 1993—2017年氮磷钾化肥施用强度与生态经济适宜量

注：FEAAN、FEAAP、FEAAK分别为N、P、K肥施用的生态经济适宜量。

Note: FEAAN、FEAAP、FEAAKare fertilization eco-economic appropriate amount of nitrogen, phosphorus, potassium respectively.

2.2.2 化肥施用环境安全系数的时空变化

化肥施用环境安全系数是化肥施用生态经济适宜量与化肥施用强度的比值，反映了化肥施用对环境的潜在影响和粮食生产安全程度，能够较好地评价化肥施用的环境安全状况。主产区各个省份的环境安全系数均呈现快速降低后缓慢升高的趋势（图3），其中，黑龙江、江西、湖南和四川的环境安全系数基本均在1以上，说明这些区域的化肥施用强度均未超过适宜量，对生态环境的压力较小。而河南、山东、湖北、安徽、江苏和河北的化肥施用强度均超过适宜量，环境安全系数均在1以下，环境压力大，环境安全面临严峻挑战。特别是2017年，河南省的化肥施用强度是其生态经济适宜量的1.5倍多，环境安全系数为0.65，环境风险极高，且化肥施用效率最低，不及黑龙江的一半。吉林、辽宁和内蒙的环境安全系数在1左右，环境压力处于中等水平。

需要指出的是，近20年来吉林省化肥施用强度一直在适宜量附近，平均环境安全系数为1，且化肥施用效率一直处于高水平，说明粮食产量一直较高。湖南省的化肥施用强度一直低于适宜量，环境安全系数平均为1.2，且化肥施用效率更高。这可能与吉林早在1980年代后期就推广了配方施肥技术、做到了合理施肥，湖南省复种指数高、化肥利用率高有关[32-33]。

图3 1993－2017年化肥施用环境安全系数变化

由于粮食主产区化肥施用的空间格局每年变化较小，为简便起见，氮肥、磷肥和钾肥的化肥施用的环境安全的时空变化以2007年和2017年为例说明（表3）。2007年氮肥施用环境安全系数大于1的仅有江西和黑龙江2个省份，磷肥安全系数大于1的仅有吉林、辽宁、湖南和江西4个省份，钾肥的安全系数小于1的仅有河南、山东和安徽3个省份。这说明2007年多数省份氮肥和磷肥施用过量，环境风险较高，而钾肥施用则是多数省份没有过量。2017年，氮肥施用环境安全系数大于1的省份增加到5个，磷肥施用环境安全系数大于1的省份增加到6个，钾肥施用环境安全系数小于1的省份增加到5个，说明2017年部分省份氮肥和磷肥施用量有所下降，环境风险有所降低，而钾肥的过量施用省份却有所增加，但粮食主产区环境安全的总体格局变化不大。

表3 中国粮食主产区氮磷钾肥施用环境安全系数和施肥结构（2007、2017年）

注：FESCN、FESCP、FESCK分别为N、P、K肥施用的环境安全系数。

Note: FESCN、FESCP、FESCKare fertilization environmental safety coefficient of nitrogen, phosphorus, potassium respectively.

从氮磷钾养分结构看，与2007年相比，2017年各省份的磷钾比例均有提升，除吉林和湖南外，各省份均呈现出氮肥>磷肥>钾肥的化肥消费模式。吉林和湖南的磷肥施用强度小于钾肥，2省氮磷钾比例2007年分别为1:0.36:0.41、1:0.34:0.43，2017年分别为1:0.49:0.57、1:0.42:0.55，表现为氮肥>钾肥>磷肥的消费模式，并且2省2007和2017年氮磷钾化肥施用环境安全系数基本上接近或大于1。这可能与当地的种植结构和施肥方法有关。因此，吉林和湖南2省化肥施用低强度、低磷肥、高效安全的消费模式，类似于德国等欧盟国家，有利于防止化肥施用重金属污染和“水体富营养化”，基本上做到了粮食和环境安全双赢发展，分别为粮食主产区其他省（区）提供了良好借鉴。

2.2.3 化肥施用生态经济合理性的时空变化

按照化肥施用环境安全系数的大小，根据表1对粮食主产区化肥施用的生态经济合理性进行分类。为简便起见，仅以2007年与2017年为例进行对比分析，其生态经济合理性时空变化见图4。2017年湖南、吉林、辽宁和内蒙古4个省份属于生态经济合理类型。四川、江西和黑龙江3个省份是化肥施用生态合理经济不合理类型，其中黑龙江是中国第一产粮大户，也是主产区中化肥用量和粮食单产最低的省份之一，与相邻省份吉林相比，其粮食生产能力因施肥不足没有充分的发挥出来。相反，中国第二产粮大户河南省则属于生态经济不合理类型，化肥施用强度462 kg/hm2，远超过生态经济适宜量（300 kg/hm2）。河南省长期以来一直是全国化肥消费量最大的省份，2017年化肥施用总量为707万t，大约是黑龙江3倍，但粮食单产5 977.3 kg/hm2，仅比黑龙江高14%。因此，河南省是化肥施用效率最低的省份，也是化肥减量任务最大的省份。河北、江苏、安徽、山东和湖北5个省份则属于经济合理生态不合理类型，因为这些省份的粮食产量接近最佳经济产量，化肥施用效率较好，但化肥施用强度却超过了生态经济适宜量。与2007年相比，2017年生态经济不合理的省份明显减少，多数转变成经济合理生态不合理，说明这些省份化肥施用仍过量，但粮食产量与之前相比有显著提高。四川和江西2个省份从生态经济合理状态转变为生态合理经济不合理状态，化肥施用量相对不足。因此，在中国粮食主产区，化肥施用总体过量，但也存在施用适量和施用不足的情况，这与闫湘等对中国19个省13 667个地块施肥调查的研究结果一致[34]。

图4 2007年和2017年化肥施用生态经济合理性空间格局

3 讨 论

使用本文提出的化肥施用环境安全系数评价化肥施用的生态经济合理性，较好地处理了化肥施用强度大小与施肥安全性和合理性的关系。环境安全系数评价指标的指向性很强，对于生态经济适宜量相同的地区来说，化肥施用环境安全系数越大，表明环境越安全，意味着化肥施用强度越小，越远离生态经济适宜量。反之，环境安全系数越小，表明环境越不安全，意味着化肥施用强度越大，越超过了生态经济适宜量，对环境的影响越大。化肥施用环境安全系数也可用于化肥施用生态经济适宜量不同的地区化肥施用安全性或合理性的比较。环境安全系数过小和过大均属于不合理施肥状态。所以，根据化肥施用环境安全系数大于或小于1的程度，可以判断化肥施用生态经济的合理程度。从理论上讲，化肥施用环境安全系数等于1，是化肥施用环境安全和环境风险的分界点，若安全系数小于1，即化肥施用强度大于生态经济适宜量，化肥施用就是不安全的。但是，由于化肥施用生态经济适宜量是统计计算出来的平均值，在实际应用中，将化肥施用强度与之相比较时，一定要给出一个适当的化肥施用适宜量变化的范围，只有当化肥施用强度落在此范围内，即化肥施用环境安全系数在1的附近，化肥施用才是既合理又安全的。

总体上，近20年以来，中国粮食主产区的化肥施用强度已经大于生态经济适宜量，超出了作物的实际需要。多余的养分流入到环境，在一些地区造成了比较严重的面源污染。但是，在有些地区仍存在化肥施用不足的问题。有关专家指出，中国化肥施用存在总量过量问题，但具体到各地块，施肥量的差异很大，大约1/3的地块过量，1/3的地块合理，1/3的地块不足[35]。另有研究表明，中国合理施氮面积占播种面积70%，过量面积占20%，不足面积占10%[36]。本文基于省域数据对中国粮食主产区化肥施用的合理性进行研究，从宏观角度来认识中国粮食主产区化肥施用情况，同样发现存在着有施肥过量和施肥不足的省份。总体来讲，粮食主产区化肥施用过量情况比中国其他多数省份严重，但在施肥过量的省份也有少量施肥不足的地区，在施肥不足的省份也有少量施肥过量的地区。因此，在施肥减量增效、防治面源污染的同时，一定要谨慎看待化肥施用过量的问题，应防止一些本来施肥不足或施肥适量的地区过分地强调减量，给粮食生产带来不利的影响。本文使用的化肥施用强度数据和粮食产量是各省的平均值，生态经济合理性的评价结果为各省平均情况。具体到某一地区甚至地块，可以根据各自的化肥施用量和粮食产量，通过简单计算得出其化肥施用生态经济适宜量和环境安全系数，判断其施肥的合理性。由于粮食产量是各地农业生产的自然要素（如土壤和气候等）和经济技术要素（如施肥及管理等）的综合反映，用其确定化肥施用的生态经济合理性省去了测定多种土壤要素的过程。因此，本文提出的化肥施用生态经济合理性评价方法，不管是宏观指导政策制定或对于日益细化的田间化肥管理来说均适用。

总之，中国实施化肥减量增效防治化肥面源污染不能搞“一刀切”，首先，各地要明确区分出化肥施用过量区、适量区和不足区，要因地制宜，有针对性地分区实施减肥增效措施。与此同时，各地要确定化肥合理施用参考标准，完善配方测土施肥政策和技术手段，利用各种信息技术和传播方法，加强对农户认土、识肥的科学教育和技术培训，提高农户科学施肥的积极性和自觉性，使广大农民真正成为合理施用化肥的执行者和受益者。其次, 化肥减量行动可分几个阶段进行，从最高产量施肥量、最佳经济施肥量和生态经济施肥量等逐步减少，根据这些施肥量的减量效果，采取不同的减肥策略。另外, 政府加大有机肥补贴力度，制定有机肥替代化肥政策，从需肥量高的果菜茶等经济作物为试点，促进有机肥的推广使用，使中国农业真正走有机无机肥相结合的道路，确实保障中国粮食生产和环境保护双赢发展。

4 结 论

本文通过建立化肥施用生态经济适宜量模型和环境安全系数模型的方法，分析中国粮食主产区化肥施用时空变化特征及其生态经济合理性。研究结论如下：

1）从1993年到2017年，中国粮食主产区化肥施用总量和施用强度总体呈增加趋势。其中氮肥增加较慢，磷肥较快，钾肥最快，2013年以后，分别呈现下降的趋势。氮磷钾比例从1993年的1:0.4:0.17增加到2017年的1:0.52:0.45，逐步改善了高氮中磷低钾施肥结构，接近发达国家氮磷钾比例1:0.5:0.5（0.4）的水平。

2）氮肥施用强度在1993年已经超过了生态经济适宜量，磷肥从2001年开始超过生态经济适宜量，钾肥一直生态经济适宜量之内，2009年后逼近适宜量，氮磷面源污染环境风险较高。化肥施用效率总体呈下降趋势，从1993年的22.7下降到2017年的19.6，但2016和2017年有上升趋势，与化肥施用强度的变化趋势相反。

3）1993－2017年，山东、江苏、河南一直是高强度施肥中心。随着农业经济的发展，高强度施肥省份越来越多，由高强度中心逐步向周围扩散。2017年河南、江苏、山东、湖北、河北、安徽和内蒙古7个省（区）化肥施用强度明显超过其生态经济适宜量，化肥施用效率普遍小于主产区平均值，吉林、辽宁、黑龙江、湖南、江西和四川6个省的化肥施用强度基本上接近或低于适宜量，化肥施用效率高于主产区平均值，特别是吉林和湖南2省基本做到了粮食生产和环境安全双赢发展。

4）化肥施用的生态经济合理性区域差异明显，施肥合理性近些年有所改善。2017年河南为化肥施用生态经济不合理区，施肥明显过量。河北、江苏、安徽、山东和湖北则属于经济合理生态不合理区域，化肥施用有所过量。湖南、吉林、辽宁和内蒙古属于生态经济合理区域。黑龙江、四川和江西为生态合理经济不合理区域，化肥施用略显不足。与2007年相比，化肥施用生态经济不合理的省份大为减少，国家提出的化肥施用量零增长行动方案初见成效。

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Spatiotemporal variation of fertilizer utilization and its eco-economic rationality in major grain production areas of China

Liu Qinpu1, Pu Lijie2

(1.,,211171,; 2.,,210093,)

Studies on the spatial-temporal dynamic changes of fertilizer use and its eco-economic rationality in major grain production areas of China were made in order to provide some references for dealing with fertilizer’s non-point pollution, reduction of fertilizers and grain production safety. Based on the data of fertilizers consumption, crops sowing areas and grain yields during 1993-2017, fertilization eco-economic appropriate amount (FEAA) model and fertilization environmental safety coefficient (FESC) model were established to form the method to assess the rationalities of fertilizer use in major grain production areas of China. The results showed that the fertilization intensities in major grain areas of China increased from 205.5 kg/hm2in 1993 to 319.9 kg/hm2in 2017 and the fertilization intensities of nitrogen (N) , phosphorus (P) and potassium (K) increased from 133.8, 48.0, 23.7 kg/hm2in 1993 to 162.6, 84.2, 73.2 kg/hm2in 2017, respectively. Proportion of N:P:K was from 1:0.4:0.17 in 1993 to 1:0.52:0.45 in 2017. FEAAs increased from 217.4 kg/hm2in 1993 to 300.6 kg/hm2in 2017. The fertilization intensities of N had been above the FEAA in 1993, P was above the FEAA from 2001, and K was close to its FEAA from 2009. So the higher risks of non-point pollution of N and P obviously existed. Shandong, Jiangsu and Henan Province were the highest fertilization intensity center during 1993-2017, with other sub-intensity provinces around. In 2017, Henan Provine had the highest fertilization intensity with 462 kg/hm2, while Helongjiang Province had the lowest fertilization intensity with 170 kg/hm2. Among the 13 provinces of grain production areas, 7 areas, Henan, Jiangsu, Shandong, Hubei, Hebei, Anhui and Inner Mongolia, were all individually beyond their own FEAAs with their fertilization efficiencies lower than the average in 2017, while the other 6 areas were close to or less than their FEAAs with their fertilization efficiencies higher than the average, especially Jilin and Hunan Province was with win-win development of grain production and environmental safety. In 2017, Henan belonged to eco-economic irrationality area due to overuse of fertilizers; Hebei, Jiangsu, Anhui, Shandong and Hubei Province belonged to economic rational and ecological irrational areas of fertilization; Hunan, Jilin, Liaoning and Inner Mongolia belonged to eco-economic rational areas of fertilization. Heilongjiang, Sichuan and Jiangxi Province were ecological rational and economic irrational fertilization areas because of insufficient fertilizer use. So there were great differences of fertilization intensities and rationalities in major grain production areas of China. Overall, the fertilizers were overused in China, but some areas were underused. Governments at all levels should classify the major grain production areas into different sorts of fertilization, and determine the categories of overused, rational used or insufficient used in fertilization. Guidance should be given to farmers to upgrade the grain yield and prevent fertilizer’s non-point pollution, and organic fertilizers should be encouraged to use, and the construction of fertilization standards and information services should be reinforced.

agriculture; fertilizer; environmental safety; fertilization spatial-temporal change; eco-economic appropriate amount; environmental safety coefficient; eco-economic rationality

刘钦普，濮励杰. 中国粮食主产区化肥施用时空特征及生态经济合理性分析[J]. 农业工程学报，2019，35(23)：142－150.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.23.018 http://www.tcsae.org

Liu Qinpu, Pu Lijie. Spatiotemporal variation of fertilizer utilization and its eco-economic rationality in major grain production areas of China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(23): 142－150. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.23.018 http://www.tcsae.org

2019-07-16

2019-10-06

国家自然科学基金重点项目（41230751）；国家自然科学基金面上项目（41871083）；南京市环境科学与工程重点学科项目（2017-2019）。

刘钦普，博士，教授。主要从事土地资源利用与环境评价研究。Email：liuqinpu@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.23.018

F307

A

1002-6819(2019)-23-0142-09