安徽省作物养分供需分析及化肥减施潜力研究*

耿 维, 袁嫚嫚, 邬 刚, 王家宝, 孙义祥

安徽省作物养分供需分析及化肥减施潜力研究*

耿 维, 袁嫚嫚, 邬 刚, 王家宝, 孙义祥**

(安徽省农业科学院土壤肥料研究所 合肥 230031)

有机-无机相结合的农田养分管理模式是现阶段中国发展绿色农业的必由之路, 因而开展有机、无机养分和作物养分需求的比较研究对促进养分资源的合理分配和施用具有重要的参考价值。本文采用文献调查和统计分析的方法, 评估了安徽省16市2010—2016年主要有机肥(包括秸秆、粪便、绿肥和饼肥)的养分资源, 明晰了安徽省农业生产中有机、无机养分投入现状, 并根据农业种植结构开展了有机、无机养分和作物养分需求的差异和关系研究, 最后探索了安徽省的化肥减施潜力。结果表明: 安徽省2010—2016年平均有机肥养分资源为287.70万t, N、P2O5和K2O分别为104.49万t、39.60万t和143.61万t, 可基本满足作物的养分需求; 但有机肥的当季利用率低, N、P2O5和K2O的当季利用率分别为21.44%、19.91%和52.61%, 有机肥N、P2O5和K2O实际还田量仅占作物养分需求的20.74%、25.38%和63.61%, 占农田养分总投入的比重分别为11.87%、10.27%和51.35%。全省N、P2O5、K2O养分实际投入量(包括有机肥和化肥)是作物养分需求的1.75倍、2.47倍和1.24倍, 有7个市的N和13个市的P2O5养分施用量超过作物需求的2倍, 存在较高的环境污染风险。通过控制农业总养分输入, 安徽省的化肥减施潜力为35.12%, N、P2O和K2O的减施潜力分别为21.28%、23.97%和78.61%。提高有机肥的当季利用率和发展冬季绿肥资源可进一步促进化肥减施。本研究可为安徽省化肥零增长和农牧业的绿色可持续发展提供数据参考。

有机肥; 化肥; 氮磷钾; 作物养分需求; 肥料当季利用率; 化肥减施; 安徽省

粮食生产离不开土壤, 健康的土壤是粮食可持续生产的重要保障。Norman Borlaug指出, 如果中国要满足粮食生产的目标, 平衡土壤肥料是第一位需要[1]。然而过度使用化肥和地力透支是我国土地环境的现状。过去30年, 为追求更高的产量和经济效益, 化肥和农药的大量施用打破了农业生产原有的生态链, 土壤遭到破坏的速度超过了自我修复能力。统计表明, 我国粮食产量占世界16%, 化肥用量占31%, 每公顷的化肥用量是世界平均用量的4倍, 我国约每生产1.5 kg粮食就要消耗0.5 kg化肥, 这个用量是国际公认安全线的2倍左右[2]。中国工程院关于全国土壤环境保护与污染防治战略咨询项目研究报告显示, 我国耕地质量不断下降, 农业生产中土壤的贡献率大约在50%~60%, 比40年前下降了10%, 比西方国家至少低10%~20%。自20世纪70年代末引进并大量使用化肥、农药、除草剂、农膜以来, 我国工业化农业发展短短几十年引发了一系列的环境问题, 并引起了国际的广泛关注。作为农业和人口大国, 亟需寻求一条兼顾粮食、资源与环境安全的可持续的农业发展之路[3], 而实现这一目标的关键是充分科学地利用有机和无机养分资源,改善土壤现状、提高土壤质量, 减少养分向环境的损失[4]。因而明确农业生产中作物养分需求和有机肥资源潜力, 开展有机、无机养分与作物养分需求的比较研究, 对养分的科学管理和实现化肥零增长具有重要的意义。

动植物利用有机、无机养分生产粮食、油料、肉、蛋、奶等产品, 伴随产生大量的秸秆、粪便、饼粕等有机肥副产物。我国有机肥资源丰富, 主要包括秸秆、畜禽粪便、绿肥和饼肥。20世纪50年代初以前, 各类有机肥是我国补充土壤养分的唯一来源, 对此Liebig[5]曾给予高度评价。然而随着农牧业结构的改变和规模化发展, 有机肥资源构成和数量发生了巨大变化, 在土壤养分投入中的比重显著下降, 造成了资源浪费, 威胁生态安全。随着全球可持续农业的发展, 农业发达国家已开展了农田生态系统中的养分平衡状况研究, 以有效控制和减少农业污染物的排放[6-7], 有机肥料也再度受到关注。我国对作物秸秆的管理较早, 始于1970年[8], 由于对有机肥资源量没有专门统计, 各类有机肥资源均是通过相关系数计算得到。近年来, 我国学者和农业相关机构对有机肥资源量和利用开展了众多不同尺度的调查、评估与试验研究, 也进行了一些环境风险和化肥替代潜力分析[9-17]。上述研究有助于明确我国有机肥资源的时空分布、农田投入潜力和环境影响, 但研究较少考虑有机肥养分的实际还田量和当季转化利用率问题。李书田等[18]、刘晓永[19]在前人研究的基础上分析了我国秸秆和粪尿养分的还田量, 基于作物养分需求初步估算了我国各省农业生产的养分平衡以及化肥需求和供给差。但基于区域有机、无机养分、作物推荐施肥量的化肥减施潜力的研究还鲜见报道。安徽省是我国的农牧业生产大省, 农田有机、无机养分输入比例失调给全省耕地质量带来不利影响, 土壤肥力监测点检测结果显示, 全省50%的耕地有机质含量偏低, 氮、磷养分普遍缺乏, 钾养分下降明显[20], 制约农业持续发展。同时, 单位面积农田化肥施用量增加迅速, 导致了土壤结构与功能的下降, 也导致了化学品的边际效应持续下降, 影响地表水、地下水和大气的环境质量, 并对农产品品质和食品安全构成威胁, 生态环境问题突出。安徽省作物秸秆和畜禽粪便资源潜力大, 且有大面积的冬闲田, 具有发展冬季绿肥的优势, 但这些有机肥资源分布和养分还田现状还不清楚, 限制了有机、无机养分的科学管理和施用。因此, 本文依据统计数据, 通过文献调查, 在安徽省16市开展了以下研究: 1)有机肥(包括作物秸秆、畜禽粪便、饼肥和绿肥)养分资源及分布; 2)有机肥、化肥和作物养分需求的比较和差异分析; 3)有机肥、化肥养分的农田投入现状; 4)化肥的减施潜力。本研究旨在探明安徽省有机肥、化肥和作物养分需求3者之间的差异和关系以及农田的节肥潜力, 为安徽省农牧业养分管理和化肥减施提供数据依据, 同时为其他地区提供方法参考。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区域概况

1.1.1 农牧业现状

安徽省地处北纬29°22¢~34°40¢和东经114°53¢~ 119°30¢, 由16市105县及辖区组成, 土地面积13.94万km2, 跨长江、淮河流域, 地形地貌由淮北平原、江淮丘陵、皖南山区组成, 属于暖温带与亚热带过渡地区, 光、热、水资源丰富, 适宜农牧业生产。农业种植制度兼具南北方特色, 涵盖了我国典型粮食作物轮作模式(表1), 包括淮河以北小麦()-玉米()轮作区、长江淮河之间水稻()-小麦/油菜()轮作区、长江以南的水稻种植区。全省耕地面积587.3万hm2, 2016年农业总播种面积889.4万hm2, 主要粮食产量3 417.4万t, 分别位列全国第5和第7。2016年化肥消费量327万t, 位居全国第5; 氮肥、磷肥、钾肥和复合肥用量分别为104.9万t、32.1万t、30.7万t和159.3万t, 复合肥用量仅次于河南、山东, 居全国第3位。根据发展现状、资源条件、结构调整需求和主体功能区划分, 安徽省确立了生猪、肉禽、奶牛、肉牛和肉羊5种优势畜产品生产区域(表1), 全省有国家生猪调出大县21个。2015年肉蛋奶总产达到583.1万t, 比2010年增长12.9%, 家禽和生猪出栏量78 146.87万只和2 874.93万头, 居全国第7和11位。

表1 安徽省粮食作物轮作模式和畜禽养殖优势区分布

1.1.2 耕地土壤现状

安徽省耕地复种指数高, 但地力不足, 土壤质量不高。耕地以中低产田为主, 约占耕地面积总量的75%。全省耕地有机质平均20.91 g∙kg–1, 其中11%的耕地有机质缺乏, 40%的耕地有机质偏低。耕地土壤全氮平均为1.33 g∙kg–1, 含量较低且普遍缺乏, 有52%的土壤缺氮, 有34%的耕种土壤全氮含量为中等, 仅4.5%的土壤全氮含量丰富, 土壤缺氮是安徽省作物产量提高的主要制约因素。土壤有效磷平均为16.82 mg∙kg–1, 其中47%的耕地有效磷含量低于12.0 mg∙kg–1, 属于缺磷土壤, 约26%的耕地有效磷含量在12.0~18.0 mg∙kg–1, 为补偿性缺磷, 大部分耕地土壤属于缺磷状态。耕地土壤速效钾平均为89.06 mg∙kg–1,含量中等较丰富, 但与第2次土壤普查相比(102.80 mg∙kg–1), 下降明显, 约有1/3的耕地土壤缺钾。耕层土壤pH较15~20年前下降0.5个单位以上, 多数土壤呈酸性反应, 土壤酸化已成为许多地区新的低产因素。

1.2 数据来源

本研究中有机肥基础资源包括农作物秸秆、畜禽粪便、绿肥和饼肥。秸秆来自省内14类主要农作物, 畜禽粪便来自猪、牛、羊和家禽, 饼肥来自大豆()、花生()、油菜()、芝麻()和棉花(spp), 目前没有公开的绿肥种植统计数据, 本文基于充分利用冬闲田的情景下估算绿肥资源的可发展潜力。化肥包括氮肥、磷肥、钾肥和复合肥, 统一折算为纯N、P2O5和K2O量。农作物养分需求量为来自安徽省18类作物经济产量条件下的N、P2O5、K2O需求量。化肥推荐施肥量参考文献[19]的估算方法计算。

安徽省农牧业基础数据, 包括耕地面积、农作物播种面积、农作物产量、畜禽饲养量、化肥消费量等来自2011—2017年《中国统计年鉴》《安徽省统计年鉴》和安徽省16个市级统计年鉴, 文中涉及的各项参数均基于前人研究结果和文献资料, 为得到更加接近实际的评估结果, 各项参数选取优先排序为适用于安徽省各市>安徽省>华东地区>全国平均。

1.3 有机肥养分资源量核算方法

1.3.1 秸秆及其养分资源

草谷比法是秸秆资源评估中常用的方法。草谷比系数和秸秆养分含量因品种、气候、地域和施肥习惯不同而呈现明显的地区差异[13,21], 14类农作物草谷比和秸秆养分含量见表2[22-23]。其中蔬菜、瓜类为鲜重, 花生产量为带壳花生果风干质量, 其余作物产量均以风干质量计[24]。秸秆及其养分资源的计算公式如下:

式中:为农作物秸秆资源量, 万t;为农作物种类;为农作物籽粒产量, 万t;为草谷比系数;为NPK养分; SN为秸秆养分资源量, 万t;为NPK养分含量, g∙kg-1。

表2 农作物的草谷比及秸秆养分含量[22-23]

1.3.2 畜禽粪便及其养分资源

畜禽固体粪便和液体粪尿的日排泄量不同, 养分含量也不同, 本文将其分开计算, 粪便及养分资源计算公式如下, 各项参数值见表3。

式中:为畜禽粪便资源量, 万t;为畜禽种类;为畜禽年内出栏量或年末存栏量;为饲养期, d;为日均固体粪便排泄系数, kg∙头–1∙d–1;为日均液体粪尿的排泄系数, kg∙头–1∙d–1; MN为粪便养分资源量, 万t;为N、P2O5、K2O养分;为N、P2O5、K2O含量, g∙kg–1。

表3 畜禽的产排污系数和养分含量(鲜基)

1.3.3 绿肥及其养分资源

安徽省地处南北过渡类型的生物气候带, 适宜发展多种绿肥生产。淮河以南稻区主要栽培绿肥是紫云英(), 淮河以北地区主要有毛叶苕子()、田菁()、苜蓿()、柽麻()、草木樨()等。近年由于农村外出务工人数的增加、种植收入占农民总收入比重的降低, 越来越多的耕地在冬季撂荒, 绿肥的种植面积显著减少。安徽省目前没有绿肥种植的详实统计数据, 冬闲田是发展绿肥的优良季节性边际性土地, 本文以安徽省内8类主要绿肥作物为研究对象, 根据其养分含量取均值, 基于充分考虑现有冬闲田的情景下评估其资源和养分潜力, 各项参数值见表4[21-24,28],计算公式如下:

式中:为冬闲田面积潜力, hm2;为安徽省16市; AL为耕地面积, hm2; AS为秋播作物播种面积, hm2; 0.70为冬闲田可利用系数[29]; GF为绿肥资源量, 万t;为绿肥单产(鲜重), t∙hm-2; GN为绿肥养分资源量, 万t;为NPK养分;为NPK养分含量, g∙kg–1。

表4 安徽省主要绿肥作物养分含量(鲜基)[21-24,28]

表中所有作物的产量均为22.5 t∙hm–2。The yield of each crop in the table is 22.5 t∙hm–2.

1.3.4 饼肥及其养分资源

饼肥来自油料作物榨油后产生的饼粕, 安徽省主要油料为大豆、花生、油菜、芝麻和棉籽。饼肥及其养分资源以出饼率和饼粕养分的百分含量计算,相关参数值见表5。出油率和出饼率数据来自本课题组对安徽省油料加工厂调查结果, 各类饼粕养分含量来自文献[22]。公式如下:

式中: CF为饼肥资源量, 万t;为各类油料;为油籽产量, 万t;为出饼率, %; CN为饼肥养分资源量, 万t;为NPK养分;为NPK养分含量, g∙kg-1。

表5 安徽省主要油料出饼率及其养分含量

1.4 有机肥还田的有效养分量核算方法

有机肥中的氮磷钾养分只有当季释放出的无机部分才能供作物吸收利用, 因此有机肥还田的有效养分量=有机肥养分量×还田量比重(%)×当季养分释放率(%)。本文有机肥的当季养分释放率参考文献[19]中关于安徽省2010s秸秆和粪便还田率和当季氮磷钾养分释放率数据。

1.5 化肥消费量

安徽省2010—2016年农业化肥N、P2O5、K2O和复合肥的消费量数据来自《安徽省统计年鉴》, 复合肥的N、P2O5、K2O比例参照文献[16], 按照1∶1∶0.8计入单质肥, 得到安徽省各市平均化肥N、P2O5、K2O施用量。

1.6 农作物养分需求核算方法

根据单位产量农作物的N、P2O5、K2O养分需求(表6)和经济产量可估算农作物生产的N、P2O5、K2O养分的需求量, 本文根据安徽省农作物种植结构, 估算了安徽省主要18类农作物的N、P2O5、K2O养分的需求量。

2 结果与分析

2.1 有机肥资源潜力分析

将秸秆、绿肥、饼肥的P、K养分分别折算为P2O5和K2O的养分量, 得到安徽省4类有机肥N、P2O5、K2O养分资源构成及其在全省的分布情况(图1, 表7)。安徽省有机肥资源丰富, 2010—2016年有机肥年均可提供养分287.70万t, 提供的N、P2O5、K2O分别为104.49万t、39.60万t、143.61万t。牛新胜等[46]对近30多年来我国有机肥料资源与利用资料进行了统计概算, 指出目前我国有机肥资源总量大约57亿t, 可年均提供总养分约7 300万t, 其中N约3 000万t、P2O5约1 300万t以及K2O约3 000万t。安徽省有机肥养分总量约占全国的3.94%, N、P2O5、K2O分别占全国的3.57%、3.05%和4.79%。4类有机肥养分量依次为秸秆(151.61万t)、畜禽粪便(66.81万t)、绿肥(44.73万t)和饼肥(24.55万t)(图1), 占有机肥养分总量的52.70%、23.22%、15.55%和8.53%。可以看出, 秸秆和畜禽粪便是有机肥的主要来源, 二者可提供全省75.92%的有机肥养分; 秸秆中的N和K2O含量较高, 分别占全省的40.09%和63.87%, P2O5养分主要集中在秸秆和畜禽粪便中, 分别占全省的37.01%、24.04%。绿肥的N、P2O5、K2O可提供潜力约占全省的15.64%、20.78%和14.04%; 但由于劳动力迁移等原因, 冬闲田撂荒现象较普遍, 绿肥实际种植面积逐年减少, 2016年播种面积仅为53.17万hm2[47], 不足冬闲田可利用面积的40%, 因而绿肥的实际养分提供量低于本文的估算值, 但发展潜力较大。近年来, 受国际市场的冲击, 国内大豆、棉花、油菜市场竞争优势较弱, 安徽省3类油料作物播种面积显著减少, 饼肥资源量逐年下降, 饼肥N、P2O5、K2O养分约占其总量的13.19%、18.16%、2.49%, 主要用于畜禽养殖的饲料和茶叶等经济作物的肥料。

表6 安徽省主要作物单位产量养分需求量

图1 2010—2016年安徽省各类有机肥的年均养分构成

表7 2010—2016年安徽省各市年均有机肥养分资源

安徽省的地貌分区和行政分区不完全一致, 本文按一般习惯将安徽省划分为皖北(包括亳州、宿州、阜阳、淮北、蚌埠、淮南)、皖中(合肥、六安、滁州、安庆)和皖南(芜湖、马鞍山、铜陵、黄山、池州、宣城)3大区域。从区域分布来看, 安徽省有机肥主要集中在北部和中部地区, 其中北部地区有机肥养分为139.94万t, 约占全省的46.90%; N、P2O5、K2O分别为53.14万t, 17.06万t, 64.73万t, 分别占全省养分的50.86%、43.08%、45.07%。该地区主要为平原地形, 耕地面积大, 具有发展农牧业的优良自然资源。秸秆以小麦和玉米秸秆为主。粪便以猪、牛、羊粪便为主。中部地区其次, 有机肥总养分量102.94万t, 约占全省的35.78%, N、P2O5、K2O分别为34.72万t, 14.89万t和53.33万t, 占全省33.23%、37.59%和37.13%; 秸秆以小麦和水稻秸秆为主, 粪便以家禽、猪、牛粪便为主。南部地区有机肥养分量最少, 占全省的17.32%; N、P2O5和K2O分别占全省的15.91%、19.33%和17.79%, 以水稻秸秆和肉禽粪便为主。

2.2 化肥、有机肥与作物养分需求比较研究

2.2.1 作物养分需求量

安徽省18类作物2010—2016年平均养分需求量及其在16个市的分布情况如表8和表9所示。全省年均作物养分需求总量达274.98万t, N、P2O5、K2O需求量分别为108.00万t、40.69万t、126.29万t, 小麦、水稻、玉米和蔬菜是作物养分需求的主体, 占作物养分总需求量的78%。农作物种植面积和耕地资源的区域分布以皖北地区最大, 该地区农业发达, 养分需求量占全省的60%, 阜阳、亳州和宿州3个市的农作生产的养分需求量最大。皖中地区其次, 养分需求量占全省的30%, 滁州和合肥市的农作物养分需求量较大, 皖南地区仅占10%。

表8 2010—2016年安徽省主要作物年均经济产量养分需求量

表9 2010—2016年安徽省16市的作物年均养分需求量

2.2.2 有机肥、化肥与作物养分需求对比

将化肥消费量中复合肥的N、P2O5、K2O比例按1∶1∶0.8计入单质肥[16], 得到安徽省各市的化肥施用量。全省作物N、P2O5、K2O养分需求与有机肥养分、化肥养分资源量的比较如图2所示。总体来看, 安徽省有机肥氮磷钾养分与本省作物养分需求基本平衡, 二者相比, 有机肥N、P2O5、K2O资源占作物养分需求的比重分别为96.75%、97.32%和113.71%, 氮磷略有亏缺(N亏缺3.50万t, P2O5亏缺1.09万t)而钾略有盈余(盈余17.32万t)。从区域分布看, 皖北地区的淮南、蚌埠、淮北、阜阳、宿州、亳州6市有机肥氮磷钾资源均存在不同程度的亏缺(淮南市有机肥中的钾养分略有盈余除外), 其余10个市有机肥氮磷钾养分资源均有盈余(黄山市氮略有亏缺除外)。由此看出, 在有机肥养分全部还田且被作物吸收利用的情况下, 安徽省有机肥资源可基本满足作物养分需求, 但实际上有机肥养分当季利用率不高, 需要大量化肥补充(具体结果见2.3)。

2010—2016年安徽省16市的化肥施用量年均为332.64万t, N、P2O5和K2O分别为166.28万t、90.26万t和76.10万t, N∶P2O5∶K2O=1∶0.54∶0.45, 估算结果同已有报道的结果相似, 总体上安徽省磷施用比例偏高而钾偏低[48-50]。刘钦普[48]对安徽省化肥面源污染开展分析, 指出安徽省磷肥的环境污染风险严重, 氮肥的环境污染风险为中等, 钾肥污染风险为低级。在不考虑有机肥施用的情况下, 本文的研究表明, 与作物养分需求量相比, 安徽省2010—2016年年均化肥N、P2O5和K2O施用量分别是作物养分需求量的1.53倍、2.21倍和0.60倍, N和P2O5分别盈余58.29万t和49.57万t, K2O亏缺50.20万t。全省分别有6个市和10个市的化肥氮和磷养分消费量是需求量的2倍以上, 存在较高的环境污染风险, 16个市化肥钾施用量均低于作物对钾的需求量。从区域分布看, 全省氮磷肥施用量过多与钾肥施用不足的现象普遍, 皖中地区经济较为发达, 人口密集, 耕地资源相对紧张, 农民更倾向于增加施肥量来提高农作物单产以满足需求, 该地区氮、磷施用量超过了作物需求量的2倍, 皖南地区氮磷肥消费量是本市作物氮磷需求量的1.53~2.32倍和1.47~2.63倍, 这与该地区经济作物比重在全省最高(如茶叶等), 近年来经济作物的化肥消费总量增加有关。皖北平原地区作物养分需求和化肥消费总量均较大, 氮肥消费量是本地区养分需求比重的0.89~1.66倍, 磷肥施用为作物养分需求的1.71~2.49倍, 氮磷污染风险低于皖中和皖南地区, 主要原因为这一地区是粮食生产优势区, 机械化和管理措施较为先进, 肥料利用率相对较高, 也与近年来粮食作物经济效益较低、化肥施用量比重下降有关[51]。

图2 2010—2016年安徽省各市年均作物N、P2O5、K2O养分需求与有机肥、化肥养分资源量的比较

2.3 安徽省农田养分投入现状

安徽省2010s秸秆、粪便的还田率和当季氮磷钾养分释放率数据引自文献[19], 本文估算了安徽省2010—2016年农田有机肥养分的年均实际输入量。16市有机肥的当季利用率及农田有机肥、化肥的N、P2O5、K2O实际投入情况见图3。可以看出, 尽管安徽省有机肥养分资源丰富, 基本可以满足作物养分需求, 但由于利用率低, 需补充大量化肥养分。2010—2016年有机肥N、P2O5和K2O实际输入量年均为148.83万t、22.40万t和10.33万t, 仅占作物养分需求的20.74%、25.38%和63.61%。有机肥氮、磷养分当季利用率接近, 全省平均为21.44%(N)和19.91%(P2O5), 钾的利用率稍高, 达53.98%(K2O)。各市有机肥的当季利用率范围分别为: N 15.32%~ 26.00%、P2O514.35%~28.97%和K2O 44.13%~ 64.72%。仅皖北地区亳州、阜阳、淮南、蚌埠4市的有机肥氮磷钾当季利用率超过全省平均值。

从农田养分投入现状来看, 安徽省氮磷钾养分总投入量为445.70万t, 有机肥和化肥养分分别为113.06万t(占总养分比重25.37%)和332.64万t(占总养分比重74.63%), 80%以上的N、P2O5养分来自化肥, 有机肥N和P2O5养分占其全省总投入的11.87%和10.27%, K2O中来自有机肥与化肥的比重接近1∶1, 51.35%和48.75%的K2O分别来自有机肥和化肥。16个市的有机肥养分投入占总养分投入比重范围分别为N 6.52%~17.17%、P2O57.39%~15.60%、K2O 42.21%~63.62%。

图3 2010—2016年安徽省各市有机肥当季利用率及各市年均有机肥、化肥养分输入现状

安徽省农田有机肥、化肥的N、P2O5和K2O输入总量为188.68万t、100.59万t和156.44万t, 分别是作物养分需求量的1.75倍、2.47倍和1.24倍, 全省N、P2O5和K2O分别盈余80.69万t、59.90万t和30.14万t, 氮磷污染风险较高。有13个市的P2O5输入超过作物养分需求的2倍, 合肥、滁州和安庆3个市的P2O5输入超过作物养分需求的3倍, 磷污染风险最高。合肥、六安、安庆、芜湖、黄山、池州、宣城等7个市的N输入超过作物N养分需求的2倍, 上述地区氮污染风险较高。

2.4 化肥减施潜力研究

本文计算了安徽省16个市主要作物的肥料推荐施用量, 各种作物的单位播种面积推荐施肥量来自文献[19]。将农田养分实际输入(包括化肥和有机肥)与推荐施肥量进行对比, 得到了安徽省的化肥减施潜力(表10)。安徽省化肥的减施潜力为116.84万t,占化肥消费量的35.12%, K2O、N和P2O5的减施潜力依次为59.82万t、35.38万t和21.64万t, 分别占化肥消费量的78.61%、21.28%和23.97%, 全省平均单位耕地面积可减施化肥N 62.01 kg∙hm–2、P2O537.92 kg∙hm–2和K2O 104.85 kg∙hm–2。淮南、滁州、蚌埠和六安的N、P2O5、K2O减施量、减施比重均显著高于其他地区。节氮潜力较大地区有芜湖、淮北, 滁州的节磷潜力较大, 宿州、亳州、阜阳的钾肥减施潜力较大。相反, 皖南山区铜陵、黄山和池州的养分输入量低于推荐施肥量, 需要化肥补充, 如池州市的磷养分供应不足, 铜陵市需要补充化肥氮和磷, 而黄山市氮磷钾肥均存在不同程度的缺口。减施后, 有机肥的N、P2O5和K2O投入占养分总投入的比重可提高至14.61%、13.08%和83.15%, 分别提高2.47%、2.81%和31.80%。由此看出, 在兼顾产量和生态环境的前提下, 尽管可以减施约35%的化肥用量, 但化肥在农业氮、磷养分供给中依然占据非常重要的地位。

3 讨论

3.1 有机肥养分资源潜力

目前针对安徽省有机肥养分资源潜力的评估报道较少。据安徽省农业有关部门统计, 全省有机肥资源总量约为1.30亿t, 其中绿肥415.76万t, 畜禽粪便10 729万t, 人粪尿1 902.21万t, 但未见各市有机肥资源及其养分资源的公开数据[44]。刘晓燕等[9]研究了2005年我国各省的有机肥资源潜力, 其中安徽省有机肥养分总量为160万~240万t, N、P2O5和K2O分别为84万~112.5万t、30万~50万t和60万~80万t。本文采用了有机肥资源通用的评估方法, 全面评估了安徽省16个市的有机肥及其养分的资源潜力。评估过程中各项参数受作物/畜禽品种、种植/饲养习惯、地域、气候等因素的不同而存在差异, 本文未考虑同种作物或畜禽由于上述因素导致的差异, 评估结果与安徽省实际有机肥资源量存在误差不可避免, 但在参数选取方面优选适用于安徽省的有机肥资源评估参数, 降低了评估误差。绿肥资源是在充分考虑现有冬闲田的情景下对其资源潜力的评估, 目前利用冬闲田种植绿肥面积非常少, 2016年绿肥种植面积不到冬闲田可利用面积的40%, 因而安徽省实际绿肥资源量可能被高估。饼肥主要用于养殖业的饲料来源, 仅少部分作肥料使用。基于此, 目前有机肥资源的利用主体为秸秆和畜禽粪便。安徽省2010—2016年有机肥养分潜力年均为287.70万t, N、P2O5和K2O分别为104.49万t、39.60万t和143.62万t, N和P2O5资源的评估结果与刘晓燕等[9]的研究接近, 但K2O资源潜力略高, 主要原因是前者统计的有机肥资源为人畜粪便和秸秆, 本文中的有机肥为秸秆、畜禽粪便(未包含人粪便)、绿肥和饼肥, 另外评估年份和各项评估系数的选取不同也是导致评估结果存在差异的主要原因。

表10 安徽省各市的化肥减施潜力

3.2 有机肥的利用

1980—2016年, 我国畜禽养殖业经历了产业结构调整, 不断朝着规模化、现代化方向发展, 农作物产量也获得了显著的提高, 有机肥资源、氮磷钾养分量和养分的还田总量均呈增加趋势。刘晓永[19]的研究表明, 与1980年相比, 2016年全国畜禽粪尿总量增加85.78%, 畜禽粪尿养分总量增长98.03%, 氮磷钾养分还田总量增长42.80%; 秸秆资源量、秸秆氮磷钾量及其还田量分别增长143.93%、167.47%和298.34%。刘晓燕等[9]指出, 2005年, 全国人畜禽排泄物和秸秆的N、P2O5和K2O养分量为2 824.52万t、1 282.93万t和2 947.99万t, 分别为化肥投入量的1.08倍、0.86倍和4.56倍。李书田等[16]的研究表明, 2008年我国有机肥资源每年可提供氮磷钾养分共计7 405.7万t, 其中N 3 050.8万t、P2O51 403.5万t、K2O 2 951.1万t, 约为当年化肥消费量的1.41倍。另外, 李书田等[18]还评估了2015年我国人畜粪便和秸秆养分资源潜力, N、P2O5和K2O分别是作物需求量的85.42%、71.15%、129.79%, 是当年化肥施用量的1.07倍、0.74倍和1.18倍。本文中, 安徽省有机肥N、P2O5和K2O分别是作物养分需求的96.75%、97.32%和113.71%。可见, 如果单纯从养分量计算, 有机肥料产生的养分基本能够平衡农田养分支出, 特别是粪尿肥和秸秆还田对缓解磷、钾肥不足有重要意义, 但是有机肥资源在收集、运输、处理、加工和利用的过程中会伴随养分损失, 因而有机肥的还田率和氮磷钾养分的当季释放率是评估有机肥资源利用效率的重要参数指标。

1980s—2010s我国畜禽粪便和秸秆的还田率发生了变化, 畜禽粪便的资源量增长迅速, 但种植业和养殖业分离的现状直接导致了畜禽粪便还田率的下降, 畜禽粪尿氮磷钾养分还田率由44.88%(1980s)降至38.61%(2010s)。近年来, 随着秸秆在农村能源消费比重下降以及在国家鼓励秸秆还田的政策引导下, 秸秆的氮磷钾还田率显著增加, 由47.92%(1980s)增长至71.27% (2010s)[19]。有机肥中氮磷钾养分在自然条件下释放缓慢, 当季转化利用率低, 养分有效性显著低于化肥, 尤其氮磷养分。我国主要作物秸秆的N、P2O5和K2O当季释放率平均为51.61%、66.5%和85.82%, 畜禽粪便的N、P2O5和K2O养分当季释放率因畜禽种类不同差异较大, 平均释放率范围分别为25.5%~48.3%、22.0%~58.0%和65.8%~ 82.2%[19]。由于有机肥还田率和养分当季释放率低, 尤其是畜禽粪便, 有机肥在我国农业肥料养分投入中的比重较低。鲁如坤[52]指出2000年我国有机肥N、P2O5和K2O占农田施用的化肥与有机肥的比例分别为20.9%、23.7%和57.4%。据《2004年中国环境状况公报》, 2003年全国有机肥施用量仅占肥料施用总量的25%[53]。另据研究指出, 2005年, 我国实际用于农业的有机肥料养分量仅占养分资源总量的约34%, 占农田养分投入量约30%[54]。李书田等[16]的研究表明, 2008年我国通过有机肥投入的N、P2O5和K2O分别占化肥和有机肥投入总量的29.5%、28.6%和58.9%, 并指出2008年有机肥所占比例有所增加的主要原因与规模化畜禽养殖的发展、重视有机肥的施用和作物秸秆还田比例增加有关。杨兴明等[55]分析了我国1950—2005年有机肥养分和无机化肥养分的投入变化情况后指出, 1950年以来, 我国传统有机肥养分占有机肥和化肥总养分的比重迅速下降, 由90%以上下降至2005年的10%左右, 而化肥的施用比重则由不到10%增加至2005年的90%以上, 1980年, 有机肥和化肥的施用比重均接近50%。大田作物中有机肥施用量更低。据赵荣芳等[56]文献分析, 2009年华北平原小麦-玉米轮作农家肥氮素输入仅占氮素总输入的10%。本研究表明安徽省2010—2016年间有机肥养分投入占全省农田养分总投入量的25.37%, N、P2O5和K2O分别为11.87%、10.27%和51.35%, 80%以上的氮磷和约50%左右的钾养分来自化肥投入。当前, 大部分秸秆(还田率70%以上)已通过直接还田和燃烧还田的方式返还农田, 但直接还田养分利用率低, 而燃烧还田氮养分基本损失殆尽, 因而氮磷养分当季释放率低和燃烧损失是秸秆氮磷养分利用率低的主要原因。研究表明, 通过改变埋入深度, 调节碳氮比, 添加腐熟剂, 对秸秆进行酸化、微波或氨化等处理, 均可以不同程度地提高秸秆养分释放率[57-58]。畜禽粪便类有机肥在储存运输过程中养分容易流失, 且施入农田后养分当年释放率普遍低于秸秆, 另外, 种养分离、畜禽粪便产生的连续性和作物需肥存在季节性, 均导致了粪便类有机肥的实际利用率低于秸秆[4]。此外, 畜禽粪便中的抗生素、病原菌、重金属、有机污染物问题也限制了其在农田中的施用。

以上研究结果表明安徽省的有机肥资源潜力巨大, 种养分离和有机肥的养分当季释放率低是当前有机肥利用率低的主要原因。农业部2015年《到2020年化肥使用零增长行动方案》的目标是到2020年, 主要农作物化肥施用量实现零增长, 这意味着未来化肥消费量增长势头将放缓甚至下降, 未来我国将大幅增加有机肥在农业生产中的施用, 但是有机肥需克服上述制约因素才能实现养分高效利用。

3.3 安徽省化肥减施潜力

关于有机肥对化肥的替代潜力的研究国内已有相关报道, 但多未考虑有机肥的施用现状, 而是把有机肥的资源潜力全部计为替代化肥的资源潜力来估算[17], 这样做一方面忽略了已经施用的有机肥养分, 另一方面未考虑有机肥的当季养分利用率, 因而化肥的减施潜力被高估。农田养分实际投入包括有机肥和化肥, 因此化肥减施应考虑有机肥的投入现状, 根据作物的推荐施肥量扣除有机肥的投入量即得到化肥的推荐施用量, 将化肥实际消费量与之比较即得到化肥的减施量。路国彬等[17]计算了2014年我国畜禽粪肥N、P2O5和K2O养分可分别替代实际化肥施用量的38.30%、52.00%和86.77%。本文估算了安徽省的化肥减施量为116.84万t, 占化肥消费量的35.12%, N、P2O5和K2O的减施潜力大小依次为35.38万t、21.64万t和59.82万t, 占其化肥消费量的21.28%、23.97%和78.61%。值得说明的是这个结果未考虑有机肥养分利用率提高的可能影响, 2010—2016年安徽省年均有机肥养分还田总量为113.06万t, 仅占有机肥总养分的37.05%, N、P2O5和K2O当季利用率仅分别为21.44%、19.91%和53.98%, 约80%的氮磷和50%的钾未被利用, 在国家鼓励有机肥施用的政策引导下和随着农业科技的发展, 未来有机肥的还田量和养分释放率均会有不同程度的提高。此外, 安徽省是发展绿肥优势区, 年均发展潜力约3 267.51万t, 含N、P2O5和K2O养分16.34万t、8.23万t和20.16万t, 但目前约60%绿肥资源未被开发。因而, 通过提高有机肥还田率和养分释放率, 同时发挥绿肥等其他有机肥资源潜力, 安徽省化肥施用有进一步降低的潜力。

3.4 安徽省有机肥存在的问题及解决途径

安徽省耕地以中、低产田为主, 土壤环境亟待改善, 有机-无机养分在最优配比范围内有利于培肥地力、提高化肥利用率和农产品品质。但有机肥的大量施用也会造成地下水硝酸盐污染, 张维理等[59]的调查研究表明, 即使不施化学氮肥而仅施用有机肥, 也会引起地下水硝酸盐含量升高; 同延安等[60]的有机肥对土壤硝态氮累积影响试验表明, 过量施用有机肥会引起2 m以下深层土壤硝态氮过量累积, 对地下水的潜在威胁不容忽视。目前, 我国有机肥在果、菜、茶种植的施用量远远高于大田作物, 且部分地区施用过量现象较为严重, 因而对不同作物的有机肥的合理和安全施用还应进一步开展深入、系统的研究。

作为国家实施中部崛起战略重点建设的粮食主产区之一, 安徽省承担着到2020年增产粮食1 100万t的任务[61], 约是本省粮食总产量的1/3, 因而有机肥资源的未来潜力较大。但粮食生产和畜禽养殖受限于耕地、养分供应、环境负荷以及气候和经济等因素; 同时, 畜牧业的快速发展消耗约40%的粮食, 这个趋势随着人民生活水平的提高还将继续[4], 安徽省耕地质量整体不高, 在粮食增产和畜牧业养殖方面面临巨大的挑战。如何合理充分利用有机肥、高效施用化肥、改善和提高土壤质量, 事关资源、环境与农牧业的可持续发展。当前安徽省有机肥资源丰富, 养分实际利用率低, 亟需根据有机肥资源、土壤养分供应能力和农作物的养分需求现状, 积极探索不同土壤条件下主要有机肥资源快速降解途径, 提高有机肥的养分利用率; 同时, 充分利用自然条件优势, 大力发展冬季绿肥等有机肥资源, 以满足绿色高产高效的农业发展需求。

4 结论

1)安徽省2010—2016年有机肥年均可提供养分287.70万t, 提供的氮(N)、磷(P2O5)、钾(K2O)分别为104.49万t、39.60万t、143.61万t。秸秆和畜禽粪便是有机肥的主要来源, 可提供全省75.92%的有机肥养分, 绿肥的资源潜力不可忽视, 但目前的发展不足40%。安徽省有机肥养分当季利用率低, 氮磷养分当季利用率仅为21.44%(N)和19.91%(P2O5), 钾养分当季利用率稍高, 达53.98%(K2O)。有机肥N、P2O5和K2O实际还田量仅占作物养分需求的20.74%、25.38%和63.61%(K2O)。

2)安徽省有机肥氮磷钾养分与本省作物养分需求基本平衡, 而化肥氮、磷施用量过多与钾肥施用不足的现象比较普遍。有机肥N、P2O5和K2O占作物养分需求的比重分别为96.75%、97.32%和113.71%, 氮、磷略有亏缺, 而钾略有盈余。有6个市的有机肥氮、磷、钾均存在不同程度的亏缺(淮南市有机肥中的钾养分略有盈余除外), 其余10个市有机肥氮、磷、钾养分均有盈余(黄山市氮略有亏缺除外)。化肥中氮、磷、钾肥施用量分别是作物养分需求量的1.53倍、2.21倍和0.60倍, 分别有6个市和10个市的化肥氮和磷养分消费量是需求量的2倍以上, 存在较高的环境污染风险, 16个市钾肥施用量均低于作物对钾的需求量。

3)安徽省农田养分总投入量为445.70万t, 有机肥和化肥养分分别占总养分比重的25.37%和74.63%, 有机肥N、P2O5和K2O养分占其全省的11.87%、10.27%和51.35%。总养分中的N、P2O5和K2O投入量分别为188.68万t、100.59万t和156.44万t, 是作物养分需求量的1.75倍、2.47倍和1.24倍, 盈余分别为80.69万t、59.90万t和30.14万t, 分别有13个和7个市的P2O5、N输入超过作物养分需求的2倍, 氮磷污染风险较高。

4)安徽省化肥的减施潜力为116.84万t, 占化肥消费量的35.12%, 减施潜力大小依次为N 35.38万t、P2O521.64万t和K2O 59.82万t, 分别占化肥消费量的21.28%(N)、23.97%(P2O5)和78.61%(K2O)。优化调整后, 有机肥的N、P2O5和K2O投入占养分总投入的比重可提高至14.61%、13.08%和83.15%, 但化肥在农业氮磷养分供给中依然占据非常重要的地位。当前安徽省畜禽粪便和秸秆养分的综合利用率为37.05%, 绿肥资源的发展不足40%, 因此未来通过提高有机肥(尤其畜禽粪便)还田率和养分释放率, 同时发挥绿肥等其他有机肥资源潜力, 可进一步降低安徽省的化肥消费量。

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Study on the input and demand of crop nutrients and the potential of fertilizer reduction in Anhui Province*

GENG Wei, YUAN Manman, WU Gang, WANG Jiabao, SUN Yixiang**

(Soil and Fertilizer Institute, Anhui Academy of Agricultural Sciences, Hefei 230031, China)

The use of organic-inorganic integrated farmland nutrient management model is an effective approach to develop sustainable agriculture in China. As nutrient demand and supply in agricultural production in various regions are undefined, it is crucial to study the relationships among organic fertilizer nutrient resources, fertilizer nutrient input, and crop nutrient demand to promote the rational distribution and application of nutrient resources. By using previously published methods and statistical analysis, here, we evaluated the nutrient composition of organic fertilizers (including straw, manure, green manure, and cake fertilizer). We aimed to clarify the current situation of organic and inorganic nutrient inputs for agricultural production in 16 cities in Anhui Province from 2010 to 2016, and evaluate differences and relationships among organic and inorganic nutrients and crop nutrient demand according to the local structure of agricultural planting. Finally, we explored the potential for fertilizer reduction in Anhui Province. The annual average amount of organic fertilizer in Anhui Province from 2010 to 2016 was 2.877 million tons, and that of N, P2O5, and K2O was 1.044 9, 0.396 0, and 1.436 1 million tons, respectively, which could meet the nutrient demand for crops. However, the utilization rate of N, P2O5, and K2O in organic fertilizer in the current season was as low as 21.44%, 19.91%, and 52.61%, respectively. Therefore, the actual return amount of organic fertilizer only accounted for 20.74% (N), 25.38% (P2O5), and 63.61% (K2O) of the crop nutrient demand, and only 11.87% (N), 10.27% (P2O5), and 51.35% (K2O) of the total nutrient input of farmland. The actual nutrient input (including organic fertilizer and chemical fertilizer) in the province was 1.75 (N), 2.47 (P2O5), and 1.24 (K2O) times of the crop nutrient demand. The application of N in seven cities and the application of P2O5in 13 cities were more than two times of the crop demand; there was a high risk of environmental pollution in these cities. By controlling the nutrient input, the reduction potential of fertilizer in Anhui Province was 35.12%, and that of N, P2O5, and K2O was 21.28%, 23.97%, and 78.61%, respectively. By improving the utilization rate of organic fertilizer and developing winter green fertilizer, Anhui Province can achieve the maximum reduction in fertilizer application. This study provides reference data for zero growth of fertilizer and green sustainable development of agriculture and animal husbandry in Anhui Province.

Organic fertilizer; Chemical fertilizer; Nitrogen, phosphorus, potassium; Nutrient demand for crop; Fertilizer utilization rate in the current season; Fertilizer reduction; Anhui Province

S141

10.13930/j.cnki.cjea.190537

* 国家重点研发计划项目(2016YFD0200806)和安徽省农业科学院科技创新团队项目(2019YL043)资助

孙义祥, 主要从事植物营养与高效施肥研究。E-mail: sunyixiang@126.com

耿维, 主要从事农业资源利用、植物营养与高效施肥研究。E-mail: dreamingtree@126.com

2019-07-17

2019-10-09

* This study was supported by the National Key Research and Development Project of China (2016YFD0200806) and the Scientific and Technological Innovation Team of Anhui Academy of Agricultural Sciences (2019YL043).

, E-mail: sunyixiang@126.com

Oct. 9, 2019

Jul. 17, 2019;

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