基于GIS的贵州省农田化肥施用特征时空分布研究*

任荣仪，贺中华

(贵州师范大学地理与环境科学学院，贵州 贵阳 550000)

0 引言

中国是农业大国，也是化肥施用大国[1]。从1970年末，中国重视化肥工业的发展，大力推广农业化肥的施用[2]，化肥的施用强度不断增大。贵州省1999年化肥施用总量为67.7万t，2018年化肥施用总量89.5万t，20年间化肥施用增加了21.8万t，增长幅度为32.2%。粮食作物播种面积从1999年的3.13×106hm2减少到2018年的2.74×106hm2；减少幅度为12.62%。粮食产量由1999年的3588.16 kg/hm2增加到2018年的3867.22 kg/hm2，增长幅度为7.78%。由此可推断化肥的施用提升了单位面积的粮食产量，一定程度上保证了粮食充足[3-4]，但过度施用化肥也日趋严重。2015年，贵州省的化肥施用强度为319.40 kg/hm2，已超过国际化肥安全施用量(225 kg/hm2)的上限[5]。化肥过量施用不但影响农产品的品质质量[6-7]，还引起土壤[8-9]、水体[10-11]和大气[12]等污染问题产生，这引起学者们广泛关注。目前，针对中国化肥的施用时空变化、驱动因子、变化格局等进行了研究[13-14]，学者们对淮河流域[15]、江汉平原[16]、山东省[17]、江苏省[18-19]、江西省[20]等区域化肥施用情况及驱动因子进行了研究，分析人们对化肥施用过量对环境造成污染的认知和规避能力，而针对喀斯特地区化肥施用现状以及过量施用化肥对环境产生的影响的研究相对较少。贵州属于典型喀斯特环境，素有“八山一水一分田”之称，区域内地表破碎、山石裸露，土壤层浅薄且成土周期长，山高坡陡，生态环境脆弱[23]，农作物出产率相对较低，为增加农作物产量，不可避免使用化肥。研究贵州省化肥施用强度的空间分布，以期为喀斯特地区化肥合理施用和环境保护提供参考。

1 研究区域概况与研究方法

1.1 研究区域概况

贵州省介于24°37′～29°13′N，103°36′～109°35′E。其碳酸盐岩石分布广，外加雨热同期的气候条件，喀斯特发育强烈、范围广、类型丰富，其面积占全省面积的73%[21-23]；该地区成土速度慢、土层薄，并且地处第二阶梯与第三阶梯过渡带，地形起伏大，导致坡耕地占比大[24]，该类土地有保肥保湿保土能力差、生产力弱、产量低等特点。为保证粮食的供给，化肥施用量强度大。

图1 研究区位置图

1.2 数据来源

贵州省及各地级市的化肥施用量和耕地面积均来源于《中国统计年鉴》和《贵州省统计年鉴》。复合肥氮磷钾含量数据按照1∶1∶1型三元相等比例折算[25-26]；化肥施用强度安全阈值数据来源于中华人民共和国环境保护部2007年发布的《生态县、生态市、生态省建设指标(修订稿)》。对于一些无法直接通过统计年鉴获取的耕地数据用已获取的最近年份数据代替。

1.3 研究方法

化肥施用强度是指本年内单位面积耕地实际用于农业生产的化肥数量。化肥施用量要求按折纯量计算。折纯量是指将氮肥、磷肥、钾肥分别按含氮、含五氧化二磷、含氧化钾的百分之百成分进行折算后的数量。复合肥按其所含主要成分折算。计算公式为：

(1)

其中，N是指化肥施用量，单位为千克(kg)；A是指耕地面积，单位为公顷(hm2)；F是指化肥施用强度，单位为千克每公顷(kg/hm2)。

根据公式(1)，计算贵州省及各地级市的化肥施用强度，参考刘钦普等人[17-18]的分级方法，结合贵州省化肥施用强度情况，按照环境安全阈值倍数分为4个等级，即：低度施用强度、中度施用强度、重度施用强度、高度施用强度(表1)。

表1 化肥使用强度分级

2 结果与分析

2.1 化肥施用强度空间分布

2.1.1 总肥施用强度空间分布

由表2可得，化肥施用强度最大的贵阳市为500.139 kg/hm2，是施用强度最小的黔东南州(225.487 kg/hm2)的2.218倍，极值比为1.218，由此能够分析出各地州市之间化肥施用强度差异悬殊不大；贵州省化肥使用强度平均为319.401 kg/hm2，是欧洲部分发达国家化肥使用安全上限225 kg/hm2的1.42倍[27]，是我国2018年环境生态县建设中化肥使用强度标准指标250 kg/hm2的1.28倍。可见贵州省化肥量可以有大幅度减少的空间。

表2 2018年贵州省各地级市化肥使用强度

图2呈现了贵州省2018年的化肥施用强度空间分布。从图中可以看出我省化肥施用强度空间上呈现出中部地区高四周低的分布特征，其中东南部地区化肥施用强度呈现低度施用强度；东北部、北部、西北部和西南部地区主要呈现中度施用强度，南部和西部地区呈现重度施用强度，中部地区呈现高度施用强度。

图2 2018年贵州省总化肥使用强度分布图

2.1.2 氮肥施用强度空间分布

根据表2分析出氮肥施用强度最大的贵阳市为266.845 kg/hm2，是最小的黔东南(111.143 kg/hm2)的2.401倍，极值比为1.401。高度施用强度等级分布在贵阳市(266.845 kg/hm2)、安顺市(228.590 kg/hm2)、盘州(225.448 kg/hm2)和黔南州(193.913 kg/hm2)，分别是贵州省化肥平均施用强度的1.485倍、1.272倍、1.255倍和1.079倍，是环境安全阈值125 kg/hm2的2.135倍、1.829倍、1.804倍和1.551倍[18]。参考20世纪后期西欧国家对氮肥的控制：施用总量约下降了30%。其中德国氮肥用量由180 kg/hm2下降到110 kg/hm2，法国由148 kg/hm2下降到125 kg/hm2，荷兰由600 kg/hm2下降到330 kg/hm2[28]，由此可见，贵州省各地区之间氮肥施用强度出现了差异，其施用量有很大的下降空间。

图3展示了贵州省2018年氮肥施用强度空间分布情况，可以看出：贵州省东南部为化肥低度施用强度；北部和东北部为中度施用强度；西北部和西南部是化肥中度施用强度的集中分布区域；中部地区是高强度施用强度主要分布地区。

图3 2018年贵州省氮肥使用强度分布图

2.1.3 磷肥使用强度空间分布

由表2可知，施用强度最大的安顺市(116.896 kg/hm2)和贵阳市(102.025 kg/hm2)，分别是最小的黔西南州(54.140kg/hm2)的2.159倍和1.884倍，分别是省平均(72.857 kg/hm2)的1.604倍和1.4倍，是环境安全阈值62.5 kg/hm2的1.87倍和1.632倍；省平均是环境安全阈值的1.166倍，使用强度超过世界部分发达国家。我省可以借鉴20世纪后期，西欧国家对磷肥的控制措施：磷肥使用量约下降了50%。其中德国磷肥用量由94 kg/hm2下降到30 kg/hm2，法国由83 kg/hm2下降到43 kg/hm2，荷兰由100 kg/hm2下降到60 kg/hm2[28]，进一步降低我省的磷肥施用强度。由图4可知，我省北部、西北部、西部和西南部的化肥施用等级为低度施用强度；东北部、东部东南部和南部为中度施用强度，中部地区仍然是高度施用强度。

图4 2018年贵州省磷肥使用强度分布图

2.1.4 钾肥使用强度空间分布

贵阳市和安顺市化肥施用强度分别为131.269 kg/hm2和83.903 kg/hm2，分别是钾肥安全阈值(62.5 kg/hm2)的2.1倍和1.342倍，是省平均施用强度(66.869 kg/hm2)的1.963倍和1.255倍，是最低化肥施用强度黔西南州(48.588 kg/hm2)的2.702倍和1.727倍。省平均施用强度与环境安全施用阈值差异较小(4.369 kg/hm2)，极值比为1.702，说明强度偏高的地区与强度偏低的地区存在很大的差异性(表2)。由图5可知，我省钾肥大部分地区施用强度等级均为低度施用强度，仅安顺市为重度施用强度，贵阳市为高度施用强度。

图5 贵州省2018年钾肥使用强度分布图

2.1.5 氮磷钾比例空间分布

由表2可知，贵州省的化肥营养比例结构为1∶0.35∶0.31，与当前世界平均比例1∶0.46∶0.36、发达国家1∶0.5∶0.5、我国1∶0.49∶0.42相比较[9]，贵州省氮肥比例偏大，占总养分的56.62%，磷肥和钾肥比重偏低，分别占22.81%和20.94%。盘州的氮肥比例高达66.85%，磷钾肥仅占17.92%和15.22%；遵义市、铜仁市和黔东南州化肥使用结构比较合理，基本接近1∶0.5∶0.5。可以分析得出全省氮磷钾比例不完全合理，各地州市之间差异不特别明显，我省化肥施用的养分结构的均衡性和合理性仍然不足。

2.2 化肥施用量时间变化

根据图6可以分析出各类化肥从1999—2018年的变化情况，在研究期间化肥施用量均呈现增长趋势，化肥总施用量于2015年达最大值，为103.7万t，2016年与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年施用量为89.5万t，只有在2001年、2004年、2010年、2013年和2017年有较小幅度的下降。氮肥施用量具有比较大的基础数据而且几十年来没有特别大的变化，在2015达到最大值(52.8万t)，比1999年增加了28.16%。磷肥施用量折线变化波动不明显，从21世纪初的11.4万t增长到2018年的29.8万t，增长量为18.4万t，最大施用量为12.3万t(2015年)，比1999年的施用量增加了21.78%。钾肥增长量不大，从1999年的4.6万t增长到2018年的8.9万t，增长量为4.3万t，最大施用量出现在2016年(10.1万t)，增长量为5.5万t，增长幅度高达119.57%。复合肥营养元素组成的多样性和灵活性是复合肥的显在优势：单次给作物施加肥料，农作物可以同时吸收到多种生长必需元素；这样的优势为复合肥的大量使用提供了可能。从图表可以看得出，只有在2001年复合肥的使用量有很小程度的下降，此后的年份里，复合肥的用量不断增加，于 2016年已经突破了30万t，达到20年化肥施用量的峰值，相比较1999年增长了166.7%。磷肥是使用量且增量最少的化肥类型。

*数据来源于中国国家统计局。

3 讨论

化肥施用强度受到自然和人为因素的共同影响。喀斯特地区土层薄且土壤肥力差，除黔东南地区是非喀斯特地貌，其余地区均属于喀斯特地貌，研究发现黔东南州的化肥施用强度是全省最低的，这与其非喀斯特地貌有关，非喀斯特地区，土壤成土周期短，土层厚度大，其保水保肥能力强，农作物长势好，人工施肥的需求量较低[29-33]；喀斯特地区坡耕地居多，根据第二次土地调查结果显示贵州省有90%以上的耕地属于坡耕地。

由图7可知，贵州省的粮食作物的播种面积在1999年为3135.87千公顷，2018年为2740.2千公顷，20年间整体以4.34千公顷/a的速率减少；而粮食产量在1999年为1125.2万t，于2016年达多年最大值1264.25万t，随后呈现一定程度下降，但在20年间整体以3.46万t/a的速率增加；此期间，根据统计可知，截止2018年，贵州省的城镇化率为47.5%，而在2001年城镇化率仅为23.95%，在近20年间，城镇化率翻了一番。城市扩张，在一定程度上减少了可利用耕地，人口逐渐增加，耕地面积减少，人地关系进一步紧张，而化肥是增加粮食产量最快且成本最小的选择，为了保证基本的粮食需求，化肥施用强度不断增大。

图7 贵州省粮食作物播种面积及粮食产量(1999—2018年)

4 结论

1)20年间，研究发现贵州省总化肥施用强度空间上呈现出中部地区高四周低，其中低度施用强度主要在我省东南部地区，高度施用强度集中分布在中部地区；氮肥低度施用强度集中在东南部，高强度施用强度分布在中部地区；磷肥低度施用强度分布在北部、西北部、西部和西南部，高强度施用强度分布在中部地区；钾肥低度施用强度分布在我省大部分地区，高度施用强度仍然集中在中部地区。全省的化肥营养比例结构为1∶0.35∶0.31，氮肥比例偏大，磷肥和钾肥比重偏低，养分结构的均衡性和合理性仍然不足；遵义市、铜仁市和黔东南州基本接近1∶0.5∶0.5，营养结构相对合理。

2)贵州省各类化肥施用均呈现增加趋势但变化幅度有差异性，总肥由1999年的67.7万t增长到2018年的89.5万t，增长幅度为32.2%；于2015年施用量达最大值(103.7万t)，最大增加幅度为53.18%；氮肥在2015年施用量最大值52.8万t，比1999年增加了28.16%；磷肥施用量折线波动不明显，20年间化肥施用增量为18.4万t，总体呈现增加趋势，最大增加幅度为21.78%；钾肥施用量从1999的4.6万t增长到2018年的8.9万t，增长量为4.3万t；最大施用量出现在2016年(10.1万t)，增加幅度为119.57%；复合肥的施用量20年间呈现增加趋势，在单质化肥中增长最快，最大施用量为20万t(2016年)，比1999年增长了166.67%。

3)化肥的施用强度受到地区的自然环境影响较大，坡耕地面积占比高，研究期间城市化率不断增加，粮食播种面积不断减少而人口不断增加，人地关系进一步紧张，为了保证基本的粮食需求，化肥施用强度不断增大。