通辽市化肥施用强度及环境安全阈值时空变异

侯迷红，纪凤辉，范 富，宋桂云，马玉露，邰继承，张庆国

（1.内蒙古民族大学 农学院，内蒙古 通辽 028043；2.通辽市农牧局，内蒙古 通辽 028000）

化肥是粮食的“食物”.20世纪80年代开始，我国粮食产量连年增长，到21世纪已经达到6 000亿kg，近几年保持在6 500亿kg以上，化肥功不可没.1979年至2019年40年间，我国化肥用量由1 086万t增加到5 404万t［1］.化肥的施用对农业的增产贡献很大，但是随着化肥施用量和施用强度的逐年增加，造成了农业面源污染、生态环境恶化.施肥不当引起的土壤退化、耕地地力下降、水体污染、大气污染等问题在粮食主产区更为突出，成为农业可持续发展的制约因素.近年，专家学者关于化肥施用强度的研究主要集中在3个方面：一是化肥施用强度在不同地区、不同作物及不同年份的变化特征［2-6］及其污染风险评价［7-11］.主要依据田间调查数据或宏观统计数据对化肥施用强度进行计算与评价，结果表明，中国化肥施用强度远远高于国际标准.二是化肥施用强度不断增长的原因、因素分析，主要依据微观调查数据，分析政策、制度、经济、人口、技术等内部、外部因素分析要素投入配比对粮食产量的影响［12］.三是预测今后农业污染的发展趋势，提出减少化肥施用强度的政策建议［13-22］，包括各种经济措施以及相应的政策法规、制度和补贴等.关于环境安全阈值的研究主要根据化肥用量和养分流失的关系，计算不同地区不同作物氮肥、磷肥的环境安全阈值，提出适宜的氮、磷肥施用量［23-29］.

2019年，内蒙古通辽市粮食总产达到84.85亿kg，实现了“十八连增”.但随着粮食产量的不断增加，化肥的用量也迅猛增长.据统计，2004年内蒙古通辽市化肥施用量（折纯）为23.50万t（同年耕地面积为91.44万hm2），到2019年通辽市化肥施用量（折纯）达到61.88万t（同年耕地面积为147.67万hm2）［30］.15年间，化肥施用总量增长了163.31%，公顷均施用量增长了63.08%，而作为通辽市主栽作物玉米的平均公顷产量由2004年的6 936 kg增长到2019年的7 346 kg，仅提高了5.85%.化肥施用量大，利用率却很低，据测算，通辽市化肥利用率仅为30%～35%，大量未被利用的化肥（氮、磷等营养元素）残留土体或通过农田排水、地表径流或地下淋溶等途径造成水体污染、土地污染和大气污染，给粮食可持续增产、食品安全带来了严重危害.不合理施肥和过量施肥造成的化肥面源污染是通辽市粮食产量“十八连增”所面临无法回避的现实.协调好减排增汇与粮食供给之间的关系，任重而道远.因此，笔者拟通过耕地化肥污染指标监测，分析西辽河灌区内蒙古通辽市化肥施用量、化肥施用强度和化肥施用环境安全阈值的时空变异，摸清化肥污染现状和发展变化趋势，为进一步控制本地区化肥施用提供实践指导及理论参考.

1 材料和方法

1.1 研究区概况 通辽市位处内蒙古东部，土地总面积59 535 km2，属温带大陆性气候，大部分地区无霜期为130 d，年降雨量350～450 mm，主要作物为玉米，种植制度为一年一熟.通辽市地处西辽河平原腹地，属西辽河平原灌区，为国家和自治区主要的商品粮生产基地，素有“内蒙古粮仓”的美誉［31］.

1.2 数据来源 数据来源包括2000—2019年《通辽市统计年鉴》、通辽市耕地资源管理信息系统数据库、通辽市耕地质量长期定位监测点数据、2020年的《第二次全国污染源普查公报》等.调查数据包括测土配方施肥农户调查表及有关专题调研数据.化肥使用强度标准数据来自于国家环境保护总局2007年印发的《生态县、生态市、生态省建设指标（修订稿）》［32］.

1.3 化肥施用环境安全阈值的计算方法 化肥施用环境安全阈值指为获得某一季作物的目标产量但不危害环境时某种化肥的最大施用量（kg·hm-2）.刘钦普［33］提出总化肥和氮、磷、钾单质化肥施用的环境安全阈值（environmental safety threshold，ET）测度模型为

公式中ET、ETN、ETP、ETK分别指总化肥、氮肥、磷肥和钾肥施用环境安全阈值（kg·hm-2），Yi指某地区近n年中第i年的粮食产量（kg·hm-2），取值3；A指作物需氮系数0.03（单位产量作物需氮量）；ρ指化肥施用环境安全调节系数（小于1），用来调节化肥施用环境安全阈值和目标产量的化肥经济施用量的关系，取值0.9.

2 结果与分析

2.1 通辽市化肥施用与环境安全阈值的动态变化

2.1.1 通辽市化肥施用量随时间的变化 根据对2000—2019年通辽市统计数据分析，该市化肥施用总量与氮、磷、钾肥及复合肥施用量变化情况见图1.由图1可见，20年间化肥施用总量变化出现2个峰值，第一个峰值出现在2009年，第二个峰值出现在2017年.2000—2009年，化肥施用量呈持续增加趋势，2010—2013年间化肥施用量较2009年有所下降，这段时间通辽市全面实施测土配方施肥技术，化肥施用过量情况得到一定的控制.2014—2017年，化肥施用量又呈持续增加趋势，2018—2019年，化肥施用量又出现下降趋势，这段时间通辽市全面实施化肥零增长措施，化肥施用量再次得到控制.2000年，化肥总量与氮、磷、钾肥及复合肥施用的纯养分投入量分别从10.6万t、6.1万t、2.5万t、0.9万t、10.3万t增加到2019年的61.9万t、21.4万t、10.6万t、5.4万t、24.4万t，2019年分别是2000年的5.8、3.5、4.2、5.9、23.8倍.其中，氮肥的施用总量和净增量最大，2000年总量为6.1万t，2019年达到21.4万t，净增15.3万t；而复合肥的增幅最大，达136.9%；化肥总量从2000年到2019年增长了484.0%，年均增长率达24.2%.氮、磷肥和复合肥施用量2000—2009年持续上升，2009年达到第一个峰值，钾肥施用量基本呈缓慢上升趋势，2007年达到第一个峰值.继第一个峰值后，氮肥施用量在2016年达到第二个峰值，磷、钾肥施用量在2017年达到第二个峰值，之后均有所下降.说明2010—2013年随着测土配方施肥技术的不断普及，通辽市氮、磷、钾肥施肥用量有所下降，但伴随农作物播种面积的扩大，自2014年以后，化肥施用总量和各种化肥用量均又呈上升趋势，2017年以来，通辽市实施化肥减量增效、化肥零增长等措施，化肥施用量呈下降趋势.复合肥施用量自第一个峰值以后呈逐渐上升趋势.

图1 2000—2019年份通辽市化肥施用量动态变化Fig.1 Dynamic changes of fertilizer application rate in Tongliao from 2000 to 2019

2000—2019年，通辽市粮食连续增产，年均增长率为11.6%，而化肥施用总量的年均增长率为24.2%，增加幅度明显高于粮食增产幅度，这表明，化肥的利用效率在下降，施肥对粮食增产的边际效应越来越低.粮食产量增长速度远低于化肥增长速度，20年间粮食增产3.31倍.通辽市施肥效益（每千克化肥粮食产量）从2000年的24.1 kg·kg-1下降到2019年的13.7 kg·kg-1，20年下降了43.2%（图2）.

图2 2000—2019年份粮食产量及施肥效益动态变化Fig.2 Dynamic changes of grain yield and efficiency of fertilization in Tongliao from 2000 to 2019

2.1.2 化肥施用强度（FI）和环境安全阈值（ET）动态变化 按作物播种面积计算，通辽市单位面积化肥施用强度及氮、磷、钾单质施用强度分别从2000年的 112.6、65.1、26.9、9.7 kg·hm-2增加到2019年的502.0、173.5、86.1、43.9 kg·hm-2，2019年分别是2000年的 4.5、2.7、3.2、4.5 倍（表1）.化肥施用强度（单位播种面积所施化肥量）从112.6 kg·hm-2增长到502.0 kg·hm-2，以每年平均17.3%的速度上升，高于全国平均335.3 kg·hm-2（2010年）的水平，远远超过发达国家公认的225 kg·hm-2上限［34］.N∶P2O5∶K2O在2000年为 1.00∶0.40∶0.15，2019年增长到1.00∶0.50∶0.25（表1）.

表1 通辽市2000和 2019年化肥施用强度（FI）及其环境安全阈值（ET）Tab.1 Fertilization intensity（FI）and its environmental safety threshold（ET）in Tongliao in 2000 and 2019

随着农业的不断发展，通辽市化肥投入强度越来越大，而施肥效益却越来越低，当化肥投入超过环境安全阈值，将会给农业生态环境造成不利影响.因此，化肥施用的环境安全阈值确定就显得尤其重要.根据刘钦普［33］提出的公式（1）～公式（3），可以计算出某年化肥投入的环境安全阈值.通辽市2000—2019年氮、磷、钾肥施用强度及环境安全阈值变化见图3.化肥施用环境安全阈值是和粮食产量相关的动态值，粮食产量越高，需要的化肥投入量就越大，对环境的影响也会随着变化，化肥环境安全阈值就会不同.通辽市的化肥施用强度从2003年开始超过了化肥环境安全阈值.单质肥料氮肥和磷肥投入分别在2003年、2006年超过了环境安全阈值，钾肥投入到2019年还没有超出环境安全阀值.从2006—2009年化肥施用强度、氮肥施用强度、磷肥施用强度与阈值的距离越来越大，2010年距离明显缩小，2010—2013年两者距离又逐渐增大，2014—2019年两者距离又呈缩小趋势，尤其是2018—2019年两者距离明显缩小.这是由于自2006年开始通辽市推广测土配方施肥技术，直至2010年在通辽市实现了技术推广全覆盖，使得化肥施肥强度有所减缓.2018年，通辽市实施减肥增效、化肥零增长等技术措施，化肥施用量有所下降.

图3 通辽市2000—2019年份化肥FI及ET的动态变化Fig.3 Dynamic changes of fertilization intensity and environmental safety threshold in Tongliao from 2000 to 2019

2.2 通辽市化肥施用强度及其环境安全阈值的空间变化

2.2.1 化肥施用强度的空间变化 通辽市南北跨度较大，自然环境与社会经济发展差异很大，化肥施用强度也表现出明显的区域差异.按粮食作物播种面积算，2019年的化肥施用强度最高的奈曼旗为815 kg·hm-2，是霍林郭勒市124 kg·hm-2的6.6倍.按照中国生态县及生态乡镇建设的要求，化肥施用强度不能超过250 kg·hm-2的标准［22］，根据化肥施用强度≤250、＞250～350、＞350～450、＞450 kg·hm-2的变化范围，施肥区分为低强度、中强度、高强度施肥及超高强度施肥4个等级.通辽市各旗（县、市、区）化肥投入空间变化情况见表2.由表2可知，扎鲁特旗、开鲁县、霍林郭勒市3个旗（县、市）属于低强度施肥区，科左中旗和库伦旗2个旗属于中强度施肥区，科尔沁区、奈曼旗、科左后旗3个旗（区）属于超高强度施肥区.低强度化肥投入区位于中北部地区，超高强度化肥投入区位于中南区和西南区.对于氮、磷、钾肥养分结构来说，绝大多数旗县表现出氮、磷、钾施用不平衡现象，尤其是氮肥施用比例偏大，钾肥施用比例不足.

表2 2019年通辽市化肥施用强度、化肥施用环境安全阈值及化肥施用合理性分布Tab.2 The distribution of fertilization FI，fertilizer ET and fertilizer rationality in Tongliao in 2019

2.2.2 化肥施用的环境安全阈值空间动态变化 根据化肥施用环境安全阈值测度模型，计算通辽市各旗县2019年各旗（县、市、区）氮、磷、钾化肥施用环境安全阈值的变化范围是36～440 kg·hm-2，平均277 kg·hm-2，按照平均阈值上下各浮动约20～25 kg·hm-2，分出≤250、250～300、＞300 kg·hm-2的低阈值区域、中阈值区域和高阈值区域3个化肥阈值类型，其空间分布见表2.由表2可见，通辽市有55%以上的旗县，其施用环境安全阈值属于高阈值区范围，低阈值区分布在科左后旗、扎鲁特旗和霍林郭勒市.各旗县化肥施用的环境安全阈值区域分布，综合反映出各区域自然与经济社会条件差异以及对化肥施用的风险抵抗潜在能力.

2.2.3 化肥投入的合理性分析 根据刘钦普［9］提出的化肥施用合理性进行分类，当化肥施用的强度等于环境安全阈值时，其比值等于1，当二者比值≤0.9为施肥不足区，当二者比值在＞0.9～1.1为适量施肥区，当二者比值在＞1.1～2.0为过量施肥区，当二者比值＞2.0为超过量施肥区.适量施肥区属于合理施肥区，施肥不足区与过量施肥区均为不合理施肥区.计算结果表明，2019年化肥的施用强度为环境安全阈值的2.1倍，施肥强度最大区域为奈曼旗，为安全阈值的2.6倍.由表2可见，科尔沁区、科左中旗、科左后旗、奈曼旗、霍林郭勒市5个旗县，65%以上化肥施用过量，库伦旗和扎鲁特旗2个旗县，22%化肥施用合理.

3 结论

3.1 2000 —2019年通辽市化肥施用量迅速提高，2019年化肥施用总量和化肥施用强度分别为2000年的5.8倍和4.0倍，而 2019年比2000年的化肥施用效益降低了46%.氮、磷、钾施肥比例从2000年的1.00∶0.40∶0.15，增加到2019年的 1.00∶0.50∶0.25.氮、磷化肥施用分别在2007年、2008年超过了环境安全阈值.从2006—2009年化肥总量和氮肥施用强度与阈值的距离越来越大，2010年距离明显缩小，2010—2013年两者距离又逐渐增大，2014—2019年两者距离又呈缩小趋势，尤其是2018—2019年两者距离明显缩小.3.2 2019年扎鲁特旗、开鲁县、霍林郭勒市3个旗（县、市）属于低强度施肥区，科左中旗和库伦旗2个旗属于中强度施肥区，科尔沁区、奈曼旗、科左后旗3个旗（区）属于超高强度施肥区.低强度化肥投入区在中北部地区，超高强度化肥投入区在中南区和西南区.化肥施用强度最高的奈曼旗为815 kg·hm-2，是霍林郭勒市124 kg·hm-2的6.6倍.

3.3 2019年通辽市各旗（县、市、区）化肥施用环境安全阈值的变化范围是36～440 kg·hm-2，平均277 kg·hm-2，通辽市55%以上的旗县的施用环境安全阈值在高阈值区范围变化，低阈值区分布在科左后旗、扎鲁特旗和霍林郭勒市.通辽市各旗县的化肥施用环境安全阈值综合反映了各旗县自然和经济社会条件的差异以及对粮食产量的影响和对化肥的需求量以及控制程度.库伦旗和扎鲁特旗为适宜施肥区，应当保持目前施肥量或适当调节，保持粮食作物稳产增产，科尔沁区等5个过量和超过量施肥旗县区应积极采取相应措施控肥减肥，以降低化肥资源浪费和预防对生态环境的污染.

通过对化肥施用量、化肥施用强度和化肥施用环境安全阈值的时空变异分析，综合反映了不同旗县区的自然资源情况、社会经济条件及农田利用管理措施对化肥施用环境安全的影响，诠释了低强度施肥不一定是施肥不足，如扎鲁特旗和霍林郭勒市属于低强度施肥区，而扎鲁特旗属于化肥施用合理区，霍林郭勒市属于化肥施用过量区；中强度施肥不一定是合理的，科左中旗和库伦旗2个旗属于中强度施肥区，而科左中旗属于化肥施用过量区，库伦旗为化肥施用合理区.从化肥施用强度和环境安全阈值二者比值的角度去评估比从化肥施用强度评估能更好地体现出化肥施用的效果，对广大农民开展施肥指导会更具说服力.也可为各地农业土肥环保部门进行生态农业建设、开展防控治理技术研究、制定化肥施用强度的评价指标提供有力的理论参考和科学根据.