江西省农田投入品输入时空演变特征及与种植业结构调整的关系

温小珊,冯雅雯,杜 超①,黄秀珍,王宵君,谢金招

(1.赣南师范大学地理与环境工程学院,江西 赣州 341000;2.江西省城市固废低碳循环技术重点实验室,江西 赣州 341000;3.赣州市果业发展中心,江西 赣州 341000)

广义的农业面源污染来源包括种植业(农田)、畜禽养殖业、水产养殖业和农村生活污水4个方面,其中,农田面源污染是重要的污染来源,主要是由化肥、农药和农用薄膜等农田投入品的过量输入产生[1]。近年来,农业生产过程导致的农田面源污染问题依旧严峻[2],其结果是增加水体污染风险[3],影响耕地资源质量[4],并威胁农产品质量安全。江西省是我国重要的粮食主产区和全国首批3个生态文明试验区之一[5],长期的过量施肥和高度集约化的种植模式[6],导致该地区农田面源污染形式严峻,衍生出一系列生态环境问题[7]。因此,系统探究江西省近30年来农田化肥、农药和农用薄膜输入的时空演变特征,精准刻画其输入轨迹,对于农业生产提质增效和农业面源污染防治具有重要指导意义。

近年来,已有许多学者对全国及各省(区、市)农田投入品输入进行研究,得出一些结论。马兆嵘等[8]分析了全国的农膜输入现状,发现我国农膜输入量巨大且在不断增加,由1991年的64.2万t增长到2017年的252.8万t,增长2.94倍。葛小君等[9]分析了广东省农业面源污染负荷时空变化特征,发现耕地化肥和农药输入强度分别上升112.19%和60.38%。刘存庆等[10]基于GIS探究了菏泽市农业面源污染时空分布,发现2015年之后菏泽市化肥、农药输入量都在稳步降低,但化肥输入强度仍高于国际化肥预警值(225 kg·hm-2)。傅春等[11]研究发现磷是江西省农田生产的主要污染物,年化肥输入量中占比最大的复合肥是主要污染源。熊昭昭等[12]研究发现,2015年江西省农村地区TN和TP污染负荷分别为168.7和58.8 kt·a-1,其中,种植业带来的污染负荷贡献率达到26.3%。类似地,针对某地区农业面源污染输入与输出负荷评价的研究虽时有报道[13-14],但是结合重心迁移模型和结构均衡度方法,系统探究污染物输入总量和输入强度在地理空间上移动规律和长时间线上演变特征的研究尚鲜见。此外,影响农田投入品输入的因素众多[15],其中,种植业结构调整的影响在以往的研究中没有受到足够重视。“耕地非粮化”现象在全国各地农业生产活动中有不同程度的发生[16],随着赣南脐橙和南丰蜜桔等江西特色柑橘产业的兴起,水果种植业在江西农业种植中的占比逐年加大,关于种植业结构调整对江西省农田投入品输入的影响,目前尚鲜见报道。

基于此,为了全面把握江西省农田投入品输入特征及影响因素,以江西省11个地级市为研究单元,基于化肥、农药和农用薄膜输入量统计数据,采用重心模型和结构均衡度等模型方法,系统分析江西省近30年来农田投入品输入量和输入强度的时空演变规律,并着重探讨种植业结构调整对江西省农田投入品输入的影响,以期为江西省农业面源污染防治、种植业结构优化和各地区的协调发展提供科学依据。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区概况

江西省位于我国东南部,长江中下游南岸,处于北纬24°29′14″～30°04′41″、东经113°34′36″～118°28′58″之间,总面积达16.69万km2,设有11个地级市(图1)。江西省东西南三面环山,中部为盆地丘陵,北部为鄱阳湖平原,属亚热带季风湿润气候区,年均气温为18.1 ℃,年均降水量为1 537 mm。江西省是我国重要的粮食生产基地之一,粮食作物面积总计达560万hm2(2020年)。1992—2020年,全省化肥输入总量从9.41万t增加到10.88万t,农药输入总量从0.34万t增加到0.53万t,农用薄膜输入总量从0.17万t增加到0.52万t[17]。

图1 江西省行政区划及主要水系图

1.2 数据来源

统计数据主要包括江西省及其11个地级市化肥输入折纯量,农药和农用薄膜输入量和主要种植结构面积数据主要来源于1992—2020年《江西统计年鉴》。

2 研究方法

2.1 重心模型

重心可反映全省各市化肥、农药和农用薄膜输入强度的总体分布情况[18]。基于化肥、农药和农用薄膜输入的分散情况,在具体研究中几乎不可能测定研究区域内所有化肥、农药和农用薄膜输入的实际位置。因此,假设江西省各市区域为1个均质平面,各市级区域的输入量或输入强度重心集中于各市的几何重心。重心坐标计算公式[19]为

(1)

(2)

式(1)～(2)中,n为参与评价的样本数量;(Xi,Yi)为第i个市的重心坐标;Gi为该单元属性。

2.2 面源污染输入结构均衡度

面源污染输入结构均衡度(Ej)是基于信息熵函数构建的用于反映面源污染输入空间特征的量值[20],其值处于0～1之间。Ej可反映数据的离散程度,Ej越小表示指标数据的离散程度越大[21],Ej计算公式为

(3)

(4)

式(3)～(4)中,Yij为i省j年面源污染物输入强度;n为参与评价的样本数量。

2.3 自然断点法

自然段点法是将数据集中不连续的地方作为分级依据对数据集合进行分级的方法[16]。在使用GIS技术处理空间信息时,一般采用自然断点法对空间分布等级进行划分。分别基于化肥、农药和农用薄膜输入强度将面源污染划分为低、较低、中等、较高和高5个等级[22](表1)。

表1 面源污染程度等级划分

3 结果与分析

3.1 江西省农田投入品输入时序演变特征

3.1.1江西省农田投入品输入总量的时序分布特征

如图2所示,1992—2020年间前期江西省化肥、农药和农用薄膜输入量均有波动,但整体上均呈现先增后减的变化趋势,增长率分别为15.63%、52.84%和209.32%。化肥输入总量变化率最大的为萍乡市,增长41.44%;宜春市化肥输入总量变化率最小,降低1.15%。在2016年之前,各市化肥输入总量呈现增长趋势,其中,赣州、吉安和抚州持续增长。各市化肥输入总量增长率总体呈下降趋势,景德镇、萍乡、九江、赣州、抚州和上饶近30年大多呈负增长;2000年前后,南昌、景德镇、萍乡、九江、宜春和上饶都呈明显负增长;赣州增长率在2018年突降,降至近30年最低值(-22.13%)。总体来看,江西省农田化肥输入量在2015年之后下降明显,2020年比2015年下降24.5%。

图2 江西省各市化肥、农药和农用薄膜输入总量

农药输入总量变化率最大的为鹰潭市,增长216.15%;农药输入总量变化率最小的为南昌市,降低22.08%。总体来看,各市农药输入总量呈现先增后减趋势,其中,南昌、景德镇、萍乡和新余农药输入量在2008年前后大大增加,而近年来呈下降趋势;九江、抚州和上饶在2012年之前呈背斜式增加,之后呈下降趋势;赣州、吉安农药输入量在2014年出现明显的断崖式减量。各市农药输入总量增长率总体而言呈下降趋势。其中,南昌市增长率在1998年迅速下降至负值,至次年又快速上升;景德镇、吉安、抚州增长率则在2004年增长迅速;萍乡、九江、新余、鹰潭、抚州和上饶增长率则在2008年前后上升显著。总体来看,江西省农药输入量与化肥输入量类似,2020年比2015年明显下降43.9%。

薄膜输入总量变化率最大的为鹰潭市,增长1 068.88%;薄膜输入总量变化率最小的为萍乡市,增加28.00%。总体来看,各市薄膜输入总量呈现增长趋势,其中,景德镇薄膜输入量在1996—2004年出现大幅度减量,呈现一个凹槽;新余、鹰潭、赣州、吉安、宜春和上饶呈阶梯式增长,中间偶有高峰低谷:新余在2006年出现一个增长高峰,2020年出现增长次高峰;鹰潭在1995和2015年前后出现两次增长高峰;2014年赣州薄膜输入量出现低谷,而吉安薄膜输入量出现高峰,各市薄膜输入总量增长率总体而言呈上升趋势。

3.1.2江西省农田投入品输入强度的时序分布特征

1992—2019年江西省化肥、农药和农用薄膜输入强度(输入总量与农作物播种面积之比)见图3～5。总体来看,1992—2019年化肥输入强度从402.67 kg·hm-2增长到424.64 kg·hm-2,农药输入强度从14.80 kg·hm-2增长到23.04 kg·hm-2,农用薄膜输入强度从7.20 kg·hm-2增长到19.11 kg·hm-2。江西省化肥和农药输入强度均在2007年之前大体上呈增长趋势,之后呈波动下降趋势;而江西省农用薄膜输入强度在2005年达到小高峰后有所降低,但从2010年至近几年整体上呈增长趋势。

图3 江西省各市化肥输入强度

图4 江西省各市农药输入强度

图5 江西省各市农用薄膜输入强度

总体来看,各市化肥输入强度呈现先增后减趋势,其中,新余和鹰潭化肥输入强度波动较大,2006年之后输入强度均明显降低。各市农药输入强度总体上呈先增后减趋势,2007年之前,江西省各市农药输入强度呈波动增加趋势,2004—2007年各市农药输入强度明显增加,2007年之后农药输入强度波动降低,而上饶、抚州降低程度不大,仍处于高输入强度。江西省农用薄膜输入强度在2004—2005年有段小高峰,除抚州、南昌外,各市薄膜输入强度总体而言呈上升趋势。

3.2 江西省农田投入品输入强度的空间演变特征

3.2.1江西省农田投入品输入强度的空间分布特征

将1992年设为基期,采用等距法每9年抽取相应年份,并将末年2019年也纳入研究,最终选取1992、2001、2010和2019年农田投入品输入强度,运用ArcGIS软件制图展示空间分布特征。

如图6所示,近30年来江西省大部分城市化肥输入强度呈先增后减的变化趋势,2001年江西省只有萍乡属于较高污染等级,2001和2010年江西省化肥输入强度的空间特征表现为沿鄱阳湖流域、抚河流域和赣江流域呈规律性聚集趋势,2019年江西省绝大部分城市农药输入强度降低或不变。具体来看,萍乡、南昌一直保持着较高的化肥输入强度。如图7所示,1992和2001年江西省农药输入强度空间分异不明显,各市农药污染程度大多不高于中等水平;2010和2019年均呈现赣东北地区农药输入强度高的态势,2010年江西省农药污染处在较高程度及以上的市高达8个,其中,上饶、南昌、鹰潭、抚州、新余和萍乡达到高农药污染程度,2019年全省除了景德镇和宜春外,其余地市农药污染均得到明显缓解。如图8所示,总体来看,1992—2019年江西省各市农用薄膜输入强度总体呈逐渐增大的变化趋势,其中,赣东南地区薄膜污染尤其显著,其余地区农膜污染程度持续处于中等水平以下。具体来看,赣州市薄膜污染程度显著增大,从1992年低污染等级上升至2019年的高污染等级。

图6 江西省化肥输入强度空间分布

图7 江西省农药输入强度空间分布

图8 江西省农用薄膜输入强度空间分布

3.2.2江西省农田投入品输入强度的重心迁移

1992—2019年江西省农田投入品输入强度重心迁移图见图9。由图9可知,1992—2019年化肥输入强度重心落在28.02° N～28.09° N、115.61° E～115.72° E之间,均位于宜春境内偏东南部;农药输入强度重心在27.98° N～28.01° N、115.51° E～115.79° E之间,大部分位于宜春市东南部,少部分位于吉安市东北部;农用薄膜输入强度重心在27.33° N～29.06° N、113.54° E～116.27° E之间,大部分位于宜春市内,部分位于吉安市东北部。

图9 面源污染输入强度重心随年份的迁移

具体来看,1992—2019年化肥输入重心累计向西迁移0.11°,向南迁移0.07°,整体呈现由东北向西南迁移的态势,期间有19次向南移动,移动频次为67.86%,向西移动13次,移动频次为46.43%,整体表现为一段明显的波浪式曲折运动;农药输入强度重心累计向东迁移0.28°,向北迁移0.03°,整体呈现由西南向东北迁移的态势。分阶段来看,江西省农药输入强度的重心迁移轨迹表现出明显的南北走向波动,2000年之前总体向南迁移,之后重心基本向北迁移;农用薄膜输入强度重心累计向西迁移0.04°,向南迁移0.4°,整体呈现由东北向西南迁移的态势。农用薄膜输入强度重心东西迁移不断变化交替,表现出较明显的波动性特征,阶段性明显。1992—2008年,农用薄膜输入强度重心迁移比较迅速,范围较大,但近年来,重心迁移范围和跨度明显减小。

3.2.3江西省农田投入品输入强度的区域差异性变化趋势

如图10所示,1992—2019年江西省化肥输入强度的结构均衡度一直处于较高状态,但在2004年,江西省化肥输入强度的结构均衡度达到最低值(0.98),2015年之后,市域间施肥强度的差异呈现减小趋势。1992—2019年江西省农药输入强度的结构均衡度波动比化肥输入强度结构均衡度大,整体呈现“W”型变化趋势。2006年江西省农药输入强度的结构均衡度达到最高值(0.99),表明这一年各市农药输入强度的差异性最小;2014年达到最低值(0.95),表明市域间农药输入强度差异性大。1992—2019年江西省农用薄膜输入强度结构均衡度呈先增后减的变化趋势,整体来说结构均衡度跨度较大。1996年农用薄膜输入强度的结构均衡度急剧上升,比上一年上升0.05,之后薄膜输入强度的结构均衡度一直处于波动状态。

图10 面源污染输入强度的结构均衡度

3.3 江西省农田投入品输入与种植业结构调整的关系

随着社会经济的发展,人们的消费需求不断升级,种植业结构也在随之调整[23]。种植业结构直接决定化肥、农药和农用薄膜输入量,是影响农田面源污染的重要因素之一。江西省是全国粮食主产区之一,农业种植主要分为粮食作物(包括谷物、豆类、薯类等)、经济作物(包括油料作物、棉花、麻类、甘蔗、烟叶、中药材、蔬菜等)和水果(脐橙、柑橘等)3类[24]。基于江西省种植特色,笔者将粮食作物、经济作物和水果3者的种植面积之和作为总量,再分别研究3者种植面积占比变化。如图11所示,江西省种植结构以粮食作物为主体,经济作物占比次之,水果占比最低。1992—2020年江西省粮食作物种植面积持续处于高占比状态且波动不大,其占比均在60%以上;经济作物种植面积明显缩减,从1992年的146.9万hm2减少到2020年的140.5万hm2,占比由29%减少到25%;水果种植面积明显扩张,从1992年的10.67万hm2增长到2020年的42.78万hm2,增长率为300.9%,占比由2.1%增长至7.6%。

图11 江西省种植业结构面积占比

为验证江西省种植业结构调整与农田投入品输入的关系,将不同种植类型面积分别与化肥、农药和农用薄膜输入量之间进行线性回归分析,结果见图12。线性回归分析结果表明粮食作物种植面积与化肥、农药和农用薄膜输入量呈正相关,且相关系数r差异较小,依次为0.69、0.61和0.67;经济作物种植面积与化肥、农药和农用薄膜输入量呈负相关,r依次为-0.40、-0.55和-0.53;果园面积与化肥、农药和农用薄膜输入量之间呈显著正相关,r依次为0.78、0.74和0.90,其中,农用薄膜输入量与果园面积之间的线性相关程度最高。

图12 不同种植业面积与农田投入品输入总量的相关分析

4 讨论与结论

4.1 讨论

通过对江西省农田投入品输入时空分布特征的分析可知,2014年江西省农药输入总量出现暴跌,主要是因为该年江西省开展了农药减量提升行动,各市积极响应该项工作。在农业经济发展早期,农户追求经济效益,但又缺乏科学指导,大量投入农业生产要素,从而忽视了农业生态环境的维护[9],农户在作物种植相对稳定时也会持续加大化肥输入量,以增加化肥输入量替代劳动力的投入[25]。自2015年《到2020年化肥施用量零增长行动方案》实施后,化肥、农药和农用薄膜输入量明显得到控制,使得化学农药输入量减少。1992—2020年江西省化肥、农药和农用薄膜的输入增长率均呈波动下降趋势,且2012年之后3者增长率均呈减小趋势,近几年增长率甚至低至负值;这可能是由于生态文明建设不断推进,国务院研究部署了农业农村面源综合治理工作[26],且人们对绿色食品的需求增加,对食品安全更加关注。2001和2010年江西省化肥输入强度的空间特征表现为沿鄱阳湖流域、抚河流域和赣江流域呈规律性聚集的趋势,究其原因,鄱阳湖流域和抚河流域是江西的水稻主产区[27],农民会过量施肥以保证水稻等粮食作物产量。因此,九江、南昌和抚州化肥输入强度普遍较高,而赣江流域所处的赣州市柑橘类水果种植业发达,果农为追求高产往往也会过量输入化肥[28]。2019年江西省绝大部分地市农药输入强度降低或不变,由此可见江西省对化肥输入零增长行动的执行效果已然显现。具体来看,萍乡、南昌一直保持着较高的化肥输入强度;究其原因,萍乡占地面积小,农用地面积少造成农业生产压力大,农户往往会通过提高生产要素的投入来增产和提高收入,而南昌作为江西省水稻主产区之一,化肥输入量也普遍较高[27]。赣州农用薄膜输入强度由1992年的低污染等级升至2019年的高污染等级,这是因为赣州市耕地面积大,且脐橙等果园种植业蓬勃发展,对农用薄膜的需求量逐渐增大。

通过对江西省农田投入品输入强度空间分布特征分析可知,与1992年相比,2019年江西省化肥输入强度重心向西南方迁移。结合图6发现,2019年吉安市、赣州市化肥输入强度等级增大,景德镇市化肥输入强度等级减小,导致化肥输入强度重心向西南方迁移,该重心迁移趋势反映出,在深入推进化肥减量增效的背景下,西南方向化肥输入强度呈现明显高于其他区域的增长趋势。江西省农药输入强度重心向东北方向迁移,结合图7发现,2019年上饶市、景德镇市和鹰潭市农药输入强度等级增大,导致农药输入强度重心向东北方向迁移。江西省农用薄膜输入强度重心向西南方向迁移,结合图8发现,2019年萍乡市、吉安市和赣州市农用薄膜输入强度等级增大,导致农用薄膜输入强度重心向西南方向迁移。2009年,江西省开始探索北粳南引,方克明等[29]于2016年在景德镇市开展了“籼改粳”晚稻产势与化肥减量增效施用方法试验,试验结果表明籼稻改粳稻很好地实现了化肥减量。柳开楼等[30]在有关江西省不同地市化肥用量分析及化肥用量对农业产值贡献的研究中发现,赣州由于脐橙、油茶等作物种植面积较大,且为了提高种植效益,使得赣州市化肥输入量长期以来居高不下。因此,2019年景德镇市化肥输入强度等级减小而赣州市化肥输入强度等级增大进而导致江西省化肥输入强度重心向西南方向迁移。近30年来,江西省市域间化肥输入强度的差异性变化并不明显,但2004年九江市化肥输入强度骤减,南昌市、新余市化肥输入强度加大,导致江西省化肥输入强度差异性增大。2015年后,化肥“零增长”行动使得江西省各市施肥强度往更加均衡的方向发展,因此,市域间施肥强度的差异呈现减小趋势。2014年南昌市、赣州市和吉安市农药输入强度大幅度下降,使得该年江西省市域间农药输入强度差异性明显,呈现个性化特征。1997年市域间农用薄膜输入强度的差异性急剧增大,可能是由于南昌市农用薄膜输入强度骤增,而萍乡市农用薄膜输入强度骤减,同时这可能也与各市种植结构存在差异有关,再加上市域间发展也存在不均衡问题,使得江西省各市农用薄膜输入强度差异明显[30]。

近30年来,江西省粮食作物种植持续处于高占比状态且波动不大,其占比均在60%以上,相对比较稳定,而经济作物种植面积明显缩减,但是水果种植面积呈现明显扩张态势,占比由1992年的2.1%增长为2020年的7.6%。这可能是由于江西省赣南脐橙、南丰蜜桔等特色柑橘产业和其他特色水果享誉全国且经济效益高,刺激了种植户的种植意愿。由此可见,江西省种植业结构调整表现为在保证粮食安全生产的前提下对经济作物和果园种植结构进行优化[25]。粮食作物种植面积与3种农田投入品输入量的相关系数均在0.6以上,说明粮食作物面积对江西省农田投入品输入量有积极影响,粮食作物面积越大,3种农田投入品的输入量就越高。经济作物种植面积与化肥、农药、农用薄膜输入量的相关系数均为负值,分别为-0.40、-0.55和-0.53。相比于化肥和农药输入量,农用薄膜输入量与果园种植面积扩张呈现更强的正相关性,相关系数达到0.90,表明江西省农用薄膜输入量增加与果业种植面积扩张关系密切。江西省粮食作物结构调整、高用药农作物对低用药农作物的种植替代,是化肥、农药输入量增长的重要影响因素[31-32]。此外,随着江西省种植业结构的调整,农田面源污染防治工作要着重关注果园的农田投入品输入,尤其是农用薄膜的输入。不少地区果园采用地膜覆盖技术来减少水土流失,提高果园生产力。农用地膜等塑料制品的输入是土壤中微塑料的重要来源,微塑料在土壤中累积会破坏良好生态环境,降低土壤微生物群落多样性[33-34]。因此,江西省要严格控制薄膜输入量并加大其回收利用力度,研发和推广可降解农膜,严格执行塑料农膜标准,健全农膜回收利用机制。

4.2 结论

基于ArcGIS、重心模型和结构均衡度等技术手段,对比分析了近30年江西省农田投入品输入的时空分布特征与区域差异,并着重探究了种植业结构调整对农田投入品输入的影响,得出以下结论:

(1)近30年来,江西省化肥、农药和农用薄膜输入量整体呈现先增后减的变化趋势。自2015年实施了一系列农药化肥减量增效政策之后,江西省农田化肥和农药输入量明显降低。与2015年相比,2020年化肥和农药输入量分别下降24.5%和43.9%,但是近年来农用薄膜输入量的减缓趋势并不明显。

(2)江西省化肥输入强度在空间上的特征表现为沿鄱阳湖流域、抚河流域和赣江流域呈聚集性分布;农药输入强度的空间分布呈现赣东北地区普遍较高的态势;而农用薄膜的输入强度普遍增大,其中赣东南地区农用薄膜污染形势较为严峻。自2015年以来,江西省化肥、农药输入强度的区域性差异减小,而农用薄膜输入强度呈现强烈的个性化特征。

(3)江西省种植业结构调整表现为在保障粮食作物播种面积的基础上,果园种植面积占比不断增大。粮食作物和经济作物种植面积对农田投入品输入量分别具有一定的正向和负向影响。与化肥和农药输入量相比,果园种植面积扩张与农用薄膜输入量呈现更强的正相关性,表明江西省果园种植面积扩张与农用薄膜输入量增加关系密切。