耿 維, 袁嫚嫚, 鄔 剛, 王家寶, 孫義祥

安徽省作物養(yǎng)分供需分析及化肥減施潛力研究*

耿 維, 袁嫚嫚, 鄔 剛, 王家寶, 孫義祥**

(安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所 合肥 230031)

有機(jī)-無(wú)機(jī)相結(jié)合的農(nóng)田養(yǎng)分管理模式是現(xiàn)階段中國(guó)發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)的必由之路, 因而開展有機(jī)、無(wú)機(jī)養(yǎng)分和作物養(yǎng)分需求的比較研究對(duì)促進(jìn)養(yǎng)分資源的合理分配和施用具有重要的參考價(jià)值。本文采用文獻(xiàn)調(diào)查和統(tǒng)計(jì)分析的方法, 評(píng)估了安徽省16市2010—2016年主要有機(jī)肥(包括秸稈、糞便、綠肥和餅肥)的養(yǎng)分資源, 明晰了安徽省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有機(jī)、無(wú)機(jī)養(yǎng)分投入現(xiàn)狀, 并根據(jù)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)開展了有機(jī)、無(wú)機(jī)養(yǎng)分和作物養(yǎng)分需求的差異和關(guān)系研究, 最后探索了安徽省的化肥減施潛力。結(jié)果表明: 安徽省2010—2016年平均有機(jī)肥養(yǎng)分資源為287.70萬(wàn)t, N、P2O5和K2O分別為104.49萬(wàn)t、39.60萬(wàn)t和143.61萬(wàn)t, 可基本滿足作物的養(yǎng)分需求; 但有機(jī)肥的當(dāng)季利用率低, N、P2O5和K2O的當(dāng)季利用率分別為21.44%、19.91%和52.61%, 有機(jī)肥N、P2O5和K2O實(shí)際還田量?jī)H占作物養(yǎng)分需求的20.74%、25.38%和63.61%, 占農(nóng)田養(yǎng)分總投入的比重分別為11.87%、10.27%和51.35%。全省N、P2O5、K2O養(yǎng)分實(shí)際投入量(包括有機(jī)肥和化肥)是作物養(yǎng)分需求的1.75倍、2.47倍和1.24倍, 有7個(gè)市的N和13個(gè)市的P2O5養(yǎng)分施用量超過作物需求的2倍, 存在較高的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。通過控制農(nóng)業(yè)總養(yǎng)分輸入, 安徽省的化肥減施潛力為35.12%, N、P2O和K2O的減施潛力分別為21.28%、23.97%和78.61%。提高有機(jī)肥的當(dāng)季利用率和發(fā)展冬季綠肥資源可進(jìn)一步促進(jìn)化肥減施。本研究可為安徽省化肥零增長(zhǎng)和農(nóng)牧業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展提供數(shù)據(jù)參考。

有機(jī)肥; 化肥; 氮磷鉀; 作物養(yǎng)分需求; 肥料當(dāng)季利用率; 化肥減施; 安徽省

糧食生產(chǎn)離不開土壤, 健康的土壤是糧食可持續(xù)生產(chǎn)的重要保障。Norman Borlaug指出, 如果中國(guó)要滿足糧食生產(chǎn)的目標(biāo), 平衡土壤肥料是第一位需要[1]。然而過度使用化肥和地力透支是我國(guó)土地環(huán)境的現(xiàn)狀。過去30年, 為追求更高的產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益, 化肥和農(nóng)藥的大量施用打破了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)原有的生態(tài)鏈, 土壤遭到破壞的速度超過了自我修復(fù)能力。統(tǒng)計(jì)表明, 我國(guó)糧食產(chǎn)量占世界16%, 化肥用量占31%, 每公頃的化肥用量是世界平均用量的4倍, 我國(guó)約每生產(chǎn)1.5 kg糧食就要消耗0.5 kg化肥, 這個(gè)用量是國(guó)際公認(rèn)安全線的2倍左右[2]。中國(guó)工程院關(guān)于全國(guó)土壤環(huán)境保護(hù)與污染防治戰(zhàn)略咨詢項(xiàng)目研究報(bào)告顯示, 我國(guó)耕地質(zhì)量不斷下降, 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中土壤的貢獻(xiàn)率大約在50%~60%, 比40年前下降了10%, 比西方國(guó)家至少低10%~20%。自20世紀(jì)70年代末引進(jìn)并大量使用化肥、農(nóng)藥、除草劑、農(nóng)膜以來(lái), 我國(guó)工業(yè)化農(nóng)業(yè)發(fā)展短短幾十年引發(fā)了一系列的環(huán)境問題, 并引起了國(guó)際的廣泛關(guān)注。作為農(nóng)業(yè)和人口大國(guó), 亟需尋求一條兼顧糧食、資源與環(huán)境安全的可持續(xù)的農(nóng)業(yè)發(fā)展之路[3], 而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵是充分科學(xué)地利用有機(jī)和無(wú)機(jī)養(yǎng)分資源,改善土壤現(xiàn)狀、提高土壤質(zhì)量, 減少養(yǎng)分向環(huán)境的損失[4]。因而明確農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中作物養(yǎng)分需求和有機(jī)肥資源潛力, 開展有機(jī)、無(wú)機(jī)養(yǎng)分與作物養(yǎng)分需求的比較研究, 對(duì)養(yǎng)分的科學(xué)管理和實(shí)現(xiàn)化肥零增長(zhǎng)具有重要的意義。

動(dòng)植物利用有機(jī)、無(wú)機(jī)養(yǎng)分生產(chǎn)糧食、油料、肉、蛋、奶等產(chǎn)品, 伴隨產(chǎn)生大量的秸稈、糞便、餅粕等有機(jī)肥副產(chǎn)物。我國(guó)有機(jī)肥資源豐富, 主要包括秸稈、畜禽糞便、綠肥和餅肥。20世紀(jì)50年代初以前, 各類有機(jī)肥是我國(guó)補(bǔ)充土壤養(yǎng)分的唯一來(lái)源, 對(duì)此Liebig[5]曾給予高度評(píng)價(jià)。然而隨著農(nóng)牧業(yè)結(jié)構(gòu)的改變和規(guī)模化發(fā)展, 有機(jī)肥資源構(gòu)成和數(shù)量發(fā)生了巨大變化, 在土壤養(yǎng)分投入中的比重顯著下降, 造成了資源浪費(fèi), 威脅生態(tài)安全。隨著全球可持續(xù)農(nóng)業(yè)的發(fā)展, 農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已開展了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的養(yǎng)分平衡狀況研究, 以有效控制和減少農(nóng)業(yè)污染物的排放[6-7], 有機(jī)肥料也再度受到關(guān)注。我國(guó)對(duì)作物秸稈的管理較早, 始于1970年[8], 由于對(duì)有機(jī)肥資源量沒有專門統(tǒng)計(jì), 各類有機(jī)肥資源均是通過相關(guān)系數(shù)計(jì)算得到。近年來(lái), 我國(guó)學(xué)者和農(nóng)業(yè)相關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)有機(jī)肥資源量和利用開展了眾多不同尺度的調(diào)查、評(píng)估與試驗(yàn)研究, 也進(jìn)行了一些環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和化肥替代潛力分析[9-17]。上述研究有助于明確我國(guó)有機(jī)肥資源的時(shí)空分布、農(nóng)田投入潛力和環(huán)境影響, 但研究較少考慮有機(jī)肥養(yǎng)分的實(shí)際還田量和當(dāng)季轉(zhuǎn)化利用率問題。李書田等[18]、劉曉永[19]在前人研究的基礎(chǔ)上分析了我國(guó)秸稈和糞尿養(yǎng)分的還田量, 基于作物養(yǎng)分需求初步估算了我國(guó)各省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的養(yǎng)分平衡以及化肥需求和供給差。但基于區(qū)域有機(jī)、無(wú)機(jī)養(yǎng)分、作物推薦施肥量的化肥減施潛力的研究還鮮見報(bào)道。安徽省是我國(guó)的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)大省, 農(nóng)田有機(jī)、無(wú)機(jī)養(yǎng)分輸入比例失調(diào)給全省耕地質(zhì)量帶來(lái)不利影響, 土壤肥力監(jiān)測(cè)點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果顯示, 全省50%的耕地有機(jī)質(zhì)含量偏低, 氮、磷養(yǎng)分普遍缺乏, 鉀養(yǎng)分下降明顯[20], 制約農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展。同時(shí), 單位面積農(nóng)田化肥施用量增加迅速, 導(dǎo)致了土壤結(jié)構(gòu)與功能的下降, 也導(dǎo)致了化學(xué)品的邊際效應(yīng)持續(xù)下降, 影響地表水、地下水和大氣的環(huán)境質(zhì)量, 并對(duì)農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)和食品安全構(gòu)成威脅, 生態(tài)環(huán)境問題突出。安徽省作物秸稈和畜禽糞便資源潛力大, 且有大面積的冬閑田, 具有發(fā)展冬季綠肥的優(yōu)勢(shì), 但這些有機(jī)肥資源分布和養(yǎng)分還田現(xiàn)狀還不清楚, 限制了有機(jī)、無(wú)機(jī)養(yǎng)分的科學(xué)管理和施用。因此, 本文依據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù), 通過文獻(xiàn)調(diào)查, 在安徽省16市開展了以下研究: 1)有機(jī)肥(包括作物秸稈、畜禽糞便、餅肥和綠肥)養(yǎng)分資源及分布; 2)有機(jī)肥、化肥和作物養(yǎng)分需求的比較和差異分析; 3)有機(jī)肥、化肥養(yǎng)分的農(nóng)田投入現(xiàn)狀; 4)化肥的減施潛力。本研究旨在探明安徽省有機(jī)肥、化肥和作物養(yǎng)分需求3者之間的差異和關(guān)系以及農(nóng)田的節(jié)肥潛力, 為安徽省農(nóng)牧業(yè)養(yǎng)分管理和化肥減施提供數(shù)據(jù)依據(jù), 同時(shí)為其他地區(qū)提供方法參考。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

1.1.1 農(nóng)牧業(yè)現(xiàn)狀

安徽省地處北緯29°22￠~34°40￠和東經(jīng)114°53￠~ 119°30￠, 由16市105縣及轄區(qū)組成, 土地面積13.94萬(wàn)km2, 跨長(zhǎng)江、淮河流域, 地形地貌由淮北平原、江淮丘陵、皖南山區(qū)組成, 屬于暖溫帶與亞熱帶過渡地區(qū), 光、熱、水資源豐富, 適宜農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)。農(nóng)業(yè)種植制度兼具南北方特色, 涵蓋了我國(guó)典型糧食作物輪作模式(表1), 包括淮河以北小麥()-玉米()輪作區(qū)、長(zhǎng)江淮河之間水稻()-小麥/油菜()輪作區(qū)、長(zhǎng)江以南的水稻種植區(qū)。全省耕地面積587.3萬(wàn)hm2, 2016年農(nóng)業(yè)總播種面積889.4萬(wàn)hm2, 主要糧食產(chǎn)量3 417.4萬(wàn)t, 分別位列全國(guó)第5和第7。2016年化肥消費(fèi)量327萬(wàn)t, 位居全國(guó)第5; 氮肥、磷肥、鉀肥和復(fù)合肥用量分別為104.9萬(wàn)t、32.1萬(wàn)t、30.7萬(wàn)t和159.3萬(wàn)t, 復(fù)合肥用量?jī)H次于河南、山東, 居全國(guó)第3位。根據(jù)發(fā)展現(xiàn)狀、資源條件、結(jié)構(gòu)調(diào)整需求和主體功能區(qū)劃分, 安徽省確立了生豬、肉禽、奶牛、肉牛和肉羊5種優(yōu)勢(shì)畜產(chǎn)品生產(chǎn)區(qū)域(表1), 全省有國(guó)家生豬調(diào)出大縣21個(gè)。2015年肉蛋奶總產(chǎn)達(dá)到583.1萬(wàn)t, 比2010年增長(zhǎng)12.9%, 家禽和生豬出欄量78 146.87萬(wàn)只和2 874.93萬(wàn)頭, 居全國(guó)第7和11位。

表1 安徽省糧食作物輪作模式和畜禽養(yǎng)殖優(yōu)勢(shì)區(qū)分布

1.1.2 耕地土壤現(xiàn)狀

安徽省耕地復(fù)種指數(shù)高, 但地力不足, 土壤質(zhì)量不高。耕地以中低產(chǎn)田為主, 約占耕地面積總量的75%。全省耕地有機(jī)質(zhì)平均20.91 g?kg–1, 其中11%的耕地有機(jī)質(zhì)缺乏, 40%的耕地有機(jī)質(zhì)偏低。耕地土壤全氮平均為1.33 g?kg–1, 含量較低且普遍缺乏, 有52%的土壤缺氮, 有34%的耕種土壤全氮含量為中等, 僅4.5%的土壤全氮含量豐富, 土壤缺氮是安徽省作物產(chǎn)量提高的主要制約因素。土壤有效磷平均為16.82 mg?kg–1, 其中47%的耕地有效磷含量低于12.0 mg?kg–1, 屬于缺磷土壤, 約26%的耕地有效磷含量在12.0~18.0 mg?kg–1, 為補(bǔ)償性缺磷, 大部分耕地土壤屬于缺磷狀態(tài)。耕地土壤速效鉀平均為89.06 mg?kg–1,含量中等較豐富, 但與第2次土壤普查相比(102.80 mg?kg–1), 下降明顯, 約有1/3的耕地土壤缺鉀。耕層土壤pH較15~20年前下降0.5個(gè)單位以上, 多數(shù)土壤呈酸性反應(yīng), 土壤酸化已成為許多地區(qū)新的低產(chǎn)因素。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究中有機(jī)肥基礎(chǔ)資源包括農(nóng)作物秸稈、畜禽糞便、綠肥和餅肥。秸稈來(lái)自省內(nèi)14類主要農(nóng)作物, 畜禽糞便來(lái)自豬、牛、羊和家禽, 餅肥來(lái)自大豆()、花生()、油菜()、芝麻()和棉花(spp), 目前沒有公開的綠肥種植統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù), 本文基于充分利用冬閑田的情景下估算綠肥資源的可發(fā)展?jié)摿??；拾ǖ省⒘追?、鉀肥和?fù)合肥, 統(tǒng)一折算為純N、P2O5和K2O量。農(nóng)作物養(yǎng)分需求量為來(lái)自安徽省18類作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量條件下的N、P2O5、K2O需求量?；释扑]施肥量參考文獻(xiàn)[19]的估算方法計(jì)算。

安徽省農(nóng)牧業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù), 包括耕地面積、農(nóng)作物播種面積、農(nóng)作物產(chǎn)量、畜禽飼養(yǎng)量、化肥消費(fèi)量等來(lái)自2011—2017年《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》《安徽省統(tǒng)計(jì)年鑒》和安徽省16個(gè)市級(jí)統(tǒng)計(jì)年鑒, 文中涉及的各項(xiàng)參數(shù)均基于前人研究結(jié)果和文獻(xiàn)資料, 為得到更加接近實(shí)際的評(píng)估結(jié)果, 各項(xiàng)參數(shù)選取優(yōu)先排序?yàn)檫m用于安徽省各市>安徽省>華東地區(qū)>全國(guó)平均。

1.3 有機(jī)肥養(yǎng)分資源量核算方法

1.3.1 秸稈及其養(yǎng)分資源

草谷比法是秸稈資源評(píng)估中常用的方法。草谷比系數(shù)和秸稈養(yǎng)分含量因品種、氣候、地域和施肥習(xí)慣不同而呈現(xiàn)明顯的地區(qū)差異[13,21], 14類農(nóng)作物草谷比和秸稈養(yǎng)分含量見表2[22-23]。其中蔬菜、瓜類為鮮重, 花生產(chǎn)量為帶殼花生果風(fēng)干質(zhì)量, 其余作物產(chǎn)量均以風(fēng)干質(zhì)量計(jì)[24]。秸稈及其養(yǎng)分資源的計(jì)算公式如下:

式中:為農(nóng)作物秸稈資源量, 萬(wàn)t;為農(nóng)作物種類;為農(nóng)作物籽粒產(chǎn)量, 萬(wàn)t;為草谷比系數(shù);為NPK養(yǎng)分; SN為秸稈養(yǎng)分資源量, 萬(wàn)t;為NPK養(yǎng)分含量, g?kg-1。

表2 農(nóng)作物的草谷比及秸稈養(yǎng)分含量[22-23]

1.3.2 畜禽糞便及其養(yǎng)分資源

畜禽固體糞便和液體糞尿的日排泄量不同, 養(yǎng)分含量也不同, 本文將其分開計(jì)算, 糞便及養(yǎng)分資源計(jì)算公式如下, 各項(xiàng)參數(shù)值見表3。

式中:為畜禽糞便資源量, 萬(wàn)t;為畜禽種類;為畜禽年內(nèi)出欄量或年末存欄量;為飼養(yǎng)期, d;為日均固體糞便排泄系數(shù), kg?頭–1?d–1;為日均液體糞尿的排泄系數(shù), kg?頭–1?d–1; MN為糞便養(yǎng)分資源量, 萬(wàn)t;為N、P2O5、K2O養(yǎng)分;為N、P2O5、K2O含量, g?kg–1。

表3 畜禽的產(chǎn)排污系數(shù)和養(yǎng)分含量(鮮基)

1.3.3 綠肥及其養(yǎng)分資源

安徽省地處南北過渡類型的生物氣候帶, 適宜發(fā)展多種綠肥生產(chǎn)?；春右阅系緟^(qū)主要栽培綠肥是紫云英(), 淮河以北地區(qū)主要有毛葉苕子()、田菁()、苜蓿()、檉麻()、草木樨()等。近年由于農(nóng)村外出務(wù)工人數(shù)的增加、種植收入占農(nóng)民總收入比重的降低, 越來(lái)越多的耕地在冬季撂荒, 綠肥的種植面積顯著減少。安徽省目前沒有綠肥種植的詳實(shí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù), 冬閑田是發(fā)展綠肥的優(yōu)良季節(jié)性邊際性土地, 本文以安徽省內(nèi)8類主要綠肥作物為研究對(duì)象, 根據(jù)其養(yǎng)分含量取均值, 基于充分考慮現(xiàn)有冬閑田的情景下評(píng)估其資源和養(yǎng)分潛力, 各項(xiàng)參數(shù)值見表4[21-24,28],計(jì)算公式如下:

式中:為冬閑田面積潛力, hm2;為安徽省16市; AL為耕地面積, hm2; AS為秋播作物播種面積, hm2; 0.70為冬閑田可利用系數(shù)[29]; GF為綠肥資源量, 萬(wàn)t;為綠肥單產(chǎn)(鮮重), t?hm-2; GN為綠肥養(yǎng)分資源量, 萬(wàn)t;為NPK養(yǎng)分;為NPK養(yǎng)分含量, g?kg–1。

表4 安徽省主要綠肥作物養(yǎng)分含量(鮮基)[21-24,28]

表中所有作物的產(chǎn)量均為22.5 t?hm–2。The yield of each crop in the table is 22.5 t?hm–2.

1.3.4 餅肥及其養(yǎng)分資源

餅肥來(lái)自油料作物榨油后產(chǎn)生的餅粕, 安徽省主要油料為大豆、花生、油菜、芝麻和棉籽。餅肥及其養(yǎng)分資源以出餅率和餅粕養(yǎng)分的百分含量計(jì)算,相關(guān)參數(shù)值見表5。出油率和出餅率數(shù)據(jù)來(lái)自本課題組對(duì)安徽省油料加工廠調(diào)查結(jié)果, 各類餅粕養(yǎng)分含量來(lái)自文獻(xiàn)[22]。公式如下:

式中: CF為餅肥資源量, 萬(wàn)t;為各類油料;為油籽產(chǎn)量, 萬(wàn)t;為出餅率, %; CN為餅肥養(yǎng)分資源量, 萬(wàn)t;為NPK養(yǎng)分;為NPK養(yǎng)分含量, g?kg-1。

表5 安徽省主要油料出餅率及其養(yǎng)分含量

1.4 有機(jī)肥還田的有效養(yǎng)分量核算方法

有機(jī)肥中的氮磷鉀養(yǎng)分只有當(dāng)季釋放出的無(wú)機(jī)部分才能供作物吸收利用, 因此有機(jī)肥還田的有效養(yǎng)分量=有機(jī)肥養(yǎng)分量×還田量比重(%)×當(dāng)季養(yǎng)分釋放率(%)。本文有機(jī)肥的當(dāng)季養(yǎng)分釋放率參考文獻(xiàn)[19]中關(guān)于安徽省2010s秸稈和糞便還田率和當(dāng)季氮磷鉀養(yǎng)分釋放率數(shù)據(jù)。

1.5 化肥消費(fèi)量

安徽省2010—2016年農(nóng)業(yè)化肥N、P2O5、K2O和復(fù)合肥的消費(fèi)量數(shù)據(jù)來(lái)自《安徽省統(tǒng)計(jì)年鑒》, 復(fù)合肥的N、P2O5、K2O比例參照文獻(xiàn)[16], 按照1∶1∶0.8計(jì)入單質(zhì)肥, 得到安徽省各市平均化肥N、P2O5、K2O施用量。

1.6 農(nóng)作物養(yǎng)分需求核算方法

根據(jù)單位產(chǎn)量農(nóng)作物的N、P2O5、K2O養(yǎng)分需求(表6)和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量可估算農(nóng)作物生產(chǎn)的N、P2O5、K2O養(yǎng)分的需求量, 本文根據(jù)安徽省農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu), 估算了安徽省主要18類農(nóng)作物的N、P2O5、K2O養(yǎng)分的需求量。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)肥資源潛力分析

將秸稈、綠肥、餅肥的P、K養(yǎng)分分別折算為P2O5和K2O的養(yǎng)分量, 得到安徽省4類有機(jī)肥N、P2O5、K2O養(yǎng)分資源構(gòu)成及其在全省的分布情況(圖1, 表7)。安徽省有機(jī)肥資源豐富, 2010—2016年有機(jī)肥年均可提供養(yǎng)分287.70萬(wàn)t, 提供的N、P2O5、K2O分別為104.49萬(wàn)t、39.60萬(wàn)t、143.61萬(wàn)t。牛新勝等[46]對(duì)近30多年來(lái)我國(guó)有機(jī)肥料資源與利用資料進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)概算, 指出目前我國(guó)有機(jī)肥資源總量大約57億t, 可年均提供總養(yǎng)分約7 300萬(wàn)t, 其中N約3 000萬(wàn)t、P2O5約1 300萬(wàn)t以及K2O約3 000萬(wàn)t。安徽省有機(jī)肥養(yǎng)分總量約占全國(guó)的3.94%, N、P2O5、K2O分別占全國(guó)的3.57%、3.05%和4.79%。4類有機(jī)肥養(yǎng)分量依次為秸稈(151.61萬(wàn)t)、畜禽糞便(66.81萬(wàn)t)、綠肥(44.73萬(wàn)t)和餅肥(24.55萬(wàn)t)(圖1), 占有機(jī)肥養(yǎng)分總量的52.70%、23.22%、15.55%和8.53%?？梢钥闯? 秸稈和畜禽糞便是有機(jī)肥的主要來(lái)源, 二者可提供全省75.92%的有機(jī)肥養(yǎng)分; 秸稈中的N和K2O含量較高, 分別占全省的40.09%和63.87%, P2O5養(yǎng)分主要集中在秸稈和畜禽糞便中, 分別占全省的37.01%、24.04%。綠肥的N、P2O5、K2O可提供潛力約占全省的15.64%、20.78%和14.04%; 但由于勞動(dòng)力遷移等原因, 冬閑田撂荒現(xiàn)象較普遍, 綠肥實(shí)際種植面積逐年減少, 2016年播種面積僅為53.17萬(wàn)hm2[47], 不足冬閑田可利用面積的40%, 因而綠肥的實(shí)際養(yǎng)分提供量低于本文的估算值, 但發(fā)展?jié)摿^大。近年來(lái), 受國(guó)際市場(chǎng)的沖擊, 國(guó)內(nèi)大豆、棉花、油菜市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)較弱, 安徽省3類油料作物播種面積顯著減少, 餅肥資源量逐年下降, 餅肥N、P2O5、K2O養(yǎng)分約占其總量的13.19%、18.16%、2.49%, 主要用于畜禽養(yǎng)殖的飼料和茶葉等經(jīng)濟(jì)作物的肥料。

表6 安徽省主要作物單位產(chǎn)量養(yǎng)分需求量

圖1 2010—2016年安徽省各類有機(jī)肥的年均養(yǎng)分構(gòu)成

表7 2010—2016年安徽省各市年均有機(jī)肥養(yǎng)分資源

安徽省的地貌分區(qū)和行政分區(qū)不完全一致, 本文按一般習(xí)慣將安徽省劃分為皖北(包括亳州、宿州、阜陽(yáng)、淮北、蚌埠、淮南)、皖中(合肥、六安、滁州、安慶)和皖南(蕪湖、馬鞍山、銅陵、黃山、池州、宣城)3大區(qū)域。從區(qū)域分布來(lái)看, 安徽省有機(jī)肥主要集中在北部和中部地區(qū), 其中北部地區(qū)有機(jī)肥養(yǎng)分為139.94萬(wàn)t, 約占全省的46.90%; N、P2O5、K2O分別為53.14萬(wàn)t, 17.06萬(wàn)t, 64.73萬(wàn)t, 分別占全省養(yǎng)分的50.86%、43.08%、45.07%。該地區(qū)主要為平原地形, 耕地面積大, 具有發(fā)展農(nóng)牧業(yè)的優(yōu)良自然資源。秸稈以小麥和玉米秸稈為主。糞便以豬、牛、羊糞便為主。中部地區(qū)其次, 有機(jī)肥總養(yǎng)分量102.94萬(wàn)t, 約占全省的35.78%, N、P2O5、K2O分別為34.72萬(wàn)t, 14.89萬(wàn)t和53.33萬(wàn)t, 占全省33.23%、37.59%和37.13%; 秸稈以小麥和水稻秸稈為主, 糞便以家禽、豬、牛糞便為主。南部地區(qū)有機(jī)肥養(yǎng)分量最少, 占全省的17.32%; N、P2O5和K2O分別占全省的15.91%、19.33%和17.79%, 以水稻秸稈和肉禽糞便為主。

2.2 化肥、有機(jī)肥與作物養(yǎng)分需求比較研究

2.2.1 作物養(yǎng)分需求量

安徽省18類作物2010—2016年平均養(yǎng)分需求量及其在16個(gè)市的分布情況如表8和表9所示。全省年均作物養(yǎng)分需求總量達(dá)274.98萬(wàn)t, N、P2O5、K2O需求量分別為108.00萬(wàn)t、40.69萬(wàn)t、126.29萬(wàn)t, 小麥、水稻、玉米和蔬菜是作物養(yǎng)分需求的主體, 占作物養(yǎng)分總需求量的78%。農(nóng)作物種植面積和耕地資源的區(qū)域分布以皖北地區(qū)最大, 該地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá), 養(yǎng)分需求量占全省的60%, 阜陽(yáng)、亳州和宿州3個(gè)市的農(nóng)作生產(chǎn)的養(yǎng)分需求量最大。皖中地區(qū)其次, 養(yǎng)分需求量占全省的30%, 滁州和合肥市的農(nóng)作物養(yǎng)分需求量較大, 皖南地區(qū)僅占10%。

表8 2010—2016年安徽省主要作物年均經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量養(yǎng)分需求量

表9 2010—2016年安徽省16市的作物年均養(yǎng)分需求量

2.2.2 有機(jī)肥、化肥與作物養(yǎng)分需求對(duì)比

將化肥消費(fèi)量中復(fù)合肥的N、P2O5、K2O比例按1∶1∶0.8計(jì)入單質(zhì)肥[16], 得到安徽省各市的化肥施用量。全省作物N、P2O5、K2O養(yǎng)分需求與有機(jī)肥養(yǎng)分、化肥養(yǎng)分資源量的比較如圖2所示。總體來(lái)看, 安徽省有機(jī)肥氮磷鉀養(yǎng)分與本省作物養(yǎng)分需求基本平衡, 二者相比, 有機(jī)肥N、P2O5、K2O資源占作物養(yǎng)分需求的比重分別為96.75%、97.32%和113.71%, 氮磷略有虧缺(N虧缺3.50萬(wàn)t, P2O5虧缺1.09萬(wàn)t)而鉀略有盈余(盈余17.32萬(wàn)t)。從區(qū)域分布看, 皖北地區(qū)的淮南、蚌埠、淮北、阜陽(yáng)、宿州、亳州6市有機(jī)肥氮磷鉀資源均存在不同程度的虧缺(淮南市有機(jī)肥中的鉀養(yǎng)分略有盈余除外), 其余10個(gè)市有機(jī)肥氮磷鉀養(yǎng)分資源均有盈余(黃山市氮略有虧缺除外)。由此看出, 在有機(jī)肥養(yǎng)分全部還田且被作物吸收利用的情況下, 安徽省有機(jī)肥資源可基本滿足作物養(yǎng)分需求, 但實(shí)際上有機(jī)肥養(yǎng)分當(dāng)季利用率不高, 需要大量化肥補(bǔ)充(具體結(jié)果見2.3)。

2010—2016年安徽省16市的化肥施用量年均為332.64萬(wàn)t, N、P2O5和K2O分別為166.28萬(wàn)t、90.26萬(wàn)t和76.10萬(wàn)t, N∶P2O5∶K2O=1∶0.54∶0.45, 估算結(jié)果同已有報(bào)道的結(jié)果相似, 總體上安徽省磷施用比例偏高而鉀偏低[48-50]。劉欽普[48]對(duì)安徽省化肥面源污染開展分析, 指出安徽省磷肥的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重, 氮肥的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)為中等, 鉀肥污染風(fēng)險(xiǎn)為低級(jí)。在不考慮有機(jī)肥施用的情況下, 本文的研究表明, 與作物養(yǎng)分需求量相比, 安徽省2010—2016年年均化肥N、P2O5和K2O施用量分別是作物養(yǎng)分需求量的1.53倍、2.21倍和0.60倍, N和P2O5分別盈余58.29萬(wàn)t和49.57萬(wàn)t, K2O虧缺50.20萬(wàn)t。全省分別有6個(gè)市和10個(gè)市的化肥氮和磷養(yǎng)分消費(fèi)量是需求量的2倍以上, 存在較高的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn), 16個(gè)市化肥鉀施用量均低于作物對(duì)鉀的需求量。從區(qū)域分布看, 全省氮磷肥施用量過多與鉀肥施用不足的現(xiàn)象普遍, 皖中地區(qū)經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá), 人口密集, 耕地資源相對(duì)緊張, 農(nóng)民更傾向于增加施肥量來(lái)提高農(nóng)作物單產(chǎn)以滿足需求, 該地區(qū)氮、磷施用量超過了作物需求量的2倍, 皖南地區(qū)氮磷肥消費(fèi)量是本市作物氮磷需求量的1.53~2.32倍和1.47~2.63倍, 這與該地區(qū)經(jīng)濟(jì)作物比重在全省最高(如茶葉等), 近年來(lái)經(jīng)濟(jì)作物的化肥消費(fèi)總量增加有關(guān)。皖北平原地區(qū)作物養(yǎng)分需求和化肥消費(fèi)總量均較大, 氮肥消費(fèi)量是本地區(qū)養(yǎng)分需求比重的0.89~1.66倍, 磷肥施用為作物養(yǎng)分需求的1.71~2.49倍, 氮磷污染風(fēng)險(xiǎn)低于皖中和皖南地區(qū), 主要原因?yàn)檫@一地區(qū)是糧食生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)區(qū), 機(jī)械化和管理措施較為先進(jìn), 肥料利用率相對(duì)較高, 也與近年來(lái)糧食作物經(jīng)濟(jì)效益較低、化肥施用量比重下降有關(guān)[51]。

圖2 2010—2016年安徽省各市年均作物N、P2O5、K2O養(yǎng)分需求與有機(jī)肥、化肥養(yǎng)分資源量的比較

2.3 安徽省農(nóng)田養(yǎng)分投入現(xiàn)狀

安徽省2010s秸稈、糞便的還田率和當(dāng)季氮磷鉀養(yǎng)分釋放率數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[19], 本文估算了安徽省2010—2016年農(nóng)田有機(jī)肥養(yǎng)分的年均實(shí)際輸入量。16市有機(jī)肥的當(dāng)季利用率及農(nóng)田有機(jī)肥、化肥的N、P2O5、K2O實(shí)際投入情況見圖3?？梢钥闯? 盡管安徽省有機(jī)肥養(yǎng)分資源豐富, 基本可以滿足作物養(yǎng)分需求, 但由于利用率低, 需補(bǔ)充大量化肥養(yǎng)分。2010—2016年有機(jī)肥N、P2O5和K2O實(shí)際輸入量年均為148.83萬(wàn)t、22.40萬(wàn)t和10.33萬(wàn)t, 僅占作物養(yǎng)分需求的20.74%、25.38%和63.61%。有機(jī)肥氮、磷養(yǎng)分當(dāng)季利用率接近, 全省平均為21.44%(N)和19.91%(P2O5), 鉀的利用率稍高, 達(dá)53.98%(K2O)。各市有機(jī)肥的當(dāng)季利用率范圍分別為: N 15.32%~ 26.00%、P2O514.35%~28.97%和K2O 44.13%~ 64.72%。僅皖北地區(qū)亳州、阜陽(yáng)、淮南、蚌埠4市的有機(jī)肥氮磷鉀當(dāng)季利用率超過全省平均值。

從農(nóng)田養(yǎng)分投入現(xiàn)狀來(lái)看, 安徽省氮磷鉀養(yǎng)分總投入量為445.70萬(wàn)t, 有機(jī)肥和化肥養(yǎng)分分別為113.06萬(wàn)t(占總養(yǎng)分比重25.37%)和332.64萬(wàn)t(占總養(yǎng)分比重74.63%), 80%以上的N、P2O5養(yǎng)分來(lái)自化肥, 有機(jī)肥N和P2O5養(yǎng)分占其全省總投入的11.87%和10.27%, K2O中來(lái)自有機(jī)肥與化肥的比重接近1∶1, 51.35%和48.75%的K2O分別來(lái)自有機(jī)肥和化肥。16個(gè)市的有機(jī)肥養(yǎng)分投入占總養(yǎng)分投入比重范圍分別為N 6.52%~17.17%、P2O57.39%~15.60%、K2O 42.21%~63.62%。

圖3 2010—2016年安徽省各市有機(jī)肥當(dāng)季利用率及各市年均有機(jī)肥、化肥養(yǎng)分輸入現(xiàn)狀

安徽省農(nóng)田有機(jī)肥、化肥的N、P2O5和K2O輸入總量為188.68萬(wàn)t、100.59萬(wàn)t和156.44萬(wàn)t, 分別是作物養(yǎng)分需求量的1.75倍、2.47倍和1.24倍, 全省N、P2O5和K2O分別盈余80.69萬(wàn)t、59.90萬(wàn)t和30.14萬(wàn)t, 氮磷污染風(fēng)險(xiǎn)較高。有13個(gè)市的P2O5輸入超過作物養(yǎng)分需求的2倍, 合肥、滁州和安慶3個(gè)市的P2O5輸入超過作物養(yǎng)分需求的3倍, 磷污染風(fēng)險(xiǎn)最高。合肥、六安、安慶、蕪湖、黃山、池州、宣城等7個(gè)市的N輸入超過作物N養(yǎng)分需求的2倍, 上述地區(qū)氮污染風(fēng)險(xiǎn)較高。

2.4 化肥減施潛力研究

本文計(jì)算了安徽省16個(gè)市主要作物的肥料推薦施用量, 各種作物的單位播種面積推薦施肥量來(lái)自文獻(xiàn)[19]。將農(nóng)田養(yǎng)分實(shí)際輸入(包括化肥和有機(jī)肥)與推薦施肥量進(jìn)行對(duì)比, 得到了安徽省的化肥減施潛力(表10)。安徽省化肥的減施潛力為116.84萬(wàn)t,占化肥消費(fèi)量的35.12%, K2O、N和P2O5的減施潛力依次為59.82萬(wàn)t、35.38萬(wàn)t和21.64萬(wàn)t, 分別占化肥消費(fèi)量的78.61%、21.28%和23.97%, 全省平均單位耕地面積可減施化肥N 62.01 kg?hm–2、P2O537.92 kg?hm–2和K2O 104.85 kg?hm–2?；茨?、滁州、蚌埠和六安的N、P2O5、K2O減施量、減施比重均顯著高于其他地區(qū)。節(jié)氮潛力較大地區(qū)有蕪湖、淮北, 滁州的節(jié)磷潛力較大, 宿州、亳州、阜陽(yáng)的鉀肥減施潛力較大。相反, 皖南山區(qū)銅陵、黃山和池州的養(yǎng)分輸入量低于推薦施肥量, 需要化肥補(bǔ)充, 如池州市的磷養(yǎng)分供應(yīng)不足, 銅陵市需要補(bǔ)充化肥氮和磷, 而黃山市氮磷鉀肥均存在不同程度的缺口。減施后, 有機(jī)肥的N、P2O5和K2O投入占養(yǎng)分總投入的比重可提高至14.61%、13.08%和83.15%, 分別提高2.47%、2.81%和31.80%。由此看出, 在兼顧產(chǎn)量和生態(tài)環(huán)境的前提下, 盡管可以減施約35%的化肥用量, 但化肥在農(nóng)業(yè)氮、磷養(yǎng)分供給中依然占據(jù)非常重要的地位。

3 討論

3.1 有機(jī)肥養(yǎng)分資源潛力

目前針對(duì)安徽省有機(jī)肥養(yǎng)分資源潛力的評(píng)估報(bào)道較少。據(jù)安徽省農(nóng)業(yè)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì), 全省有機(jī)肥資源總量約為1.30億t, 其中綠肥415.76萬(wàn)t, 畜禽糞便10 729萬(wàn)t, 人糞尿1 902.21萬(wàn)t, 但未見各市有機(jī)肥資源及其養(yǎng)分資源的公開數(shù)據(jù)[44]。劉曉燕等[9]研究了2005年我國(guó)各省的有機(jī)肥資源潛力, 其中安徽省有機(jī)肥養(yǎng)分總量為160萬(wàn)~240萬(wàn)t, N、P2O5和K2O分別為84萬(wàn)~112.5萬(wàn)t、30萬(wàn)~50萬(wàn)t和60萬(wàn)~80萬(wàn)t。本文采用了有機(jī)肥資源通用的評(píng)估方法, 全面評(píng)估了安徽省16個(gè)市的有機(jī)肥及其養(yǎng)分的資源潛力。評(píng)估過程中各項(xiàng)參數(shù)受作物/畜禽品種、種植/飼養(yǎng)習(xí)慣、地域、氣候等因素的不同而存在差異, 本文未考慮同種作物或畜禽由于上述因素導(dǎo)致的差異, 評(píng)估結(jié)果與安徽省實(shí)際有機(jī)肥資源量存在誤差不可避免, 但在參數(shù)選取方面優(yōu)選適用于安徽省的有機(jī)肥資源評(píng)估參數(shù), 降低了評(píng)估誤差。綠肥資源是在充分考慮現(xiàn)有冬閑田的情景下對(duì)其資源潛力的評(píng)估, 目前利用冬閑田種植綠肥面積非常少, 2016年綠肥種植面積不到冬閑田可利用面積的40%, 因而安徽省實(shí)際綠肥資源量可能被高估。餅肥主要用于養(yǎng)殖業(yè)的飼料來(lái)源, 僅少部分作肥料使用。基于此, 目前有機(jī)肥資源的利用主體為秸稈和畜禽糞便。安徽省2010—2016年有機(jī)肥養(yǎng)分潛力年均為287.70萬(wàn)t, N、P2O5和K2O分別為104.49萬(wàn)t、39.60萬(wàn)t和143.62萬(wàn)t, N和P2O5資源的評(píng)估結(jié)果與劉曉燕等[9]的研究接近, 但K2O資源潛力略高, 主要原因是前者統(tǒng)計(jì)的有機(jī)肥資源為人畜糞便和秸稈, 本文中的有機(jī)肥為秸稈、畜禽糞便(未包含人糞便)、綠肥和餅肥, 另外評(píng)估年份和各項(xiàng)評(píng)估系數(shù)的選取不同也是導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果存在差異的主要原因。

表10 安徽省各市的化肥減施潛力

3.2 有機(jī)肥的利用

1980—2016年, 我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)經(jīng)歷了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整, 不斷朝著規(guī)?；?、現(xiàn)代化方向發(fā)展, 農(nóng)作物產(chǎn)量也獲得了顯著的提高, 有機(jī)肥資源、氮磷鉀養(yǎng)分量和養(yǎng)分的還田總量均呈增加趨勢(shì)。劉曉永[19]的研究表明, 與1980年相比, 2016年全國(guó)畜禽糞尿總量增加85.78%, 畜禽糞尿養(yǎng)分總量增長(zhǎng)98.03%, 氮磷鉀養(yǎng)分還田總量增長(zhǎng)42.80%; 秸稈資源量、秸稈氮磷鉀量及其還田量分別增長(zhǎng)143.93%、167.47%和298.34%。劉曉燕等[9]指出, 2005年, 全國(guó)人畜禽排泄物和秸稈的N、P2O5和K2O養(yǎng)分量為2 824.52萬(wàn)t、1 282.93萬(wàn)t和2 947.99萬(wàn)t, 分別為化肥投入量的1.08倍、0.86倍和4.56倍。李書田等[16]的研究表明, 2008年我國(guó)有機(jī)肥資源每年可提供氮磷鉀養(yǎng)分共計(jì)7 405.7萬(wàn)t, 其中N 3 050.8萬(wàn)t、P2O51 403.5萬(wàn)t、K2O 2 951.1萬(wàn)t, 約為當(dāng)年化肥消費(fèi)量的1.41倍。另外, 李書田等[18]還評(píng)估了2015年我國(guó)人畜糞便和秸稈養(yǎng)分資源潛力, N、P2O5和K2O分別是作物需求量的85.42%、71.15%、129.79%, 是當(dāng)年化肥施用量的1.07倍、0.74倍和1.18倍。本文中, 安徽省有機(jī)肥N、P2O5和K2O分別是作物養(yǎng)分需求的96.75%、97.32%和113.71%?？梢? 如果單純從養(yǎng)分量計(jì)算, 有機(jī)肥料產(chǎn)生的養(yǎng)分基本能夠平衡農(nóng)田養(yǎng)分支出, 特別是糞尿肥和秸稈還田對(duì)緩解磷、鉀肥不足有重要意義, 但是有機(jī)肥資源在收集、運(yùn)輸、處理、加工和利用的過程中會(huì)伴隨養(yǎng)分損失, 因而有機(jī)肥的還田率和氮磷鉀養(yǎng)分的當(dāng)季釋放率是評(píng)估有機(jī)肥資源利用效率的重要參數(shù)指標(biāo)。

1980s—2010s我國(guó)畜禽糞便和秸稈的還田率發(fā)生了變化, 畜禽糞便的資源量增長(zhǎng)迅速, 但種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)分離的現(xiàn)狀直接導(dǎo)致了畜禽糞便還田率的下降, 畜禽糞尿氮磷鉀養(yǎng)分還田率由44.88%(1980s)降至38.61%(2010s)。近年來(lái), 隨著秸稈在農(nóng)村能源消費(fèi)比重下降以及在國(guó)家鼓勵(lì)秸稈還田的政策引導(dǎo)下, 秸稈的氮磷鉀還田率顯著增加, 由47.92%(1980s)增長(zhǎng)至71.27% (2010s)[19]。有機(jī)肥中氮磷鉀養(yǎng)分在自然條件下釋放緩慢, 當(dāng)季轉(zhuǎn)化利用率低, 養(yǎng)分有效性顯著低于化肥, 尤其氮磷養(yǎng)分。我國(guó)主要作物秸稈的N、P2O5和K2O當(dāng)季釋放率平均為51.61%、66.5%和85.82%, 畜禽糞便的N、P2O5和K2O養(yǎng)分當(dāng)季釋放率因畜禽種類不同差異較大, 平均釋放率范圍分別為25.5%~48.3%、22.0%~58.0%和65.8%~ 82.2%[19]。由于有機(jī)肥還田率和養(yǎng)分當(dāng)季釋放率低, 尤其是畜禽糞便, 有機(jī)肥在我國(guó)農(nóng)業(yè)肥料養(yǎng)分投入中的比重較低。魯如坤[52]指出2000年我國(guó)有機(jī)肥N、P2O5和K2O占農(nóng)田施用的化肥與有機(jī)肥的比例分別為20.9%、23.7%和57.4%。據(jù)《2004年中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)》, 2003年全國(guó)有機(jī)肥施用量?jī)H占肥料施用總量的25%[53]。另?yè)?jù)研究指出, 2005年, 我國(guó)實(shí)際用于農(nóng)業(yè)的有機(jī)肥料養(yǎng)分量?jī)H占養(yǎng)分資源總量的約34%, 占農(nóng)田養(yǎng)分投入量約30%[54]。李書田等[16]的研究表明, 2008年我國(guó)通過有機(jī)肥投入的N、P2O5和K2O分別占化肥和有機(jī)肥投入總量的29.5%、28.6%和58.9%, 并指出2008年有機(jī)肥所占比例有所增加的主要原因與規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖的發(fā)展、重視有機(jī)肥的施用和作物秸稈還田比例增加有關(guān)。楊興明等[55]分析了我國(guó)1950—2005年有機(jī)肥養(yǎng)分和無(wú)機(jī)化肥養(yǎng)分的投入變化情況后指出, 1950年以來(lái), 我國(guó)傳統(tǒng)有機(jī)肥養(yǎng)分占有機(jī)肥和化肥總養(yǎng)分的比重迅速下降, 由90%以上下降至2005年的10%左右, 而化肥的施用比重則由不到10%增加至2005年的90%以上, 1980年, 有機(jī)肥和化肥的施用比重均接近50%。大田作物中有機(jī)肥施用量更低。據(jù)趙榮芳等[56]文獻(xiàn)分析, 2009年華北平原小麥-玉米輪作農(nóng)家肥氮素輸入僅占氮素總輸入的10%。本研究表明安徽省2010—2016年間有機(jī)肥養(yǎng)分投入占全省農(nóng)田養(yǎng)分總投入量的25.37%, N、P2O5和K2O分別為11.87%、10.27%和51.35%, 80%以上的氮磷和約50%左右的鉀養(yǎng)分來(lái)自化肥投入。當(dāng)前, 大部分秸稈(還田率70%以上)已通過直接還田和燃燒還田的方式返還農(nóng)田, 但直接還田養(yǎng)分利用率低, 而燃燒還田氮養(yǎng)分基本損失殆盡, 因而氮磷養(yǎng)分當(dāng)季釋放率低和燃燒損失是秸稈氮磷養(yǎng)分利用率低的主要原因。研究表明, 通過改變埋入深度, 調(diào)節(jié)碳氮比, 添加腐熟劑, 對(duì)秸稈進(jìn)行酸化、微波或氨化等處理, 均可以不同程度地提高秸稈養(yǎng)分釋放率[57-58]。畜禽糞便類有機(jī)肥在儲(chǔ)存運(yùn)輸過程中養(yǎng)分容易流失, 且施入農(nóng)田后養(yǎng)分當(dāng)年釋放率普遍低于秸稈, 另外, 種養(yǎng)分離、畜禽糞便產(chǎn)生的連續(xù)性和作物需肥存在季節(jié)性, 均導(dǎo)致了糞便類有機(jī)肥的實(shí)際利用率低于秸稈[4]。此外, 畜禽糞便中的抗生素、病原菌、重金屬、有機(jī)污染物問題也限制了其在農(nóng)田中的施用。

以上研究結(jié)果表明安徽省的有機(jī)肥資源潛力巨大, 種養(yǎng)分離和有機(jī)肥的養(yǎng)分當(dāng)季釋放率低是當(dāng)前有機(jī)肥利用率低的主要原因。農(nóng)業(yè)部2015年《到2020年化肥使用零增長(zhǎng)行動(dòng)方案》的目標(biāo)是到2020年, 主要農(nóng)作物化肥施用量實(shí)現(xiàn)零增長(zhǎng), 這意味著未來(lái)化肥消費(fèi)量增長(zhǎng)勢(shì)頭將放緩甚至下降, 未來(lái)我國(guó)將大幅增加有機(jī)肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的施用, 但是有機(jī)肥需克服上述制約因素才能實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分高效利用。

3.3 安徽省化肥減施潛力

關(guān)于有機(jī)肥對(duì)化肥的替代潛力的研究國(guó)內(nèi)已有相關(guān)報(bào)道, 但多未考慮有機(jī)肥的施用現(xiàn)狀, 而是把有機(jī)肥的資源潛力全部計(jì)為替代化肥的資源潛力來(lái)估算[17], 這樣做一方面忽略了已經(jīng)施用的有機(jī)肥養(yǎng)分, 另一方面未考慮有機(jī)肥的當(dāng)季養(yǎng)分利用率, 因而化肥的減施潛力被高估。農(nóng)田養(yǎng)分實(shí)際投入包括有機(jī)肥和化肥, 因此化肥減施應(yīng)考慮有機(jī)肥的投入現(xiàn)狀, 根據(jù)作物的推薦施肥量扣除有機(jī)肥的投入量即得到化肥的推薦施用量, 將化肥實(shí)際消費(fèi)量與之比較即得到化肥的減施量。路國(guó)彬等[17]計(jì)算了2014年我國(guó)畜禽糞肥N、P2O5和K2O養(yǎng)分可分別替代實(shí)際化肥施用量的38.30%、52.00%和86.77%。本文估算了安徽省的化肥減施量為116.84萬(wàn)t, 占化肥消費(fèi)量的35.12%, N、P2O5和K2O的減施潛力大小依次為35.38萬(wàn)t、21.64萬(wàn)t和59.82萬(wàn)t, 占其化肥消費(fèi)量的21.28%、23.97%和78.61%。值得說(shuō)明的是這個(gè)結(jié)果未考慮有機(jī)肥養(yǎng)分利用率提高的可能影響, 2010—2016年安徽省年均有機(jī)肥養(yǎng)分還田總量為113.06萬(wàn)t, 僅占有機(jī)肥總養(yǎng)分的37.05%, N、P2O5和K2O當(dāng)季利用率僅分別為21.44%、19.91%和53.98%, 約80%的氮磷和50%的鉀未被利用, 在國(guó)家鼓勵(lì)有機(jī)肥施用的政策引導(dǎo)下和隨著農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展, 未來(lái)有機(jī)肥的還田量和養(yǎng)分釋放率均會(huì)有不同程度的提高。此外, 安徽省是發(fā)展綠肥優(yōu)勢(shì)區(qū), 年均發(fā)展?jié)摿s3 267.51萬(wàn)t, 含N、P2O5和K2O養(yǎng)分16.34萬(wàn)t、8.23萬(wàn)t和20.16萬(wàn)t, 但目前約60%綠肥資源未被開發(fā)。因而, 通過提高有機(jī)肥還田率和養(yǎng)分釋放率, 同時(shí)發(fā)揮綠肥等其他有機(jī)肥資源潛力, 安徽省化肥施用有進(jìn)一步降低的潛力。

3.4 安徽省有機(jī)肥存在的問題及解決途徑

安徽省耕地以中、低產(chǎn)田為主, 土壤環(huán)境亟待改善, 有機(jī)-無(wú)機(jī)養(yǎng)分在最優(yōu)配比范圍內(nèi)有利于培肥地力、提高化肥利用率和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)。但有機(jī)肥的大量施用也會(huì)造成地下水硝酸鹽污染, 張維理等[59]的調(diào)查研究表明, 即使不施化學(xué)氮肥而僅施用有機(jī)肥, 也會(huì)引起地下水硝酸鹽含量升高; 同延安等[60]的有機(jī)肥對(duì)土壤硝態(tài)氮累積影響試驗(yàn)表明, 過量施用有機(jī)肥會(huì)引起2 m以下深層土壤硝態(tài)氮過量累積, 對(duì)地下水的潛在威脅不容忽視。目前, 我國(guó)有機(jī)肥在果、菜、茶種植的施用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大田作物, 且部分地區(qū)施用過量現(xiàn)象較為嚴(yán)重, 因而對(duì)不同作物的有機(jī)肥的合理和安全施用還應(yīng)進(jìn)一步開展深入、系統(tǒng)的研究。

作為國(guó)家實(shí)施中部崛起戰(zhàn)略重點(diǎn)建設(shè)的糧食主產(chǎn)區(qū)之一, 安徽省承擔(dān)著到2020年增產(chǎn)糧食1 100萬(wàn)t的任務(wù)[61], 約是本省糧食總產(chǎn)量的1/3, 因而有機(jī)肥資源的未來(lái)潛力較大。但糧食生產(chǎn)和畜禽養(yǎng)殖受限于耕地、養(yǎng)分供應(yīng)、環(huán)境負(fù)荷以及氣候和經(jīng)濟(jì)等因素; 同時(shí), 畜牧業(yè)的快速發(fā)展消耗約40%的糧食, 這個(gè)趨勢(shì)隨著人民生活水平的提高還將繼續(xù)[4], 安徽省耕地質(zhì)量整體不高, 在糧食增產(chǎn)和畜牧業(yè)養(yǎng)殖方面面臨巨大的挑戰(zhàn)。如何合理充分利用有機(jī)肥、高效施用化肥、改善和提高土壤質(zhì)量, 事關(guān)資源、環(huán)境與農(nóng)牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。當(dāng)前安徽省有機(jī)肥資源豐富, 養(yǎng)分實(shí)際利用率低, 亟需根據(jù)有機(jī)肥資源、土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力和農(nóng)作物的養(yǎng)分需求現(xiàn)狀, 積極探索不同土壤條件下主要有機(jī)肥資源快速降解途徑, 提高有機(jī)肥的養(yǎng)分利用率; 同時(shí), 充分利用自然條件優(yōu)勢(shì), 大力發(fā)展冬季綠肥等有機(jī)肥資源, 以滿足綠色高產(chǎn)高效的農(nóng)業(yè)發(fā)展需求。

4 結(jié)論

1)安徽省2010—2016年有機(jī)肥年均可提供養(yǎng)分287.70萬(wàn)t, 提供的氮(N)、磷(P2O5)、鉀(K2O)分別為104.49萬(wàn)t、39.60萬(wàn)t、143.61萬(wàn)t。秸稈和畜禽糞便是有機(jī)肥的主要來(lái)源, 可提供全省75.92%的有機(jī)肥養(yǎng)分, 綠肥的資源潛力不可忽視, 但目前的發(fā)展不足40%。安徽省有機(jī)肥養(yǎng)分當(dāng)季利用率低, 氮磷養(yǎng)分當(dāng)季利用率僅為21.44%(N)和19.91%(P2O5), 鉀養(yǎng)分當(dāng)季利用率稍高, 達(dá)53.98%(K2O)。有機(jī)肥N、P2O5和K2O實(shí)際還田量?jī)H占作物養(yǎng)分需求的20.74%、25.38%和63.61%(K2O)。

2)安徽省有機(jī)肥氮磷鉀養(yǎng)分與本省作物養(yǎng)分需求基本平衡, 而化肥氮、磷施用量過多與鉀肥施用不足的現(xiàn)象比較普遍。有機(jī)肥N、P2O5和K2O占作物養(yǎng)分需求的比重分別為96.75%、97.32%和113.71%, 氮、磷略有虧缺, 而鉀略有盈余。有6個(gè)市的有機(jī)肥氮、磷、鉀均存在不同程度的虧缺(淮南市有機(jī)肥中的鉀養(yǎng)分略有盈余除外), 其余10個(gè)市有機(jī)肥氮、磷、鉀養(yǎng)分均有盈余(黃山市氮略有虧缺除外)?；手械?、磷、鉀肥施用量分別是作物養(yǎng)分需求量的1.53倍、2.21倍和0.60倍, 分別有6個(gè)市和10個(gè)市的化肥氮和磷養(yǎng)分消費(fèi)量是需求量的2倍以上, 存在較高的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn), 16個(gè)市鉀肥施用量均低于作物對(duì)鉀的需求量。

3)安徽省農(nóng)田養(yǎng)分總投入量為445.70萬(wàn)t, 有機(jī)肥和化肥養(yǎng)分分別占總養(yǎng)分比重的25.37%和74.63%, 有機(jī)肥N、P2O5和K2O養(yǎng)分占其全省的11.87%、10.27%和51.35%。總養(yǎng)分中的N、P2O5和K2O投入量分別為188.68萬(wàn)t、100.59萬(wàn)t和156.44萬(wàn)t, 是作物養(yǎng)分需求量的1.75倍、2.47倍和1.24倍, 盈余分別為80.69萬(wàn)t、59.90萬(wàn)t和30.14萬(wàn)t, 分別有13個(gè)和7個(gè)市的P2O5、N輸入超過作物養(yǎng)分需求的2倍, 氮磷污染風(fēng)險(xiǎn)較高。

4)安徽省化肥的減施潛力為116.84萬(wàn)t, 占化肥消費(fèi)量的35.12%, 減施潛力大小依次為N 35.38萬(wàn)t、P2O521.64萬(wàn)t和K2O 59.82萬(wàn)t, 分別占化肥消費(fèi)量的21.28%(N)、23.97%(P2O5)和78.61%(K2O)。優(yōu)化調(diào)整后, 有機(jī)肥的N、P2O5和K2O投入占養(yǎng)分總投入的比重可提高至14.61%、13.08%和83.15%, 但化肥在農(nóng)業(yè)氮磷養(yǎng)分供給中依然占據(jù)非常重要的地位。當(dāng)前安徽省畜禽糞便和秸稈養(yǎng)分的綜合利用率為37.05%, 綠肥資源的發(fā)展不足40%, 因此未來(lái)通過提高有機(jī)肥(尤其畜禽糞便)還田率和養(yǎng)分釋放率, 同時(shí)發(fā)揮綠肥等其他有機(jī)肥資源潛力, 可進(jìn)一步降低安徽省的化肥消費(fèi)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

* 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0200806)和安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2019YL043)資助

孫義祥, 主要從事植物營(yíng)養(yǎng)與高效施肥研究。E-mail: sunyixiang@126.com

耿維, 主要從事農(nóng)業(yè)資源利用、植物營(yíng)養(yǎng)與高效施肥研究。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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