徐 霞,黃玉芳,葉優(yōu)良,趙亞南※,孫笑梅,閆軍營(yíng)
(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,鄭州 450002;2.河南省土壤肥料站,鄭州 450002)
小麥?zhǔn)俏覈?guó)三大糧食作物之一,其安全生產(chǎn)對(duì)我國(guó)的糧食安全至關(guān)重要?;适羌Z食的糧食,對(duì)世界糧食產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率達(dá)50%~60%,對(duì)我國(guó)糧食產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率為56.8%[1,2]。我國(guó)是世界上最大的化肥消費(fèi)國(guó),化肥過(guò)量施用不僅會(huì)導(dǎo)致養(yǎng)分利用率降低,還可能造成土壤質(zhì)量下降、生態(tài)環(huán)境破壞,不利于農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展[3,4]。因此,在發(fā)揮化肥增產(chǎn)和培肥作用的同時(shí),合理減少化肥投入、降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)是實(shí)現(xiàn)我國(guó)綠色發(fā)展的重要措施,而基于小麥當(dāng)前施肥現(xiàn)狀,定量小麥生產(chǎn)中的節(jié)肥潛力以及化肥生產(chǎn)使用過(guò)程中的溫室氣體減排潛力尤為重要[5]。
在不同區(qū)域尺度上評(píng)價(jià)不同施肥技術(shù)在增產(chǎn)、增收、節(jié)肥、減排方面的潛力,綜合評(píng)價(jià)其經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)環(huán)境效益,可為農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。劉成等[6]根據(jù)1 722份田間試驗(yàn)數(shù)據(jù),用經(jīng)濟(jì)學(xué)分析方法測(cè)算了最佳的磷鉀肥投入值,為合理施肥提供據(jù)。巫振富等[7]通過(guò)布置在南陽(yáng)市的小麥“三區(qū)示范”田間試驗(yàn),基于地理加權(quán)回歸模型評(píng)價(jià)了測(cè)土配方施肥與傳統(tǒng)施肥模式的增產(chǎn)增收差異,表明測(cè)土配方施肥下小麥可平均增產(chǎn)11.8%、增收1 232元/hm2。通過(guò)生命周期環(huán)境效益研究表明,在不同區(qū)域尺度上,測(cè)土配方施肥通過(guò)降低氮肥使用量顯著減少作物種植單元氨揮發(fā)和硝態(tài)氮淋失,還通過(guò)需求關(guān)系降低了對(duì)上游氮肥生產(chǎn)的需求,從而減緩了溫室效應(yīng)[8-12]?;谔饔蛏嫌蔚貐^(qū)221戶(hù)水稻生產(chǎn)農(nóng)戶(hù)調(diào)查數(shù)據(jù),羅小娟等[13]發(fā)現(xiàn)推廣測(cè)土配方施肥可平均降低化肥用量34.9 kg/hm2,并提高水稻產(chǎn)量224.0 kg/hm2,具有可觀的環(huán)境及經(jīng)濟(jì)效益。在縣域尺度上,高春雨[14]等基于DNDC模型評(píng)價(jià)了山東省桓臺(tái)縣的施肥現(xiàn)狀,并測(cè)算了測(cè)土配方施肥模式下小麥—玉米輪作中的溫室氣體減排量,表明配方施肥不僅可以增加收入,還能實(shí)現(xiàn)溫室氣體減排。
河南省是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地,小麥?zhǔn)呛幽鲜〉谝淮笞魑?,河南省小麥的生產(chǎn)關(guān)系到國(guó)家糧食安全,河南省小麥種植面積達(dá)571.464萬(wàn)hm2,總產(chǎn)量為3 705.21萬(wàn)t,分別占全國(guó)小麥總種植面積及總產(chǎn)的23.32%、27.58%[15]。小麥在河南省分布范圍廣,種植面積大,但以小農(nóng)戶(hù)模式為主,施肥方式依靠種植經(jīng)驗(yàn),缺乏科學(xué)指導(dǎo)[16]。隨著復(fù)混肥在我國(guó)糧食作物肥料施用比例越來(lái)越高,從省域水平上評(píng)價(jià)河南省推薦施肥的節(jié)肥減排效應(yīng),對(duì)于促進(jìn)小麥科學(xué)施肥、節(jié)能減排、減少環(huán)境污染具有重要意義。文章擬通過(guò)大樣本實(shí)地調(diào)研和田間試驗(yàn)數(shù)據(jù),基于河南省區(qū)域小麥配方施肥推薦,借助ArcGIS軟件評(píng)估農(nóng)戶(hù)小麥種植中習(xí)慣施肥量的節(jié)肥和溫室氣體減排的潛力,以量化推薦施肥的環(huán)境效應(yīng),為合理施肥和低碳減排提供依據(jù)。
統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù):2016年河南省各個(gè)縣市的小麥播種面積;農(nóng)戶(hù)調(diào)研數(shù)據(jù):2013—2018年在河南省不同縣市開(kāi)展的2 063份農(nóng)戶(hù)小麥?zhǔn)┓收{(diào)查問(wèn)卷;田間試驗(yàn):國(guó)家測(cè)土配方施肥項(xiàng)目2005—2013年布置在河南省的1 582組小麥“三區(qū)示范”試驗(yàn)。研究區(qū)域涵蓋了河南省所有的縣市,并劃分了5個(gè)區(qū)域,分別為平原適宜區(qū)、中部丘陵區(qū)、西部山地區(qū)、南部盆地區(qū)、稻麥輪作區(qū)(圖1)。
圖1 2016年河南省小麥種植區(qū)域劃分
采用農(nóng)戶(hù)調(diào)查數(shù)據(jù)的小麥氮磷鉀肥施用量,以及在河南省70多個(gè)縣市布置的“三區(qū)示范”中習(xí)慣施肥處理的施用量,將以上習(xí)慣施肥數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均,作為各個(gè)縣市的習(xí)慣施肥量,確定河南省各個(gè)縣市的小麥?zhǔn)┓尸F(xiàn)狀。對(duì)于數(shù)據(jù)缺失的縣市,則利用附近縣市的習(xí)慣氮磷鉀施肥量計(jì)算獲?。海?)將所有縣市分為有數(shù)據(jù)和無(wú)數(shù)據(jù)兩類(lèi);(2)在ArcGIS中,通過(guò)“近鄰分析”工具,選取缺失數(shù)據(jù)的縣為“近鄰要素”,選取有數(shù)據(jù)的縣為“輸入要素”,運(yùn)行計(jì)算出的數(shù)據(jù)即缺失縣市的小麥習(xí)慣施肥量。
節(jié)肥潛力=農(nóng)民習(xí)慣施肥量-推薦施肥量。在ArcGIS中,將所有縣市小麥習(xí)慣施肥量數(shù)據(jù)以圖的形式呈現(xiàn),使用“柵格計(jì)算”工具,將農(nóng)戶(hù)氮、磷、鉀習(xí)慣施用量的圖層分別減去對(duì)應(yīng)推薦施肥量圖層,得到單位面積節(jié)氮、磷、鉀肥潛力圖。其中,農(nóng)民習(xí)慣施肥量根據(jù)農(nóng)戶(hù)調(diào)研數(shù)據(jù)獲得,包括2013—2018年在河南省不同地區(qū)開(kāi)展的2 063份農(nóng)戶(hù)小麥?zhǔn)┓始爱a(chǎn)量的調(diào)查問(wèn)卷,2005—2013年布置在河南省的1 582組小麥“三區(qū)示范”試驗(yàn);河南省不同區(qū)域小麥氮磷鉀肥推薦量及圖層根據(jù)“氮肥總量控制、磷肥恒量監(jiān)控、鉀肥肥效反應(yīng)”方法,基于ArcGIS軟件獲得[17]。
根據(jù)每個(gè)縣的農(nóng)戶(hù)施氮量平均值和氮肥推薦用量的差值,再乘以縣域小麥播種面積,可獲得縣域節(jié)氮量。在計(jì)算磷肥、鉀肥節(jié)肥總量時(shí),只有各縣的小麥播種面積,但每個(gè)縣不同地區(qū)的節(jié)肥量可能不同。因此,借助ArcGIS軟件中的“標(biāo)識(shí)分析”工具,將節(jié)肥量數(shù)據(jù)賦值給耕地面積圖層,計(jì)算縣域水平的平均節(jié)肥量,再乘以縣域播種面積,獲得縣域磷、鉀節(jié)肥總量。小麥播種面積來(lái)源于2016年河南省各個(gè)縣市的統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)。
采用生命周期評(píng)價(jià)法(LCA,Life Cycle Assessment)計(jì)算小麥整個(gè)種植期間的溫室氣體排放[18]。溫室氣體(GHG,Greenhouse gas)包括CO2、CH4、N2O,來(lái)源有三方面:(1)氮肥生產(chǎn)、運(yùn)輸、施用過(guò)程中產(chǎn)生的溫室氣體;(2)磷肥和鉀肥生產(chǎn)和運(yùn)輸過(guò)程中排放的溫室氣體;(3)殺蟲(chóng)劑、殺菌劑、除草劑在生產(chǎn)、運(yùn)輸、施用過(guò)程中排放的溫室氣體,以及小麥播種、收獲、耕作過(guò)程中由柴油燃燒排放的溫室氣體[18,19]。GHG排放總量計(jì)算方法[19]為:
GHG:溫室氣體排放總量;GHGm:氮肥生產(chǎn)過(guò)程中的排放量,排放因子為8.21 kg CO2eq;GHGt:氮肥運(yùn)輸過(guò)程中的排放量,排放因子為0.09 kg CO2eq;N rate:施氮量。GHGothers:磷肥和鉀肥等的溫室氣體排放,磷肥生產(chǎn)和運(yùn)輸中溫室氣體排放因子為0.79 kg CO2eq,鉀肥生產(chǎn)及運(yùn)輸中排放因子為0.55 kg CO2eq;總N2O:氮肥施用后溫室氣體排放,計(jì)算方法為:
溫室氣體減排量=農(nóng)戶(hù)習(xí)慣施肥下的排放量-推薦施肥下的排放量。以上計(jì)算式可以看出,溫室氣體減排量是以施肥量自變量的函數(shù)。根據(jù)以上溫室氣體減排計(jì)算式及相關(guān)參數(shù),利用ArcGIS軟件的“柵格計(jì)算”工具,將節(jié)氮量、節(jié)磷量、節(jié)鉀量圖層進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算,可獲得推薦施肥下河南省不同區(qū)域溫室氣體減排狀況。由于在計(jì)算減排總量時(shí),無(wú)法直接將小麥單位面積減排潛力圖與種植面積結(jié)合以獲得溫室氣體減排總量,因此根據(jù)減排計(jì)算式和單位面積節(jié)氮、節(jié)磷、節(jié)鉀量,計(jì)算出各節(jié)肥量下的單位面積減排量,再乘以種植面積即為減排總量。
小麥習(xí)慣施氮量平均為198 kg/hm2,變異范圍為174~259 kg/hm2,在區(qū)域上北部及東部的施氮量較高,中部、南部相對(duì)較低(圖2a)。其中,北部的安陽(yáng)、濮陽(yáng)、鶴壁及東部的商丘、開(kāi)封等市的施氮量較高,虞城、睢縣、杞縣、范縣、濮陽(yáng)等縣的施氮量最高(>240 kg/hm2);中部許昌市的長(zhǎng)葛、禹州、鄢陵等地,及南部信陽(yáng)市的新縣、商城、固始等縣的施氮量較低(≤180 kg/hm2)。
從小麥單位面積節(jié)氮量來(lái)看,河南省各縣市平均為42 kg/hm2。節(jié)氮量在空間上的變化趨勢(shì)與小麥習(xí)慣施氮量整體變化一致,表現(xiàn)為習(xí)慣施氮量越高則節(jié)氮潛力越大,呈現(xiàn)出由南往北逐漸增加的變化趨勢(shì)(圖2b)。其中,節(jié)氮潛力較大的區(qū)域主要分布在安陽(yáng)、濮陽(yáng)、商丘、開(kāi)封等市的一些縣市,虞城、輝縣、范縣、濮陽(yáng)等縣的節(jié)氮量較高(>75 kg/hm2);南部南陽(yáng)市的南召、內(nèi)鄉(xiāng),中部許昌市的長(zhǎng)葛、鄢陵等縣的節(jié)氮潛力較?。ǎ?5 kg/hm2)。
圖2 河南省小麥習(xí)慣施氮量(a)與單位面積節(jié)氮量(b)
小麥習(xí)慣施量平均121 kg/hm2,區(qū)域變異很大,從64~210 kg/hm2(圖3a)。從全省來(lái)看,小麥磷肥習(xí)慣施用量表現(xiàn)為南低北高、中部地區(qū)高低交錯(cuò)。習(xí)慣施磷量不足100 kg/hm2的區(qū)域主要分布在南部的信陽(yáng)市、駐馬店市以及南陽(yáng)市南部的唐河、淅川、鎮(zhèn)平、南召等縣。在河南中部許昌、漯河、平頂山及鄭州等市施磷量高低不等,即有長(zhǎng)葛、禹州、登封、鞏義等高于160 kg/hm2的縣市,也有寶豐、汝州、郟縣等不足90 kg/hm2的縣市。在河南北部,新鄉(xiāng)、安陽(yáng)、濮陽(yáng)等地農(nóng)戶(hù)習(xí)慣施磷量主要分布在115~160 kg/hm2的范圍內(nèi),以最北部安陽(yáng)市的林州、內(nèi)黃、湯陰等縣施磷量最高。
小麥單位面積節(jié)磷量在數(shù)值上有正有負(fù)(圖3b),即在施肥習(xí)慣的基礎(chǔ)上有些區(qū)域需要減少磷肥用量,有些區(qū)域則需要增加用量。全省節(jié)磷量平均為16 kg/hm2(-59~118 kg/hm2),節(jié)磷量在15~55 kg/hm2范圍內(nèi)的區(qū)域面積最大。需要增施磷肥的區(qū)域主要分布在駐馬店、洛陽(yáng)、南陽(yáng)市的部分地區(qū),而東部周口的項(xiàng)城、西部洛陽(yáng)的洛寧、欒川等縣及北部安陽(yáng)市的節(jié)磷量是節(jié)磷量較高的區(qū)域。
圖3 河南省小麥習(xí)慣施磷量(a)與單位面積節(jié)磷量(b)
河南省小麥習(xí)慣施鉀量平均為50.4 kg/hm2(19~112 kg/hm2),以19~69 kg/hm2范圍內(nèi)的區(qū)域面積最大,習(xí)慣施鉀量總體偏低,區(qū)域上表現(xiàn)為西南高、東北低,其中焦作、鄭州及商丘市的一些縣市施鉀量較高(圖4a)。在河南北部、東部以及信陽(yáng)市南部縣市施鉀量較低,普遍在19~35 kg/hm2的范圍內(nèi),焦作市和鄭州市的博愛(ài)、修武、新鄭、鄭州等縣市的施鉀量最高,高于100 kg/hm2。
河南省小麥單位面積節(jié)鉀量平均為-15 kg/hm2,變化范圍為-45~62 kg/hm2,全省有71.4%需增施鉀肥(圖4b)。其中需增施鉀肥量高于30 kg/hm2的區(qū)域主要分布在北部濮陽(yáng)、東部開(kāi)封及南部的信陽(yáng)市,而節(jié)鉀量高于30 kg/hm2的區(qū)域主要分布在焦作、鄭州、許昌、商丘市的武涉、新鄭、鄢陵、夏邑等縣市,與習(xí)慣施鉀量變化趨勢(shì)基本一致。
圖4 河南省小麥習(xí)慣施鉀量(a)與單位面積節(jié)鉀量(b)
相對(duì)于習(xí)慣施肥,河南省小麥在推薦施肥下單位面積溫室氣體減排量表現(xiàn)出從南向北逐漸增加的趨勢(shì)(圖5)。其中,南陽(yáng)市南部的內(nèi)鄉(xiāng)、南召、唐河及信陽(yáng)市的新縣、商城、固始等縣的減排潛力較小,低于300 kg CO2eq/hm2。東部的商丘、開(kāi)封及北部的安陽(yáng)、鶴壁、濮陽(yáng)等市減排潛力較大,大部分區(qū)域單位面積減排量低于700 kg CO2eq/hm2。全省范圍內(nèi)范縣、濮陽(yáng)、輝縣的單位面積減排量最高,大部分區(qū)域高于1 000 kg CO2eq/hm2。
圖5 河南省小麥單位面積溫室氣體減排量
在河南省不同小麥種植區(qū)域中,平原適宜區(qū)的小麥種植面積最大,其氮、磷、鉀肥節(jié)肥(或增肥)總量均最大,占總量的一半以上,以而稻麥輪作區(qū)節(jié)肥總量最?。▓D6)。河南省小麥總節(jié)氮量為23.10萬(wàn)t,其中平原適宜區(qū)高達(dá)15.38萬(wàn)t,其他各區(qū)域相對(duì)較低,分別為1.34萬(wàn)t(稻麥輪作區(qū))、1.96萬(wàn)t(南部盆地區(qū))、2.41萬(wàn)t(中部丘陵區(qū))、2.01萬(wàn)t(西部山地區(qū))。小麥節(jié)磷總量為8.88萬(wàn)t,平原適宜區(qū)最大,為4.81萬(wàn)t,其次為中部丘陵區(qū),為1.29萬(wàn)t。在節(jié)鉀量方面,河南省節(jié)鉀量為-5.31萬(wàn)t,各區(qū)域均為負(fù)值,即在鉀肥施用總量上需要增施鉀肥,平原適宜區(qū)增施量最高,為4.14萬(wàn)t,西部山地區(qū)最低,為0.04萬(wàn)t。
圖6 河南省小麥各區(qū)域節(jié)肥減排總量
在推薦施肥下,河南省小麥溫室氣體減排總量為348.65萬(wàn)t CO2eq。各個(gè)區(qū)域中稻麥輪作區(qū)的溫室氣體減排潛力最小,為20.19萬(wàn)t CO2eq;西部山地區(qū)次之,為28.47萬(wàn)t CO2eq;平原適宜區(qū)的減排潛力最大,為228.75萬(wàn)t CO2eq,占到河南省小麥總減排量的65.6%。
(1)小麥節(jié)肥潛力:李青松[20]等對(duì)豫北平原典型小麥—玉米輪作區(qū)的小麥、玉米生產(chǎn)進(jìn)行調(diào)查,并參照“3414”試驗(yàn)推薦施肥量對(duì)節(jié)肥潛力進(jìn)行了分析,結(jié)果顯示小麥在經(jīng)濟(jì)最佳產(chǎn)量時(shí)的氮、磷、鉀肥節(jié)肥潛力分別為53.03 kg/hm2、44.94 kg/hm2、-59.46 kg/hm2,而在最高產(chǎn)量時(shí)的氮、磷、鉀肥節(jié)肥量分別為40.76 kg/hm2、38.43 kg/hm2、-65.23 kg/hm2。該研究中河南省小麥各縣市單位面積節(jié)氮量平均為42 kg/hm2,在全省范圍內(nèi)整體呈現(xiàn)出由南往北逐漸增加的變化趨勢(shì);節(jié)磷量平均為16 kg/hm2(-59~118 kg/hm2),在15~55 kg/hm2范圍內(nèi)的區(qū)域所占比例最大;節(jié)鉀量的范圍為-45~62 kg/hm2,平均為-15 kg/hm2;其中豫北地區(qū)的節(jié)氮、節(jié)磷及增施鉀肥量均高于河南省平均值。這與李青松在豫北地區(qū)的研究基本一致,但節(jié)磷及節(jié)鉀潛力稍有差異,可能由于計(jì)算最佳施肥量的方法不一致,且該研究還考慮了土壤養(yǎng)分含量及小麥的產(chǎn)量現(xiàn)狀[21,22]。在節(jié)肥總量方面,小麥節(jié)總節(jié)氮量為23.10萬(wàn)t,這與趙亞南等[15]估算的河南省小麥節(jié)氮潛力一致(21.8萬(wàn)~48.8萬(wàn)t)。
(2)小麥溫室氣體減排潛力:高春雨[14]等研究表明,在山東桓臺(tái)縣小麥—玉米輪作系統(tǒng)中,基于測(cè)土配方施肥技術(shù)可交易的碳貿(mào)易量為2.65萬(wàn)t CO2eq,其中農(nóng)田減排占35.3%、氮肥生產(chǎn)減排占58.3%、磷肥生產(chǎn)減排占6.8%、鉀肥增加排放0.01萬(wàn)t,占總減排量的-0.4%。可見(jiàn)農(nóng)田系統(tǒng)在具有較大的溫室氣體減排潛力,氮磷肥的減排潛力占總體的65.1%,氮肥減排潛力占主導(dǎo)地位,磷肥相對(duì)較小,鉀肥需要增施減排潛力為負(fù)值,與該研究結(jié)果一致。武良[19]計(jì)算了我國(guó)各個(gè)區(qū)域下不同作物的氮肥需求及溫室氣體減排潛力,結(jié)果表明在華北灌溉冬麥區(qū)和華北雨養(yǎng)冬麥區(qū)的溫室氣體減排潛力分別為753 kg CO2eq/hm2和86 kg CO2eq/hm2。應(yīng)用生命周期評(píng)價(jià)方法,王明新等[23]分析了山東桓臺(tái)縣冬小麥在習(xí)慣和優(yōu)化兩種管理措施下的資源消耗及污染物排放,習(xí)慣和優(yōu)化施肥下的溫室氣體排放量分別為5 163 kg CO2eq/hm2和3 091 kg CO2eq/hm2,減排潛力為2 072 kg CO2eq/hm2。該研究中河南省小麥溫室氣體減排潛力與武良在全國(guó)的研究結(jié)果基本一致,但低于山東桓臺(tái)縣的減排潛力,且全省減排潛力在區(qū)域上整體表現(xiàn)為南低北高的趨勢(shì)。導(dǎo)致差異的原因一方面可能是研究區(qū)域范圍的不同,例如華北灌溉冬麥區(qū)不僅包括河南省大部分區(qū)域,還包括河北、山東、天津等地區(qū);另一方面,不同地區(qū)農(nóng)戶(hù)的習(xí)慣施肥量存在很多變異,直接影響節(jié)肥減排潛力[13]。另外,武良的研究只針對(duì)優(yōu)化施氮下節(jié)氮引起的減排量,該研究同時(shí)計(jì)算了氮磷鉀推薦施肥下的減排量,而王明新的研究不僅包括氮磷鉀優(yōu)化施肥下的減排量,還對(duì)小麥生長(zhǎng)周期中農(nóng)機(jī)燃油產(chǎn)生的溫室氣體排放進(jìn)行估算,這也導(dǎo)致定量結(jié)果產(chǎn)生差異[24]。
(1)河南省農(nóng)戶(hù)小麥氮、磷、鉀肥習(xí)慣施用量平均為198 kg/hm2、121 kg/hm2、50.4 kg/hm2,與推薦用相比單位面積可平均節(jié)肥42 kg/hm2,總節(jié)氮量為23.10萬(wàn)t、總節(jié)磷量為8.88萬(wàn)t,而需要增施鉀肥5.31萬(wàn)t;在環(huán)境效益方面,溫室氣體減排總量達(dá)348.65萬(wàn)t CO2eq。
(2)推薦施肥可以實(shí)現(xiàn)節(jié)肥和減排的目標(biāo),但節(jié)肥和減排潛力存在很大的區(qū)域差異,應(yīng)根據(jù)不同區(qū)域小麥習(xí)慣施肥和推薦量確定減排目標(biāo)和措施,在小麥生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)。