化肥是农业活动中重要的生产资料, 被誉为粮食的“粮食”^[1], 而中国则是农业和化肥使用大国^[2].从20世纪70年代开始, 我国大力推进化肥工业和农业施肥的发展^[3], 化肥使用强度呈现直线增加趋势.目前, 我国化肥产量居世界第二位, 消费总量超过美国, 跃居世界第一位^[4]. 2000年我国化肥折纯使用量为4 146.4万t, 2015年我国化肥折纯使用量达到6 022.6万t, 15 a内化肥使用量增长率为31.35%, 与此同时, 我国粮食总产量也大幅增加, 由2000年的46 217万t增加到2015年的62 144万t^[5].不可否认的是在农业生产中, 化肥作为重要的生产资料对农作物增产起到了关键的促进作用, 一定程度上保证了我国农业的增长和粮食安全^[6].但是为了片面追求高产而盲目大量使用化肥的现象越来越严重, 最终导致了一系列农产品质量问题^{[7, 8]}和农业面源污染问题^[9~12].由于我国化肥利用率相对较低, 不能被利用的养分则会通过各种途径进入江河湖泊, 不仅对土壤^[13~15]、水体^{[16, 17]}和大气^[18]造成污染, 还会进一步对全球范围的环境和生态系统功能产生负面影响^{[19, 20]}.

目前, 国内外对于化肥研究的焦点多在利用率和环境污染两方面, 研究区域多为省级或地域级的小尺度, 且某些研究时间比较早^[21~27], 缺乏空间样本单元数据的全局性分析和最新的研究.国家于2015年提出了化肥使用零增长行动^[28], 旨在针对我国当前存在的化肥滥用问题, 提供一系列精准的应对措施减少其使用量.因此, 从全国尺度分析我国2000~2015年化肥施用的时空变化特征, 了解变化背后的原因对于调整化肥使用结构、实现化肥零增长目标和推进我国农业绿色健康的可持续发展具有重要的意义.

本文中涉及的地级市共334个(不包括港澳台地区), 涉及的数据主要为地级市化肥折纯使用量、地级市农作物播种面积和省级的粮食产量, 分别选取2000、2005、2010和2015年这4个时间断面进行研究, 所需数据来源于各部门统计年鉴^[29~31].化肥折纯量是指把氮肥、磷肥和钾肥分别按含氮、含五氧化二磷和含氧化钾的成分进行折算后的数值.由于各地统计部门存在差异, 海南省使用的数据为化肥实物量数据.未找到统计数据的地区包括黑龙江省五大连池市、内蒙古宁城、河南省济源市、湖北省襄阳市、四川省木里藏族自治州、云南省德宏傣族景颇族自治州、楚雄彝族自治州、福建省泉州市和广东省阳江市, 此十处行政区在地图以0值显示, 不纳入分析范围.

全局空间自相关主要是用于检测空间上的单元与其邻近空间单元之间是否存在集聚的态势, 而GMI(global Moran's index)则是评价空间自相关统计常用的指标, 它能反映出化肥使用总量在全国尺度上的整体空间分布状态.本文中GMI利用ArcGIS 10.2进行计算, 其计算公式如下：

(1)

式中, n为地级市行政单元的数量, X_i和X_j分别为化肥使用量在空间单元i和j上的观测值, 对权重进行标准化以后, 得出的GMI值在-1~1之间, 若GMI值为正, 则表示化肥使用量在空间上具有显著的聚集态势, 若为负值, 则表明化肥使用量在空间分布上呈现离散的态势.采用Z检验对GMI进行显著性检验, 计算公式为：

(2)

式中, Z(I)为GMI的Z检验值, E(I)为其数学期望, V(I)为其方差, Z得分由ArcGIS 10.2计算得出.

Moran's I反映的是空间整体上的聚集或者是离散态势, 并不能反映局部单元的具体情况.而冷热点分析则解决了这一问题, 它反映的是局部空间的关联程度, 可以标识出变量的空间的高值区和低值区, 其计算公式为：

(3)

式中, X_j为基本空间单元j的化肥使用量, W_ij(d)是以空间距离d度量的权重.结果为正值的时候表明周围属于热点区域, 高值聚集, 结果为负值时表明周围为冷点区域, 低值聚集.

核密度函数可以借助已知的样点, 来对空间周围的区域进行估计, 它反映的是空间区域上点分布的疏密情况, 从而可以直观地描述某一地理区域的点是否处于集聚状态.将化肥使用量超过国家规定性指标的地级市筛选出来, 然后利用地级市政府驻地的经纬度在ArcGIS 10.2中转换成点, 再对化肥使用量超标的地级市进行分析, 其计算公式为：

(4)

式中, k为核函数, m为带宽, n为超标的地级市数量.

筛选出化肥使用量超标的地级市, 转换成点的形式后利用标准差椭圆法分析超标地级市的空间特征, 显示出其中心位置变化和移动趋势.其中, 标准差椭圆长轴方向表示超标地级市在空间上的分布的方向性, 短轴则表示其离散程度.计算公式如下：

(5)

式中, X和Y分别是属性重心坐标的经纬度, X_i和Y_i为第i个区域中心坐标的经纬度, W_i为第i个区域某属性值的空间权重.标准差椭圆可以分析超标地级市的空间分布情况, 揭示其空间扩散方向、离散程度以及重心的变化.

影响化肥使用量最直接的因素就是播种面积的大小.从全国范围来看, 2000年我国播种面积为15 630万hm², 化肥使用总量4 146.4万t. 2015年我国播种面积16 637.4万hm², 化肥使用总量6 022.6万t.近16年来全国播种面积增加6.4%, 化肥使用量增加45.3%, 化肥使用量的增长率远远高于播种面积的增长率, 说明单位面积的化肥使用强度不断在提高.我国单位面积化肥使用量则由2000年的265.3 kg·hm^-2增加到2015年的361.9kg·hm^-2, 增长率36.4%, 略低于化肥使用量的增长率.我国播种总面积在2000~2006年经历了下降后上升的过程, 2006年以后播种面积逐年升高, 2003和2006年为谷底, 总体呈“W”形态发展, 而我国的化肥使用总量在2000~2015年则呈现逐年增加的趋势(图 1).

图 1

Fig. 1

图 1 2000~2015年中国播种面积与化肥使用量 Fig. 1 Sowing area and fertilizer use in China from 2000 to 2015

(1) 化肥使用量的空间可视化

将全国地级市化肥使用量分为最低量、次低量、中低量、中高量、次高量和最高量这6个等级(表 1), 然后分别绘制2000、2005、2010和2015年的空间分布, 如图 2所示.分布结果显示, 我国化肥使用量表现出了地域之间极不平衡的现象, 用量较多的地级市基本位于胡焕庸线的右侧.

表 1 (Table 1)

表 1 2000~2015年不同化肥使用量水平下的地级市数量 Table 1 Number of prefecture-level cities with different levels of fertilizer use in China from 2000 to 2015 化肥用量水平 2000年 2005年 2010年 2015年 最低量 64 29 36 31 次低量 75 104 105 102 中低量 81 85 80 85 中高量 67 63 55 58 次高量 29 36 39 38 最高量 10 9 11 12

表 1 2000~2015年不同化肥使用量水平下的地级市数量 Table 1 Number of prefecture-level cities with different levels of fertilizer use in China from 2000 to 2015

图 2

Fig. 2

图 2 2000~2015年中国化肥使用量地级市空间分布特征 Fig. 2 Spatial distribution characteristics of fertilizer use across prefecture-level cities in China from 2000 to 2015

2000年全国大部分地级市处于次低量(3.07~8.24万t)和中低量(8.5~13.91万t)水平.主要分布在四川、安徽、湖南、吉林、辽宁和陕西省等地区.从四大区域来看主要分布在我国的东部地区和中部地区, 其中分布在长江中下游地区的省份居多.化肥使用量处在中高量(13.92~23.51万t)的地级市主要分布在我国东北地区的吉林和辽宁省, 以及中东部地区, 属长江流域的四川、湖南和湖北等省份.化肥使用量处在最低量(0~3.06万t)的地级市主要分布在我国西部地区的青海、西藏、云南、甘肃、内蒙和新疆等省份.处在次高量(23.52~38.28万t)和最高量(38.29~72.00万t)的地级市主要分布在我国中东部地区的山东、江苏、河北和河南省等地.

2015年全国大部分仍以次低量(4.20~10.83万t)和中低量(10.84~19.10万t)的地级市为主.化肥使用量处在最低量(0~3.42万t)的主要分布在西藏自治区, 内蒙古自治区的西北部, 青海省和甘肃省等地.处在最高量(56.85~103.84万t)的地级市主要分布在华北和东北地区, 如南阳、商丘和松原市等地. 表 1是4个主要年份当中不同化肥用量水平下的地级市个数, 2015年与2000年相比, 增加最多的是处在次低量水平的地级市, 为27个, 减少最多的是处在最低量水平的地级市, 减少个数为33个.

(2) 化肥使用量全局自相关

如表 2所示, 2000、2005、2010和2015年的全局Moran's Ⅰ分别为0.4014、0.4389、0.4384和0.4986, 在4a的数据中, Z-value>2.58, 且都为正值, P值皆小于0.01, 表示此数据并不是随机生成的, 在99.9%的置信度情况下呈显著正相关, 说明我国化肥使用量存在着空间上的自相关性, 且具有空间上聚集特征的一定规律. 4个时期当中2000年化肥使用量与空间的相关性最小, 2000~2005年空间相关性呈现增长趋势, 表明我国地级市的化肥使用量在空间上的聚集态势增加, 2005~2010年相关性轻微降低, 与2000相比变化不大, 到2015年化肥使用量的空间相关性达到最大值, 表明化肥使用量在空间上的聚集态势达到2000~2015年近16年来的最高状态.

表 2 (Table 2)

表 2 2000~2015年我国化肥使用量的P值和Z值 Table 2 The P-values and Z-values for fertilizer use in China from 2000 to 2015 年份 Moran' s Ⅰ P-value E(I) Z-value 2000 0.401 4 < 0.01 -0.002 639 29.924 592 2005 0.438 9 < 0.01 -0.002 643 28.677 806 2010 0.438 4 < 0.01 -0.002 557 28.099 397 2015 0.498 6 < 0.01 -0.002 679 30.935 679

表 2 2000~2015年我国化肥使用量的P值和Z值 Table 2 The P-values and Z-values for fertilizer use in China from 2000 to 2015

(3) 化肥使用量的局部自相关

为了更加直观地表示我国化肥使用量在局部空间的聚集和扩散状态, 对4年全国地级市化肥使用量的冷热点进行分析, 将其分为冷点区域、次冷点区域、过渡区域、次热点区域和热点区域五类, 生成全国地级尺度的冷热点空间分布(图 3), 热点区域表示化肥使用量高的地区聚集, 冷点区域表示化肥使用量低值区域聚集.

图 3

Fig. 3

图 3 2000~2015年中国地级市化肥使用量的冷热点空间分布 Fig. 3 Hot and cold spot analysis of fertilizer use across prefecture-level cities in China from 2000 to 2015

如图 3所示, 2000年我国化肥使用量的热点区域比例较大, 主要分布在东部地区和中部地区, 东北地区只有辽宁省南部和西部几个地级市处于热点区域.包括河北、山东和山西等地区, 从地域上来看, 热点区域主要集中分布在我国的黄淮海平原和长江中下游平原及江淮地区, 呈现出了极其明显的空间聚集态势.冷点区域占比较小, 主要分布在广西南部, 西藏自治区西南地带, 青海省果洛自治州以及甘肃, 这些地区化肥使用量较低且与周围化肥使用量同样较低区域在一起呈聚集状态. 2015年与2000年相比, 热点区域增加最为明显, 高值聚集区域呈现明显的向东北扩张的态势.东北地区除鹤岗、佳木斯和双鸭山市等地全部变为了热点区域, 内蒙古呼伦贝尔市由次热点区域变为热点区域.由于次热点区域变为热点区域, 而原本的次热点区域几乎不再扩张, 因此2015年次热点区域较2000年减少.内蒙古的阿拉善盟在2015年重新变为冷点区域, 福建省和广东省的沿海地区如龙岩、汕头和汕尾市等地也变为冷点区域, 致使2015年化肥使用量的冷点区域略微增加.

2007年国家环境保护总局确立了我国在生态县建设中每年化肥折纯使用量不超过250kg·hm^-2的参考性指标.以此为衡量指标, 根据地级市单位面积化肥折纯使用量超出国家规定参考性指标的倍数, 筛选出使用量超标的地级市, 并将其分为安全、低风险、中等风险、高风险和严重风险这5个等级(表 3), 然后分别绘制出2000、2005、2010和2015年这4个时间点化肥使用量超标地级市的密度分布(图 4).

表 3 (Table 3)

表 3 风险等级分类和超标地级市数量 Table 3 Fertilizer use risk level and the number of instance where fertilizer use exceeded the criteria in prefecture-level cities 风险等级 超标倍数 2000年 2005年 2010年 2015年 安全 < 1.0 172 132 113 115 低等风险 1.0~1.5 105 106 105 97 中等风险 1.5~2.0 41 60 58 65 高等风险 2.0~2.5 8 21 29 27 严重风险 >2.5 8 15 29 30

表 3 风险等级分类和超标地级市数量 Table 3 Fertilizer use risk level and the number of instance where fertilizer use exceeded the criteria in prefecture-level cities

图 4

Fig. 4

图 4 2000~2015年中国化肥使用量超标地级市核密度 Fig. 4 Kernel density analysis of instances of fertilizer use exceeding the criteria across prefecture-level cities in China from 2010 to 2015

由图 4可知, 2000~2015年我国大多地级市的化肥使用量超出国家规定的参考性指标, 且主要分布在中部地区和东部地区, 其中西部地区因地广人稀, 化肥使用量符合国家的参考性指标的地级市较多, 近16年来变化不大, 除了新疆和西藏的个别地区略微超标以外, 其他地区仍是化肥使用量的安全区域.近16年来全国地级市化肥使用量超出国家规定指标的地级市呈现直线增加状态, 扩张区域主要分布在黄淮海平原和长江中下游地区, 这些地区地势平坦, 气候温和, 雨水充沛, 适合农作物的种植和生长.为了追求更高的产量, 所以在农作物上不停的追加化肥用量, 导致化肥使用量超标的地级市呈现不断地扩张状态.近16年来广东省一直是化肥用量超标地级市的聚集地区, 主要原因在于广东省经济发展加快, 播种面积减少比例较化肥用量更多, 所以单位面积的化肥使用量一直处在较高的水平.由表 3可知, 我国近16年来化肥使用处在安全范围内的地级市减少57个, 而高等风险和严重风险的地级市共增加41个, 也从侧面说明了化肥的使用对环境的影响已越来越严重.

化肥的投入会明显增加粮食的产量, 粮食产量跟化肥用量之间存在着显著的相关性^[32~34], 因此, 从空间上分析粮食和化肥投入的关系会进一步帮助人们了解化肥的使用规律.

如图 5所示, 在4个时间断面内, 化肥使用量的标准差椭圆短半轴与长半轴相差不大, 说明各年份整体的向心趋势不明显, 方向分布略微由东北向西南倾斜.化肥使用量重心一直分布在河南省境内, 且整体由东部向西部地区移动, 呈“S”形的移动轨迹. 2000年化肥用量超标地级市的重心为115°10′E, 32°13′N, 重心位于河南省的南部, 2005年重心由2000年重心向西北方向轻微移动, 2010年由正阳县移至河南省信阳市内, 整体移动方向为西南, 2015年重心仍位于河南省信阳市境内, 但是由信阳市东南地区移动至西北地区, 重心坐标变为113°51′E, 32°22′N, 移动距离27.13 km, 为4个时期内移动距离最小的一年.纵观近16年来化肥用量超标地级市重心的整体移动轨迹, 两点直线距离为98.47 km, 变动经纬度为(2°41′E, 0°9′N), 整体重心呈现明显的西移. 4个时期内重心移动途经潢川县、息县、正阳县和信阳市, 由河南东南部向河南西部地区移动, 其中2000~2005年移动距离最大, 变化最明显.

图 5

Fig. 5

图 5 2000~2015年中国化肥使用量超标地级市重心及离散程度分析 Fig. 5 Standard deviation ellipse analysis of instances of fertilizer use exceeding the criteria across prefecture-level cities in China from 2000 to 2015

图 6是我国粮食的标准差椭圆分布及重心变化.近16年来的4个时期内, 粮食主产区的重心一直分布在山东省的境内, 长半轴明显长于短半轴, 方向分布呈明显的西南-东北的倾斜趋势. 2000年粮食主产区的重心坐标为115°31′E, 35°6′N, 位于山东省定陶县境内, 靠近河南边界; 2005年粮食主产区重心跟2000年重心相比, 移动距离79.78 km, 位移方向为西北方向, 2010年重心位于山东省平阴县, 由2005年向西北方向继续移动而来, 2015年粮食重心坐标为116°36′E, 36°30′N, 位于山东省长清县, 由2010年重心向西北方向移动40.78 km.近16年来粮食产量的重心移动轨迹, 呈近似直线的移动, 且移动方向为东北方, 2000年粮食重心与2015年粮食重心两点间直线距离为177.58 km, 移动经纬度变化值为1°5′E, 1°24′N. 4个时期内重心移动途经山东省内的定陶县、菏泽市、郓城县、梁山县、东平县、平阴县和长清县, 其中2000~2005年移动距离最大.

图 6

Fig. 6

图 6 2000~2015年中国粮食产量重心及离散程度分析 Fig. 6 Standard deviation ellipse analysis for grain production in China from 2000 to 2015

纵观2000~2015年化肥使用量超标地级市和粮食重心的变化, 化肥使用量超标地级市重心移动方向整体为由东向西, 而粮食产量重心的移动方向由西南向东北, 两者移动呈现类似垂直的方向, 明显趋于分离.

化肥使用量的多少受诸多因素的影响, 有自然因素也有人为因素, 包括近16年来种植结构的变化.基于此选择全国各地级市农作物播种总面积、有效灌溉面积、蔬菜产量和水果产量4个指标, 来分析与化肥使用量的相关度(表 4).因各地级市瓜果种植面积和蔬菜种植面积数据缺失较多, 而种植面积的大小势必影响产量的高低, 因此选用产量来代表种植结构在某种程度上的变化, 分析其变化与化肥使用量之间的关系. 表 5是我国2000~2015年粮食作物和果蔬种植比例的变化^[29].

表 4 (Table 4)

表 4 化肥使用量与各因素之间的皮尔逊相关系数1) Table 4 Pearson's correlation coefficient of fertilizer use and other influencing factors 影响因素 2000年 2015年 播种面积 0.727** 0.819** 有效灌溉面积 0.901** 0.895** 蔬菜产量 0.554** 0.679** 水果产量 0.568** 0.675** 1)**表示P < 0.01

表 4 化肥使用量与各因素之间的皮尔逊相关系数1) Table 4 Pearson's correlation coefficient of fertilizer use and other influencing factors

表 5 (Table 5)

表 5 粮食作物和果蔬类种植比例的变化/% Table 5 Changes in the proportion of planted of food crops, fruits, and vegetables/% 作物种类 2000年 2005年 2010年 2015年 粮食 69.39 67.07 68.38 68.13 果蔬 11.06 12.82 13.31 14.76

表 5 粮食作物和果蔬类种植比例的变化/% Table 5 Changes in the proportion of planted of food crops, fruits, and vegetables/%

由表 4可知, 在4个指标当中, 2000年与化肥使用量相关度最大的是有效灌溉面积, 而到了2015年虽然相关度仍然最大, 但较2000年却有所降低, 其他3个指标与化肥使用量的相关度则增大, 也在一定程度上说明了蔬菜和瓜果在农业生产中的重要度增加.而表 5种植比例的变化则表明, 虽然我国农业生产中仍以粮食作物为主, 但是近16年来果蔬作为经济类作物的代表, 其种植比例增加了3.7%.我国正处在农业转型的关键时期, 在种植结构变化中经济作物种植比例的增加是必然趋势^{[35, 36]}, 梁书民^[37]曾对我国农业结构的变化做过研究, 得出经济作物的发展变化在一定程度上决定了城镇化的发展, 两者相辅相成互相影响.

从分析结果来看, 2000~2015年虽然我国化肥使用量一直呈现增长状态, 但化肥使用总量较多的地区仍基本集中在东部和中部地区, 空间上呈明显不均衡的分布.最主要的原因就是在农业生产中, 地理因素是先天的外部条件, 气候降雨等会直接决定是否适合进行农业生产活动^[38].而我国的13个粮食主产区都分布于中部和东部地区, 农作物种植优势区本身就决定了会有更多的农业生产资料的投入^[39].冷热点分布格局表明, 从2000~2015年热点区域明显向北移动, 呈扩张趋势, 化肥使用量的高值区呈现明显向东北地区聚集.郭庆海^[40]曾对我国粮食的格局进行研究, 由于国家政策导向提出了振兴东北, 因此东北地区作为我国重要的商品粮基地的重要性必定会日益凸显, 这在一定程度上加剧了化肥高值区在东北的聚集和粮食重心的北移.我国于2001年取消了化肥增值税, 又于2004年开始在全国范围内推广实行农业补贴, 这在很大程度上刺激了农业生产中化肥的投入^[41].而核密度分析结果表明, 我国目前大部分地级市化肥使用量都处于超标状态, 最根本的原因还是化肥使用强度的增加导致了化肥使用总量的增加.总之, 化肥使用总量增加的主要自然因素是农业种植区的地理因素决定的, 而人为因素中种植结构的变化和国家政策的导向则起到了一定程度地促进作用.

(1) 2000~2015年我国的化肥折纯使用总量呈直线增加趋势, 而在区域内一直处于比较高的集聚状态.化肥折纯使用量经历了2000~2005年区域聚集状态增强, 2005~2010聚集状态减弱, 而2010~2015又增加的过程.

(2) 从全国化肥使用的空间分布来看, 2000~2015化肥使用总量呈现增加趋势, 主要表现是化肥使用量超标的地级市变多, 区域变广.东部经济发展较快的地区如广东省和福建省, 由于播种面积减少比例大于化肥使用量的增长比例, 导致超标地级市较为密集.

(3) 2000~2015年我国粮食重心的移动轨迹和化肥使用量的移动轨迹不相符, 粮食重心往东北地区移动, 而化肥使用量的重心往西部移动, 表明东北地区的商品粮地位越来越重要, 以及我国西部地区化肥使用量逐渐增加, 超标的趋势明显, 有关部门应加以重视.