环境科学  2023, Vol. 44 Issue (7): 3902-3912   PDF    
引用本文
俞映倞, 王逸之, 杨梖, 杨林章, 段婧婧, 韩雪梅, 薛利红. 太湖流域肥料施用策略调整对典型作物系统氮磷流失的影响[J]. 环境科学, 2023, 44(7): 3902-3912.
YU Ying-liang, WANG Yi-zhi, YANG Bei, YANG Lin-zhang, DUAN Jing-jing, HAN Xue-mei, XUE Li-hong. Effects of Fertilizer Application Strategy Adjustments on Nitrogen and Phosphorus Loss from Typical Crop Systems in Taihu Lake Region[J]. Environmental Science, 2023, 44(7): 3902-3912.
太湖流域肥料施用策略调整对典型作物系统氮磷流失的影响
俞映倞1, 王逸之1, 杨梖1, 杨林章1, 段婧婧1, 韩雪梅2, 薛利红1     
1. 江苏省农业科学院农业资源与环境研究所, 农业部长江下游平原农业环境重点实验室, 南京 210014;
2. 苏州市吴中区农业环境与土壤肥料站, 苏州 215104
收稿日期: 2022-07-13; 修订日期: 2022-09-19
基金项目: 国家重点研发计划项目(2021YFD1700801); 江苏现代农业产业技术体系项目(JATS(2021)120)
作者简介: 俞映倞(1986~), 女, 博士, 副研究员, 主要研究方向为农田养分循环和面源污染, E-mail：colleen_yu@163.com
通信作者: 韩雪梅, E-mail: 836837495@qq.com; 薛利红, E-mail: njxuelihong@gmail.com
摘要: 太湖流域种植业肥料施用强度普遍较高, 且以化学肥料为主要形态.因肥料投入不适宜, 种植业氮、磷流失问题显著.2015年以来, 各地区积极对种植业肥料施用策略进行调整, 但当前工作主要基于粮食作物系统且仍停留在化肥施用总量削减和有机肥施用面积提升层面上, 缺少菜地、果园、茶园作物系统的相关数据以及对农业环境问题的响应.对此, 以苏州市吴中区为太湖流域典型农区代表, 研究2019~2021年稻田、菜地、果园和茶园这4类作物系统肥料策略调整对氮、磷流失的影响.结果表明, 肥料源养分投入强度的调控是决定氮、磷流失的关键; 适宜的有机肥替代比例有助于降低氮、磷流失风险, 但有机肥施用需考虑时机并尽可能搭配农用机械.肥料效率是兼顾农业生产过程环境友好、生产主体经济效益的核心, 也是后期肥料施用策略调整的导向.稻田系统的肥料施用策略调整应重视养分中不同元素配比, 菜地系统应以种植结构调整为抓手, 茶园、果园系统可从复合系统视角制定同时满足茶、果生长的施肥策略, 助力构建满足农业绿色发展需求的作物系统.
关键词: 氮、磷流失      作物系统      肥料策略      太湖流域      稻田      菜地      果园      茶园     
Effects of Fertilizer Application Strategy Adjustments on Nitrogen and Phosphorus Loss from Typical Crop Systems in Taihu Lake Region
YU Ying-liang1 , WANG Yi-zhi1 , YANG Bei1 , YANG Lin-zhang1 , DUAN Jing-jing1 , HAN Xue-mei2 , XUE Li-hong1     
1. Key Laboratory of Agricultural Environment of the Lower Reaches of the Yangtze River, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Institute of Agricultural Resources and Environment, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China;
2. Suzhou City Wuzhong District Agricultural Environment and Soil Fertilizer Station, Suzhou 215104, China
Abstract: The intensity of crop farming fertilizer input is generally high in the Taihu Lake Region, with chemical fertilizer as the main form. Due to inappropriate fertilizer application, nitrogen and phosphorus loss have occurred, causing serious agricultural non-point source pollution. The Ministry of Agriculture and Rural Affairs of China has launched the "zero-growth action for chemical fertilizer use" and "replacement action with organic fertilizer" ("two actions" for short) campaigns since 2015. Local agricultural sectors adjusted fertilizer application strategies of crop farming to respond to the call of two actions. However, the current research is still focusing on reducing the total amount of fertilizer application and increasing the area of organic fertilizer application, which is mainly based on grain crops. The study of agricultural environment problems is still lacking, especially in vegetable, orchard, and tea systems. Therefore, a study was carried out in the typical agricultural area of Suzhou City Wuzhong District from 2019 to 2021. Based on the data of the amount of nitrogen and phosphorus removal by harvest crops and soil nitrogen and phosphorus residual in paddy, vegetable, orchard, and tea systems, the loss was estimated. The responses of nitrogen and phosphorus loss from typical crop systems to fertilizer application strategy adjustments were studied through analysis of different factors. The results showed that fertilizer application rate was the key to control nitrogen and phosphorus loss. Additionally, the suitable replacement ratio of organic fertilizer could further reduce the loss risk. It should be noted that the urgent demand for nutrients in crop growth should be considered to determine the timing of organic fertilizer application, and agricultural machinery should be used to assist organic fertilizer application to reduce labor output if possible. Fertilizer efficiency was the core of environmental friendliness and economic benefits of crop farming. Hence, improving fertilizer efficiency should be the guidance of fertilizer application strategy adjustment. Our suggestions on the adjustment of fertilizer application strategy in different crop systems in the study area are as follows: attention should be paid to the nitrogen, phosphorus, and potassium input ratio in paddy systems to further reduce nitrogen and phosphorus loss. Planting structure adjustment should be emphasized in vegetable systems to promote fertilizer efficiency. The strategy to satisfy both tea and orchard growth from a composite system perspective would help to build crop systems that meet the needs of green agricultural development.
Key words: loss of nitrogen and phosphorus      crop systems      fertilizer application strategy      Taihu Lake Region      paddy field      vegetable plot      orchards      tea plantation     

太湖流域农耕历史悠久, 自古享有“鱼米之乡”的美誉.水稻是该流域的主要粮食作物, 而特色果、菜、茶种植也应有尽有.因地处我国东部经济发达区域, 2010年前后太湖流域种植业肥料投入强度普遍较高, 且以化学肥料为主要养分来源.研究数据显示, 太湖流域稻田系统仅稻季的平均施氮量即超过350 kg·hm-2, 以化肥为主要养分来源[1, 2]; 菜地系统单季蔬菜种植的施氮量在300~500 kg·hm-2, 全年投入量可超过1 000 kg·hm-2[3, 4]; 以桃为代表的果园系统全年施氮量在300~800 kg·hm-2之间, 化肥源养分贡献占比约一半[5]; 以高产为目的的茶园系统施氮量达450 kg·hm-2, 有机肥来源的养分占比不足30%[6~8].在如此肥料施用策略下, 太湖流域典型作物系统的当季肥料效率不足40%, 且存在较高的土壤氮、磷盈余[9, 10].由于太湖流域水网密布, 农田到水系的距离大多不足百米.在灌溉和降水的驱动下, 土壤中盈余的氮、磷极易发生流失, 进入周边水系, 引发农业面源污染[11, 12].《全国第二次污染源普查公报》数据显示, 2017年仅种植业来源的氮、磷流失量就高达71.95万t和7.62万t, 分别占到总污染排放量的23.7%和24.2%[13].对此, 我国自“十一五”起已启动诸多科研专项, 研究结果表明, 以源头(农田内部)为切入点, 通过减少化肥施用量[14~17]、调整肥料种类[18, 19]和结构[20, 21]等肥料施用策略调整减少氮、磷排放, 是实现种植业面源污染防控最为有效的手段之一[22].

“十三五”以来, 农业农村部以农业绿色发展为目标, 以农业生产投入品(化肥和农药)为抓手, 组织开展“化肥使用量零增长行动”[23]和“果菜茶有机肥替代化肥行动”[24](简称两个“行动”), 力求通过肥料施用策略调整, 实现化肥的减量增效和氮、磷减排.苏州市吴中区作为太湖流域的农业生产重要区域, 是农业农村部两个“行动”的先行区域, 于2020年在全区尺度上实现了化肥使用量5%的减少(较2015年年鉴数据[25]).值得注意的是, 肥料作为种植业最重要的生产投入品之一, 对其投入总量和投入结构进行调整, 势必影响到作物系统的多个方面.首先, 肥料作为作物生长养分来源, 施用策略的调整直接决定着作物产量输出及氮、磷养分利用效率; 其次, 土壤中氮、磷养分的盈余情况也随之发生变化, 而这部分养分正是发生流失、贡献农业面源污染的主要来源[12, 26]; 此外, 肥料施用策略调整改变了生产主体用于购买肥料(化肥或有机肥)的资金投入以及施用这些肥料产生的劳务费用, 将继而影响生产主体的经济收益, 经济收益的改变又决定着调整后的肥料施用策略是否能够得到生产主体的认可并自发运作.

现有关于两个“行动”的成果展现尚且停留在化肥使用总量、有机肥施用面积等指标上, 且以粮食作物为主要数据产出, 缺少菜地、果园和茶园系统的相关数据, 也未对农业环境问题(如氮、磷流失风险)予以回应.肥料施用策略调整对稻田、菜地、果园和茶园这4大典型作物系统生产、环境和经济的具体影响如何, 化肥减量和有机肥替代哪一项是影响作物系统氮、磷流失风险的关键因素, 不同作物系统是否还存在进一步减量增效的空间, 这些问题有待解答.对此, 本研究以苏州市吴中区为典型太湖流域农业种植区, 调研该区域在2019~2021年对两个“行动”在稻田、菜地、果园和茶园这4类作物系统的践行情况; 通过对年际肥料源养分生产效率和收获期土壤氮、磷流失风险的估算, 研究不同作物系统对肥料施用策略调整的响应; 参比2015年数据[25], 分析各作物系统在时间轴上肥料源养分投入变化特征以及氮、磷流失的变化趋势, 结合对策略影响下经济效益的变化分析, 预判支持各作物系统肥料增效减排的技术方向, 以期为持续推进化肥减量增效, 破解农业环境问题提供支持.

1 材料与方法 1.1 肥料施用策略调研

本研究以苏州市吴中区为太湖流域的典型农业生产区, 以种植不同类型作物的生产主体为样本单元.连续3 a(2019~2021年), 对稻田、菜地(包含大棚蔬菜、露天蔬菜、水生蔬菜)、果园(包含枇杷、杨梅、柑橘)和茶园这4类作物系统全年肥料施用情况展开调研.调研以生产主体的耕作面积大小为导向, 兼顾不同镇区不同典型作物的覆盖情况选择具体调研对象.调研涵盖临湖镇、胥口镇和金庭镇等10个农业生产镇, 每种作物选取主要分布的2~6个镇区开展调研, 数据对作物面积的覆盖度达68%~99%.对生产主体进行走访和调研的内容主要包括：肥料品种和其中氮、磷、钾含量, 不同品种肥料施用量, 农产品产量, 用于肥料施用和作物收获的经费投入等.

1.2 作物产出信息统计

对不同类型作物, 以生产主体为样本单元, 以年际为时长, 分别进行作物产量统计.对于同时种植不同类型作物(如拥有枇杷和茶这2类作物)的生产主体, 分别对不同类型作物进行产量统计.对于一年多茬(如菱角、四叶菜等水生蔬菜)或同时种植多种作物(如同时种植番茄、青菜等蔬菜)的生产主体, 统计该类作物的全年所有产出, 以面积相除, 作为该生产主体该类作物的产量.此外, 同步统计各类作物当年市场售卖价格.对于涉及多种作物的生产主体, 根据每种作物产量和单价, 进行加权平均, 作为该生产主体该类作物当年的售卖均价.

1.3 土壤样品采集及指标测定

作物采摘或收获后, 采集样本单元土壤样品.稻田系统土壤样品采集于每年11月; 水生蔬菜、露天蔬菜和大棚蔬菜系统土壤样品分别采集于每年的9、11和12月; 枇杷、杨梅和柑橘系统土壤样品分别采集于每年的5、6和11月; 茶园系统土壤样品采集于每年5月.此后, 检测土壤pH、碱解氮(凯式法, Foss Scino KT260, 中国)、速效磷(钼锑抗比色法, SHIMADZU UV-1800, 日本)和有机质(重铬酸钾氧化-比色法, Thermo FLASH 2000 NC Analyzer)含量[27].

1.4 数据处理及统计分析 1.4.1 养分投入的变化率

根据每年生产主体的肥料施用策略调研结果, 明确每个生产主体对某类作物系统单位面积年际养分(以纯N、P2O5和K2O合计)投入总量, 以2015年该类作物系统的年际投入数据为参照, 计算养分投入变化率(负值为减投, 正值为增投), 见式(1)：

(1)

式中, Rrd为养分投入变化率(%); INPK为某类作物系统单位面积年际养分投入总量(kg·hm-2); ICK为2015年该类作物系统的年际养分投入总量(kg·hm-2).

1.4.2 有机肥替代比例

根据每年生产主体的肥料施用策略调研结果, 明确每个生产主体对某类作物系统单位面积年际有机肥来源养分(以纯N、P2O5和K2O合计)投入总量, 计算有机肥替代比例, 见式(2)：

(2)

式中, Rrp为有机肥替代比例(%); IONPK为某类作物系统单位面积年际有机肥来源养分投入总量(kg·hm-2).

1.4.3 肥料效率

在明确每个生产主体某类作物产量和对应年际养分投入总量的基础上, 以偏生产力为指标衡量肥料效率, 即单位重量养分的作物产出, 见式(3)：

(3)

式中, PFP为肥料效率(kg·kg-1); Y为生产主体某类作物产量(kg·hm-2).

1.4.4 氮、磷流失风险

将作物采摘、收获后土壤中碱解氮含量和速效磷含量作为该系统年际的氮盈余和磷盈余, 这部分未被作物吸收利用的养分具有较高的流失风险, 易以径流、淋溶等途径在后期发生损失[12, 26].为明确氮、磷流失系数, 在统计相关文献系数范围的基础上[28~30], 结合太湖流域前期已有研究中稻田系统[31, 32]、菜地系统[3, 4]和果园系统[5]肥料施用量、土壤养分盈余和氮、磷流失量的具体实测数据和环境发展专报[33]中对太湖流域农田氮、磷流失规律的解析, 校准和缩小系数范围, 为不同水分管理习惯下农田系统分别确定氮、磷流失系数.根据流失系数分别估算氮流失量和磷流失量, 进行叠加, 作为各系统氮、磷流失量, 见式(4)~(6)：

(4)

式中, Nloss为氮流失量(kg·hm-2); Nsurplus为作物采摘收获后土壤的氮盈余(kg·hm-2); ConN为氮流失系数(%), 水田系统(稻田系统、水生蔬菜系统)氮流失系数设为20%, 其他旱作系统设为11%[28, 29].

(5)

式中, Ploss为磷流失量(kg·hm-2); Psurplus为作物采摘收获后土壤的磷盈余(kg·hm-2); ConP为磷流失系数(%), 水田系统(稻田系统、水生蔬菜系统)磷流失系数设为5%, 其他旱作系统设为4%[30].

(6)

式中, NPL为氮、磷流失量(kg·hm-2).

1.4.5 生产经济收益

本研究对各类作物系统经济收益的测算以产量对应的农产品售卖作为经济收益, 以用于肥料购买(化学肥料和有机肥料)和农产品采摘加工的支出作为成本投入, 两者差值作为净收益.此处计算不包括土地租赁费用.各类农产品、肥料和采摘加工的具体计算依据见表 1.

表 1 不同作物系统农业生产的生产投入和农产品售卖产出等计算依据 Table 1 Calculation basis for input and output of agricultural products and materials in different crop systems

1.4.6 模型分析

将肥料施用策略中的养分投入、有机肥替代以及肥料效率、氮、磷流失作为影响因子, 估算不同类型作物系统中生产经济收益对因子的响应.回归模型如下：

(7)

式中, t为单一年份某种作物系统中的样本单元; AIt为t样本的生产经济收益; α0为回归模型中的常量; αk为k控制变量对应的回归系数; k为回归模型中的单一变量单元; Controlskt为对应t样本的k控制变量; εt为t样本的残差.

1.4.7 统计分析

本研究采用SPSS 19.0中Duncan法对每类作物不同有机肥替代比例下的氮、磷流失风险、偏生产力、养分投入以及每类作物肥料效率和氮、磷流失风险的年际变化数据进行差异显著性分析(ANOVA, P < 0.05); 最小二乘法模型(ordinary least square)估算氨挥发排放对不同影响因子的响应情况; 采用Microsoft Excel软件对数据进行制图.

2 结果与讨论 2.1 养分减施对氮、磷流失和肥料效率的影响

数据显示, 肥料投入与氮、磷流失有着良好的线性关系[图 1(a)、1(c)、1(e)和1(g)].4类作物系统中, 稻田系统、枇杷系统、水生和露天蔬菜系统具有较大的线性斜率, 说明这4类作物系统氮、磷流失对养分投入的变化更为敏感, 减少肥料源养分投入可有效降低对这些作物系统的流失风险控制.考虑到作物在一定时间内用于生长、结实的养分需求是一定的, 种植季结束后土壤中速效态氮、磷是未被作物吸收利用的养分盈余, 有较高的流失风险[26].此前大量研究已验证, 基于测土配方和作物供需的肥料减投, 可以在满足作物生长的前提下, 有效降低稻田[14]、菜地[3]和茶园系统[34]与坡耕地环境下的氮、磷流失[17], 也是未来农田系统养分运作的一大趋势[12, 22].

横坐标为参比2015年养分投入变化率, 正值为增加, 负值为减少 图 1 氮、磷流失和偏生产力对养分投入变化的响应 Fig. 1 Responses of nitrogen and phosphorus loss and partial productivity to nutrient inputs

另一方面, 从偏生产力对养分投入变化的响应数据来看, 养分减投可一定程度提高水稻系统和柑橘系统的肥料效率[图 1(b)和1(f)].菜地系统中, 大棚蔬菜相较于水生和露天蔬菜系统, 养分投入变化对其肥料效率的影响较小[斜率较小, 图 1(d)].杨梅系统数据显示, 该系统的养分投入变化并不会影响肥料效率[无法进行线性拟合, 图 1(f)].提高肥料效率, 是减少养分投入条件下保障作物产量的前提[35].Xin[15]通过分析近20年粮食作物数据发现, 养分过量投入现象仍十分普遍, 这是导致肥料效率低下的主要原因, 相似的结论也体现在菜地[3]和果园[5]系统之中.本调研发现偏生产力对养分投入量变化的不敏感, 说明这些作物系统的农产品产出对当前形势下养分投入的依赖性不强, 换言之产地环境中已有大量的养分盈余[26], 也暗示着当前养分配比存在不合理的可能.

2.2 有机肥替代对氮、磷流失和肥料效率的影响

不同作物生长对有机质的需求差异, 将调研数据中每类作物系统的有机肥替代比例以25%为距进行数据样本分割, 比较不同有机肥替代比例范围下的氮、磷流失风险和偏生产力的影响.有机肥大多施用作基肥, 不同于化学肥料, 其中养分并非速效形态, 因此, 在整个作物生长期乃至更久的时间段, 处于缓慢矿化、释放的状态, 因此, 其对氮、磷流失的影响具有较强的不确定性.本次调研的研究数据显示, 有机肥替代比例的提升可能会增加种植季结束后土壤中速效养分含量, 以此加大氮、磷流失风险(图 2).前期亦有不少研究认为, 有机肥不合理施用将增加农田氮、磷流失风险[36~40].

对不同作物系统或不同作物类型的氮、磷流失风险和偏生产力分别进行统计分析, 相同字母表示统计学差异不显著(P≥0.05); 菜地系统中, 小写字母为大棚蔬菜的统计学结果, 大写字母为露天蔬菜的统计学结果, 水生蔬菜由于样本过少, 未能进行统计分析; 果园系统中, 不含括号的小写字母为杨梅的统计学结果, 大写字母为枇杷的统计学结果, 含小括号的小写字母为柑橘的统计学结果 图 2 不同有机肥替代范围下的氮、磷流失和偏生产力 Fig. 2 Nitrogen and phosphorus loss and partial productivities under different replacement ratios of organic fertilizer

值得注意的是, 当有机肥替代比例高达一定数值后(75%~100%或全量有机肥), 氮、磷流失风险又会有所减少.考虑到有机肥施用对机械和劳动投入有较为特殊的需求, 因此将不同有机肥替代比例下的养分投入削减情况进行了统计.结果显示, 采用较高有机肥替代比例这一肥料施用策略的生产主体, 往往会一定程度降低养分投入量(表 2).尤其是全量有机肥施用条件下, 养分投入的削减在稻田、果园和茶园系统中均达到了显著(表 2).虽然, 对多数作物系统而言, 有机肥替代对氮、磷流失的影响未达到显著(图 2), 但不同作物系统氮、磷流失风险峰值所在的有机肥替代比例范围仍存在一定差异.稻田系统和菜地系统中有机肥替代比例在25%~75%时, 氮、磷流失风险较高[图 2(a)和2 (c)]; 果园系统和菜地系统较高的氮、磷流失风险出现在替代比例50%~100%范围内[图 2(e)和2(g)].与之对应的是, 菜地、果园和茶园系统在有机肥替代25%~75%范围内有着显著高于其他代替范围的养分投入量(表 2).值得注意的是, 若仅增加有机肥替代比例不减少投入强度(表 2), 稻田和茶园系统的氮、磷流失并不会由此减少[图 2(a)和2(g)], 蔡佳佩等[37]对稻田系统田面水氮、磷养分浓度的研究亦证明了此观点, 而现阶段尚未见茶园系统的相关报道.

表 2 不同有机肥替代比例下养分投入变化率1)/% Table 2 Change in nutrient input under different replacement ratios of organic fertilizer/%

尽管, 有机肥替代带来的肥料效率(以偏生产力表示)差异在多数作物系统中未达到显著, 然而, 由于养分投入总量也发生着变化, 有机肥施用比例改变对肥料效率的影响途径较为复杂.首先, 有机肥和化肥的配施往往会较纯化肥施用的策略增加养分投入量(表 2), 若对作物产量促进效果不显著, 则偏生产力将呈现下降趋势[图 1(b)、1(d)、1(f)和1(h)].其次, 随着有机肥替代比例的提升, 养分投入量在多个作物系统中显著下降, 稻田、果园、茶园系统在有机肥全量替代条件下具有较高的偏生产力[图 1(b)、1(f)和1(h)].但是, 有机肥中养分需矿化后才能被作物吸收利用, 因此当季利用效率往往不高[38].菜地系统全量有机肥施用不能满足作物生长对速效养分的需求, 因此对产量产生了负面作用, 偏生产力有所降低[图 1(d)].由此可见, 为特定土壤环境下的不同作物系统寻找适宜的有机肥替代比例, 对于提高肥料效率、降低氮、磷流失风险, 是至关重要的.

2.3 区域尺度年际变化 2.3.1 养分投入强度、配比及有机肥替代的年际变化

从养分投入强度上看, 相比于2015年的肥料施用数据, 近3年各类典型作物系统的养分投入强度均有显著下降.其中, 果园和茶园系统养分投入强度的下降幅度最大, 2021年数据较2015年削减超过一半[图 3(e)和3(g)]; 稻田系统养分投入强度削减幅度在37%~46%之间[图 3(a)]; 菜地系统在27%~41%之间[图 3(c)].

以2015年的肥料养分投入情况为参比, (a)、(c)、(e)和(g)柱子上所标数字为2015年的数值变化率, 负值表示减少, 正值增加; (b)、(d)、(f)和(h)标明了有机肥的替代比例 图 3 不同作物系统肥料养分投入强度、组成和有机肥占比的年际变化 Fig. 3 Interannual changes in fertilizer input intensity, nutrient composition, and ratio of organic fertilizer in different crop systems

从养分配比上看, 稻田系统显著减少了磷的投入[图 3(a)].考虑到当地稻田土壤普遍具有较为充足的磷素水平(数据未显示), 且水稻生长对磷的依赖较小[41], 稻田系统对磷投入的调控将有助于降低其流失风险[图 1(a)][10, 42].此外, 菜地、果园和茶园系统均减少了磷钾的投入强度[图 3(e)].果园系统的产出为果实结实部分, 当前较低的磷钾投入可能会对作物的生殖生长带来不利影响[43].对于茶园系统而言, 稳定氮和充足磷的供给是收获优质新叶的关键, 近3年, 茶园系统氮投入强度较为稳定, 磷投入强度及占比均下降显著, 可能会一定程度改变茶叶品质[7].

从有机肥替代比例上看, 稻田系统仍以化肥为主要肥料种类[图 3 (b)], 菜地系统有机肥替代比例已接近一半[图 3 (d)], 果园系统则超过一半[图 3 (f)], 茶园系统相对较低[图 3 (h)].对稻田系统而言, 若缺乏适宜配套机械辅助, 有机肥大比例替代可能会大大增加用工成本.对菜地系统而言, 基于当前的有机肥替代比例, 在保证产量的基础上进一步提升的空间并不算大.前期关于菜地系统有机肥替代的研究多以20%~75%作为适宜替代比例进行推荐[26].此外, 虽然有机肥施用有利于维持土壤环境氮、磷稳定[图 2 (c)], 但是菜地系统作物生长速率大, 对养分需求较急, 有机形态养分的供应力能否满足蔬菜生长所需, 是值得关注的.对果园系统而言, 当前较高的有机肥替代比例主要得益于农户对有机肥提升果品作用的认知以及对植物源有机废弃物(豆粕)回用传统的延续[43, 44].对于多数位处坡耕地环境的茶园而言, 有机肥表施效果较差, 而传统固态有机肥运输和开沟施用均增加了人工成本的投入.因此, 茶园系统有机肥替代比例的提升需依赖农机的配套和高浓度液体有机肥的应用推广.

2.3.2 区域氮、磷流失风险的年际变化

本次调研区域的肥料施用策略调整主要推行于“十三五”初期, 因此, 2019~2021年区域范围内菜地、果园和茶园系统氮、磷流失风险虽仍有下降趋势, 但年际间变化并不显著(图 4).4类作物系统中, 菜地系统的氮、磷流失风险最高, 稻田和茶园系统相对较低.菜地系统由于年种植季较多, 养分投入的绝对量是其他作物系统的10倍左右[图 3(c)], 而氮、磷流失风险仅相较其他作物系统提升38%, 充分说明菜地系统拥有较大物质流通量, 调整该系统肥料施用策略对降低氮、磷流失风险的意义很大[3, 45].

对不同作物系统的年际氮、磷流失情况分别进行统计分析, 相同小写字母表示某种作物系统氮、磷流失年际差异在统计学上不显著(P>0.05) 图 4 不同作物系统氮、磷流失的年际变化 Fig. 4 Interannual changes in nitrogen and phosphorus loss in different crop systems

此外, 果园和稻田系统的养分投入强度相近, 由于果园系统作物收获后的土壤中仍有较高的养分残留且水田和旱作地的流失系数存在差异[28, 30], 果园系统较稻田系统具有更高的氮、磷流失风险, 而有关果园系统的肥料施用策略探索略显不足.值得注意的是, 2020年果园系统氮、磷流失风险有较明显的下降(图 4), 与之对应的是该年有机肥施用比例的明显提升[图 3(f)], 这暗示着在养分投入量固定前提下有机肥替代比例的提升将会是降低果园系统氮、磷流失风险的有效手段.

2.4 肥料施用策略应对经济收益的兼顾

在保证生产的前提下, 为太湖流域典型作物系统寻找影响氮、磷流失风险的主要因素, 是本研究的目的之一.已有数据表明, 养分投入量的调控是决定氮、磷流失风险的关键(图 1), 但是, 从生产主体角度, 以其经济收益的增长为结果的肥料施用策略的调整才具有实操性和自发运作的能力.关于生产经济收益的回归分析显示(表 3), 肥料施用策略本身(养分投入和有机肥替代比例调控)对多数作物生产经济收益的影响并不显著, 而肥料效率却能够显著影响生产经济收益.

表 3 生产经济收益对肥料施用策略、肥料效率和氮、磷流失的响应1) Table 3 Response of economic benefits to fertilizer application strategy, fertilizer efficiency, and nitrogen and phosphorus loss

肥料施用策略本身对生产经济收益影响不显著, 很大程度和肥料购置在生产过程总经济投入占比较低有关.除菜地系统的肥料购置经济投入占比高于30%, 稻田、果园和茶园系统的肥料投入占比均低于10%(图 5).从养分投入角度, 茶园系统的养分投入对经济收益有促进作用.前期研究发现, 土壤中养分通常不能满足茶树生长需要, 施用肥料对茶叶产量促进作用显著[46, 47], 比起用于肥料购置的经济投入, 肥料投入带来的茶园产量提升更为显著; 此外, 生产主体对有一定量肥料投入的茶园有着更高的采收积极性, 将尽可能采摘芽期茶叶, 促成商品茶产出.从有机肥替代角度, 有机肥替代比例的提升减少了稻田系统的经济收益.这从侧面说明了当前稻田系统有机肥替代比例较低[图 3(b)]的原因是有机肥大比例替代会显著提高大田作物(此处为稻田系统)的用工成本.因此, 适宜的配套机械和技术指导是推广有机肥施用必不可少的前提条件.不同于稻田和菜地系统, 果园和茶园系统的经济收益呈现出对有机肥替代正反馈(未达到显著), 前期也有相关研究证实适宜比例的有机肥替代更有利于提高茶园、果园系统的产量和品质[8], 由此提升经济收益.因此, 相较于稻田系统, 果园和茶园系统有机肥替代更易被生产主体接受.

图 5 不同作物系统用于肥料购置的经济投入占比 Fig. 5 Proportion of economic inputs for fertilizer acquisition in different crop systems

肥料效率提升对生产经济收益影响显著(表 3).这充分说明, 后期肥料施用策略的调整应以提升肥料效率为导向.较为意外的是, 菜地和茶园系统的氮、磷流失风险和生产经济收益呈现正相关, 即具有较高氮、磷流失的生产主体(数据单元)往往能够获取更高的经济收益(表 3), 这说明菜地和茶园系统作物产量对肥料源养分投入有着较强的依赖性.这可能与菜地系统养分配比不合理[48], 以及果园系统土层对氮、磷保持力较弱有关[8, 34].菜地和茶园系统氮、磷流失风险和生产经济收益的正相关性, 更说明相比于氮、磷流失量的绝对值削减, 以提升肥料效率为目标从多个方向着力调整肥料施用策略, 才能实现环境效益和经济收益兼顾.

3 建议

(1) 稻田系统进一步削减养分投入强度的余地已不大, 宜从调整元素比例方面入手, 进一步降低氮、磷流失风险.

(2) 菜地系统肥料施用强度的调整与蔬菜作物的选择息息相关, 在保证产量的基础上进一步提升菜地系统有机肥替代比例的空间并不算大, 调整种植结构将是未来菜地系统肥料提效减排的关键.

(3) 该区域有不少面积的茶树种植于果树下, 从茶-果复合系统的角度出发, 制定同时满足茶、果生长的施肥策略, 将更有利于减少茶、果养分争夺, 提升肥料利用效率, 构建共生生境.

4 结论

(1) 养分投入强度的调控是决定氮、磷流失的关键, 基于测土配方和作物供需的养分投入调控可以在保产前提下, 有效降低作物系统的氮、磷流失风险.

(2) 有机肥替代并非多多益善, 在适宜养分投入范围内的适宜比例有机肥替代才能进一步降低氮、磷流失风险.由于有机肥中养分非速效态, 施用时机需考虑作物对养分需求的缓急.稻田系统有机肥替代应以适宜的配套机械和技术指导为前提.相较于稻田, 果园和茶园系统有机肥替代更易被生产主体接受.

(3) 以提升肥料效率为导向的肥料施用策略调整将更有利于增加生产主体的经济收益.菜地和茶园系统的肥料施用策略调整要兼顾好环境效益和生产主体的经济收益, 以此保证策略具有自发运作能力.

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