两熟区是我国粮食作物和经济作物生产供应的重要区域,如华北平原、黄土高原、江淮丘陵等区域[1]。在漫长的历史发展过程中,两熟区形成了众多的种植类型,特别是轮作,栽培面积广泛。其中既有冬小麦(TriticumaestivumL.)-夏玉米(ZeamaysL.)这样典型的粮食作物组合,也有冬小麦-夏大豆[Glycinemax(L.)Merr.]、小麦-花生(ArachishypogaeaL.)、小麦-棉花(Gossypiumspp.)等粮食作物与经济作物组合,甚至还有大蒜(AlliumsativumL.)-棉花等具有区域特色的作物组合。多样的轮作类型充分利用了当地光温热资源,对于国家大宗粮油作物、特色作物供给,保障国家粮食安全、促进农民增收、农业增效发挥了不可替代的作用。从养分与环境的关系来看,当某种养分的投入大于支出时,就会造成该养分盈余,反之则造成养分亏缺,短期、适度盈余或亏缺不会影响环境,也不会影响作物生长,而长期大量盈余或亏缺则不仅会影响产量、品质,降低肥料利用效率,还会引起诸多环境问题[2]。尤其是磷素,磷盈余引起的土壤磷含量提高会增大通过地表径流和渗漏量进入环境的量[3-4],从而会对土壤、水环境造成负面影响,如地表水富营养化等问题[5-7]。因此,建立基于地块的预警系统,进行农田磷素流失预警对优化施肥措施,提高肥料利用效率及保护环境意义重大。

一个区域轮作制度是多年逐渐形成的相对稳定的作物组合,由于累积效应往往造成不同轮作系统之间的养分平衡状况差异巨大。轮作是作物种植的基本单元,也是决定周年养分投入的基本单元。由于轮作对于周年养分乃至多年养分累积(盈余或亏缺)的决定性作用,故地块的多年养分平衡状况可通过周年轮作的养分盈余评估计算[2]。因此以周年轮作系统为研究的基本单元。一方面,由于组成某种轮作系统的作物是固定的,而作物对养分吸收的偏好及农民生产习惯等因素,长期固定轮作会导致土壤中某种养分的过剩或匮乏,以及病虫害加剧、土壤盐渍化、酸化等问题,不利于农田生态系统稳定,最终造成产量降低。另一方面,即使同一种轮作系统,由于不同农户管理水平的差异,不同地块间养分平衡状况有极大差异。因而预警系统既需要考虑轮作的共性特征,又需要考虑农户个体极端风险,基于地块进行预警系统研究对于环境风险管控更具科学价值。而我国尚缺乏针对地块的从环境风险角度考虑的预警系统。目前的环境风险预警往往针对的重金属指标[8-9]、畜禽养殖[10],或从社会经济等宏观角度出发[11],尚缺乏农业环境风险预警系统。据农业调查,农业面源污染在总污染中占比严重,据2010年《第一次全国污染源普查公报》结果,我国农业污染源(不包括典型地区农村生活源)的总氮(TN)和总磷(TP)排放分别为270.46万t和28.47万t,占地表水体污染总负荷的57.2%和67.4%。可见,农业面源污染已经成为当前地表水体污染的主要来源[12-13]。在植物必需的3种大量营养元素中,对环境影响最大的营养元素是磷和氮,这可以从历年《中国环境状况公报》公布的地表水主要污染物类型看出[14-16]。然而由于在农田生态系统中氮素的循环途径非常多,氮素挥发与径流、淋溶等损失的影响因素多,造成氮表观平衡值往往变化比较大;与氮素相比,磷素循环途径则相对稳定,没有气态损失,磷的表观养分平衡与环境污染的相关性高,且计算方便,因而本文选择磷素作为环境风险预警指示元素。施肥量既关系到农民生产成本,又关系到农业环境健康。近些年来,我国农业面源污染形势日趋严峻,对农业环境保护空前重视,“绿水青山就是金山银山”理念日益深入人心,亟需开发一种针对地块种植磷素流失风险进行预警的简便易行的方法,既便于国家、区域或地方农业主管部门进行种植业结构调整,也利于农户自身判断与决策。本研究从分析农田养分平衡关键元素入手,通过筛选农田地块适宜预警的关键元素(磷)、环境风险产生的关键环节入手,提出适合我国小农户现实国情的、基于农田地块级别的预警指标体系,并以华北两熟区5种轮作类型、38个地块的调查数据为例进行了验证。

1、研究方法

1.1 轮作系统农田磷流失风险预警评价指标体系的建立

农田磷素流失风险首先取决于轮作周期内磷素投入与输出量的差异(即:数量因素),也取决于周年内不同茬次间的比例(即:运筹因素),还要考虑流失过程的控制因素(即:过程因素)。因而本文着重从以上3个方面选择关键因素形成预警评价指标体系。数量因素:农田磷素平衡是广为应用的指标,主要用于土壤肥力评估、肥料利用效率、肥料量推荐、农学阈值等方面[17-20],而磷素平衡与磷素流失关系、环境阈值的研究相对较少。过程因素:磷在土壤中的移动与土壤质地有关,土壤质地是影响磷流失的重要因素之一。一般来说,质地细的土壤的磷吸附能力强。在美国两种不同黏粒含量的土壤研究发现,黏粒含量32%的土壤造成的磷素流失远远小于黏粒含量为5%的土壤[21];中国紫色土研究发现0~15cm层中0.001mm黏粒团聚度与径流泥沙中全磷、速效磷含量显著正相关[22]。土壤质地主要取决于母质,也受到地形等因素影响。运筹因素:磷肥总量和磷肥在不同茬次间分配是影响磷素流失的重要因子。根据土壤磷有效性变化规律和轮作作物的磷养分吸收规律,对轮作周期的每种作物的磷进行科学分配。研究表明,一年两熟地区的旱地,磷肥重点施用在冬季作物上(冬重夏轻)[23],而这恰恰在当前肥料运筹中被忽视(详见本文农户调查结果)。磷素在不同季节(或茬次)间分配的科学性与否,在一定程度上决定了作物对土壤磷素吸收利用的程度,并进一步决定其环境污染概率。基于以上3类因素,确定了预警系统采用3级指标评价体系,分别为:周年磷平衡、土壤质地、周年磷肥运筹(秋播与夏播作物磷肥投入之比,即“P秋/P夏”)。一级指标为周年磷平衡状况,该指标决定了不同的色系[绿色(环境相对友好)、红色(环境风险预警)、黄色(环境风险中等)],在此基础上再依据土壤质地(二级指标)与磷肥在不同茬次间分配情况(三级指标)细分,共分为6种预警级别(深绿、浅绿、浅黄、深黄、浅红、深红,深和浅表示各级别的程度)。根据不同土壤质地对磷盈余的保持能力(黏土>壤土>沙土)分别将沙土、壤土、黏土的最适宜磷素平衡定为0.9~1.1、0.8~1.2和0.7~1.3。

1.2 风险预警实施步骤

首先分别测定、计算地块的周年磷平衡、耕层土壤质地与周年磷肥运筹,然后将所得结果填入系统预警表相应位置即可自行得到该地块、当前轮作类型的预警级别。具体步骤如下:

1)计算地块的周年磷平衡,即农田磷素周年投入与产出之比:周年磷平衡=两茬作物的磷投入量/两茬作物的磷带走量

投入包括一年两茬作物投入的基肥和追肥中有机肥、化肥的磷含量,以肥料施用量乘以该肥料磷含量(P2O5)计算;带走量包括一年两茬作物收获携出量,以单位产量带走磷养分量(P2O5)乘以产量计算。

2) 测定目标地块的耕层土壤质地采用土壤质地速测方法,即手测法判断耕层土壤的质地,分为砂质、壤质、黏质3种[24]。

3) 计算秋播作物与夏播作物磷肥投入比计算秋播作物与夏播作物磷肥投入比(P秋/P夏),该步骤的科学依据为根据土壤磷循环的生物地球化学特征,周年中磷肥应重点施用在秋播作物上以提高磷肥利用效率[23],计算公式如下:

P秋/P夏=秋播作物磷投入量/夏播作物磷投入量

秋播作物磷投入量和夏播作物投入量分别包括一年两茬作物所投入的基肥和追肥中有机肥、化肥的磷含量,以肥料施用量乘以该肥料磷含量(P2O5)计算。

4) 根据以上步骤计算结果,依据表1判断地块农田的磷预警级别。

表1   一年两作轮作农田磷流失预警指标体系表

用绿、黄、红3种色系代表预警级别,红色代表磷流失风险等级最高,绿色有环保之含义代表磷流失风险最低,而黄色表示磷流失风险居中。色系的选择由周年磷平衡值决定,每种土壤质地均包括此3种色系:绿色系列代表周年磷投入量比较合理;黄色系列代表周年磷投入量偏少,需增加磷肥投入量;红色系列代表周年磷投入量偏多,需减少磷肥投入量。每种色系又根据周年磷肥运筹细分为深浅两级,共计6种颜色,分别代表6种预警级别,各颜色所代表的含义如下:深绿代表磷肥施用合理、茬次间分配合理、环境友好。浅绿代表磷肥周年投入总量合理,但茬次间的分配不合理,需调整磷肥的茬次间分配;环境风险较低。浅黄代表磷肥周年投入偏少,但茬次间的分配合理,需增加磷肥的周年总投入量;环境风险较低。深黄代表磷肥周年投入偏少,需调整季节分配,需增加磷肥的周年总投入量;环境风险中等。浅红代表磷肥投入过量,季节分配合理,需减少磷肥的周年投入量;环境风险高。深红代表磷投入过量,且茬次间分配不合理,需减少磷投入量,且调整茬次间的分配;环境风险极高。

1.3 应用验证

采用本课题组调查数据对该方法体系进行说明,并运用得到的结果对该区域的轮作风险进行分析。数据来源为课题组2015年在山东、河北两个省6个地区的11个县市共38个农户地块的调查结果,主要包括华北地区5种轮作类型:冬小麦-夏玉米、冬小麦-夏大豆、小麦-花生、小麦-棉花、大蒜-棉花;调查内容包括地块位置、轮作情况、作物产量、施肥、耕层土壤质地等信息。调查取样的原则采用“随机等比例”调查,即首先按照各县统计数据中的各种作物播种面积确定各县的取样点数量,然后在各县该种作物的集中种植区重点取样,而具体取样位置采用随机原则,以最大限度地保证取样的代表性。编号采用“县名+顺序号”命名法。

2、结果与分析

在华北两熟区38个农户地块上的周年磷平衡、秋播与夏播磷肥投入比、耕层土壤质地及根据本文建立的预警方法得到预警结果如表2所示。

表2   华北不同轮作系统的周年磷平衡、秋播作物与夏播作物磷肥投入比、土壤质地及预警结

2.1 不同轮作类型的周年磷平衡

结果表明,调查的38个地块中,两茬作物的周年磷平衡值大于1的有30个,占总样本量的79%,≤1的有8个,占总样本量的21%,说明绝大部分地块磷投入量超过带走量,为盈余状态;按照轮作类型统计,调查的5种轮作类型中,周年磷平衡平均值从大到小依次为:冬小麦-夏玉米(1.66)、冬小麦花生(1.60)、大蒜-棉花(1.00)、冬小麦-大豆(0.85)、冬小麦-棉花(0.75)。可以看出,种植面积最大、调查样本量也最多的冬小麦-夏玉米轮作类型的周年磷平衡平均值恰恰也是最大,表明当前华北地区冬小麦-玉米轮作总体上磷肥投入过量,普遍超过了其需求量造成磷盈余。这也与土壤速效磷含量持续上升的诸多证据相互印证[25-26]。广大区域内种植面积最大的大宗粮食作物磷肥盈余如此严重,不仅造成严重了肥料资源浪费,也会有潜在的日益增加的环境风险,亟需加强磷肥管理。统计分析还表明,同一轮作类型内部,不同农户之间的周年磷平衡值差异巨大,以样本量最大的两种轮作类型为例:冬小麦-夏玉米轮作最大值为2.80,最小值仅为0.70,两者相差3倍,标准差为0.58;冬小麦-花生最大值为2.30,最小值仅为1.00,两者相差1.3倍,标准差为0.44(表3)。说明华北地区同一轮作类型内,不同农户之间磷投入差异巨大,农户对磷肥施用缺乏科学足够认识,从另一侧面反映了加强磷肥管理的必要性。

表3   华北几种典型轮作类型的周年磷平衡

2.2 不同轮作类型的周年磷肥运筹(秋播与夏播磷肥投入比)情况

调查的38个地块中,秋播与夏播磷肥投入比(周年磷肥运筹)>1和≤1的地块数量正好相等(#DIV/0!代表夏播作物磷投入量为零,此种情况按“P秋/P夏>1”计),说明从周年磷肥统筹的角度来衡量(“P秋/P夏>1”为合理,“P秋/P夏≤1”为不合理),所调查的50%地块磷肥运筹不合理;若按照轮作类型统计,调查的5种轮作类型中,1种(冬小麦-夏玉米)平均值>1,为1.28(由于#DIV/0!无法计算,此处统计平均值时去掉),整体比较合理;1种(冬小麦-花生)平均值为0.87,整体表现为不合理;另外3种(冬小麦-大豆、大蒜-棉花、冬小麦-棉花)均为夏播作物不施磷肥,虽然按照此评价方法结果为合理,但是由于夏播作物完全不施磷是否能够保障该茬作物全生育期供应,尚需更多田间试验验证。统计分析还表明,同一轮作类型内部,不同农户之间的周年磷肥运筹差异巨大,以样本量最大的麦玉轮作类型为例(由于#DIV/0!无法计算,此处统计平均值时去掉):秋播与夏播磷肥投入比最大值为2.70,最小值仅为0.90,两者相差2倍,标准差为0.61。

2.3 预警结果情况

38个地块中,磷肥施用合理、茬次间分配合理、环境友好(深绿)的地块仅4个,占总样本量10.53%;磷肥周年投入总量合理,但茬次间的分配不合理,需调整磷肥的茬次间分配,环境风险较低(浅绿)的地块5个,占总样本量13.16%;磷肥周年投入偏少,但茬次间的分配合理,需增加磷肥的周年总投入量,环境风险较低(浅黄)的地块5个,占总样本量13.16%;磷肥周年投入偏少,需调整季节分配,增加磷肥的周年总投入量,环境风险中等(深黄)的地块2个,占总样本量5.26%;磷肥投入过量,季节分配合理,需减少磷肥的周年投入量,环境风险高(浅红)的地块9个,占总样本量23.68%;磷肥投入过量,且茬次间分配不合理,需减少磷投入量,且调整茬次间的分配,环境风险极高(深红)的地块13个,占总样本量34.21%。由以上结果可知,磷流失高环境风险(包括高和极高)的轮作地块达57.89%,即一半以上地块的轮作方式存在高或极高的环境风险,亟需引起足够的重视,后续可通过调整轮作类型的方式加以改善,综合考虑经济效益和环境风险,寻找到最优轮作方式。

3、讨论与结论

3.1 讨论

关于磷平衡的计算对象,本文采用了一个轮作周期中所有作物的磷素平衡,而非单茬次作物的磷平衡,这是由于对于有长期种植历史的地块来说,一个轮作周期是一个基本的种植单元。而该地块多年磷素的累积(或盈亏状况)直接取决于轮作(而非单茬)磷平衡值的正负与绝对值大小。关于周年磷平衡的计算方法,本文采用周年磷投入量与带走量的比值(而非二者的差值)。即:周年磷平衡=两茬作物磷投入总量/两茬作物磷带走总量。通常磷平衡值的计算是投入与产出的差值,即磷平衡的绝对值[2,27]。但此种方法得到的磷平衡值,由于不同作物(轮作)类型之间对磷素吸收量的差异较大,从而难以用统一的标准判断结果的合理性,而只能分别对不同轮作类型采用不同的数据单独判断,限制了应用的灵活性。本研究中磷平衡的计算采用投入与产出的比值(商)而非差值,使不同轮作类型之间的磷平衡可以进行统一量化和比较;当然具体值还可根据将来试验进一步优化。为了操作方便,本方法周年磷肥运筹简化为以P秋/P夏=1(即两茬作物的磷投入量相同)为界限,仅分成>1和≤1两种情况。将来如果某地有不同轮作类型茬次最佳比例数据,可依据数据对该地区该指标进行细化更新。土壤质地分类是指按照土壤颗粒组成的比例对土壤进行的分类。最常见的土壤质地分类有国际制、美国农业部制、苏联卡庆斯基制3种。这3种质地分类制都是与其粒组分级标准和颗粒大小分析时的土粒分散方法相配套的[28]。但往往需要进行实验室测定黏粒粒级数据,且分类级别都较多,如1987年《中国土壤》(第2版)中公布了中国的质地分类制,分为3组12种质地名称[29]。本系统从实用性、简便性角度将土壤质地粗分为砂土、壤土和黏土3种,未进一步细化。本文建立的预警方法是为单个地块的轮作风险给出相对合理的评价,即应用对象为地块,但是当用户数量达到一定规模后,可进一步对区域性的所有轮作类型进行分类汇总,找出该研究区域各轮作类型的共性风险及差异性评价,进而通过种植结构调整等措施加以政策引导,形成区域农业良性循环。因此,该方法既可作为区域土壤养分管理预警依据,又可作为主动调控的方法。

3.2 结论

本文从影响轮作环境风险的关键元素、关键环节入手,提出适合我国小农户现实国情的、基于农田地块的轮作风险预警指标体系,并以华北平原的农户调查数据为例具体说明了预警系统的使用方法。结果表明:该预警方法科学、实用、简便,所需数据容易获得;3种色系的预警结果易于普通农户识别推广。华北38个地块预警结果表明,磷肥施用合理、茬次间分配合理、环境友好(深绿)的地块仅4个,占总样本量10.53%;高环境风险(包括高和极高)的轮作地块达57.89%,即一半以上的地块目前的轮作方式存在高或极高的环境风险。该预警方法既可用于农户对自己地块磷流失风险进行判断,进而选择更优化的轮作模式,也可用于国家、区域或地方农业主管部门进行种植业结构调整时参考。

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农业农村部公益性行业专项(201503121-13)和国家重点研发计划项目(2016YFC0501302)资助冀宏杰,主要从事土壤养分库调控增效技术研究