1980-2009年陜西秦嶺北麓農(nóng)田土壤養(yǎng)分平衡狀況分析

1980-2009年陜西秦嶺北麓農(nóng)田土壤養(yǎng)分平衡狀況分析

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)和平衡是影響土壤肥力、生產(chǎn)力和環(huán)境質(zhì)量的重要過(guò)程。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)不是單純的自然生態(tài)系統(tǒng),其受人為因素影響較大。養(yǎng)分循環(huán)作為生態(tài)系統(tǒng)最基本的功能之一,亦是如此,養(yǎng)分循環(huán)的每一個(gè)環(huán)節(jié)都可能帶來(lái)養(yǎng)分損失,且農(nóng)田養(yǎng)分平衡又依賴于養(yǎng)分循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此,加強(qiáng)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)與平衡的研究,對(duì)發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)具有重要意義。我國(guó)目前對(duì)不同空間尺度上的農(nóng)田養(yǎng)分平衡狀況研究很多,如傅靖研究了全國(guó)及各省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分氮、磷、鉀的平衡狀況,表明全國(guó)氮、磷養(yǎng)分盈余量不斷上升,鉀素虧缺量逐年遞減,且區(qū)域之間差異很大;張玉銘等研究發(fā)現(xiàn),華北太行山前平原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分收支存在氮、磷投入過(guò)量而鉀投入不足的問(wèn)題;黃紹文等對(duì)河北玉田縣及山東陵縣2個(gè)定位監(jiān)測(cè)點(diǎn)的土壤養(yǎng)分收支狀況進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià),認(rèn)為2個(gè)試區(qū)氮素平衡盈余率均較高,可能會(huì)造成環(huán)境問(wèn)題,陵縣試區(qū)磷素未得到高效利用,鉀素在2個(gè)試區(qū)均虧缺,且差異較大。此外,陳明昌等、張慧等、范茂攀等也分別對(duì)山西省、北京市、云南省保山市的養(yǎng)分平衡狀況進(jìn)行了研究。已有試驗(yàn)多以行政區(qū)劃(省、縣)為研究單元,而關(guān)于某一自然區(qū)域農(nóng)田養(yǎng)分平衡狀況的演變及可能帶來(lái)的農(nóng)業(yè)面源污染研究,還少見報(bào)道。秦嶺北麓是陜西渭河段徑流的主要來(lái)源,占全區(qū)水資源量的2/3以上。近年來(lái),渭河(陜西段)及其支流水質(zhì)逐漸惡化,中下游河段水質(zhì)基本上屬于Ⅴ類或劣Ⅴ類。除生活污水等點(diǎn)源排放外,由農(nóng)業(yè)生產(chǎn)引起的農(nóng)業(yè)面源排放也是導(dǎo)致渭河水體受污染的主要原因,其中不合理施肥的影響不可忽視。長(zhǎng)期不合理施肥不僅使該地區(qū)地表水受到污染,也使地下水受到了污染。周至、戶縣及長(zhǎng)安區(qū)位于秦嶺以北渭河以南,渭河的主要支流灞河、灃河、澇河及黑河貫穿該區(qū)域。這一地區(qū)也是關(guān)中地區(qū)重要的糧食生產(chǎn)基地,農(nóng)田施肥水平較高。自20世紀(jì)80年代以來(lái),這一地區(qū)種植業(yè)結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整,以獼猴桃、蔬菜等為代表的經(jīng)濟(jì)作物種植比例明顯增加。因此,本試驗(yàn)對(duì)陜西秦嶺北麓地區(qū)近30年農(nóng)田土壤養(yǎng)分平衡狀況的演變趨勢(shì)進(jìn)行了分析,旨在評(píng)價(jià)該區(qū)域土壤肥力的變化,分析其可能帶來(lái)的環(huán)境效應(yīng),為保障該地區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展、保護(hù)渭河水質(zhì)等提供科學(xué)參考。1材料和方法1.1加風(fēng)過(guò)渡帶研究區(qū)包括周至、戶縣及長(zhǎng)安3個(gè)區(qū)縣,位于關(guān)中平原中部,南依秦嶺,北臨渭水。地理坐標(biāo)為東經(jīng)107°39′～109°14′,北緯33°42′～36°46′。該區(qū)屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候,年平均日照時(shí)數(shù)2056.1h,≥10℃積溫4317.3℃,年平均氣溫13.5℃,年平均降雨量650mm,年平均無(wú)霜期233d。1.2,20,33,32:32本試驗(yàn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分投入、產(chǎn)出及盈余量估算的基本數(shù)據(jù),來(lái)源于研究區(qū)縣的農(nóng)業(yè)區(qū)劃報(bào)告及統(tǒng)計(jì)年鑒[19,20,21,22,23,24]。計(jì)算農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分的投入和支出平衡狀況時(shí),把農(nóng)田土壤作為一個(gè)黑箱對(duì)待,并按照物質(zhì)守恒定律,即養(yǎng)分的“輸入=輸出+盈余”進(jìn)行養(yǎng)分輸入、輸出和盈余養(yǎng)分流的計(jì)算,參考農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分平衡模型及氮素平衡模型的研究和應(yīng)用,分析研究區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分的投入和支出項(xiàng)目。1.2.1養(yǎng)分含量及養(yǎng)分分配農(nóng)田養(yǎng)分投入項(xiàng)包括化肥、有機(jī)肥、灌溉、濕沉降、種子、生物固氮和N素干沉降帶入的養(yǎng)分量?；署B(yǎng)分投入量按純養(yǎng)分計(jì)算,復(fù)合肥中氮磷鉀比例按m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=1∶1∶1計(jì)算,將折算后的養(yǎng)分含量合并到單質(zhì)化肥中。有機(jī)肥養(yǎng)分的投入量通過(guò)估算不同種類有機(jī)肥用量(包括人畜糞尿排泄量、作物秸稈還田量),再乘以相應(yīng)的養(yǎng)分含量來(lái)估算,其中人糞尿排泄量按照成人標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算,成人數(shù)=人口數(shù)×0.85;畜禽頭數(shù)均按年末存欄數(shù)計(jì)算。有機(jī)肥養(yǎng)分投入量(Fo)=糞尿肥帶入養(yǎng)分量(Fom)+秸稈帶入養(yǎng)分量(Fos)。糞尿肥帶入養(yǎng)分量(Fom)的計(jì)算公式為:Fom=Na×ed×cnd×rpd+Na×eu×cnu×rpu;式中:Na為畜生頭數(shù)或人口數(shù),萬(wàn)頭(萬(wàn)人);ed和eu分別為糞和尿的排泄量,t/(只·年);cnd和cnu分別為糞和尿的養(yǎng)分含量,t/t;rpd和rpu分別為糞和尿的收集利用率,%。秸稈帶入養(yǎng)分量(Fos)的計(jì)算公式為:Fos=Ph×rss×cns×rps×0.85;式中:Ph為作物產(chǎn)量,t;rss為草籽比,1;cns為秸稈養(yǎng)分含量,t/t;rps為秸稈還田率,%;0.85為去除秸稈有效水分后的折算系數(shù)。上述計(jì)算方法和參數(shù)均參照參考文獻(xiàn)。各種有機(jī)肥的養(yǎng)分含量及收集利用率見表1,不同農(nóng)作物草籽比、秸稈養(yǎng)分含量及還田率見表2。灌溉帶入養(yǎng)分量通過(guò)水澆地面積乘以灌溉帶入養(yǎng)分速率計(jì)算,其中N、P2O5和K2O灌溉帶入養(yǎng)分速率分別為20.7,1.14和8.31kg/(hm2·年)。種子帶入養(yǎng)分量通過(guò)農(nóng)作物的種植面積、單位面積播種量和種子養(yǎng)分含量計(jì)算,本研究只考慮了研究地區(qū)主要農(nóng)作物小麥、玉米的種子養(yǎng)分帶入量。濕沉降帶入養(yǎng)分量通過(guò)耕地面積乘以濕沉降帶入養(yǎng)分速率計(jì)算,N素干沉降帶入養(yǎng)分量通過(guò)耕地面積乘以N素干沉降帶入養(yǎng)分速率計(jì)算,其中N、P2O5和K2O濕沉降帶入養(yǎng)分速率分別為16.3,0.60和7.95kg/(hm2·年),N素干沉降帶入養(yǎng)分速率為1.50kg/(hm2·年)。生物固氮帶入養(yǎng)分量分為共生固氮與非共生固氮帶入養(yǎng)分量2部分,其中非共生固氮帶入養(yǎng)分量通過(guò)耕地面積乘以非共生固氮速率計(jì)算,共生固氮帶入養(yǎng)分量通過(guò)作物的種植面積乘以共生固氮速率計(jì)算得出;共生固氮作物中,本研究只考慮大豆的共生固氮量,其中大豆的共生固氮速率為69.6kg/(hm2·年),旱地和水田的非共生固氮速率分別為15.0kg/(hm2·年)和45.0kg/(hm2·年)。1.2.2單位經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量走質(zhì)量計(jì)算農(nóng)田養(yǎng)分支出項(xiàng)主要包括作物收獲帶走的養(yǎng)分、肥料N損失和農(nóng)田養(yǎng)分損失。其中農(nóng)田養(yǎng)分損失包括滲漏損失和徑流損失,由于缺乏相應(yīng)數(shù)據(jù)未予以考慮。作物收獲帶走的養(yǎng)分量根據(jù)作物秸稈和籽粒的產(chǎn)量及每收獲單位經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量帶走的養(yǎng)分量計(jì)算:HC=Ph×p+Ph×rss×cns×(1-rps)×0.85,其中HC為作物收獲帶走的養(yǎng)分量,t;Ph為作物產(chǎn)量,t;p為每收獲單位經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量帶走的養(yǎng)分量,t/t;rss為草籽比,1;cns為秸稈養(yǎng)分含量,t/t;rps為秸稈還田率,%;0.85為去除秸稈有效水分后的折算系數(shù)。本研究只考慮調(diào)查地區(qū)主要作物小麥、玉米、大豆、油菜、瓜類、蔬菜和水果收獲后帶走的養(yǎng)分含量,計(jì)算參數(shù)見表3。肥料N損失分為化肥N損失和有機(jī)肥N損失,可分別根據(jù)化肥施入量及有機(jī)肥施入量乘以相應(yīng)的N素?fù)p失率計(jì)算,其中化肥和有機(jī)肥的N素?fù)p失率分別為40%和30%。2結(jié)果與分析2.1n、p2po5-ko從表4可以看出,與1980年相比,2009年研究區(qū)域養(yǎng)分總投入量平均增加了2.5倍。不同來(lái)源養(yǎng)分中,化肥投入量占總養(yǎng)分投入量的比例最大,且隨著年份推進(jìn)呈明顯的增加趨勢(shì),1980,1990,2000及2009年化肥投入量占總養(yǎng)分投入量的比例分別為47.2%,62.5%,64.9%和75.4%;其次是有機(jī)肥(秸稈和糞尿肥),投入比例逐年降低,1980,1990,2000和2009年其占總養(yǎng)分量的投入比例分別為34.8%,25.7%,26.9%和18.8%;其他項(xiàng)目(種子、灌溉、濕沉降、生物固氮、N素干沉降)養(yǎng)分投入量占總養(yǎng)分投入量的比例較小,1980,1990,2000,2009年分別為18.0%,11.8%,8.2%和5.8%。就N、P2O5、K2O不同養(yǎng)分投入量的演變看,1980-2009年,隨著時(shí)間的推移,N、P2O5、K2O的投入量均呈現(xiàn)出直線遞增的趨勢(shì)。1980,1990,2000及2009年,N素投入總量分別為34607,49073,59959和75582t,1990較1980年、2000較1990年、2009較2000年分別增加41.8%,22.2%和26.1%;P2O5投入總量分別為9680,14487,20119和24673t,1990較1980年、2000較1990年、2009較2000年分別增加49.7%,38.9%和22.6%;K2O投入總量分別為9144,19570,27379和32772t,1990較1980年、2000較1990年、2009較2000年分別增加114.0%,39.9%和19.7%。可見,盡管N、P2O5、K2O養(yǎng)分投入量隨著時(shí)間的推移在不斷增加,但其增長(zhǎng)率卻呈降低趨勢(shì)。2.2n、p2po5、ko1總支出量表4顯示,農(nóng)田養(yǎng)分支出以作物收獲帶走的養(yǎng)分量為主,1980,1990,2000及2009年作物收獲帶走的養(yǎng)分量占養(yǎng)分總支出量的比例較大,分別為84.8%,81.2%,80.8%和79.4%;肥料N損失的養(yǎng)分支出量占養(yǎng)分總支出量的比例較小,分別為15.2%,18.8%,19.2%和20.6%。隨著時(shí)間的推移,養(yǎng)分總支出量逐年增加,2009年養(yǎng)分總支出量為126025t,分別比1980,1990,2000年增加95.5%,56.6%和24.5%。與養(yǎng)分投入量類似,1980-2009年,N、P2O5、K2O總支出量也呈現(xiàn)直線遞增趨勢(shì)。1980,1990,2000及2009年,N素總支出量分別為31901,42264,53365和67387t,1990較1980年、2000較1990年、2009較2000年分別增加32.5%,26.3%和26.3%;P2O5總支出量分別為9697,10376,12962和15990t,1990較1980年、2000較1990年、2009較2000年分別增加7.0%,24.9%和23.4%;K2O總支出量分別為22869,27842,34938和42648t,1990較1980年、2000較1990年、2009較2000年分別增加21.7%,25.5%和22.1%。從不同養(yǎng)分比較來(lái)看,N素養(yǎng)分支出量最大,1980,1990,2000,2009年養(yǎng)分支出量占養(yǎng)分總支出量的比例分別為49.5%,52.5%,52.7%和53.5%;其次為K2O,1980,1990,2000,2009年所占比例分別為35.5%,34.6%,34.5%和33.8%;P2O5最小,1980,1990,2000,2009年所占比例分別為15.0%,12.9%,12.8%和12.7%。2.3平均平衡率:p2po5和ko由表5可以看出,1980-2009年,周至縣農(nóng)田養(yǎng)分平衡中N素始終處于盈余狀態(tài),但有逐年減少的趨勢(shì),其平衡率由1980年的31.6%降低到2009年的10.6%;P2O5的平衡率始終處于較高狀態(tài),其4年平均平衡率為82.7%;K2O除2009年盈余外,其他年份均虧缺。1980-2009年,戶縣N素均處于盈余狀態(tài),2009年平衡率達(dá)到最高,為13.2%;P2O5的平衡率為-10.1%～25.8%;K2O在這4年中均虧缺,平衡率平均值為-56.9%。1980-2009年,長(zhǎng)安區(qū)除1980年N素虧缺外,其余年份N素均盈余;P2O5從1990年開始出現(xiàn)盈余,其最高平衡率出現(xiàn)在2000年,達(dá)到60.3%;K2O在4年中基本處于虧缺狀態(tài),但其平衡率呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì),這與長(zhǎng)安區(qū)種植業(yè)結(jié)構(gòu)、面積的調(diào)整有關(guān)。從整個(gè)研究區(qū)域來(lái)看,1980-2009年,N素均盈余;P2O5除1980年虧缺外,其余年份均盈余,且平衡率較高;K2O一直虧缺,但其平衡率呈現(xiàn)出逐年減小的趨勢(shì)。1980-1990年,N、P2O5和K2O的平衡率均呈現(xiàn)出快速增加的趨勢(shì),1990年平衡率分別比1980年增加89.4%、198.0倍和50.5%;1990-2000年N素平衡率下降,2000年較1990年下降了23.0%,而P2O5、K2O的平衡率雖在增加,但增加速率減緩,2000年與1990年相比分別增加了39.4%和27.3%;2000-2009年,N、P2O5和K2O的平衡率基本保持不變,分別維持在12.3%,54.8%和-22.4%左右。2.4對(duì)耕地生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分平衡的評(píng)價(jià)2.4.1測(cè)定土壤養(yǎng)分的自然供給率魯如坤等提出了用養(yǎng)分允許平衡率對(duì)農(nóng)田養(yǎng)分平衡狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法和原則。養(yǎng)分允許平衡率是指在當(dāng)?shù)貤l件下,養(yǎng)分虧缺或盈余在一定范圍內(nèi)是允許的,養(yǎng)分虧缺時(shí)并不影響作物產(chǎn)量,盈余時(shí)也不會(huì)造成肥料浪費(fèi)。通過(guò)養(yǎng)分允許平衡率,可以評(píng)價(jià)某一地區(qū)養(yǎng)分虧缺是否處于合理狀態(tài)。根據(jù)周至縣、戶縣和長(zhǎng)安區(qū)2007-2010年進(jìn)行的“3414”測(cè)土配方施肥的試驗(yàn)結(jié)果,了解土壤養(yǎng)分的自然供給力,并用養(yǎng)分增產(chǎn)率的相對(duì)值表示,結(jié)果見表6。利用表6的結(jié)果可以計(jì)算出某一地區(qū)某一養(yǎng)分的允許平衡率(B)。B=[(1-SCI)/E-1]×100%,SCI=1/D×100%。式中:B為某養(yǎng)分允許平衡率;SCI為土壤養(yǎng)分自然供給率;E為某養(yǎng)分肥料利用率,本研究中N、P2O5、K2O的E分別為31%,15%,41%;D為養(yǎng)分增產(chǎn)率,計(jì)算時(shí)用其相對(duì)值表示,如某養(yǎng)分增產(chǎn)率為30%時(shí),則養(yǎng)分增產(chǎn)率相對(duì)值為1.3。2.4.2不同地區(qū)、不同允許、合理等人養(yǎng)分平衡率比較魯如坤等對(duì)農(nóng)田養(yǎng)分平衡的評(píng)價(jià)原則為,在養(yǎng)分增產(chǎn)率較低時(shí)(<10%),盡管允許平衡率可以有赤字,但為了保護(hù)土壤肥力,該養(yǎng)分應(yīng)該保持基本平衡。氮肥增產(chǎn)率在10%～50%時(shí),N可以有盈余,但最大盈余量不得造成環(huán)境問(wèn)題。磷肥增產(chǎn)率<10%時(shí),投入與支出應(yīng)達(dá)基本平衡或有少量赤字;增產(chǎn)率在10%～25%時(shí),投入應(yīng)有適量盈余(+20%以下);增產(chǎn)率>25%時(shí),P2O5實(shí)際平衡率可以略高于20%。當(dāng)某種養(yǎng)分的允許平衡率在100%時(shí),任何平衡盈余都沒必要。由表7可以看出,3個(gè)縣區(qū)N的實(shí)際平衡率均高于其允許平衡率。由于N肥在這3個(gè)縣區(qū)的增產(chǎn)率均>10%,表明N可以允許少量盈余,可見這3個(gè)縣區(qū)N肥的施用量基本合理,但仍需注意N肥過(guò)量帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題。3個(gè)縣區(qū)P2O5實(shí)際平衡率差異較大,其中周至縣磷肥增產(chǎn)率為10%,但P2O5實(shí)際平衡率卻高達(dá)131.2%,比允許平衡率高出近200個(gè)百分點(diǎn),已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出20%的適量平衡率,表明周至縣磷肥施用量較高,磷肥浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重。戶縣、長(zhǎng)安區(qū)P2O5實(shí)際平衡率也明顯高于允許平衡率,說(shuō)明這2個(gè)縣區(qū)也存在與周至縣類似的情況,即存在過(guò)量施用磷肥問(wèn)題。3個(gè)縣區(qū)K2O實(shí)際平衡率差異也比較大,除周至縣K2O盈余外,其他2個(gè)地區(qū)的K2O均處于虧缺狀態(tài)。盡管周至縣鉀肥增產(chǎn)率>10%,但其實(shí)際平衡率高出允許平衡率達(dá)100個(gè)百分點(diǎn),因此,該地區(qū)應(yīng)適當(dāng)減少鉀肥施用量。戶縣、長(zhǎng)安區(qū)K2O實(shí)際平衡率已分別達(dá)到-40.1%和-42.9%,為保持養(yǎng)分平衡,應(yīng)適當(dāng)增加鉀肥的投入量。3農(nóng)田土壤養(yǎng)分平衡本研究結(jié)果表明,秦嶺北麓3個(gè)區(qū)縣1980-2009年化肥投入量占總養(yǎng)分投入量的比例一直在增加,由1980年的47.2%增加到2009年的75.4%;有機(jī)肥投入量也呈增加的趨勢(shì),但其占總養(yǎng)分投入量的比例由1980年的34.8%減少到2009年的18.8%。從農(nóng)田養(yǎng)分投入結(jié)構(gòu)上來(lái)講,隨著時(shí)間的推移,化肥投入量占總養(yǎng)分投入量的比例增加,而有機(jī)肥占總養(yǎng)分投入量的比例卻在減少,這與前人的研究結(jié)果類似。從N、P2O5、K2O3種養(yǎng)分的平衡狀況看,研究區(qū)農(nóng)田N素平衡狀況多處在盈余狀態(tài),隨著時(shí)間的推移,N平衡率為-8.1%～31.6%,與P2O5、K2O比較相對(duì)穩(wěn)定。與其他地區(qū)研究結(jié)果相比,本研究地區(qū)N平衡率相對(duì)較低。周楊明等研究發(fā)現(xiàn),2009年江西省農(nóng)田N平衡率達(dá)50%。本研究中與N相比,研究區(qū)農(nóng)田土壤P2O5的平均盈余相對(duì)較高,隨著年代的推移,P2O5投入量增加幅度明顯,平衡率也呈明顯的增加趨勢(shì)。張玉銘等對(duì)華北太行山前平原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中N、P、K循環(huán)與平衡的研究也表明,磷素投入的增加使欒城縣農(nóng)田P始終有大量盈余。這與磷肥利用率低,生產(chǎn)中長(zhǎng)期施用磷肥與有機(jī)肥,導(dǎo)致磷素過(guò)量累積有關(guān)。與N、P2O5養(yǎng)分不同,本研究區(qū)農(nóng)田K2O多處在虧缺狀態(tài),但隨著時(shí)間的推移,人們開始施用鉀肥,農(nóng)田土壤K2O平衡狀況有所改善,這與傅靖的研究結(jié)果類似。本研究的3個(gè)區(qū)縣中,1980-2009年周至縣P2O5平衡率明顯高于戶縣及長(zhǎng)安區(qū);2009年土壤K2O出現(xiàn)盈余,這與周至縣近年來(lái)大力發(fā)展獼猴桃種植,獼猴桃施肥量高且普遍施用鉀肥有關(guān)。如郁俊誼等研究表明,由于農(nóng)民普遍施用鉀肥,已使獼猴桃園土壤速效鉀的平均含量達(dá)到了390mg/kg。本研究結(jié)果表明,3個(gè)縣區(qū)N、P2O5、K2O的實(shí)際平衡率均高于其允許平衡率,即便考慮到養(yǎng)分增產(chǎn)率的影響,N、P2O5的平衡率仍然較高,尤其是P2O5的實(shí)際平衡率遠(yuǎn)高于其允許平衡率。N、P2O5養(yǎng)分在土壤中的長(zhǎng)期盈余,無(wú)疑會(huì)增加這一地區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染的風(fēng)險(xiǎn)。Sims等