1 引言(Introduction)

19世纪以来, 随着化石燃料和化肥的过度使用, 全球水环境氮、磷水平不断升高(Galloway et al., 2004).过高的氮、磷水平被认为是导致地表水体富营养化、地下水体污染等诸多生态环境问题的重要原因(Yan et al., 2011; Vitousek et al., 1997).氮、磷在陆域及水体中排放、迁移的不确定性和难以追踪性使其成为全球水环境治理中的难题(Zhu et al., 2012).其中, 准确识别氮、磷排放源是解决该问题的前提和基础.由于农业氮、磷排放水平在全球氮、磷水平中所占的比例持续上升, 因此, 研究农业中氮、磷元素的平衡特征对水环境问题的解决至关重要.

基于氮、磷物料平衡原理的模型已经被广泛应用于耕地养分的计算, 例如, 张慧等(2009)通过OECD土壤表观磷素平衡模型计算了北京市房山区2001—2007年农田磷元素的输入和输出量, 并识别出磷的关键排放源和驱动力；鲁如坤等(2000)对我国6个农业站区土壤肥力的氮平衡和土壤氮素盈亏开展了分析；Chen等(2007)在对中国土壤表观氮、磷研究中进一步分析了城乡人体排泄物在农田中的回收利用问题；Liu等(2008)对1980—2000年长江流域农业生态系统氮素利用效率和氮素利用效率的变化研究中得出主要氮素的环境归宿；Ouyang等(2007)采用实地调查方法获得了小流域的人体排泄物在农田回收利用中的占比情况.在城市化的发展进程中, 不同地区耕地与建筑用地之间的转化比例存在差异.昆明地处云贵高原, 其农田面积转换比例与沿海及平原地区不同(刘桂林等, 2013; 史培军等, 2000; 孙云华等, 2016), 而在不同海拔高度下, 农田面积的变化也会存在差异(邓祥征等, 2003; 刘明达等, 2008; 刘艳艳等, 2010).农田面积是农田氮、磷输入负荷重要影响因素之一, 现有的农田氮、磷表观平衡研究主要关注氮、磷利用效率对氮、磷表观平衡特征的影响, 缺乏城市化背景下高原耕地变化对农田氮、磷平衡影响的研究.因此, 探究高原山地土地利用变化背景下不同海拔农田氮、磷表观的演变特征, 对指导高原城市农田养分管理具有重要的意义.

基于此, 本研究在1980—2015年昆明市土地利用变化的背景下, 采用氮、磷表观平衡模型, 分析昆明市1980—2015年农田土壤氮、磷表观平衡历史演变特征, 评估土地利用变化对农田氮、磷表观平衡的影响, 核算农田氮、磷盈亏状况, 以期为高原山地城市制定农田生态系统养分管理策略提供支撑.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 研究区域概况

昆明市(102°10′~103°40′E, 24°23′~26°22′N)地处云贵高原中部, 是云南省政治和经济中心, 平均海拔为2097 m.全市下辖6区、7县、1市, 59个乡镇, 总面积约21012.53 km².2015年昆明市的常住人口数量为668万人, 其中, 城镇人口为468万人, 占总人口数的70.05%, 地区生产总值达到3970亿元, 一、二、三产业的结构比例为4.7:40:5 5.3.2015年昆明市农田化肥施用总量(折纯量)为1.70×10⁵ t, 其中, 氮折纯量为1.10×10⁵ t, 磷折纯量为6.00×10⁴ t.单位耕地面积氮、磷肥施用量分别为291.74、147.90 kg·hm^-2, 远高于中国化肥施用强度及环境安全阈值时空变化中计算的云南省氮、磷肥施用安全阈值(刘钦普, 2017).昆明市2015年水环境质量报告显示, 全市水域功能区24个监测断面水质达标率为60.30%, 在高强度的化肥施用下, 昆明市水环境质量遭受到了严峻的考验.

2.2 农田氮、磷养分表观平衡模型

农田表观氮、磷平衡模型基于物料平衡的原理, 核算农田氮、磷的输入和输出, 根据输入与输出之差评估其盈亏状况(图 1).若农田氮、磷平衡状态为亏损(平衡总量小于0), 则土壤肥力降低, 可能造成作物产量下降；若农田氮、磷平衡状态为盈余(平衡总量大于0), 则增加了土壤氮、磷流失污染地表水、地下水的风险.本研究采用的计算方法(陈敏鹏等, 2007; 李书田等, 2011)如下：

(1)

式中, TPB为氮、磷表观平衡总量(kg), TPI为耕地氮、磷总输入量(kg), TPO为耕地氮、磷总输出量(kg).

2.3 农田养分输入模型(TPI)

农田养分输入主要包括化肥(TPI_f)、有机肥(TPI_m)、灌溉水(TPI_i)、大气沉降(TPI_p)、作物种子养分(TPI_s)和生物固持养分(TPI_x)(李书田等, 2011).

2.3.1 化肥养分输入(TPI_f)

农田化肥氮、磷输入量(TPI_f)根据农田氮肥、磷肥、复合肥施用量的折纯量来计算, 计算公式参见文献(高伟等, 2014).其中, 复合肥折纯量中氮(N)、磷(P₂O₅)的含量比例分别为32.50%、35.02%(张卫峰等, 2009), 磷输入量还需乘43.7%(P₂O₅中磷的比例), 单位均为kg.

2.3.2 有机肥养分输入(TPI_m)

有机肥养分输入主要包括人畜粪尿、堆肥、秸秆、饼肥和绿肥, 计算公式如下：

(2)

式中, TPI_m为有机肥养分农田输入量；LF、HF、CF、PF、GF分别为畜禽粪肥输入(含部分堆肥)、人粪尿回填量(含部分堆肥)、秸秆还田量(含部分堆肥)、饼肥施用量、绿肥施用量, 单位均为kg.

① 畜禽粪肥输入(LF)计算

畜禽粪便养分输入主要根据饲养量和排泄量计算, 计算公式如下：

(3)

式中, Q_r和Q_s分别为畜禽存栏量和出栏量(头或只)；R为出栏率, 等于当年出栏量与前一年年末存栏量之比；T为饲养周期(d)；q为粪尿日排泄量(kg·d^-1·只^-1或kg·d^-1·头^-1)；LCRR为畜禽粪便还田率, 取云南省平均值73.3%(徐红等, 2009).畜禽饲养周期与粪尿养分排泄量来自于文献(王成贤等, 2011；李书田等, 2011).

② 人粪尿回填量(HF)计算

人粪尿养分输入主要根据人口数量和排泄水平计算, 计算公式如下：

(4)

式中, POP为研究区人口数量(人)；NER为人均粪尿氮、磷排放系数(kg·人^-1·a^-1), 根据《中国有机肥料养分志》, 分别取4.36 kg·人^-1·a^-1(以N计)和0.52 kg·人^-1·a^-1(以P计)；HNR为粪便还田率, 农村人口取60%, 城市人口取10%(伦飞等, 2016).

③ 秸秆还田量(CF)计算

农作物秸秆养分输入主要根据作物经济产量和草谷比计算, 计算公式如下：

(5)

式中, CP为作物产量(kg)；i为作物类型；SGR为草谷比；NCS为秸秆养分含量, 参数来源于文献(李书田等, 2011)；CNR为秸秆还田比例, 取71.6%(徐红等, 2009).

④ 饼肥施用量(PF)计算

饼肥养分输入主要根据作物产饼量和饼肥养分计算, 计算公式如下：

(6)

式中, CP为作物产量(kg)；i为作物类型；CR为作物出饼率, 其中, 大豆出饼率为0.45, 花生出饼率为0.29, 菜籽出饼率为0.62, 葵花籽出饼率为0.77, 棉籽出饼率为0.84, 大豆饼氮、磷含量分别为6.68%、0.44%, 花生饼氮、磷含量分别为6.92%、0.547%, 菜籽饼氮、磷含量分别为5.25%、0.80%, 棉籽饼氮、磷含量分别为4.29%、0.541%, 葵花籽饼氮、磷含量分别为4.79%、0.48%；PNR为饼肥还田比例, 取30%(李书田等, 2011)；CNC为饼肥营养盐含量, 主要来源于《中国有机肥料养分志》(全国农业技术推广服务中心, 1999).

⑤ 绿肥施用量(GF)计算

根据文献资料, 云南省绿肥资源量较大, 总量达到603.32万t, 但主要用作饲料, 很少用于化肥施用(徐红等, 2009), 故本研究不计算绿肥施用.

2.3.3 灌溉水养分输入(TPI_i)

灌溉水养分输入是指随灌溉用水进入农田的养分量, 计算公式如下：

(7)

式中, CLA为耕地面积(hm²)；IWP为灌溉用水量(m³·hm^-2)；INC为灌溉用水中养分浓度(mg·L^-1), 数据来源于昆明市环境监测站2006—2016年各区县水体水质监测数据, 根据各区县的耕地面积加权获得昆明市灌溉用水中的平均养分浓度.

2.3.4 大气沉降养分输入(TPI_p)

大气沉降养分输入是指随大气干湿沉降进入农田的养分量, 计算公式如下：

(8)

式中, CLA为耕地面积(hm²)；ADR为大气沉降速率(kg·hm^-2), 来源于文献(Jia et al., 2014).

2.3.5 种子养分输入(TPI_s)

作物种子养分输入根据不同作物播种面积和播种量及种子养分含量计算, 计算公式如下：

(9)

式中, HA为作物的播种面积(hm²)；SAR为播种量(kg·km^-2·a^-1)；NCS为种子的养分含量, 来源于文献(Han et al., 2013).

2.3.6 固氮作物养分输入(TPI_x)

固氮物养分输入是指随固氮作物固氮作用进入农田的养分量, 一般采用作物种植面积和作物固氮能力这两个参数计算, 计算公式如下：

(10)

式中, HA为作物的播种面积(hm²)；NFR为作物固氮能力(kg·hm^-2·a^-1), 取豆类和花生2种农作物, 根据文献, 其固氮能力分别为96.80和224 kg·hm^-2·a^-1(Smil, 1999)；CLA为耕地面积(hm²)；j为耕地类型(水田和旱田)；NNFR为非共生固氮量, 旱地取15 kg·hm^-2·a^-1, 水田取44.8 kg·hm^-2·a^-1(鲁如坤等, 1996a; 李书田等, 2011).

2.4 农田养分输出(TPO)模型

农田养分输出包括养分随小麦、水稻等作物收获时的输出量, 根据作物经济产量和生产单位经济产量所需的营养盐量进行计算, 计算公式如下：

(11)

式中, CP为作物产量(t·a^-1)；NCRM为单位产量所需养分, 主要来源于文献(Liu et al., 2006; Buresh et al., 2010; 陈敏鹏等, 2011;鲁如坤等, 1996b).

2.5 数据来源

化肥施用量、有机肥施用量、耕地面积、农作物播种面积、作物产量主要来源于《昆明市统计年鉴》和《云南省统计年鉴》；养分浓度来源于昆明市2015年地表水环境水质监测数据；1980—2012年灌溉用水量来自于文献(吴灏等, 2015), 2013—2015年灌溉用水量来自于昆明市水资源公报.土地利用类型数据、DEM数据主要来源于中国科学院资源环境数据云平台(http://www.resdc.cn/Default.aspx), 空间分辨率为30 m.

3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 农田氮、磷输入量及变化特征

根据农田氮输入的计算方法, 得到昆明市1980—2015年农田氮输入量, 结果如图 2a所示.由图可知, 昆明市农田氮输入总量呈现逐年增长趋势, 从1980年的5.35×10⁴ t增长到2015年的2.17×10⁵ t, 增长了4.06倍, 年均增长4670 t.主要输入组分呈现不同程度的增长, 其中, 1998—1999年出现了骤增现象, 原因是1999年昆明市进行了新的行政区划, 将东川区、寻甸县纳入昆明市, 导致化肥施用、人口等指标骤增.从农田氮输入的构成来看, 化肥(TPI_f)、有机肥(TPI_m)是农田氮输入的最主要贡献源, 至2015年, 化肥、有机肥的氮输入量分别占农田氮总输入量的54.56%和39.94%, 灌溉水(TPI_i)、大气沉降(TPI_p)、作物种子养分(TPI_s)和生物固持养分(TPI_x)占农田氮总输入量的比重很小.在整个核算时期内, 化肥氮输入比重呈逐年上升趋势, 从1980年的25.12%上升到2015年的54.56%, 这与昆明市农作物种植结构有关.2000年, 昆明市农作物总播种面积为3.94×10⁵ hm², 粮食作物播种面积占73.11%, 蔬菜瓜果播种面积占7.26%, 花卉播种面积占0.70%.到2015年, 昆明市农作物总播种面积为4.51×10⁵ hm², 粮食作物播种面积占60.68%, 蔬菜瓜果播种面积占19.82%, 花卉播种面积占1.54%, 粮食作物播种面积减少了16.99%, 蔬菜瓜果和花卉面积分别增加了1.73、1.20倍.蔬菜瓜果、花卉等高强度施肥作物播种面积的增加导致昆明市农田氮、磷输入量的增加.灌溉水氮输入呈现先波动上升后下降的趋势, 这与滇池流域水质的变化有关.有机肥氮输入量虽然随着人口、畜禽养殖数量等的增长而增长, 但其增长速度低于化肥的增长速度, 因此, 所占比重从1980年的58.3%下降到2015年的39.9%.有机肥、大气沉降、作物种子养分、生物固持养分氮输入比重均呈现不同程度的下降.

与氮类似, 昆明市农田磷输入量呈上升趋势(图 2b), 从1980年的0.3×10⁴ t增长到2015年的2.68×10⁴ t, 增长了9.69倍, 年均增长690 t.从农田磷输入的构成来看, 化肥(TPI_f)、有机肥(TPI_m)是农田磷输入的最主要贡献源, 至2015年, 化肥、有机肥磷输入分别占农田磷总输入量的86.08%和13.23%, 灌溉水(TPI_i)、大气沉降(TPI_p)和作物种子养分(TPI_s)所占比例很小.化肥磷输入量占农田磷输入总量的比例明显高于氮, 农田磷输入总量的波动基本上体现了化肥施用量的波动.化肥磷输入量在整个核算周期内呈现波动上升的趋势, 其中, 1989—1990年出现了下降, 1998—1999年出现了显著上升, 这与昆明市行政区划的改变有关.有机肥磷输入量随着人口、畜禽养殖等数量的增长而增长, 但其增长速度低于化肥的增长速度, 因此, 在磷输入总量中的比重逐年下降.灌溉水、大气沉降、作物种子养分磷输入占农田磷输入总量的比重均呈现不同程度的下降.

3.2 农田氮、磷输出量及变化特征

1980—2015年昆明市农田氮、磷输出量结果如图 3所示, 农田氮、磷输出变化趋势一致, 其中, 氮输出量呈直线增长趋势(R²=0.87, p < 0.0001), 从1980年的2.02×10⁴ t增长到2015年的4.04×10⁴ t, 增长了2.05倍, 平均每年增长610 t, 1986年、1994年、2010年出现了不同程度的下降.与农田氮输入增长率(4067 t·a^-1)相比, 农田氮输出增长率较低, 输入量高于输出量可能导致农田土壤氮累积, 增加农田氮流失风险, 进而造成水体环境污染.1980—2015年昆明市农田磷输出量呈直线增长趋势(R²=0.93, p < 0.0001).磷输出量由1980年的3120 t增加到2015年的6360 t, 增长2.04倍, 平均每年增长90 t.相对于农田磷输入强度增长率(710 t·a^-1), 昆明市农田磷输入增长率显著高于输出, 可能导致农田磷储量出现上升, 从而增加磷污染风险.

3.3 农田氮、磷表观平衡量

根据农田氮、磷表观平衡公式, 计算得到昆明市农田氮、磷表观平衡, 结果如图 4所示.由图可知, 农田氮、磷表观平衡量变化趋势一致, 均呈线性上升趋势, 其中, 农田氮表观平衡量从1980年的3.32×10⁴ t上升到2015年的1.76×10⁵ t, 年均增长4070 t, 化肥氮输入量占氮总输入量的比例从1980年的25.12%上升到2015年的54.56%, 因此, 化肥是昆明市农田氮表观平衡量增长的主要驱动因素.磷表观平衡量从1980年的-350 t上升到2015年的2.05×10⁴ t, 年均增长590 t, 仅1980年磷表观平衡处于亏缺状态.磷表观平衡量增长速度低于氮表观平衡量, 化肥磷输入量占磷总输入量的比例从1980年的16.73%上升到2015年的86.08%, 因此, 化肥是昆明市农田磷表观平衡量增长的主要驱动因素.单位面积氮盈余量从1980年的81.87 kg·hm^-2上升到2015年的434.01 kg·hm^-2, 年均增长10.06 kg·hm^-2.这一结果与中国不同区域农田养分输入、输出与平衡中西南地区盈余(78.3 kg·hm^-2)和全国平均盈余(60.7 kg·hm^-2)存在较大差异(李书田等, 2011), 主要原因是本文计算的是农田氮表观平衡, 与农田氮输入输出平衡计算方法不同, 农田氮表观平衡中的氮输出项不包括氮素的挥发、淋溶、硝化、地表径流损失.单位面积磷盈余量从1980年的-0.86 kg·hm^-2上升到2015年的55.05 kg·hm^-2, 年均增长1.42 kg·hm^-2, 高于中国不同区域农田养分输入、输出与平衡中西南地区盈余(48.50 kg·hm^-2)(李书田等, 2011), 主要原因是磷输出项没有计算20%的投入损失, 低于全国平均盈余(59.20 kg·hm^-2), 说明昆明市土壤磷污染潜势低于全国水平.

综上, 昆明市农田氮、磷表观平衡均为盈余状态且盈余量呈逐年增长趋势, 这表明未来农田氮、磷污染潜势增加, 农田氮表观平衡显著高于磷表观平衡, 氮污染潜势高于磷污染.

3.4 高原山地耕地演变及其对农田氮、磷表观平衡的影响

对昆明市1980—2015年土地利用进行矩阵分析, 得到土地利用类型转移结果(表 1).1980年昆明市耕地面积为4377.13 km², 2015年为4055.19 km², 35年间减少了321.94 km², 平均每年减少9.20 km², 扣除不同土地利用类型之间的相互转化, 其中, 354.87 km²的耕地转化为建设用地, 23.77 km²的耕地转换为水域, 56.43 km²的草地转化为耕地, 0.11 km²的林地转化为耕地, 0.15 km²未利用地转化为耕地, 耕地面积减少量中93.72%转化为建筑用地.

将昆明市土地利用与DEM图像结合得到昆明市耕地不同海拔的分布.根据不同文献中海拔划分及昆明市耕地的实际情况(高炜等, 2000; 李志厚等, 2014; 梁建萍等, 2007; 赵慧珠, 2004), 将耕地的海拔划分为2400 m以下、2400 m、2400 m以上3段, 对每段耕地面积进行统计, 结果见表 2.1980—2015年昆明市2400 m以下的耕地面积减少了81.60 km², 占2400 m以下耕地总面积的3.58%, 2400 m耕地面积减少了120.96 km², 占2400 m耕地总面积的8.96%, 2400 m以上耕地面积减少了119.39 km², 占2400 m以上耕地总面积的16.01%.相对于每段海拔的耕地总面积, 耕地面积的减少主要分布在2400 m以上.

将1980年、2015年农田氮、磷输入输出平均到耕地上, 结合耕地的海拔分布, 计算不同海拔下农田氮、磷表观平衡情况, 结果如表 3所示.不同海拔下的农田氮、磷输入输出均呈现倍数增长, 其中, 2400 m以下农田氮、磷输入、输出、平衡量增长倍数最高, 平均增长了12.48倍；其次是2400 m的农田, 氮、磷输入、输出、平衡量平均增长了11.74倍；2400 m以上的农田氮、磷输入、输出、平衡量相对较低, 平均增长了10.78倍.在昆明市城市化的过程中, 农田面积减少量中有93.72%转化为城镇用地, 2400 m以上农田面积减少量占总减少量的比例最高, 为37.60%, 因此, 2400 m以上农田氮、磷表观平衡增长倍数最小；2400 m以下农田面积减少量占总减少量的比例最低, 为25.35%, 因此, 2400 m以下农田氮、磷表观平衡增长倍数最大.综上, 在土地利用类型变化的背景下, 海拔2400 m以下的农田氮、磷表观平衡情况变化最为明显, 2400 m农田变化次之, 2400 m以下农田变化较小.

4 结论(Conclusions)

1) 1980—2015年, 昆明市农田氮、磷输入总量不断上升, 输入结构呈单一化发展趋势, 化肥已经成为氮、磷输入的最大来源, 且占比逐年提高.种植结构变化导致的单位施用强度提高是昆明市化肥施用增长的主要驱动力, 化肥施用强度控制对降低昆明市农田氮、磷输入具有重要意义.

2) 农田氮、磷输出量呈线性增长趋势, 但年输出量及增长速度远低于氮、磷输入量及其增长速度, 表明农田作物氮、磷利用效率逐年下降, 由此可能导致农田土壤氮、磷累积量随着时间进一步增加, 从而增大昆明市农田氮、磷污染潜势.

3) 除1980年农田磷平衡为亏缺状态外, 1980—2015年昆明市农田氮、磷平衡均处于盈余状态且盈余量呈线性增长趋势.农田氮、磷流失风险逐年提高, 由于农田氮盈余量增长速度高于磷盈余量增长速度, 昆明市未来农田氮污染潜势日益突出, 未来农业非点源控制方向应重点关注氮流失.

4) 昆明市土地利用变化导致不同海拔地区耕地面积出现差异化下降, 改变了农田氮、磷平衡格局.1980—2015年耕地面积减少量中有93.72%转换为建筑用地, 海拔2400 m以上地区的耕地转化比例最高, 海拔2400 m以下耕地的氮、磷输入、输出及平衡量增长倍数最高.海拔相对较低的农田氮、磷平衡对土地利用变化最为敏感.