1 引言(Introduction)

北运河发源于北京市昌平、海淀一带的军都山南麓, 向南流过通州, 经河北香河、天津武清后汇入海河, 全长120 km, 是联结京津冀地区的天然纽带.根据北京市环境保护局监测数据, 北运河上游的主要河流中, 除京密引水渠外, 大部分水质为劣Ⅴ类.流域内基本农田总面积约为1667 hm², 普遍肥料投入量大, 氮、磷盈余明显.“水十条”明确提出京津冀地区要实行测土配方施肥, 推广精准施肥技术和机具, 到2019年, 测土配方施肥技术推广覆盖率达到90%以上, 化肥利用率提高到40%以上, 全面控制农业面源污染.

本文以北运河上游昌平区为研究对象, 梳理对比了2014年与2017年主栽作物的施肥情况和土壤数据, 分析施肥量、养分盈余和土壤养分的变化, 对农田氮、磷环境风险和污染物排放量进行评价和计算, 指出现阶段施肥中存在的问题, 提出施肥与土壤管理建议, 以便更好地指导北运河上游化肥面源污染防控.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 调查内容与方法

本研究收集调查了2014年和2017年昌平区主栽作物, 即粮食(小麦和玉米)、蔬菜(果类蔬菜和叶类蔬菜)和草莓的施肥调查问卷260份, 其中, 2017年138份, 2014年122份, 调查对象中粮食作物平均占到12%, 蔬菜作物占75%, 草莓占13%.此次调查获得582个粮菜土壤样本数据, 其中, 2017年320个, 2014年262个, 均来自北京市土肥工作站和昌平区土肥站长期定位监测点.调查内容包括园区基本情况、作物种类、茬口、设施类型、灌溉类型、历年产量、施肥情况、土壤养分等.施肥情况包括肥料品种、施肥量、肥料配方等.

2.2 分析方法

结合调查问卷、土壤检测数据和年度农用化肥总量, 采用农田氮磷环境风险评价标准(DB11/T 749—2010)、第一次全国污染普查农业污染源肥料流失系数和等标污染负荷指标方法进行评价和计算.土壤有效磷通过0.5 mol·L^-1 NaHCO₃浸提土样, 采用钼锑抗比色法测定.

2.3 数据处理

采用Excel 2013软件进行数据处理和分析, 每个数据均为平均值.

3 结果与讨论(Results and analysis) 3.1 全区施肥量变化

总体来看, 相比于2014年, 2017年粮食、果类蔬菜、叶类蔬菜和草莓的化肥和有机肥施用量都呈现出不同程度的下降.化肥平均每公顷用量分别减少了26.3%、25.5%、20.4%和15.0%(折纯量, 下同).粮食作物2017年基本不施用有机肥, 2014年有机肥施用比例约为10%, 平均每公顷用量6 t(折合商品有机肥, 下同).蔬菜和草莓有机肥平均每公顷用量分别从2014年的51 t和45 t下降至2017年的29.3 t和42 t, 分别减少了42.60%和6.67%, 详见表 1.

3.2 主栽作物施肥量变化 3.2.1 粮食施肥量变化

由表 2可知, 粮食作物氮肥用量从2014年的182 kg·hm^-2降至2017年的108 kg·hm^-2, 均低于国际公认水体污染的225 kg·hm^-2氮肥施用安全上限；磷肥用量从73.5 kg·hm^-2降至34.5 kg·hm^-2, 到2017年粮食作物的施磷量低于磷肥安全环境阈值62.5 kg·hm^-2(刘钦普, 2014).青贮玉米化肥氮、磷、钾施用比例由2014年的1:0.39:0.27调整到2017年的1:0.31:0.72；冬小麦化肥氮、磷、钾施用比例由2014年的1:0.42:0.29调整到2017年的1:0.33:0.84, 两种作物合理施肥比例分别为1:0.41:0.97和1:0.38:0.97(张福锁等, 2009a).可见, 通过减氮减磷增钾, 优化施肥比例, 确保了粮食稳产.

3.2.2 蔬菜施肥量变化

果类蔬菜生长期长, 生长量大, 需要较多且全面的营养.由表 3可知, 有机肥以畜禽粪便为主, 如商品有机肥、腐熟鸡粪、猪粪和牛粪等.若按照有机肥含氮量为2.44%, 氮矿化率为20%, 有机肥养分利用率15%计算, 2014年和2017年有机肥氮素的投入量分别为51.61 kg·hm^-2和25.3 kg·hm^-2, 均未超过我国果菜有机肥氮素推荐量300 kg·hm^-2(张福锁等, 2009b).从氮肥用量来看, 2017年果类蔬菜氮肥平均用量为169 kg·hm^-2, 低于国际公认水体污染氮肥施用安全上限.2014年和2017年磷肥平均用量分别为134 kg·hm^-2和81 kg·hm^-2, 均高于磷肥安全环境阈值.通过调整施肥结构, 现阶段昌平区果类蔬菜生产中仅底施有机肥, 实现了底肥少施或不施化肥, 极大地减少了化肥氮素的投入, 注重低磷高钾肥的施用, 果类蔬菜施肥比例更加符合作物吸收规律.

叶类蔬菜生长周期短, 整体需肥量少, 喜冷凉, 一般为秋冬生产.由表 4可知：①叶类蔬菜有机肥施肥量仅为果类蔬菜的1/2, 仍以商品有机肥、腐熟的鸡粪、猪粪和牛粪为主.按照有机肥含氮量为2.44%, 氮矿化率为20%, 有机肥养分利用率15%计算, 2014年和2017年叶菜有机肥氮素投入量均未超过我国果菜有机肥氮素推荐量.在果菜-叶菜轮作的种植模式中, 许多园区在叶菜生产时已不再底施有机肥, 只在生长中后期追施1~2次水溶肥.②两年的氮肥用量均低于国际公认水平上限, 2014年磷肥用量(66 kg·hm^-2)高于磷肥安全环境阈值, 到2017年磷肥用量(39 kg·hm^-2)已低于该阈值.③叶类蔬菜生产多采用一棚多品的方式, 部分园区叶菜生产仍采用大水漫灌的方式.有研究表明, 与滴灌、喷灌相比, 大水漫灌的生产方式会造成肥料浪费20%~40%, 灌水量增加40%~50%, 产量下降15%~20%(金如泉等, 2007).

3.2.3 草莓施肥量变化

草莓是昌平特产, 国家地理标志产品, 生产季节一般从当年的8月—翌年的5月.由表 5可知, 相比于2014年, 2017年草莓生产上的化肥氮、磷、钾分别减少19.6%、35.4%及增加5.3%.氮、磷、钾的施用比例由1:0.51:0.74调整至1:0.41:0.97, 草莓合理比例为1:0.33:1.08, 氮、磷、钾配比趋于合理(宫本重信, 2015).

3.3 农田氮磷风险评价 3.3.1 氮风险评价

采用农田氮磷环境风险评价标准(DB11/T 749—2010)进行评价.由表 6可知：①由于蔬菜经济效益高, 菜地复种指数高, 农户投肥积极性高于粮田, 菜地氮盈余量分别是粮田的1.85倍(2017年)和1.59倍(2014年).②粮菜平均氮盈余从2014年的151.9 kg·hm^-2下降至2017年的42.7 kg·hm^-2, 降低了71.9%, 其中, 粮田降低74.4%, 菜地降低70.3%.依据标准, 2014年和2017年粮田和菜地的氮盈余均为无风险.

按照第一次全国污染源普查肥料流失系数折算, 2014年平均有9.72 kg·hm^-2 ·季经地下淋溶损失, 有2.91 kg·hm^-2 ·季通过地表径流损失.2017年平均有7.02 kg·hm^-2·季经地下淋溶损失, 1.28 kg·hm^-2 ·季通过地表径流损失.相比于2014年, 2017年氮素地下淋溶和地表径流损失分别减少了27.8%和56.0%.4年来, 通过减施氮肥, 在减少土壤氮盈余的同时, 也降低了氮素进入水体的风险.

3.3.2 磷风险评价

土壤有效磷是表征土壤中可被植物吸收利用磷的量, 在国际上有许多国家采用测定土壤有效磷的方法管辖区域地块磷.由表 7可知：①粮田土壤有效磷变化不大, 2017年和2014年的平均值为6.21和6.33 mg·kg^-1, 评价均为无风险.②设施菜地土壤经过集约种植、耕作、施肥、灌溉等其他管理措施, 加快了土壤熟化、物质的转换与迁移, 特别是由于连续大量施用各种肥料, 使菜地土壤磷不断大量累积, 区域菜地有效磷分别是粮田的19.7倍(2017年)、22.5倍(2014年).③相比于2014年, 2017年菜田土壤有效磷含量略微下降了12.7%, 磷环境风险等级从高风险降为中风险.

3.4 肥料污染估算

据统计, 2014年昌平区农用化肥总用量约为1380 t(折纯量, 下同), 其中氮肥(以N计, 下同)765 t, 磷肥(以P₂O₅计, 下同)330 t；2017年化肥总用量约为913 t, 其中氮肥405 t, 磷肥159 t.采用化肥污染物流失量=肥料流失系数×化肥(氮或磷)施用量的计算公式, 流失系数参照《第一次全国污染普查农业污染源肥料流失系数手册》, 得出区域2017年和2014年的氮、磷污染物流失顺序均为：总氮＞总磷＞氨氮.2017年总氮、总磷、氨氮流失量分别为7.15、1.27、0.15 t, 共计8.57 t；2014年流域内总氮、总磷、氨氮流失量分别为13.51、2.63、0.28 t, 共计16.42 t.通过化肥减量, 与2014年相比, 2017年化肥污染物流失量降低了47.8%.

根据等标污染负荷指标计算方法对污染物进行计算.由表 8可知：①无论采用地表水环境质量Ⅱ类标准还是Ⅲ类标准, 2017年总等标排放量均比2014年降低48.8%.②采用Ⅱ类标准, 2017年总氮、总磷和氨氮的总等标排放量为24.0×10⁶ m³, 3种污染物负荷比为总氮＞总磷＞氨氮；2014年总氮、总磷和氨氮的总等标排放量为46.8×10⁶ m³, 负荷比同样为总氮＞总磷＞氨氮.③采用Ⅲ类标准, 2017年和2014年总氮、总磷和氨氮的总等标排放量分别为12.0×10⁶ m³和23.4×10⁶ m³, 3种污染物负荷比均为总氮＞总磷＞氨氮.无论采用Ⅱ类还是Ⅲ类标准, 2017年与2014年昌平区地表水环境均以总氮污染为主, 其次是总磷、氨氮.因此, 生产中要更加注重氮的合理施用.

4 讨论(Discussion)

经统计, 2014年和2017年昌平区粮田均不存在氮、磷环境风险, 这与粮食经济价值低、农户施肥积极性不高有关.玉米生长期处于6月上中旬—10月初, 恰逢汛期, 期间降雨量占全年降雨量的80%以上, 在土壤持水量饱和的条件下进行常规施肥作业, 坡耕地土壤氮、磷养分易随地表径流发生流失.自2016年, 北京农业加快“调转节”, 昌平区粮田播种面积由2014年的24.7 hm²下调至2017年的18 hm², 种植模式从一年两熟的“冬小麦-青贮玉米”改为一年一熟的“春玉米或青贮玉米”.因此, 结合区域种植结构与布局调整, 集中在玉米生产上推广环境友好型肥料和免耕是进一步防控粮田化肥面源污染的重点.免耕少耕可以保护土壤结构, 提高土壤抗水蚀能力, 减少地面径流, 从而控制水土流失和面源污染(陈洪波等, 2006).李霞等(2011)在北京地区的研究发现, 免耕可减少53.1%的总氮流失和51.3%的总磷流失.

最大程度控制氮磷盈余、源头减量是区域果类蔬菜养分管理的重要切入点.果菜具有多次收获和追肥的特点, 需要在养分管理上采用“总量控制, 分期调控”的策略(陈清等, 2014).根据土壤养分水平和作物目标产量, 确定氮素需求总量, 结合氮素供应目标值和不同来源的氮素供应量, 确定氮素推荐总量.在确定有机肥供应的情况下, 其追肥氮素分配应按照作物阶段需求进行.磷的推荐依据土壤肥力分级和作物养分带走量的“恒量监控”方法.根据土壤磷素水平的等级, 对高磷肥力土壤, 根据磷素带走量, 在保证作物产量的前提下, 以环境风险为依据, 控制磷肥用量, 避免超过环境风险阈值；对中等磷肥力土壤, 在满足作物产量需求的前提下, 维持土壤速效磷处于适宜含量和农学阈值之间, 保证作物高产和养分高效；对低磷肥力土壤, 以作物高产和培肥地力为目标, 依据作物磷素带走量和安全阈值进行推荐施用.钾素推荐基于养分丰缺指标法进行恒量监控, 管理策略和磷肥相似.

部分园区叶类蔬菜生产采用一棚多品和畦灌的方式, 需引导滴灌或微喷.研究表明, 农田养分流失很大程度取决于地表径流强度和径流量(陈利顶等, 2000), 合理灌溉不仅可以满足农作物高产所需水分, 又可避免因灌溉过多导致的养分流失, 喷灌和滴灌用水量分别是漫灌用水量的25%和15%.在稳产条件下, 滴灌比传统畦灌节肥50%以上(吴建繁, 2001).滴灌可有效降低农田表层土壤盐分积累速度和洗盐频率, 显著减少设施菜田因水分渗漏引起的氮淋失负荷(郭春霞等, 2009).

草莓种植时期较长, 施肥量较大, 土壤盈余较多养分.除按作物需肥规律合理施肥外, 开展作物时空合理配置, 引入作物合理间套作, 增加对土壤盈余氮、磷吸收, 是降低氮、磷养分盈余的重要手段.采用草莓与小西瓜、鲜食(糯)玉米等间套种模式, 可提高肥料偏生产力17.9%~23.4%.

当前, 京郊规模化农业生产、种植大户与农民合作社等新型农业经营主体迅速发展, 需要进一步引导其在正确的时间采用正确的方式科学合理施肥, 减少单位施肥量, 提高肥料利用率.除政策引导、示范推广、观摩科普、技术培训、物化补贴等多种措施外, 十分有必要探索土肥技术推广与社会化服务的融合发展(刘天金, 2018).新型农业经营主体需要为之提供全套生产解决方案, 即综合土、肥、水、药与栽培技术的专业化技术服务.借助社会化服务组织, 将成熟的化肥减量技术模式在流域内大面积推广应用, 提高资源利用率, 减少氮、磷污染物排放, 全面防控化肥面源污染.

5 结论(Conclusions)

通过推进化肥减量, 相比于2014年, 2017年昌平区主栽作物化肥和有机肥平均用量分别减少了21.8%和24.6%.粮食作物在2014年和2017年的化肥施氮量均低于国际公认水体污染氮肥施用安全上限, 2017年化肥施磷量低于磷肥环境安全阈值.果类蔬菜有机肥施氮量均未超过我国果菜有机肥氮素推荐量, 2017年化肥施氮量低于国际公认水体污染氮肥施用安全上限, 但化肥施磷量仍高于磷肥环境安全阈值.叶类蔬菜2014年和2017年的有机肥氮素投入量、化肥施氮量和化肥施磷量均低于有机肥氮素推荐量、国际公认水体污染氮肥施用安全上限和环境安全阈值.与2014年相比, 2017年草莓生产分别减施化肥氮、磷19.6%和35.4%.粮田和菜地氮盈余均为无风险.2017年氮素地下淋溶和地表径流损失, 比2014年分别减少了27.8%和56.0%.粮田不存在磷环境风险, 菜地磷环境风险等级从2014年的高风险降至2017年的中风险.无论是2014年还是2017年区域氮、磷污染物顺序均为总氮＞总磷＞氨氮；与2014年相比, 2017年化肥污染物流失量降低了47.8%.