农田化肥面源污染现状及防控技术研究进展

农田化肥面源污染现状及防控技术研究进展

宁建凤，艾绍英，姚建武，李盟军，王思源，申健

（广东省农业科学院农业资源与环境研究所/广东省农业面源污染监测评估与防控工程技术研究中心）

面源污染是基于点源污染的一个相对概念。面源污染具有发生的随机性、污染物迁移途径的不确定性以及污染排放负荷时空变异性大等特点。农田化肥面源污染主要指化肥超量不合理使用导致氮、磷养分在土壤中大量累积，在降雨等作用下氮、磷随地表径流、地下淋溶等方式从田块迁移至地表或地下水体造成的水环境污染。面源污染问题在世界范围内普遍存在，化肥不合理施用导致的面源污染问题日益突出，正在成为水体污染、湖泊富营养化的主要原因之一，对水环境质量及农田生态环境健康产生严重威胁。针对农田化肥面源的控制和治理已成为当前种植业绿色发展亟待解决的重大课题，对于维持区域水土资源可持续利用及产地环境质量安全具有重要经济、社会和现实意义。

一、我国农田化肥使用现状

长期以来，化肥在作物促产增收、保障我国粮食安全方面发挥了重要作用。改革开放至今，我国粮食产量由1980年的32055.5万吨增加至2016年的61625万吨，增幅高达92%。2016年我国化肥施用量（折纯量）5984.1 万吨，是1980年全国化肥用量的4.71倍。粮食产量的大幅增加主要依赖于化肥的大量投入。目前，我国化肥用量占世界化肥消费总量的1/3左右。从化肥用量结构来看，1980年氮肥、磷肥施用量分别占化肥总量的74%和21%，钾肥和复合肥所占比例仅为3%和2%，这一时期我国农田施用的化肥以氮肥为主，其次为磷肥，钾肥和复合肥极少，氮磷钾（N:P₂O₅:K₂O）投入比例为1:0.29:0.04。2016年，氮肥、磷肥、钾肥、复合肥施用量占化肥总量的比例分别为38%、14%、11%和37%，钾肥和复合肥用量分别是1980年18.4倍和81.1倍，增幅远高于氮肥和磷肥。单质肥料中氮磷钾（N:P₂O₅:K₂O）配施比例由于钾肥用量增加有所改善，养分比例为1:0.36:0.28。针对不同类型作物，化肥养分配施比例尚需根据土壤肥力水平和作物需肥规律进一步优化和调整。此外，农田中高浓度复合肥使用广泛，其中氮磷钾养分1:1:1的均衡性复合肥所占比重较大。从化肥施用强度来看，单位面积耕地化肥施用量由1980年的86.72 kg/hm²提高至2016年的359 kg/hm²，单位面积化肥用量增加了3.14倍。总体上，谷类作物化肥用量是农作物化肥总量的主要贡献者，近年来蔬菜、果树化肥用量呈逐步增加趋势，这与我国农业产业结构调整有关。以广东地区为例，1990年蔬菜播种面积占全省农作物播种面积的9%，2016年蔬菜种植面积已达到全省农作物种植面积的26%。蔬菜、水果等由于种植效益高，种植面积逐渐扩大，超量不合理施肥现象十分普遍。部分地区蔬菜化肥用量是普通大田作物的数倍甚至数十倍，导致菜地成为化肥面源污染高风险区。据评估，我国设施蔬菜和主要露地蔬菜化肥减施潜力巨大，减施幅度在34.8%-76.8%之间。我国化肥施用环境风险自1994 年进入低度风险状态，并呈现上升的趋势。农作物化肥减量增效应成为施肥调控政策的首要目标。

二、农田氮磷盈余及面源污染风险

    当前，我国三大粮食作物水稻、小麦和玉米氮肥利用率为27.3%-38.2%，磷肥利用率为13%-16.9%，钾肥利用率为25.6%-30.5%。我国谷物氮肥利用率低于世界平均水平20% -30% 左右。蔬菜作物化肥利用率低于主要粮食作物，以华南地区为例，叶菜、瓜类、豆类蔬菜氮肥利用率仅为18.4%-19.7%。由于作物肥料利用率较低，过量投入的化肥积累在土壤中，导致土壤氮磷养分大量盈余。受常年过量施氮的影响，我国很多地区土壤剖面中出现高量的矿质氮累积，且以北方旱地土壤中表现尤为突出。陕西地区日光温室土壤硝态氮主要累积于60 cm以下的土层，作物根系难以吸收利用。相比氮素，土壤磷盈余是我国土壤有效磷变化的主要特征。从1980 年至2003年我国农田土壤有效磷年均增长约为0.83 mg/kg，广东地区农田土壤磷累积速度明显高于全国平均水平，有效磷年均增加1.2 mg/kg。由于作物氮、磷利用效率普遍较低，土壤氮磷养分的累积增加了其面源污染风险。通常，农田土壤累积的氮磷养分主要通过地表径流、地下淋溶等途径进入水环境。第一次全国污染源普查结果显示，种植业总氮年流失量159.78万吨，总磷流失量10.87万吨，分别占农业源氮、磷流失总量的59%和38%。种植业系统氮磷流失对水环境污染风险日益突出。引起滇池水体富营养的氮磷元素中来自于周边种植业的贡献率为11%。太湖、巢湖等水体富营养化与周边种植业化肥养分的流失关系密切。华北平原集约化种植区地下水硝酸盐超标现象普遍。几乎所有施用高量化肥的地区都存在地表或地下水体面源污染现象。对于农田化肥面源污染的防治已成为区域农业和生态系统协调发展亟待解决的重大课题。

三、农田化肥面源污染防控技术

   “源头防控”是国内外农田化肥面源污染控制研究的主要方面之一。氮磷面源污染“源头减排”技术重点基于农田尺度养分及种植制度的最优化管理，提高农业系统养分利用效率、降低养分流失风险。根据土壤肥力及作物需肥特性，施用有机肥基础上，调整不合理施肥结构，控制和减少氮肥总量，协调氮、磷、钾施用比例，同时配施硅、锌、硼等中微量元素肥料。针对当前有机肥用量偏少的施肥现状，增加有机肥的投入，使有机肥与无机肥搭配施用，减少化肥施用量，降低养分流失的风险性。平衡施肥技术、化肥有机替代技术、养分控释技术、施肥方式优化技术、种植制度优化技术、保护性耕作技术等的研发和应用对区域面源污染源头控制效果明显。采用秸秆覆盖和平衡施肥分别减少30%和22%的菜地氮、磷径流量。传统蔬菜连作模式调整为菜-稻轮作种植模式分别提高蔬菜氮、磷利用率20.5%和8.6%，降低土壤硝态氮和磷累积量72.5%和13%，有效削减菜田过高的氮、磷富集及土壤氮、磷流失潜力。化肥减施20%-30%或配施中微量元素、生化调控剂有效增加春甘蓝、苦瓜、莴苣等蔬菜产量、提高养分利用率同时，显著降低土壤氮、磷淋失负荷58%-90%、44%-78%，降低有效磷和硝态氮残留量7%-10%、26%-58%。生化调控剂包括脲酶抑制剂、硝化抑制剂、磷素螯合剂等。与习惯处理的多次施肥相比，控释肥与有机肥混配一次性基施显著降低了番茄土壤硝态氮淋洗量15%-30%、残留量21%-60%。利用水肥一体化技术等根层调控技术降低番茄氮肥投入量59.5%，番茄节本增收效果显著，氮磷面源污染风险大幅降低。苦瓜全生育期集成运用控释氮肥和硝化抑制剂的综合根层氮肥管理模式，降低化肥氮投入18.8%，增加产量22.5%、提高氮肥利用率13.6%，从污染源头降低氮肥面源污染风险。上述诸项防控措施对菜地氮、磷面源污染减排效果明显，已取得阶段性研究成果。

四、展望

农田氮、磷面源污染的形成受区域气候、土壤、种植模式、施肥习惯等多种因素影响，相关研究的技术相对零散，技术水平参差不齐，缺乏技术的系统性研究。另外，针对养分迁移途径的过程阻控技术如构建生态沟渠、多水塘系统、人工湿地系统等进行氮、磷流失负荷削减，具有较好的应用前景。目前，源头防控技术体系与养分迁移途径的过程阻控技术体系未能有效结合和衔接，尚未形成针对区域农田生态系统的全过程综合防控技术体系。基于区域农田面源污染特点，针对稻田、菜地等典型种植系统，集成现有单体技术，开展“源-汇”型景观组合防控技术体系研究，建立技术应用典型示范区，有效提高区域农田化肥面源污染防控能力，实现种植系统绿色可持续发展。