煙臺市農田N?P 2O 5和K 2O供需平衡及環境影響研究

摘要 通過估算農作物的N、 P 2O 5、K 2O需要量，農作物秸稈的N、 P 2O 5、K 2O還田量，人、畜、禽糞尿的N、 P 2O 5、K 2O還田量 和化肥的N、 P 2O 5、K 2O施用量，研究煙臺市農田N、 P 2O 5、K 2O供需平衡。結果農作物對N、 P 2O 5、K 2O的需要量分別是146 977.71、60 273.35和130 907.02 t;有機肥的N、 P 2O 5、K 2O還田量分別是89 154.77、45 966.96和97 214.73 t;化肥的N、 P 2O 5、K 2O施用量分別是196 262.66、57 171.31 和83 863.03 t。結果表明，化肥、有機肥的N、 P 2O 5、K 2O供應量遠遠大于農作物的需要量;有機肥作為主肥，其養分供應量低于農作物對養分的需要量，但化肥作為輔肥，其養分供應量遠遠大于有機肥的缺口;有機肥不足和化肥過量，造成土壤板結、肥力下降、農作物品質下降和水、土環境污染;通過政府組建公益性專業公司收集養殖場糞污，生產有機肥還田，并通過精準施肥，大幅削減化肥施用量，來改善土壤環境、水環境質量，提高農產品品質。該研究可為煙臺市農田科學施肥提供指導，為農業生態系統可持續發展研究提供思路。

關鍵詞 農田;N;P 2O 5;K 2O;供需平衡;環境影響;煙臺

中圖分類號 F 323.22文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2022）02-0162-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.02.044

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Balance of Supply and Demand and Environmental Effect of N， P 2O 5 and K 2O in Farmland of Yantai City

SUN Rui-chuan

（Yantai Environmental Engineering Consulting and Design Institute Co.，Ltd.，Yantai，Shandong 264000）

Abstract In this paper， the supply and demand balance of N， P 2O 5 and K 2O in farmland of Yantai City was studied by estimating the N， P 2O 5 and K 2O demand of crops， the amount of N， P 2O 5 and K 2O returned to the field by crop straw， the amount of N， P 2O 5 and K 2O returned to the field by human， livestock and poultry manure and urine， and the amount of N， P 2O 5 and K 2O applied by chemical fertilizer. The following results were obtained. First， the requirements of N， P 2O 5 and K 2O for crops were 146 977.71， 60 273.35 and 130 907.02 t， respectively. Second， the amount of N， P 2O 5 and K 2O returned to the field were 89 154.77， 45 966.96 and 97 214.73 t， respectively. Third， the application amounts of N， P 2O 5 and K 2O in chemical fertilizer were 196 262.66， 57 171.31 and 83 863.03 t， respectively. The results showed the following conclusions. First， the supply of N， P 2O 5 and K 2O of chemical fertilizer and organic fertilizer was far greater than the demand of crops. Second， organic fertilizer as the main fertilizer， its nutrient supply was lower than the crop nutrient requirements， but chemical fertilizer as a supplementary fertilizer， its nutrient supply was far greater than the gap of organic fertilizer. Third， lack of organic fertilizer and excessive chemical fertilizer caused soil hardening， fertility decline， crop quality decline and water and soil environmental pollution. Finally， the government ought to set up a professional company to collect manure from the farms and produce organic fertilizer， giving priority to supporting agricultural production bases， and the large amount of chemical fertilizer ought to be reduced through precise fertilization. These measures could improve the quality of soil environment and water environment and improve the quality of agricultural products. The conclusions could provide guidance for scientific fertilization of farmland in Yantai City， and provide ideas for research on sustainable development of agro-ecosystem.

Key words Farmland;N;P 2O 5;K 2O;Supply and demand balance;Environmental effect;Yantai

基金項目 政府采購項目“牟平區近岸海域污染防治規劃編制”（SDGP37061220180-2000007）。

作者簡介 孫瑞川（1963—），男，山東煙臺人，高級工程師，從事近岸海域環境工程規劃與設計研究。

收稿日期 2021-05-03

長期以來，煙臺市使用化肥強度高，在800 kg/hm2以上，超過化肥使用安全上限225 kg/hm2[1]。高強度使用化肥，會引起土壤板結、肥力下降、農產品品質下降和水環境污染。研究農田養分供需平衡，有效削減化肥使用量，對煙臺市農田土壤環境、水環境質量改善和農產品質量提高具有重要作用。

過去，農田養分平衡的研究重點在于養分的收支平衡。基于化肥、有機肥的施入量計算養分收入[2-4]，或基于化肥、有機肥、干濕沉降、生物固氮量計算養分收入[5-6]。基于農作物產量、氮流失和滲漏、徑流損失計算養分支出。養分收支平衡研究的重點在于揭示土壤養分盈虧狀況。研究過程中，未明確有機肥、化肥的優先使用順序，并將農田養分淋失視為正常的支出項目，可能會導致過量使用化肥，引起土壤板結、農產品品質下降和水環境污染。

有機肥改良土壤結構，提高土壤肥力，改善農產品品質。化肥破壞土壤結構，降低農產品品質，污染水環境。因此，農田肥料應以有機肥為主，化肥為輔。基于此，筆者通過估算農作物的N、P 2O 5、K 2O需要量，人、畜、禽糞尿的N、P 2O 5、K 2O還田量，秸稈的N、P 2O 5、K 2O還田量和化肥的N、P 2O 5、K 2O施用量，研究煙臺市農田的N、P 2O 5、K 2O供需平衡，揭示煙臺市農田N、P 2O 5、K 2O供需平衡特征，有機肥、化肥的供應特征，探討影響，提出對策，為煙臺市農田科學施肥提供指導，為農業生態系統可持續發展研究提供思路。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

煙臺市位于山東半島中東部。北接渤海、黃海，南臨黃海，西鄰濰坊、青島，東鄰威海。陸地介于119°32′56″～121°55′48″ E，36°34′23″～37°49′52″ N。

煙臺市包括芝罘區、福山區、開發區、蓬萊區、萊山區、高新區、牟平區、昆崳區、棲霞市、龍口市、招遠市、萊州市、 萊陽市和海陽市。面積13 864.54 km2。

煙臺市屬溫帶季風氣候。2018年年降水量659.1 mm，集中于5—8月，占全年的71.64%。集中降水，易形成農田徑流。河流眾多，落差大，短小流急，徑流季節變化明顯。主要河流有五龍河、大沽夾河、黃水河、王河、界河和辛安河。現有大型水庫3座，中型水庫26座，小型水庫1 084座，可供水量26 598×104 m3。

2019年末，煙臺市戶籍人口6 534 515人。大牲畜存欄數131 917頭。生豬存欄數2 388 595頭。羊存欄數3 539 809只。家禽存養數7 268.47×104只。

現有耕地444 866.67 hm2，其中，1/3為水澆地，2/3為旱地。現有園地229 941.14 hm2，以果園為主，占98.90%。小麥播種面積122 830 hm2，玉米播種面積152 133 hm2，谷子播種面積1 172 hm2，大豆播種面積10 518 hm2，薯類播種面積9 504 hm2，花生播種面積97 163 hm2，蔬菜、瓜類種植面積46 405 hm2，蘋果園129 462 hm2，梨園7 642 hm2，葡萄園10 814 hm2，桃園3 451 hm2。化肥施用實物量967 589 t，折純量337 297 t。

1.2 研究方法

1.2.1 農作物N、P 2O 5、K 2O需要量。

農作物N、P 2O 5、K 2O需要量按公式（1）估算。

M j= H if ij（1）

式中，M j表示第j種養分的需要量，單位為t;H i表示第i種農作物的產量，單位為t;f ij表示單位產量的第i種農作物對第j種養分的年需要量，單位為t/t;i=小麥、玉米、谷子、高粱、大豆、綠豆、薯類、花生、棉花、蔬菜、西瓜、甜瓜、草莓、蘋果、梨、葡萄、桃子、杏;j=N，P 2O 5，K 2O。

1.2.2 農作物秸稈N、P 2O 5、K 2O還田量。

1.2.2.1 農作物秸稈產量。

農作物秸稈產量按公式（2）估算。

J u=H ur u（2）

式中，J u表示第u種農作物秸稈的產量，單位是t;H u表示第u種農作物籽粒的產量，單位是t;r u表示農作物秸稈與籽粒的重量比值;u=小麥、玉米、谷子、高粱、大豆、綠豆、薯類、花生、棉花。

1.2.2.2 農作物秸稈中N、P 2O 5、K 2O總量。

農作物秸稈中N、P 2O 5、K 2O總量按公式（3）估算。

L j= uJ ud uj（3）

式中，L j表示農作物秸稈中第j種養分的總量;J u、u的含義與公式（2）中的相同;d uj表示第u種農作物秸稈中第j種養分的含量;j的含義與公式（1）中的相同。

1.2.2.3 農作物秸稈N、P 2O 5、K 2O的還田量。

農作物秸稈N、P 2O 5、K 2O的還田量按公式（4）估算。

W j=L je（4）

式中，W j表示農作物秸稈中第j種養分的還田量;L j含義與公式（3）中的相同;e表示農作物秸稈的還田率;j的含義與公式（1）中的相同。

1.2.3 人、畜、禽糞尿N、P 2O 5、K 2O還田量。

1.2.3.1 人、畜、禽糞尿年產量。

人、畜、禽糞尿年產量按公式（5）估算。

Q mn=R mg mn（5）

式中，Q mn表示第m種動物的第n種排泄物的產生量，單位為t;R m表示第m種動物的平均存欄數量，單位為口、頭或只;g mn表示第n種動物的第m種排泄物的產量，單位為t/個;m=人、牛、馬、驢、騾、豬、羊、雞;n=鮮糞、鮮尿。

1.2.3.2 人、畜、禽糞尿中N、P 2O 5、K 2O總量。

人、畜、禽糞尿中N、P 2O 5、K 2O總量按公式（6）估算。

P j= m nQ mnh mnj（6）

式中，P j表示第j種養分的總量，單位是t;Q mn、m、n的含義與公式（5）中的相同;h mnj表示第m種動物的第n種排泄物的第j種養分的含量;j的含義與公式（1）中的相同。

1.2.3.3 人、畜、禽糞尿中N、P 2O 5、K 2O的還田量。

人、畜、禽糞尿中N、P 2O 5、K 2O的還田量按公式（7）估算。

S j=P jw（7）

式中，S j表示第j種養分的還田量，單位是t;P j的含義與公式（6）中的相同;w表示糞尿還田率。

1.2.4 農田施用化肥的N、P 2O 5、K 2O數量。

單位產量的農作物對養分的需要量按公式（8）估算。

F j=Fv j（8）

式中，F j表示施用化肥中第j種養分的數量，單位是t;F表示化肥施用量（折純量），單位是t;v j表示化肥施用量中N、P 2O 5、K 2O的含量;j的含義與公式（1）中的相同。

1.2.5 數據處理。

牛、豬、羊、雞的年均存欄數的計算，根據不同情況，分別采用公式（1）和公式（2）2種方法。

C=（Cs +Ce）/2，當CH≤（Cs +Ce）/2時（9）

C =（Cs +Ce）/2+[CH-（Cs +Ce）/2]×R i，當CH﹥（Cs +Ce）/2時（10）

公式（9）、（10）中，C表示年均存欄數，單位是頭或只;Cs表示年初存欄數（以2018年年末存欄數計），單位是頭或只;Ce表示年末存欄數（以2019年年末存欄數計），單位是頭或只;CH表示2019年出欄數，單位是頭或只;R i表示出欄周期率，R i =出欄周期/年，i=牛、羊、豬、雞，R 牛=1，R 羊=1，R 豬=1/2，R 雞=1/3。

1.3 數據來源

1.3.1 農作物產量，單位產量對N、P 2O 5、K 2O的需要量。

農作物產量來自2020年煙臺市統計年鑒的2019年數據[7]（表1）。單位產量（1 000 kg）所需N、P 2O 5、K 2O的數量來自“計量施肥”等相關文獻[8-10]（表2）。

1.3.2 秸稈籽粒比和秸稈中養分含量。

農作物產量來自2019年煙臺市統計年鑒的2018年數據[11]（表3）。作物的秸稈籽粒比和秸稈中的N、P 2O 5、K 2O含量來自文獻“中國作物秸稈養分資源數量估算和其利用狀況”[12]（表4）。秸稈還田率取26%[13]。

1.3.3 人、畜、禽數量，鮮糞、尿產量，糞、尿中養分含量。

煙臺人口、畜、禽數量數據來自“2019年煙臺統計年鑒”和“2020年煙臺統計年鑒”[7，11]（表5）。人、畜、禽糞尿年產量數據來自文獻“農家肥料”[14]（表6）。

人、畜、禽鮮糞、鮮尿中N、P 2O 5、K 2O的含量來自文獻“農家肥料”[15]（表7、8）。人、畜、禽糞尿還田率為76.16%[16]。

1.3.4 化肥施用量（折純量）及其N、P 2O 5、K 2O含量。

化肥施用量（折純量）數據來自“2020煙臺統計年鑒”的2019年數據，為337 297 t[7]。其中，N、P 2O 5、K 2O分別占58.19%、16.95%和24.86%[17-19]。

2 結果與分析

根據公式（1）和表1、表2中的數據，估算出農作物的養分需要量。根據公式（2）、（3）、（4）和表3、表4數據和秸稈還田率26%，估算出秸稈還田的養分。根據公式（5）、（6）、（7）、（8）、（9）和表5、6、7、8中的數據，以及糞尿還田率76.16%，估算糞尿還田的養分。根據公式（10）和化肥施用量、施用量中N、P 2O 5、K 2O的含量，估算N、P 2O 5、K 2O的施用量。結果見表9。

表9表明，煙臺市農田的N、P 2O 5、K 2O供應量大于作物的需要量，N、P 2O 5、K 2O供應量分別是作物需要量的1.94、1.71和1.38倍。有機肥的N、P 2O 5、K 2O供應量分別占作物需要量的60.66%、72.26%和74.26%，有機肥的N、P 2O 5、K 2O供應量不能滿足作物的需要。化肥施用量分別是有機肥缺口的3.39、4.00和2.49倍，化肥補充量過大。

3 討論

3.1 有機肥不足、化肥過量的影響

3.1.1 破壞土壤。

有機肥含有豐富的有機質。有機質是土壤腐殖質的重要來源。腐殖質促進土壤團粒結構的形成，改良土壤性質，提高土壤肥力。施用有機肥，可增加土壤中有機膠體，膠體對重金屬有吸附作用，可防止土壤污染。

化肥中大量的NH 3+、K+與土壤膠體吸附的Ca2+、Mg2+交換，導致Ca2+、Mg2+流失，破壞土壤結構，導致土壤板結，土壤肥力下降。

化肥中含有多種重金屬、放射性物質及其他有害物質。有害物質降低土壤微生物活性，難以轉化有機質和降解有毒、有害物質，造成土壤污染。酸性化肥，造成土壤酸化。酸性土壤釋放有毒物質，增強有害物質的毒性，造成土壤污染。因此，有機肥不足，化肥過量破壞土壤結構、污染土壤，降低土壤肥力。

3.1.2 降低農產品品質。

有機肥是完全肥料，含有農作物需要的各種營養元素，大多數養分以有機化合物的狀態存在。有機肥能提供土壤微生物生命活動所需的能源和養料，促進微生物的活動，加速土壤內養分的分解和供應。

化肥養分單一。大量使用化肥，土壤有機質下降，影響土壤微生物生存，破壞土壤肥力結構，降低肥效。因此，有機肥不足，化肥超量，造成養分供應不全面、不均衡，而且，土壤污染物質被植物吸收，必然導致農產品品質下降。

3.1.3 污染水環境。

有機肥中大多數養分以有機化合物狀態存在，必須經過微生物分解才能轉化為有效養分，供作物吸收利用。因此，有機肥肥效穩定持久。

化肥是無機速效肥，易流失。N、P 2O 5、K 2O，尤其是N，隨農田徑流流失嚴重。若N、P 2O 5流失率按施肥量的11%計算[20]，煙臺市農田N、P 2O 5年流失量分別達21 588.89和1 715.14 t。

化肥養分流失嚴重污染水環境。2020年9月，煙臺市重點河流，辛安河、泳汶河出現Ⅴ類水質河段，東村河、界河出現劣Ⅴ類水質河段，五龍河、沁水河出現Ⅳ類水質河段。

3.2 對策

3.2.1 努力提高畜禽糞尿資源還田率。

當前，仍有近25%的糞尿資源未能還田，特別是畜禽養殖場畜禽糞尿浪費嚴重。大部分養殖場缺少糞污收集、貯存、處理和利用設施，隨意堆放，流失現象嚴重。種、養分離，有機肥價格優勢不明顯，缺乏合理出路。

因此，政府組建公益性質的專業公司，收集畜、禽養殖場的糞污資源，加工處理，生產沼氣和有機肥。有機肥優先供應政府扶持的農產品生產基地。

3.2.2 大幅度削減無機肥施肥量。

化肥施肥折純量的N、P 2O 5、K 2O分別為196 262.66、57 171.31和83 863.03 t，分別是有機肥缺口的3.39、4.00和2.49倍。

施用化肥是為了彌補有機肥的不足。就目前有機肥施用狀況，需要化肥的N、P 2O 5、K 2O供應量分別為57 822.94、14 306.39和33 692.29，則化肥的N、P 2O 5、K 2O削減量分別為138 439.72、42 864.92和50 170.74 t。

精準施肥是削減化肥的前提。要根據作物的生理生長特征、天氣條件，定時、定位、定量施肥，防止因流失導致養分不足。

4 結論

利用農作物產量估算農作物的N、P 2O 5、K 2O需要量分別為146 977.71、60 273.35和130 907.02 t，秸稈的N、P 2O 5、K 2O還田量分別為10 378.16、3 102.81和14 146.06 t。利用人口、畜禽數量估算糞尿的N、P 2O 5、K 2O還田量分別為78 776.61、42 864.15和83 068.67 t。

煙臺市農田的N、P 2O 5、K 2O供應量大于作物的需要量;有機肥供應量不足，化肥補充量過大。

有機肥不足、化肥施用過量破壞土壤、降低農產品品質并污染水環境。

通過政府組建公益性專業公司，收集、加工、處理畜禽養殖場糞污資源，生產有機肥還田，來提高畜禽糞尿資源還田率。通過精準施肥，防止養分流失，大幅度削減化肥使用量。這些措施可防止對土壤的破壞、提高農產品品質并保護水環境，保障大眾的健康生存。

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