海南農田養分平衡狀況及環境風險評價

洪秀楊，鐘于秀，李偉芳，劉爍然，巨曉棠，阮云澤，李婷玉*

（1 海南大學三亞南繁研究院，海南三亞 572000；2 海南大學熱帶作物學院，海南海口 570208）

海南是我國唯一的“熱帶特色農業基地”，農牧業占地區經濟生產總值的33%。由于海南得天獨厚的熱區優勢，近年來本地農業發展迅速，過去30年農產品產量增長了3.3倍，尤其是水果、蔬菜的產量分別增加了11和10倍[1]，水稻等糧食作物種植面積占比則不斷下降。據統計，從1990年到2020年，海南糧食作物種植面積下降了一半 (從56萬hm2下降到27萬hm2)，經濟作物占比目前已達到總播種面積的81%，成為驅動化肥用量增長的主要因素。自1990年到2015年，海南島的化肥用量 (實物量)增長了近3倍 (從37萬t增長到136萬t)，農田氮素養分輸入量增長近2倍[2]，磷素總輸入量增長2.8倍[3]。海南島土壤以高度風化的磚紅壤為主，有機質含量和陽離子交換量低，對養分的持留和供應能力差，過量投入的養分不能被作物有效利用而損失到環境中，導致農田養分大量損失[4]。加之近些年熱帶風暴等極端天氣頻發，土壤侵蝕和流失呈增強趨勢，加劇了面源污染的形成和發展。

研究表明，海南島多個入海口監測點的水體總溶解氮濃度超過國家水質Ⅲ類飲用水標準，可溶性無機氮濃度也高于我國黃渤海等地區[5]。農業面源污染問題已經嚴重制約了海南島的可持續發展。2018年國家確立了海南省建設“國家生態文明試驗區”、“國際旅游消費中心”和“農業綠色發展先行區”的戰略定位，這意味著海南未來面臨著雙重挑戰，既要保證熱帶特色農產品供應，又不能犧牲生態環境，甚至要引領全國生態文明建設。本研究通過對海南島主要農作物施肥情況的全覆蓋實地調研和養分收支分析，以闡明主要農作物的養分施用強度和養分平衡，開展活性氮損失、溫室氣體排放和水體富營養化等環境影響評價，為海南科學施肥、有機肥替代等相關研究及政策提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

海南島地處我國最南端，屬熱帶季風海洋性氣候，全年暖熱，雨量充沛，作物全年可生長，被譽為天然溫室，稻可三熟，菜滿四季。在此特殊的光溫水資源下，海南成為中國大陸冬季的“菜籃子”、“果盤子”。年均氣溫為23℃～25℃，年平均降水量為1639 mm，但時空變異較大，干濕季明顯[4]。海南島陸地面積354萬hm2，耕地面積為43.6萬hm2(2020年)。常住人口1008萬人[6]，農業生產總值為1821億元，芒果、菠蘿等熱帶水果產量位居全國第一和第二位。海南島農田多分布在海口、文昌、儋州和東方等北部和西部沿海市縣[1]，農業生產對近海水體污染風險較大。

1.2 數據來源

研究數據來源包括統計數據、調研數據和文獻數據，統計數據包括作物種植結構、主要農作物在各市縣的分布情況等；調研數據包括農戶化肥和有機肥氮磷鉀養分施用強度、產量水平、肥料產品結構、作物秸稈處理方式、農戶基本信息和地塊基本信息等；文獻數據主要包括熱帶土壤作物體系氮磷流失系數、作物產品氮磷鉀養分濃度[7–13]及全國主要農作物的養分投入等，用于作物體系氮磷養分平衡分析以及活性氮損失、溫室氣體排放和富營養化風險等環境影響評價。

1.3 研究方法

1.3.1 調研樣本 本研究通過對海南島18個市縣進行實地調研，共獲取有效樣本1199個，分布見圖1，其中北部4個市縣共計420個 (海口130、文昌142、臨高38、澄邁110)，西部3個市縣共計220個 (儋州75、昌江72、東方73)，南部4個市縣共計251個 (樂東85、三亞73、保亭33、陵水60)，東部兩個市縣共計93個 (萬寧50、瓊海43)，中部5個市縣共計215個 (定安61、屯昌36、瓊中43、白沙45、五指山30)；作物類型中，糧食、水果、蔬菜和其他經濟作物調研樣本量分別為380、276、265和278，共計36種作物，1199個樣本，具體作物樣本分布見表1。

表1 海南主要作物施肥管理及產量水平調研樣本分布Table 1 Sample distribution of fertilization management and yield level of main crops in Hainan Province

圖1 調研樣本分布圖Fig.1 Distribution map of survey samples

1.3.2 區域養分投入強度計算 由于各個區域的農業種植結構、地形氣候、經濟發展水平及農業經營者種植理念等存在較大差異，導致海南島各區域養分投入強度大不相同。本研究以市縣為單位，計算海南島各市縣的區域化肥氮、磷、鉀養分施用強度。

區域養分投入強度的計算公式如下：

式中，Nufer-region為區域化肥氮磷鉀養分投入強度，Inputi代表主要農作物“i”單位面積化肥養分投入強度，Ai表示“i”在該區域的種植面積，其中Inputi參數由本研究調研所得，Ai數據參考《海南統計年鑒 2020》[1]。

1.3.3 養分平衡估算 養分平衡是養分管理和政策制定的重要指標[14–15]，其定義為一個給定系統在給定時間段內 (一般一季作物或周年，本研究對一季作物養分平衡情況進行探討)詳細的養分輸入 (inputs)與輸出 (outputs)的關系。養分盈余過剩 (surplus)或虧缺 (deficiency)基于單位耕地面積上養分輸入與輸出的差值 (difference)獲得。養分輸入是指投入到作物體系氮磷等養分的總和，如化肥、有機肥、生物固氮、氮沉降等；養分輸出是指輸出產品帶走養分的總和，如作物收獲物、未作還田處理移出的作物秸稈[16]。通過調研得知海南糧食作物秸稈大多全部還田，而蔬菜類作物 (辣椒、瓜類、豆類等)秸稈少有還田處理，故蔬菜的養分輸出以作物地上部養分吸收量計算，其他作物如糧食和果樹則是計算其籽粒或果實等產物的養分含量。

養分平衡的計算公式如下：

式中，NuSur為農田系統氮磷養分的盈余；Nuinputs為農田系統養分投入；Nuhar為農田系統養分輸出，即以作物產品形式收獲的養分加未還田的部分秸稈；Nufer為化肥氮磷養分投入；Numan為有機肥氮磷養分投入，NuBNF為生物固氮量，Nudep為大氣氮沉降[17]。

1.3.4 環境影響評價 本研究用全生命周期進行農田氮磷鉀化肥及有機肥投入的環境影響評價，所用指標包括活性氮損失、溫室氣體排放和水體富營養化。

1)活性氮損失 (reactive nitrogen loss, Nr)：主要包括化肥和有機肥施用階段以及化肥生產和運輸階段的氮損失，在施用階段主要是硝酸鹽淋洗、氨揮發、氧化亞氮排放等，在肥料生產和運輸階段主要有氮氧化物排放、氨排放等。

施用過程產生的活性氮損失計算公式如下：

式中，N2Oemission、NH3 voltalization、的計算主要參考 Wang 等[18–19]、王桂良[20]、Armour等[21]、Pandeya[22]等總結的參數，Nrate為化肥和有機肥的總氮施用量。

其它途徑的活性氮損失排放主要包括肥料生產和運輸階段的活性氮損失量，用 NrMS表示，單位是N kg/hm2；其計算公式為：

式中，“i”代表每個農業投入品類別，Ratei代表“i”的用量：主要包括氮肥、磷肥和鉀肥，Fi代表“i”生產和運輸階段的活性氮損失因子，參數如表2所示。

2) 溫室氣體排放潛值 (global warming potential,GWP)：在本研究中包括化肥和有機肥施用過程以及化肥生產和運輸過程排放的CO2和N2O，以CO2為參照物，單位統一為CO2-eq kg/hm2[23]。其計算公式為：

式中，GWPTotal表示單位面積的溫室氣體排放總量，單位為CO2-eq kg/hm2；N2OTotal表示氮肥施用階段直接引起土壤N2O排放，及由NH3揮發和NO3－淋洗途徑間接產生的總N2O排放，44/28是N2O-N對N2O的換算系數，265為N2O以CO2-eq計的全球增溫潛勢，1.0%和2.5%分別是與NH3揮發和NO3－淋洗相關的N2O間接排放系數[24]；GWPFS表示氮磷鉀肥的生產和運輸過程中的溫室氣體排放量，單位是CO2-eq kg/hm2；“i”代表不同肥料類別，PECi表示“i”的生產和運輸階段溫室氣體排放的相關排放系數，Ratei代表“i”的用量，詳見表2。

3)富營養化 (eutrophication potential, EP)：在本研究中包括化肥和有機肥施用階段以及化肥生產和運輸階段排放的NH3和，以PO4為參照物[23]。其計算公式為：

式中，EP-Total表示單位面積上的富營養化，NH3和轉換為PO4的當量系數分別為0.33和0.42[28–29]，17/14為NH3-N對NH3的換算系數，95/31為P對PO4的換算系數。PO4-MS表示農業投入品 (包括氮磷鉀肥) 生產和運輸階段排放的PO4量，其中“i”代表肥料類別，Pi表示“i”的生產和運輸階段排放PO4的相關系數，詳見表2，Ratei代表“i”的用量。0.98%和2.18%為磷素淋洗量和徑流量占投入量的比例，磷素淋洗的文獻主要參考劉建霞、姚春霞等的文獻[30–31]。

表2 單位化肥用量環境影響評價參數及數據來源[25-27]Table 2 Parameters and data sources of environmental impact of one unit chemical fertilizer application

2 結果與分析

2.1 海南農田化肥施用強度和肥料產品結構

2.1.1 糧食作物化肥施用量及有機肥養分占比 海南糧食作物 (水稻、玉米、番薯等)化肥N、P2O5、K2O養分投入量分別為226、103、98 kg/hm2；有機肥 N、P2O5、K2O 投入分別為 10、5、8 kg/hm2；糧食作物化肥N、P2O5、K2O投入均超過全國平均水平，其中磷、鉀超過全國水平50%[32]。海南3種主要糧食作物的化肥氮磷鉀養分投入，均表現為氮投入量較高、磷鉀投入量相近 (表3)。糧食作物有機肥投入的氮、磷、鉀分別占總養分投入量的4%、4%、8%，低于全國平均水平69%～83%。全國糧食作物有機肥 N、P2O5、K2O 投入分別為 29、21、24 kg/hm2，有機肥投入的氮、磷、鉀分別占糧食作物總養分投入量的13%、23%、27%[32]。

表3 海南及全國糧食作物化肥養分施用水平(kg/hm2·season)Table 3 The chemical nutrient application rates of grain crops in Hainan province and the whole country

2.1.2 蔬菜作物化肥施用量及有機肥養分占比 海南省蔬菜作物 (葉菜、豇豆、辣椒等)化肥N、P2O5、K2O養分平均投入量分別為470、483、474 kg/hm2，有機肥N、P2O5、K2O投入量分別為116、48、88 kg/hm2。蔬菜作物單位面積化肥N、P2O5、K2O養分投入量均高于全國平均水平，分別高出48%、164%、138%。如表4所示，海南蔬菜作物中化肥養分投入量較高的是冬瓜、辣椒和豇豆；葉菜雖然單季養分投入量較低，但由于其生長周期短，一年可種植3～10茬，所以其周年的養分投入量也處于高位，這里我們按照海南近5年平均復種指數150%～170%[1]將4茬蔬菜計算為一季。磷投入過量在蔬菜作物表現尤為突出，海南蔬菜磷素投入量普遍接近甚至高于氮素。有機肥N、P2O5、K2O投入量分別占總養分投入量的20%、9%、16%，低于全國平均水平9%～65%。全國蔬菜作物有機肥N、P2O5、K2O投入分別為91、64、60 kg/hm2，有機肥投入的氮、磷、鉀分別占蔬菜總養分投入量的22%、26%、24%[32]。

表4 海南及全國蔬菜作物化肥養分年施用強度(kg/hm2·season)Table 4 Nutrient application intensity of vegetable crops on Hainan Province and the whole country

2.1.3 水果化肥施用量及有機肥養分占比 海南水果 (芒果、香蕉、菠蘿等)化肥N、P2O5、K2O養分投入量分別為473、355、493 kg/hm2；有機肥N、P2O5、K2O 養分投入量分別為 65、39、48 kg/hm2；水果單位面積化肥N、P2O5、K2O養分投入量均高于全國平均水平，分別高出20%、55%、91%。如表5所示，海南水果的養分投入量差異較大，其中菠蘿和香蕉化肥養分投入量最高，氮磷鉀養分投入量在2100 kg/hm2以上。水果有機肥投入的氮、磷、鉀養分分別占總養分投入量的12%、10%、9%，低于全國平均水平52%～69%。全國水果作物有機肥N、P2O5、K2O 投入分別為 132、97、105 kg/hm2，有機肥投入的氮、磷、鉀分別占水果總養分投入量的25%、30%、29%[32]。

表5 海南及全國水果化肥養分施用強度(kg/hm2·season)Table 5 Chemical nutrient application intensity of fruit crops on Hainan Province and the whole country

根據《海南統計年鑒》計算，海南省其他經濟作物主要為橡膠和檳榔，其面積在其他經濟作物總面積中占比分別為75%和15% (圖2)。橡膠化肥氮、磷、鉀養分投入量分別為 N 76 kg/hm2、P2O572 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2，檳榔分別為 N 345 kg/hm2、P2O5340 kg/hm2、K2O 357 kg/hm2。檳榔的養分投入較高，且種植面積增長較快，目前已經達到水稻面積的一半左右，是海南化肥減量潛力較大的作物。由于海南其他經濟作物種類與全國差異較大，在此不做比較。

圖2 海南省2020年主要農作物種植結構Fig.2 Planting structure of main crops on Hainan Province in 2020

2.1.4 海南各市縣化肥施用強度 海南化肥氮、磷、鉀養分面積加權平均值分別為N 261 kg/hm2、P2O5206 kg/hm2、K2O 225 kg/hm2，高出全國水平10%、101%、148%；其中化肥氮、磷、鉀占總養分投入量的比例分別為87%、92%、88%。18個市縣中單位面積化肥養分施用強度，呈現沿海市縣高于中部市縣態勢，其中最高的是昌江 (N 366 kg/hm2、P2O5291 kg/hm2、K2O 351 kg/hm2) 和海口 (N 321 kg/hm2、P2O5258 kg/hm2、K2O 295 kg/hm2)，施用強度最低的是白沙 (N 150 kg/hm2、P2O5101 kg/hm2、K2O 109 kg/hm2) 和瓊中 (N 163 kg/hm2、P2O5130 kg/hm2、K2O 138 kg/hm2)，昌江、海口氮、磷、鉀投入量為白沙、瓊中等市縣的1.0～2.2倍 (圖3)。這主要和區域種植結構有關，昌江和海口的香蕉、甘蔗、菠蘿、辣椒和葉菜等高養分投入作物面積占比在全島名列前茅，而低養分投入的橡膠等種植面積則較小 (昌江、海口橡膠種植面積占全省的比例分別為3.0%和0.9%)。

圖3 海南省各市縣化肥施用強度Fig.3 Chemical nutrient rate intensity in cities and counties on Hainan Province

2.1.5 肥料產品結構 海南主要農作物施用的化肥中，氮肥主要以尿素為主，在氮肥中的使用比例達84% (以施用頻率計算)；磷肥以過磷酸鈣和鈣鎂磷肥為主，在磷肥中的使用比例分別為84%和16%；鉀肥以氯化鉀和硫酸鉀為主，在鉀肥中的使用比例分別為55%和31%；復合肥以不同配方的平衡肥為主，其中 15–15–15、16–16–16 和 17–17–17 的平衡肥分別占復合肥施用頻率的62%、5%、5% (圖4)，有很多農戶施用的配方肥為作物專用配方肥，主要見于水稻、香蕉、檳榔等作物。除了這些傳統化肥外，不同類型的水溶肥、桶裝肥在水果、蔬菜種植中有較高的施用比例，尤其是哈密瓜、西瓜等瓜類種植。

圖4 海南化肥施用產品結構Fig.4 The structures of chemical fertilizers applied in Hainan Province

有機肥施用方面，海南經濟作物的有機肥施用比率高于糧食作物。雞糞是農戶最常使用的有機肥，在不同類型的作物中施用比例較高；在糧食、蔬菜、水果和其他類型作物的比例分別為50%、31%、20%和41%，牛糞次之。蔬菜和水果作物羊糞的使用比例較高，分別為31%和48%，商品有機肥的使用比例較低，均在10%以下，商品有機肥主要施用于蔬菜作物。海南糧食作物、蔬菜、水果和其他經濟作物農戶中施用有機肥的比例分別為15%、61%、59%和47%。

2.2 典型農作物氮磷養分平衡

養分平衡 (盈余)為總養分投入與有效氮磷產出之差，是指未被有效利用的養分，大多通過徑流、揮發和淋洗損失到水和空氣中，少部分貯存于土壤養分庫中，是反映養分損失環境風險的重要指標[14–16]。本研究分析了海南典型作物體系水稻–蔬菜輪作以及熱帶特色水果香蕉和菠蘿的氮磷養分平衡(圖5)。

圖5 海南典型作物體系氮磷養分平衡及損失去向 [(kg/hm2·season)] [33]Fig.5 Balance and loss of N and P in typical cropping systems in Hainan Province

水稻是海南種植面積最大的糧食作物，播種面積將近30萬hm2，目前海南水稻生產從傳統的早晚雙季稻逐漸轉向水稻–蔬菜輪作模式。本研究分析了目前廣泛種植的水稻–辣椒輪作體系，該作物體系周年氮素投入為 N 798 kg/hm2，有效氮產出 (收獲的作物籽粒及辣椒產品)為 N 278 kg/hm2，每年有 N 520 kg/hm2的氮素盈余殘留在土壤或流失到環境中，周年氮素利用率為35%。全國水稻、辣椒氮素利用率分別為53%和37%[32]，均高于海南水稻–辣椒輪作體系。海南省水稻–辣椒的磷 (純磷)投入為P 268 kg/hm2，有效磷產出為 P 51 kg/hm2，盈余為 P 217 kg/hm2，磷素利用率為19%。盈余的氮素主要去向為地表徑流和淋洗，損失總量高達N 203 kg/hm2，磷素損失中地表徑流和淋洗總量為P 35 kg/hm2，主要的磷素盈余則被土壤固定。

香蕉是海南第二大水果作物，種植面積僅次于芒果。香蕉的平均氮素投入為N 827 kg/hm2，有效氮輸出 (香蕉果實的氮輸出)為 N 152 kg/hm2，投入產出均高于全國平均水平約5%[34]，氮素盈余N 675 kg/hm2，氮素利用率為18%。香蕉的磷素 (純磷)投入為P 305 kg/hm2，高出全國平均水平27%，有效磷輸出為 P 28 kg/hm2，磷素盈余 P 277 kg/hm2，磷素利用率為9%。菠蘿是海南的特色熱帶作物之一，也是海南甚至全國養分投入強度最高的作物之一，總氮投入高達 N 928 kg/hm2，有效氮產出 (菠蘿果實氮素輸出量)為 N 260 kg/hm2，氮素盈余為 N 668 kg/hm2，氮素利用率為28%；菠蘿的磷素投入量為P 262 kg/hm2，有效產出為 P 34 kg/hm2，磷盈余為 P 228 kg/hm2，磷素利用率為13%[35]。

2.3 環境影響評估

海南主要農作物單位面積環境排放較高，其中單位面積活性氮損失、單位面積溫室氣體排放和富營養化效應，均以菠蘿最高 (圖6)，分別達到N 201 kg/hm2、CO2-eq 13112 kg/hm2和 PO4-eq 121 kg/hm2。此外香蕉、龍眼、甘蔗等水果的單位面積環境排放也位于前列，花生、橡膠、茶葉等單位面積環境排放值相對較低。活性氮損失的4個途徑中，貢獻最大的是施用階段硝酸鹽淋洗達85%，其次是氨揮發、氧化亞氮排放和肥料生產運輸階段產生的活性氮損失。單位面積溫室氣體排放的調查結果表明，肥料生產運輸過程產生的溫室氣體排放與施用階段相當。在單位面積富營養化潛值中，肥料施用階段排放較大，氮肥和磷肥肥料施用過程對富營養化效應的貢獻度分別為62.5%和35.7%。

圖6 海南主要作物的環境風險評估Fig.6 Assessment of environmental risks of the main crops in Hainan Province

3 結論與建議

本研究通過對1199個農戶生產樣本的深入分析，得出海南的氮肥單季投入強度高于全國10%，磷、鉀投入超出全國平均水平的1.0、1.5倍。農作物種植結構和肥料產品結構是導致磷鉀過量施用的重要因素。海南經濟作物種植面積在總種植面積中占比達80%以上，位居全國前列，經濟作物施肥過分偏重高磷鉀濃度的平衡復合肥。種植結構的差異是也導致海南省沿海市縣養分投入大于中部市縣的主要原因。此外，海南的有機肥占比較低，氮磷鉀有機養分投入分別占總養分投入的13%、8%、12%，分別低于全國水平。全國氮、磷、鉀有機養分投入分別占總養分投入的18%、24%、29%[32]。有機肥比例偏低一方面是因為化肥強度基數大，拉低了有機肥的占比；另一方面是因為海南有機廢棄物的循環比例較低，僅為48%，一半以上的有機肥資源未被有效利用并成為環境污染的來源。

海南典型農作物的養分平衡狀況：香蕉、菠蘿的氮盈余分別為 N 675 kg/hm2和 N 668 kg/hm2，磷盈余分別為 P 277 kg/hm2和 P 228 kg/hm2。以氮為例，是安全環境閾值的8倍以上，是歐盟盈余指標的13 倍以上 (氮素安全盈余閾值為 N 80 kg/hm2[16]，歐盟規定了每年土壤氮盈余不得超過N 50 kg/hm2[36])。高強度的施肥也導致菠蘿、香蕉體系的各項環境影響均較高，是水稻環境排放的3～4倍。海南島熱帶特色蔬菜和水果的大幅度增產背后是高額的環境代價，農業生產方式亟待轉型。針對以上問題，提出以下幾點建議：

1)根據作物的需肥特征，進一步優化肥料產品結構；制定作物專用肥配方，降低高磷配方復合肥的比例，在配方肥的基礎上完善功能肥、水溶肥的搭配，建立科學施肥技術體系及規程，并覆蓋到主要作物的主要區域。

2)在作物配方肥及科學施肥體系下，實施化肥定額制 (氮、磷、鉀定額)和實名制度，限制化肥投入量；并將肥料定額和作物科學施肥與本地的綠色農產品或地標農產品認證相結合。

3)穩定糧食作物種植面積，限制經濟作物種植面積的進一步增加，特別是檳榔，其種植面積已擴大到水稻的一半，而施肥強度則和水果等經濟作物相當。

4)規范主要作物施肥強度監控指標，構建覆蓋全島的主要作物施肥強度監測網絡。

5)加強不同作物體系養分循環和損失途徑的科學研究，建立養分綜合管理指標體系，以控制面源污染。