



關鍵詞: 海南島; 產量潛力; 氮素盈余閾值; 氮肥定額; 氮素承載力
海南島位于中國最南端,占全國熱帶地區總面積的42.5%。由于優越的地理位置和氣候條件,成為我國發展熱帶特色高效農業的優勢產區。統計數據表明,2000—2020 年海南糧食作物的播種面積減少一半,而蔬菜、瓜類播種面積增長80%,總產量從30.40 萬t 增加到718.63 萬t,增加22.6 倍;園林水果播種面積增長28%,總產量從106.33 萬t 增加到349.75 萬t,增加2.3 倍;由于經濟作物占比不斷增加,海南氮肥總投入也急劇上升,增加3 9 % (從22萬t 增加到30.6 萬t)[1]。此外,從氮肥施用強度來看,海南也高于全國同類作物平均水平,如海南糧食、水果、蔬菜的平均化學氮肥投入分別為226、473、470 kg/hm2,分別高于全國化學氮肥投入22%、20%、48%[ 2 ]。一些熱帶典型水果作物(香蕉、菠蘿) 的氮肥投入更是高達868 kg/hm2,而利用效率卻僅有28%,徑流淋洗損失嚴重[3]。目前海南農田氮素盈余已經達到298 kg/hm2,在一些沿海地區,如瓊海,甚至高達600 kg/hm2[4]。過量的氮肥投入會引起作物產量和品質下降、土壤酸化、水體富營養化,地下水硝酸鹽含量超標等問題[5?7]。農田氮素損失途徑多以徑流為主,海南農業生產主要分布在沿海的平原,農業集約化種植帶來的活性氮排放直接進入近海水體,形成了嚴峻的生態環境壓力。研究發現海南多個沿海市縣入海口監測點的水體,總溶解氮濃度超過國家水質Ⅲ類水質標準,甚至達到Ⅳ類水標準[8]。
不合理施肥造成的一系列問題嚴重限制了海南農業綠色發展和自貿港生態文明建設,因此明確海南農田土壤作物的化肥施用標準和區域養分承載力迫在眉睫。以氮為例,目前確定合理施氮量基本原則已經愈發清楚,即氮肥投入既要保證目標產量的實現、提高或維持土壤肥力,同時又要控制環境影響在可接受的范圍,從而實現多目標共贏[9?10]。本研究以海南島土壤作物為研究對象,根據作物氮素養分吸收規律及養分平衡原理,通過大樣本調研和主要作物產品氮素濃度數據庫的構建,明確海南島作物產量潛力及產量潛力下作物氮素需求,通過文獻整合研究明確華南地區氮素盈余閾值,測算滿足增產和環境安全目標下的氮肥投入上限及區域農田氮素承載力,為海南島氮素綜合管理提供科學依據,同時為其他區域農田養分管理提供具體案例。
1 材料與方法
1.1 研究區域概況
海南島地處北緯18°10′~20°10′,東經108°37′~111°03′,屬熱帶海洋性季風氣候,是我國唯一的熱帶海島省份,全年氣候適宜,有天然大溫室之稱。島內耕地面積為43.6 萬hm2,糧食作物主要有水稻、番薯,其播種面積占比為39.1%,蔬菜作物主要有葉菜、菜用瓜、辣椒、豇豆等,其播種面積占比為37.4%。作物復種指數高,一年多熟,主要的種植類型有水稻連作、稻菜輪作。蔬菜、水果類主產品產量分別達到572.8、495.6 萬t,成為我國冬季主要的“菜籃子”和“果籃子”[1]。
1.2 海南作物氮肥定額
本研究基于養分平衡原理核算作物的氮肥定額,即作物產量潛力下的氮素收獲量與氮素盈余閾值之和,扣除大氣沉降和生物固氮等自然系統氮素輸入,即為作物單季氮肥投入上限。參考前人研究,以農戶調研樣本中前5% 產量水平作為產量潛力,即農田可實現的作物最大產量水平[11]。產量潛力下的作物氮素收獲量為作物農田最高產量與作物產品氮含量之積[9]。氮素盈余閾值反映了氮素損失的臨界閾值,是氮素環境風險評價的重要指標[12]。具體計算公式如下:
式中,Max Ni n p u t 為單季作物單位面積氮素投入定額,Nhar_yield potential 為作物產量潛力即最高產量水平下的氮素收獲量,Ncritical surplus 為作物氮素盈余閾值。MaxNf e r 為化肥氮素和有機肥氮素投入,Nd ep 為大氣沉降,NBNF 為生物固氮,Ymax 為作物農田可獲得最高產量,NC 為作物產品的氮素濃度。海南年均氮素總沉降平均為6.7 kg/hm2 [13],水稻的生物固氮為30 kg/hm2 [14],菜豆類作物的生物固氮為70 kg/hm2 [15],花生的生物固氮為80 kg/hm2 [15]。
1.2.1 作物產量水平 采用隨機抽樣方法對海南島18 個市縣進行大樣本農戶問卷調研,共獲取有效樣本1199 份。其中糧食、水果、蔬菜和其他經濟作物調研樣本量分別為380、276、265 和278[2],多年生作物現無產量數據。剔除異常值后,統計分析明確海南作物產量水平分布情況,以農戶前5% 產量水平作為作物產量潛力[11]。調研內容和方法參考了相關文獻[2]。
1.2.2 作物產品氮素濃度 作物產品氮養分濃度數據主要來源于自測數據、文獻數據和統計數據。自測數據主要針對文獻和統計數據缺失作物,對本地作物主產品采樣分析,用凱氏定氮法測定全氮含量[16]。
統計數據主要來自國際糧農組織數據庫[17]。
1.2.3 氮素盈余閾值 氮素盈余為氮素投入與氮素產出之差,其中氮素投入包括化肥投入、有機肥投入、生物固氮、大氣沉降,氮素產出指的是作物產品收獲氮素[18?20]。氮素盈余閾值在本研究中以農田優化管理條件的氮素盈余水平來反映,通過構建華南地區合理管理實驗數據庫獲取目標信息。
通過中國知網(CNKI)、Web of Science 檢索發表于2000~2023 年的文章,檢索的主題詞包括“氮素管理(nitrogen management)”、“氮素(nitrogen)”、“水稻(rice)”、“玉米(corn)”、“番薯(sweet potato)”、“蔬菜(vegetable)”、“瓜菜(cucurbits)”、“荔枝(litchi)”、“菠蘿(pineapple)”、“芒果(mango)”、“香蕉(banana)”、“甘蔗(sugarcane)”等。
所收錄的文獻應符合以下條件:1) 試驗地點位于我國華南地區(海南、廣東、廣西、福建);2) 大田試驗研究,培養試驗不包括在內;3) 研究中的優化處理至少包括肥料優化管理4R (正確的用量、正確的產品、正確的時間和正確的地點) 中的兩個要素,同時優化處理下作物無產量損失;4) 提供試驗土壤類型、試驗地點以及施氮量等信息;5) 處理重復次數不少于3 次。基于該篩選標準,本研究最終收錄了133 篇文獻。有效指標包括:試驗地點、作物類型、土壤理化性質(土壤質地、土壤有機碳、土壤pH)、優化處理內容(4R 處理、地力提升處理)、肥料類型(有機肥、無機肥)、氮肥投入量、其他氮素來源及作物產量、氮素輸出等,通過氮素輸入輸出計算氮素盈余。對于圖片信息,采用Getdata 2.26軟件進行數據采集。
1.3 區域農田氮素承載力
區域的土壤作物系統氮素承載力是指在滿足農業生產的前提下,不造成環境污染,或活性氮排放量在環境容量(環境最大容納量) 內的農田氮素投入量。區域氮素產出潛力指作物達到產量潛力下的收獲氮素量。區域目標氮素盈余為區域氮素最大投入與氮素產出潛力之差。目標氮素利用效率為區域氮素產出潛力與區域氮素最大投入之商[9]。區域農田氮素投入閾值為各作物體系總生產面積氮素投入閾值之和。具體計算公式如下:
式中:Regional Max Ninput_ij 為區域農田氮素承載力,Regional Max Noutput_ij 為區域農田氮素產出潛力總量,Regional target Nsurplus_ij 為區域農田目標氮素盈余總量,Regional target NUE 為區域目標氮素利用效率,Gap 表示區域目標值與區域現狀值的差值,Nx 即Ninput_ij、Noutput_ij 和Nsurplus_ij。Aij 為不同作物在海南各市縣的種植面積,其中i 表示作物,j 表示海南各市縣種植面積,Aij 數據參考《海南統計年鑒2021》。
1.4 數據處理
用Excel 2019 和SPSS 26.0 軟件進行數據整理處理和統計,利用Origin 2022 和ArcGIS 10.2 軟件作圖。
2 結果與分析
2.1 海南主要作物產量分布
海南糧食、蔬菜、水果平均產量水平分別為9.0、33.9 和33.6 t/hm2,最高產量分別為15.8、71.2 和64.0 t/hm2。目前海南糧食作物中水稻產量均值為6.2 t/hm2,主要分布在6~7 t/hm2,最高產量水平為9.1 t/hm2,最低產量水平為1.7 t/hm2 (圖1)。水稻和蔬菜作物產量水平分別低于全國產量水平13% 和32%。蔬菜作物中,與全國同類作物相比,產量水平較高的作物有辣椒和菜用瓜,其產量均值分別為23.4、81.0 t/hm2,平均高于全國產量水平8%,最高產量分別為47.5、170.0 t/hm2。葉菜、豇豆和茄子產量均值分別為24.0、18.6 和32.7 t/hm2,平均低于全國產量水平45%,最高產量水平分別為58、33.8 和60 t/hm2。熱帶水果作物中,與全國同類作物相比,產量水平較高的作物有香蕉、荔枝。香蕉和荔枝的產量均值分別為45.5、15.4 t/hm2,分別高于全國產量水平10% 和25%,最高產量水平分別為71.6 和43.3 t/hm2;芒果、西甜瓜、甘蔗、菠蘿產量均值分別為20.2、38.8、60.2 和41.4 t/hm2,最高產量水平分別為41.9、67.5、110.5 和73.2 t/hm2。其他典型熱帶作物中,檳榔和胡椒產量均值分別為4.1、2.1t/hm2,最高產量水平分別為10.1、3.9 t/hm2。分布檢驗表明作物產量符合正態分布(Plt;0.05),滿足數據分析的必要條件。
2.2 華南主要作物氮素盈余閾值
由圖2 可知,華南地區糧食作物在優化管理條件下的氮素盈余量平均為81 kg/hm2,其中水稻為78 kg/hm2,玉米為88 kg/hm2,番薯為101 kg/hm2。蔬菜的合理氮素盈余平均為108 kg/hm2,其中菜用瓜和辣椒的合理氮素盈余較高,分別為243、182 kg/hm2;葉菜、豇豆和花生分別為64、118 和54 kg/hm2。水果作物的合理氮素盈余平均為283 kg/hm2,其中柑桔橙柚的合理氮素盈余最高為494 kg/hm2,其次是香蕉240 kg/hm2;荔枝、菠蘿、芒果、甘蔗、西甜瓜和茶的合理氮素盈余分別為103、169、85、101、133 和223 kg/hm2。
2.3 海南主要作物氮肥定額及減量潛力
滿足作物增產需求和氮素盈余要求的氮肥定額如表1 所示。海南糧食作物氮肥定額平均為160 kg/hm2,其中水稻和番薯的氮肥定額分別為164 和156 kg/hm2,當前農戶氮肥投入量分別為245 和169 kg/hm2,減量潛力分別為33.1% 和8.0%,整體糧食作物氮肥減量潛力平均為21%。蔬菜作物中,辣椒、葉菜、其他蔬菜和豇豆的氮肥定額分別為364、181、181 和307 kg/hm2,與定額相比,當前蔬菜氮肥減量潛力平均為22.1%,其中豇豆減量潛力最大,為39.3%。菜用瓜和茄子的氮肥定額分別為476 和466 kg/hm2,當前用量與定額較為一致。水果作物中,香蕉的氮肥定額最高為689 kg/hm2,其次是菠蘿和荔枝分別為515 和415 kg/hm2,其他水果類的氮肥定額在240~329 kg/hm2。與定額相比,當前水果氮肥減量潛力較大,平均為27.6%,其中龍眼減量潛力最大,為60.9%,此外為甘蔗和菠蘿,減量潛力分別為53%和44%,荔枝目前的施用強度則低于定額20.5%。其他經濟作物中, 檳榔和胡椒氮肥定額分別為286 和236 kg/hm2,與定額相比,當前的減量潛力分別為28.9% 和49.9%。花生、茶葉氮肥定額分別為196和306 kg/hm2,目前的施用強度低于定額161.4% 和38.1%。
2.4 海南農田氮素承載力及管理目標
根據作物氮肥定額和種植結構評估,海南島土壤作物系統的氮素承載力總量為25.7 萬t,目前的總氮輸入為34.2 萬t,需要減量25%。海南各市縣的農田氮素承載力范圍在0.35~2.76 萬t,最高的是樂東2.76 萬t,其次是澄邁、海口,分別為2.24、2.06 萬t,五指山、白沙和保亭的氮素承載力較小,分別為0.35、0.35 和0.56 萬t (圖3a)。海南目前區域農田氮素投入整體高于承載力,其中沿海8 個市縣的總氮素輸入高于氮素承載力35% 以上,如瓊海和萬寧高于承載力近45%,主要由于這些市縣種植結構中經濟作物如龍眼、甘蔗、菠蘿占比較高。三亞和東方區域氮素投入與承載力差距較小,但也分別高于目標值22% 和25%;其余的8 個市縣高于承載力26%~35%(圖3b)。當前海南農田總體氮素投入高于承載力33%。
海南土壤作物系統總氮產出潛力為15.5 萬t,當前實際產出低于產出潛力48%。各市縣的區域氮素產出潛力在0.19 萬~1.73 萬t,樂東的作物產出最高1.73 萬t,其次是澄邁1.35 萬t。中部地區(瓊中、保亭、五指山、白沙) 產出潛力較低,其中最低的是白沙0.19 萬t,其次是五指山0.20 萬t (圖3c)。海口、屯昌、瓊中、五指山、保亭5 個區域的氮素產出與產出潛力差距較大,平均低于產出潛力53%。沿海3 個市縣的氮素產出低于產出潛力43%~45%。其余的10 個市縣低于氮素產出潛力46%~50% (圖3d)。當前海南農田總體氮素產出低于產出潛力48%。海南土壤作物系統目標氮素盈余為10.3 萬t,當前總氮素盈余為26.2 萬t,高于目標值1.6 倍。海南各市縣的區域目標氮素盈余范圍在0.14 萬~1.03 萬t,最高的是樂東,其次是澄邁和瓊海,分別為0.8 萬t、0.86 萬t;五指山和白沙的目標氮素盈余較低,分別為0.14 萬t 和0.15 萬t (圖3e)。目前區域氮素盈余整體遠高于目標氮素盈余,其中沿海5 個市縣(儋州、昌江、樂東、陵水、萬寧) 目前氮素盈余與目標氮素盈余差距最大,平均高于目標值174%。文昌、澄邁、定安、屯昌、瓊中、白沙、東方、三亞8 個市縣的氮素盈余稍低,但也高于目標氮素盈余131%~150%。其余5 個市縣高于目標值151%~165%(圖3f)。當前海南農田總體氮素盈余高于盈余閾值156%。
海南土壤作物系統目標氮素利用效率為60%,當前氮素利用效率為23%,低于目標值37 個百分點。各市縣的區域目標氮素利用效率為54%~64%,其中昌江、儋州、樂東3 個市縣的目標氮素利用效率超過62%,瓊海的目標利用效率最低,為54%(圖3g)。目前區域氮素利用效率整體低于目標氮素利用效率,其中澄邁目標氮素利用效率61%,當前氮素利用效率僅為26%,低于目標值35 個百分點。文昌、臨高、定安、屯昌、瓊海、白沙、瓊中、萬寧、東方、三亞10 個市縣的目標氮素利用效率平均為59%,當前氮素利用效率低于目標值36 個百分點,其余市縣的氮素利用效率與目標值差距較大,平均低于目標值38~39 個百分點(圖3h)。
3 討論
3.1 海南作物增產潛力
盡管投入了較高的養分資源,但海南的產量并沒有達到高產水平,如糧食和蔬菜作物平均單產總體低于全國其他產區,而水果單產則與全國平均水平一致,說明海南生產效率低、農田產能低[9,22]。對海南作物承載力定量的不確定性主要來自作物產量水平和作物產品氮含量的變異,如茄子、龍眼等經濟作物的產量樣本不足,此外作物不同品種間的產量和氮含量存在差異。尤其是經濟作物品種較多,品種間產量和養分吸收規律差異較大,可針對不同品種制定相應氮肥定額。如菠蘿品種繁多,包括巴厘、卡因、皇冠、臺農系列等,這些品種間的產量和養分需求差異較大,本研究中的菠蘿產量水平是根據‘巴厘’、‘臺農16’、‘臺農17’、‘金菠蘿’這4 個品種的產量水平確定,不適宜其他品種如生物量較大的“臺農20”等。
3.2 氮肥定額測算方法優化
目前氮肥定額的測算方法較多,總體可歸納為5 類,包括肥效函數法、環境容量法、理論施氮量、目標效率法、養分平衡法。但一些方法在應用中可行性較差,難以滿足我國農業生產現狀。如以田間試驗產量對施氮量響應為基礎的肥效函數法,所需數據量較大,需要多年多點的試驗積累,且該方法在早期土壤氮素較為缺乏時應用效果較好,隨著農田氮肥投入強度的增加,土壤中氮素不斷累積,殘留氮素對肥料函數曲線的確定造成了很大的干擾,已無法形成較好的肥料函數,且隨著作物品種和管理方式的更迭,以往形成的函數曲線已無法適應當下的種植體系[23?24]。環境容量法是指在確保人類生存發展不受危害、自然生態平衡不受破壞的前提下,某一污染物的環境最大負荷值。在定額中多以活性氮(如硝酸鹽淋洗和氨揮發) 的環境容量作為核定基礎。該方法需要基于多年多點試驗結果構建氮用量與活性氮排放的數學模型,而許多作物并沒有此類數據基礎,難以以此開展定額估算。目前荷蘭學者對部分作物采用了基于硝酸鹽淋洗安全容量的氮肥定額方法,我國對該方法還處于研究階段[9,25]。理論施氮量的概念和方法是基于對肥料氮、土壤氮、作物吸氮等物理量之間數量關系的詳細解析,根據長期定位試驗數據推導出,在考慮了包括生物固氮、干濕沉降等其他來源氮之后,在土壤肥力和氮庫穩定條件下,合理氮肥投入與地上部吸氮量相同。此方法所需參數較少(目標產量、100 kg 籽粒吸氮量),易于操作[26],但目前僅在糧食作物中驗證和應用,其他作物的適宜性還待探索。養分平衡方法是基于養分平衡理論,通過目標產量和合理盈余來確定總的氮素投入。該方法簡單易操作,可用于不同地區和作物系統,所需參數較少,目前在多種作物中應用效果較好,國際上在養分管理研究中的應用也較為廣泛。養分平衡原理在區域尺度氮肥用量調控更為適宜,區域用量調控是指同一作物,在自然條件(氣候、土壤) 和栽培條件相似的生態區中,作物產量潛力相近,作物品種和管理技術較為統一,因而可獲得較為一致氮濃度參數和合理氮素盈余水平,為養分平衡法來確定區域理論氮肥用量提供了便利條件。該技術符合當前我國農村田塊小而多、缺乏測試條件、季節緊的實際情況,在大面積生產中易于操作[9,12]。
養分平衡方法中合理氮素盈余的確定尤為重要,本研究采用優化管理下獲得的氮素盈余即為盈余閾值。目前優化管理下華南地區單季糧食作物氮素盈余閾值為81 kg/hm2,這一數值不僅與我國關于優化管理下單季糧食作物氮素合理盈余的建議范圍(40~100 kg/hm2)[20]相吻合,也接近于目前歐盟采用的氮素盈余標準80 kg/hm2[25]。
根據前人研究,華南地區典型蔬菜、水果作物的合理氮素盈余分別178 、222 kg/hm2[27],而本研究單季蔬菜、水果作物的合理氮素盈余分別為108 和283 kg/hm2。造成這一差異的原因是收集的作物類型和樣本量的差異,以及篩選優化管理條件的不同。此外,本研究考慮的單季葉菜的氮素盈余較低,水果作物中柑橘橙柚的氮素盈余偏高。水果、蔬菜經濟作物的平均氮素盈余閾值則普遍較高,甚至為糧食作物的2 倍以上。根據單季蔬菜的合理氮素盈余推算氮肥定額在181~476 kg/hm2,超過我國蔬菜單季氮肥推薦量150~300 kg/hm2[28],水果類及高附加值作物如香蕉、菠蘿、茶葉等氮素盈余閾值也較高。這主要由于目前大多數農田試驗只考慮“4R”技術中的一到兩個優化要素,且大部分都是施肥量和時期的優化,未考慮施肥方法和肥料產品,作物的氮素盈余閾值偏高。“4R”原則并不是孤立的,而是緊密聯系,因此未來農田氮肥管理應全面實施“4R”養分管理策略,推動高效肥料產品和施用技術的應用,可進一步降低氮素盈余閾值,并優化氮肥定額的核算[20]。
3.3 氮素管理目標的實現途徑
海南島8 個市縣目前區域氮素投入高于氮素承載力35% 以上,而區域氮素產出整體低于區域目標氮素產出43%,區域氮素盈余高于區域目標氮素盈余1 倍以上,氮素可持續管理存在較大壓力。在滿足目標產出和氮素承載力的情況下,本研究計算得出海南目標氮素利用效率平均為60%,與Zhang等[29]提出的我國可持續氮素利用效率目標值60% 一致。而當前海南的農田系統氮素利用效率僅為23%。對于海南目標氮素利用效率及其他氮素管理目標的實現,本研究提出以下建議:
1) 構建和實施區域氮肥定額標準及制度,并重視科學施肥產品和技術的應用,以實現定額的有效實施。研究表明,4R 氮肥管理要素協同優化可有效提高作物氮素利用效率到60%,并提高作物產量潛力實現率到80%,氮肥用量減少20% 以上,但僅實施一個或兩個優化要素無法達到目標效率和產出[30]。
2) 氮肥管理技術應不斷創新,在4R 技術的基礎上發展4R plus 技術,如4R 與土壤地力提升技術的融合,4R 與綠色智能肥料的融合。海南以高度風化的磚紅壤為主,土壤質地黏重、酸性強、養分固持能力差。近30 年來,海南地區的土壤pH 值下降了0.3 個單位,土壤有機碳(SOC) 下降了20%,土壤質量退化嚴重[3]。因此應提高有機物料的還田,增施有機肥、生物炭等。全球大樣本研究表明,有機物料的施用平均增產11%,氮素利用效率提高36%[31]。此外,有機肥還田應采用適宜的替代比例,過高的有機替代比例會導致作物產量的下降[32]。生物炭作為惰性碳可為土壤提供穩定的碳骨架,有效提高碳固定效應,提高土壤有機質,緩解土壤酸化[33?34]。有研究指出,生物炭在熱區條件下作用潛力更大,主要是對土壤酸化的矯正效果較好,但也要選擇適宜的生物炭材料,并采用科學的施用方法[35]。
3) 進一步挖掘生物固氮潛力,發揮豆科作物在多樣化種植中的作用。豆科作物輪作可以通過生物固氮減少人為氮素輸入,同時輪作可以有效改善土壤生態,培育健康土壤,提高農田持續生產能力。研究發現,農田系統中豆科作物與其他作物的輪作,產量平均增加19%,氮素利用效率平均增加59%[31]。海南農田復種指數高,為豆科作物參與的多樣化種植提供了有利條件,如水稻大豆輪作、水稻?豇豆輪作,或在休閑期種植田菁等填閑作物。
4 結論
得益于熱帶地區自然資源優勢,海南水果作物產量潛力實現率較高,但糧食和蔬菜類作物仍有較大增產空間。華南糧食作物的氮素盈余閾值與全國水平相當,但經濟作物的氮素盈余閾值偏高,導致測算的氮肥定額偏高,主要原因在于當前的優化技術未采用多要素協同,未來需進一步優化經濟作物的氮肥管理技術并降低氮素盈余閾值,完善經濟作物的氮肥定額。海南區域農田氮素投入整體高于氮素承載力33%,其中海口、臨高、儋州、萬寧等經濟作物種植占比較高的市縣氮素投入高于承載力近一半,減氮壓力較大。海南區域農田氮素利用效率低于目標氮素利用效率37 個百分點,氮素可持續利用面臨較大挑戰。要實現區域農田氮素承載力和目標氮素利用效率需要推行氮肥定額制度,并大力推動4R 養分管理技術在熱區的研究和應用,創新肥料產品和施用技術,增加有機物料還田,并優化種植結構。