徐 霞，黃玉芳，葉優(yōu)良，趙亞南※，孫笑梅，閆軍營

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450002；2.河南省土壤肥料站，鄭州 450002）

0 引言

小麥?zhǔn)俏覈蠹Z食作物之一，其安全生產(chǎn)對我國的糧食安全至關(guān)重要?；适羌Z食的糧食，對世界糧食產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率達(dá)50%～60%，對我國糧食產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率為56.8%[1,2]。我國是世界上最大的化肥消費國，化肥過量施用不僅會導(dǎo)致養(yǎng)分利用率降低，還可能造成土壤質(zhì)量下降、生態(tài)環(huán)境破壞，不利于農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展[3,4]。因此，在發(fā)揮化肥增產(chǎn)和培肥作用的同時，合理減少化肥投入、降低環(huán)境風(fēng)險是實現(xiàn)我國綠色發(fā)展的重要措施，而基于小麥當(dāng)前施肥現(xiàn)狀，定量小麥生產(chǎn)中的節(jié)肥潛力以及化肥生產(chǎn)使用過程中的溫室氣體減排潛力尤為重要[5]。

在不同區(qū)域尺度上評價不同施肥技術(shù)在增產(chǎn)、增收、節(jié)肥、減排方面的潛力，綜合評價其經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)環(huán)境效益，可為農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。劉成等[6]根據(jù)1 722份田間試驗數(shù)據(jù)，用經(jīng)濟(jì)學(xué)分析方法測算了最佳的磷鉀肥投入值，為合理施肥提供據(jù)。巫振富等[7]通過布置在南陽市的小麥“三區(qū)示范”田間試驗，基于地理加權(quán)回歸模型評價了測土配方施肥與傳統(tǒng)施肥模式的增產(chǎn)增收差異，表明測土配方施肥下小麥可平均增產(chǎn)11.8%、增收1 232元/hm2。通過生命周期環(huán)境效益研究表明，在不同區(qū)域尺度上，測土配方施肥通過降低氮肥使用量顯著減少作物種植單元氨揮發(fā)和硝態(tài)氮淋失，還通過需求關(guān)系降低了對上游氮肥生產(chǎn)的需求，從而減緩了溫室效應(yīng)[8-12]。基于太湖流域上游地區(qū)221戶水稻生產(chǎn)農(nóng)戶調(diào)查數(shù)據(jù)，羅小娟等[13]發(fā)現(xiàn)推廣測土配方施肥可平均降低化肥用量34.9 kg/hm2，并提高水稻產(chǎn)量224.0 kg/hm2，具有可觀的環(huán)境及經(jīng)濟(jì)效益。在縣域尺度上，高春雨[14]等基于DNDC模型評價了山東省桓臺縣的施肥現(xiàn)狀，并測算了測土配方施肥模式下小麥—玉米輪作中的溫室氣體減排量，表明配方施肥不僅可以增加收入，還能實現(xiàn)溫室氣體減排。

河南省是我國重要的糧食生產(chǎn)基地，小麥?zhǔn)呛幽鲜〉谝淮笞魑铮幽鲜⌒←湹纳a(chǎn)關(guān)系到國家糧食安全，河南省小麥種植面積達(dá)571.464萬hm2，總產(chǎn)量為3 705.21萬t，分別占全國小麥總種植面積及總產(chǎn)的23.32%、27.58%[15]。小麥在河南省分布范圍廣，種植面積大，但以小農(nóng)戶模式為主，施肥方式依靠種植經(jīng)驗，缺乏科學(xué)指導(dǎo)[16]。隨著復(fù)混肥在我國糧食作物肥料施用比例越來越高，從省域水平上評價河南省推薦施肥的節(jié)肥減排效應(yīng)，對于促進(jìn)小麥科學(xué)施肥、節(jié)能減排、減少環(huán)境污染具有重要意義。文章擬通過大樣本實地調(diào)研和田間試驗數(shù)據(jù)，基于河南省區(qū)域小麥配方施肥推薦，借助ArcGIS軟件評估農(nóng)戶小麥種植中習(xí)慣施肥量的節(jié)肥和溫室氣體減排的潛力，以量化推薦施肥的環(huán)境效應(yīng)，為合理施肥和低碳減排提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

統(tǒng)計數(shù)據(jù)：2016年河南省各個縣市的小麥播種面積；農(nóng)戶調(diào)研數(shù)據(jù)：2013—2018年在河南省不同縣市開展的2 063份農(nóng)戶小麥?zhǔn)┓收{(diào)查問卷；田間試驗：國家測土配方施肥項目2005—2013年布置在河南省的1 582組小麥“三區(qū)示范”試驗。研究區(qū)域涵蓋了河南省所有的縣市，并劃分了5個區(qū)域，分別為平原適宜區(qū)、中部丘陵區(qū)、西部山地區(qū)、南部盆地區(qū)、稻麥輪作區(qū)（圖1）。

圖1 2016年河南省小麥種植區(qū)域劃分

1.2 習(xí)慣施肥量圖層制作

采用農(nóng)戶調(diào)查數(shù)據(jù)的小麥氮磷鉀肥施用量，以及在河南省70多個縣市布置的“三區(qū)示范”中習(xí)慣施肥處理的施用量，將以上習(xí)慣施肥數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均，作為各個縣市的習(xí)慣施肥量，確定河南省各個縣市的小麥?zhǔn)┓尸F(xiàn)狀。對于數(shù)據(jù)缺失的縣市，則利用附近縣市的習(xí)慣氮磷鉀施肥量計算獲?。海?）將所有縣市分為有數(shù)據(jù)和無數(shù)據(jù)兩類；（2）在ArcGIS中，通過“近鄰分析”工具，選取缺失數(shù)據(jù)的縣為“近鄰要素”，選取有數(shù)據(jù)的縣為“輸入要素”，運行計算出的數(shù)據(jù)即缺失縣市的小麥習(xí)慣施肥量。

1.3 節(jié)肥量圖層制作

節(jié)肥潛力=農(nóng)民習(xí)慣施肥量-推薦施肥量。在ArcGIS中，將所有縣市小麥習(xí)慣施肥量數(shù)據(jù)以圖的形式呈現(xiàn)，使用“柵格計算”工具，將農(nóng)戶氮、磷、鉀習(xí)慣施用量的圖層分別減去對應(yīng)推薦施肥量圖層，得到單位面積節(jié)氮、磷、鉀肥潛力圖。其中，農(nóng)民習(xí)慣施肥量根據(jù)農(nóng)戶調(diào)研數(shù)據(jù)獲得，包括2013—2018年在河南省不同地區(qū)開展的2 063份農(nóng)戶小麥?zhǔn)┓始爱a(chǎn)量的調(diào)查問卷，2005—2013年布置在河南省的1 582組小麥“三區(qū)示范”試驗；河南省不同區(qū)域小麥氮磷鉀肥推薦量及圖層根據(jù)“氮肥總量控制、磷肥恒量監(jiān)控、鉀肥肥效反應(yīng)”方法，基于ArcGIS軟件獲得[17]。

1.4 縣域節(jié)肥量計算

根據(jù)每個縣的農(nóng)戶施氮量平均值和氮肥推薦用量的差值，再乘以縣域小麥播種面積，可獲得縣域節(jié)氮量。在計算磷肥、鉀肥節(jié)肥總量時，只有各縣的小麥播種面積，但每個縣不同地區(qū)的節(jié)肥量可能不同。因此，借助ArcGIS軟件中的“標(biāo)識分析”工具，將節(jié)肥量數(shù)據(jù)賦值給耕地面積圖層，計算縣域水平的平均節(jié)肥量，再乘以縣域播種面積，獲得縣域磷、鉀節(jié)肥總量。小麥播種面積來源于2016年河南省各個縣市的統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)。

1.5 溫室氣體減排圖層制作及減排量計算

采用生命周期評價法（LCA,Life Cycle Assessment）計算小麥整個種植期間的溫室氣體排放[18]。溫室氣體（GHG,Greenhouse gas）包括CO2、CH4、N2O，來源有三方面：（1）氮肥生產(chǎn)、運輸、施用過程中產(chǎn)生的溫室氣體；（2）磷肥和鉀肥生產(chǎn)和運輸過程中排放的溫室氣體；（3）殺蟲劑、殺菌劑、除草劑在生產(chǎn)、運輸、施用過程中排放的溫室氣體，以及小麥播種、收獲、耕作過程中由柴油燃燒排放的溫室氣體[18,19]。GHG排放總量計算方法[19]為：

GHG：溫室氣體排放總量；GHGm：氮肥生產(chǎn)過程中的排放量，排放因子為8.21 kg CO2eq；GHGt：氮肥運輸過程中的排放量，排放因子為0.09 kg CO2eq；N rate：施氮量。GHGothers：磷肥和鉀肥等的溫室氣體排放，磷肥生產(chǎn)和運輸中溫室氣體排放因子為0.79 kg CO2eq，鉀肥生產(chǎn)及運輸中排放因子為0.55 kg CO2eq；總N2O：氮肥施用后溫室氣體排放，計算方法為：

溫室氣體減排量=農(nóng)戶習(xí)慣施肥下的排放量-推薦施肥下的排放量。以上計算式可以看出，溫室氣體減排量是以施肥量自變量的函數(shù)。根據(jù)以上溫室氣體減排計算式及相關(guān)參數(shù)，利用ArcGIS軟件的“柵格計算”工具，將節(jié)氮量、節(jié)磷量、節(jié)鉀量圖層進(jìn)行相應(yīng)計算，可獲得推薦施肥下河南省不同區(qū)域溫室氣體減排狀況。由于在計算減排總量時，無法直接將小麥單位面積減排潛力圖與種植面積結(jié)合以獲得溫室氣體減排總量，因此根據(jù)減排計算式和單位面積節(jié)氮、節(jié)磷、節(jié)鉀量，計算出各節(jié)肥量下的單位面積減排量，再乘以種植面積即為減排總量。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥習(xí)慣施氮量和節(jié)氮潛力

小麥習(xí)慣施氮量平均為198 kg/hm2,變異范圍為174～259 kg/hm2，在區(qū)域上北部及東部的施氮量較高，中部、南部相對較低（圖2a）。其中，北部的安陽、濮陽、鶴壁及東部的商丘、開封等市的施氮量較高，虞城、睢縣、杞縣、范縣、濮陽等縣的施氮量最高（＞240 kg/hm2）；中部許昌市的長葛、禹州、鄢陵等地，及南部信陽市的新縣、商城、固始等縣的施氮量較低（≤180 kg/hm2）。

從小麥單位面積節(jié)氮量來看，河南省各縣市平均為42 kg/hm2。節(jié)氮量在空間上的變化趨勢與小麥習(xí)慣施氮量整體變化一致，表現(xiàn)為習(xí)慣施氮量越高則節(jié)氮潛力越大，呈現(xiàn)出由南往北逐漸增加的變化趨勢（圖2b）。其中，節(jié)氮潛力較大的區(qū)域主要分布在安陽、濮陽、商丘、開封等市的一些縣市，虞城、輝縣、范縣、濮陽等縣的節(jié)氮量較高（＞75 kg/hm2）；南部南陽市的南召、內(nèi)鄉(xiāng)，中部許昌市的長葛、鄢陵等縣的節(jié)氮潛力較?。ǎ?5 kg/hm2）。

圖2 河南省小麥習(xí)慣施氮量（a）與單位面積節(jié)氮量（b）

2.2 小麥習(xí)慣施磷量和節(jié)磷潛力

小麥習(xí)慣施量平均121 kg/hm2，區(qū)域變異很大，從64～210 kg/hm2（圖3a）。從全省來看，小麥磷肥習(xí)慣施用量表現(xiàn)為南低北高、中部地區(qū)高低交錯。習(xí)慣施磷量不足100 kg/hm2的區(qū)域主要分布在南部的信陽市、駐馬店市以及南陽市南部的唐河、淅川、鎮(zhèn)平、南召等縣。在河南中部許昌、漯河、平頂山及鄭州等市施磷量高低不等，即有長葛、禹州、登封、鞏義等高于160 kg/hm2的縣市，也有寶豐、汝州、郟縣等不足90 kg/hm2的縣市。在河南北部，新鄉(xiāng)、安陽、濮陽等地農(nóng)戶習(xí)慣施磷量主要分布在115～160 kg/hm2的范圍內(nèi)，以最北部安陽市的林州、內(nèi)黃、湯陰等縣施磷量最高。

小麥單位面積節(jié)磷量在數(shù)值上有正有負(fù)（圖3b），即在施肥習(xí)慣的基礎(chǔ)上有些區(qū)域需要減少磷肥用量，有些區(qū)域則需要增加用量。全省節(jié)磷量平均為16 kg/hm2（-59～118 kg/hm2），節(jié)磷量在15～55 kg/hm2范圍內(nèi)的區(qū)域面積最大。需要增施磷肥的區(qū)域主要分布在駐馬店、洛陽、南陽市的部分地區(qū)，而東部周口的項城、西部洛陽的洛寧、欒川等縣及北部安陽市的節(jié)磷量是節(jié)磷量較高的區(qū)域。

圖3 河南省小麥習(xí)慣施磷量（a）與單位面積節(jié)磷量（b）

2.3 小麥習(xí)慣施鉀量和節(jié)鉀潛力

河南省小麥習(xí)慣施鉀量平均為50.4 kg/hm2（19～112 kg/hm2），以19～69 kg/hm2范圍內(nèi)的區(qū)域面積最大，習(xí)慣施鉀量總體偏低，區(qū)域上表現(xiàn)為西南高、東北低，其中焦作、鄭州及商丘市的一些縣市施鉀量較高（圖4a）。在河南北部、東部以及信陽市南部縣市施鉀量較低，普遍在19～35 kg/hm2的范圍內(nèi)，焦作市和鄭州市的博愛、修武、新鄭、鄭州等縣市的施鉀量最高，高于100 kg/hm2。

河南省小麥單位面積節(jié)鉀量平均為-15 kg/hm2，變化范圍為-45～62 kg/hm2，全省有71.4%需增施鉀肥（圖4b）。其中需增施鉀肥量高于30 kg/hm2的區(qū)域主要分布在北部濮陽、東部開封及南部的信陽市，而節(jié)鉀量高于30 kg/hm2的區(qū)域主要分布在焦作、鄭州、許昌、商丘市的武涉、新鄭、鄢陵、夏邑等縣市，與習(xí)慣施鉀量變化趨勢基本一致。

圖4 河南省小麥習(xí)慣施鉀量（a）與單位面積節(jié)鉀量（b）

2.4 推薦施肥下小麥溫室氣體減排潛力

相對于習(xí)慣施肥，河南省小麥在推薦施肥下單位面積溫室氣體減排量表現(xiàn)出從南向北逐漸增加的趨勢（圖5）。其中，南陽市南部的內(nèi)鄉(xiāng)、南召、唐河及信陽市的新縣、商城、固始等縣的減排潛力較小，低于300 kg CO2eq/hm2。東部的商丘、開封及北部的安陽、鶴壁、濮陽等市減排潛力較大，大部分區(qū)域單位面積減排量低于700 kg CO2eq/hm2。全省范圍內(nèi)范縣、濮陽、輝縣的單位面積減排量最高，大部分區(qū)域高于1 000 kg CO2eq/hm2。

圖5 河南省小麥單位面積溫室氣體減排量

2.5 推薦施肥下不同區(qū)域小麥節(jié)肥減排總量

在河南省不同小麥種植區(qū)域中，平原適宜區(qū)的小麥種植面積最大，其氮、磷、鉀肥節(jié)肥（或增肥）總量均最大，占總量的一半以上，以而稻麥輪作區(qū)節(jié)肥總量最小（圖6）。河南省小麥總節(jié)氮量為23.10萬t，其中平原適宜區(qū)高達(dá)15.38萬t，其他各區(qū)域相對較低，分別為1.34萬t（稻麥輪作區(qū)）、1.96萬t（南部盆地區(qū)）、2.41萬t（中部丘陵區(qū)）、2.01萬t（西部山地區(qū)）。小麥節(jié)磷總量為8.88萬t，平原適宜區(qū)最大，為4.81萬t，其次為中部丘陵區(qū)，為1.29萬t。在節(jié)鉀量方面，河南省節(jié)鉀量為-5.31萬t，各區(qū)域均為負(fù)值，即在鉀肥施用總量上需要增施鉀肥，平原適宜區(qū)增施量最高，為4.14萬t，西部山地區(qū)最低，為0.04萬t。

圖6 河南省小麥各區(qū)域節(jié)肥減排總量

在推薦施肥下，河南省小麥溫室氣體減排總量為348.65萬t CO2eq。各個區(qū)域中稻麥輪作區(qū)的溫室氣體減排潛力最小，為20.19萬t CO2eq；西部山地區(qū)次之，為28.47萬t CO2eq；平原適宜區(qū)的減排潛力最大，為228.75萬t CO2eq，占到河南省小麥總減排量的65.6%。

3 討論

（1）小麥節(jié)肥潛力：李青松[20]等對豫北平原典型小麥—玉米輪作區(qū)的小麥、玉米生產(chǎn)進(jìn)行調(diào)查,并參照“3414”試驗推薦施肥量對節(jié)肥潛力進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示小麥在經(jīng)濟(jì)最佳產(chǎn)量時的氮、磷、鉀肥節(jié)肥潛力分別為53.03 kg/hm2、44.94 kg/hm2、-59.46 kg/hm2，而在最高產(chǎn)量時的氮、磷、鉀肥節(jié)肥量分別為40.76 kg/hm2、38.43 kg/hm2、-65.23 kg/hm2。該研究中河南省小麥各縣市單位面積節(jié)氮量平均為42 kg/hm2，在全省范圍內(nèi)整體呈現(xiàn)出由南往北逐漸增加的變化趨勢；節(jié)磷量平均為16 kg/hm2（-59～118 kg/hm2）,在15～55 kg/hm2范圍內(nèi)的區(qū)域所占比例最大；節(jié)鉀量的范圍為-45～62 kg/hm2,平均為-15 kg/hm2；其中豫北地區(qū)的節(jié)氮、節(jié)磷及增施鉀肥量均高于河南省平均值。這與李青松在豫北地區(qū)的研究基本一致，但節(jié)磷及節(jié)鉀潛力稍有差異，可能由于計算最佳施肥量的方法不一致，且該研究還考慮了土壤養(yǎng)分含量及小麥的產(chǎn)量現(xiàn)狀[21,22]。在節(jié)肥總量方面，小麥節(jié)總節(jié)氮量為23.10萬t，這與趙亞南等[15]估算的河南省小麥節(jié)氮潛力一致（21.8萬～48.8萬t）。

（2）小麥溫室氣體減排潛力：高春雨[14]等研究表明，在山東桓臺縣小麥—玉米輪作系統(tǒng)中，基于測土配方施肥技術(shù)可交易的碳貿(mào)易量為2.65萬t CO2eq，其中農(nóng)田減排占35.3%、氮肥生產(chǎn)減排占58.3%、磷肥生產(chǎn)減排占6.8%、鉀肥增加排放0.01萬t，占總減排量的-0.4%?？梢娹r(nóng)田系統(tǒng)在具有較大的溫室氣體減排潛力，氮磷肥的減排潛力占總體的65.1%，氮肥減排潛力占主導(dǎo)地位，磷肥相對較小，鉀肥需要增施減排潛力為負(fù)值，與該研究結(jié)果一致。武良[19]計算了我國各個區(qū)域下不同作物的氮肥需求及溫室氣體減排潛力，結(jié)果表明在華北灌溉冬麥區(qū)和華北雨養(yǎng)冬麥區(qū)的溫室氣體減排潛力分別為753 kg CO2eq/hm2和86 kg CO2eq/hm2。應(yīng)用生命周期評價方法，王明新等[23]分析了山東桓臺縣冬小麥在習(xí)慣和優(yōu)化兩種管理措施下的資源消耗及污染物排放，習(xí)慣和優(yōu)化施肥下的溫室氣體排放量分別為5 163 kg CO2eq/hm2和3 091 kg CO2eq/hm2，減排潛力為2 072 kg CO2eq/hm2。該研究中河南省小麥溫室氣體減排潛力與武良在全國的研究結(jié)果基本一致，但低于山東桓臺縣的減排潛力，且全省減排潛力在區(qū)域上整體表現(xiàn)為南低北高的趨勢。導(dǎo)致差異的原因一方面可能是研究區(qū)域范圍的不同，例如華北灌溉冬麥區(qū)不僅包括河南省大部分區(qū)域，還包括河北、山東、天津等地區(qū)；另一方面，不同地區(qū)農(nóng)戶的習(xí)慣施肥量存在很多變異，直接影響節(jié)肥減排潛力[13]。另外，武良的研究只針對優(yōu)化施氮下節(jié)氮引起的減排量，該研究同時計算了氮磷鉀推薦施肥下的減排量，而王明新的研究不僅包括氮磷鉀優(yōu)化施肥下的減排量，還對小麥生長周期中農(nóng)機(jī)燃油產(chǎn)生的溫室氣體排放進(jìn)行估算，這也導(dǎo)致定量結(jié)果產(chǎn)生差異[24]。

4 結(jié)論

（1）河南省農(nóng)戶小麥氮、磷、鉀肥習(xí)慣施用量平均為198 kg/hm2、121 kg/hm2、50.4 kg/hm2，與推薦用相比單位面積可平均節(jié)肥42 kg/hm2，總節(jié)氮量為23.10萬t、總節(jié)磷量為8.88萬t，而需要增施鉀肥5.31萬t；在環(huán)境效益方面，溫室氣體減排總量達(dá)348.65萬t CO2eq。

（2）推薦施肥可以實現(xiàn)節(jié)肥和減排的目標(biāo)，但節(jié)肥和減排潛力存在很大的區(qū)域差異，應(yīng)根據(jù)不同區(qū)域小麥習(xí)慣施肥和推薦量確定減排目標(biāo)和措施，在小麥生產(chǎn)中實現(xiàn)資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)。