棲霞市蘋果園氮磷養(yǎng)分平衡及環(huán)境風險評價

萬 煒，師紀博，劉 忠，韓已文，劉 凡，王佳瑩，鄭曼迪

棲霞市蘋果園氮磷養(yǎng)分平衡及環(huán)境風險評價

萬 煒，師紀博，劉 忠※，韓已文，劉 凡，王佳瑩，鄭曼迪

（1. 中國農業(yè)大學土地科學與技術學院，北京 100193；2. 農業(yè)部華北耕地保育重點實驗室，北京 100193）

棲霞市是中國最主要的蘋果產區(qū)之一，近年來果園單位面積養(yǎng)分的大量投入造成了區(qū)域氮、磷元素的過量富集，進而對當?shù)氐耐寥?、水資源、大氣等環(huán)境要素造成一定的污染。因此，了解蘋果主產區(qū)施肥現(xiàn)狀，并科學評價其環(huán)境風險具有重要的現(xiàn)實意義。以棲霞市為研究區(qū)域，通過實地調研、田間試驗、室內模擬等方法，分析了蘋果園氮磷養(yǎng)分的輸入量及輸出量，進而構建養(yǎng)分平衡模型，對區(qū)域環(huán)境風險進行了綜合評價。研究結果表明：1）2018年棲霞市蘋果園養(yǎng)分投入量為：有機質5 360.28 kg/hm2，N 545 kg/hm2，P2O5568.76 kg/hm2，K2O 712.57 kg/hm2；2）氮素的氣態(tài)損失、果實及枝條帶走量各占輸入總量的6.49%、24.34%、3.12%，盈余率達66.04% (402.97 kg/hm2)；磷素被果實和枝條帶走量分別占輸入總量的12.33%和2.55%，盈余率達85.12% (484.75 kg/hm2)；棲霞市氮、磷盈余量均超出環(huán)境安全的閾值，分別屬于中風險和高風險范圍。因此，在保證果園產量與品質的前提下，適當減少化肥使用量、逐步建立水肥一體化的果園施肥模式、提升果農科學的管理經驗，應成為果園可持續(xù)發(fā)展的主攻方向。

氮；磷；土壤；蘋果園；養(yǎng)分平衡；環(huán)境風險；氮磷盈余；棲霞市

0 引 言

中國是世界上最大的蘋果生產國和消費國，總種植面積及總產量均占全世界40%以上[1]。然而受土地資源緊缺的國情約束，造成了當前果樹“上山下灘，不與糧棉爭奪良田”的種植現(xiàn)狀[2]，因此果園立地條件相對較差，通常需要人為投入大量養(yǎng)分用以維系果園的產量及品質[3-4]。近年來，由于蘋果種植的經濟效益相對高于農作物，加上很多果農缺乏科學的施肥及管理知識，奉行“高投入，高產出”的理念，造成了嚴峻的施肥過量問題，其中又以氮、磷盈余問題最為突出，這不僅造成了相應的區(qū)域環(huán)境問題，且在一定程度上制約了蘋果種植業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[5]。

目前中國蘋果發(fā)展區(qū)域已由過去的環(huán)渤海灣、黃土高原、黃河故道、西南冷涼高地四大種植區(qū)域演變?yōu)辄S土高原和環(huán)渤海灣兩大優(yōu)勢主產區(qū)[6]。陳翠霞等[7]對黃土高原蘋果產區(qū)施肥現(xiàn)狀的研究結果表明：黃土高原蘋果產區(qū)化肥投入過量現(xiàn)象較為普遍，N、P2O5和K2O的平均投入量分別為1 162、742和1 041 kg/hm2。Ge等[8]對棲霞市的研究結果表明：在不考慮有機肥的前提下，果園純N、P2O5和K2O的平均投入量分別為1 350、1 108和1 255 kg/hm2。而國外發(fā)達國家蘋果園的N、P2O5和K2O推薦施用量分別為150～200、100～150和150～200 kg/hm2[9-12]。可見中國蘋果園養(yǎng)分投入量在各產區(qū)之間差異較大，但均遠超國外蘋果種植業(yè)發(fā)達地區(qū)的常規(guī)水平。從肥料利用率上比較，水肥一體化是國外果園采取的主流技術，可使氮肥及磷肥的利用率保持在較高水平[13-14]。姜遠茂等[15]研究表明，河北、陜西、山東和山西4省果園的氮肥及磷肥利用率僅為25%和5.4%。土壤中氮、磷肥料的過量富集會造成溫室效應、土壤酸化、水體富營養(yǎng)化等諸多環(huán)境問題。綜上，中國果園養(yǎng)分投入高、利用率低的現(xiàn)狀，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成的污染風險不容小覷[16]。

養(yǎng)分平衡法是基于物質守恒原理，將研究對象視為一個系統(tǒng)或綜合體，在此基礎上對其養(yǎng)分的輸入項與輸出項進行量化。當輸入量大于輸出量時，該系統(tǒng)或綜合體養(yǎng)分盈余；當輸入量小于輸出量時該系統(tǒng)或綜合體養(yǎng)分虧缺[17]。該方法在土地資源管理[18]、農作物生產評價[19]、流域面源污染研究[20]等諸多領域已有相關應用。且該方法適用于較大區(qū)域尺度的種植業(yè)養(yǎng)分投入環(huán)境效應評價[21]。但當前針對縣域果園養(yǎng)分平衡及其環(huán)境風險方面的研究則鮮見報道。

棲霞市是環(huán)渤海灣地區(qū)乃至全中國最重要的蘋果生產區(qū)域，其生產模式、水肥管理措施及其所產生的環(huán)境效應具有典型的區(qū)域代表性。為響應國家十三五計劃“藥肥雙減”的號召，即保證果園產量與品質的前提下減少化肥的施用量，本研究以山東省煙臺市棲霞市為例，通過構建蘋果園養(yǎng)分輸入輸出模型，從宏觀視域上對棲霞蘋果園氮磷平衡狀況進行研究。通過量化各途徑氮、磷養(yǎng)分的輸入量與輸出量，評價現(xiàn)今管理模式下蘋果園對外界環(huán)境的污染風險，為當?shù)靥O果種植業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供科學的理論依據。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據獲取

1.1 研究區(qū)概況

棲霞市地處山東省東北部，位于膠東半島腹地。地理位置為37°05′～37°32′ N、120°33′～121°15′ E，總面積2 015.91 km2。本區(qū)域地貌類型以山地丘陵為主，其中山地面積占72.1%，丘陵面積占21.8%，平原面積僅占6.1%。氣候類型為暖溫帶季風性半濕潤氣候，四季交替分明，年均降水量為640～846 mm，年均氣溫為11.4 ℃，年均日照總時數(shù)為2 659.9 h，平均無霜期為209 d。境內的河流多屬于季風雨源型山溪性河流，主要水源為五龍河、龍門口水庫及與棲霞市毗鄰的沐浴水庫。另外，近年來因過度開采地下水，致使該區(qū)域地下水位埋藏深度不斷加深，最高可達幾百米。本區(qū)域土壤類型以粗骨土和棕壤為主。整體而言，棲霞市自然條件優(yōu)越，適合蘋果的生長。通過對棲霞市2018年夏、冬兩季的Landsat 8 OLI影像進行解譯，結合該區(qū)域DEM數(shù)據及野外調查驗證數(shù)據，采用決策樹及支持向量機的分類方法得到本區(qū)域30 m空間分辨率果園種植區(qū)空間分布（圖1）。

圖1 研究區(qū)概況

1.2 數(shù)據獲取

1）農戶調查數(shù)據：2018年5—7月，通過實地調研、問卷調查等方式對棲霞市蘋果園的基本情況、施肥模式和施肥數(shù)量進行數(shù)據采集（圖1）。其中，調研點共計643個，收集問卷588份，經篩選后有效問卷500份，問卷有效率85.03%。問卷及調研內容具體包括：果園面積、樹齡、種植密度、蘋果產量、灌溉方式及次數(shù)、肥料施用類型及數(shù)量等系列數(shù)據進行了詳細調查。

2）蘋果園基肥氮素氣態(tài)損失數(shù)據：本研究以2018年棲霞市觀里鎮(zhèn)某一典型蘋果園為案例，在其蘋果收獲后，通過田間試驗，獲取因施用基肥而造成的氮素氣態(tài)損失量參數(shù)。監(jiān)測所采用的儀器為GASERA ONE（芬蘭）痕量級光聲光譜多氣體分析儀。該儀器的監(jiān)測原理是基于光聲紅外光譜技術，其響應時間短，精度達到sub-ppm級，可有效對痕量氣體進行動態(tài)監(jiān)測。為避免其他因素對氣體監(jiān)測產生干擾，將試驗小區(qū)的位置選在果園中心處，并制作安裝靜態(tài)箱[22]。此靜態(tài)箱為半封閉性設計，使用時將其放置地面，上端開孔連接氣管，氣管接通至儀器，對近地面20 cm處基肥施入前后的NH3與N2O進行監(jiān)測。具體為每隔1 d監(jiān)測一次，每次持續(xù)24 h，監(jiān)測總時段為2018年11月2—29日。其中，11月2—11日（共計10 d），為基肥施入前的氮素氣態(tài)背景值監(jiān)測時段；11月12日蘋果園施入基肥；11月13—29日（共計17 d，直至被監(jiān)測氣體濃度消減至無明顯變化），為基肥施入后的氮素氣態(tài)損失量監(jiān)測時段。

3）蘋果園及其土壤溫度數(shù)據：在對果園氮氣態(tài)損失數(shù)據監(jiān)測的同時，利用RC-5溫度計分別記錄蘋果園的氣溫及土壤不同深度的地溫。

4）棲霞市水質檢測數(shù)據：通過煙臺市水文局獲取了研究區(qū)2014—2017年主要灌溉水源地（五龍河團旺站、沐浴水庫和龍門口水庫）的氮、磷含量數(shù)據。

5）室內模擬蘋果園追肥氮素氣態(tài)損失數(shù)據：受果園試驗條件的限制，氮素氣態(tài)損失的田間實時監(jiān)測不可控因素較多（如大風擾動、設備持續(xù)供電不便等），難以獲取長時序的穩(wěn)定數(shù)據。故蘋果園因追肥而造成的氮素氣態(tài)損失數(shù)據在實驗室內模擬完成。具體方法為：于試驗蘋果園內取1 m深的原狀土，分別裝填在4個半徑為10 cm，高1 m的土柱中，將土柱置于人工氣候室內進行培養(yǎng)。人工氣候室內的溫度、濕度、光照強度和光照時長均按照前期野外試驗觀測的實際數(shù)據進行設定。再根據外業(yè)問卷調查樣本中關于果農追肥數(shù)據的統(tǒng)計結果，依次選取高磷型水溶肥、高磷型復合肥、高鉀型復合肥、高鉀型水溶肥等4種不同類型的肥料各20 g（各類型肥料的N、P、K比例與果農追肥時的施用習慣保持一致）。水溶肥按照1:200的比例溶于水后施用，復合肥在施用后澆適量的水。在此基礎上，利用GASERA ONE光聲光譜多氣體分析儀，在土壤頂部20 cm處對NH3和N2O的濃度進行監(jiān)測。具體的監(jiān)測時間安排為：每隔1 d監(jiān)測一次，每次持續(xù)24 h；且施肥前一周是對土柱內氣體原始濃度進行監(jiān)測，獲取氮素氣態(tài)損失背景值；施肥后則開始監(jiān)測氮素的氣態(tài)損失量，直至被監(jiān)測氣體的濃度消減至無明顯變化。

2 理論與方法

2.1 蘋果園氮磷養(yǎng)分平衡模型

參照前人的研究方法[23-25]，本研究將蘋果園養(yǎng)分的輸入與輸出視為一個系統(tǒng)進行研究，即養(yǎng)分的投入總量減去養(yǎng)分的支出總量得到養(yǎng)分的收支盈余量。蘋果園氮磷輸入量可簡化為：肥料輸入量、大氣沉降量、灌溉水攝入量；氮磷輸出量可簡化為：果樹枝條攜出量、果實攜出量、氣態(tài)損失量、徑流損失量、土壤殘留與淋溶量（圖2）。

圖2 蘋果園氮磷養(yǎng)分平衡示意圖

其中，蘋果園氮素平衡量化模型為

式中IN為大氣氮沉降輸入量，kg；IN為氮素隨灌溉水的攝入量，kg；IN為氮素的施肥輸入量，kg；ON為氮素通過枝條攜出量，kg；ON為氮素通過果實攜出量，kg；ON為氮素氣態(tài)損失量，kg；N為氮素平衡總量，在本研究中包括土壤殘留富集及徑流損失量，kg。

蘋果園磷素平衡量化模型為：

式中IP為磷素隨灌溉水的攝入量，kg；IP為磷素的施肥輸入量，kg；OP為磷素通過枝條攜出量，kg；OP為磷素通過果實攜出量，kg；P為磷素平衡總量，在本研究中包括土壤殘留富集及徑流損失量，kg。

2.2 氮素氣態(tài)損失排放通量計算

首先，將氮素氣態(tài)損失氣體（N2O、NH3）的體積濃度轉化為質量濃度[26]：

式中為所測氣體的質量濃度，mg/m3；為所測氣體的分子質量；為所測氣體的濃度，mg/L；為采樣時的溫度，℃。

為減少因濃度和溫度而產生的數(shù)據誤差，將二者的數(shù)據各以0.5 h為間隔求取平均值，然后計算N2O，NH3排放通量，計算方法[27]如下

式中為所測氣體的排放通量，mg/(m2?h)，數(shù)值為正值時表示土壤向大氣排放該氣體，數(shù)值為負值時表示土壤從大氣中吸收該氣體；為標準狀況下氣體的密度，kg/m3；為采氣口距離地面的高度，m；d/d為單位時間內氣體濃度變化的速率；為儀器艙室壓力，Pa；0為標準大氣壓，Pa。

某1 d累計排放通量的計算以每0.5 h為時間間隔的相鄰兩次采樣的平均通量累加求得，計算方法[28]如下

式中T為某1 d的累積排放通量，mg/m2；F與F+1為第、1次測定時溫室氣體的排放通量，mg/(m2?h)。

3 蘋果園氮磷養(yǎng)分平衡與環(huán)境風險評價

3.1 蘋果園氮磷養(yǎng)分平衡

3.1.1 研究區(qū)施肥模式

通過對棲霞蘋果園調查問卷的統(tǒng)計結果可知，本區(qū)域果農施肥大致遵循以下規(guī)律：蘋果收獲后，即當年10月至次年3月，以溝施或穴施的方式投入基肥，且以有機肥為主，復合肥和微量元素混施；次年4—6月的幼果膨大和花芽分化階段，施用高磷型肥料；次年7—9月的果實膨大期，施用高鉀型肥料。具體而言，2018年棲霞市蘋果園有機肥投入量7 393.49 kg/hm2，復合肥2 160.56 kg/hm2（用作基肥和追肥各占70.65%和29.35%），高磷型水溶肥791.03 kg/hm2、高磷型復合肥1 259.30 kg/hm2、高鉀型水溶肥826.39 kg/hm2、高鉀型復合肥1 261.93 kg/hm2。且根據對當?shù)毓r施肥習慣的分析及化肥市場的調研，可將施用的化肥分為以下類型（表1）。

表1 不同類型肥料養(yǎng)分含量

3.1.2 蘋果園氮磷養(yǎng)分輸入項

1）肥料輸入的氮磷養(yǎng)分含量：基于2018年對棲霞市調查問卷中的肥料施用量統(tǒng)計結果，再結合表1中的氮、磷、鉀養(yǎng)分含量比數(shù)據，可計算得到2018年棲霞市的肥料養(yǎng)分投入量為：有機質為5 360.28 kg/hm2、N為545 kg/hm2、P2O5為568.76 kg/hm2、K2O為712.57 kg/hm2。其中，通過基肥輸入的N、P2O5和K2O各占總量的82.23%、81.82%和70.41%；通過追肥輸入僅各占17.77%、18.18%和29.59%?？梢?，基肥是蘋果園養(yǎng)分輸入的主要途徑。

2）灌溉水攝入的氮磷養(yǎng)分含量：通過對煙臺市水文局所提供的五龍河團旺站、沐浴水庫和龍門口水庫2014－2017年水質監(jiān)測數(shù)據的整理，得到蘋果園的灌溉用水中平均含總氮15.33 mg/L，總磷0.15 mg/L。結合棲霞市統(tǒng)計年鑒所提供的果園平均灌溉水量2 035 m3/hm2，可進一步計算出蘋果園由灌溉而攝入的氮素為31.19 kg/hm2，P2O5為0.71 kg/hm2。

3）大氣氮沉降量：前人將中國的氮沉降劃分為6個片區(qū)（華北地區(qū)、東南地區(qū)、西南地區(qū)、青藏高原區(qū)、西北地區(qū)及東北地區(qū)）進行計算，得到了各區(qū)氮沉降數(shù)值[29-30]。棲霞市位于中國華北地區(qū)，本研究基于該區(qū)域2005－2015年的氮沉降結果，通過線性擬合法（氮沉降量= 1.292 1年份?2 573.5，2=0.859 3）外推得到2018年氮沉降數(shù)據為33.96 kg/hm2。

3.1.3 蘋果園氮磷養(yǎng)分輸出項

1）枝條與果實帶走的氮磷養(yǎng)分含量：基于樊紅柱等[31-32]研究數(shù)據的再分析，可構建蘋果樹樹齡與枝條干質量的線性回歸關系：樹齡=0.441 3枝條干質量?0.117 1（2= 0.762 7）。果樹枝條的修剪量對保證蘋果的產量及品質起著重要作用，根據本研究的2018年調研統(tǒng)計結果可知，棲霞地區(qū)修剪枝條的蘋果樹樹齡大多分布在6～30 a之間，將其帶入回歸方程可得到棲霞市蘋果樹的平均樹枝干質量為7.83 kg/株。另有相關研究結果表明，蘋果樹年平均枝條修剪量約占總枝量的40%[33]，從而得到蘋果樹平均剪枝干質量為3.132 kg/株。通過搜集大量前人已有的蘋果樹氮磷養(yǎng)分含量數(shù)據結果[34-42]，并對其加以統(tǒng)計分析，得到蘋果樹枝條的平均養(yǎng)分含量為：N 0.78%，P 0.2%；果實的平均養(yǎng)分含量為：N 0.31%，P 0.08%。再結合問卷統(tǒng)計數(shù)據而知的棲霞蘋果園平均種植密度為720 株/hm2，可計算得到枝條修剪的平均養(yǎng)分攜出量為：N 19.06 kg/hm2，P2O514.52 kg/hm2。最后根據棲霞市統(tǒng)計年鑒可知，棲霞市果園平均產量為39.80 t/hm2，進而得到果實平均養(yǎng)分攜出量為：N 148.5 kg/hm2，P2O570.2 kg/hm2。

2）果園基肥及追肥的氮素氣態(tài)損失量：施用基肥造成的氮素氣態(tài)損失量以N2O為例，通過光聲光譜多氣體分析儀對蘋果園施用基肥前的背景值及基肥施入后的氣體濃度變化進行監(jiān)測（圖3），可以發(fā)現(xiàn)：在施用基肥后第一天N2O的濃度顯著升高，達到日均濃度的最高值；在施肥第5天以后，其濃度逐漸恢復到正常水平。通過計算可得整個過程N2O平均排放通量為0.022 mg/(m2?h)，施用基肥造成的N2O累積排放量為0.014 kg/hm2，氣態(tài)損失帶走的N為0.008 8 kg/hm2。

圖3 施肥后N2O日均濃度及排放通量時序變化

基于實驗室模擬完成的蘋果園不同追肥情景下氮素氣態(tài)損失的監(jiān)測結果（表2），可以看出：水溶肥的氣態(tài)損失時間及排放通量均低于復合肥，因此在果園追肥時，若適當將復合肥更換為水溶肥，可極大減少肥料的氣態(tài)損失量，從而降低對大氣環(huán)境的污染。將表2數(shù)據進一步折算，可得到施用水溶肥所造成的N2O氣態(tài)損失帶走的N為0.12 kg/hm2，NH3氣態(tài)損失帶走的N為1.11 kg/hm2；施用復合肥所造成的N2O氣態(tài)損失帶走的N為1.77 kg/hm2，NH3氣態(tài)損失帶走的N為36.61 kg/hm2。

綜上，蘋果園因施肥（基肥+追肥）所造成的N2O氣態(tài)損失帶走總N量1.90 kg/hm2，NH3氣態(tài)損失帶走總N量37.72 kg/hm2。

3.2 棲霞市蘋果園環(huán)境風險評價

由于目前中國尚未制定明確針對蘋果園的氮磷風險線劃定標準，因此本研究參考中國農業(yè)非點源污染控制報告[43]及相關研究成果中所提供的氮、磷盈余的環(huán)境風險等級數(shù)據[44-45]，折算至純N與P2O5，從而得到劃分蘋果園氮磷盈余的環(huán)境風險等級（表3）。

表2 室內模擬不同追肥情景的氮素氣態(tài)損失狀況

表3 蘋果園氮磷盈余量與環(huán)境風險等級劃

基于前文氮磷養(yǎng)分各項參數(shù)（肥料輸入量、灌溉攝入量、大氣沉降量、枝條攜出量、果實攜出量、氣態(tài)損失量）的折算結果，匯總得到棲霞市蘋果園不同途徑氮磷養(yǎng)分的輸入量、輸出量及盈余量（表4和表5）。從氮素平衡來看（表4），肥料是蘋果園氮素輸入的主要途徑，占輸入總量的89.32%，雖然僅為黃土高原蘋果優(yōu)勢產區(qū)氮素投入的46.90%[7]，卻是國外蘋果種植發(fā)達的國家果園氮肥推薦施肥量2.73～3.63倍[9-12]。果實及枝條分別帶走的氮素占輸入總量的24.34%、3.12%，考慮到葉片吸收和果樹自身的凈吸收量，氮肥利用率已較全國平均水平（25%）有提高，但同國外蘋果種植發(fā)達的產區(qū)40%的利用率相比仍有一定差距[15]。肥料氣態(tài)損失的氮素占輸入總量的6.49%（NH3和N2O分別占比6.18%、0.31%），與在農田生態(tài)系統(tǒng)損失率9%～42%相比較低[46]。果園氮素盈余率高達66.04%（402.97 kg/hm2），盈余的氮素一部分會隨著灌溉、降水的作用產生淋溶或徑流，進入周圍地表水及地下水，其余的將不斷累積在土壤中，造成一系列環(huán)境問題。但若將追肥時所用復合肥更換為水溶肥，則追肥施用量能降低35.85%，可有效的減少氮肥投入量，提高肥料利用率，進而減少因氣態(tài)損失、土壤殘留、地表徑流等其他途徑所造成的氮素損失。

從磷素平衡來看（表5），肥料是蘋果園磷素輸入的最主要途徑，占輸入總量的99.88%，蘋果園2018年P2O5投入量約為568.31 kg/hm2，通過基肥和追肥各占投入量的32.87%和67.13%。這與朱占玲等[47]對山東省蘋果園磷肥投入量676.17 kg/hm2相比，降低19.09%；同比黃土高原蘋果優(yōu)勢產區(qū)磷肥投入減少23.48%[7]，卻仍是國外發(fā)達國家果園磷肥推薦施肥量3.79～5倍[9-12]。輸入進果園的磷素有12.33%能被果實吸收利用，2.55%被枝條吸收利用。考慮到葉片吸收和果樹自身的凈吸收量，磷肥利用率已經較全國平均水平5.4%有較大的提高[15]，但仍有484.75 kg/hm2的磷肥盈余，盈余率高達85.12%。其殘留在土壤或隨土壤侵蝕進入地表水體，造成了資源浪費與潛在的環(huán)境污染問題。

表4 棲霞市蘋果園氮素平衡狀況

表5 棲霞市蘋果園磷素平衡狀況

從不同養(yǎng)分的盈余率來看，當?shù)仄胶庥嗦蚀笥?0%時，將對環(huán)境產生潛在的威脅[48]。與氮肥相比，磷肥具有較高的后效性，所以磷肥的盈余率允許超過80%[49-50]。2018年棲霞市蘋果園N盈余402.97 kg/hm2，P2O5盈余484.75 kg/hm2，結合表3可知棲霞市氮、磷盈余量均超出環(huán)境安全的閾值，分別屬于中風險和高風險范圍。氮肥施入土壤后除部分被果樹吸收利用外，其余將通過各種途徑損失到環(huán)境中。如氮肥的過量施用會加劇土壤溫室氣體N2O的排放；各種形態(tài)的氮素通過側滲、徑流與侵蝕的作用進入地表水體造成富營養(yǎng)化；而硝態(tài)氮通過淋溶作用進入地下水，則將造成更為嚴重且難以恢復的地下水硝酸鹽超標問題。而磷在土壤中的溶解度很低，施入到土壤中的磷肥很快就被土壤顆粒吸附或者與Ca、Fe及有機質等發(fā)生作用而成為結合態(tài)磷被土壤固定，一般不容易從土壤中損失。但是長期過量的投入，會導致土壤磷吸附量達到飽和，進而改變土壤中磷素的化學平衡，降低土壤對磷的固持能力，導致過量的磷素殘存在土壤中，并通過徑流和侵蝕等途徑進入地表水體。綜上所述，氮、磷肥料的過量施用必然對區(qū)域土壤、地表及地下水資源、大氣環(huán)境等方面造成威脅。

4 討 論

獨特的自然條件（適宜的水土資源、氣候類型及以低緩丘陵為主的地貌條件）造就了棲霞市以蘋果種植為主導的農業(yè)經濟生產格局。由前文可知，肥料的過量施用是氮磷盈余量及負荷增加的主要原因，然而當前果農相對缺乏科學的施肥、管理措施，加之盲目地追求短期經濟效益，其結果導致了蘋果園單位面積化肥使用量超過果樹正常需求量。葛順峰[51]對棲霞市蘋果園土壤養(yǎng)分的研究顯示，1984－2012年棲霞市果園N和P2O5的養(yǎng)分平均投入量依次為963和664 kg/hm2，有機肥為6 583 kg/hm2，且總體出現(xiàn)無機化肥施用量逐漸增加而有機肥施用量逐漸降低的態(tài)勢；另外土壤pH值逐漸減低，土壤酸化速率明顯加快。將其數(shù)據結果與本研究對比可以發(fā)現(xiàn)：2018年棲霞市蘋果園的N和P2O5的養(yǎng)分投入量同比降低43.41%、11.75%，有機肥增加12.31%。這表明土壤養(yǎng)分投入情況有所改善，這是因為近年來隨著先進技術推廣、肥料形態(tài)多樣化、制肥工藝的逐漸提高，棲霞市蘋果園化肥施用量相比前幾年有明顯的下降。棲霞市N盈余402.97 kg/hm2、P2O5盈余484.75 kg/hm2，此結果雖與盧樹昌等[52]對河北省蘋果園N盈余499.7 kg/hm2及趙佐平等[53-54]對渭北旱塬蘋果園N盈余533.9 kg/hm2的研究結果而言相比較低，與劉曉霞等[55]對山東省種植年限為6～10 a的蘋果園土壤P2O5盈余301.96～488.20 kg/hm2結果相近，但遠高于河北省的317 kg/hm2、陜西省的303.2 kg/hm2和山西省的330.6 kg/hm2 [56]。由此可見，棲霞市蘋果園化肥施用過量的問題依然嚴峻。

綜上，在蘋果主產區(qū)推行減肥增效措施具有重要的現(xiàn)實意義。而本研究通過對棲霞市果農種植模式的深入了解，發(fā)現(xiàn)自家經營、地塊零散、勞動力老齡化嚴重，加上管理理念的局限性，導致農戶對單位面積化肥施用過量，從而造成了不必要的浪費和環(huán)境污染。而通過合作社模式種植的果園，推行科學高效的種植技術，施用新型高效肥料，并采用水肥一體化措施，可使蘋果園灌水量及肥料施用量較傳統(tǒng)種植方式而言均減少50%以上。該手段是在保證果園產量和質量前提下，減少肥料施用的有效途徑。因此在國家十三五計劃“藥肥雙減”的號召下，棲霞市需進一步提高肥料利用效率，降低果園養(yǎng)分對環(huán)境所造成的風險。

5 結　論

以典型蘋果種植區(qū)棲霞市為研究對象，通過構建氮磷養(yǎng)分平衡模型，對區(qū)域環(huán)境風險進行了綜合評價，最終得出如下結論：

1）2018年棲霞市蘋果園養(yǎng)分投入量為：有機質5 360.28 kg/hm2，N 545 kg/hm2，P2O5568.76 kg/hm2，K2O 712.57 kg/hm2?；适丘B(yǎng)分輸入的主要途徑，通過基肥輸入的N、P2O5和K2O各占82.23%、81.82%和70.41%；通過追肥輸入則各占17.77%、18.18%和29.59%。通過大氣沉降輸入的氮素33.96 kg/hm2，灌溉輸入的N為31.19 kg/hm2，P2O5為0.71 kg/hm2。

2）2018年棲霞市蘋果園氮素輸入總量的6.49%（39.62 kg/hm2）、24.34%（148.5 kg/hm2）、3.12%（19.06 kg/hm2）分別通過氣態(tài)損失、果實、枝條修剪攜出，氮素盈余率達66.04%（402.97 kg/hm2）；磷肥輸入總量的12.33%和2.55%分別通過果實和枝條修剪攜出，磷肥盈余率達85.12%（484.75 kg/hm2）。棲霞市氮、磷盈余量均超出環(huán)境安全的閾值，分別屬于中風險和高風險范圍，這對區(qū)域的土壤、水資源、大氣等方面存在較大的環(huán)境風險。

以蘋果種植為主導產業(yè)的農業(yè)生區(qū)域，適當減少化肥使用量并大力推廣新型高效肥料、建立完善水肥一體化的果園施肥模式、提升果農的果園管理理念，建立果園可持續(xù)發(fā)展模式，是勢在必行的。

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Wan Wei, Shi Jibo, Liu Zhong※, Han Yiwen, Liu Fan, Wang Jiaying, Zheng Mandi

(1.,,100193,; 2.,,100193,)

Qixia city is one of the most important apple producing areas in China. In recent years, a large amount of per unit area nutrient input of orchards had resulted in excessive enrichment of nitrogen and phosphorus in the region, which had further polluted the local soil, water resources, atmosphere and other environmental elements. Therefore, it was of great practical significance to clarify the current situation of fertilization in main producing areas of apple and scientifically evaluate the environmental risks. Taking Qixia city as the research area, from May to July 2018, the basic situation, fertilization pattern and fertilization quantity of apple orchards in this area were obtained through field investigation and questionnaire survey. From August to November 2018, a field experiment was conducted in a typical apple orchard to obtain nitrogen gas loss data of base fertilizer in apple orchard. From December 2018 to March 2019, nitrogen gas loss data of apple orchards were obtained by laboratory simulation. Based on quantifying the input and output of nitrogen and phosphorus nutrients in apple orchards, the surplus nitrogen and phosphorus nutrients of apple orchards in Qixia city was calculated by constructing a nutrient balance model. Finally, by dividing the environmental risk grade of nitrogen and phosphorus surplus in apple orchards, the regional environmental risk of Qixia city was evaluated comprehensively. The results showed that: 1) In 2018, nutrient input of apple orchards in Qixia city was as follows: organic matter 5 360.28 kg/hm2, N 545 kg/hm2, P2O5568.76 kg/hm2, K2O 712.57 kg/hm2. Among them, N, P2O5and K2O input through base fertilizer accounted for 82.23%, 81.82% and 70.41% of the total. Only 17.77%, 18.18% and 29.59% were absorbed through top dressing; 2) Gaseous loss of nitrogen, fruit and branch carry away accounted for 6.49%, 24.34% and 3.12% of the total input, respectively, with a surplus rate of 66.04% (402.97 kg/hm2). The phosphorus taken away by fruits and branches accounted for 12.33% and 2.55% of the total input, respectively, with a surplus rate of 85.12% (484.75 kg/hm2). The surplus amounts of nitrogen and phosphorus in Qixia city both exceed the threshold of environmental safety, which belong to the range of medium risk and high risk respectively. In conclusion, excessive application of nitrogen and phosphorus fertilizers will inevitably pose a threat to the soil, land surface and groundwater resources and atmospheric environment of Qixia city. Therefore, on the premise of ensuring the output and quality of orchards, it should be the main direction of sustainable development of orchards to appropriately reduce the use of chemical fertilizer, gradually establish an integrated fertilization model of water and fertilizer, and improve the management experience of fruit farmers.

nitrogen; phosphorus; soil; apple orchard; nutrient balance; environmental risk; nitrogen and phosphorus surplus; Qixia city

萬 煒，師紀博，劉 忠，韓已文，劉 凡，王佳瑩，鄭曼迪. 棲霞市蘋果園氮磷養(yǎng)分平衡及環(huán)境風險評價[J]. 農業(yè)工程學報，2020，36(4)：211－219.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.025 http://www.tcsae.org

Wan Wei, Shi Jibo, Liu Zhong, Han Yiwen, Liu Fan, Wang Jiaying, Zheng Mandi. Nitrogen and phosphorus nutrient balance and environmental risk assessment of apple orchard in Qixia city[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(4): 211－219. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.025 http://www.tcsae.org

2019-10-30

2019-12-19

國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFD0201202）

萬 煒，博士生，主要從事地理信息系統(tǒng)與遙感應用及農業(yè)資源與環(huán)境研究。Email：remote_sensing@cau.edu.cn

劉 忠，博士生導師，主要從事土地利用與信息技術研究。Email：lzh@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.025

F205; S19

A

1002-6819(2020)-04-0211-09