2. 四川农业大学资源与地理信息技术研究所, 四川 成都 611130;
3. 四川省农业厅土壤肥料与资源环境处, 四川 成都 610041;
4. 四川省农业厅植物保护站, 四川 成都 610041;
5. 四川省农业科学院遥感应用研究所, 四川 成都 610066
2. Institute of Resources and Geography Information Technology, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China;
3. Institute of Soil Fertilizer and Resource Environment, Sichuan Agricultural Bureau, Chengdu 610041, China;
4. Plant Protection Station, Sichuan Agricultural Bureau, Chengdu 610041, China;
5. Remote Sensing Application Institute, Sichuan Academy of Agricultural Sciences, Chengdu 610066, China
作为现代农业生产中3项最主要农业投入品, 化肥、农药和农膜在提高作物产量和满足逐渐增加人口的粮食需求方面起到了重要作用, 也是推进中国实现农业生产快速和稳步增长的手段[1]。目前中国化肥和农药的施用量居世界之首, 单位面积用量分别为世界平均水平的3倍和2倍[2]。过量施用化肥会导致地力受损, 有效营养元素失衡, 保水保肥能力下降[3]。此外, 我国耕地每年农药用量是美国的4.7倍, 利用效率低于30%[4]。连续大量施用化肥和农药不仅浪费资源、增加农业生产成本、侧面降低经济效益, 也带来水体富营养化、温室气体排放、土壤酸化和病虫害加重等一系列环境问题[5-7]。四川省农耕历史悠久, 农业生产水平高, 人多耕地少, 化肥、农药、农膜等农业投入品为粮食增产、农民增收做出了重要贡献。有报告指出, 四川省耕地大多已为高度土地承载区[8], 近年来不断提高农业生产集约化程度, 如增大化肥、农药和农膜的投入量, 扩大养殖规模, 提高复种指数等, 均使得农业投入品总量逐年上升, 造成农业生态环境破坏和环境污染。通过对四川省成都平原区、川东北丘陵区、川南丘陵区、攀西山地区和川西北高原区这5个农业区最新农业投入品现状调查, 结合区域往年肥料农药投入量, 对比施肥结构和利用效率时空变化特征, 分析投入品强度影响因素, 以期探讨农业生产减量增效和政策保障措施。
1 材料与方法 1.1 研究区概况四川省位于北纬26°03′~34°19′，东经97°21′~108°31′。地貌以山地和丘陵为主, 平原和高原次之。根据农业气候、地形、生态条件和农业经济进程的发展, 形成了成都平原区(成都、德阳、绵阳、眉山、资阳)、川东北丘陵区(南充、遂宁、达州、广安、巴中、广元)、川南丘陵区(宜宾、自贡、泸州、内江、乐山)、攀西山地区(攀枝花、凉山州、雅安)以及川西北高原区(甘孜州、阿坝州)5大农业区。成都平原地势平坦、气候适宜、资源禀赋, 经济作物比重大, 复种指数高。川南丘陵区和川东丘陵区水热条件较好, 农地以紫色土为主, 中低产田面积大、土地垦殖率高、水土流失严重, 土地生产力稍低。攀西地区光热资源充足, 为热作水果适宜产区和大规模植烟区。川西北高原区水热不足, 气候垂直变化显著, 农业生产以特色水果为主, 粮食种植较少。随着农业区域分工日趋明显, 已形成成都平原、攀西安宁河流域的优质水稻生产区, 川东北丘陵、川西北高原水果经济作物区, 成都平原、川南丘陵区蔬菜生产基地等。而果蔬类作物单位面积化肥、农药投入量最大, 谷类作物相对较小[9]。
1.2 数据来源研究数据来源分2类:(1)调查数据。调研工作在2016年3—6月集中完成, 点面结合, 收集相关统计数据、文件、总结等资料, 开展面上补充调查, 全面掌握2015年全省5个农业区主要农业投入品用量, 包括化肥年施折纯量、有机肥施用量、作物产量、农药和农膜使用总量等(表 1)。(2)往年基础数据。根据2006—2015年四川省统计年鉴数据资料进行整理和计算获得。
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表 1 调研收集数据 Table 1 Survey data |
肥料效率采用化肥偏生产力(partial factor productivity from applied fertilizer, PFP, PFP)表达, 指单位投入的化肥所能生产的作物籽粒产量, 即
| $ {P_{\rm{FP}}} = Y/F。$ | (1) |
式(1)中, PFP为化肥偏生产力, kg·kg-1; Y为施肥后所获得的作物产量, kg; F化肥的投入量, kg[10]。
1.4 主成分回归模型设影响四川省农业投入品强度Y的因素共有m个, 那么变量由因变量Y和m个自变量X1, X2, …, Xm构成的线性回归模型为
| $ Y = {\beta _0} + {\beta _1}{X_1} + {\beta _2}{X_2} + \cdots + {\beta _m}{X_m} + \mu 。$ | (2) |
式(2)中, Y为四川省农业投入品强度，kg·hm-2；βi(i=0, 1, …，m)为回归系数; μ为随机误差项。
主成分分析法首先求得原变量的相关矩阵。
| $ {\rm{R}} = \left[{\begin{array}{*{20}{c}} {{r_{11}}}&{{r_{12}}}&{\rm{L}}&{{r_{1k}}}\\ {{r_{21}}}&{{r_{22}}}&{\rm{L}}&{{r_{2k}}}\\ {\rm{M}}&{\rm{M}}& \cdots &{\rm{M}}\\ {{r_{k1}}}&{{r_{k2}}}&{\rm{L}}&{{r_{kk}}} \end{array}} \right]。$ | (3) |
得到相关系数矩阵后, 计算特征根λi, 确定主成分, 并且计算各主成分的贡献率和累计贡献率, 最后计算主成分载荷。
| $ {e_i} = \frac{{{\lambda _i}}}{{\sum\limits_{k = 1}^p {{\lambda _k}} }} = \;\;\left( {i = 1, 2, \ldots, p} \right), $ | (4) |
| $ \sum\limits_{k = 1}^k {{e_i} = \frac{{{\lambda _i}}}{{\sum\limits_{k = 1}^p {{\lambda _k}} }} = \;\;\left( {i = 1,2, \cdots ,p} \right),} $ | (5) |
| $ {F_i} = {a_{1i}}{x_1} + {a_{2i}}{x_2} + \cdots + {a_{pi}}{x_p}\left( {i = 1, 2, \ldots, p} \right)。$ | (6) |
式(2)~(6)中各变量含义及单位见表 2。
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表 2 模型变量选择及其统计说明 Table 2 Explanation and statistical description of model variation |
从1952—2013年四川化肥总量变化(图 1)可知, 1975—1990年是肥料消费总量快速增长的第1个时期, 呈急剧上升趋势, 此时期是我国全方位进入经济结构转型时期, 农户开始注重通过化肥等生产资料的投入来提高作物产量; 1992—2000年为第2个增长时期, 化肥增量放缓; 2003—2011年为第3个增长时期, 该时期主要表现为种植结构改变导致的化肥投入量缓慢上升。研究认为, 农户在种植相同稳定作物时化肥施用量也会持续增长, 以增加化肥施用量替代劳动力的投入[11]。
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图 1 1952—2013年四川省化肥施用总量变化 Figure 1 Variation of total fertilizer use amount between 1952 and 2013 in Sichuan Province |
四川省不同农业区化肥投入量从大到小依次为川东北丘陵区(249.66 kg·hm-2)>成都平原区(244.33 kg·hm-2)>川南丘陵区(240.50 kg·km-2)>攀西山地区(230.52 kg·hm-2)>川西北高原(99.00 kg·hm-2)(图 2)。除川西北高原农业区, 各农业区施肥强度均超过发达国家上限标准225 kg·hm-2[12]。有机肥用量变化趋势与化肥相反, 表现为川西北高原(30 472.32 kg·hm-2)>攀西山地区(10 626.04 kg·hm-2)>川南丘陵区(8 522.68 kg·hm-2)>川东北丘陵区(5 378.55 kg·hm-2)>成都平原区(2 964.52 kg·hm-2)。高原地区畜牧业发达, 有机肥施用量最高, 约为成都平原的10倍。攀西山地区有机肥投入量居第2, 多为菜籽饼、烟秆等高品质绿肥。
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图 2 四川省不同农业区化肥和有机肥施用量现状 Figure 2 Status of chemical and organic fertilizers in different agricultural zones in Sichuan Province |
由四川省不同农业区化肥施用现状(图 2)可知, 各农业区施肥结构与目前我国农田适宜氮磷钾比例〔1:(0.4~0.45):(0.4~0.5)〕[13]相比, 普遍氮肥和磷肥施用水平较高, 钾肥偏低。攀西地区肥料复合化程度最高(31.54%), 川东北丘陵区最低(19.30%)。各农业区肥料投入氮素比重较大, 在川东北丘陵区(NPK肥投入比1:0.38:0.13)和川南丘陵区(NPK肥投入比1:0.40:0.11)偏氮情况最严重。氮素在农田中会以多种价态存在, 不易固定, 氮肥过量易造成农业面源污染等环境风险[14]。
将四川各农业区2006—2015年的化肥产出率进行对比(图 3), 10 a来各农业区肥料效率趋势为川西北高原区(25.72 kg·kg-1)>川南丘陵区(15.85 kg·kg-1)>川东北丘陵区(14.35 kg·kg-1)>成都平原区(14.30 kg·kg-1)>攀西山地区(13.14 kg·kg-1)。川西北高原区化肥产出率平均值(25.72 kg·kg-1)约为攀西山地区(13.14 kg·kg-1)的2倍。川南丘陵区近10 a偏生产力平均值为15.08 kg·kg-1, 且偏生产力范围为14.35~15.85 kg·kg-1。成都平原区2006—2013年偏生产力曲线较为平缓, 虽然成都平原是传统的农业区, 基础地力和土壤养分供给能力较高, 但其化肥利用效率并不高(14.30 kg·kg-1), 可能是化肥过量施用导致肥料利用效率下降。
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图 3 四川省不同农业区化肥利用效率差异 Figure 3 The difference of fertilizer use efficiency in different agricultural zones in Sichuan Province |
川东北丘陵区和成都平原变化基本一致, 变化范围为11.60~14.35 kg·kg-1。攀西山地区在2006年肥料效率和成都平原一致(12.28 kg·kg-1), 2007—2009年呈缓慢下降趋势, 从2010年开始上升, 其近10 a变化范围为11.60~13.14 kg·kg-1。在川西北高原区肥料投入量最低(99.00 kg·hm-2), 化肥利用效率最高(25.72 kg·kg-1)。川东北丘陵区化肥投入量最高(249.66 kg·hm-2), 但肥料利用效率(14.35 kg·kg-1)比川西北高原低44.21%。
2.2 农药投入时空特征分析 2.2.1 农药投入量年际变化四川省农药施用量的年际变化趋势是先增后减再增(图 4), 1993—2013年间农药施用总量增加56.96%。从1993年(3.95 kg·hm-2)投入量不断上升, 1999年达到最大(6.44 kg·hm-2); 之后至2002年(5.69 kg·hm-2)有所下降; 2003年开始施用量缓慢增加但增幅减小, 至2010年(6.56 kg·hm-2)达到最高; 此后农药施用量开始持平。调查中大多农药包装废弃物未进行无害化处理, 剩药随意丢弃、倾倒现象严重, 废弃物回收处置体系覆盖面不大。农药包装废弃物回收率只有10%左右。
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图 4 1993—2013年四川省农药农膜投入量变化趋势 Figure 4 Variation tendency of pesticide and agricultural film inputs from 1993 to 2013 in Sichuan Province |
由2015年四川省不同农业区农药施用现状(图 5)可知, 农药总投入量从大到小依次为成都平原区(6.17 kg·hm-2)>川南丘陵区(4.49 kg·hm-2)>川西北高原区(3.89 kg·hm-2)>川东北丘陵区(2.60 kg·hm-2)>攀西山地区(2.10 kg·hm-2)。不同农业区单位播种面积施用量不平衡, 最高地区施药量约为最低地区的3倍。
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图 5 四川省不同农业区农药施用量及结构 Figure 5 Application amount and structure status in different agricultural zones in Sichuan Province |
农药施用总体结构也不合理, 目前四川省农药施用中杀虫剂用量最大, 其次为除草剂, 第3是杀菌剂。世界农药市场品种结构为杀虫剂占28%, 杀菌剂占48%, 除草剂占18%[15]。大多农户防治观念相对落后, 农药中杀菌剂投入成本最大, 除草剂较低, 购买时首先考虑价格因素, 导致农药施用结构失衡。各区单位播种面积除草剂、杀虫剂、杀菌剂施用比例存在明显的区域差异。除川西北高原, 其余区域的杀虫剂施用比例最高, 其中攀西地区达54.26%。川西北高原施用杀菌剂比例居全省之首, 为42.51%, 而其余区域杀菌剂施用比例较低。
2.3 农膜投入时空特征分析 2.3.1 农膜投入年际变化据四川省农膜投入量年际变化曲线(图 4)显示, 四川省农膜投入量从1993年(3.39 kg·hm-2)至2013年(13.21 kg·hm-2)逐年上升, 增长290%。覆膜作为育秧育苗、设施栽培、作物增产必不可少的农艺措施在不同农业区广泛使用。有研究指出, 1991年到2011年的20 a间, 全国地膜使用强度增加3~10倍, 而地膜残留污染会对农业生产和环境造成严重威胁[16]。据调查, 全省从事废旧地膜加工的加工企业(点)仅97个, 主要通过县、乡的废品回收站(点)回收, 农村尚未建立专业农膜回收网点。
2.3.2 不同区域农膜投入特征据调查分析, 目前四川省农膜用量达11.23万t, 其中地膜占68.9%, 可降解地膜只有10.05%, 农膜回收利用率为55%。传统地膜的基础材料为高分子有机化合物, 在土壤中极难分解, 将长期累积残留在土壤, 使土壤硬化、孔隙减少、通透性下降, 影响作物的正常生长[17]。农膜投入量从大到小依次为攀西山地区(15.24 kg·hm-2)>川南丘陵区(11.53 kg·hm-2)>成都平原区(10.77 kg·hm-2)>川西北高原区(10.59 kg·hm-2)>川东北丘陵区(6.60 kg·hm-2)。
2.4 主要农业投入品投入强度影响因素分析 2.4.1 变量选择与说明根据四川省实际情况, 基于2015年调查数据, 分别将化肥、农药和农膜施用强度作为被解释变量, 从地区特征和生产经营特征和科学技术特征3大方面共选取11个变量作为解释变量, 运用SPSS 21.0软件进行主成分回归分析。限于篇幅, 下文以化肥投入强度为例来建立回归模型。
2.4.2 主成分回归模型的建立与测算首先对各个因子进行相关性分析, 有效灌溉面积和农业总产值相关系数为0.929, 实有耕地面积与农业总产值相关系数高达0.806, 有效灌溉面积和实有耕地面积相关系数为0.735, 相关系数较高显示各个自变量之间存在着降维的可能性。降维后特征值与抽取的主成分方差贡献率见表 3, 4个主成分的累积方差贡献率为85.18%, 保留了自变量的绝大部分信息。
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表 3 各主成分特征值及方差贡献率 Table 3 Principal component eigen value and variance contribution rate |
各主成分载荷信息如表 4所示, 各主成分载荷信息如下:Z1=0.875X1+0.589X2+0.778X3+0.626X4+0.751X5+0.823X6+0.935X7-0.226X8+0.768X9-0.618X10+0.012X11,
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表 4 主成分载荷表 Table 4 Principal component loading matrix |
Z2=0.296X1-0.619X2-0.167X3+0.656X4+0.251X5-0.269X6+0.153X7+0.625X8-0.367X9-0.223X10-0.022X11,
Z3=-0.172X1+0.024X2+0.334X3-0.275X4-0.115X5+0.050X6-0.083X7+0.605X8+0.170X9-0.270X10+0.846X11,
Z4=0.211X1+0.277X2+0.343X3+0.004X4+0.327X5-0.431X6+0.065X7-0.141X8-0.418X9+0.458X10+0.308X11。
从成分矩阵可以看出, 主成分Z1占据了大部分自变量成分, 其中最高的是有效灌溉面积0.935, 农业总产值占0.875, 耕地质量占0.823, 人口密度占0.778, 种植便利度占0.768, 设施农业面积占0.751;主成分Z2中实有耕地面积占最高, 为0.656, 种植结构占0.625;主成分Z3中新技术运用占0.846。
将变量Y1(化肥施用强度)与4个主成分做回归分析, 得到回归的方程为Y1=247.097+19.032Z1-42.604Z2+12.538Z3-5.620Z4, 将主成分载荷信息代入方程得:
Y1=247.097+0.699 9X1+36.325 9X2+24.181 8X3-19.504 6X4+0.319 8X5+30.172 9X6+9.870 6X7-22.550 8X8+34.732 9X9-8.220 3X10+10.041 9X11。
同理, 对农药施用强度(Y2)和农膜施用强度(Y3)分别进行主成分回归后, 分别带入各自主成分载荷信息, 分析结果为:Y2=4.172-0.046 3X1+0.433 5X2+0.210 5X3-0.280 1X4-0.031 7X5+0.300 0X6+0.051 8X7-0.361 9X8+0.351 0X9。Y3=12.518-0.784 3X1+1.211 3X2+0.251 9X3-1.483 0X4-0.634 4X5+0.572 3X6-0.454 8X7-1.175 0X8+0.802 2X9。
上述Y1、Y2、Y3与主成分回归后, 经F检验概率P值均小于显著性水平0.05, 通过显著性检验, 整体模型回归效果显著。
2.4.3 投入品影响因素分析城镇化率、人口密度、耕地质量、种植便利度、种植结构都是影响化肥施用强度的重要因素, 且前4个因素有正相关关系, 最后1个有负相关关系。城镇化率、种植便利度和种植结构对农药施用强度影响最大, 前2个为正相关, 后1个为负相关关系。城镇化率、种植便利度、实有耕地面积和种植结构对农膜施用强度影响最大, 且前2个为正相关, 后2个为负相关关系。综上, 种植便利度、城镇化率和种植结构是影响农业投入品强度的3大重要因素。近10 a来在市场经济导向下, 四川省农业种植业结构快速调整, 在城镇化率高、人口密度大、交通便捷的成都平原区、川东北丘陵区和川南丘陵区居民消费需求旺盛, 生产周期短和经济效益高的蔬菜、瓜果类作物播种面积大幅度增长、复种指数提高, 化学投入品增加快, 造成环境风险大。
种植便利度较高、蔬菜产业、经济园艺发展较好的成都平原, 种植结构中经济作物比重上升, 化肥投入量有增加趋势, 化肥平均投入强度(244.33 kg·hm-2)高于省内其他区域, 与潘丹[18]提出的区域产业结构调整导致化肥施用强度增加的结论相一致。我国蔬菜和果蔬已成为最大的化肥消耗体, 两者化肥消耗量占全国农业化肥消耗总量的30%左右[19]。相反, 该区域劳动力转移和农户畜禽养殖的减少导致了有机肥施用水平最低[20]。川西北高原城镇化水平低、种植便利度较差、种植模式单一, 故化肥施用水平较低。
以成都平原为典型的区域已从传统粮食为主的种植模式转变为以市场导向为主的蔬菜生产[21], 农户为了获得外观整齐的蔬菜, 经常大量施用农药, 导致该区域农药投入量最高(6.16 kg·hm-2)。种植结构对农膜投入量有较大影响, 农膜覆盖主要应用在经济作物中的蔬菜育苗和覆盖种植, 蔬菜、食用菌、花卉等的大棚设施栽培以及柑橘等果树的留树贮存保鲜覆盖等方面。攀西地区气候干旱、光照充足, 适于果蔬种植, 复种指数高, 覆膜面积较大[22]。此外, 在川西北高原高的寒冷凉地区, 地膜覆盖技术也被广泛应用。
3 主要农业投入品减量增效利用措施 3.1 推广高效环保新技术加强测土配方精准施肥、水肥一体化、缓释肥料、绿肥还田等技术推广, 能够有效降低化肥用量[23]; 此外有机无机结合肥施用还可以改善土壤质量和生产力, 逐步提升基础地力, 是长期稳定提高化肥养分利用效率与耕地均衡施肥的根本途径[24]。例如川东北丘陵区的射洪县通过水肥一体化项目, 省肥30%以上, 提高土壤有机质含量1.5%以上。在农药农膜方面, 全面构建病虫监测预警体系, 大力推广绿色防控技术, 如川南丘陵区荣县在多个乡镇已建立农业病虫害综合治理(IPM)绿色防控示范园区, 带动全县绿色防控面积8 000 hm2, 区域减少农药用量达20%以上。推广使用可降解新地膜, 在适宜区域加大水稻直播、秸秆覆盖栽培等技术示范推广力度, 通过替代地膜覆盖等措施减少地膜使用, 如成都平原彭州市2015年通过推广降解地膜或液体地膜, 地膜回收利用率达97.8%。
3.2 因地制宜减量增效四川不同农业区土壤肥力状况一定程度影响了化肥投入量。总体上四川省土壤有机质分布特点为西高东低[25], 川西北高原区以暗棕壤、高山草甸土为主, 开垦历史短, 农田有机质含量较高。成都平原区由潮土和灰色冲击母质发育的水稻土为主，占80%以上, 农业发展历史悠久, 耕作施肥水平高, 农田有机质含量保持在中上水平。盆周丘陵区以石灰性紫色土为主, 矿化率高, 抗侵蚀力弱, 加上过度开垦, 农田有机质含量较低。根据不同农业区域土壤肥力状况、肥料效率, 科学优化种植结构, 大力发展循环农业。针对丘陵区农业中多熟种植模式, 在农业生产中采用豆科绿肥翻埋与化肥减量配施，对小麦、玉米等作物增产增效效果明显[26]。成都平原农作物秸秆剩余量较大, 可以推广稻田作物秸秆还田。攀西地区主要为植烟土壤, 当化肥施用量降低到当地常规施肥量的85%时, 翻压绿肥可明显提高土壤活性和有机质含量[27], 有机肥(特别是富钾绿肥)与无机肥配施可改善植烟土壤的肥力和结构, 明显促进烟株生长发育、提高烟叶产量和品质[28]。
3.3 普及适度规模经营管理模式HUANG等[7]认为传统分散经营农户缺少科学施肥指导和培训, 农户并不能量化施用量以至于过度施肥, 这种资源利用率低的粗放型经营模式亟待转变。诸培新等[29]和李宾等[30]的研究发现, 一定范围内以统一生产为基础的规模化经营和专业化有利于降低生产中的化肥投入水平。应加快土地流转，形成适度规模经营, 对适度规模经营农户统一管理和科学指导, 规范化和标准化使用农业投入品。依托机械化工程措施, 在丘陵地区氮肥深施覆土及节水灌溉, 能有效地将氨挥发底物带入深层土壤而减少氨挥发、淋失及反硝化损失[31]; 川西平原地区水利工程建设的加固利用以及农田排涝; 攀西地区坡改梯、平整土地、修复盐渍化土壤。应用植保无人机、静电式喷雾机等利用率高的施药器械进行专业统防统治。
3.4 加大减量增效政策支持力度生态补偿相对于传统的命令-控制型政策而言, 是一种相对有效的措施[32]。如德国、瑞士通过立法对生态补偿区域根据农药、化肥限制施用的不同程度给予农户不同数额的补贴[33-34], 都取得良好效果。减量增效补偿的核心是对应用绿色生态措施的生产者进行奖补或对其额外增加的生产成本进行补偿。补偿范围一是产品补偿, 包括新型农药(低毒生物农药)、肥料(有机肥、水溶肥料、缓释肥料)、农膜(可降解农膜)、新型高效农药机械、绿色防控设备等。二是服务补偿, 包括科学施肥服务、专业化统防统治、废弃农药包装、农膜回收利用以及农业废弃物资源化利用等。根据各区域条件和实施情况, 以耕地经济等为主、种植作物为辅作为依据进行减施化肥农药补偿划定。可根据不同农业区域、不同作物确定试点范围和重点, 在成都平原、川西南山地区试点县重点开展菜果茶有机肥替代补贴试点, 其他粮食和经济作物产区重点开展配方肥料、水溶性肥料、缓释肥料等补贴试点, 有机肥补贴额度应不低于肥料购置成本的三分之一。对川西北高原和攀西地区等山区和欠发达地区重点采用生态补贴政策, 如轮作休耕补偿等。
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