烟台市农田N•P 2O 5和K 2O供需平衡及环境影响研究

时间：2024-05-22

摘要通過估算农作物的N、 P 2O 5、K 2O需要量，农作物秸秆的N、 P 2O 5、K 2O还田量，人、畜、禽粪尿的N、 P 2O 5、K 2O还田量和化肥的N、 P 2O 5、K 2O施用量，研究烟台市农田N、 P 2O 5、K 2O供需平衡。结果农作物对N、 P 2O 5、K 2O的需要量分别是146 977.71、60 273.35和130 907.02 t;有机肥的N、 P 2O 5、K 2O还田量分别是89 154.77、45 966.96和97 214.73 t;化肥的N、 P 2O 5、K 2O施用量分别是196 262.66、57 171.31 和83 863.03 t。结果表明，化肥、有机肥的N、 P 2O 5、K 2O供应量远远大于农作物的需要量;有机肥作为主肥，其养分供应量低于农作物对养分的需要量，但化肥作为辅肥，其养分供应量远远大于有机肥的缺口;有机肥不足和化肥过量，造成土壤板结、肥力下降、农作物品质下降和水、土环境污染;通过政府组建公益性专业公司收集养殖场粪污，生产有机肥还田，并通过精准施肥，大幅削减化肥施用量，来改善土壤环境、水环境质量，提高农产品品质。该研究可为烟台市农田科学施肥提供指导，为农业生态系统可持续发展研究提供思路。

关键词农田;N;P 2O 5;K 2O;供需平衡;环境影响;烟台

中图分类号 F 323.22文献标识码 A文章编号 0517-6611（2022）02-0162-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.02.044

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Balance of Supply and Demand and Environmental Effect of N， P 2O 5 and K 2O in Farmland of Yantai City

SUN Rui-chuan

（Yantai Environmental Engineering Consulting and Design Institute Co.，Ltd.，Yantai，Shandong 264000）

Abstract In this paper， the supply and demand balance of N， P 2O 5 and K 2O in farmland of Yantai City was studied by estimating the N， P 2O 5 and K 2O demand of crops， the amount of N， P 2O 5 and K 2O returned to the field by crop straw， the amount of N， P 2O 5 and K 2O returned to the field by human， livestock and poultry manure and urine， and the amount of N， P 2O 5 and K 2O applied by chemical fertilizer. The following results were obtained. First， the requirements of N， P 2O 5 and K 2O for crops were 146 977.71， 60 273.35 and 130 907.02 t， respectively. Second， the amount of N， P 2O 5 and K 2O returned to the field were 89 154.77， 45 966.96 and 97 214.73 t， respectively. Third， the application amounts of N， P 2O 5 and K 2O in chemical fertilizer were 196 262.66， 57 171.31 and 83 863.03 t， respectively. The results showed the following conclusions. First， the supply of N， P 2O 5 and K 2O of chemical fertilizer and organic fertilizer was far greater than the demand of crops. Second， organic fertilizer as the main fertilizer， its nutrient supply was lower than the crop nutrient requirements， but chemical fertilizer as a supplementary fertilizer， its nutrient supply was far greater than the gap of organic fertilizer. Third， lack of organic fertilizer and excessive chemical fertilizer caused soil hardening， fertility decline， crop quality decline and water and soil environmental pollution. Finally， the government ought to set up a professional company to collect manure from the farms and produce organic fertilizer， giving priority to supporting agricultural production bases， and the large amount of chemical fertilizer ought to be reduced through precise fertilization. These measures could improve the quality of soil environment and water environment and improve the quality of agricultural products. The conclusions could provide guidance for scientific fertilization of farmland in Yantai City， and provide ideas for research on sustainable development of agro-ecosystem.

Key words Farmland;N;P 2O 5;K 2O;Supply and demand balance;Environmental effect;Yantai

基金项目政府采购项目“牟平区近岸海域污染防治规划编制”（SDGP37061220180-2000007）。

作者简介孙瑞川（1963—），男，山东烟台人，高级工程师，从事近岸海域环境工程规划与设计研究。

收稿日期 2021-05-03

长期以来，烟台市使用化肥强度高，在800 kg/hm2以上，超过化肥使用安全上限225 kg/hm2[1]。高强度使用化肥，会引起土壤板结、肥力下降、农产品品质下降和水环境污染。研究农田养分供需平衡，有效削减化肥使用量，对烟台市农田土壤环境、水环境质量改善和农产品质量提高具有重要作用。

过去，农田养分平衡的研究重点在于养分的收支平衡。基于化肥、有机肥的施入量计算养分收入[2-4]，或基于化肥、有机肥、干湿沉降、生物固氮量计算养分收入[5-6]。基于农作物产量、氮流失和渗漏、径流损失计算养分支出。养分收支平衡研究的重点在于揭示土壤养分盈亏状况。研究过程中，未明确有机肥、化肥的优先使用顺序，并将农田养分淋失视为正常的支出项目，可能会导致过量使用化肥，引起土壤板结、农产品品质下降和水环境污染。

有机肥改良土壤结构，提高土壤肥力，改善农产品品质。化肥破坏土壤结构，降低农产品品质，污染水环境。因此，农田肥料应以有机肥为主，化肥为辅。基于此，笔者通过估算农作物的N、P 2O 5、K 2O需要量，人、畜、禽粪尿的N、P 2O 5、K 2O还田量，秸秆的N、P 2O 5、K 2O还田量和化肥的N、P 2O 5、K 2O施用量，研究烟台市农田的N、P 2O 5、K 2O供需平衡，揭示烟台市农田N、P 2O 5、K 2O供需平衡特征，有机肥、化肥的供应特征，探讨影响，提出对策，为烟台市农田科学施肥提供指导，为农业生态系统可持续发展研究提供思路。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

烟台市位于山东半岛中东部。北接渤海、黄海，南临黄海，西邻潍坊、青岛，东邻威海。陆地介于119°32′56″～121°55′48″ E，36°34′23″～37°49′52″ N。

烟台市包括芝罘区、福山区、开发区、蓬莱区、莱山区、高新区、牟平区、昆嵛区、栖霞市、龙口市、招远市、莱州市、莱阳市和海阳市。面积13 864.54 km2。

烟台市属温带季风气候。2018年年降水量659.1 mm，集中于5—8月，占全年的71.64%。集中降水，易形成农田径流。河流众多，落差大，短小流急，径流季节变化明显。主要河流有五龙河、大沽夹河、黄水河、王河、界河和辛安河。现有大型水库3座，中型水库26座，小型水库1 084座，可供水量26 598×104 m3。

2019年末，烟台市户籍人口6 534 515人。大牲畜存栏数131 917头。生猪存栏数2 388 595头。羊存栏数3 539 809只。家禽存养数7 268.47×104只。

现有耕地444 866.67 hm2，其中，1/3为水浇地，2/3为旱地。现有园地229 941.14 hm2，以果园为主，占98.90%。小麦播种面积122 830 hm2，玉米播种面积152 133 hm2，谷子播种面积1 172 hm2，大豆播种面积10 518 hm2，薯类播种面积9 504 hm2，花生播种面积97 163 hm2，蔬菜、瓜类种植面积46 405 hm2，苹果园129 462 hm2，梨园7 642 hm2，葡萄园10 814 hm2，桃園3 451 hm2。化肥施用实物量967 589 t，折纯量337 297 t。

1.2 研究方法

1.2.1 农作物N、P 2O 5、K 2O需要量。

农作物N、P 2O 5、K 2O需要量按公式（1）估算。

M j= H if ij（1）

式中，M j表示第j种养分的需要量，单位为t;H i表示第i种农作物的产量，单位为t;f ij表示单位产量的第i种农作物对第j种养分的年需要量，单位为t/t;i=小麦、玉米、谷子、高粱、大豆、绿豆、薯类、花生、棉花、蔬菜、西瓜、甜瓜、草莓、苹果、梨、葡萄、桃子、杏;j=N，P 2O 5，K 2O。

1.2.2 农作物秸秆N、P 2O 5、K 2O还田量。

1.2.2.1 农作物秸秆产量。

农作物秸秆产量按公式（2）估算。

J u=H ur u（2）

式中，J u表示第u种农作物秸秆的产量，单位是t;H u表示第u种农作物籽粒的产量，单位是t;r u表示农作物秸秆与籽粒的重量比值;u=小麦、玉米、谷子、高粱、大豆、绿豆、薯类、花生、棉花。

1.2.2.2 农作物秸秆中N、P 2O 5、K 2O总量。

农作物秸秆中N、P 2O 5、K 2O总量按公式（3）估算。

L j= uJ ud uj（3）

式中，L j表示农作物秸秆中第j种养分的总量;J u、u的含义与公式（2）中的相同;d uj表示第u种农作物秸秆中第j种养分的含量;j的含义与公式（1）中的相同。

1.2.2.3 农作物秸秆N、P 2O 5、K 2O的还田量。

农作物秸秆N、P 2O 5、K 2O的还田量按公式（4）估算。

W j=L je（4）

式中，W j表示农作物秸秆中第j种养分的还田量;L j含义与公式（3）中的相同;e表示农作物秸秆的还田率;j的含义与公式（1）中的相同。

1.2.3 人、畜、禽粪尿N、P 2O 5、K 2O还田量。

1.2.3.1 人、畜、禽粪尿年产量。

人、畜、禽粪尿年产量按公式（5）估算。

Q mn=R mg mn（5）

式中，Q mn表示第m种动物的第n种排泄物的产生量，单位为t;R m表示第m种动物的平均存栏数量，单位为口、头或只;g mn表示第n种动物的第m种排泄物的产量，单位为t/个;m=人、牛、马、驴、骡、猪、羊、鸡;n=鲜粪、鲜尿。

1.2.3.2 人、畜、禽粪尿中N、P 2O 5、K 2O总量。

人、畜、禽粪尿中N、P 2O 5、K 2O总量按公式（6）估算。

P j= m nQ mnh mnj（6）

式中，P j表示第j种养分的总量，单位是t;Q mn、m、n的含义与公式（5）中的相同;h mnj表示第m种动物的第n种排泄物的第j种养分的含量;j的含义与公式（1）中的相同。

1.2.3.3 人、畜、禽粪尿中N、P 2O 5、K 2O的还田量。

人、畜、禽粪尿中N、P 2O 5、K 2O的还田量按公式（7）估算。

S j=P jw（7）

式中，S j表示第j种养分的还田量，单位是t;P j的含义与公式（6）中的相同;w表示粪尿还田率。

1.2.4 农田施用化肥的N、P 2O 5、K 2O数量。

单位产量的农作物对养分的需要量按公式（8）估算。

F j=Fv j（8）

式中，F j表示施用化肥中第j种养分的数量，单位是t;F表示化肥施用量（折纯量），单位是t;v j表示化肥施用量中N、P 2O 5、K 2O的含量;j的含义与公式（1）中的相同。

1.2.5 数据处理。

牛、猪、羊、鸡的年均存栏数的计算，根据不同情况，分别采用公式（1）和公式（2）2种方法。

C=（Cs +Ce）/2，当CH≤（Cs +Ce）/2时（9）

C =（Cs +Ce）/2+[CH-（Cs +Ce）/2]×R i，当CH﹥（Cs +Ce）/2时（10）

公式（9）、（10）中，C表示年均存栏数，单位是头或只;Cs表示年初存栏数（以2018年年末存栏数计），单位是头或只;Ce表示年末存栏数（以2019年年末存栏数计），单位是头或只;CH表示2019年出栏数，单位是头或只;R i表示出栏周期率，R i =出栏周期/年，i=牛、羊、猪、鸡，R 牛=1，R 羊=1，R 猪=1/2，R 鸡=1/3。

1.3 数据来源

1.3.1 农作物产量，单位产量对N、P 2O 5、K 2O的需要量。

农作物产量来自2020年烟台市统计年鉴的2019年数据[7]（表1）。单位产量（1 000 kg）所需N、P 2O 5、K 2O的数量来自“计量施肥”等相关文献[8-10]（表2）。

1.3.2 秸秆籽粒比和秸秆中养分含量。

农作物产量来自2019年烟台市统计年鉴的2018年数据[11]（表3）。作物的秸秆籽粒比和秸秆中的N、P 2O 5、K 2O含量来自文献“中国作物秸秆养分资源数量估算和其利用状况”[12]（表4）。秸秆还田率取26%[13]。

1.3.3 人、畜、禽数量，鲜粪、尿产量，粪、尿中养分含量。

烟台人口、畜、禽数量数据来自“2019年烟台统计年鉴”和“2020年烟台统计年鉴”[7，11]（表5）。人、畜、禽粪尿年产量数据来自文献“农家肥料”[14]（表6）。

人、畜、禽鲜粪、鲜尿中N、P 2O 5、K 2O的含量来自文献“农家肥料”[15]（表7、8）。人、畜、禽粪尿还田率为76.16%[16]。

1.3.4 化肥施用量（折純量）及其N、P 2O 5、K 2O含量。

化肥施用量（折纯量）数据来自“2020烟台统计年鉴”的2019年数据，为337 297 t[7]。其中，N、P 2O 5、K 2O分别占58.19%、16.95%和24.86%[17-19]。

2 结果与分析

根据公式（1）和表1、表2中的数据，估算出农作物的养分需要量。根据公式（2）、（3）、（4）和表3、表4数据和秸秆还田率26%，估算出秸秆还田的养分。根据公式（5）、（6）、（7）、（8）、（9）和表5、6、7、8中的数据，以及粪尿还田率76.16%，估算粪尿还田的养分。根据公式（10）和化肥施用量、施用量中N、P 2O 5、K 2O的含量，估算N、P 2O 5、K 2O的施用量。结果见表9。

表9表明，烟台市农田的N、P 2O 5、K 2O供应量大于作物的需要量，N、P 2O 5、K 2O供应量分别是作物需要量的1.94、1.71和1.38倍。有机肥的N、P 2O 5、K 2O供应量分别占作物需要量的60.66%、72.26%和74.26%，有机肥的N、P 2O 5、K 2O供应量不能满足作物的需要。化肥施用量分别是有机肥缺口的3.39、4.00和2.49倍，化肥补充量过大。

3 讨论

3.1 有机肥不足、化肥过量的影响

3.1.1 破坏土壤。

有机肥含有丰富的有机质。有机质是土壤腐殖质的重要来源。腐殖质促进土壤团粒结构的形成，改良土壤性质，提高土壤肥力。施用有机肥，可增加土壤中有机胶体，胶体对重金属有吸附作用，可防止土壤污染。

化肥中大量的NH 3+、K+与土壤胶体吸附的Ca2+、Mg2+交换，导致Ca2+、Mg2+流失，破坏土壤结构，导致土壤板结，土壤肥力下降。

化肥中含有多种重金属、放射性物质及其他有害物质。有害物质降低土壤微生物活性，难以转化有机质和降解有毒、有害物质，造成土壤污染。酸性化肥，造成土壤酸化。酸性土壤释放有毒物质，增强有害物质的毒性，造成土壤污染。因此，有机肥不足，化肥过量破坏土壤结构、污染土壤，降低土壤肥力。

3.1.2 降低农产品品质。

有机肥是完全肥料，含有农作物需要的各种营养元素，大多数养分以有机化合物的状态存在。有机肥能提供土壤微生物生命活动所需的能源和养料，促进微生物的活动，加速土壤内养分的分解和供应。

化肥养分单一。大量使用化肥，土壤有机质下降，影响土壤微生物生存，破坏土壤肥力结构，降低肥效。因此，有机肥不足，化肥超量，造成养分供应不全面、不均衡，而且，土壤污染物质被植物吸收，必然导致农产品品质下降。

3.1.3 污染水环境。

有机肥中大多数养分以有机化合物状态存在，必须经过微生物分解才能转化为有效养分，供作物吸收利用。因此，有机肥肥效稳定持久。

化肥是无机速效肥，易流失。N、P 2O 5、K 2O，尤其是N，随农田径流流失严重。若N、P 2O 5流失率按施肥量的11%计算[20]，烟台市农田N、P 2O 5年流失量分别达21 588.89和1 715.14 t。

化肥养分流失严重污染水环境。2020年9月，烟台市重点河流，辛安河、泳汶河出现Ⅴ类水质河段，东村河、界河出现劣Ⅴ类水质河段，五龙河、沁水河出现Ⅳ类水质河段。

3.2 对策

3.2.1 努力提高畜禽粪尿资源还田率。

当前，仍有近25%的粪尿资源未能还田，特别是畜禽养殖场畜禽粪尿浪费严重。大部分养殖场缺少粪污收集、贮存、处理和利用设施，随意堆放，流失现象严重。种、养分离，有机肥价格优势不明显，缺乏合理出路。

因此，政府组建公益性质的专业公司，收集畜、禽养殖场的粪污资源，加工处理，生产沼气和有机肥。有机肥优先供应政府扶持的农产品生产基地。

3.2.2 大幅度削减无机肥施肥量。

化肥施肥折纯量的N、P 2O 5、K 2O分别为196 262.66、57 171.31和83 863.03 t，分别是有机肥缺口的3.39、4.00和2.49倍。

施用化肥是为了弥补有机肥的不足。就目前有机肥施用状况，需要化肥的N、P 2O 5、K 2O供应量分别为57 822.94、14 306.39和33 692.29，则化肥的N、P 2O 5、K 2O削减量分别为138 439.72、42 864.92和50 170.74 t。

精准施肥是削减化肥的前提。要根据作物的生理生长特征、天气条件，定时、定位、定量施肥，防止因流失导致养分不足。

4 结论

利用农作物产量估算农作物的N、P 2O 5、K 2O需要量分别为146 977.71、60 273.35和130 907.02 t，秸秆的N、P 2O 5、K 2O还田量分别为10 378.16、3 102.81和14 146.06 t。利用人口、畜禽数量估算粪尿的N、P 2O 5、K 2O还田量分别为78 776.61、42 864.15和83 068.67 t。

烟台市农田的N、P 2O 5、K 2O供应量大于作物的需要量;有机肥供应量不足，化肥补充量过大。

有机肥不足、化肥施用过量破坏土壤、降低农产品品质并污染水环境。

通过政府组建公益性专业公司，收集、加工、处理畜禽养殖场粪污资源，生产有机肥还田，来提高畜禽粪尿资源还田率。通过精准施肥，防止养分流失，大幅度削减化肥使用量。这些措施可防止对土壤的破坏、提高农产品品质并保护水环境，保障大众的健康生存。

参考文献

[1] 刘钦普，林振山，周亮.山东省化肥使用时空分异及潜在环境风险评价[J].农业工程学报，2015，31（7）：208-214.

[2] 张锡洲，李廷轩，杨玉国，等.四川盆地丘陵区农田养分平衡研究[J].四川农业大学学报，2003，21（2）：152-156.

[3] 叶优良，杨晓梅，曲日涛，等.山东省肥料施用与养分平衡状况研究[J].土壤通报，2006，37（3）：500-504.

[4] 张瑞玲.石林县耕地地域氮磷钾养分平衡状况分析与调控[J].农业与技术，2013，33（12）：13-14.

[5] 戴相林，刘瑞，周建斌，等.秦岭北麓地区农田土壤养分平衡状况演变分析[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2012，40（3）：191-199，205.

[6] 韩雪丰，范茂攀，刘润梅，等.云南省种植马铃薯农户氮磷钾养分投入及其土壤养分平衡状况分析[J].云南农业大学学报（自然科学），2019，34（3）：538-543.

[7] 烟台市统计局，国家统计局烟台调查队.2020烟台统计年鉴[M].北京：中国统计出版社，2020.

[8] 金耀青.计量施肥[M].北京：农业出版社，1989.