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1961-2011年中国农田磷收支及磷使用效率研究

本站小编 Free考研考试/2021-12-29

伦飞¹^,²^,, 刘俊国³^,, 张丹⁴

1. 中国农业大学资源与环境学院,北京 100193

2. 中国土地政策与法律研究中心,北京 100193

3. 南方科技大学环境学院,深圳 518055

4.中国科学院地理科学与资源研究所,北京 100101

Trends in cropland P balance and P use efficiency in China from 1961 to 2011

LUNFei¹^,²^,, LIUJunguo³^,, ZHANGDan⁴

1. College of Resources and Environment Sciences,China Agricultural University,Beijing 100193,China

2. Center of Land Policy and Law,Beijing 100193,China

3. School of Environmental Science and Engineering,South University of Science and Technology of China,Shenzhen 518055,China

4. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100101,China

通讯作者:通讯作者：刘俊国,E-mail：liu_junguo@163.com
收稿日期:2016-04-7
修回日期:2016-07-20
网络出版日期:2016-09-25
版权声明:2016《资源科学》编辑部《资源科学》编辑部
基金资助:

北京市自然科学基金（8151002）

国家自然科学基金（41571022,91325302,91425303）

作者简介:
-->作者简介：伦飞,男,山东寿光人,讲师,研究方向为土地资源管理、农田物质循环。E-mail：rucallen_2008@hotmail.com

展开

摘要
增加粮食产量、提高磷肥使用效率以及减少环境面源污染一直是中国各界关注的焦点。本文基于物质流分析的方法,通过构建动态模型,科学评估了1961-2011年中国农田系统磷收支;探讨了中国农田磷投入与农作物产量、磷使用效率之间的关系;对比分析了不同时期不同农作物农田磷收支变化情况。研究表明,1961-2011年,中国农田磷投入量增加了7.93倍,磷输出量增加了2.89倍,磷循环利用量增加了2.65倍;磷投入的构成由以人畜粪便为主（76.45%）,转变为以磷肥为主（70.54%）;中国农田系统磷使用效率呈下降趋势,由20世纪60年代的0.6左右下降到现在的0.3左右;农作物产量呈正相关,而磷使用效率与农田磷投入呈负相关。总的来看,中国农田系统磷收支经历先损失后积累的过程,1971年为转折点,到2011年时,中国农田土壤累积磷积累量达到71.18 Mt P。本文的研究为合理确定农田磷投入量,提高农田磷使用效率,减缓农田土壤磷积累,减轻农村面源污染等问题提供了科学依据。

关键词：磷收支;磷使用效率;农田;中国
Abstract
How to increase crop yield,increase phosphorus use efficiency and reduce environmental pollution are major issues for China. Based on the principle of material flows we established the dynamic models for cropland P balance and then estimated cropland P balance and P use efficiency in China from 1961 to 2011. We explored the relationships among cropland P inputs,crop yield and cropland P use efficiency and then In addition compared cropland P balance for different crops in two different years. The results indicated that cropland P inputs and outputs increased 7.93 times and 2.89 times over the period,respectively,and the amount of P return back to croplands also increased about 2.65 times. The primary cropland P inputs changed from livestock and human excreta （accounting for 76.45% of the total cropland P inputs in 1961）to P-fertilizer （accounting for 70.54% of total cropland P input in 2011）. Cropland soil P use efficiency decreased from 0.6 in the 1960s to 0.3 at present. Cropland soil P balance had a positive relationship with cropland soil P inputs,while soil P use efficiency followed the opposite trend. Cropland soil P balance turned from ‘soil P deficits’ in 1960s to ‘soil P surplus’ after 1970,and croplands suffered serious soil P surplus since the 1990s. Up to 2011,the total cumulative cropland P accumulation amounted to 71.89 Mt P. These findings will help solve serious soil P accumulation and water eutrophication in rural areas of China,and improve crop production and P use efficiency.

Keywords：soil P balance;P use efficiency;cropland;China

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伦飞, 刘俊国, 张丹. 1961-2011年中国农田磷收支及磷使用效率研究[J]. , 2016, 38(9): 1681-1691 https://doi.org/10.18402/resci.2016.09.06
LUN Fei, LIU Junguo, ZHANG Dan. Trends in cropland P balance and P use efficiency in China from 1961 to 2011[J]. 资源科学, 2016, 38(9): 1681-1691 https://doi.org/10.18402/resci.2016.09.06

1 前言

磷是影响农作物生长的重要营养元素之一^[1-3]。磷肥的使用能够在一定程度上提高农作物的产量,使得全球磷矿开采量和磷肥使用量迅速增加^[4-6]。作为不可再生资源,以如今的开采速度,全球磷矿资源将会在40~400年内枯竭^[7-11]。与此同时,盲目过多地增加磷肥使用量并不能进一步提高作物产量,反而会对水土环境产生不利影响^[12,13]。因此,深入研究农田土壤磷收支和磷使用效率,具有重要的理论价值和现实意义。与20世纪70年代相比,中国粮食产量在2010年增加了2.5倍,但磷肥使用量却增加了7.5倍^[13,14],同时,也造成了严重的水体富营养化问题^[15]。
探讨增加粮食产量、提高磷肥使用效率以及减少环境面源污染已引起了学界的广泛关注。不同****从不同视角、不同尺度（国家、区域、城市等）,研究了磷的循环流通情况^[15-22]、磷的使用效率情况^[23-25],分析了不同区域磷收支及其主要驱动因子^[14,26-29],并取得了很好的研究成果。然而,从时间尺度上研究中国农田系统磷收支及磷使用效率,探讨农田磷投入与农作物产量、农田系统磷使用效率之间的关系较为鲜见。此外,对比分析不同农作物农田磷收支的研究也不多见。因此,本文基于物质流分析的方法,通过构建动态模型估算了1961-2011年中国农田系统磷收支及磷使用效率;探讨了中国农田磷投入与农作物产量、磷使用效率之间的关系;对比分析了不同时期不同农作物农田磷收支变化情况,以期为更加科学合理进行农田磷肥管理,提高磷肥利用效率,控制农田面源污染和水体富营养化提供科学依据。

2 研究方法与数据来源

2.1 研究方法

2.1.1 农田磷收支动态模型构建
本文采用物质流分析的方法用以构建农田磷收支动态模型。在该动态模型中,主要是追踪并分析农田磷收支

\begin{matrix} (P_{soil - balance}) \end{matrix}

的各个环节,包括农田磷投入

\begin{matrix} (P_{soil - input}) \end{matrix}

、农田磷输出

\begin{matrix} (P_{soil - output}) \end{matrix}

及农田磷循环

\begin{matrix} (P_{soil - return}) \end{matrix}

。其中：农田磷投入包括大气沉降（P_deposition）、岩石风化（P_weathering）、化肥（P_fertilizer）、牲畜粪便（P_{livstock-manure}）、人类粪便（P_human-manure）、城市废水（P_waste-water）等;农田磷输出包括农作物生产输出（P_crop）、秸秆生产输出（P_crop-residue）、土壤侵蚀损失（P_soil-erosion）、径流损失（P_runoff）、渗漏损失（P_leaching）等。此外,秸秆还田（P_{residue-return}）和种子种植（P_seed）又会将部分农田磷输出重新返回到农田土壤之中。利用“投入-产出”的方法,农田磷收支的计算方法如下：

\begin{matrix} P_{soil - balance} = P_{soil - input} - P_{soil - output} + P_{soil - return} \end{matrix}

（1）

\begin{matrix} P_{soil - input} = P_{deposition} + P_{\begin{matrix} weat & h & ering \end{matrix}} + P_{fe r tilizer} \\ + P_{livestock - manure} + P_{livestock - manure} \\ + P_{h uman - manure} + P_{waste - water} \end{matrix}

（2）

\begin{matrix} P_{soil - output} = P_{crop} + P_{crop - residues} + P_{soil - erosion} \\ + P_{runoff} + P_{\begin{matrix} leac & h & in g \end{matrix}} \end{matrix}

（3）

\begin{matrix} P_{soil - return} = P_{residue - return} + P_{seed - return} \end{matrix}

（4）
此外,本文将农田磷使用效率

\begin{matrix} (E_{P - soil}) \end{matrix}

定义为“农田生产的农作物所含磷量与农田磷投入量之间的比例”,则：

\begin{matrix} E_{P - soil} = \frac{P_{crop}}{P_{soil - input}} \end{matrix}

（5）
2.1.2 农田磷投入的研究方法
国际化肥工业协会（International Fertilizer Industry Association,IFA）给出了每年农田磷肥使用量（P₂O₅量,

\begin{matrix} F_{P_{2} O_{5}} \end{matrix}

）。因此,中国每年磷肥磷投入量为：

\begin{matrix} P_{fertilizer} = 0.3827 F_{P_{2} O_{5}} \end{matrix}

（6）
式中0.3827为磷元素占P₂O₅的比重。
联合国粮农组织（Food and Agriculture Organi-zation of the United Nations,FAO）研究了不同国家牲畜粪便的利用情况,并估算了不同牲畜粪便施加到农田中的含氮量（N_i）。基于上述数据,并结合不同牲畜粪便中磷氮元素比

\begin{matrix} （ δ_{LM - i} ） \end{matrix}

情况,便可以估算农田牲畜粪便的磷投入量,具体如下：

\begin{matrix} P_{livestock - manure} = \sum δ_{LM - i} N_{i} \end{matrix}

（7）
式中

\begin{matrix} δ_{LM - i} \end{matrix}

为：猪0.28、牛0.18、羊0.15、鸡0.24、鸭0.25、火鸡0.25、其他禽类0.24、其他牲畜0.19^[30-32]本文利用Liu等的研究方法^[15],估算了大气沉降、岩石风化、人类粪便及城市废水的农田磷投入量。其中：大气沉降和岩石风化的磷投入量是通过单位面积大气磷沉降量

\begin{matrix} （ δ_{dep} ） \end{matrix}

/岩石磷风化量

\begin{matrix} （ δ_{wea} ） \end{matrix}

与农田面积（A）获得的：

\begin{matrix} P_{deposition} = δ_{dep} \times A \end{matrix}

（8）

\begin{matrix} P_{\begin{matrix} weat & h & ering \end{matrix}} = δ_{wea} \times A \end{matrix}

（9）
式中

\begin{matrix} δ_{dep} \end{matrix}

为0.38kgP/（hm²

\begin{matrix} ? \end{matrix}

a）（1961-1980年）、0.75kgP/（hm²

\begin{matrix} ? \end{matrix}

a）（1981-2000年）和1.5kgP/（hm²

\begin{matrix} ? \end{matrix}

a）（2001-2011年）^[15];

\begin{matrix} δ_{wea} \end{matrix}

为0.525kgP/（hm²

\begin{matrix} ? \end{matrix}

a）^[15]。
人类粪便的磷投入包括来自农村人类粪便和城市人类粪便用作农田肥料的部分,其中农村人口粪便磷投入量是根据农村人口量（Pop_rural）、农村人口年人均粪便含磷量（P_rural-hm）以及农村人口粪便还田率（δ_rural-hm）得到的,而城市人口粪便磷投入量是根据城市人口量（Pop_urban）、城市人口年人均粪便含磷量（P_urban-hm）以及城市人口粪便还田率（δ_urban-hm）得到的。人类粪便农田磷投入量为：

\begin{matrix} P_{h uman - manure} = Po p_{rural} \times P_{rural - h m} \times δ_{rural - h m} \\ + Po p_{urban} \times P_{urban} \times δ_{urban - h m} \end{matrix}

（10）
式中

\begin{matrix} P_{rural - h m} \end{matrix}

为0.45kgP/（人

\begin{matrix} ? \end{matrix}

a）（1961-1975年）、0.34kgP/（人

\begin{matrix} ? \end{matrix}

a）（1976-1985年）、0.24kgP/（人

\begin{matrix} ? \end{matrix}

a）（1986-1995年）和0.21kgP/（人

\begin{matrix} ? \end{matrix}

a）（1996-2011年）^[15];

\begin{matrix} P_{rural - h m} \end{matrix}

为0.45kgP/（人

\begin{matrix} ? \end{matrix}

a）（1961-1975年）、0.36kgP/（人

\begin{matrix} ? \end{matrix}

a）（1976-1985年）、0.23kgP/（人

\begin{matrix} ? \end{matrix}

a）（1986-1995年）和0.21kgP/（人

\begin{matrix} ? \end{matrix}

a）（1996-2011年）^[15];

\begin{matrix} δ_{urban - h m} \end{matrix}

为90%（1961-1989年）、40%（1990-1999年）和10%（2000-2011年）^[15];

\begin{matrix} δ_{rural - h m} \end{matrix}

为95%（1961-1989年）、80%（1990-1999年）和60%（2000-2011年）^[15]。
城市废水磷输入量是由城市人类粪便未利用率、城市人类粪便处理率（δ_hmt）、城市废水磷去除率（δ_wwt）及城市废水还田率（δ_WW-cropland）得到的：

\begin{matrix} P_{waste - water} = Po p_{urban} \times P_{urban} \times (1 - δ_{urban - h m}) \\ \times δ_{h mt} \times δ_{wwt} \times δ_{WW - cropland} \end{matrix}

（11）
式中

\begin{matrix} δ_{h mt} \end{matrix}

为0%（1961-1977年）、50%（1978-1989年）、60%（1990-1999年）和80%（2000-2011年）^[15];

\begin{matrix} δ_{wwt} \end{matrix}

为30%（1961-1989年）、50%（1990-1995年）、80%（1995-2000年）和90%（2001-2011年）^[15];

\begin{matrix} δ_{WW - cropland} \end{matrix}

为10%（1961-1989年）、20%（1990-2000年）和35%（2001-2011年）^[15]。
2.1.3 农田磷输出的研究方法
农田生产的农作物磷产量是根据不同农作物含磷率

\begin{matrix} (δ_{i}) \end{matrix}

和农作物产量

\begin{matrix} ({\begin{matrix} P & ro \end{matrix}}_{i}) \end{matrix}

得到的。本文根据作物的属性,将FAO数据中的175种作物分成11类,包括小麦、水稻、玉米、其他粮食作物、大豆、其他油料作物、糖料作物、块茎类作物、蔬菜、水果、其他作物等。因此,收获的农作物的含磷量为：

\begin{matrix} P_{crop} = \sum δ_{i} \times {\begin{matrix} P & ro \end{matrix}}_{i} \end{matrix}

（12）
不同农作物含磷率分别为小麦0.0038、水稻0.0025、玉米0.0018、其他粮食作物0.0031、大豆0.0060、其他油料作物0.0047、糖料作物0.0005、块茎类作物0.0007、蔬菜0.0006、水果0.0002、其他作物0.0015^[33-35]。
本文将农作物单位面积磷产量定义为“单位面积收获的农作物所含有的磷量（kgP/hm²）”。
农田收获秸秆的含磷量则是根据不同农作物含磷量及其草谷比

\begin{matrix} (δ_{s - g_{i}}) \end{matrix}

得到的：

\begin{matrix} P_{crop - residues} = \sum δ_{s - g_{i}} \times P_{cro p_{i}} \end{matrix}

（13）
不同农作物的草谷比为小麦1.1、水稻1.0、玉米1.2、其他粮食作物1.6、大豆1.5、其他油料作物2.25、糖料作物0.25、块茎类作物0.5、蔬菜0、水果0、其他作物0^[15]。根据Liu等的研究方法^[15],农田土壤侵蚀、径流及渗漏的磷输出量可以由单位面积土壤侵蚀、径流及渗漏的磷输出量（分别为

\begin{matrix} δ_{soil - erosion} \end{matrix}

、

\begin{matrix} δ_{runoff} \end{matrix}

和

\begin{matrix} δ_{\begin{matrix} leac & h & ing \end{matrix}} \end{matrix}

）与农田面积（A）得到,具体如下：

\begin{matrix} P_{soil - erosion} = δ_{soil - erosion} \times A \end{matrix}

（14）

\begin{matrix} P_{runoff} = δ_{runoff} \times A \end{matrix}

（15）

\begin{matrix} P_{\begin{matrix} leac & h & ing \end{matrix}} = δ_{\begin{matrix} leac & h & ing \end{matrix}} \times A \end{matrix}

（16）
式中

\begin{matrix} δ_{soil - erosion} \end{matrix}

为0.255kgP/（hm² ﹒a）^[15];当农田为水田时,

\begin{matrix} δ_{runoff} \end{matrix}

0.3368（1961-1973年）和0.5728（1974-

2011年）,其他作物则为0.233,单位为kgP/（hm² ﹒a）^[15];当农田为水田时,

\begin{matrix} δ_{leaching} \end{matrix}

为1.235（1961-1999年）和2.5617（2000-2011年）,其他作物则为1.39（1961-1999年）和3.0515（2000-2011年）,单位为kgP/（hm² ﹒a）^[15]。
2.1.4 农田土壤磷循环的研究方法
部分秸秆可用作肥料还田,而种子则会被种植到农田之中,这两部分磷量则为农田土壤磷循环利用量。其中,种子种植的磷循环利用量可以通过种子产量

\begin{matrix} (\begin{matrix} P & ro \end{matrix} - see d_{i}) \end{matrix}

与农作物含磷率

\begin{matrix} (δ_{i}) \end{matrix}

得到,而秸秆还田磷循环利用量则是通过秸秆还田率

\begin{matrix} (δ_{cs - return}) \end{matrix}

与秸秆磷产量得到,具体如下：

\begin{matrix} P_{seed - return} = \begin{matrix} P & ro \end{matrix} - see d_{i} \times δ_{i} \end{matrix}

（17）

\begin{matrix} P_{r esidue - return} = P_{crop - residue} \times δ_{cs - return} \end{matrix}

（18）
式中

\begin{matrix} δ_{cs - return} \end{matrix}

为5%（1961-1980年）、8%（1981-1990年）、12%（1991-2000年）和15%（2001-2011年）^[15]。

2.2 数据来源

本研究所需的数据包括1961-2011年不同作物农田面积、不同作物产量、不同作物种子产量、农村和城市人口数、不同牲畜粪便氮投入农田量、磷肥使用量（P₂O₅量）等。主要的来源包括FAO（http：//faostat3.fao.org/home/E）、IFA（http：//www.fertilizer.org/）、《中国农村统计年鉴》^[36]、《中国统计年鉴》^[37]、FAO的研究报告^[38]和IFA的研究报告^1）（1）Heffer P. Assessment of fertilizer use by crop at the global level 2010-2010/11.）。

3 结果与分析

3.1 1961-2011年中国农田磷收支状况

1961-2011年,中国农田的磷投入量、磷输出量和磷循环利用量均呈增加趋势。其中：中国农田磷投入量增加了7.93倍,由1961年的800.03ktP/a,增加到2011年7147.39ktP/a;中国农田磷输出量在1961年时为991.67ktP/a,到2011年时,达到了3847.94ktP/a,增加2.89倍;农田磷循环利用量则由1961年的53.46ktP/a增加到2011年的195.36ktP/a,增加了2.65倍（图1）。

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图11961-2011年中国农田土壤磷收支状况
-->Figure 1Cropland soil P budgets in China from 1961 to 2011
-->

中国农田磷投入的构成由以人畜粪便为主,转变为以化肥为主。在1961年,人畜粪便是中国农田最重要的磷投入,占农田磷投入量的76.45%,其中牲畜粪便和人类粪便分别占40.70%和35.75%。随着中国社会经济的迅速发展,尤其在中国改革开放之后,中国磷肥使用量迅速增加,并逐渐成为中国农田最主要的磷投入,到2011年时,磷肥占中国农田磷投入总量的70.54%,达到了5041.65ktP/a,与1961年相比,增加了76.97倍。牲畜粪便的投入量也有所增加,在2011年时,牲畜粪便磷投入量达到了1655.56ktP/a。农田其余的磷投入在1961-2011年变化并不明显,在2011年时,人类粪便、大气沉降、岩石风化和城市废水的磷投入量分别为101.01ktP/a、25.64ktP/a、90.52ktP/a和32.02ktP/a。
在1961-2011年期间,中国农田土壤侵蚀和渗透所引起的磷输出基本保持不变,分别为（35~44）ktP/a和（34~50）ktP/a左右;径流引起的磷输出则增加了1.75倍,由1961年的185.83ktP/a,增加到2011年的511.32ktP/a,占2011年农田磷输出总量的13.25%;中国农田农作物和秸秆产量增加明显,其含磷量也相应增加,与1961年相比,到2011年时,收获的农作物和秸秆的含磷量均增加了4倍多,分别达到了2255.33ktP/a和996.84ktP/a,占农田磷输出总量的58.46%和25.84%左右。
就农田磷循环利用而言,种子播种量相对稳定,大约在41~46ktP/a;随着农作物秸秆产量和秸秆还田率的增加,还田的秸秆含磷量也相应增加,在这51年期间,大约增加了11.89倍,由1961年的12.17ktP/a增加到2011年的149.53ktP/a。

3.2 1961-2011年中国不同农作物产量及其含磷量

1961年,中国农作物主要以粮食作物和块茎类作物为主。其中,块茎作物、水稻和蔬菜的产量较大,分别为92.09Mt/a、56.22Mt/a和50.62Mt/a,而油料作物和糖类作物产量较少。随着中国社会经济的发展,尽管大部分农作物产量都有所增加,但农作物的种植结构却发生了改变,使各农作物所占比重也发生了改变。具体而言,经济作物（包括蔬菜、水果、油料作物和糖料作物）产量增加了8.5倍以上,经济作物产量所占的比重由1961年的28.86%增加到2011年的53.55%。在这段时期内,小麦和玉米产量所占比重也呈增加趋势。尽管水稻产量所占比重由1961年的18.92%下降到2011年的12.31%,但其产量还是有所增加。与其他农作物不同,其他粮食作物的产量呈下降趋势,这与中国经济发展、城市化及饮食习惯的改变都有一定的关系（图2a）。

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图21961-2011年中国不同农作物产量及其含磷量情况
-->Figure 2Crop production and crop-P production for different crops from 1961 to 2011
-->

除其他粮食作物含磷量有所减少外,剩余收获的农作物含磷量均有所增加。然而,由于农作物间含磷率存在较大差异,使得不同农作物含磷量所占比重与其产量所占比重有所不同。具体如下：粮食作物和块茎类的含磷率相对较高,与其产量相比,它们占所有农作物含磷量的比重相对较高;而蔬菜、水果和糖料作物含磷率相对较低,使得它们含磷量的比重低于它们产量所占的比重,在2011年时,收获的蔬菜、水果和糖料作物的含磷量分别为311.13ktP/a、36.93ktP/a和62.93ktP/a（图2b）。
1961-2011年,不同农作物单位面积磷产量（单位面积农作物产量所含磷量）均呈增加趋势。中国农作物平均单位面积磷产量由1961年的3.61kgP/（hm²

\begin{matrix} ? \end{matrix}

a）增加到2011年的13.08kgP/（hm²

\begin{matrix} ? \end{matrix}

a）,大约增加了2.63倍。单位面积糖料作物产量的磷含量最高,在2011年时达到了32.16kgP/（hm²

\begin{matrix} ? \end{matrix}

a）;水果单位面积产量及其含磷率都相对较低,使得水果单位面积磷产量最低,仅为（1.5~3.0）kgP/（hm²

\begin{matrix} ? \end{matrix}

a）左右。小麦单位面积磷产量增加率最高,达到了7.65倍,水稻、玉米单位面积磷产量增加率也相对较高,均高于2倍;而蔬菜和水果单位面积磷产量增加率相对较低,仅为0.6~1.1倍左右。在2011年时,共有6种农作物单位面积磷产量高于平均水平,包括小麦、水稻、大豆、其他油料作物、糖类作物和其他农作物,而剩余5种农作物单位面积磷产量则相对较低（图3）。

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图31961-2011年中国不同农作物单位面积磷产量情况
-->Figure 3The crop-P production per cropland area for different crops in China from 1961 to 2011
-->

3.3 1961-2011年中国农田系统磷收支以及磷使用效率

随着磷肥使用量的增加,中国农田由20世纪60年代的土壤磷损失,逐渐转变为农田土壤磷积累,且进入20世纪90年代以后,中国农田呈现出严重土壤磷积累状态;在1962年,中国农田土壤年磷损失量最为严重,达到了-199.86ktP/a（相当于-1.01
kgP/（hm²

\begin{matrix} ? \end{matrix}

a））,随后,中国农田土壤年磷损失量逐渐减少,到1971年时中国农田变为土壤年磷积累。因此,中国农田在1970年时,土壤累积磷损失量达到最大,为-0.97Mt P;此后,中国农田土壤累积磷损失量逐渐减少,到1974年时,中国农田已变为土壤累积磷积累状态;至2006年时,中国农田土壤年磷累积量达到最大3919.94ktP/a（相当于24.87kgP/（hm²

\begin{matrix} ? \end{matrix}

a））,到2011年,中国农田土壤累积磷积累量达到71.18MtP。农田土壤磷投入量的增加速度远快于农作物磷吸收量的增加速度,使得中国农田磷使用效率明显下降,由20世纪60年代的0.6左右,下降到现在的0.3左右。由此可见,合理的磷投入,不仅有利于提高磷使用效率,还能缓解中国农田面临严重的土壤磷积累现状（图4,见第1687页）。

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图41961-2011年中国农田年磷收支、磷使用效率及土壤累积磷收支情况
-->Figure 4Cropland annual soil P balance,P use efficiency and cumulative soil P balance in China from 1961 to 2011
-->

3.4 农田磷投入量对农田收支的影响

单位面积农作物磷产量、土壤磷收支、农田磷使用效率都与农田磷投入量密切相关,其中,前两者与农田磷投入量呈正相关,后者则与农田磷投入量呈负相关。在农田磷投入量很少时,单位面积农作物磷产量相对较低,此时投入量的增加能有效地提高农作物磷产量;当农田磷投入量高于25kgP/（hm²

\begin{matrix} ? \end{matrix}

a）时,单位面积农作物磷产量则基本处于稳定状态。农田土壤磷收支状况则与土壤磷投入量呈线性增加关系,且当农田磷投入量为10.5kgP/（hm²

\begin{matrix} ? \end{matrix}

a）左右时,农田处于土壤磷平衡状态,低于该值,农田处于土壤磷损失状态,高于此值,农田处于土壤磷积累状态;农田磷使用效率随农田磷投入量的增加呈下降趋势,当投入量较低时,农田磷使用效率较高,而当投入量较高时,农田磷使用量则较低（图5）。因此,科学合理的磷投入,不仅有利于缓解土壤磷积累,还能有效地提高农作物产量及农田磷使用效率。

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图5单位面积农作物磷产量、农田磷平衡、农田磷使用效率与农田磷投入量的关系
-->Figure 5The relationships between cropland soil P inputs and Crop-P production per area/ cropland soil P balance/cropland soil P use efficiency
-->

3.5 不同农作物农田磷收支对比分析

FAO和IFA的报告研究了1997年和2010年不同农作物农田磷肥的使用量,本文假设其他的磷投入也按照这一比例施加到不同农作物中。基于这一假设,本文对比分析了中国不同农作物农田在1997年和2010年的磷收支状况,包括农田磷投入量、农作物含磷量、农田磷收支量、农田磷使用效率（表1所示）。在1997年时,小麦的单位面积磷投入量最高,而在2010年时,其磷投入量有所下降,但小麦的单位面积磷产量却略有增加,这说明在目前磷投入量情况下,磷投入量并不是限制小麦产量的主要原因,水稻也呈现出相似的规律。与1997年相比,其他9种农作物在2010年的单位面积磷投入量均有所增加,尽管农作物单位面积磷产量也略有增加,但与磷投入量相比,产量的增加并不明显,这也说明现阶段农田磷投入量已能够满足这9种农作物生长的需要。在1997年时,玉米和其他粮食作物的单位面积磷投入量相对较少,这两类农田的土壤呈磷损失状态,而在2010年时,它们单位面积磷投入量均超过了20kgP/（hm²

\begin{matrix} ? \end{matrix}

a）,此时玉米和其他粮食作物均呈土壤磷积累状态;此外,由于糖料作物和水果在2010年时的磷投入量很高,使得它们处于严重的土壤磷积累状态。作物特性的差异导致了农作物磷使用效率的差异,在2011年时,小麦、玉米、其他油料作物及蔬菜的磷使用效率均超过了0.40,而水果的磷使用效率仅为0.02。由此可见,针对不同作物的本身特性,合理地进行磷投入,将会有利于更好地利用磷资源,提高磷使用效率。
Table 1
表1
表11997年和2010年中国不同农作物的农田磷收支状况
Table 1The soil P fluxes for different crops in China 1997 and 2010

	农田磷投入量/ kgP/（hm² $\begin{matrix} ? \end{matrix}$ a）		农作物单位面积磷产量/ kgP/（hm² $\begin{matrix} ? \end{matrix}$ a）		农田磷收支量/ kgP/（hm² $\begin{matrix} ? \end{matrix}$ a）		农田磷使用效率
	1997年	2010年	1997年	2010年	1997年	2010年	1997年	2010年
小麦	55.39	43.03	15.59	18.04	35.40	18.63	0.28	0.42
水稻	35.44	32.46	15.78	16.37	10.93	6.03	0.45	0.50
玉米	13.23	35.02	7.90	9.83	-3.47	13.27	0.60	0.28
其他粮食作物	11.97	21.52	7.40	8.06	-2.00	4.99	0.62	0.37
大豆	48.16	30.39	10.59	10.63	30.52	11.21	0.22	0.35
其他油料作物	20.19	27.97	9.32	11.40	3.66	6.70	0.46	0.41
糖料作物	51.64	117.06	29.39	31.54	13.90	75.28	0.57	0.27
块茎作物	30.42	44.02	11.39	12.44	11.08	21.66	0.37	0.28
蔬菜	24.53	27.09	9.93	12.51	12.72	11.04	0.40	0.46
水果	50.79	130.48	1.87	3.10	47.04	123.85	0.04	0.02
其他作物	71.62	80.42	11.82	13.68	58.06	63.32	0.17	0.17
合计	36.14	43.93	11.75	12.84	18.21	23.07	0.33	0.29

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4 结论与讨论

4.1 讨论

本文的研究表明,中国农田磷肥使用量不断增加,且已经远超农作物磷吸收量,且农田磷使用效率较低,这些都造成了中国农田日趋严重的土壤磷积累状态,这与Sattri等和Li等研究结果一致^[13,25]。同时,由于土壤侵蚀、径流和渗漏等作用,使得中国农田土壤所积累的磷大量地进入到水体之中,造成了严重水体富营养化^{[13,15,22,25]}。不同农作物农田的磷收支和磷使用效率也存在一定的差异^[22]。中国农田土壤中积累的磷量大约可以满足中国农作物18.45a的需求,这与Liu等估算的结果（20a）十分接近^[15];同时,中国农田积累的磷量相当于全球5年磷肥的需求量,这一结果高于Starri等的估算结果（2倍）,这主要是因为本文研究时间长度相对较差,使得估算的农田土壤累积磷积累量高于他们的估算结果^[13]。
本研究由于缺乏不同时期不同作物化肥使用情况,不能很好地研究不同农作物农田磷收支及其磷使用效率随时间变化情况;同时,由于缺乏更加详细的数据,难以更好地对比不同作物农田磷收支状况。

4.2 主要结论

本文基于物质流分析的方法,构建了中国农田磷收支动态模型,估算了在1961-2011年间中国农田磷收支情况,并探讨了农田磷投入量对农田磷收支的影响,最后还对比了在不同农作物农田磷收支状况。本文的主要结论如下：
（1）在1961-2011年,中国农田土壤磷投入量、磷输出量及磷循环利用量均呈增加趋势,且农田磷投入量的增加速度远高于农作物产量的增加速度。因此,中国现在的农田磷投入并不是限制农作物产量的主要因素,反而过量的农田磷投入造成了日益严重的土壤磷积累和水体富营养化等问题。中国农田主要磷投入已经由人畜粪便,变为磷肥,且在2011年时,使用的磷肥占中国农田磷投入量的70.54%。
（2）中国农作物产量及其含磷量在1961-2011年均呈增加趋势,且经济作物的产量增加最为明显;由于农作物含磷率的差异,使得不同农作物占总产量及农作物总含磷量的比重有所差异。所有农作物单位面积磷产量均呈增加趋势,但不同农作物却呈现出不同的趋势。此外,不同农作物在1997年和2010年的农田磷收支状况不同。因此,根据不同农作物自身特性,针对性地提出相应的农田管理措施,将会有助于更好地解决中国农田所面临的问题。
（3）中国农田由20世纪60年代的土壤磷损失,逐渐转变为土壤磷积累,且进入20世纪90年代后,土壤磷积累问题日益严重;到2011年时,中国农田土壤累积磷积累量达到了71.18MtP。在这段时期,中国农田磷使用效率呈下降趋势。因此,合理地减少中国农田的磷投入量,提高中国农田磷使用效率,也具有重要的意义。
（4）农作物产量和农田磷收支均与农田磷投入呈明显的正相关,而农田磷使用效率则与农田土壤磷投入呈负相关。因此,通过研究他们之间的关系,寻找合适的农田磷投入量（例如20~25kgP/（hm²

\begin{matrix} ? \end{matrix}

a））,不仅能够保证农作物产量,还能提高农田磷使用效率,解决农田土壤磷积累和水体富营养化等问题,从而利于中国农田的可持续发展。
The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献原文顺序
文献年度倒序
文中引用次数倒序
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1961-2011年中国农田磷收支及磷使用效率研究

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Trends in cropland P balance and P use efficiency in China from 1961 to 2011

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