武秋甫,王孝忠,陳新平,劉敦一（西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,重慶市土肥資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400715）

農(nóng)業(yè)面源污染是三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境面臨的主要問(wèn)題之一[1].當(dāng)前,三峽庫(kù)區(qū)的農(nóng)用耕地類型主要為坡耕地[2],土壤類型以紫色土為主,榨菜-水稻輪作和榨菜-玉米輪作是典型的輪作模式[3],肥料投入量較大,土壤復(fù)耕率高且降雨十分集中,導(dǎo)致三峽庫(kù)區(qū)化肥年流失總量高達(dá)1.23萬(wàn)t,當(dāng)季氮肥利用率只有30%～35%[4-5],水土肥流失十分嚴(yán)重[6].然而,庫(kù)區(qū)的兩個(gè)典型輪作模式在生產(chǎn)力、肥料投入及損失途徑存在較大差異.例如,全國(guó)農(nóng)田平均活性氮損失中,玉米氮淋洗損失是水稻的5.5倍,而氨揮發(fā)損失則約為水稻損失的一半[7].同時(shí),近幾年從事農(nóng)業(yè)的勞動(dòng)力減少,而水田需要投入的勞動(dòng)力較多,所以玉米-榨菜輪作系統(tǒng)的種植比例增加[8].對(duì)兩種輪作系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),明確農(nóng)戶的種植管理模式,分析其減肥潛力,量化不同輪作系統(tǒng)的環(huán)境代價(jià),對(duì)三峽庫(kù)區(qū)可持續(xù)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)提供理論支撐有重大意義.

據(jù)中國(guó)農(nóng)田氮肥用量和利用效率的大樣本數(shù)據(jù)研究顯示,西南地區(qū)仍然存在氮肥用量上升而氮肥效率下降的狀況,而三峽庫(kù)區(qū)肥料用量在國(guó)內(nèi)一直處在較高水平[9],因而導(dǎo)致庫(kù)區(qū)水質(zhì)的改善趨勢(shì)不穩(wěn)定[10].改善這一現(xiàn)狀不僅需要優(yōu)化肥料的施用量,還需考慮不同輪作系統(tǒng)環(huán)境代價(jià)的差異.例如,在玉米-小麥、水稻-小麥、水稻-冬水休閑三種輪作系統(tǒng)中,甲烷（CH4）的排放有很大差異,以水稻-冬水休閑系統(tǒng)排放量最高[11].對(duì)比單季稻-小麥和雙季稻-油菜兩種水旱輪作系統(tǒng),后者的產(chǎn)量更高,但其CH4和二氧化氮（NO2）累積排放量都顯著高于前者[12].與連續(xù)種植非豆類作物相比,豆類與非豆類作物的輪作并不影響 NO2排放[13].可見(jiàn),農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不同輪作系統(tǒng)之間在產(chǎn)量、環(huán)境效應(yīng)等方面差異很大,合理調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)是發(fā)展可持續(xù)集約化農(nóng)業(yè)的重要手段.

輪作系統(tǒng)的優(yōu)化施肥管理可顯著降低其環(huán)境代價(jià).在華北平原玉米-小麥輪作系統(tǒng)中,相比于農(nóng)戶傳統(tǒng)施肥量,降低 50%的施肥量并配合秸稈還田能夠?qū)崿F(xiàn)更高產(chǎn)量,同時(shí)顯著降低N2O排放[14];在玉米-榨菜輪作系統(tǒng)中,農(nóng)戶傳統(tǒng)施磷量的 50%～75%即可滿足作物的養(yǎng)分需求,并有效減少土壤氮磷養(yǎng)分的損失[3].通過(guò)測(cè)土配方技術(shù)確定小麥-玉米輪作系統(tǒng)的施肥量,比傳統(tǒng)施肥處理可降低 37%的溫室氣體排放及 30%～37%的水足跡[15].據(jù)統(tǒng)計(jì),2006～2013年間測(cè)土配方施肥技術(shù)的應(yīng)用平均減少氮肥施用 27.2kg/hm2,農(nóng)田溫室氣體減排共 1171.8萬(wàn) t CO2-e[16].因此,合理的施肥管理對(duì)滿足輪作系統(tǒng)中作物的養(yǎng)分需求、實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)、養(yǎng)分高效并降低系統(tǒng)環(huán)境代價(jià)有重要意義.

另一方面,新型肥料的應(yīng)用也是滿足作物養(yǎng)分需求,實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)、養(yǎng)分高效和減少環(huán)境污染的有效途徑.研究結(jié)果表明,應(yīng)用新型肥料,如包膜尿素,可以減少35%的N2O排放[17]以及68%的氨（NH3）揮發(fā)[18];在肥料中添加硝化抑制劑也是非常有效的抑制 N2O排放的手段[19],并且平均可以提高 12.9%的氮肥利用率[20].

以往對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)研究大多在田間試驗(yàn)條件下詳細(xì)對(duì)比了不同輪作系統(tǒng)的某一個(gè)或幾個(gè)指標(biāo),通過(guò)農(nóng)戶實(shí)地調(diào)研進(jìn)而對(duì)輪作系統(tǒng)環(huán)境代價(jià)（如活性氮損失、溫室氣體效應(yīng)、酸化效應(yīng)和富營(yíng)養(yǎng)化效應(yīng)）綜合評(píng)價(jià)的研究相對(duì)較少.因此,本文通過(guò)對(duì)三峽庫(kù)區(qū)展開(kāi)多點(diǎn)農(nóng)戶調(diào)研,在了解農(nóng)戶施肥量和產(chǎn)量的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)揭示了兩種典型糧菜輪作系統(tǒng)下的農(nóng)學(xué)效應(yīng)、環(huán)境代價(jià)和經(jīng)濟(jì)效益,并通過(guò)情景分析明確優(yōu)化施肥及新型肥料的應(yīng)用對(duì)降低環(huán)境代價(jià)的作用,文章為指導(dǎo)區(qū)域優(yōu)化施肥管理措施及合理的作物種植結(jié)構(gòu)提供科學(xué)合理的依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

調(diào)研區(qū)域?yàn)槿龒{庫(kù)區(qū)腹地—重慶市涪陵區(qū)（E106°56'～107°43',N29°21'～30°01'）,地勢(shì)以丘陵為主,屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,常年平均氣溫 18.1℃,年均降水量為1072mm,雨季集中在4～10月.農(nóng)作物主要種植模式為:夏季以玉米（3月中旬播種,7月中下旬收獲）、水稻（3月初播種,8月初收獲,早稻,單季稻）為主,秋季輪種榨菜（10月中旬移栽,次年 2月初收獲）.其中,玉米和水稻的秸稈的處理方式以焚燒為主,少量原位還田,榨菜葉全部原位還田.涪陵地區(qū)榨菜種植面積占全國(guó)的43.2%,是中國(guó)規(guī)模最大、最集中的榨菜產(chǎn)區(qū),榨菜種植也是庫(kù)區(qū)農(nóng)民增收的支柱產(chǎn)業(yè)之一.

1.2 調(diào)研方法及內(nèi)容

于2018年9月份通過(guò)訪談和問(wèn)卷調(diào)查的方式,針對(duì)兩種典型糧菜種植模式,在涪陵區(qū)隨機(jī)選取 3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),然后在每個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)隨機(jī)抽取 2～3個(gè)有代表性的村莊,每個(gè)村莊隨機(jī)調(diào)研25名農(nóng)民,調(diào)研農(nóng)戶總數(shù)為 175戶,其中榨菜-玉米輪作共 132份,榨菜-水稻輪作共43份.調(diào)研內(nèi)容主要包括種植作物品種、作物產(chǎn)量及其對(duì)應(yīng)的肥料品種、施肥時(shí)期、施肥量、施肥方法、農(nóng)作物銷售價(jià)格、勞動(dòng)力成本和其他田間管理措施等.

1.3 相關(guān)指標(biāo)及計(jì)算方法

1.3.1 活性氮損失 本文計(jì)算的活性氮損失（Reactive nitrogen loss,Nr）=N2O+NH3+NO3-,單位為kg/hm2.

式中 N2O、NH3、NO3-分別為在農(nóng)作系統(tǒng)中每單位（每hm2或每1000元純收入）氮肥用量直接產(chǎn)生的N2O排放、NH3揮發(fā)和NO3-淋洗損失量.通過(guò)查閱文獻(xiàn)選取最適合當(dāng)?shù)胤N植作物的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算（表1）[7,21-22].

表1 活性氮損失計(jì)算方法Table 1 Calculation method of reactive nitrogen loss

1.3.2 溫室氣體排放潛值（Global warming potential,GWP）以CO2為參照物,單位為kg/hm2（以CO2-eq計(jì),下同）.溫室氣體排放主要包括CO2、CH4和N2O,轉(zhuǎn)換為CO2當(dāng)量系數(shù)分別為1、28和265[23],CH4排放只計(jì)算水稻季,數(shù)據(jù)來(lái)源于省級(jí)溫室氣體清單編制指南（試行）.本研究溫室氣體排放潛值僅關(guān)注于作物生產(chǎn)過(guò)程,從播種到收獲過(guò)程,溫室氣體排放潛值計(jì)算公式如下:

GWP=Total N2O×44/28×265+Total CH4×28

Total N2O=N2O direct +1%×NH3+2.5%×NO3–

1.3.3 酸化效應(yīng)潛值（Acidification potential,AP）以SO2為參考物,單位為kg/hm2（以SO2-eq計(jì),下同）,引起酸化效應(yīng)的氣體主要包括SOx（SO2）、NOx和 NH3,轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)換位 SO2當(dāng)量系數(shù)分別為 1、0.7和 1.88[24-25].本研究酸化效應(yīng)潛值僅關(guān)注于作物生產(chǎn)過(guò)程,從播種到收獲過(guò)程,酸化效應(yīng)潛值計(jì)算公式如下:AP=1.88×NH3×17/14

1.3.4 富營(yíng)養(yǎng)化效應(yīng)潛值（Eutrophication potential,EP）一般以 PO4為參考物,單位為 kg/hm2（以PO4-eq計(jì),下同）,引起富營(yíng)養(yǎng)化效應(yīng)物質(zhì)主要包括NH3、NOx、NO3-、NH4-N、COD 和 Ptot,轉(zhuǎn)換為PO4當(dāng)量系數(shù)分別為 0.33、0.13、0.42、0.33、0.022和 3.06[24-25].本研究富營(yíng)養(yǎng)化效應(yīng)潛值僅關(guān)注于作物生產(chǎn)過(guò)程,從播種到收獲過(guò)程,富營(yíng)養(yǎng)化效應(yīng)潛值計(jì)算公式如下:

EP=0.33×NH3×17/14+0.42×NO3-+0.2%×P input

1.3.5 成本和收益率計(jì)算 產(chǎn)值=產(chǎn)量×單價(jià)

成本（人工費(fèi)）:純收入（元）=產(chǎn)值-總成本收益率（%）=純收入/總成本×100

人工投入、作物產(chǎn)量、榨菜單價(jià)（1.36元/kg）及所需物資投入費(fèi)用源自調(diào)研數(shù)據(jù)（表 3）.水稻稻谷、玉米籽粒單價(jià)及生產(chǎn)所需物資投入費(fèi)用引用自重慶市渝北區(qū)主要糧食作物生產(chǎn)成本及效益分析[26]:水稻稻谷單價(jià)2.6元/kg,所需物資投入3825元/hm2,玉米籽粒單價(jià) 2.55元/kg,物資投入費(fèi)用3765元/hm2.

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用 Microsoft Excel 2016整理數(shù)據(jù),SPSS Statistics 25.0進(jìn)行t檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析,SigmaPlot 12.5作圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 三峽庫(kù)區(qū)兩種典型糧菜輪作模式生產(chǎn)力的對(duì)比

結(jié)果顯示（圖 1）,調(diào)研的所有農(nóng)戶中（n=175）,榨菜產(chǎn)量變異較大,榨菜-水稻輪作系統(tǒng)的榨菜平均產(chǎn)量高于榨菜-玉米輪作系統(tǒng).經(jīng) t檢驗(yàn),榨菜-水稻輪作系統(tǒng)與榨菜-玉米輪作系統(tǒng)的榨菜平均產(chǎn)量或谷物籽粒平均產(chǎn)量均沒(méi)有顯著差異,即 2個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)力無(wú)顯著差異.

圖1 兩種輪作系統(tǒng)的生產(chǎn)力對(duì)比Fig.1 Comparison of productivity between two rotation systems

2.2 三峽庫(kù)區(qū)兩種典型糧菜輪作模式肥料投入量的對(duì)比

如表 2所示,榨菜-玉米輪作系統(tǒng)和榨菜-水稻輪作系統(tǒng)在榨菜季的磷肥、鉀肥用量相差不大,氮肥用量前者比后者高12.0%.超過(guò)40%的農(nóng)戶選擇一次基肥一次追肥的施肥方式,同時(shí)大部分單一施用化肥.兩種輪作系統(tǒng)在玉米季和水稻季的施肥量差異十分顯著,玉米季氮、磷、鉀肥用量都遠(yuǎn)高于水稻季,分別高出 369%、390%、411%.對(duì)比兩個(gè)輪作系統(tǒng),榨菜-玉米輪作系統(tǒng)的總體施肥量比榨菜-水稻輪作系統(tǒng)高68.4%,氮肥、磷肥、鉀肥分別高出72.2%、73.1%、49.6%.

表2 兩種輪作系統(tǒng)施肥量對(duì)比（kg/hm2）Table 2 Comparison of fertilizer application between two rotation systems（kg/hm2）

2.3 三峽庫(kù)區(qū)兩種典型糧菜輪作系統(tǒng)施肥過(guò)程環(huán)境代價(jià)的對(duì)比

對(duì)比兩種輪作系統(tǒng)在施肥過(guò)程中單位面積（每hm2）的環(huán)境代價(jià)（圖2）,榨菜種植方面,兩者造成的環(huán)境代價(jià)相差較小,榨菜-玉米輪作系統(tǒng)的榨菜氮、磷肥用量更高,產(chǎn)生的活性氮損失、溫室氣體效應(yīng)、酸化效應(yīng)和富營(yíng)養(yǎng)化效應(yīng)比榨菜-水稻輪作的榨菜高11.8%、10.5%、11.8%和 11.8%.玉米和水稻種植方面,玉米季產(chǎn)生的活性氮損失是水稻季產(chǎn)生的3.3倍,而水稻季造成的溫室氣體效應(yīng)比玉米季高137%.兩種輪作系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程中造成的環(huán)境代價(jià)差異較大,榨菜-玉米輪作系統(tǒng)造成的活性氮損失、酸化效應(yīng)和富營(yíng)養(yǎng)化效應(yīng)比榨菜-水稻輪作系統(tǒng)分別高出44.6%、27.1%和44.1%,而造成的溫室氣體效應(yīng)比榨菜-水稻輪作系統(tǒng)低33.3%.

圖2 兩種輪作系統(tǒng)的（A）活性氮損失、（B）溫室氣體排放潛值、（C）酸化效應(yīng)潛值、（D）富營(yíng)養(yǎng)化效應(yīng)潛值對(duì)比Fig.2 Comparison of reactive nitrogen loss,greenhouse gas emission potential,acidification effect potential and eutrophication effect potential between two rotation systems

2.4 三峽庫(kù)區(qū)兩種典型糧菜輪作模式經(jīng)濟(jì)收支的對(duì)比

比較兩種輪作系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)收支（表 3）,榨菜生產(chǎn)屬于高投入高收益的經(jīng)濟(jì)作物,榨菜-玉米輪作系統(tǒng)的榨菜生產(chǎn)所需物資投入比榨菜-水稻輪作高 9.84%,產(chǎn)值和純收入低4.27%和7.76%,收益率低11.2%.水稻種植所需物資投入比玉米高 1.59%,人工投入是玉米種植的1.3倍,產(chǎn)值和純收入分別比玉米高22.1%和26.2%,收益率高6.16%.整體而言,榨菜-水稻輪作系統(tǒng)的成本投入比榨菜-玉米輪作系統(tǒng)高 4.19%,產(chǎn)值和純收入分別高出8.66%和11.4%,收益率高6.94%.

表3 兩種輪作系統(tǒng)的生產(chǎn)投入及經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比Table 3 Comparison of production input and economic benefits between two rotation systems

2.5 三峽庫(kù)區(qū)兩種典型糧菜輪作模式單位收益的環(huán)境代價(jià)對(duì)比

三峽庫(kù)區(qū)兩種典型糧菜輪作模式在施肥過(guò)程中,每獲得1000元純收入產(chǎn)生的活性氮損失、溫室氣體效應(yīng)、酸化效應(yīng)和富營(yíng)養(yǎng)化效應(yīng)如表 4所示.玉米的活性氮損失、酸化效應(yīng)和富營(yíng)養(yǎng)化效應(yīng)分別比水稻高8.81kg/1000元、5.09kg/1000元和3.50kg/1000元,溫室氣體效應(yīng)比水稻低271kg/1000元.榨菜施肥過(guò)程中單位收益的環(huán)境代價(jià)差距較小.對(duì)比兩個(gè)輪作系統(tǒng),榨菜-玉米輪作施肥過(guò)程中產(chǎn)生的活性氮損失、酸化效應(yīng)和富營(yíng)養(yǎng)化效應(yīng)分別比榨菜-水稻輪作高147%、73.1%和146%,溫室氣體效應(yīng)比榨菜-水稻輪作低38.9%.

表4 兩種輪作系統(tǒng)單位收益（kg/1000元）的環(huán)境代價(jià)對(duì)比Table 4 Comparison of environmental cost of unit benefit（kg/1000-Yuan）between two rotation systems

2.6 三峽庫(kù)區(qū)兩種典型糧菜輪作模式情景分析

基于三峽庫(kù)區(qū)兩種典型糧菜輪作系統(tǒng)的調(diào)研結(jié)果,運(yùn)用情景分析法,預(yù)測(cè)優(yōu)化施肥及其在優(yōu)化施肥的基礎(chǔ)上應(yīng)用新型肥料（添加硝化抑制劑）兩種措施可能取得的減少環(huán)境代價(jià)的效果.農(nóng)民習(xí)慣（Business as usual,BAU）基于調(diào)研結(jié)果,情景1（Scenario 1,S1）為基于以往研究的優(yōu)化施肥量,分別為:榨菜施氮 300kg/hm2,施磷 90.0kg/hm2,施鉀150kg/hm2;玉米季施氮 225kg/hm2,施磷 75.0kg/hm2,施鉀60.0kg/hm2;水稻季按榨菜葉還田15t計(jì)算,施氮117kg/hm2,施磷 81.0kg/hm2,施鉀 57.5kg/hm2,（兩種輪作系統(tǒng)優(yōu)化施肥量的確定見(jiàn)討論部分3.2.3）;情景2（Scenario 2,S2）為在S1施肥量的基礎(chǔ)上使用含硝化抑制劑的新型氮肥替代普通氮肥.如圖 3所示,優(yōu)化施肥量可以顯著的降低環(huán)境代價(jià),應(yīng)用新型肥料可以進(jìn)一步降低整個(gè)輪作系統(tǒng)的活性氮損失、溫室氣體效應(yīng)和富營(yíng)養(yǎng)化效應(yīng),但是提高了酸化效應(yīng).例如榨菜-玉米輪作中,榨菜季通過(guò)優(yōu)化施肥可以減少48.6kg/hm2的活性氮損失,進(jìn)而降低30.5%的溫室氣體排放、33.8%的酸化效應(yīng)和33.9%的富營(yíng)養(yǎng)化效應(yīng),添加硝化抑制劑后,相比較于S1會(huì)降低18.8%的活性氮損失、45.4%的溫室氣體排放和18.0%的富營(yíng)養(yǎng)化效應(yīng),但酸化效應(yīng)提高了28.2%.

圖3 不同情景假設(shè)降低（A）活性氮損失、（B）溫室氣體排放潛值、（C）酸化效應(yīng)潛值、（D）富營(yíng)養(yǎng)化效應(yīng)潛值效果對(duì)比Fig.3 Comparison of reactive nitrogen loss,greenhouse gas emission potential,acidification effect potential and eutrophication effect potential of different scenarios

3 討論

3.1 兩種糧菜輪作系統(tǒng)生產(chǎn)力、經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比分析

175份農(nóng)戶隨機(jī)抽樣調(diào)研結(jié)果顯示,共有 132戶農(nóng)戶選擇了榨菜-玉米輪作系統(tǒng),43戶農(nóng)戶選擇了榨菜-水稻輪作系統(tǒng),其中榨菜-玉米輪作系統(tǒng)的平均產(chǎn)量分別為榨菜 34.6t/hm2,玉米 5.77t/hm2,榨菜-水稻輪作系統(tǒng)的平均產(chǎn)量分別為榨菜36.1t/hm2,水稻6.92t/hm2.當(dāng)?shù)赜衩住⑺镜漠a(chǎn)量已經(jīng)基本達(dá)到西南地區(qū)平均水平[27],但低于全國(guó)平均水平.中國(guó)的玉米產(chǎn)量[28]和水稻產(chǎn)量[29]近年來(lái)一直處于上升水平,但西南地區(qū)地形復(fù)雜,高差懸殊,導(dǎo)致農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度不高,例如,三峽庫(kù)區(qū)農(nóng)用耕地以坡耕地為主[3],嚴(yán)重制約了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展.經(jīng)濟(jì)效益而言,榨菜-玉米輪作和榨菜-水稻輪作兩種輪作系統(tǒng)在成本投入和經(jīng)濟(jì)收益上相差不大,從當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶調(diào)研得到的反饋來(lái)看,在兩種輪作系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)收支基本相同的情況下,農(nóng)戶偏向選擇相對(duì)節(jié)省勞動(dòng)力的榨菜-玉米輪作系統(tǒng).

3.2 兩種糧菜輪作系統(tǒng)施肥過(guò)程的環(huán)境代價(jià)和減肥潛力

3.2.1 環(huán)境代價(jià)計(jì)算參數(shù)選擇 由于榨菜種植的區(qū)域性,目前對(duì)榨菜生產(chǎn)過(guò)程中的環(huán)境代價(jià)研究較少,本課題組[21]通過(guò)數(shù)據(jù)整合分析的方法篩選了2017年 1月之前發(fā)表的關(guān)于我國(guó)蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)的N2O排放、NH3揮發(fā)和硝酸鹽淋洗的中英文文獻(xiàn),通過(guò)分別對(duì)N2O排放、NH3揮發(fā)和硝酸鹽淋洗與氮肥用量進(jìn)行相關(guān)回歸分析,建立了我國(guó)蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)的活性氮損失模型,運(yùn)用其模型能更準(zhǔn)確的計(jì)算榨菜的活性氮損失.王桂良[7]的研究中詳細(xì)統(tǒng)計(jì)了西南夏玉米的N2O排放及NO3-淋洗,更符合本研究中的玉米生產(chǎn)狀況,但缺乏NH3揮發(fā)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),Cui等[22]的研究收集了 13123個(gè)田間試驗(yàn)點(diǎn)的數(shù)據(jù),總結(jié)出了中國(guó)南部的施肥量與玉米及水稻活性氮損失的模型,更具代表性和準(zhǔn)確性,因此,為了更準(zhǔn)確的計(jì)算西南地區(qū)玉米、水稻的活性氮損失,我們采用王桂良[6]的模型計(jì)算玉米的N2O排放及NO3-淋洗,采用Cui等[22]的模型計(jì)算玉米的NH3揮發(fā)和水稻活性氮損失.

3.2.2 環(huán)境代價(jià)現(xiàn)狀分析 小農(nóng)戶經(jīng)營(yíng)的模式為了取得糧食的增產(chǎn)進(jìn)而獲得更高的經(jīng)濟(jì)收益,容易造成高環(huán)境代價(jià)和投入高成本.對(duì)比本次調(diào)研結(jié)果中兩種輪作系統(tǒng)的環(huán)境代價(jià)發(fā)現(xiàn),單位收益（每1000元）上榨菜-玉米輪作產(chǎn)生的活性氮損失、酸化效應(yīng)和富營(yíng)養(yǎng)化效應(yīng)分別比榨菜-水稻輪作高 147%、73.1%和 146%,溫室氣體效應(yīng)比榨菜-水稻輪作低38.9%;單位面積（每hm2）上榨菜-玉米輪作體系造成的活性氮損失、酸化效應(yīng)和富營(yíng)養(yǎng)化效應(yīng)比榨菜-水稻輪作體系分別高出 44.6%、27.1%和 44.1%,而造成的溫室氣體效應(yīng)比榨菜-水稻輪作體系低33.3%.環(huán)境酸化的主要污染物是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的NH3排放,而富營(yíng)養(yǎng)化則是種植過(guò)程中的 NH3排放和NO3-淋洗等造成的,可以說(shuō)活性氮損失的多少直接影響了環(huán)境酸化和富營(yíng)養(yǎng)化[30],而氮肥的過(guò)量施用則是引起酸化效應(yīng)和富營(yíng)養(yǎng)化效應(yīng)的主要原因.水稻季的溫室氣體排放要明顯高于玉米季,盡管CO2的排放量最大,但是就溫室效應(yīng)潛力而言,單位CH4和N2O遠(yuǎn)大于CO2[31],因此,N2O排放量較低卻依然造成了較大的溫室氣體效應(yīng),而水稻季的 CH4排放也成為了全球變暖的主要貢獻(xiàn)因子之一.

3.2.3 減肥潛力 本研究結(jié)果顯示,當(dāng)?shù)卣ゲ似骄┓柿繛槭┑?456kg/hm2,施磷 109kg/hm2,施鉀114kg/hm2,其施氮量明顯存在著盲目過(guò)量施用的問(wèn)題,詹鳳[32]的研究結(jié)果指出,涪陵榨菜的推薦平均施肥量為施氮 300kg/hm2,施磷 90.0kg/hm2,施鉀150kg/hm2,并且過(guò)量施氮并不會(huì)顯著的降低榨菜產(chǎn)量,從而誤導(dǎo)了農(nóng)戶投入過(guò)量的氮肥,可見(jiàn)在榨菜種植中,氮肥的施用上有很大的減肥潛力,可減少34.2%的氮肥投入.

《中國(guó)主要作物施肥指南》中給出的重慶地區(qū)玉米施肥建議:氮肥 225kg/hm2,磷肥 75.0kg/hm2,鉀肥 60.0kg/hm2,而本研究中農(nóng)戶平均施氮量高達(dá)387kg/hm2,比重慶玉米施肥建議氮肥用量高出72.1%,這一數(shù)據(jù)表明當(dāng)?shù)剡^(guò)量施氮現(xiàn)象嚴(yán)重,極易造成肥料的大量流失,造成環(huán)境污染.磷肥施用方面,當(dāng)?shù)仄骄┝琢?16kg/hm2,比重慶地區(qū)推薦施磷量高出 40.9kg/hm2,仍有減施空間.總體表現(xiàn)為氮肥減肥空間較大、磷肥減肥空間較小,這一結(jié)果與陳尚洪等[33]報(bào)道的結(jié)果基本一致,反映了西南地區(qū)玉米養(yǎng)分管理不平衡問(wèn)題.

本研究中,水稻平均施肥量普遍偏低,分別為施氮 82.5kg/hm2,施磷 23.7kg/hm2,施鉀 16.2kg/hm2,而重慶地區(qū)的推薦施肥量[34]為施氮 157kg/hm2,施磷87.0kg/hm2,施鉀78.0kg/hm2.施肥量較低的原因在于當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶的施肥經(jīng)驗(yàn)是在榨菜季大量施肥以及將榨菜葉還田以后水稻季可以不施肥或少施肥[35].已有研究報(bào)告指出,榨菜葉還田的養(yǎng)分含量為每噸新鮮菜葉含N 2.64kg,P2O50.40kg,K2O 1.37kg[36].在長(zhǎng)期榨菜-水稻輪作的田塊,由于榨菜季大量施肥和榨菜葉還田,后季水稻即使不施肥料仍可以獲得高產(chǎn),但榨菜季合理優(yōu)化施肥后,土壤中殘留養(yǎng)分下降,僅靠榨菜葉還田無(wú)法保證作物高產(chǎn)[37].結(jié)合榨菜季優(yōu)化施肥和榨菜葉還田措施,水稻季優(yōu)化施肥方案為:氮肥 117kg/hm2,磷肥 81.0kg/hm2,鉀肥 57.5kg/hm2.而榨菜-玉米輪作系統(tǒng)的耕地類型以旱地坡耕地為主,且玉米生育期大多處在雨季,榨菜葉還田的養(yǎng)分徑流損失較大,因此本研究中分析玉米的減肥潛力時(shí)沒(méi)有考慮榨菜葉還田所提供的養(yǎng)分.

3.3 減排潛力

當(dāng)前,如何通過(guò)改變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理提高產(chǎn)量,同時(shí)減少隨之產(chǎn)生的環(huán)境代價(jià)是主流話題,為了進(jìn)一步分析施肥技術(shù)的優(yōu)化和新型肥料可能帶來(lái)的減少環(huán)境污染的效果,本文設(shè)定了兩種情景假設(shè)（S1和S2）,結(jié)合過(guò)去的資料和數(shù)據(jù)選擇,運(yùn)用定量情景分析法進(jìn)行情景模擬.基于S1情景分析可知,通過(guò)合理地調(diào)整施肥量,可以顯著地降低環(huán)境代價(jià),例如活性氮損失方面,榨菜季可以平均降低 33.8%,玉米可以降低 40.8%.而對(duì)比S1和 S2發(fā)現(xiàn),添加硝化抑制劑降低其他環(huán)境代價(jià)的同時(shí)提高了酸化效應(yīng),主要原因在于硝化抑制劑雖然可以抑制氨氧化作用,降低了土壤中NO3-的濃度,減少了 NO3-和N2O的損失,但同時(shí)也使土壤中 NH4+的濃度升高,使得排放到環(huán)境中的NH3增加[38],而NH3的轉(zhuǎn)換當(dāng)量為1.88,是造成酸化效應(yīng)的主要污染物,因此添加硝化抑制劑后增加環(huán)境酸化效應(yīng).稻田中應(yīng)用硝化抑制劑引起的氨揮發(fā)排放增加問(wèn)題使得稻田整體的活性氮損失增加,相比于 S1,雖然可以降低 0.81%的溫室氣體排放,卻分別提高了活性氮損失12.1%、酸化效應(yīng)21.2%、富營(yíng)養(yǎng)化效應(yīng) 12.0%,對(duì)于添加硝化抑制劑導(dǎo)致的氨揮發(fā)損失增加問(wèn)題仍需進(jìn)一步的研究[39].

3.4 三峽庫(kù)區(qū)糧菜輪作環(huán)境可持續(xù)系統(tǒng)

作物生產(chǎn)系統(tǒng)中,肥料的大量投入（尤其是氮肥）,是導(dǎo)致活性氮損失、溫室氣體排放、酸化效應(yīng)和富營(yíng)養(yǎng)化效應(yīng)的主要貢獻(xiàn)因子.已有研究表明,由于稻田田面平整,發(fā)育有緊實(shí)的犁底層并且四周修有田坎,是一個(gè)相對(duì)比較封閉的系統(tǒng),一般只有雨量過(guò)大才會(huì)產(chǎn)生稻田水的溢出進(jìn)而產(chǎn)生徑流損失,屬于“機(jī)會(huì)徑流”[40],合理的增加區(qū)域稻田數(shù)量,優(yōu)化稻田的分布格局是三峽庫(kù)區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染防控的重要手段[8,41].因此,在兩個(gè)系統(tǒng)生產(chǎn)力和經(jīng)濟(jì)收益相近的情況下,從降低環(huán)境代價(jià)的角度更推薦農(nóng)戶選擇榨菜-水稻輪作系統(tǒng),特別是位于坡底的田塊,從而充分發(fā)揮稻田的攔截和消納地表徑流損失的能力.而實(shí)際上三峽庫(kù)區(qū)的稻田面積正在逐年減少,是由于外出打工報(bào)酬更加豐厚,造成了在玉米和水稻經(jīng)濟(jì)收入相差不大的情況下,人們更傾向于放棄需要較大勞動(dòng)力的稻田種植模式,改而種植玉米,這也致使了當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境問(wèn)題進(jìn)一步的惡化[8,42].

基于減肥潛力分析和情景分析,我們推薦農(nóng)戶更多地使用測(cè)土配方施肥技術(shù),減少肥料用量,同時(shí)選用新型肥料.通過(guò)改變肥料用量和形態(tài),在保障作物產(chǎn)量的同時(shí)減少肥料損失,降低環(huán)境代價(jià),從源頭減量方面為防控三峽庫(kù)區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染做出貢獻(xiàn).

4 結(jié)論

4.1 榨菜-玉米輪作和榨菜-水稻輪作兩種輪作系統(tǒng)中,生產(chǎn)力和經(jīng)濟(jì)效益方面相差較小,施肥方面玉米和水稻施肥量差異顯著,種植玉米的氮肥、磷肥和鉀肥用量比種植水稻分別高出 305kg/hm2、92.3kg/hm2和66.6kg/hm2.

4.2 單位收益上榨菜-玉米輪作產(chǎn)生的活性氮損失、酸化效應(yīng)和富營(yíng)養(yǎng)化效應(yīng)分別比榨菜-水稻輪作高 147%、73.1%和 146%,溫室氣體效應(yīng)比榨菜-水稻輪作低 38.9%;單位面積上榨菜-玉米輪作系統(tǒng)造成的活性氮損失、酸化效應(yīng)和富營(yíng)養(yǎng)化效應(yīng)比榨菜-水稻輪作系統(tǒng)分別高出44.6%、27.1%和44.1%,而造成的溫室氣體效應(yīng)比榨菜-水稻輪作系統(tǒng)低33.3%.榨菜-水稻輪作系統(tǒng)整體造成的環(huán)境代價(jià)更低,但目前水田的種植比例降低.

4.3 情景分析表明,優(yōu)化施肥量同時(shí)應(yīng)用新型肥料可以有效降低糧菜輪作系統(tǒng)的環(huán)境代價(jià),實(shí)現(xiàn)源頭減量防控面源污染.