基于GIS的河南省小麦区域节肥减排潜力评价*

徐 霞，黄玉芳，叶优良，赵亚南※，孙笑梅，闫军营

（1.河南农业大学资源与环境学院，郑州 450002；
2.河南省土壤肥料站，郑州 450002）

小麦是我国三大粮食作物之一，其安全生产对我国的粮食安全至关重要。化肥是粮食的粮食，对世界粮食产量的贡献率达50%～60%，对我国粮食产量的贡献率为56.8%[1,2]。我国是世界上最大的化肥消费国，化肥过量施用不仅会导致养分利用率降低，还可能造成土壤质量下降、生态环境破坏，不利于农业绿色发展[3,4]。因此，在发挥化肥增产和培肥作用的同时，合理减少化肥投入、降低环境风险是实现我国绿色发展的重要措施，而基于小麦当前施肥现状，定量小麦生产中的节肥潜力以及化肥生产使用过程中的温室气体减排潜力尤为重要[5]。

在不同区域尺度上评价不同施肥技术在增产、增收、节肥、减排方面的潜力，综合评价其经济效益和生态环境效益，可为农业绿色可持续发展提供科学依据。刘成等[6]根据1 722份田间试验数据，用经济学分析方法测算了最佳的磷钾肥投入值，为合理施肥提供据。巫振富等[7]通过布置在南阳市的小麦“三区示范”田间试验，基于地理加权回归模型评价了测土配方施肥与传统施肥模式的增产增收差异，表明测土配方施肥下小麦可平均增产11.8%、增收1 232元/hm2。通过生命周期环境效益研究表明，在不同区域尺度上，测土配方施肥通过降低氮肥使用量显著减少作物种植单元氨挥发和硝态氮淋失，还通过需求关系降低了对上游氮肥生产的需求，从而减缓了温室效应[8-12]。基于太湖流域上游地区221户水稻生产农户调查数据，罗小娟等[13]发现推广测土配方施肥可平均降低化肥用量34.9 kg/hm2，并提高水稻产量224.0 kg/hm2，具有可观的环境及经济效益。在县域尺度上，高春雨[14]等基于DNDC模型评价了山东省桓台县的施肥现状，并测算了测土配方施肥模式下小麦—玉米轮作中的温室气体减排量，表明配方施肥不仅可以增加收入，还能实现温室气体减排。

河南省是我国重要的粮食生产基地，小麦是河南省第一大作物，河南省小麦的生产关系到国家粮食安全，河南省小麦种植面积达571.464万hm2，总产量为3 705.21万t，分别占全国小麦总种植面积及总产的23.32%、27.58%[15]。小麦在河南省分布范围广，种植面积大，但以小农户模式为主，施肥方式依靠种植经验，缺乏科学指导[16]。随着复混肥在我国粮食作物肥料施用比例越来越高，从省域水平上评价河南省推荐施肥的节肥减排效应，对于促进小麦科学施肥、节能减排、减少环境污染具有重要意义。文章拟通过大样本实地调研和田间试验数据，基于河南省区域小麦配方施肥推荐，借助ArcGIS软件评估农户小麦种植中习惯施肥量的节肥和温室气体减排的潜力，以量化推荐施肥的环境效应，为合理施肥和低碳减排提供依据。

1.1 数据来源

统计数据：2016年河南省各个县市的小麦播种面积；
农户调研数据：2013—2018年在河南省不同县市开展的2 063份农户小麦施肥调查问卷；
田间试验：国家测土配方施肥项目2005—2013年布置在河南省的1 582组小麦“三区示范”试验。研究区域涵盖了河南省所有的县市，并划分了5个区域，分别为平原适宜区、中部丘陵区、西部山地区、南部盆地区、稻麦轮作区（图1）。

图1 2016年河南省小麦种植区域划分

1.2 习惯施肥量图层制作

采用农户调查数据的小麦氮磷钾肥施用量，以及在河南省70多个县市布置的“三区示范”中习惯施肥处理的施用量，将以上习惯施肥数据进行加权平均，作为各个县市的习惯施肥量，确定河南省各个县市的小麦施肥现状。对于数据缺失的县市，则利用附近县市的习惯氮磷钾施肥量计算获取：（1）将所有县市分为有数据和无数据两类；
（2）在ArcGIS中，通过“近邻分析”工具，选取缺失数据的县为“近邻要素”，选取有数据的县为“输入要素”，运行计算出的数据即缺失县市的小麦习惯施肥量。

1.3 节肥量图层制作

节肥潜力=农民习惯施肥量-推荐施肥量。在ArcGIS中，将所有县市小麦习惯施肥量数据以图的形式呈现，使用“栅格计算”工具，将农户氮、磷、钾习惯施用量的图层分别减去对应推荐施肥量图层，得到单位面积节氮、磷、钾肥潜力图。其中，农民习惯施肥量根据农户调研数据获得，包括2013—2018年在河南省不同地区开展的2 063份农户小麦施肥及产量的调查问卷，2005—2013年布置在河南省的1 582组小麦“三区示范”试验；
河南省不同区域小麦氮磷钾肥推荐量及图层根据“氮肥总量控制、磷肥恒量监控、钾肥肥效反应”方法，基于ArcGIS软件获得[17]。

1.4 县域节肥量计算

根据每个县的农户施氮量平均值和氮肥推荐用量的差值，再乘以县域小麦播种面积，可获得县域节氮量。在计算磷肥、钾肥节肥总量时，只有各县的小麦播种面积，但每个县不同地区的节肥量可能不同。因此，借助ArcGIS软件中的“标识分析”工具，将节肥量数据赋值给耕地面积图层，计算县域水平的平均节肥量，再乘以县域播种面积，获得县域磷、钾节肥总量。小麦播种面积来源于2016年河南省各个县市的统计年鉴数据。

1.5 温室气体减排图层制作及减排量计算

采用生命周期评价法（LCA,Life Cycle Assessment）计算小麦整个种植期间的温室气体排放[18]。温室气体（GHG,Greenhouse gas）包括CO2、CH4、N2O，来源有三方面：（1）氮肥生产、运输、施用过程中产生的温室气体；
（2）磷肥和钾肥生产和运输过程中排放的温室气体；
（3）杀虫剂、杀菌剂、除草剂在生产、运输、施用过程中排放的温室气体，以及小麦播种、收获、耕作过程中由柴油燃烧排放的温室气体[18,19]。GHG排放总量计算方法[19]为：

GHG：温室气体排放总量；
GHGm：氮肥生产过程中的排放量，排放因子为8.21 kg CO2eq；
GHGt：氮肥运输过程中的排放量，排放因子为0.09 kg CO2eq；
N rate：施氮量。GHGothers：磷肥和钾肥等的温室气体排放，磷肥生产和运输中温室气体排放因子为0.79 kg CO2eq，钾肥生产及运输中排放因子为0.55 kg CO2eq；
总N2O：氮肥施用后温室气体排放，计算方法为：

温室气体减排量=农户习惯施肥下的排放量-推荐施肥下的排放量。以上计算式可以看出，温室气体减排量是以施肥量自变量的函数。根据以上温室气体减排计算式及相关参数，利用ArcGIS软件的“栅格计算”工具，将节氮量、节磷量、节钾量图层进行相应计算，可获得推荐施肥下河南省不同区域温室气体减排状况。由于在计算减排总量时，无法直接将小麦单位面积减排潜力图与种植面积结合以获得温室气体减排总量，因此根据减排计算式和单位面积节氮、节磷、节钾量，计算出各节肥量下的单位面积减排量，再乘以种植面积即为减排总量。

2.1 小麦习惯施氮量和节氮潜力

小麦习惯施氮量平均为198 kg/hm2,变异范围为174～259 kg/hm2，在区域上北部及东部的施氮量较高，中部、南部相对较低（图2a）。其中，北部的安阳、濮阳、鹤壁及东部的商丘、开封等市的施氮量较高，虞城、睢县、杞县、范县、濮阳等县的施氮量最高（＞240 kg/hm2）；
中部许昌市的长葛、禹州、鄢陵等地，及南部信阳市的新县、商城、固始等县的施氮量较低（≤180 kg/hm2）。

从小麦单位面积节氮量来看，河南省各县市平均为42 kg/hm2。节氮量在空间上的变化趋势与小麦习惯施氮量整体变化一致，表现为习惯施氮量越高则节氮潜力越大，呈现出由南往北逐渐增加的变化趋势（图2b）。其中，节氮潜力较大的区域主要分布在安阳、濮阳、商丘、开封等市的一些县市，虞城、辉县、范县、濮阳等县的节氮量较高（＞75 kg/hm2）；
南部南阳市的南召、内乡，中部许昌市的长葛、鄢陵等县的节氮潜力较小（＜15 kg/hm2）。

图2 河南省小麦习惯施氮量（a）与单位面积节氮量（b）

2.2 小麦习惯施磷量和节磷潜力

小麦习惯施量平均121 kg/hm2，区域变异很大，从64～210 kg/hm2（图3a）。从全省来看，小麦磷肥习惯施用量表现为南低北高、中部地区高低交错。习惯施磷量不足100 kg/hm2的区域主要分布在南部的信阳市、驻马店市以及南阳市南部的唐河、淅川、镇平、南召等县。在河南中部许昌、漯河、平顶山及郑州等市施磷量高低不等，即有长葛、禹州、登封、巩义等高于160 kg/hm2的县市，也有宝丰、汝州、郏县等不足90 kg/hm2的县市。在河南北部，新乡、安阳、濮阳等地农户习惯施磷量主要分布在115～160 kg/hm2的范围内，以最北部安阳市的林州、内黄、汤阴等县施磷量最高。

小麦单位面积节磷量在数值上有正有负（图3b），即在施肥习惯的基础上有些区域需要减少磷肥用量，有些区域则需要增加用量。全省节磷量平均为16 kg/hm2（-59～118 kg/hm2），节磷量在15～55 kg/hm2范围内的区域面积最大。需要增施磷肥的区域主要分布在驻马店、洛阳、南阳市的部分地区，而东部周口的项城、西部洛阳的洛宁、栾川等县及北部安阳市的节磷量是节磷量较高的区域。

图3 河南省小麦习惯施磷量（a）与单位面积节磷量（b）

2.3 小麦习惯施钾量和节钾潜力

河南省小麦习惯施钾量平均为50.4 kg/hm2（19～112 kg/hm2），以19～69 kg/hm2范围内的区域面积最大，习惯施钾量总体偏低，区域上表现为西南高、东北低，其中焦作、郑州及商丘市的一些县市施钾量较高（图4a）。在河南北部、东部以及信阳市南部县市施钾量较低，普遍在19～35 kg/hm2的范围内，焦作市和郑州市的博爱、修武、新郑、郑州等县市的施钾量最高，高于100 kg/hm2。

河南省小麦单位面积节钾量平均为-15 kg/hm2，变化范围为-45～62 kg/hm2，全省有71.4%需增施钾肥（图4b）。其中需增施钾肥量高于30 kg/hm2的区域主要分布在北部濮阳、东部开封及南部的信阳市，而节钾量高于30 kg/hm2的区域主要分布在焦作、郑州、许昌、商丘市的武涉、新郑、鄢陵、夏邑等县市，与习惯施钾量变化趋势基本一致。

图4 河南省小麦习惯施钾量（a）与单位面积节钾量（b）

2.4 推荐施肥下小麦温室气体减排潜力

相对于习惯施肥，河南省小麦在推荐施肥下单位面积温室气体减排量表现出从南向北逐渐增加的趋势（图5）。其中，南阳市南部的内乡、南召、唐河及信阳市的新县、商城、固始等县的减排潜力较小，低于300 kg CO2eq/hm2。东部的商丘、开封及北部的安阳、鹤壁、濮阳等市减排潜力较大，大部分区域单位面积减排量低于700 kg CO2eq/hm2。全省范围内范县、濮阳、辉县的单位面积减排量最高，大部分区域高于1 000 kg CO2eq/hm2。

图5 河南省小麦单位面积温室气体减排量

2.5 推荐施肥下不同区域小麦节肥减排总量

在河南省不同小麦种植区域中，平原适宜区的小麦种植面积最大，其氮、磷、钾肥节肥（或增肥）总量均最大，占总量的一半以上，以而稻麦轮作区节肥总量最小（图6）。河南省小麦总节氮量为23.10万t，其中平原适宜区高达15.38万t，其他各区域相对较低，分别为1.34万t（稻麦轮作区）、1.96万t（南部盆地区）、2.41万t（中部丘陵区）、2.01万t（西部山地区）。小麦节磷总量为8.88万t，平原适宜区最大，为4.81万t，其次为中部丘陵区，为1.29万t。在节钾量方面，河南省节钾量为-5.31万t，各区域均为负值，即在钾肥施用总量上需要增施钾肥，平原适宜区增施量最高，为4.14万t，西部山地区最低，为0.04万t。

图6 河南省小麦各区域节肥减排总量

在推荐施肥下，河南省小麦温室气体减排总量为348.65万t CO2eq。各个区域中稻麦轮作区的温室气体减排潜力最小，为20.19万t CO2eq；
西部山地区次之，为28.47万t CO2eq；
平原适宜区的减排潜力最大，为228.75万t CO2eq，占到河南省小麦总减排量的65.6%。

（1）小麦节肥潜力：李青松[20]等对豫北平原典型小麦—玉米轮作区的小麦、玉米生产进行调查,并参照“3414”试验推荐施肥量对节肥潜力进行了分析，结果显示小麦在经济最佳产量时的氮、磷、钾肥节肥潜力分别为53.03 kg/hm2、44.94 kg/hm2、-59.46 kg/hm2，而在最高产量时的氮、磷、钾肥节肥量分别为40.76 kg/hm2、38.43 kg/hm2、-65.23 kg/hm2。该研究中河南省小麦各县市单位面积节氮量平均为42 kg/hm2，在全省范围内整体呈现出由南往北逐渐增加的变化趋势；
节磷量平均为16 kg/hm2（-59～118 kg/hm2）,在15～55 kg/hm2范围内的区域所占比例最大；
节钾量的范围为-45～62 kg/hm2,平均为-15 kg/hm2；
其中豫北地区的节氮、节磷及增施钾肥量均高于河南省平均值。这与李青松在豫北地区的研究基本一致，但节磷及节钾潜力稍有差异，可能由于计算最佳施肥量的方法不一致，且该研究还考虑了土壤养分含量及小麦的产量现状[21,22]。在节肥总量方面，小麦节总节氮量为23.10万t，这与赵亚南等[15]估算的河南省小麦节氮潜力一致（21.8万～48.8万t）。

（2）小麦温室气体减排潜力：高春雨[14]等研究表明，在山东桓台县小麦—玉米轮作系统中，基于测土配方施肥技术可交易的碳贸易量为2.65万t CO2eq，其中农田减排占35.3%、氮肥生产减排占58.3%、磷肥生产减排占6.8%、钾肥增加排放0.01万t，占总减排量的-0.4%。可见农田系统在具有较大的温室气体减排潜力，氮磷肥的减排潜力占总体的65.1%，氮肥减排潜力占主导地位，磷肥相对较小，钾肥需要增施减排潜力为负值，与该研究结果一致。武良[19]计算了我国各个区域下不同作物的氮肥需求及温室气体减排潜力，结果表明在华北灌溉冬麦区和华北雨养冬麦区的温室气体减排潜力分别为753 kg CO2eq/hm2和86 kg CO2eq/hm2。应用生命周期评价方法，王明新等[23]分析了山东桓台县冬小麦在习惯和优化两种管理措施下的资源消耗及污染物排放，习惯和优化施肥下的温室气体排放量分别为5 163 kg CO2eq/hm2和3 091 kg CO2eq/hm2，减排潜力为2 072 kg CO2eq/hm2。该研究中河南省小麦温室气体减排潜力与武良在全国的研究结果基本一致，但低于山东桓台县的减排潜力，且全省减排潜力在区域上整体表现为南低北高的趋势。导致差异的原因一方面可能是研究区域范围的不同，例如华北灌溉冬麦区不仅包括河南省大部分区域，还包括河北、山东、天津等地区；
另一方面，不同地区农户的习惯施肥量存在很多变异，直接影响节肥减排潜力[13]。另外，武良的研究只针对优化施氮下节氮引起的减排量，该研究同时计算了氮磷钾推荐施肥下的减排量，而王明新的研究不仅包括氮磷钾优化施肥下的减排量，还对小麦生长周期中农机燃油产生的温室气体排放进行估算，这也导致定量结果产生差异[24]。

（1）河南省农户小麦氮、磷、钾肥习惯施用量平均为198 kg/hm2、121 kg/hm2、50.4 kg/hm2，与推荐用相比单位面积可平均节肥42 kg/hm2，总节氮量为23.10万t、总节磷量为8.88万t，而需要增施钾肥5.31万t；
在环境效益方面，温室气体减排总量达348.65万t CO2eq。

（2）推荐施肥可以实现节肥和减排的目标，但节肥和减排潜力存在很大的区域差异，应根据不同区域小麦习惯施肥和推荐量确定减排目标和措施，在小麦生产中实现资源节约和环境保护。