基于配额的NPK施肥策略：提升重庆水稻肥料效率并缓解稻田酸化与环境成本的可持续途径

本综述系统探讨了基于配额的NPK施肥策略在重庆水稻生产中的应用，通过整合产量水平与氮（N）、磷（P）、钾（K）养分管理原则，提出了区域化和产量分级的肥料用量上下限标准。研究显示，实施该配额可显著减少肥料用量（N 1862吨、P2O5 524吨、K2O 1275吨），并有效降低活性氮损失（Nr）、温室气体排放（GHG）、土壤酸化潜力（SAP）和水体富营养化潜力（WEP），为稻田可持续生产与环境保护提供了科学依据。

　　

1 引言

水稻（Oryza sativa L.）是全球超过30亿人的主食，尤其在亚洲地区占据重要地位。中国作为主要水稻生产国，南方地区因其优越的气候条件和先进的农业实践成为主要产区。然而，过去三十年间，中国水稻产量的增长主要依赖化学肥料的过量使用和杂交水稻技术的推广，导致土壤pH值下降，酸化问题日益严重。研究表明，1984年至2018年间，中国南方丘陵地区土壤pH值降低了0.3单位，91.72%的区域出现酸化现象。土壤酸化不仅 negatively 影响水稻产量，还引发养分失衡、土壤微生物群落结构破坏和物理性质恶化等一系列土壤退化过程。此外，过量施肥还加剧了重金属活化和水体富营养化等次生环境问题，威胁农业系统的可持续性。

为应对这些挑战，减少化学肥料用量同时保持产量和土壤肥力已成为研究和政策关注的重点。精准施肥推荐、环境税政策及配额管理是潜在解决方案。然而，小规模农户为规避低产风险往往过度施肥，使得肥料减量化面临实际困难。经济手段如税收在减少肥料过量使用方面效果有限，因此建立科学的施肥策略和作物管理实践至关重要。设置农业投入品配额已被证明在农药和杀虫剂管理中有效，但肥料配额因产量水平和土壤肥力差异而更为复杂。尽管如此，肥料配额仍有助于控制区域肥料投入、维持土壤肥力和支持农业生产。欧洲的硝酸盐法令和农业环境法规自1980年代以来已成功减少氮肥30%和磷肥50%的使用，缓解了水体富营养化等问题。相反，过度限制化肥使用可能导致灾难性后果，如斯里兰卡禁用化肥引发的粮食短缺和价格飙升。中国近年来开始探索肥料配额政策，2019年浙江省率先推出《主要作物肥料配额制限量标准》，随后广东、安徽和福建等省也采纳了这一制度，为水稻、玉米、小麦和油菜等主要作物设立氮肥配额，并强制执行肥料用量法律上限。基于农艺效益分析，福建水稻系统的氮肥配额研究显示，配方施肥使产量增加4–12.5%，净收入平均提高875–2,616元/公顷。优化肥料管理不仅能提升中国水稻产量，还能减少温室气体排放。目标氮减量和作物秸秆还田策略可有效缓解未来30年中国农田土壤酸化和退化问题。虽然传统土壤改良、生物炭和有机肥替代技术在短期内能调节土壤pH，但过去三十年中国土壤酸度增加的主要原因是过量施肥和种植-土壤系统中养分 replenishment 不平衡。总体而言，精准农业技术对提高作物生产力、保护土壤健康和最小化环境影响至关重要。

过量和不平衡的肥料使用导致中国主要稻区土壤酸化和环境成本增加。然而，现行肥料标准仅规范氮肥，忽视了其他养分、可达产量、土壤肥力和酸化风险。如何基于土壤肥力、目标产量和环境阈值，为重庆水稻生产系统制定精确的N/P/K肥料配额，以量化协同效应 on 产量维持、肥料减量和酸化缓解以及多介质环境影响？本研究开发了一种区域特异和产量分级的NPK配额方法，设定了环境负荷的上限同时满足稳产需求的下限。基于3,414个站点-年的田间试验，综合收集和分析土壤肥力和作物养分需求，整合了NPK配额、区域和产量特异性优化策略、肥料减量潜力和生命周期评估（LCA） for 重庆地区水稻生产。采用基于土壤肥力测试和作物养分需求的氮肥推荐、磷素积累与维持以及钾肥产量响应等原则。通过设定NPK配额的上下限，评估了肥料减量潜力，并利用LCA比较了当前农户实践和配额模型的环境影响—如土壤酸化、活性氮损失、温室气体排放和水体富营养化。本研究旨在（i）重新确认不同区域和产量水平的NPK肥料配额，（ii）计算NPK肥料用量的潜在减少量，以及（iii）评估新标准下土壤酸化和环境成本的缓解潜力。该研究为制定支持可持续水稻生产的区域肥料政策提供了科学依据。

2 材料与方法

2.1 数据获取与筛选

通过构建综合数据库支持肥料配额建立，包括来自3,414个田间试验的水稻N/P/K吸收数据、503个土壤样品的土壤养分数据，以及6,895份农户调查的水稻产量和化肥投入信息。这些数据用于评估重庆地区水稻产量、土壤肥力和地形的区域变异。

2.2 区域与产量水平划分

2.2.1 区域划分

重庆地理上分为两个主要产区：中西部的重庆和东南部的重庆。中西区主要由紫色泥岩和页岩发育的土壤构成，海拔较低、土壤肥沃、气候条件适宜，更利于水稻种植，产量相对较高，包括涪陵区、长寿区、梁平县、丰都县、垫江县、忠县、大足区、渝北区、巴南区、江津区、合川区、永川区、潼南县、铜梁县、荣昌县、璧山区和北碚区。东南区主要由石灰岩发育的土壤构成，海拔较高、土壤质量较差、气候条件恶劣，水稻产量较低，基于这些发现，重庆分为两个主要亚区：中西部区和东南部区，包括南川区、綦江区、黔江区、武隆区、彭水苗族土家族自治县、石柱土家族自治县、酉阳土家族苗族自治县、秀山土家族苗族自治县、万州区、开县、城口县、云阳县、奉节县、巫山县和巫溪县。

2.2.2 产量水平划分

利用重庆市农业技术推广站发布的田间试验和调查数据对水稻产量水平进行分类。在中西部重庆，中位产量（超过50%调查农户达到）用作中产参考，约一半的2,978户水稻农户 achieved 产量7.5–9.0吨/公顷，对应中产水平。基于此参考水平，增减0.15吨/公顷作为定义高或低产水平的标准。同样，在东南部重庆，基于3,917户农户数据，中产水平为6.75–8.25吨/公顷，高产为8.25–9.75吨/公顷，低产为5.25–6.75吨/公顷。

2.3 建立肥料配额标准的原则

水稻肥料用量必须同时确保稳产、维持土壤肥力和保护环境。推荐的N、P、K投入基于（i）收获作物带走的养分，（ii）稻田土壤的内在肥力，以及（iii）区域气候和生态约束。为实现这一平衡，设定了科学推导的上限以避免 over-application 的生态风险，而下限则保障粮食生产并防止土壤养分快速耗竭。

2.3.1 氮肥配额

氮肥配额的确定考虑了氮吸收和氮损失，参考Wu et al. (2015)。计算公式如下：下限N肥料配额=目标产量地上部N吸收；上限N肥料配额=目标产量地上部N吸收+N损失。目标产量地上部N吸收=谷物产量×每100公斤水稻谷物N吸收/100。每100公斤谷物生产的N吸收计算为不同产量水平下秸秆和谷物中N含量的总和。对于N损失，基于Su et al. (2016)在重庆进行的N¹⁵研究，估计水稻生长季活性N损失约为38.55公斤N/公顷，或N肥输入的25.7%。

2.3.2 磷肥配额

磷肥配额旨在通过土壤测试监测土壤有效磷，确保作物磷供应稳定。通过考虑水稻P吸收与土壤有效P含量的差异，对低肥力区域适度增加磷肥上下限，应用不同补偿系数，细化Wu et al. (2016, 2015)最初提出的方法。这有助于增强土壤肥力而不 exceed 环境阈值。计算公式如下：下限P肥料配额=P目标产量吸收×土壤肥力维持系数；上限P肥料配额=P谷物产量吸收×土壤肥力改善系数。P目标产量吸收=谷物产量×每100公斤水稻谷物P吸收/100。每100公斤谷物生产的P吸收计算为不同产量水平下秸秆和谷物中P含量的总和。土壤肥力维持系数设为1.15，改善系数设为1.3。

2.3.3 钾肥配额

钾肥配额基于作物产量响应，考虑谷物钾吸收和钾肥施肥系数，以及最优经济回报。下限由谷物钾吸收确定，上限基于最优经济回报推导的施肥系数计算。计算公式如下：下限K肥料配额=K目标产量吸收；上限K肥料配额=K目标产量吸收/钾肥施用系数。K目标产量吸收=谷物产量×每100公斤水稻谷物K吸收/100。每100公斤谷物生产的K吸收计算为不同产量水平下秸秆和谷物中K含量的总和。为细化Wu et al. (2016, 2015)最初提出的方法，钾肥施用量应考虑钾肥施用系数（0.42）以满足缺钾地区作物的充足养分需求。当土壤有效K含量充足时，仅需考虑作物带走的钾肥量。

2.4 肥料减量潜力分析

所有6,895份农户调查数据按上述定义的产量水平分为三类 for 两个亚区，然后通过比较实际N/P/K投入与相应产量水平的肥料配额计算肥料减量潜力。计算公式如下：NPK肥料减量 potential amount (公斤/公顷)=∑(下限NPK肥料配额?a_i)+∑(a_k?上限NPK肥料配额)。肥料减量 potential amount (吨)=N/P/K实际应用中位量(公斤/公顷)×种植面积(公顷)×肥料施用百分比(%)×肥料减量潜力比/1000。肥料施用百分比(%)=N/P/K肥料实际施用 amount (公斤/公顷)(低产水平或中产水平或高产水平)/N/P/K实际施用总量(公斤/公顷)×100%。a_i表示农户实际施用的NPK肥料量(公斤/公顷)，低于NPK肥料配额下限。a_k表示农户实际施用的NPK肥料量(公斤/公顷)，超过NPK肥料配额上限。在中西部重庆，N、P₂O₅和K₂O的中位施用量分别为159公斤/公顷、54公斤/公顷和36公斤/公顷，覆盖49.4万公顷。低、中、高产农户数分别为697、1,488和522。在东南部重庆，N、P₂O₅和K₂O的中位施用量分别为144公斤/公顷、54公斤/公顷和19.5公斤/公顷，覆盖16.1万公顷。低、中、高产农户数分别为692、1,488和857。

2.5 肥料减量的环境成本评估

环境成本评估采用LCA方法量化重庆水稻生产系统的土壤酸化、活性氮（Nr）排放、温室气体（GHG）排放和水体富营养化。研究比较了配额标准下减少化肥使用的环境效益与实际农业实践。本研究系统边界涵盖从播种到收获的整个水稻生产过程，包括农资阶段和农耕阶段。农资阶段（AMS）涉及肥料、农药和薄膜等投入品的生产和运输排放。农耕阶段（AFS）关注肥料和农药使用、燃料消耗和劳动力相关能源使用的排放。

土壤酸化潜力（SAP）以SO₂为参考计算。整个水稻生产生命周期的SAP使用以下公式确定：SAP_total=SO₂-MS+1.88×NH₃挥发×17/14+NO_X直接排放×0.7。SO₂-MS=∑(SF_i×Rate_i)。SAP为土壤酸化潜力(SO₂-eq公斤/公顷)。NH₃挥发和NO₂排放转化为SO₂的转换系数分别为1.88和0.7。NH₃–N转化为SO₂的因子为17/14。SO₂–MS指化肥生产和运输过程中的SO₂排放，计算为SF_i（SO₂排放系数）乘以Rate_i（投入品类i的消耗量）。N、P、K肥料和其他农业投入的SO₂排放系数分别为2.52×10^?2、6.00×10^?4、4.80×10^?4等。N、P、K肥料和其他农业投入的施用率见 Supplementary Table S6。

参考文献(Cui et al., 2018; Wang et al., 2020)中的方法使用以下公式计算Nr排放：Nr排放=Nr_Ms损失+N₂O直接排放+N淋溶+NH₃挥发。Nr_Ms损失=∑(EF_i×Rate_i)。N₂O直接排放=0.10 exp(0.0094×N施用量)。N淋溶=2.25 exp(0.0033×N施用量)。NH₃挥发=4.95+0.17×N施用量。Nr_Ms损失指肥料、农药、柴油和电力等农业投入品生产和运输过程中的活性氮排放和损失。i(=1,2,3,…)为各投入项的总数，包括肥料、农药和农膜等。EF_i为投入i生产和运输过程中活性氮排放或损失的排放因子，N、P、K肥料和其他农业投入的Nr排放系数分别为7.15×10^?3、1.84×10^?4、1.46×10^?4等；Rate_i为作物生产过程中投入i的施用量。N₂O直接排放、N淋溶和NH₃挥发代表农业施肥中累积的N₂O排放、N淋溶损失和NH₃挥发。

基于参考文献(Wang et al., 2020)的研究，整个水稻种植生命周期GHG排放的计算公式如下：GHG排放=GHG_AMS+N₂O总排放×44/28×265+CH₄排放×28。GHG_AMS=∑(PEC_i×Rate_i)。N₂O总排放=N₂O直接排放+2.5%×N淋溶+1%×NH₃挥发。GHG_AMS包括肥料、农药和薄膜等农资。PEC_i表示投入项i生产和运输过程中的GHG排放系数，N、P、K肥料和其他农业投入的GHG排放系数分别为8.30、0.79、0.55等；Rate_i表示作物种植中投入项i的使用量。N₂O总排放分为氮肥施用引起的直接和间接途径，NH₃挥发的间接系数为1%，NO₃淋溶为2.5%。44/28是N₂O–N与N₂O的分子量比。CH₄排放指农业过程中释放的甲烷。此处仅考虑水稻生产相关排放，价值为156.2公斤/公顷×面积。面积代表2020年重庆水稻种植面积。265和28分别代表N₂O和CH₄的全球变暖潜能值。

富营养化潜力（EP）以PO₄为参考计算。整个水稻生产生命周期的富营养化排放使用以下公式计算：EP=PO₄-MS+0.33×NH₃挥发×17/14+0.42×N淋溶+P_total×0.23%×95/31。PO₄-MS=∑(P_i×Rate_i)。EP为富营养化潜力(PO₄-eq公斤/公顷)。NH₃挥发和NO₃淋溶转化为PO₄的转换系数分别为0.33和0.42。NH₃–N以17/14的比例转化为PO₄，P_total（总磷施用量）以95/31的比例转化为PO₄。PO₄-MS代表肥料生产和运输过程中的排放，P_i为肥料类别i的排放系数，Rate_i为其在 Supplementary Table S6 中的用量。N、P、K肥料和其他农业投入的EP排放系数分别为3.03×10^?3、7.67×10^?5、6.13×10^?5等。淋溶和径流导致P损失为输入量的0.23%。

2.6 统计分析

数据获取和统计分析使用Excel 2021进行。ANOVA、LSD以及产量水平和NPK施用量交互引起的变异源使用SPSS 15.0 for Windows分析。显著性使用LSD检验在p≤0.05评估。图表使用OriginLab 2023b创建。

3 结果

3.1 重庆主要稻区肥料配额

3.1.1 氮肥限额

氮肥配额范围104–224公斤N/公顷，根据区域和产量差异调整。在中西部区域，水稻产量水平7.5–9.0吨/公顷，N肥配额下限和上限分别为141–167公斤N/公顷和180–206公斤N/公顷。产量9.0–10.5吨/公顷，配额范围167–185至206–224公斤N/公顷。产量6.0–7.5吨/公顷，配额范围116–141至155–180公斤N/公顷。在东南部区域，水稻产量6.75–8.25吨/公顷，配额范围129–153至168–192公斤N/公顷。产量8.25–9.75吨/公顷，配额范围154–171至193–210公斤N/公顷。产量5.25–6.75吨/公顷，配额范围104–128至104–128公斤N/公顷。

3.1.2 磷肥限额

重庆水稻生产磷肥配额设定在44–98公斤P₂O₅/公顷。在中西部区域，水稻产量7.5–9.0吨/公顷，磷配额下限和上限设定为60–72公斤P₂O₅/公顷和69–84公斤P₂O₅/公顷。产量6.0–7.5吨/公顷，配额范围48–60至56–69公斤P₂O₅/公顷；产量9.0–10.5吨/公顷，配额范围72–84至84–98公斤P₂O₅/公顷。在东南部区域，产量5.25–6.75吨/公顷，配额范围44–56至50–65公斤P₂O