栖霞市苹果园氮磷养分平衡及环境风险评价

万 炜，师纪博，刘 忠，韩已文，刘 凡，王佳莹，郑曼迪

栖霞市苹果园氮磷养分平衡及环境风险评价

万 炜，师纪博，刘 忠※，韩已文，刘 凡，王佳莹，郑曼迪

（1. 中国农业大学土地科学与技术学院，北京 100193；2. 农业部华北耕地保育重点实验室，北京 100193）

栖霞市是中国最主要的苹果产区之一，近年来果园单位面积养分的大量投入造成了区域氮、磷元素的过量富集，进而对当地的土壤、水资源、大气等环境要素造成一定的污染。因此，了解苹果主产区施肥现状，并科学评价其环境风险具有重要的现实意义。以栖霞市为研究区域，通过实地调研、田间试验、室内模拟等方法，分析了苹果园氮磷养分的输入量及输出量，进而构建养分平衡模型，对区域环境风险进行了综合评价。研究结果表明：1）2018年栖霞市苹果园养分投入量为：有机质5 360.28 kg/hm2，N 545 kg/hm2，P2O5568.76 kg/hm2，K2O 712.57 kg/hm2；2）氮素的气态损失、果实及枝条带走量各占输入总量的6.49%、24.34%、3.12%，盈余率达66.04% (402.97 kg/hm2)；磷素被果实和枝条带走量分别占输入总量的12.33%和2.55%，盈余率达85.12% (484.75 kg/hm2)；栖霞市氮、磷盈余量均超出环境安全的阈值，分别属于中风险和高风险范围。因此，在保证果园产量与品质的前提下，适当减少化肥使用量、逐步建立水肥一体化的果园施肥模式、提升果农科学的管理经验，应成为果园可持续发展的主攻方向。

氮；磷；土壤；苹果园；养分平衡；环境风险；氮磷盈余；栖霞市

0 引 言

中国是世界上最大的苹果生产国和消费国，总种植面积及总产量均占全世界40%以上[1]。然而受土地资源紧缺的国情约束，造成了当前果树“上山下滩，不与粮棉争夺良田”的种植现状[2]，因此果园立地条件相对较差，通常需要人为投入大量养分用以维系果园的产量及品质[3-4]。近年来，由于苹果种植的经济效益相对高于农作物，加上很多果农缺乏科学的施肥及管理知识，奉行“高投入，高产出”的理念，造成了严峻的施肥过量问题，其中又以氮、磷盈余问题最为突出，这不仅造成了相应的区域环境问题，且在一定程度上制约了苹果种植业的可持续发展[5]。

目前中国苹果发展区域已由过去的环渤海湾、黄土高原、黄河故道、西南冷凉高地四大种植区域演变为黄土高原和环渤海湾两大优势主产区[6]。陈翠霞等[7]对黄土高原苹果产区施肥现状的研究结果表明：黄土高原苹果产区化肥投入过量现象较为普遍，N、P2O5和K2O的平均投入量分别为1 162、742和1 041 kg/hm2。Ge等[8]对栖霞市的研究结果表明：在不考虑有机肥的前提下，果园纯N、P2O5和K2O的平均投入量分别为1 350、1 108和1 255 kg/hm2。而国外发达国家苹果园的N、P2O5和K2O推荐施用量分别为150～200、100～150和150～200 kg/hm2[9-12]。可见中国苹果园养分投入量在各产区之间差异较大，但均远超国外苹果种植业发达地区的常规水平。从肥料利用率上比较，水肥一体化是国外果园采取的主流技术，可使氮肥及磷肥的利用率保持在较高水平[13-14]。姜远茂等[15]研究表明，河北、陕西、山东和山西4省果园的氮肥及磷肥利用率仅为25%和5.4%。土壤中氮、磷肥料的过量富集会造成温室效应、土壤酸化、水体富营养化等诸多环境问题。综上，中国果园养分投入高、利用率低的现状，对区域生态环境造成的污染风险不容小觑[16]。

养分平衡法是基于物质守恒原理，将研究对象视为一个系统或综合体，在此基础上对其养分的输入项与输出项进行量化。当输入量大于输出量时，该系统或综合体养分盈余；当输入量小于输出量时该系统或综合体养分亏缺[17]。该方法在土地资源管理[18]、农作物生产评价[19]、流域面源污染研究[20]等诸多领域已有相关应用。且该方法适用于较大区域尺度的种植业养分投入环境效应评价[21]。但当前针对县域果园养分平衡及其环境风险方面的研究则鲜见报道。

栖霞市是环渤海湾地区乃至全中国最重要的苹果生产区域，其生产模式、水肥管理措施及其所产生的环境效应具有典型的区域代表性。为响应国家十三五计划“药肥双减”的号召，即保证果园产量与品质的前提下减少化肥的施用量，本研究以山东省烟台市栖霞市为例，通过构建苹果园养分输入输出模型，从宏观视域上对栖霞苹果园氮磷平衡状况进行研究。通过量化各途径氮、磷养分的输入量与输出量，评价现今管理模式下苹果园对外界环境的污染风险，为当地苹果种植业的可持续发展提供科学的理论依据。

1 研究区概况与数据获取

1.1 研究区概况

栖霞市地处山东省东北部，位于胶东半岛腹地。地理位置为37°05′～37°32′ N、120°33′～121°15′ E，总面积2 015.91 km2。本区域地貌类型以山地丘陵为主，其中山地面积占72.1%，丘陵面积占21.8%，平原面积仅占6.1%。气候类型为暖温带季风性半湿润气候，四季交替分明，年均降水量为640～846 mm，年均气温为11.4 ℃，年均日照总时数为2 659.9 h，平均无霜期为209 d。境内的河流多属于季风雨源型山溪性河流，主要水源为五龙河、龙门口水库及与栖霞市毗邻的沐浴水库。另外，近年来因过度开采地下水，致使该区域地下水位埋藏深度不断加深，最高可达几百米。本区域土壤类型以粗骨土和棕壤为主。整体而言，栖霞市自然条件优越，适合苹果的生长。通过对栖霞市2018年夏、冬两季的Landsat 8 OLI影像进行解译，结合该区域DEM数据及野外调查验证数据，采用决策树及支持向量机的分类方法得到本区域30 m空间分辨率果园种植区空间分布（图1）。

图1 研究区概况

1.2 数据获取

1）农户调查数据：2018年5—7月，通过实地调研、问卷调查等方式对栖霞市苹果园的基本情况、施肥模式和施肥数量进行数据采集（图1）。其中，调研点共计643个，收集问卷588份，经筛选后有效问卷500份，问卷有效率85.03%。问卷及调研内容具体包括：果园面积、树龄、种植密度、苹果产量、灌溉方式及次数、肥料施用类型及数量等系列数据进行了详细调查。

2）苹果园基肥氮素气态损失数据：本研究以2018年栖霞市观里镇某一典型苹果园为案例，在其苹果收获后，通过田间试验，获取因施用基肥而造成的氮素气态损失量参数。监测所采用的仪器为GASERA ONE（芬兰）痕量级光声光谱多气体分析仪。该仪器的监测原理是基于光声红外光谱技术，其响应时间短，精度达到sub-ppm级，可有效对痕量气体进行动态监测。为避免其他因素对气体监测产生干扰，将试验小区的位置选在果园中心处，并制作安装静态箱[22]。此静态箱为半封闭性设计，使用时将其放置地面，上端开孔连接气管，气管接通至仪器，对近地面20 cm处基肥施入前后的NH3与N2O进行监测。具体为每隔1 d监测一次，每次持续24 h，监测总时段为2018年11月2—29日。其中，11月2—11日（共计10 d），为基肥施入前的氮素气态背景值监测时段；11月12日苹果园施入基肥；11月13—29日（共计17 d，直至被监测气体浓度消减至无明显变化），为基肥施入后的氮素气态损失量监测时段。

3）苹果园及其土壤温度数据：在对果园氮气态损失数据监测的同时，利用RC-5温度计分别记录苹果园的气温及土壤不同深度的地温。

4）栖霞市水质检测数据：通过烟台市水文局获取了研究区2014—2017年主要灌溉水源地（五龙河团旺站、沐浴水库和龙门口水库）的氮、磷含量数据。

5）室内模拟苹果园追肥氮素气态损失数据：受果园试验条件的限制，氮素气态损失的田间实时监测不可控因素较多（如大风扰动、设备持续供电不便等），难以获取长时序的稳定数据。故苹果园因追肥而造成的氮素气态损失数据在实验室内模拟完成。具体方法为：于试验苹果园内取1 m深的原状土，分别装填在4个半径为10 cm，高1 m的土柱中，将土柱置于人工气候室内进行培养。人工气候室内的温度、湿度、光照强度和光照时长均按照前期野外试验观测的实际数据进行设定。再根据外业问卷调查样本中关于果农追肥数据的统计结果，依次选取高磷型水溶肥、高磷型复合肥、高钾型复合肥、高钾型水溶肥等4种不同类型的肥料各20 g（各类型肥料的N、P、K比例与果农追肥时的施用习惯保持一致）。水溶肥按照1:200的比例溶于水后施用，复合肥在施用后浇适量的水。在此基础上，利用GASERA ONE光声光谱多气体分析仪，在土壤顶部20 cm处对NH3和N2O的浓度进行监测。具体的监测时间安排为：每隔1 d监测一次，每次持续24 h；且施肥前一周是对土柱内气体原始浓度进行监测，获取氮素气态损失背景值；施肥后则开始监测氮素的气态损失量，直至被监测气体的浓度消减至无明显变化。

2 理论与方法

2.1 苹果园氮磷养分平衡模型

参照前人的研究方法[23-25]，本研究将苹果园养分的输入与输出视为一个系统进行研究，即养分的投入总量减去养分的支出总量得到养分的收支盈余量。苹果园氮磷输入量可简化为：肥料输入量、大气沉降量、灌溉水摄入量；氮磷输出量可简化为：果树枝条携出量、果实携出量、气态损失量、径流损失量、土壤残留与淋溶量（图2）。

图2 苹果园氮磷养分平衡示意图

其中，苹果园氮素平衡量化模型为

式中IN为大气氮沉降输入量，kg；IN为氮素随灌溉水的摄入量，kg；IN为氮素的施肥输入量，kg；ON为氮素通过枝条携出量，kg；ON为氮素通过果实携出量，kg；ON为氮素气态损失量，kg；N为氮素平衡总量，在本研究中包括土壤残留富集及径流损失量，kg。

苹果园磷素平衡量化模型为：

式中IP为磷素随灌溉水的摄入量，kg；IP为磷素的施肥输入量，kg；OP为磷素通过枝条携出量，kg；OP为磷素通过果实携出量，kg；P为磷素平衡总量，在本研究中包括土壤残留富集及径流损失量，kg。

2.2 氮素气态损失排放通量计算

首先，将氮素气态损失气体（N2O、NH3）的体积浓度转化为质量浓度[26]：

式中为所测气体的质量浓度，mg/m3；为所测气体的分子质量；为所测气体的浓度，mg/L；为采样时的温度，℃。

为减少因浓度和温度而产生的数据误差，将二者的数据各以0.5 h为间隔求取平均值，然后计算N2O，NH3排放通量，计算方法[27]如下

式中为所测气体的排放通量，mg/(m2∙h)，数值为正值时表示土壤向大气排放该气体，数值为负值时表示土壤从大气中吸收该气体；为标准状况下气体的密度，kg/m3；为采气口距离地面的高度，m；d/d为单位时间内气体浓度变化的速率；为仪器舱室压力，Pa；0为标准大气压，Pa。

某1 d累计排放通量的计算以每0.5 h为时间间隔的相邻两次采样的平均通量累加求得，计算方法[28]如下

式中T为某1 d的累积排放通量，mg/m2；F与F+1为第、1次测定时温室气体的排放通量，mg/(m2∙h)。

3 苹果园氮磷养分平衡与环境风险评价

3.1 苹果园氮磷养分平衡

3.1.1 研究区施肥模式

通过对栖霞苹果园调查问卷的统计结果可知，本区域果农施肥大致遵循以下规律：苹果收获后，即当年10月至次年3月，以沟施或穴施的方式投入基肥，且以有机肥为主，复合肥和微量元素混施；次年4—6月的幼果膨大和花芽分化阶段，施用高磷型肥料；次年7—9月的果实膨大期，施用高钾型肥料。具体而言，2018年栖霞市苹果园有机肥投入量7 393.49 kg/hm2，复合肥2 160.56 kg/hm2（用作基肥和追肥各占70.65%和29.35%），高磷型水溶肥791.03 kg/hm2、高磷型复合肥1 259.30 kg/hm2、高钾型水溶肥826.39 kg/hm2、高钾型复合肥1 261.93 kg/hm2。且根据对当地果农施肥习惯的分析及化肥市场的调研，可将施用的化肥分为以下类型（表1）。

表1 不同类型肥料养分含量

3.1.2 苹果园氮磷养分输入项

1）肥料输入的氮磷养分含量：基于2018年对栖霞市调查问卷中的肥料施用量统计结果，再结合表1中的氮、磷、钾养分含量比数据，可计算得到2018年栖霞市的肥料养分投入量为：有机质为5 360.28 kg/hm2、N为545 kg/hm2、P2O5为568.76 kg/hm2、K2O为712.57 kg/hm2。其中，通过基肥输入的N、P2O5和K2O各占总量的82.23%、81.82%和70.41%；通过追肥输入仅各占17.77%、18.18%和29.59%。可见，基肥是苹果园养分输入的主要途径。

2）灌溉水摄入的氮磷养分含量：通过对烟台市水文局所提供的五龙河团旺站、沐浴水库和龙门口水库2014－2017年水质监测数据的整理，得到苹果园的灌溉用水中平均含总氮15.33 mg/L，总磷0.15 mg/L。结合栖霞市统计年鉴所提供的果园平均灌溉水量2 035 m3/hm2，可进一步计算出苹果园由灌溉而摄入的氮素为31.19 kg/hm2，P2O5为0.71 kg/hm2。

3）大气氮沉降量：前人将中国的氮沉降划分为6个片区（华北地区、东南地区、西南地区、青藏高原区、西北地区及东北地区）进行计算，得到了各区氮沉降数值[29-30]。栖霞市位于中国华北地区，本研究基于该区域2005－2015年的氮沉降结果，通过线性拟合法（氮沉降量= 1.292 1年份−2 573.5，2=0.859 3）外推得到2018年氮沉降数据为33.96 kg/hm2。

3.1.3 苹果园氮磷养分输出项

1）枝条与果实带走的氮磷养分含量：基于樊红柱等[31-32]研究数据的再分析，可构建苹果树树龄与枝条干质量的线性回归关系：树龄=0.441 3枝条干质量−0.117 1（2= 0.762 7）。果树枝条的修剪量对保证苹果的产量及品质起着重要作用，根据本研究的2018年调研统计结果可知，栖霞地区修剪枝条的苹果树树龄大多分布在6～30 a之间，将其带入回归方程可得到栖霞市苹果树的平均树枝干质量为7.83 kg/株。另有相关研究结果表明，苹果树年平均枝条修剪量约占总枝量的40%[33]，从而得到苹果树平均剪枝干质量为3.132 kg/株。通过搜集大量前人已有的苹果树氮磷养分含量数据结果[34-42]，并对其加以统计分析，得到苹果树枝条的平均养分含量为：N 0.78%，P 0.2%；果实的平均养分含量为：N 0.31%，P 0.08%。再结合问卷统计数据而知的栖霞苹果园平均种植密度为720 株/hm2，可计算得到枝条修剪的平均养分携出量为：N 19.06 kg/hm2，P2O514.52 kg/hm2。最后根据栖霞市统计年鉴可知，栖霞市果园平均产量为39.80 t/hm2，进而得到果实平均养分携出量为：N 148.5 kg/hm2，P2O570.2 kg/hm2。

2）果园基肥及追肥的氮素气态损失量：施用基肥造成的氮素气态损失量以N2O为例，通过光声光谱多气体分析仪对苹果园施用基肥前的背景值及基肥施入后的气体浓度变化进行监测（图3），可以发现：在施用基肥后第一天N2O的浓度显著升高，达到日均浓度的最高值；在施肥第5天以后，其浓度逐渐恢复到正常水平。通过计算可得整个过程N2O平均排放通量为0.022 mg/(m2∙h)，施用基肥造成的N2O累积排放量为0.014 kg/hm2，气态损失带走的N为0.008 8 kg/hm2。

图3 施肥后N2O日均浓度及排放通量时序变化

基于实验室模拟完成的苹果园不同追肥情景下氮素气态损失的监测结果（表2），可以看出：水溶肥的气态损失时间及排放通量均低于复合肥，因此在果园追肥时，若适当将复合肥更换为水溶肥，可极大减少肥料的气态损失量，从而降低对大气环境的污染。将表2数据进一步折算，可得到施用水溶肥所造成的N2O气态损失带走的N为0.12 kg/hm2，NH3气态损失带走的N为1.11 kg/hm2；施用复合肥所造成的N2O气态损失带走的N为1.77 kg/hm2，NH3气态损失带走的N为36.61 kg/hm2。

综上，苹果园因施肥（基肥+追肥）所造成的N2O气态损失带走总N量1.90 kg/hm2，NH3气态损失带走总N量37.72 kg/hm2。

3.2 栖霞市苹果园环境风险评价

由于目前中国尚未制定明确针对苹果园的氮磷风险线划定标准，因此本研究参考中国农业非点源污染控制报告[43]及相关研究成果中所提供的氮、磷盈余的环境风险等级数据[44-45]，折算至纯N与P2O5，从而得到划分苹果园氮磷盈余的环境风险等级（表3）。

表2 室内模拟不同追肥情景的氮素气态损失状况

表3 苹果园氮磷盈余量与环境风险等级划

基于前文氮磷养分各项参数（肥料输入量、灌溉摄入量、大气沉降量、枝条携出量、果实携出量、气态损失量）的折算结果，汇总得到栖霞市苹果园不同途径氮磷养分的输入量、输出量及盈余量（表4和表5）。从氮素平衡来看（表4），肥料是苹果园氮素输入的主要途径，占输入总量的89.32%，虽然仅为黄土高原苹果优势产区氮素投入的46.90%[7]，却是国外苹果种植发达的国家果园氮肥推荐施肥量2.73～3.63倍[9-12]。果实及枝条分别带走的氮素占输入总量的24.34%、3.12%，考虑到叶片吸收和果树自身的净吸收量，氮肥利用率已较全国平均水平（25%）有提高，但同国外苹果种植发达的产区40%的利用率相比仍有一定差距[15]。肥料气态损失的氮素占输入总量的6.49%（NH3和N2O分别占比6.18%、0.31%），与在农田生态系统损失率9%～42%相比较低[46]。果园氮素盈余率高达66.04%（402.97 kg/hm2），盈余的氮素一部分会随着灌溉、降水的作用产生淋溶或径流，进入周围地表水及地下水，其余的将不断累积在土壤中，造成一系列环境问题。但若将追肥时所用复合肥更换为水溶肥，则追肥施用量能降低35.85%，可有效的减少氮肥投入量，提高肥料利用率，进而减少因气态损失、土壤残留、地表径流等其他途径所造成的氮素损失。

从磷素平衡来看（表5），肥料是苹果园磷素输入的最主要途径，占输入总量的99.88%，苹果园2018年P2O5投入量约为568.31 kg/hm2，通过基肥和追肥各占投入量的32.87%和67.13%。这与朱占玲等[47]对山东省苹果园磷肥投入量676.17 kg/hm2相比，降低19.09%；同比黄土高原苹果优势产区磷肥投入减少23.48%[7]，却仍是国外发达国家果园磷肥推荐施肥量3.79～5倍[9-12]。输入进果园的磷素有12.33%能被果实吸收利用，2.55%被枝条吸收利用。考虑到叶片吸收和果树自身的净吸收量，磷肥利用率已经较全国平均水平5.4%有较大的提高[15]，但仍有484.75 kg/hm2的磷肥盈余，盈余率高达85.12%。其残留在土壤或随土壤侵蚀进入地表水体，造成了资源浪费与潜在的环境污染问题。

表4 栖霞市苹果园氮素平衡状况

表5 栖霞市苹果园磷素平衡状况

从不同养分的盈余率来看，当氮素平衡盈余率大于20%时，将对环境产生潜在的威胁[48]。与氮肥相比，磷肥具有较高的后效性，所以磷肥的盈余率允许超过80%[49-50]。2018年栖霞市苹果园N盈余402.97 kg/hm2，P2O5盈余484.75 kg/hm2，结合表3可知栖霞市氮、磷盈余量均超出环境安全的阈值，分别属于中风险和高风险范围。氮肥施入土壤后除部分被果树吸收利用外，其余将通过各种途径损失到环境中。如氮肥的过量施用会加剧土壤温室气体N2O的排放；各种形态的氮素通过侧渗、径流与侵蚀的作用进入地表水体造成富营养化；而硝态氮通过淋溶作用进入地下水，则将造成更为严重且难以恢复的地下水硝酸盐超标问题。而磷在土壤中的溶解度很低，施入到土壤中的磷肥很快就被土壤颗粒吸附或者与Ca、Fe及有机质等发生作用而成为结合态磷被土壤固定，一般不容易从土壤中损失。但是长期过量的投入，会导致土壤磷吸附量达到饱和，进而改变土壤中磷素的化学平衡，降低土壤对磷的固持能力，导致过量的磷素残存在土壤中，并通过径流和侵蚀等途径进入地表水体。综上所述，氮、磷肥料的过量施用必然对区域土壤、地表及地下水资源、大气环境等方面造成威胁。

4 讨 论

独特的自然条件（适宜的水土资源、气候类型及以低缓丘陵为主的地貌条件）造就了栖霞市以苹果种植为主导的农业经济生产格局。由前文可知，肥料的过量施用是氮磷盈余量及负荷增加的主要原因，然而当前果农相对缺乏科学的施肥、管理措施，加之盲目地追求短期经济效益，其结果导致了苹果园单位面积化肥使用量超过果树正常需求量。葛顺峰[51]对栖霞市苹果园土壤养分的研究显示，1984－2012年栖霞市果园N和P2O5的养分平均投入量依次为963和664 kg/hm2，有机肥为6 583 kg/hm2，且总体出现无机化肥施用量逐渐增加而有机肥施用量逐渐降低的态势；另外土壤pH值逐渐减低，土壤酸化速率明显加快。将其数据结果与本研究对比可以发现：2018年栖霞市苹果园的N和P2O5的养分投入量同比降低43.41%、11.75%，有机肥增加12.31%。这表明土壤养分投入情况有所改善，这是因为近年来随着先进技术推广、肥料形态多样化、制肥工艺的逐渐提高，栖霞市苹果园化肥施用量相比前几年有明显的下降。栖霞市N盈余402.97 kg/hm2、P2O5盈余484.75 kg/hm2，此结果虽与卢树昌等[52]对河北省苹果园N盈余499.7 kg/hm2及赵佐平等[53-54]对渭北旱塬苹果园N盈余533.9 kg/hm2的研究结果而言相比较低，与刘晓霞等[55]对山东省种植年限为6～10 a的苹果园土壤P2O5盈余301.96～488.20 kg/hm2结果相近，但远高于河北省的317 kg/hm2、陕西省的303.2 kg/hm2和山西省的330.6 kg/hm2 [56]。由此可见，栖霞市苹果园化肥施用过量的问题依然严峻。

综上，在苹果主产区推行减肥增效措施具有重要的现实意义。而本研究通过对栖霞市果农种植模式的深入了解，发现自家经营、地块零散、劳动力老龄化严重，加上管理理念的局限性，导致农户对单位面积化肥施用过量，从而造成了不必要的浪费和环境污染。而通过合作社模式种植的果园，推行科学高效的种植技术，施用新型高效肥料，并采用水肥一体化措施，可使苹果园灌水量及肥料施用量较传统种植方式而言均减少50%以上。该手段是在保证果园产量和质量前提下，减少肥料施用的有效途径。因此在国家十三五计划“药肥双减”的号召下，栖霞市需进一步提高肥料利用效率，降低果园养分对环境所造成的风险。

5 结　论

以典型苹果种植区栖霞市为研究对象，通过构建氮磷养分平衡模型，对区域环境风险进行了综合评价，最终得出如下结论：

1）2018年栖霞市苹果园养分投入量为：有机质5 360.28 kg/hm2，N 545 kg/hm2，P2O5568.76 kg/hm2，K2O 712.57 kg/hm2。基肥是养分输入的主要途径，通过基肥输入的N、P2O5和K2O各占82.23%、81.82%和70.41%；通过追肥输入则各占17.77%、18.18%和29.59%。通过大气沉降输入的氮素33.96 kg/hm2，灌溉输入的N为31.19 kg/hm2，P2O5为0.71 kg/hm2。

2）2018年栖霞市苹果园氮素输入总量的6.49%（39.62 kg/hm2）、24.34%（148.5 kg/hm2）、3.12%（19.06 kg/hm2）分别通过气态损失、果实、枝条修剪携出，氮素盈余率达66.04%（402.97 kg/hm2）；磷肥输入总量的12.33%和2.55%分别通过果实和枝条修剪携出，磷肥盈余率达85.12%（484.75 kg/hm2）。栖霞市氮、磷盈余量均超出环境安全的阈值，分别属于中风险和高风险范围，这对区域的土壤、水资源、大气等方面存在较大的环境风险。

以苹果种植为主导产业的农业生区域，适当减少化肥使用量并大力推广新型高效肥料、建立完善水肥一体化的果园施肥模式、提升果农的果园管理理念，建立果园可持续发展模式，是势在必行的。

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Nitrogen and phosphorus nutrient balance and environmental risk assessment of apple orchard in Qixia city

Wan Wei, Shi Jibo, Liu Zhong※, Han Yiwen, Liu Fan, Wang Jiaying, Zheng Mandi

(1.,,100193,; 2.,,100193,)

Qixia city is one of the most important apple producing areas in China. In recent years, a large amount of per unit area nutrient input of orchards had resulted in excessive enrichment of nitrogen and phosphorus in the region, which had further polluted the local soil, water resources, atmosphere and other environmental elements. Therefore, it was of great practical significance to clarify the current situation of fertilization in main producing areas of apple and scientifically evaluate the environmental risks. Taking Qixia city as the research area, from May to July 2018, the basic situation, fertilization pattern and fertilization quantity of apple orchards in this area were obtained through field investigation and questionnaire survey. From August to November 2018, a field experiment was conducted in a typical apple orchard to obtain nitrogen gas loss data of base fertilizer in apple orchard. From December 2018 to March 2019, nitrogen gas loss data of apple orchards were obtained by laboratory simulation. Based on quantifying the input and output of nitrogen and phosphorus nutrients in apple orchards, the surplus nitrogen and phosphorus nutrients of apple orchards in Qixia city was calculated by constructing a nutrient balance model. Finally, by dividing the environmental risk grade of nitrogen and phosphorus surplus in apple orchards, the regional environmental risk of Qixia city was evaluated comprehensively. The results showed that: 1) In 2018, nutrient input of apple orchards in Qixia city was as follows: organic matter 5 360.28 kg/hm2, N 545 kg/hm2, P2O5568.76 kg/hm2, K2O 712.57 kg/hm2. Among them, N, P2O5and K2O input through base fertilizer accounted for 82.23%, 81.82% and 70.41% of the total. Only 17.77%, 18.18% and 29.59% were absorbed through top dressing; 2) Gaseous loss of nitrogen, fruit and branch carry away accounted for 6.49%, 24.34% and 3.12% of the total input, respectively, with a surplus rate of 66.04% (402.97 kg/hm2). The phosphorus taken away by fruits and branches accounted for 12.33% and 2.55% of the total input, respectively, with a surplus rate of 85.12% (484.75 kg/hm2). The surplus amounts of nitrogen and phosphorus in Qixia city both exceed the threshold of environmental safety, which belong to the range of medium risk and high risk respectively. In conclusion, excessive application of nitrogen and phosphorus fertilizers will inevitably pose a threat to the soil, land surface and groundwater resources and atmospheric environment of Qixia city. Therefore, on the premise of ensuring the output and quality of orchards, it should be the main direction of sustainable development of orchards to appropriately reduce the use of chemical fertilizer, gradually establish an integrated fertilization model of water and fertilizer, and improve the management experience of fruit farmers.

nitrogen; phosphorus; soil; apple orchard; nutrient balance; environmental risk; nitrogen and phosphorus surplus; Qixia city

万 炜，师纪博，刘 忠，韩已文，刘 凡，王佳莹，郑曼迪. 栖霞市苹果园氮磷养分平衡及环境风险评价[J]. 农业工程学报，2020，36(4)：211－219.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.025 http://www.tcsae.org

Wan Wei, Shi Jibo, Liu Zhong, Han Yiwen, Liu Fan, Wang Jiaying, Zheng Mandi. Nitrogen and phosphorus nutrient balance and environmental risk assessment of apple orchard in Qixia city[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(4): 211－219. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.025 http://www.tcsae.org

2019-10-30

2019-12-19

国家重点研发计划项目（2016YFD0201202）

万 炜，博士生，主要从事地理信息系统与遥感应用及农业资源与环境研究。Email：remote_sensing@cau.edu.cn

刘 忠，博士生导师，主要从事土地利用与信息技术研究。Email：lzh@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.025

F205; S19

A

1002-6819(2020)-04-0211-09