西安市綠地化肥面源污染狀況研究

姜 凌，易 秀

(1.長安大學(xué)旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054；2. 陜西省礦產(chǎn)資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054)

0 引 言

城市綠地是指由城市中各種類型和規(guī)模的綠化用地組成的整體[1]。作為城市自然生態(tài)系統(tǒng)的主要生產(chǎn)者, 城市綠地在改善環(huán)境質(zhì)量、美化景觀、維護(hù)城市生態(tài)平衡、促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展等方面有著不可替代的作用，已經(jīng)成為城市環(huán)境建設(shè)中的重要內(nèi)容[2]。然而，自20世紀(jì)90年代以來，伴隨著全球建設(shè)“綠色城市”、“生態(tài)城市”的發(fā)展趨勢，城市綠地面積迅猛擴(kuò)充，加之化肥工業(yè)的飛速發(fā)展，使得城市綠地建設(shè)走上了高投入，高產(chǎn)出的道路，其結(jié)果造成土壤氮、磷養(yǎng)分盈余，一經(jīng)流失就會造成水體富營養(yǎng)化。目前，城市綠地氮、磷流失污染已成為城市水體富營養(yǎng)化最主要的污染源之一。因此，開展城市綠地土壤氮、磷肥用量調(diào)查及污染分析研究，已成為保證城市綠地建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題。

西安市作為西部橋頭堡城市，其城市綠地建設(shè)也呈現(xiàn)出空前高漲的局面。為了維持新增綠地的土壤肥力質(zhì)量，勢必要求化肥施用量急劇增加，從而使得流入水體中的氮、磷流失量顯著增加，目前西安市的7個代表性景觀水體中5個都屬于劣Ⅴ類，水體富營養(yǎng)化嚴(yán)重[3-5]。然而，人們在分析水體富營養(yǎng)化產(chǎn)生原因時，往往忽略了城市綠地所帶來的氮、磷增量。因此，本文針對西安市綠地土壤氮、磷肥施用量進(jìn)行調(diào)查，分析其對水環(huán)境的影響，從而不僅為西安市綠地建設(shè)和施肥量的合理規(guī)劃與管理提供參考依據(jù)和積累有益的數(shù)據(jù)，而且為防止水體進(jìn)一步富營養(yǎng)化的研究開辟新的思路。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

西安市位于東經(jīng)107°40′～109°49′，北緯33°42′～34°45′之間，東西最長為204 km，南北最長為116 km?？偯娣e10 108 km2，其中市區(qū)面積1066 km2，建成區(qū)面積369 km2。屬于暖溫帶半濕潤的季風(fēng)氣候區(qū)，雨量適中，四季分明。市區(qū)多年平均降水量583.77 mm，年平均降水日數(shù)96.6天，最長連續(xù)降水日數(shù)13～19天，多出現(xiàn)于秋季，降水強(qiáng)度具有明顯季節(jié)性。降雨量年際變化相差很大，豐、枯相差3倍。降水年內(nèi)分配不均，7至10月降水量占年降水量的60%以上，汛期6、7、8、9四個月徑流量占全市年徑流量的50%，降雨多為短歷時暴雨。土壤復(fù)雜多樣，全市有12個土類，24個亞類，其中風(fēng)成和沖積黃土分布廣泛，屬于黃土地帶；同時在落葉闊葉林植被影響下，褐土廣泛發(fā)育。

1.2 數(shù)據(jù)來源和計(jì)算方法

1.2.1數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源主要有三部分: 第一部分源自統(tǒng)計(jì)資料：《西安市統(tǒng)計(jì)年鑒》(2000-2014年)、《西安市國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》(2000-2014年)、《西安市環(huán)境質(zhì)量報(bào)告書》(2000-2014年)。第二部分源自相關(guān)部門資料：對西安市市容園林局、西安市林業(yè)局和西安市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院2000-2014年相關(guān)資料的收集整理。第三部分源自現(xiàn)場調(diào)研：調(diào)查內(nèi)容包括綠地土壤化肥用量、品種、土壤肥力、灌溉制度等。

1.2.2計(jì)算方法

化肥流失量計(jì)算主要參考類似地區(qū)的研究成果[6-9]估算流失系數(shù)，再用流失系數(shù)計(jì)算流失量。計(jì)算方法如下：

(1)流失量計(jì)算公式：

流失量=施用總量×流失系數(shù)

(1)

(2)流失負(fù)荷量計(jì)算公式：

流失負(fù)荷=流失量/綠地面積

(2)

2 結(jié)果與討論

2.1 西安市綠地發(fā)展?fàn)顩r分析

本文采用綠地率、綠化覆蓋率、人均公園綠地面積等指標(biāo)對2005年到2014西安市年綠地分布狀況進(jìn)行調(diào)查(表1)。結(jié)果顯示，西安市綠地面積呈現(xiàn)逐年擴(kuò)大的趨勢，綠化覆蓋面積、園林綠地面積和人均公園綠地面積的年均增長率分別為14.99%、18.59%和8.86%，表明西安市綠地面積呈現(xiàn)穩(wěn)定增長的趨勢。截止2014年，西安市園林綠地面積約為18 914 hm2，綠化覆蓋面積約為23 217 hm2，綠地率33.93%，綠化覆蓋率為40.84%，人均公園綠地面積11.61 m2，全市道路綠化率為70.32%，新建地面停車場的喬木樹冠覆蓋率達(dá)25.51%，城區(qū)街道綠化率為27.72%。已達(dá)到“國家級園林城市”綠化標(biāo)準(zhǔn)，將于2016年5月將申報(bào)“國家森林城市”。未來，將創(chuàng)建“國家生態(tài)園林城市”，讓西安城市綠化面積超過1億m2。說明西安市綠地系統(tǒng)建設(shè)已逐漸成形，且保持著良好的發(fā)展趨勢。

表1 西安市歷年綠化分布狀況表

注：以上數(shù)據(jù)來自于西安市統(tǒng)計(jì)年鑒，2010年數(shù)據(jù)為全市口徑，2009年以前數(shù)據(jù)為市區(qū)口徑。

2.2 西安市綠地化肥施用狀況分析

2.2.1化肥施用總量逐年變化情況

隨著西安市綠地面積的逐年遞增，化肥施用總量也逐年增加。2000至2014年，西安市綠地化肥施用總量(均指折純量，下同)為7.588萬t(圖1)，且呈現(xiàn)明顯的逐年遞增趨勢，年化肥施用總量從2000 年的0.229萬t 上升至2014 年的1.399萬t，年均遞增率達(dá)18.60%。其中2005-2007年和2008-2010年2個時段的增長率最大，分別為35.29%和26.47%。這主要是因?yàn)檫@兩個時段的綠地面積增幅較大(見表1)，2005年全市正式啟動了廣場綠地建設(shè)工程，建成街頭綠地小廣場239個，總面積達(dá)76.89 hm2，2005-2007年新增公園綠地面積3 733 hm2；2008年西安市又啟動了大綠工程二期項(xiàng)目建設(shè)和渭河流域治理工程，并實(shí)施了浐灞河生態(tài)治理工程，完成了綠化面積353.33多hm2。為了維持這些新增綠地的土壤肥力質(zhì)量，化肥投入量也隨之加大。但將兩個時期的化肥增長率與綠地面積增長率(分別為17.54%和13.75%)對比發(fā)現(xiàn)，化肥施用量的增長率明顯高于綠地面積的，前者高出后者17.75%和12.72%，說明化肥施用量增長過快，其結(jié)果造成土壤氮、磷養(yǎng)分盈余，一經(jīng)流失就會造成水體環(huán)境污染。

圖1 2000-2014年西安市綠地化肥用量變化趨勢圖(均指折純量)

2.2.2化肥品種和結(jié)構(gòu)比例分析

長期以來，西安市綠地化肥施用的品種構(gòu)成較單一，主要是氮肥、磷肥和復(fù)合肥，而鉀肥、微肥、有機(jī)肥的施用較少。氮肥的品種以尿素和碳酸氫銨為主，約占氮肥施用量的70%；磷肥以過磷酸鈣為主，復(fù)合肥和磷酸二銨也占有相當(dāng)大的比重。鉀肥品種以復(fù)合肥為主，占鉀肥施用總量的50%左右，其次為單質(zhì)肥，主要品種為氯化鉀和硫酸鉀。14年來氮肥、磷肥、鉀肥和復(fù)合肥在施用總量中的比重分別為48.2%、8.1%、7.8%、31.8%，可見，磷肥和鉀肥比例偏低(圖2)。從年際變化看，氮肥施用比例呈現(xiàn)逐年降低的趨勢，由2000年的52.5%較低到了2014的46.2%；磷肥和鉀肥的施用比例沒有明顯變化；而復(fù)合肥施用比例則呈明顯的逐年增加趨勢，年平均遞增量達(dá)479.2 t/a，占年化肥總養(yǎng)分遞增量的42.9%，說明化肥的復(fù)合率在增加，但與發(fā)達(dá)國家平均60%的化肥復(fù)合率仍存在較大差距[10]。

圖2 2000-2014西安市綠地化肥施用結(jié)構(gòu)比例圖

將復(fù)合肥的氮、磷、鉀(N∶P2O5∶K2O)比例按1∶0.8∶0.8計(jì)算[11]，得出2000-2014年西安市綠地化肥中氮、磷、鉀的施用比例在1∶(0.17～0.26)∶(0.16～0.24)之間，與世界施用化肥氮磷鉀的平均值1∶0.46∶0.36和我國適宜的氮磷鉀比例1∶(0.4～0.6)∶(0.3～0.5)相比[12]。磷肥和鉀肥施用比例偏低，這樣會造成土壤中因缺乏磷、鉀，從而影響氮的充分吸收，加速了氮的流失，形成惡性循環(huán)；同時長期性的氮肥施用過大或偏施氮肥往往造成土壤板結(jié)，土壤肥力下降，土壤結(jié)構(gòu)被破壞，肥效下降，造成大量磷、鉀的流失。

2.2.3化肥施用強(qiáng)度逐年變化情況

化肥施用強(qiáng)度反映了單位土地面積上的化肥投入量，能較好反映化肥投入對環(huán)境的潛在危害。圖3 反映了化肥單位面積施用量(施用強(qiáng)度)的逐年變化規(guī)律，由圖可見，西安市綠地化肥總量施用強(qiáng)度變化幅度在610.09～739.48 kg/hm2之間，平均施用強(qiáng)度為662.73 kg/hm2。其中，氮肥、磷肥、鉀肥和復(fù)合肥的平均施用強(qiáng)度分別為：318.92、53.72、52.09、212.17 kg/hm2。而發(fā)達(dá)國家為防止化肥對水體污染所設(shè)定的安全閾值為225 kg/hm2，世界平均化肥施用負(fù)荷是104.85 kg/hm2[13]。可見，西安綠地化肥施用強(qiáng)度已遠(yuǎn)超過污染控制上限和世界平均水平，分別是他們的2.95和6.32倍。施肥強(qiáng)度過高，植物不能充分吸收化肥中的養(yǎng)分，在灌溉和降雨過程中，過量的氮、磷將進(jìn)入水體，造成水體環(huán)境污染。

圖3 2000-2014年西安市綠地化肥施用強(qiáng)度變化趨勢圖

圖4反映了從2000年到2014年西安市綠地化肥施用強(qiáng)度的年平均增長率。從總量施用強(qiáng)度的年際變化來看，總體上呈現(xiàn)波動遞增的趨勢。其中，2005、2009、2010、2011和2014年較上一年呈現(xiàn)明顯增長趨勢，其余年份呈現(xiàn)不增長或者減少的趨勢，且5個增長年的增幅呈現(xiàn)遞增趨勢。從化肥施用種類的變化來看，在總量施用強(qiáng)度增長的5個年份中，復(fù)合肥的施用強(qiáng)度增長最為顯著，年均增長率為6.40%；其次為鉀肥，年均增長率為2.09%；氮肥和磷肥接近于零。說明有關(guān)部門已經(jīng)意識到氮、磷肥的流失問題，并調(diào)整了施肥結(jié)構(gòu)，減少氮磷肥的施用比例，而增加鉀肥和復(fù)合肥的施用比例，使得西安市綠地各類化肥的施用比例逐步趨于合理，化肥施用結(jié)構(gòu)不合理的問題正在得到改善。

圖4 2000-2014年西安市綠地化肥施用強(qiáng)度年平均增長率趨勢圖

2.3 西安市綠地化肥流失情況分析

研究表明，我國化肥當(dāng)季利用率平均為30%，其中，氮肥利用率僅為30%～35%，磷肥約為10%～25%，鉀肥為35%～50%[14-16]。化肥的施用量越大，肥料利用率越低，流失到環(huán)境中的數(shù)量也就越大，對生態(tài)環(huán)境的污染程度也就越高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國氮肥的流失率在10%～40%之間，磷肥流失率在10%～30%之間[17]。

流失率與土壤條件(土壤類型、酸堿度、質(zhì)地、結(jié)構(gòu)等)、肥料用量和品種、施肥時期及方法、水肥綜合管理技術(shù)、氣候條件等諸多因素有關(guān)[18,19]。西安市表層土壤的pH值的平均值為8.48，表層土壤中主要以粉粒為主，砂粒和黏粒含量基本相當(dāng)。市區(qū)多年平均降水量583.77 mm，且60%降水量以上集中于秋季。西安市氮肥和磷肥的年平均施用強(qiáng)度分別為318.92和53.72 kg/hm2，處于較高水平。綜合考慮以上因素，將西安市的氮肥、磷肥地面徑流流失系數(shù)分別按10%、5%的隨水流失量保守進(jìn)行估算；氮肥、磷肥通過地下淋溶損失系數(shù)分別按0.55%和0.75%隨水流失量保守進(jìn)行估算。由流失量計(jì)算式(1)計(jì)算得出2000-2014年西安市綠地化肥流失到水環(huán)境中的氮、磷含量(圖5)。

圖5 2000-2014年西安市綠地化肥氮、磷流失量

由圖5可見，西安市綠地施用氮肥年流失量呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢，年均增長率為16.82%。2000-2014年氮肥的年均流失總量達(dá)到483.85 t/a，其中，地面徑流年均流失量為458.62 t/a，地下淋溶年均流失量為25.22 t/a。磷肥年流失量也呈現(xiàn)逐年增加的趨勢，年均增長率為18.45%，年均流失總量達(dá)到80.22 t/a，其中，地面徑流量達(dá)69.75 t/a，地下淋溶流失量達(dá)10.46 t/a。由此可見，氮肥流失量遠(yuǎn)大于磷肥，且地面徑流流失量遠(yuǎn)大于地下淋溶流失量。表明西安市綠地化肥的施用對環(huán)境有潛在的污染風(fēng)險(xiǎn)，其中，氮肥對面源污染的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于磷肥；對地表水體的污染遠(yuǎn)大于對地下水的污染。此外，根據(jù)流失負(fù)荷計(jì)算式(1)，得出西安市綠地土壤氮、磷肥的地面徑流年均流失負(fù)荷分別為40.06和5.59 kg/(hm2·a)，總負(fù)荷為46.01 kg/(hm2·a)。研究表明當(dāng)河流、湖泊、水庫、塘壩等水體中的總磷質(zhì)量濃度大于0.02 mg/L，全氮達(dá)0.2～0.5 mg/L以上時，即被視為富營養(yǎng)化水體[20]。西安市綠地土壤氮、磷的流失濃度遠(yuǎn)大于這標(biāo)準(zhǔn)，使得周邊河網(wǎng)水環(huán)境承受重大的污染壓力。

3 結(jié) 論

(1)西安市綠地面積呈現(xiàn)逐年擴(kuò)大的趨勢，綠化覆蓋面積、園林綠地面積和人均公園綠地面積年均增長率分別為14.99%、18.59%和8.86%。

(2)隨著西安市綠地面積的逐年遞增，化肥施用總量也逐年增加，從2000 年的0.229萬t 上升至2014 年的1.399萬t，年均遞增率達(dá)18.60%。且化肥增長率大于綠地面積增長率，造成氮、磷養(yǎng)分盈余。

(3)西安市綠地化肥施用品種單一，且施肥結(jié)構(gòu)不合理，即重視氮肥施用，輕施用磷肥和鉀肥。14年來氮肥、磷肥、鉀肥和復(fù)合肥在施用總量中的比重分別為48.22%、8.14%、7.85%、31.75%，氮、磷、鉀的結(jié)構(gòu)比例在1∶(0.17～0.26)∶(0.16～0.24)之間。長期性的偏施氮肥造成土壤板結(jié)，土壤肥力下降，土壤結(jié)構(gòu)被破壞，肥效下降，加速了氮、磷的流失，形成惡性循環(huán)。

(4)西安市綠地化肥施用強(qiáng)度總體偏高，年平均施用強(qiáng)度達(dá)662.73 kg/hm2，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出發(fā)達(dá)國家污染控制上限和世界平均水平，分別是他們的2.95和6.32倍。施肥強(qiáng)度過高，造成過量的氮、磷隨灌溉和降雨進(jìn)入水體，造成水體環(huán)境污染。

(5)2000-2014年氮、磷肥流失總量達(dá)564.06 t/a，其中氮、磷肥流失量分別為483.85和80.22 t/a；地面徑流和地下淋溶流失量分別為528.37和35.69 t/a，表明氮肥對面源污染的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于磷肥；化肥流失對地表水體的污染遠(yuǎn)大于對地下水的污染。

(6)由于綠地面積的逐年擴(kuò)大和施肥量的增加，綠地化肥流失污染對水環(huán)境的污染風(fēng)險(xiǎn)將進(jìn)一步顯現(xiàn)出來，因此，有關(guān)部門應(yīng)當(dāng)加以重視，及時采取改良化肥品種、調(diào)整化肥施用比例、改革化肥施用方法、用量和時間、調(diào)整灌溉方式等措施，以減輕污染風(fēng)險(xiǎn)。

□

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