貴州省化肥施用時(shí)空分異及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

薛超 田若蘅 雷永疆 楊連心

[摘 要]本文選擇貴州省地市（州）為研究區(qū)域，采用化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)模型，分析貴州省1996—2015年間化肥施用的時(shí)空分析特征，定量評(píng)估化肥施用存在的潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，確定化肥施用存在環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)的重點(diǎn)區(qū)域。結(jié)果表明：以中國(guó)的化肥施用生態(tài)安全閾值250kg/hm-2來看，近20年來，貴州省化肥施用長(zhǎng)期處于過量施用狀態(tài)，施用量呈上升趨勢(shì)，化肥施用年均增長(zhǎng)率達(dá)3.5%。2015年貴州省的化肥施用強(qiáng)度為587.98kg/hm-2，是同年全國(guó)化肥平均施用強(qiáng)度446.12kg/hm-2的1.32倍，為化肥投入高水平區(qū)域。其中，貴州的化肥投入空間差異明顯，貴陽(yáng)的化肥施用強(qiáng)度最高為679kg/hm-2，而黔東南州的化肥施用強(qiáng)度最低為429kg/hm-2，兩者化肥施用強(qiáng)度差異達(dá)1.58倍。2015年貴州省的化肥施用的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)程度為中度風(fēng)險(xiǎn)，但是貴陽(yáng)市和安順市處于重度風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，貴州各地區(qū)存在重度的氮肥污染環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，貴陽(yáng)市與六盤水市氮肥施用的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)達(dá)嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)，尤為突出。

[關(guān)鍵詞]面源污染;化肥施用強(qiáng)度;環(huán)境風(fēng)險(xiǎn);貴州省

[中圖分類號(hào)]X592 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

化肥對(duì)糧食安全做出巨大貢獻(xiàn)，但化肥施用結(jié)構(gòu)不合理和過量施用等問題也日益突出，造成化肥利用率低、土地硬化、農(nóng)業(yè)面源污染和糧食產(chǎn)量下降等次生影響?；实氖┯梅绞胶侠砼c否直接影響到耕地的質(zhì)量，進(jìn)而影響到糧食質(zhì)量，乃至對(duì)人類生存發(fā)展造成影響。因此，如何保持清潔的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展成為新時(shí)代下需要解決的問題。

貴州是中國(guó)的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大省，關(guān)于貴州農(nóng)業(yè)污染的防治受到廣泛關(guān)注。有學(xué)者對(duì)貴州省的蔬菜重金屬污染狀況進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)52.1%菜地中鎘含量超標(biāo)，并且土壤中的鎘正在不斷地累積;通過對(duì)市售化肥進(jìn)行抽樣分析，就化肥成分中重金屬的合理分配與否分析造成農(nóng)村污染的影響因素;通過建立貴州農(nóng)業(yè)面源污染調(diào)查與監(jiān)測(cè)制度，使農(nóng)業(yè)面源污染防治在內(nèi)容上、范圍上、責(zé)任劃分上進(jìn)一步完善;同時(shí)不斷完善水污染防治法律體系，彌補(bǔ)貴州省農(nóng)村水污染保護(hù)理論研究的不足。

以上研究為探索貴州省農(nóng)業(yè)污染現(xiàn)狀和未來貴州省農(nóng)業(yè)污染防治工作提供了重要指導(dǎo)。但是針對(duì)貴州省的化肥污染現(xiàn)狀和未來潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的研究較少。筆者引入環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，從化肥施用角度對(duì)貴州省的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，為貴州省農(nóng)業(yè)進(jìn)行合理的化肥施用管理、維持生態(tài)系統(tǒng)健康和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是指在社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)過程中，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境、人類健康等已經(jīng)造成的損失或潛在危害進(jìn)行評(píng)估，并提供相關(guān)建議和解決對(duì)策的過程。本文采用劉欽普研究中構(gòu)建的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，該模型綜合了環(huán)境安全閾值、環(huán)境影響權(quán)重和農(nóng)作物復(fù)種指數(shù)等多種影響因素，使環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)通過更加科學(xué)的方法測(cè)算出結(jié)果。其具體公式為：

（i=N、P、K）（1）

（i=N、P、K）（2）

公式（1）、（2）中，F(xiàn)i表示單類化肥施用強(qiáng)度，m表示農(nóng)作物復(fù)種指數(shù)，u表示化肥利用率，Ti為單類化肥施用的安全閾值，Hi表示單類化肥環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，Wi表示單類化肥的權(quán)重系數(shù)，Rt表示總肥的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。

以化肥利用率為50%、復(fù)種指數(shù)為1為參照，依據(jù)化肥施用強(qiáng)度與環(huán)境安全閾值的倍數(shù)，把化肥環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)程度分為6個(gè)不同的等級(jí)（表1），當(dāng)化肥施用強(qiáng)度越大，風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)越趨近于1，反之趨近于0。當(dāng)環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)等于0.5時(shí)，是環(huán)境安全與否的分界點(diǎn)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文所需化肥施用量、耕地面積等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要來自《貴州統(tǒng)計(jì)年鑒》和《貴州六十年》，對(duì)于年鑒中部分年份的耕地面積數(shù)據(jù)缺失情況，本文采用相近年份數(shù)據(jù)進(jìn)行插值擬合進(jìn)行補(bǔ)充。由于時(shí)間跨度較大，通過綜合《生態(tài)縣、生態(tài)市、生態(tài)省建設(shè)指標(biāo)（修訂稿）》和《國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)示范村鎮(zhèn)指標(biāo)（試行）》文件的意見得到化肥施用強(qiáng)度的生態(tài)標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 貴州省化肥施用時(shí)空分析

2.1.1 化肥施用時(shí)間分析

上個(gè)世紀(jì)九十年代中期以后，貴州省的化肥施用量經(jīng)過了一個(gè)顯著的增長(zhǎng)階段。從1996年的61萬(wàn)t增長(zhǎng)到2015年的103.69萬(wàn)t，增長(zhǎng)率達(dá)到70%，其中氮肥的增長(zhǎng)波動(dòng)幅度和總化肥施用量的增長(zhǎng)波動(dòng)幅度相似，表明氮肥施用量在貴州省總化肥施用量中占據(jù)主體地位;磷肥呈現(xiàn)出先減少后增長(zhǎng)的u型變化，總體呈上漲的趨勢(shì);鉀肥總量呈現(xiàn)緩慢的上漲趨勢(shì)，但是增加幅度大，增加了2.86倍;復(fù)合肥呈現(xiàn)出明顯的上漲趨勢(shì)，增長(zhǎng)率達(dá)192%，成為貴州省化肥施用量增長(zhǎng)的主要?jiǎng)恿?，表明貴州省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者積極采取新型復(fù)合肥，不斷改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。

20年間，貴州省的糧食產(chǎn)量得到較大提升，1996年糧食產(chǎn)量突破1000萬(wàn)t，糧食單產(chǎn)從1996的3465kg/hm-2增長(zhǎng)到2008的3 960kg/hm-2，增長(zhǎng)率達(dá)14.29%。由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式滯后，農(nóng)業(yè)快速發(fā)展多以土壤肥力為代價(jià)和單一地增加化肥投入量，因此造成化肥利用率的降低。2011—2013年貴州省的糧食產(chǎn)量不斷下降，但化肥施用量卻不斷上升，表明化肥施用量對(duì)貴州省糧食產(chǎn)量的影響不斷下降，側(cè)面反映出土地質(zhì)量不斷下降。

2.1.2 化肥施用空間分析

本文選取研究區(qū)1996年和2015年的相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算得出氮、磷、鉀肥和全省總化肥施用強(qiáng)度（表2和表3）。

（1）全省化肥施用強(qiáng)度大。1996年貴州省的化肥平均施用強(qiáng)度為330.49kg/hm-2，是同年全國(guó)化肥平均施用強(qiáng)度403.06kg/hm-2的0.82倍，而2015年貴州省的化肥平均施用強(qiáng)度為587.98kg/hm-2，是同年全國(guó)化肥平均施用強(qiáng)度446.12kg/hm-2的1.32倍，是國(guó)家示范村鎮(zhèn)指標(biāo)220kg/hm-2的2.67倍。20年間，貴州省的化肥施用強(qiáng)度不斷上漲，從330.49kg/hm-2上漲到587.98kg/hm-2，增長(zhǎng)了77.91%，增長(zhǎng)速度較快;氮肥施用強(qiáng)度從212.33kg/hm-2增長(zhǎng)到352.79kg/hm-2，增長(zhǎng)了66.15%;磷肥施用強(qiáng)度從84.55kg/hm-2增長(zhǎng)到124.77kg/hm-2，增長(zhǎng)了47.57%;鉀肥施用強(qiáng)度增長(zhǎng)最快，從33.61kg/hm-2增長(zhǎng)到110.42kg/hm-2，增長(zhǎng)了228.53%。

（2）化肥施用強(qiáng)度區(qū)域差異大。化肥施用強(qiáng)度最高的貴陽(yáng)市679kg/hm-2，是化肥施用強(qiáng)度最低的黔東南州429kg/hm-2的1.58倍。1996年到2015年化肥施用強(qiáng)度增長(zhǎng)最快的黔南州366.78kg/hm-2，是增長(zhǎng)最慢的畢節(jié)市165.14kg/hm-2的2.22倍。極值比大于2，表明各地區(qū)之間的化肥施用強(qiáng)度差異顯著。氮肥施用強(qiáng)度增長(zhǎng)最快的是六盤水市235.85kg/hm-2，增長(zhǎng)最慢的是黔東南州81.38kg/hm-2;磷肥施用強(qiáng)度增長(zhǎng)最快的是銅仁市95.67kg/hm-2，出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)的是貴陽(yáng)市-32.96kg/hm-2和畢節(jié)市-26.94kg/hm-2;鉀肥施用強(qiáng)度增長(zhǎng)最快的是貴陽(yáng)市112.97kg/hm-2，增長(zhǎng)最慢的是黔西南州29.8kg/hm-2，表明了貴州省各地區(qū)間化肥施用強(qiáng)度增長(zhǎng)的不平衡。

（3）氮、磷、鉀肥的比例不斷趨于合理。發(fā)達(dá)國(guó)家的氮、磷、鉀肥比例是1：0.5：0.5，以此為標(biāo)準(zhǔn)，1996年貴州省的氮、磷、鉀肥平均比例協(xié)調(diào)性和發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定差距，均沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn);2015年貴州省的氮、磷、鉀肥平均比例較1996年更加合理，從1996年的1：0.4：0.15協(xié)調(diào)為2015年的1：0.37：0.32，該比例不斷向適宜中國(guó)的氮、磷、鉀比例（1：0.4～0.45：0.4～0.5）靠近，表明磷肥和鉀肥的施肥結(jié)構(gòu)不斷得到優(yōu)化。

20年間，貴州省的化肥施用量總體上呈現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì)，氮肥主導(dǎo)了貴州省的化肥施用量，而過度地施用氮肥會(huì)造成一系列生態(tài)環(huán)境問題，甚至可能影響到人類的生存發(fā)展。貴州省的黃壤旱地玉米氮肥利用率平均為40.6%，而氮、磷、鉀肥合理地配合施用比單施氮肥的化肥利用率高6%?？梢姡F州省可以減少氮肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中的施用量，將氮、磷、鉀肥三者優(yōu)化配置、綜合利用，以此提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，協(xié)調(diào)好農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境兩者之間的關(guān)系。

2.2 貴州省化肥污染環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

為保證研究準(zhǔn)確性，參考了《生態(tài)縣、生態(tài)市、生態(tài)省建設(shè)指標(biāo)（修訂稿）》中的參考性指標(biāo)250kg/hm-2和《國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)示范村鎮(zhèn)指標(biāo)（試行）》中的約束性指標(biāo)220kg/hm-2，將生態(tài)安全閾值定為240kg/hm-2。氮、磷、鉀肥的養(yǎng)分比例是參照發(fā)達(dá)國(guó)家1：0.5：0.5標(biāo)準(zhǔn)，以此確定氮肥的安全閾值為120kg/hm-2，磷肥和鉀肥的安全閾值為60kg/hm-2。根據(jù)相關(guān)研究，貴州省的農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險(xiǎn)受氮、磷肥影響較大，受鉀肥影響較小，確定出氮、磷、鉀肥的權(quán)重系數(shù)分別為0.634、0.216、0.149。各類化肥被土壤吸收利用的能力有差異，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行化肥利用率修正，氮肥為27.28%、磷肥為26.03%、鉀肥為36.25%。

由圖2可得，2015年貴州省化肥施用的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)是0.72，屬于中度風(fēng)險(xiǎn)，氮肥的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)是0.76、磷肥的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)是0.70、鉀肥的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)是0.59，分別屬于重度、中度和低度風(fēng)險(xiǎn)。其中安順市和貴陽(yáng)市的化肥污染風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)處于0.76～0.80，為重度風(fēng)險(xiǎn)，其余的6個(gè)地級(jí)市為中度風(fēng)險(xiǎn)（圖2A）。氮肥風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為0.76，處于重度風(fēng)險(xiǎn)，其中貴陽(yáng)市和六盤水市的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)處于0.81～0.85，為嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)，安順市、黔西南州和黔南州為重度風(fēng)險(xiǎn)，遵義市、畢節(jié)市、銅仁市和黔東南州為中度風(fēng)險(xiǎn)（圖2B）。較氮肥相比，磷肥風(fēng)險(xiǎn)程度情況較好，風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為0.70，處于中度風(fēng)險(xiǎn)，其中安順市和貴陽(yáng)市處于0.76～0.80，為重度風(fēng)險(xiǎn)，其余7個(gè)地級(jí)市為中度風(fēng)險(xiǎn)（圖2C）。相比前兩者，貴州省的鉀肥風(fēng)險(xiǎn)程度最好，風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為0.59，處于低度風(fēng)險(xiǎn)，其中貴陽(yáng)市的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為0.75，處于中度風(fēng)險(xiǎn)，其余8個(gè)地級(jí)市處于低度風(fēng)險(xiǎn)（圖2D）?？偟膩碚f，貴州省氮、磷肥環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)高于鉀肥，在空間上呈現(xiàn)貴州中部、西部和南部偏高的特點(diǎn)。

2.3 貴州省化肥污染產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)

貴州省現(xiàn)有化肥施用結(jié)構(gòu)已經(jīng)造成不良環(huán)境效應(yīng)。長(zhǎng)期施用胺態(tài)氮肥，會(huì)導(dǎo)致土壤板結(jié)和肥力下降，而硝態(tài)氮肥通過反硝化作用可還原成N2和N2O等氣體，這些氣體進(jìn)入到大氣中，對(duì)臭氧層造成不利影響。2015年貴州省主要河流的水質(zhì)良好，地表水質(zhì)量以Ⅰ～Ⅲ類水質(zhì)為主，其中烏江水系水質(zhì)為Ⅳ、Ⅴ類占9.7%、劣于Ⅴ類占9.7%。烏江水系經(jīng)過安順市和貴陽(yáng)市，這兩個(gè)市的化肥風(fēng)險(xiǎn)程度均為重度風(fēng)險(xiǎn)，受影響較大。過量施用磷肥會(huì)導(dǎo)致水體的富營(yíng)養(yǎng)化，烏江水庫(kù)的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度較高，枯、豐水期均為中—富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，且呈現(xiàn)出輕度的富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)。貴陽(yáng)市紅楓湖的沉積物中Mn主要以鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)存在，Cd主要以可交換形態(tài)存在，元素Db、Cu、Cr、Zn、Ni、Fe主要以殘?jiān)鼞B(tài)存在，并且Cu的KSPEF平均值達(dá)到22.7，表明受到了人為污染。在三岔河水質(zhì)檢測(cè)的5個(gè)采樣點(diǎn)中，有3個(gè)采樣點(diǎn)位于安順市境內(nèi)的河流沿岸，沿岸多為耕地，存在農(nóng)業(yè)面源污染，水質(zhì)較差。以上出現(xiàn)的貴州省化肥污染環(huán)境效應(yīng)，表明在未來要調(diào)整化肥施用量和優(yōu)化化肥施用結(jié)構(gòu)，減少因化肥而產(chǎn)生的環(huán)境污染。

3 結(jié)論

本文以貴州省為例，借助化肥污染環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，從時(shí)間序列角度探討20年間化肥施用量的變化，從空間格局角度探討了化肥施用強(qiáng)度的地區(qū)差異和化肥污染風(fēng)險(xiǎn)程度的地區(qū)不平衡性，得出以下結(jié)論：

（1）貴州省的化肥總量增長(zhǎng)快，由1996年的61萬(wàn)t增長(zhǎng)到2015年的103.69萬(wàn)t，增長(zhǎng)了70%，并且呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(shì)。

（2）貴州省的化肥施用強(qiáng)度明顯過量，2015年貴州省的化肥施用強(qiáng)度587.98kg/hm-2超過了國(guó)家生態(tài)文明示范村鎮(zhèn)指標(biāo)220kg/hm-2?；适┯脧?qiáng)度區(qū)域之間差異大，增長(zhǎng)最快的黔南布依族苗族自治州366.78kg/hm-2，是增長(zhǎng)最慢的畢節(jié)市165.14kg/hm-2的2.22倍。

（3）2015年貴州省化肥施用風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)是0.72，屬于中度風(fēng)險(xiǎn)，其中貴陽(yáng)市和六盤水市屬于重度風(fēng)險(xiǎn);氮肥和磷肥的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)程度均高于鉀肥，高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)集中于貴州的中部、西部和南部地區(qū)。

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