基于“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”模型的化肥農(nóng)藥減施增效環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測指標(biāo)體系研究*

何 蓉 邵超峰

(南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350)

為追求農(nóng)作物增產(chǎn)，我國已成為全球典型的化肥農(nóng)藥投入量增速遠(yuǎn)大于農(nóng)作物產(chǎn)量增速的國家，目前我國化肥和農(nóng)藥的平均施用強(qiáng)度分別達(dá)503.9、11.0 kg/hm2，是世界平均水平的2.5倍以上，但利用率僅為30%～40%，比發(fā)達(dá)國家低15～30百分點(diǎn)[1-5]。由于化肥農(nóng)藥的過量施用引發(fā)了嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)面源污染，破壞了農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，部分地區(qū)農(nóng)田土壤質(zhì)量嚴(yán)重下降，也對農(nóng)產(chǎn)品安全產(chǎn)生了隱患。

2016年，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目啟動首批試點(diǎn)專項(xiàng)，其中設(shè)置了“化學(xué)肥料和農(nóng)藥減施增效綜合技術(shù)研發(fā)”重點(diǎn)專項(xiàng)，開始構(gòu)建科學(xué)的化肥農(nóng)藥減施增效方法和技術(shù)體系。2018年7月，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部印發(fā)了《農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展技術(shù)導(dǎo)則(2018—2030 年)》，將27項(xiàng)化肥農(nóng)藥減施增效技術(shù)納入我國現(xiàn)階段需要重點(diǎn)研發(fā)的綠色生產(chǎn)技術(shù)之中，主要是有機(jī)肥替代化肥、測土配方精準(zhǔn)施肥、調(diào)優(yōu)施肥結(jié)構(gòu)、生物防治病蟲害、物理防控病蟲害等5類。

長期以來，學(xué)術(shù)界一直關(guān)心的是化肥農(nóng)藥本身的環(huán)境效應(yīng)，也建立了相應(yīng)的評價(jià)體系[6-8]，但忽略了化肥農(nóng)藥減施增效可能產(chǎn)生的二次環(huán)境與生態(tài)問題。本研究利用“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”(PSR)模型[9]，考慮化肥農(nóng)藥減施增效技術(shù)在田塊尺度引發(fā)的環(huán)境問題及其表現(xiàn)形式，建立了田塊尺度化肥農(nóng)藥減施增效環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測指標(biāo)體系，并推廣到區(qū)域尺度，以期為化肥農(nóng)藥減施增效技術(shù)的優(yōu)選提供評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1 化肥農(nóng)藥減施增效環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測指標(biāo)體系框架

化肥農(nóng)藥減施增效環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測指標(biāo)體系的PSR模型中，“壓力”是指化肥農(nóng)藥減施增效技術(shù)實(shí)施后的化肥和農(nóng)藥施用情況及技術(shù)應(yīng)用情況；“狀態(tài)”是指上述壓力下的環(huán)境污染水平，包括水環(huán)境污染水平、大氣環(huán)境污染水平、土壤環(huán)境污染水平、環(huán)境生物影響及農(nóng)作物產(chǎn)量與質(zhì)量5個(gè)方面；“響應(yīng)”是指人類為恢復(fù)或保護(hù)環(huán)境狀態(tài)而采取的科技與管理措施。化肥農(nóng)藥減施增效環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測指標(biāo)體系框架如圖1所示。

圖1 化肥農(nóng)藥減施增效環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測指標(biāo)體系框架Fig.1 Framework of index system for environmental effects monitoring of chemical fertilizers and pesticides dosage reduction and efficiency improvement

2 田塊尺度化肥農(nóng)藥減施增效環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測指標(biāo)體系確定

田塊尺度是化肥農(nóng)藥減施增效環(huán)境效應(yīng)評價(jià)的最基本尺度，因此首先建立田塊尺度化肥農(nóng)藥減施增效環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測指標(biāo)體系。

依據(jù)科學(xué)性、靈敏性、可操作性和主導(dǎo)性的原則，識別出能夠表達(dá)田塊尺度化肥農(nóng)藥減施增效環(huán)境效應(yīng)的指示性和表征性指標(biāo)，按照壓力指標(biāo)、狀態(tài)指標(biāo)、響應(yīng)指標(biāo)3個(gè)一級指標(biāo)進(jìn)行分類，構(gòu)建田塊尺度化肥農(nóng)藥減施增效環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測指標(biāo)體系。

(1) 壓力指標(biāo)

基于我國農(nóng)業(yè)種植過程中化肥農(nóng)藥大量施用的實(shí)際情況，開展了化肥農(nóng)藥減施增效技術(shù)的推廣應(yīng)用工作。因此壓力指標(biāo)應(yīng)能體現(xiàn)化肥農(nóng)藥減施增效技術(shù)實(shí)施后的化肥和農(nóng)藥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)際施用情況及減施增效技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用情況。

① 化肥施用情況。包括化肥品種、施肥方法、施肥時(shí)間、施肥強(qiáng)度及施肥量。

② 農(nóng)藥施用情況。包括農(nóng)藥品種、施藥方法、施藥時(shí)間、施藥強(qiáng)度、施藥量及防治對象。

③ 減施增效技術(shù)應(yīng)用情況。根據(jù)所采用的具體化肥農(nóng)藥減施增效技術(shù)而定。

(2) 狀態(tài)指標(biāo)

① 水環(huán)境污染水平?；诨屎娃r(nóng)藥的污染發(fā)生規(guī)律，借鑒農(nóng)田面源污染排放系數(shù)的獲取思路[10]，確定地表水的監(jiān)測指標(biāo)包括總氮、總磷和主要使用農(nóng)藥，確定地下水的監(jiān)測指標(biāo)包括總氮和主要使用農(nóng)藥。由于并非所有減施增效技術(shù)都有重金屬污染[11],[12]46，因此重金屬為選測指標(biāo)。一般地，對于北方小麥、玉米、設(shè)施蔬菜等農(nóng)作物田塊，化肥農(nóng)藥對水體的影響一般只涉及地下水；對于南方水稻、茶葉等農(nóng)作物田塊，化肥農(nóng)藥既影響地下水又影響地表水；而對于果樹田塊，由于其根系較深，地下淋溶量相對較少，通常只考慮對地表水的影響。

② 大氣環(huán)境污染水平?；适┯脮?dǎo)致田塊溫室氣體大量排放[13]，選擇較為敏感的N2O來表征減施增效對田塊溫室氣體排放的影響。此外，由于稻田還會產(chǎn)生CH4[14]，而化肥的施用對稻田CH4排放起關(guān)鍵作用[15]，因此對于稻田，還需考慮CH4的排放。農(nóng)藥通過揮發(fā)進(jìn)入空氣中，造成田塊局部揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)升高[16]，因此還需監(jiān)測大氣中的總VOCs。

③ 土壤環(huán)境污染水平。施入農(nóng)田的化肥和農(nóng)藥大部分殘留于土壤之中[17]，因此土壤中化肥和農(nóng)藥殘留濃度是一項(xiàng)很重要的化肥農(nóng)藥減施增效環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測指標(biāo)，選擇土壤有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷和主要使用農(nóng)藥濃度用于土壤環(huán)境污染水平的表征。此外，根據(jù)具體的減施增效技術(shù)特點(diǎn)確定是否加測重金屬。

④ 環(huán)境生物影響。化肥農(nóng)藥減施增效技術(shù)的應(yīng)用可能會對環(huán)境生物產(chǎn)生影響[18]，主要監(jiān)測指標(biāo)選擇生物多樣性和指示生物數(shù)量。

⑤ 農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量。調(diào)查結(jié)果顯示，農(nóng)民最在意化肥農(nóng)藥減施增效技術(shù)是否會降低農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量[19]。因此，農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量是衡量減施增效技術(shù)是否值得推廣的重要指標(biāo)。農(nóng)作物的質(zhì)量用農(nóng)作物農(nóng)藥殘留量來表征，若存在重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)，則還需加測農(nóng)作物重金屬殘留量。

(3) 響應(yīng)指標(biāo)

化肥農(nóng)藥減施增效技術(shù)應(yīng)用在我國還處于起步階段，環(huán)境效應(yīng)還不清楚，因此響應(yīng)指標(biāo)目前以化肥農(nóng)藥減施增效的環(huán)境影響預(yù)防為主，包括化肥農(nóng)藥減施增效技術(shù)使用率、化肥農(nóng)藥監(jiān)測體系建立情況和田間生物檢疫與管理體系建立情況的科技與管理措施。

考慮到不同的化肥農(nóng)藥減施增效技術(shù)存在不同的環(huán)境隱患，最終產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)也不同。因此，針對有機(jī)肥替代化肥、測土配方精準(zhǔn)施肥、調(diào)優(yōu)施肥結(jié)構(gòu)、生物防治病蟲害、物理防控病蟲害等5類化肥農(nóng)藥減施增效技術(shù)構(gòu)建了5套具體的環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測指標(biāo)體系。

2.1 有機(jī)肥替代化肥的環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測指標(biāo)體系

有機(jī)肥替代化肥的主要危害可能會造成重金屬污染、抗生素殘留、微生物污染等[20-26]。同時(shí)，結(jié)合現(xiàn)有的監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)，考慮實(shí)際監(jiān)測的可操作性，建立有機(jī)肥替代化肥的環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測指標(biāo)體系如表1所示。

表1 有機(jī)肥替代化肥的環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測指標(biāo)體系

2.2 測土配方精準(zhǔn)施肥的環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測指標(biāo)體系

測土配方精準(zhǔn)施肥在實(shí)施的過程中，很有可能出現(xiàn)技術(shù)效果發(fā)揮不佳、引發(fā)缺素癥、影響農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量等問題[27]106，因此其環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量變化，指標(biāo)體系如表2所示。

表2 測土配方精準(zhǔn)施肥的環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測指標(biāo)體系

2.3 調(diào)優(yōu)施肥結(jié)構(gòu)的環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測指標(biāo)體系

調(diào)優(yōu)施肥結(jié)構(gòu)有可能造成燒苗、毒害農(nóng)作物等惡果，影響農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，同時(shí)微量元素肥的使用還有可能造成土壤及農(nóng)作物重金屬污染[12]46，其環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測指標(biāo)體系如表3所示。

表3 調(diào)優(yōu)施肥結(jié)構(gòu)的環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測指標(biāo)體系

注：1)根據(jù)《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》(GB 2762—2017)進(jìn)行評價(jià)。

2.4 生物防治病蟲害的環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測指標(biāo)體系

生物防治病蟲害能夠有效減少農(nóng)藥的使用，但也有可能引發(fā)生物入侵、破壞農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)等風(fēng)險(xiǎn)[27]108，其環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測指標(biāo)體系如表4所示。

表4 生物防治病蟲害的環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測指標(biāo)體系

2.5 物理防控病蟲害的環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測指標(biāo)體系

物理防控病蟲害若使用不慎，可能會誤殺害蟲天敵，從而破壞農(nóng)田生態(tài)平衡[28]，其環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測指標(biāo)體系如表5所示。

表5 物理防控病蟲害的環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測指標(biāo)體系

3 區(qū)域尺度化肥農(nóng)藥減施增效環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測指標(biāo)體系確定

從區(qū)域尺度考慮，指標(biāo)應(yīng)能反映宏觀情況。基于已建立的田塊尺度化肥農(nóng)藥減施增效環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測指標(biāo)體系構(gòu)建區(qū)域尺度化肥農(nóng)藥減施增效環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測指標(biāo)體系。由田塊尺度的監(jiān)測指標(biāo)體系擴(kuò)展到區(qū)域尺度的指標(biāo)體系，結(jié)果見表6。

4 結(jié) 語

根據(jù)PSR模型，構(gòu)建了化肥農(nóng)藥減施增效環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測指標(biāo)體系框架。針對我國5類典型化肥農(nóng)藥減施增效技術(shù)(有機(jī)肥替代化肥、測土配方精準(zhǔn)施肥、調(diào)優(yōu)施肥結(jié)構(gòu)、生物防治病蟲害、物理防控病蟲害)分別建立了田塊尺度上的具體化肥農(nóng)藥減施增效環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測指標(biāo)體系。在此基礎(chǔ)上，建立了區(qū)域尺度上化肥農(nóng)藥減施增效環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測指標(biāo)體系。

表6 區(qū)域尺度化肥農(nóng)藥減施增效環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測指標(biāo)體系

注：1)根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)進(jìn)行評價(jià)；2)根據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)進(jìn)行評價(jià)；3)根據(jù)《農(nóng)區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(NY/T 397—2000)進(jìn)行評價(jià)；4)根據(jù)《全國耕地類型區(qū)域、耕地地力等級劃分》(NY/T 309—1996)進(jìn)行評價(jià)；5)根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—2018)進(jìn)行評價(jià)；6)根據(jù)GB 2762—2017進(jìn)行評價(jià)；7)根據(jù)《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中農(nóng)藥最大殘留限量》(GB 2763—2016)進(jìn)行評價(jià)。