基于GIS的海河流域农田氮磷肥施用环境风险评价

王道芸 ，胡海棠 ，李存军 ，刘 荣 ，陈梦露

（1.东华理工大学测绘工程学院，江西南昌330013；2.北京农业信息技术研究中心，北京100097）

近年来，我国人口数量不断增加，人均耕地面积随之减少，盲目及不合理的化肥施用导致的环境污染问题，引起了国内外的广泛关注[1-2]。在农业生产过程中，氮磷是农作物生长、发育所需的必要营养元素，适宜的氮肥施肥量可以有效提高作物产量，但氮肥过量容易导致营养过剩、群体过大，进而影响作物的成熟期[3-4]。我国是世界上化肥施用量最大的国家，由于施肥技术落后及肥料利用率低等原因，使得农田氮磷通过地表径流和地下淋溶等方式进入水体，最终造成水体富营养化。2010年第一次全国污染普查结果显示，由农业面源污染产生的总氮、总磷的排放量分别占同期全国总氮、总磷排放总量的57.2%，67.4%。结果表明，农田化肥超量施用是导致水环境恶化的主要来源[5-7]。根据我国统计局相关数据，2013年我国农田化肥施用量为5.91×107t，与发达国家相比，化肥利用率较低，其中，氮肥利用率在30%～40%，磷肥利用率小于20%，如氮肥不合理施用是黄淮海粮食产区存在的模式，大量氮肥的施用导致该区域耕地退化、作物产量下降，同时引发严重的环境污染问题[8]。到2015年，我国化肥施用量达到5.7×107t，单位面积化肥施用量远远超过世界平均水平[9]。因此，2015年我国政府提出了农田化肥农药“零增长”的方案，方案指出，到2020年，我国主要作物的化肥施用量要达到“零增长”的目标，且化肥利用率达到40%以上[10]。由此可见，定量估算农田化肥施用环境风险指数、快速识别化肥施用污染环境高风险区，是有效防止农业面源污染的重要前提。

针对农田化肥安全施用量，国内研究人员已进行了大量相关研究。周萍等[10]研究认为，湖北省潜江市浩口镇水稻的最佳施磷量为66 kg/hm2。朱兆良等[11]研究认为，我国粮食作物的氮肥平均安全用量在150～180 kg/hm2较适宜。邓树元等[12]研究表明，当冬小麦产量达到6 500 kg/hm2时，氮、磷、钾肥适宜量分别为 180，120，75 kg/hm2。马文奇[13]研究表明，山东省小麦的氮、磷、钾肥安全施用量分别为180，75，75 kg/hm2，玉米的氮、磷、钾肥安全施用量分别为 180，60，75 kg/hm2。吴良泉等[14]研究表明，我国玉米主产区氮、磷、钾肥平均推荐量分别为181，75，54 kg/hm2。以上研究为农田合理施肥提供了参考价值，从而为有效防止农田氮磷面源污染及环境风险评价建立了基础依据。海河流域作为我国政治、文化、经济建设中心，近年来却成为8个重点保护流域之一。“十二五面源污染报告”指出，8个重点保护流域中农田氮、磷总平均施肥量分别为375，180 kg/hm2，而海河流域的氮、磷施肥量分别为495，240 kg/hm2，污染程度排第 2 位。

本试验以海河流域为研究区，以地级市为研究单元，基于统计数据对流域农田氮、磷施用环境风险指数进行定量估算，借助GIS技术进一步分析氮、磷施用对环境污染等级，旨在为相关环境保护工作者提供参考依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

海河流域位于东经 112°～120°，北纬 30°～43°，包括北京、天津、山东、山西、河南、河北、辽宁及内蒙古8个省（区、市）。流域总面积为31.82万km2，占全国总面积的3.3%。流域地势呈现西北高东南低，大致分为高原、山地及平原3种地貌。研究区属于温带东亚季风气候区，年平均气温在1.5～14℃，年平均相对湿度为50%～70%；年平均降水量为535 mm，是我国东部沿海地区降水最少的地区。流域土地资源丰富，适合农作物生长，主要以种植粮食作物、蔬菜瓜果为主，且流域内农田化肥施用量比较高，刘忠等[15]研究了2008年我国不同区域化肥施用量的差异，结果表明，黄淮海平原区、长江中下游平原区和东北平原区是我国化肥消费的主要区域，其化肥消耗总量占全国化肥消耗总量的2/3以上，而黄淮海平原作为海河流域的主体，已然成为我国化肥施用量最大的区域之一。

1.2 数据来源

本研究数据包括2个部分：第1部分为基础数据，即行政区划图、农作物播种面积、粮食产量、化肥折纯量数据；第2部分为调查数据，即氮磷权重因子调查及复合肥中氮磷钾折纯含量调查。数据来源列于表1。

表1 试验数据及来源

1.3 研究方法

1.3.1 化肥折纯量与化肥强度的估算 从各省（区、市）统计年鉴中获取2005—2015年各地级市的化肥折纯量数据。由于年鉴中有些年份数据缺失，需采用相近年份数据进行相关处理。个别地级市只存在化肥折纯量数据，单项化肥折纯量数据缺失，需采用公式进行估算[16]。

1.3.2 化肥施用环境安全阈值模型 化肥施用环境安全阈值是评价农田化肥施用环境风险指数的第2个重要指标。化肥施用环境安全阈值就是指为了获取作物目标产量而不会对环境造成危害的某种化肥的最大施用量（kg/hm2）[20]。本研究以环保部规定的生态建设中化肥施用强度小于250 kg/hm2的标准[18]，结合我国大田作物氮磷钾肥1∶0.5∶0.5的养分比例[21]，运用环境安全阈值预测模型[22]，获取各地级市化肥施用环境阈值（Environmental Threshold，ET）。

式中，ETN，ETP分别指氮、磷肥环境安全阈值（kg/hm2）；ρ指化肥施用环境安全调节系数，一般取0.9，其依据是以生态环境为主的作物施氮量比以考虑经济为主的作物施氮量低20%左右[23-24]，且目标产量常用3 a滑动平均法计算，并将平均产量上浮10%[25]，最终确定ρ值；A为作物需氮量，取我国主要农作物水稻、冬小麦及玉米的平均值为0.03[26]；Yi指某地区近n年中第i年的作物目标产量（kg/hm2）。

1.3.3 化肥施用环境风险指数评价模型 环境风险评价是指就一些化学污染物对人体或生态系统造成的影响进行定量估算，提出降低环境风险的应

化肥施用强度是评价化肥施用环境风险指数的第1个指标。2007年国家环保总局规定，化肥施用强度按耕地面积计算[17]；2010年环境保护部规定，化肥施用强度按播种面积计算[18]。本文以作物播种面积计算化肥施用强度，其中复合肥中氮磷钾含量按1∶1∶1[19]进行处理。对措施[27]。瑞典科学家HAKANSON[28]于1980年提出了潜在生态风险指数评价模型，模型最初应用于土壤重金属污染环境风险评价，模型不仅可以评估单项污染物对环境的影响，也能评估多种综合污染物对环境的影响程度。本文采用刘钦普[20]基于HAK ANSON提出的潜在生态风险指数评价模型基础上改进的化肥施用环境风险指数评价模型，对流域各地级市化肥施用环境风险进行评价。

式中，Rt指氮、磷肥综合风险指数；Wi指氮/磷肥污染环境风险权重，其范围在0～1；Ri指氮/磷肥污染环境风险指数；FIi指氮/磷肥施用强度，ETi指氮/磷肥施用环境安全阈值。

由公式（5），（6）可知，Rt（或Ri）范围在0～1，当FIi＜ETi时，说明农田更多采用有机肥代替化肥；当FIi＞ETi时，说明环境出现潜在危险性；当FIi＝ETi时，Ri＝0.5，说明已达环境安全风险的临界点。依据化肥施用强度与环境阈值之间的关系，将化肥施用环境风险划分为从尚安全区到严重风险区5个不同的风险等级（表2）。

表2 环境风险指数等级划分

2 结果与分析

2.1 化肥施用量时间变化特征

图1-A显示，近11 a来化肥施用量总体呈上 升趋势，总肥施用强度从2005年331.69kg/hm2上升到2015年的 390.76 kg/hm2，增幅达 17.81%，年均增长率达1.50%；且流域多年平均化肥施用强度为366.16kg/hm2，是我国环保部规定的生态县建设中化肥施用强度为250 kg/hm2安全标准的1.46倍，是发达国家规定化肥施用强度为225 kg/hm2安全标准的1.63倍，氮、磷、钾肥施用强度均处于较平稳状态。粮食产量出现大幅度波动情况，其单产从2005年的5131.72kg/hm2增加到2015年的5683.55kg/hm2，增幅达10.75%，年均增长率达0.90%。通过计算化肥施用环境安全阈值发现，2005—2015年除了钾肥强度未超过钾肥阈值外，氮、磷肥及总肥施用强度均超过环境安全阈值。从图1-B可以看出，海河流域化肥施用比例呈逐年上升趋势，氮、磷、钾肥施用比例从2005年的1∶0.44∶0.27上升到2015年的1∶0.5∶0.38，流域氮、磷、钾肥施用比例平均为1∶0.5∶0.33，与我国 1∶0.5∶0.4[29]的养分比例基本吻合。

2.2 基于GIS的氮磷肥施用强度及环境安全阈值时空分布

2.2.1 氮磷肥施用强度时空分布 根据我国环保部规定的生态建设中化肥施用强度小于250 kg/hm2[18]，氮磷钾肥分别按1∶0.5∶0.5[21]的比例对化肥施用强度进行划分，将氮肥分为低度施肥区（≤125 kg/hm2）、中度施肥区（＞125～250 kg/hm2）、高度施肥区（＞250～375 kg/hm2）、极高度施肥区（＞375 kg/hm2）；将磷肥分为低度施肥区（≤62.5 kg/hm2）、中度施肥区（＞62.5～125 kg/hm2）、高度施肥区（＞125～187.5 kg/hm2）、极高度施肥区（＞187.5 kg/hm2）。

第三，但是上述有关朗读层阶的表述，却有只见技巧不见人的嫌疑。因此，我们必须进一步关注课标关于朗读的特殊要求。虽然三个学段关于朗读的特殊要求同样有着内容、内涵上的层阶变化，但我们似乎更应该眷注的是它们对于朗读意图、朗读目的、朗读态度、朗读情感、朗读意义和价值的界说，即由“朗读”（一般要求）向“朗读者”（特殊要求）的转化。

氮肥施用强度空间分布如图2-A所示，2005年低度施肥区共8个，主要分布在山西及内蒙古个别地级市；中度施肥区19个，分布在河北、河南、山东等大部分区域；高度施肥区8个，分布在北京市、天津市和河北、河南个别地级市。与2005年相比，2010年低度施肥区数减少了2个，中度和高度施肥区均增加1个，空间变化差异较小。2015年低度施肥区数较2005，2010年分增加3.83%，4.35%，主要分在锡林郭勒盟、乌兰察布市、张家口市、阳泉市、大同市、朔州市、忻州市；高度施肥区分别减少5.6%，4.35%，主要分布在山西、河南、辽宁个别区域及河北、山东大部分区域；新乡市由高度施肥区上升为极高度施肥区。

磷肥施用强度空间分布如图2-B所示，2005年低度施肥区13个，分布在山西、内蒙、河北、辽宁部分地级市；中度施肥区17个，分布在北京、天津和辽宁、河南、山西个别地级市及河北、山东大部分地级市；高度施肥区5个，分别为东营市、邯郸市、濮阳市、新乡市、焦作市。与2005年相比，2010年大同市、朔州市、忻州市、阳泉市、沧州市由低度施肥区上升为中度施肥区，安阳市、天津市、秦皇岛市上升为高度施肥区；2015年低度施肥区较2005，2010年分别减少30.54%，13.25%，分布在锡林郭勒盟、乌兰察布市、张家口市、朝阳市；中度施肥区分别增加22.85%，13.08%，分布在河北、山西、山东大部分地级市；新乡市、安阳市磷肥施用量逐年增加，上升为极高度施肥区。

2.2.2 基于GIS的氮肥施用环境安全阈值时空分布 根据公式（3），计算了氮肥施用环境安全阈值，2005，2010，2015年氮肥施用环境安全阈值分别为125.71，138.46，151.28 kg/hm2，按照平均阈值上下波动 15～25 kg/hm2，划分为：低阈值区（≤125 kg/hm2）、中阈值区（＞125～150 kg/hm2）、高阈值区（＞150 kg/hm2）3类，空间分布如图3所示。磷肥施用环境安全阈值空间分布与氮肥相似。

结果表明，2005，2010，2015年氮肥低阈值区面积占比分别为47.44%，37.60%，35.32%；中阈值区分别为34.62%，19.3%，12.03%；高阈值区分别为17.94%，44.0%，52.66%。2005年氮肥环境安全阈值较2010，2010年存在明显的区域差异性，原因在于2005年各区域粮食目标产量低，从而导致区域化肥施用环境阈值低。2010，2015年，各区域单位面积粮食目标产量变化差异不大，因此，环境安全阈值空间差异也未发生明显的差异。整体来看，2005—2015年，低阈值区和中阈值区面积逐年减小，高阈值区面积增加，且低阈值区分布在农业生产粗放、粮食产量极低的北方高原山地区，中阈值区及高阈值区分布在粮食作物、蔬菜等播种面积较大的黄淮海平原区。

2.3 基于GIS的氮磷肥施用环境风险时空变化特征

根据公式（5），（6），计算了 2005—2015 年各地级市氮、磷肥风险指数以及氮磷肥综合风险指数，其中，氮、磷权重因子分别为0.648，0.230[20]。由图4可知，各地级市氮磷肥风险及综合风险逐年降低。2005，2010，2015年各地级市氮肥平均风险指数分别为 0.58，0.58，0.56；磷肥分别为 0.55，0.56，0.56，均为低度风险；综合风险指数分别为0.50，0.50，0.49， 属于尚安全状态。

氮肥施用环境风险空间分布如图4-A所示，2005年低度风险占流域面积的51.28%，中度以上风险占流域面积的44.15%，其中，低度风险区17个，分布在山西、山东及河北大部分地级市，中度以上风险区15个，分布在北京市、天津市及河南、河北北部等部分地级市；尚安全区3个，分布在锡林郭勒盟、乌兰察布市、晋城市。2010年氮肥施用环境风险相较于2005年发生明显变化，低度风险区面积减少6.49%，晋城市和乌兰察布市从尚安全区分别转为低度、中度风险区，中度以上风险占流域面积的45.33%，与2005年相差不大，尚安全区面积较2005年增加了50%以上。2015年氮肥施用环境风险下降，低度风险占流域面积的46.41%，中度以上风险占流域面积的36.43%，低度风险与2005，2010年相比变化差异较小，中度以上风险分别下降7.72%，8.9%；尚安全区区域面积分别增加12.59%，7.28%，主要分布在朔州市、阳泉市、晋中市、张家口市、锡林郭勒盟。

磷肥施用环境风险空间分布如图4-B所示，2005年低度风险占流域面积的56.16%，分布在北京市、山西及河北、山东大部分地级市；中度以上风险占流域面积的13.26%，分布在天津、辽宁及河南、河北个别地级市；尚安全区8个，分布在阳泉市、张家口市、廊坊市、德州市、承德市及内蒙古3个盟市。2010年磷肥风险分布较2005年出现显著空间差异性，低度风险区面积减少4.84%；中度以上风险面积增加17.31%，主要分布在山西和河南部分地级市；尚安全区面积减少了12.47%，分布在唐山市、廊坊市、沧州市、滨州市及德州等地。与2005，2010年相比，2015年低度风险区占流域面积的42.63%，主要分布在河北、山东、山西个别地级市；中度及高度风险占30.88%，分布在北京、天津、山西和河南部分区域；新乡市由高度风险区上升为严重风险区。

综合风险空间分布如图4-C所示，2005年低度以上风险占流域面积58.77%，尚安全区占41.23%，低度风险主要分布在北京、天津、河南、河北大部分地级市，尚安全区主要分布在内蒙古3个盟市及山东、河北部分城市；2010年综合风险较2005年差距较小，低度风险区占53.54%，尚安全区占46.46%，其空间分布基本相似；2015年综合风险空间与2005，2010年相比呈现明显的差异，低度以上风险较2005，2010年分别下降21.50%，16.27%，尚安全区分别增加21.50%，16.27%。

3 讨论

3.1 化肥施用强度变化分析

化肥施用强度是衡量区域化肥施用状况的重要指标。本研究结果显示，近11 a来，化肥施用强度整体呈上升趋势，总肥施用强度的增幅达17.81%。2005，2010，2015年各地级市氮、磷肥施用强度在空间上呈现显著的区域差异性，氮、磷肥低度施肥区分布在流域西部，中度以上施肥区主要分布在流域中南部，这与流域所处的地形因素、作物种植方式等有直接的关系。其一，西部位于北方高原山地区，该区地形起伏较大，降雨径流量大，化肥流失严重；中南部位于黄淮海平原区，该区土地资源丰富，土壤肥沃，是农业生产的重要基地，因此，农田化肥需求量较高；其二，与区域种植结构及种植制度息息相关，流域内主要以种植粮食、蔬菜、瓜果等化肥需求量大的作物为主，且区域种植结构较复杂，西部地区主要以一年一熟为主，中南部则以一年两熟为主，从而使得流域内氮、磷肥施用强度呈现明显的区域差异性。

3.2 化肥施用环境风险变化分析及防控措施

有效识别农田氮磷肥施用环境风险分布特征是有效防止面源污染的重要前提。本研究结果表明，2005—2015年氮、磷肥环境风险整体处于低度风险，综合环境风险处于低度风险和尚安全区状态，这与刘钦普[30]计算的2014年我国氮磷肥环境风险程度主要以低度风险的研究结果一致。此外，本研究还分析了农田氮磷肥综合风险分布，有效避免了污染物的单一性，进而为防止农田氮磷肥综合风险情况提供参考价值。因此，为了降低流域农田化肥施用引起的环境污染问题，本研究提出了一些相关建议：首先，提升农民对化肥过量施用会引起环境污染问题的认知程度，改善依靠大量化肥可以提高粮食产量的思维模式，要建立科学施肥、环保施肥的合理理念，同时改善施肥方式、大力引导农民利用有机肥替代化肥，实现有机无机相结合的方式，提升耕地基础地力，以保证可以借助耕地内在养分代替化肥的投入；其次，在坡耕地修筑梯田，降低地形坡度，有效解决坡耕地因降水引起的肥料流失问题，从而降低化肥施用环境潜在风险。

4 结论

本研究利用 2005，2010，2015年 3期统计数据，基于环境安全阈值模型和环境风险指数评价模型，分析流域化肥施用量对环境的污染情况，识别化肥施用高风险区，为环境保护工作提供参考依据。本研究结果表明，近11 a来，单位面积化肥施用变化范围在331.69～390.76 kg/hm2，年均化肥施用强度为366.16 kg/hm2，单项肥料强度变化基本稳定。2005，2010，2015年各地级市氮、磷肥施用强度在空间上呈相似性，除个别地级市外低度施肥区分布在流域西部，中度以上施肥区主要分布在流域中南部，这与流域地形地貌因素及作物种植方式有很大的关系。此外，2010，2015年氮、磷肥施用环境安全阈值空间分布基本相似，原因在于该阶段粮食目标产量差异较小，而2005年各区域粮食目标产量低，从而导致区域氮、磷肥环境阈值也低。2005，2010，2015年流域氮肥平均风险指数分别为0.58，0.58，0.56，磷肥分别为 0.55，0.56，0.56，均为低度风险，氮磷肥综合风险指数为0.50，0.50，0.49，属于尚安全状态。总体来看，海河流域氮磷肥施用环境风险程度逐年降低，整体趋于尚安全区及低度风险区。化肥施用环境安全阈值模型与环境风险评价模型所需参数较少，且数据容易获取，可以快速获取不同区域的化肥施用对环境的污染程度。但模型考虑的影响因素较少，因此，综合考虑降水、地形地貌、作物类型等因素对环境风险进行评价成为下一步研究的重点。