基于“压力-状态-响应”模型的化肥农药减施增效环境效应监测指标体系研究*

何 蓉 邵超峰

(南开大学环境科学与工程学院，天津 300350)

为追求农作物增产，我国已成为全球典型的化肥农药投入量增速远大于农作物产量增速的国家，目前我国化肥和农药的平均施用强度分别达503.9、11.0 kg/hm2，是世界平均水平的2.5倍以上，但利用率仅为30%～40%，比发达国家低15～30百分点[1-5]。由于化肥农药的过量施用引发了严重的农业面源污染，破坏了农业生态环境，部分地区农田土壤质量严重下降，也对农产品安全产生了隐患。

2016年，国家重点研发计划项目启动首批试点专项，其中设置了“化学肥料和农药减施增效综合技术研发”重点专项，开始构建科学的化肥农药减施增效方法和技术体系。2018年7月，农业农村部印发了《农业绿色发展技术导则(2018—2030 年)》，将27项化肥农药减施增效技术纳入我国现阶段需要重点研发的绿色生产技术之中，主要是有机肥替代化肥、测土配方精准施肥、调优施肥结构、生物防治病虫害、物理防控病虫害等5类。

长期以来，学术界一直关心的是化肥农药本身的环境效应，也建立了相应的评价体系[6-8]，但忽略了化肥农药减施增效可能产生的二次环境与生态问题。本研究利用“压力-状态-响应”(PSR)模型[9]，考虑化肥农药减施增效技术在田块尺度引发的环境问题及其表现形式，建立了田块尺度化肥农药减施增效环境效应监测指标体系，并推广到区域尺度，以期为化肥农药减施增效技术的优选提供评价标准。

1 化肥农药减施增效环境效应监测指标体系框架

化肥农药减施增效环境效应监测指标体系的PSR模型中，“压力”是指化肥农药减施增效技术实施后的化肥和农药施用情况及技术应用情况；“状态”是指上述压力下的环境污染水平，包括水环境污染水平、大气环境污染水平、土壤环境污染水平、环境生物影响及农作物产量与质量5个方面；“响应”是指人类为恢复或保护环境状态而采取的科技与管理措施。化肥农药减施增效环境效应监测指标体系框架如图1所示。

图1 化肥农药减施增效环境效应监测指标体系框架Fig.1 Framework of index system for environmental effects monitoring of chemical fertilizers and pesticides dosage reduction and efficiency improvement

2 田块尺度化肥农药减施增效环境效应监测指标体系确定

田块尺度是化肥农药减施增效环境效应评价的最基本尺度，因此首先建立田块尺度化肥农药减施增效环境效应监测指标体系。

依据科学性、灵敏性、可操作性和主导性的原则，识别出能够表达田块尺度化肥农药减施增效环境效应的指示性和表征性指标，按照压力指标、状态指标、响应指标3个一级指标进行分类，构建田块尺度化肥农药减施增效环境效应监测指标体系。

(1) 压力指标

基于我国农业种植过程中化肥农药大量施用的实际情况，开展了化肥农药减施增效技术的推广应用工作。因此压力指标应能体现化肥农药减施增效技术实施后的化肥和农药在农业生产中的实际施用情况及减施增效技术的实际应用情况。

① 化肥施用情况。包括化肥品种、施肥方法、施肥时间、施肥强度及施肥量。

② 农药施用情况。包括农药品种、施药方法、施药时间、施药强度、施药量及防治对象。

③ 减施增效技术应用情况。根据所采用的具体化肥农药减施增效技术而定。

(2) 状态指标

① 水环境污染水平。基于化肥和农药的污染发生规律，借鉴农田面源污染排放系数的获取思路[10]，确定地表水的监测指标包括总氮、总磷和主要使用农药，确定地下水的监测指标包括总氮和主要使用农药。由于并非所有减施增效技术都有重金属污染[11],[12]46，因此重金属为选测指标。一般地，对于北方小麦、玉米、设施蔬菜等农作物田块，化肥农药对水体的影响一般只涉及地下水；对于南方水稻、茶叶等农作物田块，化肥农药既影响地下水又影响地表水；而对于果树田块，由于其根系较深，地下淋溶量相对较少，通常只考虑对地表水的影响。

② 大气环境污染水平。化肥施用会导致田块温室气体大量排放[13]，选择较为敏感的N2O来表征减施增效对田块温室气体排放的影响。此外，由于稻田还会产生CH4[14]，而化肥的施用对稻田CH4排放起关键作用[15]，因此对于稻田，还需考虑CH4的排放。农药通过挥发进入空气中，造成田块局部挥发性有机物(VOCs)升高[16]，因此还需监测大气中的总VOCs。

③ 土壤环境污染水平。施入农田的化肥和农药大部分残留于土壤之中[17]，因此土壤中化肥和农药残留浓度是一项很重要的化肥农药减施增效环境效应监测指标，选择土壤有机质、总氮、总磷和主要使用农药浓度用于土壤环境污染水平的表征。此外，根据具体的减施增效技术特点确定是否加测重金属。

④ 环境生物影响。化肥农药减施增效技术的应用可能会对环境生物产生影响[18]，主要监测指标选择生物多样性和指示生物数量。

⑤ 农作物产量和质量。调查结果显示，农民最在意化肥农药减施增效技术是否会降低农作物的产量和质量[19]。因此，农作物产量和质量是衡量减施增效技术是否值得推广的重要指标。农作物的质量用农作物农药残留量来表征，若存在重金属污染风险，则还需加测农作物重金属残留量。

(3) 响应指标

化肥农药减施增效技术应用在我国还处于起步阶段，环境效应还不清楚，因此响应指标目前以化肥农药减施增效的环境影响预防为主，包括化肥农药减施增效技术使用率、化肥农药监测体系建立情况和田间生物检疫与管理体系建立情况的科技与管理措施。

考虑到不同的化肥农药减施增效技术存在不同的环境隐患，最终产生的环境效应也不同。因此，针对有机肥替代化肥、测土配方精准施肥、调优施肥结构、生物防治病虫害、物理防控病虫害等5类化肥农药减施增效技术构建了5套具体的环境效应监测指标体系。

2.1 有机肥替代化肥的环境效应监测指标体系

有机肥替代化肥的主要危害可能会造成重金属污染、抗生素残留、微生物污染等[20-26]。同时，结合现有的监测标准，考虑实际监测的可操作性，建立有机肥替代化肥的环境效应监测指标体系如表1所示。

表1 有机肥替代化肥的环境效应监测指标体系

2.2 测土配方精准施肥的环境效应监测指标体系

测土配方精准施肥在实施的过程中，很有可能出现技术效果发挥不佳、引发缺素症、影响农作物产量和质量等问题[27]106，因此其环境效应监测时需要重点关注农产品的产量和质量变化，指标体系如表2所示。

表2 测土配方精准施肥的环境效应监测指标体系

2.3 调优施肥结构的环境效应监测指标体系

调优施肥结构有可能造成烧苗、毒害农作物等恶果，影响农产品产量和质量，同时微量元素肥的使用还有可能造成土壤及农作物重金属污染[12]46，其环境效应监测指标体系如表3所示。

表3 调优施肥结构的环境效应监测指标体系

注：1)根据《食品安全国家标准 食品中污染物限量》(GB 2762—2017)进行评价。

2.4 生物防治病虫害的环境效应监测指标体系

生物防治病虫害能够有效减少农药的使用，但也有可能引发生物入侵、破坏农田生态系统等风险[27]108，其环境效应监测指标体系如表4所示。

表4 生物防治病虫害的环境效应监测指标体系

2.5 物理防控病虫害的环境效应监测指标体系

物理防控病虫害若使用不慎，可能会误杀害虫天敌，从而破坏农田生态平衡[28]，其环境效应监测指标体系如表5所示。

表5 物理防控病虫害的环境效应监测指标体系

3 区域尺度化肥农药减施增效环境效应监测指标体系确定

从区域尺度考虑，指标应能反映宏观情况。基于已建立的田块尺度化肥农药减施增效环境效应监测指标体系构建区域尺度化肥农药减施增效环境效应监测指标体系。由田块尺度的监测指标体系扩展到区域尺度的指标体系，结果见表6。

4 结 语

根据PSR模型，构建了化肥农药减施增效环境效应监测指标体系框架。针对我国5类典型化肥农药减施增效技术(有机肥替代化肥、测土配方精准施肥、调优施肥结构、生物防治病虫害、物理防控病虫害)分别建立了田块尺度上的具体化肥农药减施增效环境效应监测指标体系。在此基础上，建立了区域尺度上化肥农药减施增效环境效应监测指标体系。

表6 区域尺度化肥农药减施增效环境效应监测指标体系

注：1)根据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)进行评价；2)根据《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)进行评价；3)根据《农区环境空气质量监测技术规范》(NY/T 397—2000)进行评价；4)根据《全国耕地类型区域、耕地地力等级划分》(NY/T 309—1996)进行评价；5)根据《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准》(GB 15618—2018)进行评价；6)根据GB 2762—2017进行评价；7)根据《食品安全国家标准 食品中农药最大残留限量》(GB 2763—2016)进行评价。