陕西省化肥施用时空分异及面源污染环境风险评价

高 莹，孙喜军，吕 爽，张 博

(1咸阳职业技术学院，陕西 咸阳712000；2西安市农业技术推广中心，陕西 西安710061；3陕西省西咸新区沣东新城农业农村局，陕西 西安710086)

作为粮食的“粮食”，化肥在助推世界粮食增产方面起到了重要作用[1-2]。然而，伴随粮食产量的稳步提高，我国化肥施用量却越来越大。2016年我国化肥施用总量(折纯，下同)居全球首位，达5.98×1010kg，占全球化肥施用总量的30.30%[3]。由于化肥的持续过量投入，我国许多地区尤其是农业集约化程度高的地区，已面临严重的地下水硝酸盐污染和河流湖泊水体富营养化问题，农田化肥施用引起面源污染问题的广度和深度已远超欧美发达国家，面临的环境风险和潜在压力更是其他国家无法比拟的[4-6]。为此，明确化肥施用现状，科学评价化肥施用环境风险，实施精准靶向风险管控，已成为我国农业面源污染防治工作亟需解决的问题之一。

长期以来，基于农业面源污染防治而开展的综合环境风险评价研究备受重视。在评价方法方面，研究者相继开发了SWAT[7]、AGNPS[8]、APEX[9]等大型综合数学模型，用以综合模拟和评价农业面源污染。在评价尺度方面，以某一流域[10]最为常见，中省市县4级行政单元[11-14]也均有涉及。在评价对象方面，主要包含对化肥、畜禽养殖、农业固体废弃物和农村生活等污染源在内的综合评价[11,14]。化肥是农业面源污染的“元凶”[15]，但以往农业面源污染环境风险评价研究大多以污染源综合评价为主，针对化肥施用进行的专项面源污染环境风险评价直到近几年才开始报道，目前主要涉及河南[16]、山东[17]、四川[18]等农业大省的化肥施用环境风险空间分异特征研究。陕西也是我国农业大省之一，化肥施用量相对较大，约战全国总量的4%[3]，但目前针对陕西省及各地市开展的化肥施用专项环境风险评价还鲜有报道。为此，本研究分析了全省化肥施用时空分异特点，并利用化肥施用面源污染环境风险评价模型,评价了化肥施用面源污染环境风险，以期为陕西省化肥施用环境风险管控及农业面源污染防治提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

陕西省横跨黄河、长江两大水系，纵跨中温带季风气候区、暖温带季风气候区和北亚热带季风气候区三个气候带，自然形成陕北、关中、陕南三大区域。南北气候差异较大，降水南多北少，陕南为湿润区，关中为半湿润区，陕北为半干旱区。陕西省年均降水量340～1 240 mm，年均温度9～16 ℃。

1.2 数据来源

1987-2016年陕西省总肥或氮肥、磷肥、钾肥、复合肥施用量(折纯，下同)，耕地面积，播种面积等相关数据来源于《中国统计年鉴》[19]和《陕西统计年鉴》[20]。另外，统计年鉴中没有注明复合肥中氮磷钾比例，根据市场调查，将复合肥中氮、磷、钾含量按1∶1∶1折算处理[4]。

1.3 化肥施用面源污染环境风险评价方法

化肥施用环境风险指数采用刘钦普[4]提出的模型进行计算，具体公式如下：

(1)

式中：Ri为单质化肥(氮肥、磷肥或钾肥)施用环境风险指数；Fi为年化肥(总肥或氮肥、磷肥、钾肥)施用强度(kg/hm2)，即单位耕地面积的年化肥施用量[4]；Ti为化肥施用强度环境安全阈值(kg/hm2)，即种植作物时不产生面源污染的某种化肥最大施用强度。本研究中，将氮肥施用强度环境安全阈值设定为125 kg/hm2，磷肥和钾肥均设定为62.5 kg/hm2[4]。另按照总肥施用强度≤250，250～500，500～750，750～1 000，1 000～1 250和>1 250 kg/hm2的分级标准[21]，将化肥施用强度分为适量、低度过量、中度过量、高度过量、严重过量、极严重过量6个等级。

(2)

式中：Rt为化肥施用环境总风险指数；Wi为氮肥、磷肥或钾肥的环境风险权重。本研究中氮肥、磷肥、钾肥的环境风险权重分别为0.648，0.230和0.122[4]。

由式(1)和式(2)可知，Ri和Rt均介于0～1之间。当Fi和Ti相等时，Ri=0.50，将此值设定为环境风险安全阈值。Fi越小，Ri(Rt)越趋近于0，即化肥施用环境风险越小；Fi越大，Ri(Rt)越趋近于1，即化肥施用面源污染环境风险越大。本研究中，按照Ri≤0.35，0.35～0.50，0.50～0.65，0.65～0.75，0.75～0.80和>0.80的分级标准，将化肥施用风险程度分为安全、尚安全、低度风险、中度风险、重度风险和严重风险6个等级[4]。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2007对历年化肥施用相关数据进行统计分析和作图，并采用加权平均法求算不同区域平均施肥推荐量。

2 结果与分析

2.1 陕西省化肥施用时空分异

2.1.1 化肥施用时序演变 1987-2016年陕西省化肥施用量及施用强度的变化见图1和图2。

图1 1987-2016年陕西省化肥施用量的变化Fig.1 Variations of fertilizers amount in Shaanxi during 1987-2016

图2 1987-2016年陕西省化肥施用强度的变化Fig.2 Variations of fertilization intensity in Shaanxi during 1987-2016

由图1可知，1987-2013年陕西省总肥、氮肥、磷肥、钾肥和复合肥施用量整体呈逐年递增趋势，年均增长率分别达到6.55%，4.14%，4.58%，13.87%和12.32%。2013年之后，各类化肥施用量递增趋势得到抑制，化肥施用量稳中有降。

由图2可知，1987-2013年总肥及氮肥、磷肥、钾肥施用强度均表现出稳定的递增趋势，分别由1987年的120.21，95.03，19.21，5.97 kg/hm2逐年增加到2013年的841.98，461.32，181.83，198.83 kg/hm2。而2013年之后，各类化肥施用强度出现一定的下降趋势。

从图3可知，30年间氮肥比例表现出下降趋势，而磷肥和钾肥比例稳步提高，经计算，磷钾比例已分别由1987年的15.87%和4.76%增长到2016年的21.93%和24.60%，尤以钾肥比例增长最明显。全省氮肥、磷肥和钾肥的施用结构比例已从1987年的1∶0.20∶0.06逐步调整为2016年的1∶0.41∶0.46。

图3 1987-2016年陕西省化肥(氮、磷、钾)施用比例变化Fig.3 Variations of fertilizers (N,P,K) application rate in Shaanxi during 1987-2016

2.1.2 化肥施用空间分异 由表1可知，2016年陕西省平均化肥施用强度为799.48 kg/hm2，是全国平均水平(443.53 kg/hm2)的1.80倍，总体属高度过量。陕西省不同地区化肥施用强度差异悬殊，其中渭南市各类化肥施用强度最高，榆林市最低，渭南市总肥及单质氮肥、磷肥、钾肥的施用强度分别是榆林市的7.28，5.48，12.07和10.59倍。按照化肥施用强度分级标准来看，榆林为适量区，商洛为低度过量区，安康、延安和汉中为中度过量区，西安、铜川、宝鸡、咸阳、渭南5市化肥施用强度均为高度过量及以上等级。从地理区域来看，关中化肥施用强度最高，陕南次之，陕北最低。由表1还可知，陕西省不同区域化肥施用结构差异较大，与全省平均水平相比，陕北磷肥比例稍低，关中基本持平，陕南氮高磷钾低。

表1 2016年陕西省化肥施用强度Table 1 Fertilizers intensity of Shaanxi in 2016

2.2 陕西省化肥施用面源污染环境风险评价

由图4可知，陕西省总肥及单质氮、磷、钾肥的面源污染环境风险指数分别从1987年的0.34，0.43，0.24，0.09稳步增长到2012年的0.77，0.79，0.74和0.76，2012年后各项指标稳中有降。具体来看，总肥环境风险指数于1992年突破安全阈值(0.50)，氮肥环境风险指数于1989年突破安全阈值，磷肥和钾肥环境风险指数分别于1995年和2001年突破安全阈值。1987-2016年，氮肥的环境风险指数始终大于磷肥和钾肥；2009年之前，钾肥的环境风险指数一直小于磷肥，2009年之后钾肥的环境风险指数开始大于磷肥。

图4 1987-2016年陕西省化肥施用环境风险指数的变化Fig.4 Variations of environmental risk index of fertilizer application in Shaanxi during 1987-2016

2016年陕西省化肥面源污染环境安全形势不容乐观，全省化肥总风险指数为0.76(表2)，处于重度风险等级。其中榆林市化肥总风险指数最小，且是唯一一个化肥总风险指数低于安全阈值的地市；延安市、汉中市、安康市和商洛市化肥施用处于中度风险等级；西安、铜川、宝鸡、咸阳、渭南5市化肥施用均处于重度及以上风险等级。具体来看，无论是总肥，还是单质氮肥、磷肥、钾肥，关中地区的各类化肥施用环境风险指数均为最大，陕南次之，陕北最小。

表2 2016年陕西省化肥施用环境风险指数Table 2 Environmental risk index of fertilizer application in Shaanxi in 2016

3 讨 论

3.1 陕西省化肥施用空间分异的原因

以2016年陕西省化肥施用情况来看，关中化肥施用强度最大，陕南次之，陕北最小，这可能是种植制度和气候条件等因素存在差异所致。关中属暖温带半湿润气候，气候温和，降水较足，光照条件较好，地势平坦，作物产量高，绝佳的农业生产条件促生了农民的种植热情，该地区种植制度以一年两熟为主，平均复种指数高达1.48[20]，部分地市如西安市复种指数甚至超过1.90[20]，区域粮田复种绝大多数已达一年两熟的满负荷状态。此外，近年来关中各种经济附加值高、需肥量大的设施瓜菜和水果种植面积不断扩大。良好的自然条件、较高的作物产量、无间歇的种植制度、较高的复种指数和农民对经济利益最大化的追求，直接导致了关中高强度的化肥投入。陕北较为干旱，整体地貌框架为塬、峁、墚、沟，水土流失严重，耕地肥力较低，种植制度为一年一熟或两年三熟，复种指数仅为0.92[20]，主要种植玉米、马铃薯等作物，较低的收益使得农民不愿意投资过多的化肥，故陕北化肥施用强度远低于关中。陕南虽温热多雨，但多为秦巴山地，“九山半水半分田”为其真实写照，耕地坡度大，水土流失风险巨大，土壤质地差，复种指数和化肥投入强度虽高于陕北地区，但远低于关中地区。

3.2 陕西省化肥施用面源污染问题

本研究结果表明，陕西省化肥施用环境风险指数连年稳增，1992年总肥风险指数突破安全阈值0.50，2012年增至历史最大值0.77，此后稳中略有下降，2016年化肥施用总风险指数为0.76，全省化肥施用环境风险属于重度风险等级。其中关中风险等级最高，属于严重风险等级；陕南、陕北化肥施用环境风险等级相对关中较低，分别属于中度风险和低度风险。目前，陕西省化肥过量施用导致的面源污染问题已经显现出来，其中关中地区最为引人注目，过量施用化肥已经造成了不同程度的地表水和地下水水体污染。张妍等[22]研究表明，渭河流域关中段地表水硝酸盐(以氮计，下同)质量浓度为1.3～35.7 mg/L，平均为8.6 mg/L，与国家生活饮用水卫生标准(GB 5749-2006)规定的硝酸盐质量浓度上限值(10 mg/L)相比，点位超标率达32.4%。罗大成等[23]研究表明，在粮食生产大县西安市蓝田县，丰水期(9月)0～20 m饮用井水中硝酸盐平均质量浓度为22.34 mg/L，硝酸盐最高质量浓度可达标准值(以氮计，地下水上限值为20 mg/L)的3倍以上，点位超标率高达50%。硝酸盐与人体健康关系密切，饮用水中硝酸盐质量浓度超标会导致胃癌、结直肠癌等多种癌症发病率升高[24]。已有研究报道，浙江省沙颍河流域氮肥施用和农田灌溉造成沿岸土壤、地下水和蔬菜硝酸盐积累，紧邻沙颍河的癌病高发村庄土壤、地下水以及蔬菜中硝态氮积累量均明显高于全区平均水平，癌病高发村庄居民存在突出的饮水和蔬菜硝酸盐暴露健康风险[25]。此外，目前过量施用钾肥影响饮用水水质的事件虽鲜有报道，但临床医学已发现，过量K+进入人体，容易引发高钾血症，轻者导致心率失常、机体乏困，重者会直接导致致死性心脏骤停[26]。本研究中，陕西省钾肥环境风险指数于2001年突破安全阈值0.50，2012年达到最大值0.77，2016年为0.76，仍属于重度风险等级，需引起高度警惕。综上，陕西省过量施用化肥存在巨大环境安全和人体健康风险。为此，针对陕西省不同区域化肥施用环境风险，实施靶向管控兼具现实必要性和紧迫性。

3.3 陕西省化肥施用风险管控策略

制定陕西省化肥施用风险管控策略时，应在确保农作物产量的基础上分区精准实施。就陕西省作物种植情况来看：陕北主要农作物为玉米和马铃薯；关中为小麦和玉米；陕南为小麦、玉米、马铃薯、油菜和水稻。2012-2016年陕北、关中和陕南主要作物播种面积分别占各区域农作物播种总面积的54%，74%和62%。根据不同区域主要作物播种面积(表3)[20,27]和施肥推荐量[28-33](表4)，加权求不同区域平均施肥推荐量如表5所示。其中陕北总肥推荐量为376.32 kg/hm2，关中为317.04 kg/hm2，陕南为280.69 kg/hm2。

表3 2012-2016年陕西省不同区域主要作物的平均播种面积(×103 hm2)Table 3 Average planting areas of main crops in different regions of Shaanxi during 2012-2016

表4 陕西省主要作物施肥推荐量Table 4 Recommended amount of fertilization for main crops in Shaanxi kg/hm2

表5 陕西省不同区域平均施肥推荐量Table 5 Recommended fertilizers amount in different regions of Shaanxi kg/hm2

在确保作物产量的基础上，陕西不同区域减肥控险策略如下：陕北地区施肥强度可基本维持现状，但应进一步优化施肥结构，注意减氮增磷补钾；关中应以降低化肥投入为抓手，逐步调减化肥施用量，在施肥结构调控方面要注意稳氮提磷减钾；陕南地区应在减量的基础上继续优化施肥结构，注意减氮增磷补钾。需要指出的是，在计算不同区域推荐施肥量和施肥比例过程中，由于受数据获取途径限制，本研究只粗略考虑了陕西省三大区域主要作物施肥情况，未能全方位考虑不同地区土壤肥力和详细的种植结构。同时，本研究只针对三大区域提出了宏观施肥调控建议，依托更详细种植数据、实施更精准的县域尺度化肥施用环境风险管控值还需进一步探讨。

4 结 论

1)1987-2013年陕西省化肥施用量、施用强度整体呈递增趋势，2013年之后全省化肥施用量、施用强度稳中有降。1987-2016年氮肥比例表现出下降趋势，而磷钾比例稳步提高，氮磷钾施用比例已经由1987年1∶0.20∶0.06逐步优化调整为2016年的1∶0.41∶0.46。

2)2016年陕西省化肥施用强度达799.48 kg/hm2，属于高度过量水平。陕西省各地市化肥施用强度表现出明显的空间分异特点，其中关中化肥施用强度最高，陕南次之，陕北最低。

3)2016年陕西省化肥施用总风险指数为0.76，属于重度风险等级。各地市化肥施用环境风险空间分异明显，其中关中各类化肥风险指数均最大，陕南次之，陕北最小。对照施肥推荐标准，在确保作物产量的基础上，陕北可基本维持目前施肥强度，但在施肥结构上应注意减氮增磷补钾；关中应把降低施肥强度作为突破口，施肥结构注意稳氮提磷减钾；陕南应在降低化肥施用强度基础上继续优化施肥结构，注意减氮增磷补钾。