基于动态环境安全阈值测定的化肥环境风险评价

张宗军 闫晓哲

兰州财经大学，甘肃 兰州 730020

引言

近年来，人口数量上涨和生产环境变化给人们刚性粮食需求带来新挑战，而粮食生产与多种因素有关，播种面积、技术设施、有效灌溉面积、品种改良和化肥施用等诸多因素均会影响粮食产量。其中，化肥与农药品类虽不同，但其化学成分与有机肥分解释放的有效养分无区别，均可为农作物提供营养。故化肥作为一种物化技术形式，作为“绿色革命”标志之一，在现代农业生产中得到广泛运用，是使用量最大、使用面最广的增产手段，被人们喻为“粮食的粮食”。1994年Norman E.Borlaug综合评价影响农业生产的各类因素，认为化肥对20世纪世界粮食产量增加有将近一半的贡献。2017年统计数据表明，我国耕地面积约为1.35亿公顷，占全球13.90亿公顷的9.70%；人均耕地面积为0.09公顷，占全球平均水平0.192公顷的46.9%；我国人口总数为13.86亿，占世界人口总数75.09亿的18.46%。然而，2017年我国粮食产量为40.41亿吨，占世界总产量185.46亿吨的21.79%；我国蔬菜产量为6.92亿吨，占全球总产量12.82亿吨的53.98%①根据世界银行和联合国粮农组织相关数据整理计算所得。。我国在不到世界10%的耕地面积上生产了超过世界约20%的粮食和50%的蔬菜，解决了全球近20%人口温饱问题。这一重大贡献中化肥所起作用最为关键。

但国内化肥施用量增长迅速，与世界水平和典型国家相比，处于严重施用过度状态②2014年环境保护部和国土资源部联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国土壤总超标率为16.1%，其中耕地土壤点位超标率为19.4%，在各类土壤中污染最严重。。如图1所示，自改革开放以来，我国化肥施用量除1998—2000年间有所放缓外，一直保持较高增长速度，直至2014年才呈小幅下降趋势。但2018年施用量仍高达340.77（公斤/公顷），是1980年的3.93倍，40年间年平均增速达4.49%。其中，每公顷土地施用氮肥、磷肥、钾肥和复合肥分别为124.50公斤、43.94公斤、35.58公斤和136.76公斤，分别是1980年的1.95倍、2.35倍、15.08倍和73.53倍。虽然国内化肥施用不断调整氮、磷、钾三大肥料配比，但横向看2018年单位面积施用量仍是全球平均水平的2.8倍，是美国的2.7倍、墨西哥的3.7倍、印度的2.1倍③收入等级的划分以世界银行数据库为标准。。

图1 1978—2018年全国化肥施用量时间趋势图

虽然化肥对粮食等农作物增产效应十分显著，但在其施用量长期超过一定限度后，未被利用的化肥随降水径流、土壤侵蚀、农田排水等方式逐渐流失，对土壤、空气、水资源等生态环境造成污染，引起严重的农业面源污染问题。氮素化肥施用过多易使土壤酸碱性失衡，产生作物根系生长脆弱和自身养分吸收困难等问题，导致农作物生长缓慢，病害增多；土壤中过量的氮素在微生物作用下易转化为对人体危害极大的亚硝酸盐，顺延水流污染地下水，严重危害居民生活。过量的磷肥施用可能影响植物充分吸收锌、铁等微量元素，最终引起作物根系萎缩、枝叶衰败、严重减产的连锁反应；劣质的磷素化肥可能还带有其他有害金属，过量施用造成的污染堪比化工业重金属污染。过量的化肥元素，尤其是河流湖泊中磷元素过量会形成富营养化，藻类杂草肆意生长，破坏水体鱼虾生活环境；若流入海洋会威胁近海生物，是发生“赤潮”等危害生态环境的主要原因。

为此，2014年中央1号文提出支持高效肥和低残留农药使用、规模养殖场畜禽粪便资源化利用、新型农业经营主体使用有机肥等试点。2015年农业农村部制定《到2020年化肥使用量零增长行动方案》和《到2020年农药使用量零增长行动方案》；2017国务院出台《关于创新体制机制推进农业绿色发展的意见》；2018年发布《中共中央国务院关于实施乡村振兴战略的意见》指出生态宜居是关键，要推进乡村绿色发展，打造人与自然和谐共生发展新格局；2019年中央1号文提出实现化肥农药使用量负增长目标。而实现化肥农药减量施用、加强农业面源污染治理、促进农业绿色生产，需要对化肥施用环境风险科学合理评价，对化肥污染做出较准确定量判断，基于此制定具有针对性和操作性的实施政策。

一、文献综述

自20世纪80年代，我国学者开始关注面源污染问题，前期研究主要侧重于现状分析。近年来，研究逐渐上升为对农业氮、磷及化肥施用等潜在环境风险评价。纵观国内外研究，主要从碳排放视角评估农业生产环境风险，该方法借鉴工业生产环境风险评价方法，根据农业生产中各要素、各环节所产生碳排放状况衡量其环境风险。一些国外研究者选取部分代表地区，对农业碳排放量进行测算。如Acil测算了美洲和欧洲部分国家农业碳排放量占各自国家碳排放总量的比重，近而分析其差异原由[1]。Gadde等考查了泰国、菲律宾和印度等亚洲地区农业生产碳排放量和具体分布情况[2]。Lesschen等从生产畜牧业相关农产品角度估算多数欧盟国家温室气体排放量[3]。Yadav等通过建立模型测算了加拿大农业土壤碳排放量，指出合理灌溉和施肥对农业碳排放有较好抑制作用[4]。Garnier等估算了1852—2014年间法国农业和林业两部门碳排放量[5]。

国内大部分研究成果也从碳排放角度分析农业生产环境。闵继胜等测算了1991—2008年全国及各地区种植业和畜牧业产生的甲醛和一氧化二氮气体排放量，发现种植业和养殖业有不同特点和趋势[6]。刘华军等、田云等详细测算了我国省级区域农业碳排放量[7-8]。邓明君等测算了2005—2013年间我国小麦、玉米、水稻化肥施用碳排放量，详细介绍了其演变趋势，得出我国碳减排潜力巨大的结论[9]。何慧爽选取农业物质投入、水稻种植和动物反刍三个新颖视角计算粮食主产区农业碳排放[10]。杜江等通过分析粮食主产区农业投入产出省级数据，以八种代表性农作物排放的二氧化碳、甲醛和一氧化二氮为对象，测算了种植业碳足迹[11]。戴小文等在核算2007—2016年中国种植业碳排放量基础上，采用对数平均指数分解方法分析不同区域种植业碳排放驱动因素变动情况[12]。

运用较成熟的测算方法和良好的数据基础，从碳排放角度评价农业生产环境风险，能较全面地评价农业生产、农村人居所产生的空气污染状况。但由于化肥施用主要造成的是面源污染和水污染，需要针对性评价方法。为此，刘钦普引入Hakanson环境风险评价方法，并提出环境风险指数、环境安全阈值概念，初步建立化肥环境风险评估模型，后续研究中又考虑到氮、磷、钾肥对环境有不同的污染效应，最终建立了含有权重系数的化肥施用环境风险指数计算模型[13]。在此基础上，连煜阳等按作物类别评价比较我国1978—2016年化肥施用环境风险，得出粮油等大宗农产品化肥施用风险低于蔬菜水果类[14]。任世鑫等通过对2016年我国小麦、玉米和水稻化肥施用风险的评价提出，单质肥料施用过量程度在不同地区有不同表现，空间邻近区域的环境风险等级相差不大[15]。刘钦普等认为我国主要产粮区化肥施用强度及生态经济平衡性存在较大差异，有施肥总体过量而部分地区不足情况[16]。

然而，现有研究在环境风险指数评价方法方面存在一定不足，参数设置往往主观性较强。归因于：一是多数研究以国家生态建设要求的化肥施用强度标准250（公斤/公顷）和全球公认的化肥施用安全上限225（公斤/公顷）为依据确定化肥施用环境安全阈值，缺乏动态调整；二是研究中虽考虑到产量变化对化肥施用量的影响，但以数年平均产量为依据，未合理体现产量变化趋势性；三是未考虑不同作物对化肥施用量的影响，多以粮食作物代表整个农业生产，缺乏精确性。

现有研究未能充分体现出因种植作物、种植方式、环境气候及施用化肥强度不同而造成的各地区环境安全阈值差异。巨晓棠研究表明理论施氮量可近似相当于作物籽粒所含氮量[17]。由此看出，化肥施用量与粮食等农作物产量有直接关系，使人们在对农产品产量提升方面达成了普遍共识，即多施化肥。因此，选择一种全面、动态的化肥施用环境风险评价方法，预防与治理农业面源污染问题，对农业可持续发展乃至生态系统保护意义重大。

为克服上述不足，本文将农作物分为粮食、油料、棉花、糖料和蔬菜五大类型，根据五大类作物实际产量模拟回归计算其理论产值，依据各大类作物的不同需氮系数和种植面积权重，研究我国1980—2018年化肥投入强度及环境安全阈值时空变化；进而测算动态化肥环境风险系数，为化肥环境风险评价提供更科学的方法，以期为我国各地生态农业建设、面源污染防治提供有效参考。

二、化肥污染环境风险指数模型构建

（一）化肥污染环境风险评价方法

20世纪80年代科学家Lars Hakanson首次引入毒性系数，提出重金属污染环境风险评价方法，此法与生态环境评价内涵相同，被广泛应用于环境风险评价中。但人们发现由于Hakanson评价模型计算出的综合指数是一个无上限正数，数值大小代表环境风险程度，此结果不易于比较不同类型环境风险。同时毒性系数的确定缺乏科学理论根据。基于此，刘钦普提出综合指数数值介于0和1之间的环境风险指数模型，确定了风险程度变化范围，便于认识和比较风险程度。其计算公式为：

上述公式中：Rt表示化肥污染环境风险总指数；Ri表示单质肥料污染环境风险指数；Wi表示单质肥料氮、磷、钾环境污染风险权重；Ti表示单质肥料环境安全阈值。Fi表示化肥使用强度。Mi表示当年化肥施用量；A表示耕地面积。

（二）动态化肥环境安全阈值测度方法

1.化肥环境安全阈值测度方法。化肥施用环境安全阈值是指在不污染环境前提下，为获得某种农作物目标产量而投入的某种化肥用量最大值。由公式（2）可知，环境安全阈值Ti作为关键参数，通过将其与化肥施用强度比较，衡量化肥施用合理性和安全性。巨晓棠研究表明，可用作物目标产量与作物需氮量的乘积计算理论推荐施氮量[17]。由于发达国家和我国小麦、水稻等作物的氮、磷、钾施肥比例均为2∶1∶1，借鉴此施肥实践和养分要求，总化肥和氮、磷、钾单质化肥施用环境安全阈值测度模型设置为：

式中：ET、ETN、ETp、ETK分别为总化肥、氮肥、磷肥和钾肥施用环境安全阈值；A为作物需氮系数，YL为作物单位产量；ρ为化肥施用环境安全调节系数，用于调节某一目标产量下化肥施用环境安全阈值与化肥施用经济适宜量的关系，一般而言，前者比后者约低20%，故ρ取0.8。

2.动态化肥环境安全阈值测度方法。化肥施用对农业生产的影响最终体现于预期产量，农业生产弱质性使其易受到自然灾害影响，化肥投入对产量增收效果往往被自然灾害削弱，致使以实际产量作为其目标产量得出的结论可能有一定的偏差。为计算出更准确的化肥施用环境安全阈值，本文改进和优化上述模型，根据历年农作物实际单位产量进行模拟回归，得出理论产量YL。

因为经济作物与粮食作物的需氮量各不相同，其所种植区域的环境安全阈值也不尽相同。对此，为避免计算结果有所误差，本文分别计算三大粮食作物、五大油料作物、两大糖料作物及棉花和蔬菜的环境安全阈值，表1是本文选取的各种作物需氮系数表。

表1 各种作物需氮系数表（形成1千克产量所需氮的量） （单位：千克）

（三）化肥施用环境风险分类

由公式（1）、（2）可分析出，Rt和Ri均是介于0到1之间的正数，当Ri=0.5时意味着化肥施用强度Fi和环境安全阈值Ti处于相等水平，此均衡点处化肥施用度即为环境安全临界点；当Rt（Ri）趋近于1，即环境安全阈值Ti趋近于0，意味着化肥施用强度Ti远远超过环境安全阈值Ti，此时化肥施用存在极其严重的环境风险；当Rt（Ri）趋近于0，即化肥施用强度Fi趋近于0，意味着化肥施用强度远低于环境安全阈值，此时化肥施用对环境风险较为安全。本文以化肥施用强度超过环境安全阈值的倍数来确定环境风险指数程度和范围，并以此将环境风险划为六类，如表2所示。

表2 化肥施用环境风险分类

三、动态化肥环境风险指数实证分析

（一）化肥施用折纯量计算

近年来由于复合肥中氮、磷、钾的科学有效配比可实现各种养分平衡供应，确保产量稳定，节约生产资料成本，受到农民认可与青睐，施用量也逐年攀升。化肥施用量采用化肥施用折纯量计算，如表3所示，三元复合肥中氮磷钾比值并非均是1∶1∶1，其更偏向于1∶2∶1或者其他。故将复合肥中氮磷钾含量按1∶2∶1比例分配至各单质肥料的化肥折纯量中。

表3 各种复合肥折纯量参考计算表

（二）作物理论产量模拟计算

计算动态化肥施用环境安全阈值需以趋势产量为基准，即对历年农作物实际单位产量回归模拟，从而得出趋势产量，也就是在科技进步、生产条件优化趋势下，不考虑灾害侵扰的产量，但此法对产量的历史数据年限要求较长。我国统计年鉴披露了1978年到2018年连续完整的产量数据，因此可采用回归拟合法获取趋势单产。本文分别运用线性回归函数和多次方回归函数对我国五大类作物单产序列进行拟合，结果显示线性函数的模拟效果更为优越，故将回归方程设置为y͂=c+αt。逐一回归后发现各种作物趋势单产的最优回归方程并不一致，但整体拟合优度均较显著，回归获取的趋势单产方程如表4所示。回归模拟后的趋势产量与实际产量相差不大于1%，基本消除了环境安全阈值计算过程中有作物因自然灾害等因素造成结果不确定的干扰。

表4 各种作物趋势产量的回归拟合方程

（三）动态环境安全阈值计算与分析

由表4获取的拟合方程计算出五种作物1980—2018年期间理论产量YL，利用公式（5）计算出粮食等五类作物动态化肥施用环境安全阈值，再由公式（6）和公式（7）分别计算出五种作物的动态氮、磷、钾肥施用环境安全阈值及我国1980—2018年各种作物总动态化肥施用环境安全阈值。

由图2可知，1980年我国各作物产量较低，化肥施用环境安全阈值处于较低水平，均在200（公斤/公顷）以下，而随着作物产量逐年增加，各种作物环境安全阈值也不断提高。其中，糖料的环境安全阈值于1995年超过国家化肥施用强度标准250（公斤/公顷），油料、棉花、粮食作物分别于2005年、2007年和2012年超过国家化肥施用标准，而蔬菜类作物的化肥施用环境安全阈值截至2018年仍处于200（公斤/公顷）以下。由于各种粮食作物播种占全国总播种面积80%～90%，因此总动态环境安全阈值与粮食作物的动态环境安全阈值几乎相同，略低一点，该结论可以解释其他学者单纯运用粮食作物计算总环境安全阈值的计算结果具有一定可靠性。

图2 各类作物环境安全阈值动态变化

根据动态化肥施用环境安全阈值结果可以看出，按照时间序列评价我国化肥污染环境风险时单纯采用国家规定的250（公斤/公顷）作为环境安全阈值标准，得出的结论不够科学和严谨。在各作物真实环境安全阈值小于国家化肥施用强度标准时，按标准计算的化肥污染环境风险结果可能偏小；在各作物真实环境安全阈值大于国家化肥施用强度标准时，计算结果可能偏大。

（四）基于动态环境阈值的化肥环境风险计算与分析

运用公式（3）可以计算出氮、磷、钾各单质肥料的化肥施用强度，再结合此前算出的动态环境安全阈值，代入公式（2），可计算出氮、磷、钾各单质肥料的污染环境风险指数。因为氮、磷、钾过量施用对生态环境造成的影响各有不同，在进行环境风险综合评价时，需确定三种元素所占的不同权重。参考前人研究成果发现，刘钦普应用定性定量相结合的层次分析法，通过构造氮、磷、钾三因子判断矩阵和计算特征值、特征向量等步骤，得出氮、磷、钾对环境影响的权重分别为64.8%、23%、12.2%，此法最具科学合理性。故本文采用此权重划分方法，对所计算的各单质肥料污染环境风险指数加权，由公式（1）计算得出最终各种作物化肥污染环境风险总指数。

本文分别计算了五类作物的化肥污染环境风险指数。每类作物播种面积、农产品产量、动态环境安全阈值等均有所差异，故采用种植面积加权原则对五种作物化肥污染环境风险指数加权，此计算方法较合理，结果较科学。

式中：R为加权计算后化肥污染环境风险总指数；Rt为粮食等五种作物各自的化肥污染环境风险总指数；An为各类作物单独播种面积，A为所有作物播种面积之和，分别以1～5数字表示。

由公式（7）和公式（8）可以计算出我国1980—2018年基于动态环境阈值的化肥环境风险指数。各种作物及全国化肥面源污染的环境风险指数如图3所示。在1980年，各作物环境风险指数处于0.5以下（此处可参考表2化肥施用环境风险分类标准），处于尚安全（0.35～0.5）范围，但棉花、蔬菜、油料和粮食分别在1983年、1988年、1989年和1990年相继突破0.5的安全环境风险指数范围，到达低度风险（0.5～0.65）范围。而糖料作物在1995年超过0.5的安全环境风险指数范围，之后其环境安全风险指数持续在0.5安全范围上下波动，这与糖料作物较高的环境安全阈值有关。蔬菜作物在五大作物中环境风险指数最高，2006年蔬菜作物环境风险指数超过0.65，按化肥施用环境风险分类标准处于中度风险（0.65～0.75）范围，并维持了十年之久，近几年才略有下降，到达低度风险（0.5～0.65）范围。

图3 各类作物环境风险指数动态变化

与动态环境安全阈值计算结果相似的是：全国环境风险总指数与粮食作物环境风险指数同样非常接近，并在1990年达到低度风险（0.5～0.65）范围，在2007年达到最大值0.596，此后缓慢下降，这与我国2005年多数地区开始实行测土配方施肥政策，加大氮、磷、钾养分合理搭配有很大关系，在化肥施用环境安全阈值逐步提高基础上，也逐渐提高了氮、磷、钾等化肥利用率，使总化肥施用环境风险呈下降趋势，表明我国环境风险恢复至安全范围有良好的向好态势，此后还可以进一步提升化肥利用率，提高作物产量，使全国化肥施用环境风险总指数进一步下降，并保持在安全范围。

四、政策建议

第一，加快制定区域化肥施用标准与环境监测标准，实行不同作物差异化监管模式。不同作物有不同的环境安全阈值，其化肥施用量直接决定了环境污染风险。例如同时采用250（公斤/公顷）化肥施用强度，施用于种植糖料作物和蔬菜作物区域，由于糖料作物环境安全阈值远远高于250（公斤/公顷），其种植区域的环境风险指数可能处在安全范围，而蔬菜作物环境安全阈值低于250（公斤/公顷），其种植区域的环境风险指数可能处于低度风险范围甚至以上。故要及时控制由化肥施用引起的环境风险，加快制定区域化化肥施用标准与环境监测标准，对不同作物区域实行差异化管理与监控。

第二，加快研制不同区域适用的复合肥，提高化肥施用效率。2019年农业部测算的三大粮食作物化肥有效利用率为39.2%，较2015年的35.2%提升4%，但部分发达国家粮食作物氮肥利用率在50%～65%左右。可见，中国化肥利用率相对偏低。研究表明复合肥中氮磷钾的有效配比实现了各种养分平衡供应，满足作物生长营养需要的同时改善了作物品质，降低农业生产资料成本，提高农民收入。故相关化肥研发部门可研制适用于不同区域、不同种植作物的复合肥种类，发挥减量不减效作用。

第三，增加对科技和教育的支持，培养农民合理施肥、结构性施肥以及环境保护意识。农民作为农业生产经营主体，是控制农业化肥合理施用的直接操作者，故对宣传农业生产知识和环境保护知识格外必要。通过相应政策法规、教育和技术指导管理，让农户认识到合理施肥对控制环境风险的重要性，优化其施肥结构及行为。只有当农户自觉规范农业施肥行为，才意味着从源头控制了农业化肥面源污染的环境风险。

第四，严格把控农产品价格，进一步稳定优化种植结构。我国农民面临着农业生产成本和农产品价格双重挤压，频繁发生投入产出不平衡的现象，并诱发了种植结构波动。因此，健全农产品价格监测系统格外必要，需加强农产品价格监测力度。一方面通过政府干预减小通货膨胀给农产品价格带来的负面影响，减轻市场波动侵蚀农民劳动成果；另一方面通过行政监管强化对人为操纵市场、制造农产品尤其是经济作物价格异常波动等侵害农户利益行为的打击和惩处。着力培育新型经营主体，完善服务体系，加快经济作物种植专业化和规模化。在此基础上将部分农业直接补贴与土地面源污染检测结果相挂钩，推动化肥减量施用。

第五，推进绿色农业保险发展，达到环境治理与保障农民收入有机统一。一般的农业保险可有效降低农业生产过程中不确定性，弥补农民受灾损失，保障农民收益。但面对我国面源污染严峻形势，降低化肥施用量已成为必须，这势必影响农民投入决策和经济收益。故在农业保险产品设计中补偿农民因减少化肥施用而产生的经济利益损失，将绿色生产激励要素纳入农业保险保费补贴中，将部分农业直接补贴转化为农业保险绿色保费补贴，以此使农业保险更好地发挥绿色兴农作用，推动乡村振兴战略实施。