山西省化肥投入区域分异及环境风险评价

解文艳, 周怀平, 杨振兴, 刘志平

山西省化肥投入区域分异及环境风险评价

解文艳, 周怀平*, 杨振兴, 刘志平

山西农业大学资源环境学院, 省部共建有机旱作农业国家重点实验室（筹）, 太原 030031

基于1985—2017年化肥施用量和作物播种面积, 采用化肥施用环境风险评价模型, 探讨了山西省化肥施用及环境风险的时空变化特征。结果表明, 山西省化肥施用总量在1985—2017年间整体呈增加趋势, 2017年山西省化肥施用强度为285.14 kg·hm-2, 大多数地区农田化肥投入过量; 其基本趋势是从晋北到晋南逐步增加, 晋西北投入少、晋东南投入高。总化肥施用强度极值比为2.4, 氮肥、磷肥和钾肥的极值比分别是1.9、2.7和3.4。全省11个地市氮磷钾投入比例是1:0.69:0.62, 不尽合理。山西省2017年化肥施用环境总风险指数为0.52, 呈低度环境风险; 氮、磷、钾肥施用的环境风险指数分别为0.50、0.58和0.55。氮肥施用的环境风险处于安全状态; 磷肥的环境风险区域集中在晋东南和晋中地区, 钾肥的环境风险区域集中在晋东南和运城地区, 均呈现中度、严重风险程度并有成片聚集特征。研究结果有利于调控山西农田施肥合理分布并进行分区指导, 制定不同施肥方案, 协调粮食增产和生态保护间的关系, 为防治农业面源污染提供决策参考。

化肥施用强度; 氮磷钾比例; 环境风险评价; 区域差异; 山西省

0 前言

肥料是作物的“粮食”, 是稳定地力、保障食物安全的重要支撑。随着我国现代化农业的发展, 农作物的产量不断提高, 化肥的施用量越来越大。2017年, 我国粮食总产量达到6.62×108t, 是1978年3.03× 108t的2.18倍, 而农用化肥施用量从1978年的8.84×106t上升到2017年的5.86×107t, 增长了6.63倍[1]。化肥施用量增加的速度远远大于粮食产量增加的速度。但受限于养分管理水平和施肥技术, 我国主要粮食作物的肥料利用率均呈逐渐下降趋势[2], 由此造成对环境的不良影响[3]。研究表明, 近十年来, 农业非点源污染物中氮磷素的输入上升为水质污染的主因[4-6]。化肥过量施用引起的环境质量衰退成为我国农业面源污染的主要诱因[7]。因此, 全面系统地认识农业化肥施用的强度、时空分异及对生态环境的潜在威胁对深入认识农业面源污染、保障农业可持续发展具有十分重要的作用。

山西省是全国农业大省之一, 主要种植有玉米、小麦、杂粮、油料、棉花等农作物。2017年山西省粮食总产量达到1353.90×104t, 粮、棉、油产量的提高离不开化肥的使用。山西化肥用量呈逐年上升趋势, 1978年为35.06×104t, 到2017年为112.00× 104t, 增长了76.94×104t[1]。尚杰等[8]利用单位农作物播种面积上化肥的施用量指标表示化肥施用带来的面源污染, 结果表明山西为中度化肥面源污染。王梅[9]研究表明, 由于大量施用化肥, 汾河流域农田土壤中有机质含量大幅度减少, 破坏了土壤团粒结构, 土壤的保水性、透气性弱化, 水土流失严重。农田过量施用化肥导致了主要粮食作物肥料利用率不高, 肥料损失严重, 造成农业面源污染, 影响农业增产和农民增收[10]。近年来, 不少学者开始重视山西省农田重金属污染及环境风险评价等方面的研究[11-13]。但针对化肥施用造成环境污染的风险评价研究较少。本文对山西省农田氮磷钾化肥施用的基本特征、分布及其造成的潜在环境风险进行研究, 为准确把握山西省化肥使用状况、宏观管理化肥使用环境风险、进一步减肥提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

(1)基础数据。山西省1985—2017年期间的氮肥、磷肥、钾肥和复合肥的折纯使用量和同期的作物播种面积、果园种植面积等数据, 主要来自中国国家统计局网站[14]。1985—2017年山西省各地市氮肥、磷肥、钾肥和复合肥的折纯使用量和同期作物播种面积、果园种植面积等数据, 主要来源于中国国家统计局网站[15]和《山西统计年鉴2018》[16]。同时用相关数据替代或估算无法直接通过年鉴或调查获得的部分数据, 如复合肥中的氮磷钾的比例根据市场考察和有关文献统一按1:1:1计算, 折纯后加到氮肥、磷肥(P2O5)、钾肥(K2O)中[6,8]。

(2)标准数据。来源于中华人民共和国生态环境部印发的环发[2010]75号文件《国家级生态乡镇申报及管理规定(试行)》中化肥施用强度生态标准[17]。

(3)化肥施用强度计算依据。借鉴中华人民共和国生态环境部印发的环发[2010]75号文件中国家级生态乡镇建设对农用化肥施用强度的定义, 实际用于农业生产的化肥施用量(包括氮肥、磷肥、钾肥和复合肥)与播种总面积之比计算山西省及各地市化肥施用强度。

1.2 环境风险评价方法

参考刘钦普[18-19]的方法进行环境风险评价。计算公式为:

式中,M表示当年化肥施用量(kg), 按折纯量计算。表示作物播种面积(含果园种植面积)。F为化肥施用强度(kg·hm-2), 单位作物播种面积上化肥的施用量[19]。R为氮、磷或钾等单项肥料污染环境风险指数。T为氮、磷或钾等单项肥料环境安全阈值(kg·hm-2), 参考环发[2010]75号文件中国家级生态乡镇建设中化肥施用强度小于250 kg·hm-2的评价标准, 确定250 kg·hm-2为化肥施用环境安全阈值, 参考借鉴发达国家氮磷钾比例1:0.5:0.5, 确定氮肥、磷肥、钾肥的环境安全阈值分别为125、62.5、62.5 kg·hm-2[18]。W为单质肥料污染环境风险权重, 分别取0.648、0.230、0.122[18-19]。R为化肥污染环境风险总指数。

表1 化肥施用环境风险指数(Ri或Rt)分级及环境风险分类

1.3 化肥施用环境风险分级方法

参考刘钦普[19]的方法划分化肥施用环境风险等级类型及相应的风险指数分级, 如表1所示。

2 结果与分析

2.1 山西省化肥施用时空变化特征

2.1.1 山西省化肥施用时间变化特征

以1985年化肥施用量为基数, 从其他年份化肥施用量相对于1985年度的比率可以看出山西省化肥施用量增长的速度(表2)。从1985—2017年, 山西省钾肥和复合肥均较1985年有数倍增加, 钾肥较1985年增加了9.7倍, 复合肥增加了8.2倍。氮肥和磷肥1985—1995年施用量持续增加, 1995—2010年施用量保持稳定, 2010年以后有所降低; 2017年氮、磷化肥施用量分别较1985年增加了1.1和2.0倍。2000—2017年各年度中增加的化肥用量, 钾肥和复合肥是主要贡献者。

根据作物播种面积(含果园种植面积)和化肥施用总量、氮肥、磷肥及钾肥施用量, 用公式(1)计算1985—2017年山西省各年份单位作物播种面积化肥施用总强度、氮肥施用强度、磷肥施用强度、钾肥施用强度。

山西省1985—2017年化肥施用强度动态变化趋势如图1, 山西省化肥施用总强度总体上呈现增长趋势。1985年山西省化肥施用总强度及氮肥、磷肥、钾肥施用强度分别为97.29、67.10、21.72、8.47 kg·hm-2, 2017年分别为285.14、123.61、85.13、76.40 kg·hm-2, 2017年分别是1985年的2.93、1.84、3.91、9.02倍。山西省氮肥、磷肥施用强度平稳增长, 钾肥施用强度从2005年以来增长较快。在化肥投入的结构方面, 山西省氮肥(N)、磷肥(P2O5)钾肥(K2O)的比例1985年为1:0.32:0.13, 增长到2017年的1:0.69:0.62。

2.1.2 山西省化肥施用空间差异

从表3可知, 山西省各地市化肥使用很不平衡, 表现出明显的地域差异, 化肥施用强度最高的是长治市, 为435.8 kg·hm-2, 是最低的吕梁市178.5 kg·hm-2的2.4倍。以中国生态文明市建设中提出的施用强度不超过250 kg·hm-2为标准, 吕梁市、大同市、朔州市化肥施用强度达标, 达标率为27.27%, 长治市、晋城市、晋中市、运城市化肥施用强度拉高了全省平均水平。长治市和晋城市位于自然条件较差、耕地面积较少的太行山地区, 农业人口密度大, 以种春玉米、谷子()、豆类为主, 多为一年一作的传统旱作农业区, 农民为追求高产而投入更多的化肥。晋中市位于山西省省会城市周边, 大量种植蔬菜、水果等经济作物, 在追求高产的驱动下, 化肥施用强度提高。运城市位于汾河平原, 光热充足, 水资源丰富, 轮作制度一年两熟或两年三熟, 主要种植冬小麦、夏玉米、豆类、棉花、果园等, 农民普遍追求高产, 区域内粮食作物和经济作物化肥过量施用问题不断扩大, 也导致研究区化肥施用强度较高。忻州市、太原市、阳泉市、临汾市化肥施用强度均刚超过250 kg·hm-2警戒线。忻州市、晋城市、运城市氮磷钾施用结构比例分别为1:0.93:0.85、1:0.80:0.71、1:0.77:0.77, 磷钾肥比例整体偏高。

表2 山西省不同年份化肥施用量及相对于1985年的比率

图1 1985—2017年山西省化肥施用强度动态变化

Figure 1 Changes of fertilizer application intensity in Shanxi Province from 1985 to 2017

表3 2017年山西省各地级市化肥施用强度及氮磷钾肥比例

2.2 山西省化肥施用环境风险评价

由公式(2)、(3)计算得到山西省单质肥料施用环境风险指数和总化肥环境风险指数, 其环境风险水平时间变化特征和空间分布状况分别如图2、图3所示。

2.2.1 山西省化肥施用环境风险时间变化特征

从山西省1985—2017年化肥施用环境风险动态变化趋势来看(图2), 山西省总化肥施用环境风险指数及氮肥、磷肥、钾肥的环境风险指数1985年分别为0.30、0.35、0.26、0.12, 2017年分别增加到0.52、0.50、0.58、0.55, 总体上处于低度环境风险。山西省氮、磷、钾单质肥料施用风险由环境安全转化为低度风险的年份分别为2007、2001、2012年, 总化肥施用风险由环境安全转化为低度风险的年份为2007年。山西省氮肥的环境风险指数基本保持在环境安全与低度风险临界值点; 磷肥的环境风险指数持续增长, 自2010年以来环境风险指数一直保持在低度风险的上限; 钾肥的环境风险指数持续增加, 2012年由安全增加至2017年低度风险的中间值。

2.2.2 山西省化肥施用环境风险空间变化特征

从2017年山西省化肥施用环境风险的空间分布状况来看(图3-a), 大同市、朔州市、忻州市、阳泉市和吕梁市处于化肥施用环境安全状态, 主要分布在晋北和晋西北地区; 太原市、晋中市、晋城市、临汾市、运城市5市环境风险指数为0.52—0.56, 处于化肥施用低度环境风险状态, 主要位于山西省中部、南部地区; 长治市环境风险指数为0.62, 处于化肥施用中度环境风险状态。对于单质化肥氮肥来说(图3-b), 长治市环境风险指数为0.60, 处于低度环境风险指数区间上限值; 晋中市、太原市、晋城市、临汾市处于低度环境风险, 其余地市为环境安全区域。磷肥施用环境风险总体最高, 差别较大, 从环境安全到严重风险都有, 长治市为严重风险区, 风险指数为0.68; 晋中市、晋城市为中度风险区, 朔州市、忻州市、太原市、阳泉市、临汾市、运城市为低度风险区, 其中忻州和运城市风险指数值处于低度环境风险指数区间上限值, 大同市和吕梁市为环境安全区域(图3-c)。钾肥施用环境风险(图3-d), 长治市为严重风险, 晋城市和运城市为中度风险, 忻州市、太原市、晋中市、阳泉市、临汾市为低度风险, 大同市、朔州市、吕梁市为环境安全区域。总之, 磷肥施用是目前山西省化肥面源污染的主要风险, 其次为钾肥, 相比来说, 氮肥施用环境风险还不突出。

图2 1985-2017年山西省化肥施用环境风险指数变化

Figure 2 Changes of environmental risk indexes of fertilizer application in Shanxi Province from 1985 to 2017

图3 2017年山西省化肥施用环境风险空间分布

Figure 3 Spatial distribution of environmental risk index of chemical fertilizer application in Shanxi Province in 2017

3 讨论

山西省2007—2017年化肥施用总强度为256.74—301.96 kg·hm-2, 高于国际上规定的化肥施用环境安全上限(225 kg·hm-2)[19]和我国生态县建设规定中的化肥施用强度(250 kg·hm-2)[17]。2014年全国农业工作会议明确提出了“化肥减施增效”任务指标, 山西省化肥施用总强度呈现缓慢降低趋势, 从2013年的301.96 kg·hm-2下降到2017年的285.14 kg·hm-2。山西省氮磷钾肥结构比例1985年为1:0.32:0.13, 2000年为1:0.54:0.24, 2010年为1:0.63:0.42, 2017年变为1:0.69:0.62, 由此可以看出山西省磷肥投入持续增长, 钾肥投入从2000年开始迅速增加。目前, 我国氮磷钾肥结构比例为1:0.49:0.42、发达国家为1:0.5:0.5、世界平均水平是1:0.46:0.36[18], 与它们相比, 山西省磷钾肥比例偏高。究其主要原因, 一是与磷钾肥的发展历程有关。当氮肥施用到一定水平后, 磷肥的施用提上了日程。自20世纪80年代后, 磷肥的应用研究和施用出现了一个高潮; 由于我国钾资源十分有限, 每年需要大量外汇进口, 钾肥价格偏高, 农民购买能力弱, 2000年以前农民施钾较少。二是为保证作物高产、优质, 氮磷钾养分合理配合施用是不可或缺的因素。随着农作物产量的不断提高, 农民受“肥多粮多”传统观念影响且钾肥价格有所降低, 大量施用氮肥的同时开始大量施用磷钾肥。三是近年来, 农民习惯用肥量较大的经济作物(如设施蔬菜和果树等)播种面积增长明显。山西省设施蔬菜种植面积由2010年2.00×104hm2增长至2015年的4.17×104hm2, 2017年回落至3.45×104hm2, 通过施肥调查发现, 设施蔬菜施肥量远远高于蔬菜需肥量, 尤其是磷肥的使用量几乎是蔬菜对磷吸收量的5—10倍[20-21]。2017年果树种植面积35.95×104hm2, 较2010年增长23.5%; 通过对山西省苹果园施肥调查发现, 山西省钾肥投入量为442 kg·hm-2, 高于山东、陕西的356、208 kg·hm-2的施用量, 山西磷肥投入量为381 kg·hm-2, 高于陕西358 kg·hm-2、低于山东477 kg·hm-2的施用量[22]。

山西省运城市和临汾市2017年化肥总施用量分别为280371和176417 t, 位居全省第一和第二位, 且果园种植面积也居山西省第一和第二位, 但是其化肥施用强度分别为315.4和277.7 kg·hm-2, 却不是最高。究其原因是, 本文化肥施用强度是化肥施用量与播种面积之比, 运城和临汾的复种指数分别为170%和122%, 而长治市、晋城市、晋中市复种指数均小于100%, 故计算得到的运城市和临汾市化肥施用强度低于这三个地市。我国生态县和生态乡镇建设及评价化肥施用环境风险的一个重要指标是化肥施用强度, 中华人民共和国生态环境部发布的环发[2007]195号和[2010]75号文件中关于化肥施用强度计算指标有所不同, 分别为耕地面积和播种面积[17]。按照播种面积计算与按耕地面积计算的结果有很大不同。所以, 研究者和引用者应注意化肥施用强度指标的计算依据, 避免出现错误的结论。本文中化肥施用强度是按照播种面积计算, 这样既避免了复种指数的困扰, 又便于广大农民接受和使用。中华人民共和国生态环境部在生态县和生态乡镇建设中对化肥施用强度定义的变化也对此进行了说明。

2017年山西省的化肥施用环境风险为低等风险水平, 与已有的化肥风险评价研究相比, 环境风险指数低于河南、安徽等地区[19], 分析其原因是山西省的化肥施用强度整体低于以上地区, 山西省化肥施用环境风险评价与在中国省域尺度开展的化肥施用环境风险评价的结果基本一致[19]。山西省的磷、钾肥的施用环境风险高于氮肥。化肥过量施用污染环境的风险已在山西省开始显现。监测表明, 汾河下游流域地表水和地下水77.8%的样品中NO3--N含量超过国家饮用水标准, 氮污染严重, 农业灌区的主要硝酸盐污染源为农业化肥[23]。滹沱河源头地下水硝态氮污染比较严重, 主要来源于当地的化肥和动物粪肥[24]。山西省最大的水库和最大的饮用水源地的汾河水库周边土壤Cr 和 Pb含量超标率较为显著[25]; 晋中市太谷县不同使用年限大棚土壤重金属 Cr、Pb、As 和 Hg 含量随着种植年限的增加均呈现不同程度的增加趋势, 而Cd、Cu 在 6—10 a达到最大[26]; 这与农业施用的磷肥、含磷复合肥原料的肥料中混杂有较多重金属, 化肥不合理施用有关。山西省钾肥施用强度区域差别大, 有上升的潜势, 虽然人们还没有认识到钾肥对环境有什么危害, 但应引起警惕。

4 结论

1)1985—2017年山西省化肥施用总量总体上呈现增长趋势, 2000—2017年各年度中增加的化肥用量, 几乎全部来自钾肥和复合肥。山西省2017年化肥施用强度285.14 kg·hm-2, 是中国生态县建设规定的250 kg·hm-2的1.14倍。化肥施用的基本趋势是从晋北到晋南逐步增加, 晋西北投入少、晋东南投入高。化肥施用总强度最高和最低的地区相差2.4倍, 其中氮肥、磷肥和钾肥施用强度分别相差1.9、 2.7和3.4倍。

2)山西省氮磷钾肥投入结构区域差异比较明显。2017年全省氮磷钾肥投入比例是1:0.69:0.62, 与目前发达国家1:0.5:0.5、中国1:0.49:0.42相比, 磷、钾肥的比例偏高。忻州、晋城、运城磷钾肥投入比例明显偏高。吕梁市钾肥施用明显不足。

3)山西省2017年化肥施用环境总风险指数为0.52, 呈低度环境风险, 各地市环境风险差异较大, 大同等4个地区处于化肥施用环境安全状态, 晋中等6个地区处于低度风险状态, 长治市为中度风险, 呈现出聚集分布的特点。氮磷钾化肥风险指数分别为0.50、0.58、0.55, 氮肥处于环境安全临界状态, 磷钾施用处于低度风险。氮肥施用环境风险分布与总化肥分布一致, 磷钾肥施用环境风险分布差别较大, 从环境安全到严重风险都有出现。

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Regional differentiation of chemical fertilizers input and environmental risk assessment in Shanxi Province

XIE Wenyan, ZHOU Huaiping*, YANG Zhenxing, LIU Zhiping

State Key Laboratory of Sustainable Dryland Agriculture（in preparation）, College of Resources and Environment,Shanxi Agricultural University, Taiyuan030031, China

Based on the application amount of chemical fertilizer and the planting area of crops from 1985 to 2017, the spatial and temporal variation characteristics of chemical fertilizer application and environmental risk in Shanxi Province were investigated using the environmental risk assessment model of chemical fertilizer application. The results showed that the total amount of chemical fertilizer applied in Shanxi Province increased from 1985 to 2017 on the whole, and reached an application intensity of 285.14 kg·hm-2in 2017. Most areas were overfed with chemical fertilizers. It showed a tendency of gradual increase from north to south of the province, with high input in the southeast and low input in the northwest. The extremum ratio of total fertilizer application intensity was 2.4, while the extremum ratios of nitrogen, phosphorus (calculated as P2O5) and potassium (calculated as K2O) were 1.9, 2.7 and 3.4, respectively. The input ratio of nitrogen, phosphorus and potassium in the total 11 prefecture-level cities of Shanxi was 1:0.69:0.62, which was not reasonable. In 2017, the total environmental risk index of chemical fertilizer application in Shanxi was 0.52, showing a low level of environmental risk. The environmental risk indices of nitrogen, phosphorus and potassium fertilizers were 0.50, 0.58 and 0.55, respectively. The environmental risk of nitrogen fertilizer application was in a safe state. The environmental risk areas of phosphate fertilizer were concentrated in Changzhi, Jincheng and Jinzhong, while the environmental risk areas of potassium fertilizer were concentrated in Changzhi, Jincheng and Yuncheng, where presented moderate to severe risk degree and were characterized by patchy aggregation. The results of the study are helpful for regulating the rational distribution of fertilization in farmland of Shanxi Province, giving regional guidance, formulating different fertilization plans, coordinating the relationship between grain production increase and ecological protection, and providing reference for the prevention and control of agricultural non-point source pollution.

intensity of fertilizer application; input ratio of nitrogen, phosphorus and potassium; environmental risk assessment; regional differences; Shanxi Province

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.05.016

F323.22

A

1008-8873(2021)05-122-07

2020-03-06;

2020-05-06

山西农业大学省部共建有机旱作农业国家重点实验室自主研发项目(202105D121008-1-8,202001-7);国家重点研发计划(2018YFD0200404-05)

解文艳(1978—), 女, 山西曲沃人, 博士, 副研究员, 主要从事土壤水肥资源可持续利用及水土环境控制方面研究, E-mail: xwy6018060 @163.com

通信作者:周怀平(1964—), 男, 山西昔阳人, 研究员, 主要从事旱作农田资源高效利用研究, E-mail: huaipingzhou@126.com

解文艳, 周怀平, 杨振兴, 等. 山西省化肥投入区域分异及环境风险评价[J]. 生态科学, 2021, 40(5): 122–128.

XIE Wenyan, ZHOU Huaiping, YANG Zhenxing, et al. Regional differentiation of chemical fertilizers input and environmental risk assessment in Shanxi Province[J]. Ecological Science, 2021, 40(5): 122–128.