貴州省化肥施用時空分異及環境風險評價

薛超 田若蘅 雷永疆 楊連心

[摘 要]本文選擇貴州省地市（州）為研究區域，采用化肥施用環境風險模型，分析貴州省1996—2015年間化肥施用的時空分析特征，定量評估化肥施用存在的潛在環境風險，確定化肥施用存在環境污染風險的重點區域。結果表明：以中國的化肥施用生態安全閾值250kg/hm-2來看，近20年來，貴州省化肥施用長期處于過量施用狀態，施用量呈上升趨勢，化肥施用年均增長率達3.5%。2015年貴州省的化肥施用強度為587.98kg/hm-2，是同年全國化肥平均施用強度446.12kg/hm-2的1.32倍，為化肥投入高水平區域。其中，貴州的化肥投入空間差異明顯，貴陽的化肥施用強度最高為679kg/hm-2，而黔東南州的化肥施用強度最低為429kg/hm-2，兩者化肥施用強度差異達1.58倍。2015年貴州省的化肥施用的環境風險程度為中度風險，但是貴陽市和安順市處于重度風險。同時，貴州各地區存在重度的氮肥污染環境風險，貴陽市與六盤水市氮肥施用的環境風險指數達嚴重風險，尤為突出。

[關鍵詞]面源污染;化肥施用強度;環境風險;貴州省

[中圖分類號]X592 [文獻標識碼]A

化肥對糧食安全做出巨大貢獻，但化肥施用結構不合理和過量施用等問題也日益突出，造成化肥利用率低、土地硬化、農業面源污染和糧食產量下降等次生影響。化肥的施用方式合理與否直接影響到耕地的質量，進而影響到糧食質量，乃至對人類生存發展造成影響。因此，如何保持清潔的農業生產環境，促進農業可持續發展成為新時代下需要解決的問題。

貴州是中國的傳統農業大省，關于貴州農業污染的防治受到廣泛關注。有學者對貴州省的蔬菜重金屬污染狀況進行研究，發現研究區內52.1%菜地中鎘含量超標，并且土壤中的鎘正在不斷地累積;通過對市售化肥進行抽樣分析，就化肥成分中重金屬的合理分配與否分析造成農村污染的影響因素;通過建立貴州農業面源污染調查與監測制度，使農業面源污染防治在內容上、范圍上、責任劃分上進一步完善;同時不斷完善水污染防治法律體系，彌補貴州省農村水污染保護理論研究的不足。

以上研究為探索貴州省農業污染現狀和未來貴州省農業污染防治工作提供了重要指導。但是針對貴州省的化肥污染現狀和未來潛在環境風險的研究較少。筆者引入環境風險評價模型，從化肥施用角度對貴州省的環境風險進行評價，為貴州省農業進行合理的化肥施用管理、維持生態系統健康和農業可持續發展提供參考依據。

1 研究方法與數據來源

1.1 環境風險評價模型

環境風險評價是指在社會經濟活動過程中，對社會經濟、生態環境、人類健康等已經造成的損失或潛在危害進行評估，并提供相關建議和解決對策的過程。本文采用劉欽普研究中構建的環境風險評價模型，該模型綜合了環境安全閾值、環境影響權重和農作物復種指數等多種影響因素，使環境風險指數通過更加科學的方法測算出結果。其具體公式為：

（i=N、P、K）（1）

（i=N、P、K）（2）

公式（1）、（2）中，Fi表示單類化肥施用強度，m表示農作物復種指數，u表示化肥利用率，Ti為單類化肥施用的安全閾值，Hi表示單類化肥環境污染風險指數，Wi表示單類化肥的權重系數，Rt表示總肥的環境污染風險指數。

以化肥利用率為50%、復種指數為1為參照，依據化肥施用強度與環境安全閾值的倍數，把化肥環境污染風險程度分為6個不同的等級（表1），當化肥施用強度越大，風險指數越趨近于1，反之趨近于0。當環境污染風險指數等于0.5時，是環境安全與否的分界點。

1.2 數據來源

本文所需化肥施用量、耕地面積等基礎數據主要來自《貴州統計年鑒》和《貴州六十年》，對于年鑒中部分年份的耕地面積數據缺失情況，本文采用相近年份數據進行插值擬合進行補充。由于時間跨度較大，通過綜合《生態縣、生態市、生態省建設指標（修訂稿）》和《國家生態文明建設示范村鎮指標（試行）》文件的意見得到化肥施用強度的生態標準。

2 結果與分析

2.1 貴州省化肥施用時空分析

2.1.1 化肥施用時間分析

上個世紀九十年代中期以后，貴州省的化肥施用量經過了一個顯著的增長階段。從1996年的61萬t增長到2015年的103.69萬t，增長率達到70%，其中氮肥的增長波動幅度和總化肥施用量的增長波動幅度相似，表明氮肥施用量在貴州省總化肥施用量中占據主體地位;磷肥呈現出先減少后增長的u型變化，總體呈上漲的趨勢;鉀肥總量呈現緩慢的上漲趨勢，但是增加幅度大，增加了2.86倍;復合肥呈現出明顯的上漲趨勢，增長率達192%，成為貴州省化肥施用量增長的主要動力，表明貴州省農業生產者積極采取新型復合肥，不斷改善農業生產方式。

20年間，貴州省的糧食產量得到較大提升，1996年糧食產量突破1000萬t，糧食單產從1996的3465kg/hm-2增長到2008的3 960kg/hm-2，增長率達14.29%。由于農業生產方式滯后，農業快速發展多以土壤肥力為代價和單一地增加化肥投入量，因此造成化肥利用率的降低。2011—2013年貴州省的糧食產量不斷下降，但化肥施用量卻不斷上升，表明化肥施用量對貴州省糧食產量的影響不斷下降，側面反映出土地質量不斷下降。

2.1.2 化肥施用空間分析

本文選取研究區1996年和2015年的相關數據，計算得出氮、磷、鉀肥和全省總化肥施用強度（表2和表3）。

（1）全省化肥施用強度大。1996年貴州省的化肥平均施用強度為330.49kg/hm-2，是同年全國化肥平均施用強度403.06kg/hm-2的0.82倍，而2015年貴州省的化肥平均施用強度為587.98kg/hm-2，是同年全國化肥平均施用強度446.12kg/hm-2的1.32倍，是國家示范村鎮指標220kg/hm-2的2.67倍。20年間，貴州省的化肥施用強度不斷上漲，從330.49kg/hm-2上漲到587.98kg/hm-2，增長了77.91%，增長速度較快;氮肥施用強度從212.33kg/hm-2增長到352.79kg/hm-2，增長了66.15%;磷肥施用強度從84.55kg/hm-2增長到124.77kg/hm-2，增長了47.57%;鉀肥施用強度增長最快，從33.61kg/hm-2增長到110.42kg/hm-2，增長了228.53%。

（2）化肥施用強度區域差異大。化肥施用強度最高的貴陽市679kg/hm-2，是化肥施用強度最低的黔東南州429kg/hm-2的1.58倍。1996年到2015年化肥施用強度增長最快的黔南州366.78kg/hm-2，是增長最慢的畢節市165.14kg/hm-2的2.22倍。極值比大于2，表明各地區之間的化肥施用強度差異顯著。氮肥施用強度增長最快的是六盤水市235.85kg/hm-2，增長最慢的是黔東南州81.38kg/hm-2;磷肥施用強度增長最快的是銅仁市95.67kg/hm-2，出現負增長的是貴陽市-32.96kg/hm-2和畢節市-26.94kg/hm-2;鉀肥施用強度增長最快的是貴陽市112.97kg/hm-2，增長最慢的是黔西南州29.8kg/hm-2，表明了貴州省各地區間化肥施用強度增長的不平衡。

（3）氮、磷、鉀肥的比例不斷趨于合理。發達國家的氮、磷、鉀肥比例是1：0.5：0.5，以此為標準，1996年貴州省的氮、磷、鉀肥平均比例協調性和發達國家還有一定差距，均沒有達到標準;2015年貴州省的氮、磷、鉀肥平均比例較1996年更加合理，從1996年的1：0.4：0.15協調為2015年的1：0.37：0.32，該比例不斷向適宜中國的氮、磷、鉀比例（1：0.4～0.45：0.4～0.5）靠近，表明磷肥和鉀肥的施肥結構不斷得到優化。

20年間，貴州省的化肥施用量總體上呈現出增長趨勢，氮肥主導了貴州省的化肥施用量，而過度地施用氮肥會造成一系列生態環境問題，甚至可能影響到人類的生存發展。貴州省的黃壤旱地玉米氮肥利用率平均為40.6%，而氮、磷、鉀肥合理地配合施用比單施氮肥的化肥利用率高6%。可見，貴州省可以減少氮肥在農業生產活動中的施用量，將氮、磷、鉀肥三者優化配置、綜合利用，以此提高農業生產效率，協調好農業生產與生態環境兩者之間的關系。

2.2 貴州省化肥污染環境風險評價

為保證研究準確性，參考了《生態縣、生態市、生態省建設指標（修訂稿）》中的參考性指標250kg/hm-2和《國家生態文明建設示范村鎮指標（試行）》中的約束性指標220kg/hm-2，將生態安全閾值定為240kg/hm-2。氮、磷、鉀肥的養分比例是參照發達國家1：0.5：0.5標準，以此確定氮肥的安全閾值為120kg/hm-2，磷肥和鉀肥的安全閾值為60kg/hm-2。根據相關研究，貴州省的農業面源污染風險受氮、磷肥影響較大，受鉀肥影響較小，確定出氮、磷、鉀肥的權重系數分別為0.634、0.216、0.149。各類化肥被土壤吸收利用的能力有差異，根據實際情況進行化肥利用率修正，氮肥為27.28%、磷肥為26.03%、鉀肥為36.25%。

由圖2可得，2015年貴州省化肥施用的風險指數是0.72，屬于中度風險，氮肥的風險指數是0.76、磷肥的風險指數是0.70、鉀肥的風險指數是0.59，分別屬于重度、中度和低度風險。其中安順市和貴陽市的化肥污染風險指數處于0.76～0.80，為重度風險，其余的6個地級市為中度風險（圖2A）。氮肥風險指數為0.76，處于重度風險，其中貴陽市和六盤水市的風險指數處于0.81～0.85，為嚴重風險，安順市、黔西南州和黔南州為重度風險，遵義市、畢節市、銅仁市和黔東南州為中度風險（圖2B）。較氮肥相比，磷肥風險程度情況較好，風險指數為0.70，處于中度風險，其中安順市和貴陽市處于0.76～0.80，為重度風險，其余7個地級市為中度風險（圖2C）。相比前兩者，貴州省的鉀肥風險程度最好，風險指數為0.59，處于低度風險，其中貴陽市的風險指數為0.75，處于中度風險，其余8個地級市處于低度風險（圖2D）。總的來說，貴州省氮、磷肥環境污染風險高于鉀肥，在空間上呈現貴州中部、西部和南部偏高的特點。

2.3 貴州省化肥污染產生的環境效應

貴州省現有化肥施用結構已經造成不良環境效應。長期施用胺態氮肥，會導致土壤板結和肥力下降，而硝態氮肥通過反硝化作用可還原成N2和N2O等氣體，這些氣體進入到大氣中，對臭氧層造成不利影響。2015年貴州省主要河流的水質良好，地表水質量以Ⅰ～Ⅲ類水質為主，其中烏江水系水質為Ⅳ、Ⅴ類占9.7%、劣于Ⅴ類占9.7%。烏江水系經過安順市和貴陽市，這兩個市的化肥風險程度均為重度風險，受影響較大。過量施用磷肥會導致水體的富營養化，烏江水庫的營養鹽濃度較高，枯、豐水期均為中—富營養化狀態，且呈現出輕度的富營養化趨勢。貴陽市紅楓湖的沉積物中Mn主要以鐵錳氧化物結合態存在，Cd主要以可交換形態存在，元素Db、Cu、Cr、Zn、Ni、Fe主要以殘渣態存在，并且Cu的KSPEF平均值達到22.7，表明受到了人為污染。在三岔河水質檢測的5個采樣點中，有3個采樣點位于安順市境內的河流沿岸，沿岸多為耕地，存在農業面源污染，水質較差。以上出現的貴州省化肥污染環境效應，表明在未來要調整化肥施用量和優化化肥施用結構，減少因化肥而產生的環境污染。

3 結論

本文以貴州省為例，借助化肥污染環境風險評價模型，從時間序列角度探討20年間化肥施用量的變化，從空間格局角度探討了化肥施用強度的地區差異和化肥污染風險程度的地區不平衡性，得出以下結論：

（1）貴州省的化肥總量增長快，由1996年的61萬t增長到2015年的103.69萬t，增長了70%，并且呈現逐年上升的趨勢。

（2）貴州省的化肥施用強度明顯過量，2015年貴州省的化肥施用強度587.98kg/hm-2超過了國家生態文明示范村鎮指標220kg/hm-2。化肥施用強度區域之間差異大，增長最快的黔南布依族苗族自治州366.78kg/hm-2，是增長最慢的畢節市165.14kg/hm-2的2.22倍。

（3）2015年貴州省化肥施用風險指數是0.72，屬于中度風險，其中貴陽市和六盤水市屬于重度風險;氮肥和磷肥的環境污染風險程度均高于鉀肥，高風險地區集中于貴州的中部、西部和南部地區。

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