基于GIS的海河流域農田氮磷肥施用環境風險評價

王道蕓 ，胡海棠 ，李存軍 ，劉 榮 ，陳夢露

（1.東華理工大學測繪工程學院，江西南昌330013；2.北京農業信息技術研究中心，北京100097）

近年來，我國人口數量不斷增加，人均耕地面積隨之減少，盲目及不合理的化肥施用導致的環境污染問題，引起了國內外的廣泛關注[1-2]。在農業生產過程中，氮磷是農作物生長、發育所需的必要營養元素，適宜的氮肥施肥量可以有效提高作物產量，但氮肥過量容易導致營養過剩、群體過大，進而影響作物的成熟期[3-4]。我國是世界上化肥施用量最大的國家，由于施肥技術落后及肥料利用率低等原因，使得農田氮磷通過地表徑流和地下淋溶等方式進入水體，最終造成水體富營養化。2010年第一次全國污染普查結果顯示，由農業面源污染產生的總氮、總磷的排放量分別占同期全國總氮、總磷排放總量的57.2%，67.4%。結果表明，農田化肥超量施用是導致水環境惡化的主要來源[5-7]。根據我國統計局相關數據，2013年我國農田化肥施用量為5.91×107t，與發達國家相比，化肥利用率較低，其中，氮肥利用率在30%～40%，磷肥利用率小于20%，如氮肥不合理施用是黃淮海糧食產區存在的模式，大量氮肥的施用導致該區域耕地退化、作物產量下降，同時引發嚴重的環境污染問題[8]。到2015年，我國化肥施用量達到5.7×107t，單位面積化肥施用量遠遠超過世界平均水平[9]。因此，2015年我國政府提出了農田化肥農藥“零增長”的方案，方案指出，到2020年，我國主要作物的化肥施用量要達到“零增長”的目標，且化肥利用率達到40%以上[10]。由此可見，定量估算農田化肥施用環境風險指數、快速識別化肥施用污染環境高風險區，是有效防止農業面源污染的重要前提。

針對農田化肥安全施用量，國內研究人員已進行了大量相關研究。周萍等[10]研究認為，湖北省潛江市浩口鎮水稻的最佳施磷量為66 kg/hm2。朱兆良等[11]研究認為，我國糧食作物的氮肥平均安全用量在150～180 kg/hm2較適宜。鄧樹元等[12]研究表明，當冬小麥產量達到6 500 kg/hm2時，氮、磷、鉀肥適宜量分別為 180，120，75 kg/hm2。馬文奇[13]研究表明，山東省小麥的氮、磷、鉀肥安全施用量分別為180，75，75 kg/hm2，玉米的氮、磷、鉀肥安全施用量分別為 180，60，75 kg/hm2。吳良泉等[14]研究表明，我國玉米主產區氮、磷、鉀肥平均推薦量分別為181，75，54 kg/hm2。以上研究為農田合理施肥提供了參考價值，從而為有效防止農田氮磷面源污染及環境風險評價建立了基礎依據。海河流域作為我國政治、文化、經濟建設中心，近年來卻成為8個重點保護流域之一。“十二五面源污染報告”指出，8個重點保護流域中農田氮、磷總平均施肥量分別為375，180 kg/hm2，而海河流域的氮、磷施肥量分別為495，240 kg/hm2，污染程度排第 2 位。

本試驗以海河流域為研究區，以地級市為研究單元，基于統計數據對流域農田氮、磷施用環境風險指數進行定量估算，借助GIS技術進一步分析氮、磷施用對環境污染等級，旨在為相關環境保護工作者提供參考依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

海河流域位于東經 112°～120°，北緯 30°～43°，包括北京、天津、山東、山西、河南、河北、遼寧及內蒙古8個省（區、市）。流域總面積為31.82萬km2，占全國總面積的3.3%。流域地勢呈現西北高東南低，大致分為高原、山地及平原3種地貌。研究區屬于溫帶東亞季風氣候區，年平均氣溫在1.5～14℃，年平均相對濕度為50%～70%；年平均降水量為535 mm，是我國東部沿海地區降水最少的地區。流域土地資源豐富，適合農作物生長，主要以種植糧食作物、蔬菜瓜果為主，且流域內農田化肥施用量比較高，劉忠等[15]研究了2008年我國不同區域化肥施用量的差異，結果表明，黃淮海平原區、長江中下游平原區和東北平原區是我國化肥消費的主要區域，其化肥消耗總量占全國化肥消耗總量的2/3以上，而黃淮海平原作為海河流域的主體，已然成為我國化肥施用量最大的區域之一。

1.2 數據來源

本研究數據包括2個部分：第1部分為基礎數據，即行政區劃圖、農作物播種面積、糧食產量、化肥折純量數據；第2部分為調查數據，即氮磷權重因子調查及復合肥中氮磷鉀折純含量調查。數據來源列于表1。

表1 試驗數據及來源

1.3 研究方法

1.3.1 化肥折純量與化肥強度的估算 從各省（區、市）統計年鑒中獲取2005—2015年各地級市的化肥折純量數據。由于年鑒中有些年份數據缺失，需采用相近年份數據進行相關處理。個別地級市只存在化肥折純量數據，單項化肥折純量數據缺失，需采用公式進行估算[16]。

1.3.2 化肥施用環境安全閾值模型 化肥施用環境安全閾值是評價農田化肥施用環境風險指數的第2個重要指標。化肥施用環境安全閾值就是指為了獲取作物目標產量而不會對環境造成危害的某種化肥的最大施用量（kg/hm2）[20]。本研究以環保部規定的生態建設中化肥施用強度小于250 kg/hm2的標準[18]，結合我國大田作物氮磷鉀肥1∶0.5∶0.5的養分比例[21]，運用環境安全閾值預測模型[22]，獲取各地級市化肥施用環境閾值（Environmental Threshold，ET）。

式中，ETN，ETP分別指氮、磷肥環境安全閾值（kg/hm2）；ρ指化肥施用環境安全調節系數，一般取0.9，其依據是以生態環境為主的作物施氮量比以考慮經濟為主的作物施氮量低20%左右[23-24]，且目標產量常用3 a滑動平均法計算，并將平均產量上浮10%[25]，最終確定ρ值；A為作物需氮量，取我國主要農作物水稻、冬小麥及玉米的平均值為0.03[26]；Yi指某地區近n年中第i年的作物目標產量（kg/hm2）。

1.3.3 化肥施用環境風險指數評價模型 環境風險評價是指就一些化學污染物對人體或生態系統造成的影響進行定量估算，提出降低環境風險的應

化肥施用強度是評價化肥施用環境風險指數的第1個指標。2007年國家環保總局規定，化肥施用強度按耕地面積計算[17]；2010年環境保護部規定，化肥施用強度按播種面積計算[18]。本文以作物播種面積計算化肥施用強度，其中復合肥中氮磷鉀含量按1∶1∶1[19]進行處理。對措施[27]。瑞典科學家HAKANSON[28]于1980年提出了潛在生態風險指數評價模型，模型最初應用于土壤重金屬污染環境風險評價，模型不僅可以評估單項污染物對環境的影響，也能評估多種綜合污染物對環境的影響程度。本文采用劉欽普[20]基于HAK ANSON提出的潛在生態風險指數評價模型基礎上改進的化肥施用環境風險指數評價模型，對流域各地級市化肥施用環境風險進行評價。

式中，Rt指氮、磷肥綜合風險指數；Wi指氮/磷肥污染環境風險權重，其范圍在0～1；Ri指氮/磷肥污染環境風險指數；FIi指氮/磷肥施用強度，ETi指氮/磷肥施用環境安全閾值。

由公式（5），（6）可知，Rt（或Ri）范圍在0～1，當FIi＜ETi時，說明農田更多采用有機肥代替化肥；當FIi＞ETi時，說明環境出現潛在危險性；當FIi＝ETi時，Ri＝0.5，說明已達環境安全風險的臨界點。依據化肥施用強度與環境閾值之間的關系，將化肥施用環境風險劃分為從尚安全區到嚴重風險區5個不同的風險等級（表2）。

表2 環境風險指數等級劃分

2 結果與分析

2.1 化肥施用量時間變化特征

圖1-A顯示，近11 a來化肥施用量總體呈上 升趨勢，總肥施用強度從2005年331.69kg/hm2上升到2015年的 390.76 kg/hm2，增幅達 17.81%，年均增長率達1.50%；且流域多年平均化肥施用強度為366.16kg/hm2，是我國環保部規定的生態縣建設中化肥施用強度為250 kg/hm2安全標準的1.46倍，是發達國家規定化肥施用強度為225 kg/hm2安全標準的1.63倍，氮、磷、鉀肥施用強度均處于較平穩狀態。糧食產量出現大幅度波動情況，其單產從2005年的5131.72kg/hm2增加到2015年的5683.55kg/hm2，增幅達10.75%，年均增長率達0.90%。通過計算化肥施用環境安全閾值發現，2005—2015年除了鉀肥強度未超過鉀肥閾值外，氮、磷肥及總肥施用強度均超過環境安全閾值。從圖1-B可以看出，海河流域化肥施用比例呈逐年上升趨勢，氮、磷、鉀肥施用比例從2005年的1∶0.44∶0.27上升到2015年的1∶0.5∶0.38，流域氮、磷、鉀肥施用比例平均為1∶0.5∶0.33，與我國 1∶0.5∶0.4[29]的養分比例基本吻合。

2.2 基于GIS的氮磷肥施用強度及環境安全閾值時空分布

2.2.1 氮磷肥施用強度時空分布 根據我國環保部規定的生態建設中化肥施用強度小于250 kg/hm2[18]，氮磷鉀肥分別按1∶0.5∶0.5[21]的比例對化肥施用強度進行劃分，將氮肥分為低度施肥區（≤125 kg/hm2）、中度施肥區（＞125～250 kg/hm2）、高度施肥區（＞250～375 kg/hm2）、極高度施肥區（＞375 kg/hm2）；將磷肥分為低度施肥區（≤62.5 kg/hm2）、中度施肥區（＞62.5～125 kg/hm2）、高度施肥區（＞125～187.5 kg/hm2）、極高度施肥區（＞187.5 kg/hm2）。

第三，但是上述有關朗讀層階的表述，卻有只見技巧不見人的嫌疑。因此，我們必須進一步關注課標關于朗讀的特殊要求。雖然三個學段關于朗讀的特殊要求同樣有著內容、內涵上的層階變化，但我們似乎更應該眷注的是它們對于朗讀意圖、朗讀目的、朗讀態度、朗讀情感、朗讀意義和價值的界說，即由“朗讀”（一般要求）向“朗讀者”（特殊要求）的轉化。

氮肥施用強度空間分布如圖2-A所示，2005年低度施肥區共8個，主要分布在山西及內蒙古個別地級市；中度施肥區19個，分布在河北、河南、山東等大部分區域；高度施肥區8個，分布在北京市、天津市和河北、河南個別地級市。與2005年相比，2010年低度施肥區數減少了2個，中度和高度施肥區均增加1個，空間變化差異較小。2015年低度施肥區數較2005，2010年分增加3.83%，4.35%，主要分在錫林郭勒盟、烏蘭察布市、張家口市、陽泉市、大同市、朔州市、忻州市；高度施肥區分別減少5.6%，4.35%，主要分布在山西、河南、遼寧個別區域及河北、山東大部分區域；新鄉市由高度施肥區上升為極高度施肥區。

磷肥施用強度空間分布如圖2-B所示，2005年低度施肥區13個，分布在山西、內蒙、河北、遼寧部分地級市；中度施肥區17個，分布在北京、天津和遼寧、河南、山西個別地級市及河北、山東大部分地級市；高度施肥區5個，分別為東營市、邯鄲市、濮陽市、新鄉市、焦作市。與2005年相比，2010年大同市、朔州市、忻州市、陽泉市、滄州市由低度施肥區上升為中度施肥區，安陽市、天津市、秦皇島市上升為高度施肥區；2015年低度施肥區較2005，2010年分別減少30.54%，13.25%，分布在錫林郭勒盟、烏蘭察布市、張家口市、朝陽市；中度施肥區分別增加22.85%，13.08%，分布在河北、山西、山東大部分地級市；新鄉市、安陽市磷肥施用量逐年增加，上升為極高度施肥區。

2.2.2 基于GIS的氮肥施用環境安全閾值時空分布 根據公式（3），計算了氮肥施用環境安全閾值，2005，2010，2015年氮肥施用環境安全閾值分別為125.71，138.46，151.28 kg/hm2，按照平均閾值上下波動 15～25 kg/hm2，劃分為：低閾值區（≤125 kg/hm2）、中閾值區（＞125～150 kg/hm2）、高閾值區（＞150 kg/hm2）3類，空間分布如圖3所示。磷肥施用環境安全閾值空間分布與氮肥相似。

結果表明，2005，2010，2015年氮肥低閾值區面積占比分別為47.44%，37.60%，35.32%；中閾值區分別為34.62%，19.3%，12.03%；高閾值區分別為17.94%，44.0%，52.66%。2005年氮肥環境安全閾值較2010，2010年存在明顯的區域差異性，原因在于2005年各區域糧食目標產量低，從而導致區域化肥施用環境閾值低。2010，2015年，各區域單位面積糧食目標產量變化差異不大，因此，環境安全閾值空間差異也未發生明顯的差異。整體來看，2005—2015年，低閾值區和中閾值區面積逐年減小，高閾值區面積增加，且低閾值區分布在農業生產粗放、糧食產量極低的北方高原山地區，中閾值區及高閾值區分布在糧食作物、蔬菜等播種面積較大的黃淮海平原區。

2.3 基于GIS的氮磷肥施用環境風險時空變化特征

根據公式（5），（6），計算了 2005—2015 年各地級市氮、磷肥風險指數以及氮磷肥綜合風險指數，其中，氮、磷權重因子分別為0.648，0.230[20]。由圖4可知，各地級市氮磷肥風險及綜合風險逐年降低。2005，2010，2015年各地級市氮肥平均風險指數分別為 0.58，0.58，0.56；磷肥分別為 0.55，0.56，0.56，均為低度風險；綜合風險指數分別為0.50，0.50，0.49， 屬于尚安全狀態。

氮肥施用環境風險空間分布如圖4-A所示，2005年低度風險占流域面積的51.28%，中度以上風險占流域面積的44.15%，其中，低度風險區17個，分布在山西、山東及河北大部分地級市，中度以上風險區15個，分布在北京市、天津市及河南、河北北部等部分地級市；尚安全區3個，分布在錫林郭勒盟、烏蘭察布市、晉城市。2010年氮肥施用環境風險相較于2005年發生明顯變化，低度風險區面積減少6.49%，晉城市和烏蘭察布市從尚安全區分別轉為低度、中度風險區，中度以上風險占流域面積的45.33%，與2005年相差不大，尚安全區面積較2005年增加了50%以上。2015年氮肥施用環境風險下降，低度風險占流域面積的46.41%，中度以上風險占流域面積的36.43%，低度風險與2005，2010年相比變化差異較小，中度以上風險分別下降7.72%，8.9%；尚安全區區域面積分別增加12.59%，7.28%，主要分布在朔州市、陽泉市、晉中市、張家口市、錫林郭勒盟。

磷肥施用環境風險空間分布如圖4-B所示，2005年低度風險占流域面積的56.16%，分布在北京市、山西及河北、山東大部分地級市；中度以上風險占流域面積的13.26%，分布在天津、遼寧及河南、河北個別地級市；尚安全區8個，分布在陽泉市、張家口市、廊坊市、德州市、承德市及內蒙古3個盟市。2010年磷肥風險分布較2005年出現顯著空間差異性，低度風險區面積減少4.84%；中度以上風險面積增加17.31%，主要分布在山西和河南部分地級市；尚安全區面積減少了12.47%，分布在唐山市、廊坊市、滄州市、濱州市及德州等地。與2005，2010年相比，2015年低度風險區占流域面積的42.63%，主要分布在河北、山東、山西個別地級市；中度及高度風險占30.88%，分布在北京、天津、山西和河南部分區域；新鄉市由高度風險區上升為嚴重風險區。

綜合風險空間分布如圖4-C所示，2005年低度以上風險占流域面積58.77%，尚安全區占41.23%，低度風險主要分布在北京、天津、河南、河北大部分地級市，尚安全區主要分布在內蒙古3個盟市及山東、河北部分城市；2010年綜合風險較2005年差距較小，低度風險區占53.54%，尚安全區占46.46%，其空間分布基本相似；2015年綜合風險空間與2005，2010年相比呈現明顯的差異，低度以上風險較2005，2010年分別下降21.50%，16.27%，尚安全區分別增加21.50%，16.27%。

3 討論

3.1 化肥施用強度變化分析

化肥施用強度是衡量區域化肥施用狀況的重要指標。本研究結果顯示，近11 a來，化肥施用強度整體呈上升趨勢，總肥施用強度的增幅達17.81%。2005，2010，2015年各地級市氮、磷肥施用強度在空間上呈現顯著的區域差異性，氮、磷肥低度施肥區分布在流域西部，中度以上施肥區主要分布在流域中南部，這與流域所處的地形因素、作物種植方式等有直接的關系。其一，西部位于北方高原山地區，該區地形起伏較大，降雨徑流量大，化肥流失嚴重；中南部位于黃淮海平原區，該區土地資源豐富，土壤肥沃，是農業生產的重要基地，因此，農田化肥需求量較高；其二，與區域種植結構及種植制度息息相關，流域內主要以種植糧食、蔬菜、瓜果等化肥需求量大的作物為主，且區域種植結構較復雜，西部地區主要以一年一熟為主，中南部則以一年兩熟為主，從而使得流域內氮、磷肥施用強度呈現明顯的區域差異性。

3.2 化肥施用環境風險變化分析及防控措施

有效識別農田氮磷肥施用環境風險分布特征是有效防止面源污染的重要前提。本研究結果表明，2005—2015年氮、磷肥環境風險整體處于低度風險，綜合環境風險處于低度風險和尚安全區狀態，這與劉欽普[30]計算的2014年我國氮磷肥環境風險程度主要以低度風險的研究結果一致。此外，本研究還分析了農田氮磷肥綜合風險分布，有效避免了污染物的單一性，進而為防止農田氮磷肥綜合風險情況提供參考價值。因此，為了降低流域農田化肥施用引起的環境污染問題，本研究提出了一些相關建議：首先，提升農民對化肥過量施用會引起環境污染問題的認知程度，改善依靠大量化肥可以提高糧食產量的思維模式，要建立科學施肥、環保施肥的合理理念，同時改善施肥方式、大力引導農民利用有機肥替代化肥，實現有機無機相結合的方式，提升耕地基礎地力，以保證可以借助耕地內在養分代替化肥的投入；其次，在坡耕地修筑梯田，降低地形坡度，有效解決坡耕地因降水引起的肥料流失問題，從而降低化肥施用環境潛在風險。

4 結論

本研究利用 2005，2010，2015年 3期統計數據，基于環境安全閾值模型和環境風險指數評價模型，分析流域化肥施用量對環境的污染情況，識別化肥施用高風險區，為環境保護工作提供參考依據。本研究結果表明，近11 a來，單位面積化肥施用變化范圍在331.69～390.76 kg/hm2，年均化肥施用強度為366.16 kg/hm2，單項肥料強度變化基本穩定。2005，2010，2015年各地級市氮、磷肥施用強度在空間上呈相似性，除個別地級市外低度施肥區分布在流域西部，中度以上施肥區主要分布在流域中南部，這與流域地形地貌因素及作物種植方式有很大的關系。此外，2010，2015年氮、磷肥施用環境安全閾值空間分布基本相似，原因在于該階段糧食目標產量差異較小，而2005年各區域糧食目標產量低，從而導致區域氮、磷肥環境閾值也低。2005，2010，2015年流域氮肥平均風險指數分別為0.58，0.58，0.56，磷肥分別為 0.55，0.56，0.56，均為低度風險，氮磷肥綜合風險指數為0.50，0.50，0.49，屬于尚安全狀態。總體來看，海河流域氮磷肥施用環境風險程度逐年降低，整體趨于尚安全區及低度風險區。化肥施用環境安全閾值模型與環境風險評價模型所需參數較少，且數據容易獲取，可以快速獲取不同區域的化肥施用對環境的污染程度。但模型考慮的影響因素較少，因此，綜合考慮降水、地形地貌、作物類型等因素對環境風險進行評價成為下一步研究的重點。