基于“壓力-狀態-響應”模型的化肥農藥減施增效環境效應監測指標體系研究*

何 蓉 邵超峰

(南開大學環境科學與工程學院，天津 300350)

為追求農作物增產，我國已成為全球典型的化肥農藥投入量增速遠大于農作物產量增速的國家，目前我國化肥和農藥的平均施用強度分別達503.9、11.0 kg/hm2，是世界平均水平的2.5倍以上，但利用率僅為30%～40%，比發達國家低15～30百分點[1-5]。由于化肥農藥的過量施用引發了嚴重的農業面源污染，破壞了農業生態環境，部分地區農田土壤質量嚴重下降，也對農產品安全產生了隱患。

2016年，國家重點研發計劃項目啟動首批試點專項，其中設置了“化學肥料和農藥減施增效綜合技術研發”重點專項，開始構建科學的化肥農藥減施增效方法和技術體系。2018年7月，農業農村部印發了《農業綠色發展技術導則(2018—2030 年)》，將27項化肥農藥減施增效技術納入我國現階段需要重點研發的綠色生產技術之中，主要是有機肥替代化肥、測土配方精準施肥、調優施肥結構、生物防治病蟲害、物理防控病蟲害等5類。

長期以來，學術界一直關心的是化肥農藥本身的環境效應，也建立了相應的評價體系[6-8]，但忽略了化肥農藥減施增效可能產生的二次環境與生態問題。本研究利用“壓力-狀態-響應”(PSR)模型[9]，考慮化肥農藥減施增效技術在田塊尺度引發的環境問題及其表現形式，建立了田塊尺度化肥農藥減施增效環境效應監測指標體系，并推廣到區域尺度，以期為化肥農藥減施增效技術的優選提供評價標準。

1 化肥農藥減施增效環境效應監測指標體系框架

化肥農藥減施增效環境效應監測指標體系的PSR模型中，“壓力”是指化肥農藥減施增效技術實施后的化肥和農藥施用情況及技術應用情況；“狀態”是指上述壓力下的環境污染水平，包括水環境污染水平、大氣環境污染水平、土壤環境污染水平、環境生物影響及農作物產量與質量5個方面；“響應”是指人類為恢復或保護環境狀態而采取的科技與管理措施。化肥農藥減施增效環境效應監測指標體系框架如圖1所示。

圖1 化肥農藥減施增效環境效應監測指標體系框架Fig.1 Framework of index system for environmental effects monitoring of chemical fertilizers and pesticides dosage reduction and efficiency improvement

2 田塊尺度化肥農藥減施增效環境效應監測指標體系確定

田塊尺度是化肥農藥減施增效環境效應評價的最基本尺度，因此首先建立田塊尺度化肥農藥減施增效環境效應監測指標體系。

依據科學性、靈敏性、可操作性和主導性的原則，識別出能夠表達田塊尺度化肥農藥減施增效環境效應的指示性和表征性指標，按照壓力指標、狀態指標、響應指標3個一級指標進行分類，構建田塊尺度化肥農藥減施增效環境效應監測指標體系。

(1) 壓力指標

基于我國農業種植過程中化肥農藥大量施用的實際情況，開展了化肥農藥減施增效技術的推廣應用工作。因此壓力指標應能體現化肥農藥減施增效技術實施后的化肥和農藥在農業生產中的實際施用情況及減施增效技術的實際應用情況。

① 化肥施用情況。包括化肥品種、施肥方法、施肥時間、施肥強度及施肥量。

② 農藥施用情況。包括農藥品種、施藥方法、施藥時間、施藥強度、施藥量及防治對象。

③ 減施增效技術應用情況。根據所采用的具體化肥農藥減施增效技術而定。

(2) 狀態指標

① 水環境污染水平。基于化肥和農藥的污染發生規律，借鑒農田面源污染排放系數的獲取思路[10]，確定地表水的監測指標包括總氮、總磷和主要使用農藥，確定地下水的監測指標包括總氮和主要使用農藥。由于并非所有減施增效技術都有重金屬污染[11],[12]46，因此重金屬為選測指標。一般地，對于北方小麥、玉米、設施蔬菜等農作物田塊，化肥農藥對水體的影響一般只涉及地下水；對于南方水稻、茶葉等農作物田塊，化肥農藥既影響地下水又影響地表水；而對于果樹田塊，由于其根系較深，地下淋溶量相對較少，通常只考慮對地表水的影響。

② 大氣環境污染水平。化肥施用會導致田塊溫室氣體大量排放[13]，選擇較為敏感的N2O來表征減施增效對田塊溫室氣體排放的影響。此外，由于稻田還會產生CH4[14]，而化肥的施用對稻田CH4排放起關鍵作用[15]，因此對于稻田，還需考慮CH4的排放。農藥通過揮發進入空氣中，造成田塊局部揮發性有機物(VOCs)升高[16]，因此還需監測大氣中的總VOCs。

③ 土壤環境污染水平。施入農田的化肥和農藥大部分殘留于土壤之中[17]，因此土壤中化肥和農藥殘留濃度是一項很重要的化肥農藥減施增效環境效應監測指標，選擇土壤有機質、總氮、總磷和主要使用農藥濃度用于土壤環境污染水平的表征。此外，根據具體的減施增效技術特點確定是否加測重金屬。

④ 環境生物影響。化肥農藥減施增效技術的應用可能會對環境生物產生影響[18]，主要監測指標選擇生物多樣性和指示生物數量。

⑤ 農作物產量和質量。調查結果顯示，農民最在意化肥農藥減施增效技術是否會降低農作物的產量和質量[19]。因此，農作物產量和質量是衡量減施增效技術是否值得推廣的重要指標。農作物的質量用農作物農藥殘留量來表征，若存在重金屬污染風險，則還需加測農作物重金屬殘留量。

(3) 響應指標

化肥農藥減施增效技術應用在我國還處于起步階段，環境效應還不清楚，因此響應指標目前以化肥農藥減施增效的環境影響預防為主，包括化肥農藥減施增效技術使用率、化肥農藥監測體系建立情況和田間生物檢疫與管理體系建立情況的科技與管理措施。

考慮到不同的化肥農藥減施增效技術存在不同的環境隱患，最終產生的環境效應也不同。因此，針對有機肥替代化肥、測土配方精準施肥、調優施肥結構、生物防治病蟲害、物理防控病蟲害等5類化肥農藥減施增效技術構建了5套具體的環境效應監測指標體系。

2.1 有機肥替代化肥的環境效應監測指標體系

有機肥替代化肥的主要危害可能會造成重金屬污染、抗生素殘留、微生物污染等[20-26]。同時，結合現有的監測標準，考慮實際監測的可操作性，建立有機肥替代化肥的環境效應監測指標體系如表1所示。

表1 有機肥替代化肥的環境效應監測指標體系

2.2 測土配方精準施肥的環境效應監測指標體系

測土配方精準施肥在實施的過程中，很有可能出現技術效果發揮不佳、引發缺素癥、影響農作物產量和質量等問題[27]106，因此其環境效應監測時需要重點關注農產品的產量和質量變化，指標體系如表2所示。

表2 測土配方精準施肥的環境效應監測指標體系

2.3 調優施肥結構的環境效應監測指標體系

調優施肥結構有可能造成燒苗、毒害農作物等惡果，影響農產品產量和質量，同時微量元素肥的使用還有可能造成土壤及農作物重金屬污染[12]46，其環境效應監測指標體系如表3所示。

表3 調優施肥結構的環境效應監測指標體系

注：1)根據《食品安全國家標準 食品中污染物限量》(GB 2762—2017)進行評價。

2.4 生物防治病蟲害的環境效應監測指標體系

生物防治病蟲害能夠有效減少農藥的使用，但也有可能引發生物入侵、破壞農田生態系統等風險[27]108，其環境效應監測指標體系如表4所示。

表4 生物防治病蟲害的環境效應監測指標體系

2.5 物理防控病蟲害的環境效應監測指標體系

物理防控病蟲害若使用不慎，可能會誤殺害蟲天敵，從而破壞農田生態平衡[28]，其環境效應監測指標體系如表5所示。

表5 物理防控病蟲害的環境效應監測指標體系

3 區域尺度化肥農藥減施增效環境效應監測指標體系確定

從區域尺度考慮，指標應能反映宏觀情況。基于已建立的田塊尺度化肥農藥減施增效環境效應監測指標體系構建區域尺度化肥農藥減施增效環境效應監測指標體系。由田塊尺度的監測指標體系擴展到區域尺度的指標體系，結果見表6。

4 結 語

根據PSR模型，構建了化肥農藥減施增效環境效應監測指標體系框架。針對我國5類典型化肥農藥減施增效技術(有機肥替代化肥、測土配方精準施肥、調優施肥結構、生物防治病蟲害、物理防控病蟲害)分別建立了田塊尺度上的具體化肥農藥減施增效環境效應監測指標體系。在此基礎上，建立了區域尺度上化肥農藥減施增效環境效應監測指標體系。

表6 區域尺度化肥農藥減施增效環境效應監測指標體系

注：1)根據《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)進行評價；2)根據《地下水質量標準》(GB/T 14848—2017)進行評價；3)根據《農區環境空氣質量監測技術規范》(NY/T 397—2000)進行評價；4)根據《全國耕地類型區域、耕地地力等級劃分》(NY/T 309—1996)進行評價；5)根據《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準》(GB 15618—2018)進行評價；6)根據GB 2762—2017進行評價；7)根據《食品安全國家標準 食品中農藥最大殘留限量》(GB 2763—2016)進行評價。