西安市化肥施用面源污染環境風險評價研究

高 瑩，孫喜軍，景鵬娟，王軍利，權 剛

(1.咸陽職業技術學院，陜西 咸陽 712000；2.西安市農業技術推廣中心，陜西 西安 710061；3.陜西省現代農業科學研究院，陜西 西安 710068)

農業面源污染，主要是指在農業生產活動中，溶解的或固體的污染物(農田中的土粒、氮、磷、農藥、重金屬及農村家畜糞便與生活垃圾等有機或無機污染物質)從非特定的地域，在降水和徑流沖刷作用下，通過農田地表徑流、農田排水和地下滲漏進入受納水體(如河流、湖泊、水庫、海灣等)所引起的水體污染[1]。當前，我國農業面源污染程度較為嚴重，過量施用化肥是其主因[2～3]。過量化肥施入土壤后，會直接造成土壤板結、酸化、硝酸鹽積累、次生鹽漬化等耕地質量下降問題，殘余的氮素、磷素等養分還會通過地表徑流、土壤滲漏等方式進入地表水或地下水，進而引發農業面源污染問題[4～5]，甚至影響人體健康。目前，由于化肥的持續過量投入，我國許多地區已面臨嚴重的河流湖泊水體富營養化問題和地下水硝酸鹽污染問題[6]，其已嚴重影響到農業生產的可持續性發展。為此，定量評估化肥施用面源污染環境風險，精準識別化肥污染高風險區域，進而制定有效管控措施，已成為當務之急。

為避免現場監測化肥施用面源污染耗時費力等困難，劉欽普[7]在前人研究基礎上構建了專項的化肥施用面源污染環境風險評價模型。目前，已有學者將此模型用于對全國[7]、四川[8]、南水北調中線工程水源地[9]等區域的化肥施用環境風險評估，并初步取得了一定的研究成果。但就研究尺度而言，現有研究多從國家層面[7]、省級層面[10～12]或者大的流域層面[13]入手去探討化肥施用環境風險時空分布格局，很少從市級層面入手去探討不同縣級單元的化肥施用環境風險時空分布。精準識別化肥施用重度風險縣級單元，有助于明晰最基礎的化肥施用面源污染重點治理單元，進而有針對性的制定管控措施。

長期以來，西安市化肥施用強度一直處于較高水平。以2018年為例，西安市化肥施用強度(以播種面積為基數)為766.95 kg·hm-2[14]，其不僅遠高于全國平均化肥施用強度340.77 kg·hm-2[15]，更高于陜西省平均化肥施用強度561.18 kg·hm-2[16]，是全國生態縣化肥施用強度值上限值(250 kg·hm-2)[17]的3倍之多。如此高強度的化肥施用，其背后的環境風險不言而喻，但目前有關西安市境內專項的化肥施用面源污染環境風險評價鮮有報道。以1991-2018年28 a間化肥施用相關統計數據為基礎，全面分析了西安市化肥施用面源污染環境風險時序演變和空間分異特征，以期能為西安市面源污染環境風險管控提供一定的決策依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

西安市是陜西省會、關中平原城市群核心城市和西部地區重要的中心城市，全市下轄11區2縣(涉及化肥施用的區縣為9個，包括灞橋區、未央區、閻良區、臨潼區、長安區、高陵區、鄠邑區、藍田縣和周至縣)，并于2017年代管西咸新區。西安市地處關中盆地中部，北瀕渭河，南依秦嶺，地理坐標介于107°40′E～109°49′E和33°42′N～34°44′N之間。該區屬暖溫帶大陸性季風氣候區，年均氣溫6.4～13.4 ℃，年均降水量537.5～1 028.4 mm。氣候總體較為溫和，降水充足，光照條件較好，地勢平坦，作物產量高，是陜西省農業生產條件最為優越的區域之一。統計數據顯示[14]，2018年西安市(不含西咸新區，下同)耕地面積為21.71×104hm2；轄區總播種面積為30.88×104hm2，主要種植作物為小麥和玉米，兩種作物播種面積占比達到75.39%，其中小麥播種面積為13.09×104hm2(面積占比42.40%)，玉米播種面積為10.19×104hm2(面積占比32.99%)。

1.2 數據來源

氮肥、磷肥、鉀肥、復合肥和總肥施用量(折純，下同)以及同期的播種面積、耕地面積等數據均來源于《西安統計年鑒》[14]。分析過程中，參考前人研究成果[7]和實際調研情況，將復合肥中的氮肥、磷肥、鉀肥含量統一按1∶1∶1折算處理。需要說明的是，由于西安市2017年才開始托管西咸新區，雖然西咸新區也涉及化肥施用，但由于歷史數據缺失，暫不將其納入本次研究范疇。

1.3 化肥施用面源污染環境風險評價模型

劉欽普[7]提出的化肥施用面源污染環境風險評價模型相關計算公式如下：

(1)

(2)

式中：Fi表示年化肥(氮肥、磷肥、鉀肥或總肥)施用強度(kg·hm-2)，即單位播種面積上的年化肥施用量。Ti表示化肥施用生態環境安全閾值(kg·hm-2)，是指作物種植時可以獲得一定目標產量且不損害生態環境的化肥最大施用強度。Ri表示化肥(氮肥、磷肥、鉀肥或總肥)施用環境風險指數。Rt表示化肥施用環境風險總指數。Wi為氮肥、磷肥或鉀肥的環境風險權重，本研究中氮肥、磷肥、鉀肥的風險權重分別取0.648、0.230和0.122[7]。

化肥施用生態環境安全閾值(Ti)設置直接影響到化肥施用面源污染環境風險評價結果的科學性。原環保部2010年印發的《國家級生態鄉鎮申報及管理規定(試行)》中提出的化肥施用生態環境安全閾值為250 kg·hm-2[17]；劉欽普[7]在前期開展的研究中，也將化肥施用生態環境安全閾值確定為250 kg·hm-2。而就西安市而言，2010—2018年小麥和玉米播種面積之和占全市農作物播種面積比例年均為78.13%[14]，按照作物播種面積和目標產量條件下的施肥推薦量(如表1)，加權平均求算的施肥推薦量為290.41 kg·hm-2。已有研究表明，化肥施用的生態適宜量要明顯低于經濟適宜的推薦施肥量，故有學者建議生態農業建設應將推薦施肥量中的氮肥用量降低20%[8,19]。參照以上觀點，最終求算的西安市主要作物化肥施用生態適宜量為258.82 kg·hm-2，其與前述的生態環境安全閾值250 kg·hm-2極為接近。為方便與全國其他地區開展的研究結果[7,9]對比，并警示本地區減少化肥投入，故本研究仍將化肥施用生態環境安全閾值確定為250 kg·hm-2。另外，鑒于西安市氮磷鉀肥推薦施肥結構比例(1∶0.44∶0.40)比較接近1∶0.5∶0.5，結合前人研究[7]，本研究也將氮肥的生態環境安全閾值設定為125 kg·hm-2，將磷肥和鉀肥的生態環境安全閾值均設定為62.5 kg·hm-2。

表1 西安市主要作物施肥推薦量

根據以上化肥施用生態環境安全閾值，并結合前人研究[7]，本研究者的化肥施用強度分級標準如表2。當Fi和Ti相等時，Ri=0.5，將此值設定為環境風險安全閾值。Ri(Rt)介于0～1之間，Ri(Rt)越接近于0，表示風險程度越??；Ri(Rt)越接近于1，表示風險程度越大。本研究中，參照前人研究，將化肥施用環境風險程度分為6個等級[7](見表3)。

表2 化肥(總肥)施用強度分級

表3 化肥施用環境風險指數(Ri)分級

1.4 數據處理

應用Microsoft Excel 2007對西安市歷年化肥施用相關數據進行統計分析與常規作圖；應用ArcGis 10.2繪制全市化肥施用強度空間分布圖及化肥施用面源污染環境風險空間分布圖。

2 結果與分析

2.1 西安市化肥施用環境風險時序演變特征

2.1.1 化肥施用時序演變特征 從圖1中可以看出，氮肥、磷肥、鉀肥和總肥施用量在1991-2014年間呈現明顯的上升趨勢，各類化肥施用量年均增長率分別達到2.36%、3.80%、6.59%和3.25%。2015年之后，各類化肥施用量開始出現“四連降”的趨勢。從圖2中可以看出，在1991—2018年期間，氮肥在總肥中的比例大體呈波動下降趨勢，其已從1991年的72.56%逐漸下降到2018年的58.64%；磷肥比例變化相對較為平穩，基本在16.51%～22.04%之間波動變化；鉀肥比例總體上呈現波動上升趨勢，其從1991年的9.69%開始不斷上升，2010年以后基本穩定在20%～22%之間。整體來看，全市氮肥、磷肥和鉀肥的施用結構比例已從1991年的1∶0.24∶0.13逐步調整為2018年的1∶0.34∶0.37。從圖3中可以看出，28年間氮肥、磷肥、鉀肥、總肥施用強度均呈現明顯的上升趨勢。2018年氮肥、磷肥、鉀肥、總肥施用強度分別達到449.70 kg·hm-2、152.63 kg·hm-2、164.62 kg·hm-2和766.95 kg·hm-2，其為1991年對應化肥施肥強度的2.91倍、4.03倍、7.97倍和3.60倍?？偡适┯脧姸纫延?991年的“適量”強度類型轉變為2018年的“高度過量”強度類型，全市化肥施用強度較大，化肥過量施用問題較為突出。

圖1 1991-2018年西安市化肥施用量變化

圖2 1991-2018年西安市化肥施用結構變化

圖3 1991-2018年西安市化肥施用強度變化

2.1.2 化肥施用環境風險時序演變特征 從圖4中可以看出，1991年氮肥風險指數已經越過環境安全臨界值0.50，磷肥風險指數首次高于臨界值的年份為1998年，鉀肥風險指數高于臨界值始于2002年，總肥已于1992年突破安全閾值。整體來看，1991-2018年西安市氮肥、磷肥、鉀肥、總肥施用環境風險指數均呈現明顯的連續遞增趨勢，其中2018年氮肥、磷肥、鉀肥、總肥施用環境風險指數分別為0.71、0.78、0.72、0.76，其對應為1991年各類化肥施用環境風險指數的1.41倍、1.88倍、2.92倍和1.60倍。就總肥環境風險程度而言，1991年屬“尚安全”程度，1992-2008年屬“低度風險”程度，2009—2016年屬“中度風險”程度，2017-2018年已轉變為“重度風險”程度。整體來看，西安市化肥施用面源污染環境風險整體增大趨勢明顯。

圖4 1991-2018年西安市化肥施用環境風險指數變化

2.2 西安市化肥施用環境風險空間分異特征

2.2.1 化肥施用空間分異特征 表4為2018年西安市各區縣化肥施用情況，圖5為西安市各區縣化肥施用強度空間分布情況。從中可以看出，西安市各區縣化肥施用呈現以下特點：

圖5 2018年西安市化肥施用強度空間分布

表4 2018年西安市化肥使用情況

(1)化肥施用量空間差異極為懸殊。其中藍田縣的氮肥施用量最高，周至縣的磷肥、鉀肥及總肥施用量均為最高，而未央區的氮肥、磷肥、鉀肥、總肥的施用量均為最低。氮肥、磷肥、鉀肥、總肥用量最高區縣數值分別為最低區縣對應數值的315.20倍、260.23倍、198.25倍和258.70倍，化肥施用量空間差異極為懸殊。

(2)化肥施用結構不盡相同。未央區的氮肥比例(40.19%)最低，藍田縣的氮肥比例(69.44%)最高；藍田縣的磷肥比例(14.30%)最低，高陵區的磷肥比例(27.72%)最高；臨潼區的鉀肥比例最低(13.40%)，而未央區的鉀肥比例(36.76%)最高。

(3)化肥施用強度空間分異明顯。未央區的氮肥、磷肥、鉀肥、總肥的施用強度均為最大，長安區的氮肥、磷肥及總肥施用強度均為最低，臨潼區的鉀肥施用強度最低。氮肥、磷肥、鉀肥、總肥用量最高區縣數值分別為最低區縣對應數值的10.99倍、20.35倍、32.51倍和14.99倍。根據化肥使用強度分級，可以將西安市涉及化肥施用的區縣分為5類：“低度過量”區包括長安區(化肥施用強度為408.34 kg·hm-2)；“中度過量”區包括臨潼區、高陵區、鄠邑區(化肥施用強度分別為516.39 kg·hm-2、501.77 kg·hm-2、730.69 kg·hm-2)；“高度過量”區包括灞橋區、閻良區(化肥施用強度分別為803.72 kg·hm-2、846.02 kg·hm-2)；“嚴重過量”區包括藍田縣(化肥施用強度為1 001.79 kg·hm-2)；“極嚴重過量”區包括未央區、周至縣(化肥施用強度分別為6 120.00 kg·hm-2、1 654.70 kg·hm-2)。

2.2.2 化肥施用面源污染環境風險空間分異特征 圖6為2018年西安市化肥施用面源污染環境風險空間分布格局。總體看來，西安市不同區縣化肥施用環境風險空間分異明顯。就氮肥施用環境風險而言：長安區、高陵區風險指數分別為0.64和0.65，屬“低度風險”區域；臨潼區風險指數為0.72，屬“中度風險”區域；灞橋區、閻良區、鄠邑區風險指數分別為0.78、0.80、0.78，屬“重度風險”區域；未央區、藍田縣、周至縣風險指數分別為0.95、0.85和0.87，屬“嚴重風險”區域。就磷肥施用環境風險而言：長安區風險指數為0.53，屬“低度風險”區域；灞橋區、閻良區、臨潼區、高陵區、鄠邑區、藍田縣風險指數分別為0.69、0.71、0.66、0.69、0.69、0.70，屬“中度風險”區域；未央區、周至縣風險指數分別為0.96、0.86，屬“嚴重風險”區域。就鉀肥施用環境風險而言：臨潼區、長安區風險指數分別為0.53和0.65，屬“低度風險”區域；高陵區、鄠邑區、藍田縣風險指數分別為0.68、0.71、0.72，屬“中度風險”區域；灞橋區、閻良區風險指數分別為0.78、0.76，屬“重度風險”區域；未央區、周至縣風險指數分別為0.97、0.88，屬“嚴重風險”區域。就總肥施用環境風險而言，長安區為“低度風險”區域，臨潼區、高陵區和鄠邑區為“中度風險”區域，灞橋區、閻良區和藍田區為“重度風險”區域，未央區和周至縣為“嚴重風險”區域。總體來看，西安市化肥施用環境風險空間分異較為明顯，其中未央區、灞橋區、閻良區、藍田縣和周至縣等5個區縣為全市化肥面源污染高風險區域，需重點關注。尤其未央區，耕地面積(33.33 hm2)和播種面積(120 hm2)雖極小，但化肥施用面源污染環境風險指數(0.97)極高，需引起相關部門足夠重視。

圖6 2018年西安市化肥施用環境風險指數空間分布

3 討論

化肥施用面源污染環境風險評價是基于農業生產活動中施用化肥對生態環境造成污染的可能性的評價[7]。筆者研究所采用的的評價模型中，一個重要的參數便為化肥施用生態環境安全閾值，其直接影響到化肥施用面源污染環境風險評價結果的科學性。由于數據獲取受限等原因，筆者研究在確定西安市化肥施用生態環境安全閾值(250 kg·hm-2)時，未能充分考慮西安市各區縣詳細種植結構和土壤肥力等因素的縣域差異，同時也忽略了其他難以操控的自然因素和人為因素，雖然較為粗糙，但認為仍具有一定的概括性和廣泛性，有利于將不同地區的研究結果直接進行比對。后期依托更為詳盡的種植結構和土壤肥力等數據，調整不同縣級單元化肥施用生態環境安全閾值，進而實施更為精準的環境風險評價，值得進一步深入關注。

研究中模型評價結果顯示，西安市化肥施用面源污染環境風險指數逐年遞增趨勢明顯，風險指數在不同縣域空間上存在著明顯的分異特征，這與房珊琪等[9]對南水北調中線工程水源地的研究結果具有一定的相似性。研究結果顯示，1991-2018年西安市化肥施用環境風險指數連續遞增趨勢明顯，1992年突破環境風險安全閾值0.5，2018年增至歷史最大值0.76，全市化肥施用環境風險處于“重度風險”程度，其中未央區、灞橋區、閻良區、藍田縣和周至縣等5個區縣為全市化肥面源污染高風險區域。

從目前掌握的情況來看，過量施用化肥也確實對西安市生態環境造成了一定程度的不良影響。一方面，化肥(尤其是氮肥)的過量施用已經造成了土壤的酸化現象。從20世紀80年代至今，西安市分布面積最大的耕作土壤土婁土，其土壤pH下降了0.55個單位[21～22]，土壤出現了一定的酸化。另一方面，化肥的過量施用，已經引起了地下水和地表水的污染。程智慧等[22]的研究表明，由于過量施肥，西安市菜田土壤硝態氮、銨態氮在深層土壤中累積明顯，同時伴隨灌溉、降水的淋洗作用，淺層地下水受到明顯污染，其中部分點位淺層地下水硝態氮濃度達到30 mg·L-1之多，超過國家生活飲用水硝態氮標準(20 mg·L-1)。鄧林等[23]通過對關中盆地225個潛水樣點進行采樣分析發現，關中盆地地下水硝酸鹽含量普遍較高，其中周至縣、鄠邑區等地硝態氮濃度已超過20 mg·L-1，并明確指出過量施肥和灌溉滲漏是造成地下水硝酸鹽含量高的主要原因。羅大成等[24]研究表明，西安市農業大縣藍田縣豐水期飲用井水中硝酸鹽含量達22.34 mg·L-1，點位超標率高達50%。硝酸鹽與人體健康關系密切，飲用水中硝酸鹽超標會導致胃癌、結直腸癌等多種癌癥發病率升高[25]。相關研究已經表明，癌病高發村莊居民存在突出的飲水和蔬菜硝酸鹽暴露健康風險[26]。目前，西安市雖無因化肥過量施用導致飲用水硝酸鹽污染進而引發癌癥的實例，但必須引起足夠重視，做到防患于未然。

今后一段時間，在確保農作物一定產量基礎上，西安市應從以下三方面努力，以切實降低化肥施用面源污染環境風險。

(1)施肥技術方面。以“控總量(化肥施用總量)、調結構(化肥施用結構)、降強度(化肥施用強度)”為切入點，以高風險區域(未央區、灞橋區、閻良區、藍田縣和周至縣等5個區縣)為重點突破口，積極推進“化肥施用量零增長”行動，大力推廣測土配方施肥、水肥一體化等精準施肥技術，進一步優化氮磷鉀配比、調整施肥結構，同時改表施、撒施等施肥方式為機械深施，大力實施有機肥替代化肥行動，不斷提高化肥使用率，降低化肥施用強度和化肥施用總量。

(2)科技攻關方面。一方面要積極應用現代化技術，大力培育高產良種。由于高產良種對環境條件要求較低，其可用較低的化肥投入獲取較高的產出，從側面間接減少化肥投入。另一方面，要積極引進、研發新型肥料。“套餐肥”是指能滿足作物不同生長階段和不同方面營養需求的系列肥料組合，其核心是將幾種肥料按照不同作物在不同時期對養分的需求，科學搭配、精準配方，最終達到有的放矢、全面營養和高效施肥的目的[27]。筆者前期在西安市轄區參與開展的肥效試驗[27]表明，施用“套餐肥”可以同時實現“減肥”、增產、提質、增效目的，這就為“套餐肥”的推廣應用奠定了一定理論基礎。所以，應以養分全面協調、可緩釋可控釋、作物易吸收等為切入口，積極引導肥料企業針對不同作物研發新型系列專用“套餐肥”，確保實現化肥減量增效。

(3)政策法規層面。一是進一步強化化肥流通管理。全面規范化肥生產、銷售和施用管理，試點對化肥施用時間、施用數量等進行限制和規范。二是改革現有的化肥補貼政策，適當提高化肥價格，充分發揮價格在管控化肥面源污染中的“杠桿”作用。三是探索建立農業面源污染監測網絡，將化肥施用面源污染作為其中的一項重要內容進行監測，并適時進行風險評估。四是積極貫徹落實“土十條”，嚴格實施土壤污染防治法，堅決做到有法必依、執法必嚴、違法必究。

4 結論

(1)1991-2018年西安市化肥施用面源污染環境風險指數隨時間連續遞增趨勢明顯，1992年突破環境風險安全閾值0.5，2018年增至歷史最大值0.76，化肥施用面源污染環境風險已由1991年的“尚安全”程度上升為2018年的“重度風險”程度。

(2)西安市化肥施用面源污染環境風險空間分異明顯。長安區為“低度風險”區域；臨潼區、高陵區和鄠邑區為“中度風險”區域；未央區、灞橋區、閻良區、藍田縣和周至縣等5個區縣為全市化肥施用面源污染高風險區域，環境風險均處于“重度風險”以上等級，需重點關注。

(3)在確保農作物一定產量基礎上，西安市應從施肥技術、科技攻關、政策法規3個層面努力，以切實降低化肥施用面源污染環境風險。