2001一2021年中國(guó)化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)及其脫鉤研究

中圖分類號(hào)：F224 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2025）05-0229-03

DOI： 10.3969/j.issn.1008-9500.2025.05.069

Abstract： This paper takes the provincial boundaryas theunit to calculate the non-point source polution emissions of fertilizers ineachregion.ArcGIS software isusedtoanalyzethespatialpattrnoffertilizerappicationamount，fertilizer non-point source pollution emisions，and grain yield.Deviation standardization and environmental risk assessment modelsare used toevaluate theenvironmental risksoffertilizerapplication.The Tapiodecoupling model isused to study the coordination relationship between fertilizer application amount and grain yield.Research has shown thatthe spatial distributionoffertilizer applicationis graduallydispersing，and grainproductionis more concentrated inthenorthsouth direction.The hotspots of non-point source pollution emissions are expanding towards the northwest.The relationship between fertilizer applicationand grain yield has shifted from strong negativedecoupling to strongdecoupling，and the eficiencyoffertilizerusehassignificantlyimproved，whichisinline withtheidealdevelopmenttrend.Thisstudyprovides technicalandtheoretical guidanceforthecontroloffertilizernon-pointsourcepollutionandthepromotionoffertilizationin grain production， which is helpful for achieving sustainable agricultural development.

Keywords： fertilizer application; environmental risk; decoupling

根據(jù)聯(lián)合國(guó)報(bào)告，全球糧食生產(chǎn)需在未來(lái)30年內(nèi)大幅增加，以應(yīng)對(duì)糧食危機(jī)，而化肥作為提升產(chǎn)量的關(guān)鍵，其大量使用卻引發(fā)了土地退化、生態(tài)平衡破壞及面源污染等問(wèn)題。本研究利用產(chǎn)污系數(shù)計(jì)算中國(guó)省級(jí)區(qū)域的化肥面源污染排放量，利用ArcGIS軟件分析化肥施用、糧食產(chǎn)量及污染排放的空間特征，運(yùn)用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)模型評(píng)估各省份的化肥污染環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及變化。本研究旨在為降低化肥面源污染、制定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理適應(yīng)性策略提供科學(xué)依據(jù)，助力實(shí)現(xiàn)糧食生產(chǎn)與環(huán)境保護(hù)的雙贏。

1數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究區(qū)包括中國(guó)31個(gè)省市，不含臺(tái)灣省、澳門特別行政區(qū)、香港特別行政區(qū)。各種化肥施用量、糧食產(chǎn)量及播種面積等數(shù)據(jù)來(lái)自2003—2023年中國(guó)農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒，地理數(shù)據(jù)來(lái)源于天地圖服務(wù)網(wǎng)站的GS（2024）0650號(hào)標(biāo)準(zhǔn)地圖。

1.2 研究方法

1.2.1 污染物計(jì)算

以省域邊界為單元核算各區(qū)域化肥面源污染排放。第一，考慮化肥施用量及施用結(jié)構(gòu)造成的污染，氮肥、磷肥是造成環(huán)境污染的主要來(lái)源，鉀肥不會(huì)直接造成面源污染，故以總氮（TotalNitrogen，TN）和總磷（TotalPhosphorus，TP）衡量化肥面源污染的指標(biāo)。第二，將污染物定為氮肥、磷肥和復(fù)合肥3種，以氮肥、磷肥、復(fù)合肥的折純量為計(jì)算指標(biāo)。第三，確定單元排放系數(shù)，用產(chǎn)污系數(shù)乘以化肥流失率計(jì)算得出排放系數(shù)。第四，利用式（1）計(jì)算化肥面源污染排放總量和排放強(qiáng)度。

式中： C 為化肥面源污染物排放總量； C_ij 為省域單元 i 的TN 和TP排放量； U_ij 為省域單元 i 產(chǎn)生的第 j 種污染物； N_i 為省域單元 i 的氮肥、磷肥和復(fù)合肥施用量統(tǒng)計(jì)值； λ_ij 為省域單元 i 污染物 j 的產(chǎn)污系數(shù)； σ_ij 為省域單元 i 第 j 種化肥的流失率； σ_i 為省域單元 i 的流失率。

1.2.2 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是對(duì)化肥面源污染物流入土壤產(chǎn)生的危害進(jìn)行定量、認(rèn)定的過(guò)程[。化肥面源污染物的污染程度有不確定性，因此采用 0～1 的數(shù)字表示。數(shù)字趨近于1，污染風(fēng)險(xiǎn)程度越大，數(shù)字越靠近0，風(fēng)險(xiǎn)程度越大。化肥施用是否產(chǎn)生污染的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)與化肥施用環(huán)境安全閾值有關(guān)。環(huán)境安全閾值是環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)與環(huán)境安全的臨界點(diǎn)，化肥施用量大于安全閾值，則存在面源污染的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

由于TN、TP的數(shù)值水平相差較大，因此對(duì)TN、TP污染總量數(shù)值進(jìn)行離差標(biāo)準(zhǔn)化（min-max標(biāo)準(zhǔn)化），使指標(biāo)值處在 0～1 。運(yùn)用劉欽普[2提出的模型對(duì)化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，再對(duì)TN、TP污染總量標(biāo)準(zhǔn)化值按氮、磷風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重加和，得到污染綜合指數(shù)。

轉(zhuǎn)換函數(shù)為

式中： R_i 為 TN 、TP污染排放總量的第 i 個(gè)要素的標(biāo)準(zhǔn)化值； I_i 為 TN、TP的第 i 個(gè)要素的污染排放總量值； I_min 為 ΔTN 、TP 污染排放總量的最小值； I_max 為 ΔTN 、TP污染排放總量的最大值； R_t 為施肥環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)總指數(shù)； W_i 為單質(zhì)化肥施用風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重，參考現(xiàn)有研究結(jié)果[3]，本研究中氮、磷風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重分別取0.714和 0.286

式（3）、式（4）中的 R_i 與 R_t 介于 0～1 。當(dāng)R_i=0.5 時(shí)，施肥環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)處于臨界點(diǎn)[4；當(dāng) R_i? （204R_t 趨近1時(shí)，環(huán)境化肥污染存在極嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng) R_i? R_t 趨近0時(shí)，施用化肥處于有機(jī)合理狀態(tài)。根據(jù)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)偏離0.5的程度，把化肥污染環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)程度從環(huán)境安全到極嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)分為6個(gè)不同的等級(jí)類型和警度等級(jí)。根據(jù) R_t 值確定化肥面源污染風(fēng)險(xiǎn)排序和風(fēng)險(xiǎn)警度級(jí)別，以此為依據(jù)確定重點(diǎn)控制區(qū)域。

1.2.3Tapio 脫鉤模型

脫鉤用于研究經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與環(huán)境壓力間的關(guān)系，反映經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與資源消耗相互脫離的趨勢(shì)[5。本研究采用脫鉤模型揭示一定時(shí)期內(nèi)糧食生產(chǎn)與化肥施用的關(guān)系，即2001一2021年化肥施用量與糧食產(chǎn)量的變化量之比，借此來(lái)判斷農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與化肥面源污染排放的協(xié)調(diào)狀況。其計(jì)算公式為

式中： D 為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與化肥面源污染的脫鉤指數(shù)； ΔE 為化肥使用量的變化量； ΔY 為糧食產(chǎn)量的變化量； E_i 、 E_i-1 分別為基期、末期的化肥使用量； ∣Y_i? Y_i-1 分別為基期、末期的糧食產(chǎn)量。

2化肥施用量、糧食產(chǎn)量、面源污染排放空間分布格局分析

為進(jìn)一步分析化肥施用量、糧食產(chǎn)量、面源污染排放的差異和空間分布格局，利用ArcGIS軟件對(duì)化肥施用量、糧食產(chǎn)量、面源污染排放進(jìn)行分析，并利用自然斷點(diǎn)法將其劃分為5個(gè)水平[6-9]。整體來(lái)看，化肥施用空間分布逐漸分散，糧食產(chǎn)量南北集中，面源污染排放熱點(diǎn)向西北擴(kuò)張，這些變化反映了中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)特征，并深刻影響了環(huán)境與糧食生產(chǎn)。

從化肥施用量看，2001一2021年，中國(guó)化肥施用量的地區(qū)差異顯著。高用量地區(qū)包括江蘇省、山東省、河南省，內(nèi)蒙古自治區(qū)、遼寧省等9個(gè)地區(qū)，北京市、上海市等7個(gè)地區(qū)的用量持續(xù)低，山西省等地區(qū)的用量由中低變?yōu)楦汀?/p>

從糧食產(chǎn)量看，2001—2021年，山西省等11個(gè)地區(qū)的糧食產(chǎn)量增幅大，河北省等5個(gè)地區(qū)為高產(chǎn)區(qū)。北京市等7個(gè)地區(qū)的糧食產(chǎn)量持續(xù)低。中低產(chǎn)量區(qū)減至兩個(gè)（浙江省和福建省）。高產(chǎn)量地區(qū)增至10個(gè)，包括河北省、內(nèi)蒙古自治區(qū)等。Tapio脫鉤模型表明，化肥施用與糧食產(chǎn)量關(guān)系從強(qiáng)負(fù)脫鉤轉(zhuǎn)向強(qiáng)脫鉤，化肥使用效率顯著提升，符合理想發(fā)展態(tài)勢(shì)。

2001一2021年，化肥面源污染排放總量處于低水平的地區(qū)從9個(gè)增長(zhǎng)為10個(gè)，主要分布在北京市、天津市、上海市較發(fā)達(dá)地區(qū)或者海南省、貴州省、西藏自治區(qū)、甘肅省、青海省、寧夏回族自治區(qū)等較落后地區(qū)；中低水平由山西省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、重慶市、新疆維吾爾自治區(qū)減少為浙江省、福建省和重慶市。中等水平從9個(gè)地區(qū)減少為4個(gè)地區(qū)，變化幅度最大。空間上，從遼寧省、吉林省、黑龍江省、浙江省、福建省、江西省、廣西壯族自治區(qū)、云南省和陜西省減少為內(nèi)蒙古自治區(qū)、遼寧省、江西省和新疆維吾爾自治區(qū)。高水平從2個(gè)增加到7個(gè)，增加幅度最大，空間上從湖南省、廣東省增加為吉林省、黑龍江省、湖南省、廣東省、廣西壯族自治區(qū)、云南省和陜西省。2001一2021年，河北省、江蘇省、安徽省、山東省、河南省、湖北省和四川省7個(gè)地區(qū)的化肥面源污染排放總量保持高水平。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，化肥面源污染排放總量與化肥施用量的空間分布與集聚特征較為相似，其主要原因是面源污染排量取決于化肥施用量。化肥作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)物資，雖然促進(jìn)了糧食產(chǎn)量的提高，但也對(duì)環(huán)境帶來(lái)一定的破壞。

3結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)2001—2021年中國(guó)化肥施用、糧食產(chǎn)量及其面源污染排放關(guān)系進(jìn)行深入分析，得出以下結(jié)論。整體來(lái)看，化肥施用空間分布逐漸分散，糧食產(chǎn)量南北集中，面源污染排放熱點(diǎn)向西北擴(kuò)張。化肥面源污染排放總量與化肥施用量的空間分布與集聚特征較為相似。江蘇省、山東省、河南省的化肥施用量高，面源污染風(fēng)險(xiǎn)大。化肥施用與糧食產(chǎn)量關(guān)系從強(qiáng)負(fù)脫鉤轉(zhuǎn)向強(qiáng)脫鉤，化肥使用效率顯著提升。未來(lái)，將繼續(xù)深化研究，為中國(guó)農(nóng)業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型和高質(zhì)量發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

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