西安市绿地化肥面源污染状况研究

姜 凌，易 秀

(1.长安大学旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，西安 710054；2. 陕西省矿产资源勘查与综合利用重点实验室，西安 710054)

0 引 言

城市绿地是指由城市中各种类型和规模的绿化用地组成的整体[1]。作为城市自然生态系统的主要生产者, 城市绿地在改善环境质量、美化景观、维护城市生态平衡、促进城市可持续发展等方面有着不可替代的作用，已经成为城市环境建设中的重要内容[2]。然而，自20世纪90年代以来，伴随着全球建设“绿色城市”、“生态城市”的发展趋势，城市绿地面积迅猛扩充，加之化肥工业的飞速发展，使得城市绿地建设走上了高投入，高产出的道路，其结果造成土壤氮、磷养分盈余，一经流失就会造成水体富营养化。目前，城市绿地氮、磷流失污染已成为城市水体富营养化最主要的污染源之一。因此，开展城市绿地土壤氮、磷肥用量调查及污染分析研究，已成为保证城市绿地建设可持续发展的关键问题。

西安市作为西部桥头堡城市，其城市绿地建设也呈现出空前高涨的局面。为了维持新增绿地的土壤肥力质量，势必要求化肥施用量急剧增加，从而使得流入水体中的氮、磷流失量显著增加，目前西安市的7个代表性景观水体中5个都属于劣Ⅴ类，水体富营养化严重[3-5]。然而，人们在分析水体富营养化产生原因时，往往忽略了城市绿地所带来的氮、磷增量。因此，本文针对西安市绿地土壤氮、磷肥施用量进行调查，分析其对水环境的影响，从而不仅为西安市绿地建设和施肥量的合理规划与管理提供参考依据和积累有益的数据，而且为防止水体进一步富营养化的研究开辟新的思路。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

西安市位于东经107°40′～109°49′，北纬33°42′～34°45′之间，东西最长为204 km，南北最长为116 km。总面积10 108 km2，其中市区面积1066 km2，建成区面积369 km2。属于暖温带半湿润的季风气候区，雨量适中，四季分明。市区多年平均降水量583.77 mm，年平均降水日数96.6天，最长连续降水日数13～19天，多出现于秋季，降水强度具有明显季节性。降雨量年际变化相差很大，丰、枯相差3倍。降水年内分配不均，7至10月降水量占年降水量的60%以上，汛期6、7、8、9四个月径流量占全市年径流量的50%，降雨多为短历时暴雨。土壤复杂多样，全市有12个土类，24个亚类，其中风成和冲积黄土分布广泛，属于黄土地带；同时在落叶阔叶林植被影响下，褐土广泛发育。

1.2 数据来源和计算方法

1.2.1数据来源

数据来源主要有三部分: 第一部分源自统计资料：《西安市统计年鉴》(2000-2014年)、《西安市国民经济和社会发展统计公报》(2000-2014年)、《西安市环境质量报告书》(2000-2014年)。第二部分源自相关部门资料：对西安市市容园林局、西安市林业局和西安市城市规划设计研究院2000-2014年相关资料的收集整理。第三部分源自现场调研：调查内容包括绿地土壤化肥用量、品种、土壤肥力、灌溉制度等。

1.2.2计算方法

化肥流失量计算主要参考类似地区的研究成果[6-9]估算流失系数，再用流失系数计算流失量。计算方法如下：

(1)流失量计算公式：

流失量=施用总量×流失系数

(1)

(2)流失负荷量计算公式：

流失负荷=流失量/绿地面积

(2)

2 结果与讨论

2.1 西安市绿地发展状况分析

本文采用绿地率、绿化覆盖率、人均公园绿地面积等指标对2005年到2014西安市年绿地分布状况进行调查(表1)。结果显示，西安市绿地面积呈现逐年扩大的趋势，绿化覆盖面积、园林绿地面积和人均公园绿地面积的年均增长率分别为14.99%、18.59%和8.86%，表明西安市绿地面积呈现稳定增长的趋势。截止2014年，西安市园林绿地面积约为18 914 hm2，绿化覆盖面积约为23 217 hm2，绿地率33.93%，绿化覆盖率为40.84%，人均公园绿地面积11.61 m2，全市道路绿化率为70.32%，新建地面停车场的乔木树冠覆盖率达25.51%，城区街道绿化率为27.72%。已达到“国家级园林城市”绿化标准，将于2016年5月将申报“国家森林城市”。未来，将创建“国家生态园林城市”，让西安城市绿化面积超过1亿m2。说明西安市绿地系统建设已逐渐成形，且保持着良好的发展趋势。

表1 西安市历年绿化分布状况表

注：以上数据来自于西安市统计年鉴，2010年数据为全市口径，2009年以前数据为市区口径。

2.2 西安市绿地化肥施用状况分析

2.2.1化肥施用总量逐年变化情况

随着西安市绿地面积的逐年递增，化肥施用总量也逐年增加。2000至2014年，西安市绿地化肥施用总量(均指折纯量，下同)为7.588万t(图1)，且呈现明显的逐年递增趋势，年化肥施用总量从2000 年的0.229万t 上升至2014 年的1.399万t，年均递增率达18.60%。其中2005-2007年和2008-2010年2个时段的增长率最大，分别为35.29%和26.47%。这主要是因为这两个时段的绿地面积增幅较大(见表1)，2005年全市正式启动了广场绿地建设工程，建成街头绿地小广场239个，总面积达76.89 hm2，2005-2007年新增公园绿地面积3 733 hm2；2008年西安市又启动了大绿工程二期项目建设和渭河流域治理工程，并实施了浐灞河生态治理工程，完成了绿化面积353.33多hm2。为了维持这些新增绿地的土壤肥力质量，化肥投入量也随之加大。但将两个时期的化肥增长率与绿地面积增长率(分别为17.54%和13.75%)对比发现，化肥施用量的增长率明显高于绿地面积的，前者高出后者17.75%和12.72%，说明化肥施用量增长过快，其结果造成土壤氮、磷养分盈余，一经流失就会造成水体环境污染。

图1 2000-2014年西安市绿地化肥用量变化趋势图(均指折纯量)

2.2.2化肥品种和结构比例分析

长期以来，西安市绿地化肥施用的品种构成较单一，主要是氮肥、磷肥和复合肥，而钾肥、微肥、有机肥的施用较少。氮肥的品种以尿素和碳酸氢铵为主，约占氮肥施用量的70%；磷肥以过磷酸钙为主，复合肥和磷酸二铵也占有相当大的比重。钾肥品种以复合肥为主，占钾肥施用总量的50%左右，其次为单质肥，主要品种为氯化钾和硫酸钾。14年来氮肥、磷肥、钾肥和复合肥在施用总量中的比重分别为48.2%、8.1%、7.8%、31.8%，可见，磷肥和钾肥比例偏低(图2)。从年际变化看，氮肥施用比例呈现逐年降低的趋势，由2000年的52.5%较低到了2014的46.2%；磷肥和钾肥的施用比例没有明显变化；而复合肥施用比例则呈明显的逐年增加趋势，年平均递增量达479.2 t/a，占年化肥总养分递增量的42.9%，说明化肥的复合率在增加，但与发达国家平均60%的化肥复合率仍存在较大差距[10]。

图2 2000-2014西安市绿地化肥施用结构比例图

将复合肥的氮、磷、钾(N∶P2O5∶K2O)比例按1∶0.8∶0.8计算[11]，得出2000-2014年西安市绿地化肥中氮、磷、钾的施用比例在1∶(0.17～0.26)∶(0.16～0.24)之间，与世界施用化肥氮磷钾的平均值1∶0.46∶0.36和我国适宜的氮磷钾比例1∶(0.4～0.6)∶(0.3～0.5)相比[12]。磷肥和钾肥施用比例偏低，这样会造成土壤中因缺乏磷、钾，从而影响氮的充分吸收，加速了氮的流失，形成恶性循环；同时长期性的氮肥施用过大或偏施氮肥往往造成土壤板结，土壤肥力下降，土壤结构被破坏，肥效下降，造成大量磷、钾的流失。

2.2.3化肥施用强度逐年变化情况

化肥施用强度反映了单位土地面积上的化肥投入量，能较好反映化肥投入对环境的潜在危害。图3 反映了化肥单位面积施用量(施用强度)的逐年变化规律，由图可见，西安市绿地化肥总量施用强度变化幅度在610.09～739.48 kg/hm2之间，平均施用强度为662.73 kg/hm2。其中，氮肥、磷肥、钾肥和复合肥的平均施用强度分别为：318.92、53.72、52.09、212.17 kg/hm2。而发达国家为防止化肥对水体污染所设定的安全阈值为225 kg/hm2，世界平均化肥施用负荷是104.85 kg/hm2[13]。可见，西安绿地化肥施用强度已远超过污染控制上限和世界平均水平，分别是他们的2.95和6.32倍。施肥强度过高，植物不能充分吸收化肥中的养分，在灌溉和降雨过程中，过量的氮、磷将进入水体，造成水体环境污染。

图3 2000-2014年西安市绿地化肥施用强度变化趋势图

图4反映了从2000年到2014年西安市绿地化肥施用强度的年平均增长率。从总量施用强度的年际变化来看，总体上呈现波动递增的趋势。其中，2005、2009、2010、2011和2014年较上一年呈现明显增长趋势，其余年份呈现不增长或者减少的趋势，且5个增长年的增幅呈现递增趋势。从化肥施用种类的变化来看，在总量施用强度增长的5个年份中，复合肥的施用强度增长最为显著，年均增长率为6.40%；其次为钾肥，年均增长率为2.09%；氮肥和磷肥接近于零。说明有关部门已经意识到氮、磷肥的流失问题，并调整了施肥结构，减少氮磷肥的施用比例，而增加钾肥和复合肥的施用比例，使得西安市绿地各类化肥的施用比例逐步趋于合理，化肥施用结构不合理的问题正在得到改善。

图4 2000-2014年西安市绿地化肥施用强度年平均增长率趋势图

2.3 西安市绿地化肥流失情况分析

研究表明，我国化肥当季利用率平均为30%，其中，氮肥利用率仅为30%～35%，磷肥约为10%～25%，钾肥为35%～50%[14-16]。化肥的施用量越大，肥料利用率越低，流失到环境中的数量也就越大，对生态环境的污染程度也就越高。据统计，我国氮肥的流失率在10%～40%之间，磷肥流失率在10%～30%之间[17]。

流失率与土壤条件(土壤类型、酸碱度、质地、结构等)、肥料用量和品种、施肥时期及方法、水肥综合管理技术、气候条件等诸多因素有关[18,19]。西安市表层土壤的pH值的平均值为8.48，表层土壤中主要以粉粒为主，砂粒和黏粒含量基本相当。市区多年平均降水量583.77 mm，且60%降水量以上集中于秋季。西安市氮肥和磷肥的年平均施用强度分别为318.92和53.72 kg/hm2，处于较高水平。综合考虑以上因素，将西安市的氮肥、磷肥地面径流流失系数分别按10%、5%的随水流失量保守进行估算；氮肥、磷肥通过地下淋溶损失系数分别按0.55%和0.75%随水流失量保守进行估算。由流失量计算式(1)计算得出2000-2014年西安市绿地化肥流失到水环境中的氮、磷含量(图5)。

图5 2000-2014年西安市绿地化肥氮、磷流失量

由图5可见，西安市绿地施用氮肥年流失量呈现逐年递增的趋势，年均增长率为16.82%。2000-2014年氮肥的年均流失总量达到483.85 t/a，其中，地面径流年均流失量为458.62 t/a，地下淋溶年均流失量为25.22 t/a。磷肥年流失量也呈现逐年增加的趋势，年均增长率为18.45%，年均流失总量达到80.22 t/a，其中，地面径流量达69.75 t/a，地下淋溶流失量达10.46 t/a。由此可见，氮肥流失量远大于磷肥，且地面径流流失量远大于地下淋溶流失量。表明西安市绿地化肥的施用对环境有潜在的污染风险，其中，氮肥对面源污染的贡献远大于磷肥；对地表水体的污染远大于对地下水的污染。此外，根据流失负荷计算式(1)，得出西安市绿地土壤氮、磷肥的地面径流年均流失负荷分别为40.06和5.59 kg/(hm2·a)，总负荷为46.01 kg/(hm2·a)。研究表明当河流、湖泊、水库、塘坝等水体中的总磷质量浓度大于0.02 mg/L，全氮达0.2～0.5 mg/L以上时，即被视为富营养化水体[20]。西安市绿地土壤氮、磷的流失浓度远大于这标准，使得周边河网水环境承受重大的污染压力。

3 结 论

(1)西安市绿地面积呈现逐年扩大的趋势，绿化覆盖面积、园林绿地面积和人均公园绿地面积年均增长率分别为14.99%、18.59%和8.86%。

(2)随着西安市绿地面积的逐年递增，化肥施用总量也逐年增加，从2000 年的0.229万t 上升至2014 年的1.399万t，年均递增率达18.60%。且化肥增长率大于绿地面积增长率，造成氮、磷养分盈余。

(3)西安市绿地化肥施用品种单一，且施肥结构不合理，即重视氮肥施用，轻施用磷肥和钾肥。14年来氮肥、磷肥、钾肥和复合肥在施用总量中的比重分别为48.22%、8.14%、7.85%、31.75%，氮、磷、钾的结构比例在1∶(0.17～0.26)∶(0.16～0.24)之间。长期性的偏施氮肥造成土壤板结，土壤肥力下降，土壤结构被破坏，肥效下降，加速了氮、磷的流失，形成恶性循环。

(4)西安市绿地化肥施用强度总体偏高，年平均施用强度达662.73 kg/hm2，已远远超出发达国家污染控制上限和世界平均水平，分别是他们的2.95和6.32倍。施肥强度过高，造成过量的氮、磷随灌溉和降雨进入水体，造成水体环境污染。

(5)2000-2014年氮、磷肥流失总量达564.06 t/a，其中氮、磷肥流失量分别为483.85和80.22 t/a；地面径流和地下淋溶流失量分别为528.37和35.69 t/a，表明氮肥对面源污染的贡献远大于磷肥；化肥流失对地表水体的污染远大于对地下水的污染。

(6)由于绿地面积的逐年扩大和施肥量的增加，绿地化肥流失污染对水环境的污染风险将进一步显现出来，因此，有关部门应当加以重视，及时采取改良化肥品种、调整化肥施用比例、改革化肥施用方法、用量和时间、调整灌溉方式等措施，以减轻污染风险。

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