贵州省化肥施用时空分异及环境风险评价

薛超 田若蘅 雷永疆 杨连心

[摘 要]本文选择贵州省地市（州）为研究区域，采用化肥施用环境风险模型，分析贵州省1996—2015年间化肥施用的时空分析特征，定量评估化肥施用存在的潜在环境风险，确定化肥施用存在环境污染风险的重点区域。结果表明：以中国的化肥施用生态安全阈值250kg/hm-2来看，近20年来，贵州省化肥施用长期处于过量施用状态，施用量呈上升趋势，化肥施用年均增长率达3.5%。2015年贵州省的化肥施用强度为587.98kg/hm-2，是同年全国化肥平均施用强度446.12kg/hm-2的1.32倍，为化肥投入高水平区域。其中，贵州的化肥投入空间差异明显，贵阳的化肥施用强度最高为679kg/hm-2，而黔东南州的化肥施用强度最低为429kg/hm-2，两者化肥施用强度差异达1.58倍。2015年贵州省的化肥施用的环境风险程度为中度风险，但是贵阳市和安顺市处于重度风险。同时，贵州各地区存在重度的氮肥污染环境风险，贵阳市与六盘水市氮肥施用的环境风险指数达严重风险，尤为突出。

[关键词]面源污染;化肥施用强度;环境风险;贵州省

[中图分类号]X592 [文献标识码]A

化肥对粮食安全做出巨大贡献，但化肥施用结构不合理和过量施用等问题也日益突出，造成化肥利用率低、土地硬化、农业面源污染和粮食产量下降等次生影响。化肥的施用方式合理与否直接影响到耕地的质量，进而影响到粮食质量，乃至对人类生存发展造成影响。因此，如何保持清洁的农业生产环境，促进农业可持续发展成为新时代下需要解决的问题。

贵州是中国的传统农业大省，关于贵州农业污染的防治受到广泛关注。有学者对贵州省的蔬菜重金属污染状况进行研究，发现研究区内52.1%菜地中镉含量超标，并且土壤中的镉正在不断地累积;通过对市售化肥进行抽样分析，就化肥成分中重金属的合理分配与否分析造成农村污染的影响因素;通过建立贵州农业面源污染调查与监测制度，使农业面源污染防治在内容上、范围上、责任划分上进一步完善;同时不断完善水污染防治法律体系，弥补贵州省农村水污染保护理论研究的不足。

以上研究为探索贵州省农业污染现状和未来贵州省农业污染防治工作提供了重要指导。但是针对贵州省的化肥污染现状和未来潜在环境风险的研究较少。笔者引入环境风险评价模型，从化肥施用角度对贵州省的环境风险进行评价，为贵州省农业进行合理的化肥施用管理、维持生态系统健康和农业可持续发展提供参考依据。

1 研究方法与数据来源

1.1 环境风险评价模型

环境风险评价是指在社会经济活动过程中，对社会经济、生态环境、人类健康等已经造成的损失或潜在危害进行评估，并提供相关建议和解决对策的过程。本文采用刘钦普研究中构建的环境风险评价模型，该模型综合了环境安全阈值、环境影响权重和农作物复种指数等多种影响因素，使环境风险指数通过更加科学的方法测算出结果。其具体公式为：

（i=N、P、K）（1）

（i=N、P、K）（2）

公式（1）、（2）中，Fi表示单类化肥施用强度，m表示农作物复种指数，u表示化肥利用率，Ti为单类化肥施用的安全阈值，Hi表示单类化肥环境污染风险指数，Wi表示单类化肥的权重系数，Rt表示总肥的环境污染风险指数。

以化肥利用率为50%、复种指数为1为参照，依据化肥施用强度与环境安全阈值的倍数，把化肥环境污染风险程度分为6个不同的等级（表1），当化肥施用强度越大，风险指数越趋近于1，反之趋近于0。当环境污染风险指数等于0.5时，是环境安全与否的分界点。

1.2 数据来源

本文所需化肥施用量、耕地面积等基础数据主要来自《贵州统计年鉴》和《贵州六十年》，对于年鉴中部分年份的耕地面积数据缺失情况，本文采用相近年份数据进行插值拟合进行补充。由于时间跨度较大，通过综合《生态县、生态市、生态省建设指标（修订稿）》和《国家生态文明建设示范村镇指标（试行）》文件的意见得到化肥施用强度的生态标准。

2 结果与分析

2.1 贵州省化肥施用时空分析

2.1.1 化肥施用时间分析

上个世纪九十年代中期以后，贵州省的化肥施用量经过了一个显著的增长阶段。从1996年的61万t增长到2015年的103.69万t，增长率达到70%，其中氮肥的增长波动幅度和总化肥施用量的增长波动幅度相似，表明氮肥施用量在贵州省总化肥施用量中占据主体地位;磷肥呈现出先减少后增长的u型变化，总体呈上涨的趋势;钾肥总量呈现缓慢的上涨趋势，但是增加幅度大，增加了2.86倍;复合肥呈现出明显的上涨趋势，增长率达192%，成为贵州省化肥施用量增长的主要动力，表明贵州省农业生产者积极采取新型复合肥，不断改善农业生产方式。

20年间，贵州省的粮食产量得到较大提升，1996年粮食产量突破1000万t，粮食单产从1996的3465kg/hm-2增长到2008的3 960kg/hm-2，增长率达14.29%。由于农业生产方式滞后，农业快速发展多以土壤肥力为代价和单一地增加化肥投入量，因此造成化肥利用率的降低。2011—2013年贵州省的粮食产量不断下降，但化肥施用量却不断上升，表明化肥施用量对贵州省粮食产量的影响不断下降，侧面反映出土地质量不断下降。

2.1.2 化肥施用空間分析

本文选取研究区1996年和2015年的相关数据，计算得出氮、磷、钾肥和全省总化肥施用强度（表2和表3）。

（1）全省化肥施用强度大。1996年贵州省的化肥平均施用强度为330.49kg/hm-2，是同年全国化肥平均施用强度403.06kg/hm-2的0.82倍，而2015年贵州省的化肥平均施用强度为587.98kg/hm-2，是同年全国化肥平均施用强度446.12kg/hm-2的1.32倍，是国家示范村镇指标220kg/hm-2的2.67倍。20年间，贵州省的化肥施用强度不断上涨，从330.49kg/hm-2上涨到587.98kg/hm-2，增长了77.91%，增长速度较快;氮肥施用强度从212.33kg/hm-2增长到352.79kg/hm-2，增长了66.15%;磷肥施用强度从84.55kg/hm-2增长到124.77kg/hm-2，增长了47.57%;钾肥施用强度增长最快，从33.61kg/hm-2增长到110.42kg/hm-2，增长了228.53%。

（2）化肥施用强度区域差异大。化肥施用强度最高的贵阳市679kg/hm-2，是化肥施用强度最低的黔东南州429kg/hm-2的1.58倍。1996年到2015年化肥施用强度增长最快的黔南州366.78kg/hm-2，是增长最慢的毕节市165.14kg/hm-2的2.22倍。极值比大于2，表明各地区之间的化肥施用强度差异显著。氮肥施用强度增长最快的是六盘水市235.85kg/hm-2，增长最慢的是黔东南州81.38kg/hm-2;磷肥施用强度增长最快的是铜仁市95.67kg/hm-2，出现负增长的是贵阳市-32.96kg/hm-2和毕节市-26.94kg/hm-2;钾肥施用强度增长最快的是贵阳市112.97kg/hm-2，增长最慢的是黔西南州29.8kg/hm-2，表明了贵州省各地区间化肥施用强度增长的不平衡。

（3）氮、磷、钾肥的比例不断趋于合理。发达国家的氮、磷、钾肥比例是1：0.5：0.5，以此为标准，1996年贵州省的氮、磷、钾肥平均比例协调性和发达国家还有一定差距，均没有达到标准;2015年贵州省的氮、磷、钾肥平均比例较1996年更加合理，从1996年的1：0.4：0.15协调为2015年的1：0.37：0.32，该比例不断向适宜中国的氮、磷、钾比例（1：0.4～0.45：0.4～0.5）靠近，表明磷肥和钾肥的施肥结构不断得到优化。

20年间，贵州省的化肥施用量总体上呈现出增长趋势，氮肥主导了贵州省的化肥施用量，而过度地施用氮肥会造成一系列生态环境问题，甚至可能影响到人类的生存发展。贵州省的黄壤旱地玉米氮肥利用率平均为40.6%，而氮、磷、钾肥合理地配合施用比单施氮肥的化肥利用率高6%。可见，贵州省可以减少氮肥在农业生产活动中的施用量，将氮、磷、钾肥三者优化配置、综合利用，以此提高农业生产效率，协调好农业生产与生态环境两者之间的关系。

2.2 贵州省化肥污染环境风险评价

为保证研究准确性，参考了《生态县、生态市、生态省建设指标（修订稿）》中的参考性指标250kg/hm-2和《国家生态文明建设示范村镇指标（试行）》中的约束性指标220kg/hm-2，将生态安全阈值定为240kg/hm-2。氮、磷、钾肥的养分比例是参照发达国家1：0.5：0.5标准，以此确定氮肥的安全阈值为120kg/hm-2，磷肥和钾肥的安全阈值为60kg/hm-2。根据相关研究，贵州省的农业面源污染风险受氮、磷肥影响较大，受钾肥影响较小，确定出氮、磷、钾肥的权重系数分别为0.634、0.216、0.149。各类化肥被土壤吸收利用的能力有差异，根据实际情况进行化肥利用率修正，氮肥为27.28%、磷肥为26.03%、钾肥为36.25%。

由图2可得，2015年贵州省化肥施用的风险指数是0.72，属于中度风险，氮肥的风险指数是0.76、磷肥的风险指数是0.70、钾肥的风险指数是0.59，分别属于重度、中度和低度风险。其中安顺市和贵阳市的化肥污染风险指数处于0.76～0.80，为重度风险，其余的6个地级市为中度风险（图2A）。氮肥风险指数为0.76，处于重度风险，其中贵阳市和六盘水市的风险指数处于0.81～0.85，为严重风险，安顺市、黔西南州和黔南州为重度风险，遵义市、毕节市、铜仁市和黔东南州为中度风险（图2B）。较氮肥相比，磷肥风险程度情况较好，风险指数为0.70，处于中度风险，其中安顺市和贵阳市处于0.76～0.80，为重度风险，其余7个地级市为中度风险（图2C）。相比前两者，贵州省的钾肥风险程度最好，风险指数为0.59，处于低度风险，其中贵阳市的风险指数为0.75，处于中度风险，其余8个地级市处于低度风险（图2D）。总的来说，贵州省氮、磷肥环境污染风险高于钾肥，在空间上呈现贵州中部、西部和南部偏高的特点。

2.3 贵州省化肥污染产生的环境效应

贵州省现有化肥施用结构已经造成不良环境效应。长期施用胺态氮肥，会导致土壤板结和肥力下降，而硝态氮肥通过反硝化作用可还原成N2和N2O等气体，这些气体进入到大气中，对臭氧层造成不利影响。2015年贵州省主要河流的水质良好，地表水质量以Ⅰ～Ⅲ类水质为主，其中乌江水系水质为Ⅳ、Ⅴ类占9.7%、劣于Ⅴ类占9.7%。乌江水系经过安顺市和贵阳市，这两个市的化肥风险程度均为重度风险，受影响较大。过量施用磷肥会导致水体的富营养化，乌江水库的营养盐浓度较高，枯、丰水期均为中—富营养化状态，且呈现出轻度的富营养化趋势。贵阳市红枫湖的沉积物中Mn主要以铁锰氧化物结合态存在，Cd主要以可交换形态存在，元素Db、Cu、Cr、Zn、Ni、Fe主要以残渣态存在，并且Cu的KSPEF平均值达到22.7，表明受到了人为污染。在三岔河水质检测的5个采样点中，有3个采样点位于安顺市境内的河流沿岸，沿岸多为耕地，存在农业面源污染，水质较差。以上出现的贵州省化肥污染环境效应，表明在未来要调整化肥施用量和优化化肥施用结构，减少因化肥而产生的环境污染。

3 结论

本文以贵州省为例，借助化肥污染环境风险评价模型，从时间序列角度探讨20年间化肥施用量的变化，从空间格局角度探讨了化肥施用强度的地区差异和化肥污染风险程度的地区不平衡性，得出以下结论：

（1）贵州省的化肥总量增长快，由1996年的61万t增长到2015年的103.69万t，增长了70%，并且呈现逐年上升的趋势。

（2）贵州省的化肥施用强度明显过量，2015年贵州省的化肥施用强度587.98kg/hm-2超过了国家生态文明示范村镇指标220kg/hm-2。化肥施用强度区域之间差异大，增长最快的黔南布依族苗族自治州366.78kg/hm-2，是增长最慢的毕节市165.14kg/hm-2的2.22倍。

（3）2015年贵州省化肥施用风险指数是0.72，属于中度风险，其中贵阳市和六盘水市属于重度风险;氮肥和磷肥的环境污染风险程度均高于钾肥，高风险地区集中于贵州的中部、西部和南部地区。

[参考文献]

[1] 耿仲钟，肖海峰.我国农用化肥施用强度的时空差异与区域收敛[J].干旱区资源与环境，2017（02）.

[2] 蔡美芳，李开明，谢丹平，等.我国耕地土壤重金属污染现状与防治对策研究[J].环境科学与技术，2014（S2）.

[3] 许华杰，谭红，谢锋，等.贵州省菜地土壤和蔬菜中镉含量的分析与研究[J].农业环境科学学报，2007（26）.

[4] 陈海燕，高雪，韩峰.贵州省常用化肥重金属含量分析及评价[J].耕作与栽培，2006（04）.

[5] 王明明，肖爱.贵州省农业面源污染防治法律制度的不足与完善[J].贵阳学院学报（社会科学版），2016（05）.

[6] 刘天富.贵州省农村水污染防治法律对策研究[D].贵州民族大学，2016.

[7] 毛小苓，刘阳生.国内外环境风险评价研究进展[J].应用基础与工程科学学报，2003（03）.

[8] 刘钦普，林振山，周亮.山东省化肥使用时空分异及潜在环境风险评价[J].农业工程学报，2015（07）.

[9] 李庆逵，朱兆良，于天仁.中国农业持续发展中的肥料问题[M].江西科学技术出版社，1998.

[10] 张晟，李崇明，王毓丹，等.乌江水污染调查[J].中国环境监测，2003（01）.

[11] 刘峰，胡继伟，吴迪，等.基于形态学分析红枫湖沉积物中重金属的分布特征及污染評价[J].环境化学，2011（02）.