高 瑩,孫喜軍,呂 爽,張 博
(1咸陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 咸陽(yáng)712000;2西安市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心,陜西 西安710061;3陜西省西咸新區(qū)灃東新城農(nóng)業(yè)農(nóng)村局,陜西 西安710086)
作為糧食的“糧食”,化肥在助推世界糧食增產(chǎn)方面起到了重要作用[1-2]。然而,伴隨糧食產(chǎn)量的穩(wěn)步提高,我國(guó)化肥施用量卻越來(lái)越大。2016年我國(guó)化肥施用總量(折純,下同)居全球首位,達(dá)5.98×1010kg,占全球化肥施用總量的30.30%[3]。由于化肥的持續(xù)過(guò)量投入,我國(guó)許多地區(qū)尤其是農(nóng)業(yè)集約化程度高的地區(qū),已面臨嚴(yán)重的地下水硝酸鹽污染和河流湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題,農(nóng)田化肥施用引起面源污染問(wèn)題的廣度和深度已遠(yuǎn)超歐美發(fā)達(dá)國(guó)家,面臨的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和潛在壓力更是其他國(guó)家無(wú)法比擬的[4-6]。為此,明確化肥施用現(xiàn)狀,科學(xué)評(píng)價(jià)化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),實(shí)施精準(zhǔn)靶向風(fēng)險(xiǎn)管控,已成為我國(guó)農(nóng)業(yè)面源污染防治工作亟需解決的問(wèn)題之一。
長(zhǎng)期以來(lái),基于農(nóng)業(yè)面源污染防治而開(kāi)展的綜合環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究備受重視。在評(píng)價(jià)方法方面,研究者相繼開(kāi)發(fā)了SWAT[7]、AGNPS[8]、APEX[9]等大型綜合數(shù)學(xué)模型,用以綜合模擬和評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)面源污染。在評(píng)價(jià)尺度方面,以某一流域[10]最為常見(jiàn),中省市縣4級(jí)行政單元[11-14]也均有涉及。在評(píng)價(jià)對(duì)象方面,主要包含對(duì)化肥、畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)固體廢棄物和農(nóng)村生活等污染源在內(nèi)的綜合評(píng)價(jià)[11,14]?;适寝r(nóng)業(yè)面源污染的“元兇”[15],但以往農(nóng)業(yè)面源污染環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究大多以污染源綜合評(píng)價(jià)為主,針對(duì)化肥施用進(jìn)行的專(zhuān)項(xiàng)面源污染環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)直到近幾年才開(kāi)始報(bào)道,目前主要涉及河南[16]、山東[17]、四川[18]等農(nóng)業(yè)大省的化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)空間分異特征研究。陜西也是我國(guó)農(nóng)業(yè)大省之一,化肥施用量相對(duì)較大,約戰(zhàn)全國(guó)總量的4%[3],但目前針對(duì)陜西省及各地市開(kāi)展的化肥施用專(zhuān)項(xiàng)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)還鮮有報(bào)道。為此,本研究分析了全省化肥施用時(shí)空分異特點(diǎn),并利用化肥施用面源污染環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型,評(píng)價(jià)了化肥施用面源污染環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),以期為陜西省化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管控及農(nóng)業(yè)面源污染防治提供參考。
陜西省橫跨黃河、長(zhǎng)江兩大水系,縱跨中溫帶季風(fēng)氣候區(qū)、暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)和北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)三個(gè)氣候帶,自然形成陜北、關(guān)中、陜南三大區(qū)域。南北氣候差異較大,降水南多北少,陜南為濕潤(rùn)區(qū),關(guān)中為半濕潤(rùn)區(qū),陜北為半干旱區(qū)。陜西省年均降水量340~1 240 mm,年均溫度9~16 ℃。
1987-2016年陜西省總肥或氮肥、磷肥、鉀肥、復(fù)合肥施用量(折純,下同),耕地面積,播種面積等相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)源于《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》[19]和《陜西統(tǒng)計(jì)年鑒》[20]。另外,統(tǒng)計(jì)年鑒中沒(méi)有注明復(fù)合肥中氮磷鉀比例,根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查,將復(fù)合肥中氮、磷、鉀含量按1∶1∶1折算處理[4]。
化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)采用劉欽普[4]提出的模型進(jìn)行計(jì)算,具體公式如下:
(1)
式中:Ri為單質(zhì)化肥(氮肥、磷肥或鉀肥)施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù);Fi為年化肥(總肥或氮肥、磷肥、鉀肥)施用強(qiáng)度(kg/hm2),即單位耕地面積的年化肥施用量[4];Ti為化肥施用強(qiáng)度環(huán)境安全閾值(kg/hm2),即種植作物時(shí)不產(chǎn)生面源污染的某種化肥最大施用強(qiáng)度。本研究中,將氮肥施用強(qiáng)度環(huán)境安全閾值設(shè)定為125 kg/hm2,磷肥和鉀肥均設(shè)定為62.5 kg/hm2[4]。另按照總肥施用強(qiáng)度≤250,250~500,500~750,750~1 000,1 000~1 250和>1 250 kg/hm2的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[21],將化肥施用強(qiáng)度分為適量、低度過(guò)量、中度過(guò)量、高度過(guò)量、嚴(yán)重過(guò)量、極嚴(yán)重過(guò)量6個(gè)等級(jí)。
(2)
式中:Rt為化肥施用環(huán)境總風(fēng)險(xiǎn)指數(shù);Wi為氮肥、磷肥或鉀肥的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重。本研究中氮肥、磷肥、鉀肥的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重分別為0.648,0.230和0.122[4]。
由式(1)和式(2)可知,Ri和Rt均介于0~1之間。當(dāng)Fi和Ti相等時(shí),Ri=0.50,將此值設(shè)定為環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)安全閾值。Fi越小,Ri(Rt)越趨近于0,即化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)越小;Fi越大,Ri(Rt)越趨近于1,即化肥施用面源污染環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)越大。本研究中,按照Ri≤0.35,0.35~0.50,0.50~0.65,0.65~0.75,0.75~0.80和>0.80的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),將化肥施用風(fēng)險(xiǎn)程度分為安全、尚安全、低度風(fēng)險(xiǎn)、中度風(fēng)險(xiǎn)、重度風(fēng)險(xiǎn)和嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)6個(gè)等級(jí)[4]。
采用Microsoft Excel 2007對(duì)歷年化肥施用相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和作圖,并采用加權(quán)平均法求算不同區(qū)域平均施肥推薦量。
2.1.1 化肥施用時(shí)序演變 1987-2016年陜西省化肥施用量及施用強(qiáng)度的變化見(jiàn)圖1和圖2。
圖1 1987-2016年陜西省化肥施用量的變化Fig.1 Variations of fertilizers amount in Shaanxi during 1987-2016
圖2 1987-2016年陜西省化肥施用強(qiáng)度的變化Fig.2 Variations of fertilization intensity in Shaanxi during 1987-2016
由圖1可知,1987-2013年陜西省總肥、氮肥、磷肥、鉀肥和復(fù)合肥施用量整體呈逐年遞增趨勢(shì),年均增長(zhǎng)率分別達(dá)到6.55%,4.14%,4.58%,13.87%和12.32%。2013年之后,各類(lèi)化肥施用量遞增趨勢(shì)得到抑制,化肥施用量穩(wěn)中有降。
由圖2可知,1987-2013年總肥及氮肥、磷肥、鉀肥施用強(qiáng)度均表現(xiàn)出穩(wěn)定的遞增趨勢(shì),分別由1987年的120.21,95.03,19.21,5.97 kg/hm2逐年增加到2013年的841.98,461.32,181.83,198.83 kg/hm2。而2013年之后,各類(lèi)化肥施用強(qiáng)度出現(xiàn)一定的下降趨勢(shì)。
從圖3可知,30年間氮肥比例表現(xiàn)出下降趨勢(shì),而磷肥和鉀肥比例穩(wěn)步提高,經(jīng)計(jì)算,磷鉀比例已分別由1987年的15.87%和4.76%增長(zhǎng)到2016年的21.93%和24.60%,尤以鉀肥比例增長(zhǎng)最明顯。全省氮肥、磷肥和鉀肥的施用結(jié)構(gòu)比例已從1987年的1∶0.20∶0.06逐步調(diào)整為2016年的1∶0.41∶0.46。
圖3 1987-2016年陜西省化肥(氮、磷、鉀)施用比例變化Fig.3 Variations of fertilizers (N,P,K) application rate in Shaanxi during 1987-2016
2.1.2 化肥施用空間分異 由表1可知,2016年陜西省平均化肥施用強(qiáng)度為799.48 kg/hm2,是全國(guó)平均水平(443.53 kg/hm2)的1.80倍,總體屬高度過(guò)量。陜西省不同地區(qū)化肥施用強(qiáng)度差異懸殊,其中渭南市各類(lèi)化肥施用強(qiáng)度最高,榆林市最低,渭南市總肥及單質(zhì)氮肥、磷肥、鉀肥的施用強(qiáng)度分別是榆林市的7.28,5.48,12.07和10.59倍。按照化肥施用強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看,榆林為適量區(qū),商洛為低度過(guò)量區(qū),安康、延安和漢中為中度過(guò)量區(qū),西安、銅川、寶雞、咸陽(yáng)、渭南5市化肥施用強(qiáng)度均為高度過(guò)量及以上等級(jí)。從地理區(qū)域來(lái)看,關(guān)中化肥施用強(qiáng)度最高,陜南次之,陜北最低。由表1還可知,陜西省不同區(qū)域化肥施用結(jié)構(gòu)差異較大,與全省平均水平相比,陜北磷肥比例稍低,關(guān)中基本持平,陜南氮高磷鉀低。
表1 2016年陜西省化肥施用強(qiáng)度Table 1 Fertilizers intensity of Shaanxi in 2016
由圖4可知,陜西省總肥及單質(zhì)氮、磷、鉀肥的面源污染環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分別從1987年的0.34,0.43,0.24,0.09穩(wěn)步增長(zhǎng)到2012年的0.77,0.79,0.74和0.76,2012年后各項(xiàng)指標(biāo)穩(wěn)中有降。具體來(lái)看,總肥環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)于1992年突破安全閾值(0.50),氮肥環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)于1989年突破安全閾值,磷肥和鉀肥環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分別于1995年和2001年突破安全閾值。1987-2016年,氮肥的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)始終大于磷肥和鉀肥;2009年之前,鉀肥的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)一直小于磷肥,2009年之后鉀肥的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)開(kāi)始大于磷肥。
圖4 1987-2016年陜西省化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的變化Fig.4 Variations of environmental risk index of fertilizer application in Shaanxi during 1987-2016
2016年陜西省化肥面源污染環(huán)境安全形勢(shì)不容樂(lè)觀,全省化肥總風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為0.76(表2),處于重度風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。其中榆林市化肥總風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最小,且是唯一一個(gè)化肥總風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)低于安全閾值的地市;延安市、漢中市、安康市和商洛市化肥施用處于中度風(fēng)險(xiǎn)等級(jí);西安、銅川、寶雞、咸陽(yáng)、渭南5市化肥施用均處于重度及以上風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。具體來(lái)看,無(wú)論是總肥,還是單質(zhì)氮肥、磷肥、鉀肥,關(guān)中地區(qū)的各類(lèi)化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均為最大,陜南次之,陜北最小。
表2 2016年陜西省化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Table 2 Environmental risk index of fertilizer application in Shaanxi in 2016
以2016年陜西省化肥施用情況來(lái)看,關(guān)中化肥施用強(qiáng)度最大,陜南次之,陜北最小,這可能是種植制度和氣候條件等因素存在差異所致。關(guān)中屬暖溫帶半濕潤(rùn)氣候,氣候溫和,降水較足,光照條件較好,地勢(shì)平坦,作物產(chǎn)量高,絕佳的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件促生了農(nóng)民的種植熱情,該地區(qū)種植制度以一年兩熟為主,平均復(fù)種指數(shù)高達(dá)1.48[20],部分地市如西安市復(fù)種指數(shù)甚至超過(guò)1.90[20],區(qū)域糧田復(fù)種絕大多數(shù)已達(dá)一年兩熟的滿負(fù)荷狀態(tài)。此外,近年來(lái)關(guān)中各種經(jīng)濟(jì)附加值高、需肥量大的設(shè)施瓜菜和水果種植面積不斷擴(kuò)大。良好的自然條件、較高的作物產(chǎn)量、無(wú)間歇的種植制度、較高的復(fù)種指數(shù)和農(nóng)民對(duì)經(jīng)濟(jì)利益最大化的追求,直接導(dǎo)致了關(guān)中高強(qiáng)度的化肥投入。陜北較為干旱,整體地貌框架為塬、峁、墚、溝,水土流失嚴(yán)重,耕地肥力較低,種植制度為一年一熟或兩年三熟,復(fù)種指數(shù)僅為0.92[20],主要種植玉米、馬鈴薯等作物,較低的收益使得農(nóng)民不愿意投資過(guò)多的化肥,故陜北化肥施用強(qiáng)度遠(yuǎn)低于關(guān)中。陜南雖溫?zé)岫嘤?,但多為秦巴山地,“九山半水半分田”為其真?shí)寫(xiě)照,耕地坡度大,水土流失風(fēng)險(xiǎn)巨大,土壤質(zhì)地差,復(fù)種指數(shù)和化肥投入強(qiáng)度雖高于陜北地區(qū),但遠(yuǎn)低于關(guān)中地區(qū)。
本研究結(jié)果表明,陜西省化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)連年穩(wěn)增,1992年總肥風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)突破安全閾值0.50,2012年增至歷史最大值0.77,此后穩(wěn)中略有下降,2016年化肥施用總風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為0.76,全省化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)屬于重度風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。其中關(guān)中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)最高,屬于嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)等級(jí);陜南、陜北化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)相對(duì)關(guān)中較低,分別屬于中度風(fēng)險(xiǎn)和低度風(fēng)險(xiǎn)。目前,陜西省化肥過(guò)量施用導(dǎo)致的面源污染問(wèn)題已經(jīng)顯現(xiàn)出來(lái),其中關(guān)中地區(qū)最為引人注目,過(guò)量施用化肥已經(jīng)造成了不同程度的地表水和地下水水體污染。張妍等[22]研究表明,渭河流域關(guān)中段地表水硝酸鹽(以氮計(jì),下同)質(zhì)量濃度為1.3~35.7 mg/L,平均為8.6 mg/L,與國(guó)家生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB 5749-2006)規(guī)定的硝酸鹽質(zhì)量濃度上限值(10 mg/L)相比,點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)32.4%。羅大成等[23]研究表明,在糧食生產(chǎn)大縣西安市藍(lán)田縣,豐水期(9月)0~20 m飲用井水中硝酸鹽平均質(zhì)量濃度為22.34 mg/L,硝酸鹽最高質(zhì)量濃度可達(dá)標(biāo)準(zhǔn)值(以氮計(jì),地下水上限值為20 mg/L)的3倍以上,點(diǎn)位超標(biāo)率高達(dá)50%。硝酸鹽與人體健康關(guān)系密切,飲用水中硝酸鹽質(zhì)量濃度超標(biāo)會(huì)導(dǎo)致胃癌、結(jié)直腸癌等多種癌癥發(fā)病率升高[24]。已有研究報(bào)道,浙江省沙潁河流域氮肥施用和農(nóng)田灌溉造成沿岸土壤、地下水和蔬菜硝酸鹽積累,緊鄰沙潁河的癌病高發(fā)村莊土壤、地下水以及蔬菜中硝態(tài)氮積累量均明顯高于全區(qū)平均水平,癌病高發(fā)村莊居民存在突出的飲水和蔬菜硝酸鹽暴露健康風(fēng)險(xiǎn)[25]。此外,目前過(guò)量施用鉀肥影響飲用水水質(zhì)的事件雖鮮有報(bào)道,但臨床醫(yī)學(xué)已發(fā)現(xiàn),過(guò)量K+進(jìn)入人體,容易引發(fā)高鉀血癥,輕者導(dǎo)致心率失常、機(jī)體乏困,重者會(huì)直接導(dǎo)致致死性心臟驟停[26]。本研究中,陜西省鉀肥環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)于2001年突破安全閾值0.50,2012年達(dá)到最大值0.77,2016年為0.76,仍屬于重度風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),需引起高度警惕。綜上,陜西省過(guò)量施用化肥存在巨大環(huán)境安全和人體健康風(fēng)險(xiǎn)。為此,針對(duì)陜西省不同區(qū)域化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),實(shí)施靶向管控兼具現(xiàn)實(shí)必要性和緊迫性。
制定陜西省化肥施用風(fēng)險(xiǎn)管控策略時(shí),應(yīng)在確保農(nóng)作物產(chǎn)量的基礎(chǔ)上分區(qū)精準(zhǔn)實(shí)施。就陜西省作物種植情況來(lái)看:陜北主要農(nóng)作物為玉米和馬鈴薯;關(guān)中為小麥和玉米;陜南為小麥、玉米、馬鈴薯、油菜和水稻。2012-2016年陜北、關(guān)中和陜南主要作物播種面積分別占各區(qū)域農(nóng)作物播種總面積的54%,74%和62%。根據(jù)不同區(qū)域主要作物播種面積(表3)[20,27]和施肥推薦量[28-33](表4),加權(quán)求不同區(qū)域平均施肥推薦量如表5所示。其中陜北總肥推薦量為376.32 kg/hm2,關(guān)中為317.04 kg/hm2,陜南為280.69 kg/hm2。
表3 2012-2016年陜西省不同區(qū)域主要作物的平均播種面積(×103 hm2)Table 3 Average planting areas of main crops in different regions of Shaanxi during 2012-2016
表4 陜西省主要作物施肥推薦量Table 4 Recommended amount of fertilization for main crops in Shaanxi kg/hm2
表5 陜西省不同區(qū)域平均施肥推薦量Table 5 Recommended fertilizers amount in different regions of Shaanxi kg/hm2
在確保作物產(chǎn)量的基礎(chǔ)上,陜西不同區(qū)域減肥控險(xiǎn)策略如下:陜北地區(qū)施肥強(qiáng)度可基本維持現(xiàn)狀,但應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化施肥結(jié)構(gòu),注意減氮增磷補(bǔ)鉀;關(guān)中應(yīng)以降低化肥投入為抓手,逐步調(diào)減化肥施用量,在施肥結(jié)構(gòu)調(diào)控方面要注意穩(wěn)氮提磷減鉀;陜南地區(qū)應(yīng)在減量的基礎(chǔ)上繼續(xù)優(yōu)化施肥結(jié)構(gòu),注意減氮增磷補(bǔ)鉀。需要指出的是,在計(jì)算不同區(qū)域推薦施肥量和施肥比例過(guò)程中,由于受數(shù)據(jù)獲取途徑限制,本研究只粗略考慮了陜西省三大區(qū)域主要作物施肥情況,未能全方位考慮不同地區(qū)土壤肥力和詳細(xì)的種植結(jié)構(gòu)。同時(shí),本研究只針對(duì)三大區(qū)域提出了宏觀施肥調(diào)控建議,依托更詳細(xì)種植數(shù)據(jù)、實(shí)施更精準(zhǔn)的縣域尺度化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管控值還需進(jìn)一步探討。
1)1987-2013年陜西省化肥施用量、施用強(qiáng)度整體呈遞增趨勢(shì),2013年之后全省化肥施用量、施用強(qiáng)度穩(wěn)中有降。1987-2016年氮肥比例表現(xiàn)出下降趨勢(shì),而磷鉀比例穩(wěn)步提高,氮磷鉀施用比例已經(jīng)由1987年1∶0.20∶0.06逐步優(yōu)化調(diào)整為2016年的1∶0.41∶0.46。
2)2016年陜西省化肥施用強(qiáng)度達(dá)799.48 kg/hm2,屬于高度過(guò)量水平。陜西省各地市化肥施用強(qiáng)度表現(xiàn)出明顯的空間分異特點(diǎn),其中關(guān)中化肥施用強(qiáng)度最高,陜南次之,陜北最低。
3)2016年陜西省化肥施用總風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為0.76,屬于重度風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。各地市化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)空間分異明顯,其中關(guān)中各類(lèi)化肥風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均最大,陜南次之,陜北最小。對(duì)照施肥推薦標(biāo)準(zhǔn),在確保作物產(chǎn)量的基礎(chǔ)上,陜北可基本維持目前施肥強(qiáng)度,但在施肥結(jié)構(gòu)上應(yīng)注意減氮增磷補(bǔ)鉀;關(guān)中應(yīng)把降低施肥強(qiáng)度作為突破口,施肥結(jié)構(gòu)注意穩(wěn)氮提磷減鉀;陜南應(yīng)在降低化肥施用強(qiáng)度基礎(chǔ)上繼續(xù)優(yōu)化施肥結(jié)構(gòu),注意減氮增磷補(bǔ)鉀。
西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2021年2期