山西省化肥投入?yún)^(qū)域分異及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

解文艷, 周懷平, 楊振興, 劉志平

山西省化肥投入?yún)^(qū)域分異及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

解文艷, 周懷平*, 楊振興, 劉志平

山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 省部共建有機(jī)旱作農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（籌）, 太原 030031

基于1985—2017年化肥施用量和作物播種面積, 采用化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型, 探討了山西省化肥施用及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)空變化特征。結(jié)果表明, 山西省化肥施用總量在1985—2017年間整體呈增加趨勢(shì), 2017年山西省化肥施用強(qiáng)度為285.14 kg·hm-2, 大多數(shù)地區(qū)農(nóng)田化肥投入過(guò)量; 其基本趨勢(shì)是從晉北到晉南逐步增加, 晉西北投入少、晉東南投入高?？偦适┯脧?qiáng)度極值比為2.4, 氮肥、磷肥和鉀肥的極值比分別是1.9、2.7和3.4。全省11個(gè)地市氮磷鉀投入比例是1:0.69:0.62, 不盡合理。山西省2017年化肥施用環(huán)境總風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為0.52, 呈低度環(huán)境風(fēng)險(xiǎn); 氮、磷、鉀肥施用的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分別為0.50、0.58和0.55。氮肥施用的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)處于安全狀態(tài); 磷肥的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域集中在晉東南和晉中地區(qū), 鉀肥的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域集中在晉東南和運(yùn)城地區(qū), 均呈現(xiàn)中度、嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)程度并有成片聚集特征。研究結(jié)果有利于調(diào)控山西農(nóng)田施肥合理分布并進(jìn)行分區(qū)指導(dǎo), 制定不同施肥方案, 協(xié)調(diào)糧食增產(chǎn)和生態(tài)保護(hù)間的關(guān)系, 為防治農(nóng)業(yè)面源污染提供決策參考。

化肥施用強(qiáng)度; 氮磷鉀比例; 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià); 區(qū)域差異; 山西省

0 前言

肥料是作物的“糧食”, 是穩(wěn)定地力、保障食物安全的重要支撐。隨著我國(guó)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展, 農(nóng)作物的產(chǎn)量不斷提高, 化肥的施用量越來(lái)越大。2017年, 我國(guó)糧食總產(chǎn)量達(dá)到6.62×108t, 是1978年3.03× 108t的2.18倍, 而農(nóng)用化肥施用量從1978年的8.84×106t上升到2017年的5.86×107t, 增長(zhǎng)了6.63倍[1]。化肥施用量增加的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于糧食產(chǎn)量增加的速度。但受限于養(yǎng)分管理水平和施肥技術(shù), 我國(guó)主要糧食作物的肥料利用率均呈逐漸下降趨勢(shì)[2], 由此造成對(duì)環(huán)境的不良影響[3]。研究表明, 近十年來(lái), 農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染物中氮磷素的輸入上升為水質(zhì)污染的主因[4-6]。化肥過(guò)量施用引起的環(huán)境質(zhì)量衰退成為我國(guó)農(nóng)業(yè)面源污染的主要誘因[7]。因此, 全面系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)農(nóng)業(yè)化肥施用的強(qiáng)度、時(shí)空分異及對(duì)生態(tài)環(huán)境的潛在威脅對(duì)深入認(rèn)識(shí)農(nóng)業(yè)面源污染、保障農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的作用。

山西省是全國(guó)農(nóng)業(yè)大省之一, 主要種植有玉米、小麥、雜糧、油料、棉花等農(nóng)作物。2017年山西省糧食總產(chǎn)量達(dá)到1353.90×104t, 糧、棉、油產(chǎn)量的提高離不開(kāi)化肥的使用。山西化肥用量呈逐年上升趨勢(shì), 1978年為35.06×104t, 到2017年為112.00× 104t, 增長(zhǎng)了76.94×104t[1]。尚杰等[8]利用單位農(nóng)作物播種面積上化肥的施用量指標(biāo)表示化肥施用帶來(lái)的面源污染, 結(jié)果表明山西為中度化肥面源污染。王梅[9]研究表明, 由于大量施用化肥, 汾河流域農(nóng)田土壤中有機(jī)質(zhì)含量大幅度減少, 破壞了土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu), 土壤的保水性、透氣性弱化, 水土流失嚴(yán)重。農(nóng)田過(guò)量施用化肥導(dǎo)致了主要糧食作物肥料利用率不高, 肥料損失嚴(yán)重, 造成農(nóng)業(yè)面源污染, 影響農(nóng)業(yè)增產(chǎn)和農(nóng)民增收[10]。近年來(lái), 不少學(xué)者開(kāi)始重視山西省農(nóng)田重金屬污染及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等方面的研究[11-13]。但針對(duì)化肥施用造成環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究較少。本文對(duì)山西省農(nóng)田氮磷鉀化肥施用的基本特征、分布及其造成的潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究, 為準(zhǔn)確把握山西省化肥使用狀況、宏觀(guān)管理化肥使用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、進(jìn)一步減肥提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

(1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。山西省1985—2017年期間的氮肥、磷肥、鉀肥和復(fù)合肥的折純使用量和同期的作物播種面積、果園種植面積等數(shù)據(jù), 主要來(lái)自中國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局網(wǎng)站[14]。1985—2017年山西省各地市氮肥、磷肥、鉀肥和復(fù)合肥的折純使用量和同期作物播種面積、果園種植面積等數(shù)據(jù), 主要來(lái)源于中國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局網(wǎng)站[15]和《山西統(tǒng)計(jì)年鑒2018》[16]。同時(shí)用相關(guān)數(shù)據(jù)替代或估算無(wú)法直接通過(guò)年鑒或調(diào)查獲得的部分?jǐn)?shù)據(jù), 如復(fù)合肥中的氮磷鉀的比例根據(jù)市場(chǎng)考察和有關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)一按1:1:1計(jì)算, 折純后加到氮肥、磷肥(P2O5)、鉀肥(K2O)中[6,8]。

(2)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。來(lái)源于中華人民共和國(guó)生態(tài)環(huán)境部印發(fā)的環(huán)發(fā)[2010]75號(hào)文件《國(guó)家級(jí)生態(tài)鄉(xiāng)鎮(zhèn)申報(bào)及管理規(guī)定(試行)》中化肥施用強(qiáng)度生態(tài)標(biāo)準(zhǔn)[17]。

(3)化肥施用強(qiáng)度計(jì)算依據(jù)。借鑒中華人民共和國(guó)生態(tài)環(huán)境部印發(fā)的環(huán)發(fā)[2010]75號(hào)文件中國(guó)家級(jí)生態(tài)鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)對(duì)農(nóng)用化肥施用強(qiáng)度的定義, 實(shí)際用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的化肥施用量(包括氮肥、磷肥、鉀肥和復(fù)合肥)與播種總面積之比計(jì)算山西省及各地市化肥施用強(qiáng)度。

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

參考劉欽普[18-19]的方法進(jìn)行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。計(jì)算公式為:

式中,M表示當(dāng)年化肥施用量(kg), 按折純量計(jì)算。表示作物播種面積(含果園種植面積)。F為化肥施用強(qiáng)度(kg·hm-2), 單位作物播種面積上化肥的施用量[19]。R為氮、磷或鉀等單項(xiàng)肥料污染環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。T為氮、磷或鉀等單項(xiàng)肥料環(huán)境安全閾值(kg·hm-2), 參考環(huán)發(fā)[2010]75號(hào)文件中國(guó)家級(jí)生態(tài)鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)中化肥施用強(qiáng)度小于250 kg·hm-2的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn), 確定250 kg·hm-2為化肥施用環(huán)境安全閾值, 參考借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家氮磷鉀比例1:0.5:0.5, 確定氮肥、磷肥、鉀肥的環(huán)境安全閾值分別為125、62.5、62.5 kg·hm-2[18]。W為單質(zhì)肥料污染環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重, 分別取0.648、0.230、0.122[18-19]。R為化肥污染環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)總指數(shù)。

表1 化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(Ri或Rt)分級(jí)及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分類(lèi)

1.3 化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)方法

參考劉欽普[19]的方法劃分化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)類(lèi)型及相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分級(jí), 如表1所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 山西省化肥施用時(shí)空變化特征

2.1.1 山西省化肥施用時(shí)間變化特征

以1985年化肥施用量為基數(shù), 從其他年份化肥施用量相對(duì)于1985年度的比率可以看出山西省化肥施用量增長(zhǎng)的速度(表2)。從1985—2017年, 山西省鉀肥和復(fù)合肥均較1985年有數(shù)倍增加, 鉀肥較1985年增加了9.7倍, 復(fù)合肥增加了8.2倍。氮肥和磷肥1985—1995年施用量持續(xù)增加, 1995—2010年施用量保持穩(wěn)定, 2010年以后有所降低; 2017年氮、磷化肥施用量分別較1985年增加了1.1和2.0倍。2000—2017年各年度中增加的化肥用量, 鉀肥和復(fù)合肥是主要貢獻(xiàn)者。

根據(jù)作物播種面積(含果園種植面積)和化肥施用總量、氮肥、磷肥及鉀肥施用量, 用公式(1)計(jì)算1985—2017年山西省各年份單位作物播種面積化肥施用總強(qiáng)度、氮肥施用強(qiáng)度、磷肥施用強(qiáng)度、鉀肥施用強(qiáng)度。

山西省1985—2017年化肥施用強(qiáng)度動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)如圖1, 山西省化肥施用總強(qiáng)度總體上呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。1985年山西省化肥施用總強(qiáng)度及氮肥、磷肥、鉀肥施用強(qiáng)度分別為97.29、67.10、21.72、8.47 kg·hm-2, 2017年分別為285.14、123.61、85.13、76.40 kg·hm-2, 2017年分別是1985年的2.93、1.84、3.91、9.02倍。山西省氮肥、磷肥施用強(qiáng)度平穩(wěn)增長(zhǎng), 鉀肥施用強(qiáng)度從2005年以來(lái)增長(zhǎng)較快。在化肥投入的結(jié)構(gòu)方面, 山西省氮肥(N)、磷肥(P2O5)鉀肥(K2O)的比例1985年為1:0.32:0.13, 增長(zhǎng)到2017年的1:0.69:0.62。

2.1.2 山西省化肥施用空間差異

從表3可知, 山西省各地市化肥使用很不平衡, 表現(xiàn)出明顯的地域差異, 化肥施用強(qiáng)度最高的是長(zhǎng)治市, 為435.8 kg·hm-2, 是最低的呂梁市178.5 kg·hm-2的2.4倍。以中國(guó)生態(tài)文明市建設(shè)中提出的施用強(qiáng)度不超過(guò)250 kg·hm-2為標(biāo)準(zhǔn), 呂梁市、大同市、朔州市化肥施用強(qiáng)度達(dá)標(biāo), 達(dá)標(biāo)率為27.27%, 長(zhǎng)治市、晉城市、晉中市、運(yùn)城市化肥施用強(qiáng)度拉高了全省平均水平。長(zhǎng)治市和晉城市位于自然條件較差、耕地面積較少的太行山地區(qū), 農(nóng)業(yè)人口密度大, 以種春玉米、谷子()、豆類(lèi)為主, 多為一年一作的傳統(tǒng)旱作農(nóng)業(yè)區(qū), 農(nóng)民為追求高產(chǎn)而投入更多的化肥。晉中市位于山西省省會(huì)城市周邊, 大量種植蔬菜、水果等經(jīng)濟(jì)作物, 在追求高產(chǎn)的驅(qū)動(dòng)下, 化肥施用強(qiáng)度提高。運(yùn)城市位于汾河平原, 光熱充足, 水資源豐富, 輪作制度一年兩熟或兩年三熟, 主要種植冬小麥、夏玉米、豆類(lèi)、棉花、果園等, 農(nóng)民普遍追求高產(chǎn), 區(qū)域內(nèi)糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物化肥過(guò)量施用問(wèn)題不斷擴(kuò)大, 也導(dǎo)致研究區(qū)化肥施用強(qiáng)度較高。忻州市、太原市、陽(yáng)泉市、臨汾市化肥施用強(qiáng)度均剛超過(guò)250 kg·hm-2警戒線(xiàn)。忻州市、晉城市、運(yùn)城市氮磷鉀施用結(jié)構(gòu)比例分別為1:0.93:0.85、1:0.80:0.71、1:0.77:0.77, 磷鉀肥比例整體偏高。

表2 山西省不同年份化肥施用量及相對(duì)于1985年的比率

圖1 1985—2017年山西省化肥施用強(qiáng)度動(dòng)態(tài)變化

Figure 1 Changes of fertilizer application intensity in Shanxi Province from 1985 to 2017

表3 2017年山西省各地級(jí)市化肥施用強(qiáng)度及氮磷鉀肥比例

2.2 山西省化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

由公式(2)、(3)計(jì)算得到山西省單質(zhì)肥料施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)和總化肥環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù), 其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)水平時(shí)間變化特征和空間分布狀況分別如圖2、圖3所示。

2.2.1 山西省化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)時(shí)間變化特征

從山西省1985—2017年化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)來(lái)看(圖2), 山西省總化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)及氮肥、磷肥、鉀肥的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)1985年分別為0.30、0.35、0.26、0.12, 2017年分別增加到0.52、0.50、0.58、0.55, 總體上處于低度環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。山西省氮、磷、鉀單質(zhì)肥料施用風(fēng)險(xiǎn)由環(huán)境安全轉(zhuǎn)化為低度風(fēng)險(xiǎn)的年份分別為2007、2001、2012年, 總化肥施用風(fēng)險(xiǎn)由環(huán)境安全轉(zhuǎn)化為低度風(fēng)險(xiǎn)的年份為2007年。山西省氮肥的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)基本保持在環(huán)境安全與低度風(fēng)險(xiǎn)臨界值點(diǎn); 磷肥的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)持續(xù)增長(zhǎng), 自2010年以來(lái)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)一直保持在低度風(fēng)險(xiǎn)的上限; 鉀肥的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)持續(xù)增加, 2012年由安全增加至2017年低度風(fēng)險(xiǎn)的中間值。

2.2.2 山西省化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)空間變化特征

從2017年山西省化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的空間分布狀況來(lái)看(圖3-a), 大同市、朔州市、忻州市、陽(yáng)泉市和呂梁市處于化肥施用環(huán)境安全狀態(tài), 主要分布在晉北和晉西北地區(qū); 太原市、晉中市、晉城市、臨汾市、運(yùn)城市5市環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為0.52—0.56, 處于化肥施用低度環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài), 主要位于山西省中部、南部地區(qū); 長(zhǎng)治市環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為0.62, 處于化肥施用中度環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)。對(duì)于單質(zhì)化肥氮肥來(lái)說(shuō)(圖3-b), 長(zhǎng)治市環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為0.60, 處于低度環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)區(qū)間上限值; 晉中市、太原市、晉城市、臨汾市處于低度環(huán)境風(fēng)險(xiǎn), 其余地市為環(huán)境安全區(qū)域。磷肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)總體最高, 差別較大, 從環(huán)境安全到嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)都有, 長(zhǎng)治市為嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)區(qū), 風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為0.68; 晉中市、晉城市為中度風(fēng)險(xiǎn)區(qū), 朔州市、忻州市、太原市、陽(yáng)泉市、臨汾市、運(yùn)城市為低度風(fēng)險(xiǎn)區(qū), 其中忻州和運(yùn)城市風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)值處于低度環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)區(qū)間上限值, 大同市和呂梁市為環(huán)境安全區(qū)域(圖3-c)。鉀肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)(圖3-d), 長(zhǎng)治市為嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn), 晉城市和運(yùn)城市為中度風(fēng)險(xiǎn), 忻州市、太原市、晉中市、陽(yáng)泉市、臨汾市為低度風(fēng)險(xiǎn), 大同市、朔州市、呂梁市為環(huán)境安全區(qū)域。總之, 磷肥施用是目前山西省化肥面源污染的主要風(fēng)險(xiǎn), 其次為鉀肥, 相比來(lái)說(shuō), 氮肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)還不突出。

圖2 1985-2017年山西省化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)變化

Figure 2 Changes of environmental risk indexes of fertilizer application in Shanxi Province from 1985 to 2017

圖3 2017年山西省化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)空間分布

Figure 3 Spatial distribution of environmental risk index of chemical fertilizer application in Shanxi Province in 2017

3 討論

山西省2007—2017年化肥施用總強(qiáng)度為256.74—301.96 kg·hm-2, 高于國(guó)際上規(guī)定的化肥施用環(huán)境安全上限(225 kg·hm-2)[19]和我國(guó)生態(tài)縣建設(shè)規(guī)定中的化肥施用強(qiáng)度(250 kg·hm-2)[17]。2014年全國(guó)農(nóng)業(yè)工作會(huì)議明確提出了“化肥減施增效”任務(wù)指標(biāo), 山西省化肥施用總強(qiáng)度呈現(xiàn)緩慢降低趨勢(shì), 從2013年的301.96 kg·hm-2下降到2017年的285.14 kg·hm-2。山西省氮磷鉀肥結(jié)構(gòu)比例1985年為1:0.32:0.13, 2000年為1:0.54:0.24, 2010年為1:0.63:0.42, 2017年變?yōu)?:0.69:0.62, 由此可以看出山西省磷肥投入持續(xù)增長(zhǎng), 鉀肥投入從2000年開(kāi)始迅速增加。目前, 我國(guó)氮磷鉀肥結(jié)構(gòu)比例為1:0.49:0.42、發(fā)達(dá)國(guó)家為1:0.5:0.5、世界平均水平是1:0.46:0.36[18], 與它們相比, 山西省磷鉀肥比例偏高。究其主要原因, 一是與磷鉀肥的發(fā)展歷程有關(guān)。當(dāng)?shù)适┯玫揭欢ㄋ胶? 磷肥的施用提上了日程。自20世紀(jì)80年代后, 磷肥的應(yīng)用研究和施用出現(xiàn)了一個(gè)高潮; 由于我國(guó)鉀資源十分有限, 每年需要大量外匯進(jìn)口, 鉀肥價(jià)格偏高, 農(nóng)民購(gòu)買(mǎi)能力弱, 2000年以前農(nóng)民施鉀較少。二是為保證作物高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì), 氮磷鉀養(yǎng)分合理配合施用是不可或缺的因素。隨著農(nóng)作物產(chǎn)量的不斷提高, 農(nóng)民受“肥多糧多”傳統(tǒng)觀(guān)念影響且鉀肥價(jià)格有所降低, 大量施用氮肥的同時(shí)開(kāi)始大量施用磷鉀肥。三是近年來(lái), 農(nóng)民習(xí)慣用肥量較大的經(jīng)濟(jì)作物(如設(shè)施蔬菜和果樹(shù)等)播種面積增長(zhǎng)明顯。山西省設(shè)施蔬菜種植面積由2010年2.00×104hm2增長(zhǎng)至2015年的4.17×104hm2, 2017年回落至3.45×104hm2, 通過(guò)施肥調(diào)查發(fā)現(xiàn), 設(shè)施蔬菜施肥量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于蔬菜需肥量, 尤其是磷肥的使用量幾乎是蔬菜對(duì)磷吸收量的5—10倍[20-21]。2017年果樹(shù)種植面積35.95×104hm2, 較2010年增長(zhǎng)23.5%; 通過(guò)對(duì)山西省蘋(píng)果園施肥調(diào)查發(fā)現(xiàn), 山西省鉀肥投入量為442 kg·hm-2, 高于山東、陜西的356、208 kg·hm-2的施用量, 山西磷肥投入量為381 kg·hm-2, 高于陜西358 kg·hm-2、低于山東477 kg·hm-2的施用量[22]。

山西省運(yùn)城市和臨汾市2017年化肥總施用量分別為280371和176417 t, 位居全省第一和第二位, 且果園種植面積也居山西省第一和第二位, 但是其化肥施用強(qiáng)度分別為315.4和277.7 kg·hm-2, 卻不是最高。究其原因是, 本文化肥施用強(qiáng)度是化肥施用量與播種面積之比, 運(yùn)城和臨汾的復(fù)種指數(shù)分別為170%和122%, 而長(zhǎng)治市、晉城市、晉中市復(fù)種指數(shù)均小于100%, 故計(jì)算得到的運(yùn)城市和臨汾市化肥施用強(qiáng)度低于這三個(gè)地市。我國(guó)生態(tài)縣和生態(tài)鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)及評(píng)價(jià)化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的一個(gè)重要指標(biāo)是化肥施用強(qiáng)度, 中華人民共和國(guó)生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的環(huán)發(fā)[2007]195號(hào)和[2010]75號(hào)文件中關(guān)于化肥施用強(qiáng)度計(jì)算指標(biāo)有所不同, 分別為耕地面積和播種面積[17]。按照播種面積計(jì)算與按耕地面積計(jì)算的結(jié)果有很大不同。所以, 研究者和引用者應(yīng)注意化肥施用強(qiáng)度指標(biāo)的計(jì)算依據(jù), 避免出現(xiàn)錯(cuò)誤的結(jié)論。本文中化肥施用強(qiáng)度是按照播種面積計(jì)算, 這樣既避免了復(fù)種指數(shù)的困擾, 又便于廣大農(nóng)民接受和使用。中華人民共和國(guó)生態(tài)環(huán)境部在生態(tài)縣和生態(tài)鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)中對(duì)化肥施用強(qiáng)度定義的變化也對(duì)此進(jìn)行了說(shuō)明。

2017年山西省的化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)為低等風(fēng)險(xiǎn)水平, 與已有的化肥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究相比, 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)低于河南、安徽等地區(qū)[19], 分析其原因是山西省的化肥施用強(qiáng)度整體低于以上地區(qū), 山西省化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與在中國(guó)省域尺度開(kāi)展的化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的結(jié)果基本一致[19]。山西省的磷、鉀肥的施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)高于氮肥?；蔬^(guò)量施用污染環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)已在山西省開(kāi)始顯現(xiàn)。監(jiān)測(cè)表明, 汾河下游流域地表水和地下水77.8%的樣品中NO3--N含量超過(guò)國(guó)家飲用水標(biāo)準(zhǔn), 氮污染嚴(yán)重, 農(nóng)業(yè)灌區(qū)的主要硝酸鹽污染源為農(nóng)業(yè)化肥[23]。滹沱河源頭地下水硝態(tài)氮污染比較嚴(yán)重, 主要來(lái)源于當(dāng)?shù)氐幕屎蛣?dòng)物糞肥[24]。山西省最大的水庫(kù)和最大的飲用水源地的汾河水庫(kù)周邊土壤Cr 和 Pb含量超標(biāo)率較為顯著[25]; 晉中市太谷縣不同使用年限大棚土壤重金屬 Cr、Pb、As 和 Hg 含量隨著種植年限的增加均呈現(xiàn)不同程度的增加趨勢(shì), 而Cd、Cu 在 6—10 a達(dá)到最大[26]; 這與農(nóng)業(yè)施用的磷肥、含磷復(fù)合肥原料的肥料中混雜有較多重金屬, 化肥不合理施用有關(guān)。山西省鉀肥施用強(qiáng)度區(qū)域差別大, 有上升的潛勢(shì), 雖然人們還沒(méi)有認(rèn)識(shí)到鉀肥對(duì)環(huán)境有什么危害, 但應(yīng)引起警惕。

4 結(jié)論

1)1985—2017年山西省化肥施用總量總體上呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì), 2000—2017年各年度中增加的化肥用量, 幾乎全部來(lái)自鉀肥和復(fù)合肥。山西省2017年化肥施用強(qiáng)度285.14 kg·hm-2, 是中國(guó)生態(tài)縣建設(shè)規(guī)定的250 kg·hm-2的1.14倍?；适┯玫幕沮厔?shì)是從晉北到晉南逐步增加, 晉西北投入少、晉東南投入高。化肥施用總強(qiáng)度最高和最低的地區(qū)相差2.4倍, 其中氮肥、磷肥和鉀肥施用強(qiáng)度分別相差1.9、 2.7和3.4倍。

2)山西省氮磷鉀肥投入結(jié)構(gòu)區(qū)域差異比較明顯。2017年全省氮磷鉀肥投入比例是1:0.69:0.62, 與目前發(fā)達(dá)國(guó)家1:0.5:0.5、中國(guó)1:0.49:0.42相比, 磷、鉀肥的比例偏高。忻州、晉城、運(yùn)城磷鉀肥投入比例明顯偏高。呂梁市鉀肥施用明顯不足。

3)山西省2017年化肥施用環(huán)境總風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為0.52, 呈低度環(huán)境風(fēng)險(xiǎn), 各地市環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)差異較大, 大同等4個(gè)地區(qū)處于化肥施用環(huán)境安全狀態(tài), 晉中等6個(gè)地區(qū)處于低度風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài), 長(zhǎng)治市為中度風(fēng)險(xiǎn), 呈現(xiàn)出聚集分布的特點(diǎn)。氮磷鉀化肥風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分別為0.50、0.58、0.55, 氮肥處于環(huán)境安全臨界狀態(tài), 磷鉀施用處于低度風(fēng)險(xiǎn)。氮肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分布與總化肥分布一致, 磷鉀肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分布差別較大, 從環(huán)境安全到嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)都有出現(xiàn)。

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Regional differentiation of chemical fertilizers input and environmental risk assessment in Shanxi Province

XIE Wenyan, ZHOU Huaiping*, YANG Zhenxing, LIU Zhiping

State Key Laboratory of Sustainable Dryland Agriculture（in preparation）, College of Resources and Environment,Shanxi Agricultural University, Taiyuan030031, China

Based on the application amount of chemical fertilizer and the planting area of crops from 1985 to 2017, the spatial and temporal variation characteristics of chemical fertilizer application and environmental risk in Shanxi Province were investigated using the environmental risk assessment model of chemical fertilizer application. The results showed that the total amount of chemical fertilizer applied in Shanxi Province increased from 1985 to 2017 on the whole, and reached an application intensity of 285.14 kg·hm-2in 2017. Most areas were overfed with chemical fertilizers. It showed a tendency of gradual increase from north to south of the province, with high input in the southeast and low input in the northwest. The extremum ratio of total fertilizer application intensity was 2.4, while the extremum ratios of nitrogen, phosphorus (calculated as P2O5) and potassium (calculated as K2O) were 1.9, 2.7 and 3.4, respectively. The input ratio of nitrogen, phosphorus and potassium in the total 11 prefecture-level cities of Shanxi was 1:0.69:0.62, which was not reasonable. In 2017, the total environmental risk index of chemical fertilizer application in Shanxi was 0.52, showing a low level of environmental risk. The environmental risk indices of nitrogen, phosphorus and potassium fertilizers were 0.50, 0.58 and 0.55, respectively. The environmental risk of nitrogen fertilizer application was in a safe state. The environmental risk areas of phosphate fertilizer were concentrated in Changzhi, Jincheng and Jinzhong, while the environmental risk areas of potassium fertilizer were concentrated in Changzhi, Jincheng and Yuncheng, where presented moderate to severe risk degree and were characterized by patchy aggregation. The results of the study are helpful for regulating the rational distribution of fertilization in farmland of Shanxi Province, giving regional guidance, formulating different fertilization plans, coordinating the relationship between grain production increase and ecological protection, and providing reference for the prevention and control of agricultural non-point source pollution.

intensity of fertilizer application; input ratio of nitrogen, phosphorus and potassium; environmental risk assessment; regional differences; Shanxi Province

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.05.016

F323.22

A

1008-8873(2021)05-122-07

2020-03-06;

2020-05-06

山西農(nóng)業(yè)大學(xué)省部共建有機(jī)旱作農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)項(xiàng)目(202105D121008-1-8,202001-7);國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2018YFD0200404-05)

解文艷(1978—), 女, 山西曲沃人, 博士, 副研究員, 主要從事土壤水肥資源可持續(xù)利用及水土環(huán)境控制方面研究, E-mail: xwy6018060 @163.com

通信作者:周懷平(1964—), 男, 山西昔陽(yáng)人, 研究員, 主要從事旱作農(nóng)田資源高效利用研究, E-mail: huaipingzhou@126.com

解文艷, 周懷平, 楊振興, 等. 山西省化肥投入?yún)^(qū)域分異及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J]. 生態(tài)科學(xué), 2021, 40(5): 122–128.

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