中國化肥施用環境安全閾值近25 年來在200~300 kg·hm-2 之間變化，平均值為243 kg·hm-2，近15 年來的平均值為251 kg·hm-2,與國家環保部生態鄉鎮建設規定的化肥施用強度標準基本吻合；總化肥施用在1994 年由環境安全轉為低度風險，氮、磷、鉀單質化肥施用分別在1988、1999、2008 年由環境安全轉為低度風險狀態；2014 年中國總化肥施用環境安全閾值平均為85 kg·hm-2，化肥施用環境風險指數平均為0.54，氮、磷、鉀化肥風險指數平均分別為0.54、0.53、0.49，化肥施用總體處于低度環境風險；2014 年西藏等11 個省區化肥施用處于環境安全狀態，遼寧等16 個省區處于低度環境風險狀態，河南、海南和天津三省區處于中度環境風險，陜西處于嚴重環境風險。
總之，中國化肥施用環境風險自1994 年進入低度風險狀態，并呈現上升的趨勢，自2006 年以后有所降低。2014 年全國各省區的化肥施用環境風險程度總體為低度環境風險，但省區之間差異較大，各類風險呈現出聚集分布的特點。
隨著點源污染環境風險的不斷控制，面源污染環境風險已成為世界范圍內地表水與地下水污染的主要風險來源。為了避免農業面源污染現場監測耗時費力的困難，人們試圖用模型方法對面源污染進行模擬和環境風險評價。當前研究的熱點主要集中在1980 年代后國外出現的SWAT、AnnAGNPS、APEX 等大型的面源污染機理模型的改進和應用。
汪朝輝等基于GIS 和SWAT 模型對清江流域面源污染進行模擬，揭示了面源污染環境風險的主要影響因素是降水、土地利用方式和耕作制度等。
田耀武等基于AnnAGNPS 模型對三峽庫區秭歸縣面源污染輸出進行評價，認為該模型對秭歸縣域泥沙和營養物質等模擬方式有待進一步改進，才能更好地成為面源污染環境風險防治管理和調控工具。
尹黎明等認為APEX 模型在淮河中上游坡面尺度進行不同土地管理措施下的水土流失評價較為適宜。國內學者也構建了相關面源污染模型。
劉曼蓉等、李懷恩等、李定強等分別建立了暴雨徑流污染的概化模型與統計相關模型、降雨量-徑流量-污染負荷之間的數學統計模型和面源污染物遷移機理模型等。
陳會等基于排水過程分析，利用模擬方法，對水稻灌區中地表排水和稻田滲漏排水的面源污染過程進行研究。
以上的面源污染模擬和環境風險評價模型體現了對面源污染的綜合研究，模擬過程也較為復雜，但對化肥施用的單項污染建立的環境風險評價模型還不多。
劉欽普提出了化肥污染環境風險評價經驗模型，對中國的化肥施用環境風險進行了初步研究。但是，該模型的環境風險評價標準主要是采用國家環保部門制定的生態縣和生態鄉鎮化肥施用強度不低于250 kg·hm-2 的常量標準，沒有考慮評價標準的時空變化。本文利用筆者建立的化肥施用環境安全閾值計算模型，對中國化肥施用的環境風險時空變化做深入研究，期望完善化肥施用環境風險評價方法，并對我國生態農業建設的化肥面源污染控制提供科學依據。
1 材料與方法
1.1 化肥污染環境風險評價方法
化肥施用面源污染環境風險是農業生產活動中施用化肥對生態環境造成污染的可能性，是一種非突發性環境風險。這種風險是客觀存在的，具有很大的不確定性。筆者設計的環境風險指數模型得出的數值是介于0 和1 之間的小數，有風險程度的上限和下限，便于對風險程度的認識和比較。其計算公式為：
式中：Rt 為化肥污染環境風險總指數；Ri 為單質肥料（氮、磷或鉀等） 污染環境風險指數；Wi 為單質肥料氮、磷、鉀環境污染風險權重，這里依據前期研究，分別取0.648、0.230、0.122；Ti 為單質肥料環境安全閾值，是指在為獲得某一季作物目標產量而不危害環境的某種化肥的最大施用量（即單位播種面積化肥施用量上限），計算方法見下列公式（3）、（4）、（5）；Fi 為某化肥施用強度，是指本年內實際用于農業生產的單位播種面積化肥施用量，kg·hm-2。
由公式（1）、（2）可見，Ri（或Rt）介于0 和1之間，當Ri等于0.5 時，則Fi和Ti兩者相等，是施肥環境安全的臨界點。通過比較化肥施用強度與環境安全閾值的大小，即可表征化肥施用的環境風險大小。
1.2 化肥施用環境安全閾值測度方法
化肥施用環境風險指數模型公式（2）中的環境安全閾值是一個關鍵參數。假設化肥施用環境安全閾值與作物目標產量有關，作物目標產量綜合反映自然生態條件、社會經濟條件和農田管理水平等因素的綜合作用。作物目標產量可以根據某地區近幾年的產量的平均值向上浮動10%得到。由于糧食作物是各地主要的農作物，其產量高低可以代表該地區自然經濟狀況。一般來講，化肥施用環境安全閾值應小于當地作物最高產量時的化肥施用量。例如，崔玉亭等的研究表明，在某一產量要求下，考慮生態為主的化肥施用生態適宜量是考慮經濟為主的化肥施用經濟適宜量的85%左右。參考巨曉棠提出的理論施氮量的計算方法，依據糧食作物目標產量確定施氮量，在此施氮量的基礎上，向下浮動10%～20%，得出氮肥施用環境安全閾值。根據大田作物氮磷鉀施肥比例一般為1∶0.5∶0.5 的施肥要求，筆者提出了氮、磷、鉀總肥及單質化肥施用的環境安全閾值測度模型：
式中：Tt為總化肥施用環境安全閾值；ρ為化肥施用環境安全閾值調節系數，一般取0.8或0.9；A為單位產量的作物需氮量；Yi為某地區近期n年中某一年的作物產量；TN為氮肥環境安全閾值；TP為磷肥環境安全閾值；TK為鉀肥環境安全閾值。
1.3 化肥施用環境風險分級方法
根據化肥施用強度（Fi）超過環境安全閾值（Ti）的倍數，把化肥施用環境風險程度從環境安全到極嚴重風險分為5個不同的風險等級類型，如表1所示。將表1 分類依據中的有關數據，代入方程（2）進行計算，得出相應的風險指數分級。
本研究使用的基礎資料主要來自國家統計局網站統計資料和有關年份中國統計年鑒，對無法直接通過年鑒或調查獲得的部分數據用相關數據替代或估算。由于各統計年鑒中都沒有給出復合肥中氮磷鉀的含量，根據市場調查情況，參考有關文獻，復合肥中的氮磷鉀含量統一按1∶1∶1 處理。
2 結果與分析
2.1 中國化肥施用環境風險時間變化特征
根據作物播種面積（含果園種植面積）和化肥施用總量計算1980—2014 年中國各年份單位播種面積化肥施用總強度。按照三年滑動平均的方法，計算各年份糧食作物的目標產量，用公式（1）~（5）計算出各年份的環境風險指數。35 年來，我國化肥施用總強度及其環境風險指數總體上呈現增長的趨勢（表2）。
計算結果表明，中國化肥施用總強度及氮、磷、鉀單質化肥施用強度分別從1980 年的86.4、64.2、19.2、3.0 kg·hm-2 增加到2014 年的333.7、174.2、87.2、75.8kg·hm-2，35 年來分別增長到3.9、2.7、4.5、25.5 倍。從2005 年我國普遍實行配方施肥以來，氮、磷化肥施用強度增長緩慢，鉀肥施用強度增加較快（圖1）。N∶P2O5∶K2O（簡寫為N∶P∶K）的比例1980 年為1∶0.3∶0.05，2005 年為1∶0.44∶0.35，2014 年為1∶0.50∶0.43，逐漸趨于1∶0.5∶0.5 的發達國家水平。
同時，我國化肥施用環境安全閾值近25 年來在200～300 kg·hm-2 之間變化，平均值是243 kg·hm-2，近15 年來的平均值是251 kg·hm-2，特別是在2000—2010 年間，化肥施用環境安全閾值平均值為250 kg·hm-2，正好與我國環境保護部門在2010 年制定的生態鄉鎮建設化肥施用強度小于250 kg·hm-2 的評價指標相吻合。總化肥施用環境風險指數及氮磷鉀單質肥料的風險指數分別從1980 年的0.39、0.47、0.35、0.08 增加到2014 年的0.54、0.55、0.55、0.51，總體處于低度環境風險（圖2）。
由圖2 不難發現：①氮、磷、鉀化肥施用風險分別在1988、1999、2008 年由環境安全轉為低度風險，由于三個單質化肥的平衡作用，總化肥風險自1994 年由環境安全轉為低度風險。②自2006 年以來，氮肥的風險有所下降，磷肥的風險保持穩定，鉀肥風險卻由安全增加為低度風險。
總的來說，我國化肥施用環境風險自2006 年以后呈降低趨勢。其主要原因是，2005 年以后，我國大部分地區實行測土配方施肥，注重了氮、磷、鉀養分的合理搭配，雖然總的化肥施用量有所增加，但糧食產量增加，提高了化肥施用環境安全閾值，加上氮肥的施用風險有所下降、磷肥的施用風險保持穩定、鉀肥風險稍微上升，使得總的化肥施用環境風險有所降低。
2.2 中國化肥施用環境風險空間變化特征
利用國家統計局編制的《2015 中國統計年鑒》數據，根據公式（3）、（4）、（5），分別計算出2014 年中國各省區的氮磷鉀單質肥料和總化肥施用環境安全閾值，然后根據公式（1）、（2）分別計算出各省的化肥施用環境風險指數。結果表明，2014 年中國總化肥施用環境安全閾值平均為285 kg·hm-2，環境風險指數為0.54，為低度環境風險；氮磷鉀化肥施用環境風險指數分別為0.54、0.53、0.49。各省區的化肥施用環境風險差異較大，呈現出聚集分布的特點，如表3 和圖3 所示。
圖3a 表明，2014 年西藏等11 個省區處于化肥施用環境安全狀態，除黑龍江、吉林和上海外，多分布在西部和西南部地區；遼寧等16 個省區處于低度環境風險狀態，除新疆外，多分布在華北地區和華南沿海地區；河南、海南和天津三省市處于中度環境風險，陜西處于嚴重環境風險。對于單質化肥氮肥來說，其環境風險分布除個別省外基本與總肥分布一致，說明當前中國的化肥施用環境風險主要還是氮肥施用風險（圖3b）。磷肥施用環境風險相對較平衡，除東北三省和滬、浙、閩、湘、貴、渝、川、藏這11 個省區為環境安全區域和晉陜豫津瓊5 個省區為中度風險外，其余15 個省區屬于低度環境風險（圖3c）。鉀肥施用環境風險總體最低，但差別較大，從環境安全到極嚴重風險都有，海南省為極嚴重風險區，廣西為嚴重風險區，廣東、福建和陜西為中風險區，云南、安徽、河南、山西、山東、吉林、北京、天津為低度風險區，其余18個省區為環境安全區域（圖3d）。
總之，氮肥施用是目前我國化肥面源污染的主要風險，其次為磷肥，相比來說，鉀肥施用環境風險還不突出。盡管人們還沒有認識到施鉀對環境有什么危害，但是區域差別大，有上升的潛勢，應引起警惕。總的來說，各類風險呈現集中連片分布，地域聯系比較明顯，對其內在規律性尚需進一步探討。
3 討論
3.1 化肥施用環境安全閾值動態模型比單一標準更適合不同區域情況
化肥施用環境安全閾值是農田化肥面源污染環境風險評價和管理的關鍵參數，關系到化肥面源污染環境風險控制的成敗。目前普遍認為，發達國家為防止化肥污染環境風險，設置的化肥施用環境安全上限值為225 kg·hm-2 ，然而亦有文章認為這是氮肥施用的環境安全上限值。我國環境保護部制定的生態鄉鎮建設指標中給出了單位播種面積化肥施用強度不超過250 kg·hm-2 的指標。但這些上限值或指標都是一個單一的常數，沒有考慮指標使用的具體環境條件。
其實，化肥施用的環境安全閾值與具體的生態環境和社會經濟條件有著密切的關系，采取一刀切的方式，對不同環境條件用同一數值作為化肥施用安全標準顯然是粗糙的，甚至是不合理的。本文提出的化肥施用環境安全閾值模型是基于當地糧食作物目標產量和相應需肥量設計的。依據糧食作物目標產量確定施肥安全閾值，既不會因為閾值過低，限制肥料的施用，影響糧食生產，也不會因為閾值過高，誤導過量施肥而污染環境。建立符合區域特點的不同自然經濟條件下化肥施用環境安全閾值測度模型和環境風險評價方法，不僅是目前化肥施用面源污染風險控制迫切需要解決的一個理論問題，也將對化肥施用環境風險田間管理起到重要的指導作用。
3.2 2014年中國各省區環境風險趨于平衡
本研究與筆者前期對2012 年中國化肥施用環境風險的研究結果相比，全國化肥施用風險總體平均都是在低度風險范圍，但是各省區的環境風險程度趨于平均，環境安全的省區由5個增加到11個，低度風險省區由9個增加到16個，中度風險由13 個減少到3 個，僅有一個嚴重風險省區。其中最主要的原因是，前期研究采用的環境安全閾值是國家關于生態縣建設化肥施用強度不小于250 kg·hm-2常數值，本研究應用環境安全閾值模型計算各省區的環境安全閾值，把環境安全閾值與當地的環境條件相結合，更接近各省的實際情況，且2014年中國總體平均環境安全閾值為285 kg·hm-2，提高了閾值標準，風險程度有所降低。
3.3 化肥施用強度計算方法急需統一
化肥施用強度是我國生態縣和生態鄉鎮建設及評價化肥施用環境風險的一個重要指標，但其計算方法經常出現混亂。國家環保總局2007年發布的“關于印發《生態縣、生態市、生態省建設指標（修訂稿）》的通知”（環發[2007]195號）中關于化肥施用強度的指標計算是按照耕地面積，而后來的國家環保部“關于印發《國家級生態鄉鎮申報及管理規定（試行）》的通知（環發[2010]75號）關于化肥施用強度指標的解釋是“指鄉鎮轄區內實際用于農業生產的化肥施用量（包括氮肥、磷肥、鉀肥和復合肥）與播種面積之比”。按照播種面積計算與按耕地面積計算的結果有很大不同。因為我國各地的復種指數差別很大，在復種指數高的地區播種面積與耕地面積會相差2到3倍，所以，在一些地區用耕地面積計算出的化肥施用強度與用播種面積計算的結果相比，差別會很大。這表明，化肥施用強度指標的計算問題應引起研究者和引用者的注意，避免出現錯誤的結論。
4 結論與建議
4.1 結論
（1）我國化肥施用環境安全閾值近25 年來在200～300 kg·hm-2之間變化，平均值為243 kg·hm-2，近15年來的平均值為251 kg·hm-2，與國家環保部生態鄉鎮建設規定的化肥施用強度標準基本吻合。在1994 年我國化肥施用由環境安全轉為低度風險，氮磷鉀單質化肥施用分別在1988、1999、2008 年由環境安全轉為低度風險。總體來說，自2006 年以來，我國化肥施用環境風險有所降低。
（2）2014年我國化肥施用環境安全閾值平均為285 kg·hm-2，化肥施用環境風險指數為0.54，為低度環境風險；氮磷鉀化肥風險指數分別為0.54、0.53、0.49，氮磷施用處于低度風險，鉀肥處于環境安全臨界狀態。
（3）2014年各省區的化肥施用環境風險差異較大，呈現出聚集分布的特點。西藏等11個省區處于化肥施用環境安全狀態，遼寧等16個省區處于低度環境風險狀態，河南、海南和天津三省區處于中度環境風險，陜西處于嚴重環境風險；氮肥施用環境風險分布基本與總肥分布一致，磷肥相對較平衡，鉀肥差別較大，從環境安全到極嚴重風險都有出現。
4.2 建議
（1）加快化肥面源污染環境風險監測監控體系建設，建立農業生態環境預警機制。化肥面源污染在一些地區相當嚴重的原因之一就是對面源污染的監測預警能力不足，不能及時掌握化肥生產、銷售、施用、流失和污染等各方面的信息，及時地采取防治措施。因此，政府要加大科技、資金、設備、人員等的投入，建立省、市、縣等各級面源污染風險監測信息專網，特別是化肥面源污染風險大的省區，實現覆蓋全區域的農業面源污染數據的快速采集、審核、傳輸、反饋，以及對農業面源污染風險的預測預報，有效掌握農業面源污染風險現狀、來源和發展趨勢，為全面防治農業面源污染提供科學依據。
（2）增加科技和教育的投入，提高農民的科學素養和環境保護意識。農民是農業生產的主體，也是控制農業化肥過量施用的重要力量。特別是化肥施用環境風險較大的地區，應高度重視研究農戶行為與化肥面源污染的關系。對農民進行農業生產知識和環境保護知識的教育和培訓，使農民認識到合理施肥和控制化肥污染的好處。通過一定的法規、政策、教育、管理和技術等措施指導和優化農戶施肥行為。農業和土壤科學的研究要與生產實踐緊密結合，研究不同土壤在不同耕作制度下的合理施肥技術并及時推廣。只有使面源污染風險控制成為農戶的自覺行為，才能真正從源頭控制農田化肥面源污染環境風險。
（3）加快制定土壤污染防治法、土壤環境質量標準和化肥施用技術規范及相關政策等，加強農田管理。目前我國保護土壤環境的專項法律基本上還是空白，土壤環境標準體系也很不健全。國家應該盡快出臺有關法律制度和政策，對土壤環境保護做出總體規劃與部署，對化肥農藥等化學物質的使用也應有相應的規定和要求。規定關于防治農業化肥污染的基本原則、管理體制、主要權利和義務、法律責任等。探索有機種植方式補貼機制及濫用化肥懲處機制，以制度保障面源污染控制和農業可持續發展。
作者單位：南京曉莊學院環境科學學院
中國鄉村發現網轉自：《農業環境科學學報》 2017年第7期
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