淮河流域化肥施用空間特征及環(huán)境風(fēng)險分析

劉欽普

南京曉莊學(xué)院環(huán)境科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 211171

淮河流域化肥施用空間特征及環(huán)境風(fēng)險分析

劉欽普

南京曉莊學(xué)院環(huán)境科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 211171

深入認(rèn)識淮河流域化肥施用環(huán)境風(fēng)險，對提高化肥施用風(fēng)險意識、加強風(fēng)險管理、防治農(nóng)業(yè)面源污染有著重要作用。綜合考慮化肥施用強度、效率、環(huán)境安全閾值、環(huán)境影響效應(yīng)及作物復(fù)種指數(shù)等5種因素，構(gòu)建了化肥施用農(nóng)田污染環(huán)境風(fēng)險評價指數(shù)模型，對淮河流域化肥施用空間特征和環(huán)境風(fēng)險進(jìn)行研究。應(yīng)用層次分析法，確定氮磷鉀三因子對環(huán)境影響的權(quán)重系數(shù)。根據(jù)國家環(huán)境保護(hù)部2010年設(shè)定的生態(tài)鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)化肥使用強度單位播種面積小于250 kg·hm-2的標(biāo)準(zhǔn)，按照氮磷鉀1∶0.5∶0.5的比例，確定氮磷鉀三因子的環(huán)境安全閾值。在不考慮氮磷鉀單質(zhì)化肥環(huán)境影響效應(yīng)權(quán)重的情況下，以作物復(fù)種指數(shù)為1、化肥利用率為50%為基準(zhǔn)，建立化肥環(huán)境風(fēng)險評價等級標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果表明，淮河流域化肥施用強度最高的地市是淮南市，為1 242.2 kg·hm-2，是強度最低的淄博市478.7 kg·hm-2的2.6倍。淮河流域平均化肥施用強度為776.6 kg·hm-2，是我國生態(tài)鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)化肥施用標(biāo)準(zhǔn)的3.1倍。化肥施用強度分布有一定的規(guī)律性，大致沿著偏東北西南走向有4個帶狀分布區(qū)，高過量施肥區(qū)和中過量施肥區(qū)從南到北依次交替出現(xiàn)?；春恿饔蚧适┯铆h(huán)境風(fēng)險總指數(shù)是0.74，屬于中等程度風(fēng)險，處于Ⅱ級預(yù)警。35個地市化肥污染風(fēng)險預(yù)警級在Ⅰ和Ⅳ之間，分別呈連片狀聚集分布。單質(zhì)肥料氮磷鉀風(fēng)險指數(shù)分別是0.74、0.81和0.64，分別屬于中度風(fēng)險、嚴(yán)重風(fēng)險和輕度風(fēng)險，處于Ⅱ、Ⅳ、Ⅰ級預(yù)警?？偟膩砜?，淮河流域過量的化肥施用普遍存在較為嚴(yán)重的中等環(huán)境風(fēng)險，已經(jīng)對流域的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的影響。

化肥施用強度；環(huán)境風(fēng)險評價；環(huán)境安全閾值；模型構(gòu)建；預(yù)警；淮河流域

隨著工業(yè)和城鎮(zhèn)生活點源污染逐步得到控制，農(nóng)業(yè)面源污染已成為導(dǎo)致區(qū)域水土環(huán)境惡化的主要原因（姜慶虎等，2013）。2010年我國第一次全國污染源普查公報顯示，農(nóng)業(yè)源（不含農(nóng)村生活源）總氮、總磷分別占排放總量57.2%和67.3%（國家環(huán)境保護(hù)部等，2010）。我國農(nóng)業(yè)氮磷素的輸入成為水體富營養(yǎng)化的主要污染源，其中化肥施用是其主要原因（晏維金等，1999；陸欣欣等，2014）。在許多農(nóng)業(yè)集約化程度高、氮肥用量大的地區(qū)，已面臨著嚴(yán)重的土壤酸化和地下水硝酸鹽污染問題（張維理等，2004）。長期以來，我國的水污染控制重心大都放在污染控制技術(shù)的研發(fā)和工程措施的實施上，盡管這些技術(shù)工程措施對水污染控制起到一定的作用，但對于面廣而分散的面源污染尤其是農(nóng)業(yè)面源污染，其污染控制和負(fù)荷削減效果十分有限（楊曉英等，2013）?；春恿饔蚴俏覈廴咀顕?yán)重的區(qū)域之一?；春恿饔蛎芗娜丝诤桶l(fā)達(dá)的農(nóng)業(yè)，成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)面源污染的主要原因，而化肥的使用是農(nóng)業(yè)面源污染的主要來源（宋大平等，2011）。近年來流域的平均化肥施用量單位耕地面積已經(jīng)超過700 kg·hm-2，嚴(yán)重過量，且總體上仍在增加，導(dǎo)致淮河流域農(nóng)田化肥污染環(huán)境風(fēng)險日益嚴(yán)重（周亮等，2014）。因此，如何認(rèn)識和評價化肥施用的環(huán)境風(fēng)險程度及變化，采取明確的風(fēng)險防控策略，成為當(dāng)前急需研究解決的問題。目前國內(nèi)關(guān)于農(nóng)田污染的環(huán)境風(fēng)險評估主要集中在有機污染物、重金屬和畜禽糞便環(huán)境風(fēng)險評估（章海波等，2007；劉忠等，2010；李強等，2014），在農(nóng)田化肥污染風(fēng)險評估方面，相關(guān)研究比較少。筆者前期提出了化肥污染環(huán)境風(fēng)險評價簡單模型和改進(jìn)模型（劉欽普，2014；劉欽普等，2015a；劉欽普，2015b），對山東、江蘇和全國等區(qū)域的化肥施用環(huán)境風(fēng)險進(jìn)行了初步評價。本文對初期模型從理論和方法上加以完善，并用于淮河流域化肥使用潛在的環(huán)境風(fēng)險系統(tǒng)研究，為加強流域尺度化肥施用風(fēng)險管理和協(xié)調(diào)、制定流域尺度化肥施用總量控制政策、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)的參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

淮河發(fā)源于河南省南部的桐柏山，屬于我國七大河流之一。位于東經(jīng) 111°55′～122°45′、北緯30°55′～38°20′，介于長江和黃河流域之間，以廢黃河為界分成淮河及沂沭泗河兩大水系，流域面積約26.96萬km2。西部、南部及北部以丘陵山地為主，中下游以平原為主，平原面積約占流域總面積的2/3。流域主體涉及河南、山東、江蘇、安徽 4省35個地市，流域人口1.8億（2010年），占全國的13%，平均人口密度為592人·km-2，是全國平均人口密度的4.2倍，居全國各大江大河流域人口密度之首。城鎮(zhèn)化水平遠(yuǎn)低于全國平均水平。流域耕地面積占到全國的12%，糧食產(chǎn)量約占全國的17%，是中國糧食主產(chǎn)區(qū)和糧食調(diào)出基地之一?！度珖略?000億斤糧食生產(chǎn)能力規(guī)劃（2009─2020）》中明確指出淮河流域是我國小麥、玉米和稻谷的優(yōu)勢主產(chǎn)區(qū)，是糧食增產(chǎn)規(guī)劃的核心區(qū)之一，承擔(dān)約75億kg新增糧食產(chǎn)能建設(shè)任務(wù)（周亮等，2013）。以后糧食增產(chǎn)需求和增產(chǎn)壓力將進(jìn)一步加劇流域農(nóng)業(yè)資源開發(fā)利用及農(nóng)業(yè)面源污染，將給流域生態(tài)環(huán)境和污染防治帶來新的挑戰(zhàn)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究所需數(shù)據(jù)結(jié)合來源分二類：（1）統(tǒng)計數(shù)據(jù)。主要來自河南統(tǒng)計年鑒、安徽統(tǒng)計年鑒、山東統(tǒng)計年鑒以及江蘇省統(tǒng)計局提供的流域4省35個地市氮磷鉀化肥施用數(shù)據(jù)、種植面積數(shù)據(jù)和耕地面積數(shù)據(jù)等（河南省統(tǒng)計局，安徽省統(tǒng)計局，山東省統(tǒng)計局，江蘇省統(tǒng)計局，2013）。（2）調(diào)查數(shù)據(jù)。包括對氮磷鉀單質(zhì)化肥過量使用對生態(tài)環(huán)境影響的權(quán)重調(diào)查，三元復(fù)合肥料中氮磷鉀含量的調(diào)查等。

1.3 環(huán)境風(fēng)險評價方法

1.3.1 基本假設(shè)

風(fēng)險評價是指一個化學(xué)污染物對人群和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生潛在危害認(rèn)定、表征和定量的過程（黃圣彪等，2007）。風(fēng)險本身是指有害效應(yīng)在特定人群和特定環(huán)境發(fā)生的可能性?；首鳛橹参锏臓I養(yǎng)元素，合理適量使用對作物生長和產(chǎn)量提高有著重要的作用，但是過量施用則成為化學(xué)污染物對生態(tài)環(huán)境造成不良影響。本文對農(nóng)田化肥污染環(huán)境風(fēng)險評價基于如下幾個方面的基本假設(shè)：

（1）化肥施用對環(huán)境造成污染的風(fēng)險是客觀存在的，屬于非突發(fā)性環(huán)境風(fēng)險，具有很大的不確定性，可以用0和1之間的小數(shù)表示。風(fēng)險程度越大，越趨于1，風(fēng)險程度越小，越趨于0。

（2）化肥施用是否產(chǎn)生污染的環(huán)境風(fēng)險與化肥施用環(huán)境安全閾值有關(guān)。環(huán)境安全閾值是環(huán)境風(fēng)險與環(huán)境安全的臨界點，指的是為獲得某一當(dāng)季作物產(chǎn)量而不危害環(huán)境的某種化肥的最大使用量，即每單位播種面積上施用的化肥安全量?；适┯昧看笥诎踩撝担瑒t存在面源污染的環(huán)境風(fēng)險。

（3）化肥施用環(huán)境風(fēng)險還與作物的化肥利用率和復(fù)種指數(shù)有關(guān)。由于造成農(nóng)田化肥污染環(huán)境風(fēng)險的主要原因是化肥利用率不高，而不是作物復(fù)種指數(shù)太小，所以設(shè)定在一定的施肥條件下，環(huán)境風(fēng)險指數(shù)與化肥利用率呈負(fù)相關(guān)指數(shù)關(guān)系，與作物復(fù)種指數(shù)呈負(fù)相關(guān)線性關(guān)系。為了便于比較不同種植制度和化肥利用率對化肥施用的環(huán)境影響，以復(fù)種指數(shù)為1、化肥利用率為50%作為復(fù)種指數(shù)和化肥利用率變化的參比基準(zhǔn)。

1.3.2 模型構(gòu)建

根據(jù)以上假設(shè)，提出如下化肥施用環(huán)境風(fēng)險指數(shù)經(jīng)驗?zāi)Ｐ停?/p>

式中，Rt為化肥污染環(huán)境風(fēng)險總指數(shù)，Ri為單質(zhì)肥料（氮、磷或者鉀等）污染環(huán)境風(fēng)險指數(shù)；Wi為單質(zhì)肥料污染環(huán)境效應(yīng)權(quán)重，∑Wi=1；Ti為單質(zhì)肥料環(huán)境安全閾值（單位：kg·hm-2)，是指本年內(nèi)每單位播種面積上施用的化肥安全量；Fi為某化肥施用強度（單位：kg·hm-2），是指本年內(nèi)單位耕地面積實際用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的化肥施用量（包括氮肥、磷肥、鉀肥和復(fù)合肥等）；m為復(fù)種指數(shù)，是指某地區(qū)作物播種面積與耕地面積之比；ui為某化肥利用率。

在復(fù)種指數(shù)為1、化肥利用率為50%的參比基準(zhǔn)時：

且當(dāng)Ft=∑Fi，Tt=∑Ti，不考慮單質(zhì)肥料具體權(quán)重Wi時：

由公式（3）或者（4）可見，Ri（或Rt）介于0和1之間，當(dāng)Fi（或Ft）與Ti（或Tt）兩者相等時，Ri（或Rt）等于0.5，是化肥施用環(huán)境安全的臨界點。依據(jù)化肥施用強度（Fi或Ft）超過環(huán)境安全閾值（Ti或Tt）的倍數(shù)，把化肥污染環(huán)境風(fēng)險程度從環(huán)境安全到極嚴(yán)重風(fēng)險分為6個不同的等級類型和預(yù)警等級（見表1）。

表1 化肥污染環(huán)境風(fēng)險指數(shù)分級類型及預(yù)警級別Table 1 Classification of fertilization environmental risk index and warning grade

1.3.3 參數(shù)設(shè)置

化肥污染環(huán)境風(fēng)險指數(shù)模型中公式（1）和公式（2）涉及的變量有6個，其中5個自變量，1個因變量。當(dāng)研究環(huán)境風(fēng)險指數(shù)與化肥施用強度和作物復(fù)種指數(shù)兩個變量之間的關(guān)系時，其余3個變量視為參數(shù)。參數(shù)值設(shè)置如下：

（1）化肥污染環(huán)境效應(yīng)權(quán)重Wi。一般認(rèn)為，農(nóng)田化肥污染主要表現(xiàn)大氣、水體和土壤污染。即，土壤中的N肥經(jīng)過硝化和反硝化作用，產(chǎn)生大量的溫室氣體N2O；過量的氮、磷引起的地表水體富營養(yǎng)化，氮過量還易流入地下水使致癌物亞硝酸鹽含量增高，磷過量又使土壤中重金屬鎘等累積；土壤中鉀過量會引起土壤板結(jié)，土壤肥力下降，并且影響作物對其他養(yǎng)分離子的吸收，產(chǎn)量下降等（高志紅等，2011）。因此，氮磷鉀3種元素對環(huán)境污染的效應(yīng)不同，其風(fēng)險權(quán)重也不同。本文應(yīng)用層次分析法計算出氮磷鉀三因子的權(quán)重系數(shù)分別為0.648、0.230、0.122。

（2）化肥施用環(huán)境安全閾值Ti。據(jù)世界糧農(nóng)組織（FAO）統(tǒng)計分析，目前世界平均每公頃耕地年化肥施用量約為120 kg，美國為110 kg，德國為212 kg，日本為270 kg，英國為290 kg（張智峰等，2008）。一些發(fā)達(dá)國家把化肥施用環(huán)境安全的上限設(shè)定為單位耕地面積225 kg·hm-2（Lee，1979）。我國環(huán)境保護(hù)部2010年6月24日印發(fā)的《國家級生態(tài)鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)指標(biāo)（試行）》中規(guī)定化肥施用強度每單位播種面積小于 250 kg（環(huán)境保護(hù)部，2010）。根據(jù)我國情況，這里定義250 kg·hm-2（單位播種面積化肥折純量）為化肥施用環(huán)境安全閾值。對于氮磷鉀單質(zhì)肥料來說，按照我國大田作物適宜的氮磷鉀 1∶0.5∶0.5的比例（侯忠武，2012），確定氮肥的環(huán)境安全閾值為 125 kg·hm-2，磷肥和鉀肥的閾值各為62.5 kg·hm-2。作物播種面積忽略了糧食作物和其它作物的種植結(jié)構(gòu)。

（3）化肥利用率Ui。2013年農(nóng)業(yè)部發(fā)布的《中國三大糧食作物肥料利用率研究報告》表明，目前我國水稻、玉米、小麥三大糧食作物氮肥、磷肥和鉀肥當(dāng)季平均利用率分別為33%、24%、42%。我國化肥利用率已進(jìn)入國際上公認(rèn)的適宜范圍（農(nóng)業(yè)部新聞辦公室，2013），但與發(fā)達(dá)國家相比有較大的提升空間。本文化肥污染環(huán)境風(fēng)險指數(shù)模型中氮磷鉀化肥利用率參照目前全國平均水平。

2 結(jié)果分析

2.1 淮河流域耕地化肥施用特征分析

根據(jù)河南、安徽、江蘇和山東4省2013年統(tǒng)計年鑒提供的流域內(nèi) 35個地市的化肥施用量和總耕地面積，按折純量分別計算出各市平均化肥施用總強度和氮磷鉀化肥單項使用強度。折純量是指將氮肥、磷肥、鉀肥、復(fù)合肥分別按含氮、含五氧化二磷、含氧化鉀的百分之百成份進(jìn)行折算后的數(shù)量。各統(tǒng)計年鑒中都沒有給出復(fù)合肥中氮磷鉀的含量。根據(jù)市場調(diào)查情況，結(jié)合有關(guān)資料，復(fù)合肥中的氮磷鉀含量統(tǒng)一按 1∶1∶1處理（趙建勛等，2011）?；春恿饔?35個地市氮磷鉀化肥施用總量見表2。

由表2可見，淮河流域化肥施用強度平均強度為每公頃耕地776.6 kg·hm-2，作物復(fù)種指數(shù)為1.8，每單位播種面積化肥施用強度為431 kg·hm-2，遠(yuǎn)大于我國生態(tài)鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)制定的化肥施用強度上限 250 kg·hm-2的標(biāo)準(zhǔn)，更超過一些發(fā)達(dá)國家的規(guī)定的化肥施用環(huán)境安全上限225 kg·hm-2的水平。這與淮河流域整個區(qū)域人口稠密、農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)、生產(chǎn)水平高有密切的關(guān)系。流域內(nèi)各地市化肥施用很不平衡，區(qū)域差異非常明顯。安徽省的蚌埠和淮南、河南省的商丘和平頂山及江蘇省的徐州每公頃耕地面積化肥施用量超過1000 kg·hm-2，山東省的淄博和臨沂低于500 kg·hm-2，極值比大于2，單質(zhì)肥料的極值比更大，鉀肥達(dá)到了5.5。按照化肥施用強度大于250 kg·hm-2的1、2、3、4倍數(shù)，把各地市分為化肥低過量區(qū)（250～500 kg·hm-2）、中過量區(qū)（500～750 kg·hm-2）、高過量區(qū)（750～1000 kg·hm-2）和嚴(yán)重過量區(qū)（1000～1250 kg·hm-2）4個類型（圖1）。由圖1可見，化肥施用強度分布有一定的規(guī)律性，大致沿著偏東北西南走向有4個分布帶，從南到北，依次交替出現(xiàn)高過量區(qū)、中過量區(qū)、高過量區(qū)、中過量區(qū)。其中的原因有待進(jìn)一步研究。從省區(qū)來講，高施肥過量區(qū)有三大聚集區(qū)，一是蘇北和魯南區(qū)（含徐州、連云港、宿遷、淮安及濟(jì)寧、日照），二是皖中區(qū)（含蚌埠、淮南、滁州、合肥、六安），三是位于豫中東南區(qū)（含許昌、漯河、平頂山、駐馬店、周口、商丘）。3個聚集區(qū)中徐州、蚌埠、淮南、商丘和平頂山5地市為嚴(yán)重過量區(qū)，12個地市為高過量區(qū)。

表2 2012年淮河流域各地市化肥施用強度(F)和作物復(fù)種指數(shù)(m)Table 2 Fertilization intensity (F) and multiplaning index (m) of 35 regions in Huai River basin in 2012

圖1 2012年淮河流域35個地市化肥施用強度地域分布Fig. 1 Distribution of fertilization intensity of 35 regions in Huai River watershed in 2012

淮河流域自古是我國傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)區(qū)，新中國建立以后特別是改革開發(fā)以來，淮河流域的農(nóng)業(yè)發(fā)展更快。農(nóng)作物產(chǎn)量不斷提高，化肥的大量投入是一個重要的原因。造成化肥施用區(qū)域差異的原因除了氣候、土壤、地形等自然條件的差異外，還受當(dāng)?shù)氐姆N植結(jié)構(gòu)、施肥技術(shù)、經(jīng)濟(jì)水平和施肥習(xí)慣等因素的作用，特別是近幾年高需肥的經(jīng)濟(jì)作物和蔬菜的種植面積的擴(kuò)大，導(dǎo)致區(qū)域間施肥水平差異的不斷擴(kuò)大。

2.2 淮河流域耕地化肥污染環(huán)境風(fēng)險分析

根據(jù)環(huán)境風(fēng)險評價模型公式（1）和（2）及相關(guān)參數(shù)，采用表2中化肥施用強度和作物復(fù)種指數(shù)數(shù)據(jù)，計算2012年淮河流域35個地市總化肥及單項化肥污染環(huán)境風(fēng)險指數(shù)和環(huán)境風(fēng)險程度。

淮河流域化肥施用環(huán)境風(fēng)險總指數(shù)是0.74，屬于中等程度風(fēng)險，接近重度環(huán)境風(fēng)險。35個地市化肥污染風(fēng)險預(yù)警級在Ⅰ和Ⅳ之間變化。由于各地復(fù)種指數(shù)的不同，其風(fēng)險預(yù)警級的排列與化肥施用強度的順序并不一致，亳州為Ⅰ級預(yù)警，平頂山為Ⅳ級預(yù)警，其余 33個地市為Ⅱ和Ⅲ級預(yù)警，各預(yù)警級基本上呈連片狀聚集分布，表明流域化肥施用環(huán)境風(fēng)險呈現(xiàn)正的空間自相關(guān)。Ⅲ級風(fēng)險預(yù)警區(qū)主要分布在江蘇西北部、山東西南部和河南中部（圖2a）。單質(zhì)肥料氮磷鉀風(fēng)險指數(shù)分別是 0.74、0.81和0.64，分別屬于中度風(fēng)險、嚴(yán)重風(fēng)險和輕度風(fēng)險，處于Ⅱ、Ⅳ和Ⅰ預(yù)警級。氮肥的風(fēng)險預(yù)警級在Ⅰ、Ⅳ之間變化，亳州為Ⅰ級預(yù)警級，徐州、宿遷、連云港為Ⅳ預(yù)警級，其余為Ⅱ、Ⅲ級預(yù)警，Ⅳ級預(yù)警明顯聚集，其余預(yù)警級呈分散狀態(tài)（圖2b）；磷肥的預(yù)警級在Ⅱ和Ⅴ之間變化，南通、泰州為Ⅱ級預(yù)警級，平頂山、淮南、商丘為Ⅴ級預(yù)警級，其余30個地市為Ⅳ和Ⅲ級預(yù)警級,基本上呈現(xiàn)從西向東南北向條帶狀交替分布（圖2c）；鉀肥預(yù)警級在0和Ⅱ之間，鹽城、南通、泰州為0級，淮北等15個地市為Ⅱ級，其余 17個地市為Ⅰ級。Ⅱ級風(fēng)險預(yù)警級主要集聚于流域的東北部和西北部（圖2d）。總之，淮河流域磷肥污染的風(fēng)險最嚴(yán)重，鉀肥污染風(fēng)險較輕，氮肥污染風(fēng)險中等。磷肥污染風(fēng)險嚴(yán)重的原因磷肥利用率低，大量的磷肥在土壤中累積，一是對水體富營養(yǎng)化和重金屬累積產(chǎn)生長期的影響，二是浪費大量的資源和生產(chǎn)費用。各級政府部門和有關(guān)機構(gòu)應(yīng)根據(jù)各地化肥施用的環(huán)境風(fēng)險預(yù)警級別，加強全面指導(dǎo)和重點區(qū)域防控，決不能等到化肥污染出現(xiàn)普遍的明顯危害時才引起重視。

圖2 2012年淮河流域化肥施用面源污染環(huán)境風(fēng)險分布特征Fig. 2 Distribution of environmental risk of chemical fertilization of Huai River watershed in 2013

作為我國第一個按流域進(jìn)行水污染綜合治理的河流，淮河治污取得了很大成績。隨著流域點源污染得到有效控制，農(nóng)業(yè)面源污染已被診斷為淮河流域主要污染來源。2010年淮河流域水污染物化學(xué)需氧量（COD）排放量為 302.25×104t，其中農(nóng)業(yè)源為 159.26×104t，占總污染量的 52.69%；氨氮（NH4+-N）排放量為27.5×104t，占總污染量的43.3%（周亮等，2014）。其中農(nóng)業(yè)源污染中化肥的使用對水污染貢獻(xiàn)最大，其污染還具有廣域性、復(fù)雜性、間歇性、滯后性及分散性等特點，致使防治成本高、難度大、成效不明顯，不僅造成大量肥力流失，而且嚴(yán)重污染了地表和地下水。據(jù)有關(guān)研究資料，位于淮北的3大支流沙潁河、渦河和洪汝河的水體污染物濃度多為超標(biāo)。對各個水質(zhì)指標(biāo)分析表明，NH4+-N和CODMn是河道主要水質(zhì)污染指標(biāo)，沙潁河入流引起干流 NH3-N濃度的增加（蔣艷等，2011）。2013年，河南省內(nèi)淮河流域水質(zhì)級別為中度污染。主要污染因子為COD和氨氮。安徽省轄淮河支流總體水質(zhì)狀況為中度污染。江蘇省轄淮河流域影響水質(zhì)的主要污染物為氨氮、總磷和高錳酸鹽指數(shù)（河南省環(huán)境保護(hù)廳，2014；安徽省環(huán)境保護(hù)廳，2014；江蘇省環(huán)境保護(hù)廳，2014）。種植業(yè)中化肥養(yǎng)分流失產(chǎn)生的污染物主要是 NH4+-N，對淮河水質(zhì)污染有著重要的貢獻(xiàn)（金書秦等，2014）。

過多地使用化肥，對土壤酸化有著重要的作用。據(jù)長期監(jiān)測，安徽蒙城縣土壤pH值自1986年以來，一直呈下降趨勢，導(dǎo)致土壤酸化。從 1985年到2003年，18年內(nèi)土壤pH值降低了1～0.7個單位；從2003年到2006年，3年內(nèi)土壤pH值降低近1個單位。2010年發(fā)生因為土壤pH過低導(dǎo)致小麥黃苗死苗的田塊土壤pH平均為4.39～5.99，最低為4.14（代勇，2013；張文凱，2010）。土壤酸化的主要原因是含氯、含硫、含磷化學(xué)肥料的大量使用淋溶了土壤中陽離子，大量使用氮肥和“一炮轟”的施肥方法，氮肥的利用率不高，氨態(tài)氮在土壤中轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮的過程中釋放氫離子，淋溶了土壤中大量的陽離子（鈣、鎂、鉀、鈉）。近年來淮河支流沿岸出現(xiàn)癌癥高發(fā)村時有報道，其中消化道腫瘤死亡率達(dá)到278/10萬，是對照區(qū)的1.5倍（虞聰聰?shù)龋?013）。有關(guān)資料對淮河流域14個監(jiān)測縣5810個行政村的消化道腫瘤與環(huán)境因子之間的關(guān)系分析表明，淮河流域江蘇段以化肥施用量、土壤多環(huán)芳烴含量、GDP和河網(wǎng)密度為主要影響因子；安徽段以土壤多環(huán)芳烴含量和化肥為主；河南段主要是以地下水質(zhì)量分級、河網(wǎng)密度和化肥為主（戚曉鵬等，2012）。可見，淮河流域化肥的過量施用已經(jīng)影響到生態(tài)系統(tǒng)和人體健康絕不是危言聳聽。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

淮河流域化肥施用強度平均強度為每公頃耕地776.6 kg·hm-2，作物復(fù)種指數(shù)為1.8，每單位播種面積化肥施用強度為431 kg·hm-2，遠(yuǎn)大于我國生態(tài)鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)制定的化肥施用強度上限 250 kg·hm-2的標(biāo)準(zhǔn)，更超過一些發(fā)達(dá)國家的規(guī)定的化肥施用環(huán)境安全上限225 kg·hm-2的水平。氮磷鉀總化肥施用強度分布有一定的規(guī)律性，大致沿著偏東北西南走向有4個分布帶，從南到北，依次交替出現(xiàn)高過量區(qū)、中過量區(qū)、高過量區(qū)、中過量區(qū)。其中的原因有待進(jìn)一步研究。

淮河流域耕地化肥施用環(huán)境風(fēng)險總指數(shù)是0.74，屬于中等程度風(fēng)險，處于Ⅱ級預(yù)警，接近Ⅲ級預(yù)警。35個地市化肥污染風(fēng)險預(yù)警級在Ⅰ和Ⅳ之間變化。由于各地復(fù)種指數(shù)的不同，其風(fēng)險預(yù)警級的排列與化肥施用強度的順序并不一致，亳州為Ⅰ級預(yù)警，平頂山為Ⅳ級預(yù)警，其余 33個地市為Ⅱ和Ⅲ級預(yù)警，分別呈連片狀聚集分布。Ⅲ級預(yù)警主要分布在江蘇西北部、山東西南部和河南中部。單質(zhì)肥料氮磷鉀風(fēng)險指數(shù)分別是0.74、0.81和0.64，屬于中度風(fēng)險、嚴(yán)重風(fēng)險和輕度風(fēng)險，分別處于Ⅱ、Ⅳ、Ⅰ預(yù)警級。總的來看，淮河流域化肥施用普遍存在較為嚴(yán)重的中等環(huán)境風(fēng)險，與整個流域水體處于中度污染的現(xiàn)實相一致。

3.2 討論

造成化肥施用區(qū)域差異及其環(huán)境風(fēng)險程度不同的原因是多方面的，除了氣候、土壤、地形等自然條件的差異外，更重要的是受當(dāng)?shù)氐姆N植制度及結(jié)構(gòu)、施肥技術(shù)、施肥習(xí)慣和化肥類型等因素的作用。本文在環(huán)境風(fēng)險評價模型中主要考慮了化肥施用強度、環(huán)境安全閾值、作物復(fù)種指數(shù)、化肥利用率、化肥環(huán)境影響效應(yīng)等5種因素，忽略了一些難以操控的因素，評價結(jié)果雖然略顯粗略，但具有概括性和應(yīng)用廣泛性。如果過細(xì)的考慮小范圍的土壤條件和作物結(jié)構(gòu)等，操作起來難度較大，評價結(jié)果會缺乏全局性的指導(dǎo)作用。

淮河流域內(nèi)各地各級政府部門應(yīng)充分認(rèn)識到過量使用化肥面臨的嚴(yán)重風(fēng)險，建立流域面源污染防治協(xié)調(diào)機制，統(tǒng)一采取化肥減量措施。例如建立流域化肥管理信息系統(tǒng)，加強區(qū)域合作，特別是對高施肥的區(qū)域加強化肥施用管理；推廣測土配方施肥，擴(kuò)大商品化有機肥生產(chǎn)；提高農(nóng)民環(huán)境意識、農(nóng)技知識水平和耕地規(guī)模經(jīng)營能力等。國家應(yīng)盡快制定土壤污染防治法，像一些發(fā)達(dá)國家一樣，對肥料管理提出明確的要求，用法律和制度規(guī)范人們的化肥施用行為，從根本上防治化肥過度施用對生態(tài)環(huán)境和人體健康造成的危害。

LEE S I.1979. Non-point source pollution[J]. Fisheries, (2): 50-52.

安徽省環(huán)境保護(hù)廳. 2014. 2013年安徽省環(huán)境質(zhì)量狀況公報[EB/OL]. [2015-03-01]. http://cn.chinagate.cn/environment/2014-07/07/content_ 32880153_10.htm.

安徽省統(tǒng)計局. 2013. 安徽統(tǒng)計年鑒(2013)[EB/OL]. [2015-03-01]. http://www.ahtjj.gov.cn/tjj/web/tjnj_view.jsp.

代勇. 2013. 長期施用化肥對土壤污染問題初探[J]. 安徽農(nóng)學(xué)通報, 19(04): 73-74.

高志紅, 陳曉遠(yuǎn), 林昌華, 等.2011. 不同施肥水平對粵北坡崗地木薯干物質(zhì)積累和產(chǎn)量的影響[J]. 廣東農(nóng)業(yè)科學(xué), 38(4): 70-72.

國家環(huán)境保護(hù)部, 國家統(tǒng)計局, 國家農(nóng)業(yè)部. 2010. 第一次全國污染源普查公報[EB/OL]. [2015-03-01]. http://www.stats.gov.cn/tjsj/tjgb/ qttjgb/ qgqttjgb/201002/t20100211_30641.html.

河南省環(huán)境保護(hù)廳. 2014. 2013年河南省環(huán)境質(zhì)量狀況公報[EB/OL]. [2015-03-01]. http://www.hnep.gov.cn/tabid/435/InfoID/11750/Default. aspx.

河南省統(tǒng)計局. 2014. 河南統(tǒng)計年鑒(2013)[EB/OL]. [2015-03-01]. http://www.ha.stats.gov.cn/hntj/lib/tjnj/2013/indexch.htm.

侯忠武. 2012. 測土配方施肥基本知識[EB/OL]. [2015-03-01]. http://www.tynjtg.com/a/ctpf/300.html.

環(huán)境保護(hù)部. 2010. 關(guān)于印發(fā)《國家級生態(tài)鄉(xiāng)鎮(zhèn)申報及管理規(guī)定(試行)》的通知[EB/OL]. [2015-03-01]. http://www.wyepb.gov.cn/html/news5/ show_news_w2_1_606.html.

黃圣彪, 王子健, 喬敏. 2007. 區(qū)域環(huán)境風(fēng)險評價及其關(guān)鍵科學(xué)問題[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 27(5): 705-713.

江蘇省環(huán)境保護(hù)廳. 2014. 2013年江蘇省環(huán)境質(zhì)量狀況公報[EB/OL]. [2015-03-01].http://news.jschina.com.cn/system/2014/06/05/02111093 0_02.shtml.

江蘇省統(tǒng)計局. 2014. 江蘇統(tǒng)計年鑒(2013)[EB/OL]. [2015-03-01]. http://www.jssb.gov.cn/tjxxgk/tjsj/tjnq/jstjnj2014/index_212.html.

姜慶虎, 劉艷芳, 黃浦江, 等. 2013. 城市湖泊流域面源污染的源-匯效應(yīng)研究——以武漢市東湖為例[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 22(3): 469-474.

蔣艷, 彭期冬, 駱輝煌, 等. 2011. 淮河流域水質(zhì)污染時空變異特征分析[J]. 水利學(xué)報, 42(11): 1283-1288.

金書秦, 武巖. 2014. 農(nóng)業(yè)面源是水體污染的首要原因嗎？——基于淮河流域數(shù)據(jù)的檢驗[J]. 中國農(nóng)村經(jīng)濟(jì), (9): 71-81.

李強, 胡清菁, 張超蘭, 等. 2014. 基于土壤酶總體活性評價鉛鋅尾礦砂坍塌區(qū)土壤重金屬污染[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 23(11): 1839-1844.

劉欽普, 林振山, 周亮. 2015a. 山東省化肥使用時空分異及潛在環(huán)境風(fēng)險評價[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 31(7): 208-214.

劉欽普. 2014. 中國化肥投入?yún)^(qū)域差異及環(huán)境風(fēng)險分析[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 47(18): 3596-3605.

劉欽普. 2015b. 江蘇氮磷鉀化肥施用地域分異及面源污染環(huán)境風(fēng)險[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 26(5): 1477-1483.

劉忠, 段增強. 2010. 中國主要農(nóng)區(qū)畜禽糞尿資源分布及其環(huán)境負(fù)荷[J].資源科學(xué), 32(5): 946-950.

陸欣欣, 岳玉波, 趙崢, 等. 2014. 不同施肥處理稻田系統(tǒng)磷素輸移特征研究[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, (4): 394-400.

農(nóng)業(yè)部新聞辦公室. 2013. 科學(xué)施肥促進(jìn)肥料利用率穩(wěn)步提高—我國肥料利用率達(dá) 33%[EB/OL]. [2015-03-01]. http://www.moa.gov.cn/ zwllm/zwdt/201310/t20131010_3625203.htm.

戚曉鵬, 計偉, 任紅艷, 等. 2012. 淮河流域上消化道腫瘤與環(huán)境污染的模型分析[J]. 地球信息科學(xué)學(xué)報, 14(4): 432-441.

山東省統(tǒng)計局. 2014. 山東統(tǒng)計年鑒(2013)[EB/OL]. [2015-03-01]. http://www.stats-sd.gov.cn/col/col211/index.html.

宋大平, 陳巍, 高彥征. 2011. 淮河流域氮肥農(nóng)業(yè)施用的合理性及其環(huán)境影響[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 30(6): 1144-1151.

晏維金, 尹澄清, 孫濮, 等. 1999. 磷氮在水田濕地中的遷移轉(zhuǎn)化及徑流流失過程[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 10(3): 312-316.

楊曉英, 袁晉, 李紀(jì)華, 等. 2013. 太湖與淮河流域施肥行為特征比較研究[J]. 環(huán)境污染與防治, 35(12): 86-91.

虞聰聰, 伍晨, 鄭唯韡, 等. 2013. 淮河流域沈丘縣地表水藻類及其毒素污染狀況研究[J]. 環(huán)境污染與健康雜志, 30(11): 967-971.

張維理, 武淑霞, 冀宏杰, 等. 2004. 中國農(nóng)業(yè)面源污染形勢估計及控制對策I.21世紀(jì)初期中國農(nóng)業(yè)面源污染的形勢估計[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 37(7): 1008-1017.

張文凱. 2010. 安徽淮北小麥黃苗死苗現(xiàn)象與土壤養(yǎng)分含量和 pH值的關(guān)系研究[J]. 河北農(nóng)業(yè)科學(xué), 14(4): 53-54.

張智峰, 張衛(wèi)峰, 2008. 我國化肥施用現(xiàn)狀及趨勢[J]. 磷肥與復(fù)肥, 23(6): 9-12.

章海波, 駱永明, 李志博, 等. 2007. 土壤環(huán)境質(zhì)量指導(dǎo)值與標(biāo)準(zhǔn)研究Ⅲ:污染土壤的生態(tài)風(fēng)險評估[J]. 土壤學(xué)報, 44(2): 338-349.

趙建勛, 程燚. 2011. 安徽省肥料施用現(xiàn)狀與對策[J]. 安徽農(nóng)學(xué)通報, 17(1): 102-103.

周亮, 徐建剛, 蔡北溟, 等. 2014. 淮河流域糧食生產(chǎn)與化肥消費時空變化及對水環(huán)境影響[J]. 自然資源學(xué)報, 29(6): 1053-1064.

周亮, 徐建剛, 孫東琪, 等. 2013. 淮河流域農(nóng)業(yè)面源污染空間特征解析及分類控制[J]. 環(huán)境科學(xué), 34(2): 547-554.

Distribution and Environmental Risk Assessment of Fertilizer Application on Farmland in Huai River Basin

LIU Qinpu
School of Environmental Science, Nanjing Xiaozhuang University, Nanjing 211171, China

Soil pollution by fertilization has become one key cause of water pollution in watershed. Environmental risk assessment of fertilization in Huai River basin were made in order to fully recognize the intensity of agricultural fertilization and its potential threats to the ecological environment, strengthen environmental risk awareness and control agricultural non-point pollution. Model of fertilization environmental risk assessment was established by introducing such five factors as fertilization intensity, fertilization environmental safety threshold, fertilization environmental effect weight, multi-cropping index (MCI) and fertilization efficiency. Analystic hierarchy process (AHP) was used to determine the weights of N, P, K. The environmental safety thresholds of N, P, K was made according to the standard of 250 kg·hm-2, the total fertilizers mass per sowing cropland, which is for the construction of ecological villages and town sponsored by Chinese government，and the proportion of 1∶0.5∶0.5 for N∶P∶K. The standard of classification for the fertilization environmental risk was made on such conditions as the equal impacts on the environment for the single fertilizers, 1 MCI and the ratio of 50% for fertilizer efficiency. Results showed that, at present the rate of farmland fertilizer in Huai River basin is 776.6 kg·hm-2, which is as 3.1 times as the standard of 250 kg·hm-2with the regional difference from the maximum of 1 242.2 kg·hm-2to the minimum of 478.7 kg·hm-2. The distribution of fertilization intensity showed four east-west strips from south to north with alternation of high overuse fertilization trip to medium overuse fertilization. The fertilization environmental risk index of Huai River was 0.74, belong to medium degree risk, at Ⅱ warning grade. The warning grades for 35 regions in this basin ranged from Ⅰ to Ⅳ with clustering distribution. The risk indexes for nitrogen, phosphorus and potash were 0.74, 0.81, 0.64, respectively, each being at Ⅱ, Ⅳ, and Ⅰ warning grade. The overuse of fertilizers has resulted in serious environmental problems.

intensity of fertilization; environmental risk assessment; environmental safety threshold; modeling; warning; Huai River basin

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.09.014

X53

A

1674-5906（2015）09-1512-07

劉欽普. 淮河流域化肥施用空間特征及環(huán)境風(fēng)險分析[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2015, 24(9): 1512-1518.

LIU Qinpu. Distribution and Environmental Risk Assessment of Fertilizer Application on Farmland in Huai River Basin [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(9): 1512-1518.

國家自然科學(xué)基金項目（41201151）；江蘇省生態(tài)學(xué)重點建設(shè)學(xué)科項目；南京市環(huán)境科學(xué)重點建設(shè)學(xué)科項目

劉欽普（1957年生），男，教授，博士，主要從事土壤地理和土地資源利用與評價方面的教學(xué)與研究工作。Email: liuqinpu@163.com

2015-07-05