中国化肥施用强度及环境安全阈值时空变化

确定化肥投入强度环境安全阈值对于农业可持续发展和环境保护具有重要的意义。根据大田作物氮磷钾1:0.5:0.5(质量比,下同)的养分要求,建立氮磷钾化肥施用环境安全阈值模型,对中国化肥施用强度和环境安全阈值的时空变化及施肥合理性进行研究。结果表明:1)1980年以来中国化肥施用量迅速提高,化肥施用强度则以每年平均增长4.1%的速度上升。氮磷钾肥料比例从1980年的1:0.3:0.05,增加到2014年的1:0.5:0.43,逐渐趋于发达国家1:0.50:0.50的水平。氮磷钾肥料投入分别在1988年、2000年、2009年超过了环境安全阈值,之后差距越来越大;2)青海、西藏、甘肃、四川、贵州、江西和黑龙江属于低强度施肥区,重庆等为中强度施肥区,新疆等为高强度施肥区,海南、河南、北京、天津为超高强度施肥区;3)中国60%以上省份的化肥施用环境安全阈值在中阈值区范围变化;4)2014年中国化肥施用强度是环境安全阈值1.2倍,施用强度最高的陕西省是安全阈值的3倍,但是仍有不少省份施肥不足;氮肥、磷肥施用过量比较严重,钾肥施用不足较为普遍。各省份应根据具体情况采取不同的施肥策略,正确处理粮食安全与环境保护的关系。

通辽市化肥施用强度及环境安全阈值时空变异

应用化肥施用环境安全阈值模型,对内蒙古通辽市农业生产中化肥施用强度和环境安全阈值的时空变异及施肥合理性状况进行研究分析.结果表明,2000—2019年通辽市化肥施用量持续增大,2019年化肥施用总量及化肥施用强度分别是2000年的5.8倍和4.0倍,但化肥施用效益,2019年却比2000年降低46%.氮、磷、钾肥施用比例从2000年的1.00∶0.40∶0.15,增加到2019年的1.00∶0.50∶0.25.氮、磷化肥施用在2007年、2008年超过了环境安全阈值.从2006—2009年,化肥总量和氮肥施用强度与阈值的距离越来越大,2010年距离最小,2010—2013年两者距离又逐渐增大,2014—2019年两者距离又呈缩小趋势,尤其是2018—2019年两者距离明显缩小.2019年,扎鲁特旗、开鲁县、霍林郭勒市属于低强度施肥区,科左中旗和库伦旗属于中强度施肥区,科尔沁区、奈曼旗、科左后旗属于超高强度施肥区.2019年,通辽市55%以上旗县的施用环境安全阈值在高阈值区范围变化,低阈值区分布在科左后旗、扎鲁特旗和霍林郭勒市.2019年化肥施用强度为环境安全阈值的2.1倍,奈曼旗施肥强度最大,为环境安全阈值的2.6倍.通辽市65%以上县域化肥施用过量,22%化肥施用合理,个别县域化肥施用不足,化肥施用过量严重.

中国化肥投入区域差异及环境风险分析

【目的】为了全面认识中国各省区农业化肥使用的区域差异及对生态环境的潜在威胁,准确把握其环境风险程度,加强风险管理,促进农业可持续发展,对中国化肥投入的分布特征和环境风险进行分析。【方法】考虑氮磷钾3种化肥不同的环境污染效应,建立带有权重系数的化肥使用环境风险指数计算模型,评价中国化肥投入的环境风险。应用定性定量相结合的层次分析法,确定氮磷钾三因子的权重系数。根据原国家环境保护总局2007年设定的生态县建设化肥使用强度小于250 kg·hm-2的标准,按照目前发达国家氮磷钾比例1﹕0.5﹕0.5的施肥实践,确定氮磷钾三元素的环境安全阈值。【结果】目前中国农田化肥使用量平均达到480 kg·hm-2,大多数省区农田化肥投入过量。其基本趋势是东南投入高,西北投入少。2012年化肥使用强度最大、超过690 kg·hm-2的前5个省份是福建、广东、河南、湖北、江苏;化肥使用强度低于200 kg·hm-2的7个省区是西藏、青海、甘肃、黑龙江、贵州、内蒙古、山西。总化肥使用强度最大的福建(908.7 kg·hm-2)是西藏自治区(137.99 kg·hm-2)的6.6倍。氮肥使用强度的区域差异与氮磷钾总肥一致,其中氮肥使用强度最大的广东省(448.5 kg·hm-2)是西藏自治区(62.59kg·hm-2)的7.2倍;氮磷钾施肥不平衡的现象普遍存在,磷肥使用强度最大的河南省(259.8 kg·hm-2)是最小的贵州省(44.04 kg·hm-2)的6倍;钾肥使用强度最大的福建省(264.73 kg·hm-2)是最低的青海省(30.83 kg·hm-2)的8.6倍,钾肥的使用在青海、西藏、甘肃、贵州等省区明显不足。中国农业化肥使用环境污染的潜在风险较大,仅有西藏、青海、贵州、甘肃和黑龙江5个省区属于尚安全状态,河南、福建、广东和湖北属于重度风险状态,其他省区属于轻度风险和中度风险状态。近10年来,中国的化肥消费量以每年3%的速率增加,高环境风险区域扩大较快。2012年与2005年相比,尚安全的省区减少了3个,重度风险的省区增加了3个,总体环境风险进一步加剧。【结论】中国化肥使用强度大,环境风险高,区域分异明显。其原因有多种,其中土壤条件、施肥技术和管理不当是直接原因,农业政策和经营体制等深层次问题是根本原因。

中国化肥面源污染环境风险时空变化

为了合理施肥,防治化肥面源污染,对中国化肥施用的环境风险进行研究。通过建立化肥施用环境安全阈值模型和环境风险评价方法,计算中国各省区时空维度化肥施用环境安全阈值,评价化肥施用环境风险程度及变化。研究结果表明:中国化肥施用环境安全阈值近25年来在200~300 kg·hm^(-2)之间变化,平均值为243 kg·hm^(-2),近15年来的平均值为251 kg·hm^(-2),与国家环保部生态乡镇建设规定的化肥施用强度标准基本吻合;总化肥施用在1994年由环境安全转为低度风险,氮、磷、钾单质化肥施用分别在1988、1999、2008年由环境安全转为低度风险状态;2014年中国总化肥施用环境安全阈值平均为285 kg·hm^(-2),化肥施用环境风险指数平均为0.54,氮、磷、钾化肥风险指数平均分别为0.54、0.53、0.49,化肥施用总体处于低度环境风险;2014年西藏等11个省区化肥施用处于环境安全状态,辽宁等16个省区处于低度环境风险状态,河南、海南和天津三省区处于中度环境风险,陕西处于严重环境风险。总之,中国化肥施用环境风险自1994年进入低度风险状态,并呈现上升的趋势,自2006年以后有所降低。2014年全国各省区的化肥施用环境风险程度总体为低度环境风险,但省区之间差异较大,各类风险呈现出聚集分布的特点。

淮河流域化肥施用空间特征及环境风险分析

深入认识淮河流域化肥施用环境风险,对提高化肥施用风险意识、加强风险管理、防治农业面源污染有着重要作用。综合考虑化肥施用强度、效率、环境安全阈值、环境影响效应及作物复种指数等5种因素,构建了化肥施用农田污染环境风险评价指数模型,对淮河流域化肥施用空间特征和环境风险进行研究。应用层次分析法,确定氮磷钾三因子对环境影响的权重系数。根据国家环境保护部2010年设定的生态乡镇建设化肥使用强度单位播种面积小于250 kg·hm-2的标准,按照氮磷钾1∶0.5∶0.5的比例,确定氮磷钾三因子的环境安全阈值。在不考虑氮磷钾单质化肥环境影响效应权重的情况下,以作物复种指数为1、化肥利用率为50%为基准,建立化肥环境风险评价等级标准。结果表明,淮河流域化肥施用强度最高的地市是淮南市,为1 242.2 kg·hm-2,是强度最低的淄博市478.7 kg·hm-2的2.6倍。淮河流域平均化肥施用强度为776.6 kg·hm-2,是我国生态乡镇建设化肥施用标准的3.1倍。化肥施用强度分布有一定的规律性,大致沿着偏东北西南走向有4个带状分布区,高过量施肥区和中过量施肥区从南到北依次交替出现。淮河流域化肥施用环境风险总指数是0.74,属于中等程度风险,处于Ⅱ级预警。35个地市化肥污染风险预警级在Ⅰ和Ⅳ之间,分别呈连片状聚集分布。单质肥料氮磷钾风险指数分别是0.74、0.81和0.64,分别属于中度风险、严重风险和轻度风险,处于Ⅱ、Ⅳ、Ⅰ级预警。总的来看,淮河流域过量的化肥施用普遍存在较为严重的中等环境风险,已经对流域的生态环境产生了较为严重的影响。

河南省化肥使用环境风险时空特征分析

河南省是我国化肥使用总量和使用强度最大的省份,化肥面源污染问题严重。提出化肥使用环境风险指数和环境安全阈值的概念,构建化肥使用环境风险评价模型,对河南省化肥使用环境风险时空特征进行分析。研究表明:(1)河南省化肥使用环境风险指数从1989年开始大于0.5,进入低风险期,到1995年进入中等风险期(风险指数大于0.65),目前即将进入严重风险期(风险指数大于0.8);(2)2012年河南省18个地市化肥使用平均环境风险程度为0.79,处在中等风险与严重风险的分界处,其中8个地市为中等风险,10个地市为严重风险。同时有9个地市为氮肥使用严重风险,13地市为磷肥使用严重风险,2个地市为钾肥使用严重风险;(3)化肥过度使用已经对河南省生态环境构成威胁,应采取多项措施,防治化肥污染,降低环境风险,保证农业可持续发展。

基于GIS的海河流域农田氮磷肥施用环境风险评价

以海河流域为研究区,基于化肥施用环境安全阈值预测模型及环境风险指数评价模型,对流域35个地级市农田氮磷施用强度及氮磷风险指数进行定量估算,并结合GIS空间分析能力,分析各地级市氮磷肥施用对环境污染的风险等级。结果表明,近11 a来,海河流域平均化肥施用强度为366.16 kg/hm2,是我国生态县化肥施用强度安全标准的1.46倍,是发达国家化肥施用安全标准的1.63倍。2005—2015年,氮、磷肥低度施肥区主要分布在流域西部,中度以上施肥区主要分布在中南部。从风险程度看,50%以上的氮磷肥处于尚安全区及低度风险区,中度以上风险主要分布在北京、天津及河北、河南、山西的个别地级市,但氮、磷肥风险在空间分布上存在显著差异;综合风险空间分布结果显示,90%以上为尚安全区及低度风险区,中度风险分布在朝阳市、天津市和新乡市。整体来看,流域化肥施用环境风险程度逐年降低,这与我国政府制定的较少农田化肥施用量的相关政策有必然的联系。

设施黄瓜土壤重金属与养分的分异特征及其相关性研究

采用野外调查和室内分析相结合的方法,以河北省永清县蔬菜主产区黄瓜温室土壤为研究对象,调查研究不同质地土壤重金属与养分的分异特征,分析黄瓜温室土壤重金属与土壤养分的相关性,构建两者之间的关系预测模型,并结合温室蔬菜土壤重金属的限值标准,提出温室黄瓜管理模式下导致重金属超标的土壤养分环境安全阈值。结果表明:设施黄瓜中壤质土壤表层Cd的变异系数达53.1%,具有空间分异型分布特征,Hg的变异系数达42.5%,属于弱分异型分布,其余重金属均表现为均匀分布特征。中壤土养分元素N、P、K和有机质在土壤中的变异系数均大于25%,表现出了分异或弱分异的特征,分异特征明显;设施黄瓜重壤土与中壤土表现基本一致。该研究对具有分异特征的重金属元素Cd、Hg与养分元素构建了相关预测模型,包括线性方程、对数方程、二次方程、幂方程、指数方程5种类型,Cd均达到了显著或极显著相关水平,而Hg均未达显著水平。利用Cd和养分之间呈显著相关的预测模型确定了中壤土速效氮、磷、钾养分的环境安全阈值分别为66.67,244.59,685.70mg/kg,有机质为13.38g/kg。设施黄瓜重壤土速效氮、磷、钾养分的环境安全阈值分别为125.38,401.34,751.17mg/kg,有机质为20.00g/kg。

安徽省农田氮磷化肥施用合理性分析

基于化肥施用环境安全阈值模型,提出化肥施用指数的概念,建立了化肥施用合理性评价方法,从时空二维角度对安徽省氮、磷化肥施用的合理性进行分析,为安徽省化肥减量增效提供理论基础和现实指导。研究结果表明:1987~2015年安徽省单位播种面积氮、磷化肥施用量经历了快速增长-波动增长-平稳增长的3个阶段。20世纪80年代末期,安徽省氮肥的施用是合理的,磷肥的施用不足;90年代以后,氮肥施用一直处于过量状态;磷肥施用由合理施用变为过量施用。2015年安徽省16个地市中,有一半属于施氮合理,其余为施氮不足和过量施氮;除5个地市为施磷不足和合理施磷外,其余都为过量施磷。总之,目前安徽省磷肥过量施用情况比氮肥严重,大多数地市以降低磷肥施用量为首要任务;此外,需结合安徽省有机肥的施用情况,进一步评估氮、磷化肥施用合理性。

中哈德3国化肥施用生态经济合理性动态比较与启示

基于环境安全阈值模型,建立化肥施用生态经济合理性评价方法,利用2002~2016年一带一路沿线中国、哈萨克斯坦和德国的农用化肥施用时间序列数据,对其化肥施用特点、环境安全阈值及施用生态经济合理性进行对比研究,为中国制定化肥施用政策和农业发展战略、加强国际合作提供参考。研究结果显示:①从2002年到2016年,中国化肥施用总量和施用强度一直增加至顶峰,近两年出现下降趋势;哈萨克斯坦则表现为快速大幅波动增长的变化,但消费总量和施用强度太小;德国的化肥施用总量和强度呈现总体平稳、微幅波动、稍有下降的趋势。15年来中哈德化肥施用强度分别从278.0、1.62、272.2 kg/hm^2变为332.5、7.47、265.2 kg/hm^2,分别增加了20%、360%、-2.6%;氮(N)、磷(P2O5)、钾(K2O)比例分别从1∶0.42∶0.31、1∶0.85∶0.02、1∶0.18∶0.27调整到1∶0.51∶0.45、1∶0.36∶0.03、1∶0.14∶0.26。目前中国氮磷钾化肥施用结构比较合理,哈萨克斯坦比例严重失调,德国磷钾比例偏低。②近15年来中哈德氮磷钾总化肥施用环境安全阈值分别在227~272、96~120、323~373 kg/hm^2范围变动;中国总化肥施用强度已经超过了环境安全阈值和作物需要水平,粮食产量较德国为低,总化肥施用为生态经济合理性2级水平,近些年略有改善,其中氮、磷、钾分别为3级(不合理)、2级(较合理)、1级(合理)水平;哈萨克斯坦施肥严重不足,粮食产量水平最低,氮、磷、钾施用均为生态经济合理性4级水平(很不合理);德国的总化肥施用为生态经济合理性2级水平,粮食产量最高,其氮肥施用适量,接近环境安全阈值,为生态经济合理性1级水平。总之,中国化肥减量增效势在必行,可借鉴德国的经验,大力发展生态农业,哈萨克斯坦则需增加施肥强度和改善施肥结构,中国与哈萨克斯坦加强农业国际合作有着广阔前景。

基于GIS的贵州省农田化肥施用特征时空分布研究

深入认识贵州省化肥施用强度空间分布格局和施用量时间变化情况,有利于正确认识贵州农田化肥施用合理性和调控方向。基于ArcGIS对贵州省2018年化肥施用强度的空间分析及近20年各类化肥施用总量的变化,结果显示:1)贵州省总肥施用强度呈现中部高四周低的空间分布特征,低度施用强度主要在我省东南部地区,高度施用强度集中分布在中部地区;单质化肥高强度施用强度均分布在中部地区;氮肥低度施用强度集中分布在研究区的东南部地区,磷肥低度施用强度分布在北部、西北部、西部和西南部,钾肥低度施用强度分布在我省大部分地区;全省的化肥营养比例结构为1∶0.35∶0.31,其均衡性和合理性不足;遵义市、铜仁市和黔东南州基本接近1∶0.5∶0.5,营养结构相对合理;2)贵州省各类化肥施用量均呈现增加趋势但变化幅度有差异性,总肥、氮肥和磷肥最大增加幅度分别为53.18%、28.16%和21.78%,均于2015年达到最大施用量;钾肥和复合肥的最大增幅为119.57%和166.67%,于2016年达最大施用量,此后化肥施用量有下降的变化趋势;3)贵州省的自然环境较为恶劣,坡耕地面积占比较高,城市扩张,粮食播种面积不断减少而人口不断增加,为了保证基本粮食需求,化肥施用强度不断增大。

江苏氮磷钾化肥使用地域分异及环境风险评价

深入认识江苏省氮磷钾化肥投入的空间格局及其环境风险,有利于调控江苏农田施肥合理分布、加强化肥使用风险管理和分区指导,防治农业面源污染.考虑氮磷钾3种化肥不同的环境污染效应,建立带有权重系数的化肥使用环境风险指数模型,对江苏省氮磷钾化肥使用强度的地域分异特征和环境风险进行研究.应用层次分析法,确定氮磷钾3因子的权重.根据国家生态县建设化肥使用强度小于250 kg·hm-2的标准,参照目前发达国家氮磷钾1∶0.5∶0.5的养分结构,确定氮磷钾3元素的环境安全阈值.结果表明:目前江苏氮磷钾化肥使用强度呈现出从南到北逐步增加的规律性地域分异,极值比为3.3.其中,氮肥、磷肥和钾肥的极值比分别是3.3、4.5、4.4.全省13个地市氮磷钾投入平均比例是1∶0.39∶0.26,不尽合理.苏南地区氮磷钾肥比例相对平衡,苏北地区养分结构失调严重.全省氮磷钾化肥施用环境风险指数为0.69,属于中度环境风险;苏南地区处于低度风险,苏中地区处于中度风险,苏北地区各地市处于中度、重度或严重风险.江苏省化肥施用的地域分异及环境风险受到自然、经济、体制、政策、管理等多种因素影响.

基于阈值模型的河南省化肥施用生态经济合理性及减量潜力

利用1980-2017年相关数据,通过构建数学模型,计算河南省及其地市氮磷钾化肥施用的环境安全阈值,评价化肥施用的生态经济合理性,为其化肥减量增效、防治面源污染、促进农业可持续发展提供参考。结果表明:1980-2017年,河南省化肥施用环境安全阈值从104 kg·hm^-2增加到266 kg·hm^-2,化肥施用合理指数从1980年的0.72上升到1988年的1.00后降低到2017年的0.16,化肥施用生态经济合理性经历了施肥不足不合理到施肥合理,又到施肥过量不合理和很不合理的变化过程;2017年,河南省18个地级市中只有鹤壁的化肥施用较为合理,化肥施用量没有超出环境安全阈值的30%,为生态经济合理性二级水平;另除开封和信阳外,其他15个地市的化肥施用都超出了环境安全阈值的50%,化肥施用不合理,为生态经济合理性四级水平;全省磷肥施用生态经济合理性最差,氮肥次之,钾肥较轻;按照化肥施用环境安全阈值施肥,全省可节约化肥约310×10^7kg,其中氮磷钾单质肥料分别为128.4×10^7、115.7×10^7、65.9×10^7kg。总之,河南省化肥施用不合理,区域差异明显,化肥减量潜力很大,实现化肥施用负增长、粮食安全-生态友好双赢发展任务艰巨。