作者：孙铖，周华真，陈磊*，沈珍瑶
赤兔军品单位：北京师范⼤学环境学院
本⽂以长江中下游地区所处的六省⼀市为研究对象，通过对80 个市级⾏政区化肥施⽤情况的调研，估算了农⽥化肥氮磷地表径流流失量，在耦合农业化肥流失量、降⾬和河⽹密度三种因素的基础上，提出了农⽥化肥氮磷污染风险分级⽅法并初步识别了重点区域。 四季养生论文结果表明，近20 年来，其化肥施⽤量呈现上升趋势，氮磷地表流失量较⾼的区域主要集中于湖南省，氮磷流失强度的平均值分别为2.41、0.61 kg·hm-2·a-1。湖南省为六省⼀市中农⽥化肥氮磷污染的⾼风险区，上海市为低风险区，其他五省则以中、低污染风险为主。研究结果有助于实现对农⽥⾯源污染的风险防范，推动我国农业⾯源污染防控的优化升级。
前⾔
保障粮⾷供应是我国经济社会可持续发展的重要基础，化肥施⽤是粮⾷增产的重要环节。但随着我国⼈⼝政策的改变，近年来我国⼈⼝增长速度有所加快，⼈均耕地⾯积随之减少，如何合理施⽤化肥以保证农作物产量成为了我国亟待解决的问题。
根据联合国粮⾷及农业组织（Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO）和中国国家统计局提供的化肥施⽤量数据，2013 年全球化肥施⽤总量为1.67×108 t，中国农业化肥施⽤当量为5.91×107 t，占全球化肥使⽤总量的35.48%。同时，单位⾯积化肥施⽤量超过世界平均⽔平三倍多，我国农⽥化肥过量施⽤⾯临的环境风险是其他国家⽆法相⽐的。因此，在我国进⾏化肥施⽤调研及时空尺度的分析有益于环境管理与污染控制。
近年来，由施肥不当或过量施肥带来的环境污染问题越来越突出。农⽥氮磷随地表径流进⼊受纳⽔体，或随地下淋溶进⼊⼟壤，引起⽔体富营养化和⼟壤污染等农业⾯源污染问题。⽽地下淋溶对于南⽅地区影响较⼩，本研究主要针对地表径流中的农⽥氮磷流失进⾏估算。随着⼯业污染的治理，农业氮磷流失成为⽔环境污染的主要来源。
农⽥氮磷流失包括地表径流和地下淋溶两个主要⽅⾯，其中地表径流为氮磷流失的主要途径，是农⽥化肥进⼊周围⽔体最直接、最快速的⽅式，但由于其随机性强、周期长等特点，治理起来较为困难，因此控制农⽥氮磷流失是控制农业⾯源污染的重要途径。⽬前，我国氮肥利⽤率仅为30%~35%，磷肥利⽤率不⾜20%，远低于发达国家⽔平。为此，2016年中央⼀号⽂件提出了“加⼤农业⾯源污染防治⼒度，实施化肥农药零增长⾏动”的⽬标，对农⽥化肥调研以及对地表径流氮磷流失的估算与评估有助于实现对农⽥⾯源污染的风险防范。
本⽂以长江中下游所处的六省⼀市为研究区，以市为单位，开展农业氮磷流失（地表径流流失）估算⽅法和风险区域识别研究。该区域是我国重要的农业⽣产基地，但近年来亦产⽣较多的农业⾯源问题。由于化肥的不合理利⽤，导致富营养问题频发，⽔环境恶化，⽔质降低。长江中下游区域辽阔，因此本⽂在估算流失量的同时，综合冲刷、污染和河道三个过程进⾏合理地污染风险评估，以对研究区的地表氮磷污染进⾏重点区域识别。
1 材料与⽅法
1.1试验区概况新能量电力商务网
研究区位于我国东南部，地跨湖南、湖北、江西、安徽、江苏、浙江、上海六省⼀市（图1）。该区域⼤部分处于长江中下游平原，总⾯积约为9×106 km2，海拔约为5~100 m，年均温度约为14~18 ℃，年降⽔量约为1000~1500 mm。研究区属于亚热带季风⽓候，以冲积平原为主，具有较为优越的农业⽓候条件。同时长江中下游地区是我国重要的粮、油、棉⽣产基地，亦为中国⽔资源最为丰富的地区，主要河流有长江、汉江、赣江等。⼤部分城市也是我国重要的⼯农业基地，是经济和科技⽂化发达地区，其中湖南、湖北、江苏省为我国的农业⼤省，农业⽣产活动较多。双季稻是该区域的主要种植模式，⽔⽥亦是造成化肥流失的主要区域。
1.2数据资料
本研究的基础数据资料主要包括市级⾏政单元划分、农作物播种⾯积、市级化肥施⽤数据、省级化肥施⽤数据、流失系
本研究的基础数据资料主要包括市级⾏政单元划分、农作物播种⾯积、市级化肥施⽤数据、省级化肥施⽤数据、流失系数以及确定流失系数所需的相关数据。主要数据及来源见表 1。
1.3⽅法介绍
1.3.1 化肥施⽤量及施⽤强度的估算⽅法
本研究从中国统计年鉴中获取了2000—2015 年六省⼀市农⽥化肥的施⽤数据（市级）。有些年份或地区数据存在缺失，为了提⾼精确性和可利⽤性，选取了数据相对完善、年份较近的2013 年数据进⾏化肥
施⽤的空间分布特征分析。同时，对缺失数据进⾏估算，估算⽅法分为以下两种：
⼀是只存在化肥施⽤总量，⽆氮肥、磷肥和复合肥施⽤数据的市级⾏政区，采取以下公式进⾏估算：
⼆是部分2013 年统计数据缺失的市级⾏政区，取相邻年份（2012、2014）的化肥施⽤数据的平均值进⾏替代。
农⽥氮磷肥的总施⽤量包括单⼀元素肥料和复合肥中氮/磷有效成分之和。复合肥中氮磷钾有效成分采⽤通⽤型化肥⽐例15∶15∶15 进⾏计算，即：印度教父
1.3.2 地表流失量及流失率的计算
本研究以农业部出版的《全国农业⾯源污染流失系数⼿册》中的农⽥地表径流流失系数为基础，对研究区80 个市级⾏政区的农⽥氮磷流失系数进⾏查算。根据5 个要素对各⽥块的流失系数进⾏划分，即“农区-地形-梯⽥/⾮梯⽥-旱地/⽔⽥-种植类型”（例如：模式47 为“南⽅⼭地丘陵区-陡坡地-梯⽥-旱地-露地蔬菜”），获得的氮磷流失系数分别为1.5%、0.85%。根据中国科学院资源环境科学数据中⼼获取到的数据，对研究区各种要素进⾏划分，从⽽查询《全国农业⾯源污染流失系数⼿册》获得各个模式的地表氮磷流失系数。并利⽤公式（4）将各个模式升尺度，获得各市级⾏政区的氮磷流失系数µ：
式中：RL 为常规处理下，即正常施肥状态下氮/磷肥流失量，×105 t；CK 为对照处理氮/磷肥的流失量，×105 t；FA 为氮/磷肥的施⽤量，×105 t。因此，氮磷肥的流失量可由流失系数与氮磷肥施⽤量相乘获得。
1.3.3 ⾯源污染风险评价⽅法的构建
本⽂按照氮磷指数法的思路，构建农⽥⾯源污染风险⽅法评价，该⽅法是综合考虑了影响农业⾯源污染的主要因⼦，评价流域内不同地区发⽣氮磷流失危险性⾼低的⼀种⽅法。该⽅法考虑三种影响氮磷流失过程的因⼦，即主要考虑冲刷过程（坡⾯迁移能⼒）、污染过程（污染物多少）和河道过程（造成⽔污染的可能性）。其中，冲刷过程主要考虑降⾬因⼦，污染过程主要考虑氮磷流失量，河道过程主要考虑河⽹密度。降⾬数据以研究区的年平均降⾬量数据为准，氮磷流失量以本⽂计算为准，⽽河⽹密度则以⽔系数据为基础经简化计算获得（将河⽹长度除以⾏政区⾯积）。
⾯源农⽥污染风险等级构建如下：⾸先，市级⾏政区的农⽥氮磷流失量、河⽹密度、降⾬等因素的数值进⾏归⼀化处理，见公式（6）和公式（7）；其次，将各因⼦归⼀化的值相乘，计算氮磷潜在危险性指数，为了简化计算过程，本研究将各影响因⼦赋予相同的权重；最后，由⾼到低进⾏排序，并将各⾏政区的风险值分为若⼲等级，在此基础上识别⾯源污染风险的重点区域。
式中：xi 为各个因⼦的实际值；xmin 为80 个市级⾏政区中的最⼩值；xmax 为80 个市级⾏政区中的最⼤值；x*i 为各个因⼦归⼀化处理后所得的值。最终得到相应的污染分级⽅案如表 2所⽰。
hdcopy2 结果与讨论
2.1化肥施⽤的时空分布特征分析
2.1化肥施⽤的时空分布特征分析
2.1.1 化肥施⽤的时间变化特征
三个代表论文长江中下游地区六省⼀市施肥总量的时间变化趋势如图 2所⽰。⾃1996 年⾄2015 年20 年内，施肥总量波动不⼤，总体呈现上升趋势，施肥总量范围在1.233×108~1.513×108 t 之间，约占全国化肥施⽤总量的30%。由此说明，研究区所处的六省⼀市⼀直为我国的农业中⼼。⾃2011 年起，施肥总量达到1.5×108 t，2015 年再次下降⾄1.4×108 t，这与2014年我国提出的适时开征化肥税引导农民减少化肥的过度施⽤有关。其中，对于各类化肥施⽤来说，氮、磷、钾肥施⽤量基本保持不变，波动较⼩，氮、磷、钾、复合肥所占⽐例的均值分别为47.97%、16.07%、9.67%、26.29%。可以看出，氮肥施⽤量最⾼，钾肥施⽤量最低，⽽复合肥施⽤呈现明显上升趋势。
在农⽥化肥所含有的三种元素中，氮、磷仍是农⽥化肥所含的主要元素，也是造成农业⾯源污染的潜在关键元素，因此氮磷流失是本研究所要关注的重点内容。同时，粮⾷产量⾃2003 年⾄2012 年呈现上升趋势，⾄2012 年粮⾷产量已达1.508×109 t，⽽当年我国粮⾷总产量为5.896×109 t，实现粮⾷产量“九连增”，⽽研究区粮⾷总产量约为全国的25.58%。同样的，2012 年⾄2015 年研究区的粮⾷产量也呈现上升趋势，⽽1996 年⾄2003 年粮⾷产量呈现下降趋势。由此可以看出，化肥施⽤量的增加在⼀定程度上促进粮⾷增产，但化肥施⽤和粮⾷产量没有呈现完全的正相关，合理的化肥施⽤更能保障粮⾷产量和环境管理。
2.1.2 化肥施⽤的空间分布特征
长江中下游地区幅员辽阔，各个省市的社会经济和⾃然环境状况存在明显差异。因此，本研究利⽤地理信息系统进⾏空间分布特征分析，如图3所⽰。为了更直观地显⽰市级⾏政区的氮磷施⽤状况，采⽤化肥施⽤强度作为评估指标。对于氮肥施⽤强度来说，湖南省是施⽤强度最⼤的省份，东部地区都为⾼氮肥施⽤强度区，西部地区处于较⾼氮肥施⽤强度地区；相⽐之下，江西省和上海市的⼤部分区域氮肥施⽤强度都处于较低⽔平；磷肥施⽤强度与氮肥施⽤强度呈现出明显差异。湖南省东部和湖北省的中部属于磷肥流失强度较⾼的区域，对这⼏个市级⾏政区依次排序为湘潭市>益阳市>常德市>宜昌市>岳阳市>襄樊市；⽽浙江省、江西省和上海市的⼤部分地区磷肥施⽤强度较低。
综上所述，湖南省为六省⼀市中氮肥施⽤强度最⼤的省份，⽽磷肥施⽤强度较⾼的为湖南湖北两省的部分区域。因此，对于肥料施⽤控制管理，应具体位置具体分析，同⼀个省份不同市级单位的化肥施⽤量仍具有⼀定的差异。同时，上海市的氮磷施⽤强度⼀直处于较低⽔平，这与上海城市化⽔平较⾼、农⽥⾯积⽐例较⼩有关。
2.2农⽥化肥氮磷流失特征
不同的流失率将直接导致氮磷流失量的不同，农⽥化肥氮磷流失量的空间分布如图 4 所⽰。总体来说，湖南省是氮磷流失的主要区域。对于氮肥流失量，湖南省处于⾼流失量的市级⾏政区排序为：益阳市（7.66×103 t）>岳阳市（7.31×103 t）>衡阳市（7.16×103 t）>永州市（6.05×103t）>长沙市（
5.37×103 t）>邵阳市（5.26×103 t），其次湖南省的郴州市、株洲市、湘潭市以及湖北省的襄樊市和江苏省的徐州市、盐城市属于次⾼氮流失区；相⽐之下，江西省和浙江省的⼤部分区域和上海市都属于氮肥流失较少的区域。
总体上来看，研究区氮肥流失量处于0.521×103~1.214×103 t 范围的居多。对于磷肥流失量，湖南省具有较⾼流失量的市级⾏政区排序为：常德市（2.69×103 t）>益阳市（1.97×103 t）>岳阳市（1.81×103 t）>衡阳市（1.73×103 t），湖南省的其他市级⾏政区磷流失量也属于较⾼⽔平；同时，其他五省⼀市的磷流失量基本⼩于1000 t，尤其是浙江省的全部区域磷的流失量⼩于200 t。总体上来看，研究区磷肥流失量处于0.154×103~0.381×103 t 范围的居多。
氮磷流失强度分布如图 5所⽰。对于氮肥施⽤强度来说，研究区流失强度的平均值为2.41 kg·hm-2·a-1；⽽湖南省⼤部分地区都属于氮肥流失强度较⾼地区，氮肥施⽤强度远⾼于平均⽔平，对这⼏个市级⾏政区依次排序为常德市>岳阳市>长沙市>株洲市>衡阳市>永州市>郴州市>娄底市>邵阳市，湖北省的襄樊市和宜昌市、江苏省的北部地区氮肥流失强度也处于较⾼⽔平；⽽江西省⼤部分地区氮肥流失强度都处于较低⽔平。对于磷肥施⽤强度，研究区流失强度的平均值为0.61 kg·hm-2·a-1。与氮肥流失强度相同，湖南省⼤部分地区都属于磷肥流失强度较⾼地区，其中湖南省的东北部属于流失强度最⾼的地区，对这⼏个市级⾏政区依次排序为湘潭市>益阳市>常德市>岳阳市>长沙市>株洲市；⽽安徽省、江西省和江苏省的⼤部分地区磷肥流失强度较低。
综上所述，湖南省为氮肥、磷肥流失强度最⼤的⼀个省份，同时氮肥、磷肥的流失强度在空间分布上稍有不同。这与不同地区的种植模式有关，也与氮磷元素在⾃然界中的形态有关，氮以溶解态为主，磷以吸附态为主，氮肥与磷肥相⽐更
同地区的种植模式有关，也与氮磷元素在⾃然界中的形态有关，氮以溶解态为主，磷以吸附态为主，氮肥与磷肥相⽐更易流失。
2.3农⽥⾯源污染风险评估
利⽤1.3.3 的⽅法对长江中下游地区六省⼀市开展农⽥⾯源污染重点区域识别，风险分级结果如图 6所⽰。总体上来看，⼤部分⾼流失强度区域亦是⾼污染风险区，但有些区域，例如江苏省的苏州市，磷肥流失强度为0.351 kg·hm-2·a-1，却处于较⾼流失风险区，这与苏州市临近长江，河⽹密度较⼤有关。同时，氮磷地表流失污染存在着⼀定的空间差异，但湖南省中东部地区同时处于氮磷流失的⾼风险区，上海市和安徽省的北部地区同时处于氮磷流失的低风险区。对于农⽥氮污染风险分区，湖南省的11 个市级⾏政单元、安徽省的铜陵市和芜湖市、江苏省的淮安市和宿迁市、湖北省的鄂州市属于⾼污染风险区；湖南省的其他地区均属于较⾼污染风险区，其他五省也均有分布；相⽐之下，上海市、安徽省北部和江西省的⼤部分地区都处于氮的低污染风险区；同时，⾼污染风险区约占研究区⾯积的20.27%，湖南省⾼污染风险区约占总⾯积的75.19%。对于磷地表径流污染风险分区，湖南省的11 个
市级⾏政单元、安徽省的安庆市和铜陵市、湖北省的鄂州市、江西省的南昌市属于⾼污染风险区；湖南省的其他地区均属于较⾼污染风险区，除浙江省外其他四省也均有分布；相⽐之下，上海市、安徽省北部和南部、江西省东部部分区域处于氮的低污染风险区；同时，⾼污染风险区约占研究区⾯积的20.07%，湖南省⾼污染风险区与氮肥⾼污染风险区相同，约占总⾯积的75.19%。
综上所述，湖南省为氮磷流失的⾼风险区域，上海市为氮磷流失的低风险区域，其他五省以中、低污染风险为主。因此，长江中下游地区所处的六省⼀市污染防治宜“以防为主，以治为辅”，但对于湖南省的⾼污染风险区域应加强控制措施。
3 结论
本研究以长江中下游所处的六省⼀市为研究区，调研了区域内市级⾏政区化肥数据及农作物播种⾯积，以农⽥氮磷流失系数为基础计算出对应的流失量，并利⽤地理信息系统进⾏了降⾬量和河⽹密度的空间分析，确定了农⽥污染风险等级。该⽅法可直观地⽐较各市级⾏政区的氮磷流失量，识别农⽥污染⾼风险区，为农⽥⾯源防控和⽔环境治理提供理论基础。
案例研究结果表明，近20 年来，研究区化肥施⽤量呈现上升趋势。湖南省是氮肥施⽤强度和流失强度最⼤的省份。湖南、湖北则为磷肥施⽤强度较⾼的区域，该区域氮磷流失强度的平均值分别为2.41、0.61kg·hm-2·a-1。从风险分级的⾓度，农业化肥对周边⽔体的⾼污染风险区为湖南省，上海市为低风
险区域，其他五省则以中、低污染风险为主。
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