磷指數模型在美國的應用和發展

關鍵詞：磷指數；非點源污染；磷素遷移；評價體系；流失風險

磷是植物生長所必需的營養元素之一，在農業生產中起著關鍵作用。然而，農業生產中過量的磷素可在降雨、徑流、灌溉排水等自然與人為活動因子驅動下，進入湖泊、河流等受納水體，引起農業面源污染和水體富營養化。農業面源污染具有空間分布廣泛性、不確定性等特點。因此，如何識別面源磷流失潛在高風險區是當前研究熱點。在對磷污染研究的眾多模型中，磷指數模型（Phosphorus index）于20世紀90年代由Lemunvon提出，是用于評估農田徑流磷損失潛力、指導磷管理決策的工具，具有操作性高、普適性強等特點。磷指數模型評價體系包括因子組成、權重取值、磷指數計算3個環節，是將土壤磷含量、地形、氣候和土地利用等農田特征系統性整合至農田磷損失潛力的預測。

通過場地評估確定磷污染關鍵區是美國現代養分管理規劃的一個基本組成部分，現場評估工具是為了適應特定地理區域的各種現場條件而開發的。目前美國已有49個州對磷指數模型進行了應用和修正，其在各州的發展過程體現出較大的差異性和獨特性。本文首先綜述了磷指數模型在美國各州應用與發展的異同，凸顯了模型在其應用過程中的優缺點，然后對其局限性進行了分析和討論，進而從磷指數模型本土化應用的角度，提出未來在我國應用磷指數模型進行磷素管理的建議。

1磷指數模型概述

磷指數建立在“源”和“匯”的因素框架上，這兩個因素相結合可以量化農田對徑流中磷素流失的相對脆弱性。21世紀初美國環保局和美國農業部對農場營養元素徑流流失問題的重視，使得磷指數成為美國農田管理中最常見的營養管理方法。磷指數建立的最初目的是：①評估磷素從農田遷移到水體的風險；②確定影響磷流失的關鍵參數；③幫助確定管理實踐，以減少磷流失。盡管磷指數在美國得到了廣泛的應用，但磷素仍然是造成美國大部分地表水體受損的主要原因之一。磷指數評級的標準是否準確可靠、權重因子選取的依據是否充分、各州之間評級是否一致等問題使磷指數評價結果的可靠性受到影響。

磷指數應用之前，一般通過量化土壤測試磷和地表徑流中磷濃度的關系對磷流失進行不完整評估。研究發現，在不施用磷肥的情況下，磷的地表徑流損失與土壤全磷含量有關；在施用磷肥的情況下，地表徑流磷濃度與施肥呈顯著正相關關系。DeLaune等發現，在阿肯色州牧場施用家禽糞便對徑流中磷損失的影響超過了土壤全磷含量的影響。Pierson等觀察到．對于家禽養殖業來說，家禽糞便等對徑流中磷濃度的殘留影響可能會持續一年以上，每年施用糞肥使徑流磷損失不斷增加。除土壤測試磷之外的其他變量也會導致磷流失。Pote等的研究表明，土壤侵蝕敏感性造成了地點空間磷損失量的差異。因此，僅使用土壤測試磷不能全面反映磷素的潛在流失風險。

1993年，Lemunyon等首次提出了磷指數模型，該方法選取了土壤養分磷背景值、化學磷肥和有機磷肥的施用量、施用時間、土壤侵蝕、地表徑流等8個因子構建評價指標體系，根據每個因子測定值又劃分為5個等級（無、低、中、高、極高），每個等級對應一個等級值（0、1、2、4、8），通過賦予每個因子相應的權重值，加合計算得到磷指數，最后將計算的磷指數從小到大分為4類風險等級（低、中、高、很高），從而獲得研究區域磷流失的潛在風險空間分布狀況，識別出磷流失高風險區。磷的流失受到多種因子的影響。2000年，Pionke等根據各因子對磷流失的作用不同將其分為源因子和遷移因子，源因子包括土壤養分磷背景值、化肥和有機肥的施用量、施用方式和施用時間等，遷移因子包括土壤侵蝕、地表徑流、農田距河流的距離等。

2美國各州磷指數模型組成因子的差異

磷指數模型是一種用于評估農田磷排放風險的工具，能夠識別出磷流失高風險區，在美國的一些州及歐洲等發達地區得到了廣泛應用。該模型考慮了土壤類型、坡度和土地管理措施等多個因素，以確定磷對地表水體的排放風險。自磷指數提出以來，其在應用過程中一直不斷地被改進和完善。磷指數的應用是建立在各州地理特征基礎上的，各分區、州的情況各有不同。例如美國南部地區為確保各站點評估結果的一致性，用農田水的水質數據和模擬數據評估磷指數；美國東北部地區以紐約州磷指數為基礎進行修正和應用，引入最佳管理政策作為源因子；美國中西部地區大多將磷指數模型作為一種監管工具，以確保能及時調整政策，減少富營養化出現的機率；美國西部干旱地區為灌溉農業，因此將灌溉水利用系數引入源因子。各地區、州根據當地實際影響磷流失的因素，調整和改進磷指數模型，使其能更準確地評估當地的磷素流失風險。美國各州土壤、氣候條件、農業環境和使用條件的不同，以及各州法律法規和政策的差異，導致各州磷指數模型的差異性突出。磷指數模型的差異性主要表現在源因子和遷移因子的選定上。源因子指磷素流失的發生源及其影響因子，遷移因子主要指影響從土壤流失的養分向河道及受納水體遷移過程的各個因子。各州分級標準的差異使得跨州之間難以有標準化的磷指數模型框架。為規避先前州與州之間在分級標準、因子選取、計算方式等方面的差異導致的模型評價結果的不確定性，美國各區域、州逐漸形成以某一個州的磷指數模型為基礎，再根據各州的基本情況進行優化磷指數模型。如中西部地區以愛荷華州磷指數模型為基礎；東北部地區以紐約州磷指數模型為基礎等。本文以美國4個地理分區為基礎，分別對四大區域在應用磷指數模型過程中的差異性進行綜述。

2.1美國南部地區

美國南部地區建立的磷指數模型評價體系一般將Mehlich-3P為土壤磷素水平的衡量指標，但在應用過程中，土壤磷素水平的使用條件也各有不同。例如肯塔基州的磷指數模型使用前提是目標區域土壤有效磷值必須達到200mg·kg-1（4001b-ac·1）。肯塔基州磷指數模型未區分源因子和遷移因子，而是直接對選定的10個特征因子進行評估，并對每個特征因子進行加權。阿拉巴馬州磷指數模型在其環境特點基礎上增加了牧場動物量、地下排污口和受納水體的水質作為磷指數模型因子。阿肯色州磷指數模型引入了洪水泛濫頻率和最佳管理措施（BMP），并將施肥時間和施肥方式納入遷移因子。佛羅里達州和路易斯安納州的磷指數模型引入了人工排水措施。北卡羅來納州和喬治亞州的磷指數模型考慮了3種流失途徑：①顆粒態磷和固體廢物；②可溶性磷；③地下排水。俄克拉荷馬州磷指數模型的源因子包括土壤測試磷、施用方法、侵蝕、坡度、洪水泛濫的頻率、土壤的深度等，遷移因子包括磷風險評級、允許施用的P205數量、施肥方法和用以減小磷流失的最佳管理措施。南卡羅來納州的磷指數模型引入了地下排水因子，除了源因子與遷移因子外，其將緩沖區特征作為單獨的評價標準。德克薩斯州的東部和西部根據其不同的地形特點對磷流失的風險評級有不同的標準。

2.2美國東北部地區

東北部地區的磷指數（NE-PI）是一種田間管理工具，旨在評估紐約州、康涅狄格州、馬薩諸塞州、緬因州、羅德島州和新罕布什爾州農田磷流失的相對風險。東北部地區磷指數模型以紐約州磷指數（NY-PI2.0）為基礎，根據各州的實際場地特征進行調整應用。東北部地區磷指數是用遷移因子乘以最佳管理實踐方法，其中根據驅動農田糞便和肥料磷運輸的因素對農田進行評分，并且可以通過實施降低磷運輸風險的最佳管理政策來降低評分。東北部地區不估計實際的磷損失，而是對顆粒態磷和溶解態磷徑流的相對風險進行評級，旨在降低磷流失風險。東北部地區磷指數根據從農場記錄、土壤侵蝕控制計劃、糞肥和施肥計劃以及實地考察中獲得的信息，得出每個周期養分管理計劃的相對風險評分。紐約州的磷指數模型將源因子換成了最佳管理措施，同時它也包含了可能造成大量磷富集的因素，如施肥方式等。

2.3美國中西部地區

內布拉斯加州的磷指數模型是以愛荷華州的磷指數模型為基礎，再結合本州的環境條件加以改進。內布拉斯加州的動物廢棄物和牧草會產生大量的磷源，極易造成周圍水體的富營養化。為降低磷流失導致水體富營養化的風險，每隔5年就需要在有大量飼養動物的農場或牧地使用磷指數模型進行磷流失的風險評估。內布拉斯加州磷指數模型傾向于評估磷的流失風險，因此它的3個主要部分為：侵蝕組分、徑流組分和灌溉組分。前兩個部分的考慮因素與愛荷華州類似，灌溉組分主要考慮噴灌和畦灌所造成的磷損失。堪薩斯州因為未考慮土壤背景磷值，其磷指數的評估結果與實際情況不符，在堪薩斯州將土壤背景值、噴灌和畦灌造成的磷流失納入模型后，計算結果符合實際情況。密蘇里州的磷指數模型包含顆粒態磷和溶解態磷兩個部分，顆粒態磷部分計算考慮的因素有顆粒態有機磷、土壤侵蝕、泥沙輸移比，溶解態磷部分計算考慮的因素有可溶性活性磷、徑流量、徑流曲線數。這種計算方式與馬里蘭州和愛荷華州的計算方式類似，土壤侵蝕和土壤徑流分別會造成顆粒態磷和溶解態磷的流失。俄亥俄州和威斯康星州臨近蘇必利爾湖和密歇根湖。俄亥俄州的磷指數模型主要是為了分辨出特定站點的磷流失風險的高低；威斯康星州的磷指數模型是用來評估特定站點的邊緣磷流失風險，它對地表徑流中的磷流失風險評估有限，也不適用于評估淺地表排水和人工排水造成的磷流失風險。這兩個州的磷指數模型在農田和牧場條件下都可以使用。俄亥俄州的磷指數模型共有9個因子，各因子分開考慮，根據其對磷遷移的貢獻程度設定其權重值，最后將這9個因子得到的值相加。威斯康星州的磷指數模型與密蘇里州的磷指數模型類似，都將其分為了顆粒態磷和溶解態磷，但威斯康星州的磷指數模型增加了田邊與水體表面的輸送情況。北達科塔州、科羅拉多州、蒙大拿州這3個州在使用磷指數模型前，先使用篩選工具找出有高磷流失風險的站點后，然后再使用磷指數模型對該站點進行評估。明尼蘇達州天氣極端，冬季寒冷，降雪較多，其磷指數模型考慮的是造成磷流失的每一條單獨的途徑，共有3條途徑：①降雨徑流中的沉積磷；②降雨徑流中的可溶性磷；③融雪徑流中的總磷。其中，融雪中的磷流失是主要途徑。

2.4美國西部地區

加利福尼亞州先使用篩選工具對目標水域進行評估，排除不受磷影響的地表水和對水質無影響的流域。俄勒岡州的西部和東部地區的種植類型、耕作方式，甚至是氣候條件和土壤背景磷值都有很大的不同，因此磷指數模型也不同，具體表現在其取值的不同上。華盛頓州的磷指數模型與俄勒岡州相似。

3磷指數模型計算方法的差異

20世紀90年代，Lemunyon等首次提出了磷評估工具的概念，即磷指數（Phosphorus Index．PI）法，用于評價農田到受納水體的磷流失風險。該方法包括土壤侵蝕、灌溉侵蝕、徑流、土壤有效磷、磷肥和有機肥的施用率及施用方法等，對各特征進行權重賦值，并為每個特征的每個級別分配等級值，使用公式（1）計算磷指數：

該方法的輸入數據易于獲取，相對而言計算也更為簡單。但該方法對這些影響因子僅進行了單一的計算，只考慮了每個因子對磷流失的單獨影響，未充分考慮到各個因子之間的相互影響。除了權重賦值不同，所有因子都是等效的，因此在實際應用中會造成較大偏差。美國許多州仍在使用將各因子相加的計算方法，例如阿拉巴馬州、科羅拉多州、俄亥俄州、華盛頓州、俄克拉荷馬州、肯塔基州、德克薩斯州等。

2000年，Gburek等對磷指數模型進行了修正，其結合水文重現期來估計受納水體附近的貢獻距離，基于影響因子的不同特點將其劃分為源因子和遷移因子，并對此前模型中的各個影響因子進行評估和改進，提出了以源因子和遷移因子的乘法運算公式（2）代替之前的加法運算。乘法關系更能真實地反映磷流失的區域，即關鍵源區是高磷源因子和高磷遷移因子相重疊的區域，評價源因子和遷移因子在田間尺度上的相互作用，更能準確地描述在流域尺度上田間與河流的連通性，從而進一步提高了模型的準確性。

相加一相乘法是目前使用最廣泛的磷指數計算方法之一，該方法在美國的賓夕法尼亞州和佛羅里達州以及丹麥的很多地區都被廣泛應用。距離因子的引入，使得磷指數模型更多地被應用于流域尺度的磷流失風險評估。例如，Hughes等在田塊和流域兩種尺度下利用磷指數模型評估愛爾蘭地區的磷流失風險，并根據磷流失風險情況提出了磷流失分級方案。

考慮到不同源因子的遷移途徑不同，通過不同遷移途徑流失的磷在形態上和數量上也不相同，因而分別計算每個遷移方式的磷流失，然后相加得到的磷指數值更加符合實際。美國愛荷華州、威斯康星州、維吉尼亞州等采用相乘一相加法來計算磷流失情況：首先根據遷移途徑的不同將遷移方式劃分為土壤侵蝕、地表徑流、地下排水3個部分；然后根據相乘法計算每部分的磷指數值；最后相加匯總得到最終的磷指數值，如公式（3）所示：

喬治亞州磷指數模型將來源、遷移和管理措施三者綜合考慮，采用的是相乘一相加法，其將磷指數模型的計算方式改進后，得到一個可以對農田磷負荷進行定性的磷指數模型。馬里蘭州、愛荷華州、內布拉斯加州和賓夕法尼亞州等州采用的是相加一相乘法。馬里蘭州的磷指數雖然采用相加一相乘法得到，但其模型仍然是對每一條途徑可能造成的磷流失分開估計，例如淺地表排水這一項，影響其值大小的因素有兩個，一是季節性高水位時的深度，二是土壤排水的類型，這兩個因素都要考慮，最后計算得到淺地表排水的評估值。愛荷華州在應用磷指數模型時采用相加一相乘法，其更加注重磷運移至地表水的情況，而不僅是磷流失風險。內布拉斯加州同樣采用相加一相乘法，但其更傾向于評估磷的流失風險。俄亥俄州的磷指數模型一共有9個因子，各因子分開考慮，根據其對磷遷移的貢獻程度設定其權重值，最后將這9個因子得到的值相加。隨著各州對磷指數計算方法的逐漸發展完善（圖1），其準確性和適用性得到了提升。

4磷指數模型分級標準的差異

各州評估特定站點的磷流失風險是根據磷指數模型計算得到的結果判斷該點所對應的評級。除了阿拉巴馬州、俄克拉荷馬州、德克薩斯州和威斯康星州以外，其余的州都采用“低、中、高、非常高”來對最后的結果進行評級。德克薩斯州增加了“極低”，將“非常高”改為“極高”，威斯康星州使用磷指數模型計算得出一個具體的值，用于表示年均磷流失量 。美國南部地區氣候多樣，包含溫帶、亞熱帶、熱帶和干旱帶，分布著混合農業區、棉花帶和亞熱帶作物帶，因此其分級標準取值也有所不同。由于各州的計算方法、使用條件、使用環境不同，其因子的取值標準也不同，對使用磷指數模型評估磷流失風險的結果也有所不同，其評級結果缺乏統一標準。例如佛羅里達州磷指數計算結果“lt;75”對應“低”，而喬治亞州磷指數的計算結果在“0～40”對應“低”這一標準，路易斯安那州磷指數計算結果在“lt;600”就達到了低磷流失風險。但在美國東部地區，各州的分級取值范圍差異較小，特拉華州、馬里蘭州、紐約州分級取值范圍分別是：lt;50為低、50～74為中、75～99為高、≥100為非常高；賓夕法尼亞州分級取值范圍是：lt;59為低、60～79為中、80～99為高、≥100為非常高；弗吉尼亞州分級取值范圍是：≤30為低、31～60為中、61～100為高、gt;100為非常高；西弗吉尼亞州分級取值范圍是：≤35為低、36～70為中、71～100為高、gt;100為非常高。

在美國49個州應用的磷指數中，有17個州的磷指數通過與其他磷指數的磷損失評級進行比較來評估。對同一農田的磷指數評估進行比較，發現磷指數評級之間存在較大差異，并確定磷損失因素的變化對磷指數評級的影響不一致。雖然各指數之間的磷損失等級有助于識別磷指數之間的差異，但并不能表明磷指數是否是準確的風險評估工具。在美國49個州的應用中，磷損失評價包括徑流模擬研究的測量數據，農田尺度磷損失研究的測量數據，以及流域或農田尺度模型的模擬數據。利用野外尺度的自然徑流評價磷指數是最常見的方法（表1），由于所評價的磷指數的目的和方法的不同，評價結果各不相同。

5局限性

磷指數模型考慮到了可能影響磷流失的廣泛因素，這使得其對磷管理需求的評估更加準確，能有效地確定磷管理措施的目標，減少過度施用磷肥，最大限度地減少磷對環境的損失。在發達國家，磷指數被農民和研究人員廣泛接受和使用，成為磷素管理的有效工具。而在發展中國家，農民大多依賴傳統的磷素管理辦法。當磷損失風險較低時，磷指數會導致過量施用磷肥，這會導致磷在田間持續積累從而失衡；當磷損失風險較高時，磷肥的施用量要和作物磷的吸收量達到平衡，從而實現農田磷養分平衡。所以在運用磷指數評估磷流失風險時，需要以磷損失量為基礎。在應用過程中，磷指數還存在一些局限性。例如：磷指數是基于土壤測試值進行計算，不能準確反映農田的實際磷損失；磷指數沒有考慮到其他可能影響磷流失的因素，如動物排泄、作物吸收等；由于各區域的營養物質、土地管理、景觀屬性、氣候和主要的水文過程差異較大，全球范圍內磷指數模型的使用具有較大差異性，導致其評估準確性受到影響；在估算磷指數的過程中，數據獲取、參數優化是一個勞動密集型的復雜過程；磷指數在其應用過程中分級標準的差異性，影響因子選取是否有充分依據等原因使其評價結果缺乏對比性。盡管如此，磷指數在促進環境可持續的糧食生產方面的重要性是不容否認的。磷指數模型還需要進一步的研究來提高其準確性．以便更好地服務于全球范圍內面源磷素污染的管理。

6對我國的借鑒意義

我國是農業大國，為提高農業生產效益，截至2016年，我國磷肥施用量呈增加態勢，磷肥過量施用造成土壤磷素累積的現象非常普遍。土壤磷庫的空間分異特征使得針對性的磷素管理尤為重要。然而，在磷肥施用過程中，“哪里減、減多少、怎么減”缺乏一個清晰系統的認識。如何識別非點源污染的關鍵源區，將磷肥有針對性地施用于最需要的田地，將有助于提升環境治理的成本效益。

我國應用磷指數模型起步較晚，2003年張淑榮等首次在于橋水庫流域應用了磷指數，其選取土壤侵蝕、地表徑流、潛在污染源距水體的距離、土壤磷含量、化肥磷施用量和施用方法6個因子，識別出小流域磷流失高風險區。自此，研究人員分別在潮河流域、媯水河流域耕作區、巢湖流域、鳳羽河流域、海河流域、南方丘陵小流域等地建立磷指數模型。在實際應用過程中，磷指數計算結果與實際情況相符，在我國使用具有合理性。例如我國在不斷完善磷指數模型的過程中，綜合考慮了磷流失風險的主要影響因素，充分考慮了社會經濟條件和土地利用等變化的影響，更加直觀地識別出磷流失的關鍵因子，揭示出磷的主要來源和關鍵區。但大多數研究以流域為尺度，且在因子選擇、分級標準等方面缺乏統一的標準，具有主觀性，因此還需要進一步探索和細化。

我國在未來應用磷指數模型時，可以從以下幾個方面進行優化：①以當地的實際生態環境狀況為基礎，確定區域內共同的磷指數框架，從而增強其應用的標準化和推廣性，以便研究機構、政府部門識別關鍵污染區域并實施戰略性的最佳管理實踐；②在我國農業系統中溝渠灌排系統在磷素遷移中起到了重要的作用，在小區域磷指數模型的應用過程中，需要量化溝渠對于磷素攔截的作用，將其納入磷指數模型計算因子中；③將磷指數框架建立在生態區的基礎上，考慮將水體對磷輸入的敏感性以及特定地點生物反應的變量納入指數框架；④運用模型模擬對比驗證磷指數評價結果的準確性，更精準地預測出磷素高風險地區，有效進行磷素管理；⑤在實際應用過程中，要與當地政府、農技部門和農民緊密聯系，發揮磷指數模型易操作的特點，使之成為磷素管理的有效工具。

綜上所述，磷指數模型是一個評估磷管理需求和指導農業磷管理決策的有效工具，它考慮到了可能影響磷損失的多種因素，可以對磷管理需求進行更精準的評估，對指導我國農田磷素管理具有借鑒意義。