2001一2021年中國化肥施用環境風險及其脫鉤研究

中圖分類號：F224 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）05-0229-03

DOI： 10.3969/j.issn.1008-9500.2025.05.069

Abstract： This paper takes the provincial boundaryas theunit to calculate the non-point source polution emissions of fertilizers ineachregion.ArcGIS software isusedtoanalyzethespatialpattrnoffertilizerappicationamount，fertilizer non-point source pollution emisions，and grain yield.Deviation standardization and environmental risk assessment modelsare used toevaluate theenvironmental risksoffertilizerapplication.The Tapiodecoupling model isused to study the coordination relationship between fertilizer application amount and grain yield.Research has shown thatthe spatial distributionoffertilizer applicationis graduallydispersing，and grainproductionis more concentrated inthenorthsouth direction.The hotspots of non-point source pollution emissions are expanding towards the northwest.The relationship between fertilizer applicationand grain yield has shifted from strong negativedecoupling to strongdecoupling，and the eficiencyoffertilizerusehassignificantlyimproved，whichisinline withtheidealdevelopmenttrend.Thisstudyprovides technicalandtheoretical guidanceforthecontroloffertilizernon-pointsourcepollutionandthepromotionoffertilizationin grain production， which is helpful for achieving sustainable agricultural development.

Keywords： fertilizer application; environmental risk; decoupling

根據聯合國報告，全球糧食生產需在未來30年內大幅增加，以應對糧食危機，而化肥作為提升產量的關鍵，其大量使用卻引發了土地退化、生態平衡破壞及面源污染等問題。本研究利用產污系數計算中國省級區域的化肥面源污染排放量，利用ArcGIS軟件分析化肥施用、糧食產量及污染排放的空間特征，運用環境風險模型評估各省份的化肥污染環境風險等級及變化。本研究旨在為降低化肥面源污染、制定農業生產管理適應性策略提供科學依據，助力實現糧食生產與環境保護的雙贏。

1數據來源與研究方法

1.1 數據來源

研究區包括中國31個省市，不含臺灣省、澳門特別行政區、香港特別行政區。各種化肥施用量、糧食產量及播種面積等數據來自2003—2023年中國農村統計年鑒，地理數據來源于天地圖服務網站的GS（2024）0650號標準地圖。

1.2 研究方法

1.2.1 污染物計算

以省域邊界為單元核算各區域化肥面源污染排放。第一，考慮化肥施用量及施用結構造成的污染，氮肥、磷肥是造成環境污染的主要來源，鉀肥不會直接造成面源污染，故以總氮（TotalNitrogen，TN）和總磷（TotalPhosphorus，TP）衡量化肥面源污染的指標。第二，將污染物定為氮肥、磷肥和復合肥3種，以氮肥、磷肥、復合肥的折純量為計算指標。第三，確定單元排放系數，用產污系數乘以化肥流失率計算得出排放系數。第四，利用式（1）計算化肥面源污染排放總量和排放強度。

式中： C 為化肥面源污染物排放總量； C_ij 為省域單元 i 的TN 和TP排放量； U_ij 為省域單元 i 產生的第 j 種污染物； N_i 為省域單元 i 的氮肥、磷肥和復合肥施用量統計值； λ_ij 為省域單元 i 污染物 j 的產污系數； σ_ij 為省域單元 i 第 j 種化肥的流失率； σ_i 為省域單元 i 的流失率。

1.2.2 環境風險評價

環境風險評價是對化肥面源污染物流入土壤產生的危害進行定量、認定的過程[?；拭嬖次廴疚锏奈廴境潭扔胁淮_定性，因此采用 0～1 的數字表示。數字趨近于1，污染風險程度越大，數字越靠近0，風險程度越大。化肥施用是否產生污染的環境風險與化肥施用環境安全閾值有關。環境安全閾值是環境風險與環境安全的臨界點，化肥施用量大于安全閾值，則存在面源污染的環境風險。

由于TN、TP的數值水平相差較大，因此對TN、TP污染總量數值進行離差標準化（min-max標準化），使指標值處在 0～1 。運用劉欽普[2提出的模型對化肥施用環境風險進行評價，再對TN、TP污染總量標準化值按氮、磷風險權重加和，得到污染綜合指數。

轉換函數為

式中： R_i 為 TN 、TP污染排放總量的第 i 個要素的標準化值； I_i 為 TN、TP的第 i 個要素的污染排放總量值； I_min 為 ΔTN 、TP 污染排放總量的最小值； I_max 為 ΔTN 、TP污染排放總量的最大值； R_t 為施肥環境風險總指數； W_i 為單質化肥施用風險權重，參考現有研究結果[3]，本研究中氮、磷風險權重分別取0.714和 0.286

式（3）、式（4）中的 R_i 與 R_t 介于 0～1 。當R_i=0.5 時，施肥環境安全風險處于臨界點[4；當 R_i? （204R_t 趨近1時，環境化肥污染存在極嚴重風險；當 R_i? R_t 趨近0時，施用化肥處于有機合理狀態。根據環境風險指數偏離0.5的程度，把化肥污染環境風險程度從環境安全到極嚴重風險分為6個不同的等級類型和警度等級。根據 R_t 值確定化肥面源污染風險排序和風險警度級別，以此為依據確定重點控制區域。

1.2.3Tapio 脫鉤模型

脫鉤用于研究經濟增長與環境壓力間的關系，反映經濟增長與資源消耗相互脫離的趨勢[5。本研究采用脫鉤模型揭示一定時期內糧食生產與化肥施用的關系，即2001一2021年化肥施用量與糧食產量的變化量之比，借此來判斷農業生產與化肥面源污染排放的協調狀況。其計算公式為

式中： D 為農業生產與化肥面源污染的脫鉤指數； ΔE 為化肥使用量的變化量； ΔY 為糧食產量的變化量； E_i 、 E_i-1 分別為基期、末期的化肥使用量； ∣Y_i? Y_i-1 分別為基期、末期的糧食產量。

2化肥施用量、糧食產量、面源污染排放空間分布格局分析

為進一步分析化肥施用量、糧食產量、面源污染排放的差異和空間分布格局，利用ArcGIS軟件對化肥施用量、糧食產量、面源污染排放進行分析，并利用自然斷點法將其劃分為5個水平[6-9]。整體來看，化肥施用空間分布逐漸分散，糧食產量南北集中，面源污染排放熱點向西北擴張，這些變化反映了中國農業生產的動態特征，并深刻影響了環境與糧食生產。

從化肥施用量看，2001一2021年，中國化肥施用量的地區差異顯著。高用量地區包括江蘇省、山東省、河南省，內蒙古自治區、遼寧省等9個地區，北京市、上海市等7個地區的用量持續低，山西省等地區的用量由中低變為更低。

從糧食產量看，2001—2021年，山西省等11個地區的糧食產量增幅大，河北省等5個地區為高產區。北京市等7個地區的糧食產量持續低。中低產量區減至兩個（浙江省和福建?。?。高產量地區增至10個，包括河北省、內蒙古自治區等。Tapio脫鉤模型表明，化肥施用與糧食產量關系從強負脫鉤轉向強脫鉤，化肥使用效率顯著提升，符合理想發展態勢。

2001一2021年，化肥面源污染排放總量處于低水平的地區從9個增長為10個，主要分布在北京市、天津市、上海市較發達地區或者海南省、貴州省、西藏自治區、甘肅省、青海省、寧夏回族自治區等較落后地區；中低水平由山西省、內蒙古自治區、重慶市、新疆維吾爾自治區減少為浙江省、福建省和重慶市。中等水平從9個地區減少為4個地區，變化幅度最大。空間上，從遼寧省、吉林省、黑龍江省、浙江省、福建省、江西省、廣西壯族自治區、云南省和陜西省減少為內蒙古自治區、遼寧省、江西省和新疆維吾爾自治區。高水平從2個增加到7個，增加幅度最大，空間上從湖南省、廣東省增加為吉林省、黑龍江省、湖南省、廣東省、廣西壯族自治區、云南省和陜西省。2001一2021年，河北省、江蘇省、安徽省、山東省、河南省、湖北省和四川省7個地區的化肥面源污染排放總量保持高水平。

對比發現，化肥面源污染排放總量與化肥施用量的空間分布與集聚特征較為相似，其主要原因是面源污染排量取決于化肥施用量?；首鳛檗r業生產的重要基礎物資，雖然促進了糧食產量的提高，但也對環境帶來一定的破壞。

3結論

本研究通過對2001—2021年中國化肥施用、糧食產量及其面源污染排放關系進行深入分析，得出以下結論。整體來看，化肥施用空間分布逐漸分散，糧食產量南北集中，面源污染排放熱點向西北擴張?；拭嬖次廴九欧趴偭颗c化肥施用量的空間分布與集聚特征較為相似。江蘇省、山東省、河南省的化肥施用量高，面源污染風險大?；适┯门c糧食產量關系從強負脫鉤轉向強脫鉤，化肥使用效率顯著提升。未來，將繼續深化研究，為中國農業的綠色轉型和高質量發展貢獻力量。

參考文獻

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