何立新，練繼建，王書(shū)吉

(1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072 ；2.河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院，河北 邯鄲 056021)

0 引 言

河北省是中國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)，但近些年，農(nóng)民為保證高產(chǎn)在糧食生產(chǎn)過(guò)程中過(guò)量投入了N、P化肥以及農(nóng)藥等化學(xué)物質(zhì)，這些化學(xué)物質(zhì)流失到水體中，造成了嚴(yán)重的水環(huán)境污染。河北省的生態(tài)環(huán)境狀況直接影響著北京、天津等的生態(tài)狀況。目前，農(nóng)業(yè)面源污染已成為河北省目前重要的環(huán)境污染源和糧食生產(chǎn)的制約因素。由于水資源供需矛盾突出以及對(duì)水資源的過(guò)量開(kāi)采，使得河北省目前基本處于“有河皆干，有水皆污”的狀況，并出現(xiàn)了地下水漏斗、地表和地下水污染等生態(tài)環(huán)境惡化問(wèn)題[1]。嚴(yán)峻的現(xiàn)狀急需對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，并在評(píng)價(jià)結(jié)果基礎(chǔ)上提出應(yīng)對(duì)策略。

但現(xiàn)有的水資源與水質(zhì)分析評(píng)價(jià)方法如：綜合污染指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)方法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法和熱力學(xué)方法等無(wú)法得出水資源數(shù)量與質(zhì)量之間的相互關(guān)系，而只是偏重于得出受污染水體的污染程度[2,3]，2002年荷蘭水資源專家Hoekstra在虛擬水研究的基礎(chǔ)上提出了水足跡(water footprints)的概念[4]，這使得對(duì)糧食生產(chǎn)中負(fù)面效應(yīng)的量化成為可能。2008年，Hoekstra 和Chapagain第一次提出灰水足跡概念[4]，2010年[5]，灰水足跡計(jì)算方法得到統(tǒng)一：灰水足跡是與污染有關(guān)的指標(biāo)，定義為以自然本底濃度和現(xiàn)有的環(huán)境水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)，將一定的污染物負(fù)荷吸收同化所需的淡水的體積。

本文應(yīng)用灰水足跡理論方法，借助《河北農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》[6]資料，從較長(zhǎng)時(shí)間尺度和中等空間尺度估算分析了河北省2005～2014年各地級(jí)市的冬小麥、夏玉米、蔬菜、水果等生長(zhǎng)過(guò)程灰水足跡的時(shí)空變異規(guī)律，以期對(duì)河北省農(nóng)業(yè)面源污染治理提供資料支持和決策參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

河北省地處東經(jīng)113°27′～119°50′，北緯36°05′～42°40′之間。多年平均(1956-2000年)降水量531.7 mm，降水量分布特點(diǎn)為東南多西北少。水資源總量204.69 億m3，為全國(guó)水資源總量28 412 億m3的0.72%。其中地表水資源量為120.17 億m3，地下水資源量為122.57 億m3，地表水與地下水的重復(fù)計(jì)算水量為38.05 億m3。按河北省2010年統(tǒng)計(jì)公布的人口及耕地?cái)?shù)量計(jì)算，全省人均水資源量為306.69 m3，為全國(guó)同期人均水資源量2 195 m3的13.97%，約占全國(guó)的1/7，平均水資源量為全國(guó)同期平均水資源量的14.68%，約占全國(guó)的1/7。

1.2 灰水足跡概念及計(jì)算方法

1.2.1 灰水足跡概念

2008年，荷蘭水資源專家Hoekstra 和Chapagain第一次提出灰水足跡概念[4]，認(rèn)為灰水足跡是稀釋污染物需要的水量，量化為將污染物稀釋到一定的程度使周?chē)w環(huán)境質(zhì)量保持在約定標(biāo)準(zhǔn)之上需要的水的體積。2010年[7]，灰水足跡計(jì)算方法得到統(tǒng)一：灰水足跡是與污染有關(guān)的指標(biāo)，定義為以自然本底濃度和現(xiàn)有的環(huán)境水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)，將一定的污染物負(fù)荷吸收同化所需的淡水的體積。灰水研究在國(guó)外發(fā)展迅速，但多以空間大尺度研究為主，中小尺度的研究較少[8-10]。中國(guó)灰水足跡的研究尚處于起步階段，目前的局限性主要體現(xiàn)在：偏重于大尺度空間灰水足跡計(jì)算較多，中小空間尺度及較長(zhǎng)時(shí)間尺度計(jì)算較少[11-16]；偏重于小麥、玉米等糧食作物開(kāi)展灰水足跡研究多，針對(duì)蔬菜、水果等灰水足跡開(kāi)展研究少[13-21]；國(guó)內(nèi)針對(duì)蔬菜、水果開(kāi)展的灰水足跡研究，由于資料缺乏，計(jì)算思路普遍是按照種植比例[16]將蔬菜、水果等面積折算成糧食面積，由于蔬菜與糧食產(chǎn)量不同，折算后最終計(jì)算所得蔬菜和水果灰水足跡計(jì)算結(jié)果和實(shí)際值偏差較大。

灰水足跡認(rèn)為同一水體可以稀釋不同污染物，不同污染物所需的稀釋水量不具有疊加性，在計(jì)算中將灰水足跡確定為由需要最大稀釋水量的污染物決定。河北省主要施用氮、磷、鉀3種肥料，其中氮肥比例最大，氮很容易污染地下水和地表水，并且會(huì)形成對(duì)人體極其不利的亞硝酸根離子；磷在土壤中能和其他礦物質(zhì)反應(yīng)生成不容易溶解的化合物，不容易流動(dòng)，造成水污染較少；鉀在土壤中的流動(dòng)性介于磷和氮之間，但是由于鉀離子能被土壤膠體離子吸引而不容易被過(guò)濾。幾乎所有農(nóng)藥的使用都會(huì)引起地下水或地表水的污染，但河北省農(nóng)藥施用種類繁多，施用量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)難以獲取，且稀釋氮污染的水體和稀釋農(nóng)藥污染的水體會(huì)有重疊部分?？紤]以上因素，在灰水足跡的計(jì)算當(dāng)中采用氮污染水體的濃度。稀釋每噸氮所需要的水可通過(guò)過(guò)濾氮和可自由排放的地表水中含氮的最高限度來(lái)計(jì)算(一般采用EPA的標(biāo)準(zhǔn)，即每升飲用水中不能超過(guò)10 mg的氮)[22]，假設(shè)自然水體當(dāng)中氮的濃度為0。

1.2.2 灰水足跡計(jì)算方法與參數(shù)選取

此處采用《水足跡評(píng)價(jià)手冊(cè)》[23]中的計(jì)算方法，作物或樹(shù)木生長(zhǎng)過(guò)程中的灰水足跡計(jì)算公式為：

(1)

式中：AR為每公頃土地的化肥施用量，kg/hm2，即施氮率；α為淋失率(即進(jìn)入水體的污染量占總化學(xué)物質(zhì)施用量的比例)；cmax為最大容許濃度，kg/m3；cnat為污染物的自然本底濃度，kg/m3；Y為作物產(chǎn)量，t/hm2。氮肥淋失率α計(jì)算，此處參考趙榮芳、張宇[24,25]等研究成果，淋失率α取25%；cmax采用EPA的標(biāo)準(zhǔn)，每升飲用水中不能超過(guò)10 mg的氮，即cmax為0.01 kg/m3；假設(shè)自然水體中氮的濃度為0，即cnat為0 kg/m3。

AR確定方法：通過(guò)《河北農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》(2005-2014)得到河北省各地級(jí)市的施氮肥總數(shù)據(jù)。根據(jù)年鑒中的分類，將施肥農(nóng)作物分為：冬小麥、夏玉米、水果、蔬菜、其他作物5類。采用“施肥比例分配”的方法確定各作物施氮率：參考王興仁、張福鎖、張衛(wèi)峰等人編著的《中國(guó)農(nóng)化服務(wù)肥料與施肥手冊(cè)》[26]，通過(guò)施肥比例分配的方法將相應(yīng)地級(jí)市施用的總氮肥按作物種類分開(kāi)，具體分配方法見(jiàn)下式：

(3)

式中：SNi為河北省地級(jí)市各作物氮肥施用量；SN總為地級(jí)市所有作物施肥量之和；mi為各作物種植面積占總面積比例；si為各作物施肥率之間比值，(i=1，2，3，4，5；1代表夏玉米，2代表冬小麥，3代表水果，4代表蔬菜，5代表其他)；AR為氮肥施肥率；Mi為各作物種植面積。

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

河北省各地級(jí)市氮肥總施用量，冬小麥、夏玉米、蔬菜、水果、其他作物等各自種植面積及農(nóng)作物總種植面積，參見(jiàn)《河北農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》(2005-2014)。

2 結(jié)果與分析

2.1 2005-2014年河北省各地級(jí)市冬小麥生長(zhǎng)過(guò)程灰水足跡多年變化

根據(jù)《河北農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》(2005-2014)相關(guān)資料并應(yīng)用公式(1)，計(jì)算了2005-2014年河北省各地級(jí)市冬小麥生長(zhǎng)過(guò)程灰水足跡及多年變化情況，見(jiàn)圖1(冬小麥資料共9個(gè)市，不包括張家口、承德)。

圖1 2005-2014年河北省各地級(jí)市冬小麥生長(zhǎng)過(guò)程灰水足跡變化Fig.1 Changes of growing process grey water footprint of winter wheat in cities’ of Hebei Province during 2005-2014

從圖1可以看出，10年期間，冬小麥生長(zhǎng)過(guò)程灰水足跡最大的是唐山(2005年)，灰水足跡為1.076 m3/kg，最小的是衡水(2014年)，灰水足跡為0.526 m3/kg ，均高于全球的平均值0.208 m3/kg，高于美國(guó)的0.23 m3/kg、德國(guó)的0.185 m3/kg。

各地級(jí)市冬小麥灰水足跡從2005-2014年，均呈下降趨勢(shì)，下降最多的是邯鄲市，從0.992 m3/kg下降到了0.698 m3/kg，下降29.6%；下降最少的是石家莊市，從0.884 m3/kg下降到了0.841 m3/kg，下降了4.9%。從年鑒資料可知[6]，在此10年期間，各地級(jí)市冬小麥產(chǎn)量均呈上升趨勢(shì)，冬小麥每公頃施氮量呈波動(dòng)變化，由式(1)可知，產(chǎn)量增加是導(dǎo)致河北省各地級(jí)市冬小麥灰水足跡下降的主要原因。

2.2 2005-2014年河北省各地級(jí)市夏玉米生長(zhǎng)過(guò)程灰水足跡多年變化

根據(jù)《河北農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》(2005～2014)相關(guān)資料并應(yīng)用公式(1)，計(jì)算了2005-2014年河北省各地級(jí)市夏玉米生長(zhǎng)過(guò)程灰水足跡多年變化情況，見(jiàn)圖2。

從圖2可以看出，10年期間，夏玉米生長(zhǎng)過(guò)程灰水足跡最大的是唐山(2005年)，灰水足跡為0.727 m3/kg，最小的是張家口(2012年)，灰水足跡為0.251 m3/kg ，均高于全球的夏玉米生長(zhǎng)過(guò)程灰水足跡平均值0.194 m3/kg。

在2005-2014年10年期間，秦皇島、滄州、廊坊、衡水4地級(jí)市夏玉米灰水足跡變化不明顯，其余7地級(jí)市夏玉米灰水足跡呈下降趨勢(shì)。從年鑒資料可知[6]，10年期間，各地級(jí)市夏玉米產(chǎn)量呈波動(dòng)變化，各地級(jí)市夏玉米每公頃施氮量也呈波動(dòng)變化，由式(1)可知，導(dǎo)致灰水足跡下降的原因是施氮量與產(chǎn)量變化共同影響的結(jié)果。

圖2 2005-2014年河北省各地級(jí)市夏玉米生長(zhǎng)過(guò)程灰水足跡變化Fig.2 Changes of growing process grey water footprint of summer corn in cities’ of Hebei Province during 2005-2014

2.3 2005-2014年河北省各地級(jí)市蔬菜生長(zhǎng)過(guò)程灰水足跡多年變化

根據(jù)《河北農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》(2005-2014)相關(guān)資料并應(yīng)用公式(1)，計(jì)算了2005-2014年河北省各地級(jí)市蔬菜生長(zhǎng)過(guò)程灰水足跡多年變化情況，見(jiàn)圖3。

從圖3可以看出，10年期間，各地級(jí)市蔬菜生長(zhǎng)過(guò)程灰水足跡最大的是邯鄲(2005年)，為0.125 m3/kg，最小的是張家口(2012年)，為0.029 m3/kg。

從2005-2014年，各地級(jí)市蔬菜生長(zhǎng)過(guò)程灰水足跡除衡水市上升1.02%外，其他地級(jí)市都呈下降趨勢(shì)，下降幅度最大的是承德市，從0.116 m3/kg下降到了0.052 m3/kg，下降55.1%；下降最少的是廊坊市，從0.082 m3/kg下降到了0.081 m3/kg，下降了1.5%。從年鑒資料可知[6]，10年期間，各地級(jí)市蔬菜產(chǎn)量均呈上升變化趨勢(shì)，而各地級(jí)市每公頃施氮量均呈波動(dòng)變化，由式(1)可知，產(chǎn)量上升是導(dǎo)致蔬菜灰水足跡下降的主要原因。

圖3 2005-2014年河北省各地級(jí)市蔬菜生長(zhǎng)過(guò)程灰水足跡變化Fig.3 Changes of growing process grey water footprint of vegetables in cities’ of Hebei Province during 2005-2014

2.4 2005-2014年河北省各地級(jí)市水果生長(zhǎng)過(guò)程灰水足跡多年變化

根據(jù)《河北農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》(2005-2014)相關(guān)資料并應(yīng)用公式(1)，計(jì)算了2005-2014年河北省各市水果生長(zhǎng)過(guò)程灰水足跡多年變化情況，見(jiàn)圖4。

圖4 2005-2014年河北省各地級(jí)市水果生長(zhǎng)過(guò)程灰水足跡變化Fig.4 Changes of growing process grey water footprint of fruits in cities’ of Hebei Province during 2005-2014

從圖4可以看出，10年期間，各地級(jí)市水果生長(zhǎng)過(guò)程灰水足跡最大的是張家口(2005年)，為1.24 m3/kg，最小的是衡水(2014年)，為0.298 m3/kg。

各地級(jí)市水果生長(zhǎng)過(guò)程灰水足跡從2005-2014年均呈下降趨勢(shì)，下降幅度最大的是張家口市，從1.24 m3/kg下降到了0.524 m3/kg，下降57.9%；下降最少的是廊坊市，從0.957 m3/kg下降到了0.736 m3/kg，下降了23.1%。從年鑒資料可知[6]，10年期間，各地級(jí)市每公頃施氮量呈波動(dòng)變化，而各地級(jí)市水果產(chǎn)量呈上升趨勢(shì)；由式(1)可知，產(chǎn)量上升是導(dǎo)致灰水足跡下降的主要原因。

3 討 論

從灰水足跡概念及計(jì)算公式可以看出，減少灰水足跡的主要途徑是采取切實(shí)措施減少施氮量及控制氮肥進(jìn)入水體。具體思路建議從兩方面著手，一是從技術(shù)措施著手，加強(qiáng)科學(xué)施肥技術(shù)指導(dǎo)；二是需要國(guó)家出臺(tái)相關(guān)政策措施控制并降低氮肥施用量。

技術(shù)措施主要包括：①采取平衡施肥、測(cè)土配方施肥、專用配方施肥和施用緩釋肥等技術(shù)，減少化肥施用量，將肥料用量調(diào)整到合理水平；②將作物生育期一次施肥改為分次施肥，確保肥量用在關(guān)鍵時(shí)間，提高利用率，降低損失；③改變手工撒施為機(jī)械深施，以降低氨揮發(fā)損失；④施用硝化抑制劑：減少硝化過(guò)程N(yùn)2O的逸出；⑤施用脲酶抑制劑，減少氨揮發(fā)量；⑥改大水沖施為滴灌施肥，促進(jìn)以“滴灌施肥”為核心的水肥一體化發(fā)展。

政策措施包括：采取政策措施減弱農(nóng)戶施肥意向，出臺(tái)措施加強(qiáng)動(dòng)物糞便中有機(jī)氮肥的循環(huán)利用，

4 結(jié) 論

本研究定量分析了河北省各市2005-2014年主要農(nóng)作物生產(chǎn)過(guò)程灰水足跡時(shí)空變化情況，研究結(jié)果表明：

(1)10年期間，冬小麥生長(zhǎng)過(guò)程灰水足跡最大的是唐山(2005年)，為1.076 m3/kg，最小的是衡水(2014年)，為0.526 m3/kg。各地級(jí)市冬小麥灰水足跡從2005-2014年，均呈下降趨勢(shì)，下降最多的是邯鄲市，從0.992 m3/kg下降到了0.698 m3/kg，下降29.6%；下降最少的是石家莊市，從0.884 m3/kg下降到了0.841 m3/kg，下降4.9%；產(chǎn)量呈增加趨勢(shì)變化是導(dǎo)致河北省各地級(jí)市冬小麥灰水足跡下降的主要原因。10年期間，夏玉米生長(zhǎng)過(guò)程灰水足跡最大的是唐山(2005年)，為0.727 m3/kg，最小的是張家口(2012年)，為0.251 m3/kg。秦皇島、滄州、廊坊、衡水4地級(jí)市在10年期間夏玉米灰水足跡變化不明顯，其余7地級(jí)市夏玉米灰水足跡呈下降趨勢(shì)，導(dǎo)致玉米灰水足跡下降的原因是施肥量與產(chǎn)量變化共同影響的結(jié)果。

(2)河北省各地級(jí)市蔬菜生長(zhǎng)過(guò)程灰水足跡最大的是邯鄲(2005年)，為0.125 m3/kg，最小的是張家口(2012年)，為0.029 m3/kg。各地級(jí)市蔬菜生長(zhǎng)過(guò)程灰水足跡在2005-2014年期間，除衡水市上升1.02%外，其他地級(jí)市都呈下降趨勢(shì)，下降幅度最大的是承德市，下降幅度最小的是廊坊市，產(chǎn)量上升是導(dǎo)致灰水足跡下降的主要原因。各地級(jí)市水果生長(zhǎng)過(guò)程灰水足跡最大的是張家口(2005年)，為1.24 m3/kg，最小的是衡水(2014年)，為0.298 m3/kg。各地級(jí)市水果生長(zhǎng)過(guò)程灰水足跡在2005-2014年期間均呈下降趨勢(shì)，下降幅度最大的是張家口市，下降幅度最小的是廊坊市，各地級(jí)市水果產(chǎn)量上升是導(dǎo)致水果生長(zhǎng)過(guò)程灰水足跡下降的主要原因。

(3)應(yīng)從技術(shù)和政策兩方面采取切實(shí)有效的措施，降低河北省氮肥施用量和灰水足跡，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)。

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