何立新，練繼建，王書吉

(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)過程中過量投入了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水資源的過量開采，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)境惡化問題[1]。嚴(yán)峻的現(xiàn)狀急需對農(nóng)業(yè)面源污染進(jìn)行定量評價，并在評價結(jié)果基礎(chǔ)上提出應(yīng)對策略。

但現(xiàn)有的水資源與水質(zhì)分析評價方法如：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)計年鑒》[6]資料，從較長時間尺度和中等空間尺度估算分析了河北省2005～2014年各地級市的冬小麥、夏玉米、蔬菜、水果等生長過程灰水足跡的時空變異規(guī)律，以期對河北省農(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，降水量分布特點為東南多西北少。水資源總量204.69 億m3，為全國水資源總量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)計算水量為38.05 億m3。按河北省2010年統(tǒng)計公布的人口及耕地數(shù)量計算，全省人均水資源量為306.69 m3，為全國同期人均水資源量2 195 m3的13.97%，約占全國的1/7，平均水資源量為全國同期平均水資源量的14.68%，約占全國的1/7。

1.2 灰水足跡概念及計算方法

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圍水體環(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?；宜芯吭趪獍l(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算較多，中小空間尺度及較長時間尺度計算較少[11-16]；偏重于小麥、玉米等糧食作物開展灰水足跡研究多，針對蔬菜、水果等灰水足跡開展研究少[13-21]；國內(nèi)針對蔬菜、水果開展的灰水足跡研究，由于資料缺乏，計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，折算后最終計算所得蔬菜和水果灰水足跡計算結(jié)果和實際值偏差較大。

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，并且會形成對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，造成水污染較少；鉀在土壤中的流動性介于磷和氮之間，但是由于鉀離子能被土壤膠體離子吸引而不容易被過濾。幾乎所有農(nóng)藥的使用都會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)藥污染的水體會有重疊部分?？紤]以上因素，在灰水足跡的計算當(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過濾氮和可自由排放的地表水中含氮的最高限度來計算(一般采用EPA的標(biāo)準(zhǔn)，即每升飲用水中不能超過10 mg的氮)[22]，假設(shè)自然水體當(dāng)中氮的濃度為0。

1.2.2 灰水足跡計算方法與參數(shù)選取

此處采用《水足跡評價手冊》[23]中的計算方法，作物或樹木生長過程中的灰水足跡計算公式為：

(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《河北農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》(2005-2014)得到河北省各地級市的施氮肥總數(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《中國農(nóng)化服務(wù)肥料與施肥手冊》[26]，通過施肥比例分配的方法將相應(yīng)地級市施用的總氮肥按作物種類分開，具體分配方法見下式：

(3)

式中：SNi為河北省地級市各作物氮肥施用量；SN總為地級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)來源

河北省各地級市氮肥總施用量，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《河北農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》(2005-2014)。

2 結(jié)果與分析

2.1 2005-2014年河北省各地級市冬小麥生長過程灰水足跡多年變化

根據(jù)《河北農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》(2005-2014)相關(guān)資料并應(yīng)用公式(1)，計算了2005-2014年河北省各地級市冬小麥生長過程灰水足跡及多年變化情況，見圖1(冬小麥資料共9個市，不包括張家口、承德)。

圖1 2005-2014年河北省各地級市冬小麥生長過程灰水足跡變化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，冬小麥生長過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，高于美國的0.23 m3/kg、德國的0.185 m3/kg。

各地級市冬小麥灰水足跡從2005-2014年，均呈下降趨勢，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，各地級市冬小麥產(chǎn)量均呈上升趨勢，冬小麥每公頃施氮量呈波動變化，由式(1)可知，產(chǎn)量增加是導(dǎo)致河北省各地級市冬小麥灰水足跡下降的主要原因。

2.2 2005-2014年河北省各地級市夏玉米生長過程灰水足跡多年變化

根據(jù)《河北農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》(2005～2014)相關(guān)資料并應(yīng)用公式(1)，計算了2005-2014年河北省各地級市夏玉米生長過程灰水足跡多年變化情況，見圖2。

從圖2可以看出，10年期間，夏玉米生長過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過程灰水足跡平均值0.194 m3/kg。

在2005-2014年10年期間，秦皇島、滄州、廊坊、衡水4地級市夏玉米灰水足跡變化不明顯，其余7地級市夏玉米灰水足跡呈下降趨勢。從年鑒資料可知[6]，10年期間，各地級市夏玉米產(chǎn)量呈波動變化，各地級市夏玉米每公頃施氮量也呈波動變化，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年河北省各地級市夏玉米生長過程灰水足跡變化Fig.2 Changes of growing process grey water footprint of summer corn in cities’ of Hebei Province during 2005-2014

2.3 2005-2014年河北省各地級市蔬菜生長過程灰水足跡多年變化

根據(jù)《河北農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》(2005-2014)相關(guān)資料并應(yīng)用公式(1)，計算了2005-2014年河北省各地級市蔬菜生長過程灰水足跡多年變化情況，見圖3。

從圖3可以看出，10年期間，各地級市蔬菜生長過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，各地級市蔬菜生長過程灰水足跡除衡水市上升1.02%外，其他地級市都呈下降趨勢，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，各地級市蔬菜產(chǎn)量均呈上升變化趨勢，而各地級市每公頃施氮量均呈波動變化，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年河北省各地級市蔬菜生長過程灰水足跡變化Fig.3 Changes of growing process grey water footprint of vegetables in cities’ of Hebei Province during 2005-2014

2.4 2005-2014年河北省各地級市水果生長過程灰水足跡多年變化

根據(jù)《河北農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》(2005-2014)相關(guān)資料并應(yīng)用公式(1)，計算了2005-2014年河北省各市水果生長過程灰水足跡多年變化情況，見圖4。

圖4 2005-2014年河北省各地級市水果生長過程灰水足跡變化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，各地級市水果生長過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。

各地級市水果生長過程灰水足跡從2005-2014年均呈下降趨勢，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，各地級市每公頃施氮量呈波動變化，而各地級市水果產(chǎn)量呈上升趨勢；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算公式可以看出，減少灰水足跡的主要途徑是采取切實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)；二是需要國家出臺相關(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，出臺措施加強(qiáng)動物糞便中有機(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)過程灰水足跡時空變化情況，研究結(jié)果表明：

(1)10年期間，冬小麥生長過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。各地級市冬小麥灰水足跡從2005-2014年，均呈下降趨勢，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)量呈增加趨勢變化是導(dǎo)致河北省各地級市冬小麥灰水足跡下降的主要原因。10年期間，夏玉米生長過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地級市在10年期間夏玉米灰水足跡變化不明顯，其余7地級市夏玉米灰水足跡呈下降趨勢，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)河北省各地級市蔬菜生長過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。各地級市蔬菜生長過程灰水足跡在2005-2014年期間，除衡水市上升1.02%外，其他地級市都呈下降趨勢，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。各地級市水果生長過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。各地級市水果生長過程灰水足跡在2005-2014年期間均呈下降趨勢，下降幅度最大的是張家口市，下降幅度最小的是廊坊市，各地級市水果產(chǎn)量上升是導(dǎo)致水果生長過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)帶來的負(fù)面效應(yīng)。

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