王 淵，張紫悅

(河北工程大學 水利水電學院，河北 邯鄲 056000)

在我國農作物的生產過程中，投入過量的氮肥、磷肥以及農藥來增加農作物的產量，導致對生態(tài)環(huán)境造成的污染日漸嚴重，尤其是在水環(huán)境污染問題上較為突出。水體中污染物指標主要為NH3-N、COD、BOD5、TP、CODMN、揮發(fā)酚和石油類污染物等。水資源的過度壓采，使我國大部分平原地區(qū)出現了河道干涸、地下水漏斗、地下水和地表水污染等水生態(tài)嚴重惡化問題。如何對農業(yè)生產過程中所產生的廢水對水環(huán)境的污染進行評價，并找出解決對策是我們面臨的重要課題。近年來，結合水質評價的綜合性和復雜性，國內外研究學者相繼提出對水質評價的多種方法，如灰色聚類綜合評價法、模糊數學分析法、綜合污染指數法及人工神經網絡等方法[1-4]，而這幾種方法普遍存在的問題是不能表達出水資源的數量與質量之間的相互作用關系。隨著水足跡觀點的提出，將實物狀態(tài)下的水與虛擬狀態(tài)下的水相互聯系起來，主要包括藍水、綠水和灰水的概念，能夠真實反映出水資源數量與質量之間的關系。

河南省地處我國中東部地域，屬溫帶大陸性氣候，地理位置優(yōu)越，橫跨長、黃、海、淮四大水系，水量較為充沛。主要糧食作物有小麥、玉米、大豆、蔬菜和水果等，作為我國糧食產量的農業(yè)大省，農作物產量總數高達國家全年生產總產量的10%，被譽為“中原糧倉”。2009～2013年是河南省農業(yè)經濟、產量飛速發(fā)展的5年，也是對水生態(tài)環(huán)境污染最為嚴重的5年，因此對河南省這5年的氮肥、磷肥和農藥的灰水足跡進行統(tǒng)計分析，對河南省農業(yè)面源污染分析和污染物的治理具有重要意義。

1 研究區(qū)域概況

河南省處于黃河中下游、中國中東部，全省位于E110°21′～E116°39′、N31°23′～N36°22′之間，地理特征總體呈現出東低西高之勢，從北往南的無霜期約為180～240 d，多年平均降水量約為771.0 mm，年水面蒸發(fā)量約為500～900 mm。全省水資源的總量約為403.53×108m3，占全國水資源總量的1.42%，降水入滲補給量約為185.66×108m3，地表水資源量約為302.66×108m3，降水入滲所形成的基流排泄量約為84.79×108m3[5]。土地總面積約為16.7×104km2，耕地總面積約8.15×104km2，占總面積的48.8%。農作物耕種總面積約為14.32×104km2，有效農田灌溉面積約為4.98×104km2，化肥施肥量為696.37×104t，農藥施用量為13.01×104t。

2 研究方法

2.1 灰水足跡簡介

加拿大經濟學專家WiiliamRees在1992年提出“生態(tài)足跡”這一概念，引發(fā)了荷蘭水資源專家Hoekstra在2002年提出“水足跡”的思想。2008年在虛擬水理論的基礎上，Chapagain和Hoekstra共同提出水足跡概念，這在世界上是初次提出，主要針對生產、生活產生水污染的狀況。2010年，灰水足跡的計算方法取得統(tǒng)一，將其定義為：以原始本底濃度與現有的水環(huán)境質量標準為基準，將一定污染物稀釋所需淡水的體積，因此灰水足跡是與水體污染相關的指標[6-10]。在農作物的生長過程中，氮肥、磷肥以及農藥的施用都會對水體質量產生污染，其污染程度主要取決于土壤的類型、作物的吸收率、化肥的類別、農藥的品種以及用量等因素。由于以上因素，農作物對化肥、農藥的利用率大幅度降低，因此很大一部分化肥及農藥通過各種形式散失到土壤和水環(huán)境中，導致農田出現嚴重的面源污染。為減少其對生態(tài)環(huán)境造成更大的污染，本文引入灰水足跡這一概念來計算稀釋污染物所需要的水量，對減少水資源的利用和水資源優(yōu)化配置具有重要意義。

2.2 灰水足跡計算方法

采用《灰水足跡評價手冊》及相關文獻[11]，確定灰水足跡的計算公式為：

式中：WFgrey為污染指標的灰水足跡值，m3；pul為每平方米污染指標的農田流失量，kg/m2；A為實際耕地面積，m2；λi為污染指標的流失率，%；Q為污染指標的使用總量，kg；Cmax為污染指標在環(huán)境中的最大允許濃度，kg/m3；Cnat為污染指標在環(huán)境中的本底濃度，kg/m3。

2.3 灰水足跡參數選取

根據河南省2009～2013年農業(yè)現狀，在糧食作物的生長過程中所施用肥料以及農藥都會對水環(huán)境產生污染。所施用的化肥中主要含有氮、磷、鉀，其中比例較大的是氮肥和磷肥。因此，選取對灰水足跡影響較大的3個參數，分別是氮肥、磷肥和農藥。

2.3.1 氮 肥

氮肥中所含的氮很容易造成地表水和地下水污染，所形成的亞硝酸根離子會對人體產生極其不利的影響，我國的氮肥使用率約為30%～35%。結合河南省農田水利的實際情況和《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838-2002)，取環(huán)境對氮元素的Cmax為1.7 g/L，選取氮元素的濃度為所需背景濃度，將其看作環(huán)境中的本底濃度Cnat。綜合考慮河南省的農業(yè)生產過程方式及降水量和土壤質地等方面的影響[11]，并結合有關參考文獻，選取河南省平均氮肥流失率中的較高水平值為68%。

2.3.2 磷 肥

磷肥中的磷在土壤中能夠與其他的礦物質發(fā)生反應，產生不容易溶解的化合物，不容易產生流動，所以對水環(huán)境所造成的威脅相對來說較少。但是我國的磷肥使用率約為10%～25%，相對來說還是較高的。由于農業(yè)灌溉的水源主要來自于地表水和地下水，同理，選取Cmax為1.7 g/L，選取地表水和地下水磷元素的濃度為所需背景濃度，將其看作環(huán)境中的本底濃度Cnat。綜合考慮河南省農業(yè)生產過程方式及降水量和土壤質地等方面的影響，并結合有關參考文獻，選取河南省平均磷肥流失率中的較高水平值為85%。

2.3.3 農 藥

河南省是中國的糧食大省，農藥的施用種類較多，幾乎所有的農藥都會造成水體質量的嚴重污染，我國的農藥使用率約為20%～30%。同理，選取其中地表水和地下水農藥的濃度為所需背景濃度，將其看作環(huán)境中的本底濃度Cnat。綜合考慮河南省農業(yè)生產過程方式及降水量和土壤質地等方面的影響，并結合有關參考文獻，選取河南省的平均農藥流失率的較高水平值為75%。

3 結果與分析

3.1 2009～2013年河南省各市氮肥施用過程的灰水足跡多年變化情況

通過查閱《河南農村統(tǒng)計年鑒》、《河南省水資源公報》(2009～2013)中的相關數據資料，應用灰水足跡的計算公式，計算出2009～2013年河南省各市氮肥施用灰水足跡的多年變化值，見圖1。從圖1可知，河南省在這5年期間，各市累計施用氮肥灰水足跡最大的是南陽市，灰水足跡為0.098×108m3，其次為商丘和駐馬店；最小的是濟源市，灰水足跡為0.002×108m3，其次為漯河市。

圖1 2009～2013年河南省累計各市施用氮肥灰水足跡變化情況Fig.1 Changes in water footprint of nitrogen fertilizer in various cities in Henan province from 2009 to 2013

3.2 2009～2013年河南省各市磷肥施用過程的灰水足跡多年變化情況

通過查閱《河南農村統(tǒng)計年鑒》、《河南省水資源公報》(2009～2013)中的相關數據資料，應用灰水足跡的計算公式，計算出2009～2013年河南省各市磷肥施用灰水足跡的多年變化值，見圖2。從圖2可知，河南省在這5年期間，各市累計施用磷肥灰水足跡最大的是南陽市，灰水足跡為0.06×108m3，其次為商丘和駐馬店；最小的是濟源市，灰水足跡為0.001 4×108m3，其次為漯河市。

圖2 2009-2013年河南省各市施用磷肥灰水足跡變化情況Fig.2 Changes in the water footprint of phosphatic fertilizer in different cities in henan province from 2009 to 2013

3.3 2009～2013年河南省各市農藥施用過程的灰水足跡多年變化情況

通過查閱《河南農村統(tǒng)計年鑒》、《河南省水資源公報》(2009～2013)中的相關數據資料，應用灰水足跡的計算公式，計算出2009～2013年河南省各市農藥施用灰水足跡的多年變化值，見圖3。從圖3可知，河南省在這5年期間，各市累計施用農藥灰水足跡最大的是南陽市，灰水足跡為34.17×108m3；最小的是漯河市，灰水足跡值為0.44×108m3。

圖3 2009～2013年河南省各市施用農藥灰水足跡變化情況Fig.3 Changes in the water of footprint of pesticide in various cities in Henan province from 2009 to 2013

4 結 論

本文主要分析了河南省2009～2013年5年期間各市施用氮肥、磷肥和農藥的灰水足跡變化情況，其研究結果如下:

1) 2009～2013年期間，河南省氮肥、磷肥和農藥的累積灰水足跡變化趨勢為上升趨勢。磷肥的累積灰水足跡值最小，最小值為濟源市，灰水足跡為0.001 4×108m3；農藥的累積灰水足跡值較大，最大值為南陽市，5年累積灰水足跡值為34.17×108m3，是濟源市5年累計磷肥灰水足跡的24 407多倍。表明農藥對水體質量的灰水足跡影響是最大的，氮肥對水體質量的灰水足跡影響較小。

2) 河南省是中國的大糧倉，在提高農作物生產量的情況下要控制施肥數量，提高化肥利用效率；控制農藥施肥過程，提高農藥利用效率，才能達到降低灰水足跡，減少污水對水體的影響，保護好水環(huán)境的目的。