縣域尺度農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)氮足跡與灰水足跡理論的分析

　　【摘要】氮足跡和灰水足跡作為定量分析人類活動對活性氮排放及水資源影響的指標(biāo),為農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)環(huán)境效應(yīng)評價提供了新的理論與途徑?該文在氮足跡和灰水足跡理論的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了縣域尺度農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)氮足跡與灰水足跡理論分析框架,以湖南桃江縣為研究區(qū),計(jì)算了農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)氮足跡與灰水足跡?結(jié)果表明:1)1980-2010年氮足跡與灰水足跡?單位土地利用面積氮足跡與灰水足跡均呈逐年增加的趨勢?2010年氮足跡和灰水足跡分別是1980年的2.02倍和2.36倍,單位土地利用面積氮足跡和灰水足跡分別是1980年的2.00倍和2.31倍;2)1980-2010年輸入氮足跡和污染氮足跡分別增長了102.54%?128.79%?2010年肥料氮投入占輸入氮足跡的72.72%,污染氮足跡占總氮足跡的32.79%;3)1980-2010年,每年氮肥灰水足跡均高于磷肥灰水足跡?活性氮流失的增長造成的稀釋水量增加是農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)灰水足跡增長的關(guān)鍵因素?評價結(jié)果顯示,桃江縣農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)在足跡總量與單位土地利用足跡對大氣和水資源的負(fù)面影響正在持續(xù)上升?氮足跡與灰水足跡綜合評價方法能有效地識別區(qū)域農(nóng)業(yè)土地利用過程對環(huán)境的負(fù)面效應(yīng),研究成果為降低農(nóng)業(yè)土地利用過程的環(huán)境風(fēng)險?制定農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)優(yōu)化方案提供參考?

　　【關(guān)鍵詞】農(nóng)業(yè);土地利用;氮;灰水;足跡;綜合評價;桃江縣

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　　0引言

　　自20世紀(jì)80年代以來,為滿足日益增長的糧食需求,中國已普遍實(shí)行了高集約化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式,由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料的過度投入,大量未被有效利用的養(yǎng)分流失到環(huán)境中,常引發(fā)一系列的生態(tài)環(huán)境問題?尤其是隨著氮肥輸入的增加,農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的氮平衡被破壞,大量的活性氮進(jìn)入環(huán)境,造成農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染加劇?酸雨?臭氧層破壞等問題,嚴(yán)重影響了高集約化農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)的可持續(xù)性[1]?如何系統(tǒng)分析和評價農(nóng)業(yè)土地利用對環(huán)境的負(fù)面效應(yīng)已成為當(dāng)前環(huán)境科學(xué)和土地科學(xué)重要的研究方向之一?

　　足跡研究是當(dāng)前生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)和可持續(xù)發(fā)展研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一[2]?足跡類指標(biāo)為評估農(nóng)業(yè)土地利用資源消耗和廢棄物排放等提供了新的理念和途徑?氮足跡(nitrogenfootprint,Nfootprint)是為定量評價人類活動對活性氮排放的影響而提出的?2010年Galloway等[3-4]在第5次國際氮素大會提出了氮足跡計(jì)算模型及其應(yīng)用,受到了全世界的廣泛關(guān)注?以Galloway和Leach[5-6]為首的研究團(tuán)隊(duì)作了概念界定及計(jì)算模型等開創(chuàng)性的工作?秦樹平等[7]在此基礎(chǔ)上將氮足跡定義為:某種產(chǎn)品或者服務(wù)在其生產(chǎn)?運(yùn)輸?存儲以及消費(fèi)過程中直接和間接排放的活性氮的總和?氮足跡研究從量化人類活動影響活性氮排放的角度,為指導(dǎo)人類生產(chǎn)方式,減少人為活性氮排放提供理論和數(shù)據(jù)支撐?國內(nèi)外已有學(xué)者從家庭?國家等不同尺度評價人類活動對活性氮排放的影響,尤其側(cè)重于對食物的生產(chǎn)?消費(fèi),能源消耗等活性氮流動的定量分析[8-11]?

　　灰水足跡(greywaterfootprint,GWF)于2008年由Hoekstra和Chapagain首次提出,該理論定義灰水足跡是稀釋污染物所需要的水量,通常情況下?lián)Q算成將污水稀釋至符合當(dāng)?shù)貐^(qū)域規(guī)定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)所需的淡水體積?灰水足跡實(shí)現(xiàn)了從水量的角度評價水污染程度的目的,直觀地反映了水污染對可用水資源量的影響[12]?近幾年國外灰水足跡研究發(fā)展迅速,一些學(xué)者分別從全球?國家?區(qū)域?qū)用嬖u估了主要作物生產(chǎn)?消費(fèi)的灰水足跡[13-16]?國內(nèi)部分學(xué)者基于灰水足跡理論與方法評估了中國華北平原?新疆?內(nèi)蒙古?黑龍江?山東?湖南等區(qū)域糧食生產(chǎn)與消費(fèi)的灰水足跡[17-20]?

　　對農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)環(huán)境影響的準(zhǔn)確度量是可持續(xù)土地利用評價的核心內(nèi)容之一?通過氮足跡與灰水足跡的計(jì)算,能夠全面且深入地分析農(nóng)業(yè)土地利用過程對關(guān)鍵污染物(活性氮)排放?關(guān)鍵環(huán)境問題(非點(diǎn)源污染)的影響,為農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)環(huán)境效應(yīng)綜合評價提供了定量化指標(biāo)?本文選取糧食主產(chǎn)區(qū)湖南省桃江縣為研究區(qū),以農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)為研究對象,在氮足跡和灰水足跡理論與模型的基礎(chǔ)上,構(gòu)建區(qū)域尺度氮足跡和灰水足跡綜合分析框架,綜合評價桃江縣農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)對生態(tài)環(huán)境形成的壓力,為轉(zhuǎn)變?nèi)祟惒缓侠淼霓r(nóng)業(yè)土地利用方式?調(diào)整農(nóng)業(yè)土地利用結(jié)構(gòu)?優(yōu)化與設(shè)計(jì)低環(huán)境風(fēng)險的農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)提供指導(dǎo)?

　　1研究方法和數(shù)據(jù)處理

　　1.1農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)邊界定義

　　農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)是由各種生產(chǎn)要素輸入?土地利用過程和各種輸出組成,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動過程中所形成的人與自然耦合系統(tǒng)?本研究選取湖南省桃江縣作為研究區(qū),農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)主要指種植業(yè),包括桃江縣行政區(qū)內(nèi)旱地和水田?農(nóng)業(yè)土地利用過程從生產(chǎn)要素?環(huán)境要素在農(nóng)田的輸入開始,經(jīng)過田間管理至農(nóng)產(chǎn)品收獲為止?

　　1.2計(jì)算方法

　　1.2.1農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)氮足跡的計(jì)算方法

　　農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)氮足跡是指人類在進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的土地利用過程中投入各種資源所直接占用和排放的活性氮總量?為全面評價農(nóng)業(yè)土地利用過程中氮素的流動特征,本文在N-Calculator模型的基礎(chǔ)上,結(jié)合農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)的投入與產(chǎn)出特征,對其進(jìn)行修正?構(gòu)建了區(qū)域農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)氮足跡分析框架(表1)?所涉及的計(jì)算包括:農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)氮足跡?輸入氮足跡(種子?有機(jī)肥?化肥?沉降?固氮和灌溉);污染氮足跡(指在農(nóng)業(yè)土地利用過程中所導(dǎo)致的不被作物吸收的活化氮排放,包含地表徑流(總氮)?淋溶(總氮)?氨揮發(fā)?N2O直接排放及農(nóng)業(yè)燃油NO和NO2排放途徑損失的活性氮)?依據(jù)物質(zhì)守恒原理及數(shù)據(jù)收集的難易,以輸入氮足跡和燃油氮足跡之和作為農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)氮足跡?

　　1.2.2農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)灰水足跡的計(jì)算方法

　　類比糧食生產(chǎn)灰水足跡的概念[17],農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)灰水足跡是指以現(xiàn)有水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ),用于消納?稀釋農(nóng)業(yè)土地利用過程排放到環(huán)境中的污染物的所需淡水量?以稀釋關(guān)鍵污染物所需的最大淡水量作為農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)灰水足跡,這種稀釋污染物的淡水量并非真實(shí)消耗掉了,只是一種虛擬水的形式?依照國際水足跡網(wǎng)絡(luò)出版的Greywaterfootprintaccounting:Tier1supportingguidelines[21]為依據(jù),計(jì)算氮肥灰水足跡和磷肥灰水足跡(表1)?

　　1.3研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

　　湖南桃江縣位于湖南省中部偏北位置,處于資江中下游,地理坐標(biāo)為28°12′-28°40′N,111°36′-112°19′E?桃江縣屬亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候,縣境熱量充足,雨水充沛,無霜期平均260d,年均氣溫16.6℃,年均降水量在1041~2255mm之間?全縣耕地4.45萬hm2,占土地總面積的21.53%;園地0.53萬hm2,占土地總面積的2.55%;林地11.47萬hm2,占土地總面積的55.45%;其它農(nóng)用地1.76萬hm2,占土地總面積的8.53%?桃江屬典型糧食主產(chǎn)區(qū),以水稻種植為主,其播種面積占總糧食作物播種面積的93%,其秸稈還田率達(dá)68%?桃江畜牧業(yè)較為發(fā)達(dá),2010年桃江生豬出欄數(shù)已達(dá)4371.65萬頭?因其規(guī)模化養(yǎng)殖率低,農(nóng)戶散養(yǎng)較多,豬糞還田比率相對較高?

　　1)氮足跡的計(jì)算:本文涉及的作物秸稈含氮系數(shù)?作物秸稈籽粒比等數(shù)據(jù)主要來源于《中國有機(jī)肥料養(yǎng)分志》[22]?氮肥施用量?磷肥施用量?作物產(chǎn)量?降雨量?作物播種面積,禽畜數(shù)量?燃油使用量等來源于《桃江縣統(tǒng)計(jì)年鑒》和《湖南農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》?畜禽糞便排泄系數(shù)和養(yǎng)分含量參照文獻(xiàn)[23],其中羊和兔的糞便排泄系數(shù)及氮磷含量參照文獻(xiàn)[24]?有機(jī)肥還田率50%,秸稈還田率68%,通過入戶調(diào)研獲得?蔬菜產(chǎn)量通過桃江農(nóng)業(yè)局獲得?地表徑流(總氮)和地下淋溶(總氮)[25],生物固氮系數(shù)[26]?雨水含氮系數(shù)?反硝化系數(shù)通過文獻(xiàn)[27-28]獲得?農(nóng)用地N2O的排放根據(jù)IAP-N模型計(jì)算N2O的直接排放量,水田與旱地的直接排放因子分別取值0.003?0.00745[29]?此外,根據(jù)桃江農(nóng)業(yè)局提供的數(shù)據(jù),燃油氮足跡以農(nóng)用柴油使用量計(jì)算,排放系數(shù)參照文獻(xiàn)[10]?

　　2)灰水足跡的計(jì)算:以中國《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)基本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值》(GB3838-2002)中V類水總氮?總磷濃度限值作為氮?磷污染物在水體中的環(huán)境濃度標(biāo)準(zhǔn),分別計(jì)算農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)氮肥灰水足跡和磷肥灰水足跡?

　　2結(jié)果與分析

　　2.1農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)氮足跡和灰水足跡總體情況

　　農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)是人類生存最為重要的陸表生態(tài)系統(tǒng)之一,對陸地氮素的初級轉(zhuǎn)化及水資源的消耗起重要的作用?桃江縣農(nóng)業(yè)土地利用所產(chǎn)生的氮足跡和灰水足跡反映了農(nóng)業(yè)土地利用對活性氮排放及主要污染物稀釋水的需求?1980年至2010年,桃江縣農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)中產(chǎn)生的氮足跡和灰水足跡呈穩(wěn)步增加的趨勢(表2)?兩類足跡從1980年的15135.09t?4.35億m3增加到了2010年的30599.40t?10.27億m3,分別增長了1.02倍和1.36倍,年均增速2.30%?2.81%?在這一時期,單位土地利用面積氮足跡和灰水足跡分別由1980年的0.35t/hm2?1.01萬m3/hm2提高至2010年的0.70t/hm2?2.33萬m3/hm2,年均增速2.23%和2.75%?與氮足跡相比較,灰水足跡的上漲更為劇烈?

　　結(jié)構(gòu)上,氮足跡以人為氮輸入為主,1980—2010年其所占比重由64.47%增至73.09%,年均增長2.71%?環(huán)境氮輸入相對穩(wěn)定,其所占比重在26.76%~35.19%之間波動?能源氮排放所占比重最小,各年均在1%以下?每年氮肥灰水足跡均高于磷肥灰水足跡,根據(jù)(表1)計(jì)算公式,其所需稀釋水量由最大的污染物決定,因此選取氮肥灰水足跡作為農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)灰水足跡?

　　2.2農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)氮足跡

　　2.2.1農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)輸入氮足跡

　　從1980年至2010年,桃江縣農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)輸入氮足跡總量從15084.23t增長至30551.39t,凈增15467.16t,年均增速2.30%,主要?dú)w功于化肥?有機(jī)肥和自然沉降(表3)?整個時期不同的輸入方式對氮足跡輸入總量的貢獻(xiàn)呈非線性的變化(圖1)?種子?灌溉?生物固氮保持穩(wěn)定,三者的氮輸入量在3030.06~4098.77t范圍變動?然而,通過化肥?有機(jī)肥和自然沉降所引起的氮輸入由1980年的10985.47t逐步升至2010年的26846.24t,增幅144.38%,年均增速2.92%?肥料氮輸入(化肥和有機(jī)肥)從1980年的9598.62t增至2010年的22217.11t,貢獻(xiàn)率從63.63%增至72.72%,年均增速2.74%?尤其是2005年以后,隨著湖南省取消了農(nóng)業(yè)稅并對種糧農(nóng)民進(jìn)行四項(xiàng)補(bǔ)貼(直接補(bǔ)貼?良種補(bǔ)貼?農(nóng)機(jī)具購置補(bǔ)貼和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料綜合補(bǔ)貼),極大地促進(jìn)了農(nóng)民在土地利用中的肥料投入?2005-2010年化肥氮輸入增長較快,6a平均增速6.81%?31a間,肥料氮輸入占輸入氮足跡的比重已由1980年的63.63%上升至2010年的72.72%,成為桃江縣農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)最主要的氮輸入源?此外,通過自然沉降氮輸入的量也大幅增加,從1980年的1386.85t增加到2010年的4629.13t,增長了2.34倍?研究表明,從1980到2010年,桃江縣化肥?有機(jī)肥輸入的大幅增長,改變了農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)氮的輸入模式,肥料氮輸入已經(jīng)主導(dǎo)了桃江縣農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)輸入氮足跡?

　　單位土地利用面積輸入氮足跡反映了農(nóng)業(yè)土地利用單位耕地面積氮的輸入強(qiáng)度?1980—2010年,桃江縣單位土地利用面積輸入氮足跡從0.35增至0.69t/hm2,年均增長2.24%?期間,肥料的年均增速2.68%,超過了單位土地利用面積氮輸入的增長速度?2010年,單位土地利用面積化肥氮足跡達(dá)到0.331t/hm2,是1980年的2.25倍,超出國際公認(rèn)的化肥施用量安全上限0.225t/hm2的47.06%?高強(qiáng)度的化肥投入增加了活性氮的損失風(fēng)險?

　　2.2.2農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)污染氮足跡

　　隨著系統(tǒng)內(nèi)氮素的大量輸入,農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)氮的利用率并未隨著輸入的增長而增長(表4)?這意味著,農(nóng)業(yè)土地利用過程中大量的氮損失或累積在農(nóng)田土壤中?在高投入與技術(shù)水平相對落后的桃江縣,過量的活性氮進(jìn)入環(huán)境,成為區(qū)域空氣質(zhì)量?氣候變化和非點(diǎn)源污染的主要貢獻(xiàn)者之一?隨著輸入氮足跡的增加,污染氮足跡也逐步上升,由1980年的4385.24t增長至2010年的10032.79t,增加了128.79%?按單位土地利用面積污染氮足跡,已由0.10t/hm2增至0.23t/hm2,2010年農(nóng)業(yè)污染氮足跡占總氮足跡的比重達(dá)到了32.79%?

　　結(jié)構(gòu)上,桃江縣農(nóng)田活性氮的流失以氣體型流失為主?氨揮發(fā)是污染氮足跡最主要的排放途徑?氨是導(dǎo)致酸雨的主要污染物質(zhì)之一,進(jìn)一步還會導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的發(fā)生;同時氨也是PM2.5形成的重要推手,氨能夠與大氣中的二氧化硫?氮氧化物的氧化產(chǎn)物反應(yīng),生成硝酸銨?硫酸銨等二次顆粒物,而這些二次顆粒物正是PM2.5的重要來源[30]?1980-2010年,氨揮發(fā)損失的氮占污染氮足跡的比重平均為78.43%?31a間,氨揮發(fā)導(dǎo)致的氮損失逐步增長,由3428.94t增至7851.86t,年均增速2.71%?

　　隨淋溶和徑流損失的氮是引起農(nóng)田周邊水質(zhì)惡化的主要途徑,桃江縣農(nóng)業(yè)土地利用對氮肥較高的依賴性,導(dǎo)致了隨淋溶和地表徑流排放的氮總量僅次于氨揮發(fā)排放,然而年均增長速度高于氨揮發(fā)的增長,為2.81%;2010年已達(dá)到2054.58t,是1980年的2.36倍?日益增長的活性氮流失到周邊水體,增加了水質(zhì)惡化和富營養(yǎng)化的風(fēng)險?

　　氧化亞氮直接排放與燃油釋放的氮相對較小,年均總量占污染氮足跡比重的2%以下?然而,N2O是溫室氣體之一,其增溫潛勢是CO2的310倍[30],2010年桃江縣農(nóng)田N2O直接排放為78.34t,相當(dāng)于向大氣釋放24285.40t的CO2?研究表明,農(nóng)業(yè)土地利用系統(tǒng)已成為大氣污染和非點(diǎn)源污染的主要貢獻(xiàn)者之一?