縣域尺度農業土地利用系統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,為農業土地利用系統環境效應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上,構建了縣域尺度農業土地利用系統氮足跡與灰水足跡理論分析框架,以湖南桃江縣為研究區,計算了農業土地利用系統氮足跡與灰水足跡?結果表明: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業土地利用系統灰水足跡增長的關鍵因素?評價結果顯示,桃江縣農業土地利用系統在足跡總量與單位土地利用足跡對大氣和水資源的負面影響正在持續上升?氮足跡與灰水足跡綜合評價方法能有效地識別區域農業土地利用過程對環境的負面效應,研究成果為降低農業土地利用過程的環境風險?制定農業土地利用系統優化方案提供參考?

　　【關鍵詞】農業;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80年代以來,為滿足日益增長的糧食需求,中國已普遍實行了高集約化的農業生產模式,由于農業生產資料的過度投入,大量未被有效利用的養分流失到環境中,常引發一系列的生態環境問題?尤其是隨著氮肥輸入的增加,農業生態系統的氮平衡被破壞,大量的活性氮進入環境,造成農業非點源污染加劇?酸雨?臭氧層破壞等問題,嚴重影響了高集約化農業土地利用系統的可持續性[1]?如何系統分析和評價農業土地利用對環境的負面效應已成為當前環境科學和土地科學重要的研究方向之一?

　　足跡研究是當前生態經濟學和可持續發展研究領域的熱點之一[2]?足跡類指標為評估農業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算模型及其應用,受到了全世界的廣泛關注?以Galloway和Leach[5-6]為首的研究團隊作了概念界定及計算模型等開創性的工作?秦樹平等[7]在此基礎上將氮足跡定義為:某種產品或者服務在其生產?運輸?存儲以及消費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,為指導人類生產方式,減少人為活性氮排放提供理論和數據支撐?國內外已有學者從家庭?國家等不同尺度評價人類活動對活性氮排放的影響,尤其側重于對食物的生產?消費,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,通常情況下換算成將污水稀釋至符合當地區域規定的水質標準所需的淡水體積?灰水足跡實現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展迅速,一些學者分別從全球?國家?區域層面評估了主要作物生產?消費的灰水足跡[13-16]?國內部分學者基于灰水足跡理論與方法評估了中國華北平原?新疆?內蒙古?黑龍江?山東?湖南等區域糧食生產與消費的灰水足跡[17-20]?

　　對農業土地利用系統環境影響的準確度量是可持續土地利用評價的核心內容之一?通過氮足跡與灰水足跡的計算,能夠全面且深入地分析農業土地利用過程對關鍵污染物(活性氮)排放?關鍵環境問題(非點源污染)的影響,為農業土地利用系統環境效應綜合評價提供了定量化指標?本文選取糧食主產區湖南省桃江縣為研究區,以農業土地利用系統為研究對象,在氮足跡和灰水足跡理論與模型的基礎上,構建區域尺度氮足跡和灰水足跡綜合分析框架,綜合評價桃江縣農業土地利用系統對生態環境形成的壓力,為轉變人類不合理的農業土地利用方式?調整農業土地利用結構?優化與設計低環境風險的農業土地利用系統提供指導?

　　1研究方法和數據處理

　　1.1農業土地利用系統邊界定義

　　農業土地利用系統是由各種生產要素輸入?土地利用過程和各種輸出組成,在農業生產活動過程中所形成的人與自然耦合系統?本研究選取湖南省桃江縣作為研究區,農業土地利用系統主要指種植業,包括桃江縣行政區內旱地和水田?農業土地利用過程從生產要素?環境要素在農田的輸入開始,經過田間管理至農產品收獲為止?

　　1.2計算方法

　　1.2.1農業土地利用系統氮足跡的計算方法

　　農業土地利用系統氮足跡是指人類在進行農業生產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?為全面評價農業土地利用過程中氮素的流動特征,本文在N-Calculator模型的基礎上,結合農業土地利用系統的投入與產出特征,對其進行修正?構建了區域農業土地利用系統氮足跡分析框架(表1)?所涉及的計算包括:農業土地利用系統氮足跡?輸入氮足跡(種子?有機肥?化肥?沉降?固氮和灌溉);污染氮足跡(指在農業土地利用過程中所導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?N2O直接排放及農業燃油NO和NO2排放途徑損失的活性氮)?依據物質守恒原理及數據收集的難易,以輸入氮足跡和燃油氮足跡之和作為農業土地利用系統氮足跡?

　　1.2.2農業土地利用系統灰水足跡的計算方法

　　類比糧食生產灰水足跡的概念[17],農業土地利用系統灰水足跡是指以現有水質標準為基礎,用于消納?稀釋農業土地利用過程排放到環境中的污染物的所需淡水量?以稀釋關鍵污染物所需的最大淡水量作為農業土地利用系統灰水足跡,這種稀釋污染物的淡水量并非真實消耗掉了,只是一種虛擬水的形式?依照國際水足跡網絡出版的Greywaterfootprintaccounting:Tier1supportingguidelines[21]為依據,計算氮肥灰水足跡和磷肥灰水足跡(表1)?

　　1.3研究區概況及數據來源

　　湖南桃江縣位于湖南省中部偏北位置,處于資江中下游,地理坐標為28°12′-28°40′N,111°36′-112°19′E?桃江縣屬亞熱帶大陸性季風氣候,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%;其它農用地1.76萬hm2,占土地總面積的8.53%?桃江屬典型糧食主產區,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68%?桃江畜牧業較為發達,2010年桃江生豬出欄數已達4371.65萬頭?因其規?；B殖率低,農戶散養較多,豬糞還田比率相對較高?

　　1)氮足跡的計算:本文涉及的作物秸稈含氮系數?作物秸稈籽粒比等數據主要來源于《中國有機肥料養分志》[22]?氮肥施用量?磷肥施用量?作物產量?降雨量?作物播種面積,禽畜數量?燃油使用量等來源于《桃江縣統計年鑒》和《湖南農村統計年鑒》?畜禽糞便排泄系數和養分含量參照文獻[23],其中羊和兔的糞便排泄系數及氮磷含量參照文獻[24]?有機肥還田率50%,秸稈還田率68%,通過入戶調研獲得?蔬菜產量通過桃江農業局獲得?地表徑流(總氮)和地下淋溶(總氮)[25],生物固氮系數[26]?雨水含氮系數?反硝化系數通過文獻[27-28]獲得?農用地N2O的排放根據IAP-N模型計算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,根據桃江農業局提供的數據,燃油氮足跡以農用柴油使用量計算,排放系數參照文獻[10]?

　　2)灰水足跡的計算:以中國《地表水環境質量標準基本項目標準限值》(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境濃度標準,分別計算農業土地利用系統氮肥灰水足跡和磷肥灰水足跡?

　　2結果與分析

　　2.1農業土地利用系統氮足跡和灰水足跡總體情況

　　農業土地利用系統是人類生存最為重要的陸表生態系統之一,對陸地氮素的初級轉化及水資源的消耗起重要的作用?桃江縣農業土地利用所產生的氮足跡和灰水足跡反映了農業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,桃江縣農業土地利用系統中產生的氮足跡和灰水足跡呈穩步增加的趨勢(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?

　　結構上,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%?環境氮輸入相對穩定,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(表1)計算公式,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業土地利用系統灰水足跡?

　　2.2農業土地利用系統氮足跡

　　2.2.1農業土地利用系統輸入氮足跡

　　從1980年至2010年,桃江縣農業土地利用系統輸入氮足跡總量從15084.23t增長至30551.39t,凈增15467.16t,年均增速2.30%,主要歸功于化肥?有機肥和自然沉降(表3)?整個時期不同的輸入方式對氮足跡輸入總量的貢獻呈非線性的變化(圖1)?種子?灌溉?生物固氮保持穩定,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(化肥和有機肥)從1980年的9598.62t增至2010年的22217.11t,貢獻率從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業稅并對種糧農民進行四項補貼(直接補貼?良種補貼?農機具購置補貼和農業生產資料綜合補貼),極大地促進了農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%,成為桃江縣農業土地利用系統最主要的氮輸入源?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?有機肥輸入的大幅增長,改變了農業土地利用系統氮的輸入模式,肥料氮輸入已經主導了桃江縣農業土地利用系統輸入氮足跡?

　　單位土地利用面積輸入氮足跡反映了農業土地利用單位耕地面積氮的輸入強度?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到0.331t/hm2,是1980年的2.25倍,超出國際公認的化肥施用量安全上限0.225t/hm2的47.06%?高強度的化肥投入增加了活性氮的損失風險?

　　2.2.2農業土地利用系統污染氮足跡

　　隨著系統內氮素的大量輸入,農業土地利用系統氮的利用率并未隨著輸入的增長而增長(表4)?這意味著,農業土地利用過程中大量的氮損失或累積在農田土壤中?在高投入與技術水平相對落后的桃江縣,過量的活性氮進入環境,成為區域空氣質量?氣候變化和非點源污染的主要貢獻者之一?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年農業污染氮足跡占總氮足跡的比重達到了32.79%?

　　結構上,桃江縣農田活性氮的流失以氣體型流失為主?氨揮發是污染氮足跡最主要的排放途徑?氨是導致酸雨的主要污染物質之一,進一步還會導致水體富營養化的發生;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?氮氧化物的氧化產物反應,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,氨揮發損失的氮占污染氮足跡的比重平均為78.43%?31a間,氨揮發導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田周邊水質惡化的主要途徑,桃江縣農業土地利用對氮肥較高的依賴性,導致了隨淋溶和地表徑流排放的氮總量僅次于氨揮發排放,然而年均增長速度高于氨揮發的增長,為2.81%;2010年已達到2054.58t,是1980年的2.36倍?日益增長的活性氮流失到周邊水體,增加了水質惡化和富營養化的風險?

　　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年桃江縣農田N2O直接排放為78.34t,相當于向大氣釋放24285.40t的CO2?研究表明,農業土地利用系統已成為大氣污染和非點源污染的主要貢獻者之一?