县域尺度农业土地利用系统氮足迹与灰水足迹理论的分析

　　【摘要】氮足迹和灰水足迹作为定量分析人类活动对活性氮排放及水资源影响的指标,为农业土地利用系统环境效应评价提供了新的理论与途径｡该文在氮足迹和灰水足迹理论的基础上,构建了县域尺度农业土地利用系统氮足迹与灰水足迹理论分析框架,以湖南桃江县为研究区,计算了农业土地利用系统氮足迹与灰水足迹｡结果表明:1)1980-2010年氮足迹与灰水足迹､单位土地利用面积氮足迹与灰水足迹均呈逐年增加的趋势｡2010年氮足迹和灰水足迹分别是1980年的2.02倍和2.36倍,单位土地利用面积氮足迹和灰水足迹分别是1980年的2.00倍和2.31倍;2)1980-2010年输入氮足迹和污染氮足迹分别增长了102.54%､128.79%｡2010年肥料氮投入占输入氮足迹的72.72%,污染氮足迹占总氮足迹的32.79%;3)1980-2010年,每年氮肥灰水足迹均高于磷肥灰水足迹｡活性氮流失的增长造成的稀释水量增加是农业土地利用系统灰水足迹增长的关键因素｡评价结果显示,桃江县农业土地利用系统在足迹总量与单位土地利用足迹对大气和水资源的负面影响正在持续上升｡氮足迹与灰水足迹综合评价方法能有效地识别区域农业土地利用过程对环境的负面效应,研究成果为降低农业土地利用过程的环境风险､制定农业土地利用系统优化方案提供参考｡

　　【关键词】农业;土地利用;氮;灰水;足迹;综合评价;桃江县

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　　0引言

　　自20世纪80年代以来,为满足日益增长的粮食需求,中国已普遍实行了高集约化的农业生产模式,由于农业生产资料的过度投入,大量未被有效利用的养分流失到环境中,常引发一系列的生态环境问题｡尤其是随着氮肥输入的增加,农业生态系统的氮平衡被破坏,大量的活性氮进入环境,造成农业非点源污染加剧､酸雨､臭氧层破坏等问题,严重影响了高集约化农业土地利用系统的可持续性[1]｡如何系统分析和评价农业土地利用对环境的负面效应已成为当前环境科学和土地科学重要的研究方向之一｡

　　足迹研究是当前生态经济学和可持续发展研究领域的热点之一[2]｡足迹类指标为评估农业土地利用资源消耗和废弃物排放等提供了新的理念和途径｡氮足迹(nitrogenfootprint,Nfootprint)是为定量评价人类活动对活性氮排放的影响而提出的｡2010年Galloway等[3-4]在第5次国际氮素大会提出了氮足迹计算模型及其应用,受到了全世界的广泛关注｡以Galloway和Leach[5-6]为首的研究团队作了概念界定及计算模型等开创性的工作｡秦树平等[7]在此基础上将氮足迹定义为:某种产品或者服务在其生产､运输､存储以及消费过程中直接和间接排放的活性氮的总和｡氮足迹研究从量化人类活动影响活性氮排放的角度,为指导人类生产方式,减少人为活性氮排放提供理论和数据支撑｡国内外已有学者从家庭､国家等不同尺度评价人类活动对活性氮排放的影响,尤其侧重于对食物的生产､消费,能源消耗等活性氮流动的定量分析[8-11]｡

　　灰水足迹(greywaterfootprint,GWF)于2008年由Hoekstra和Chapagain首次提出,该理论定义灰水足迹是稀释污染物所需要的水量,通常情况下换算成将污水稀释至符合当地区域规定的水质标准所需的淡水体积｡灰水足迹实现了从水量的角度评价水污染程度的目的,直观地反映了水污染对可用水资源量的影响[12]｡近几年国外灰水足迹研究发展迅速,一些学者分别从全球､国家､区域层面评估了主要作物生产､消费的灰水足迹[13-16]｡国内部分学者基于灰水足迹理论与方法评估了中国华北平原､新疆､内蒙古､黑龙江､山东､湖南等区域粮食生产与消费的灰水足迹[17-20]｡

　　对农业土地利用系统环境影响的准确度量是可持续土地利用评价的核心内容之一｡通过氮足迹与灰水足迹的计算,能够全面且深入地分析农业土地利用过程对关键污染物(活性氮)排放､关键环境问题(非点源污染)的影响,为农业土地利用系统环境效应综合评价提供了定量化指标｡本文选取粮食主产区湖南省桃江县为研究区,以农业土地利用系统为研究对象,在氮足迹和灰水足迹理论与模型的基础上,构建区域尺度氮足迹和灰水足迹综合分析框架,综合评价桃江县农业土地利用系统对生态环境形成的压力,为转变人类不合理的农业土地利用方式､调整农业土地利用结构､优化与设计低环境风险的农业土地利用系统提供指导｡

　　1研究方法和数据处理

　　1.1农业土地利用系统边界定义

　　农业土地利用系统是由各种生产要素输入､土地利用过程和各种输出组成,在农业生产活动过程中所形成的人与自然耦合系统｡本研究选取湖南省桃江县作为研究区,农业土地利用系统主要指种植业,包括桃江县行政区内旱地和水田｡农业土地利用过程从生产要素､环境要素在农田的输入开始,经过田间管理至农产品收获为止｡

　　1.2计算方法

　　1.2.1农业土地利用系统氮足迹的计算方法

　　农业土地利用系统氮足迹是指人类在进行农业生产的土地利用过程中投入各种资源所直接占用和排放的活性氮总量｡为全面评价农业土地利用过程中氮素的流动特征,本文在N-Calculator模型的基础上,结合农业土地利用系统的投入与产出特征,对其进行修正｡构建了区域农业土地利用系统氮足迹分析框架(表1)｡所涉及的计算包括:农业土地利用系统氮足迹､输入氮足迹(种子､有机肥､化肥､沉降､固氮和灌溉);污染氮足迹(指在农业土地利用过程中所导致的不被作物吸收的活化氮排放,包含地表径流(总氮)､淋溶(总氮)､氨挥发､N2O直接排放及农业燃油NO和NO2排放途径损失的活性氮)｡依据物质守恒原理及数据收集的难易,以输入氮足迹和燃油氮足迹之和作为农业土地利用系统氮足迹｡

　　1.2.2农业土地利用系统灰水足迹的计算方法

　　类比粮食生产灰水足迹的概念[17],农业土地利用系统灰水足迹是指以现有水质标准为基础,用于消纳､稀释农业土地利用过程排放到环境中的污染物的所需淡水量｡以稀释关键污染物所需的最大淡水量作为农业土地利用系统灰水足迹,这种稀释污染物的淡水量并非真实消耗掉了,只是一种虚拟水的形式｡依照国际水足迹网络出版的Greywaterfootprintaccounting:Tier1supportingguidelines[21]为依据,计算氮肥灰水足迹和磷肥灰水足迹(表1)｡

　　1.3研究区概况及数据来源

　　湖南桃江县位于湖南省中部偏北位置,处于资江中下游,地理坐标为28°12′-28°40′N,111°36′-112°19′E｡桃江县属亚热带大陆性季风气候,县境热量充足,雨水充沛,无霜期平均260d,年均气温16.6℃,年均降水量在1041~2255mm之间｡全县耕地4.45万hm2,占土地总面积的21.53%;园地0.53万hm2,占土地总面积的2.55%;林地11.47万hm2,占土地总面积的55.45%;其它农用地1.76万hm2,占土地总面积的8.53%｡桃江属典型粮食主产区,以水稻种植为主,其播种面积占总粮食作物播种面积的93%,其秸秆还田率达68%｡桃江畜牧业较为发达,2010年桃江生猪出栏数已达4371.65万头｡因其规模化养殖率低,农户散养较多,猪粪还田比率相对较高｡

　　1)氮足迹的计算:本文涉及的作物秸秆含氮系数､作物秸秆籽粒比等数据主要来源于《中国有机肥料养分志》[22]｡氮肥施用量､磷肥施用量､作物产量､降雨量､作物播种面积,禽畜数量､燃油使用量等来源于《桃江县统计年鉴》和《湖南农村统计年鉴》｡畜禽粪便排泄系数和养分含量参照文献[23],其中羊和兔的粪便排泄系数及氮磷含量参照文献[24]｡有机肥还田率50%,秸秆还田率68%,通过入户调研获得｡蔬菜产量通过桃江农业局获得｡地表径流(总氮)和地下淋溶(总氮)[25],生物固氮系数[26]､雨水含氮系数､反硝化系数通过文献[27-28]获得｡农用地N2O的排放根据IAP-N模型计算N2O的直接排放量,水田与旱地的直接排放因子分别取值0.003､0.00745[29]｡此外,根据桃江农业局提供的数据,燃油氮足迹以农用柴油使用量计算,排放系数参照文献[10]｡

　　2)灰水足迹的计算:以中国《地表水环境质量标准基本项目标准限值》(GB3838-2002)中V类水总氮､总磷浓度限值作为氮､磷污染物在水体中的环境浓度标准,分别计算农业土地利用系统氮肥灰水足迹和磷肥灰水足迹｡

　　2结果与分析

　　2.1农业土地利用系统氮足迹和灰水足迹总体情况

　　农业土地利用系统是人类生存最为重要的陆表生态系统之一,对陆地氮素的初级转化及水资源的消耗起重要的作用｡桃江县农业土地利用所产生的氮足迹和灰水足迹反映了农业土地利用对活性氮排放及主要污染物稀释水的需求｡1980年至2010年,桃江县农业土地利用系统中产生的氮足迹和灰水足迹呈稳步增加的趋势(表2)｡两类足迹从1980年的15135.09t､4.35亿m3增加到了2010年的30599.40t､10.27亿m3,分别增长了1.02倍和1.36倍,年均增速2.30%､2.81%｡在这一时期,单位土地利用面积氮足迹和灰水足迹分别由1980年的0.35t/hm2､1.01万m3/hm2提高至2010年的0.70t/hm2､2.33万m3/hm2,年均增速2.23%和2.75%｡与氮足迹相比较,灰水足迹的上涨更为剧烈｡

　　结构上,氮足迹以人为氮输入为主,1980—2010年其所占比重由64.47%增至73.09%,年均增长2.71%｡环境氮输入相对稳定,其所占比重在26.76%~35.19%之间波动｡能源氮排放所占比重最小,各年均在1%以下｡每年氮肥灰水足迹均高于磷肥灰水足迹,根据(表1)计算公式,其所需稀释水量由最大的污染物决定,因此选取氮肥灰水足迹作为农业土地利用系统灰水足迹｡

　　2.2农业土地利用系统氮足迹

　　2.2.1农业土地利用系统输入氮足迹

　　从1980年至2010年,桃江县农业土地利用系统输入氮足迹总量从15084.23t增长至30551.39t,净增15467.16t,年均增速2.30%,主要归功于化肥､有机肥和自然沉降(表3)｡整个时期不同的输入方式对氮足迹输入总量的贡献呈非线性的变化(图1)｡种子､灌溉､生物固氮保持稳定,三者的氮输入量在3030.06~4098.77t范围变动｡然而,通过化肥､有机肥和自然沉降所引起的氮输入由1980年的10985.47t逐步升至2010年的26846.24t,增幅144.38%,年均增速2.92%｡肥料氮输入(化肥和有机肥)从1980年的9598.62t增至2010年的22217.11t,贡献率从63.63%增至72.72%,年均增速2.74%｡尤其是2005年以后,随着湖南省取消了农业税并对种粮农民进行四项补贴(直接补贴､良种补贴､农机具购置补贴和农业生产资料综合补贴),极大地促进了农民在土地利用中的肥料投入｡2005-2010年化肥氮输入增长较快,6a平均增速6.81%｡31a间,肥料氮输入占输入氮足迹的比重已由1980年的63.63%上升至2010年的72.72%,成为桃江县农业土地利用系统最主要的氮输入源｡此外,通过自然沉降氮输入的量也大幅增加,从1980年的1386.85t增加到2010年的4629.13t,增长了2.34倍｡研究表明,从1980到2010年,桃江县化肥､有机肥输入的大幅增长,改变了农业土地利用系统氮的输入模式,肥料氮输入已经主导了桃江县农业土地利用系统输入氮足迹｡

　　单位土地利用面积输入氮足迹反映了农业土地利用单位耕地面积氮的输入强度｡1980—2010年,桃江县单位土地利用面积输入氮足迹从0.35增至0.69t/hm2,年均增长2.24%｡期间,肥料的年均增速2.68%,超过了单位土地利用面积氮输入的增长速度｡2010年,单位土地利用面积化肥氮足迹达到0.331t/hm2,是1980年的2.25倍,超出国际公认的化肥施用量安全上限0.225t/hm2的47.06%｡高强度的化肥投入增加了活性氮的损失风险｡

　　2.2.2农业土地利用系统污染氮足迹

　　随着系统内氮素的大量输入,农业土地利用系统氮的利用率并未随着输入的增长而增长(表4)｡这意味着,农业土地利用过程中大量的氮损失或累积在农田土壤中｡在高投入与技术水平相对落后的桃江县,过量的活性氮进入环境,成为区域空气质量､气候变化和非点源污染的主要贡献者之一｡随着输入氮足迹的增加,污染氮足迹也逐步上升,由1980年的4385.24t增长至2010年的10032.79t,增加了128.79%｡按单位土地利用面积污染氮足迹,已由0.10t/hm2增至0.23t/hm2,2010年农业污染氮足迹占总氮足迹的比重达到了32.79%｡

　　结构上,桃江县农田活性氮的流失以气体型流失为主｡氨挥发是污染氮足迹最主要的排放途径｡氨是导致酸雨的主要污染物质之一,进一步还会导致水体富营养化的发生;同时氨也是PM2.5形成的重要推手,氨能够与大气中的二氧化硫､氮氧化物的氧化产物反应,生成硝酸铵､硫酸铵等二次颗粒物,而这些二次颗粒物正是PM2.5的重要来源[30]｡1980-2010年,氨挥发损失的氮占污染氮足迹的比重平均为78.43%｡31a间,氨挥发导致的氮损失逐步增长,由3428.94t增至7851.86t,年均增速2.71%｡

　　随淋溶和径流损失的氮是引起农田周边水质恶化的主要途径,桃江县农业土地利用对氮肥较高的依赖性,导致了随淋溶和地表径流排放的氮总量仅次于氨挥发排放,然而年均增长速度高于氨挥发的增长,为2.81%;2010年已达到2054.58t,是1980年的2.36倍｡日益增长的活性氮流失到周边水体,增加了水质恶化和富营养化的风险｡

　　氧化亚氮直接排放与燃油释放的氮相对较小,年均总量占污染氮足迹比重的2%以下｡然而,N2O是温室气体之一,其增温潜势是CO2的310倍[30],2010年桃江县农田N2O直接排放为78.34t,相当于向大气释放24285.40t的CO2｡研究表明,农业土地利用系统已成为大气污染和非点源污染的主要贡献者之一｡