廣東省農(nóng)業(yè)氮足跡分析

周 濤,王云鵬,王 芳,馮艷芬(1.中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所,廣東 廣州 510640；.廣州大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,廣東 廣州 510075；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)研究生院,北京 100049)

廣東省農(nóng)業(yè)氮足跡分析

周 濤1,2,3,王云鵬1*,王 芳2,馮艷芬2(1.中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所,廣東 廣州 510640；2.廣州大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,廣東 廣州 510075；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)研究生院,北京 100049)

為對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)氮素利用和排放情況簡(jiǎn)單直觀而又全面地評(píng)估,基于修正的N-Calculator模型的基礎(chǔ)上,結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中的氮素流動(dòng)過(guò)程,計(jì)算了廣東省農(nóng)業(yè)氮足跡.研究發(fā)現(xiàn),該省農(nóng)業(yè)氮足跡的主要來(lái)源是化肥施用和養(yǎng)殖業(yè)飼料,2010年,兩者合計(jì)占約81%以上.近20年來(lái),農(nóng)業(yè)氮足跡總量上升了45%,按用地平均更增長(zhǎng)了88%,增速最快的是來(lái)自非農(nóng)業(yè)部門(mén)的大氣沉降氮,年增速8.5%,農(nóng)業(yè)能源氮足跡是另一增長(zhǎng)較快的項(xiàng)目,增幅為 107%.污染氮足跡已占到總足跡的 31%,主要是因?yàn)橥寥赖牡亓魇?另外,2010年,與農(nóng)業(yè)活動(dòng)相關(guān)的其他部門(mén)的農(nóng)業(yè)隱含氮足跡為207209.79t,約為農(nóng)業(yè)氮足跡的17%.

農(nóng)業(yè)氮足跡；污染氮足跡；隱含氮足跡；廣東省

氮是生物圈的關(guān)鍵循環(huán)元素之一,蛋白質(zhì)合成的主要來(lái)源.自從 20世紀(jì)初德國(guó)科學(xué)家 Fritz Haber和Carl Bosch發(fā)明了把大氣中惰性氮轉(zhuǎn)化為氨的方法后,截至 2010年,人類每年至少合成1．5億t活性氮[1],相當(dāng)于陸地其他自然過(guò)程固氮量的兩倍.這對(duì)提高農(nóng)作物產(chǎn)量,滿足人類不斷增加的食物需求方面起到了巨大作用.但是,另一方面,人為活性氮的劇烈增長(zhǎng),破壞了自然界氮素系統(tǒng)應(yīng)有的平衡,大量的 NH、NO、NO、NO-32χ3等氮化合物被排放進(jìn)入土壤、大氣和水體,造成環(huán)境污染和生態(tài)系統(tǒng)的損害,如酸雨、灰霾、水體富營(yíng)養(yǎng)化、生物多樣性威脅、臭氧層破壞,甚至全球氣候變暖等嚴(yán)重影響.

農(nóng)業(yè)是與氮素使用最密切的部門(mén),大約有70% 以上的氮排放量來(lái)自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[2].氮肥施用,化石能源燃燒等人為活性氮排放的快速增加,不僅對(duì)生態(tài)環(huán)境造成不良影響,也威脅到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性.因此,有關(guān)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中氮的遷移轉(zhuǎn)化以及環(huán)境效應(yīng)的研究成為熱點(diǎn)問(wèn)題.然而,現(xiàn)有研究偏重于氮素流動(dòng)中復(fù)雜的生物、物理和化學(xué)過(guò)程,計(jì)算繁瑣,公眾和決策者很難理解,無(wú)法有效發(fā)揮對(duì)農(nóng)業(yè)活動(dòng)合理化、低氮化的指導(dǎo)作用.

1 氮足跡概念與模型

氮足跡的概念來(lái)源于生態(tài)足跡. 生態(tài)足跡是“特定人口對(duì)自然資源的消費(fèi)和吸納其排放廢物所需的生物生產(chǎn)性土地和水域面積”[3].通過(guò)比較生態(tài)足跡與自然界所提供的生態(tài)承載力,可以判斷人類對(duì)自然資源的利用是否具有可持續(xù)性[4].生態(tài)足跡的研究目前已經(jīng)比較成熟,并形成了兩種基本的方法體系:綜合法和組分法.前者著眼于初級(jí)產(chǎn)品,自上而下的利用整體數(shù)據(jù);后者著眼于終端消費(fèi)項(xiàng)目和個(gè)人消費(fèi)行為的組分劃分,自下而上的匯總數(shù)據(jù)[5].借鑒生態(tài)足跡的思路,研究者們又相繼提出了反映溫室氣體排放的碳足跡,評(píng)估水資源利用的水足跡等,這些足跡共同構(gòu)成了足跡家族[6],用以綜合評(píng)價(jià)人類活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境的復(fù)雜影響.2010年后, Leach等[7]提出了氮足跡的概念,并做了一些開(kāi)創(chuàng)性工作.

目前,氮足跡還沒(méi)有公認(rèn)的定義,Leach等[7]將其簡(jiǎn)單概括為某種產(chǎn)品或服務(wù)在其生命周期過(guò)程中所排放的活性氮(Nr)的總量.目前只有少量的有關(guān)氮足跡模型的研究,如美國(guó)切薩皮克灣基金會(huì)計(jì)算了該地區(qū)普通家庭生活中的氮足跡

[7],包括能源使用、生活污水、草坪施肥等,但該研究比較粗略,缺少食物的氮排放核算;Xue等

[8]發(fā)現(xiàn)肉類和乳制品等食物的氮足跡要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于谷類和碳水化合物;Leach等[7]提出了氮足跡計(jì)算模型 N-Calculator,該模型中氮足跡主要考慮食物和能源兩種來(lái)源,首先對(duì)研究區(qū)常見(jiàn)的食物品種和主要能源消費(fèi)品在生產(chǎn)、運(yùn)輸以及消費(fèi)過(guò)程中氮素流的輸入輸出進(jìn)行定量計(jì)算并匯總,然后從個(gè)人生活所涉及的飲食、居住、出行、商品和服務(wù)這四個(gè)方面來(lái)進(jìn)行食物和能源消耗的分解,從而得到個(gè)人每年所產(chǎn)生的氮足跡. N-Calculator模型使得人們能夠認(rèn)識(shí)其個(gè)人活動(dòng)中的氮排放,有利于引導(dǎo)公眾改變消費(fèi)結(jié)構(gòu),減小個(gè)人氮足跡.

N-Calculator模型是一種衡量個(gè)人消費(fèi)活動(dòng)產(chǎn)生的氮污染的方法,它是基于消費(fèi)端的氮足跡,并納入了隱含的生產(chǎn)性氮足跡.但 N-Calculator模型未能明確生產(chǎn)活動(dòng)中的氮素投入與排放,無(wú)法指導(dǎo)生產(chǎn)者合理其生產(chǎn)方式,減少生產(chǎn)性氮排放.因此,本研究在N-Calculator模型的基礎(chǔ)上,對(duì)其進(jìn)行修正,以廣東省為例,分析農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中因各種資源的消耗而直接或間接利用和排放的氮元素量,以獲得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮素流動(dòng)情況的全面評(píng)估,從而為降低氮素對(duì)環(huán)境影響的政策和措施提供參考依據(jù).

2 農(nóng)業(yè)氮足跡的計(jì)算方法與過(guò)程

農(nóng)業(yè)氮足跡可表述為:在一定經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下,為完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)而投入各種資源所直接或間接占用和排放的活性氮總量.考慮到廣東省農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀,為研究方便,本文中農(nóng)業(yè)范圍主要指種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè).農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的生產(chǎn)要素投入產(chǎn)出系統(tǒng).其中,自然要素、生產(chǎn)資料、勞動(dòng)力、能源等是主要的物質(zhì)性輸入;農(nóng)產(chǎn)品收獲、秸稈、人畜糞便、污染廢棄物等是主要的系統(tǒng)輸出.氮素隨不同的資源進(jìn)入到農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng),經(jīng)過(guò)遷移轉(zhuǎn)化后,又以各種途徑從這一系統(tǒng)中輸出[9].因此,農(nóng)業(yè)氮足跡有兩種表現(xiàn)形式:輸入氮足跡和輸出氮足跡,前者從農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)不同階段所投入的各類資源的氮素含量來(lái)推算,后者通過(guò)計(jì)算資源消耗產(chǎn)生的某種形式的氮排放量而得出.這兩種氮足跡遵守物質(zhì)守恒原理,在本質(zhì)上是同一和平衡的.由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,各種要素的投入數(shù)量相對(duì)比較確定,本文主要從氮素輸入的角度來(lái)研究氮足跡,但個(gè)別項(xiàng)目如能源氮足跡,采用輸出氮足跡.農(nóng)業(yè)氮足跡的計(jì)算如下:

式中:NFtotal表示總的農(nóng)業(yè)氮足跡;NFi表示第i個(gè)氮足跡項(xiàng)目,包括生產(chǎn)資料氮足跡,食物消費(fèi)氮足跡,能源氮足跡,自然過(guò)程氮足跡.

2.1 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料氮足跡

2.1.1 化肥氮足跡 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的肥料投入包括有機(jī)肥和化肥.有機(jī)肥的主要來(lái)源是人畜糞便和秸稈,糞便實(shí)質(zhì)上是人畜消耗食物(飼料)的轉(zhuǎn)化物,秸稈則是當(dāng)季農(nóng)作物的收割留余,兩者都是氮素在同一評(píng)價(jià)周期的系統(tǒng)內(nèi)部的二次利用,并沒(méi)有產(chǎn)生新的占用.

廣東地區(qū)使用氮肥的主要品種有尿素、碳酸氫銨,占比約為 55%和 37%[10],含氮量分別為46%,18%,其余少量使用的氮肥包括氯化銨、硝酸銨、硫酸銨等占8%.復(fù)合肥施用量近年呈上升趨勢(shì),在化肥總量中占到 25%～30%左右,含氮量通常在15%～24%之間.化肥氮足跡計(jì)算如下:

式中:NFfertilizer為化肥氮足跡;TFi為第i種化肥的施用量;NBi為第i種化肥的含氮量.

2.1.2 飼料氮足跡 廣東省肉乳類生產(chǎn)以工業(yè)化生產(chǎn),飼料飼養(yǎng)為主,也存在部分的農(nóng)戶散養(yǎng).其喂養(yǎng)食料除飼料外,還輔之以食物垃圾和廢棄農(nóng)作物.這些輔助食料的氮足跡屬于其他氮足跡的再利用形式,本節(jié)討論飼料氮足跡.

由于缺少詳細(xì)的飼料消費(fèi)數(shù)據(jù),本文從各種肉乳類產(chǎn)品的料肉比出發(fā),確定飼養(yǎng)過(guò)程中所消耗的飼料,并根據(jù)常見(jiàn)的飼料配方的氮含量,來(lái)計(jì)算飼料氮足跡.其計(jì)算如下.

式中:NFfeed為飼料氮足跡;TPi為第i種肉乳產(chǎn)品的產(chǎn)量;Gi為第 i種肉乳產(chǎn)品中飼料喂養(yǎng)所占比例;RMi為第 i種肉乳產(chǎn)品的料肉比,見(jiàn)表 1;NDi為第i種肉乳產(chǎn)品飼料配方的含氮量,計(jì)算如下:

式中:NCj為第 j種原料的含氮量,可根據(jù)蛋白質(zhì)含量乘以系數(shù)0.16 得出;FCi為第i種飼料配方中第j種原料的含量.根據(jù)飼料手冊(cè)的資料,選取多種配方,求得配方中各原料所占比的平均值,在此基礎(chǔ)上計(jì)算飼料配方的平均含氮量,見(jiàn)表2.

表1 主要肉乳類產(chǎn)品的料肉比Table 1 Feed conversion rates of meats and dairy

表2 各類飼料配方中的主要原料成分和含氮量(%)Table 2 Main ingredients and N contents of different feed formulas (%)

2.1.3 種子氮足跡 隨著種子專業(yè)化和市場(chǎng)化發(fā)展,廣東傳統(tǒng)的自留種子方式已轉(zhuǎn)變?yōu)橘?gòu)買商品種子為主.種子氮足跡的計(jì)算公式為:式中:NFseed為種子氮足跡;ASi為第i種農(nóng)作物的單位面積平均用種量,見(jiàn)表3;Ai為第i種農(nóng)作物的播種面積;NSi為第i種農(nóng)作物種子的含氮量.

2.2 農(nóng)業(yè)人口食物消費(fèi)氮足跡

農(nóng)業(yè)人口消費(fèi)氮足跡是指為保證農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力再生產(chǎn)的生活消費(fèi)所產(chǎn)生的氮足跡,主要包括食物和能源.本節(jié)只處理食物氮足跡,輸出形式主要為糞便,生活污水和廚余垃圾.食物消費(fèi)氮足跡的計(jì)算如下:

式中:NFfood為食物消費(fèi)氮足跡;P為農(nóng)業(yè)人口數(shù); FPi為第i種食物人均消費(fèi)量,來(lái)自統(tǒng)計(jì)年鑒中的調(diào)查數(shù)據(jù);NVi為第i種食物含氮量[15],見(jiàn)表4.

表3 主要農(nóng)作物的平均用種量和種子含氮量Table 3 Sowing rates and N contents of the seeds

表4 食物的含氮量(%)Table 4 N contents of food (%)

2.3 農(nóng)業(yè)能源氮足跡

能源氮足跡是指因化石燃料如煤炭、石油、天然氣等的燃燒所產(chǎn)生NOχ,N2O等氣體的氮素含量.農(nóng)業(yè)能源氮足跡的來(lái)源除機(jī)械設(shè)備使用,農(nóng)業(yè)運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)活動(dòng)外,還包括農(nóng)村家庭生活中烹飪、取暖等活動(dòng).其計(jì)算如下:

式中:NFenergy表示能源氮足跡;NFNOχ表示 NOχ氮足跡;NFN2O表示N2O氮足跡;ECi表示第i種能源消耗量;EFHi表示第i種能源以NO2計(jì)的NOχ排放因子;c1取常數(shù) 0.304,表示 NOχ的氮含量;EFMi表示第i種能源的N2O排放因子;c2取常數(shù)0.727,表示N2O的氮含量.

NOχ排放因子受燃燒設(shè)備、燃料類型、燃燒狀況、燃燒周邊環(huán)境等多種因素影響.本文在分析國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上[16-19],確定廣東地區(qū)各能源消費(fèi)活動(dòng)的NOχ排放因子(表5).

表5 能源消費(fèi)活動(dòng)的NOχ排放因子(kg/t)Table 5 NOχEmission factors of energy consumptions (kg/t)

表6 主要能源的N2O排放因子(g/t)Table 6 N2O Emission factors of different energy (g/t)

有關(guān)能源領(lǐng)域N2O排放量的研究比較零散,其系統(tǒng)性有待提高.本文主要參考 IPCC數(shù)據(jù)和國(guó)內(nèi)有關(guān)研究[20-21],確定廣東地區(qū)各種能源的N2O排放因子(表6).

2.4 農(nóng)業(yè)自然過(guò)程氮足跡

大氣沉降和生物固氮是農(nóng)業(yè)用地獲得活性氮的主要自然過(guò)程.大氣沉降部分來(lái)自于農(nóng)業(yè)能源使用、農(nóng)田施肥揮發(fā)等,不再重復(fù)計(jì)算.另一部分源于工業(yè)生產(chǎn),交通運(yùn)輸,居民生活中的燃料燃燒,本文的大氣沉降氮足跡特指這部分農(nóng)業(yè)系統(tǒng)外的凈輸入氮,其計(jì)算如下:

式中:NFdeposition為大氣沉降氮足跡;NFenergy是除農(nóng)業(yè)消費(fèi)外的能源氮足跡,計(jì)算方法同公式(8);Y為含氮?dú)怏w的沉降率,取 70%[22-23];AR為農(nóng)地面積占總面積比例.

生物固氮包括共生固氮和非自生固氮 2個(gè)方面.農(nóng)業(yè)生物固氮足跡的計(jì)算如下:

式中:NFbiofixation表示生物固氮足跡;SAi表示第 i種農(nóng)作物的播種面積;BNi表示第i種農(nóng)作物的固氮因子,見(jiàn)表 7.作物的固氮因子受土壤的溫度、濕度、氮含量、碳含量、pH值、其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等多種要素的影響,在一定范圍內(nèi)浮動(dòng).這些要素與作物固氮能力的定量關(guān)系非常復(fù)雜,尚未能完全明確.因此,本文中作物的固氮因子省略了環(huán)境要素的年際變化,設(shè)定為平均狀態(tài)下的固氮量.

表7 不同作物的固氮因子[kg/(hm2?a)]Table 7 Nitrogen fixation rate values of crops [kg/(hm2?a) ]

3 結(jié)果與分析

3.1 1990～2010年廣東省農(nóng)業(yè)氮足跡變化

根據(jù)式(1)和相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),計(jì)算出 1990～2010年廣東省農(nóng)業(yè)氮足跡結(jié)果(表8).由表8可見(jiàn),近 20年來(lái)廣東省農(nóng)業(yè)氮足跡總量上升了 45%,年均增加 2.2%,除少數(shù)年份外,環(huán)比增速多為正值.而按照農(nóng)業(yè)用地平均的氮足跡,2010年是1990年的1.88倍,年均增速達(dá)4.2%,與總量相比較,上漲更為劇烈,農(nóng)業(yè)用地面積的減少是造成這種差異的主要原因.同期,一些主要的作物如稻谷,玉米,甘蔗,蔬菜等的平均產(chǎn)量只提高了2%～22%,這說(shuō)明大量的氮素輸入并沒(méi)有帶來(lái)與之匹配的產(chǎn)量顯著提升,效果有限.

從結(jié)構(gòu)來(lái)看,各項(xiàng)氮足跡所占比重的變化如圖1、圖2所示.化肥氮足跡所占比重由44%下降為 38%,但總量仍有 26%的增加,年均增長(zhǎng)1.2%,2010年每公頃化肥氮足跡為15.75kg,相較1990年提升了64%,盡管2005年后,廣東省開(kāi)始推行測(cè)土配方施肥技術(shù),氮足跡增長(zhǎng)速度有所放緩,但仍沒(méi)從根本上改變其上升趨勢(shì).

飼料氮足跡從2004年開(kāi)始已超過(guò)化肥氮足跡,成為第一位.比1990年增加了1.5倍,年均增長(zhǎng)6.9%,對(duì)氮足跡整體增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)度,達(dá)到80%左右.廣東省20年來(lái)畜牧養(yǎng)殖業(yè)的迅猛發(fā)展,產(chǎn)生了對(duì)飼料糧食的巨大消耗.動(dòng)物食物生產(chǎn)的特點(diǎn)是物質(zhì)利用效率低,蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化效率平均只有 20%左右,飼料氮足跡大部分以糞便尿液形式排出體外,如果不能合理處理,將對(duì)生態(tài)環(huán)境形成潛在威脅.

表8 1990～2010年廣東省農(nóng)業(yè)氮足跡(t/a)Table 8 The nitrogen footprint of Agriculture in Guangdong from 1990～2010 (t/a)

大氣沉降氮的增長(zhǎng)最為迅速,年增長(zhǎng)達(dá)到8.5%,由 1990年的 11kg/hm2到 2010年的40kg/hm2,增幅高達(dá)3倍,反映了來(lái)自非農(nóng)業(yè)部門(mén)的工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等部門(mén)的大氣沉降逐漸增加,已成為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的重要氮源.

圖1 1990年廣東農(nóng)業(yè)氮足跡結(jié)構(gòu)Fig.1 The composition of agricultural nitrogen footprint in Guangdong in 1990

圖2 2010年廣東農(nóng)業(yè)氮足跡結(jié)構(gòu)Fig.2 The composition of agricultural nitrogen footprint in Guangdong in 2010

農(nóng)業(yè)能源氮足跡是另一較快增長(zhǎng)的項(xiàng)目,增幅為 107%.農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量的提高,農(nóng)用物質(zhì)的需求增加,農(nóng)產(chǎn)品貿(mào)易的發(fā)展以及農(nóng)戶家庭購(gòu)車的興起促進(jìn)了農(nóng)村交通運(yùn)輸對(duì)汽油,柴油等能源消耗.拖拉機(jī),收割機(jī)等農(nóng)業(yè)機(jī)械的普及,也拉動(dòng)了對(duì)柴油的使用,成為重要的農(nóng)業(yè)氮污染源.

種子氮足跡和食物消費(fèi)氮足跡都有一定的減少,年增長(zhǎng)率分別為-0.8%,-0.5%.20世紀(jì)90年代以來(lái),廣東農(nóng)村居民的食物結(jié)構(gòu)有了明顯變化,口糧消費(fèi)出現(xiàn)逐年下降,動(dòng)物性食物及其他食物的大幅度提高,食物的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)得到顯著改善.但谷類消費(fèi)下降過(guò)多,可能造成營(yíng)養(yǎng)均衡問(wèn)題,動(dòng)物性食物消費(fèi)以蛋白質(zhì)含量較低且耗糧多的豬肉為主,產(chǎn)生較大的飼料氮足跡壓力.

生物固氮足跡是唯一有明顯下降的足跡項(xiàng)目,年均減少 1.1%,主要因?yàn)楦孛娣e和播種結(jié)構(gòu)的變化.1990年至2010年,廣東省耕地面積減少了 23%,大量耕地轉(zhuǎn)化為無(wú)固氮能力的建設(shè)用地.同時(shí),高固氮作物的播種比例也有所縮小,例如:大豆播種面積大幅縮減了 45%,所占比由1.7%下降到 1.3%.生物固氮相對(duì)于化肥固氮,節(jié)約能源,利用效率高,環(huán)境負(fù)面效益少,是自然綠色的固氮方式,其所占比的持續(xù)減少,反映了廣東農(nóng)業(yè)氮足跡在結(jié)構(gòu)上趨向于劣化.

3.2 農(nóng)業(yè)污染氮足跡分析

農(nóng)業(yè)的輸出氮足跡包括農(nóng)產(chǎn)品收獲,秸稈產(chǎn)出,人畜糞便以及生產(chǎn)生活過(guò)程中的氮排放與流失等.其中,秸稈的處理方式有飼料、還田、生活能源、工業(yè)原料、廢棄和焚燒等[6],糞便大部分經(jīng)過(guò)有機(jī)堆肥、沼氣發(fā)酵、廢水去污等無(wú)害化處理,但也有部分未處理而直接排放.秸稈飼料,秸稈還田等屬于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的內(nèi)部循環(huán),未納入前文中氮足跡的計(jì)算.而能源氮排放,秸稈廢棄,秸稈焚燒,未經(jīng)處理的糞便,化肥的 NH3、N2O揮發(fā),硝化氮的淋失和徑流等過(guò)程使氮素排放到大氣或流失于水體中,對(duì)環(huán)境構(gòu)成潛在威脅,形成潛在污染氮足跡.綜上,農(nóng)業(yè)污染氮足跡計(jì)算如下:

式中:NFpollution為污染氮足跡,NFtotal為總氮足跡.NFp為農(nóng)產(chǎn)品氮足跡,是指作物,禽畜等農(nóng)產(chǎn)品收獲物的氮含量,根據(jù)每種產(chǎn)品的產(chǎn)量乘以單位產(chǎn)量的氮含量因子(同表1,表4)得出.

NFd表示反硝化N2氮足跡,是土壤中硝酸根在氧氣不足的條件下被反硝化細(xì)菌作用而還原成的氮?dú)?反硝化作用除產(chǎn)生對(duì)環(huán)境無(wú)害的 N2之外,還形成 N2O.它是一種溫室氣體,應(yīng)歸之為污染氮足跡.反硝化產(chǎn)物中N2O與N2的比例受土壤的 pH值,硝酸根濃度,水分與通氣狀況以及植物根系生長(zhǎng)等多種因素影響,比較復(fù)雜.本文根據(jù)文獻(xiàn)[26-28],確定廣東土壤反硝化作用產(chǎn)物占土壤含氮量比率為水田30%,旱田15%,N2O/ N2為3/7,并以此計(jì)算反硝化N2氮足跡.

NFm表示無(wú)害化處理糞便氮足跡,等于糞便氮足跡乘以無(wú)害化處理比例(數(shù)據(jù)來(lái)源于廣東省農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒和廣東省規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染情況調(diào)查資料),禽畜糞便氮足跡根據(jù)畜禽的年末出欄數(shù)(或年末存欄數(shù))與飼養(yǎng)周期(或存欄動(dòng)物飼養(yǎng)天數(shù),按365天除以飼養(yǎng)周期天數(shù)后取余數(shù)獲得)以及糞尿日排泄量相乘計(jì)算(表 9).人的糞便氮足跡按平均每人每年排泄 5.4kg N[25]計(jì)算.

表9 主要禽畜的飼養(yǎng)周期,日糞便排泄量與含氮量Table 9 Livestock feeding period, daily excrement and N contents

NFs表示秸稈工業(yè)原料氮足跡.等于秸稈氮足跡乘以工業(yè)原料處理比例[30],秸稈氮足跡根據(jù)各種農(nóng)作物的谷草比[30-31]乘收獲量推算秸稈的量,再乘以秸稈氮含量計(jì)算(表10).

表10 農(nóng)作物的草谷比和秸稈氮含量Table 10 The ratio of grain to straw and the N contents in straw

農(nóng)業(yè)污染氮足跡包括土壤流失污染氮足跡,秸稈污染氮足跡,糞便污染氮足跡,能源污染氮足跡等.其中,能源污染氮足跡是化石能源燃燒的氮排放,等同于能源氮足跡;糞便污染氮足跡等于糞便氮足跡減去無(wú)害化處理糞便氮足跡;秸稈污染氮足跡等于秸稈氮足跡乘以秸稈的焚燒廢棄比例,根據(jù)曹國(guó)良等提出的估算方法和相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)獲得[32-33];土壤流失污染氮足跡是農(nóng)田系統(tǒng)輸入氮足跡中未被作物所吸收并可能造成環(huán)境污染的部分,可通過(guò)總污染足跡減去能源、糞便、秸稈等其他污染氮足跡來(lái)推算.

圖3 1990～2010年廣東農(nóng)業(yè)污染氮足跡Fig.3 Agricultural pollution nitrogen footprint from 1990 to 2010總污染氮足跡土壤流失氮足跡糞便污染氮足跡秸稈污染氮足跡 能源污染氮足跡

根據(jù)式(10),計(jì)算出廣東省 1990～2010年的農(nóng)業(yè)污染氮足跡,結(jié)果如圖3所示.從圖3可以看出,農(nóng)業(yè)污染氮足跡整體呈上升趨勢(shì),由 1990年的210308t到2010年的380425t,增加了80%.按農(nóng)業(yè)用地平均的污染氮足跡更是由 83kg/hm2到195kg/hm2.2010年的污染氮足跡占到總氮足跡的 31%,反映出該省農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的氮污染形勢(shì)比較嚴(yán)重但尚未過(guò)于惡化.盡管2008年后國(guó)家實(shí)施建設(shè)生態(tài)節(jié)約型農(nóng)業(yè)戰(zhàn)略,污染足跡有所下降,但這種下降是否能持續(xù),還有待觀察.圖中還顯示污染足跡在1996～2000年期間有所波動(dòng),主要是因?yàn)?996年全國(guó)農(nóng)業(yè)普查后的數(shù)據(jù)調(diào)整.從污染足跡的結(jié)構(gòu)來(lái)看,20世紀(jì)90年代中期以來(lái),特別是2005年后,廣東農(nóng)村提倡秸稈和糞便的無(wú)害處理,減少秸稈焚燒和糞便的直接排放,使得秸稈污染氮足跡和糞便污染氮足跡在污染氮足跡中的比例明顯下降.現(xiàn)階段對(duì)農(nóng)業(yè)污染氮足跡貢獻(xiàn)最大的是土壤氮流失, 占到污染足跡的 67%左右,盡管化肥施用量和大氣沉降氮大量增加,但氮肥利用率(NUE)卻沒(méi)有提高甚至有所降低,大量氮素流失到大氣和水體中,造成環(huán)境污染.同時(shí),盡管糞便污染氮足跡所占比從35%下降到19%,但仍是農(nóng)業(yè)氮污染的第二來(lái)源.目前廣東省僅有68.5%的養(yǎng)殖場(chǎng)納入了畜禽養(yǎng)殖污染控制,相當(dāng)數(shù)量的養(yǎng)殖場(chǎng)沒(méi)有糞便、污水處理措施,未能達(dá)到無(wú)害化和減量化處理.

3.3 農(nóng)業(yè)隱含氮足跡分析

農(nóng)業(yè)中所投入的部分物資(如化肥,飼料,農(nóng)藥等)、設(shè)備、能源(如電力),在其生產(chǎn)過(guò)程中也會(huì)形成氮足跡.這些足跡雖然沒(méi)有直接發(fā)生于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng),而是由系統(tǒng)外部的工業(yè)部門(mén)產(chǎn)生,但服務(wù)于農(nóng)業(yè)活動(dòng),對(duì)其有重要影響,可稱之為農(nóng)業(yè)隱含氮足跡.

本文中,只有在農(nóng)業(yè)投入品生產(chǎn)過(guò)程對(duì)隱含氮足跡較明顯直接貢獻(xiàn)的部分才納入進(jìn)來(lái),包括:農(nóng)業(yè)活動(dòng)消耗的電力氮足跡,化肥、飼料等物資生產(chǎn)中的能源氮足跡,化肥生產(chǎn)中的污染氮足跡,飼料生產(chǎn)中的原料損耗氮足跡等.其他生產(chǎn)氮足跡所占比例很小且數(shù)據(jù)收集困難,在此省略.

電力消耗沒(méi)有直接產(chǎn)生氮排放,但在東地區(qū)的火電所占比重高達(dá) 65%～80%以上,發(fā)電過(guò)程中煤、油等能源的燃燒產(chǎn)生了大量含氮?dú)怏w,間接形成了氮足跡.火電生產(chǎn)的氮排放因子同表5、表6.其他核算系數(shù)與來(lái)源見(jiàn)表11.

表11 農(nóng)業(yè)隱含氮足跡的數(shù)據(jù)來(lái)源Table 11 The data source of agricultural embodied N footprint

表12 2010年廣東農(nóng)業(yè)隱含氮足跡(t)Table 12 The embodied N footprint of agriculture in Guangdong in 2010 (t)

表12為2010年廣東農(nóng)業(yè)隱含氮足跡結(jié)果,由表12可見(jiàn),農(nóng)業(yè)隱含氮足跡主要來(lái)自于農(nóng)業(yè)活動(dòng)的電力消耗,占到63%以上.其次是化肥生產(chǎn)中的氮排放,其中生產(chǎn)能耗氮和廢水氨氮各占 49%和51%.總的來(lái)看,農(nóng)業(yè)隱含氮足跡約為直接氮足跡的17%,這些氮素大多排放于大氣和水體中,成為與農(nóng)業(yè)相關(guān)的另一重要氮污染來(lái)源.

4 結(jié)論

4.1 2010年,廣東農(nóng)業(yè)氮足跡的主要來(lái)源是飼料喂養(yǎng)和化肥施用,分別為43%和38%,兩者合計(jì)占約81%,其余總計(jì)不到20%.近20年來(lái),廣東農(nóng)業(yè)氮足跡增長(zhǎng)明顯,貢獻(xiàn)最大是飼料氮足跡,增長(zhǎng)較快的氮足跡有大氣沉降氮和農(nóng)業(yè)能源氮,具有良好生態(tài)與生產(chǎn)效應(yīng)的生物固氮所占比例卻下降了一半,反映輸入氮足跡結(jié)構(gòu)趨向負(fù)面.

4.2 從輸出氮足跡來(lái)看,秸稈和人畜糞便無(wú)害化處理和回收利用的比例有很大提高,使來(lái)自這兩項(xiàng)的污染氮足跡呈下降趨勢(shì).土壤流失氮足跡成為最大的氮污染源,占到70%左右,主要因?yàn)榛适┯煤蟮膿]發(fā),淋失和徑流,加強(qiáng)化肥施用管理仍然是治理氮污染的重中之重.

4.3 農(nóng)業(yè)隱含氮足跡約為直接氮足跡的17%左右,提高化肥使用數(shù)量和減少農(nóng)業(yè)能源使用,提高化肥和能源利用率,有助于減少這部分隱含氮足跡,減輕環(huán)境負(fù)擔(dān).

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Analysis of the nitrogen footprint of agriculture in Guangdong

ZHOU Tao1,2,3, WANG Yun-peng1*, WANG Fang2,FENG Yan-fen2(1.Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China；2.School of Geographical Sciences, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China；3.Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China). China Environmental Science, 2014,34(9)：2430～2438

To simply, intuitively, and fully assess the nitrogen (N) footprint of agriculture in Guangdong Province, China, A modified N-calculator model was applied and an analysis of agricultural N flow processes was combined to calculate the use and emissions of N in agriculture. The main contributors to the N footprint were fertilizer and feed, together accounting for 81% of the N footprint in 2010. The size of the N footprint increased by 45% from 1990 to 2010, and by 88% during the same period if measured on an average land basis. The fastest growing contributor to the N footprint was atmospheric N deposition, which increased at an annual rate of 8.5%. Agricultural energy was another large contributor to the N footprint with a 107% increase from 1990 to 2010. Pollution accounted for more than 31% of the total N footprint, mainly because of the loss of soil N. Finally, the N footprint of other agriculture-related industries accounted for approximately 17% of the total agricultural N footprint (207209.79t).

agricultural nitrogen footprint；pollution nitrogen footprint；embedded nitrogen footprint；Guangdong

X502

A

1000-6923(2014)09-2430-09

周 濤(1977-),男,四川宣漢人,中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所博士研究生,從事生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià),環(huán)境遙感和可持續(xù)研究.發(fā)表論文10余篇.

2014-01-26

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAH32B03);廣東省自然科學(xué)基金(S2013010014097)

* 責(zé)任作者, 研究員, wangyp@gig.ac.cn