河北省種植業(yè)水污染足跡初報(bào)

杜 玲，徐長春，吳 堯，王 猛，陳 阜*

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/農(nóng)業(yè)部農(nóng)作制度重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193；2.農(nóng)業(yè)部科技發(fā)展中心，北京 100122）

水資源短缺與水污染已經(jīng)成為制約中國可持續(xù)發(fā)展的兩大瓶頸問題[1－2]。河北省作為我國重要的糧食生產(chǎn)區(qū)，1995—2014年這20年間全省糧食產(chǎn)量提高22.7%，而化肥施用量相應(yīng)提高52.1%[3]，以2014年為例，河北省小麥單位面積化肥施用量達(dá)450 kg·hm－2，比全國平均水平高出11.1%，化肥的高投入使隨之產(chǎn)生的水資源污染問題日益嚴(yán)重，因此，在農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展和供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的背景下，研究河北不同地區(qū)農(nóng)作物種植水污染問題，對(duì)河北的水資源可持續(xù)利用以及生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展有重要意義。

“水足跡”是衡量生產(chǎn)者或消費(fèi)者直接和間接使用水資源量的指標(biāo)[4]，可用來核算直接和間接的水資源消耗和污染，目前在水資源研究領(lǐng)域得到了較為廣泛應(yīng)用[5－7]。Hoekstra 等[8]和徐長春等[9]總結(jié)了基于虛擬水的水足跡計(jì)算方法，2014年國際標(biāo)準(zhǔn)組織發(fā)布了ISO 14046水足跡計(jì)算國際標(biāo)準(zhǔn)，明確將水足跡指標(biāo)分為水消耗和水污染兩部分[10]。Ridoutt等[11]曾提出采用水資源壓力指數(shù)計(jì)算消耗水當(dāng)量，體現(xiàn)農(nóng)作物種植的水資源消耗對(duì)環(huán)境的影響，采用Recipe生命周期評(píng)價(jià)法（Life Cycle Assessment，LCA）來計(jì)算水污染足跡，體現(xiàn)農(nóng)作種植中化肥的使用帶來的環(huán)境影響，可將二者所帶來的環(huán)境影響進(jìn)行比較。目前針對(duì)水污染的水足跡研究一般采用灰水足跡作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，多是采用臨界稀釋法來計(jì)算[12－13]，但存在的問題是研究結(jié)果僅能衡量水污染的體積而不能反映水污染對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的影響程度。隨著水足跡理論方法的不斷完善，基于生命周期評(píng)價(jià)的水足跡計(jì)算方法得到越來越多的應(yīng)用[14－17]，該研究方法可反映產(chǎn)品、過程或組織的水資源消耗與污染造成的潛在環(huán)境影響。

Recipe作為一種生命周期影響評(píng)價(jià)的方法[18]，列舉了一個(gè)產(chǎn)品在整個(gè)生命周期中各類物質(zhì)的投入造成各類影響的分類指標(biāo)，在中端水平（Midpoint level）上列舉了具體的18項(xiàng)影響指標(biāo)，后又將這18項(xiàng)影響指標(biāo)進(jìn)行分類，在終端水平（Endpoint level）上，劃分成三大影響指標(biāo)，即人類健康、生態(tài)系統(tǒng)、資源成本，影響指標(biāo)的體現(xiàn)方式是采用生態(tài)系統(tǒng)中物種的變化來表示。采用Recipe方法來計(jì)算農(nóng)產(chǎn)品生命周期中的水污染是水足跡研究的一個(gè)創(chuàng)新方法。本文以河北省為例，在分析河北各地市施肥狀況的基礎(chǔ)上，計(jì)算河北各地市1995—2014年種植業(yè)引起的單位面積水污染足跡，同時(shí)對(duì)各地市不同年代的區(qū)域水污染足跡進(jìn)行比較分析，為下一步河北地區(qū)的種植業(yè)水資源優(yōu)化利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域概況

河北地處我國中緯度地帶，屬半干旱、半濕潤氣候帶，暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，光熱資源豐富，四季變化明顯，雨熱同季。冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨。年平均氣溫11.5～12.5℃，積溫4100～5300℃，無霜期176～205 d，年降水量 500～800 mm，降雨季節(jié)性分布不均，主要集中在夏季。河北地區(qū)糧食作物以冬小麥、夏玉米為主，經(jīng)濟(jì)作物以棉花為主，是典型的棉糧產(chǎn)區(qū)。

1.2 研究方法

1.2.1 單位面積水污染足跡（water degradation footprint，wdf）

根據(jù)Recipe方法中的影響分類，農(nóng)作物生長過程中施用的N、P肥料未被作物吸收利用而流失產(chǎn)生的影響主要包括水體富營養(yǎng)化、土壤毒性、淡水毒性、海水毒性等，每一類影響指標(biāo)都有具體的影響系數(shù)，另外，農(nóng)藥的使用也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的環(huán)境影響，但鑒于數(shù)據(jù)的可獲得性，以及前人的研究中農(nóng)藥造成的水污染遠(yuǎn)小于N、P肥流失造成的水污染，此處忽略不計(jì)[19]。

單位面積水污染足跡的計(jì)算公式如下：

式中：wdf為單位面積水污染足跡，Ml·H2Oe·hm－2；Recipe(N)和Recipe(P)分別為N、P產(chǎn)生環(huán)境影響值，ReCiPe，Recipe（global）為 1 L 淡水的世界平均環(huán)境影響值，ReCiPe·（L H2Oe）－1。

根據(jù)Recipe 2015報(bào)告中提供的參數(shù)，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)修正，并按照生態(tài)系統(tǒng)影響在整個(gè)影響中占40%的比例，可計(jì)算出在生命周期影響評(píng)價(jià)的終端水平上，1 kg P 對(duì)應(yīng)的影響值為 0.912 ReCiPe·kg－1，另外，根據(jù) Sepp?l?等[20]和 Huang 等[21]的研究，N 產(chǎn)生的水體富營養(yǎng)化影響是P的0.137倍，則1 kg N對(duì)應(yīng)的影響值為 0.125 ReCiPe·kg－1，而 Recipe（global）為 1.86×10－6ReCiPe·（L H2Oe）－1，因此公式（1）進(jìn)而可描述為：

式中：TN 為單位面積施用的純 N 量，kg·hm－2；TP 為單位面積施用的純 P 量，kg·hm－2；λN和 λP分別為 N和P的流失率。

1.2.2 區(qū)域水污染足跡（Water Degradation Footprint，WDF）

區(qū)域水污染足跡的計(jì)算方法如下：

式中：WDF 表示區(qū)域水污染足跡，Ml·H2Oe；S 表示區(qū)域的農(nóng)作物播種面積，hm2。

1.3 數(shù)據(jù)來源

各地市歷年的農(nóng)作物施肥折純量來源于《河北農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》[3]，各地市N、P肥的流失率由《河北省農(nóng)業(yè)污染源調(diào)查與評(píng)價(jià)》中的數(shù)據(jù)折算而成[22]，見表1。

表1 河北省各地市農(nóng)作物種植肥料流失率Table1 Fertilizer loss index during crop cultivation in different cities of Hebei Province

圖1 1995—2014年河北省各地市農(nóng)作物單位面積施N量變化Figure1 N fertilizer application rate per unit in different cities of Hebei Province from 1995 to 2014

2 結(jié)果與分析

2.1 各地市農(nóng)作物單位面積施肥量

河北省各地市1995—2014年農(nóng)作物單位面積施N量變化情況見圖1。1995年河北省農(nóng)作物單位面積施 N 量為 178.3 kg·hm－2，2014 年該值提高了 36.3%，達(dá)到243.1 kg·hm－2。其中，秦皇島的農(nóng)作物單位面積施N量在1995—2014年年均值最高，達(dá)335.4 kg·hm－2，石家莊和唐山的施N量緊隨其后，分別為323.2、300.9 kg·hm－2，邯鄲、保定、廊坊的年均單位面積施 N量相近，均在 230 kg·hm－2左右，邢臺(tái)、承德、滄州、衡水的農(nóng)作物年均施N量在160～200 kg·hm－2之間，張家口的施N量最小，僅79.7 kg·hm－2。另外，秦皇島的農(nóng)作物單位面積施N量增長最快，2014年比1995年增長了77.7%，邯鄲、衡水、張家口的增幅在40%～44%之間，其他各地市增長幅度在18%～36%之間。

河北省各地市1995—2014年農(nóng)作物單位面積施P量變化情況見圖2。1995年河北省農(nóng)作物單位面積施 P 量為 55.2 kg·hm－2，2014 年該值提高了 52.5%，達(dá)到84.2 kg·hm－2。從圖2可看出，邯鄲的農(nóng)作物單位面積施P量一直最高，年均施P量達(dá)119.1 kg·hm－2，張家口的年均施P量最小，為27.0 kg·hm－2，其他地市的農(nóng)作物單位面積施P量大小排序?yàn)槭仪f、秦皇島、邢臺(tái)、衡水、保定、唐山、滄州、廊坊、承德，另外，承德、張家口、秦皇島在2014年的單位面積施P量均比1995年增長一倍多，唐山的單位面積施P量也增長了88.8%，其他地市的農(nóng)作物單位面積施P量也有一定的增長，增長幅度最小的是石家莊，為16.1%。

2.2 各地市農(nóng)作物種植施肥總量

比較河北省各地市在1995、2004和2014年農(nóng)作物種植N肥施用總量（見圖3），由圖可知，石家莊、保定、邯鄲是3年中N肥施用總量均排前三的地市，承德、秦皇島、張家口因農(nóng)作物種植面積有限，N肥施用總量較少；從施用量變化趨勢(shì)來看，保定、邯鄲、滄州、衡水、廊坊和秦皇島的N肥施用總量呈遞增趨勢(shì)，其中，滄州的N肥施用總量提高幅度最大，2014年比1995年提高了22.7%；石家莊、唐山、邢臺(tái)的N肥施用量在2004年最高，承德和張家口的N肥施用量在2004年最低。

比較河北省各地市在1995、2004和2014年農(nóng)作物種植P肥施用總量（圖4）可知，邯鄲、石家莊、邢臺(tái)是3年中P肥施用總量均排前三的地市，邯鄲3年P(guān)肥施用量均值達(dá)9.9×104t，承德、秦皇島因農(nóng)作物種植面積有限，P肥施用總量較少，廊坊的P肥施用總量與這兩個(gè)地市相當(dāng)。從施用量變化趨勢(shì)來看，衡水、滄州、張家口、廊坊和承德5個(gè)地市的P肥施用總量呈遞增趨勢(shì)，其中，承德的P肥施用總量提升最大，3年里增長了1.8倍，其次是衡水，2014年的P肥施用量比1995年提升60.8%；邯鄲、石家莊、邢臺(tái)、唐山、秦皇島的P肥施用量在2004年最高；保定的P肥施用量在1995年和2004年相當(dāng)，均為6.1×104t，2014年減少至 5.8×104t。

圖2 1995—2014年河北省各地市農(nóng)作物單位面積施P量變化Figure2 P fertilizer application rate per unit in different cities of Hebei Province from 1995 to 2014

圖3 1995、2004和2014年河北省各地市農(nóng)作物種植施N肥總量Figure3 N fertilizer application rate in different cities of Hebei Province in 1995，2004 and 2014

2.3 各地市單位面積水污染足跡變化

從圖5可看出，在2006年以前石家莊的農(nóng)作物種植單位面積水污染足跡wdf一直處于最高，但在2006年以后，秦皇島的wdf持續(xù)升高并超過石家莊，成為河北wdf最高的地市。比較各地市wdf的年際變化，發(fā)現(xiàn)秦皇島的年際增長率最高，2014年的wdf比1995年提高91.7%，其次是張家口和衡水，20年間wdf分別提高73.2%和63.9%，而石家莊的wdf增長率最低，20年間提高了21.0%，其他地市的wdf增長率在30%～50%之間。各地市的wdf年際均值比較（表2），石家莊最高，為 2.350 Ml·H2Oe·hm－2，其次是秦皇島和邯鄲，張家口最低，石家莊的年均wdf是張家口的4倍。

2.4 各地市區(qū)域水污染足跡變化

河北省各地市1995、2004、2014這3年基于農(nóng)作物種植的區(qū)域水污染足跡WDF如圖6所示。按照水污染足跡的數(shù)值進(jìn)行等級(jí)劃分：Ⅰ級(jí)區(qū)WDF＞1800 Ml·H2Oe，Ⅱ級(jí)區(qū) 1800 Ml·H2Oe＞W(wǎng)DF＞1401 Ml·H2Oe，Ⅲ級(jí)區(qū) 1400 Ml·H2Oe＞W(wǎng)DF＞901 Ml·H2Oe，Ⅳ級(jí)區(qū)900 Ml·H2Oe＞W(wǎng)DF＞601 Ml·H2Oe，Ⅴ級(jí)區(qū) 600 Ml· H2Oe＞W(wǎng)DF＞300 Ml·H2Oe，由圖 6 可見，1995 年僅石家莊進(jìn)入Ⅰ級(jí)區(qū)，保定和邯鄲處于Ⅱ級(jí)區(qū)，邢臺(tái)、滄州、唐山處于Ⅲ級(jí)區(qū)，衡水和廊坊處于Ⅳ級(jí)區(qū)，Ⅴ級(jí)區(qū)包括承德、秦皇島和張家口；2004年，各地市的WDF均升高，邯鄲和保定升入Ⅰ級(jí)區(qū)，邢臺(tái)、唐山升入Ⅱ級(jí)區(qū)，衡水升入Ⅲ級(jí)區(qū)，其他各地市的WDF雖升高，但各地市所處等級(jí)沒有變化；到了2014年，各地市的水污染狀況進(jìn)一步加重，滄州的WDF升入Ⅱ級(jí)區(qū)，秦皇島的WDF升入Ⅳ級(jí)區(qū)，其他各地市所處等級(jí)未變化。

總體來看，各地市在這3年里的WDF均呈增長趨勢(shì)，其中，秦皇島的WDF增長比例最大，2014年比1995年增長了77.4%，其次是衡水，增長比例為66.7%，而WDF 3年均值最高的為石家莊，2014年WDF比1995年增長26.7%，在所有地市中增長比例最小。

圖4 1995、2004和2014年河北省各地市農(nóng)作物種植施P肥總量Figure4 P fertilizer application rate in different cities of Hebei Province in 1995，2004 and 2014

圖5 1995—2014年河北省各地市單位面積水污染足跡變化Figure5 wdf in different cities of Hebei Province from 1995 to 2014

表2 河北省各地市農(nóng)作物單位面積水污染足跡均值（Ml·H2Oe·hm－2）Table2 Annual average wdf in different cities of Hebei Province（Ml·H2Oe·hm－2）

3 討論

本文采用Recipe生命周期環(huán)境評(píng)價(jià)法，為水污染足跡的計(jì)算提供了具體方法。該方法有效量化了化肥施用產(chǎn)生的環(huán)境影響，并實(shí)現(xiàn)了將水污染和水資源消耗對(duì)應(yīng)的水足跡指標(biāo)在同一量綱上進(jìn)行加和、比較。目前的許多研究一般是從水消耗和水污染對(duì)環(huán)境影響兩個(gè)角度分別來探討水資源利用問題，如吳佩林[23]在比較我國各省市的水資源壓力分析中，把河北定義為生態(tài)壓力型水資源緊缺區(qū)，徐長春[24]使用生命周期評(píng)價(jià)的方法計(jì)算玉米在不同地區(qū)的水足跡，發(fā)現(xiàn)在東北平原生產(chǎn)1 kg玉米消耗的水資源對(duì)環(huán)境造成的影響遠(yuǎn)小于在華北平原生產(chǎn)1 kg玉米造成的影響，孫才志等[25]在比較中國省際灰水足跡時(shí)，認(rèn)為農(nóng)業(yè)對(duì)總灰水足跡的貢獻(xiàn)率最高，而河北作為農(nóng)業(yè)大省其灰水足跡排在全國第三位。本研究的研究結(jié)果可與水消耗對(duì)環(huán)境的影響值直接進(jìn)行加和，即可將水污染足跡與水消耗足跡進(jìn)行統(tǒng)一，在評(píng)價(jià)某一作物在不同地區(qū)種植時(shí)利用水資源所帶來的環(huán)境影響會(huì)更加全面、科學(xué)。目前國內(nèi)學(xué)者多采用臨界稀釋法計(jì)算灰水足跡，用來反映水污染所造成的潛在“間接耗水量”[26－29]，并且在計(jì)算過程中主要以N肥作為污染物來計(jì)算種植業(yè)的水污染狀況[30－32]。一方面計(jì)算結(jié)果不能體現(xiàn)水污染對(duì)環(huán)境帶來的影響，不能與水消耗對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響進(jìn)行比較，另一方面，僅以N肥作為計(jì)算指標(biāo)，分析結(jié)果不能充分、全面地表達(dá)肥料對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響。

圖6 1995、2004和2014年河北省各地市區(qū)域水污染足跡Figure6 WDF in different cities of Hebei Province in 1995，2004 and 2014

依據(jù)本研究結(jié)果，各地市WDF在1995、2004、2014年的比較中均呈增加趨勢(shì)，但石家莊在2004、2014年的 WDF 近似，分別為 2396.2、2400.3Ml·H2Oe，而石家莊在這兩年的作物種植面積相當(dāng)，可知2004—2014這10年來石家莊種植業(yè)的水污染狀況得到了一定的控制；另外，在1995年和2004年石家莊的WDF均居全省首位，2014年邯鄲的WDF超過了石家莊，達(dá)到2 448 Ml·H2Oe，而在2014年兩個(gè)地市的wdf相差無幾，主要是因?yàn)?014年邯鄲的作物種植面積大于石家莊，最終導(dǎo)致邯鄲的WDF超過石家莊；對(duì)于非主要種植區(qū)的唐山，其WDF也達(dá)到了Ⅱ級(jí)，這主要是由于唐山地區(qū)的農(nóng)作物種植面積雖然與滄州等地市相比較少，但其單位面積化肥施用量較高，wdf值也相對(duì)偏高，導(dǎo)致唐山在2004、2014年均進(jìn)入了Ⅱ級(jí)區(qū)。河北省各地市區(qū)域水污染足跡增加，即農(nóng)作物種植引發(fā)水污染的環(huán)境影響日趨嚴(yán)重，這一方面是由于各地市單位面積的水污染足跡增加，如秦皇島，雖然播種面積年均變化不大，但因農(nóng)作物種植單位面積水污染足跡增加顯著，最終導(dǎo)致該地區(qū)WDF增加；另一方面，部分地市農(nóng)作物種植面積的擴(kuò)大，也會(huì)引起WDF的增加。石家莊和邯鄲是河北省各地市中種植業(yè)水污染足跡最大的兩個(gè)地市，該結(jié)果與牛子寧[33]研究的河北農(nóng)業(yè)污染源分析結(jié)果相近，石家莊和邯鄲均是河北省農(nóng)業(yè)污染物排放量比重較大的地區(qū)，另外，肥料流失率也是造成水污染嚴(yán)重的一個(gè)重要因素，石家莊和邯鄲的肥料流失率在11個(gè)地市中均排在前列。

河北省各地市因農(nóng)作物生產(chǎn)而產(chǎn)生的水污染問題日趨嚴(yán)重，一個(gè)地區(qū)農(nóng)作物的種類和種植面積都會(huì)影響該地區(qū)作物生產(chǎn)的耗水量以及水資源污染量，合理的種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，能在一定程度上緩解區(qū)域水資源污染和匱乏的問題[34]。河北省是國家重點(diǎn)產(chǎn)糧區(qū)，為保障國家糧食安全，確保糧食產(chǎn)量是大前提，為減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的污染水帶來的環(huán)境影響，最有效的途徑就是提高水分及肥料利用效率，改進(jìn)農(nóng)作物生產(chǎn)技術(shù)，調(diào)整優(yōu)化種植模式，以減少水資源的消耗和污染。在下一步工作中將針對(duì)具體作物的水資源可利用足跡（Water ability footprint）與水污染足跡進(jìn)行統(tǒng)一核算分析，并探究區(qū)域水污染足跡變化的驅(qū)動(dòng)因子，為農(nóng)田清潔生產(chǎn)和種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整提出針對(duì)性建議。

4 結(jié)論

1995—2014年的20年間，河北省各地市種植業(yè)引起的水污染問題日趨嚴(yán)重，從農(nóng)作物單位面積的水污染足跡wdf來看，環(huán)渤海地區(qū)的秦皇島，其wdf在20年間年際增長率最高，而處于平原區(qū)的石家莊，其wdf的20年均值最高，邯鄲也是平原區(qū)中wdf較大的地區(qū)；從區(qū)域水污染足跡WDF來看，石家莊的農(nóng)作物種植引發(fā)的水污染最嚴(yán)重，在1995、2004、2014年均在Ⅰ級(jí)區(qū)，除了張家口和承德一直處于Ⅴ級(jí)區(qū)、廊坊一直處于Ⅳ級(jí)區(qū)，其他地市農(nóng)作物種植水污染狀況均愈發(fā)嚴(yán)重。

種植業(yè)引起的水污染問題愈發(fā)嚴(yán)重的根本原因是施肥量增加，當(dāng)?shù)卣畱?yīng)當(dāng)制定、實(shí)施全省農(nóng)業(yè)面源污染綜合整治方案，建設(shè)高效清潔農(nóng)田，推進(jìn)農(nóng)家肥、畜禽糞便等有機(jī)肥料的綜合利用，優(yōu)先種植需肥量低、環(huán)境效益突出的農(nóng)作物，并加強(qiáng)凈化農(nóng)田排水設(shè)施建設(shè)，嚴(yán)禁農(nóng)田退水直接進(jìn)入地表水體。另外，在制定整治方案、政策的同時(shí)，還需加強(qiáng)政策執(zhí)行的監(jiān)督與管理，確保政策切實(shí)有效執(zhí)行。

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