陜西省主要作物灰水足跡時空變化特征研究

姜旭海，韓 玲，李 帆

(長安大學土地工程學院，陜西 西安 710064)

化肥作為重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素，在促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面起著至關(guān)重要的作用。隨著人口的迅速增長，我國農(nóng)業(yè)化肥施用量也由2000年的4.15×1010kg增長為2018年的5.65×1010kg。陜西省作為我國農(nóng)業(yè)大省之一，對化肥的施用量也相對較大，約占全國化肥施用量的4%(2018年)，化肥施用量大但利用效率卻較低，僅為33%[1]，化肥的過量施用是造成地下水“三氮”污染的主要原因[2]。全省地處西北地區(qū)，氣候干燥，降水量少，水資源量僅占全國的8%[3]。農(nóng)業(yè)用水的短缺已成為制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨的最大挑戰(zhàn)[4]，而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程又涉及復雜的面源污染源的遷移過程[5]，因此客觀分析農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對水資源的影響，制定面源污染的防治措施，減少農(nóng)業(yè)污染是非常有必要的。現(xiàn)有評價水污染的方法：水污染指數(shù)法[6]、模糊綜合評判法[7]、集對分析理論法[8]、單因子污染指數(shù)法[9]等只是將水體的污染程度進行等級劃分，無法得出污染水體的準確質(zhì)量。

灰水足跡理論的出現(xiàn)為污染水體質(zhì)量的確定提供了新的思路。Hoekstra和Chapagain[10]于2008年首次提出灰水足跡的概念，隨后經(jīng)過不斷完善和修改，定義為吸收一定的污染物所需的淡水水量，通常情況下等于將受污染的水體稀釋至符合規(guī)定的水質(zhì)所需要的淡水體積[11]。至此國內(nèi)外灰水足跡發(fā)展迅速，Mekonnen 等[12]研究了10 a內(nèi)世界主要農(nóng)作物灰水足跡；Hapagain 等[13]對全球水稻的灰水足跡進行了評估；Aldaya Maite 等[14]采用灰水足跡評估了西班牙的擴散氮污染狀況。班榮舶等[15]核算了重慶市種植業(yè)的灰水足跡，將灰水足跡與農(nóng)業(yè)面源污染聯(lián)系起來；張楠等[16]采用灰水足跡的方法對河北省水資源進行水質(zhì)-水量評價；曹連海等[17]研究了內(nèi)蒙古河套灌區(qū)糧食生產(chǎn)的灰水足跡，得出面源污染中氮肥貢獻率最高的結(jié)論。Fan等[18]利用灰水足跡理論調(diào)查了青海省近18 a的水污染狀況。

目前國內(nèi)對陜西省的灰水足跡研究尚顯不足[19]，對主要糧食作物的生產(chǎn)灰水足跡研究較多，對蔬菜、水果等生產(chǎn)灰水足跡的研究較少[20]，同時以往的計算思路是將蔬菜水果的面積直接折合為糧食面積，由于蔬菜、水果的產(chǎn)量不同，使得計算作物生產(chǎn)的灰水足跡結(jié)果往往偏大[21]。

本研究基于《陜西省統(tǒng)計年鑒(2001—2019)》[22]數(shù)據(jù)，以陜西省各地級市及楊凌示范區(qū)為研究對象，評價其近19 a主要作物生產(chǎn)灰水足跡的時空變化趨勢和分布狀況，以期摸清陜西省農(nóng)業(yè)面源污染狀況，為面源污染治理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概述

陜西省位于我國西北內(nèi)陸腹地，橫跨黃河中游，地理位置介于105°29′～111°15′ E，31°42′～39°35′ N之間，是連接我國東、西部和西北、西南的重要交通樞紐，其總面積約20.56萬km2。境內(nèi)由高原、山地、平原和盆地等多種地貌構(gòu)成，地勢呈南北高、中間低，形成關(guān)中(西安、寶雞、咸陽、渭南、銅川、楊凌)、陜北(延安、榆林)、陜南(漢中、安康、商洛)三大地區(qū)。陜北北部長城沿線屬中溫帶氣候，關(guān)中及陜北大部屬暖溫帶氣候，陜南屬北亞熱帶氣候。省內(nèi)種植作物主要包括：小麥、玉米、油料(油菜籽、花生)、大豆、蔬菜、水果等。根據(jù)《陜西省統(tǒng)計年鑒(2001-2019)》[22]制作出陜西省主要農(nóng)作物近19 a產(chǎn)量變化圖，如圖1所示。

陜西省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要施用氮、磷、鉀、復合肥4種化肥，根據(jù)《陜西省統(tǒng)計年鑒(2001-2019)》[22]，農(nóng)業(yè)化肥施用折純量由2000年的130.9×107kg增長為2018年的229.6×107kg，增長速率約為5.2×107kg·a-1。近5年內(nèi)陜西省農(nóng)用化肥施用量年變化趨于穩(wěn)定，如圖2所示。

1.2 作物生產(chǎn)灰水足跡計算方法

目前對灰水足跡的計算和評價主要以水足跡評價手冊為參考，作物灰水足跡的計算公式如下:

(1)

式中,Wgrey為灰水足跡(m3·kg-1);α為淋溶率,即進入水體的污染量占總化學物質(zhì)施用量的比例;A為化肥的施用量(kg·hm-2);Cmax為現(xiàn)有環(huán)境水質(zhì)標準下污染物的最大容許排放濃度[23](kg·m-3);Cnat為自然水體中污染物初始質(zhì)量濃度(kg·m-3);Ya為作物產(chǎn)量(kg·hm-2)。

由于同一水體可以同時稀釋多種污染物，因此在計算稀釋污染物需水量時只需考慮施用量最多的污染物即可[24]。陜西省主要施用氮、磷、鉀、復合肥4種化肥，其中氮肥施用量比例最高且很容易污染地下水和地表水，對水污染貢獻最大。因此，在灰水足跡的計算中只需考慮稀釋淋失氮的需水量，淋溶率α取值為10%[20，25]，Cmax參考《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838—2002)，Ⅲ類水標準取值0.01 kg·m-3，假設(shè)自然水體中氮污染物的初始質(zhì)量濃度為0，即Cnat取值為0 kg·m-3。

A的取值，由于采集到的施肥量是統(tǒng)計期間地級市所有作物的總施肥量，缺少各個作物單個施肥量數(shù)據(jù)，依據(jù)《中國農(nóng)化服務(wù)肥料與施肥手冊》[26]，采用施肥比例分配的方法確定各作物施氮率[21,27]，通過施肥比例分配的方法將相應(yīng)地級市施用的總氮肥量按陜西省作物種類分開，具體分配方法見下式:

(2)

(3)

式中,Ni為各作物的氮肥施用量；N總為地級市所有作物的氮肥施用量總和；ni為各作物施氮肥比值(i=1,2,3,4,5,6,7;分別代表小麥、玉米、油料作物、大豆、蔬菜、水果和其他作物)；si為各作物播種面積的比值；Si為各作物的播種面積。

1.3 數(shù)據(jù)來源

本次研究計算陜西省主要農(nóng)作物近19 a的灰水足跡含量，其中主要作物的播種面積、單位面積產(chǎn)量、化肥折純量以及作物播種總面積均來自于《陜西省統(tǒng)計年鑒》(2001-2019)[22]。

2 研究結(jié)果

2.1 主要作物生產(chǎn)灰水足跡年際變化

如圖3所示，研究期間小麥生產(chǎn)的灰水足跡平均值為0.472 m3·kg-1，于2007年出現(xiàn)峰值，為0.670 m3·kg-1，最低值出現(xiàn)在2017年，為0.377 m3·kg-1，2018年小麥生產(chǎn)灰水足跡小于2000年，小麥生產(chǎn)灰水足跡波動較大，整體上呈現(xiàn)波動下降，下降幅度約為0.007 m3·kg-1·a-1；玉米生產(chǎn)灰水足跡平均值為0.231 m3·kg-1，2011年出現(xiàn)明顯波動，為0.251 m3·kg-1，其中最高值出現(xiàn)在2001年，為0.255 m3·kg-1，最低值出現(xiàn)在2010年，為0.190 m3·kg-1，2018年玉米生產(chǎn)灰水足跡大于2000年，玉米生產(chǎn)灰水足跡在整體上變化不明顯；油料作物生產(chǎn)灰水足跡平均值為0.639 m3·kg-1，油料作物生產(chǎn)灰水足跡變化波動明顯，于2007年出現(xiàn)峰值，為0.838 m3·kg-1；最低值出現(xiàn)在2017年，為0.476 m3·kg-1，2018年油料作物生產(chǎn)灰水足跡小于2000年，油料生產(chǎn)灰水足跡波動較大，整體上呈現(xiàn)波動下降，下降幅度約為0.015 m3·kg-1·a-1；大豆生產(chǎn)灰水足跡平均值為0.532 m3·kg-1，最高值出現(xiàn)在2001年，為0.641 kg·m-3，最低值出現(xiàn)在2017年，為0.404 m3·kg-1，2018年大豆生產(chǎn)灰水足跡小于2000年，大豆生產(chǎn)灰水足跡近9 a內(nèi)波動幅度較大，整體上呈現(xiàn)波動下降，下降幅度約為0.009 m3·kg-1·a-1；蔬菜生產(chǎn)灰水足跡平均值為0.081 m3·kg-1，于2006年出現(xiàn)峰值，為0.188 m3·kg-1；最低值出現(xiàn)在2017年，為0.060 m3·kg-1，2018年蔬菜生產(chǎn)灰水足跡小于2000年，蔬菜生產(chǎn)灰水足跡在研究期間變化不明顯；水果生產(chǎn)灰水足跡平均值為0.199 m3·kg-1，最高值出現(xiàn)在2001年，為0.360 m3·kg-1，最低值出現(xiàn)在2017年，為0.128 m3·kg-1，2018年水果生產(chǎn)灰水足跡大于2000年，2000—2004年水果生產(chǎn)灰水足跡波動變化較為明顯，2005—2018年水果生產(chǎn)灰水足跡變化不明顯，整體呈下降幅度約為0.012 m3·kg-1·a-1。作物生產(chǎn)灰水足跡的短暫上漲原因是該年化肥施用量增加而作物產(chǎn)量卻下降，研究期間產(chǎn)量的上升是導致陜西省主要作物生產(chǎn)灰水足跡下降的主要原因。

2.2 主要作物生產(chǎn)灰水足跡空間分布

如圖4所示，研究期間小麥生產(chǎn)的灰水足跡主要分布在關(guān)中地區(qū)和陜北的榆林，各地多年均值的最高值在渭南，為0.693 m3·kg-1，最低值在安康，為0.309 m3·kg-1；玉米生產(chǎn)灰水足跡主要分布在關(guān)中地區(qū)和陜南的漢中，各地多年均值的最高值在渭南，為0.379 m3·kg-1，最低值在榆林，為0.088 m3·kg-1；油料作物生產(chǎn)灰水足跡主要分布在關(guān)中地區(qū)，并具有明顯的空間聚集分布特征，各地多年均值的最高值在咸陽，為0.943 m3·kg-1，最低值在安康，為0.335 m3·kg-1；大豆生產(chǎn)灰水足跡主要分布在關(guān)中地區(qū)的渭南和寶雞，各地多年均值的最高值在渭南，為0.847 m3·kg-1，最低值在延安，為0.243 m3·kg-1；蔬菜生產(chǎn)灰水足跡主要分布在關(guān)中地區(qū)的銅川和渭南，各地多年均值的最高值在銅川，為0.180 m3·kg-1，最低值在延安，為0.034 m3·kg-1；水果生產(chǎn)灰水足跡主要分布在陜北地區(qū)的榆林，各地多年均值的最高值在榆林，為0.500 m3·kg-1，最低值在商洛，為0.088 m3·kg-1?？傮w來看，陜西省作物生產(chǎn)灰水足跡主要集中在關(guān)中平原地區(qū)，這與陜西境內(nèi)作物播種分布情況和地區(qū)氮肥施用量情況密切相關(guān)。

2.3 主要作物灰水足跡狀況和時間變化

陜西省各作物灰水足跡時間變化如圖5所示，研究期間作物的灰水足跡受種植面積的間接影響，小麥種植面積下降、產(chǎn)量下降，導致其灰水足跡呈現(xiàn)下降趨勢，多年均值為18.6×108m3·kg-1；玉米、蔬菜、水果種植面積擴增、產(chǎn)量增加，導致其灰水足跡呈現(xiàn)上升趨勢，多年均值分別為11.8×108、9.7×108、19.2×108m3·kg-1；而大豆、油料作物的種植面積呈現(xiàn)輕微變化，其灰水足跡變化不明顯，多年均值為1.6×108、3.1×108m3·kg-1。

3 討 論

研究計算了陜西省各地級市及楊凌示范區(qū)近19 a來主要作物生產(chǎn)的灰水足跡數(shù)值，得出了主要農(nóng)作物的時空變化趨勢和分布狀況。參數(shù)選取的精度決定了灰水足跡結(jié)果的準確性[28]，以往的研究由于資料缺乏，國內(nèi)對蔬菜、水果的灰水足跡計算普遍將其種植面積折合成糧食面積，偏差較大，本次研究參考張宇[27]、何立新[21]等的研究，合理處理蔬菜和水果生產(chǎn)灰水足跡數(shù)值的計算。化肥和農(nóng)藥的施用都會對水體產(chǎn)生污染，主要取決于化肥的使用率和作物的吸收率[24]。在對污染源的選擇中考慮到氮肥施用量最大且土壤中的氮很容易污染地下水和地表水，并且形成的亞硝酸根離子對人體有害；磷可以與其他物質(zhì)反應(yīng)生成難溶解的化合物；鉀可以被土壤膠體吸附；同時由于研究期間作物農(nóng)藥施用種類較多，且施用量難以統(tǒng)計、分類，因此本次計算沒有考慮磷肥、鉀肥、農(nóng)藥的影響，直接選擇氮作為面源污染物?；诖?，本次研究僅作為理論數(shù)據(jù)的結(jié)果，與陜西省作物生產(chǎn)灰水足跡的真實值之間可能存在一定誤差。如果進一步提升計算精度，可以對陜西省內(nèi)各地級市施用農(nóng)藥進行監(jiān)測統(tǒng)計，使作物生產(chǎn)的灰水足跡計算更加客觀、全面。

從灰水足跡的概念和計算公式可知，減少作物灰水足跡的主要途徑有兩個：一是減少單位面積施肥量，二是增加作物單位面積產(chǎn)量。有研究表明我國主要作物的化肥利用率遠低于發(fā)達國家，因此提高作物化肥的利用率、降低其損失率也是降低灰水足跡的重要方法。對此可以從以下幾方面入手來降低作物灰水足跡：

(1)科學施肥，提高利用率?；实倪^量施用不僅會使作物灰水足跡增高、對水體造成污染，還會影響作物的品質(zhì)?？茖W施肥首先要做到合理施肥，即在充分滿足作物對各養(yǎng)分的需求時不再施加化肥。施肥量的適量減少對作物產(chǎn)量沒有十分顯著的影響[29]，推廣科學施加化肥，實現(xiàn)化肥精準施加，實現(xiàn)化肥的減量增效。

(2)施用有機肥。有機肥的施用可以替代化肥獲得更高的產(chǎn)量[30]。有機肥的應(yīng)用和推廣不僅有利于改善土壤結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，可以提高作物的產(chǎn)量，還可以有效降低化肥對水體的污染。有機肥與化肥的配合施用可以有效提升土壤肥力水平。另外，從發(fā)展的角度來講，有機肥是一種生態(tài)、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的肥料品種，在未來肥料施用的選擇中，有機肥應(yīng)扮演更重要的角色。

(3)發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，實現(xiàn)機械施肥。采用機械施肥可以顯著提高肥料利用率，減少肥料損失[31]。同時也增加農(nóng)業(yè)機械投入來促進化肥減量化[32]，依靠高層次機械耕作技術(shù)，改良土壤性質(zhì)，提高化肥利用率，降低作物對化肥施用需求量。

4 結(jié) 論

研究分析了陜西省各地級市及楊凌示范區(qū)2000—2018年主要作物生產(chǎn)的灰水足跡和灰水足跡時空變化和分布狀況，研究結(jié)果表明：

(1)研究期間，陜西省內(nèi)主要作物生產(chǎn)灰水足跡整體上呈現(xiàn)下降趨勢，其中油料作物和水果生產(chǎn)灰水足跡下降趨勢最大，分別為0.015 m3·kg-1·a-1和0.012 m3·kg-1·a-1；小麥和大豆生產(chǎn)灰水足跡下降趨勢相似，為0.007 m3·kg-1·a-1和0.009 m3·kg-1·a-1；玉米和蔬菜生產(chǎn)灰水足跡年際變化不明顯。受陜西境內(nèi)作物播種分布和地區(qū)氮肥施用量影響，省內(nèi)作物生產(chǎn)灰水足跡主要集中在關(guān)中平原地區(qū)。

(2)研究期間陜西省內(nèi)主要作物多年灰水足跡均值為64.0×108m3·kg-1，其中水果、小麥對總灰水足跡值貢獻較高，分別為19.2×108m3·kg-1和18.6×108m3·kg-1。

(3)可以從施肥種類選取、施肥方式和作物種植模式等方面入手降低灰水足跡，以此來減少農(nóng)業(yè)面源污染。