近十年邯鄲市冬小麥生產(chǎn)氮足跡時(shí)空變化特征分析

張海霞，武曉琪，蔡昂祖，喬彥軍，魏 哲

(1.河北工程大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，河北邯鄲 056038；2.河北省大氣污染成因與影響重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北邯鄲 056038；3.中勘冶金勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，河北保定 071051)

氮足跡用于定量評(píng)價(jià)人類生產(chǎn)、生活方式對(duì)活性氮排放的影響，定義為某種產(chǎn)品或者服務(wù)在其生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存以及消費(fèi)過程中直接或間接排放的活性氮總和。我國(guó)氮足跡研究還處于起步階段，通常采用生命周期法(Life cycle assessment，LCA)評(píng)估農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的氮足跡。Xue等基于LCA法計(jì)算出墨西哥谷物生產(chǎn)氮足跡為2.65 g N-eq·kg；陳中督等采用LCA法研究得出,長(zhǎng)江中游地區(qū)稻麥生產(chǎn)系統(tǒng)的氮足跡為190.6 kg N-eq·hm，油菜生產(chǎn)氮足跡為7.57 kg N-eq·hm；周杏等研究表明，湖北省油菜田間種植階段的活性氮排放占總排放的98.13%，是主要的排放源。另外，周濤等基于修正的N-Calculator模型結(jié)合農(nóng)業(yè)系統(tǒng)氮素流動(dòng)過程計(jì)算了廣東省農(nóng)業(yè)氮足跡，結(jié)果顯示，化肥施用和養(yǎng)殖業(yè)飼料是農(nóng)業(yè)氮足跡的主要來源。

冬小麥?zhǔn)呛愂兄饕募Z食作物，在播種、收割、運(yùn)輸、灌溉、施肥等各個(gè)環(huán)節(jié)，小麥生產(chǎn)都會(huì)直接和間接地產(chǎn)生氮排放，系統(tǒng)地計(jì)算和評(píng)估冬小麥生產(chǎn)氮排放對(duì)該地區(qū)氮減排具有重要意義。本研究采用《邯鄲統(tǒng)計(jì)年鑒》和《全國(guó)農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編》等資料中的相關(guān)數(shù)據(jù)，核算了邯鄲市2010-2019年冬小麥生產(chǎn)氮足跡，分析了其來源、組成及時(shí)空分布特征，以期為該地區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 研究方法

1.1 研究邊界

圖1 冬小麥生產(chǎn)系統(tǒng)研究邊界

1.2 數(shù)據(jù)來源

邯鄲市冬小麥的各項(xiàng)投入與產(chǎn)出數(shù)據(jù)主要來源于《邯鄲統(tǒng)計(jì)年鑒》，包括各區(qū)縣冬小麥的播種面積、總產(chǎn)量以及化肥、農(nóng)用柴油、農(nóng)藥、電力等農(nóng)資投入數(shù)據(jù)。種子用量采用《全國(guó)農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編》中河北省的數(shù)據(jù)。

1.3 氮足跡計(jì)算方法

氮足跡依據(jù)《環(huán)境管理-生命周期評(píng)價(jià)-要求和指南》中生命周期評(píng)價(jià)要求，采用荷蘭萊頓大學(xué)環(huán)境科學(xué)研究所(Institute of Environmental Sciences，CML)提供的方法，將不同形態(tài)的活性氮轉(zhuǎn)化為富營(yíng)養(yǎng)化潛勢(shì)，計(jì)算公式如下：

(1)

NFNO=(NFdNO+NFANO+NFLNO)× 0.476

(2)

NFdNO=×EF×44/28

(3)

NFANO=×F×EF×44/28

(4)

NFLNO=×F×EF×44/28

(5)

NFNH=×α×17/14×0.833

(6)

(7)

(8)

NF=NF/×1 000

(9)

NF為冬小麥單位產(chǎn)量氮足跡(g N- eq·kg)；是冬小麥單位面積產(chǎn)量 (kg·hm)。

表1 農(nóng)資投入活性氮排放系數(shù)Table 1 Active nitrogen emission coefficient of agricultural inputs

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

本研究采用億科環(huán)境研發(fā)的eFootprint軟件作為數(shù)據(jù)建模工具，其是LCA數(shù)據(jù)填報(bào)和分析平臺(tái)，可以在線輸出產(chǎn)品的碳足跡、氮足跡、水足跡等。采用ArcGIS 10.2軟件繪制邯鄲市各縣區(qū)的氮足跡空間分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 邯鄲市冬小麥生產(chǎn)氮足跡年變化趨勢(shì)

2010-2019年邯鄲市冬小麥生產(chǎn)單位面積氮足跡變化范圍為58.57～76.03 kg N-eq·hm，最高值和最低值分別出現(xiàn)在2014年和2018年(圖2a)。2010-2017年單位面積氮足跡年際波動(dòng)幅度較小，2018年和2019年下降明顯。邯鄲市冬小麥單位產(chǎn)量氮足跡呈逐年下降趨勢(shì)(圖2b)，從2010年最高值12.86 g N-eq·kg下降到2019年最低值8.82 g N-eq·kg，2011年和2018年尤其下降明顯。

圖2 2010-2019年邯鄲市冬小麥生產(chǎn)單位面積和單位產(chǎn)量氮足跡

2.2 邯鄲市冬小麥生產(chǎn)氮足跡的組成

圖3 2010-2019年邯鄲市冬小麥生產(chǎn)氮足跡組成

2.3 邯鄲市冬小麥高低產(chǎn)區(qū)氮足跡對(duì)比分析

表2 邯鄲市冬小麥高低產(chǎn)區(qū)氮足跡及構(gòu)成對(duì)比Table 2 Comparison of nitrogen footprint and composition of winter wheat between high and low production areas in Handan city

2.4 邯鄲市各縣區(qū)冬小麥生產(chǎn)氮足跡分析

從空間分布看，邯鄲市近十年不同縣區(qū)單位面積和單位產(chǎn)量的氮足跡均差異顯著(圖4)。邯鄲市冬小麥生產(chǎn)單位面積氮足跡年均值為71.00 kg N-eq·hm，高于全市平均水平的縣區(qū)有峰峰礦區(qū)、成安縣、曲周縣、臨漳縣、廣平縣、館陶縣、邱縣和主城區(qū)，其中峰峰礦區(qū)、成安縣和曲周縣的單位面積氮足跡較高，分別為133.84、122.70和110.72 kg N-eq·hm；大名縣、冀南新區(qū)和肥鄉(xiāng)區(qū)較低，年均值為46.65～48.94 kg N-eq·hm。單位產(chǎn)量氮足跡與單位面積氮足跡分布不同，全市單位產(chǎn)量氮足跡年均值為10.64 g N-eq·kg，分別以峰峰礦區(qū)和大名縣的單位產(chǎn)量氮足跡最高和最低，分別為29.37和6.54 g N-eq·kg，最高值是最低值的4.49倍。

圖4 2010-2019年邯鄲市冬小麥生產(chǎn)氮足跡空間分布

在邯鄲市各縣區(qū)冬小麥生產(chǎn)氮足跡組成中，化肥生產(chǎn)和施用是主要的氮排放源(表3)。邱縣和成安縣的化肥生產(chǎn)和施用造成的氮排放占比最高，分別為92.32%和91.95%；而磁縣和涉縣的占比最低，分別為69.16%和53.14%?；适┯弥蠳H揮發(fā)的貢獻(xiàn)率最大，變化范圍為 46.81%～81.71%。柴油燃燒為第二大貢獻(xiàn)來源，涉縣和磁縣的占比較為突出,分別為39.11%和 22.83%，成安縣和邱縣的占比最小，分別為 4.80%和2.42%。

表3 邯鄲市各縣區(qū)冬小麥生產(chǎn)氮足跡組成Table 3 Composition of nitrogen footprint of winter wheat production in various counties and districts of Handan city

3 討論與分析

3.1 邯鄲市冬小麥生產(chǎn)氮足跡組成

邯鄲市2010-2019年冬小麥生產(chǎn)單位面積氮足跡平均值為71.00 kg N-eq·hm，低于陳中督等計(jì)算的長(zhǎng)江中游地區(qū)小麥氮足跡(80.9 kg N-eq·hm)。在農(nóng)作物碳氮足跡核算中，由于研究邊界、核算方法和排放因子選取的不同以及農(nóng)作措施、種植模式和氣候條件等多重因素的影響，不同地區(qū)農(nóng)業(yè)氮足跡計(jì)算結(jié)果存在差異。近年來邯鄲市冬小麥生產(chǎn)氮足跡總體呈下降趨勢(shì)，2010年邯鄲市氮肥和柴油燃燒投入分別為177.71和307.83 kg·hm，2019年氮肥投入和柴油燃燒分別為121.39和210.39 kg·hm，說明近十年來邯鄲市大力發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)，構(gòu)建農(nóng)業(yè)生產(chǎn)新格局，減排效果明顯。邯鄲市冬小麥生產(chǎn)氮足跡組成中，化肥生產(chǎn)占4.07%，因化肥施用造成的田間排放占80.81%。糧食增產(chǎn)很大程度上依靠化肥，化肥的不合理施用造成氮排放較大。本研究中田間NH揮發(fā)為最大的氮足跡來源，貢獻(xiàn)率高達(dá)75.07%，這與Chen和Xue等的研究結(jié)果一致。過量的氮肥投入主要以NH揮發(fā)和淋溶等多種途徑進(jìn)入環(huán)境中，其中NH揮發(fā)是土壤氮素?fù)p失的重要途徑。冬小麥生產(chǎn)中NH揮發(fā)量與氮肥投入量密切相關(guān)，帶來了嚴(yán)重的水土面源污染問題，使大氣中活性氮負(fù)荷持續(xù)增加，是產(chǎn)生霧霾的原因之一。柴油燃燒的貢獻(xiàn)僅次于田間NH揮發(fā)，是能源消耗和氮排放的大戶。

3.2 邯鄲市氮足跡空間分布

邯鄲市冬小麥氮排放地域差異明顯。單位面積和單位產(chǎn)量氮足跡均以西部地區(qū)的峰峰礦區(qū)最高，東部地區(qū)的大名縣最低，大致呈現(xiàn)西高東低的態(tài)勢(shì)。邯鄲西部地區(qū)山區(qū)縱橫，地勢(shì)高低不平，土壤貧瘠，水利等基礎(chǔ)設(shè)施不發(fā)達(dá)，種植條件較差，導(dǎo)致農(nóng)資消耗量大，利用率低。而東部地勢(shì)平坦，土壤肥沃，水源充足，種植條件良好，小麥產(chǎn)量和生產(chǎn)效率高。峰峰礦區(qū)土地資源緊缺加上長(zhǎng)期的礦產(chǎn)開采，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)欠發(fā)達(dá)。相比其他縣區(qū)，峰峰礦區(qū)單位耕種面積投入的化肥、柴油、灌溉耗電量明顯較大，而單位面積的冬小麥產(chǎn)量較低，以致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)氮排放較大。而位于東部的成安縣和曲周縣的小麥生產(chǎn)氮足跡也偏高，其主要原因是這兩個(gè)縣的單位種植面積化肥(尤其是氮肥)施用量偏高，造成了田間活性氮排放量較大，因此減少和合理施用氮肥可以降低小麥生產(chǎn)氮足跡。

3.3 邯鄲市大氣氮干濕沉降

3.4 冬小麥清潔生產(chǎn)策略

根據(jù)研究結(jié)果，邯鄲市冬小麥清潔生產(chǎn)的關(guān)鍵是控制化肥的施用和提高農(nóng)機(jī)效率。田間氮排放主要是由氮肥施用造成，因此應(yīng)統(tǒng)籌氮肥的施用，實(shí)行科學(xué)施肥、精準(zhǔn)施肥、水肥一體化，施用新型緩/控釋肥，增施農(nóng)家肥以及秸稈還田等措施。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與柴油密切相關(guān)，運(yùn)輸、播種、收獲等階段的機(jī)械作業(yè)都會(huì)消耗柴油。近年來隨著機(jī)械化程度的不斷提高，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)柴油的需求量持續(xù)增加。因此，要不斷改善農(nóng)機(jī)具結(jié)構(gòu)，更新和普及高效的農(nóng)業(yè)機(jī)械，采用農(nóng)業(yè)機(jī)械的集約化、規(guī)?；\(yùn)作，采取少耕或免耕方式，有效減少勞動(dòng)力和機(jī)械投入，降低柴油消耗排放。另外，由于邯鄲市各縣區(qū)氮足跡差異明顯，尤其是西部山區(qū)氮足跡明顯高于東部平原，因而要合理布局農(nóng)業(yè)，側(cè)重在邯鄲東部平原發(fā)展農(nóng)業(yè)，而減少西部山區(qū)的耕作面積。

4 結(jié) 論

(1)2010-2019年邯鄲市冬小麥生產(chǎn)單位面積氮足跡變化范圍為58.87～76.03 kg N-eq·hm，單位產(chǎn)量氮足跡變化范圍為8.82～12.86 g N-eq·kg，總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

(2)邯鄲市冬小麥生產(chǎn)氮足跡農(nóng)資生產(chǎn)占10.11%，柴油燃燒占9.08%，化肥施用造成的田間排放占80.81%，田間排放主要來自于NH揮發(fā)?；实暮侠硎┯煤吞岣邫C(jī)械化效率是邯鄲市冬小麥生產(chǎn)碳氮減排的關(guān)鍵。

(3)2010-2019年邯鄲市冬小麥生產(chǎn)低產(chǎn)縣區(qū)的單位面積和單位產(chǎn)量氮足跡均大于高產(chǎn)縣區(qū)。低產(chǎn)區(qū)單位面積氮足跡和單位產(chǎn)量氮足跡分別是高產(chǎn)區(qū)的1.25和2.05倍。

(4)邯鄲市各縣區(qū)氮足跡差異明顯，西部山區(qū)的峰峰礦區(qū)氮足跡最高，東部平原的大名縣氮足跡最低，總體呈現(xiàn)西高東低的態(tài)勢(shì)。