生态退耕区种植业面源污染潜在风险变化分析*:以宁夏盐池县为例

王秀红，申建秀，2，张 伟

(1.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101;2.中国科学院研究生院，北京 100049;3.杭州师范大学遥感与地球科学研究院，杭州 310036)

我国的耕地面积不断减少，而人口的刚性增加和人民生活水平的不断提高，对耕地单产的持续增加提出越来越高的要求;为此，对耕地的物资投入 (化肥、农药、地膜等)越来越多。增加农业物资的投入为解决人们温饱和增加农业收入起了举足轻重的作用，但过量的农资投入会使土壤质量下降，并通过地下水对环境造成越来越大的压力。特别是在西部生态退耕地区，生态退耕的实施、建设用地增加、农业结构调整和自然灾害等诸多因素的影响，使耕地面积的减少非常明显;同时，农业生产是当地农民重要的生活和收入来源，为增加农业收入，对耕地的物资投入增多尤为明显。例如西部地区的农膜使用量从1996年开始超过东部地区［1］。农资投入的不断增高，不仅带来了耕地单产的不断提高，同时也带来了农作物秸秆产量的不断上升。按我国每年生产约5亿t粮食计算，秸秆产量约10亿t，但约有2/3的秸秆被无谓焚烧或变成有机污染物［2］，这对大气和地下水造成巨大危害。特别是西部地区，秸秆的处理更为粗放。如果为缓解生态退耕等对耕地数量减少所导致的农作物总产量下降的影响，单纯注重增加农资投入提高耕地单产，而忽视种植业面源污染的防治，必将使西部地区植业面源污染潜在风险加大，生态退耕的作用将会被环境污染所抵消，西部地区可能会面临生态退化和环境污染的双重压力，并对下游和下风向的东部地区造成巨大威胁。该文拟以宁夏盐池县为例，利用能值分析探讨1998～2008年间种植业面源污染潜在风险的变化特点，为控制生态退耕区的面源污染和可持续农业的发展提供科学依据。

1 研究区概况

盐池县位于宁夏回族自治区的东部，东邻陕西定边县，南依甘肃环县，北与内蒙古鄂托克前旗接壤。地理位置处在北纬37°35'－38°10'，和东经106°30'－107°39'之间，全县南北长110km，东西宽66km，辖区面积8661km2。该县处于鄂尔多斯台地向黄土高原的过渡地带，地势南高北低，明显分为黄土丘陵和鄂尔多斯缓坡丘陵两大地貌单元，中北部有条带状或块状的沙地和盐碱地。黄土丘陵区位于县东南部，塬面破碎，沟壑纵横，侵蚀严重，海拔高度为1 600～1 800m;鄂尔多斯缓坡丘陵区比例大，平均海拔1 400m，由于风蚀严重，约75%的土地已沙漠化［3］。气候的主要特点是干旱多风，降水少，年平均降水量为220mm，多集中在7～9月，雨量的分布由南向北递减。年蒸发量2 897mm，年均气温8.5℃。属于半干旱区向干旱区过渡的地带。盐池县水土流失、土地沙化与干旱非常严重，这不但制约着当地经济的发展和生态改善，也对东部地区的生态与环境构成较严重的威胁。因此，这里的生态退耕势在必行。盐池县于2001年被列为生态退耕工程试点县，2002年工程全面启动。根据盐池县退耕还林情况汇报，截至2009年底，盐池县退耕地造林面积280km2，荒山造林812km2，封山育林33km2。生态退耕取得了明显的生态、经济和社会效益。首先，盐池县许多退化土地得到不同程度的治理，县境内3条沙带得到有效治理，基本消除了明沙丘，初步实现了“人进沙退”的历史性逆转;其次，产业结构由单一的粮、经种植结构调整为粮、经、饲结构，快速增加了农民收入;第三，盐池县退耕地280km2，使许多农民从第一产业转向第二、三产业，促进了城镇化建设，改善了农户的生存环境。但是农业生态景观的改善和粮食单产的提高，却是在不断增加的农业物资投入条件下实现的;同时，秸秆的产量也大幅度提高，也对环境造成巨大压力。由于种植业面源污染的隐蔽性、分散型、不易检测性，其对当地和周边地区具有潜在的危害。

2 数据和方法

2.1 数据来源

该文计算了1998～2008年盐池县的种植业的面源污染潜在风险的变化状况。农业投入数据来源于《盐池县“九五”国民经济统计资料汇编 (1998～2000)》、《盐池县“十五”统计年鉴 (2001～2005)》、《吴忠市2001～2009统计年鉴》、《宁夏2000～2009统计年鉴》。农作物秸秆的产量和能量折算系数主要参考刘刚和沈镭［4］及骆世明［5］等的研究结果，种植业化肥、农药、地膜、农用柴油和秸秆能值转换率参照 Odum，Brandt－Williams，蓝盛芳，董孝斌［6～9］等人的研究结果。

2.2 研究方法

20世纪80年代，著名生态学家H.T.Odum在能量价值学说的基础上提出了能值理论［9-10］，H.T Odum将其定义为:一种流动或贮存的能量中所包含的另一种类别能量的数量，称为该能量的能值［11］。能值分析是以太阳能值 (Solar energy)为基准，把生态经济系统中不同种类、不可比较的能量转换成同一标准的能值，利用一系列能值综合指标，综合分析系统中各种生态流的状况，评价各类系统的结构功能特征及其生态经济效益［12］。能值是一个新的科学概念和度量标准，尽管有些局限性，但其重视综合性，提醒人们注意工业辅助能的潜在危害等，无不显示能值分析在可持续发展研究中的重要地位。由于能值分析方法成功地为复合生态系统研究开拓了一条新的综合定量研究途径，因而在生态系统分析、环境价值评估、生态经济效益评价，区域农业可持续发展的政策制定等方面得到广泛的应用。本文拟利用能值分析综合评价盐池县1998～2008年氮肥、磷肥、钾肥、复合肥、农膜、农药、农用柴油、秸秆等的变化情况，以此反映种植业面源污染潜在风险的变化特点。

3 结果和讨论

3.1 种植业面源污染潜在风险的总体趋势

从能值分析可以看出，盐池县1998～2008年种植业面源污染潜在风险的总体状况呈波动加剧趋势(图1)。根据上述总体趋势，其变化基本可以分为:退耕前污染潜在风险较低期 (1998～2000年)，退耕初期污染潜在风险加剧期 (2001～2003年)，和退耕后期污染潜在风险较高期 (2004～2008)。显然退耕初期，人们为缓解耕地面积的减少对种植业产出的影响，主要采取加大农资投入的方式。从对种植业面源污染潜在风险的贡献分析，化肥投入和农作物秸秆所占比例占绝对优势。1998年化肥污染占近57%，秸秆污染占近43%;而2008年化肥污染占近45%，秸秆污染增加到近55%。单位面积化肥投入的增加和单位面积农作物秸秆产量的增加，已经不单是种植业集约化程度提高的重要标志，而且也是面源污染潜在风险增加的显著标志。

图1反映出农作物秸秆污染潜在风险的走势，这种走势基本左右着总污染潜在风险的变化特点。在研究时段内，单位面积总能值的最高值出现在2003年，但单位面积秸秆能值的最高值时2008年。可见，在人们在想方设法提高农作物产量的同时，秸秆的合理化处已经成为西北生态退耕区重要的环境保护问题。靠传统方式燃烧秸秆而解决家庭能源和处理秸秆的现象，已经是必需被取代的陋俗。

3.2 化肥投入总体趋势

从化肥投入结构的能值分析来看，氮肥的比例占绝对优势，磷肥和复合肥的比例较低，钾肥所占的比例最低。从能值变化趋势分析，氮肥和复合肥的变化趋势基本类似于总能值的变化趋势，大致可分为退耕前污染潜在风险较低期 (1998～2000年)，退耕初期污染潜在风险加剧期 (2001～2003年)，和退耕后期污染潜在风险较高期 (2004～2008)。磷肥的施用量基本呈平稳增加趋势，2008年有所降低。而钾肥施用尽管所占比例最小，但增长速度最快，2006年施用量是1998年的115倍，2008年则是1998年的460倍 (图2)。氮肥和磷肥的作用被大众所熟悉，过度施用氮肥和磷肥的危害已受到广泛关注。钾肥施用可以提高作物抗逆性，如抗旱、抗寒、抗倒伏、抗病虫害侵袭的能力，但过量施用钾肥同样会造成土壤及水体污染环境污染。

图1 盐池县秸秆和种植业面源污染潜在风险总能值变化 (1998～2008)

显而易见，主要靠增加化肥投入而增加种植业的产量和收入，已经不是西部生态退耕区农业可持续发展的方向;而限制化肥投入，提高化肥利用率，不断增加有机肥的使用量，走生态农业和有机农业的路子，是当地农业的根本出路。

3.3 其它农资投入总体趋势

农膜、农药、农用柴油等其它农资投入的能值占总能值的比例很小，但其变化趋势告示人们其危害也不容忽视。如图3所示，农膜投入呈波动上升趋势，也大致可分为退耕前污染潜在风险较低期 (1998～2000年)，退耕初期污染潜在风险先增后减期 (2001～2003年)，和退耕后期污染潜在风险加剧期 (2004～2008)。农膜在改善退耕区农作物的温度和水分条件、提高农作物产量方面的作用显而易见，但其白色污染的副作用显然没有被高度重视。农膜虽然给人们带来短期的经济效益，但其对当地和周边地区的生态和环境的危害是长期的。农药投入除退耕初期略有增长外，总体坐走向基本呈波动下降趋势。由此可见，在本研究时段内农作物的病虫害较小或人们已经意识到过度使用农药的危害。农用柴油投入的比例很小，但其增长速度惊人。农用柴油使用的大幅度提高，说明盐池县农业机械化程度在大幅度提高，其解放劳动力的作用较大，但其对大气、水体和土壤环境的污染也被低估了。

可见，尽管农膜、农药、农用柴油的能值投入相对较低，但在经济利益的驱动下，它们投入的增长空间较大，其危害往往被低估而逐渐增大。限制农膜、农药、农用柴油等其它农资投入量，提高它们的质量，不断检测其潜在危害，是当务之急。

4 结语

西部地区严重的生态退化使生态退耕势在必行;然而，生态退耕等使西部地区的耕地面积逐渐减少。单纯靠增加农资投入提高耕地单产，维持和提高农作物总产量，以缓解生态退耕等对耕地数量减少的影响，必然使种植业面源污染的潜在风险加重。其发展的趋势是生态退耕的作用将会被环境污染所抵消，同时使生态退耕区面临生态退化和环境污染的双重压力，并对东部地区造成巨大威胁。从案例区宁夏盐池县1998～2008年期间的种植业面源污染潜在风险的变化特征的能值分析来看，面源污染潜在风险总体趋势可以分为:退耕前污染潜在风险较低期 (1998～2000年)，退耕初期污染潜在风险加剧期 (2001～2003年)，和退耕后期污染潜在风险较高期(2004～2008年)。从对种植业面源污染潜在风险的贡献分析，化肥投入和农作物秸秆所占比例占绝对优势。从各项农资投入的能值所占比例的变化来看，农药的使用量有总体下降的趋势;农膜、钾肥和农用柴油所占比例很小，但增长幅度比较大，这些农资投入所引起的环境污染潜在风险应引起较大的关注。西部生态退耕区的农资投入应征收统一税率的农资税［13］以限制其数量，并不断提高其质量和利用率，检测其危害。西部生态退耕区应当在食物安全、生态安全与环境安全中寻找平衡点［14］，种植业的可持续发展应该注重生态农业和有机农业的发展。

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