中国不同耕地类型化肥施用环境成本估算——以水田与旱地为例

何 斌，郑 华，黄 璜*，郑华斌*，陈 灿（1湖南农业大学农学院，长沙410128；2南方粮油作物协同创新中心，湖南长沙410128；中国科学院生态环境研究中心/城市与区域生态国家重点实验室，北京100085）



中国不同耕地类型化肥施用环境成本估算
——以水田与旱地为例

何 斌1，2，郑 华3，黄 璜1，2*，郑华斌1，2*，陈 灿1，2
（1湖南农业大学农学院，长沙410128；2南方粮油作物协同创新中心，湖南长沙410128；3中国科学院生态环境研究中心/城市与区域生态国家重点实验室，北京100085）

摘 要：以化肥施用的污染产生剂量分析为基础，借助能值分析理论和伤残调整生命年评估手段，估算2000、2005、2010年全国水田（水稻）与旱地（本文专指种植小麦、玉米的土地）化肥施用环境影响的能值成本和宏观经济价值。结果表明：2010年全国水田、旱地化肥施用环境成本分别为166亿元和333亿元，约占当年农业增加值的0.73%和1.47%；2000～2010年全国每年水田化肥施用引致的环境成本逐年增加，水田的年均增长率约39.3%，旱地的年均增长率约为47.8%，旱地的化肥施用引致的环境成本年增长率是水田的1.2倍，但成本增速呈现总体下降趋势；从空间分布特征来看，水田化肥施用环境成本最高的地区集中在黄淮海和西部地区（826～994元/ hm2），旱地整体差异不大，90%地区的单位面积环境成本负荷集中在500～680元/ hm2。

关键词：耕地；环境污染；化肥施用；能值分析；伤残调整生命年

我国按照耕地类型将耕地划分为水田和旱地。由于水田和旱地的施肥结构、生态条件、耕作方式等存在明显差异，其化肥施用后的淋失、挥发，以及作物的利用效率均有所不同，引发的环境成本也有明显差异。因此，应区别评价水田和旱地化肥施用带来的生态环境影响。前人研究表明，农业生产的环境成本核算受到土地利用、水土流失、灌溉、农药、化肥、化石燃料等多因素的影响。如Pretty等［1］通过自然资本和人类健康损害两个角度核算了英国农业的环境成本达2.34万欧元；李季等［2］认为1995年湖南、湖北两省水稻生产的环境成本在25.4亿～110.3亿元；Tegtmeier等［3］从水土气生及病菌和农药等6个方面核算认为，美国农业生产外部性成本高达57.0亿～169.0亿美元；Färe等［4］认为1960～1996年美国农业污染成本为其农业收入的6%。前人对农业生产的外部成本核算注重于农业环境成本的统一核算，缺乏对不同耕地类型的化肥施用环境成本估算，且采用的方法主要是意愿支付、影子价格等，结果随意性较大［5］。笔者试图借助能值分析（Emergy analysis，EMA）手段和伤残调整生命年评估手段进行水田与旱地化肥施用环境损失成本估算，并以2000、2005和2010年的数据计算两种耕地环境成本的年均增长率，以客观展示其环境成本的动态变化情况，为我国制定出针对性强的肥料施用技术和政策措施提供依据。

1　资料与方法

1.1资料与数据来源

各作物播种面积和产量来源于2001年、2006年和2011年的中国统计年鉴，单位面积化肥折纯量数据大部分来源于各年的中国农业年鉴，部分数据来源于各省的农业年鉴，各地区不同作物的化肥施用折纯总量根据单位化肥折纯量和播种面积得出。不同年份间的成本比较按照中国统计年鉴公布的GDP指数进行换算，统一为各年公布价格。环境成本负荷地图用Mapinfo7.0绘制，分类按等计数选项划分。

1.2核算方法

通过借助能值分析手段，采用剂量影响法对全国水田和旱地化肥施用环境成本进行估算。具体技术路线如图1所示：

图1　全国水田与旱地化肥施用的环境成本估算路线图［5］Fig.1 Route of the estimation of environmental costs of chemical fertilizer utilization applied in paddy and dry land in China

第一步，将化肥施用所产生的污染进行分类，在此基础上，对各种可能存在的污染物的产生途径、污染方式进行归纳。

第二步，归纳整理水田和旱地的氮素与磷素运移转化的比例和各种可能存在的污染物产生剂量的研究成果数据，对各类化肥施用后营养物质的流向以及污染产生物的影响剂量进行分析。其中，水田化肥使用的污染产生物的影响剂量是水稻生产过程中化肥使用的污染产生物的影响剂量，旱地化肥使用的污染产生物的影响剂量是小麦和玉米生产过程中化肥使用的污染产生物的影响剂量之和。

式中：Dosei—污染物i的产生剂量，单位t；M—氮肥或磷肥的施用折纯量，单位t；Cei—营养元素的流转系数；Wf—N或P2O5的分子量；Wc—所产生污染物的分子量。

综合国内外关于化肥养分运移和转化方面的研究成果得出以下数据：假定氮肥施用中，水稻［6，7，9］氮肥利用率约为35%；大气流失率5.6%，其中NH3、N2O、NOx分别为3.9%、1.0%、0.74%；流向土壤约49.8%，其中土壤残留约为48.16%，土壤淋溶约为1.6%；地面径流率约为11.2%，其中硝态氮约为6.9%，铵态氮约为4.3%。小麦［7～9，13，14］氮肥利用率约为35.5%；大气流失率6.82%，其中NH3、N2O、NOx分别为5.6%、0.7%、0.52%；流向土壤约51.2%，其中土壤残留约为49.2%，土壤淋溶约为2%；地面径流率约为7.46%，其中硝态氮约为5%，铵态氮约为2.46%。玉米［7，9，13，14］氮肥利用率约为40.5%；大气流失率5.85，其中NH3、N2O、NOx分别为4.8%、0.6%、0.45%；流向土壤约39.8%，其中土壤残留约为38.8%，土壤淋溶约为1%；地面径流率约为13.9%，其中硝态氮约为9.3%，铵态氮约为4.6%。

施用的磷肥中，水稻［7，10～15］磷肥利用率约为12.2%；大气损失约为4.3%；土壤吸附固定68.24%；地表水径流约为15.0%；地下淋溶0.26%。小麦［7，10，13～15］的磷肥利用率约为13.7%；大气损失约为4.8%；土壤吸附固定69.0%；地表水径流约为12.0%；地下淋溶0.5%。玉米［7，9，13～15］磷肥利用率约为11.2%；大气损失约为5.5%；土壤吸附固定72.3%；地表水径流约为10%；地下淋溶1%。

CO2暂不参予计算，磷肥中Cd含量按0.2～2.5 mg/ kg剂量比例核算［15］。

第三步，对于大气、土壤和水体三大类环境质量影响，采用伤残调整生命年（Disability Adjusted Life Years，DALY）法，估算全国水田和旱地化肥施用带来污染物所造成的人类健康影响。

式中：DALYi—某种污染造成的生命损害年累计数；Dosei—污染物i的剂量；Cdi—单位污染物剂量引致的生命损害年数，单位a/ kg（表1），取值采用Eco - indictor 99［16］的系列评估值，其中磷酸盐和硫酸盐的Cdi根据其潜在化学势估算［5］。

第四步，依据国内外有关单位劳动力的能值消费数据，乘以生命损害年累计数，估算化肥施用对环境质量影响的能值。最后汇总，得出全国水田和旱地化肥环境影响的总能值。

式中：U—化肥环境影响的总能值成本，单位sej；Emergyi—污染物i的能值成本；Cm—单位劳动力的年能值消费量，2005年取的数值为9.35×1013sej［17］，本文通过劳动力数量和能值的增长量折算为1.26×1014sej；DALYi—某种污染造成的生命损害年累计数。

第五步，依据我国各年份的能值货币比率数据，折算全国水田和旱地化肥施用的综合环境成本。

式中：Emdollar—化肥环境影响的宏观经济价值，单位为元；U—化肥环境影响的总能值成本，单位为sej；Cg—单位宏观经济价值的能值载荷，即一个国家或地区单位时间内使用的能值与GDP比，单位为sej/元。根据李双成等［18］对全国社会经济和环境系统的能值核算结果，1996年我国单位GDP的能值载荷（全部可更新资源和不可更新资源）为1.43×1012sej/元。如此，参照李双成等的能值转换率取值，按照历年统计年鉴公布的物质流基础数据进行相应的比例调整，可得出不同年份的Cg取值。

第六步，计算全国水田和旱地化肥施用的环境成本负荷。

式中：B—单位面积化肥成本负荷，单位为元；Emdollar—化肥环境影响的宏观经济价值，单位为元；Muj—各省粮食种植面积，单位为公顷。

2　结果与分析

2.1水田和旱地化肥施用的环境影响能值评估

2.1.1环境健康损害

根据图1中估算路线，将全国水田和旱地化肥施用产生的污染物分为土壤、大气和水体3类共计9项，并根据1.2中的第二步估算出其影响剂量，再结合专著《Eco - indictor 99》中所采用伤残调整生命年对各类污染物的危害因子计算出的评估结果，对我国水田和旱地化肥施用的人类健康影响进行估算。从表1可知，2010年全国水田和旱地化肥施用引致的环境影响总计6.16×105a，其中水田污染2.05×105a，旱地污染4.11×105a。水田污染中以水体污染中的硝态氮、大气污染中的氨气和土壤污染中的镉、硝酸盐贡献最多，4项总计贡献了91.4%的健康损害；旱地污染中，以水体污染中的硝态氮、大气污染中的氨气和土壤污染中的镉、硝酸盐贡献最多，4项的总计贡献了93.6%。而且各项分类账户中旱地的伤残调整生命年都要比水田中的高。

表1　全国水田和旱地化肥施用的环境影响剂量及DALYs估算（2010年）Table 1 Contamination dose and DALY s of chemical fertilizer utilization in paddy and dry land in China（2010）

2.1.2能值成本评估

根据1.2中的第四、五步，估算出我国水田和旱地化肥施用的环境成本。表2表明，2010年，全国水田化肥施用的环境成本共计1.66×1010元，其中大气污染1.66×109元，土壤污染1.01×1010元，水污染4.90×109元，分别占总成本的10%，60.8%，29.5%；全国旱地化肥施用的环境成本共计3.33× 1010元，其中大气污染3.42×109元，土壤污染2.00 ×1010元，水污染9.93×109元，分别占总成本的10.3%，59.9%，29.8%。

表2　全国水田和旱地化肥施用的环境影响能值成本评估（2010年）Table 2 Estimation of emerge accounting of environmental impact caused by fertilizer utilization in paddy and dry land in China（2010）

2.2化肥施用对水田和旱地环境影响的环境成本评估

表3表明，旱地施用的化肥环境成本高于水田。2010年，水田化肥施用环境成本高达1.66×1010元，旱地化肥施用环境成本高达3.33×1010元，分别约占农业增加值的0.73%、1.47%，旱地是水田的2.01倍。2000～2010年，全国每年水田和旱地化肥施用引致的环境成本逐年增加，水田的年均增长率约为39.6%，旱地的年均增长率约为49.2%，旱地的化肥施用引致的环境成本年增长率是水田的1.2倍。阶段特征来看：2000～2005年以前为成本高速增长期，水田的年均增长率约为25.6%，旱地的年均增长率约为28.3%；2005～2010年以后进入相对缓和增长期，水田的年均增长率约为23.5%，旱地的年均增长率约为27.9%。分析来看，在2005～2010年之间，旱地和水田在前5年与近5年的年增长率变化均不显著。

表3　2000、2005和2010年我国水田和旱地化肥施用环境影响的环境成本核算（元）Table 3 environmental costs caused by fertilizer utilization in paddy and dry land in 2000，2005，2010 year

图2　2010年中国31省市（除港澳台）单位面积水田化肥的施用环境成本负荷（元）Fig.2 Environmental costs per arable land area caused by fertilizer utilization of rice in 31 provinces during 2010（excluding Hong Kong，Macao and Taiwan）

从以省市自治区（除港澳台）为单位的水田和旱地化肥施用的环境成本总量来看，其中水田成本总量超过1.5×109元从高到低的是湖南、江苏、江西及四川省；而成本总量较低且不足1.0×106元的只有西藏、山西、北京和青海（其中青海生产水稻）。旱地最高的是河南省，成本总量超过了4.0×109元，其次是河北、山东及安微3省，成本总量超过了2.0×109元，陕西、吉林、江苏和黑龙江4省也超过了1.5×109元，而海南、江西、西藏3省（区）的成本总量则不足2.0×107元。

从化肥的环境影响强度来看，水田影响最强的集中在黄淮海和西部地区，尤以山东、北京、天津、山西和河北5地最高，耕地面积的环境成本负荷在820元/ hm2以上；最少的是黑龙江、河南、江西及贵州4省，耕地面积的环境成本负荷低于470元/ hm2（图2）。旱地整体差异不大，大部分地区的单位面积环境成本负荷集中在500～680元/ hm2之间，最高的是甘肃，耕地面积的环境成本负荷高于700元/ hm2，最少的是黑龙江和西藏，耕地面积的环境成本负荷少于470元/ hm2（图3）。

图3　2010年中国31省市（除港澳台）单位面积旱地化肥的施用环境成本负荷（元）Fig.3 Environmental costs per arable land area caused by fertilizer utilization of arid food in 31 provinces during 2010（excluding Hong Kong，Macao and Taiwan）

2.3水田和旱地化肥施用环境成本的区域特征分析

综上所知，我国水田和旱地化肥使用的环境成本的区域分布有两个特征：一是水田在华北与西部地区的化肥环境影响强度强于南部及沿海地区，旱地在华中—西南地区与东北地区的影响强度较弱；二是在中南部水田进行生产的环境成本很高，但单位耕地面积的环境成本负荷强度很弱，而在西部干旱地区的环境成本较低，但单位耕地面积的环境成本负荷强度较强。说明在农业生产中，适宜农产品生长的土地较少的地区，更加依赖于化肥等其他农业要素的密集投入来实现高产。

3　结论与讨论

3.1结论

本研究从两种类型耕地化肥施用的影响剂量分析入手，借助能值分析的理论，核算了2000～2010年我国水田和旱地的化肥施用环境成本。结果表明：（1）2010年，水田化肥施用环境成本高达1.66 ×1010元，约占农业增加值的0.73%；旱地化肥施用环境成本高达3.33×1010元，约占农业增加值的1.47%，环境影响比较显著；（2）2000～2010年，全国每年水田化肥施用引致的环境成本逐年增加，水田的年均增长率约为39.3%，旱地的年均增长率约为47.8%，旱地的化肥施用引致的环境成本年增长率是水田的1.2倍；（3）对2010年我国31个省市的化肥施用环境影响进行定量分析，其中水田影响最强的集中在黄淮海和西部地区，尤以山东、北京、天津、山西和河北5地最高，耕地面积的环境成本负荷在820元/ hm2以上；最少的是黑龙江、河南、江西及贵州4省，耕地面积的环境成本负荷低于470元/ hm2。旱地整体差异不大，大部分地区的单位面积环境成本负荷集中在500～680元/ hm2之间，最高的是甘肃，耕地面积的环境成本负荷高于700元/ hm2，最少的是黑龙江和西藏，耕地面积的环境成本负荷少于470元/ hm2。

3.2建议

通过本文研究与估算，提出以下几点改良意见：

（1）增加农产品的附加值，减少土地要素依赖性。利用气候与地理环境等因素的特殊条件，因地制宜种植品质突出的农产品。但是单纯品质突出，还远远不够，须从品种改良、种植工艺、加工标准等方面进一步提升，加强农产品工业化，增加农产品的附加值。单位土地生产的农产品能经过后期加工产生更大的经济效益，而不是仅仅依靠增加化肥等其他增加环境成本的要素来提高产量。

（2）种养结合，走生态发展模式。种植业与养殖业的有机结合，实行农、牧、水、草合理的农田布局，增加有机肥的投入量，实行有机与无机相结合，减少无机肥及农药的施用量，同时种养结合，并不断加强与完善，不断提高农业生态系统的自我调节能力，最终达到“经济、生态、社会”效益三者的高度统一，有利于农业持续、稳定地发展。稻田养鸭是以种稻为中心，家鸭野养为特点的复合生态系统，利用家鸭的杂食性，消灭稻田的杂草和害虫，利用鸭的不间断的活动刺激水稻生长，产生中耕效果，同时鸭的粪便可作为稻田的肥料，在水稻生长期间不施用任何化学农药和化学肥料，可最大限度的使稻区不受污染，实现稻田的可持续种养，节约生产成本，提高经济效益。

（3）全面建设农村生态文明。农业环境成本的控制是一项综合性的系统工程，在农村全面建设生态文明，是实现人与自然协调发展的必由之路。政府应适时引导，通过示范、教育，推广和普及生态文明知识，同时通过支持具体生态项目的建设，推进农村生态文明，农、林、牧、渔全面发展，维护土地利用的多样性，利用有机物的投入发展农业。禁止秸秆燃烧，实现秸秆的综合利用。加强面源污染的防治，改善水体和大气环境质量，减少环境成本。

3.3讨论

能值分析是以能量为核心，以太阳能值单位（sej）为基础，将不同类别、不同质量的能量转换成同一标准的太阳能值来进行比较。可以将系统的物能流、货币流、人口流、信息流进行综合的分析评价，从而得出一系列反映系统结构功能和生态效益的指标。通过能值分析法评估水田和旱地化肥施用的环境成本，可以发现我国粮食生产中化肥施用存在的问题，以及粮食生产结构中的不合理性，如华北平原大面积的石灰性土壤尿素表施［19］，导致大量的氮挥发而损失严重，从而造成了较高的环境负荷；各地区的水田和旱地化肥施用的单位环境成本负荷具有较大的差异性，其中典型的是黑龙江省，不论是水田还是旱地，其环境负荷都低于360元/ hm2，这可能是黑龙江黑土地养分含量丰富，肥力水平高，施肥量低的缘故；而新疆地区水田的单位化肥环境成本负荷较高，可能是由于新疆属于我国内陆干旱地区，施氮水平较高，水资源相对匮乏，而水分条件对氮肥的利用率有很大的影响，水肥不能有效耦合。何华等［20］研究表明，低水高N导致作物氮肥利用率很低，不到25%，这与本文的研究结果一致。不过本研究亦存在几点不足：首先，通过剂量影响法计算的环境健康损害作为环境成本，因为没有考虑各污染物之间的叠加效应和农产品及水产品的损失，故存在估算值偏小的现象；再者，由于化肥类型与质量、施肥技术与设施、地区土壤特性、水文、气候条件特征之间的差异，导致化肥施用的环境影响也大相径庭，因此，不同耕地类型需要进行相应的参数调整。最后，出于文献资料和数据限制，本文将全国各地化肥流转系数、污染物剂量产生系数、能值货币功率等参数均质化考虑，不同耕地局限于一种或两种作物的环境成本，以及对于不同种植制度对化肥施用环境成本的影响没有进行分析，这是本文欠缺之处，还有待进一步完善。

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Estimation of Environmental Cost of Chemical Fertilizer Used in China’s Different Types of Cultivated Land：A Case Study about Paddy and Dryland

HE Bin1，2，ZHENG Hua3，HUANG Huang1，2*，ZHENG Huabin1，2*，CHEN Can1，2
（1 College of Agronomy，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China；2 Collaborative Innovation Center for Grain and Oil Crop in Southern Paddy Field，Changsha，Hunan 410128，China；3 State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology，Research Center for Eco-Environmental Sciences，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100085，China）

Abstract：Based on the analysis of pollution dose of chemical fertilizer，the paper estimates energy costs and macro-economic values of the environmental impact of chemical fertilizer applied in paddy（Oryza sativa L.）and dryland（this article specifically refers to the cultivation of Zea mays L.and Triticum aestivum L.）of 2000，2005 and 2010 in China with the theory of energy analysis and assessment method of disability adjusted life years（DALYs）.The result was shown as follow：the environmental cost of chemical fertilizer applied in paddy and dryland in 2010 year in China was 16.6 billion Renminbi and 33.3 billion Renminbi，respectively，which account for 0.73% and 1.47% of the add value of agriculture.The environmental cost of chemical fertilizer from 2000 to 2010 in China increased with years，the annual increased rates of paddy and dryland were 39.3% and 47.8% respectively.The annual increased rate in dryland was 1.2 times of the paddy，but a downward trend was observed.From the space distribution features，the highest environmental costs of chemical fertilizer in paddy concentrated on the Huang-Huai-Hai Plain and west region（826～994 yuan/ hm2）.There wasno difference in dryland within the region，and the environmental cost of the 90% region ranged between 500～680 yuan/ hm2.

Keywords：cultivated land；environmental pollution；fertilizer application；energy analysis；DALYs

中图分类号：S147.2；X171

文献标识码：A

文章编号：1001-5280（2016）03-0288-07

DOI：10.16848/ j.cnki.issn.1001-5280.2016.03.13

收稿日期：2015- 09- 11

作者简介：何 斌（1991 -），男，硕士研究生，Email：1657197338@ qq.com。*通信作者：黄璜，教授，Email：hh863@ 126.com；郑华斌，博士，Email：zhhb107@126.com。

基金项目：环保部、中科院全国生态环境十年变化调查与评估项目（STSN -04 -00）；国家水稻丰产科技工程（2013BAD07B11）。