中国农业生产水环境承载力分析*

郑微微，易中懿，徐雪高

(江苏省农业科学院农业经济与信息研究所,南京 210014)

·资源利用·

中国农业生产水环境承载力分析*

郑微微，易中懿，徐雪高※

(江苏省农业科学院农业经济与信息研究所,南京 210014)

[目的]通过测算农业生产水环境承载力来评价我国农业生产污染状况，并据此对我国农业生产力布局提出建议。[方法]利用中国2006、2014年七大农区24省份统计数据，采用过剩氮和水盈余方法测算农业生产水环境承载力及其污染风险。[结果]目前我国水资源总量能够承载农业生产总量，但其环境警报值不断向污染威胁临界值逼近，并且存在显著的区域差异；东北平原、长江流域和华南绝大部分地区的农业生产在环境承载力范围内；汾渭平原和河套灌区的农业生产对环境存在略微的污染风险；甘肃新疆和黄淮海平原的农业生产严重超出环境承载力，污染风险最为严重。[结论]可适当增加东北平原、长江流域和华南绝大部分地区的农业生产规模；加强汾渭平原和河套灌区的污染物质消减措施；强制实行甘肃新疆和黄淮海平原的生产总量控制与污染消减措施。同时，还可以从节水技术、减排技术、作物耕作制度、农牧循环体系及政策法规等方面入手，全面提高农业生产水环境承载力。

农业生产 水资源 过剩氮 环境承载力 布局 优化

0 引言

改革开放以来，中国农业经济取得了巨大增长，但该增长是以环境损失为代价的，产生了大量的农业面源污染[1]。据第一次全国污染源普查资料显示，我国农业面源污染已远超过工业与生活源污染，成为污染源之首。主要表现为，畜禽养殖粪便的不合理排放、种植业农药和化肥等农用物资的不合理和过量施用，使氮素和磷素等营养物质、农药及其他有机或无机污染物质，在降水或灌溉过程中通过农田地表径流、壤中流、农田排水和地下渗漏进入水体，进而引起地表和地下水环境的污染[2-4]。农业面源污染已成为水环境污染的主要来源之一[5]。《2014年中国环境状况公报》显示，全国废水中COD排放总量为2 294.6万t，其中农业源排放占48.08%； NH3-N排放总量为238.5万t，其中农业源排放占31.66%。事实上，水环境对农业生产污染物具有一定的净化能力，但在一定时间内，该净化能力是有限的。区域农业生产应该符合该地区水环境承载能力，其农业生产密度应不超过该地区水环境的最大承载能力。农业部《关于进一步调整优化农业结构的指导意见》明确指出农业生产新格局当与资源环境承载能力相匹配。因此，对农业生产水环境承载能力进行科学评价是构建农业生产新格局，实现农业可持续发展的前提和基础。

目前，关于水环境承载力的研究主要集中2个方面：一是对水资源承载力状况的判断，主要通过灰色关联度(聚类)分析法、模糊评价法及主成分分析法等方法构建水资源承载力评价指标体系，综合评价水资源、社会、经济及生态环境对水资源承载力的影响[6-10]。二是对水资源承载规模的判断，通常采用常规趋势法、系统动力学方法及多目标决策分析法等计算在一定条件下的最大可承载规模[11-14]。但以上研究较少考虑环境污染对水资源承载力的影响[15]。而随着环境污染问题被不断重视，这将不断扩大对水资源承载力的预测误差。因此，文章从农业面源污染出发，以扣除各业生产用水后的水盈余量对农业面源污染的负荷作为农业生产水环境承载力的评价指标，重新评价我国农业生产的水环境承载力，并据此提出我国农业布局的优化方向及相应的政策建议，为加强农业可持续发展能力建设提供依据。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究方法

1.1.1 农业面源污染衡量

根据曲劳(Truog)养分平衡法理论，当进入农业生产系统的氮(磷)素，包括畜禽粪便中的氮(磷)素和化学肥料中的氮(磷)素，及土壤本身蓄积的氮(磷)素超过了作物需要时，就会发生养分冗余问题，该养分冗余便是导致水体富营养化污染的主要原因。该文参考张晖等(2009)[16]的研究成果，以冗余的氮素为例来计算农业面源污染排放，称之为过剩氮，具体计算公式如下：

Nsurplus=Nanimal+NCF+Nland-Ncrop

(1)

式中，Nanimal、NCF、Nland、Ncrop分别为牲畜粪肥中的含氮量，化肥中的含氮量，土壤的蓄积氮量及作物的氮素需求量。Nanimal、NCF、Nland、Ncrop的计算公式如下：

Nanimal=∑iαiXi

(2)

NCF=∑jβjYj

(3)

Nland=∑kγkZk

(4)

Ncrop=∑kδkWk

(5)

式中，αi、βj、γk、δk分别为i种畜禽的粪肥含氮系数，j种化肥的含氮系数，k种作物土壤中的氮蓄积系数及k种作物的耗氮系数，Xi、Yj、Zk、Wk分别为i种畜禽的饲养量，j种化肥的使用量，k种作物的播种面积及k种作物的产量。出于数据可获得性的考虑，该文计算的畜禽品种包括猪、牛、羊和家禽，化肥以总化肥使用量及平均含氮系数表示，作物品种包括谷物、豆类等粮食作物、棉花、油料、麻类、蔬菜及瓜果等。

1.1.2 水盈余量测算

水盈余量，即地区水资源总量扣除各业用水量后的水资源量。当水盈余量为正时，说明该地区的水资源能够稀释更多的污染物至可接受的水平； 当水盈余量为负数时，表明该地区的水资源量相对短缺，不存在多余的水资源供稀释污染物质，有必要对相关产业生产进行调整和控制。水盈余量计算公式如下：

WS=WA-WB

(6)

其中，WS为水盈余量，WA为水资源总量，WB为现有技术经济水平下各业用水量，包括农业用水、工业用水*《中国统计年鉴》对工业用水的统计口径为：“工矿企业在生产过程中用于制造、加工、冷却、空调、净化、洗涤等方面的用水，按新水取用量计，不包括企业内部的重复利用水量。”已经包含工业污染“净化”的用水量，因此该文不重复考虑工业污染排放对水资源的负荷。、生活用水和生态用水。

1.1.3 农业生产水环境承载力测算

根据前文对农业面源污染排放(过剩氮)及水盈余量的测算，该文以单位水盈余量对过剩氮负荷来表征农业生产水环境承载力，其计算公式为：单位水盈余量过剩氮负荷=过剩氮量/水盈余量，采用单位水盈余量过剩氮负荷除以水资源理论最大适宜氮素承载量，其比值即为地区水环境对农业生产污染物负荷量承受程度的警报值，随着数值的增大，水环境对农业生产污染物负荷量承受能力逐渐下降，农业生产对环境造成的污染威胁性越大。参考土壤污染物负荷警报值分级，该文对水环境污染物负荷警报值分级情况如表1所示。以欧盟农业政策中推荐的水体含氮量50mg/L作为水环境承载力的标准[17]。值得注意的是，当水盈余量为负数时，表明该地区已不存在能够稀释污染物质的水盈余量，现有技术水平下的农业生产对水环境的污染威胁极其严重。此时，计算得的警报值为负值，表示水环境不仅不能再承载农业生产规模的扩大，而且对该地区耗水量大的产业都应该进行必要的调整。

表1 水环境污染物负荷警报值分级

警报值0～0 40 4～0 70 7～1 01 0～1 51 5～2 5>2 5分级级数123456对环境的威胁性无稍有有较严重严重很严重 注：警报值<0，表示对环境的威胁性极其严重

1.2 数据来源及说明

农业生产水环境承载力评价应围绕农业生产主产区展开。对农业生产主产区进行水环境承载能力评价，提高农业生产与主产区水环境承载之间的适应性，对指导全国农业可持续发展更具有针对性和重要性。为此，该文参考“七区二十三带”农业战略核心区域划分方法，将我国农业生产主产区划分为七大主产区：东北平原(包括辽宁、吉林和黑龙江)、黄淮海平原(包括河北、河南和山东)、长江流域(包括安徽、湖北、湖南、江西、浙江、江苏、四川和重庆)、汾渭平原(包括山西和陕西)、河套灌区(包括宁夏和内蒙古)、华南(包括广西、广东、福建和云南)和甘肃新疆(包括甘肃和新疆)，覆盖全国24个省份，涉及水稻、小麦、玉米、棉花、大豆、油菜、甘蔗、棉花、生猪、肉牛、羊、奶牛和家禽等全国主要农产品产业。其中，测算模型中，畜禽饲养量数据来源于《中国畜牧兽医年鉴》，化肥施用量、作物播种面积、产量及各业水资源数据来源于《中国统计年鉴》，各类含(耗)氮系数分别来源于公开出版(发表)的论著[18](期刊文献)[19～20]。

2 农业生产水环境承载力测算结果与分析

根据以上计算方法，测算得到2006和2014年七大农区农业生产水环境承载力情况(表2)。

表2 主产区农业生产水环境承载力 万t、亿m3、mg/L

表2数据显示， 2014年我国农区水盈余过剩氮负荷为18.66mg/L，警报值为0.37，较2006年略有增加，说明目前我国的水资源总量能够承载农业生产总量，但其环境警报值已逐渐向污染威胁临界值逼近，这不得不引起相关部门的重视。并且，数据还显示，各农区的水环境负荷还存在显著的区域差异：(1)东北平原、长江流域和华南三大农区水盈余过剩氮负荷在8.04～16.34mg/L之间，警报值取值分布区间为0.14～0.33，表明农业生产对水环境污染几乎不存在威胁。主要原因是：东北平原的化肥施用强度较低， 2014年为262.06kg/hm2，接近国际标准(255kg/hm2)施肥量，化肥的有效利用率较高，致使该地区的过剩氮量较少，对水环境的压力较小； 而长江流域和华南位于我国南部地区，水资源量较为充沛，使得这两个农区的水盈余量相对较多，对农业污染物质的承载能力较强。(2)汾渭平原和河套灌区2014年水盈余过剩氮负荷警报值在0.7～1.0之间，较2006年1.0以上的警报值有较大改善，表明，农业生产对水环境污染的威胁有所缓解，但仍存在污染风险。这与刘海启等对西北旱区(也包括山西、陕西、宁夏和内蒙古等)农牧业水资源利用的研究结论“还不能说是对水资源的严重透支”[21]基本相符。(3)甘肃新疆的水盈余过剩氮负荷警报值为1.31，黄淮海平原的警报值为-16.35，表明这两个农区的农业生产已超出了水资源的承载负荷，对水环境造成了较为严重的污染威胁，尤其是黄淮海平原，水盈余量为负值，表明农业生产本身已出现水资源短缺现象，再加上农业生产污染物排放对水资源的压力，农业生产对环境污染的威胁难以想象，环境污染风险极高。因此，急需对该农区的农业产业进行控制和调整，包括控制畜禽粪便排放、减少化学投入品、调整耗水量大的产业及提高水资源利用率等。

图1 水环境负荷警报值分级情况

图1显示了2014年我国七大农区24个省份水资源对过剩氮负荷的警报值分级情况。可以看出：农业生产水环境承载能力不仅存在农区差异，即使在同一农区，不同省份间也存在显著差异。如图所示，除吉林、黑龙江、湖南、江西、浙江、四川、重庆、广西、广东、福建以及云南外，其他省份均处于污染威胁级别。农业生产对当地环境有“极其严重影响”的地区是河北、山东、江苏和宁夏； 有“很严重影响”的地区是辽宁和河南； 有“较严重影响”的地区是山西、甘肃和新疆； “有影响”的地区是陕西； 安徽、湖北和内蒙古对当地环境“稍有影响”。因此，有必要因“区”制宜、因“地”制宜地制定农业产业发展和农业污染减排政策。

3 农业生产力布局优化建议

根据农业生产水环境承载力测算方法，农业生产水环境承载力主要与地区水资源利用效率、种植业化肥利用效率及畜禽养殖密度有关。因此，根据水环境承载力对农业生产力布局的优化建议主要围绕农业生产布局及节水、节肥、节药等方面展开。本部分根据各地区不同的环境承载能力及污染风险评价，结合各地区各异的农业产业发展状况及自然资源条件，对农业生产新格局的优化建议如下。

(1)无污染风险区(东北平原、长江流域和华南)：可适当增加农业生产规模，同时要加大“一控二减三基本”推进的步伐。但需要注意的是，这些农区的局部地区仍存在较高的污染风险，如长江流域的江苏污染风险“极其严重”，东北平原的辽宁污染风险“很严重”。因此，还需加强对局部地区的污染物消减和总量控制； 或是以扩大其他优势产区生产规模为前提，适度调减该地区的农业生产，如江苏，可适度调减生猪养殖至浙江，充分发挥浙江的生态养殖优势，等。此外，在粮食安全不受威胁前提下，还可以推广套种豆类模式。

(2)低污染风险区(汾渭平原和河套灌区)：结合农区优势产业发展特征，重点加强污染物质消减措施。如汾渭平原以小麦和玉米为主导产业，则应在稳定小麦和玉米生产能力的前提下，侧重科学施肥技术的推广与应用，从源头控制污染排放； 河套灌区以小麦、肉牛、奶牛和羊为主导产业，则应立足农牧结合，促进循环发展，重点开发有机肥产业，加大畜禽粪便资源化利用的步伐，减少污染排放。此外，宁夏地区还应开发节水品种，发展节水工程。

(3)严重污染风险区(甘肃新疆和黄淮海平原)：强制实行农业生产总量控制与污染消减措施，以“保生态”为底线，发展旱作农业、特色农业和规模化农业。甘肃新疆农区：建设新疆优势高产棉区，实现棉花全程高标准机械化生产，降低生产成本，减少污染排放； 发展草食畜牧业，发展牧草业，“为牧而种”，提高农业生产系统对冗余养分的利用，减少污染排放。黄淮海平原农区：以“节水”为重点，粮食生产以高标准良田建设为抓手，以节水品种为关键，稳定粮食生产能力； 畜禽养殖以园区规模养殖为主要发展模式，促进循环发展。

4 相关政策措施

综合以上分析与讨论，提高水环境承载力必须以保障粮食安全和菜篮子产品的有效供给为前提，以减量化、无害化、资源化为原则，坚持农牧结合、种养循环，在农业生产合理布局的基础上，提高水资源、化学肥料和畜禽粪便的利用效率。因此，该文提出如下配套政策措施。

4.1 推广创新农业节水技术

推广创新农业节水技术，尤其对水资源短缺地区(如河北、山东、江苏和宁夏)，是提高水资源利用效率、提高水环境承载能力的主要战略选择。主要包括3个方面：(1)推广节水灌溉技术，积极推进“喷灌”、“滴灌”等集约型用水方式，逐步淘汰传统“漫灌”粗放型用水方式，提高水资源利用效率； (2)研发节水品种，研发地区优势产品的节水品种，大面积减少作物需水量，提高水环境容量； (3)加强水利设施建设，实现水资源地区间调配，缓解水资源匮乏地区的现实问题。

4.2 构建化肥减量技术体系

减少化肥施用量是提高农业生产水环境承载力最经济的办法。众多研究和数据表明，我国化肥施用量已远超过经济最优量和国际标准量，适当减少化肥施用量不仅不影响产量，而且节约资源、保护生态环境。化肥减量技术体系建设应包括3个方面：一是推广精准施肥技术，通过深入推广测土配方施肥等精准施肥技术，科学分析基于目标产量的施肥量，合理调整基肥、分蘖肥和穗肥的施用比例，防止过量施肥； 二是推广节肥增效技术，在化肥减量的基础上进行有机无机肥配施，使用缓控释肥、掺混肥等，减少化肥损失； 三是完善过程管理技术，完善基肥深施、肥料运筹、控制氨挥发等过程管理技术，提高肥料利用效率。

4.3 建立合理的农作物轮作、休耕制度

不同的农业产业结构对环境的污染程度不同，一些是对污染物质的排放量不同，一些是对污染物质的吸收量不同。从排放量来看，经济作物比粮食作物的化肥施用强度更高且增长更快，对环境的污染程度更加严重[22]； 从吸收量来看，豆科、豆科牧草等作物具有较强的生物固氮功能，对氮素的吸收能力大于其他作物，对环境的污染程度小于其他作物。因此，各地区的产业结构，可在保障粮食安全的基础上，一方面，建立与豆科等固氮作物的轮作、混套作制度，或适当实施休耕制度，缓解单一轮作或长期连作带来的作物产量和质量问题，增强作物固氮能力，提高化肥利用效率； 另一方面，适度发展草食畜牧业，发展牧草业替代饲料粮产业，减少化肥用量，并建立豆科、禾本科等固氮牧草轮作制度，完善农牧结合的养殖模式，推动牧草业和草食畜牧业可持续发展。

4.4 建立农牧循环生产体系

立足农牧循环生产，促进农业废弃物资源化利用，是提高农业生产水环境承载力最环保的办法。此处农业废弃物资源化利用主要指畜禽粪便的资源化利用。如若将我国所有畜禽粪便进行资源化利用，则可减少1 468.6万t过剩氮排放，相当于减少2 259.4万t化肥施用量*根据该文计算的畜禽养殖TN排放量，按照化肥平均含氮系数进行折算。。而耕地是消纳畜禽粪便最经济有效的办法，实现各地区农牧业生产规模相匹配是畜禽粪便有效消纳的关键。因此，首先，应合理布局农牧业生产。按照耕地承载力划分畜禽养殖禁养、限养、宜养区； 其次，完善农牧废弃物综合利用技术体系，创新技术模式，完善技术标准。根据养殖规模、品种类型、区域生产条件等，研发相应的废弃物资源化利用、无害化处理技术集成模式，促进畜禽粪便资源化利用，完善畜禽规模养殖土地消纳配比、沼渣沼液还田等相关技术标准，实现综合利用、达标排放； 最后，探寻种养循环模式。把畜禽养殖业发展与绿色食品、有机食品生产基地建设结合起来，通过技术服务与创新，探寻生态养殖-沼气生产-有机肥还田等多级种养循环模式，实现农业生产与生态环境全面协调发展。

4.5 加强政府政策规制与补贴

充分运用强制性政策工具，在区域性养殖发展规划、养殖总量控制、养殖排放标准、畜禽规模养殖场市场准入、种养布局调整、环境监管等方面做好顶层设计，完善法律规章，掌握污染防治主动权，从源头减少污染排放。同时，建立绿色生态导向的补贴制度，减少并逐步取消对化肥企业的财政补贴和税收优惠，提高对新型环保肥料和测土配方施肥等的补助力度，从外源投入控制农牧系统中的过量养分。最后，将氮(磷)等元素纳入土地质量等级评价体系，真实反映污染物排放对土地产能的影响，明确土地整治方向，系统控制农业面源污染排放。

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ANALYSIS ON WATER ENVIRONMENTAL CARRYING CAPACITY OF AGRICULTURAL PRODUCTION IN CHINA*

Zheng Weiwei, Yi Zhongyi, Xu Xuegao※

(Institute of Agricultural Economics and Development，Jiangsu Academy of Agricultural Sciences，Nanjing 210014，China)

This article evaluated the pollution status of agricultural production in China by calculating the water environmental carrying capacity, and then it put forward some suggestions on the layout of agricultural productivity. The statistical data from 7 crops growing areas in 24 provinces of China in 2006 and 2014 were used in the paper. The results showed that China′s total water resources could support the agricultural production, but the environmental warning value approached to the pollution threat threshold, with significant regional differences. The agricultural production in Northeast Plain, Yangtze River Basin and South China was within the scope of environmental bearing capacity, but the agricultural production in Hetao Irrigation District and Fenwei plain had slight pollution risk, and was beyond the environmental bearing capacity in Xinjiang, Gansu province and Huang-huai-hai plain. It should appropriately expand the scale of agricultural production in Northeast Plain, Yangtze River Basin and South China, mitigate the pollutants combined with regional industrial development characteristics in Hetao Irrigation District and Fen Wei plain, and enforce total pollution reduction in Xinjiang, Gansu province and Huang-huai-hai plain. Meanwhile, in order to improve water environment carrying capacity of agricultural production, it also should adopt measures on water saving technology, emission reduction technology, crop farming system, agriculture and animal husbandry circulation system, and policy laws and regulations, etc.

agricultural production; water resources; excess nitrogen; environmental carrying capacity; layout; optimization

10.7621/cjarrp.1005-9121.20170520

2016-08-31

郑微微(1987—)，女，浙江台州人，博士、助理研究员。研究方向：资源环境经济。※

徐雪高(1981—)，男，江苏无锡人，博士、研究员。研究方向：农业经济。Email： 308836783@qq.com

*资助项目：国家自然科学基金面上项目“环境目标约束下农户技术选择：个体行为与制度安排”(71273147)； 中国博士后科学基金项目“环境承载力、农业结构调整与化肥减量研究”(2015M581756)

F303.4; X52

A

1005-9121[2017]05134-07