2009～2013年河南省各市农田累计灰水足迹变化

王 渊，张紫悦

(河北工程大学 水利水电学院，河北 邯郸 056000)

在我国农作物的生产过程中，投入过量的氮肥、磷肥以及农药来增加农作物的产量，导致对生态环境造成的污染日渐严重，尤其是在水环境污染问题上较为突出。水体中污染物指标主要为NH3-N、COD、BOD5、TP、CODMN、挥发酚和石油类污染物等。水资源的过度压采，使我国大部分平原地区出现了河道干涸、地下水漏斗、地下水和地表水污染等水生态严重恶化问题。如何对农业生产过程中所产生的废水对水环境的污染进行评价，并找出解决对策是我们面临的重要课题。近年来，结合水质评价的综合性和复杂性，国内外研究学者相继提出对水质评价的多种方法，如灰色聚类综合评价法、模糊数学分析法、综合污染指数法及人工神经网络等方法[1-4]，而这几种方法普遍存在的问题是不能表达出水资源的数量与质量之间的相互作用关系。随着水足迹观点的提出，将实物状态下的水与虚拟状态下的水相互联系起来，主要包括蓝水、绿水和灰水的概念，能够真实反映出水资源数量与质量之间的关系。

河南省地处我国中东部地域，属温带大陆性气候，地理位置优越，横跨长、黄、海、淮四大水系，水量较为充沛。主要粮食作物有小麦、玉米、大豆、蔬菜和水果等，作为我国粮食产量的农业大省，农作物产量总数高达国家全年生产总产量的10%，被誉为“中原粮仓”。2009～2013年是河南省农业经济、产量飞速发展的5年，也是对水生态环境污染最为严重的5年，因此对河南省这5年的氮肥、磷肥和农药的灰水足迹进行统计分析，对河南省农业面源污染分析和污染物的治理具有重要意义。

1 研究区域概况

河南省处于黄河中下游、中国中东部，全省位于E110°21′～E116°39′、N31°23′～N36°22′之间，地理特征总体呈现出东低西高之势，从北往南的无霜期约为180～240 d，多年平均降水量约为771.0 mm，年水面蒸发量约为500～900 mm。全省水资源的总量约为403.53×108m3，占全国水资源总量的1.42%，降水入渗补给量约为185.66×108m3，地表水资源量约为302.66×108m3，降水入渗所形成的基流排泄量约为84.79×108m3[5]。土地总面积约为16.7×104km2，耕地总面积约8.15×104km2，占总面积的48.8%。农作物耕种总面积约为14.32×104km2，有效农田灌溉面积约为4.98×104km2，化肥施肥量为696.37×104t，农药施用量为13.01×104t。

2 研究方法

2.1 灰水足迹简介

加拿大经济学专家WiiliamRees在1992年提出“生态足迹”这一概念，引发了荷兰水资源专家Hoekstra在2002年提出“水足迹”的思想。2008年在虚拟水理论的基础上，Chapagain和Hoekstra共同提出水足迹概念，这在世界上是初次提出，主要针对生产、生活产生水污染的状况。2010年，灰水足迹的计算方法取得统一，将其定义为：以原始本底浓度与现有的水环境质量标准为基准，将一定污染物稀释所需淡水的体积，因此灰水足迹是与水体污染相关的指标[6-10]。在农作物的生长过程中，氮肥、磷肥以及农药的施用都会对水体质量产生污染，其污染程度主要取决于土壤的类型、作物的吸收率、化肥的类别、农药的品种以及用量等因素。由于以上因素，农作物对化肥、农药的利用率大幅度降低，因此很大一部分化肥及农药通过各种形式散失到土壤和水环境中，导致农田出现严重的面源污染。为减少其对生态环境造成更大的污染，本文引入灰水足迹这一概念来计算稀释污染物所需要的水量，对减少水资源的利用和水资源优化配置具有重要意义。

2.2 灰水足迹计算方法

采用《灰水足迹评价手册》及相关文献[11]，确定灰水足迹的计算公式为：

式中：WFgrey为污染指标的灰水足迹值，m3；pul为每平方米污染指标的农田流失量，kg/m2；A为实际耕地面积，m2；λi为污染指标的流失率，%；Q为污染指标的使用总量，kg；Cmax为污染指标在环境中的最大允许浓度，kg/m3；Cnat为污染指标在环境中的本底浓度，kg/m3。

2.3 灰水足迹参数选取

根据河南省2009～2013年农业现状，在粮食作物的生长过程中所施用肥料以及农药都会对水环境产生污染。所施用的化肥中主要含有氮、磷、钾，其中比例较大的是氮肥和磷肥。因此，选取对灰水足迹影响较大的3个参数，分别是氮肥、磷肥和农药。

2.3.1 氮 肥

氮肥中所含的氮很容易造成地表水和地下水污染，所形成的亚硝酸根离子会对人体产生极其不利的影响，我国的氮肥使用率约为30%～35%。结合河南省农田水利的实际情况和《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)，取环境对氮元素的Cmax为1.7 g/L，选取氮元素的浓度为所需背景浓度，将其看作环境中的本底浓度Cnat。综合考虑河南省的农业生产过程方式及降水量和土壤质地等方面的影响[11]，并结合有关参考文献，选取河南省平均氮肥流失率中的较高水平值为68%。

2.3.2 磷 肥

磷肥中的磷在土壤中能够与其他的矿物质发生反应，产生不容易溶解的化合物，不容易产生流动，所以对水环境所造成的威胁相对来说较少。但是我国的磷肥使用率约为10%～25%，相对来说还是较高的。由于农业灌溉的水源主要来自于地表水和地下水，同理，选取Cmax为1.7 g/L，选取地表水和地下水磷元素的浓度为所需背景浓度，将其看作环境中的本底浓度Cnat。综合考虑河南省农业生产过程方式及降水量和土壤质地等方面的影响，并结合有关参考文献，选取河南省平均磷肥流失率中的较高水平值为85%。

2.3.3 农 药

河南省是中国的粮食大省，农药的施用种类较多，几乎所有的农药都会造成水体质量的严重污染，我国的农药使用率约为20%～30%。同理，选取其中地表水和地下水农药的浓度为所需背景浓度，将其看作环境中的本底浓度Cnat。综合考虑河南省农业生产过程方式及降水量和土壤质地等方面的影响，并结合有关参考文献，选取河南省的平均农药流失率的较高水平值为75%。

3 结果与分析

3.1 2009～2013年河南省各市氮肥施用过程的灰水足迹多年变化情况

通过查阅《河南农村统计年鉴》、《河南省水资源公报》(2009～2013)中的相关数据资料，应用灰水足迹的计算公式，计算出2009～2013年河南省各市氮肥施用灰水足迹的多年变化值，见图1。从图1可知，河南省在这5年期间，各市累计施用氮肥灰水足迹最大的是南阳市，灰水足迹为0.098×108m3，其次为商丘和驻马店；最小的是济源市，灰水足迹为0.002×108m3，其次为漯河市。

图1 2009～2013年河南省累计各市施用氮肥灰水足迹变化情况Fig.1 Changes in water footprint of nitrogen fertilizer in various cities in Henan province from 2009 to 2013

3.2 2009～2013年河南省各市磷肥施用过程的灰水足迹多年变化情况

通过查阅《河南农村统计年鉴》、《河南省水资源公报》(2009～2013)中的相关数据资料，应用灰水足迹的计算公式，计算出2009～2013年河南省各市磷肥施用灰水足迹的多年变化值，见图2。从图2可知，河南省在这5年期间，各市累计施用磷肥灰水足迹最大的是南阳市，灰水足迹为0.06×108m3，其次为商丘和驻马店；最小的是济源市，灰水足迹为0.001 4×108m3，其次为漯河市。

图2 2009-2013年河南省各市施用磷肥灰水足迹变化情况Fig.2 Changes in the water footprint of phosphatic fertilizer in different cities in henan province from 2009 to 2013

3.3 2009～2013年河南省各市农药施用过程的灰水足迹多年变化情况

通过查阅《河南农村统计年鉴》、《河南省水资源公报》(2009～2013)中的相关数据资料，应用灰水足迹的计算公式，计算出2009～2013年河南省各市农药施用灰水足迹的多年变化值，见图3。从图3可知，河南省在这5年期间，各市累计施用农药灰水足迹最大的是南阳市，灰水足迹为34.17×108m3；最小的是漯河市，灰水足迹值为0.44×108m3。

图3 2009～2013年河南省各市施用农药灰水足迹变化情况Fig.3 Changes in the water of footprint of pesticide in various cities in Henan province from 2009 to 2013

4 结 论

本文主要分析了河南省2009～2013年5年期间各市施用氮肥、磷肥和农药的灰水足迹变化情况，其研究结果如下:

1) 2009～2013年期间，河南省氮肥、磷肥和农药的累积灰水足迹变化趋势为上升趋势。磷肥的累积灰水足迹值最小，最小值为济源市，灰水足迹为0.001 4×108m3；农药的累积灰水足迹值较大，最大值为南阳市，5年累积灰水足迹值为34.17×108m3，是济源市5年累计磷肥灰水足迹的24 407多倍。表明农药对水体质量的灰水足迹影响是最大的，氮肥对水体质量的灰水足迹影响较小。

2) 河南省是中国的大粮仓，在提高农作物生产量的情况下要控制施肥数量，提高化肥利用效率；控制农药施肥过程，提高农药利用效率，才能达到降低灰水足迹，减少污水对水体的影响，保护好水环境的目的。