时空视角下京津冀农业灰水足迹强度与效率分析

洪传春，刘某承，张雅静，吴灵琦

（1.东北大学秦皇岛分校 管理学院，河北 秦皇岛 066004； 2.东北大学 工商管理学院，辽宁 沈阳 110004；3.中国科学院 地理科学与资源研究所，北京 100101）

京津冀是我国重要的粮食主产区，农业生产地位重要，同时，其地处海河流域，面临的水资源短缺和水污染的压力巨大。如何协调好农业生产、水资源利用和水环境保护之间的关系是本区域面临的重要课题。因此，较为全面地评价京津冀区域农业面源污染状况，可为本区域农业水污染治理和农业生产结构调整提供有效的理论依据和数据支撑，对区域农业可持续发展具有重要意义。

自Hoekstra提出了“水足迹”概念以来［1］，相关研究发展十分迅速。其后，Hoekstra等又进一步地提出了“灰水足迹”的概念［2］，它是与污染有关的指标，表示以自然本底浓度和现有的环境水质标准为基准，将一定的污染物负荷吸收同化所需的淡水的体积［3］。灰水足迹的提出，实现了从水量的角度评价水污染，从而可以与水资源消费的量进行比较［4］。以占有的水量来衡量水污染的优势在于不同类型的污染物有了同一个起点，即稀释污染物所需水量［3］。这为水污染评价提供了1种新方法，弥补了传统的单因子指数评价法、模糊数学方法、综合污染指数法等评价方法的不足［5］。

农业领域是水足迹研究方法的重要应用领域之一，目前其研究主要集中于从不同时空维度对种植业及其产品的水足迹评价［6-8］，且主要涉及绿水和蓝水足迹，较少将灰水足迹纳入到分析中。另一方面，对灰水足迹的研究主要集中于区域灰水足迹评价、空间格局变化及其驱动因子分析等方面［9-12］，对农业灰水足迹的研究则相对较少，且多局限于种植业农药与化肥施用所引起的水污染［13-14］，而忽视了畜禽养殖业所导致的水污染。事实上，在全部的灰水足迹中，农业贡献了其主要部分，Cui等对我国西北地区的研究表明，2015年其农业灰水足迹的贡献占比达84.81%，而这其中，养殖业又是主要的贡献者［15］。由于忽略了畜牧业和灰水足迹两大要素，这使得对农业水资源可持续利用的评价出现了一定的偏差。为此，本研究采用灰水足迹理论与方法，将种植业与畜禽养殖业纳入到分析框架中，综合考察京津冀农业灰水足迹及其强度和效率的时空分布情况，以期为京津冀农业生产与环境治理协同方面的政策制定提供决策参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

京津冀地处华北平原，位于东经113°27′～119°50′和北纬36°05′～42°40′之间，包括北京市、天津市和河北省，总面积约2.20×105km2。京津冀地区多属海河流域，少部分位于滦河流域，为暖温带大陆性季风气候，年均降雨量约500 mm，降雨多集中于夏季，且东南丰富而西北较少，水资源时空分布不均。京津冀是中国重要的粮棉油主产区，粮食作物种植面积合计达9.40×106hm2（2016年），但水资源短缺，京、津、冀人均水资源量分别为161.60、121.60 和279.70 m3/a（2016年），远低于国际公认的水资源短缺阈值，属资源型严重缺水地区。同时农业生产造成的污染严重，仅年氮肥折纯使用量即达1.60×106t，给水、土资源带来极大的压力。

1.2 农业灰水足迹及相关指数的计算

1.2.1 农业灰水足迹的计算

（1）种植业灰水足迹。作物种植所产生的灰水足迹主要来自于化肥和农药的施用，未被作物吸收的化肥与农药会在降雨和灌溉的作用下，通过淋溶方式进入地表水体。选取氮肥为测算种植业灰水足迹的指标［16］，借鉴Hoekstra等［3］的核算方法，得到核算公式为：

式中：GWFpla为种植业灰水足迹（m3）；α为氮肥淋溶率（%）；Appl为氮肥施用量（kg）；cmax为最大容许浓度（kg/m3）；cnat为污染物受纳水体的自然本底浓度（kg/m3）。

（2）畜牧业灰水足迹。畜牧业灰水足迹主要来自于畜禽养殖过程中所产生的粪便，其中污染物随着地表径流进入水体。粪便中污染物主要为COD和总氮（TN）等，结合虞祎等［17］的研究及出于简化研究的需要，本研究采用总氮（TN）作为关键指标来评价畜牧业灰水足迹。选取牛、羊、猪和家禽为主要考量对象，测算其污染负荷，计算式为：

式中：TNbre为畜禽的氮排放量（t）；NUMi为第i种畜禽的存栏量；DAYi为第i种畜禽的养殖天数；fi和pi分别表示第i种畜禽的粪便排泄系数和尿液排泄系数（kg/d）；nfi、npi分别表示第i种畜禽粪、尿的全氮系数（kg/t）；βfi、βPi分别表示第i种畜禽粪、尿的流失率（%）。

在此基础上测算畜牧业灰水足迹GWFbre（m3）：

（3）农业灰水足迹（GWFagr）。为种植业灰水足迹与畜牧业灰水足迹之和：

1.2.2 相关指数的计算

（1）农业灰水足迹强度。反映本区域农业水污染强度，其公式为：

式中：int表示农业灰水足迹强度（m3/hm2）；Land为耕地面积（hm2）。

（2）农业灰水足迹效率。反映本区域以单位水污染投入所带来的经济效益，其公式为：

式中：eff表示农业灰水足迹效率（元/m3）；GDPagr为农业增加值（元）。

1.3 数据来源

氮肥施用量（采用农业氮肥折纯使用量数据）、耕地面积、农业增加值、农业用水量（采用农业供水量数据）和畜禽的存栏量数据来源于历年《中国农村统计年鉴》《河北经济年鉴》《河北农村统计年鉴》《河北水利统计年鉴》《北京统计年鉴》和《天津统计年鉴》，其中农业增加值转化为2000年不变价；畜禽粪便与尿液的排泄系数、畜禽粪便与尿液的全氮系数、畜禽粪便与尿液的流失率来源于《全国规模化畜禽养殖业污染情况调查及防治对策》中相关数据［18］。其中大牲畜（牛马等）、猪、羊、家禽（鸡鸭等）的粪便排泄系数分别为20.00、2.00、2.60和0.12 kg/d，粪便的全氮系数分别为4.37、5.88、7.50和9.84 kg/t，粪便的流失率分别为5.68%、5.34%、5.30%和8.47%；大牲畜（牛马等）和猪的尿液排泄系数分别为10.00 kg/d和3.30 kg/d，尿液的全氮系数分别为8.00、3.30 kg/t；尿液的流失率为50.00%。参考不同学者的研究［19-22］，将氮肥淋溶率（%）α取值10.00%，最大容许浓度cmax为0.05 kg/m3，污染物受纳水体的自然本底浓度cnat为0［3］。

2 结果与分析

2.1 农业灰水足迹的时空分布

2.1.1 农业灰水足迹的时序变化 2000年以来，京津冀区域农业灰水足迹在2004年达到峰值，为2.50×1010m3，之后呈逐步下降趋势，2016年降 至1.89×1010m3，降 幅 达24.4%。（图1）。多年来京津冀种植业灰水足迹相对稳定，处于3.20×109～3.50×109m3之间，因此农业灰水足迹的波动主要取决于畜禽养殖业的规模。在农业灰水足迹处于峰值的2004年，养殖业灰水足迹也达到顶峰，为2.16×1010m3，其后随着养殖业规模的减小，灰水足迹随之下降至2016年的1.57×1010m3。

图1 京津冀2000―2016年农业灰水足迹Fig.1 The agricultural gray water footprint from 2000 to 2016 in Beijing-Tianjin-Hebei region

京津冀农业灰水足迹中种植业灰水足迹占比相对较小，这反映了养殖业污染排放是构成水环境压力的主要来源。与此同时，种植业污染排放占比有增加趋势，以2012年为界（2012年国务院发布了《关于实行最严格水资源管理制度的意见》，我国在政策上不断加大水资源、水环境的管理。），2000―2011年平均占比15.20%，2012―2016年则增加为16.91%（表1）。此比例的增加是在种植业灰水足迹总量有所下降的背景下形成的。事实上，自2007年以来，由于种植业单位耕地面积氮肥（折纯）使用量的持续下降，由2007年的253.08 kg/hm2下降至2016年的222.16 kg/hm2，使得在耕地面积由6.95×106hm2增加到7.13×106hm2的情况下，氮肥（折纯）使用量仍有下降。因此，种植业污染排放占比增加的原因主要是养殖业氮排放量下降幅度更大。

2.1.2 农业灰水足迹的空间格局变化 由表1可知，2000―2011年，京津冀区域年均农业灰水足迹为2.24×1010m3，其中贡献较大的地区有石家庄市、邯郸市、唐山市、保定市和沧州市，其年均农业灰水足迹占比分别达到15.34%、10.75%、9.40%、9.21%和8.61%，合计为53.31%；2012―2016年京津冀区域年均农业灰水足迹有所下降，为1.95×1010m3，其贡献较大的前五位地区并无变化，合计占比为52.98%。

与2000―2011年相比，2012―2016年年均农业灰水足迹绝对量下降的地区有11个，而增加的仅有承德市和张家口市，此两市为重要的环京津生态屏障区和水源涵养区，故这一趋势需引起重视。另一方面，年均农业灰水足迹占比提高的地区有承德市、张家口市、唐山市、邯郸市、保定市、秦皇岛市和天津市，反映这些地区在京津冀区域农业面源污染的贡献度有所提高。

2000―2011年京津冀区域种植业灰水占比平均为15.2%，超过平均值的地区有7个，依次为保定市、邢台市、唐山市、天津市、邯郸市、石家庄市和沧州市；2012―2016年京津冀区域种植业灰水占比平均为16.9%，有所提高，其中超过平均值的地区有7个，依次为邢台市、保定市、沧州市、石家庄市、廊坊市、衡水市和天津市。这是农业生产结构调整和化肥施用强度调整的结果，有利于区域农业面源污染形势的改善。

2.2 农业灰水足迹强度的时空分布

2.2.1 农业灰水足迹强度的时序变化 农业灰水足迹强度反映单位耕地面积承载的灰水足迹大小，其值越大，说明该区域耕地承载的农业面源污染程度就越高。21世纪以来，在经历了小幅上扬之后，京津冀区域农业灰水足迹强度总体呈下降趋势（图2），由2004年 的3 744.71 m3/hm2下 降 至2016年 的2 652.79 m3/hm2，下降了29.16%。由此看来，京津冀区域农业面源污染程度有所下降，这主要得益于畜禽养殖业规模的缩减和种植业氮肥使用强度的降低。京津冀区域大牲畜存栏数持续减少，由2005年的8.39×106头下降至2016年的5.15×106头，下降了38.61%；羊存栏数则下降了20.97%；猪和活家禽存栏数则呈现波动式小幅下降趋势，2016年比2005年分别下降了11.29%和8.25%。种植业单位耕地面积氮肥折纯使用量则由2007年顶峰的253.08 kg/hm2下降到2016年的222.16 kg/hm2，下降幅度为12.22%。

表1 京津冀年均农业灰水足迹构成及占比Table 1 The composition and proportion of annual agricultural grey water footprint in Beijing-Tianjin-Hebei region

续表：

图2 京津冀2000―2016年农业灰水足迹强度Fig.2 The intensity of agricultural gray water footprint from 2000 to 2016 in Beijing-Tianjin-Hebei region

2.2.2 农业灰水足迹强度的空间格局变化 2000―2011年京津冀农业灰水足迹强度均值为3 187.30 m3/hm2，其中最高值为5 873.93 m3/hm2（石家庄市），最低值为1 474.65 m3/hm2（张家口市），按此极限值将强度区间划分为五等分，分别对应为农业面源污染程度的重度、中重度、中度、中轻度和轻度污染区。由图3可知，2000―2011年重度污染区为石家庄市，中重度污染区为北京市，中度污染区为邯郸市、廊坊市、唐山市、秦皇岛市和承德市，中轻度污染区为天津市、保定市、衡水市、沧州市和邢台市，轻度污染区为张家口市。

图3 京津冀农业灰水足迹强度空间格局Fig.3 The spatial-temporal pattern of intensity of agricultural gray water footprint in Beijing-Tianjin-Hebei region

2012―2016年京津冀农业灰水足迹强度均值为2 728.27 m3/hm2，较2000―2011年下降了14.40%，其中最高值为4 486.30 m3/hm2（石家庄市），最低值为1 480.83 m3/hm2（张家口市）。以前述划分标准为基准，2012―2016年无重度污染区，中重度污染区为石家庄市和北京市，中度污染区为邯郸市、唐山市、秦皇岛市和承德市，中轻度污染区为天津市、廊坊市和保定市，轻度污染区为邢台市、衡水市、沧州市和张家口市。与2000―2011年相比，石家庄市、廊坊市、邢台市、衡水市和沧州市的农业面源污染程度有明显下降。

2.3 农业灰水足迹效率的时空分布

2.3.1 农业灰水足迹效率的时序变化 农业灰水足迹效率反映区域农业生产的发达程度。如果将农业灰水看作要素投入，单位农业灰水足迹形成的增加值越高，即农业灰水足迹效率值越大，说明本地区农业生产越发达。按2000年不变价计算得京津冀历年农业灰水足迹效率（图4），总体来看，京津冀农业灰水足迹效率稳步提升，由2000年的6.56元/m3上升到2016年的10.27元/m3，提高了56.55%。这说明京津冀区域在农业生产效率提升的同时，其节水技术与化肥施用效率也在持续改进。从种植业与养殖业比较来看，一方面，种植业灰水足迹效率要远高于养殖业灰水足迹效率，2016年种植业灰水足迹效率为41.83元/m3，是养殖业的10倍；另一方面，种植业灰水足迹效率的提升速度也快于养殖业，2000―2016年种植业与养殖业灰水足迹效率年均增速分别为2.54%和1.79%。京津冀农业生产效率在稳步提升，发达程度持续改善，而养殖业在减小规模的同时，也在不断地提质增效。

图4 京津冀2000―2016年农业灰水足迹效率Fig.4 The efficiency of agricultural grey water footprint from 2000 to 2016 in Beijing-Tianjin-Hebei region

2.3.2 农业灰水足迹效率的空间格局变化 2000―2011年京津冀区域年均农业灰水足迹效率为6.76元/m3，其中唐山市为最高，达到10.18元/m3，承德市最低，为4.27元/m3。超过平均值的6市依次为唐山市、保定市、秦皇岛市、廊坊市、北京市和邢台市；另有7市低于平均值，分别是石家庄市、邯郸市、沧州市、天津市、衡水市、张家口市和承德市。

2012―2016年京津冀区域年均农业灰水足迹效率为11.01元/m3，其中唐山市最高，为15.43元/m3，北京市最低，为7.76元/m3。相较2000―2011年，京津冀农业灰水足迹效率增幅明显，增长率达62.87%，其中增幅最大的是承德市，达101.87%，最小者为北京市，为11.98%。超过平均值的地区则扩大为7个，其中新增沧州市和石家庄市，说明这两市农业经济在提质增效上发展快速，而北京市则跌落到平均值以下。

以年均农业灰水足迹效率最高值与最低值为限值，将效率区间划分为五等分，分别对应农业相对发达程度的最发达区、较发达区、一般发达区、欠发达区和不发达区。由图5可知，2000―2011年农业最发达区为唐山市和保定市，欠发达区为邯郸市、衡水市、沧州市、石家庄市和天津市；不发达区为张家口市和承德市。2012―2016年在各市农业生产发达程度普遍提高的情况下，相对发达地区增加为4个，分别为最发达区的唐山市以及较发达区的保定市、秦皇岛市和邢台市，而相对不发达地区数量则由7市下降为5市，分别为欠发达区的张家口市以及不发达区的承德市、北京市、天津市和衡水市。

图5 京津冀农业灰水足迹效率空间格局Fig.5 The spatial-temporal pattern of eきciency of agricultural gray water footprint in Beijing-Tianjin-Hebei region

3 讨论

运用水足迹理论与方法评价农业水资源承载力，在此基础上探讨农业生产结构调整，从而平衡农业生产与水资源供给之间的矛盾，是当前水资源管理研究中的重要方面。在此类研究中，对于农业灰水足迹的研究应给予足够的重视。

农业灰水足迹核算的准确性主要受两方面因素的影响，一方面是相关统计数据的可靠性，如污染物来源数据；另一方面是相关参数的设定，如最大容许浓度、淋溶率等。最大容许浓度的设定通常来自于地表水环境质量标准，标准要求越高，灰水量越大。现有文献设定依据并不统一，有依据EPA［19］，有依据我国地表水环境质量标准（GB3838—2002）Ⅰ类水体标准［20］，还有文献并未明确来源。本研究根据地表水环境质量标准（GB3838—2002）Ⅱ类水体标准设置，因为Ⅱ类水体通常为处于自然状态的优质水资源。淋溶率与区域、施肥强度、气象条件等相关，其值越高，灰水量越大，现有文献的设置有7%、10%、25%等，本研究参考多篇研究区域为华北地区的文献［19，23］，设置为25%。基于多种原因，不同研究人员在数据获取和参数选择上存在着一定的差异，从而在一定程度上制约了研究结果的可比性。

基于本文研究，京津冀区域农业灰水足迹主要来源于种植业化肥的施用与养殖业的畜禽粪便排泄。为此，有效降低农业灰水足迹的途径主要包括两方面，一是化肥施用上减量增效与畜禽粪便的循环利用，可通过技术手段与政策引导方式逐步实现；二是农业生产结构的调整，这包括种植业与养殖业结构调整以及两者内部结构的调整。种、养业结构调整方面，由于养殖业灰水足迹占农业灰水足迹比重超过80%，加之养殖业灰水足迹效率远低于种植业灰水足迹效率，以2012―2016年平均值计，两者分别为4.24元/m3和45.73元/m3，因此，京津冀区域应适当限制养殖业的发展。另一方面，种植业与养殖业内部结构的调整对于农业灰水足迹的减少也十分重要，而其调整的方向取决于京津冀区域内各地区的资源禀赋与农业生产的比较优势，对此方面的研究包括农业灰水足迹效率的分解与驱动因素研究、不同作物灰水足迹的差异性研究等，这些都是进一步研究的方向。同时，农业生产结构调整的实现又受到京津冀区域合作的影响，因此，加强京津冀生态合作治理的研究也应引起重视。

分区域角度看，北京市农业灰水足迹强度达到4 249.78 m3/hm2（2012―2016年平均值），为仅次于石家庄市的中重度农业污染区，而其农业灰水足迹效率为7.76元/m3（同上），为不发达区，特别是其养殖业更无优势可言。因此，作为经济发达的首都，应限制其农业的规模发展，在种植业上以发展精细化、高附加值的特色农业为主，为市民提供个性化农产品，同时，严格限制养殖业的发展。张家口和承德地处北京上风上水，是京津冀的生态涵养区和重要生态屏障，两地灰水足迹强度在京津冀地区处于中等偏下水平，同时，其农业灰水足迹效率也较低。近年来，通过不断的技术改造和种植业结构调整，其种植业灰水足迹效率提升明显，分别 由2000―2011年 的34.55、28.33元/m3提 升 到2012―2016年的78.80元/m3和72.72元/m3（均值）。但其畜禽养殖业灰水足迹效率仍十分低下，均低于区域平均值。为此，从生态涵养区定位出发，张承地区在种植业继续提质增效的同时，应加强养殖业的规模控制，充分发挥其生态优势，提高养殖业产品品质和美誉度，增加产品附加值，从而有效提高其灰水足迹效率。

4 结论

（1）京津冀农业灰水足迹强度总体呈下降趋势，这主要得益于畜禽养殖业规模的缩减和种植业氮肥使用强度的降低。而畜禽养殖业形成的灰水足迹占农业灰水足迹比重达80%以上，另一方面，种植业灰水足迹效率要远高于养殖业灰水足迹效率。因此，综合来看，缩减畜禽养殖业规模、提高其排泄物的循环利用程度应成为政策关注的重点。此外，要努力提高化肥利用效率、降低其使用量。

（2）京津冀农业灰水足迹效率稳步提升，这反映了农业提质增效的显著成果。长期以来，种植业灰水足迹效率是养殖业的10倍以上，且有扩大趋势。

（3）京津冀农业灰水足迹强度与效率的空间差异明显。北京市农业灰水足迹强度相对较高而效率较低，并无农业生产的比较优势。张家口市和承德市是重要的环京津生态屏障区和水源涵养区，2012―2016年两市年均农业灰水足迹占区域总灰水的比重较2000―2011年有所提高；其农业灰水足迹强度分别为轻度和中度污染区，农业灰水足迹效率分别为欠发达地区和相对不发达地区，效率均较低下。

（4）京津冀农业生产结构的调整应在京津冀生态合作治理框架下统筹协调，科学开展。因此，有必要在当前京津冀协同发展框架下构建完善的农业生态合作治理机制和制度体系，实现京津冀农业生产、水资源利用和水环境治理的最优化。