陕西省主要作物灰水足迹时空变化特征研究

姜旭海，韩 玲，李 帆

(长安大学土地工程学院，陕西 西安 710064)

化肥作为重要的农业生产要素，在促进农业生产方面起着至关重要的作用。随着人口的迅速增长，我国农业化肥施用量也由2000年的4.15×1010kg增长为2018年的5.65×1010kg。陕西省作为我国农业大省之一，对化肥的施用量也相对较大，约占全国化肥施用量的4%(2018年)，化肥施用量大但利用效率却较低，仅为33%[1]，化肥的过量施用是造成地下水“三氮”污染的主要原因[2]。全省地处西北地区，气候干燥，降水量少，水资源量仅占全国的8%[3]。农业用水的短缺已成为制约农业可持续发展面临的最大挑战[4]，而农业生产过程又涉及复杂的面源污染源的迁移过程[5]，因此客观分析农业生产对水资源的影响，制定面源污染的防治措施，减少农业污染是非常有必要的。现有评价水污染的方法：水污染指数法[6]、模糊综合评判法[7]、集对分析理论法[8]、单因子污染指数法[9]等只是将水体的污染程度进行等级划分，无法得出污染水体的准确质量。

灰水足迹理论的出现为污染水体质量的确定提供了新的思路。Hoekstra和Chapagain[10]于2008年首次提出灰水足迹的概念，随后经过不断完善和修改，定义为吸收一定的污染物所需的淡水水量，通常情况下等于将受污染的水体稀释至符合规定的水质所需要的淡水体积[11]。至此国内外灰水足迹发展迅速，Mekonnen 等[12]研究了10 a内世界主要农作物灰水足迹；Hapagain 等[13]对全球水稻的灰水足迹进行了评估；Aldaya Maite 等[14]采用灰水足迹评估了西班牙的扩散氮污染状况。班荣舶等[15]核算了重庆市种植业的灰水足迹，将灰水足迹与农业面源污染联系起来；张楠等[16]采用灰水足迹的方法对河北省水资源进行水质-水量评价；曹连海等[17]研究了内蒙古河套灌区粮食生产的灰水足迹，得出面源污染中氮肥贡献率最高的结论。Fan等[18]利用灰水足迹理论调查了青海省近18 a的水污染状况。

目前国内对陕西省的灰水足迹研究尚显不足[19]，对主要粮食作物的生产灰水足迹研究较多，对蔬菜、水果等生产灰水足迹的研究较少[20]，同时以往的计算思路是将蔬菜水果的面积直接折合为粮食面积，由于蔬菜、水果的产量不同，使得计算作物生产的灰水足迹结果往往偏大[21]。

本研究基于《陕西省统计年鉴(2001—2019)》[22]数据，以陕西省各地级市及杨凌示范区为研究对象，评价其近19 a主要作物生产灰水足迹的时空变化趋势和分布状况，以期摸清陕西省农业面源污染状况，为面源污染治理提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域概述

陕西省位于我国西北内陆腹地，横跨黄河中游，地理位置介于105°29′～111°15′ E，31°42′～39°35′ N之间，是连接我国东、西部和西北、西南的重要交通枢纽，其总面积约20.56万km2。境内由高原、山地、平原和盆地等多种地貌构成，地势呈南北高、中间低，形成关中(西安、宝鸡、咸阳、渭南、铜川、杨凌)、陕北(延安、榆林)、陕南(汉中、安康、商洛)三大地区。陕北北部长城沿线属中温带气候，关中及陕北大部属暖温带气候，陕南属北亚热带气候。省内种植作物主要包括：小麦、玉米、油料(油菜籽、花生)、大豆、蔬菜、水果等。根据《陕西省统计年鉴(2001-2019)》[22]制作出陕西省主要农作物近19 a产量变化图，如图1所示。

陕西省农业生产主要施用氮、磷、钾、复合肥4种化肥，根据《陕西省统计年鉴(2001-2019)》[22]，农业化肥施用折纯量由2000年的130.9×107kg增长为2018年的229.6×107kg，增长速率约为5.2×107kg·a-1。近5年内陕西省农用化肥施用量年变化趋于稳定，如图2所示。

1.2 作物生产灰水足迹计算方法

目前对灰水足迹的计算和评价主要以水足迹评价手册为参考，作物灰水足迹的计算公式如下:

(1)

式中,Wgrey为灰水足迹(m3·kg-1);α为淋溶率,即进入水体的污染量占总化学物质施用量的比例;A为化肥的施用量(kg·hm-2);Cmax为现有环境水质标准下污染物的最大容许排放浓度[23](kg·m-3);Cnat为自然水体中污染物初始质量浓度(kg·m-3);Ya为作物产量(kg·hm-2)。

由于同一水体可以同时稀释多种污染物，因此在计算稀释污染物需水量时只需考虑施用量最多的污染物即可[24]。陕西省主要施用氮、磷、钾、复合肥4种化肥，其中氮肥施用量比例最高且很容易污染地下水和地表水，对水污染贡献最大。因此，在灰水足迹的计算中只需考虑稀释淋失氮的需水量，淋溶率α取值为10%[20，25]，Cmax参考《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)，Ⅲ类水标准取值0.01 kg·m-3，假设自然水体中氮污染物的初始质量浓度为0，即Cnat取值为0 kg·m-3。

A的取值，由于采集到的施肥量是统计期间地级市所有作物的总施肥量，缺少各个作物单个施肥量数据，依据《中国农化服务肥料与施肥手册》[26]，采用施肥比例分配的方法确定各作物施氮率[21,27]，通过施肥比例分配的方法将相应地级市施用的总氮肥量按陕西省作物种类分开，具体分配方法见下式:

(2)

(3)

式中,Ni为各作物的氮肥施用量；N总为地级市所有作物的氮肥施用量总和；ni为各作物施氮肥比值(i=1,2,3,4,5,6,7;分别代表小麦、玉米、油料作物、大豆、蔬菜、水果和其他作物)；si为各作物播种面积的比值；Si为各作物的播种面积。

1.3 数据来源

本次研究计算陕西省主要农作物近19 a的灰水足迹含量，其中主要作物的播种面积、单位面积产量、化肥折纯量以及作物播种总面积均来自于《陕西省统计年鉴》(2001-2019)[22]。

2 研究结果

2.1 主要作物生产灰水足迹年际变化

如图3所示，研究期间小麦生产的灰水足迹平均值为0.472 m3·kg-1，于2007年出现峰值，为0.670 m3·kg-1，最低值出现在2017年，为0.377 m3·kg-1，2018年小麦生产灰水足迹小于2000年，小麦生产灰水足迹波动较大，整体上呈现波动下降，下降幅度约为0.007 m3·kg-1·a-1；玉米生产灰水足迹平均值为0.231 m3·kg-1，2011年出现明显波动，为0.251 m3·kg-1，其中最高值出现在2001年，为0.255 m3·kg-1，最低值出现在2010年，为0.190 m3·kg-1，2018年玉米生产灰水足迹大于2000年，玉米生产灰水足迹在整体上变化不明显；油料作物生产灰水足迹平均值为0.639 m3·kg-1，油料作物生产灰水足迹变化波动明显，于2007年出现峰值，为0.838 m3·kg-1；最低值出现在2017年，为0.476 m3·kg-1，2018年油料作物生产灰水足迹小于2000年，油料生产灰水足迹波动较大，整体上呈现波动下降，下降幅度约为0.015 m3·kg-1·a-1；大豆生产灰水足迹平均值为0.532 m3·kg-1，最高值出现在2001年，为0.641 kg·m-3，最低值出现在2017年，为0.404 m3·kg-1，2018年大豆生产灰水足迹小于2000年，大豆生产灰水足迹近9 a内波动幅度较大，整体上呈现波动下降，下降幅度约为0.009 m3·kg-1·a-1；蔬菜生产灰水足迹平均值为0.081 m3·kg-1，于2006年出现峰值，为0.188 m3·kg-1；最低值出现在2017年，为0.060 m3·kg-1，2018年蔬菜生产灰水足迹小于2000年，蔬菜生产灰水足迹在研究期间变化不明显；水果生产灰水足迹平均值为0.199 m3·kg-1，最高值出现在2001年，为0.360 m3·kg-1，最低值出现在2017年，为0.128 m3·kg-1，2018年水果生产灰水足迹大于2000年，2000—2004年水果生产灰水足迹波动变化较为明显，2005—2018年水果生产灰水足迹变化不明显，整体呈下降幅度约为0.012 m3·kg-1·a-1。作物生产灰水足迹的短暂上涨原因是该年化肥施用量增加而作物产量却下降，研究期间产量的上升是导致陕西省主要作物生产灰水足迹下降的主要原因。

2.2 主要作物生产灰水足迹空间分布

如图4所示，研究期间小麦生产的灰水足迹主要分布在关中地区和陕北的榆林，各地多年均值的最高值在渭南，为0.693 m3·kg-1，最低值在安康，为0.309 m3·kg-1；玉米生产灰水足迹主要分布在关中地区和陕南的汉中，各地多年均值的最高值在渭南，为0.379 m3·kg-1，最低值在榆林，为0.088 m3·kg-1；油料作物生产灰水足迹主要分布在关中地区，并具有明显的空间聚集分布特征，各地多年均值的最高值在咸阳，为0.943 m3·kg-1，最低值在安康，为0.335 m3·kg-1；大豆生产灰水足迹主要分布在关中地区的渭南和宝鸡，各地多年均值的最高值在渭南，为0.847 m3·kg-1，最低值在延安，为0.243 m3·kg-1；蔬菜生产灰水足迹主要分布在关中地区的铜川和渭南，各地多年均值的最高值在铜川，为0.180 m3·kg-1，最低值在延安，为0.034 m3·kg-1；水果生产灰水足迹主要分布在陕北地区的榆林，各地多年均值的最高值在榆林，为0.500 m3·kg-1，最低值在商洛，为0.088 m3·kg-1。总体来看，陕西省作物生产灰水足迹主要集中在关中平原地区，这与陕西境内作物播种分布情况和地区氮肥施用量情况密切相关。

2.3 主要作物灰水足迹状况和时间变化

陕西省各作物灰水足迹时间变化如图5所示，研究期间作物的灰水足迹受种植面积的间接影响，小麦种植面积下降、产量下降，导致其灰水足迹呈现下降趋势，多年均值为18.6×108m3·kg-1；玉米、蔬菜、水果种植面积扩增、产量增加，导致其灰水足迹呈现上升趋势，多年均值分别为11.8×108、9.7×108、19.2×108m3·kg-1；而大豆、油料作物的种植面积呈现轻微变化，其灰水足迹变化不明显，多年均值为1.6×108、3.1×108m3·kg-1。

3 讨 论

研究计算了陕西省各地级市及杨凌示范区近19 a来主要作物生产的灰水足迹数值，得出了主要农作物的时空变化趋势和分布状况。参数选取的精度决定了灰水足迹结果的准确性[28]，以往的研究由于资料缺乏，国内对蔬菜、水果的灰水足迹计算普遍将其种植面积折合成粮食面积，偏差较大，本次研究参考张宇[27]、何立新[21]等的研究，合理处理蔬菜和水果生产灰水足迹数值的计算。化肥和农药的施用都会对水体产生污染，主要取决于化肥的使用率和作物的吸收率[24]。在对污染源的选择中考虑到氮肥施用量最大且土壤中的氮很容易污染地下水和地表水，并且形成的亚硝酸根离子对人体有害；磷可以与其他物质反应生成难溶解的化合物；钾可以被土壤胶体吸附；同时由于研究期间作物农药施用种类较多，且施用量难以统计、分类，因此本次计算没有考虑磷肥、钾肥、农药的影响，直接选择氮作为面源污染物。基于此，本次研究仅作为理论数据的结果，与陕西省作物生产灰水足迹的真实值之间可能存在一定误差。如果进一步提升计算精度，可以对陕西省内各地级市施用农药进行监测统计，使作物生产的灰水足迹计算更加客观、全面。

从灰水足迹的概念和计算公式可知，减少作物灰水足迹的主要途径有两个：一是减少单位面积施肥量，二是增加作物单位面积产量。有研究表明我国主要作物的化肥利用率远低于发达国家，因此提高作物化肥的利用率、降低其损失率也是降低灰水足迹的重要方法。对此可以从以下几方面入手来降低作物灰水足迹：

(1)科学施肥，提高利用率。化肥的过量施用不仅会使作物灰水足迹增高、对水体造成污染，还会影响作物的品质。科学施肥首先要做到合理施肥，即在充分满足作物对各养分的需求时不再施加化肥。施肥量的适量减少对作物产量没有十分显著的影响[29]，推广科学施加化肥，实现化肥精准施加，实现化肥的减量增效。

(2)施用有机肥。有机肥的施用可以替代化肥获得更高的产量[30]。有机肥的应用和推广不仅有利于改善土壤结构和性质，可以提高作物的产量，还可以有效降低化肥对水体的污染。有机肥与化肥的配合施用可以有效提升土壤肥力水平。另外，从发展的角度来讲，有机肥是一种生态、环保、可持续发展的肥料品种，在未来肥料施用的选择中，有机肥应扮演更重要的角色。

(3)发展现代化农业，实现机械施肥。采用机械施肥可以显著提高肥料利用率，减少肥料损失[31]。同时也增加农业机械投入来促进化肥减量化[32]，依靠高层次机械耕作技术，改良土壤性质，提高化肥利用率，降低作物对化肥施用需求量。

4 结 论

研究分析了陕西省各地级市及杨凌示范区2000—2018年主要作物生产的灰水足迹和灰水足迹时空变化和分布状况，研究结果表明：

(1)研究期间，陕西省内主要作物生产灰水足迹整体上呈现下降趋势，其中油料作物和水果生产灰水足迹下降趋势最大，分别为0.015 m3·kg-1·a-1和0.012 m3·kg-1·a-1；小麦和大豆生产灰水足迹下降趋势相似，为0.007 m3·kg-1·a-1和0.009 m3·kg-1·a-1；玉米和蔬菜生产灰水足迹年际变化不明显。受陕西境内作物播种分布和地区氮肥施用量影响，省内作物生产灰水足迹主要集中在关中平原地区。

(2)研究期间陕西省内主要作物多年灰水足迹均值为64.0×108m3·kg-1，其中水果、小麦对总灰水足迹值贡献较高，分别为19.2×108m3·kg-1和18.6×108m3·kg-1。

(3)可以从施肥种类选取、施肥方式和作物种植模式等方面入手降低灰水足迹，以此来减少农业面源污染。