基于不同受纳水体的湖南省农业灰水足迹分析

王丹阳,李景保,叶亚亚,谭芬芳,2

(1.湖南师范大学资源与环境科学学院,湖南 长沙　410081; 2.长沙市环境科学研究所,湖南 长沙　410001)



基于不同受纳水体的湖南省农业灰水足迹分析

王丹阳1,李景保1,叶亚亚1,谭芬芳1,2

(1.湖南师范大学资源与环境科学学院,湖南 长沙410081; 2.长沙市环境科学研究所,湖南 长沙410001)

摘要：提出基于不同受纳水体的灰水足迹,引入水环境荷载指数,计算1985—2013年湖南省农业生产造成的灰水足迹,比较该省地表和地下水的污染状况。并使用IPAT模型,将灰水足迹与农业经济发展和技术进步结合分析,为湖南省的水环境保护和农业可持续发展决策提供参考。结果表明:近29年来湖南省农业生产造成的灰水足迹呈递增趋势,地表与地下水灰水足迹之比约为7∶3;地表水环境荷载指数较低,环境状况优于地下水,但两水体的环境状况都呈现恶化趋势;湖南省农业可持续发展经历了3个阶段,初期技术进步占据主导,中后期农业经济发展加速,而农业技术则在经过瓶颈阶段后重获发展。

关键词：灰水足迹;受纳水体;水环境荷载指数;农业生产;可持续发展;湖南省

灰水足迹最早由Hoekstra等[1]于2008年提出,是指为了达到一定的水质标准将污染物稀释至该标准允许的最大浓度时所消耗的淡水量。灰水足迹理论为定量评估水环境污染状况提供了新的方法,引起了广泛的重视。联合国环境规划署(UNEP)在其公共网站发布了全球5大洲的人均灰水足迹[2]; Mekonnen等[3]计算了肯尼亚纳瓦沙湖盆地鲜切花生产的灰水足迹;曾昭等[4]使用灰水足迹对北京市水资源进行了评价。目前国内外的研究主要集中在计算某一地区、产业或产品的灰水足迹并进而评价水污染状况,没有区分污染物的不同受纳水体,计算结果无法反映和比较不同水体的污染程度,也鲜见将灰水足迹与经济社会指标结合的分析[5-8]。因此,笔者提出基于不同受纳水体的灰水足迹,引入水环境荷载指数,计算1985—2013年湖南省农业生产对地表水和地下水造成的灰水足迹,比较两种水体的污染状况,并在IPAT模型下将灰水足迹与相关经济社会指标结合进行动态分析,探讨农业水污染的变化趋势及其与经济发展、技术进步的关系,以期为水环境保护和农业可持续发展决策提供参考。

1　计算方法与数据来源

1.1灰水足迹

1.1.1基本理论和计算

水体对污染物的稀释不具有排他性,已经稀释一种污染物的水体仍可继续稀释另一种污染物,灰水足迹由需要稀释水量最大的污染物解释:

(1)

某种污染物的灰水足迹由该污染物的排放量、在水中的初始浓度和允许浓度决定:

(2)

1.1.2基于不同受纳水体的灰水足迹

为了揭示和比较不同水体的污染状况,提出基于不同受纳水体的灰水足迹,为各类水体的灰水足迹之和:

(3)

某类水体的灰水足迹由排入该水体的需要稀释水量最大的污染物决定:

(4)

其中

(5)

且

(6)

此外,一些污染物由于受到大气、土壤和生物的吸附、滞留和转化,只以排放量的一定比例进入水体,产生灰水足迹,记这一比例为流失率,则式(6)变为

(7)

式中:μi为第i种污染物的流失率。

使用式(3)～(7)计算考虑了不同受纳水体后的灰水足迹,在计算过程中不仅能够描述某一污染物在江、河、湖、海、冰川、水库、池塘、地下水和大气水中的分布,还能够给出造成上述这些水体污染的污染物组合特征;而在计算结果上,则可以反映和比较不同水体环境受到污染的程度。

1.1.3水环境荷载指数

定义水环境荷载指数(Lwe)为污染物对某类水体造成的灰水足迹(W)与该类水体水量(Q)的比值:

(8)

水环境荷载指数反映水体受到污染的程度,取值范围为(0,+∞)。当这一指数大于1时,意味着对于某类水体来说,以现有的水量已无法将其中的污染物浓度稀释至环境标准以内。指数越大,水体受到污染就越严重。不同水体的污染状况可以通过水环境荷载指数进行比较。

1.2IPAT模型

IPAT模型是环境冲击(I)与人口(P)、富裕度(A)和技术(T)3个变量建立的等式[10]:

(9)

以总灰水足迹(G)表示环境冲击,以人均农业产值(GVF)表示富裕度,以单位农业产值消耗的灰水足迹表示技术水平,则有:

(10)

对式(10)变形,得到:

(11)

(12)

在该反比例函数中,k、x、y均在(0,+∞)区间内取值(图1),常数k越小,曲线越靠近坐标轴,表示人均环境压力越小,区域农业活动所处的可持续发展阶段越高。k值固定,即维持一定可持续发展状态下,y随x的增大而减小,表示随着富裕程度的提高,区域有能力增加科研投入,提高科技水平,降低单位农业产值的灰水足迹,减少环境代价。

图1　农业活动的可持续发展路径

1.3研究区域概况

湖南省位于我国中部,长江中游地区,属亚热带季风气候,四季分明,雨热同期,年降水量在1 200～1 700 mm之间,多年平均地表和地下水资源量分别为1 682亿m3和392亿m3,湘、资、沅、澧四水及汨罗河、新墙河分别从东、南、西三面汇入洞庭湖,并由城陵矶注入长江。全省面积约21.18万km2,2013年总人口7 147.28 万人,农村人口3 719.44万人,约占52.04%;实现地区生产总值2.45 万亿元,农业产值5 043.58亿元,较2012年分别增长10.10%和2.84%;施用化肥857.27万t,农药12.43万t,较2012年分别增长0.24%和1.07%。

1.4数据来源

化肥农药的施用和畜禽粪便是农业生产的主要污染源,考虑资料的可获得性,选取排放量较大的N、P、COD和石油类4类污染物纳入灰水足迹计算。农业生产造成的污染属于面源污染,没有固定的排污地点,污染物通过地表径流或地下渗漏,以一定流失率进入水体造成污染。参考相关研究[11-13],确定这4类污染物的流失率分别为18%、15%、22%和12%。此外,受到资料数据的限制,在下面计算中,水体只区分为地表水和地下水,地表水和地下水量以多年平均值计入。参考统计资料,将污染物的60.68%分解到地表水,39.32%分解到地下水[14]。

我国GB/T 14848—93《地下水质量标准》和GB 3838—2002《地表水环境质量标准》对Ⅲ类水定义为“以人体健康基准值为依据,主要适用于集中式生活饮用水水源”,并给出了该类水质下不同污染物的含量标准。本文基于此确定污染物在地表和地下水体中的环境浓度上限(Cmax)。灰水足迹的计算数据来自《湖南省统计年鉴》《湖南省环境状况公报》和《湖南省水资源公报》,人口和经济数据来自《湖南省统计年鉴》。

2　结果与分析

2.1灰水足迹变化趋势

1985—2013年间,湖南省农业灰水足迹从1 311亿m3增长到3 072 亿m3,年平均增长率3.09%(图2)。以2003年为界,1985—2003年的年平均增长率为3.23%;2004—2013年为2.83%,增速有所放缓。除1989—1990年、1992—1993年、1994—1996年和2000—2002年有4次幅度不超过5%的下降之外,其余年份均为递增趋势。

图2　1985—2013年湖南省农业灰水足迹变化趋势

1985—2013年间,湖南省农业生产对地表水造成的灰水足迹从840亿m3增长到2 248亿m3,年平均增长率3.58%,高于总灰水足迹的3.09%。地表农业灰水足迹的变化趋势可以分为两个阶段:1985—1996年为波动增长阶段,在这12年间,环比增长率最高达到14.27%,最低则为-2.85%,但总体保持了递增的态势;1997—2013年为稳定增长阶段,在此期间,地表农业灰水足迹保持了年平均2.48%的增速,低于整个研究时段平均值,并且没有出现负增长。

农业生产对地下水造成的灰水足迹在1985—2013年间从471 亿m3增长到824 亿m3,年平均增长率2.02%,低于总的农业灰水足迹增速。其变化趋势也可以分为两个阶段:1985—2003年波动增长,19年间的年均增长率2.16%;2004—2013年的10年间低速稳定增长,年均增长率1.22%。

从构成上看,在研究时段内,湖南省农业生产对地表水和地下水造成的灰水足迹比例稳定在7∶3左右。1985年这一比值最小,说明该年地下水灰水足迹对总的灰水足迹贡献最大;2013年这一比值最大,说明该年地下水灰水足迹对总的灰水足迹贡献最小。

2.2地表水和地下水环境荷载指数

1996年之前,地表水环境荷载指数处于波动上升阶段,年增长率在-3.99%到14.27%之间,1996年之后没有再发生负增长,保持年均2.64%的增速，稳定地从0.86上升至1.34(图3)。从数值上看,1985—2003年间,地表水环境荷载指数始终小于1,说明在这19年里,以湖南省地表水资源总量,能够将所有排放入地表水体的农业生产污染物稀释直至达到Ⅲ类水的水质标准;2004年后该指数突破1并不断增长,意味着自2004年起,以湖南省现有的地表水资源总量,稀释农业生产产生的污染物后,已无法保证全部地表水水质均处在Ⅲ类及Ⅲ类以上,并且水质还有恶化的趋势。

图3　1985—2013年地表水和地下水环境荷载指数变化趋势

地下水环境荷载指数在研究时段内从1985年的1.20上升至2013年的2.10,总体上保持了较为平稳的增势,但1989—2003年的波动性较为明显,这14年间的增长率最高达到14.92%,最低则为-6.81%,相差超过20%。地下水环境荷载指数在研究时段内始终大于1,表明稀释进入地下水的农业生产污染物所需的水量始终超过地下水的总水量,即在研究时段内,全部地下水水质均在Ⅲ类及Ⅲ类之上的情况没有发生。

对比两条曲线,地下水环境荷载指数始终高于地表水,这主要是因为地下水资源量有限,而地表水较丰富。分析地下水与地表水环境荷载指数之差可以发现,1985年差值最小为0.70,在这一年地下水环境状况最接近地表水;之后差值逐渐增大,至1994年达到拐点最大值1.03后出现缩小趋势,到2013年缩小为0.77。这一倒U型的变化轨迹表明地下水与地表水的水质差别经历了先扩大再缩小的过程,并且在这一过程中,地表水水质始终优于地下水。

2.3IPAT分析

以历年的人均农业产值和农业产值造成的灰水足迹为横纵坐标,将坐标点描绘在坐标系中(图4)。当纵坐标接近时,坐标点越接近纵轴,表示在同样的技术水平下,农业经济越发达;当横坐标接近时,坐标点越接近横轴,表示在同样农业经济水平下,技术水平越高。同时取k为研究时段内平均人均灰水足迹3 474 m3,代入式(12),做出函数曲线。

图4　1985—2013年湖南省农业活动IPAT分析

阶段区间人均农业产值农业产值造成的灰水足迹增长率/%年均增长率/%增长率/%年均增长率/%11985—1989年7.831.90-20.67-5.6221990—1998年49.865.19-20.71-2.8631999—2013年383.7410.08-67.89-7.79

根据点与曲线的位置关系，可以将整个研究时段分为3阶段(表1):1985—1989年为第一阶段,5年内人均农业产值从281元增加到303元,增加了7.83%,年均增长1.90%;农业产值造成的灰水足迹从10.45 m3/元降低到8.29 m3/元,降低了20.67%,年均降低5.62%。这一阶段农业经济的发展速度较慢,但农业技术取得了较大进步,表现为图4中对应点的下降趋势明显。1990—1998年为第二阶段,9年内人均农业产值从704元增加到1 055元,增加了49.86%,年均增长5.19%;农业产值造成的灰水足迹从4.20 m3/元降低到3.33 m3/元,降低了20.71%,年均降低2.86%。相比上一阶段,农业经济的发展速度加快,而技术进步速度有所放缓,对应图4中点较为密集。1999—2013年为第三阶段,15年内人均农业产值从1 839元增加到7 057元,增加了383.74%,年均增长10.08%;农业产值造成的灰水足迹从1.90 m3/元降低到0.61 m3/元,降低了67.89%,年均降低7.79%。这一阶段农业经济的发展速度快于农业技术,反映在图4中对应点的水平变化趋势显著。

3　结论与讨论

目前国际上计算灰水足迹的方法较多,自环境管理技术委员会制定ISO14046水足迹国际标准之后,学者又相继提出了基于生命周期、投入产出和效益分摊和污染稀释等的计算方法。由于计算简便、数据易得等优点,使用污染稀释方法计算灰水足迹得到了广泛运用。

同一污染物往往是由不同水体分别受纳和稀释的。以化工厂为例,建筑在河流附近的工厂产生的磷酸盐通常排入河流,而湖泊附近的工厂则多排入湖泊。这样,污染物同样是磷酸盐,却分别由河流和湖泊受纳,如果在计算灰水足迹时不加以区分,就可能会掩盖某一水体的实际污染状况。举例来说,已知GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中Ⅲ类水质对硫化物浓度的要求为不超过0.2 mg/L(20 t/亿m3),假若有10 t和30 t的硫化物分别进入水量均为1亿m3的河流水和湖泊水中,若不考虑受纳污染物的水体不同,要将这40 t硫化物稀释至20 t/亿m3,刚好需要2亿m3的水量,换句话说,以现有的河流湖泊水体水量之和,正好可以将这40 t硫化物稀释至达到Ⅲ类水质标准。而若考虑实际上硫化物被河流和湖泊分别稀释这一事实,则会发现,10 t硫化物进入1亿m3的河流,其浓度已然在Ⅲ类水质标准之内,而即使1亿m3的湖泊水全部用做稀释,排入湖泊的硫化物浓度也无法达到标准。因此,考虑污染物由不同受纳水体稀释的事实,提出基于不同受纳水体的灰水足迹,并引入水环境荷载指数。先以需要稀释水量最大的污染物计算某一水体的灰水足迹,再将各水体的灰水足迹加总,得到总灰水足迹,并比较不同水体的污染状况。

计算1985—2013年湖南省农业生产造成的灰水足迹,评价水环境污染状况。结果显示,湖南省农业生产造成的灰水足迹总体呈增长态势,地表水和地下水的灰水足迹比例维持在7∶3左右。研究时段内,地表水环境荷载指数始终小于地下水,两者的差值经历了先扩大再缩小的过程,说明地表水环境状况优于地下水,但近年来两者差距在不断缩小。需要注意的是,差距缩小的原因在于地表水水质的恶化速度快于地下水的,而并非地下水的环境质量在逐渐好转。

在IPAT模型下将农业生产灰水足迹与农业经济发展和技术进步结合分析，结果显示,湖南省农业可持续发展分为3个阶段,初期农业技术进步迅速但农业产值提高较慢,中期技术进步速度放缓而农业经济发展加速,后期农业技术在突破瓶颈后得到了新发展,但技术的提升不足以抵消农业活动强度的增大,人均灰水足迹超过研究时段内的平均值，并不断提高,这是由于农业经济的增速更快,技术的发展仍未达到相应经济条件下应有的水平。由于农业经济是一个半自然的再生产过程,生产周期长,受自然力约束大,技术进步比较困难,因此这一情况是合理的[15]。尽管湖南省农业活动的可持续发展状态总体乐观,仍然要注意合理控制农业生产强度,避免出现不可逆转的环境破坏。

使用灰水足迹评价水环境污染状况具有定量化、计算简便的优点,但也存在一定局限性。一些污染物的排放量数据难以获得,并且污染物的流失率受到地形、土壤和气候的影响,在较大空间尺度上具有差异性,使用同一比例系数计算会影响结果的准确性。在今后的研究中,基于灰水足迹,结合分布式水文模型，从水质水量相结合的角度评估水环境状况,是一个可行的探讨方向。

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DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.04.008

基金项目:国家自然科学基金(41571100);湖南省重点学科(地理学)建设项目

作者简介:王丹阳(1990—),男,硕士研究生,研究方向为水环境保护。E-mail:danyang144@163.com 通信作者：李景保，教授。E-mail:lijingbao1951@126.com

中图分类号：X502

文献标志码：A

文章编号：1004-6933(2016)04-0049-06

(收稿日期：2015-10-08编辑：徐娟)

Analysis of agricultural grey water footprint in Hunan Province based on different receiving water bodies

WANG Danyang1, LI Jingbao1, YE Yaya1, TAN Fenfang1,2

(1.College of Resources and Environmental Science, Hunan Normal University, Changsha 410081, China;2.ChangshaInstituteofEnvironmentalScience,Changsha410001,China)

Abstract：A concept of the grey water footprint based on different receiving water bodies is proposed, and the water environment load index is introduced. We calculated the grey water footprint caused by agricultural production in Hunan Province during the period from 1985 to 2013, and compared the statuses of surface water pollution and groundwater pollution in this province. Using the IPAT model, we analyzed the grey water footprint jointly with the agricultural economy and agricultural technology, providing references for water environment protection and agricultural sustainable development in Hunan Province. The results show the following: over the last 29 years, the grey water footprint caused by agricultural production in Hunan Province has shown an increasing trend; the ratio of the grey water footprint of surface water to the grey water footprint of groundwater has been about 7∶3; and the surface water environment load index has been lower than the groundwater environment load index, indicating that the environmental condition of surface water was better than that of groundwater, but both showed a deteriorating trend. The sustainable development of agriculture in Hunan Province has experienced three stages: in the first stage, agricultural technology developed faster than the agricultural economy; in the middle and later stages, the development of the agricultural economy accelerated; and in the last stage, agricultural technology resumed development after experiencing a bottleneck period.

Key words：grey water footprint; receiving water bodies; water environment load index; agricultural production; sustainable development; Hunan Province