2005-2014年河北省各市作物生长过程灰水足迹时空变化

何立新，练继建，王书吉

(1.天津大学建筑工程学院，天津 300072 ；2.河北工程大学水利水电学院，河北 邯郸 056021)

0 引 言

河北省是中国粮食主产区，但近些年，农民为保证高产在粮食生产过程中过量投入了N、P化肥以及农药等化学物质，这些化学物质流失到水体中，造成了严重的水环境污染。河北省的生态环境状况直接影响着北京、天津等的生态状况。目前，农业面源污染已成为河北省目前重要的环境污染源和粮食生产的制约因素。由于水资源供需矛盾突出以及对水资源的过量开采，使得河北省目前基本处于“有河皆干，有水皆污”的状况，并出现了地下水漏斗、地表和地下水污染等生态环境恶化问题[1]。严峻的现状急需对农业面源污染进行定量评价，并在评价结果基础上提出应对策略。

但现有的水资源与水质分析评价方法如：综合污染指数法、模糊数学方法、人工神经网络分析方法和热力学方法等无法得出水资源数量与质量之间的相互关系，而只是偏重于得出受污染水体的污染程度[2,3]，2002年荷兰水资源专家Hoekstra在虚拟水研究的基础上提出了水足迹(water footprints)的概念[4]，这使得对粮食生产中负面效应的量化成为可能。2008年，Hoekstra 和Chapagain第一次提出灰水足迹概念[4]，2010年[5]，灰水足迹计算方法得到统一：灰水足迹是与污染有关的指标，定义为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。

本文应用灰水足迹理论方法，借助《河北农村统计年鉴》[6]资料，从较长时间尺度和中等空间尺度估算分析了河北省2005～2014年各地级市的冬小麦、夏玉米、蔬菜、水果等生长过程灰水足迹的时空变异规律，以期对河北省农业面源污染治理提供资料支持和决策参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

河北省地处东经113°27′～119°50′，北纬36°05′～42°40′之间。多年平均(1956-2000年)降水量531.7 mm，降水量分布特点为东南多西北少。水资源总量204.69 亿m3，为全国水资源总量28 412 亿m3的0.72%。其中地表水资源量为120.17 亿m3，地下水资源量为122.57 亿m3，地表水与地下水的重复计算水量为38.05 亿m3。按河北省2010年统计公布的人口及耕地数量计算，全省人均水资源量为306.69 m3，为全国同期人均水资源量2 195 m3的13.97%，约占全国的1/7，平均水资源量为全国同期平均水资源量的14.68%，约占全国的1/7。

1.2 灰水足迹概念及计算方法

1.2.1 灰水足迹概念

2008年，荷兰水资源专家Hoekstra 和Chapagain第一次提出灰水足迹概念[4]，认为灰水足迹是稀释污染物需要的水量，量化为将污染物稀释到一定的程度使周围水体环境质量保持在约定标准之上需要的水的体积。2010年[7]，灰水足迹计算方法得到统一：灰水足迹是与污染有关的指标，定义为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。灰水研究在国外发展迅速，但多以空间大尺度研究为主，中小尺度的研究较少[8-10]。中国灰水足迹的研究尚处于起步阶段，目前的局限性主要体现在：偏重于大尺度空间灰水足迹计算较多，中小空间尺度及较长时间尺度计算较少[11-16]；偏重于小麦、玉米等粮食作物开展灰水足迹研究多，针对蔬菜、水果等灰水足迹开展研究少[13-21]；国内针对蔬菜、水果开展的灰水足迹研究，由于资料缺乏，计算思路普遍是按照种植比例[16]将蔬菜、水果等面积折算成粮食面积，由于蔬菜与粮食产量不同，折算后最终计算所得蔬菜和水果灰水足迹计算结果和实际值偏差较大。

灰水足迹认为同一水体可以稀释不同污染物，不同污染物所需的稀释水量不具有叠加性，在计算中将灰水足迹确定为由需要最大稀释水量的污染物决定。河北省主要施用氮、磷、钾3种肥料，其中氮肥比例最大，氮很容易污染地下水和地表水，并且会形成对人体极其不利的亚硝酸根离子；磷在土壤中能和其他矿物质反应生成不容易溶解的化合物，不容易流动，造成水污染较少；钾在土壤中的流动性介于磷和氮之间，但是由于钾离子能被土壤胶体离子吸引而不容易被过滤。几乎所有农药的使用都会引起地下水或地表水的污染，但河北省农药施用种类繁多，施用量统计数据难以获取，且稀释氮污染的水体和稀释农药污染的水体会有重叠部分。考虑以上因素，在灰水足迹的计算当中采用氮污染水体的浓度。稀释每吨氮所需要的水可通过过滤氮和可自由排放的地表水中含氮的最高限度来计算(一般采用EPA的标准，即每升饮用水中不能超过10 mg的氮)[22]，假设自然水体当中氮的浓度为0。

1.2.2 灰水足迹计算方法与参数选取

此处采用《水足迹评价手册》[23]中的计算方法，作物或树木生长过程中的灰水足迹计算公式为：

(1)

式中：AR为每公顷土地的化肥施用量，kg/hm2，即施氮率；α为淋失率(即进入水体的污染量占总化学物质施用量的比例)；cmax为最大容许浓度，kg/m3；cnat为污染物的自然本底浓度，kg/m3；Y为作物产量，t/hm2。氮肥淋失率α计算，此处参考赵荣芳、张宇[24,25]等研究成果，淋失率α取25%；cmax采用EPA的标准，每升饮用水中不能超过10 mg的氮，即cmax为0.01 kg/m3；假设自然水体中氮的浓度为0，即cnat为0 kg/m3。

AR确定方法：通过《河北农村统计年鉴》(2005-2014)得到河北省各地级市的施氮肥总数据。根据年鉴中的分类，将施肥农作物分为：冬小麦、夏玉米、水果、蔬菜、其他作物5类。采用“施肥比例分配”的方法确定各作物施氮率：参考王兴仁、张福锁、张卫峰等人编著的《中国农化服务肥料与施肥手册》[26]，通过施肥比例分配的方法将相应地级市施用的总氮肥按作物种类分开，具体分配方法见下式：

(3)

式中：SNi为河北省地级市各作物氮肥施用量；SN总为地级市所有作物施肥量之和；mi为各作物种植面积占总面积比例；si为各作物施肥率之间比值，(i=1，2，3，4，5；1代表夏玉米，2代表冬小麦，3代表水果，4代表蔬菜，5代表其他)；AR为氮肥施肥率；Mi为各作物种植面积。

1.3 数据来源

河北省各地级市氮肥总施用量，冬小麦、夏玉米、蔬菜、水果、其他作物等各自种植面积及农作物总种植面积，参见《河北农村统计年鉴》(2005-2014)。

2 结果与分析

2.1 2005-2014年河北省各地级市冬小麦生长过程灰水足迹多年变化

根据《河北农村统计年鉴》(2005-2014)相关资料并应用公式(1)，计算了2005-2014年河北省各地级市冬小麦生长过程灰水足迹及多年变化情况，见图1(冬小麦资料共9个市，不包括张家口、承德)。

图1 2005-2014年河北省各地级市冬小麦生长过程灰水足迹变化Fig.1 Changes of growing process grey water footprint of winter wheat in cities’ of Hebei Province during 2005-2014

从图1可以看出，10年期间，冬小麦生长过程灰水足迹最大的是唐山(2005年)，灰水足迹为1.076 m3/kg，最小的是衡水(2014年)，灰水足迹为0.526 m3/kg ，均高于全球的平均值0.208 m3/kg，高于美国的0.23 m3/kg、德国的0.185 m3/kg。

各地级市冬小麦灰水足迹从2005-2014年，均呈下降趋势，下降最多的是邯郸市，从0.992 m3/kg下降到了0.698 m3/kg，下降29.6%；下降最少的是石家庄市，从0.884 m3/kg下降到了0.841 m3/kg，下降了4.9%。从年鉴资料可知[6]，在此10年期间，各地级市冬小麦产量均呈上升趋势，冬小麦每公顷施氮量呈波动变化，由式(1)可知，产量增加是导致河北省各地级市冬小麦灰水足迹下降的主要原因。

2.2 2005-2014年河北省各地级市夏玉米生长过程灰水足迹多年变化

根据《河北农村统计年鉴》(2005～2014)相关资料并应用公式(1)，计算了2005-2014年河北省各地级市夏玉米生长过程灰水足迹多年变化情况，见图2。

从图2可以看出，10年期间，夏玉米生长过程灰水足迹最大的是唐山(2005年)，灰水足迹为0.727 m3/kg，最小的是张家口(2012年)，灰水足迹为0.251 m3/kg ，均高于全球的夏玉米生长过程灰水足迹平均值0.194 m3/kg。

在2005-2014年10年期间，秦皇岛、沧州、廊坊、衡水4地级市夏玉米灰水足迹变化不明显，其余7地级市夏玉米灰水足迹呈下降趋势。从年鉴资料可知[6]，10年期间，各地级市夏玉米产量呈波动变化，各地级市夏玉米每公顷施氮量也呈波动变化，由式(1)可知，导致灰水足迹下降的原因是施氮量与产量变化共同影响的结果。

图2 2005-2014年河北省各地级市夏玉米生长过程灰水足迹变化Fig.2 Changes of growing process grey water footprint of summer corn in cities’ of Hebei Province during 2005-2014

2.3 2005-2014年河北省各地级市蔬菜生长过程灰水足迹多年变化

根据《河北农村统计年鉴》(2005-2014)相关资料并应用公式(1)，计算了2005-2014年河北省各地级市蔬菜生长过程灰水足迹多年变化情况，见图3。

从图3可以看出，10年期间，各地级市蔬菜生长过程灰水足迹最大的是邯郸(2005年)，为0.125 m3/kg，最小的是张家口(2012年)，为0.029 m3/kg。

从2005-2014年，各地级市蔬菜生长过程灰水足迹除衡水市上升1.02%外，其他地级市都呈下降趋势，下降幅度最大的是承德市，从0.116 m3/kg下降到了0.052 m3/kg，下降55.1%；下降最少的是廊坊市，从0.082 m3/kg下降到了0.081 m3/kg，下降了1.5%。从年鉴资料可知[6]，10年期间，各地级市蔬菜产量均呈上升变化趋势，而各地级市每公顷施氮量均呈波动变化，由式(1)可知，产量上升是导致蔬菜灰水足迹下降的主要原因。

图3 2005-2014年河北省各地级市蔬菜生长过程灰水足迹变化Fig.3 Changes of growing process grey water footprint of vegetables in cities’ of Hebei Province during 2005-2014

2.4 2005-2014年河北省各地级市水果生长过程灰水足迹多年变化

根据《河北农村统计年鉴》(2005-2014)相关资料并应用公式(1)，计算了2005-2014年河北省各市水果生长过程灰水足迹多年变化情况，见图4。

图4 2005-2014年河北省各地级市水果生长过程灰水足迹变化Fig.4 Changes of growing process grey water footprint of fruits in cities’ of Hebei Province during 2005-2014

从图4可以看出，10年期间，各地级市水果生长过程灰水足迹最大的是张家口(2005年)，为1.24 m3/kg，最小的是衡水(2014年)，为0.298 m3/kg。

各地级市水果生长过程灰水足迹从2005-2014年均呈下降趋势，下降幅度最大的是张家口市，从1.24 m3/kg下降到了0.524 m3/kg，下降57.9%；下降最少的是廊坊市，从0.957 m3/kg下降到了0.736 m3/kg，下降了23.1%。从年鉴资料可知[6]，10年期间，各地级市每公顷施氮量呈波动变化，而各地级市水果产量呈上升趋势；由式(1)可知，产量上升是导致灰水足迹下降的主要原因。

3 讨 论

从灰水足迹概念及计算公式可以看出，减少灰水足迹的主要途径是采取切实措施减少施氮量及控制氮肥进入水体。具体思路建议从两方面着手，一是从技术措施着手，加强科学施肥技术指导；二是需要国家出台相关政策措施控制并降低氮肥施用量。

技术措施主要包括：①采取平衡施肥、测土配方施肥、专用配方施肥和施用缓释肥等技术，减少化肥施用量，将肥料用量调整到合理水平；②将作物生育期一次施肥改为分次施肥，确保肥量用在关键时间，提高利用率，降低损失；③改变手工撒施为机械深施，以降低氨挥发损失；④施用硝化抑制剂：减少硝化过程N2O的逸出；⑤施用脲酶抑制剂，减少氨挥发量；⑥改大水冲施为滴灌施肥，促进以“滴灌施肥”为核心的水肥一体化发展。

政策措施包括：采取政策措施减弱农户施肥意向，出台措施加强动物粪便中有机氮肥的循环利用，

4 结 论

本研究定量分析了河北省各市2005-2014年主要农作物生产过程灰水足迹时空变化情况，研究结果表明：

(1)10年期间，冬小麦生长过程灰水足迹最大的是唐山(2005年)，为1.076 m3/kg，最小的是衡水(2014年)，为0.526 m3/kg。各地级市冬小麦灰水足迹从2005-2014年，均呈下降趋势，下降最多的是邯郸市，从0.992 m3/kg下降到了0.698 m3/kg，下降29.6%；下降最少的是石家庄市，从0.884 m3/kg下降到了0.841 m3/kg，下降4.9%；产量呈增加趋势变化是导致河北省各地级市冬小麦灰水足迹下降的主要原因。10年期间，夏玉米生长过程灰水足迹最大的是唐山(2005年)，为0.727 m3/kg，最小的是张家口(2012年)，为0.251 m3/kg。秦皇岛、沧州、廊坊、衡水4地级市在10年期间夏玉米灰水足迹变化不明显，其余7地级市夏玉米灰水足迹呈下降趋势，导致玉米灰水足迹下降的原因是施肥量与产量变化共同影响的结果。

(2)河北省各地级市蔬菜生长过程灰水足迹最大的是邯郸(2005年)，为0.125 m3/kg，最小的是张家口(2012年)，为0.029 m3/kg。各地级市蔬菜生长过程灰水足迹在2005-2014年期间，除衡水市上升1.02%外，其他地级市都呈下降趋势，下降幅度最大的是承德市，下降幅度最小的是廊坊市，产量上升是导致灰水足迹下降的主要原因。各地级市水果生长过程灰水足迹最大的是张家口(2005年)，为1.24 m3/kg，最小的是衡水(2014年)，为0.298 m3/kg。各地级市水果生长过程灰水足迹在2005-2014年期间均呈下降趋势，下降幅度最大的是张家口市，下降幅度最小的是廊坊市，各地级市水果产量上升是导致水果生长过程灰水足迹下降的主要原因。

(3)应从技术和政策两方面采取切实有效的措施，降低河北省氮肥施用量和灰水足迹，降低农业生产带来的负面效应。

[1] 张兆吉，费宇红，郭 春，等.华北平原区域地下水污染评价[J].吉林大学学报:地球科学版，2012,42(5):1 457-1 461.

[2] 王冬生，李世华，周杏鹏.基于PSO-RBF神经网络模型的原水水质评价方法及应用[J].东南大学学报:自然科学版，2011,41(5):1 020-1 023.

[3] 张永波，时 红，王玉和.地下水环境保护与污染控制[M].北京:中国环境科学出版社，2003.

[4] Hoekstra A Y, Chapagain A K. Globalization of water: Sharing the planet's freshwater resources[M]. Oxford, UK: Blackwell Publishing, 2008.

[5] Hoekstra A Y，Chapagain A K，Aldaya M M，et al. The water footprint assessment manual: setting the global standard[M]. London，UK:Earthscan，2011.

[6] 河北省人民政府办公厅，河北省统计局. 河北农村统计年鉴(2005-2014年)[Z].石家庄：河北省人民政府办公厅，河北省统计局，2005-2014年.

[7] Vanham D. An assessment of the virtual water balance for agricultural products in EU river basins[J]. Water Resources and Industry，2013，1-2:49-59.

[8] Cheng Liua, Carolien Kroeze, Hoekstra A Y, et al. Past and future trends in grey water footprints of anthropogenic nitrogen and phosphorus inputs to major world rivers[J]. Ecological Indicators, 2012,(18):42-49.

[9] Mekonnen M M, Hoekstra A Y. Hoekstra. The green,blue and grey water footprint of crops and derived crop products[J]. Hydrol. Earth Syst. Sci., 2011,(15):1 577-1 600.

[10] Bulsink F，Hoekstra A Y，Booij M J. The water footprint of Indonesian provinces related to the consumption of crop products[J]. Hydrology and Earth System Sciences，2010，14(1):119-128.

[11] 孙才志，韩 琴，郑德凤.中国省际灰水足迹测度及荷载系数的空间关联分析[J].生态学报，2016，36(1): 86-97．

[12] 孙才志，张 蕾.中国农产品虚拟水一耕地资源区域时空差异演变[J].资源科学，2009，31(1)：84-93.

[13] 盖力强，谢高地，李士美.华北平原小麦、玉米作物生产水足迹的研究[J].资源科学，2010，32(11)：2 066-2 071.

[14] 付永虎，刘黎明，袁承程.农业土地利用系统氮足迹与灰水足迹综合评价[J].农业工程学报，2016,32(1):312-319.

[15] 张 郁，张 峥，苏明涛.基于化肥污染的黑龙江垦区粮食生产灰水足迹研究[J].干旱区资源与环境，2013,27(7)：28-32.

[16] 曹连海，吴普特，赵西宁，等.内蒙古河套灌区粮食生产灰水足迹评价[J].农业工程学报，2014，30(1)：63-72.

[17] 李啸虎，杨德刚，夏富强.干旱区城郊种植业水足迹分析与适宜耕地规模测算—以乌鲁木齐市为例[J].生态学报，2015，35(9)：2 860-2 869.

[18] 曾 昭，刘俊国.北京市灰水足迹评价[J].自然资源学报，2013，28(7)：1 169-1 178.

[19] 王 旭，高 翔，曹 蕾，等.水足迹视角下的宁夏中卫市农业水资源利用评价[J].兰州大学学报(自然科学版)，2015，51(5)：619-624.

[20] 付永虎，刘黎明，起晓星，等.基于灰水足迹的洞庭湖区粮食生产环境效应评价[J].农业工程学报，2015,31(10)：152-160.

[21] 刘 静，吴普特，王玉宝.基于数据包络分析的河套灌区农业生产效率评价[J].农业工程学报，2014，30(9)：110-118.

[22] EPA. List of Drinking Water Contaminants:Ground Water and Drinking Water[M]. Washington，DC:US Environmental Protection Agency，2005.

[23] Hoekstra A Y, Chapagain A K, Aldaya M M, 等著. 水足迹评价手册[M].刘俊国，曾 昭，韩乾斌，等译. 北京:科学出版社，2012.

[24] 赵荣芳，陈新平，张福锁.华北地区冬小麦一夏玉米轮作体系的氮素循环与平衡[J].土壤学报，2009,46(4):685-697.

[25] 张 宇，李云开，欧阳志云，等.华北平原冬小麦一夏玉米生产灰水足迹及其县域尺度变化特征[J].生态学报，2015，35(20)：6 647-6 654.

[26] 王兴仁，张福锁，张卫峰，等.中国农化服务:肥料与施肥手册[M].北京：中国农业出版社，2013.