近十年邯郸市冬小麦生产氮足迹时空变化特征分析

张海霞，武晓琪，蔡昂祖，乔彦军，魏 哲

(1.河北工程大学能源与环境工程学院，河北邯郸 056038；2.河北省大气污染成因与影响重点实验室，河北邯郸 056038；3.中勘冶金勘察设计研究院有限责任公司，河北保定 071051)

氮足迹用于定量评价人类生产、生活方式对活性氮排放的影响，定义为某种产品或者服务在其生产、运输、储存以及消费过程中直接或间接排放的活性氮总和。我国氮足迹研究还处于起步阶段，通常采用生命周期法(Life cycle assessment，LCA)评估农业系统的氮足迹。Xue等基于LCA法计算出墨西哥谷物生产氮足迹为2.65 g N-eq·kg；陈中督等采用LCA法研究得出,长江中游地区稻麦生产系统的氮足迹为190.6 kg N-eq·hm，油菜生产氮足迹为7.57 kg N-eq·hm；周杏等研究表明，湖北省油菜田间种植阶段的活性氮排放占总排放的98.13%，是主要的排放源。另外，周涛等基于修正的N-Calculator模型结合农业系统氮素流动过程计算了广东省农业氮足迹，结果显示，化肥施用和养殖业饲料是农业氮足迹的主要来源。

冬小麦是邯郸市主要的粮食作物，在播种、收割、运输、灌溉、施肥等各个环节，小麦生产都会直接和间接地产生氮排放，系统地计算和评估冬小麦生产氮排放对该地区氮减排具有重要意义。本研究采用《邯郸统计年鉴》和《全国农产品成本收益资料汇编》等资料中的相关数据，核算了邯郸市2010-2019年冬小麦生产氮足迹，分析了其来源、组成及时空分布特征，以期为该地区农业的可持续发展提供科学指导。

1 研究方法

1.1 研究边界

图1 冬小麦生产系统研究边界

1.2 数据来源

邯郸市冬小麦的各项投入与产出数据主要来源于《邯郸统计年鉴》，包括各区县冬小麦的播种面积、总产量以及化肥、农用柴油、农药、电力等农资投入数据。种子用量采用《全国农产品成本收益资料汇编》中河北省的数据。

1.3 氮足迹计算方法

氮足迹依据《环境管理-生命周期评价-要求和指南》中生命周期评价要求，采用荷兰莱顿大学环境科学研究所(Institute of Environmental Sciences，CML)提供的方法，将不同形态的活性氮转化为富营养化潜势，计算公式如下：

(1)

NFNO=(NFdNO+NFANO+NFLNO)× 0.476

(2)

NFdNO=×EF×44/28

(3)

NFANO=×F×EF×44/28

(4)

NFLNO=×F×EF×44/28

(5)

NFNH=×α×17/14×0.833

(6)

(7)

(8)

NF=NF/×1 000

(9)

NF为冬小麦单位产量氮足迹(g N- eq·kg)；是冬小麦单位面积产量 (kg·hm)。

表1 农资投入活性氮排放系数Table 1 Active nitrogen emission coefficient of agricultural inputs

1.4 数据处理与分析

本研究采用亿科环境研发的eFootprint软件作为数据建模工具，其是LCA数据填报和分析平台，可以在线输出产品的碳足迹、氮足迹、水足迹等。采用ArcGIS 10.2软件绘制邯郸市各县区的氮足迹空间分布图。

2 结果与分析

2.1 邯郸市冬小麦生产氮足迹年变化趋势

2010-2019年邯郸市冬小麦生产单位面积氮足迹变化范围为58.57～76.03 kg N-eq·hm，最高值和最低值分别出现在2014年和2018年(图2a)。2010-2017年单位面积氮足迹年际波动幅度较小，2018年和2019年下降明显。邯郸市冬小麦单位产量氮足迹呈逐年下降趋势(图2b)，从2010年最高值12.86 g N-eq·kg下降到2019年最低值8.82 g N-eq·kg，2011年和2018年尤其下降明显。

图2 2010-2019年邯郸市冬小麦生产单位面积和单位产量氮足迹

2.2 邯郸市冬小麦生产氮足迹的组成

图3 2010-2019年邯郸市冬小麦生产氮足迹组成

2.3 邯郸市冬小麦高低产区氮足迹对比分析

表2 邯郸市冬小麦高低产区氮足迹及构成对比Table 2 Comparison of nitrogen footprint and composition of winter wheat between high and low production areas in Handan city

2.4 邯郸市各县区冬小麦生产氮足迹分析

从空间分布看，邯郸市近十年不同县区单位面积和单位产量的氮足迹均差异显著(图4)。邯郸市冬小麦生产单位面积氮足迹年均值为71.00 kg N-eq·hm，高于全市平均水平的县区有峰峰矿区、成安县、曲周县、临漳县、广平县、馆陶县、邱县和主城区，其中峰峰矿区、成安县和曲周县的单位面积氮足迹较高，分别为133.84、122.70和110.72 kg N-eq·hm；大名县、冀南新区和肥乡区较低，年均值为46.65～48.94 kg N-eq·hm。单位产量氮足迹与单位面积氮足迹分布不同，全市单位产量氮足迹年均值为10.64 g N-eq·kg，分别以峰峰矿区和大名县的单位产量氮足迹最高和最低，分别为29.37和6.54 g N-eq·kg，最高值是最低值的4.49倍。

图4 2010-2019年邯郸市冬小麦生产氮足迹空间分布

在邯郸市各县区冬小麦生产氮足迹组成中，化肥生产和施用是主要的氮排放源(表3)。邱县和成安县的化肥生产和施用造成的氮排放占比最高，分别为92.32%和91.95%；而磁县和涉县的占比最低，分别为69.16%和53.14%。化肥施用中NH挥发的贡献率最大，变化范围为 46.81%～81.71%。柴油燃烧为第二大贡献来源，涉县和磁县的占比较为突出,分别为39.11%和 22.83%，成安县和邱县的占比最小，分别为 4.80%和2.42%。

表3 邯郸市各县区冬小麦生产氮足迹组成Table 3 Composition of nitrogen footprint of winter wheat production in various counties and districts of Handan city

3 讨论与分析

3.1 邯郸市冬小麦生产氮足迹组成

邯郸市2010-2019年冬小麦生产单位面积氮足迹平均值为71.00 kg N-eq·hm，低于陈中督等计算的长江中游地区小麦氮足迹(80.9 kg N-eq·hm)。在农作物碳氮足迹核算中，由于研究边界、核算方法和排放因子选取的不同以及农作措施、种植模式和气候条件等多重因素的影响，不同地区农业氮足迹计算结果存在差异。近年来邯郸市冬小麦生产氮足迹总体呈下降趋势，2010年邯郸市氮肥和柴油燃烧投入分别为177.71和307.83 kg·hm，2019年氮肥投入和柴油燃烧分别为121.39和210.39 kg·hm，说明近十年来邯郸市大力发展绿色农业，构建农业生产新格局，减排效果明显。邯郸市冬小麦生产氮足迹组成中，化肥生产占4.07%，因化肥施用造成的田间排放占80.81%。粮食增产很大程度上依靠化肥，化肥的不合理施用造成氮排放较大。本研究中田间NH挥发为最大的氮足迹来源，贡献率高达75.07%，这与Chen和Xue等的研究结果一致。过量的氮肥投入主要以NH挥发和淋溶等多种途径进入环境中，其中NH挥发是土壤氮素损失的重要途径。冬小麦生产中NH挥发量与氮肥投入量密切相关，带来了严重的水土面源污染问题，使大气中活性氮负荷持续增加，是产生雾霾的原因之一。柴油燃烧的贡献仅次于田间NH挥发，是能源消耗和氮排放的大户。

3.2 邯郸市氮足迹空间分布

邯郸市冬小麦氮排放地域差异明显。单位面积和单位产量氮足迹均以西部地区的峰峰矿区最高，东部地区的大名县最低，大致呈现西高东低的态势。邯郸西部地区山区纵横，地势高低不平，土壤贫瘠，水利等基础设施不发达，种植条件较差，导致农资消耗量大，利用率低。而东部地势平坦，土壤肥沃，水源充足，种植条件良好，小麦产量和生产效率高。峰峰矿区土地资源紧缺加上长期的矿产开采，导致农业欠发达。相比其他县区，峰峰矿区单位耕种面积投入的化肥、柴油、灌溉耗电量明显较大，而单位面积的冬小麦产量较低，以致农业生产氮排放较大。而位于东部的成安县和曲周县的小麦生产氮足迹也偏高，其主要原因是这两个县的单位种植面积化肥(尤其是氮肥)施用量偏高，造成了田间活性氮排放量较大，因此减少和合理施用氮肥可以降低小麦生产氮足迹。

3.3 邯郸市大气氮干湿沉降

3.4 冬小麦清洁生产策略

根据研究结果，邯郸市冬小麦清洁生产的关键是控制化肥的施用和提高农机效率。田间氮排放主要是由氮肥施用造成，因此应统筹氮肥的施用，实行科学施肥、精准施肥、水肥一体化，施用新型缓/控释肥，增施农家肥以及秸秆还田等措施。农业生产与柴油密切相关，运输、播种、收获等阶段的机械作业都会消耗柴油。近年来随着机械化程度的不断提高，农业生产对柴油的需求量持续增加。因此，要不断改善农机具结构，更新和普及高效的农业机械，采用农业机械的集约化、规模化运作，采取少耕或免耕方式，有效减少劳动力和机械投入，降低柴油消耗排放。另外，由于邯郸市各县区氮足迹差异明显，尤其是西部山区氮足迹明显高于东部平原，因而要合理布局农业，侧重在邯郸东部平原发展农业，而减少西部山区的耕作面积。

4 结 论

(1)2010-2019年邯郸市冬小麦生产单位面积氮足迹变化范围为58.87～76.03 kg N-eq·hm，单位产量氮足迹变化范围为8.82～12.86 g N-eq·kg，总体呈现下降趋势。

(2)邯郸市冬小麦生产氮足迹农资生产占10.11%，柴油燃烧占9.08%，化肥施用造成的田间排放占80.81%，田间排放主要来自于NH挥发。化肥的合理施用和提高机械化效率是邯郸市冬小麦生产碳氮减排的关键。

(3)2010-2019年邯郸市冬小麦生产低产县区的单位面积和单位产量氮足迹均大于高产县区。低产区单位面积氮足迹和单位产量氮足迹分别是高产区的1.25和2.05倍。

(4)邯郸市各县区氮足迹差异明显，西部山区的峰峰矿区氮足迹最高，东部平原的大名县氮足迹最低，总体呈现西高东低的态势。