江西省农田灰水足迹时空分析

傅春，陈毓迪，刘业忠，李帆，黄金燕

（南昌大学工程建设学院，南昌 330036）

随着我国城镇化发展进程不断加快，人均耕地正在逐年减少，为确保现有耕地粮食生产能力不断提升，大量施用农药和化肥成为了农业生产过程中重要的保障措施。根据联合国粮食及农业组织（FAO）和《中国农村统计年鉴》提供的相关数据，2017年全球化肥施用量为19 222.4万t，同年我国农业化肥施用量达到5 859.4万t，约占全球化肥施用总量的30.5%，我国单位耕地面积化肥施用量也超过世界平均水平1倍多。由于农田化肥的过量施用，我国面临着巨大的环境污染风险，农田面源污染的评估和治理迫在眉睫。

2008年，HOEKSTRA等首次提出灰水足迹概念，并将其定义为以水环境质量标准为基准，将水污染物稀释至无害所需的淡水体积。相较于传统的单因子指数评价法、模糊综合评价法、水污染指数法等评价方法，灰水足迹概念的提出，有效地将水量和水污染联系起来，通过水量直观地表现出水污染严重程度，为水污染评价提供了一种新方法。在农田面源污染方面，国内外学者利用灰水足迹方法开展了相应的研究：曹连海等计算内蒙古河套灌区粮食生产灰水足迹后发现，节水灌溉技术的推广可以有效降低粮食生产灰水足迹；班荣舶等对重庆市种植业灰水足迹核算后得出重庆市水环境保护要重视种植业产生的污染；付永虎等借助灰水足迹概念对洞庭湖粮食生产环境效应进行评价，得出区域水环境受粮食生产负面影响会持续增强的结论；何立新等通过研究河北省主要农作物相应的灰水足迹，提出了减少污染的相关措施；张鑫等针对汾河流域农业灰水足迹进行了时空和效率分析，并就汾河流域种植业污染依旧呈缓慢增长的变化趋势提出了相应的解决措施。

但目前灰水足迹研究中存在着淋溶系数均一化问题，即当研究区域面积较大时，大多数学者通常采用统一的污染物淋溶系数来代指整个研究区域。污染物淋溶系数通常受到土地利用方式、地形坡度等因素的共同影响，采用统一的淋溶系数容易忽视不同地形地貌对污染物流失系数的影响，可能导致在污染物空间分布研究中存在一定误差。

目前虽然有部分学者就江西省农田污染进行过相应的研究，但大多数是以市级行政区为研究对象，而以江西省县（区）级为研究区域，利用地理信息系统软件ArcGIS对农田面源污染进行时空分析的研究鲜有报道。本研究运用ArcGIS软件相关功能，结合《全国农田面源污染排放系数手册》等相关资料，对鄱阳湖流域污染系数进行空间化处理，不同地区采用不同污染系数，实现了将污染系数和坡度与土地利用方式结合，使不同地区种植业灰水足迹测算更加准确科学，以期为江西省农业绿色化发展和水环境保护提供一定的参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

江西省总面积为16.69万km，区域内地形地貌复杂，流域内南部、西部、东部均被山地环绕，由外向里地貌逐渐变为丘陵地形，流域北部地貌则主要为平原地形。境内水系发达、水资源丰富，由“五江一湖”构成的水网连通全省各处，流域内气候主要为亚热带季风气候，年平均降水量为1 341～1 943 mm，降水多集中于每年的4—7月，东南丰富，西北较少，水资源在空间分布上呈现北多南少的格局。江西省作为我国南方地区重要的粮食生产基地之一，其粮食作物种植面积总计达5.6×10hm（2020年），年平均化肥施用量达192.75 kg·hm，是欧美国家的数倍以上，而我国平均氮肥实际利用率却只有30%左右，磷肥利用率不足20%，大量未被植物吸收的氮、磷流入周边水体，引发水体富营养化，造成严重水污染问题。

1.2 研究方法

1.2.1 污染系数空间化

当研究区域范围较大时，由于化肥淋溶率大小受种植方式、地形地貌、施肥量等因素的影响，不同条件下农田内的氮、磷流失量存在一定差异。江西省内地形地貌复杂，多地区开展实验测量费时费力，而全区域采用统一的流失系数又容易忽视地区差异性。故文章运用ArcGIS将鄱阳湖流域内农田区域按“农区-坡度-种植”的分类原则进行相应划分（图1），并结合《全国农田面源污染排放系数手册》对不同种植模式下的农区进行污染系数赋值，以实现研究区域污染系数空间化。图1中各数值代表的含义如表1所示。

表1 种植模式类型编号与名称Table 1 Numbers and names of planting pattern types

图1 鄱阳湖流域种植模式空间分布Figure 1 Spatial distribution of planting patterns in Poyang Lake watershed

根据《全国农田面源污染排放系数手册》中介绍的相关使用方法，依据中科院资源环境科学与数据中心数据平台提供的2000—2020年江西土地利用相关数据，参考孙铖等构建的方法，用公式（1）计算出江西省多年平均氮、磷流失系数，用于灰水足迹时间层次分析：

式中：β为某一田块下某农作物种植面积占市级行政区农作物总播种面积的比例；μ为该田块的氮、磷流失系数。

同时选取2020年相关数据，依照手册对不同种植模式进行污染排放系数赋值。用相同的方法计算得到江西省各地区的氮、磷流失系数，用于灰水足迹空间分布分析。

1.2.2 灰水足迹

（1）种植业灰水足迹

种植业灰水足迹主要来源于农业生产过程中农药与化肥的过度使用，未被植物吸收利用的化肥和农药在降水和地表径流的作用下，通过淋溶的方式进入地表水体。由于钾离子能被土壤胶体离子吸附，因此钾肥不容易被淋滤。因为省内农药施用种类繁多，各类农药施用量统计数据难以获取，各农药允许浓度不同，并且稀释氮磷污染的水体和稀释农药污染的水体会有重叠部分，故选用氮、磷为种植业污染物进行计算。参考HOEKSTRA等的核算方法，核算公式为：

式中：GWF为种植业灰水足迹，m·a；L为第类污染物的排放负荷，kg；α为第种化学物质进入水体的比例，即淋溶率、径流损失率，%；Appl为第种化学物质在生产过程中的使用量，kg；为第种非点源污染环境允许最大浓度，kg·m；为第种非点源污染在环境中的本底浓度，kg·m。

（2）灰水足迹强度

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，体现了区域农业水污染程度，其公式为：

式中：为农业灰水足迹强度，m·hm；为耕地面积，hm。

1.2.3 相关数据及来源

本研究的基础数据资料主要包括江西省100个县市氮磷化肥折纯量、各区域相关农作物播种面积、氮磷流失系数及计算流失系数所需的相关数据。其中用于地形坡度划分的DEM高程数据来源于地理空间数据云，30 m精度土地利用数据来源于中科院资源环境科学与数据中心数据平台（http：//www.resdc.cn），水质标准依据《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002），将Ⅲ类水的污染物浓度设为环境最大容许浓度，总磷（TP）为0.2 mg·L，总氮（TN）为1.0 mg·L，自然本底浓度以0计。各区域中相关农作物种植面积和农田化肥折纯量来源于《江西统计年鉴》和各市级行政区统计年鉴，农田中氮、磷肥总施用量由单一化肥和复合肥相加得到，复合肥中氮、磷、钾比例参照江西省农业农村厅相关报告，取1∶1∶1。

2 结果与分析

2.1 农田氮磷灰水足迹时空分析

2.1.1 时序分析

江西省化肥施用总量和氮磷灰水足迹变化趋势如图2所示。在2000—2020年期间，江西省农田化肥施用量呈先增长后下降的变化趋势，其中2000—2006年期间增长快速，年平均增长率为3.2%，2007—2015年期间波动变化，总体呈上升趋势，2015年达到最高点，为142.71万t，约占当年全国化肥施用总量的2.4%；随后，2016—2020年，江西省化肥施用总量快速下降，在2020年已下降到108.81万t，下降率为23.75%，体现出近几年来江西省绿色生态农业建设取得较大进展。对于各类化肥来说，在过去的21 a间，氮肥、磷肥和钾肥占总化肥施用量的比例逐年减少，复合肥占比逐年增加，已成为了农业生产化肥中最主要的部分，需要额外加以关注。

图2 2000—2020年鄱阳湖流域化肥施用量及灰水足迹变化Figure 2 Changes in fertilizer application and grey water footprint in the Poyang Lake basin from 2000 to 2020

就氮肥灰水足迹来说，在2000—2020年期间，江西省农田氮肥灰水足迹总体呈现先增后降的变化趋势，其峰值出现在2011年，为7.27×10m，较2000年增加12.1%，随后一直保持下降趋势，直到2020年氮肥灰水足迹已降至5.35×10m。

就磷肥灰水足迹来说，峰值出现在2015年，为1.47×10m，相较2000年增幅较大，增加了33.73%。此后，在2015—2020年期间，磷肥灰水足迹逐渐下降，在2020年降至1.12×10m，下降幅度为23.56%。

2.1.2 空间分析

鄱阳湖流域是我国重要粮食生产基地，为保障农业生产每年会使用大量化肥。区域内各个市的行政面积和地形地貌存在明显差异，为更加准确分析鄱阳湖流域内不同地区的种植业灰水足迹，本研究利用ArcGIS对区域内100个县区进行空间分布特征分析，以更加准确直观地显示区域氮磷灰水足迹状况，结果见图3。

图3 2020年江西省农田氮、磷灰水足迹空间分布Figure 3 Spatial distribution of nitrogen and phosphorus grey water footprint of farmland in Jiangxi Province in 2020

对于氮肥灰水足迹来说，流域内总体呈现由外向内逐渐增多的变化趋势，高氮肥灰水足迹区域主要集中地区为鄱阳湖平原及周边地区，例如上饶市的鄱阳县和余干县、宜春市的丰城市和樟树市，以及南昌市的南昌县和进贤县，其中南昌县、丰城市和余干县氮肥灰水足迹最高，分别为2.26×10、1.99×10m和1.84×10m；除以上县区外，宁都县、泰和县、南丰县、吉水县、渝水区、临川区、高安市、永修县和新建区境内氮肥灰水足迹也相对较高，值得加以关注。

磷肥灰水足迹空间分布与氮肥灰水足迹基本相同，江西中东部地区为高磷肥灰水足迹区域，南昌县、余干县、丰城县、鄱阳县为全省磷肥灰水足迹最高区域，分别为5.56×10、3.98×10、3.92×10m和3.82×10m。萍乡市、景德镇市、宜春市西部、赣州市南部、上饶市东部和吉安市磷肥灰水足迹相对其他地区较低，而抚州市北部、宜春市东部、南昌市和九江市南部等地区存在磷肥灰水足迹较高现象，需要加强绿色生态农业建设，减少化肥使用。

2.2 农田氮磷灰水足迹强度空间分析

灰水足迹仅反映了区域内种植业污染量的多少，由于不同地区种植面积差异较大，单纯从灰水足迹角度无法分辨地区农田化肥污染程度，故采用灰水足迹强度来反映不同地区单位耕地在农业生产过程中承载的面源污染程度，计算后结果等分为5个层次，分别为高污染强度地区、较高污染强度地区、中污染强度地区、较低污染强度地区、轻污染强度地区，结果如图4所示。

图4 2020年江西省农田氮、磷灰水足迹强度空间分布Figure 4 Spatial distribution of nitrogen and phosphorus grey water footprint intensity of farmland in Jiangxi Province in 2020

从氮肥灰水足迹强度来看，鹰潭市和吉安市整体农田氮肥污染程度较轻；中污染强度地区主要位于宜春市东部、九江市北部、抚州市南部和赣州市中部与西部地区。其余地区，如上饶市弋阳县、萍乡市上栗县和新余市渝水县均为中污染强度地区；铅山县、永修县、樟树市、奉新县、珠江区和红谷滩区为较高污染强度地区；全流域氮肥灰水足迹强度最大区域是抚州市南丰县，为2 873.38 m·hm，为高污染强度地区。

从磷肥灰水足迹强度来看，吉安市、宜春市西部、萍乡市北部、九江市西部和上饶市大部分地区为低和较低污染强度地区，其中吉安市低污染强度地区占全市面积的54%，说明当地农业绿色生态化发展良好。中污染强度地区为上饶市铅山县、抚州市金溪县、萍乡市莲花县、宜春市奉新县和樟树市、赣州市会昌县和崇义县、南昌市安义县和南昌县；景德镇市珠江区、南昌市红谷滩区和九江市永修县为较高污染强度地区，其磷肥灰水足迹强度依次为5 578.60、5 056.87 m·hm和4 651.24 m·hm；抚州市南丰县为全区域磷肥灰水足迹强度最高地区，为6 885.59 m·hm。

3 讨论

相较于其他研究方法，运用灰水足迹理论来评估地区农业化肥面源污染可有效地展示化肥污染对地区水资源的影响，是目前农田面源污染研究的主要方法之一。

3.1 区域主要污染物及来源分析

本研究发现，在过去21 a江西省农田化肥施用过程中，复合肥占总化肥施用量比例逐年增加，是目前农田面源污染的主要来源。比较氮肥和磷肥灰水足迹可以发现，尽管氮肥施用量大于磷肥施用量，但由于自然水体对磷元素的最大容许浓度远小于氮元素的容许浓度，使得磷肥灰水足迹大于氮肥灰水足迹，根据灰水足迹中“木桶理论”，相较于施用量更大的氮肥，灰水足迹更高的磷肥才是农田生产的主要污染来源，这与《江西省环境状况公报》中的结论一致。因而在判断主要污染物时，不仅需要比较污染物排放量的多少，同时也需要考虑水体对不同污染物耐受程度的不同。

3.2 区域重污染程度地区分析

农田氮磷污染较严重区域大多集中在江西省中部平原地区，其中南昌市灰水足迹强度达到了3 686.23 m·hm（2010—2020年平均值），为江西省地级市中农田污染最为严重的区域。县区级方面，抚州市南丰县为农田化肥污染最为严重区域，比较南丰县肥料施用情况发现，其复合肥施用量占全县化肥施用量的44%，占抚州市复合肥施用总量的20%，远超过抚州市其他地区。景德镇市珠山区、九江市永修县和南昌市红谷滩区为较高风险地区，其中景德镇市珠山区用于蔬菜种植的耕地面积占其整体耕地面积的98%，在单一化种植模式下，当地农民为保障作物产量而过量施用化肥，导致单位耕地面积下化肥使用量过高。九江市永修县复合肥和磷肥施用量是周边县市的2～3倍，南昌市红谷滩区与东湖区种植面积相近，但其各类化肥施用量是东湖区的数倍以上，两地均存在化肥施用强度过高的情况，值得地区相关部门重视。

3.3 种植业面源污染防治对策分析

借鉴我国农业面源污染防治的相关政策，结合研究区内实际情况，本文从技术和政府管理两方面提出相关的意见建议。

（1）技术方面

研究结果表明，占比不断增加的复合肥是种植业面源污染的主要污染物来源。因此，可以在确保农业生产不受影响的前提下，选用磷含量占比较低的复合肥品种，同时降低化肥的整体施用量，并尝试搭配有机肥来改善耕地肥力，提高种植业生产水平，进而从源头上减少农业化肥对水环境的影响。在坡度较高的地区，可以通过修建梯田来降低地形坡度，减少化肥水土流失风险；在平原或丘陵地区，可以在农田水渠和周边水体周围种植具有过滤、吸附能力的植被，从传输路径上减少化肥污染物的入河量。

（2）政府管理方面

相关环保部门要从宣传和监督两方面开展工作，为农户开展科学种植知识的普及与教育，减少农户施肥的盲目性，提高农民对面源污染的认识程度。同时监督各区域化肥施用情况，对农田高污染的地区开展调研，找出污染的主要问题，推广绿色生态农业建设工作，缓解农业生产和环境问题之间的矛盾，以达到农业面源污染控制和管理目标。

目前，农田种植业面源污染依旧是地区面源污染的主要组成部分，是导致地表水富营养化的主要原因，对农田周边水环境构成严重威胁。农田面源污染主要是由当地农业生产过程中化肥的过量施用和施肥不当导致的，杜鹃等研究发现耕地总氮排放贡献率大于人口和畜禽养殖，项颂等对洱海流域农业面源污染聚类分析发现，总氮和总磷的排放量均主要来自于种植业。因此，尽管近几年来农业化肥施用量不断降低，但依旧需要对农田化肥污染保持较高的警惕。

4 结论

（1）鄱阳湖流域农田灰水足迹呈现先增后降趋势，且近几年降低趋势明显，说明整体生态农业建设取得较大进展。

（2）境内氮磷灰水足迹及强度分布特征相近，呈现中部地区污染严重、四周区域污染较轻的分布规律，其中污染较为严重的区域为南昌市、宜春市东部地区、南丰县、铅山县和永修县。

（3）磷是鄱阳湖流域农田生产主要污染物，占比逐年增加的复合肥是农田污染的主要来源。建议选用配比更加合理的复合肥，采取科学施肥方式，提高化肥利用率，实现从源头减少种植业污染。