江西省耕地面源污染时空特征及脱钩关系研究

彭锦臣,肖 蔚,蔡 鑫

(东华理工大学地球科学学院,330013,南昌)

0 引言

耕地是农业生产最基本的要素,是人类赖以生存的物质基础[1]。改革开放至今,化肥农药的大量使用显著提高了农业产量,农村发展取得了巨大成就,但同时也产生了严重的耕地面源污染问题[2-3]。耕地面源污染会造成土壤板结、水体富营养化和大气酸化等生态环境污染问题[4]。面源污染相比点源污染具有不确定性、分散性、滞后性和潜伏性等特点[5-6],造成的污染不易监督和防治。党的十八大以来,国家出台了一系列面源污染防治的规划和文件,取得了一定成效,但全国污染源第二次普查数据显示,农业面源污染源中的的化学需氧量(COD)、总氮(TN)和总磷(TP)排放量分别占同类污染物的49.8%、46.5%和67.2%,表明我国农业面源污染防治形势依然不容乐观。

我国学者[7-8]将中国耕地面源污染主要归因于化肥农药的过量使用和牲畜规模化养殖。除了面源污染的形成机制,学术界也研究了面源污染的时空规律。如贺彬等[9]分析了2019年广东省农业面源污染时空分布特征,马军旗等[10]探讨了2003—2017年中国农业面源污染的空间差异。在此基础上,越来越多的学者从“脱钩”的角度去研究农业生产与耕地面源污染的关系。如张郁等[11]对黑龙江垦区进行了农业生产与面源污染的脱钩分析与调控模拟,熊鹰等[12]对我国农业化学品投入与农业增长的脱钩关系进行了实证研究,彭甲超等[13]分析了长江经济带农业面源污染与农业经济增长的脱钩关系及其演化趋势。上述研究大多数以省级或市级为研究单元,对于县级单元的研究和面源污染时间格局演变特征的研究相对不足。关于农业生产与面源污染的脱钩关系研究中主要以经济增长的研究较多,而从农业生产要素角度的脱钩研究较少。此外,经济增长会受到价格因素的影响,而粮食产量、肉奶产量更能准确反映地区农业的生产效率。

江西省作为我国传统的农业生产大省,市场贡献巨大,是重要的粮食主产区,以全国2.3%的耕地生产了3.25%的粮食。为了提高粮食和种植业的产量,与全国大部分地区一样,江西省走的是粗放式发展之路,其农业耕地粗放利用及耕地面源污染问题具有一定的典型性和代表性。在此背景下,以江西省所有县区(84个县区)为研究区域,研究2010—2020年化肥施用强度和畜禽粪尿排放强度的耕地面源污染时空特征,并对农业生产与面源污染的脱钩关系进行分析,有助于促进江西省农业生产的可持续发展。

1 研究区概况

江西省位于我国东南部、长江中下游交接处南岸(N24°29′～30°04′,E113°34′～118°28′),以山地、丘陵为主,下辖11个地级市,区域面积16.69×104km2,是我国13个粮食主产区之一和重要的商品粮油基地,农业在全国占有重要地位。2020年有效灌溉面积203.85×104hm2,粮食作物播种面积377.24×104hm2和粮食总产量2 163.9×104t,分别占全国的2.95%、2.67%和3.23%。近年来,江西省农业集约化程度不断提高,但仍存在化肥农药等生化类农用物质使用过多及不合理、畜禽养殖粪污处理不达标等现象。以化肥为例,2020年全省化肥施用量108.80×104t,耕地平均施用量为362.67 kg/hm2,是世界平均施用量(每亩8 kg)和国际公认的化肥施用安全上限(每公顷225 kg)的3.02倍和1.61倍,产生的耕地面源污染会引发水体富营养化、农产品质量安全等问题,对人类健康构成严重威胁。

2 数据来源与方法

2.1 数据来源

表1 脱钩类型

2.2 研究方法

“脱钩”概念源于物理学,后用于研究经济增长与环境压力间的关系,反映经济增长与资源消耗相互脱离的趋势[15]。而在本文中“脱钩”是指某区域一定时空内的农业生产与耕地面源污染的关系,即一定时段内耕地面源污染负荷(化肥施用量、畜禽粪尿排放量)与农产品产量(粮食产量、肉奶产量)的变化量之比率,以此来判断农业生产与耕地面源污染排放的生产效率状态,其计算公式为:

(1)

式中,DI为农业生产与耕地面源污染的脱钩指数,ΔE为耕地面源污染负荷的变化量,ΔY为农产品产量的变化量,Ei、Ei-1分别为基期、末期的耕地面源污染负荷,Yi-1,Yi分别为基期、末期的农产品产量,i为统计年份。

参考文献[16-17],将农业生产与耕地面源污染的脱钩状态划分为6种脱钩类型(表2)。

表2 脱钩类型

3 结果与分析

3.1 江西省耕地面源污染时空特征

3.1.1 江西省耕地面源污染时间特征 由图1可得,江西省2010—2020年化肥施用总量和化肥施用强度均呈下降趋势。化肥施用总量先从2010年的137.60×104t升至2015年的最大值143.58×104t,然后降至2020年的108.80×104t,10年间共降低了20.93%;化肥施用强度从2010年的458.67 kg/hm2先升至2015年的最大峰值478.61 kg/hm2,然后连续降至2020年的362.67 kg/hm2,10年间共降低20.93%。传统的粮食作物经济收益低且种植周期长,再加上消费市场需求的优化,农户对经济作物的生产积极性提高,农作物种植结构发生变化。前5年,江西省的经济作物和蔬菜播种面积所占比例增加(如表3),传统粮食作物对化肥的需求量相对不足,而经济作物和蔬菜种植单位面积施肥量呈不断增长趋势[18],故化肥施用强度增加。2015年,我国农业部首次提出了实施化肥农药零增长行动,后续也出台了一系列相关的政策法规;江西省出台了化肥使用量“零增长”行动实施方案,并通过推进化肥先进施用技术等政策举措,进一步降低了化肥污染。

图1 江西省2010—2020年化肥施用总量和施用强度

表3 江西省2010—2020年农作物播种面积和种植结构

由图2(a)可得,江西省2010—2020年畜禽粪尿排放总量和畜禽粪尿排放强度均呈先增后降的变化趋势。畜禽粪尿排放总量从2010年的7 560.64×104t升至2015年的8 474.26×104t,后降至2020年的6 862.46×104t,10年间共降低了9.23%;畜禽粪尿排放强度先由2010年的25 202.13 kg/hm2升至2015年的最大值28 247.54 kg/hm2,然后连续降至2020年的22 874.87 kg/hm2,10年间共降低了9.23%。结合《统计年鉴》发现,近10年来,江西省畜禽养殖结构发生了明显变化,前5年,由于市场环境的优化和惠农政策,畜禽养殖经济效益上升,江西省大牲畜(牛)和生猪养殖量增加(表4),所占养殖比例增加,又因其单体产污量较大,畜禽粪尿排放量与牛、生猪养殖量呈正相关,2010—2015年牛和生猪畜禽粪尿排放量增加(图2),导致前5年江西省畜禽粪尿排放总量较高。2015年,我国农业部提出了畜禽养殖粪污综合治理行动,江西省通过实施畜禽养殖“三区”划定和禁养区关闭或搬迁等政策举措,有效降低了畜禽粪尿污染。

(a)畜禽粪尿排放总量和排放强度

表4 江西省2010—2020年畜禽生产情况

3.1.2 江西省耕地面源污染空间特征 以单位耕地面积的化肥施用强度来表示化肥的污染情况;用单位耕地面积的畜禽粪尿排放强度表示畜禽的污染程度。1)化肥施用强度空间分布参考文献[19-20],采用发达国家为防止化肥对水体造成污染而设置的警戒线(单位播种面积225 kg/hm2)为标准,将化肥污染程度划分为3个等级:低污染区<225 kg/hm2、中污染区225～400 kg/hm2、高污染区>400 kg/hm2。

由图3可得,江西省2010—2020年大多数县(区、市)的化肥施用强度呈现出下降趋势,污染程度高的地方集中在南部和中部。具体来看,2010年高污染区集中分布在中部的南昌市周边地区,而中污染区和低污染区分布较为分散,低污染区主要分布在北部的九江和上饶这一带。2015年高污染区主要分布在南部和中部,且呈集聚的态势,低污染区主要分布在西北部。随着农业生产条件的提高、市场环境的改变,国家“三农”政策严控化肥价格,农户由于化肥成本降低而大量施用化肥,导致化肥污染增加。鄱阳湖治污是九江市在“十二五”时期的一项重要工作内容,北部县区通过开展化肥减量行动明显降低了化肥施用强度。2020年化肥污染明显下降,高污染区数量下降,可见化肥施用量零增长行动已初见成效。中部属于环鄱阳湖城市群地区,该地区由于农业比重大,种植业发达,是瓜果蔬菜和粮食作物的种植基地,如樟树市、南昌县和奉新县等,化肥污染严重。赣州市是传统农业大市,农村人口多,农业比重大,脐橙、蔬菜、油茶等产业较发达,部分县区的化肥施用强度仍较高。

图3 江西省2010—2020年化肥施用强度空间分布

2)畜禽粪尿排放强度空间分布参考文献[21-22],将畜禽粪尿排放强度划分为3个等级:低风险区<15 000 kg/hm2、中风险区15 000～30 000 kg/hm2、高风险区>30 000 kg/hm2。

由图4可得,江西省2010—2020年畜禽污染程度总体上得到有效缓解,污染程度高的地方集中分布在南部、中部和西部。具体来看,2010年,高污染区主要分布在西部和南部,低污染区主要分布在北部。2015年,畜禽粪尿污染程度整体明显上升,高污染区数量增加,由于消费结构升级,畜禽市场价格变动,国家政策扶持和市场需求,尤其是生猪和家禽养殖量增加(表4),导致整体的畜禽污染程度加重。2020年,高污染区数量增加,集中分布在南部和西部,低污染区数量明显增加,主要分布在北部,江西省绝大部分县区畜禽污染程度下降,这与江西省加快畜禽粪污资源化利用,各县区推进绿色种养循环,不断提升畜禽粪污的综合利用效率等政策举措有关。西部由于畜禽养殖规模增加,而耕地面积较少,导致畜禽粪尿排放强度高,赣州是江西的畜禽养殖大市,有4个全国生猪调出大县:南康、定南、信丰和兴国;5个省级调出大县:赣县、瑞金、会昌、于都和安远,2个宁都黄鸡生产优势区域:宁都和龙南,畜禽粪尿排放量高,因此,南部地区畜禽污染程度仍然较高。

图4 江西省2010—2020年畜禽粪尿排放强度空间分布

3.2 江西省农业生产与耕地面源污染的脱钩效应

3.2.1 粮食生产与化肥的脱钩分析 江西省粮食生产与化肥施用总量的脱钩关系变化(表5)可分为3个阶段:第一阶段:强负脱钩期(2010年),我国从2006年起对农民实施了良种补贴、种粮直接补贴和农业生产资料综合补贴等多项补贴政策[23],农户生产积极性提高,导致这一时期的化肥投入要素增加,而粮食产量突降,主要是由于2010年江西省发生了历史罕见的特大洪涝灾害。第二阶段:弱脱钩期(2011—2015年),这一时期粮食产量与化肥施用总量的脱钩关系呈现出稳定的弱脱钩状态,即粮食产量的增长率大于化肥施用总量的增长率。第三阶段:波动阶段(2016—2020年),2016年为衰退性脱钩,粮食产量和化肥施用总量同时出现负增长,2017—2020年这一时期交替出现衰退性脱钩和强脱钩,受“十三五”期间“实施化肥农药使用量零增长行动”的政策影响,化肥施用量逐年降低(图1),因此,这一时期两者的脱钩关系状态主要取决于粮食产量的变化。由于国家粮食补贴政策、农业机械化水平的极大提高和施肥方式的不断优化,江西省粮食产量整体上仍处于增加趋势,但受亚热带季风气候等外在不可控因素和农户生产经营管理与对抗自然灾害能力差异的影响,致使粮食产量变化具有波动性。

表5 江西省2010—2020年粮食生产与化肥施用量的脱钩分析结果

3.2.2 畜牧业生产与畜禽粪便的脱钩分析 江西省畜牧业生产与畜禽粪便的脱钩关系变化(如表6)可分为3个阶段:第一阶段:扩张性负脱钩期(2010年)。第二阶段:弱脱钩和强负脱钩期(2011—2015年),2011—2014年畜牧业生产与畜禽粪尿排放总量的脱钩关系呈现出稳定的弱脱钩状态,即肉奶产量的增长率大于畜禽粪尿排放总量的增长率,主要是由于这一期间国家“三农”政策补贴力度继续加大,农户生产积极性持续上涨,大牲畜和生猪等畜禽养殖量增加,肉类产量和畜禽粪尿排放量也增加;2015年变为强负脱钩,肉奶产量首次发生下降,这与生猪养殖量下降有关(表4)。第三阶段:衰退性脱钩和弱负脱钩期(2016—2020年),这一阶段肉类产量和畜禽粪尿排放总量均呈下降趋势,这主要与生猪养殖量有关,受十三五时期绿色发展政策的影响,江西省实施环保整治、禁养拆迁等措施,导致生猪养殖量持续下降(表4),2019年降幅最大,主要是受2019年的非洲猪瘟疫情、严重洪涝灾害以及猪周期等不利因素的叠加影响,由于2019年猪肉涨幅较大,禽肉对猪肉的替代效果也尤其凸显,禽蛋需求量提高使得家禽出笼量增加,2020年的新冠肺炎疫情导致农户生产积极性受挫,生猪养殖量进一步下降。

表6 江西省2010—2020年畜牧业生产与畜禽养殖的脱钩分析结果

总体上来说,江西省2010—2020年农业生产与其耕地面源污染的脱钩类型中,弱脱钩所占比重最大,其次为衰退性脱钩出现次数较多,强脱钩仅出现在粮食生产与化肥的面源污染脱钩关系中,11年间仅出现过2次。粮食生产与化肥施用量的脱钩关系有着从弱脱钩向强脱钩方向发展的趋势,这是一种最理想的状态;而畜牧业生产与畜禽养殖却有着相反的发展趋势,即从弱脱钩转向弱负脱钩的发展趋势,表明江西省农业生产的耕地面源污染防治任务仍很艰巨。

3.3 讨论

熊昭昭等[24]和张文东等[25]分别利用排污系数法和数据收集法,得出了畜禽养殖和农田化肥是江西省面源污染的主要污染源。研究表明,施肥强度对我国化肥施用总量增长的贡献率高达70.4%,是我国农业化肥施用量快速增长的主要原因[26]。过量施用化肥,易造成耕地养分结构失调和重金属污染[27]。我国畜禽规模化程度高,但由于资金有限和粪污处理及资源化利用相关环节缺乏监管等原因,每年生产的38×108t畜禽粪便综合利用率不足60%[28]。畜禽粪尿的过量排放会造成土壤严重板结、土壤结构失衡,阻碍农作物的正常生长等[29]。农业面源污染防治归根到底要从农业生产的初始端发力,即从农田化肥和畜禽养殖下手。笔者认为可以从以下几个方面防治面源污染:第一,大力推进测土配方施肥,包括病虫害的绿色防控和综合防控措施,精准施肥,减少农药、化肥的使用量,提高农药化肥利用率,特别化肥施用强度偏高的江西省南部和中部需全面推广;第二,积极引导、支持和鼓励对畜禽废弃物综合利用,建立畜禽规模养殖场粪污资源化利用长效机制,针对江西省畜禽污染严重的南部和中部地区,向农村畜禽养殖户推广一池三改、沼气池技术,向规模化畜禽养殖场推广生物发酵床养猪技术;第三,加强立法与管理,完善相应法规,增强农户的绿色环保意识,提倡农牧结合、种养平衡,加强综合利用。

2010—2020年,江西省粮食产量与化肥施用量之间多次出现“弱脱钩”关系,在后期出现从“弱脱钩”向“强脱钩”转变的现象;肉类产量与畜禽粪排放总量之间从“弱脱钩”关系向“弱负脱钩”关系发展,形式严峻。要对以上2种脱钩现象进行改善,除了采取减施农药化肥、降低畜禽粪尿排放等措施外,最重要的一项,是通过积极推进中低产田改良工程、高标准农田建设,提升江西耕地质量,从而在不依赖化肥农药的情况下提高粮食产量,在提高畜禽养殖量的同时使农作物对畜禽粪尿无害化利用。这样既能维持粮食产量与化肥施用“强脱钩”的良好状态,又能推动肉类产量与畜禽粪尿从“弱负脱钩”状态向“弱脱钩、强脱钩”状态转变,最终使江西农业生产与耕地面源污染的脱钩状态呈现向好的发展趋势。

本文仅通过化肥和畜禽粪尿的时空变化来表示耕地面源污染的状态,未考虑化学需氧量(COD)、总氮(TN)和总磷(TP)等主要污染物,缺少对耕地面源污染的程度与效果的深层次分析。此外,农膜、农药、农作物秸秆、有机肥、农村生活和水产养殖等污染情况也未进行探究,这也是今后研究有待加强的方面。

4 结论

1)时间上来看,2010—2020年江西省耕地面源污染状况有所减轻。化肥施用总量和畜禽粪尿排放总量变化趋势相同,呈“先升后降”的变化趋势,均在2015年达到最大值,分别为143.58×104t和8 474.26×104t,之后均持续下降。

2)空间上来看,江西省耕地面源污染表现出明显的空间差异性。化肥施用强度较高地区主要分布在江西省的南部和中部,周边地区相对较低;而畜禽粪尿排放强度较高的地方集中分布在南部、西部和中部,且呈现聚集的态势,而北部和东部排放强度较低。

3)近十年来,江西省农业生产与耕地面源污染之间的弱脱钩类型出现次数较多,说明研究区具有进一步控制面源污染的潜力和实现“生态文明试验区”强脱钩目标的可能。