基于不同受納水體的湖南省農業灰水足跡分析

王丹陽,李景保,葉亞亞,譚芬芳,2

(1.湖南師范大學資源與環境科學學院,湖南 長沙　410081; 2.長沙市環境科學研究所,湖南 長沙　410001)

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基于不同受納水體的湖南省農業灰水足跡分析

王丹陽1,李景保1,葉亞亞1,譚芬芳1,2

(1.湖南師范大學資源與環境科學學院,湖南 長沙410081; 2.長沙市環境科學研究所,湖南 長沙410001)

摘要：提出基于不同受納水體的灰水足跡,引入水環境荷載指數,計算1985—2013年湖南省農業生產造成的灰水足跡,比較該省地表和地下水的污染狀況。并使用IPAT模型,將灰水足跡與農業經濟發展和技術進步結合分析,為湖南省的水環境保護和農業可持續發展決策提供參考。結果表明:近29年來湖南省農業生產造成的灰水足跡呈遞增趨勢,地表與地下水灰水足跡之比約為7∶3;地表水環境荷載指數較低,環境狀況優于地下水,但兩水體的環境狀況都呈現惡化趨勢;湖南省農業可持續發展經歷了3個階段,初期技術進步占據主導,中后期農業經濟發展加速,而農業技術則在經過瓶頸階段后重獲發展。

關鍵詞：灰水足跡;受納水體;水環境荷載指數;農業生產;可持續發展;湖南省

灰水足跡最早由Hoekstra等[1]于2008年提出,是指為了達到一定的水質標準將污染物稀釋至該標準允許的最大濃度時所消耗的淡水量。灰水足跡理論為定量評估水環境污染狀況提供了新的方法,引起了廣泛的重視。聯合國環境規劃署(UNEP)在其公共網站發布了全球5大洲的人均灰水足跡[2]; Mekonnen等[3]計算了肯尼亞納瓦沙湖盆地鮮切花生產的灰水足跡;曾昭等[4]使用灰水足跡對北京市水資源進行了評價。目前國內外的研究主要集中在計算某一地區、產業或產品的灰水足跡并進而評價水污染狀況,沒有區分污染物的不同受納水體,計算結果無法反映和比較不同水體的污染程度,也鮮見將灰水足跡與經濟社會指標結合的分析[5-8]。因此,筆者提出基于不同受納水體的灰水足跡,引入水環境荷載指數,計算1985—2013年湖南省農業生產對地表水和地下水造成的灰水足跡,比較兩種水體的污染狀況,并在IPAT模型下將灰水足跡與相關經濟社會指標結合進行動態分析,探討農業水污染的變化趨勢及其與經濟發展、技術進步的關系,以期為水環境保護和農業可持續發展決策提供參考。

1　計算方法與數據來源

1.1灰水足跡

1.1.1基本理論和計算

水體對污染物的稀釋不具有排他性,已經稀釋一種污染物的水體仍可繼續稀釋另一種污染物,灰水足跡由需要稀釋水量最大的污染物解釋:

(1)

某種污染物的灰水足跡由該污染物的排放量、在水中的初始濃度和允許濃度決定:

(2)

1.1.2基于不同受納水體的灰水足跡

為了揭示和比較不同水體的污染狀況,提出基于不同受納水體的灰水足跡,為各類水體的灰水足跡之和:

(3)

某類水體的灰水足跡由排入該水體的需要稀釋水量最大的污染物決定:

(4)

其中

(5)

且

(6)

此外,一些污染物由于受到大氣、土壤和生物的吸附、滯留和轉化,只以排放量的一定比例進入水體,產生灰水足跡,記這一比例為流失率,則式(6)變為

(7)

式中:μi為第i種污染物的流失率。

使用式(3)～(7)計算考慮了不同受納水體后的灰水足跡,在計算過程中不僅能夠描述某一污染物在江、河、湖、海、冰川、水庫、池塘、地下水和大氣水中的分布,還能夠給出造成上述這些水體污染的污染物組合特征;而在計算結果上,則可以反映和比較不同水體環境受到污染的程度。

1.1.3水環境荷載指數

定義水環境荷載指數(Lwe)為污染物對某類水體造成的灰水足跡(W)與該類水體水量(Q)的比值:

(8)

水環境荷載指數反映水體受到污染的程度,取值范圍為(0,+∞)。當這一指數大于1時,意味著對于某類水體來說,以現有的水量已無法將其中的污染物濃度稀釋至環境標準以內。指數越大,水體受到污染就越嚴重。不同水體的污染狀況可以通過水環境荷載指數進行比較。

1.2IPAT模型

IPAT模型是環境沖擊(I)與人口(P)、富裕度(A)和技術(T)3個變量建立的等式[10]:

(9)

以總灰水足跡(G)表示環境沖擊,以人均農業產值(GVF)表示富裕度,以單位農業產值消耗的灰水足跡表示技術水平,則有:

(10)

對式(10)變形,得到:

(11)

(12)

在該反比例函數中,k、x、y均在(0,+∞)區間內取值(圖1),常數k越小,曲線越靠近坐標軸,表示人均環境壓力越小,區域農業活動所處的可持續發展階段越高。k值固定,即維持一定可持續發展狀態下,y隨x的增大而減小,表示隨著富裕程度的提高,區域有能力增加科研投入,提高科技水平,降低單位農業產值的灰水足跡,減少環境代價。

圖1　農業活動的可持續發展路徑

1.3研究區域概況

湖南省位于我國中部,長江中游地區,屬亞熱帶季風氣候,四季分明,雨熱同期,年降水量在1 200～1 700 mm之間,多年平均地表和地下水資源量分別為1 682億m3和392億m3,湘、資、沅、澧四水及汨羅河、新墻河分別從東、南、西三面匯入洞庭湖,并由城陵磯注入長江。全省面積約21.18萬km2,2013年總人口7 147.28 萬人,農村人口3 719.44萬人,約占52.04%;實現地區生產總值2.45 萬億元,農業產值5 043.58億元,較2012年分別增長10.10%和2.84%;施用化肥857.27萬t,農藥12.43萬t,較2012年分別增長0.24%和1.07%。

1.4數據來源

化肥農藥的施用和畜禽糞便是農業生產的主要污染源,考慮資料的可獲得性,選取排放量較大的N、P、COD和石油類4類污染物納入灰水足跡計算。農業生產造成的污染屬于面源污染,沒有固定的排污地點,污染物通過地表徑流或地下滲漏,以一定流失率進入水體造成污染。參考相關研究[11-13],確定這4類污染物的流失率分別為18%、15%、22%和12%。此外,受到資料數據的限制,在下面計算中,水體只區分為地表水和地下水,地表水和地下水量以多年平均值計入。參考統計資料,將污染物的60.68%分解到地表水,39.32%分解到地下水[14]。

我國GB/T 14848—93《地下水質量標準》和GB 3838—2002《地表水環境質量標準》對Ⅲ類水定義為“以人體健康基準值為依據,主要適用于集中式生活飲用水水源”,并給出了該類水質下不同污染物的含量標準。本文基于此確定污染物在地表和地下水體中的環境濃度上限(Cmax)?；宜阚E的計算數據來自《湖南省統計年鑒》《湖南省環境狀況公報》和《湖南省水資源公報》,人口和經濟數據來自《湖南省統計年鑒》。

2　結果與分析

2.1灰水足跡變化趨勢

1985—2013年間,湖南省農業灰水足跡從1 311億m3增長到3 072 億m3,年平均增長率3.09%(圖2)。以2003年為界,1985—2003年的年平均增長率為3.23%;2004—2013年為2.83%,增速有所放緩。除1989—1990年、1992—1993年、1994—1996年和2000—2002年有4次幅度不超過5%的下降之外,其余年份均為遞增趨勢。

圖2　1985—2013年湖南省農業灰水足跡變化趨勢

1985—2013年間,湖南省農業生產對地表水造成的灰水足跡從840億m3增長到2 248億m3,年平均增長率3.58%,高于總灰水足跡的3.09%。地表農業灰水足跡的變化趨勢可以分為兩個階段:1985—1996年為波動增長階段,在這12年間,環比增長率最高達到14.27%,最低則為-2.85%,但總體保持了遞增的態勢;1997—2013年為穩定增長階段,在此期間,地表農業灰水足跡保持了年平均2.48%的增速,低于整個研究時段平均值,并且沒有出現負增長。

農業生產對地下水造成的灰水足跡在1985—2013年間從471 億m3增長到824 億m3,年平均增長率2.02%,低于總的農業灰水足跡增速。其變化趨勢也可以分為兩個階段:1985—2003年波動增長,19年間的年均增長率2.16%;2004—2013年的10年間低速穩定增長,年均增長率1.22%。

從構成上看,在研究時段內,湖南省農業生產對地表水和地下水造成的灰水足跡比例穩定在7∶3左右。1985年這一比值最小,說明該年地下水灰水足跡對總的灰水足跡貢獻最大;2013年這一比值最大,說明該年地下水灰水足跡對總的灰水足跡貢獻最小。

2.2地表水和地下水環境荷載指數

1996年之前,地表水環境荷載指數處于波動上升階段,年增長率在-3.99%到14.27%之間,1996年之后沒有再發生負增長,保持年均2.64%的增速，穩定地從0.86上升至1.34(圖3)。從數值上看,1985—2003年間,地表水環境荷載指數始終小于1,說明在這19年里,以湖南省地表水資源總量,能夠將所有排放入地表水體的農業生產污染物稀釋直至達到Ⅲ類水的水質標準;2004年后該指數突破1并不斷增長,意味著自2004年起,以湖南省現有的地表水資源總量,稀釋農業生產產生的污染物后,已無法保證全部地表水水質均處在Ⅲ類及Ⅲ類以上,并且水質還有惡化的趨勢。

圖3　1985—2013年地表水和地下水環境荷載指數變化趨勢

地下水環境荷載指數在研究時段內從1985年的1.20上升至2013年的2.10,總體上保持了較為平穩的增勢,但1989—2003年的波動性較為明顯,這14年間的增長率最高達到14.92%,最低則為-6.81%,相差超過20%。地下水環境荷載指數在研究時段內始終大于1,表明稀釋進入地下水的農業生產污染物所需的水量始終超過地下水的總水量,即在研究時段內,全部地下水水質均在Ⅲ類及Ⅲ類之上的情況沒有發生。

對比兩條曲線,地下水環境荷載指數始終高于地表水,這主要是因為地下水資源量有限,而地表水較豐富。分析地下水與地表水環境荷載指數之差可以發現,1985年差值最小為0.70,在這一年地下水環境狀況最接近地表水;之后差值逐漸增大,至1994年達到拐點最大值1.03后出現縮小趨勢,到2013年縮小為0.77。這一倒U型的變化軌跡表明地下水與地表水的水質差別經歷了先擴大再縮小的過程,并且在這一過程中,地表水水質始終優于地下水。

2.3IPAT分析

以歷年的人均農業產值和農業產值造成的灰水足跡為橫縱坐標,將坐標點描繪在坐標系中(圖4)。當縱坐標接近時,坐標點越接近縱軸,表示在同樣的技術水平下,農業經濟越發達;當橫坐標接近時,坐標點越接近橫軸,表示在同樣農業經濟水平下,技術水平越高。同時取k為研究時段內平均人均灰水足跡3 474 m3,代入式(12),做出函數曲線。

圖4　1985—2013年湖南省農業活動IPAT分析

階段區間人均農業產值農業產值造成的灰水足跡增長率/%年均增長率/%增長率/%年均增長率/%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

根據點與曲線的位置關系，可以將整個研究時段分為3階段(表1):1985—1989年為第一階段,5年內人均農業產值從281元增加到303元,增加了7.83%,年均增長1.90%;農業產值造成的灰水足跡從10.45 m3/元降低到8.29 m3/元,降低了20.67%,年均降低5.62%。這一階段農業經濟的發展速度較慢,但農業技術取得了較大進步,表現為圖4中對應點的下降趨勢明顯。1990—1998年為第二階段,9年內人均農業產值從704元增加到1 055元,增加了49.86%,年均增長5.19%;農業產值造成的灰水足跡從4.20 m3/元降低到3.33 m3/元,降低了20.71%,年均降低2.86%。相比上一階段,農業經濟的發展速度加快,而技術進步速度有所放緩,對應圖4中點較為密集。1999—2013年為第三階段,15年內人均農業產值從1 839元增加到7 057元,增加了383.74%,年均增長10.08%;農業產值造成的灰水足跡從1.90 m3/元降低到0.61 m3/元,降低了67.89%,年均降低7.79%。這一階段農業經濟的發展速度快于農業技術,反映在圖4中對應點的水平變化趨勢顯著。

3　結論與討論

目前國際上計算灰水足跡的方法較多,自環境管理技術委員會制定ISO14046水足跡國際標準之后,學者又相繼提出了基于生命周期、投入產出和效益分攤和污染稀釋等的計算方法。由于計算簡便、數據易得等優點,使用污染稀釋方法計算灰水足跡得到了廣泛運用。

同一污染物往往是由不同水體分別受納和稀釋的。以化工廠為例,建筑在河流附近的工廠產生的磷酸鹽通常排入河流,而湖泊附近的工廠則多排入湖泊。這樣,污染物同樣是磷酸鹽,卻分別由河流和湖泊受納,如果在計算灰水足跡時不加以區分,就可能會掩蓋某一水體的實際污染狀況。舉例來說,已知GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中Ⅲ類水質對硫化物濃度的要求為不超過0.2 mg/L(20 t/億m3),假若有10 t和30 t的硫化物分別進入水量均為1億m3的河流水和湖泊水中,若不考慮受納污染物的水體不同,要將這40 t硫化物稀釋至20 t/億m3,剛好需要2億m3的水量,換句話說,以現有的河流湖泊水體水量之和,正好可以將這40 t硫化物稀釋至達到Ⅲ類水質標準。而若考慮實際上硫化物被河流和湖泊分別稀釋這一事實,則會發現,10 t硫化物進入1億m3的河流,其濃度已然在Ⅲ類水質標準之內,而即使1億m3的湖泊水全部用做稀釋,排入湖泊的硫化物濃度也無法達到標準。因此,考慮污染物由不同受納水體稀釋的事實,提出基于不同受納水體的灰水足跡,并引入水環境荷載指數。先以需要稀釋水量最大的污染物計算某一水體的灰水足跡,再將各水體的灰水足跡加總,得到總灰水足跡,并比較不同水體的污染狀況。

計算1985—2013年湖南省農業生產造成的灰水足跡,評價水環境污染狀況。結果顯示,湖南省農業生產造成的灰水足跡總體呈增長態勢,地表水和地下水的灰水足跡比例維持在7∶3左右。研究時段內,地表水環境荷載指數始終小于地下水,兩者的差值經歷了先擴大再縮小的過程,說明地表水環境狀況優于地下水,但近年來兩者差距在不斷縮小。需要注意的是,差距縮小的原因在于地表水水質的惡化速度快于地下水的,而并非地下水的環境質量在逐漸好轉。

在IPAT模型下將農業生產灰水足跡與農業經濟發展和技術進步結合分析，結果顯示,湖南省農業可持續發展分為3個階段,初期農業技術進步迅速但農業產值提高較慢,中期技術進步速度放緩而農業經濟發展加速,后期農業技術在突破瓶頸后得到了新發展,但技術的提升不足以抵消農業活動強度的增大,人均灰水足跡超過研究時段內的平均值，并不斷提高,這是由于農業經濟的增速更快,技術的發展仍未達到相應經濟條件下應有的水平。由于農業經濟是一個半自然的再生產過程,生產周期長,受自然力約束大,技術進步比較困難,因此這一情況是合理的[15]。盡管湖南省農業活動的可持續發展狀態總體樂觀,仍然要注意合理控制農業生產強度,避免出現不可逆轉的環境破壞。

使用灰水足跡評價水環境污染狀況具有定量化、計算簡便的優點,但也存在一定局限性。一些污染物的排放量數據難以獲得,并且污染物的流失率受到地形、土壤和氣候的影響,在較大空間尺度上具有差異性,使用同一比例系數計算會影響結果的準確性。在今后的研究中,基于灰水足跡,結合分布式水文模型，從水質水量相結合的角度評估水環境狀況,是一個可行的探討方向。

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DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.04.008

基金項目:國家自然科學基金(41571100);湖南省重點學科(地理學)建設項目

作者簡介:王丹陽(1990—),男,碩士研究生,研究方向為水環境保護。E-mail:danyang144@163.com 通信作者：李景保，教授。E-mail:lijingbao1951@126.com

中圖分類號：X502

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)04-0049-06

(收稿日期：2015-10-08編輯：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