鄭微微, 易中懿, 沈貴銀
(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與信息研究所, 江蘇 南京 210014)
中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水環(huán)境承載力及污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)
鄭微微, 易中懿, 沈貴銀
(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與信息研究所, 江蘇 南京 210014)
[目的] 對(duì)我國(guó)各區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水環(huán)境承載能力和污染風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià),以期實(shí)現(xiàn)水環(huán)境承載力的可控和生態(tài)環(huán)境的平衡,為合理規(guī)劃農(nóng)業(yè)生產(chǎn)密度與區(qū)域布局、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供參考和意見(jiàn)。 [方法] 利用2006—2014年中國(guó)7大農(nóng)區(qū)24個(gè)省份的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),采用過(guò)剩氮和水盈余方法測(cè)算農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水環(huán)境承載力。 [結(jié)果] 中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水環(huán)境負(fù)荷警報(bào)值不斷向污染威脅臨界值靠近,遼寧、河南、河北、山東、江蘇和寧夏6個(gè)地區(qū)的污染風(fēng)險(xiǎn)最為嚴(yán)重。 [結(jié)論] 污染風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重的地區(qū)應(yīng)強(qiáng)制實(shí)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總量控制與污染消減措施;東北平原、長(zhǎng)江流域和華南基本不存在污染風(fēng)險(xiǎn),可適當(dāng)擴(kuò)大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模;河套灌區(qū)和汾渭平原污染風(fēng)險(xiǎn)較低,應(yīng)結(jié)合地區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展特色,重點(diǎn)加強(qiáng)污染物消減措施。
農(nóng)業(yè)生產(chǎn); 水環(huán)境; 環(huán)境承載力; 污染風(fēng)險(xiǎn)
文獻(xiàn)參數(shù): 鄭微微, 易中懿, 沈貴銀.中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水環(huán)境承載力及污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].水土保持通報(bào),2017,37(2):261-267.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.039; Zheng Weiwei, Yi Zhongyi, Shen Guiyin. Assessment on Water Environmental Carrying Capacity of Agricultural Production and Pollution Risk in China[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(2):261-267.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.039
改革開(kāi)放以來(lái),中國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)取得了巨大增長(zhǎng),但該增長(zhǎng)是以環(huán)境損失為代價(jià)的,產(chǎn)生了大量的農(nóng)業(yè)面源污染[1]。據(jù)第一次全國(guó)污染源普查資料顯示,中國(guó)農(nóng)業(yè)面源污染已遠(yuǎn)超過(guò)工業(yè)與生活源污染,成為污染源之首,主要表現(xiàn)為,畜禽養(yǎng)殖糞便的不合理排放、種植業(yè)農(nóng)藥和化肥等農(nóng)用物資的不合理和過(guò)量施用,使氮素和磷素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、農(nóng)藥及其他有機(jī)或無(wú)機(jī)污染物質(zhì),在降水或灌溉過(guò)程中通過(guò)農(nóng)田地表徑流、壤中流、農(nóng)田排水和地下滲漏進(jìn)入水體,進(jìn)而引起地表和地下水環(huán)境的污染[2-4]。水環(huán)境對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污染物具有一定的凈化能力,但在一定時(shí)間內(nèi),該凈化能力是有限的,區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)該符合該地區(qū)水環(huán)境承載能力,其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)密度應(yīng)不超過(guò)該地區(qū)水環(huán)境的最大承載能力。農(nóng)業(yè)部《關(guān)于進(jìn)一步調(diào)整優(yōu)化農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的指導(dǎo)意見(jiàn)》明確指出農(nóng)業(yè)生產(chǎn)新格局當(dāng)與資源環(huán)境承載能力相匹配。因此,對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水環(huán)境承載能力進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)是構(gòu)建農(nóng)業(yè)生產(chǎn)新格局,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的前提和基礎(chǔ)。水環(huán)境承載能力與污染物質(zhì)排放量和水環(huán)境容量相關(guān)。目前,我國(guó)水環(huán)境容量基本維持穩(wěn)定,“十一五”以來(lái),扣除各業(yè)生產(chǎn)用水后的水資源總量徘徊于2.08×1012m3左右,而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污染物質(zhì)排放量則在大幅增加,如生豬飼養(yǎng)量由68 050萬(wàn)頭增加至73 510萬(wàn)頭,伴隨產(chǎn)生的糞便排放量也在不斷增加;化肥施用量由369增加至443 kg/hm2,超過(guò)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)用量255 kg/hm2越來(lái)越高。如此發(fā)展,水環(huán)境承載能力將持續(xù)弱化,農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境將不斷惡化。但與工業(yè)污染排放源不同,農(nóng)業(yè)中,畜禽養(yǎng)殖過(guò)程中產(chǎn)生的排泄物含有大量氮、磷等植物必需的有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)元素,經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理很大部分可以轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料;種植業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中化肥、農(nóng)藥的施用量已遠(yuǎn)超過(guò)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)量[5-6],適當(dāng)減少化肥和農(nóng)藥的施用量不僅不影響農(nóng)業(yè)產(chǎn)量,而且節(jié)約資源、保護(hù)生態(tài)環(huán)境。2014年全國(guó)農(nóng)業(yè)工作會(huì)議明確提出了“一控、兩減、三基本”的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)目標(biāo),即農(nóng)業(yè)用水總量控制;化肥、農(nóng)藥施用量減少;地膜、秸稈、畜禽糞便基本資源化利用。因此,考慮農(nóng)業(yè)污染物的資源化和減量化利用來(lái)評(píng)估農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水環(huán)境承載能力將十分必要。本研究在資源化、減量化等循環(huán)經(jīng)濟(jì)思想的指導(dǎo)下,立足農(nóng)牧結(jié)合,采用養(yǎng)分平衡和水足跡模型,對(duì)我國(guó)各區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水環(huán)境承載能力進(jìn)行評(píng)價(jià),以期實(shí)現(xiàn)水環(huán)境承載力的可控和生態(tài)環(huán)境的平衡,為合理規(guī)劃農(nóng)業(yè)生產(chǎn)密度與區(qū)域布局、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供參考和意見(jiàn)。
1.1 研究區(qū)的選擇與劃分
水環(huán)境承載能力對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局具有較高的指導(dǎo)意義,尤其是對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主產(chǎn)區(qū)的布局。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主產(chǎn)區(qū)往往是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有比較優(yōu)勢(shì)且生產(chǎn)密集度較高的地區(qū),也是對(duì)水環(huán)境造成承載壓力較高的主要地區(qū)。對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主產(chǎn)區(qū)進(jìn)行水環(huán)境承載能力評(píng)價(jià),提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與主產(chǎn)區(qū)水環(huán)境承載之間的適應(yīng)性,對(duì)指導(dǎo)全國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展更具有針對(duì)性和重要性。因此,本文參考“七區(qū)二十三帶”農(nóng)業(yè)戰(zhàn)略核心區(qū)域劃分方法,將中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主產(chǎn)區(qū)劃分為7大主產(chǎn)區(qū):東北平原(包括遼寧、吉林和黑龍江)、黃淮海平原(包括河北、河南和山東)、長(zhǎng)江流域(包括安徽、湖北、湖南、江西、浙江、江蘇、四川和重慶)、汾渭平原(包括山西和陜西)、河套灌區(qū)(包括寧夏和內(nèi)蒙古)、華南(包括廣西、廣東、福建和云南)和甘肅新疆(包括甘肅和新疆),覆蓋全國(guó)24個(gè)省份,涉及水稻、小麥、玉米、棉花、大豆、油菜、甘蔗、棉花和畜產(chǎn)等全國(guó)主要農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)。
1.2 計(jì)算方法與數(shù)據(jù)來(lái)源
1.2.1 污染物排放量衡量 根據(jù)《第一次全國(guó)污染源普查公報(bào)》統(tǒng)計(jì),農(nóng)業(yè)源污染物排放指標(biāo)包括化學(xué)需氧量(COD)、總氮(TN)和總磷(TP)。化學(xué)需氧量(COD)、總氮(TN)和總磷(TP)對(duì)水環(huán)境的壓力互相獨(dú)立,任一指標(biāo)均可在一定程度上表征農(nóng)業(yè)污染程度。饒靜等[7]分別選用化學(xué)需氧量、總氮和總磷來(lái)統(tǒng)計(jì)農(nóng)業(yè)面源污染現(xiàn)狀;葛繼紅等[8]分別采用總氮(TN)和總磷(TP)2個(gè)指標(biāo)來(lái)表征農(nóng)業(yè)面源污染,并且2個(gè)指標(biāo)的研究結(jié)論基本一致;張暉等[9]則以總氮來(lái)反映農(nóng)業(yè)面源污染狀況。可見(jiàn),3類(lèi)指標(biāo)對(duì)環(huán)境壓力的體現(xiàn)具有一定的獨(dú)立性與趨同性。因此,本文以總氮(TN)為例,對(duì)中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的環(huán)境壓力進(jìn)行評(píng)價(jià),也將具有一定的科學(xué)性和代表性。
根據(jù)曲勞(Truog)養(yǎng)分平衡法理論,當(dāng)進(jìn)入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的氮素,包括畜禽糞便中的氮素和化學(xué)肥料中的氮素,及土壤本身蓄積的氮素超過(guò)了作物需要時(shí),就會(huì)發(fā)生養(yǎng)分冗余問(wèn)題。因此,本文以冗余養(yǎng)分的計(jì)算方法來(lái)測(cè)算農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)水環(huán)境造成的壓力,稱(chēng)之為過(guò)剩氮,計(jì)算公式如下:
Nsurplus=Nanimal+NCF+10-4Nland-10-2Ncrop
(1)
式中:Nsurplus——過(guò)剩氮量(104t);Nanimal——牲畜糞肥中的含氮量(104t);NCF——化肥中的含氮量(104t);Nland——土壤的蓄積氮量(t);Ncrop——作物的氮素需求量(102t)。且,Nanimal,NCF,Nland,Ncrop的計(jì)算公式分別如下:
Nanimal=∑iαiXi
(2)
NCF=∑jβjXj
(3)
Nland=∑kγkZk
(4)
Ncrop=∑kδkWk
(5)
式中:αi——i種畜禽的糞肥含氮系數(shù)(t/頭、t/只);βj——j種化肥的含氮系數(shù)(kg/kg);γk——k種作物土壤中的氮蓄積系數(shù)(kg/hm2);δk——k種作物的耗氮系數(shù)(kg/10-2kg);Xi——i種畜禽的飼養(yǎng)量(104頭、104只);Yj——j種化肥的使用量(104t);Zk——k種作物的播種面積(103hm2);Wk——k種作物的產(chǎn)量(104t)。出于數(shù)據(jù)可獲得性的考慮,本文計(jì)算的畜禽品種包括豬、牛、羊和家禽,化肥以總化肥使用量及平均含氮系數(shù)表示,作物品種包括谷物、豆類(lèi)等糧食作物、棉花、油料、麻類(lèi)、蔬菜及瓜果等。畜禽飼養(yǎng)量數(shù)據(jù)來(lái)源于《中國(guó)畜牧獸醫(yī)年鑒》,化肥使用量、作物播種面積及產(chǎn)量數(shù)據(jù)來(lái)源于《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》,化肥平均含氮系數(shù)為0.65,各類(lèi)畜禽糞便的含氮系數(shù)參考國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局2003年公開(kāi)出版的《全國(guó)規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染情況調(diào)查及防治對(duì)策》[10],各種作物的耗氮系數(shù)及各種作物土壤中的氮蓄積系數(shù)參考張暉[11]的研究成果,各類(lèi)作物的耗氮系數(shù)及土壤的氮蓄積系數(shù)如表1所示。

表1 作物耗氮系數(shù)與土壤氮蓄積系數(shù)
1.2.2 水環(huán)境容量測(cè)算 水環(huán)境容量,即地區(qū)水資源總量扣除各業(yè)用水量后的水盈余量。當(dāng)水盈余量為正時(shí),說(shuō)明該地區(qū)的水資源能夠稀釋更多的污染物至可接受的水平;當(dāng)水盈余量為負(fù)數(shù)時(shí),表明該地區(qū)的水資源量相對(duì)短缺,有必要對(duì)相關(guān)產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行調(diào)整和控制。參考虞祎等[12]對(duì)水盈余量的測(cè)算,其計(jì)算公式如下:
WS=WA-WFagr-WFind-WFliv-WFeco
(6)
式中:WS——水盈余量(108m3); WA——水資源總量(108m3); WFagr——農(nóng)業(yè)用水(108m3); WFind——工業(yè)用水量(108m3); WFliv——生活用水量(108m3); WFeco——生態(tài)用水量(108m3)。水資源數(shù)據(jù)來(lái)源于《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》。
1.2.3 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水環(huán)境承載力測(cè)算 根據(jù)前文對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污染物排放量及水環(huán)境容量的測(cè)算,本文以單位水盈余量對(duì)過(guò)剩氮負(fù)荷來(lái)表征農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水環(huán)境承載力,其計(jì)算公式為:?jiǎn)挝凰嗔窟^(guò)剩氮負(fù)荷=過(guò)剩氮量×水盈余量,采用單位水盈余量過(guò)剩氮負(fù)荷除以水資源理論最大適宜氮素承載量,其比值即為地區(qū)水環(huán)境對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污染物負(fù)荷量承受程度的警報(bào)值,隨著數(shù)值的增大,水環(huán)境對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污染物負(fù)荷量承受能力逐漸下降,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)環(huán)境造成的污染威脅性越大。
參考土壤污染物負(fù)荷警報(bào)值分級(jí),本文對(duì)水環(huán)境污染物負(fù)荷警報(bào)值分級(jí)情況如表2所示。以歐盟農(nóng)業(yè)政策中推薦的水體含氮量50 mg/L作為水環(huán)境承載力的標(biāo)準(zhǔn)[13]。值得注意的是,當(dāng)水盈余量為負(fù)數(shù)時(shí),表明該地區(qū)已不存在能夠消納多余污染物質(zhì)的水環(huán)境容量,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)水環(huán)境的污染威脅極其嚴(yán)重。此時(shí),計(jì)算得的警報(bào)值為負(fù)值,表示不僅不能再承載農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大,而且對(duì)該地區(qū)耗水量大的產(chǎn)業(yè)都應(yīng)該進(jìn)行必要的調(diào)整。此處假設(shè)其他產(chǎn)業(yè)均實(shí)現(xiàn)污染治理或達(dá)標(biāo)排放,暫不考慮其他產(chǎn)業(yè)污染排放對(duì)水環(huán)境容量的擠占。

表2 水環(huán)境污染物負(fù)荷警報(bào)值分級(jí)
注:警報(bào)值<0,表示對(duì)環(huán)境的威脅性極其嚴(yán)重,環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)極高。
形成過(guò)剩氮的主要原因是畜禽糞便排放和化肥過(guò)量施用。而在中國(guó)“一控二減三基本”的農(nóng)業(yè)面源污染治理政策目標(biāo)下,畜禽糞便將基本實(shí)現(xiàn)資源化利用,化學(xué)肥料也將實(shí)現(xiàn)減量化,自然而然地,過(guò)剩氮量也將逐漸減少。因此,在評(píng)估農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水環(huán)境承載能力時(shí)應(yīng)考慮過(guò)剩氮減量的影響。但是,由于當(dāng)前我國(guó)技術(shù)水平有限,過(guò)剩氮減量是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程,因此,本文分別假定過(guò)剩氮減量25%和50%來(lái)估算各產(chǎn)區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的環(huán)境承載能力。
根據(jù)以上計(jì)算方法,測(cè)算得到2006—2014年7大產(chǎn)區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水環(huán)境承載力情況(表3)。表3數(shù)據(jù)顯示,2014年中國(guó)農(nóng)區(qū)水盈余過(guò)剩氮負(fù)荷為18.66 mg/L,警報(bào)值為0.37,較2006年略有增加,說(shuō)明目前中國(guó)的水環(huán)境總量能夠承載農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總量,但其環(huán)境警報(bào)值已逐漸向污染威脅臨界值逼近,這不得不引起相關(guān)部門(mén)的重視。并且,數(shù)據(jù)還顯示,各農(nóng)區(qū)的水環(huán)境負(fù)荷還存在顯著的區(qū)域差異: (1) 2006—2014年?yáng)|北平原、長(zhǎng)江流域和華南3大農(nóng)區(qū)水盈余過(guò)剩氮負(fù)荷在8.04~16.34 mg/L,警報(bào)值取值分布區(qū)間為0.14~0.33,表明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)水環(huán)境污染幾乎不存在威脅。主要原因是:東北平原的化肥施用強(qiáng)度較低,2014年為262.06 kg/hm2,接近國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(255 kg/hm2)施肥量,化肥的有效利用率較高,致使該地區(qū)的過(guò)剩氮量較少,對(duì)水環(huán)境的壓力較小;而長(zhǎng)江流域和華南位于中國(guó)南部地區(qū),水資源量較為充沛,使得這兩個(gè)農(nóng)區(qū)的水盈余量相對(duì)較多,對(duì)農(nóng)業(yè)污染物質(zhì)的承載能力較強(qiáng)。(2) 汾渭平原和河套灌區(qū)2014年水盈余過(guò)剩氮負(fù)荷警報(bào)值在0.7~1.0,較2006年1.0以上的警報(bào)值有較大改善,表明2006年以來(lái),農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)水環(huán)境污染的威脅有所緩解,但仍存在污染風(fēng)險(xiǎn)。(3) 甘肅新疆的水盈余過(guò)剩氮負(fù)荷警報(bào)值為1.31,黃淮海平原的警報(bào)值為-16.35,表明這2個(gè)農(nóng)區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已超出了水資源的承載負(fù)荷,對(duì)水環(huán)境造成了較為嚴(yán)重的污染威脅,尤其是黃淮海平原,水盈余量為負(fù)值,表明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)本身已出現(xiàn)水資源短缺現(xiàn)象,再加上農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污染物排放對(duì)水資源的壓力,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)環(huán)境污染的威脅難以想象,環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)極高。因此,急需對(duì)該農(nóng)區(qū)的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行控制和調(diào)整,包括控制畜禽糞便排放、減少化學(xué)投入品、調(diào)整耗水量大的產(chǎn)業(yè)及提高水資源利用率等。

表3 主產(chǎn)區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水環(huán)境承載力
注:括號(hào)內(nèi)為農(nóng)區(qū)涵蓋的省份數(shù)量。
隨著科技進(jìn)步與可持續(xù)發(fā)展政策引導(dǎo),立足農(nóng)牧結(jié)合,實(shí)現(xiàn)畜禽糞便資源化、化學(xué)肥料減量化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式是未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。表4測(cè)算了過(guò)剩氮分別減少25%和50%情況下的化肥節(jié)約量、水負(fù)荷和警報(bào)值。可以發(fā)現(xiàn):(1) 在畜禽糞便全部用于種植業(yè)的前提下,可分別節(jié)約化肥施用量1.05×107t和2.10×107t,不僅節(jié)約資源,而且保護(hù)環(huán)境;(2) 各農(nóng)區(qū)的水負(fù)荷和警報(bào)值不斷減少,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)環(huán)境污染的威脅性逐漸降低。其中,汾渭平原、河套灌區(qū)和甘肅新疆的環(huán)境威脅性等級(jí)下降較為明顯,當(dāng)過(guò)剩氮減量25%時(shí),汾渭平原和河套灌區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)環(huán)境污染的威脅性由“有”降為“稍有”,甘肅新疆由“較嚴(yán)重”降為“有”;當(dāng)過(guò)剩氮減量50%時(shí),河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)環(huán)境污染的威脅性由“稍有”降為“無(wú)”,甘肅新疆則由“有”降為“稍有”。但黃淮海平原受水資源短缺的影響,一直無(wú)法承受污染物質(zhì)的排放,為此,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源化、減量化的前提下,控制生產(chǎn)總量或發(fā)展節(jié)水工程是該農(nóng)區(qū)發(fā)展的根本出路。

表4 主產(chǎn)區(qū)基于過(guò)剩氮減量的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水環(huán)境承載力
圖1分別顯示了2014年中國(guó)7大農(nóng)區(qū)24個(gè)省份,在現(xiàn)有過(guò)剩氮水平和減量50%水平條件下,水資源對(duì)過(guò)剩氮負(fù)荷的警報(bào)值分級(jí)情況。由圖1可以看出: (1) 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水環(huán)境承載能力不僅存在農(nóng)區(qū)差異,即使在同一農(nóng)區(qū),不同省份間也存在顯著差異。如圖所示,除吉林、黑龍江、湖南、江西、浙江、四川、重慶、廣西、廣東、福建以及云南省外,其他省份均處于污染威脅級(jí)別。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境有“極其嚴(yán)重影響”的地區(qū)是河北、山東、江蘇和寧夏地區(qū);有“很?chē)?yán)重影響”的地區(qū)是遼寧和河南地區(qū);有“較嚴(yán)重影響”的地區(qū)是山西、甘肅和新疆;“有影響”的地區(qū)是陜西;安徽、湖北和內(nèi)蒙古地區(qū)對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境“稍有影響”。(2) 過(guò)剩氮減量50%以后,安徽、湖北和內(nèi)蒙古退出污染威脅范圍;陜西、山西、甘肅和新疆地區(qū)的污染威脅級(jí)別得到不同程度的下降;遼寧、河南、河北、山東、江蘇和寧夏地區(qū)的污染威脅仍維持較高級(jí)別。因此,有必要因“區(qū)”制宜、因“地”制宜地制定農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和農(nóng)業(yè)污染減排政策。

圖1 中國(guó)水環(huán)境負(fù)荷警報(bào)值分級(jí)情況
3.1 與已有研究成果的對(duì)比
目前,關(guān)于水環(huán)境承載力的研究主要集中2個(gè)方面:一是對(duì)水資源承載力狀況的判斷[14-17],二是對(duì)水資源承載規(guī)模的判斷[18-20],但較少有研究考慮環(huán)境污染對(duì)水資源承載力的影響[21],一些學(xué)者采用控制水資源利用率的方法進(jìn)行定量分析,將水資源開(kāi)發(fā)利用率控制在30%~40%,即為生態(tài)環(huán)境預(yù)留60%~70%的水資源空間[22]。而本研究采用水資源對(duì)過(guò)剩氮消納的辦法,可具體量化生態(tài)環(huán)境用水。從數(shù)據(jù)結(jié)果來(lái)看,在現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平下,完全消納過(guò)剩氮量所需的水資源量占水資源總量的6成左右。因此,本研究對(duì)水資源承載力的判斷與前人研究結(jié)論基本一致。從分區(qū)域的環(huán)境承載力來(lái)看,虞祎等[23]采用水資源的最大播種面積及最大載畜量來(lái)反映水資源承載力,得出河北、山西、江蘇、河南、山東和寧夏6省的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模已經(jīng)超過(guò)了水資源承載力的上限,與本文“遼寧、河南、河北、山東、江蘇和寧夏6個(gè)地區(qū)的污染風(fēng)險(xiǎn)最為嚴(yán)重”的研究結(jié)論也基本一致。李靖等[24]采用種植業(yè)虛擬水流動(dòng)合理性指數(shù)對(duì)我國(guó)種植業(yè)布局進(jìn)行評(píng)價(jià),得出江蘇、山西、山東、河北、河南、寧夏地區(qū)種植過(guò)密,超出了水環(huán)境承載力,而在本研究結(jié)論中,除這些地區(qū)外,湖北、新疆和內(nèi)蒙古地區(qū)也均存在一定程度的污染風(fēng)險(xiǎn),這是因?yàn)楸狙芯客瑫r(shí)考慮了種植業(yè)和畜牧業(yè)生產(chǎn)對(duì)水環(huán)境的壓力,所得出污染范圍大于李靖等的研究結(jié)論是合理的。
3.2 化肥減量技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水環(huán)境承載力的影響
減少化肥施用量是提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水環(huán)境承載力最經(jīng)濟(jì)的辦法。眾多研究和數(shù)據(jù)表明,我國(guó)化肥施用量已遠(yuǎn)超過(guò)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)量和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)量,適當(dāng)減少化肥施用量不僅不影響產(chǎn)量,而且節(jié)約資源、保護(hù)生態(tài)環(huán)境。化肥減量技術(shù)體系建設(shè)應(yīng)包括3個(gè)方面: (1) 推廣精準(zhǔn)施肥技術(shù),通過(guò)深入推廣測(cè)土配方施肥等精準(zhǔn)施肥技術(shù),科學(xué)分析基于目標(biāo)產(chǎn)量的施肥量,合理調(diào)整基肥、分蘗肥和穗肥的施用比例,防止過(guò)量施肥;(2) 推廣節(jié)肥增效技術(shù),在化肥減量的基礎(chǔ)上進(jìn)行有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施,使用緩控釋肥、摻混肥等,減少氮素?fù)p失;(3) 完善過(guò)程管理技術(shù),完善基肥深施、肥料運(yùn)籌、控制氨揮發(fā)等過(guò)程管理技術(shù),提高氮素利用效率。
3.3 農(nóng)牧循環(huán)生產(chǎn)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水環(huán)境承載力的影響
立足農(nóng)牧循環(huán)生產(chǎn),促進(jìn)農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用,是提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水環(huán)境承載力最環(huán)保的辦法。此處農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用主要指畜禽糞便的資源化利用。如若將我國(guó)所有畜禽糞便進(jìn)行資源化利用,則可減少1.47×107t過(guò)剩氮排放,相當(dāng)于減少2.26×107t化肥施用量。而耕地是消納畜禽糞便最經(jīng)濟(jì)有效的辦法,實(shí)現(xiàn)各地區(qū)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)規(guī)模相匹配是畜禽糞便有效消納的關(guān)鍵。因此,首先,應(yīng)合理布局農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)。按照耕地承載力劃分畜禽養(yǎng)殖禁養(yǎng)、限養(yǎng)、宜養(yǎng)區(qū);其次,完善農(nóng)牧廢棄物綜合利用技術(shù)體系,創(chuàng)新技術(shù)模式,完善技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)養(yǎng)殖規(guī)模、品種類(lèi)型、區(qū)域生產(chǎn)條件等,研發(fā)相應(yīng)的廢棄物資源化利用、無(wú)害化處理技術(shù)集成模式,促進(jìn)畜禽糞便資源化利用,完善畜禽規(guī)模養(yǎng)殖土地消納配比、沼渣沼液還田等相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)綜合利用、達(dá)標(biāo)排放;最后,探尋種養(yǎng)循環(huán)模式。把畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展與綠色食品、有機(jī)食品生產(chǎn)基地建設(shè)結(jié)合起來(lái),通過(guò)技術(shù)服務(wù)與創(chuàng)新,探尋生態(tài)養(yǎng)殖—沼氣生產(chǎn)—有機(jī)肥還田等多級(jí)種養(yǎng)循環(huán)模式,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境全面協(xié)調(diào)發(fā)展。
3.4 農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水環(huán)境承載力的影響
不同的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)境的污染程度不同,一些是對(duì)污染物質(zhì)的排放量不同,一些是對(duì)污染物質(zhì)的吸收量不同。從排放量來(lái)看,經(jīng)濟(jì)作物比糧食作物的化肥施用強(qiáng)度更高且增長(zhǎng)更快,對(duì)環(huán)境的污染程度更加嚴(yán)重[25];從吸收量來(lái)看,豆科、豆科牧草等作物具有較強(qiáng)的生物固氮功能,對(duì)氮素的吸收能力大于其他作物,對(duì)環(huán)境的污染程度小于其他作物。因此,各地區(qū)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),可在保障糧食安全的基礎(chǔ)上,一方面,建立與豆科等固氮作物的輪作、混套作制度,或適當(dāng)實(shí)施休耕制度,緩解單一輪作或長(zhǎng)期連作帶來(lái)的作物產(chǎn)量和質(zhì)量問(wèn)題,增強(qiáng)作物固氮能力,提高氮素利用效率;另一方面,適度發(fā)展草食畜牧業(yè),發(fā)展牧草業(yè)替代飼料糧產(chǎn)業(yè),建立豆科、禾本科等固氮牧草輪作制度,完善農(nóng)牧結(jié)合的養(yǎng)殖模式,推動(dòng)牧草業(yè)和草食畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展。
3.5 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域布局優(yōu)化
無(wú)污染風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(東北平原、長(zhǎng)江流域和華南):可適當(dāng)增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模,同時(shí)要加大“一控二減三基本”推進(jìn)的步伐。但需要注意的是,這些農(nóng)區(qū)的局部地區(qū)仍存在較高的污染風(fēng)險(xiǎn),如江蘇和遼寧省,因此,還需加強(qiáng)對(duì)局部地區(qū)的污染物消減和總量控制;或是以擴(kuò)大其他優(yōu)勢(shì)產(chǎn)區(qū)生產(chǎn)規(guī)模為前提,適度調(diào)減該地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn),如江蘇省,可適度調(diào)減生豬養(yǎng)殖至浙江,充分發(fā)揮浙江的生態(tài)養(yǎng)殖優(yōu)勢(shì)等。此外,在糧食安全不受威脅前提下,還可以推廣套種豆類(lèi)模式。低污染風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(汾渭平原和河套灌區(qū)):結(jié)合農(nóng)區(qū)優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展特征,重點(diǎn)加強(qiáng)污染物消減措施。如汾渭平原以小麥和玉米為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè),則應(yīng)在穩(wěn)定小麥和玉米生產(chǎn)能力的前提下,側(cè)重科學(xué)施肥技術(shù)的推廣與應(yīng)用,從源頭控制污染排放;河套灌區(qū)以小麥、肉牛、奶牛和羊?yàn)橹鲗?dǎo)產(chǎn)業(yè),則應(yīng)立足農(nóng)牧結(jié)合,促進(jìn)循環(huán)發(fā)展,重點(diǎn)開(kāi)發(fā)有機(jī)肥產(chǎn)業(yè),加大畜禽糞便資源化利用的步伐,減少污染排放。此外,寧夏地區(qū)還應(yīng)開(kāi)發(fā)節(jié)水品種,發(fā)展節(jié)水工程。嚴(yán)重污染風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(甘肅新疆和黃淮海平原):強(qiáng)制實(shí)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總量控制與污染消減措施,以“保生態(tài)”為底線,發(fā)展旱作農(nóng)業(yè)、特色農(nóng)業(yè)和規(guī)模化農(nóng)業(yè)。甘肅和新疆農(nóng)區(qū):建設(shè)新疆地區(qū)優(yōu)勢(shì)高產(chǎn)棉區(qū),實(shí)現(xiàn)棉花全程高標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械化生產(chǎn),降低生產(chǎn)成本,減少污染排放;發(fā)展草食畜牧業(yè),發(fā)展牧草業(yè),提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)對(duì)冗余養(yǎng)分的利用,減少污染排放。黃淮海平原農(nóng)區(qū):以“節(jié)水”為重點(diǎn),糧食生產(chǎn)以高標(biāo)準(zhǔn)良田建設(shè)為抓手,以節(jié)水品種為關(guān)鍵,穩(wěn)定糧食生產(chǎn)能力;畜禽養(yǎng)殖以園區(qū)規(guī)模養(yǎng)殖為主要發(fā)展模式,促進(jìn)循環(huán)發(fā)展。
(1) 2006—2014年中國(guó)農(nóng)區(qū)水盈余過(guò)剩氮負(fù)荷從17.73 mg/L增長(zhǎng)為18.66 mg/L,警報(bào)值由0.35增加至0.37,雖然整體上不存在環(huán)境污染威脅,但環(huán)境警報(bào)值已逐漸向污染威脅臨界值(0.4)逼近,并且存在顯著的區(qū)域差異,黃淮海平原和甘肅新疆的警報(bào)值在1.0以上,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污染威脅較高,河套灌區(qū)和汾渭平原的警報(bào)值在0.7~1.0,環(huán)境污染威脅相對(duì)較低,東北平原、長(zhǎng)江流域和華南的警報(bào)值在0~0.4,基本不存在污染威脅。倘若堅(jiān)持執(zhí)行國(guó)家“一控二減三基本”的政策目標(biāo),當(dāng)污染物質(zhì)減量50%時(shí),可節(jié)省化肥施用量2.10×107t,降低除甘肅新疆外其他農(nóng)區(qū)污染威脅至少一個(gè)等級(jí)。
(2) 各省份之間的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境污染情況更為復(fù)雜。河北、山東、江蘇和寧夏地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境有“極其嚴(yán)重影響”,遼寧和河南地區(qū)有“很?chē)?yán)重影響”,山西、甘肅和新疆地區(qū)有“較嚴(yán)重影響”,陜西“有影響”,安徽、湖北和內(nèi)蒙古地區(qū)“稍有影響”,其余省份基本“沒(méi)有影響”。在污染物減量50%條件下,安徽、湖北和內(nèi)蒙古地區(qū)退出污染威脅范圍;陜西、山西、甘肅和新疆地區(qū)的污染威脅級(jí)別得到不同程度的下降;遼寧、河南、河北、山東、江蘇和寧夏地區(qū)的污染威脅仍維持較高級(jí)別。
(3) 有必要因“區(qū)”制宜、因“地”制宜地制定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方案。對(duì)無(wú)污染風(fēng)險(xiǎn)的地區(qū)(吉林、黑龍江、湖南、江西、浙江、四川、重慶、廣西、廣東、福建以及云南地區(qū)):可適當(dāng)增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模,同時(shí)要加大“一控二減三基本”推進(jìn)的步伐;低污染風(fēng)險(xiǎn)的地區(qū)(安徽、湖北、內(nèi)蒙古、陜西、山西、甘肅和新疆地區(qū)):結(jié)合產(chǎn)業(yè)特點(diǎn),重點(diǎn)加強(qiáng)污染物消減措施;嚴(yán)重污染風(fēng)險(xiǎn)的地區(qū)(遼寧、河南、河北、山東、江蘇和寧夏地區(qū)):強(qiáng)制實(shí)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總量控制與污染消減措施,以“保生態(tài)”為底線,發(fā)展旱作農(nóng)業(yè)、特色農(nóng)業(yè)和規(guī)模化農(nóng)業(yè)。
(4) 后期可進(jìn)一步增加對(duì)農(nóng)業(yè)污染排放COD,TP等指標(biāo)水環(huán)境負(fù)荷警報(bào)值的測(cè)算,參考多個(gè)指標(biāo)的警報(bào)值,提高環(huán)境污染警報(bào)值的敏感度。以期更好地實(shí)現(xiàn)水環(huán)境承載力的可控和生態(tài)環(huán)境的平衡。
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Assessment on Water Environmental Carrying Capacity of Agricultural Production and Pollution Risk in China
ZHENG Weiwei, YI Zhongyi, SHEN Guiyin
(InstituteofAgriculturalEconomicsandInformation,JiangsuAcademyofAgriculturalSciences,Nanjing,Jiangsu210014,China)
[Objective] In order to control the water environment carrying capacity and achieve the balance of ecological environment. this paper evaluated the water environment carrying capacity of agricultural production and the pollution risk, aimed to provide reference, and opinion for rational planning of agricultural production density and regional distribution, and for further sustainable development of agriculture. [Methods] According to the statistical data of 7 crop-growing areas of 24 provinces in China during 2006—2014, the paper estimated the water environmental carrying capacity of agricultural production with surplus nitrogen and water surplus methods. [Results] Chinese load alarm value of agricultural production on water environment was closed to the critical value of pollution. The pollution risks of Liaoning, Henan, Hebei, Shandong, Jiangsu and Ningxia’s was in the highest list. [Conclusion] The highest pollution risk areas should enforce the total amount control of agricultural production and pollution reduction measures. The Northeast plain, the Yangtze River basin and South China had no pollution risk, having some potential to expand the scale of agricultural production. Hetao irrigation district and Fenwei Plain had low pollution risk. The government should also consider the endemic traits of industrial development in the enhancement of pollutant abatement.
agricultural production; water environment; environmental carrying capacity; pollution risk
2016-08-09
2016-08-31
國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“環(huán)境目標(biāo)約束下農(nóng)戶技術(shù)選擇:個(gè)體行為與制度安排”(71273147); 中國(guó)博士后科學(xué)資助項(xiàng)目(2015M581756)
鄭微微(1987—),女(漢族),浙江省臺(tái)州市人,博士,助理研究員,主要從事農(nóng)村環(huán)境經(jīng)濟(jì)方面的研究。E-mail:starxiaowei168@163.com。
A
1000-288X(2017)02-0261-07
X508