中國農業生產水環境承載力分析*

鄭微微，易中懿，徐雪高

(江蘇省農業科學院農業經濟與信息研究所,南京 210014)

·資源利用·

中國農業生產水環境承載力分析*

鄭微微，易中懿，徐雪高※

(江蘇省農業科學院農業經濟與信息研究所,南京 210014)

[目的]通過測算農業生產水環境承載力來評價我國農業生產污染狀況，并據此對我國農業生產力布局提出建議。[方法]利用中國2006、2014年七大農區24省份統計數據，采用過剩氮和水盈余方法測算農業生產水環境承載力及其污染風險。[結果]目前我國水資源總量能夠承載農業生產總量，但其環境警報值不斷向污染威脅臨界值逼近，并且存在顯著的區域差異；東北平原、長江流域和華南絕大部分地區的農業生產在環境承載力范圍內；汾渭平原和河套灌區的農業生產對環境存在略微的污染風險；甘肅新疆和黃淮海平原的農業生產嚴重超出環境承載力，污染風險最為嚴重。[結論]可適當增加東北平原、長江流域和華南絕大部分地區的農業生產規模；加強汾渭平原和河套灌區的污染物質消減措施；強制實行甘肅新疆和黃淮海平原的生產總量控制與污染消減措施。同時，還可以從節水技術、減排技術、作物耕作制度、農牧循環體系及政策法規等方面入手，全面提高農業生產水環境承載力。

農業生產 水資源 過剩氮 環境承載力 布局 優化

0 引言

改革開放以來，中國農業經濟取得了巨大增長，但該增長是以環境損失為代價的，產生了大量的農業面源污染[1]。據第一次全國污染源普查資料顯示，我國農業面源污染已遠超過工業與生活源污染，成為污染源之首。主要表現為，畜禽養殖糞便的不合理排放、種植業農藥和化肥等農用物資的不合理和過量施用，使氮素和磷素等營養物質、農藥及其他有機或無機污染物質，在降水或灌溉過程中通過農田地表徑流、壤中流、農田排水和地下滲漏進入水體，進而引起地表和地下水環境的污染[2-4]。農業面源污染已成為水環境污染的主要來源之一[5]。《2014年中國環境狀況公報》顯示，全國廢水中COD排放總量為2 294.6萬t，其中農業源排放占48.08%； NH3-N排放總量為238.5萬t，其中農業源排放占31.66%。事實上，水環境對農業生產污染物具有一定的凈化能力，但在一定時間內，該凈化能力是有限的。區域農業生產應該符合該地區水環境承載能力，其農業生產密度應不超過該地區水環境的最大承載能力。農業部《關于進一步調整優化農業結構的指導意見》明確指出農業生產新格局當與資源環境承載能力相匹配。因此，對農業生產水環境承載能力進行科學評價是構建農業生產新格局，實現農業可持續發展的前提和基礎。

目前，關于水環境承載力的研究主要集中2個方面：一是對水資源承載力狀況的判斷，主要通過灰色關聯度(聚類)分析法、模糊評價法及主成分分析法等方法構建水資源承載力評價指標體系，綜合評價水資源、社會、經濟及生態環境對水資源承載力的影響[6-10]。二是對水資源承載規模的判斷，通常采用常規趨勢法、系統動力學方法及多目標決策分析法等計算在一定條件下的最大可承載規模[11-14]。但以上研究較少考慮環境污染對水資源承載力的影響[15]。而隨著環境污染問題被不斷重視，這將不斷擴大對水資源承載力的預測誤差。因此，文章從農業面源污染出發，以扣除各業生產用水后的水盈余量對農業面源污染的負荷作為農業生產水環境承載力的評價指標，重新評價我國農業生產的水環境承載力，并據此提出我國農業布局的優化方向及相應的政策建議，為加強農業可持續發展能力建設提供依據。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究方法

1.1.1 農業面源污染衡量

根據曲勞(Truog)養分平衡法理論，當進入農業生產系統的氮(磷)素，包括畜禽糞便中的氮(磷)素和化學肥料中的氮(磷)素，及土壤本身蓄積的氮(磷)素超過了作物需要時，就會發生養分冗余問題，該養分冗余便是導致水體富營養化污染的主要原因。該文參考張暉等(2009)[16]的研究成果，以冗余的氮素為例來計算農業面源污染排放，稱之為過剩氮，具體計算公式如下：

Nsurplus=Nanimal+NCF+Nland-Ncrop

(1)

式中，Nanimal、NCF、Nland、Ncrop分別為牲畜糞肥中的含氮量，化肥中的含氮量，土壤的蓄積氮量及作物的氮素需求量。Nanimal、NCF、Nland、Ncrop的計算公式如下：

Nanimal=∑iαiXi

(2)

NCF=∑jβjYj

(3)

Nland=∑kγkZk

(4)

Ncrop=∑kδkWk

(5)

式中，αi、βj、γk、δk分別為i種畜禽的糞肥含氮系數，j種化肥的含氮系數，k種作物土壤中的氮蓄積系數及k種作物的耗氮系數，Xi、Yj、Zk、Wk分別為i種畜禽的飼養量，j種化肥的使用量，k種作物的播種面積及k種作物的產量。出于數據可獲得性的考慮，該文計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表示，作物品種包括谷物、豆類等糧食作物、棉花、油料、麻類、蔬菜及瓜果等。

1.1.2 水盈余量測算

水盈余量，即地區水資源總量扣除各業用水量后的水資源量。當水盈余量為正時，說明該地區的水資源能夠稀釋更多的污染物至可接受的水平； 當水盈余量為負數時，表明該地區的水資源量相對短缺，不存在多余的水資源供稀釋污染物質，有必要對相關產業生產進行調整和控制。水盈余量計算公式如下：

WS=WA-WB

(6)

其中，WS為水盈余量，WA為水資源總量，WB為現有技術經濟水平下各業用水量，包括農業用水、工業用水*《中國統計年鑒》對工業用水的統計口徑為：“工礦企業在生產過程中用于制造、加工、冷卻、空調、凈化、洗滌等方面的用水，按新水取用量計，不包括企業內部的重復利用水量。”已經包含工業污染“凈化”的用水量，因此該文不重復考慮工業污染排放對水資源的負荷。、生活用水和生態用水。

1.1.3 農業生產水環境承載力測算

根據前文對農業面源污染排放(過剩氮)及水盈余量的測算，該文以單位水盈余量對過剩氮負荷來表征農業生產水環境承載力，其計算公式為：單位水盈余量過剩氮負荷=過剩氮量/水盈余量，采用單位水盈余量過剩氮負荷除以水資源理論最大適宜氮素承載量，其比值即為地區水環境對農業生產污染物負荷量承受程度的警報值，隨著數值的增大，水環境對農業生產污染物負荷量承受能力逐漸下降，農業生產對環境造成的污染威脅性越大。參考土壤污染物負荷警報值分級，該文對水環境污染物負荷警報值分級情況如表1所示。以歐盟農業政策中推薦的水體含氮量50mg/L作為水環境承載力的標準[17]。值得注意的是，當水盈余量為負數時，表明該地區已不存在能夠稀釋污染物質的水盈余量，現有技術水平下的農業生產對水環境的污染威脅極其嚴重。此時，計算得的警報值為負值，表示水環境不僅不能再承載農業生產規模的擴大，而且對該地區耗水量大的產業都應該進行必要的調整。

表1 水環境污染物負荷警報值分級

警報值0～0 40 4～0 70 7～1 01 0～1 51 5～2 5>2 5分級級數123456對環境的威脅性無稍有有較嚴重嚴重很嚴重 注：警報值<0，表示對環境的威脅性極其嚴重

1.2 數據來源及說明

農業生產水環境承載力評價應圍繞農業生產主產區展開。對農業生產主產區進行水環境承載能力評價，提高農業生產與主產區水環境承載之間的適應性，對指導全國農業可持續發展更具有針對性和重要性。為此，該文參考“七區二十三帶”農業戰略核心區域劃分方法，將我國農業生產主產區劃分為七大主產區：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(包括寧夏和內蒙古)、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24個省份，涉及水稻、小麥、玉米、棉花、大豆、油菜、甘蔗、棉花、生豬、肉牛、羊、奶牛和家禽等全國主要農產品產業。其中，測算模型中，畜禽飼養量數據來源于《中國畜牧獸醫年鑒》，化肥施用量、作物播種面積、產量及各業水資源數據來源于《中國統計年鑒》，各類含(耗)氮系數分別來源于公開出版(發表)的論著[18](期刊文獻)[19～20]。

2 農業生產水環境承載力測算結果與分析

根據以上計算方法，測算得到2006和2014年七大農區農業生產水環境承載力情況(表2)。

表2 主產區農業生產水環境承載力 萬t、億m3、mg/L

表2數據顯示， 2014年我國農區水盈余過剩氮負荷為18.66mg/L，警報值為0.37，較2006年略有增加，說明目前我國的水資源總量能夠承載農業生產總量，但其環境警報值已逐漸向污染威脅臨界值逼近，這不得不引起相關部門的重視。并且，數據還顯示，各農區的水環境負荷還存在顯著的區域差異：(1)東北平原、長江流域和華南三大農區水盈余過剩氮負荷在8.04～16.34mg/L之間，警報值取值分布區間為0.14～0.33，表明農業生產對水環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度較低， 2014年為262.06kg/hm2，接近國際標準(255kg/hm2)施肥量，化肥的有效利用率較高，致使該地區的過剩氮量較少，對水環境的壓力較小； 而長江流域和華南位于我國南部地區，水資源量較為充沛，使得這兩個農區的水盈余量相對較多，對農業污染物質的承載能力較強。(2)汾渭平原和河套灌區2014年水盈余過剩氮負荷警報值在0.7～1.0之間，較2006年1.0以上的警報值有較大改善，表明，農業生產對水環境污染的威脅有所緩解，但仍存在污染風險。這與劉海啟等對西北旱區(也包括山西、陜西、寧夏和內蒙古等)農牧業水資源利用的研究結論“還不能說是對水資源的嚴重透支”[21]基本相符。(3)甘肅新疆的水盈余過剩氮負荷警報值為1.31，黃淮海平原的警報值為-16.35，表明這兩個農區的農業生產已超出了水資源的承載負荷，對水環境造成了較為嚴重的污染威脅，尤其是黃淮海平原，水盈余量為負值，表明農業生產本身已出現水資源短缺現象，再加上農業生產污染物排放對水資源的壓力，農業生產對環境污染的威脅難以想象，環境污染風險極高。因此，急需對該農區的農業產業進行控制和調整，包括控制畜禽糞便排放、減少化學投入品、調整耗水量大的產業及提高水資源利用率等。

圖1 水環境負荷警報值分級情況

圖1顯示了2014年我國七大農區24個省份水資源對過剩氮負荷的警報值分級情況。可以看出：農業生產水環境承載能力不僅存在農區差異，即使在同一農區，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、福建以及云南外，其他省份均處于污染威脅級別。農業生產對當地環境有“極其嚴重影響”的地區是河北、山東、江蘇和寧夏； 有“很嚴重影響”的地區是遼寧和河南； 有“較嚴重影響”的地區是山西、甘肅和新疆； “有影響”的地區是陜西； 安徽、湖北和內蒙古對當地環境“稍有影響”。因此，有必要因“區”制宜、因“地”制宜地制定農業產業發展和農業污染減排政策。

3 農業生產力布局優化建議

根據農業生產水環境承載力測算方法，農業生產水環境承載力主要與地區水資源利用效率、種植業化肥利用效率及畜禽養殖密度有關。因此，根據水環境承載力對農業生產力布局的優化建議主要圍繞農業生產布局及節水、節肥、節藥等方面展開。本部分根據各地區不同的環境承載能力及污染風險評價，結合各地區各異的農業產業發展狀況及自然資源條件，對農業生產新格局的優化建議如下。

(1)無污染風險區(東北平原、長江流域和華南)：可適當增加農業生產規模，同時要加大“一控二減三基本”推進的步伐。但需要注意的是，這些農區的局部地區仍存在較高的污染風險，如長江流域的江蘇污染風險“極其嚴重”，東北平原的遼寧污染風險“很嚴重”。因此，還需加強對局部地區的污染物消減和總量控制； 或是以擴大其他優勢產區生產規模為前提，適度調減該地區的農業生產，如江蘇，可適度調減生豬養殖至浙江，充分發揮浙江的生態養殖優勢，等。此外，在糧食安全不受威脅前提下，還可以推廣套種豆類模式。

(2)低污染風險區(汾渭平原和河套灌區)：結合農區優勢產業發展特征，重點加強污染物質消減措施。如汾渭平原以小麥和玉米為主導產業，則應在穩定小麥和玉米生產能力的前提下，側重科學施肥技術的推廣與應用，從源頭控制污染排放； 河套灌區以小麥、肉牛、奶牛和羊為主導產業，則應立足農牧結合，促進循環發展，重點開發有機肥產業，加大畜禽糞便資源化利用的步伐，減少污染排放。此外，寧夏地區還應開發節水品種，發展節水工程。

(3)嚴重污染風險區(甘肅新疆和黃淮海平原)：強制實行農業生產總量控制與污染消減措施，以“保生態”為底線，發展旱作農業、特色農業和規模化農業。甘肅新疆農區：建設新疆優勢高產棉區，實現棉花全程高標準機械化生產，降低生產成本，減少污染排放； 發展草食畜牧業，發展牧草業，“為牧而種”，提高農業生產系統對冗余養分的利用，減少污染排放。黃淮海平原農區：以“節水”為重點，糧食生產以高標準良田建設為抓手，以節水品種為關鍵，穩定糧食生產能力； 畜禽養殖以園區規模養殖為主要發展模式，促進循環發展。

4 相關政策措施

綜合以上分析與討論，提高水環境承載力必須以保障糧食安全和菜籃子產品的有效供給為前提，以減量化、無害化、資源化為原則，堅持農牧結合、種養循環，在農業生產合理布局的基礎上，提高水資源、化學肥料和畜禽糞便的利用效率。因此，該文提出如下配套政策措施。

4.1 推廣創新農業節水技術

推廣創新農業節水技術，尤其對水資源短缺地區(如河北、山東、江蘇和寧夏)，是提高水資源利用效率、提高水環境承載能力的主要戰略選擇。主要包括3個方面：(1)推廣節水灌溉技術，積極推進“噴灌”、“滴灌”等集約型用水方式，逐步淘汰傳統“漫灌”粗放型用水方式，提高水資源利用效率； (2)研發節水品種，研發地區優勢產品的節水品種，大面積減少作物需水量，提高水環境容量； (3)加強水利設施建設，實現水資源地區間調配，緩解水資源匱乏地區的現實問題。

4.2 構建化肥減量技術體系

減少化肥施用量是提高農業生產水環境承載力最經濟的辦法。眾多研究和數據表明，我國化肥施用量已遠超過經濟最優量和國際標準量，適當減少化肥施用量不僅不影響產量，而且節約資源、保護生態環境。化肥減量技術體系建設應包括3個方面：一是推廣精準施肥技術，通過深入推廣測土配方施肥等精準施肥技術，科學分析基于目標產量的施肥量，合理調整基肥、分蘗肥和穗肥的施用比例，防止過量施肥； 二是推廣節肥增效技術，在化肥減量的基礎上進行有機無機肥配施，使用緩控釋肥、摻混肥等，減少化肥損失； 三是完善過程管理技術，完善基肥深施、肥料運籌、控制氨揮發等過程管理技術，提高肥料利用效率。

4.3 建立合理的農作物輪作、休耕制度

不同的農業產業結構對環境的污染程度不同，一些是對污染物質的排放量不同，一些是對污染物質的吸收量不同。從排放量來看，經濟作物比糧食作物的化肥施用強度更高且增長更快，對環境的污染程度更加嚴重[22]； 從吸收量來看，豆科、豆科牧草等作物具有較強的生物固氮功能，對氮素的吸收能力大于其他作物，對環境的污染程度小于其他作物。因此，各地區的產業結構，可在保障糧食安全的基礎上，一方面，建立與豆科等固氮作物的輪作、混套作制度，或適當實施休耕制度，緩解單一輪作或長期連作帶來的作物產量和質量問題，增強作物固氮能力，提高化肥利用效率； 另一方面，適度發展草食畜牧業，發展牧草業替代飼料糧產業，減少化肥用量，并建立豆科、禾本科等固氮牧草輪作制度，完善農牧結合的養殖模式，推動牧草業和草食畜牧業可持續發展。

4.4 建立農牧循環生產體系

立足農牧循環生產，促進農業廢棄物資源化利用，是提高農業生產水環境承載力最環保的辦法。此處農業廢棄物資源化利用主要指畜禽糞便的資源化利用。如若將我國所有畜禽糞便進行資源化利用，則可減少1 468.6萬t過剩氮排放，相當于減少2 259.4萬t化肥施用量*根據該文計算的畜禽養殖TN排放量，按照化肥平均含氮系數進行折算。。而耕地是消納畜禽糞便最經濟有效的辦法，實現各地區農牧業生產規模相匹配是畜禽糞便有效消納的關鍵。因此，首先，應合理布局農牧業生產。按照耕地承載力劃分畜禽養殖禁養、限養、宜養區； 其次，完善農牧廢棄物綜合利用技術體系，創新技術模式，完善技術標準。根據養殖規模、品種類型、區域生產條件等，研發相應的廢棄物資源化利用、無害化處理技術集成模式，促進畜禽糞便資源化利用，完善畜禽規模養殖土地消納配比、沼渣沼液還田等相關技術標準，實現綜合利用、達標排放； 最后，探尋種養循環模式。把畜禽養殖業發展與綠色食品、有機食品生產基地建設結合起來，通過技術服務與創新，探尋生態養殖-沼氣生產-有機肥還田等多級種養循環模式，實現農業生產與生態環境全面協調發展。

4.5 加強政府政策規制與補貼

充分運用強制性政策工具，在區域性養殖發展規劃、養殖總量控制、養殖排放標準、畜禽規模養殖場市場準入、種養布局調整、環境監管等方面做好頂層設計，完善法律規章，掌握污染防治主動權，從源頭減少污染排放。同時，建立綠色生態導向的補貼制度，減少并逐步取消對化肥企業的財政補貼和稅收優惠，提高對新型環保肥料和測土配方施肥等的補助力度，從外源投入控制農牧系統中的過量養分。最后，將氮(磷)等元素納入土地質量等級評價體系，真實反映污染物排放對土地產能的影響，明確土地整治方向，系統控制農業面源污染排放。

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ANALYSIS ON WATER ENVIRONMENTAL CARRYING CAPACITY OF AGRICULTURAL PRODUCTION IN CHINA*

Zheng Weiwei, Yi Zhongyi, Xu Xuegao※

(Institute of Agricultural Economics and Development，Jiangsu Academy of Agricultural Sciences，Nanjing 210014，China)

This article evaluated the pollution status of agricultural production in China by calculating the water environmental carrying capacity, and then it put forward some suggestions on the layout of agricultural productivity. The statistical data from 7 crops growing areas in 24 provinces of China in 2006 and 2014 were used in the paper. The results showed that China′s total water resources could support the agricultural production, but the environmental warning value approached to the pollution threat threshold, with significant regional differences. The agricultural production in Northeast Plain, Yangtze River Basin and South China was within the scope of environmental bearing capacity, but the agricultural production in Hetao Irrigation District and Fenwei plain had slight pollution risk, and was beyond the environmental bearing capacity in Xinjiang, Gansu province and Huang-huai-hai plain. It should appropriately expand the scale of agricultural production in Northeast Plain, Yangtze River Basin and South China, mitigate the pollutants combined with regional industrial development characteristics in Hetao Irrigation District and Fen Wei plain, and enforce total pollution reduction in Xinjiang, Gansu province and Huang-huai-hai plain. Meanwhile, in order to improve water environment carrying capacity of agricultural production, it also should adopt measures on water saving technology, emission reduction technology, crop farming system, agriculture and animal husbandry circulation system, and policy laws and regulations, etc.

agricultural production; water resources; excess nitrogen; environmental carrying capacity; layout; optimization

10.7621/cjarrp.1005-9121.20170520

2016-08-31

鄭微微(1987—)，女，浙江臺州人，博士、助理研究員。研究方向：資源環境經濟。※

徐雪高(1981—)，男，江蘇無錫人，博士、研究員。研究方向：農業經濟。Email： 308836783@qq.com

*資助項目：國家自然科學基金面上項目“環境目標約束下農戶技術選擇：個體行為與制度安排”(71273147)； 中國博士后科學基金項目“環境承載力、農業結構調整與化肥減量研究”(2015M581756)

F303.4; X52

A

1005-9121[2017]05134-07