河北省種植業水污染足跡初報

杜 玲，徐長春，吳 堯，王 猛，陳 阜*

（1.中國農業大學農學院/農業部農作制度重點實驗室，北京 100193；2.農業部科技發展中心，北京 100122）

水資源短缺與水污染已經成為制約中國可持續發展的兩大瓶頸問題[1－2]。河北省作為我國重要的糧食生產區，1995—2014年這20年間全省糧食產量提高22.7%，而化肥施用量相應提高52.1%[3]，以2014年為例，河北省小麥單位面積化肥施用量達450 kg·hm－2，比全國平均水平高出11.1%，化肥的高投入使隨之產生的水資源污染問題日益嚴重，因此，在農業綠色發展和供給側結構性改革的背景下，研究河北不同地區農作物種植水污染問題，對河北的水資源可持續利用以及生態環境的協調發展有重要意義。

“水足跡”是衡量生產者或消費者直接和間接使用水資源量的指標[4]，可用來核算直接和間接的水資源消耗和污染，目前在水資源研究領域得到了較為廣泛應用[5－7]。Hoekstra 等[8]和徐長春等[9]總結了基于虛擬水的水足跡計算方法，2014年國際標準組織發布了ISO 14046水足跡計算國際標準，明確將水足跡指標分為水消耗和水污染兩部分[10]。Ridoutt等[11]曾提出采用水資源壓力指數計算消耗水當量，體現農作物種植的水資源消耗對環境的影響，采用Recipe生命周期評價法（Life Cycle Assessment，LCA）來計算水污染足跡，體現農作種植中化肥的使用帶來的環境影響，可將二者所帶來的環境影響進行比較。目前針對水污染的水足跡研究一般采用灰水足跡作為評價指標，多是采用臨界稀釋法來計算[12－13]，但存在的問題是研究結果僅能衡量水污染的體積而不能反映水污染對當地環境的影響程度。隨著水足跡理論方法的不斷完善，基于生命周期評價的水足跡計算方法得到越來越多的應用[14－17]，該研究方法可反映產品、過程或組織的水資源消耗與污染造成的潛在環境影響。

Recipe作為一種生命周期影響評價的方法[18]，列舉了一個產品在整個生命周期中各類物質的投入造成各類影響的分類指標，在中端水平（Midpoint level）上列舉了具體的18項影響指標，后又將這18項影響指標進行分類，在終端水平（Endpoint level）上，劃分成三大影響指標，即人類健康、生態系統、資源成本，影響指標的體現方式是采用生態系統中物種的變化來表示。采用Recipe方法來計算農產品生命周期中的水污染是水足跡研究的一個創新方法。本文以河北省為例，在分析河北各地市施肥狀況的基礎上，計算河北各地市1995—2014年種植業引起的單位面積水污染足跡，同時對各地市不同年代的區域水污染足跡進行比較分析，為下一步河北地區的種植業水資源優化利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 區域概況

河北地處我國中緯度地帶，屬半干旱、半濕潤氣候帶，暖溫帶大陸性季風氣候，光熱資源豐富，四季變化明顯，雨熱同季。冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨。年平均氣溫11.5～12.5℃，積溫4100～5300℃，無霜期176～205 d，年降水量 500～800 mm，降雨季節性分布不均，主要集中在夏季。河北地區糧食作物以冬小麥、夏玉米為主，經濟作物以棉花為主，是典型的棉糧產區。

1.2 研究方法

1.2.1 單位面積水污染足跡（water degradation footprint，wdf）

根據Recipe方法中的影響分類，農作物生長過程中施用的N、P肥料未被作物吸收利用而流失產生的影響主要包括水體富營養化、土壤毒性、淡水毒性、海水毒性等，每一類影響指標都有具體的影響系數，另外，農藥的使用也會產生相應的環境影響，但鑒于數據的可獲得性，以及前人的研究中農藥造成的水污染遠小于N、P肥流失造成的水污染，此處忽略不計[19]。

單位面積水污染足跡的計算公式如下：

式中：wdf為單位面積水污染足跡，Ml·H2Oe·hm－2；Recipe(N)和Recipe(P)分別為N、P產生環境影響值，ReCiPe，Recipe（global）為 1 L 淡水的世界平均環境影響值，ReCiPe·（L H2Oe）－1。

根據Recipe 2015報告中提供的參數，經過標準化系數修正，并按照生態系統影響在整個影響中占40%的比例，可計算出在生命周期影響評價的終端水平上，1 kg P 對應的影響值為 0.912 ReCiPe·kg－1，另外，根據 Sepp?l?等[20]和 Huang 等[21]的研究，N 產生的水體富營養化影響是P的0.137倍，則1 kg N對應的影響值為 0.125 ReCiPe·kg－1，而 Recipe（global）為 1.86×10－6ReCiPe·（L H2Oe）－1，因此公式（1）進而可描述為：

式中：TN 為單位面積施用的純 N 量，kg·hm－2；TP 為單位面積施用的純 P 量，kg·hm－2；λN和 λP分別為 N和P的流失率。

1.2.2 區域水污染足跡（Water Degradation Footprint，WDF）

區域水污染足跡的計算方法如下：

式中：WDF 表示區域水污染足跡，Ml·H2Oe；S 表示區域的農作物播種面積，hm2。

1.3 數據來源

各地市歷年的農作物施肥折純量來源于《河北農村統計年鑒》[3]，各地市N、P肥的流失率由《河北省農業污染源調查與評價》中的數據折算而成[22]，見表1。

表1 河北省各地市農作物種植肥料流失率Table1 Fertilizer loss index during crop cultivation in different cities of Hebei Province

圖1 1995—2014年河北省各地市農作物單位面積施N量變化Figure1 N fertilizer application rate per unit in different cities of Hebei Province from 1995 to 2014

2 結果與分析

2.1 各地市農作物單位面積施肥量

河北省各地市1995—2014年農作物單位面積施N量變化情況見圖1。1995年河北省農作物單位面積施 N 量為 178.3 kg·hm－2，2014 年該值提高了 36.3%，達到243.1 kg·hm－2。其中，秦皇島的農作物單位面積施N量在1995—2014年年均值最高，達335.4 kg·hm－2，石家莊和唐山的施N量緊隨其后，分別為323.2、300.9 kg·hm－2，邯鄲、保定、廊坊的年均單位面積施 N量相近，均在 230 kg·hm－2左右，邢臺、承德、滄州、衡水的農作物年均施N量在160～200 kg·hm－2之間，張家口的施N量最小，僅79.7 kg·hm－2。另外，秦皇島的農作物單位面積施N量增長最快，2014年比1995年增長了77.7%，邯鄲、衡水、張家口的增幅在40%～44%之間，其他各地市增長幅度在18%～36%之間。

河北省各地市1995—2014年農作物單位面積施P量變化情況見圖2。1995年河北省農作物單位面積施 P 量為 55.2 kg·hm－2，2014 年該值提高了 52.5%，達到84.2 kg·hm－2。從圖2可看出，邯鄲的農作物單位面積施P量一直最高，年均施P量達119.1 kg·hm－2，張家口的年均施P量最小，為27.0 kg·hm－2，其他地市的農作物單位面積施P量大小排序為石家莊、秦皇島、邢臺、衡水、保定、唐山、滄州、廊坊、承德，另外，承德、張家口、秦皇島在2014年的單位面積施P量均比1995年增長一倍多，唐山的單位面積施P量也增長了88.8%，其他地市的農作物單位面積施P量也有一定的增長，增長幅度最小的是石家莊，為16.1%。

2.2 各地市農作物種植施肥總量

比較河北省各地市在1995、2004和2014年農作物種植N肥施用總量（見圖3），由圖可知，石家莊、保定、邯鄲是3年中N肥施用總量均排前三的地市，承德、秦皇島、張家口因農作物種植面積有限，N肥施用總量較少；從施用量變化趨勢來看，保定、邯鄲、滄州、衡水、廊坊和秦皇島的N肥施用總量呈遞增趨勢，其中，滄州的N肥施用總量提高幅度最大，2014年比1995年提高了22.7%；石家莊、唐山、邢臺的N肥施用量在2004年最高，承德和張家口的N肥施用量在2004年最低。

比較河北省各地市在1995、2004和2014年農作物種植P肥施用總量（圖4）可知，邯鄲、石家莊、邢臺是3年中P肥施用總量均排前三的地市，邯鄲3年P肥施用量均值達9.9×104t，承德、秦皇島因農作物種植面積有限，P肥施用總量較少，廊坊的P肥施用總量與這兩個地市相當。從施用量變化趨勢來看，衡水、滄州、張家口、廊坊和承德5個地市的P肥施用總量呈遞增趨勢，其中，承德的P肥施用總量提升最大，3年里增長了1.8倍，其次是衡水，2014年的P肥施用量比1995年提升60.8%；邯鄲、石家莊、邢臺、唐山、秦皇島的P肥施用量在2004年最高；保定的P肥施用量在1995年和2004年相當，均為6.1×104t，2014年減少至 5.8×104t。

圖2 1995—2014年河北省各地市農作物單位面積施P量變化Figure2 P fertilizer application rate per unit in different cities of Hebei Province from 1995 to 2014

圖3 1995、2004和2014年河北省各地市農作物種植施N肥總量Figure3 N fertilizer application rate in different cities of Hebei Province in 1995，2004 and 2014

2.3 各地市單位面積水污染足跡變化

從圖5可看出，在2006年以前石家莊的農作物種植單位面積水污染足跡wdf一直處于最高，但在2006年以后，秦皇島的wdf持續升高并超過石家莊，成為河北wdf最高的地市。比較各地市wdf的年際變化，發現秦皇島的年際增長率最高，2014年的wdf比1995年提高91.7%，其次是張家口和衡水，20年間wdf分別提高73.2%和63.9%，而石家莊的wdf增長率最低，20年間提高了21.0%，其他地市的wdf增長率在30%～50%之間。各地市的wdf年際均值比較（表2），石家莊最高，為 2.350 Ml·H2Oe·hm－2，其次是秦皇島和邯鄲，張家口最低，石家莊的年均wdf是張家口的4倍。

2.4 各地市區域水污染足跡變化

河北省各地市1995、2004、2014這3年基于農作物種植的區域水污染足跡WDF如圖6所示。按照水污染足跡的數值進行等級劃分：Ⅰ級區WDF＞1800 Ml·H2Oe，Ⅱ級區 1800 Ml·H2Oe＞WDF＞1401 Ml·H2Oe，Ⅲ級區 1400 Ml·H2Oe＞WDF＞901 Ml·H2Oe，Ⅳ級區900 Ml·H2Oe＞WDF＞601 Ml·H2Oe，Ⅴ級區 600 Ml· H2Oe＞WDF＞300 Ml·H2Oe，由圖 6 可見，1995 年僅石家莊進入Ⅰ級區，保定和邯鄲處于Ⅱ級區，邢臺、滄州、唐山處于Ⅲ級區，衡水和廊坊處于Ⅳ級區，Ⅴ級區包括承德、秦皇島和張家口；2004年，各地市的WDF均升高，邯鄲和保定升入Ⅰ級區，邢臺、唐山升入Ⅱ級區，衡水升入Ⅲ級區，其他各地市的WDF雖升高，但各地市所處等級沒有變化；到了2014年，各地市的水污染狀況進一步加重，滄州的WDF升入Ⅱ級區，秦皇島的WDF升入Ⅳ級區，其他各地市所處等級未變化。

總體來看，各地市在這3年里的WDF均呈增長趨勢，其中，秦皇島的WDF增長比例最大，2014年比1995年增長了77.4%，其次是衡水，增長比例為66.7%，而WDF 3年均值最高的為石家莊，2014年WDF比1995年增長26.7%，在所有地市中增長比例最小。

圖4 1995、2004和2014年河北省各地市農作物種植施P肥總量Figure4 P fertilizer application rate in different cities of Hebei Province in 1995，2004 and 2014

圖5 1995—2014年河北省各地市單位面積水污染足跡變化Figure5 wdf in different cities of Hebei Province from 1995 to 2014

表2 河北省各地市農作物單位面積水污染足跡均值（Ml·H2Oe·hm－2）Table2 Annual average wdf in different cities of Hebei Province（Ml·H2Oe·hm－2）

3 討論

本文采用Recipe生命周期環境評價法，為水污染足跡的計算提供了具體方法。該方法有效量化了化肥施用產生的環境影響，并實現了將水污染和水資源消耗對應的水足跡指標在同一量綱上進行加和、比較。目前的許多研究一般是從水消耗和水污染對環境影響兩個角度分別來探討水資源利用問題，如吳佩林[23]在比較我國各省市的水資源壓力分析中，把河北定義為生態壓力型水資源緊缺區，徐長春[24]使用生命周期評價的方法計算玉米在不同地區的水足跡，發現在東北平原生產1 kg玉米消耗的水資源對環境造成的影響遠小于在華北平原生產1 kg玉米造成的影響，孫才志等[25]在比較中國省際灰水足跡時，認為農業對總灰水足跡的貢獻率最高，而河北作為農業大省其灰水足跡排在全國第三位。本研究的研究結果可與水消耗對環境的影響值直接進行加和，即可將水污染足跡與水消耗足跡進行統一，在評價某一作物在不同地區種植時利用水資源所帶來的環境影響會更加全面、科學。目前國內學者多采用臨界稀釋法計算灰水足跡，用來反映水污染所造成的潛在“間接耗水量”[26－29]，并且在計算過程中主要以N肥作為污染物來計算種植業的水污染狀況[30－32]。一方面計算結果不能體現水污染對環境帶來的影響，不能與水消耗對環境產生的影響進行比較，另一方面，僅以N肥作為計算指標，分析結果不能充分、全面地表達肥料對環境產生的影響。

圖6 1995、2004和2014年河北省各地市區域水污染足跡Figure6 WDF in different cities of Hebei Province in 1995，2004 and 2014

依據本研究結果，各地市WDF在1995、2004、2014年的比較中均呈增加趨勢，但石家莊在2004、2014年的 WDF 近似，分別為 2396.2、2400.3Ml·H2Oe，而石家莊在這兩年的作物種植面積相當，可知2004—2014這10年來石家莊種植業的水污染狀況得到了一定的控制；另外，在1995年和2004年石家莊的WDF均居全省首位，2014年邯鄲的WDF超過了石家莊，達到2 448 Ml·H2Oe，而在2014年兩個地市的wdf相差無幾，主要是因為2014年邯鄲的作物種植面積大于石家莊，最終導致邯鄲的WDF超過石家莊；對于非主要種植區的唐山，其WDF也達到了Ⅱ級，這主要是由于唐山地區的農作物種植面積雖然與滄州等地市相比較少，但其單位面積化肥施用量較高，wdf值也相對偏高，導致唐山在2004、2014年均進入了Ⅱ級區。河北省各地市區域水污染足跡增加，即農作物種植引發水污染的環境影響日趨嚴重，這一方面是由于各地市單位面積的水污染足跡增加，如秦皇島，雖然播種面積年均變化不大，但因農作物種植單位面積水污染足跡增加顯著，最終導致該地區WDF增加；另一方面，部分地市農作物種植面積的擴大，也會引起WDF的增加。石家莊和邯鄲是河北省各地市中種植業水污染足跡最大的兩個地市，該結果與牛子寧[33]研究的河北農業污染源分析結果相近，石家莊和邯鄲均是河北省農業污染物排放量比重較大的地區，另外，肥料流失率也是造成水污染嚴重的一個重要因素，石家莊和邯鄲的肥料流失率在11個地市中均排在前列。

河北省各地市因農作物生產而產生的水污染問題日趨嚴重，一個地區農作物的種類和種植面積都會影響該地區作物生產的耗水量以及水資源污染量，合理的種植結構調整，能在一定程度上緩解區域水資源污染和匱乏的問題[34]。河北省是國家重點產糧區，為保障國家糧食安全，確保糧食產量是大前提，為減少農業生產的污染水帶來的環境影響，最有效的途徑就是提高水分及肥料利用效率，改進農作物生產技術，調整優化種植模式，以減少水資源的消耗和污染。在下一步工作中將針對具體作物的水資源可利用足跡（Water ability footprint）與水污染足跡進行統一核算分析，并探究區域水污染足跡變化的驅動因子，為農田清潔生產和種植業結構調整提出針對性建議。

4 結論

1995—2014年的20年間，河北省各地市種植業引起的水污染問題日趨嚴重，從農作物單位面積的水污染足跡wdf來看，環渤海地區的秦皇島，其wdf在20年間年際增長率最高，而處于平原區的石家莊，其wdf的20年均值最高，邯鄲也是平原區中wdf較大的地區；從區域水污染足跡WDF來看，石家莊的農作物種植引發的水污染最嚴重，在1995、2004、2014年均在Ⅰ級區，除了張家口和承德一直處于Ⅴ級區、廊坊一直處于Ⅳ級區，其他地市農作物種植水污染狀況均愈發嚴重。

種植業引起的水污染問題愈發嚴重的根本原因是施肥量增加，當地政府應當制定、實施全省農業面源污染綜合整治方案，建設高效清潔農田，推進農家肥、畜禽糞便等有機肥料的綜合利用，優先種植需肥量低、環境效益突出的農作物，并加強凈化農田排水設施建設，嚴禁農田退水直接進入地表水體。另外，在制定整治方案、政策的同時，還需加強政策執行的監督與管理，確保政策切實有效執行。

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