近十年邯鄲市冬小麥生產氮足跡時空變化特征分析

張海霞，武曉琪，蔡昂祖，喬彥軍，魏 哲

(1.河北工程大學能源與環境工程學院，河北邯鄲 056038；2.河北省大氣污染成因與影響重點實驗室，河北邯鄲 056038；3.中勘冶金勘察設計研究院有限責任公司，河北保定 071051)

氮足跡用于定量評價人類生產、生活方式對活性氮排放的影響，定義為某種產品或者服務在其生產、運輸、儲存以及消費過程中直接或間接排放的活性氮總和。我國氮足跡研究還處于起步階段，通常采用生命周期法(Life cycle assessment，LCA)評估農業系統的氮足跡。Xue等基于LCA法計算出墨西哥谷物生產氮足跡為2.65 g N-eq·kg；陳中督等采用LCA法研究得出,長江中游地區稻麥生產系統的氮足跡為190.6 kg N-eq·hm，油菜生產氮足跡為7.57 kg N-eq·hm；周杏等研究表明，湖北省油菜田間種植階段的活性氮排放占總排放的98.13%，是主要的排放源。另外，周濤等基于修正的N-Calculator模型結合農業系統氮素流動過程計算了廣東省農業氮足跡，結果顯示，化肥施用和養殖業飼料是農業氮足跡的主要來源。

冬小麥是邯鄲市主要的糧食作物，在播種、收割、運輸、灌溉、施肥等各個環節，小麥生產都會直接和間接地產生氮排放，系統地計算和評估冬小麥生產氮排放對該地區氮減排具有重要意義。本研究采用《邯鄲統計年鑒》和《全國農產品成本收益資料匯編》等資料中的相關數據，核算了邯鄲市2010-2019年冬小麥生產氮足跡，分析了其來源、組成及時空分布特征，以期為該地區農業的可持續發展提供科學指導。

1 研究方法

1.1 研究邊界

圖1 冬小麥生產系統研究邊界

1.2 數據來源

邯鄲市冬小麥的各項投入與產出數據主要來源于《邯鄲統計年鑒》，包括各區縣冬小麥的播種面積、總產量以及化肥、農用柴油、農藥、電力等農資投入數據。種子用量采用《全國農產品成本收益資料匯編》中河北省的數據。

1.3 氮足跡計算方法

氮足跡依據《環境管理-生命周期評價-要求和指南》中生命周期評價要求，采用荷蘭萊頓大學環境科學研究所(Institute of Environmental Sciences，CML)提供的方法，將不同形態的活性氮轉化為富營養化潛勢，計算公式如下：

(1)

NFNO=(NFdNO+NFANO+NFLNO)× 0.476

(2)

NFdNO=×EF×44/28

(3)

NFANO=×F×EF×44/28

(4)

NFLNO=×F×EF×44/28

(5)

NFNH=×α×17/14×0.833

(6)

(7)

(8)

NF=NF/×1 000

(9)

NF為冬小麥單位產量氮足跡(g N- eq·kg)；是冬小麥單位面積產量 (kg·hm)。

表1 農資投入活性氮排放系數Table 1 Active nitrogen emission coefficient of agricultural inputs

1.4 數據處理與分析

本研究采用億科環境研發的eFootprint軟件作為數據建模工具，其是LCA數據填報和分析平臺，可以在線輸出產品的碳足跡、氮足跡、水足跡等。采用ArcGIS 10.2軟件繪制邯鄲市各縣區的氮足跡空間分布圖。

2 結果與分析

2.1 邯鄲市冬小麥生產氮足跡年變化趨勢

2010-2019年邯鄲市冬小麥生產單位面積氮足跡變化范圍為58.57～76.03 kg N-eq·hm，最高值和最低值分別出現在2014年和2018年(圖2a)。2010-2017年單位面積氮足跡年際波動幅度較小，2018年和2019年下降明顯。邯鄲市冬小麥單位產量氮足跡呈逐年下降趨勢(圖2b)，從2010年最高值12.86 g N-eq·kg下降到2019年最低值8.82 g N-eq·kg，2011年和2018年尤其下降明顯。

圖2 2010-2019年邯鄲市冬小麥生產單位面積和單位產量氮足跡

2.2 邯鄲市冬小麥生產氮足跡的組成

圖3 2010-2019年邯鄲市冬小麥生產氮足跡組成

2.3 邯鄲市冬小麥高低產區氮足跡對比分析

表2 邯鄲市冬小麥高低產區氮足跡及構成對比Table 2 Comparison of nitrogen footprint and composition of winter wheat between high and low production areas in Handan city

2.4 邯鄲市各縣區冬小麥生產氮足跡分析

從空間分布看，邯鄲市近十年不同縣區單位面積和單位產量的氮足跡均差異顯著(圖4)。邯鄲市冬小麥生產單位面積氮足跡年均值為71.00 kg N-eq·hm，高于全市平均水平的縣區有峰峰礦區、成安縣、曲周縣、臨漳縣、廣平縣、館陶縣、邱縣和主城區，其中峰峰礦區、成安縣和曲周縣的單位面積氮足跡較高，分別為133.84、122.70和110.72 kg N-eq·hm；大名縣、冀南新區和肥鄉區較低，年均值為46.65～48.94 kg N-eq·hm。單位產量氮足跡與單位面積氮足跡分布不同，全市單位產量氮足跡年均值為10.64 g N-eq·kg，分別以峰峰礦區和大名縣的單位產量氮足跡最高和最低，分別為29.37和6.54 g N-eq·kg，最高值是最低值的4.49倍。

圖4 2010-2019年邯鄲市冬小麥生產氮足跡空間分布

在邯鄲市各縣區冬小麥生產氮足跡組成中，化肥生產和施用是主要的氮排放源(表3)。邱縣和成安縣的化肥生產和施用造成的氮排放占比最高，分別為92.32%和91.95%；而磁縣和涉縣的占比最低，分別為69.16%和53.14%。化肥施用中NH揮發的貢獻率最大，變化范圍為 46.81%～81.71%。柴油燃燒為第二大貢獻來源，涉縣和磁縣的占比較為突出,分別為39.11%和 22.83%，成安縣和邱縣的占比最小，分別為 4.80%和2.42%。

表3 邯鄲市各縣區冬小麥生產氮足跡組成Table 3 Composition of nitrogen footprint of winter wheat production in various counties and districts of Handan city

3 討論與分析

3.1 邯鄲市冬小麥生產氮足跡組成

邯鄲市2010-2019年冬小麥生產單位面積氮足跡平均值為71.00 kg N-eq·hm，低于陳中督等計算的長江中游地區小麥氮足跡(80.9 kg N-eq·hm)。在農作物碳氮足跡核算中，由于研究邊界、核算方法和排放因子選取的不同以及農作措施、種植模式和氣候條件等多重因素的影響，不同地區農業氮足跡計算結果存在差異。近年來邯鄲市冬小麥生產氮足跡總體呈下降趨勢，2010年邯鄲市氮肥和柴油燃燒投入分別為177.71和307.83 kg·hm，2019年氮肥投入和柴油燃燒分別為121.39和210.39 kg·hm，說明近十年來邯鄲市大力發展綠色農業，構建農業生產新格局，減排效果明顯。邯鄲市冬小麥生產氮足跡組成中，化肥生產占4.07%，因化肥施用造成的田間排放占80.81%。糧食增產很大程度上依靠化肥，化肥的不合理施用造成氮排放較大。本研究中田間NH揮發為最大的氮足跡來源，貢獻率高達75.07%，這與Chen和Xue等的研究結果一致。過量的氮肥投入主要以NH揮發和淋溶等多種途徑進入環境中，其中NH揮發是土壤氮素損失的重要途徑。冬小麥生產中NH揮發量與氮肥投入量密切相關，帶來了嚴重的水土面源污染問題，使大氣中活性氮負荷持續增加，是產生霧霾的原因之一。柴油燃燒的貢獻僅次于田間NH揮發，是能源消耗和氮排放的大戶。

3.2 邯鄲市氮足跡空間分布

邯鄲市冬小麥氮排放地域差異明顯。單位面積和單位產量氮足跡均以西部地區的峰峰礦區最高，東部地區的大名縣最低，大致呈現西高東低的態勢。邯鄲西部地區山區縱橫，地勢高低不平，土壤貧瘠，水利等基礎設施不發達，種植條件較差，導致農資消耗量大，利用率低。而東部地勢平坦，土壤肥沃，水源充足，種植條件良好，小麥產量和生產效率高。峰峰礦區土地資源緊缺加上長期的礦產開采，導致農業欠發達。相比其他縣區，峰峰礦區單位耕種面積投入的化肥、柴油、灌溉耗電量明顯較大，而單位面積的冬小麥產量較低，以致農業生產氮排放較大。而位于東部的成安縣和曲周縣的小麥生產氮足跡也偏高，其主要原因是這兩個縣的單位種植面積化肥(尤其是氮肥)施用量偏高，造成了田間活性氮排放量較大，因此減少和合理施用氮肥可以降低小麥生產氮足跡。

3.3 邯鄲市大氣氮干濕沉降

3.4 冬小麥清潔生產策略

根據研究結果，邯鄲市冬小麥清潔生產的關鍵是控制化肥的施用和提高農機效率。田間氮排放主要是由氮肥施用造成，因此應統籌氮肥的施用，實行科學施肥、精準施肥、水肥一體化，施用新型緩/控釋肥，增施農家肥以及秸稈還田等措施。農業生產與柴油密切相關，運輸、播種、收獲等階段的機械作業都會消耗柴油。近年來隨著機械化程度的不斷提高，農業生產對柴油的需求量持續增加。因此，要不斷改善農機具結構，更新和普及高效的農業機械，采用農業機械的集約化、規模化運作，采取少耕或免耕方式，有效減少勞動力和機械投入，降低柴油消耗排放。另外，由于邯鄲市各縣區氮足跡差異明顯，尤其是西部山區氮足跡明顯高于東部平原，因而要合理布局農業，側重在邯鄲東部平原發展農業，而減少西部山區的耕作面積。

4 結 論

(1)2010-2019年邯鄲市冬小麥生產單位面積氮足跡變化范圍為58.87～76.03 kg N-eq·hm，單位產量氮足跡變化范圍為8.82～12.86 g N-eq·kg，總體呈現下降趨勢。

(2)邯鄲市冬小麥生產氮足跡農資生產占10.11%，柴油燃燒占9.08%，化肥施用造成的田間排放占80.81%，田間排放主要來自于NH揮發。化肥的合理施用和提高機械化效率是邯鄲市冬小麥生產碳氮減排的關鍵。

(3)2010-2019年邯鄲市冬小麥生產低產縣區的單位面積和單位產量氮足跡均大于高產縣區。低產區單位面積氮足跡和單位產量氮足跡分別是高產區的1.25和2.05倍。

(4)邯鄲市各縣區氮足跡差異明顯，西部山區的峰峰礦區氮足跡最高，東部平原的大名縣氮足跡最低，總體呈現西高東低的態勢。