江西省耕地面源污染時空特征及脫鉤關系研究

彭錦臣,肖 蔚,蔡 鑫

(東華理工大學地球科學學院,330013,南昌)

0 引言

耕地是農業生產最基本的要素,是人類賴以生存的物質基礎[1]。改革開放至今,化肥農藥的大量使用顯著提高了農業產量,農村發展取得了巨大成就,但同時也產生了嚴重的耕地面源污染問題[2-3]。耕地面源污染會造成土壤板結、水體富營養化和大氣酸化等生態環境污染問題[4]。面源污染相比點源污染具有不確定性、分散性、滯后性和潛伏性等特點[5-6],造成的污染不易監督和防治。黨的十八大以來,國家出臺了一系列面源污染防治的規劃和文件,取得了一定成效,但全國污染源第二次普查數據顯示,農業面源污染源中的的化學需氧量(COD)、總氮(TN)和總磷(TP)排放量分別占同類污染物的49.8%、46.5%和67.2%,表明我國農業面源污染防治形勢依然不容樂觀。

我國學者[7-8]將中國耕地面源污染主要歸因于化肥農藥的過量使用和牲畜規模化養殖。除了面源污染的形成機制,學術界也研究了面源污染的時空規律。如賀彬等[9]分析了2019年廣東省農業面源污染時空分布特征,馬軍旗等[10]探討了2003—2017年中國農業面源污染的空間差異。在此基礎上,越來越多的學者從“脫鉤”的角度去研究農業生產與耕地面源污染的關系。如張郁等[11]對黑龍江墾區進行了農業生產與面源污染的脫鉤分析與調控模擬,熊鷹等[12]對我國農業化學品投入與農業增長的脫鉤關系進行了實證研究,彭甲超等[13]分析了長江經濟帶農業面源污染與農業經濟增長的脫鉤關系及其演化趨勢。上述研究大多數以省級或市級為研究單元,對于縣級單元的研究和面源污染時間格局演變特征的研究相對不足。關于農業生產與面源污染的脫鉤關系研究中主要以經濟增長的研究較多,而從農業生產要素角度的脫鉤研究較少。此外,經濟增長會受到價格因素的影響,而糧食產量、肉奶產量更能準確反映地區農業的生產效率。

江西省作為我國傳統的農業生產大省,市場貢獻巨大,是重要的糧食主產區,以全國2.3%的耕地生產了3.25%的糧食。為了提高糧食和種植業的產量,與全國大部分地區一樣,江西省走的是粗放式發展之路,其農業耕地粗放利用及耕地面源污染問題具有一定的典型性和代表性。在此背景下,以江西省所有縣區(84個縣區)為研究區域,研究2010—2020年化肥施用強度和畜禽糞尿排放強度的耕地面源污染時空特征,并對農業生產與面源污染的脫鉤關系進行分析,有助于促進江西省農業生產的可持續發展。

1 研究區概況

江西省位于我國東南部、長江中下游交接處南岸(N24°29′～30°04′,E113°34′～118°28′),以山地、丘陵為主,下轄11個地級市,區域面積16.69×104km2,是我國13個糧食主產區之一和重要的商品糧油基地,農業在全國占有重要地位。2020年有效灌溉面積203.85×104hm2,糧食作物播種面積377.24×104hm2和糧食總產量2 163.9×104t,分別占全國的2.95%、2.67%和3.23%。近年來,江西省農業集約化程度不斷提高,但仍存在化肥農藥等生化類農用物質使用過多及不合理、畜禽養殖糞污處理不達標等現象。以化肥為例,2020年全省化肥施用量108.80×104t,耕地平均施用量為362.67 kg/hm2,是世界平均施用量(每畝8 kg)和國際公認的化肥施用安全上限(每公頃225 kg)的3.02倍和1.61倍,產生的耕地面源污染會引發水體富營養化、農產品質量安全等問題,對人類健康構成嚴重威脅。

2 數據來源與方法

2.1 數據來源

表1 脫鉤類型

2.2 研究方法

“脫鉤”概念源于物理學,后用于研究經濟增長與環境壓力間的關系,反映經濟增長與資源消耗相互脫離的趨勢[15]。而在本文中“脫鉤”是指某區域一定時空內的農業生產與耕地面源污染的關系,即一定時段內耕地面源污染負荷(化肥施用量、畜禽糞尿排放量)與農產品產量(糧食產量、肉奶產量)的變化量之比率,以此來判斷農業生產與耕地面源污染排放的生產效率狀態,其計算公式為:

(1)

式中,DI為農業生產與耕地面源污染的脫鉤指數,ΔE為耕地面源污染負荷的變化量,ΔY為農產品產量的變化量,Ei、Ei-1分別為基期、末期的耕地面源污染負荷,Yi-1,Yi分別為基期、末期的農產品產量,i為統計年份。

參考文獻[16-17],將農業生產與耕地面源污染的脫鉤狀態劃分為6種脫鉤類型(表2)。

表2 脫鉤類型

3 結果與分析

3.1 江西省耕地面源污染時空特征

3.1.1 江西省耕地面源污染時間特征 由圖1可得,江西省2010—2020年化肥施用總量和化肥施用強度均呈下降趨勢。化肥施用總量先從2010年的137.60×104t升至2015年的最大值143.58×104t,然后降至2020年的108.80×104t,10年間共降低了20.93%;化肥施用強度從2010年的458.67 kg/hm2先升至2015年的最大峰值478.61 kg/hm2,然后連續降至2020年的362.67 kg/hm2,10年間共降低20.93%。傳統的糧食作物經濟收益低且種植周期長,再加上消費市場需求的優化,農戶對經濟作物的生產積極性提高,農作物種植結構發生變化。前5年,江西省的經濟作物和蔬菜播種面積所占比例增加(如表3),傳統糧食作物對化肥的需求量相對不足,而經濟作物和蔬菜種植單位面積施肥量呈不斷增長趨勢[18],故化肥施用強度增加。2015年,我國農業部首次提出了實施化肥農藥零增長行動,后續也出臺了一系列相關的政策法規;江西省出臺了化肥使用量“零增長”行動實施方案,并通過推進化肥先進施用技術等政策舉措,進一步降低了化肥污染。

圖1 江西省2010—2020年化肥施用總量和施用強度

表3 江西省2010—2020年農作物播種面積和種植結構

由圖2(a)可得,江西省2010—2020年畜禽糞尿排放總量和畜禽糞尿排放強度均呈先增后降的變化趨勢。畜禽糞尿排放總量從2010年的7 560.64×104t升至2015年的8 474.26×104t,后降至2020年的6 862.46×104t,10年間共降低了9.23%;畜禽糞尿排放強度先由2010年的25 202.13 kg/hm2升至2015年的最大值28 247.54 kg/hm2,然后連續降至2020年的22 874.87 kg/hm2,10年間共降低了9.23%。結合《統計年鑒》發現,近10年來,江西省畜禽養殖結構發生了明顯變化,前5年,由于市場環境的優化和惠農政策,畜禽養殖經濟效益上升,江西省大牲畜(牛)和生豬養殖量增加(表4),所占養殖比例增加,又因其單體產污量較大,畜禽糞尿排放量與牛、生豬養殖量呈正相關,2010—2015年牛和生豬畜禽糞尿排放量增加(圖2),導致前5年江西省畜禽糞尿排放總量較高。2015年,我國農業部提出了畜禽養殖糞污綜合治理行動,江西省通過實施畜禽養殖“三區”劃定和禁養區關閉或搬遷等政策舉措,有效降低了畜禽糞尿污染。

(a)畜禽糞尿排放總量和排放強度

表4 江西省2010—2020年畜禽生產情況

3.1.2 江西省耕地面源污染空間特征 以單位耕地面積的化肥施用強度來表示化肥的污染情況;用單位耕地面積的畜禽糞尿排放強度表示畜禽的污染程度。1)化肥施用強度空間分布參考文獻[19-20],采用發達國家為防止化肥對水體造成污染而設置的警戒線(單位播種面積225 kg/hm2)為標準,將化肥污染程度劃分為3個等級:低污染區<225 kg/hm2、中污染區225～400 kg/hm2、高污染區>400 kg/hm2。

由圖3可得,江西省2010—2020年大多數縣(區、市)的化肥施用強度呈現出下降趨勢,污染程度高的地方集中在南部和中部。具體來看,2010年高污染區集中分布在中部的南昌市周邊地區,而中污染區和低污染區分布較為分散,低污染區主要分布在北部的九江和上饒這一帶。2015年高污染區主要分布在南部和中部,且呈集聚的態勢,低污染區主要分布在西北部。隨著農業生產條件的提高、市場環境的改變,國家“三農”政策嚴控化肥價格,農戶由于化肥成本降低而大量施用化肥,導致化肥污染增加。鄱陽湖治污是九江市在“十二五”時期的一項重要工作內容,北部縣區通過開展化肥減量行動明顯降低了化肥施用強度。2020年化肥污染明顯下降,高污染區數量下降,可見化肥施用量零增長行動已初見成效。中部屬于環鄱陽湖城市群地區,該地區由于農業比重大,種植業發達,是瓜果蔬菜和糧食作物的種植基地,如樟樹市、南昌縣和奉新縣等,化肥污染嚴重。贛州市是傳統農業大市,農村人口多,農業比重大,臍橙、蔬菜、油茶等產業較發達,部分縣區的化肥施用強度仍較高。

圖3 江西省2010—2020年化肥施用強度空間分布

2)畜禽糞尿排放強度空間分布參考文獻[21-22],將畜禽糞尿排放強度劃分為3個等級:低風險區<15 000 kg/hm2、中風險區15 000～30 000 kg/hm2、高風險區>30 000 kg/hm2。

由圖4可得,江西省2010—2020年畜禽污染程度總體上得到有效緩解,污染程度高的地方集中分布在南部、中部和西部。具體來看,2010年,高污染區主要分布在西部和南部,低污染區主要分布在北部。2015年,畜禽糞尿污染程度整體明顯上升,高污染區數量增加,由于消費結構升級,畜禽市場價格變動,國家政策扶持和市場需求,尤其是生豬和家禽養殖量增加(表4),導致整體的畜禽污染程度加重。2020年,高污染區數量增加,集中分布在南部和西部,低污染區數量明顯增加,主要分布在北部,江西省絕大部分縣區畜禽污染程度下降,這與江西省加快畜禽糞污資源化利用,各縣區推進綠色種養循環,不斷提升畜禽糞污的綜合利用效率等政策舉措有關。西部由于畜禽養殖規模增加,而耕地面積較少,導致畜禽糞尿排放強度高,贛州是江西的畜禽養殖大市,有4個全國生豬調出大縣:南康、定南、信豐和興國;5個省級調出大縣:贛縣、瑞金、會昌、于都和安遠,2個寧都黃雞生產優勢區域:寧都和龍南,畜禽糞尿排放量高,因此,南部地區畜禽污染程度仍然較高。

圖4 江西省2010—2020年畜禽糞尿排放強度空間分布

3.2 江西省農業生產與耕地面源污染的脫鉤效應

3.2.1 糧食生產與化肥的脫鉤分析 江西省糧食生產與化肥施用總量的脫鉤關系變化(表5)可分為3個階段:第一階段:強負脫鉤期(2010年),我國從2006年起對農民實施了良種補貼、種糧直接補貼和農業生產資料綜合補貼等多項補貼政策[23],農戶生產積極性提高,導致這一時期的化肥投入要素增加,而糧食產量突降,主要是由于2010年江西省發生了歷史罕見的特大洪澇災害。第二階段:弱脫鉤期(2011—2015年),這一時期糧食產量與化肥施用總量的脫鉤關系呈現出穩定的弱脫鉤狀態,即糧食產量的增長率大于化肥施用總量的增長率。第三階段:波動階段(2016—2020年),2016年為衰退性脫鉤,糧食產量和化肥施用總量同時出現負增長,2017—2020年這一時期交替出現衰退性脫鉤和強脫鉤,受“十三五”期間“實施化肥農藥使用量零增長行動”的政策影響,化肥施用量逐年降低(圖1),因此,這一時期兩者的脫鉤關系狀態主要取決于糧食產量的變化。由于國家糧食補貼政策、農業機械化水平的極大提高和施肥方式的不斷優化,江西省糧食產量整體上仍處于增加趨勢,但受亞熱帶季風氣候等外在不可控因素和農戶生產經營管理與對抗自然災害能力差異的影響,致使糧食產量變化具有波動性。

表5 江西省2010—2020年糧食生產與化肥施用量的脫鉤分析結果

3.2.2 畜牧業生產與畜禽糞便的脫鉤分析 江西省畜牧業生產與畜禽糞便的脫鉤關系變化(如表6)可分為3個階段:第一階段:擴張性負脫鉤期(2010年)。第二階段:弱脫鉤和強負脫鉤期(2011—2015年),2011—2014年畜牧業生產與畜禽糞尿排放總量的脫鉤關系呈現出穩定的弱脫鉤狀態,即肉奶產量的增長率大于畜禽糞尿排放總量的增長率,主要是由于這一期間國家“三農”政策補貼力度繼續加大,農戶生產積極性持續上漲,大牲畜和生豬等畜禽養殖量增加,肉類產量和畜禽糞尿排放量也增加;2015年變為強負脫鉤,肉奶產量首次發生下降,這與生豬養殖量下降有關(表4)。第三階段:衰退性脫鉤和弱負脫鉤期(2016—2020年),這一階段肉類產量和畜禽糞尿排放總量均呈下降趨勢,這主要與生豬養殖量有關,受十三五時期綠色發展政策的影響,江西省實施環保整治、禁養拆遷等措施,導致生豬養殖量持續下降(表4),2019年降幅最大,主要是受2019年的非洲豬瘟疫情、嚴重洪澇災害以及豬周期等不利因素的疊加影響,由于2019年豬肉漲幅較大,禽肉對豬肉的替代效果也尤其凸顯,禽蛋需求量提高使得家禽出籠量增加,2020年的新冠肺炎疫情導致農戶生產積極性受挫,生豬養殖量進一步下降。

表6 江西省2010—2020年畜牧業生產與畜禽養殖的脫鉤分析結果

總體上來說,江西省2010—2020年農業生產與其耕地面源污染的脫鉤類型中,弱脫鉤所占比重最大,其次為衰退性脫鉤出現次數較多,強脫鉤僅出現在糧食生產與化肥的面源污染脫鉤關系中,11年間僅出現過2次。糧食生產與化肥施用量的脫鉤關系有著從弱脫鉤向強脫鉤方向發展的趨勢,這是一種最理想的狀態;而畜牧業生產與畜禽養殖卻有著相反的發展趨勢,即從弱脫鉤轉向弱負脫鉤的發展趨勢,表明江西省農業生產的耕地面源污染防治任務仍很艱巨。

3.3 討論

熊昭昭等[24]和張文東等[25]分別利用排污系數法和數據收集法,得出了畜禽養殖和農田化肥是江西省面源污染的主要污染源。研究表明,施肥強度對我國化肥施用總量增長的貢獻率高達70.4%,是我國農業化肥施用量快速增長的主要原因[26]。過量施用化肥,易造成耕地養分結構失調和重金屬污染[27]。我國畜禽規模化程度高,但由于資金有限和糞污處理及資源化利用相關環節缺乏監管等原因,每年生產的38×108t畜禽糞便綜合利用率不足60%[28]。畜禽糞尿的過量排放會造成土壤嚴重板結、土壤結構失衡,阻礙農作物的正常生長等[29]。農業面源污染防治歸根到底要從農業生產的初始端發力,即從農田化肥和畜禽養殖下手。筆者認為可以從以下幾個方面防治面源污染:第一,大力推進測土配方施肥,包括病蟲害的綠色防控和綜合防控措施,精準施肥,減少農藥、化肥的使用量,提高農藥化肥利用率,特別化肥施用強度偏高的江西省南部和中部需全面推廣;第二,積極引導、支持和鼓勵對畜禽廢棄物綜合利用,建立畜禽規模養殖場糞污資源化利用長效機制,針對江西省畜禽污染嚴重的南部和中部地區,向農村畜禽養殖戶推廣一池三改、沼氣池技術,向規模化畜禽養殖場推廣生物發酵床養豬技術;第三,加強立法與管理,完善相應法規,增強農戶的綠色環保意識,提倡農牧結合、種養平衡,加強綜合利用。

2010—2020年,江西省糧食產量與化肥施用量之間多次出現“弱脫鉤”關系,在后期出現從“弱脫鉤”向“強脫鉤”轉變的現象;肉類產量與畜禽糞排放總量之間從“弱脫鉤”關系向“弱負脫鉤”關系發展,形式嚴峻。要對以上2種脫鉤現象進行改善,除了采取減施農藥化肥、降低畜禽糞尿排放等措施外,最重要的一項,是通過積極推進中低產田改良工程、高標準農田建設,提升江西耕地質量,從而在不依賴化肥農藥的情況下提高糧食產量,在提高畜禽養殖量的同時使農作物對畜禽糞尿無害化利用。這樣既能維持糧食產量與化肥施用“強脫鉤”的良好狀態,又能推動肉類產量與畜禽糞尿從“弱負脫鉤”狀態向“弱脫鉤、強脫鉤”狀態轉變,最終使江西農業生產與耕地面源污染的脫鉤狀態呈現向好的發展趨勢。

本文僅通過化肥和畜禽糞尿的時空變化來表示耕地面源污染的狀態,未考慮化學需氧量(COD)、總氮(TN)和總磷(TP)等主要污染物,缺少對耕地面源污染的程度與效果的深層次分析。此外,農膜、農藥、農作物秸稈、有機肥、農村生活和水產養殖等污染情況也未進行探究,這也是今后研究有待加強的方面。

4 結論

1)時間上來看,2010—2020年江西省耕地面源污染狀況有所減輕。化肥施用總量和畜禽糞尿排放總量變化趨勢相同,呈“先升后降”的變化趨勢,均在2015年達到最大值,分別為143.58×104t和8 474.26×104t,之后均持續下降。

2)空間上來看,江西省耕地面源污染表現出明顯的空間差異性。化肥施用強度較高地區主要分布在江西省的南部和中部,周邊地區相對較低;而畜禽糞尿排放強度較高的地方集中分布在南部、西部和中部,且呈現聚集的態勢,而北部和東部排放強度較低。

3)近十年來,江西省農業生產與耕地面源污染之間的弱脫鉤類型出現次數較多,說明研究區具有進一步控制面源污染的潛力和實現“生態文明試驗區”強脫鉤目標的可能。