王 淵，張紫悅

(河北工程大學(xué) 水利水電學(xué)院，河北 邯鄲 056000)

在我國(guó)農(nóng)作物的生產(chǎn)過(guò)程中，投入過(guò)量的氮肥、磷肥以及農(nóng)藥來(lái)增加農(nóng)作物的產(chǎn)量，導(dǎo)致對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的污染日漸嚴(yán)重，尤其是在水環(huán)境污染問(wèn)題上較為突出。水體中污染物指標(biāo)主要為NH3-N、COD、BOD5、TP、CODMN、揮發(fā)酚和石油類污染物等。水資源的過(guò)度壓采，使我國(guó)大部分平原地區(qū)出現(xiàn)了河道干涸、地下水漏斗、地下水和地表水污染等水生態(tài)嚴(yán)重惡化問(wèn)題。如何對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的廢水對(duì)水環(huán)境的污染進(jìn)行評(píng)價(jià)，并找出解決對(duì)策是我們面臨的重要課題。近年來(lái)，結(jié)合水質(zhì)評(píng)價(jià)的綜合性和復(fù)雜性，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者相繼提出對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)的多種方法，如灰色聚類綜合評(píng)價(jià)法、模糊數(shù)學(xué)分析法、綜合污染指數(shù)法及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法[1-4]，而這幾種方法普遍存在的問(wèn)題是不能表達(dá)出水資源的數(shù)量與質(zhì)量之間的相互作用關(guān)系。隨著水足跡觀點(diǎn)的提出，將實(shí)物狀態(tài)下的水與虛擬狀態(tài)下的水相互聯(lián)系起來(lái)，主要包括藍(lán)水、綠水和灰水的概念，能夠真實(shí)反映出水資源數(shù)量與質(zhì)量之間的關(guān)系。

河南省地處我國(guó)中東部地域，屬溫帶大陸性氣候，地理位置優(yōu)越，橫跨長(zhǎng)、黃、海、淮四大水系，水量較為充沛。主要糧食作物有小麥、玉米、大豆、蔬菜和水果等，作為我國(guó)糧食產(chǎn)量的農(nóng)業(yè)大省，農(nóng)作物產(chǎn)量總數(shù)高達(dá)國(guó)家全年生產(chǎn)總產(chǎn)量的10%，被譽(yù)為“中原糧倉(cāng)”。2009～2013年是河南省農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)量飛速發(fā)展的5年，也是對(duì)水生態(tài)環(huán)境污染最為嚴(yán)重的5年，因此對(duì)河南省這5年的氮肥、磷肥和農(nóng)藥的灰水足跡進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)河南省農(nóng)業(yè)面源污染分析和污染物的治理具有重要意義。

1 研究區(qū)域概況

河南省處于黃河中下游、中國(guó)中東部，全省位于E110°21′～E116°39′、N31°23′～N36°22′之間，地理特征總體呈現(xiàn)出東低西高之勢(shì)，從北往南的無(wú)霜期約為180～240 d，多年平均降水量約為771.0 mm，年水面蒸發(fā)量約為500～900 mm。全省水資源的總量約為403.53×108m3，占全國(guó)水資源總量的1.42%，降水入滲補(bǔ)給量約為185.66×108m3，地表水資源量約為302.66×108m3，降水入滲所形成的基流排泄量約為84.79×108m3[5]。土地總面積約為16.7×104km2，耕地總面積約8.15×104km2，占總面積的48.8%。農(nóng)作物耕種總面積約為14.32×104km2，有效農(nóng)田灌溉面積約為4.98×104km2，化肥施肥量為696.37×104t，農(nóng)藥施用量為13.01×104t。

2 研究方法

2.1 灰水足跡簡(jiǎn)介

加拿大經(jīng)濟(jì)學(xué)專家WiiliamRees在1992年提出“生態(tài)足跡”這一概念，引發(fā)了荷蘭水資源專家Hoekstra在2002年提出“水足跡”的思想。2008年在虛擬水理論的基礎(chǔ)上，Chapagain和Hoekstra共同提出水足跡概念，這在世界上是初次提出，主要針對(duì)生產(chǎn)、生活產(chǎn)生水污染的狀況。2010年，灰水足跡的計(jì)算方法取得統(tǒng)一，將其定義為：以原始本底濃度與現(xiàn)有的水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)，將一定污染物稀釋所需淡水的體積，因此灰水足跡是與水體污染相關(guān)的指標(biāo)[6-10]。在農(nóng)作物的生長(zhǎng)過(guò)程中，氮肥、磷肥以及農(nóng)藥的施用都會(huì)對(duì)水體質(zhì)量產(chǎn)生污染，其污染程度主要取決于土壤的類型、作物的吸收率、化肥的類別、農(nóng)藥的品種以及用量等因素。由于以上因素，農(nóng)作物對(duì)化肥、農(nóng)藥的利用率大幅度降低，因此很大一部分化肥及農(nóng)藥通過(guò)各種形式散失到土壤和水環(huán)境中，導(dǎo)致農(nóng)田出現(xiàn)嚴(yán)重的面源污染。為減少其對(duì)生態(tài)環(huán)境造成更大的污染，本文引入灰水足跡這一概念來(lái)計(jì)算稀釋污染物所需要的水量，對(duì)減少水資源的利用和水資源優(yōu)化配置具有重要意義。

2.2 灰水足跡計(jì)算方法

采用《灰水足跡評(píng)價(jià)手冊(cè)》及相關(guān)文獻(xiàn)[11]，確定灰水足跡的計(jì)算公式為：

式中：WFgrey為污染指標(biāo)的灰水足跡值，m3；pul為每平方米污染指標(biāo)的農(nóng)田流失量，kg/m2；A為實(shí)際耕地面積，m2；λi為污染指標(biāo)的流失率，%；Q為污染指標(biāo)的使用總量，kg；Cmax為污染指標(biāo)在環(huán)境中的最大允許濃度，kg/m3；Cnat為污染指標(biāo)在環(huán)境中的本底濃度，kg/m3。

2.3 灰水足跡參數(shù)選取

根據(jù)河南省2009～2013年農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀，在糧食作物的生長(zhǎng)過(guò)程中所施用肥料以及農(nóng)藥都會(huì)對(duì)水環(huán)境產(chǎn)生污染。所施用的化肥中主要含有氮、磷、鉀，其中比例較大的是氮肥和磷肥。因此，選取對(duì)灰水足跡影響較大的3個(gè)參數(shù)，分別是氮肥、磷肥和農(nóng)藥。

2.3.1 氮 肥

氮肥中所含的氮很容易造成地表水和地下水污染，所形成的亞硝酸根離子會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生極其不利的影響，我國(guó)的氮肥使用率約為30%～35%。結(jié)合河南省農(nóng)田水利的實(shí)際情況和《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)，取環(huán)境對(duì)氮元素的Cmax為1.7 g/L，選取氮元素的濃度為所需背景濃度，將其看作環(huán)境中的本底濃度Cnat。綜合考慮河南省的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程方式及降水量和土壤質(zhì)地等方面的影響[11]，并結(jié)合有關(guān)參考文獻(xiàn)，選取河南省平均氮肥流失率中的較高水平值為68%。

2.3.2 磷 肥

磷肥中的磷在土壤中能夠與其他的礦物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生不容易溶解的化合物，不容易產(chǎn)生流動(dòng)，所以對(duì)水環(huán)境所造成的威脅相對(duì)來(lái)說(shuō)較少。但是我國(guó)的磷肥使用率約為10%～25%，相對(duì)來(lái)說(shuō)還是較高的。由于農(nóng)業(yè)灌溉的水源主要來(lái)自于地表水和地下水，同理，選取Cmax為1.7 g/L，選取地表水和地下水磷元素的濃度為所需背景濃度，將其看作環(huán)境中的本底濃度Cnat。綜合考慮河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程方式及降水量和土壤質(zhì)地等方面的影響，并結(jié)合有關(guān)參考文獻(xiàn)，選取河南省平均磷肥流失率中的較高水平值為85%。

2.3.3 農(nóng) 藥

河南省是中國(guó)的糧食大省，農(nóng)藥的施用種類較多，幾乎所有的農(nóng)藥都會(huì)造成水體質(zhì)量的嚴(yán)重污染，我國(guó)的農(nóng)藥使用率約為20%～30%。同理，選取其中地表水和地下水農(nóng)藥的濃度為所需背景濃度，將其看作環(huán)境中的本底濃度Cnat。綜合考慮河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程方式及降水量和土壤質(zhì)地等方面的影響，并結(jié)合有關(guān)參考文獻(xiàn)，選取河南省的平均農(nóng)藥流失率的較高水平值為75%。

3 結(jié)果與分析

3.1 2009～2013年河南省各市氮肥施用過(guò)程的灰水足跡多年變化情況

通過(guò)查閱《河南農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》、《河南省水資源公報(bào)》(2009～2013)中的相關(guān)數(shù)據(jù)資料，應(yīng)用灰水足跡的計(jì)算公式，計(jì)算出2009～2013年河南省各市氮肥施用灰水足跡的多年變化值，見(jiàn)圖1。從圖1可知，河南省在這5年期間，各市累計(jì)施用氮肥灰水足跡最大的是南陽(yáng)市，灰水足跡為0.098×108m3，其次為商丘和駐馬店；最小的是濟(jì)源市，灰水足跡為0.002×108m3，其次為漯河市。

圖1 2009～2013年河南省累計(jì)各市施用氮肥灰水足跡變化情況Fig.1 Changes in water footprint of nitrogen fertilizer in various cities in Henan province from 2009 to 2013

3.2 2009～2013年河南省各市磷肥施用過(guò)程的灰水足跡多年變化情況

通過(guò)查閱《河南農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》、《河南省水資源公報(bào)》(2009～2013)中的相關(guān)數(shù)據(jù)資料，應(yīng)用灰水足跡的計(jì)算公式，計(jì)算出2009～2013年河南省各市磷肥施用灰水足跡的多年變化值，見(jiàn)圖2。從圖2可知，河南省在這5年期間，各市累計(jì)施用磷肥灰水足跡最大的是南陽(yáng)市，灰水足跡為0.06×108m3，其次為商丘和駐馬店；最小的是濟(jì)源市，灰水足跡為0.001 4×108m3，其次為漯河市。

圖2 2009-2013年河南省各市施用磷肥灰水足跡變化情況Fig.2 Changes in the water footprint of phosphatic fertilizer in different cities in henan province from 2009 to 2013

3.3 2009～2013年河南省各市農(nóng)藥施用過(guò)程的灰水足跡多年變化情況

通過(guò)查閱《河南農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》、《河南省水資源公報(bào)》(2009～2013)中的相關(guān)數(shù)據(jù)資料，應(yīng)用灰水足跡的計(jì)算公式，計(jì)算出2009～2013年河南省各市農(nóng)藥施用灰水足跡的多年變化值，見(jiàn)圖3。從圖3可知，河南省在這5年期間，各市累計(jì)施用農(nóng)藥灰水足跡最大的是南陽(yáng)市，灰水足跡為34.17×108m3；最小的是漯河市，灰水足跡值為0.44×108m3。

圖3 2009～2013年河南省各市施用農(nóng)藥灰水足跡變化情況Fig.3 Changes in the water of footprint of pesticide in various cities in Henan province from 2009 to 2013

4 結(jié) 論

本文主要分析了河南省2009～2013年5年期間各市施用氮肥、磷肥和農(nóng)藥的灰水足跡變化情況，其研究結(jié)果如下:

1) 2009～2013年期間，河南省氮肥、磷肥和農(nóng)藥的累積灰水足跡變化趨勢(shì)為上升趨勢(shì)。磷肥的累積灰水足跡值最小，最小值為濟(jì)源市，灰水足跡為0.001 4×108m3；農(nóng)藥的累積灰水足跡值較大，最大值為南陽(yáng)市，5年累積灰水足跡值為34.17×108m3，是濟(jì)源市5年累計(jì)磷肥灰水足跡的24 407多倍。表明農(nóng)藥對(duì)水體質(zhì)量的灰水足跡影響是最大的，氮肥對(duì)水體質(zhì)量的灰水足跡影響較小。

2) 河南省是中國(guó)的大糧倉(cāng)，在提高農(nóng)作物生產(chǎn)量的情況下要控制施肥數(shù)量，提高化肥利用效率；控制農(nóng)藥施肥過(guò)程，提高農(nóng)藥利用效率，才能達(dá)到降低灰水足跡，減少污水對(duì)水體的影響，保護(hù)好水環(huán)境的目的。