王方方，王延華,2,3①，蔡祖聰,2,3，黃 玉

以化肥和有機肥形式的氮肥使用正在全世界增加，中國人口和糧食產量的快速增長使其成為全球最大的氮肥生產國和消費國[1]。自1980年代以來，居民對動物性食品需求顯著增加，進而對農業(yè)和糧食系統(tǒng)也產生重大影響[2]。不同形態(tài)氮素在不同地球圈層系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)和人類社會系統(tǒng)都具有一定容量，氮素總量異常會引起系統(tǒng)功能結構紊亂，引發(fā)氮素資源環(huán)境問題。有研究[3]顯示，自工業(yè)革命以來，氮肥生產和施用以及化石燃料燃燒等人類活動極大地改變了氮素循環(huán)，向環(huán)境中釋放了大量氮素[4]，引發(fā)了嚴重的土壤和地下水硝酸鹽污染[5]、水體富營養(yǎng)化[6]、土壤酸化[7]、溫室效應[8]以及臭氧層破壞[9]等環(huán)境問題。隨著我國經濟發(fā)展，氮素資源供給不平衡的矛盾愈發(fā)尖銳，急需實現(xiàn)氮素資源可持續(xù)利用。

氮素資源可持續(xù)利用不僅需要社會經濟的推動、氮素資源系統(tǒng)自身的運轉和相關政策制度的運行，還需要他們之間協(xié)調統(tǒng)一及平衡發(fā)展。驅動力(drive force，D)-壓力(pressure，P)-狀態(tài)(state，S)-影響(impact，I)-響應(response，R)(DPSIR)模型，涵蓋了經濟、社會和環(huán)境3大要素，能全面描述環(huán)境系統(tǒng)變化的因果關系。DPSIR模型可用來評估生態(tài)系統(tǒng)和國家大型煤電基地的生態(tài)環(huán)境效應[10-11]，定量分析能源安全發(fā)展和生物燃料產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和協(xié)調能力[12-13]。另有研究采用DPSIR模型結合實測數(shù)據(jù)開展?jié)竦亟】翟u價[14]和土地利用規(guī)劃環(huán)境影響評價[15]，對湖泊進行定性分析和水資源可持續(xù)利用評價[16-17]，針對地下水環(huán)境退化及不同情景下氣候變化對農業(yè)水資源的影響進行評價[18-19]。有學者[20]采用DPSIR模型構建城市霧霾治理測度指數(shù)，提出治理政策措施。以曲周縣為例，采用DPSIR模型從驅動力、壓力、狀態(tài)、影響和響應5個層面建立氮素資源可持續(xù)利用(NRS)發(fā)展評價指標體系，并結合變異系數(shù)法和改進的熵值法2個客觀賦權法進行組合賦權，計算各因素層和目標層的可持續(xù)發(fā)展綜合指數(shù)，分析和評價1997—2017年曲周縣NRS發(fā)展水平，預測其發(fā)展趨勢，提出對策和建議，為研究區(qū)氮素資源可持續(xù)利用及生態(tài)環(huán)境改善提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處河北省邯鄲市東北部(36°34′45″～36°57′57″ N，114°50′30″～115°13′30″ E)，包括10個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，是典型的集約化農業(yè)區(qū)。研究區(qū)屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區(qū)，年均溫為13.10 ℃，年均降水量為556.20 mm[21]。境內的支漳河和老沙河為曲周縣農牧業(yè)發(fā)展提供了良好的水資源條件，但近些年地表水氮素污染嚴重。1997年以來，耕地面積約占研究區(qū)總面積的67.14%。主要農作物有玉米、谷子、大豆、棉花、油料和蔬菜。小麥-玉米為一年兩熟，棉花為一年一熟[21]，蔬菜以大棚種植為主。畜牧業(yè)養(yǎng)殖有豬、牛、羊、家禽和兔。

1.2 指標體系的構建

DPSIR體系是目標層、準則層和指標層構成的層次化模型(圖1)。

圖1 DPSIR模型框架

DPSIR模型既能揭示社會、經濟發(fā)展和人類活動對環(huán)境的影響，又能體現(xiàn)人類活動及其最終導致的環(huán)境狀態(tài)對社會的反饋[22]。目標層為NRS評價；準則層包括驅動力、壓力、狀態(tài)、影響和響應5個因素；指標層是根據(jù)準則層內容進一步細化得到的評價指標，需結合評價目標及研究區(qū)實際情況進行篩選，共同為目標層服務。驅動力因素包括自然和社會2個方面；壓力因素是在驅動力作用下對氮素資源直接發(fā)生的糧食安全、氮素需求和生態(tài)環(huán)境壓力；狀態(tài)因素是在驅動力和壓力因素作用下所表現(xiàn)出的狀態(tài)；影響因素是食物生產、消費系統(tǒng)和社會經濟在氮素資源狀態(tài)下受到的影響；響應因素是在一系列因素變化下對氮素資源利用采取的政策和管理措施。評價指標結合曲周縣區(qū)域特征，遵循系統(tǒng)性和科學性、地域性、可量化性、不漏性、準確性和可比性等原則[23]，使評價體系更加科學，評價結果更加準確。

以NRS評價為目標層，以D、P、S、I和R為準則層，以38個指標為指標層指標(表1)。各指標數(shù)據(jù)來源于1997—2017年《中國統(tǒng)計年鑒》《曲周縣統(tǒng)計年鑒》、相關文獻和實地調研。氮素流動相關指標計算方法和參數(shù)見文獻[2,24-25]。

表1 曲周縣氮素資源可持續(xù)利用評價指標及權重值

1.3 指標權重的確定

為了排除主觀因素影響，減少計算方法單一性以提高評價的科學性，采用變異系數(shù)法和改進的熵值法[26-27]2種客觀賦權法相結合進行客觀組合賦權，計算公式分別為

(1)

(2)

式(1)～(2)中，wi為指標i組合權重；w1i和w2i分別為變異系數(shù)法和改進的熵值法得到的評價指標i權重；p1、p2、…、pn分別為由小到大排列的指標i評價值權重；REn為差異程度系數(shù)，取值范圍為[0，1]；n為評價指標數(shù)，共38個。

1.4 氮素資源可持續(xù)性綜合指標的確定

對38個指標進行標準化處理，賦權后計算所有指標加權平均和，從而得到準則層和目標層的綜合評價值，對目標進行綜合評價。采用綜合指數(shù)法[23]計算指標層各指標評價值和目標層綜合評價值。

指標層指標評價值計算公式為

f(Dij)=wdijxdij，

(3)

f(D)=∑f(Dij)。

(4)

式(3)～(4)中，f(Dij)為驅動力因素第i年第j個指標的評價值；f(D)為驅動力因素所有指標評價值之和；xdij為第i年第j個指標標準化和無量綱化后的驅動力因子數(shù)據(jù)；wdij為驅動力因素第i年第j個指標的客觀組合綜合權重值，其中0≤w≤1，且∑w=1。同理，f(Pij)、f(Sij)、f(Iij)和f(Rij)分別為壓力、狀態(tài)、影響和響應因素在第i年第j個指標的評價值，f(P)、f(S)、f(I)和f(R)分別為壓力、狀態(tài)、影響和響應因素的評價值。

目標層(NRS評價)綜合評價值計算公式為

本平臺用于管理測繪標準制修訂過程信息以及相應文檔，以能實現(xiàn)測繪標準制修訂高效管理和測繪標準資源共享為目標，為測繪標準信息化管理提供現(xiàn)代化的管理方法和技術支持，主要功能如下。

f(O)=f(D)WD+f(P)WP+f(S)WS+

f(I)WI+f(R)WR。

(5)

式(5)中，f(O)為氮素可持續(xù)發(fā)展水平指數(shù)；WD、WP、WS、WI和WR分別為驅動力、壓力、狀態(tài)、影響和響應因素的權重值。根據(jù)文獻[28]和相關標準確定指標臨界值，將氮素資源可持續(xù)發(fā)展水平指數(shù)劃分為4個水平，0≤f(O)<2.5時氮素資源為不可持續(xù)；2.5≤f(O)<5時為弱可持續(xù)；5≤f(O)<7.5時為基本可持續(xù)；7.5≤f(O)≤10時為強可持續(xù)。

1.5 灰色預測法

灰色預測模型所需數(shù)據(jù)較少，且預測結果較為準確[29]。將1997—2017年曲周縣氮素資源可持續(xù)性綜合評價指標數(shù)據(jù)作為輸入端，采用Matlab R2018a軟件，運用灰色預測GM(1，1)模型程序，對2018—2030年研究區(qū)氮素資源可持續(xù)利用水平進行預測。預測公式精度標準見表2。

表2 灰色預測精度檢驗標準

2 結果與討論

2.1 曲周縣氮素利用驅動力分析

1997—2017年曲周縣食物生產與消費系統(tǒng)氮素通量變化見圖2。

圖2 1997—2017年曲周縣食物生產與消費系統(tǒng)氮素通量變化

以城鎮(zhèn)化率為主的驅動力因素對曲周縣食物生產與消費系統(tǒng)氮素通量的影響最大，這主要有3個原因：(1)居民膳食結構發(fā)生變化。由于農作物種植產量無法滿足當?shù)鼐用裥枨?，植物性食品年均氮素進口量較大，為2.39 kg·人-1；動物性食品居民需求增大，但仍過剩，年均氮素出口量為7.54 kg·人-1。同時1997—2017年以還田為主的秸稈氮素通量上升69.32%，促進了氮素循環(huán)利用。(2)城鎮(zhèn)化快速發(fā)展導致在食物生產與消費過程中向環(huán)境排放了大量氮素，研究區(qū)氮素損失以氣體(58.14%)為主，且大氣氮負荷比例逐漸減小，水體氮負荷比例緩慢增加。與1997年相比，水體氮負荷比例增加5%。(3)城市化進程影響農牧業(yè)對氮素的需求結構，農田生產系統(tǒng)以化肥氮投入(>60%)為主，畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)依賴進口飼料(>60%)。除上述因素外，人均GDP、農民人均純收入、城鎮(zhèn)居民可支配收入和農業(yè)產值占比的變化趨勢對驅動力因素的影響也較大。因此，1997—2017年，經濟因素成為影響研究區(qū)氮素資源狀況的重要指標。

土地利用方式因素權重(0.05，表1)在驅動力影響因素中最小，這是由于1997—2016年研究區(qū)耕地面積保持不變，僅在2017年增加9.92%，而1997—2017年地區(qū)GDP和人均GDP分別增加9.37倍和7.89倍。曲周縣是河北農業(yè)大縣，土地利用方式隨著經濟發(fā)展也在發(fā)生改變[30]，土地利用方式仍為氮素資源利用需考慮的驅動力。因此，1997年以來研究區(qū)氮素資源可持續(xù)發(fā)展驅動力整體呈不斷增強趨勢(圖3)。

圖3 曲周縣驅動力因素評價值變化趨勢

2.2 氮素利用壓力-狀態(tài)-影響因素耦合作用

在壓力因素的7個指標(表1)中，單位GDP氮素強度和廢棄物氮排放強度對壓力因素評價結果的影響最大，前者反映居民對食品氮素的消費情況，后者反映廢棄物氮排放對氮素資源系統(tǒng)和環(huán)境產生壓力。其他反映糧食安全與氮素需求壓力的5個壓力指標權重均較小。但隨著研究區(qū)農田和畜禽系統(tǒng)氮素輸入量逐年增加，家庭消費系統(tǒng)中膳食結構的變化導致動物性食品需求量大增，這些指標均對氮素資源系統(tǒng)產生巨大逆向壓力，不利于NRS。狀態(tài)因素的5個指標(表1)中，農田生產系統(tǒng)和畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)氮利用率權重較大，分別為0.26和0.30。1997—2016年農田生產系統(tǒng)氮利用率上升，2017年農作物產量減少，肥料氮利用率在2017年降低至28.46%，畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)氮利用率從38.34%(1997年)上升至54.67%(2017年)。1997—2017年曲周縣家庭消費系統(tǒng)廢棄物氮產生量由26.60降至25.00 kg·hm-2。廢棄物氮資源化利用率由26.45%下降至24.70%，環(huán)境損失率年均為71.68%。這說明在驅動力和壓力因素的耦合作用下，畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)氮素資源狀態(tài)得到較好提升；農田生產系統(tǒng)需要進行種植結構調整，提高經濟作物種植面積比例；家庭消費系統(tǒng)需要采取措施提高廢棄物氮資源化利用比例，促進NRS。10個受氮素資源狀態(tài)影響的因素中，反映氮素供給能力的影響因素指標權重值較大，分別為單位面積植物性食品氮生產量(0.11)、單位面積動物性食品氮生產量(0.12)、植物性食品自給率(0.12)和動物性食品自給率(0.12)。其他6個影響指標均反映氮素資源環(huán)境負荷，權重較為接近，這與食物生產與消費系統(tǒng)氮素損失率變化較為緩慢有關。

由圖4可知，1997年以來研究區(qū)壓力因素綜合評價值呈波動下降趨勢，但1997—2006年壓力因素綜合評價值總體上大于驅動力因素綜合評價值，各因素對氮素資源系統(tǒng)有較大壓力。

圖4 曲周縣壓力-狀態(tài)-影響因素評價值變化趨勢

究其原因，單位GDP氮素強度和廢棄物氮排放強度權重較大，且兩者下降幅度較大，對氮素資源系統(tǒng)產生巨大推力，有利于NRS。2006—2012年研究區(qū)壓力因素綜合評價值下降速率小于驅動力因素綜合評價值增加速率，而2012年之后壓力因素綜合評價值呈上升趨勢，說明曲周縣氮素資源系統(tǒng)仍遭受較大壓力。1997—2017年研究區(qū)狀態(tài)因素綜合評價值呈不穩(wěn)定上升趨勢，表明曲周縣氮素資源狀態(tài)得到緩慢改善。2017年研究區(qū)農作物種植面積和畜禽養(yǎng)殖規(guī)模減小，而廢棄物循環(huán)氮利用率未變，說明秸稈飼料化、糞尿肥還田和廚余垃圾飼料化等廢棄物氮資源化利用比例突然下降(圖2)。1997—2017年研究區(qū)影響因素綜合評價值呈不穩(wěn)定上升趨勢，表明其向可持續(xù)發(fā)展方向轉變。

2.3 生態(tài)環(huán)境對氮素可持續(xù)性的響應及現(xiàn)狀評價

響應因素的7個指標中，農作物種植結構和畜禽養(yǎng)殖規(guī)模與方式的權重較大，分別為0.24和0.23(表1)。反映水肥管理措施的指標數(shù)據(jù)波動幅度較小，權重也較小。1997—2017年曲周縣響應因素綜合評價值呈先下降后上升趨勢(圖5)。農作物種植結構為糧食作物面積與經濟作物面積的比值。2012年曲周縣對耕作制度進行調整，農作物種植結構數(shù)值增大，畜禽養(yǎng)殖規(guī)模大幅降低，而農作物種植結構和畜禽養(yǎng)殖規(guī)模指標權重均較大，因此響應因素綜合評價值變化趨勢與兩者直接相關，評價值降低。

由圖5可知，1997—2017年曲周縣NRS綜合評價值呈波動上升趨勢，由4.30增加至5.27。表1顯示，曲周縣氮素資源系統(tǒng)在經濟和社會因素的共同影響下總體上呈現(xiàn)由弱可持續(xù)水平向基本可持續(xù)水平方向發(fā)展。從38個指標賦權結果來看，單位GDP氮素強度(0.05)、城鎮(zhèn)化率(0.05)、人均GDP(0.05)、農民人均純收入(0.05)、城鎮(zhèn)人均可支配收入(0.05)和廢棄物氮排放強度(0.05)這6個指標權重較大，可見在曲周縣NRS評價中，驅動力層的經濟因素和社會因素指標尤為重要。2012年氮素資源綜合評價值達到最小，這與當年研究區(qū)食物生產消費系統(tǒng)對氮素需求降低有關。

圖5 曲周縣響應因素和氮素資源可持續(xù)利用綜合評價值變化趨勢

2.4 曲周縣未來氮素資源可持續(xù)利用水平預測

以2017年曲周縣NRS值(5.27)為基準值，分別對NRS值影響較大的單位GDP氮素強度、城鎮(zhèn)化率、人均GDP、農民人均純收入、城鎮(zhèn)人均可支配收入和廢棄物氮排放強度6個指標進行情景模擬，分別調升或調降10%以分析不同情景下曲周縣NRS值的變化情況。由圖6可知，NRS預測值與真實值擬合程度較高。

圖6 曲周縣氮素資源可持續(xù)利用綜合評價預測

預測結果表明，城鎮(zhèn)化率、人均GDP、農民人均純收入和城鎮(zhèn)人均可支配收入在提高10%的情況下，均可使曲周縣NRS評價值提高。因此，為提高曲周縣氮素資源可持續(xù)利用水平提出2個建議：(1)在經濟發(fā)展和城市化進程中，增大研究區(qū)經濟作物種植面積以適應城市居民對膳食結構的調整；(2)重視對廢棄物中氮素的處理，尤其在家庭消費系統(tǒng)中，加大廢棄物處理設施的投入，促進廢棄物氮素資源再利用的最大化，避免曲周縣NRS下降。

3 結論

(1)自1997年以來，曲周縣氮素利用驅動力、狀態(tài)、影響因素綜合評價值均呈上升趨勢，而壓力因素綜合評價值呈下降趨勢，響應因素綜合評價指標值呈先下降后上升趨勢。

(2)1997—2017年曲周縣氮素資源可持續(xù)性利用綜合評價值呈上升趨勢。氮素資源系統(tǒng)在多種因素共同影響下，由弱可持續(xù)水平向基本可持續(xù)水平方向發(fā)展。在NRS評價體系中，驅動力因素中經濟因素和社會因素指標較為重要。

(3)灰色預測模型預測結果顯示，2018—2030年曲周縣NRS評價值呈上升趨勢。情景模擬結果表明，城鎮(zhèn)化率、人均GDP、農民人均純收入和城鎮(zhèn)人均可支配收入提高10%均可使曲周縣NRS評價值提高。

采用DPSIR模型對食物生產與消費系統(tǒng)建立評價指標體系，可從人口、經濟、社會、環(huán)境和資源等多個方面選取指標，具有指標更完善和全面的優(yōu)點，評價方法也實用和可操作，但存在政策和措施等方面指標無法定量測度的局限性。