1.5 鄱阳湖流域农业灰水足迹时空分析

江西省一直以来都是我国重要的农业大省，农业收入产值占全省收入的主要部分，是江西省主要产业之一。除赣江以外，全省境内还包括以饶、信、抚、修四大河流及其支流组成的丰富水系统，而在这些流域内同样从事着相当规模的农业活动。综合分析全流域范围内农业生产灰水足迹，不仅可以全面整体性分析江西农业的污染问题，同时也可以更好地区分比较各个市区域存在的问题，为省相关环保事业提供参考。

1.5.1 研究方法

1.5.1.1 污染系数空间化

当研究区域范围较大时，由于化肥淋溶率大小受种植方式、地形地貌、施肥量等不同因素的影响，不同条件下农田内的氮、磷流失量存在一定差异，而江西省内地形地貌复杂，多地区开展实验测量费时费力，全区域采用统一的流失系数又容易忽视地区差异性。故本书运用地理信息系统（ArcGIS）将鄱阳湖流域内农田区域按“农区—坡度—种植”的分类原则进行相应划分，结果如图1.20所示。并结合《全国农田面源污染排放系数手册》对不同种植模式下的农区进行污染系数赋值，以实现研究区域污染系数空间化。

图中各数值代表的含义如表1.9所示：

根据《全国农田面源污染排放系数手册》中介绍的相关使用方法，依据中科院资源环境科学与数据中心提供的2000—2020年期间江西土地利用相关数据，参考孙铖构建的方法，用下列公式计算出江西省多年平均氮、磷流失系数，用于灰水足迹时间层次分析。

同时选取2020年相关数据，依照手册对不同种植模式进行污染排放系数赋值。随后用相同的方法计算得到江西省各个地区的氮、磷流失系数，用于灰水足迹空间分布分析。

式中： β _i 为某一田块下某农作物种植面积占市级行政区农作物总播种面积的比例； μ i为该田块的氮、磷流失系数。

1.5.1.2 农业灰水足迹组成

（1）种植业灰水足迹

种植业灰水足迹主要来源于农业生产过程中农药与化肥的过度施用，未被植物吸收利用的化肥和农药在降水和地表径流的作用下，通过淋溶的方式进入地表水体。钾离子能被土壤胶体离子吸附，导致钾肥不容易被淋滤。同时因为省内农药施用种类繁多，各类农药施用量统计数据难以获取，各农药允许浓度不同，并且稀释氮、磷污染的水体和稀释农药污染的水体会有重叠部分。故选用氮、磷为种植业污染物进行计算。参考Hoekstra等的核算方法，核算公式为：

式中： GWF _i 为种植业灰水足迹（m ³ ）; L _i 为第 i 类污染物的排放负荷（kg）； α _i 为第 i 种化学物质进入水体的比例，即淋溶率、径流损失率（%）; Appl _i 为第 i 种化学物质在生产过程中的使用量（kg）; c _max 代表的是第 i 种非点源污染环境允许的最大浓度（kg/m ³ ）; c _nat 代表第 i 种非点源污染在环境中的本底浓度（kg/m ³ ）。

（2）灰水足迹强度

农业灰水足迹强度反映单位耕地面积承载的灰水足迹大小，体现了区域农业水污染程度，其公式为：

式中： GWF _i 表示种植业灰水足迹； Land 为耕地面积（hm ² ）; int 表示农业灰水足迹强度（m ³ /hm ² ）。

1.5.1.3 相关数据及来源

本研究的基础数据资料主要包括江西省100个县市氮磷化肥折纯量、各区域相关农作物播种面积、氮磷流失系数及计算流失系数所需的相关数据。其中用于地形坡度划分的DEM高程数据来源于地理空间数据云、30 m精度土地利用数据来源于中科院资源环境科学与数据中心（http://www.resdc.cn）、水质标准依据《地表水环境质量标准（GB 3838—2002）》，将Ⅲ类水的污染物浓度设为环境最大容许浓度，总磷（TP）为0.2 mg/L，总氮（TN）为1.0 mg/L，自然本底浓度以0计。各区域中相关农作物种植面积和农田化肥折纯量来源于江西省统计年鉴和各市级行政区统计年鉴，农田中氮、磷肥总施用量由单一化肥和复合肥相加得到，复合肥中氮、磷、钾比例按照江西省农业农村厅中相关报告取1∶1∶1。

1.5.2 结果与分析

依次计算鄱阳湖流域种植业、畜禽养殖业、渔业三个方面的灰水足迹，最终统一合成农业灰水足迹，计算结果如表1.10。

按照近十年农业灰水足迹变化趋势，将其分为增长期（2008—2012年）、高峰期（2013—2016年）、下降期（2017—2018年）三个时间段。从时间角度来看，鄱阳湖流域灰水足迹整体呈现先增加后降低的变化趋势。通过表1.10可以明显看出，在增长期，鄱阳湖流域内灰水足迹增长迅速，由89.40×10 ⁸ m ³ 增长到94.83×10 ⁸ m ³ ，增长幅度为6%，可见在早期从事农业生产的过程中一心为提高粮食产量，大量施用化肥，忽视了环境保护相关问题对环境产生的严重影响；在高峰期间，流域农业灰水足迹变化趋势呈现波动变化，总体变化趋势稳定，其中在2014年达到全时间段灰水足迹最大值，为95.74×10 ⁸ m ³ 。在此之后的下降期，流域灰水足迹一致保持下降的趋势。可见近几年开展的各项环保活动取得了一定的成效。

为更好区分农业灰水足迹主要来源，对三个时间内的畜禽养殖、种植、水产养殖各自占农业灰水的比例进行统计分析。结果如表1.11所示。

由表1.11可以发现，畜牧养殖业灰水足迹占比为最大，并且在逐年上升，目前已经达到了80%左右。可见畜禽养殖业是江西省农业灰水足迹的主要来源，种植业灰水足迹占比在逐渐下降。

1.5.2.1 农田氮、磷灰水足迹时空分析

（1）时序分析

江西省化肥施用总量和氮、磷灰水足迹变化趋势如图1.21所示。在2000—2020年期间，江西省农田化肥施用量呈先增长后下降的变化趋势，其中在2000—2006年期间快速增长，年平均增长率为3.2%，在2007—2015年期间波动变化，总体呈上升趋势，2015年达到最高点，为142.71万t，约占当年全国化肥施用总量的2.4%；随后，2016年到2020年，江西省化肥施用总量快速下降，在2020年已下降到108.81万t，下降率为24.21%，表明近几年来江西省绿色生态农业建设取得较好进展。对于各类化肥来说，在过去的21年期间，氮肥、磷肥和钾肥占总化肥施用量比例逐年减少，复合肥占比逐年增加，已成为农业生产化肥中最主要的一部分，需要额外加以关注。

就氮肥灰水足迹来说，在2000—2020年期间，江西省农田氮肥灰水足迹总体呈现先增后降的变化趋势。其中氮肥灰水足迹峰值出现在2011年，为72.7×10 ⁸ m ³ ，相较2000年增幅12.1%，随后一直保持下降趋势，直到2020年氮肥灰水足迹已降至53.5×10 ⁸ m ³ 。

就磷肥灰水足迹来说，磷肥灰水足迹峰值出现在2015年，为147×10 ⁸ m ³ ，相较2000年增幅较大，为33.73%。此后，在2015—2020年期间，磷肥灰水足迹逐渐下降，在2020年降至112×10 ⁸ m ³ ，下降幅度为23.56%。

（2）空间分析

鄱阳湖流域是我国重要粮食生产基地，每年为保证农业生产都会使用大量化肥，而区域内各个市的行政面积和地形地貌存在着明显差异。为更加准确分析鄱阳湖流域内不同地区的种植业灰水足迹，本研究利用地理信息系统对区域内 100个县区进行空间分布特征分析，以更加准确直观地显示区域氮、磷灰水足迹状况，如图1.22所示。

对于氮肥灰水足迹来说，流域内总体呈现由外向里逐渐增多的变化趋势，高氮肥灰水足迹区域主要集中在鄱阳湖平原及周边地区，例如上饶市的鄱阳县和余干县、宜春市的丰城市和樟树市以及南昌市的南昌县和进贤县，其中南昌县、丰城市和余干县的氮肥灰水足迹最高，分别为2.26×10 ⁸ m ³ 、1.99×10 ⁸ m ³ 和1.84×10 ⁸ m ³ ；除以上县区外，宁都县、泰和县、南丰县、吉水县、渝水区、临川区、高安市、永修县和新建区境内氮肥灰水足迹也相对较高，值得加以关注。

对于磷肥灰水足迹来说，空间分布和氮肥灰水足迹基本相同，江西中东部地区为高磷肥灰水足迹区域，南昌县、余干县、丰城市、鄱阳县为全省磷肥灰水足迹最高的区域，分别为5.56×10 ⁸ m ³ 、3.98×10 ⁸ m ³ 、3.92×10 ⁸ m ³ 和3.82×10 ⁸ m ³ 。萍乡市、景德镇市、宜春市西部、赣州市南部、上饶市东部和吉安市磷肥灰水足迹相对其余地区较低，而抚州市北部地区、宜春市东部、南昌市和九江市南部等地区存在磷肥灰水足迹较高现象，需要加强绿色生态农业建设，减少农田化肥使用。

1.5.2.2 农田氮、磷灰水足迹强度空间分析

灰水足迹仅反映了区域内种植业污染量的多少，由于不同地区种植面积差异较大，单纯从灰水足迹角度无法分辨地区农田化肥污染程度，故采用灰水足迹强度来反映不同地区单位耕地在农业生产过程中承载的面源污染程度，计算后用地理信息系统将结果分为五个层次，分别为高污染强度地区、较高污染强度地区、中污染强度地区、较低污染强度地区、轻污染强度地区。结果如图1.23所示。

从氮肥灰水足迹强度来看，鹰潭市和吉安市整体农田氮肥污染程度较轻；中污染强度地区主要位于宜春市东部、九江市北部、抚州市南部和赣州市中部与西部地区，其余地区例如上饶市弋阳县、萍乡市上栗县和新余市渝水县也均为中污染强度地区；铅山县、永修县、樟树市、奉新县、珠江区和红谷滩区为较高污染强度地区；全流域氮肥灰水足迹强度最大区域是抚州市南丰县，为2 873.38 m ³ /hm ² ，为高污染强度地区。

从磷肥灰水足迹强度来看，吉安市、宜春市西部、萍乡市北部、九江市西部和上饶市大部分地区均为低和较低污染强度地区，其中吉安市低污染强度地区占全市面积的54%，说明当地农业绿色生态化发展良好；中污染强度地区为上饶市铅山县、抚州市金溪县、萍乡市莲花县、宜春市奉新县和樟树市、赣州市会昌县和崇义县、南昌市安义县和南昌县；景德镇市珠江区、南昌市红谷滩区和九江市永修县为较高污染强度地区，其磷肥灰水足迹强度依次为5 578.60 m ³ /hm ² 、5 056.87 m ³ /hm ² 和4 651.24 m ³ /hm ² ；抚州市南丰县为全区域磷肥灰水足迹强度最高地区，为6 885.59 m ³ /hm ² 。

1.5.3 讨论

运用灰水足迹理论来评估地区农业化肥面源污染，相较于其他研究方法，灰水足迹可有效地展示化肥污染对地区水资源的影响，是目前农田面源污染研究的主要方法之一。

（1）区域主要污染物及来源分析

基于研究发现，在过去21年江西省农田化肥施用过程中，复合肥占总化肥施用量比例逐年增加，是目前农田面源污染的主要来源。通过比较氮肥和磷肥灰水足迹可以发现，尽管氮肥施用量大于磷肥施用量，但自然水体对磷元素的最大容许浓度远小于氮元素的最大容许浓度，使得磷肥灰水足迹大于氮肥灰水足迹，根据灰水足迹中的“木桶理论”，相较于施用量更大的氮肥，灰水足迹更高的磷肥才是农田生产的主要污染来源，这与《江西省环境状态公报》中的结论一致。因而在判断主要污染物时，不仅需要比较污染物排放量的多少，同时也需要考虑到水体对不同污染物耐受程度的不同。

（2）区域重污染程度地区分析

分区域来看，农田氮、磷污染较严重区域大多集中在江西省中部平原地区，其中南昌市灰水足迹强度达到了3 686.23 m ³ /hm ² （2010—2020年平均值），为江西省地级市中农田污染最为严重的区域。县区级方面，抚州市南丰县为农田化肥污染最为严重区域，通过比较南丰县肥料施用情况后发现，其复合肥施用量占全县化肥施用量的44%，占抚州市复合肥施用总量的20%，远远超过了抚州市其他地区。景德镇市珠山区、九江市永修县和南昌市红谷滩区为较高风险地区，其中景德镇市珠山区用于蔬菜种植的耕地面积占其整体耕地面积的98%，在单一化种植模式下，当地农民为保证作物产量而过量施用化肥，导致单位耕地面积下化肥使用量过高。九江市永修县复合肥和磷肥施用量是周边县市的二到三倍，南昌市红谷滩区相较于周边种植面积相近的东湖区，各类化肥施用量均是东湖区的数倍以上，两地均存在化肥施用强度过高的情况，值得地区相关部门重视。 5AxHoxVtozZ56Id8ZSmEX2FQsDdBVFuknMKpY4Xafbg7brCsiO2KSPNatVX4PCYw