农业土地利用系统氮足迹与灰水足迹综合评价.docx
《农业土地利用系统氮足迹与灰水足迹综合评价.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《农业土地利用系统氮足迹与灰水足迹综合评价.docx(8页珍藏版)》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、付永虎,刘黎明 ,袁承程 第 32 卷 增刊 1 农 业 工 程 学 报 Vol.32 Supp.1 312 2016 年 1 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jan. 2016 农业土地利用系统氮足迹与灰水足迹综合评价 (中国农业大学资源与环境学院,北京 100193) 摘 要: 氮足迹和灰水足迹作为定量分析人类活动对活性氮排放及水资源影响的指标,为农业土地利用系统环境效应评 价提供了新的理论与途径。该文在氮足迹和灰水足迹理论的基础上,构建了县域尺度农业土地利用系统氮足迹与灰水足 迹理论分析框
2、架,以湖南桃江县为研究区,计算了农业土地利用系统氮足迹与灰水足迹。结果表明: 1) 1980 2010 年 氮足迹与灰水足迹、单位土地利用面积氮足迹与灰水足迹均呈逐年增加的趋势。 2010 年氮足迹和灰水足迹分别是 1980 年的 2.02 倍和 2.36 倍,单位土地利用面积氮足迹和灰水足迹分别是 1980 年的 2.00 倍和 2.31 倍; 2) 1980 2010 年输入 氮足迹和污染氮足迹分别增长了 102.54%、 128.79%。 2010 年肥料氮投入占输入氮足迹的 72.72%,污染氮足迹占总氮足 迹的 32.79%; 3) 1980 2010 年,每年氮肥灰水足迹均高于磷肥
3、灰水足迹。活性氮流失的增长造成的稀释水量增加是农 业土地利用系统灰水足迹增长的关键因素。评价结果显示,桃江县农业土地利用系统在足迹总量与单位土地利用足迹对 大气和水资源的负面影响正在持续上升。氮足迹与灰水足迹综合评价方法能有效地识别区域农业土地利用过程对环境的 负面效应,研究成果为降低农业土地利用过程的环境风险、制定农业土地利用系统优化方案提供参考。 关键词: 农业;土地利用;氮;灰水;足迹;综合评价;桃江县 doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.z1.043 中图分类号: X82; F323.21 文献标志码: A 文章编号: 1002-6819(2016)
4、-Supp.1-0312-08 付永虎,刘黎明,袁承程 . 农业土地利用系统氮足迹与灰水足迹综合评价 J. 农业工程学报, 2016, 32(Supp.1): 312 319. doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.z1.043 http:/www.tcsae.org Fu Yonghu, Liu Liming , Yuan Chengcheng. Comprehensive evaluation for nitrogen footprint and grey water footprint of agricultural land use systemJ.
5、Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(Supp.1): 312 319. (in Chinese with English abstract) doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.z1.043 http:/www.tcsae.org 0 引 言 自 20 世纪 80 年代以来,为满足日益增长的粮食需 求,中国已普遍实行了高集约化的农业生产模式,由于 农业生产资料的过度投入,大量未被有效利用的养分流
6、 失到环境中,常引发一系列的生态环境问题 。 尤其是随 着氮肥输入的增加,农业生态系统的氮平衡被破坏,大 量的活性氮进入环境,造成农业非点源污染加剧、酸雨、 臭氧层破坏等问题,严重影响了高集约化农业土地利用 系统的可持续性 1。如何系统分析和评价农业土地利用对 环境的负面效应已成为当前环境科学和土地科学重要的 研究方向之一。 足迹 研究是当前生态经济学和可持续发展研究 领域 的热点之一 2。足迹类指标为评估农业土地利用资源消耗 和废弃物排放等提供了新的理念和途径。氮足迹( nitrogen footprint, N footprint)是为定量评价人类活动对活性氮 排放的影响而提出的。 201
7、0 年 Galloway 等 3-4在第 5 次国 际氮素大会提出了氮足迹计算模型及其应用,受到了全 收稿日期: 2015-01-29 修订日期: 2015-04-30 基金项目:国家自然科学基金重点项目( 41130526) 作者简介:付永虎,男,山东兖州人,博士生,研究方向为土地利用系统研 究。北京 中国农业大学资源与环境学院, 100193。 Email: huhu_ 通信作者:刘黎明,男,浙江上虞人,教授,博士,博士生导师,主要研 究方向为土地资源可持续利用与景观规划。北京 中国农业大学资源与环境 学院, 100193。 Email: 世界的广泛关注。以 Galloway 和 Lea
8、ch5-6为首的研究团 队作了概念界定及计算模型等开创性的工作。秦树平等 7 在此基础上将氮足迹定义为:某种产品或者服务在其生 产 、 运输 、 存储以及消费过程中直接和间接排放的活性 氮的总和 。 氮足迹研究从量化人类活动影响活性氮排放 的角度,为指导人类生产方式,减少人为活性氮排放提 供理论和数据支撑 。 国内外已有学者从家庭 、 国家等不 同尺度评价人类活动对活性氮排放的影响,尤其侧重于 对食物的生 产、 消费,能源消耗等活性氮流动的定量分 析 8-11。 灰水足迹( grey water footprint, GWF)于 2008 年由 Hoekstra 和 Chapagain 首次提
9、出,该理论定义灰水足迹是 稀释污染物所需要的水量,通常情况下换算成将污水稀 释至符合当地区域规定的水质标准所需的淡水体积 。 灰 水足迹实现了从水量的角度评价水污染程度的目的,直 观地反映了水污染对可用水资源量的影响 12。近几年国 外灰水足迹研究发展迅速,一些学者分别从全球、国家、 区域层面评估了主要作物生产、消费的灰水足迹 13-16。 国内部分学者基于灰水足迹理论与方法评估了中国华北 平原 、 新疆 、内 蒙古 、 黑龙江 、 山东 、 湖南等区域粮食 生产与消费的灰水足迹 17-20。 对农 业土地利用系统环境影响的准确度量是可 持续 土地利用评价的核心内容之一 。 通过氮足迹与灰水足
10、迹 的计算,能够全面且深入地分析农业土地利用过程对关 键污染物(活性氮)排放、关键环境问题(非点源污染) N footprint of agricultural land use system/t 农业土地利用系统氮足迹 =输入氮足迹 +燃油氮足迹 氮肥灰水足迹 GWF of nitrogen/m3 氮肥灰水足迹 =农田氮流失量 /(水环境最大容许氮浓度 -水环境本底氮浓度) 磷肥灰水足迹 GWF of phosphate/m3 磷肥灰水足迹 =农田磷流失量 /(水环境最大容许磷浓度 -水环境本底磷浓度) GWF of agricultural land use system/m3 农业土地利
11、用系统灰水足迹 =max氮肥灰水足迹,磷肥灰水足迹 增刊 1 付永虎等:农业土地利用系统氮足迹与灰水足迹综合评价 313 的影响,为农业土地利用系统环境效应综合评价提供了 定量 化指 标 。 本文 选取粮食 主 产区湖南 省 桃江县为 研究 区,以农业土地利用系统为研究对象,在氮足迹和灰水 足迹理论与模型的基础上,构建区域尺度氮足迹和灰水 足迹综合分析框架,综合评价桃江县农业土地利用系统 对生态环境形成的压力,为转变人类不合理的农业土地 利用方式 、 调整农业土地利用结构 、 优化与设计低环境 风险的农业土地利用系统提供指导。 1 研究方法和数据处理 1.1 农业土地利用系统边界定义 农业 土
12、地利用系统是由各种生产 要素输入、土 地利 用过程和各种输出组成,在农业生产活动过程中所形成 的人与自然耦合系统 。 本研究选取湖南省桃江县作为研 究区,农业土地利用系统主要指种植业,包括桃江县行 政区内旱地和水田 。 农业土地利用过程从生产要素 、 环 境要素在农田的输入开始,经过田间管理至农产品收获 为止。 1.2 计算方法 1.2.1 农业土地利用系统氮足迹的计算方法 农业 土地利用系统氮足迹是指人类在进行农业 生产 的土地利用过程中投入各种资源所直接占用和排放的活 性氮总量 。 为全面评价农业土地利用过程中氮素的流动 特征,本文在 N-Calculator 模型的基础上,结合农业土地
13、利用系统的投入与产出特征,对其进行修正 。 构建了区 域农业土地利用系统氮足迹分析框架(表 1)。所涉及的 计算包括:农业土地利用系统氮足迹 、 输入氮足迹(种 子 、 有机肥 、化 肥 、 沉降 、固 氮和灌溉);污染氮足迹 (指在农业土地利用过程中所导致的不被作物吸收的活 化氮排放,包含地表径流(总氮) 、 淋溶(总氮) 、 氨 挥发、 N2O 直接排放及农业燃油 NO 和 NO2 排放途径损 失的活性氮 )。 依据物质守恒原理及数据收集的难易, 以输入氮足迹和燃油氮足迹之 和作为农业土地利用系统 氮足迹。 1.2.2 农业土地利用系统灰水足迹的计算方法 类比粮食生产灰水足迹的概念 17,
14、农业土地利用系 统灰水足迹是指以现有水质标准为基础,用于消纳 、 稀 释农业土地利用过程排放到环境中的污染物的所需淡水 量 。 以稀释关键污染物所需的最大淡水量作为农业土地 利用系统灰水足迹,这种稀释污染物的淡水量并非真实 消耗掉了,只是一种虚拟水的形式 。 依照国际水足迹网 络出版的 Grey water footprint accounting: Tier1 supporting guidelines21为依据,计算氮肥灰水足迹和磷肥灰水足迹 (表 1)。 表 1 农业土地利用系统氮足迹与灰水足迹评价指标 Table 1 Evaluation indicators of nitrogen
15、(N) footprint and grey water footprint (GWF) for agricultural land use system 评价项目 Evaluation item 评价指标 Evaluation indicators 计算公式 Formula 输入氮足迹 =人为氮输入 +环境氮足迹 输入氮足迹 Input N footprint/t 人为氮输入 =种子 +有机肥 +化肥 氮足迹 Nitrogen footprint 灰水足迹 Grey water footprint GWF 环境氮输入 =干湿沉降 +生物固氮 +灌溉 污染氮足迹 Pollution N foo
16、tprint/t 污染氮足迹 =地表径流 +地下淋溶 +氨挥发 +N2O 直接排放 +燃油排放 农业土地利用系统氮足迹 =农田氮流失率 氮肥施用量 /(水环境最大容许氮浓度 -水环境本底氮浓度) =农田磷流失率 磷肥施用量 /(水环境最大容许磷浓度 -水环境本底磷浓度) 农业土地利用系统灰水足迹 1.3 研究区概况及数据来源 湖南 桃江县位于湖南省中部偏北位置,处于资 江中 下游,地理坐标为 2812 2840N, 11136 11219E。 桃江县属亚热带大陆性季风气候,县境热量充足,雨水 充沛,无霜期平均 260 d,年均气温 16.6 ,年均降水量 在 1 041 2 255 mm 之间
17、。全县耕地 4.45 万 hm2,占土地 总面积的 21.53%;园地 0.53 万 hm2,占土地总面积的 2.55%;林地 11.47 万 hm2,占土地总面积的 55.45%;其 它农用地 1.76 万 hm2,占土地总面积的 8.53%。桃江属典 型粮食主产区,以水稻种植为主,其播种面积占总粮食 作物播种面积的 93%,其秸秆还田率达 68%。桃江畜牧 业较为发达, 2010 年桃江生猪出栏数已达 4 371.65 万头。 因其规模化养殖率低,农户散养较多,猪粪还田比率相 对较高。 1)氮足迹的计算:本文涉及的作物秸秆含氮系数、 作 物秸秆籽粒比等数据主要来源于 中国有机肥料养分 志
18、22。氮肥施用量、磷肥施用量、作物产量、降雨量、 作物播种面积,禽畜数量 、燃 油使用量等来源于 桃江 县统计年鉴 和 湖南农村统计年鉴 。畜 禽粪便排泄 系数和养分含量参照文献 23,其中羊和兔的粪便排泄系 数及氮磷含量参照文献 24。有机肥还田率 50%,秸秆还 田率 68%,通过入户调研获得。蔬菜产量通过桃江农业 局获得。地表径流(总氮)和地下淋溶(总氮) 25,生 物固氮系数 26、 雨水含氮系数 、 反硝化系数通过文献 27-28获得。农用地 N2O 的排放根据 IAP-N 模型计算 N2O 的直接排放量,水田与旱地的直接排放因子分别取值 0.003、 0.0074529。此外,根据
19、桃江农业局提供的数据,燃油氮足 迹以农用柴油使用量计算,排放系数参照文献 10。 2)灰水足迹的计算:以中国地表水环境质量标准基 本项目标准限值( GB 3838-2002)中 V 类水总氮、总磷 浓度限值作为氮、磷污染物在水体中的环境浓度标准,分 别计算农业土地利用系统氮肥灰水足迹和磷肥灰水足迹。 Agricultural Input N by land area/hm2 Input N by environment /t unit area/(thm ) (10 m ) (10 m ) (104m3hm-2) (10 m ) 314 2 结果与分析 农业工程学报( http:/www.tc
20、sae.org) 2016 年 统中产生的氮足迹和灰水足迹呈稳步增加的趋势(表 2)。 2.1 农业土地利用系统氮足迹和灰水足迹总体情况 农业 土地利用系统是人类生存最为重要的陆表 生态 系统之一,对陆地氮素的初级转化及水资源的消耗起重 要的作用 。 桃江县农业土地利用所产生的氮足迹和灰水 足迹反映了农业土地利用对活性氮排放及主要污染物稀 释水的需求。 1980 年至 2010 年,桃江县农业土地利用系 两类足迹从 1980 年的 15 135.09 t、 4.35 亿 m3 增加到了 2010 年的 30 599.40 t、 10.27 亿 m3,分别增长了 1.02 倍 和 1.36 倍,
21、年均增速 2.30%、 2.81%。在这一时期,单位 土 地 利 用 面 积 氮 足 迹 和 灰 水 足 迹 分 别 由 1980 年 的 0.35 t/hm2、 1.01 万 m3/hm2 提高至 2010 年的 0.70 t/hm2、 2.33 万 m3/hm2,年均增速 2.23%和 2.75%。与氮足迹相比 较,灰水足迹的上涨更为剧烈。 表 2 桃江县农业土地利用系统氮足迹与灰水足迹 Table 2 N footprint and GWF in agricultural land use system in Taojiang County 农业土地 氮足迹 N footprint 灰水
22、足迹 Grey water footprint 年份 Year 利用面积 环境氮输入 人为氮输入 human/t 燃油氮 排放 Fuel Emission/t 总氮足迹 Total nitrogen footprint/t 单位土地利用 面积氮足迹 Nitrogen footprint per -2 氮肥灰水足迹 磷肥灰水足迹 GWF of GWF of nitrogen/ phosphate/ 8 3 8 3 总灰水 单位土地利用 足迹 面积灰水足迹 Total GWF/ GWF per unit area/ 8 3 1980 43 166.67 9 757.67 5 326.56 50.8
23、6 15 135.09 0.35 4.35 1.88 4.35 1.01 1985 42 646.67 12 961.17 5 596.95 13.02 18 571.14 0.44 5.70 1.87 5.70 1.34 1990 41 700 13 993.33 6 036.18 10.42 20 039.93 0.48 6.14 3.03 6.14 1.47 1995 41 190 13 894.56 6 993.43 12.30 20 900.29 0.51 6.29 2.63 6.29 1.53 2000 40 500 15 287.55 6 354.97 14.47 21 656.
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 农业 土地利用 系统 足迹 综合 评价
限制150内