陜西省主要作物灰水足跡時空變化特征研究

分類:論文范文 發表時間:2021-09-25 10:27

  摘要:以陜西省為例,運用灰水足跡理論,對陜西省2000―2018年間主要作物灰水足跡的時空變化趨勢和分布狀況進行研究分析。結果表明:小麥、玉米、油料作物、大豆、蔬菜、水果多年生產灰水足跡均值分別為0.472、0.231、0.639、0.532、0.087、0.199m3·kg-1;研究期間作物生產灰水足跡年際變化整體呈下降趨勢,小麥、油料作物、大豆、水果生產灰水足跡分別下降了0.007、0.015、0.009、0.012m3·kg-1·a-1,玉米和蔬菜年際變化不明顯,灰水足跡主要集中在關中平原地區。研究期間作物灰水足跡的變化主要受作物種植面積的間接影響,小麥、玉米、油料作物、大豆、蔬菜、水果多年灰水足跡均值分別為18.6×108、11.8×108、3.1×108、1.6×108、9.7×108、19.2×108m3·kg-1;省內作物灰水足跡多年均值為64.0×108m3·kg-1。綜上,可從施肥種類選取、施肥方式和作物種植模式等方面入手降低灰水足跡,以此來減少農業面源污染。

  關鍵詞:灰水足跡;作物;時空變化;面源污染;陜西省

  化肥作為重要的農業生產要素,在促進農業生產方面起著至關重要的作用。隨著人口的迅速增長,我國農業化肥施用量也由2000年的4.15×1010kg增長為2018年的5.65×1010kg。陜西省作為我國農業大省之一,對化肥的施用量也相對較大,約占全國化肥施用量的4%(2018年),化肥施用量大但利用效率卻較低,僅為33%[1],化肥的過量施用是造成地下水“三氮”污染的主要原因[2]。全省地處西北地區,氣候干燥,降水量少,水資源量僅占全國的8%[3]。農業用水的短缺已成為制約農業可持續發展面臨的最大挑戰[4],而農業生產過程又涉及復雜的面源污染源的遷移過程[5],因此客觀分析農業生產對水資源的影響,制定面源污染的防治措施,減少農業污染是非常有必要的。現有評價水污染的方法:水污染指數法[6]、模糊綜合評判法[7]、集對分析理論法[8]、單因子污染指數法[9]等只是將水體的污染程度進行等級劃分,無法得出污染水體的準確質量。

陜西省主要作物灰水足跡時空變化特征研究

  1材料與方法

  1.1研究區域概述

  陜西省位于我國西北內陸腹地,橫跨黃河中游,地理位置介于105°29'~111°15'E,31°42'~39°35'N之間,是連接我國東、西部和西北、西南的重要交通樞紐,其總面積約20.56萬km2。境內由高原、山地、平原和盆地等多種地貌構成,地勢呈南北高、中間低,形成關中(西安、寶雞、咸陽、渭南、銅川、楊凌)、陜北(延安、榆林)、陜南(漢中、安康、商洛)三大地區。陜北北部長城沿線屬中溫帶氣候,關中及陜北大部屬暖溫帶氣候,陜南屬北亞熱帶氣候。省內種植作物主要包括:小麥、玉米、油料(油菜籽、花生)、大豆、蔬菜、水果等。根據《陜西省統計年鑒(2001-2019)》[22]制作出陜西省主要農作物近19a產量變化圖,如圖1所示。

  陜西省農業生產主要施用氮、磷、鉀、復合肥4種化肥,根據《陜西省統計年鑒(2001-2019)》[22],農業化肥施用折純量由2000年的130.9×107kg增長為2018年的229.6×107kg,增長速率約為5.2×107kg·a-1。近5年內陜西省農用化肥施用量年變化趨于穩定,如圖2所示。

  1.2作物生產灰水足跡計算方法

  目前對灰水足跡的計算和評價主要以水足跡評價手冊為參考,作物灰水足跡的計算公式如下:

  2研究結果

  2.1主要作物生產灰水足跡年際變化

  如圖3所示,研究期間小麥生產的灰水足跡平均值為0.472m3·kg-1,于2007年出現峰值,為0.670m3·kg-1,最低值出現在2017年,為0.377m3·kg-1,2018年小麥生產灰水足跡小于2000年,小麥生產灰水足跡波動較大,整體上呈現波動下降,下降幅度約為0.007m3·kg-1·a-1;玉米生產灰水足跡平均值為0.231m3·kg-1,2011年出現明顯波動,為0.251m3·kg-1,其中最高值出現在2001年,為0.255m3·kg-1,最低值出現在2010年,為0.190m3·kg-1,2018年玉米生產灰水足跡大于2000年,玉米生產灰水足跡在整體上變化不明顯;油料作物生產灰水足跡平均值為0.639m3·kg-1,油料作物生產灰水足跡變化波動明顯,于2007年出現峰值,為0.838m3·kg-1;最低值出現在2017年,為0.476m3·kg-1,2018年油料作物生產灰水足跡小于2000年,油料生產灰水足跡波動較大,整體上呈現波動下降,下降幅度約為0.015m3·kg-1·a-1;大豆生產灰水足跡平均值為0.532m3·kg-1,最高值出現在2001年,為0.641kg·m-3,最低值出現在2017年,為0.404m3·kg-1,2018年大豆生產灰水足跡小于2000年,大豆生產灰水足跡近9a內波動幅度較大,整體上呈現波動下降,下降幅度約為0.009m3·kg-1·a-1;蔬菜生產灰水足跡平均值為0.081m3·kg-1,于2006年出現峰值,為0.188m3·kg-1;最低值出現在2017年,為0.060m3·kg-1,2018年蔬菜生產灰水足跡小于2000年,蔬菜生產灰水足跡在研究期間變化不明顯;水果生產灰水足跡平均值為0.199m3·kg-1,最高值出現在2001年,為0.360m3·kg-1,最低值出現在2017年,為0.128m3·kg-1,2018年水果生產灰水足跡大于2000年,2000—2004年水果生產灰水足跡波動變化較為明顯,2005—2018年水果生產灰水足跡變化不明顯,整體呈下降幅度約為0.012m3·kg-1·a-1。作物生產灰水足跡的短暫上漲原因是該年化肥施用量增加而作物產量卻下降,研究期間產量的上升是導致陜西省主要作物生產灰水足跡下降的主要原因。

  2.2主要作物生產灰水足跡空間分布

  如圖4所示,研究期間小麥生產的灰水足跡主要分布在關中地區和陜北的榆林,各地多年均值的最高值在渭南,為0.693m3·kg-1,最低值在安康,為0.309m3·kg-1;玉米生產灰水足跡主要分布在關中地區和陜南的漢中,各地多年均值的最高值在渭南,為0.379m3·kg-1,最低值在榆林,為0.088m3·kg-1;油料作物生產灰水足跡主要分布在關中地區,并具有明顯的空間聚集分布特征,各地多年均值的最高值在咸陽,為0.943m3·kg-1,最低值在安康,為0.335m3·kg-1;大豆生產灰水足跡主要分布在關中地區的渭南和寶雞,各地多年均值的最高值在渭南,為0.847m3·kg-1,最低值在延安,為0.243m3·kg-1;蔬菜生產灰水足跡主要分布在關中地區的銅川和渭南,各地多年均值的最高值在銅川,為0.180m3·kg-1,最低值在延安,為0.034m3·kg-1;水果生產灰水足跡主要分布在陜北地區的榆林,各地多年均值的最高值在榆林,為0.500m3·kg-1,最低值在商洛,為0.088m3·kg-1。總體來看,陜西省作物生產灰水足跡主要集中在關中平原地區,這與陜西境內作物播種分布情況和地區氮肥施用量情況密切相關。

  3討論

  研究計算了陜西省各地級市及楊凌示范區近19a來主要作物生產的灰水足跡數值,得出了主要農作物的時空變化趨勢和分布狀況。參數選取的精度決定了灰水足跡結果的準確性[28],以往的研究由于資料缺乏,國內對蔬菜、水果的灰水足跡計算普遍將其種植面積折合成糧食面積,偏差較大,本次研究參考張宇[27]、何立新[21]等的研究,合理處理蔬菜和水果生產灰水足跡數值的計算。化肥和農藥的施用都會對水體產生污染,主要取決于化肥的使用率和作物的吸收率[24]。在對污染源的選擇中考慮到氮肥施用量最大且土壤中的氮很容易污染地下水和地表水,并且形成的亞硝酸根離子對人體有害;磷可以與其他物質反應生成難溶解的化合物;鉀可以被土壤膠體吸附;同時由于研究期間作物農藥施用種類較多,且施用量難以統計、分類,因此本次計算沒有考慮磷肥、鉀肥、農藥的影響,直接選擇氮作為面源污染物。基于此,本次研究僅作為理論數據的結果,與陜西省作物生產灰水足跡的真實值之間可能存在一定誤差。如果進一步提升計算精度,可以對陜西省內各地級市施用農藥進行監測統計,使作物生產的灰水足跡計算更加客觀、全面。

  從灰水足跡的概念和計算公式可知,減少作物灰水足跡的主要途徑有兩個:一是減少單位面積施肥量,二是增加作物單位面積產量。有研究表明我國主要作物的化肥利用率遠低于發達,因此提高作物化肥的利用率、降低其損失率也是降低灰水足跡的重要方法。對此可以從以下幾方面入手來降低作物灰水足跡:

  (1)科學施肥,提高利用率。化肥的過量施用不僅會使作物灰水足跡增高、對水體造成污染,還會影響作物的品質。科學施肥首先要做到合理施肥,即在充分滿足作物對各養分的需求時不再施加化肥。施肥量的適量減少對作物產量沒有十分顯著的影響[29],推廣科學施加化肥,實現化肥精準施加,實現化肥的減量增效。

  (2)施用有機肥。有機肥的施用可以替代化肥獲得更高的產量[30]。有機肥的應用和推廣不僅有利于改善土壤結構和性質,可以提高作物的產量,還可以有效降低化肥對水體的污染。有機肥與化肥的配合施用可以有效提升土壤肥力水平。另外,從發展的角度來講,有機肥是一種生態、環保、可持續發展的肥料品種,在未來肥料施用的選擇中,有機肥應扮演更重要的角色。

  (3)發展現代化農業,實現機械施肥。采用機械施肥可以顯著提高肥料利用率,減少肥料損失[31]。同時也增加農業機械投入來促進化肥減量化[32],依靠高層次機械耕作技術,改良土壤性質,提高化肥利用率,降低作物對化肥施用需求量。4結論研究分析了陜西省各地級市及楊凌示范區2000—2018年主要作物生產的灰水足跡和灰水足跡時空變化和分布狀況,研究結果表明:(1)研究期間,陜西省內主要作物生產灰水足跡整體上呈現下降趨勢,其中油料作物和水果生產灰水足跡下降趨勢最大,分別為0.015m3·kg-1·a-1和0.012m3·kg-1·a-1;小麥和大豆生產灰水足跡下降趨勢相似,為0.007m3·kg-1·a-1和0.009m3·kg-1·a-1;玉米和蔬菜生產灰水足跡年際變化不明顯。受陜西境內作物播種分布和地區氮肥施用量影響,省內作物生產灰水足跡主要集中在關中平原地區。(2)研究期間陜西省內主要作物多年灰水足跡均值為64.0×108m3·kg-1,其中水果、小麥對總灰水足跡值貢獻較高,分別為19.2×108m3·kg-1和18.6×108m3·kg-1。(3)可以從施肥種類選取、施肥方式和作物種植模式等方面入手降低灰水足跡,以此來減少農業面源污染。

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  姜旭海,韓玲,李帆

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