華北平原冬小麥-夏玉米生產(chǎn)灰水足跡及其縣域尺度變化特征

張 宇, 李云開,*, 歐陽(yáng)志云, 劉建國(guó)

1 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院, 北京 100083 2 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100085 3 Center for System Integration and Sustainability, Michigan State University, East Lansing, MI 48823, USA

華北平原冬小麥-夏玉米生產(chǎn)灰水足跡及其縣域尺度變化特征

張 宇1, 李云開1,*, 歐陽(yáng)志云2, 劉建國(guó)3

1 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院, 北京 100083 2 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100085 3 Center for System Integration and Sustainability, Michigan State University, East Lansing, MI 48823, USA

華北平原是種植冬小麥和夏玉米的主要區(qū)域，農(nóng)民為達(dá)高產(chǎn)而過量使用化肥對(duì)該區(qū)造成了嚴(yán)重的面源污染?！坝泻咏愿?，有水皆污”已經(jīng)成為華北平原水資源與水環(huán)境現(xiàn)狀的概語(yǔ)?；宜阚E理論與方法的提出為定量評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)水環(huán)境的影響提供了一條新的思路。因此，基于精細(xì)的縣域尺度農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，運(yùn)用灰水足跡評(píng)價(jià)方法，分析了華北平原1986—2010年的冬小麥-夏玉米灰水足跡及其時(shí)空變異特征。結(jié)果表明：華北平原冬小麥和夏玉米產(chǎn)品灰水足跡分別為0.55—2.97m3/kg和0.50—2.02m3/kg，均為美國(guó)、德國(guó)等地區(qū)的2—10倍；河北衡水、保定等地區(qū)灰水足跡較低，渤海灣等地區(qū)灰水足跡較高；冬小麥和夏玉米25a總灰水體積為2.67×1010—5.84×1010m3，平均值為3.90×1010m3，總體表現(xiàn)為隨時(shí)間變化呈波動(dòng)上升趨勢(shì)。建議在華北平原要注意嚴(yán)格控制施肥量、提高肥效，積極推廣測(cè)土配方施肥、緩釋肥等養(yǎng)分資源管理技術(shù)，積極發(fā)展利用沼液、有機(jī)肥等化肥替代技術(shù)；要控制肥料地表流失和地下淋失，大力發(fā)展冬小麥-夏玉米輪作條件下的機(jī)械化噴灌、滴灌、微噴帶等灌溉系統(tǒng)條件下的水肥一體化技術(shù)，全面實(shí)施秸稈、地膜等覆蓋技術(shù)減少農(nóng)田土壤流失以及深松等耕作技術(shù)實(shí)現(xiàn)土壤水庫(kù)的增容擴(kuò)蓄。

灰水足跡; 華北平原; 冬小麥; 夏玉米; 氮肥

華北平原是我國(guó)糧棉油作物的主要生產(chǎn)基地，冬小麥和夏玉米輪作是該區(qū)主要糧食種植制度。近年來隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的提高，農(nóng)民對(duì)農(nóng)田的投入迅速增加。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程對(duì)環(huán)境所造成的污染也日益嚴(yán)重。其中水污染問題尤為突出，2009年《河北省環(huán)境狀況公報(bào)》報(bào)道了關(guān)于河北省地表水的污染情況。35.6%的河流斷面氨氮濃度為劣V類，28%的斷面化學(xué)需氧量出于劣V類狀態(tài)。水系中主要污染物為氨氮、化學(xué)需氧量、生化需氧量、總磷、高錳酸鉀指數(shù)、石油類和揮發(fā)酚等。趙同科等人對(duì)環(huán)渤海7個(gè)省(市)地下水污染情況進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)地下水中的NO3-N含量品均值為11.9mg/L，約34.1%的地下水超過WHO制定的飲用水標(biāo)準(zhǔn)[1]。其中，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中過量施肥是造成地表水和地下水嚴(yán)重污染的主要原因之一[2]?！坝泻咏愿?，有水皆污”已經(jīng)成為華北平原水資源現(xiàn)狀的概語(yǔ)，作為水資源供需矛盾十分突出的地區(qū)，由于水資源的過量開發(fā)，華北已經(jīng)出現(xiàn)了地下水漏斗、平原區(qū)河道干涸、湖泊濕地萎縮、地表和地下水污染等生態(tài)環(huán)境惡化問題。因此，有必要對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)水環(huán)境污染進(jìn)行評(píng)價(jià)并找出合理的解決方式。傳統(tǒng)的水污染評(píng)價(jià)方法主要有綜合污染指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)方法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法和熱力學(xué)方法等[3-6]，這些方法主要是評(píng)價(jià)受污染水體的污染程度，對(duì)于水資源數(shù)量與質(zhì)量相互影響的關(guān)系研究不多。而灰水足跡概念的提出為定量評(píng)價(jià)水量-水質(zhì)關(guān)系提供了嶄新的思路。

水足跡思想來源于1992年加拿大經(jīng)濟(jì)學(xué)家WiiliamRees提出的“生態(tài)足跡”理論[7]。荷蘭水資源專家Hoekstra在虛擬水研究的基礎(chǔ)上，于2002年提出了水足跡(water footprints)的概念。2008年，Hoekstra和Chapagain首次提出灰水足跡概念，用于反映生產(chǎn)、生活造成的水污染狀況。2010年末，灰水足跡的計(jì)算方法得到統(tǒng)一：灰水足跡是與污染有關(guān)的指標(biāo)，定義為以自然本底濃度和現(xiàn)有的環(huán)境水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)，將一定的污染物負(fù)荷吸收同化所需的淡水的體積[8]。有許多國(guó)外學(xué)者對(duì)關(guān)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或流域平原區(qū)的水足跡(包括灰水足跡)進(jìn)行了研究[9-11]，但這些研究中并沒有單獨(dú)研究灰水足跡并分析量化其與水污染之間的關(guān)系。國(guó)內(nèi)學(xué)者如劉俊國(guó)[12]、張郁[13]、曹連海[14]等人對(duì)區(qū)域性的灰水足跡進(jìn)行了研究。但缺乏從長(zhǎng)時(shí)間尺度變化的角度進(jìn)行研究，同時(shí)沒有從實(shí)際角度考慮不同地區(qū)因施肥率不同而產(chǎn)生灰水足跡的空間變異，因而空間分辨率也不高。目前并未有學(xué)者基于縣域統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)華北平原灰水足跡做過精細(xì)研究，本文基于華北平原1986—2010年縣域尺度的氮肥施用及冬小麥夏玉米種植面積和產(chǎn)量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從長(zhǎng)時(shí)間尺度和高空間分辨率的角度估算了因施肥而引起的灰水足跡，計(jì)算并分析了華北平原灰水足跡的時(shí)空變異規(guī)律，對(duì)研究華北平原農(nóng)業(yè)糧食生產(chǎn)產(chǎn)生的水污染現(xiàn)狀具有重要意義，同時(shí)也為治污提供依據(jù)和理論對(duì)策。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

圖1 華北平原區(qū)域圖Fig.1 The study area NCP

華北平原位于我國(guó)東部，處于燕山山脈以南，太行山山脈以東，地勢(shì)平坦廣闊，海拔不超過100m，自北、西、南3個(gè)方向向渤海灣傾斜。地理坐標(biāo)為東經(jīng)112°30′—119°30′，北緯34°46′—40°25′，全區(qū)包括北京、天津、河北省全部平原及河南省、山東省的黃河以北平原，共計(jì)21市207縣(市)，總面積約136200 km2。區(qū)域地理位置分布如圖1所示。全區(qū)耕地面積有3419.2萬hm2，占全國(guó)耕地面積的18.3%。糧食總產(chǎn)量達(dá)10937萬t，占全國(guó)的22%。糧食播種面積約占全部作物播種面積的80%，其中冬小麥和夏玉米的種植面積較廣，分別占全區(qū)糧食播種面積的50%和46%左右。

1.2 灰水足跡估算方法

本文采用水足跡評(píng)價(jià)手冊(cè)[8]中的計(jì)算方法，作物或樹木生長(zhǎng)過程中的灰水足跡(WFproc,grey，m3/t)計(jì)算公式為：

(1)

式中,AR為每公頃土地的化肥施用量(kg/hm2)；α為淋溶率(即進(jìn)入水體的污染量占總化學(xué)物質(zhì)施用量的比例)；cmax為最大容許濃度(kg/m3)；cnat為污染物的自然本底濃度(kg/m3)；Y為作物產(chǎn)量(t/hm2)。

本文參考了趙榮芳等人的研究結(jié)果[15]，認(rèn)為華北平原平均溶淋率為25%，該值是綜合對(duì)24個(gè)地點(diǎn)的研究，7篇文獻(xiàn)的總結(jié)得到的平均值。假設(shè)自然水體當(dāng)中氮的濃度為0，即cnat為0[8]。一般采用EPA的標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為每升飲用水中不能超過10mg的氮[16]，即cmax為0.01。

關(guān)于AR的計(jì)算，由于收集到的施肥數(shù)據(jù)是縣域尺度所有作物總的施肥量，缺乏冬小麥夏玉米分開的施肥率的數(shù)據(jù)，本文參照王興仁、張福鎖、張衛(wèi)峰等人編著的《中國(guó)農(nóng)化服務(wù)肥料與施肥手冊(cè)》，通過施肥比例分配的方法將每個(gè)縣施用的總氮肥分開，得到冬小麥夏玉米各自的施肥率縣域數(shù)據(jù)。根據(jù)手冊(cè)中描述，將華北平原主要施肥作物分為冬小麥，夏玉米，水果，蔬菜和其他作物五類。具體分配方法如下：

(2)

(3)

式中，F(xiàn)N總為縣域所有作物施肥量之和，F(xiàn)Ni為各作物施肥量，si為各作物種植面積之比，fi為各作物施肥率之比，(i=1,2,3,4,5；1代表夏玉米，2代表冬小麥，3代表水果，4代表蔬菜，5代表其他)；AR為施肥率，S為各作物種植面積。

1.3 數(shù)據(jù)來源

本文計(jì)算了1986—2010年共25a的冬小麥、夏玉米生產(chǎn)灰水足跡。其中用到的農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括冬小麥、夏玉米、水果、蔬菜、其他農(nóng)作物種植面積，冬小麥、夏玉米總產(chǎn)量，所有糧食作物總氮肥施用量。這些縣域數(shù)據(jù)來自中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所，該所是以農(nóng)業(yè)信息學(xué)科研究和提供農(nóng)業(yè)科技文獻(xiàn)與信息為主要任務(wù)的國(guó)家級(jí)非營(yíng)利性科研機(jī)構(gòu)，數(shù)據(jù)來源真實(shí)可靠。

以縣為單位的宏觀農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)由各縣市逐級(jí)上報(bào)，最后上報(bào)到農(nóng)業(yè)部后，將會(huì)使用專門的數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行初步檢驗(yàn)，檢驗(yàn)后的數(shù)據(jù)保證了時(shí)間和空間上的發(fā)展變化趨勢(shì)，數(shù)據(jù)之間具有嚴(yán)密的邏輯性。在本研究中，為保證研究結(jié)果的更加合理可靠，作者對(duì)研究涉及到的農(nóng)業(yè)宏觀統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)再次進(jìn)行了認(rèn)真的檢查，對(duì)存在的個(gè)別問題，通過與已公開發(fā)表的文獻(xiàn)、統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)的對(duì)比分析進(jìn)行改正。

(1)異常值觀察法 在某一數(shù)據(jù)列中，數(shù)值的大小明顯異常的做出標(biāo)記，然后與公開出版的數(shù)據(jù)進(jìn)行核對(duì)，排除數(shù)據(jù)錄入錯(cuò)誤，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)修正。

(2)包含原則 比如，總?cè)丝诳隙ù笥谵r(nóng)業(yè)人口，要是農(nóng)業(yè)人口大于了總?cè)丝?，那么該?xiàng)數(shù)據(jù)肯定是錯(cuò)誤了。在進(jìn)行數(shù)據(jù)檢驗(yàn)過程中沒有這樣的錯(cuò)誤。

(3)空值處理 有些地區(qū)沒有數(shù)據(jù)或者數(shù)據(jù)嚴(yán)重不全，這這種情況下，把該縣域單元設(shè)置為零值。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬小麥夏玉米施氮率空間分布

由圖2可以看出，華北平原施氮量集中在200—400kg/hm2，冬小麥和夏玉米的空間分布較為相似，但總體冬小麥的施氮量大于夏玉米。無論對(duì)冬小麥還是夏玉米，可以看出河北低平原地區(qū)施氮量較小，豫北平原施氮量較大。經(jīng)過GIS區(qū)域統(tǒng)計(jì)計(jì)算得出區(qū)域平均值，夏玉米：豫北平原(252.06 kg/hm2)>天津平原(245.41kg/hm2)>魯北平原(229.57kg/hm2)>河北平原(198.97kg/hm2)>北京平原(177.66kg/hm2)。冬小麥：豫北平原(275.56 kg/hm2)>魯北平原(235.98kg/hm2)>天津平原(213.17kg/hm2)>河北平原(211.31kg/hm2)>北京平原(197.06kg/hm2)。夏玉米的最小值出現(xiàn)在武強(qiáng)(86.21kg/hm2)，最大值出現(xiàn)在寧河(438.44kg/hm2)；冬小麥的最小值出現(xiàn)在武強(qiáng) (93.56kg/hm2)，最大值出現(xiàn)在獲嘉 (446.33kg/hm2)。天津?qū)幒?，河北樂亭縣，山東利津，河南新鄉(xiāng)等地區(qū)施氮量較大，平均超過300kg/hm2。結(jié)果顯示大部分農(nóng)民在冬小麥夏玉米輪作體系中施氮量超過500kgN/hm2，有的甚至超過700kgN/hm2，相比之下，美國(guó)的堪薩斯州、密西西比州，加拿大的魁北克省的玉米施氮率最大值僅為300、250、280 kgN/hm2。華北平原施氮量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過冬小麥/夏玉米平均產(chǎn)量所需要的總氮吸收為311kg/hm2，而兩者的回收利用率分別僅為28%和16%，顯著低于我國(guó)玉米的26.1%和美國(guó)伊利諾斯州的49%—69%[17]。本文計(jì)算結(jié)果與張玲敏等人在關(guān)于華北平原地區(qū)施氮量的調(diào)查結(jié)果一致[18]。

2.2 冬小麥夏玉米灰水足跡空間分布

夏玉米灰水足跡為0.50—2.02m3/kg，范圍跨度較大(圖3)，但82.31%的區(qū)域主要集中在0.7—1.4 m3/kg，說明除較高、較低值外，大部分地區(qū)的灰水足跡較為相近。經(jīng)過GIS區(qū)域統(tǒng)計(jì)計(jì)算得出區(qū)域平均值，夏玉米：天津平原(1.30 m3/kg)>豫北平原(1.18 m3/kg)>河北平原(1.12m3/kg)>魯北平原(1.11m3/kg)>北京平原(0.96m3/kg)。臨近渤海地區(qū)、河北邯鄲、邢臺(tái)、石家莊、河南新鄉(xiāng)等地區(qū)的部分縣市較高，最高值高達(dá)2.02 m3/kg(利津)。從圖3可以看出，冬小麥：豫北平原(1.28 m3/kg)>魯北平原(1.26 m3/kg)>河北平原(1.21 m3/kg)>天津平原(1.16 m3/kg)>北京平原(1.04 m3/kg)?？傮w而言環(huán)渤海周邊地區(qū)較高， 83.15%的區(qū)域灰水足跡在0.8—1.6m3/kg，河北石家莊、山東德州部分地區(qū)較低，冬小麥多年平均灰水足跡為0.55—2.97m3/kg，最高值出現(xiàn)在寧河，最低值出現(xiàn)在河北阜城。本文估算出華北平原冬小麥產(chǎn)品灰水足跡為0.55—2.97m3/kg，明顯高于美國(guó)的0.23m3/kg、德國(guó)的0.185 m3/kg，甚至還高于灰水足跡很大的埃及的0.412 m3/kg，也高于全球的平均值0.208 m3/kg；夏玉米產(chǎn)品的灰水足跡為0.50—2.02m3/kg，明顯高于全球均值0.194 m3/kg。這主要是由于華北平原屬于集約化冬小麥/夏玉米輪作種植區(qū)，施肥量大引起的。

圖2 華北平原冬小麥夏玉米施氮率空間分布Fig.2 Nitrogen rate of winter wheat and summer maize in NCP

圖3 華北平原冬小麥夏玉米灰水足跡空間分布Fig.3 Grey footprint of winter wheat and summer maize in NCP

2.3 冬小麥夏玉米灰水足跡多年變化

華北平原冬小麥夏玉米總灰水體積為2.67×1010—5.84×1010m3，25a平均值約為3.90×1010m3，總體表現(xiàn)為呈波動(dòng)中持續(xù)的上升趨勢(shì)(y=7.03×108x+2.98×1010，R2=0.49，α=0.05，F(xiàn)=21.88，顯著)，5a平均值從1986—1990年的3.22×1010m3增加到2006—2010年的4.86×1010m3，最大、最小值分別為出現(xiàn)在2009年和1989年。冬小麥的灰水總體高于夏玉米的灰水，總體都成波動(dòng)的上升趨勢(shì)。夏玉米所占比例呈線性上升趨勢(shì)，冬小麥比例呈下降趨勢(shì)，反映了華北平原在糧食作物肥料投入上的變化。筆者認(rèn)為，1998年的小峰值反應(yīng)了當(dāng)年長(zhǎng)江流域洪水對(duì)華北平原地區(qū)的影響。1998年以前的上升趨勢(shì)，主要是由于改革開放前期、人口急劇增加、糧食需求增長(zhǎng)等因素引起的。而北糧南運(yùn)格局的出現(xiàn)也對(duì)灰水的增加產(chǎn)生了影響。歷史上，中國(guó)糧食一直是南糧北運(yùn)的格局，但近10年這一態(tài)勢(shì)發(fā)生了逆轉(zhuǎn)。一方面是由于北方生產(chǎn)供給增強(qiáng)，另一方面是由于南方經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)拉動(dòng)消費(fèi)水平提高，人口向南方流動(dòng)造成南方市場(chǎng)需求增加，糧食需求的增加導(dǎo)致了肥料投入加大。

圖4 華北平原冬小麥夏玉米灰水體積多年變化Fig.4 Total grey water volume temporal variability in NCP

3 討論

3.1 污染源的選取

從本文施氮率的計(jì)算結(jié)果可以看出，華北平原地區(qū)農(nóng)田氮肥投入量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其他地區(qū)。在華北平原冬小麥夏玉米種植過程中，施肥、噴灑農(nóng)藥等都會(huì)對(duì)種植區(qū)及周邊的環(huán)境的水質(zhì)產(chǎn)生污染。選取氮肥作為灰水足跡計(jì)算的目標(biāo)，首先是因?yàn)槿A北平原農(nóng)田氮肥施用量大，造成的污染最為嚴(yán)重。其次，因?yàn)橥ǔＭ寥乐械牧啄芎推渌V物質(zhì)反應(yīng)生成不容易溶解的化合物，造成水污染較少；鉀離子可以被土壤膠體離子吸引以而不容易被過濾；氮很容易在土壤中流動(dòng)污染地下水和地表水，并且在華北平原地區(qū)，氮、磷、鉀3種肥料中氮肥占有極大比例。因此在計(jì)算肥料引起的灰水足跡時(shí)可以忽略磷肥、鉀肥，僅考慮氮污染。幾乎所有農(nóng)藥的使用都會(huì)引起地下水或地表水的污染，之所以沒有將農(nóng)藥作為計(jì)算目標(biāo)，一是由于華北平原農(nóng)田施用農(nóng)藥種類繁多、最大允許濃度也差異較大并且難以收集施用量的數(shù)據(jù)，因而很難在灰水足跡計(jì)算中考慮農(nóng)藥對(duì)水質(zhì)的影響。二是因?yàn)橄♂尩廴镜乃w和稀釋農(nóng)藥污染的水體會(huì)有重疊部分，這在一定強(qiáng)度上降低了忽略農(nóng)藥引起的灰水足跡計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 減少華北平原灰水足跡的方法

從灰水足跡的概念可以看出，減少灰水足跡的途徑主要有兩個(gè)。一是減少污染源對(duì)水體污染，二是增加糧食產(chǎn)量。增加糧食產(chǎn)量的途徑已有成熟的體系研究，且華北平原為糧食高產(chǎn)地區(qū)，本文在此不作過多討論。經(jīng)過GIS區(qū)域統(tǒng)計(jì)計(jì)算得出區(qū)域灰水足跡平均值，夏玉米：天津平原>豫北平原>河北平原>魯北平原>北京平原；冬小麥：豫北平原>魯北平原>河北平原>天津平原>北京平原。這主要和施氮率有關(guān)，豫北平原灰水足跡較高的問題更應(yīng)得到重視，其次為河北平原和魯北平原。減少水體污染應(yīng)該減少污染源(氮肥)和污染物進(jìn)入水體的途徑，以下將針對(duì)華北平原的具體情況進(jìn)行探討。

(1)控制施肥量，提高肥效

在華北平原地區(qū)，地下水硝酸鹽超標(biāo)的原因主要與農(nóng)田施肥量有關(guān)[1,19]，大部分農(nóng)民在冬小麥夏玉米輪作體系中施氮量超過500kgN/hm2，有的甚至超過700kgN/hm2。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對(duì)水資源污染最嚴(yán)重的過程是施肥環(huán)節(jié)，減少污染源首先要控制施肥量、提高肥效。許多研究表明施肥量與肥料的利用率呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系[20-23]，因此控制施肥量和提高肥效是相輔相成的。華北平原地區(qū)農(nóng)戶氮、磷、鉀肥的施用比例大約為5:3:1，其中氮磷肥的投入已遠(yuǎn)超過同期作物養(yǎng)分消耗量，鉀肥施用量偏低。采用秸稈、畜禽糞便還田以及部分沼液、有機(jī)肥等代替化肥，可以減少化肥的用量，緩解華北平原土壤有機(jī)質(zhì)偏低而限制作物產(chǎn)量的狀況。其次，要在保證糧食產(chǎn)量的前提下提高肥料的利用率。依據(jù)養(yǎng)分資源綜合管理技術(shù)[23]，在華北平原地區(qū)采用平衡施肥、測(cè)土配方施肥、專用配方施肥和施用緩釋肥等技術(shù)[21-23]，增施適量鉀肥，可以明顯提高肥效。

(2)減少肥料地表流失和地下淋失，實(shí)行水肥一體化，適時(shí)、按需補(bǔ)充作物養(yǎng)分資源

通常情況下華北平原降雨很少產(chǎn)生徑流，農(nóng)田硝態(tài)氮隨徑流損失相對(duì)較少，而淋溶損失則較為常見。華北平原降雨集中在6—9月份，此時(shí)為夏玉米種植時(shí)節(jié)，容易形成徑流損失。在夏玉米種植之前實(shí)現(xiàn)冬小麥的秸稈還田可以增大雨水入滲，擴(kuò)大土壤水庫(kù)庫(kù)容，減少地表徑流帶來的肥料流失。在10月至次年6月份，華北平原冬小麥生長(zhǎng)主要依靠灌溉水，此時(shí)主要為地下淋失。灌溉時(shí)需要控制適宜的灌水量[24]，因?yàn)檫^量的灌溉水會(huì)使土壤中的硝態(tài)氮隨水流滲入地下水。采用翻耕法、深松耕等蓄水聚肥改土耕作方式可以增容擴(kuò)蓄的，盡量將肥水留在根區(qū)，減少下滲。在適當(dāng)?shù)臅r(shí)期施肥，也可以幫助提高肥料的利用率[25]，但是傳統(tǒng)的施肥方式在施加底肥后不能達(dá)到適時(shí)、按需補(bǔ)充養(yǎng)分。因此，在華北平原冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)中推廣精量灌溉方式，采用高效節(jié)水灌溉系統(tǒng)，配合水肥一體化技術(shù)，結(jié)合改進(jìn)的地面灌溉、噴灌、微灌等施加肥料[26-27]，既可以減少地面流失，又可以將肥水保留在作物根區(qū)，提高肥效，減少肥料的地下淋失。

4 結(jié)論

(1)華北平原冬小麥夏玉米總灰水體積為2.67×1010—5.84×1010m3，25a平均值約為3.90×1010m3，總體表現(xiàn)為呈波動(dòng)中持續(xù)的上升趨勢(shì)(y=7.03×108x+2.98×1010,R2=0.49,α=0.05,F=21.88,顯著)。冬小麥的灰水總體高于夏玉米的灰水，兩者總體均呈波動(dòng)的上升趨勢(shì)。

(2)華北平原冬小麥、夏玉米多年平均產(chǎn)品灰水足跡為0.55—2.97m3/kg、0.50—2.02m3/kg，冬小麥夏玉米灰水足跡明顯高于美國(guó)，德國(guó)等地區(qū)的灰水足跡，約為美國(guó)和德國(guó)的2—10倍。

(3)從施肥角度可以看出冬小麥和夏玉米氮肥施用空間分布較為相似，河北的衡水和滄州等地區(qū)施氮率和灰水足跡都較低，渤海灣地區(qū)灰水足跡明顯較高。

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The grey water footprint of the winter wheat-summer maize crop rotation system of the North China Plain

ZHANG Yu1, LI Yunkai1,*, OUYANG Zhiyun2, LIU Jianguo3

1DepartmentofCollegeofWaterResources&CivilEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China2StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-environmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China3CenterforSystemIntegrationandSustainability，MichiganStateUniversity,EastLansing,MI48823,USA

Much of the North China Plain (NCP) is dedicated to cultivation of winter wheat and summer maize. In order to achieve high crop yields, nitrogen fertilizer has been used in excess, constituting the major cause of water pollution in the area. The saying that “all rivers are dry and polluted” has come to characterize the NCP′s water resource environment. The grey water footprint of a product (WFproc,grey) is a novel method for quantitatively estimating water resource pollution due to agricultural production. Using agricultural data accurate at the county scale, we evaluated the WFproc,greyof crops grown in the NCP from 1986 to 2010 and analyzed spatial and temporal variability. The WFproc,greyof winter wheat was found to be 0.55—2.97 m3/kg and that for summer maize was 0.50—2.02 m3/kg; these values are significantly higher (2—10 times) than those for similar crops grown in the rest of the world, such as the U.S. and Germany. On comparing regions within the NCP, we found relatively low WFproc,greyvalues for crops grown in Hengshui, Baoding, and some regions of Hebei province, while it was high for crops grown in Bohai Bay. The total grey water volume of winter wheat and summer maize production over 25 years was estimated in the range of 2.67×1010—5.84×1010m3, with an average of 3.90 × 1010m3; despite yearly fluctuations, a sustained upward trend was apparent. In light of these results, the need becomes apparent for a reduction in the amount of fertilizer used in agriculture, improvements in the efficiency of applied fertilizer, the development of new methods (such as formula fertilization by soil testing and controlled-release fertilizers), and the replacement of traditional fertilizer with organic fertilizer and biogas slurry. Water resource pollution can be further reduced by preventing fertilizer losses from surface runoff and leaching into groundwater, adopting water-saving irrigation techniques (e.g., drip irrigation and micro irrigation with integrated water and fertilizer technology), reducing water and soil loss via straw mulching and film mulching, and increasing water storage and organic matter accumulation in subsoil.

grey water footprint; North China Plain; winter wheat; summer maize; nitrogenous fertilizer

國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體(51321001); 國(guó)家生態(tài)十年變化遙感評(píng)估重大專項(xiàng)(STSN-13-04-01); 水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201401078)

2014-05-21;

2014-11-03

10.5846/stxb201405211051

*通訊作者Corresponding author.E-mail: liyunkai@126.com

張宇, 李云開, 歐陽(yáng)志云, 劉建國(guó).華北平原冬小麥-夏玉米生產(chǎn)灰水足跡及其縣域尺度變化特征.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(20):6647-6654.

Zhang Y, Li Y K, Ouyang Z Y, Liu J G.The grey water footprint of the winter wheat-summer maize crop rotation system of the North China Plain.Acta Ecologica Sinica,2015,35(20):6647-6654.