农业土地利用系统氮足迹与灰水足迹综合评价

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。     

松辽流域非点源污染TN时空变化特征研究

非点源污染可以看成由土地利用和非土地利用两者共同作用产生的,分析土地利用和非土地利用能够体现两者对于非点源污染的贡献率,可以更深入的揭示非点源污染的来源及变化规律,从而提出更有针对性的管理措施。利用输出系数模型,结合ArcGIS软件,对松辽流域20世纪80年代至2000年的非点源污染负荷TN进行了空间模拟和变化趋势分析,并揭示了土地利用和非土地利用对松辽流域非点源污染的影响。结果表明:近15 a间,松辽流域农业非点源污染TN负荷呈逐年增长的趋势,从80年代的129.3万t上升到1995年的141.7万t和2000年的约144.5万t。其中,由土地利用所造成的非点源污染占有很大的比例,具体到省份来说,黑龙江省和内蒙古自治区所占的比例最高,两者均为83%;从20世纪80年代至2000年,流域内由非土地利用所造成的非点源污染比例日益增加,其中吉林省年均变化率最大,为4.5%, 这反映了这一地区农业生产方式的转变,在今后,应重点加强这几个地区的管理,完善施肥措施,加强农村生活污水,禽畜养殖粪便等的管理,从而使流域内的非点源污染得到控制。     

三峡库区湖北段非点源污染氮磷排放时空分布特征

[目的]了解三峡库区湖北段非点源污染情况,找到主要污染源和重点控制区,为该区生态环境的建设和治理提供科学支持。[方法]运用输出系数模型结合降雨侵蚀力影响系数和入河系数模拟计算研究区1990,2000,2005和2010年的非点源污染氮磷排放总量、各污染源氮磷污染排放量及贡献率以及各地区氮磷排放的时空分布特征。[结果]三峡库区湖北段1990,2000,2005和2010年的TN排放量在2 500t以上、TP排放量在250t以上,2000年达到最高,TN,TP年均排放量分别为3 612.78和393.75t/a,年均排放强度为3.10和0.34kg/(hm~2·a),研究区非点源污染以氮污染为主。水田和旱地是造成氮污染的主要原因,其次是农村人口;水田和旱地也是磷污染排放的主要贡献源,其次是猪的养殖。[结论]研究区非点源污染总体呈现两侧高中间低的区域性分布。巴东县为氮磷排放的重点控制区域。     

内蒙古河套灌区粮食生产灰水足迹评价

随着面源污染和土壤盐渍化成为重要的环境污染源和粮食安全的制约要素,如何评价和量化农业生产的负面效应,成为亟需解决的问题。水足迹理论的出现使该负面效应的量化成为可能,水足迹包括蓝水、绿水和灰水足迹,灰水足迹可以表征不同类型负面效应的大小,粮食生产灰水足迹反映了单位粮食产量的负面效应。该文应用水足迹理论,以内蒙古河套灌区为研究区,给出粮食生产灰水足迹的计算方法,选取环境最大允许浓度Cmax和本底浓度Cnat,逐项计算各项灰水足迹,并根据短板原理得出总灰水足迹,计算分析河套灌区粮食生产灰水足迹。结果表明:2005-2008年面源污染的灰水足迹为0.55~0.58亿m3;积盐的灰水足迹从2005年的4.570亿m3减少到2008年的1.825亿m3。总灰水足迹从2006年的5.872亿m3,减少到2008年的1.825亿m3,总灰水足迹在总水足迹中比例小于10%,有逐年降低的趋势。2005-2008年粮食生产灰水足迹分别为0.129、0.159、0.062和0.043 m3/kg,粮食生产灰水足迹有逐年降低的趋势,2008年的粮食生产灰水足迹仅相当于2006年的27.04%。节水灌溉等新技术的推广是其主要原因,节水灌溉可以减少无效灌溉水量和水分的无效蒸发量,从而减小粮食生产灰水足迹。在此基础上,给出减少粮食生产灰水足迹的措施,即节水灌溉、种植业结构调整、合理确定地下水位和合理使用化肥、农药。研究成果较好地量化了大型灌区粮食生产的负面效应和粮食生产灰水足迹,可为其他粮食主产区农业可持续发展及制定农业产业政策提供参考。     

嘉陵江流域非点源溶解态氮污染负荷模拟研究

嘉陵江流域是乏峡水库最大的支流,为研究嘉陵江流域非点源溶解态氮污染负荷的年际变化规律及其来源的空间分布情况,以流域土地利用类型为研究单元,通过引入具有物理机制的半分布式水文模型——sLuRP水文模型,并推导溶解态氮的流域输移损失系数,建立了流域非点源溶解态氮污染年负荷模型。借助GIS技术,应用所建模型,对嘉陵江流域各土地利用类型L的年地表径流量和溶解态氮污染负荷进行了模拟。模拟结果表明,以旱地和水田为主的涪江流域的溶解态氮流失情况最为严重,其次是渠江下游流域和西汉水流域,1990---2005年嘉陵江流域各土地利用类型上产生的非点源溶解态氮年均负荷为35726t·a^-1,约占流域出口总氮负荷的32％。     

三峡库区非点源污染负荷时空分布模型的构建及应用

为研究三峡库区非点源污染负荷的分布特性,定义降雨侵蚀力影响系数,并将其引入John提出的年均输出系数模型,形成改进的年输出系数模型;针对不同的土地利用类型,基于表征水力联通性的地形指数和植被覆盖度,提出了入河系数的空间分布式;将年输出系数模型与入河系数结合,构建非点源污染负荷的时空分布模型,并对模型进行了验证。应用所构建的模型,对三峡库区2002-2012年总磷总氮负荷进行了模拟。结果表明,库区总磷总氮负荷的时空变化明显,且降雨侵蚀力是影响其年际变化的主要因素;年均总氮负荷在2.6~4.2 kg/hm~2,总磷负荷在0.432~3.186 kg/hm~2;在土地利用、农村人口和畜禽养殖产生的负荷中,畜禽养殖对氮的贡献最大、约占总量的45%,而土地利用对磷的贡献最大、约占总量的57%。该研究成果可为三峡库区非点源污染的控制与治理提供参考,该文所构建的模型也可用于其他大中型区域非点源污染的模拟。     

太湖流域非点源污染负荷估算系统的设计与应用

非点源污染是太湖流域水环境污染的主要来源,定量研究太湖流域非点源污染负荷,可为非点源污染的预报与防治提供决策依据.传统非点源污染负荷研究中GIS与非点源污染模型松散式结合的方式存在数据管理与转换工作量大的问题,尝试采用嵌合模式设计和开发太湖流域非点源污染负荷估算系统.介绍了系统的结构与功能,分析了系统主要功能模块-SCS模型、USLE模型和非点源污染负荷模型的实现流程.基于该系统进行了无锡市2005年非点源污染TN负荷的估算,结果显示其负荷总量为8 014.43 t.农业生产和生活污水的排放是该区非点源污染的主要来源.系统的应用表明其简化了模型计算的复杂过程,结果能够较客观地反映研究区域的非点源污染状况及其与土地利用的关系,具有较强的实用性.     

基于污染足迹的太湖流域稻作农业污染评估——以常州市和宜兴市为例

稻作农业在保障粮食安全方面贡献巨大,但因经济利益驱动,化肥农药被过量施用,造成了氮、磷等营养物质流失,对水环境产生严重影响。本文基于全国第一次污染普查数据,结合各类污染物的产排污系数计算了稻作农业COD、TN和TP入河量,通过污染足迹模型计算了稻作农业COD、TN和TP的污染足迹,通过污染压力模型计算了稻作农业COD、TN和TP的污染压力指数,并对其进行评估。结果表明:(1)常州市、宜兴市稻作农业生产过程中向水环境排放的污染物中以COD和TN为主,其入河量分别为792.96 t·a-1和605.28 t·a-1,TP入河量为27.16 t·a-1;(2)常州市、宜兴市稻作农业TN污染足迹最大(3 944.50 hm2),其次为TP污染足迹(2 578.95 hm2),最小的是COD污染足迹(523.52 hm2);(3)常州市、宜兴市稻作农业对水环境的污染压力指数为2.10,处于中度污染压力状况,表明常州市、宜兴市稻作农业生产活动超出了当地水域的承载能力,对当地水环境产生了压力。     

基于输出系数模型的水库汇水区农业面源污染负荷估算

面源污染是导致环境恶化的主要原因之一,由其所引起的水体富营养化现象,已严重威胁着水环境生态安全。该文以长春市水源地新立城水库汇水区为研究对象,选用输出系数模型对其农业非点源污染负荷进行估算,得到结果如下:1)汇水区内农业非点源污染总氮、总磷负荷量分别为2 822.485、471.123 t/a,且二者空间分布较一致;2)总氮负荷量的贡献率大小顺序为:土地利用畜禽养殖农村人口,总磷的污染负荷贡献率大小为:畜禽养殖土地利用农村人口;3)选取水库2004-2013年水质监测数据计算营养盐输出负荷,与模型估算的输出负荷进行对比,得到模型模拟具有较高精度,系数选取合理可靠,可信度高,可在研究区范围内进行推广,能够为长春市水源地综合整治及水利规划提供了数据支撑及科学依据。     

长江中游地区稻麦生产系统碳足迹及氮足迹综合评价

【目的】长江中游地区是我国重要的稻麦轮作区,为保障我国粮食安全起到至关重要的作用。农业生产是主要的温室气体和活性氮排放源,定量评估稻麦系统碳足迹和氮足迹对实现该地区低碳绿色农业具有重要的意义。【方法】本研究基于农户调查问卷,通过生命周期评价法,系统分析长江中游地区稻麦生产系统碳足迹和氮足迹构成及大小,并进一步分析了其影响因素。【结果】长江中游地区稻麦生产系统单位面积碳足迹和氮足迹分别为CO2-eq 7728.8 kg/hm^2和N-eq 190.6 kg/hm^2。CH4排放和NH3排放分别是长江中游地区稻麦生产温室气体排放和活性氮排放的主要来源,分别占稻麦生产碳足迹和氮足迹的39.0%和91.8%。逐步回归分析表明,稻麦生产碳足迹和氮足迹主要受柴油和肥料的影响。在调研的稻麦生产农户中发现种植规模与碳足迹和氮足迹呈显著负相关关系,与小规模稻麦种植相比,大规模种植单位产量碳足迹和氮足迹分别降低了22.6%和43.9%。稻麦生产系统单位产量碳足迹、氮足迹随着产量的增加呈显著增加趋势。【结论】大力发展节肥节水技术,同时构建机械化、规模化农作种植模式是实现长江中游地区农业节能减排和绿色高效的重要途径。     

基于灰水足迹的洞庭湖区粮食生产环境效应评价

灰水足迹从稀释水量的角度评价水污染的总体程度,直观反映了粮食生产对区域水环境的影响。为评估粮食生产对区域环境的负面影响,该文以洞庭湖粮食主产区35个县(市、区)为案例区,应用灰水足迹理论,分析了1994-2012年粮食生产灰水足迹的时空变化特征,以水环境压力(water environment pressure,WEP)和离散型灰色(discrete grey model)DGM(1,1)模型为支撑建立了多年平均径流量情景下粮食生产对水环境负面影响的评价方法,评价了2015年和2020年县域尺度粮食生产灰水足迹的环境效应。结果表明:1)1994-2012年洞庭湖区粮食生产部门灰水足迹为273.00~438.08亿m3,19a平均值为347.65亿m3。总体上,洞庭湖粮食生产部门灰水足迹经历了先下降后回升的过程;2)洞庭湖各县(市、区)粮食生产部门灰水足迹为1.19~23.61亿m3,粮食生产灰水足迹为1.06~5.58 m3/kg;3)未来几年洞庭湖区大多数县(市、区)粮食生产部门灰水足迹呈逐步增高的态势,2015年和2020年全区粮食生产部门灰水足迹总量分别达到431.16和498.54亿m3;4)在多年平均径流量情景下,洞庭湖区因粮食生产导致的水环境压力由1994-2012年均值0.60提高至2015年0.76和2020年0.87,该区域水环境受粮食生产的负面影响持续增强。该文评价结果可为制定农业可持续发展规划及农业产业政策提供参考。     

基于农业面源污染控制的三峡库区种植业结构优化

基于农业经济效益最优和农业面源污染物减排的双重目标,运用线性规划模型,对三峡库区重庆段种植业结构和清洁农业生产进行了优化设计。通过对三峡库区重庆段种植业面源污染控制与种植业发展优化设计,得到三峡库区重庆段农作物净收益最大化的优化路径为:三峡库区重庆段粮食生产用地应保持约119.16×104 hm2,蔬菜用地保持约33.25×104 hm2,烟草、水果、茶用地应维持在17.05×104 hm2;在保证粮食生产稳定的前提下,应逐渐缩减玉米和大豆的种植面积,适当增加烟草、蔬菜、水果和茶的种植面积;在农作物生产过程中应大力推广清洁生产技术,扩大水稻、小麦、油料作物、玉米和大豆等种植的测土配方施肥面积,加强设施蔬菜生产基地建设,提倡蔬菜有机种植。通过这些措施,才能达到农业面源径流氮磷损失量减少30%的预期目标,才能实现农业面源污控制、农业经济转型和可持续发展。     

平原河网地区农村面源污染重点源和区的识别筛选——以上海青浦区为例

以地处平原河网地区的上海市青浦区为研究对象,通过清单分析方法和等标污染负荷法,以乡镇为单元研究了种植业、畜禽养殖、水产养殖和农村生活污水等农村面源污染来源,以及化学需氧量（COD）、总氮（TN）、总磷（TP）等污染物的排放量及其贡献率,并以青浦区水环境功能区划地表水环境质量标准为基准,评价及识别筛选了该区域农村面源污染主要来源及其重点区域。研究结果表明,青浦区农业面源污染COD、TN、TP实物排放量分别为2.68×103、0.85×103、0.11×103t·a-1,主要污染源为种植业,其等标污染负荷比达到53.07%,主要污染物为TN,其等标污染负荷比达到59.92%。通过农业面源污染排放强度分析,确定青浦区农业面源污染程度较重的乡镇主要为练塘镇、白鹤镇和金泽镇,建议在青东地区以农村生活污水处理和畜禽养殖污染治理为重点、在青西地区以种植业面源污染防治为重点,针对性地开展农村面源污染综合防治工作。     

非充分灌溉条件下多目标整数规划配水模型构建

农业用水面临可用水资源匮乏、面源污染严重的现状,通过综合考虑非充分灌溉对经济效益、作物品质和环境效应的影响从而实现农业水资源合理配置具有重要的现实意义。该研究基于非充分灌溉和灰水足迹理论,建立不确定性下经济-品质-环境多目标整数规划模型,对河套灌区作物生育期内的灌溉水量进行分配,得出了经济、品质和环境3种不同偏好水平下的决策方案。结果表明：偏好于环境目标的情景灌溉程度主要为33%,67%的灌溉程度次之,亏缺灌溉的程度更大;偏好于经济目标的灌溉程度大部分为100%,亏缺灌溉的程度较小;偏好于品质目标时则介于前述两种情况之间。通过与仅包括经济、品质和环境单目标的模型对比可见,多目标模型更兼顾品质指标、经济效益和灰水足迹,可以使得各项指标均处于总体较好的情况,其中番茄品质-经济-环境多目标模型品质指标为8.7,经济效益为21.3×108元,灰水足迹为1.62×104 m3,灌溉水量为3.51×107 m3,瓜类品质-经济-环境多目标模型品质指标为[25.3,32.7],经济效益为[9.2×108,24.8×108]元,灰水足迹为[1.94×104,3.15×104] m3,灌溉水量为[6.32×107,7.62×107] m3,各指标表现更佳。模拟结果可为不同情景下灌溉水合理配置提供参考。     

基于灰水足迹的长江经济带耕地利用生态效率时空分异特征

长江经济带面临水生态环境污染制约下的农业发展困境,水环境约束下耕地利用生态效率的提升成为平衡耕地利用中经济效益与生态效益的关键手段,对于探索生态可持续的耕地利用模式、实现农业绿色发展具有重要意义。该研究以灰水足迹为视角,基于SBM-Undesirable模型、空间自相关分析及马尔可夫链模型探明2000—2020年长江经济带耕地利用生态效率时空格局及演变趋势。研究表明：1）长江经济带2000—2020年平均灰水足迹值呈现先增后减趋势,2015年后下降态势更为明显。在空间上呈现为“东西高,中部低”的空间分布特征,灰水足迹高值区域主要集中在粮食主产区省份。2）2000—2020年长江经济带耕地利用生态效率持续下降,效率均值处于0.5～0.8之间,存在较大提升空间。在空间上呈现高值区域多沿水系分布的特点。3）长江经济带市域耕地利用生态效率存在显著空间正相关性,以研究时段演变趋势来看,耕地利用生态效率的演进存在路径依赖,难以实现“跨越式”提升。因受到邻域背景影响,在空间上易显现出“俱乐部收敛”现象,“高-高集聚”与“低-低集聚”分布更为常见。可在农业生产重点区域采用差异化精准农业模式,需重视区域间动态协同发展,完善联防联治的面源污染防控机制,积极引导耕地利用生态效率高值区域逐步形成集中连片,同时对于耕地利用生态效率低效区提供财政与政策支持。研究结果可为各地区探索耕地利用可持续发展模式与农业生产活动中水生态环境保护提供参考依据。     

松花江流域非点源氮磷负荷及其差异特征

为了研究松花江流域非点源氮磷污染负荷和差异,为水环境管理提供参考,该文运用数字高程模型（DEM）、2008年县级统计年鉴和土地利用等数据,基于遥感（RS）和地理信息系统（GIS）技术,利用输出系数模型（ECM）,对松花江流域非点源污染进行了空间模拟和负荷估算,并对流域内非点源污染差异特征进行了分析。结果表明,2008年松花江流域的总氮（TN）负荷为112.99×104 t,总磷（TP）负荷为4.05×104 t。其中,嫩江子流域TN和TP负荷最高,分别为52.08×104 t和1.79×104 t,分别占总量的46.09%和44.14%;第二松花江流域TN和TP负荷强度最高,TN负荷强度2.96 t/(km2·a),TP负荷强度 0.11 t/(km2·a)。从非点源成因角度分析,人为原因产生的非点源TN和TP负荷分别为95.92×104 t和3.40×104 t,分别占总量的83.90%和83.94%。人为原因是松花江流域非点源TN和TP产生的关键,天然原因也不容忽视。研究结果为总体上了解松花江流域非点源污染和水环境管理提供参考。     

基于GIS的伊通河流域农业非点源污染风险评估

针对伊通河流域农业活动带来的水体污染及水土流失等环境问题,在分析农业非点源污染影响因子的基础上,选择了土地利用类型、土壤孔隙度、年降水量及氮磷排放量等影响因子,建立了农业非点源污染风险评估指标体系,并应用GIS技术,通过工程图绘制和叠加分析,采用幂法计算各因子权值,确定了风险等级指数,最后划分了农业非点源污染风险分区。研究结果表明:在沿河地区和相对发达的城市周边地区,受水田耕作和畜牧饲养等因素影响,农业非点源污染风险较高;在较偏远地区与林区,农业非点源污染风险相对较低。     

面源污染下三峡库区农业生态环境效率及影子价格测算

农业的现代化进程产生了较为严重的农业面源污染,将农业的生态环境效应纳入农业生产效率评价框架是研究的新方向。采用非径向、非角度的SBM-DEA模型,结合方向性距离函数,考察了2003-2015年期间重庆三峡库区农业生态环境效率,引入影子价格测算了各区(县)农业面源污染的边际减排成本。研究结果表明:2003-2015年期间,重庆三峡库区农业生态环境效率趋于稳步提升态势,但整体水平较低,平均值仅为0.508,全样本期投入无效率和非期望产出无效率平均值分别为27.3%和24.7%。农业生态环境效率较高的地区集中在都市核心区和库尾都市外围区,江北和大渡口的农业生态环境效率值为0.7;而库尾低山丘陵区、库中平行岭谷区、腹地山地丘陵区和腹地外围山地区的农业生态环境效率相对较低,尤其是巫溪、万州与开县农业生态环境效率值仅为0.4左右。从效率损失的原因看,化肥、农药的过度投入及其相应的逆生态环境效应表现突出,在投入无效率的来源分解中贡献最大,达35.82%;大渡口、南岸、江北、北碚与渝北农业面源污染排放的影子价格居前,分别为3.503、3.478、3.370、3.317、3.302亿元/万t,污染减排空间较小;万州、丰都与开县农业面源污染排放影子价格较低,分别为2.167、2.321和2.492亿元/万t。在制定区域排放目标时,应考虑区域农业生态环境效率的空间异质性,针对不同区域的农业生态环境效率和影子价格制定具有针对性的减排策略,尤其应当把生态环境效率改进余地较大和边际减排成本相对较低的地区作为减排重点地区。