农业是整个国民经济发展的基础，尤其是稻作农 业，全国一半以上的人口以稻米为主食。不可否认现 代化大规模农业生产在保障粮食数量安全方面贡献 巨大，现代化的大规模农业机械生产在大幅度提高粮 食产量、保障粮食数量安全的同时，也不同程度破坏 了农田生态系统，甚至危及到粮食与食品安全，并对 整个区域的生态环境产生严重影响^[1]。具体表现为，化 肥农药的过量施用，使我国稻田多数处于氮、磷素盈 余状态，这对水环境构成了严重的威胁^{[2, 3, 4, 5, 6]}。

太湖流域自20世纪80年代以来化肥施用量一直 呈上升趋势，是我国化肥施用量最高的地区之一^{[7, 8]}。随着城市化进程的加速，太湖地区的传统农业生产方 式正逐渐向大规模、集约化农业生产方式转变。农民 大量施用化肥和农药，其数量高达577.5 kg·hm^-2 和 34.5 kg·hm^-2，远高于全国平均的411.0 kg·hm^-2 和 11.25 kg·hm^-2，造成大量氮素和磷素进入水体，加速 了流域水体的污染和富营养化^[9]。自20 世纪80 年代 初以来太湖地区农田生态系统中的氮、磷一直处于盈 余状态，养分高度集中，大田作物施肥量甚至达到 600 kg·hm^-2，远远高于作物实际需要量^[10]。近年来，尽 管化肥农药的使用量有所减少。但随着城市化进程的 加快，耕地面积不断减少，化肥单位面积使用量变化 不大，仍远远高于发达国家为防止水体污染所规定的 平均化肥施用量的安全上限225 kg·hm^-2。

综上可知，随着化肥、农药的施用强度逐年增大， 稻作生产过程中的污染物流失务必会对当地的水环 境产生严重影响。目前，已经有学者从综合考虑种植 业、畜禽养殖业和水产养殖业生产过程中产生的污染 物对水环境影响的角度，构建农业污染压力模型，计算 农业污染排放量和污染压力指数，定量分析了处于太 湖流域农业污染物排放对水环境影响的严重性^{[11, 12]}。 但是还没有研究从污染足迹的角度对太湖流域稻作 农业进行定量评估。因而，本文以太湖流域稻作农业 生产为研究对象，基于污染足迹模型探讨太湖流域稻 作农业的污染状况，期望为该流域合理施用化肥和有 效控制稻作农业污染提供科学依据。 1 材料与方法 1.1 研究区概况

一般情况下，水体流域都由多个小流域组成，结 合流域的地形特征，可将农业污染概分为山区小流域 农业污染和平原小流域农业污染。不同的小流域具有 不同的特征，其污染特点及发生规律也不尽相同。本 文研究的是稻作生产污染问题，从表 1 中可以看出太 湖流域平原河网区和山地丘陵地区水田生产的 COD、TN 和TP的污染物流失系数相同，因而本文认 为太湖流域平原地区和山区的稻作生产对太湖流域 水环境的影响相同。故本文选取太湖流域上游江苏省 常州市、宜兴市作为研究区，通过对常州市、宜兴市的 稻作农业污染研究，以期反映太湖流域稻作生产活动 对太湖水环境的影响。

表 1 研究区不同土地利用方式肥料流失系数 Table 1 Fertilizer loss coefficient of different land use in the study area

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常州市、宜兴市地处江苏省南部、太湖流域上游 （见图 1），地处苏锡常平原区，地势平坦，耕地面积广 阔。属亚热带湿润季风气候，四季分明、雨热同期，年平均气温16.3 益，年平均降水量1 068.9 mm。境内河 道纵横交织，湖塘星罗棋布，南溪水系、洮滆水系是境 内主要河流水系，长荡湖、滆湖是境内主要湖泊。

图 1 研究区位置图 Figure 1 The location of the study area

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常州市辖金坛、溧阳两市和天宁、钟楼、戚墅堰、 新北、武进5区；宜兴市辖4 个街道、14 个镇。2007 年 常州市、宜兴市常住总人口362.18×10⁴人，人口密度 561 人·km^-2，非农业人口217.31×10⁴ 人，占总人口的 比重为60.00%。2007 年常州市和宜兴市经济总产值 为2 386.34亿元，第一产业产值81.69×10⁸元，占经济 总产值的3.42%；第二产业产值1 422.56×10⁸元，占 经济总产值的59.61%，其中工业产值为1 320.42×10⁸ 元；第三产业产值882.09×10⁸元，占经济总产值的 36.96%，第二产业占主导地位。常州市和宜兴市的社 会经济发展水平明显高于全国平均水平。然而，在经 济飞速发展的同时，常州市和宜兴市生态环境也受到 了严重破坏。 1.2 研究方法及数据来源 1.2.1 研究方法

本文首先计算稻作农业COD、TN 和TP 的入河 量^[13]。其次，通过污染足迹模型计算稻作农业COD、 TN 和TP 的污染足迹^[14]；最后，通过污染压力模型计 算稻作农业COD、TN 和TP 的污染压力指数，并对其 进行评估。 1.2.1.1 污染物入河量计算

稻作农业化学需氧量（COD）、总氮（TN）和总磷 （TP）的入河量可根据公式（1）计算得到：

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表 2 太湖流域各类污染源污染物的入河系数 Table 2 Coefficients of losing into rivers of pollutants in the Taihu Lake Basin

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基于污染物吸纳的生态足迹，即污染足迹，是指 吸纳一定人口产生的污染物实际所需要的土地面 积^[15]，在理论基础、研究内容、计算方法等方面都与传 统生态足迹中的能源足迹有着本质的区别。焦雯珺 等^[14]根据污染足迹基本理论，构建了太湖流域有机物 污染足迹（PF_COD）、氮污染足迹（PF_N）和磷污染足迹 （PF_P）模型（公式2~公式4）。

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本文利用污染压力指数（公式5）来衡量区域水 污染压力的大小，即利用污染足迹与污染承载力的比 值对区域水污染压力进行综合评估。如果污染承载力 大于污染足迹，即存在污染盈余，人类的排污活动在 区域的可承载范围之内；如果污染承载力小于污染足 迹，即存在污染赤字，人类活动所产生的污染物超出 了区域的纳污能力。

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稻作农业的污染物排放量和入河量计算所需数据来自常州市、宜兴市2007 年污染源普查资料。不同 土地利用方式肥料流失的产排污系数主要来自于《第 一次全国污染源普查———农业污染源之肥料流失系 数手册》和文献^[16]。入河系数是在实地考察的基础上 参照《太湖流域主要入湖河流水环境综合整治规划编 制规范》确定的。研究区污染承载力则为常州市、宜兴 市的实际水域面积，通过研究区1:10 万土地利用遥 感解译数据统计得到。 2 结果与讨论 2.1 稻作农业污染排放特征

根据稻作农业污染物入河量计算公式1，对常州 市、宜兴市稻作农业COD、TN 和TP 的入河量进行了 计算，各区县计算结果见表 3。

表 3 研究区稻作农业污染物入河量（t·a^-1） Table 3 COD,TN and TP river discharge of rice agriculture in the study area（t·a^-1）

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从表 3 中可知，2007 年研究区稻作农业COD、 TN 和TP的入河量分别为792.96、605.28 t和27.16 t， 其中，以宜兴市的入河量最大，其次为溧阳市和武进 区，三者之和占到研究区稻作农业COD、TN和TP总 入河量的76.59%、76.60%和76.58%。不难看出，宜兴 市、溧阳市和武进区是研究区稻作农业污染物排放最 多的地区。

具体到研究区稻作农业污染物排放的空间格局 （图 2~图 4），可以看出污染物排放较多的地区集中在 宜兴市、武进区和新北区的部分乡镇以及溧阳市和金 坛市的绝大部分乡镇。其中，溧阳市的社渚镇、上兴 镇、竹篑镇、别桥镇、南渡镇、溧城镇，宜兴市徐舍镇的 污染物入河量最大；而新北区的新桥镇、薛家镇和新 北城区，钟楼区，天宁区，戚墅堰区，武进区的横山桥 镇、横林镇、遥观镇、湖塘镇、洛阳镇、牛塘镇、嘉泽镇、湟里镇，宜兴市的宜城街道、湖滏镇、太华镇，溧阳市 的上黄镇的稻作生产污染物入河量普遍较少。从图 2~图 4 可以看出，研究区稻作农业污染物入河量区域 差异较大。

图 2 研究区稻作农业COD 排放的空间格局 Figure 2 Spatial distribution of COD river discharge from rice agriculture in the study area

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图 3 研究区稻作农业TN排放的空间格局 Figure 3 Spatial distribution of TN river discharge from rice agriculture in the study area

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图 4 研究区稻作农业TP排放的空间格局 Figure 4 Spatial distribution of TP river discharge from rice agriculture in the study area

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由图 2~图 4 可知，入河量较高的乡镇，其COD 入河量超过21.70 t·a^-1，TN 入河量超过16.56 t·a^-1，TP 入河量超过0.74 t·a^-1；而排放量较少的乡镇，其COD 入河量小于6.06 t·a^-1，TN 入河量小于4.63 t·a^-1，TP 入河量小于0.21 t·a^-1。 2.2 稻作农业污染足迹分析

根据太湖流域污染足迹模型（公式2~公式4），结 合研究区稻作农业COD、TN 和TP 入河量的计算结 果，计算得到研究区稻作农业COD 污染足迹、TN 污 染足迹和TP污染足迹，各区县计算结果见表 4。

表 4 研究区污染物污染足迹（hm²） Table 4 Pollutionfootprintofriceagricultureinthestudyarea（hm²）

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从表 4中可以看出，研究区2007 年稻作农业有 机物污染足迹为523.52 hm²，其中宜兴市、溧阳市和 武进区有机物污染足迹依次为167.75、154.52 hm²和 78.69 hm²，三者之和占到研究区稻作农业有机物污染 足迹的76.59%；研究区2007 年稻作农业氮污染足迹 为3 944.50 hm²，其中宜兴市、溧阳市和武进区稻作农业氮污染足迹依次为1 263.95、1 164.23 hm²和592.91 hm²，三者之和占到研究区稻作农业氮污染足迹 的76.59%；研究区2007 年稻作农业磷污染足迹为 2 578.95 hm²，其中宜兴市、溧阳市、武进区稻作农业 磷污染足迹依次为826.38、761.18 hm²和387.65 hm²， 三者之和占到研究区稻作农业磷污染足迹的76.59%。

从表 4中可以看出，研究区2007 年稻作农业污 染足迹为3 944.50 hm²，其中宜兴市、溧阳市和武进区 的污染足迹位列前三，其值依次为1 263.95、1 164.23 hm²和592.91 hm²。这说明研究区所辖区县中宜兴市、 溧阳市和武进区排放的污染物对当地水域空间的生 态占用是最大的。

具体到研究区稻作农业有机物、氮和磷污染足迹 的空间分布（图 5~图 7），可以看出研究区稻作农业 COD、氮和磷污染足迹较大的地区集中在溧阳市的社 渚镇、上兴镇、竹篑镇、别桥镇、南渡镇、溧城镇和宜兴 市的徐舍镇。其稻作农业COD 污染足迹普遍高于 14.32 hm²，氮污染足迹普遍高于107.93 hm²，磷污染 足迹普遍高于70.57 hm²。而新北区的新桥镇、薛家镇 和新北城区，钟楼区，天宁区，戚墅堰区，武进区的横 山桥镇、横林镇、遥观镇、湖塘镇、洛阳镇、牛塘镇、嘉 泽镇、湟里镇，宜兴市的宜城街道、湖滏镇、太华镇，溧 阳市上黄镇的稻作农业COD、氮和磷污染足迹普遍 较低。其稻作农业COD污染足迹普遍低于4.00 hm²， 氮污染足迹普遍低于30.16 hm²，磷污染足迹普遍低 于19.72 hm²。

图 5 研究区稻作农业COD 污染足迹的空间格局 Figure 5 Spatial distribution of COD pollution footprint from rice agriculture in the study area

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图 6 研究区稻作农业氮污染足迹的空间格局 Figure 6 Spatial distribution of TN pollution footprint from rice agriculture in the study area

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图 7 研究区稻作农业磷污染足迹的空间格局 Figure 7 Spatial distribution of TP pollution footprint from rice agriculture in the study area

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由图 8可知，各区县的稻作农业污染足迹中，氮 污染足迹所占的比例最大，其次是磷污染足迹。由此 可知，稻作农业氮类污染物对当地水域空间的生态占 用最大，其次为磷类污染物。COD 的入河量在稻作农业污染物入河量中所占的比重最大，但其污染足迹却 是3 类污染物中最小的，是因为太湖流域河网对 COD（1 514.67 kg·hm^-2）、TN（153.45 kg·hm^-2）和TP （10.53 kg·hm^-2）的吸纳能力不同。

图 8 研究区稻作农业污染物污染足迹比例 Figure 8 Proportions of different pollutants discharged from rice agriculture in the study area

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从研究区污染足迹空间分布图（图 9）中可知，污 染足迹较大的地区集中在溧阳市的社渚镇、上兴镇、 竹篑镇、别桥镇、南渡镇、溧城镇和宜兴市的徐舍镇， 其污染足迹普遍高于107.93 hm²。

图 9 研究区稻作农业污染足迹的空间格局 Figure 9 Spatial distribution of pollution footprint from rice agriculture in the study area

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利用稻作农业污染足迹与污染承载力，计算得到 稻作农业的污染赤字/盈余和污染压力指数，各区县 的计算结果见表 5。

表 5 研究区稻作生产污染赤字/盈余 Table 5 Pollution deficit/surplus of rice agriculture in the study area

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由表 5可知，研究区2007 年稻作农业污染足迹 为3 944.51 hm²，污染承载力为1 876.27 hm²，污染赤 字为2 068.24 hm²，稻作农业生产活动所排放的污染 物俨然超出当地水域的承载能力，对当地水环境产生 了巨大的压力。尽管研究区总体上超载，但是各区县的污染赤字/盈余差异十分显著：溧阳市水域的污染 物吸纳能力仅能满足当地38.02%的纳污需求，导致 其污染赤字高达721.55 hm²；宜兴市次之，污染赤字 为618.24 hm²；而天宁区水域的纳污能力不但能满足 当地稻作生产的纳污需求，而且还有15.51 hm²的污 染盈余。

表 5 显示，研究区2007年稻作农业污染压力指 数为2.10，当地水环境总体上处于中度污染状态。新 北区、钟楼区和戚墅堰区的污染压力指数均大于3， 溧阳市最大污染压力指数大于2 小于3，金坛市、武 进区和宜兴市的最大污染压力指数大于1 小于2，天 宁区的最大污染压力指数小于1。这说明新北区、钟 楼区和戚墅堰区的当地水环境总体上存在重度污染 压力，溧阳市当地水环境总体上存在中度污染压力， 金坛市、武进区和宜兴市当地水环境总体上存在轻度 污染压力，而天宁区当地水环境则总体上不存在污染 压力。

尽管研究区总体上处于中度污染压力状态，但是 研究区稻作农业污染压力指数空间差异显著。从图10中可以进一步看出，新北区的新北城区，天宁区，武进市的遥塘镇、经发区、牛塘镇、嘉泽镇、湟里镇，金 坛市的金城镇、儒林镇，溧阳市的上黄镇，宜兴市的官 林镇、和桥镇、高塍镇、新街街道、宜城街道、湖滏镇的 稻作农业生产活动还没有对当地水环境造成污染压 力；研究区存在轻度污染压力的地区集中在武进市的 郑陆镇、横林镇、洛阳镇、前黄镇，金坛市的直溪镇、尧 塘镇、指前镇，溧阳市的别桥镇、埭头镇、天目湖镇，宜 兴市的杨巷镇、西渚镇。研究区的剩余乡镇则存在中 度甚至中度污染压力。

图 10 研究区稻作生产污染压力指数的空间格局 Figure 10 Spatial distribution of pressure index of rice agriculture in the study area

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通过计算研究区稻作农业污染足迹和污染压力 指数并对其进行评估，得到如下结论：

（1）从污染物入河量来看，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以COD 和TN 为主。COD 和TN 的入河量均是TP 入河量的20 多 倍，COD 和TN 的年入河量分别为792.96 t·a^-1 和 605.28 t·a^-1，TP的年入河量为27.16 t·a^-1。

（2）从污染足迹来看，常州市、宜兴市稻作农业生 产过程中产生的TN 对当地水域空间的生态占用是 最大的（3 944.50 hm²），其次为TP（2 578.95 hm²），最 小的是COD（523.52 hm²）。

（3）从污染压力状况来看，常州市、宜兴市稻作农 业对水环境造成的污染压力指数为2.10，处于中度污 染压力状况。但是具体到各个区县，其污染压力状况 各异，只有常州市天宁区的污染压力指数小于1，其 他各区县的污染压力指数都大于1，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。