日本熊本地区氮负荷的时间和空间分解分析以及氮负荷生产力的区域差异研究：采用对数平均分配指数（Logarithmic Mean Divisia Index）和加权泰尔指数（Weighted Theil Index）的行政区划基础方法

《Agricultural Systems》：Temporal and spatial decomposition analysis of nitrogen load and regional disparity of nitrogen load productivity in the Kumamoto area in Japan: An administrative-division-based approach using the Logarithmic Mean Divisia Index and the weighted Theil index

　　

李卓琳|中川圭|藤井秀道|细野隆弘|罗尼·伯恩德松

长崎大学综合科学技术研究生院，日本长崎市文京町1-14，852-8521

摘要

背景

由于农业和城市化等人类活动的影响，地下水中的硝酸盐污染已成为一个严重的全球性挑战。

目的

我们的研究旨在确定1960年至2020年间熊本地区各行政区氮负荷（氮污染生成潜力）的主要驱动因素，并量化这些地区在氮负荷生产力方面的空间差异，同时考虑农业政策和市场动态的变化。

方法

我们采用了对数平均迪维西亚指数分解法和加权泰尔指数来系统分析1960年至2020年间熊本地区的氮负荷动态和区域差异。通过关注农作物生产和养殖业，我们确定了氮强度、规模和结构变化作为氮负荷的关键驱动指标，并追踪了这些指标在农业政策和市场力量变化下的演变过程。

结果与结论

研究结果表明：（1）1960年至1985年间，规模是主要驱动农作物生产和养殖业变化的因素；1985年后，农田面积的缩减和养殖业数量的减少使得结构变化成为主要决定因素，表明农业向高质量发展转型。（2）加权泰尔指数显示，随着区域间农作物生产的专业化程度提高，氮负荷的差异从区域内部转移到了区域之间。（3）通过对一个小流域内的六个行政区进行分类分析，本研究揭示了“一刀切”政策的局限性，并强调了制定针对性策略以提高氮负荷生产力的必要性。

意义

我们提出了针对不同地区的建议，以促进可持续的氮管理并增强农业的抗逆能力。

引言

氮是农业系统中最重要的矿物质养分之一；然而，它也是环境污染的主要来源（Fran?ois和Youssef，2022；Nakagawa等人，2024）。在农作物生产中，氮可以增加叶面积指数，延长光合作用时间，提高养分吸收效率，最终提高作物产量。为应对粮食安全挑战，大量化学肥料和畜禽粪便被施用于农田（Ye等人，2014）。在土壤中，无机氮肥和富含氮的粪便分解成氨，随后氧化为硝酸盐和亚硝酸盐。植物生长过程中，硝酸盐被吸收并用于合成有机氮化合物。过量的硝酸盐容易通过非饱和层渗入地下水。

同时，集约化畜牧业是氨排放的主要来源，约占全球总排放量的70%。氮的潜在环境影响包括富营养化、酸化、土壤退化、空气质量恶化、生物多样性丧失和气候变化（Ershadi等人，2020；Erhart等人，2025；Fan等人，2025）。除了环境问题外，水源中的氮污染还对人体健康构成威胁，例如婴儿因摄入过量硝酸盐而患高铁血红蛋白血症，以及孕妇流产风险增加（Nakagawa等人，2021）。

鉴于这些挑战，减少环境和饮用水中氮浓度的方法通常涉及管理流域或含水层内的活动以及处理水源以降低硝酸盐含量。地下水被视为高质量的水源，常用于饮用（Hinton等人，2024）。然而，过量使用化学肥料和畜禽粪便的渗入，加上硝酸盐的高流动性，加剧了全球地下水硝酸盐污染问题（WHO，2016）。此外，地下水对土地利用变化的响应缓慢。一旦氮进入含水层，即使地表氮负荷大幅减少，也可能长期受到污染（Hosono等人，2023）。因此，地下水修复具有很高的难度。

因此，控制地下水中氮浓度的最有效方法是从源头预防污染，这可以通过适当的农业管理和完善的卫生设施来实现。在农业管理中，识别和减轻主要污染源对于控制非点源污染至关重要。尽管已有大量研究探讨了通过限制农业活动或将农业区迁离主要水源来减轻氮污染的策略，但这些研究往往忽视或未能充分评估这些限制的经济影响，也未提供明确的政策建议（Gu等人，2023；Godinot等人，2024）。因此，在平衡氮负荷控制与农业经济活动的可持续性方面仍面临紧迫挑战。此外，区域分析主要集中在较大尺度上，如国家层面，往往忽略细节层面的差异，假设“一刀切”的政策适用于所有小流域内的行政区，从而阻碍了对政策偏差和区域差异的识别（Mehdi-Schulz等人，2024；Metaxoglou和Smith，2025）。这种忽视掩盖了局部问题，延长了问题识别和解决的时间。等到问题被发现时，环境风险可能已经形成，或者严重的污染可能已经发生。

为应对这些挑战，本研究以日本南部的熊本地区作为研究案例。该地区具有长期观察数据的优势。根据Hosono等人（2023）的研究，深层地下水中的氮浓度变化主要由氮输入及相关活动驱动。然而，这些发现尚未从社会科学的视角进行过研究。在先前对岛原半岛的研究基础上（Fujii等人，2016；Nakagawa和Fujii，2022），本研究采用了两种互补的分析方法：对数平均迪维西亚指数（LMDI），这是一种无残差的分解方法，用于量化多个驱动因素的贡献；以及基于信息论的加权泰尔指数，用于衡量区域差异。这两种方法允许进行时间分解和空间比较，从而识别区域异质性和演变趋势（Shui等人，2024；Chen等人，2024；Sun等人，2024）。利用这些方法，本研究阐明了1960年至2020年间熊本地区氮负荷的动态和驱动因素，探讨了农业产值与氮负荷之间的关系，并分析了由此产生的区域差异。根据不同行政区的区域特征进行分类，为制定针对区域特点的政策提供了依据，以提升氮负荷生产力。这些发现支持基于证据的政策制定，促进可持续农业实践，并确保地下水作为可靠饮用水源的长期保护。

部分摘要

研究区域

熊本地区位于熊本县，面积为908.6平方公里，由10个行政区组成（图1）。由于1960年至2020年间多次行政调整（如平成合并），本研究使用的是2020年的行政区划和名称（MIC，2010）。研究区域不包括熊本市，涵盖三个区域：阿苏、菊池和上益城。熊本地区拥有丰富的水资源，包括一级河流如绿川

方法框架

本研究关注农作物生产和养殖业。图2展示了本研究采用的分析框架。首先，根据第3.4节所述的方法，在行政区划层面对氮负荷和农业产值进行了分类和量化。氮负荷被定义为人为农业活动产生的氮污染潜力，而不是传统的氮输入量

氮负荷的时间和空间变化

1960年至2020年间，总氮负荷从6755吨下降到5556吨，1985年达到峰值10,516吨（图S1）。农作物生产的氮负荷从1960年的5782吨下降到2020年的1948吨，1965年达到最高值6233吨。与此同时，养殖业的氮负荷从1960年的973吨上升到2020年的3609吨，1985年达到峰值7084吨，到2020年下降了49%。同期，耕地面积从1960年的619.5平方公里缩小到167.1平方公里

氮负荷的结构转变及其水文地球化学影响

1960年至2020年间，由于耕地被转化为住宅区、商业区和其他基础设施，耕地面积逐渐减少（熊本县，2017），这与农作物生产氮负荷的持续下降一致（图3b）。同时，养殖业的氮负荷在空间上发生了明显重新分布，与畜牧业相关的氮负荷逐渐从城市中心区域转移到北部和东部地区（图3a和b）。鉴于这一变化

结论

本研究使用LMDI分解法和加权泰尔指数系统分析了1960年至2020年间熊本地区氮负荷的动态和驱动因素，以及农业产值与氮负荷之间的关系。研究揭示了熊本地区农业在不同阶段的演变：农业现代化和全球化（1960–1990年）、政策系统化（1990–2010年）以及对全球挑战的响应

CRediT作者贡献声明

李卓琳：撰写——初稿，可视化，正式分析，数据管理。中川圭：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，可视化，监督，方法论，研究，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。藤井秀道：撰写——审稿与编辑，方法论。细野隆弘：撰写——审稿与编辑，研究，资金获取，数据管理。罗尼·伯恩德松：撰写——审稿与编辑，研究。

资金

本研究得到了JSPS KAKENHI（资助编号JP24K15325和JP22H00563）的支持。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：

中川圭和细野隆弘报告称获得了日本学术振兴会的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。