基于“壓力-響應”機制的江蘇省農業面源污染源解析及其空間特征

陸尤尤，胡清宇，段華平，卞新民,

（1.南京農業大學，a.資源與環境科學學院，b.農學院，江蘇南京210095）

隨著經濟快速發展，水環境污染問題已成為全球性環境問題之一。在城市和工業點源污染得到有效控制的同時，農業面源污染的嚴重性逐漸顯現[1]。農業面源污染不僅直接導致水生生態系統失衡，而且影響人類日常生產和生活，具有多源性、隨機性、排放不確定性、時空差異性等特點。農業面源污染源解析、影響因子確定、空間分布特征已成為國內外環境科學領域研究熱點之一。

“壓力-響應”模型是由聯合國經濟合作開發組織和聯合國環境規劃署共同提出的環境概念模型。“壓力”指標反映人類活動給環境造成的負荷；“響應”指標表征環境質量、自然資源與生態系統的狀況。農業面源污染的排放量與排放系數可視為“壓力”，由面源污染排放引起的水質變化可視為“響應”[2]。國內外已開始采用數學模型法[3-9]、平均濃度法[10]、水質水量相關法[11]、綜合調查法[12]、單元調查法[13]和清單法[14]等對農業面源污染進行源解析的研究，但研究角度多著眼于農業面源污染的源解析，而在農業面源污染造成的水質的危害后果及程度研究方面較少[15]，且沒有從省域范圍對農業面源污染的嚴重程度進行歸類和評價，難以制定有針對性的農業面源污染防治對策與措施。

本文基于農業面源污染的“壓力-響應”機制，采用清單分析方法，在市級尺度上核算了江蘇省13個地級市種植業、養殖業、農村生活三方面對農業面源污染化學需氧量（COD）、全氮（TN）、全磷（TP）的排放負荷及其貢獻，確定了農業面源污染的主要污染物、主要污染源、主要影響因子、主要污染區域及農業面源污染空間特征。從而為江蘇省制定農業面源污染防治措施、環境保護政策和管理策略提供科學依據。

1 研究方法

1.1 信息采集

按照江蘇省2010年行政區劃，以13個地級市為單元，逐類收集各項農事及人居活動涉及的原始數據及計算過程中涉及的各類參數。

1.1.1 原始信息采集 各項農事及人居活動涉及的原始數據（表1）來源于《江蘇省農村統計年鑒（2011）》。各市地表水資源總量數據來源于《江蘇省水資源公報》。

表1 研究區域分區及概況(2010)

1.1.2 計算參數采集 各類參數結合相關文獻分析和江蘇省典型區域調研確定。氮肥、磷肥的流失系數取平均水平，分別為0.11和0.06[16]；秸稈產出系數參考農業污染源普查技術資料，秸稈綜合利用率和流失系數由江蘇省作物秸稈綜合利用情況專項調查分別取70%和0.04，秸稈養分含量參考相關文獻[17-19]；畜禽排泄系數和流失系數來源于江蘇省畜禽養殖與排污現狀專項調查[16]；水產養殖污染物流失系數結合江蘇省內陸水產養殖調查和相關文獻資料[20-23]；農村生活污染相關系數來源于《生活源產排污系數及使用說明（2010）》。

1.2 壓力指標核算

1.2.1 農業面源污染絕對實物排放量 根據江蘇省農業生產活動的特點，將農業面源污染主要來源分為種植業、養殖業和農村生活三方面。

種植業污染物排放主要來自化肥施用和秸稈遺棄污染。以氮肥、磷肥的折純量計算TN、TP的排放量，不考慮化肥的COD排放量。

化肥施用污染物排放量=化肥施用量（折純量）×化肥流失系數；

秸稈遺棄污染物排放量=作物產量×秸稈產出系數×（1-秸稈綜合利用率）×秸稈養分含量×流失系數。

養殖業污染物排放主要來自畜禽養殖污染和水產養殖污染。

畜禽養殖污染物排放量=畜禽養殖量×畜禽排泄系數×流失系數；

水產養殖污染物排放量=水產品產量×流失系數；

農村生活污染物排放主要來自生活垃圾、生活污水和人糞尿污染物排放。

生活垃圾污染物排放量=農業人口×人均垃圾產生系數×產污系數×流失系數；

生活污水和人糞尿污染排放量=農業人口×產污系數×流失系數。

1.2.2 農業面源污染絕對等標排放量 統一按照地表水環境質量標準(GB3838-2002)中的Ⅲ類標準濃度值（COD:20mg/L、TN:1.0mg/L、TP:0.2mg/L），計算各項活動中 TN、TP、COD 的絕對等標排放量。

某污染物絕對等標排放量=該污染物絕對實物排放量/標準濃度。

1.2.3 農業面源污染國土等標排放系數 基于各市國土面積計算相應的國土等標排放系數。國土等標排放系數=絕對等標排放量/國土面積。

1.3 響應指標核算

1.3.1 農業面源污染造成的水質濃度 某污染物水質濃度=該污染物絕對實物排放量/該市地表水資源總量。

1.3.2 農業面源污染造成的水質指數 單項水質指數=污染物排放濃度/環境質量標準(GB3838-2002Ⅲ類標準)；

綜合水質指數采用內梅羅（Nemerow）法計算：

P={[（Ci/Si）2max+（Ci/Si）2ave]/2}1/2

式中，P為內梅羅綜合指數，（Ci/Si）max為單項水質指數的最大值，（Ci/Si）ave為水質指數的平均值。具體評價標準見表2。

表2 內梅羅綜合水質指數評價標準

2 結果與分析

2.1 江蘇省農業面源污染壓力分析

2.1.1 江蘇省農業面源污染絕對實物排放量 通過計算江蘇省各市不同農業面源污染來源的污染物排放量，匯總得到2010年江蘇省化肥施用、秸稈遺棄、畜禽養殖、水產養殖、生活垃圾、生活污水、人糞尿7個污染源累積排放的絕對實物排放量，其中 COD為 155.23×104t，TN為 62.34×104t，TP 為9.05×104t(表3)。從各市的排放貢獻來看，地處蘇北的鹽城、連云港、徐州、淮安等市的排放量明顯高于地處蘇南的無錫、常州、南京、蘇州等市，其中鹽城的農業面源污染絕對實物排放量最高。與工業污染和城市生活污染相比，農業面源污染已成為江蘇省農村水環境污染不容忽視的重要來源。

2.1.2 江蘇省農業面源污染絕對等標排放量 由于各污染物的排放標準與環境危害不同，為此分別計算各污染物和污染源的絕對等標排放量，以便在同一尺度上進行分析比較 (表4)。2010年江蘇省農業面源污染的絕對等標排放總量為115.33×104t/a，其中COD為7.76×104t/a，TN為62.34×104t/a，TP 為 45.23×104t/a，TN排放最多，其次為 TP，COD最低。7個污染源的絕對等標排放量分別為化肥施用33.57×104t/a、秸稈遺棄 9.16×104t/a、畜禽養殖 33.17×104t/a、水產養殖16.68×104t/a、生活垃圾0.0045×104t/a、生活污水4.35×104t/a、人糞尿18.40×104t/a，化肥施用排放最多，其次為畜禽養殖、人糞尿和水產養殖。

表3 江蘇省農業面源污染絕對實物排放量

2.2 江蘇省農業面源污染響應分析

作為對壓力指標的響應，污染物賦存濃度和水質指數實際上表征的是農業面源污染已經顯露出來的污染態勢[2]。2010年江蘇省各市農業面源污染造成的COD、TN和TP的平均濃度分別為6.25 mg/L、2.53 mg/L和0.36 mg/L（表5），TN、TP的平均濃度均超過地表水環境質量Ⅲ類標準，所有污染物濃度地區差異均顯示蘇北＞蘇中＞蘇南，COD、TN的排放濃度最小值出現在無錫,TP的排放濃度最小值出現在鎮江；COD、TN、TP的排放濃度最大值均出現在宿遷（表5）。這表明，農業生產越發達，農業面源污染越嚴重。

表4 江蘇省農業面源污染物和污染源的等標排放量

表5 江蘇省農業面源污染水質濃度與水質指數

根據內梅羅綜合水質指數評價標準（表2），2010年江蘇省農業面源污染造成的綜合水質指數均值為2.10，達到中度污染水平。全省13個市中，處于安全狀態的有無錫、常州、蘇州、鎮江，水質綜合指數分別為 0.53、0.63、0.60、0.55；處于警戒狀態的有南京，水質綜合指數為0.72；處于輕度污染狀態的有南通、揚州，水質綜合指數分別為1.31、1.73；處于中度污染狀態的有淮安、鹽城、泰州，水質綜合指數分別為2.61、2.49、2.24；處于嚴重污染狀態的徐州、連云港、宿遷，水質綜合指數分別為 4.87、3.07、5.98（表 5）。

2.3 江蘇省農業面源污染主要污染物和污染源的確定

采用等標污染負荷與等標污染負荷比的方法，即按照區域內污染物或污染源的等標污染負荷比來確定主要污染物和主要污染源。按照各污染物或污染源的等標污染負荷從大到小順序排序，分別計算累計百分比，累計百分比大于80%左右的污染物或污染源列為主要污染物或污染源[24]。2010年江蘇省農業面源污染的主要污染物依次是TN、TP，其等標污染負荷比分別為54.71%、38.86%；主要污染源依次是化肥施用、畜禽養殖、人糞尿、水產養殖，其等標污染負荷比分別為30.75%、24.94%、16.85%、15.28%（表 6）。

2.4 江蘇省農業面源污染主要影響因子的確定

采用相關分析方法，分析了江蘇省13個市的絕對實物排放量與國土面積、農業產值、農業人口的相關系數，結果顯示它們之間均達到了極顯著水平(p＜0.01)，說明各市的農業面源污染絕對實物排放量與其國土面積、農業產值及農村人口的分布相吻合。各污染物與國土面積、農村人口、農業產值的相關性表現為，農業產值＞農村人口＞國土面積（表7）。

表6 江蘇省農業面源污染等標負荷比

表7 江蘇省農業面源污染與國土面積、農村人口和農業產值的相關性

對絕對實物排放量(y)與國土面積(x1)、農業產值(x2)、農業人口(x3)進行線性回歸擬合，方程如下：

YCOD=-3.32813+0.00039X1+0.03768X2+0.01518X3

r2=0.9632**

YTN=-1.79083+0.00006X1+0.02676X2+0.00410X3

r2=0.9726**

YTP=-0.26582+0.00001X1+0.00346X2+0.00072X3

r2=0.9773**

標準回歸分析發現，各種污染物排放量均受到農業產值的強烈影響，而國土面積、農村人口的影響則可忽略不計。說明COD、TN、TP排放主要來源于農業生產活動，污染源與污染物的關系分析也顯示在COD、TN、TP的排放構成中，位于首位的是生產性污染(表8)。

表8 江蘇省農業面源污染源與污染物的關系

2.5 江蘇省農業面源污染空間特征分析

等標排放量可在同一尺度上比較，但仍受國土面積、農村人口、農業產值制約的“總量”，為此進一步計算國土等標排放系數，便于進行地區間環境質量比較。結果顯示江蘇省國土等標排放系數的最大值和最小值分別出現在徐州和蘇州，分別為17.55t/km2和6.32 t/km2（表9）。

為進一步分析江蘇省農業面源污染的空間分布特征,用國土等標排放系數表征農業面源污染的壓力態勢,用綜合水質指數表征農業面源污染的響應態勢,分別對表9和表5采用離差平方和的聚類分析，劃分主要污染壓力區域和主要污染響應區域（圖1、表10）,得出“壓力-響應”嚴重污染型區域：徐州、連云港、宿遷,分布在蘇北的農業高產區；“壓力-響應”重度污染型區域：淮安、鹽城、泰州；“壓力-響應”中度污染型區域：南通、揚州；“壓力-響應”輕度污染型區域：蘇州、無錫、常州、鎮江，分布在城市化率較高且農業比重較低的蘇南地區。

表9 江蘇省農業面源污染國土等標排放系數（單位：t/km2）

圖1 江蘇省農業面源污染的空間聚類分析

3 討論與結論

3.1 討論

江蘇省農業面源污染主要污染物為TN、TP,主要污染源為化肥施用、畜禽養殖、人糞尿和水產養殖,說明江蘇省農業面源污染屬于生產生活復合型污染，因此農業面源污染的防治重點在于普及測土配方施肥技術、發展生態循環農業、推廣糞污綜合處理工藝，同時推進農村生活污水處理設施建設，加快清潔工程示范村創建。

表10 江蘇省農業面源污染的聚類分析

為比較江蘇省不同地區農業面源污染的嚴重程度,本文分別對國土等標排放系數表征的“壓力”和綜合水質指數表征的“響應”進行聚類分析，綜合“壓力”和“響應”兩方面的聚類結果得出農業面源污染的空間分布特征，從而為江蘇省農業面源污染的分級、分類和分區治理提供科學依據。

本文在核算江蘇省農業面源污染排放時，污染源只考慮化肥施用、秸稈遺棄、畜禽養殖、水產養殖、生活垃圾和生活污水，其中作物秸稈只考慮江蘇省種植比重較大的作物；污染物只考慮COD、TN、TP；相關參數多結合參考文獻和抽樣調查得到，而缺乏實驗驗證；由于缺少江蘇省農村水質監測數據，未能將農業面源污染排放與農村水環境現狀進行量化分析，而僅停留在定性比較上。在今后的研究中，應從全面污染源和污染物、驗證計算參數、聯系農業面源排污與農村水環境現狀等角度，更加深入的研究江蘇省農業面源污染與農村水環境之間的關系。

3.2 結論

從排放總量看，江蘇省農業面源污染COD、TN、TP的排放量達較高水平，相比于工業污染和生活污染，農業面源污染成為江蘇省農村水環境污染的重要來源。

從排放濃度看，所有污染物濃度地區差異均顯示蘇北＞蘇中＞蘇南；綜合水質指數顯示江蘇省農業面源污染達中度污染水平，其中徐州、連云港、宿遷水質處于嚴重污染狀態，表明區域農業生產越發達，農業面源污染越嚴重

農業面源污染的主要污染物依次是TN、TP，主要污染源依次是化肥施用、畜禽養殖、人糞尿、水產養殖，主要影響因子是農業總產值，表明減輕農業面源污染的關鍵在于建立高效與生態并重的現代農業生產體系。

聚類分析顯示壓力-響應嚴重污染型區域：徐州、連云港、宿遷；壓力-響應重度污染型區域：淮安、鹽城、泰州；壓力-響應中度污染型區域：南通、揚州；均分布在農業比重較高的蘇北和蘇中地區。因此，防治農業面源污染的工作需要分區有序進行，既要預防污染“壓力”，又要治理污染“響應”。只有堅持標本兼治，才能改變農業面源污染日益惡化的現狀。

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