許昌市農業非點源污染物負荷現狀調查研究

高歆 石宏斌 趙會兵

（許昌學院城鄉規劃與園林學院，河南 許昌 461000）

許昌市農業非點源污染物負荷現狀調查研究

高歆 石宏斌 趙會兵

（許昌學院城鄉規劃與園林學院，河南 許昌 461000）

在每個城市點源污染潛力挖盡以后，面源污染防治將會成為未來數十年的環保工作重點，面源污染負荷的計算又是全面開展防治工作的重要基礎。通過污染物綜合系數排放模型，使用遙感數據、統計數據等資料對河南省許昌市當前面源污染進行調查研究。在下轄市縣中，禹州市污染負荷最重，鄢陵縣總磷排放量最高，長葛市和魏都區污染負荷較小。

非點源污染；遙感；農業；許昌市

隨著對過去十幾年點源污染的大力整治，點源污染治理工作的潛力基本挖盡，面源污染工作將會是今后相當長一段時間的環保工作重點。與點源污染相比較，面源污染具有隨機性、復雜性和廣泛性等特點。在眾多面源污染源中，農業源是最主要的污染源。其是指在農業活動中，農田中的泥沙、營養鹽、農藥及其他污染物，在降水和灌溉過程中，通過農田地表徑流、壤中流、農田排水和地下滲漏，進入水體形成的面源污染。經調查，農業源總氮排放量為9 096t、總磷288t；生活源排放量總氮48.85t、總磷11.17t；畜禽養殖源總氮排放量為5 986.22t、總磷1 884.29t，其中農業源是總氮的主要來源，而畜禽養殖是總磷污染源的主要來源。因此，面源污染防治工作尤其是農業源對于地區環境保護、農業安全和經濟發展具有重大意義。

許昌市位于河南省中部地區，在中原經濟區中占有重要戰略地位。許昌市在經濟快速發展的同時，對污染治理方面也非常重視，雖然污染物排放實行總量控制，但是由于非點源污染在時空上的不確定性、污染分布廣，加之長期以來重視不夠、缺乏有效的定量化基礎研究，難以對非點源污染進行有效的總量控制。2008年以來，隨著國家重大水專項的開展，水體污染治理進入新紀元。由于點源污染得到有效控制，非點源污染的治理對改善水環境的重要性更加明顯。摸清非點源污染的狀況，研究適合許昌市概況、針對不同地域的非點源污染控制技術與政策，是許昌市面源污染防治工作的關鍵。

精確面源污染負荷量的計算是全面開展面源治理工作的前提和依據，通過模型對非點源污染進行模擬，是目前非點源污染研究的重要手段之一。影響非點源污染的諸多因素中，關系最密切的是土地利用方式、降水強度、地形地貌等，輸出系數模型綜合考慮非點源主要影響因素，操作簡單，結果合理。已有研究表明，輸出系數模型具有廣泛的適用性［1］。本文將從形成原因出發，對許昌市面源污染負荷進行定量計算，并對下轄縣市污染源負荷排放強度進行分析，以滿足當前污染治理和社會發展的需要。

1 研究區域和研究方法

1.1 研究區域概況

許昌市位于東經113°03′～114°19′、北緯33°16′～34°24′，全市下轄一區兩市三縣，分別是魏都區、禹州市、長葛市、鄢陵縣、襄城縣和許昌縣。許昌市歷史悠久，其美名主要源于三國時期在許昌地區發生的眾多戰役，以及歷史名人在該地的著名事跡。許昌市氣候類型為暖溫帶季風性氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，適合種植的農作物為小麥、玉米，農業發展歷史悠久。許昌市交通四通八達，臨近省會鄭州市，京廣線、鄭渝線從中穿過，并與京港澳高速公路相接；2015年GDP產值達2 100億元，在河南省處于中上等水平，經濟發展速度較快，GDP排名逐年上升。

1.2 研究方法

目前定量計算非點源污染負荷的方法主要有2種，即系數法和物理模型法。系數法是建立在影響因子同污染負荷之間統計關系的基礎之上的，不同于物理模型方法，動力學機制考慮的較少。系數法模型計算公式如下：

式（1）中，Lj為第j種污染物負荷，kg/a；α為降雨影響因子；aij為第i種污染源和j種污染物的系數，單位為kg/（hm2·a），或為第i中畜禽的排泄系數［kg/（只·a）、kg/（頭·a）］；Ai為第i類土地利用類型面積，或第i種牲畜的數量（只或頭）或人口數量（人）；P為降雨輸入的污染量，kg/a［2］。

2 許昌市面源污染現狀分析

2.1 土地利用面積計算和污染物排放系數

對TM遙感影像數據進行預處理，誤差控制在1個像元內，經過精校正、波段合成、裁剪等預處理步驟以后，采用監督分類法提取許昌市土地利用類型分布圖。其次，采用文獻查閱和試驗的方法確定面源污染項目的排放系數。在ERDAS中將2015年許昌市TM數據的6個單波段圖像文件組合成一個多波段圖像文件。監督分類是指利用已知屬性的訓練樣本建立判別準則，然后將像元歸類的過程。監督分類有最小距離法、多級切割分類法、特征曲線窗口法、最大似然比分類法等多種方法。本研究利用最大似然比分類方法將圖像分為草體、林地、水體、建設用地、農田和未利用土地，分類結果見表1。

結合表1可以看出，許昌市土地利用類型主要以農田為主，占到總面積的52.84%，其次是林地，這也充分展現了農業在許昌市占有相當的地位。然而，水體和建設用地相對較少，但是隨著經濟的快速發展，城建用地的面積也在迅速增加。

表1 許昌市土地利用分類面積

影響流域非點源污染物輸出系數的因素很多，主要包括流域內地形地貌、水文、氣候、土地利用、土壤類型和結構、植被、管理措施及人類活動等，其主要的確定方法有查閱文獻值法和試驗法2種。本文輸出系數采用查閱文獻法確定，輔以試驗法進行校正，由于緯度位置與耕作方式存在差異等，許昌地區地處河南中部，結合國內一些學者的研究，農田、城鎮建設用地、草地、林地和未利用地的輸出系數選取如表2所示［3］。

表2 土地利用污染物輸出系數參數值

2.2 結果分析

2.2.1 水土侵蝕源。許昌市土地利用產生的總氮負荷為9 096t，總磷負荷為288t（見圖1、2）。其中，農田產生非點源總氮負荷為7 645t，總磷負荷為237t，分別占總氮和總磷的百分比為84.04%、82.22%；城建用地產生的非點源總氮負荷為328t，總磷負荷為6t，分別占總氮和總磷的百分比為3.60%、2.07%；草地產生非點源總氮負荷為475t，總磷負荷為9t，分別占總氮和總磷的百分比為5.23%、3.00%；林地產生非點源總氮負荷為345t，總磷負荷為29t，分別占總氮和總磷的百分比為3.79%、9.97%；水體產生的非點源總氮負荷為92t，總磷負荷為0.8t，分別占總氮和總磷百分比為1.02%、0.29%；未利用土地產生非點源總氮負荷為211t，總磷負荷為7t，分別占總氮和總磷百分比為2.32%、2.45%。

從上述結果可以看出，在土地利用類型的非點源總氮、總磷排放量中，農田始終占據著最大的比例，對整個許昌市來說，農業的面源污染是所有非點源污染中最大的總氮、總磷排放源；隨著許昌市經濟的迅速發展，城市建設用地產生的非點源總氮、總磷值也隨之增加，并且近年來城鄉結合部的總氮、總磷產出也愈加凸顯；許昌市的草地植被覆蓋大多圍繞在農田附近，由于農田需要施加化肥，氮磷的流失進一步增強了草體總氮、總磷的排放；林地在許昌市整體面積中占有較高的比例，并且在一定的時間內需要飛機噴灑藥物，所以林地的總氮、總磷產出在總體上也占有一定的比例；而未利用土地和水體相對來說面積小，輸出系數相對不大，尤其是水體，在許昌市環保局針對水源污染頒發的政策和治理下，總氮和總磷的產出相對其他幾種土地利用類型要小許多。

圖1 許昌市總氮空間分布

圖2 許昌市總磷空間分布

2.2.2 農業生活源。生活源面源污染主要出現在鄉村，城鎮生活源均通過污水處理廠統一處理，計算總量的時候作為點源來對待。農村生活源主要來源于農村生活污水，其污水分散，難于收集，且污水來源多，主要滲入到地下，對地下水造成污染。計算生活源污染物排放量采用人均綜合排污系數法。根據許昌市2015年統計年鑒，全市總人口數434.15萬人，農業人口為227.62萬人［4］。生活污水中的主要污染物包括化學需氧量、氨氮、總氮、總磷。其排放系數分別為3、0.15、0.35和0.08，單位為t/萬t。經過計算，許昌市農村生活污水產生量為1 993.95萬t，COD產生量為5 981.85t，氨氮產生量為299.09t，總氮產生量為697.88t，總磷產生量為159.52t，再根據入河系數可以得到各污染物的入河量，污水量及各污染物的入河量按照7%來計算，則總氮入河量為48.85t，總磷入河量為11.17t，COD入河量為418.73t，氨氮入河量為3.12t（見表3）。

表3 農村生活源污染物排放量

2.2.3 畜禽養殖業源。畜禽養殖業污染源主要是畜禽動物的糞便、畜禽及其住舍清洗所產生的污水等其他污染物質。畜禽糞便中含有大量氮和磷的化合物，這些氮和磷進入土壤后，會轉化為硝酸鹽和磷酸鹽，造成地表和地下水的污染，使水中的硝態氮、硬度和細菌總數都超標。水體富營養化后，藻類和其他水生植物大量繁殖，使水中溶解氧減少，導致水中生物缺氧死亡。許昌市2015年畜禽養殖見表4，按照國家環保總局規定的畜禽糞污排泄系數計算，畜禽年產糞便438.46萬t，產尿量257.91萬t，根據總氮、總磷、COD、氨氮等污染物在糞便中的百分比，這里取值15%，得出許昌市畜禽養殖污染物總氮產生量為39 908.15t，流失量為5 986.22t，總磷產生量為12 561.92t，流失量為1 884.29t，COD產生量為165 648.27t，流失量為24 847.24t，氨氮產生量為15 893.38t，流失量為2 384.01t（見表5）。

表4 2015年許昌市畜禽養殖情況

表5 畜禽污染源污染物排放量

重點對上述3種污染源非點源污染物入河量進行了計算，許昌市2015年總氮排放量為15 131.07t，總磷排放量為2 183.46t，水土流失和畜禽養殖分別是總氮和總磷的主要污染源，前者占到總量的60%，而后者更高達80%以上。

2.3 市轄縣區的污染源分析

從各個縣區的總體情況來看，禹州市由于農耕面積較大，農村人口相對較多，所以就整體而言，其農業和農村生活源污染的總氮、總磷產出相對較高，農業面源污染情況比其他縣區也要顯著。鄢陵縣以花卉農業為主，農業施肥也主要集中在花卉種植地區，盡管近年來勞動人口不斷下降，但是由于花卉產業的發展，其農業面源污染所產生的總氮和總磷也是顯而易見的。另外，其畜禽養殖污染物排放量最高（見表6）。襄城縣距離市區較遠，以農業為主，各源排放量也較大。許昌縣在許昌市的經濟效用帶動下，農用耕地面積不斷減少，城建用地隨之擴大，畜禽養殖源排放量較少，農業源和生活源因面積較大、人口較多，排放量較大。相比較之下，由于長葛市工業化程度較高，面源污染情況弱度僅次于魏都區，負擔較小。

表62015年許昌市化肥使用情況

3 結論

許昌市農業總氮、總磷污染負荷主要來自農業種植和畜禽養殖，前者占到總氮排放量的60%，而后者總磷污染負荷貢獻超過了80%。對于所轄縣市來說，禹州市污染負荷排放強度最高，鄢陵縣畜禽養殖污染源排放強度最高，其他源排放強度也較高，其次是許昌縣和襄縣，長葛市和魏都區排放強度較低，源于工業化程度較高。

［1］李兆富，楊桂山，李恒鵬.基于改進輸出系數模型的流域營養鹽輸出估算［J］.環境科學，2009（3）：66-672.

［2］李娜，韓維崢，沈夢楠，等.基于輸出系數模型的水庫匯水區農業面源污染負荷估算［J］.農業工程學報，2016（8）：224-260.

［3］蔡明，李懷恩，莊詠濤，等.改進的輸出系數法在流域非點源污染負荷估算中的應用［J］.水利學報，2004（7）：40-45.

［4］許昌統計局.許昌統計年鑒［R］.北京：中國統計出版社，2015.

Investigation on Agricultural Non-point Source Pollutant Load in Xuchang City

Gao XinShi HongbinZhao Huibing
（College of Urban and Rural Planning and Landscape Architecture，Xuchang University，Xuchang Henan 461000）

In the light of the potential pollution potential of each city,the prevention and control of non-point source pollution will be the focus of environmental protection work in the next few decades.The calculation of non-point source pollution load is the important foundation of comprehensive prevention and control work.Through the comprehensive emission model of pollutants,remote sensing data and statistical data were used to investigate the current non-point source pollution in Xuchang city of Henan province.Under the jurisdiction of the city and county,the pollution load of Yuzhou city is the heaviest,Yanling county has the highest total phosphorus emissions,the pollution load of Changge city and Weidu district is small.

non-point source pollution；remote sensing；agriculture；Xuchang city

X52

A

1003-5168（2017）05-0151-04

2017-04-07

河南省科技攻關計劃項目（152102310365）；許昌市科技發展計劃項目（1502260）。

高歆（1981-），男，博士，講師；研究方向：資源環境遙感。