河南省農業面源污染負荷估算及區劃

彭舜磊, 李 鵬, 王梓臣, 耿慶玲

(1.平頂山學院 化學與環境工程學院, 河南 平頂山 467000; 2.平頂山學院 旅游與規劃學院, 河南 平頂山 467000)

根據第一次全國污染普查報告，我國農業污染源中的CODCr，總氮和總磷排放量分別占總污染物排放量的43.71%，57.19%，67.27%，是我國水環境污染物主要來源[1]。目前農業面源污染是導致地表水富營養化、地下水硝酸鹽超標的主要原因，對區域水環境造成嚴重威脅[2]。估算面源污染的方法很多，可總結為4類：斷面實測總負荷減去點源負荷的方法、水文估算法、數學模型估算法和輸出系數法[3]。前兩種方法由于流域匯流復雜，面源污染物與點源污染物難以區分，實際應用困難。很多學者基于當地流域面源污染物的遷移物理過程建立了不同的數學估算模型，對不同自然條件下的流域面源污染進行了估算[4-7]，但是由于受農業數據可獲得性和水文資料缺失與否的直接影響，涉及參數過多，計算復雜，不適合大尺度區域面源污染估算。輸出系數法巧妙避開了氮、磷元素遷移過程產生的復雜計算，直接建立土地利用狀況與面源污染負荷的關系，利用容易獲取的土地利用類型數據，就可以直接估算區域的污染物總負荷，計算簡單且具有可靠性[8]。Johnes等學者1996年在輸出系數模型中加入了牲畜、人口等因素，建立了更為完善的輸出系數模型[9]。Johnes輸出系數模型所需要的參數少且易獲取，計算簡單，精度較高，適合大尺度區域農業面源污染的估算，因此得到廣泛應用[10-14]。

在運用Johnes輸出系數模型估算面源污染物負荷時，確定合理的輸出系數是科學估算的關鍵。輸出系數受多種因素影響，引起農業面源污染的因素一般歸納為3類：農業用地、畜禽養殖和農村生活污水及廢棄物[8]。面源污染的輸出系數一般通過試驗的方法確定[11-14]。如果本地缺乏輸出系數實測數據，農業用地的污染物輸出系數通過文獻調研，采用相似自然條件下臨近幾個區域輸出系數實測值的平均值確定[8,15-17]，畜禽養殖和農村生活污水和廢棄物輸出系數分別采用環保部推薦的排泄系數和人口輸出系數[8,10,15-17]。

河南省是我國農業大省，農業面源污染形勢十分嚴峻。然而，關于河南省的農業面源污染估算研究相對較少，河南省農業面源污染現狀、空間格局以及污染來源如何？這些問題鮮有文獻報道。本文以河南省18個地市為核算單元，依據《2015年河南統計年鑒》中的2014年數據，分析河南省農業農村面源污染的分布特點及成因，并對農業面源污染進行科學區劃，提出治理對策，旨在為美麗河南建設和新農村環境整治以及流域水污染治理提供科技支撐。

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區概況

河南省地理位置為東經110°21′—116°39′，北緯31°23′—36°22′，地處我國華中地區，土地總面積為16.55萬km2，轄18個地市。氣候為典型的大陸性季風氣候，年均降水量800 mm左右。橫跨黃、淮、海、長江四大水系，1 500多條河流橫貫其中。北部、西部和南部主要為丘陵和山地，東部和中部為廣袤的平原，是全國重要的糧食主產區[18]。

1.2 農業面源污染輸出系數模型

農業面源污染輸出系數模型[8]計算公式

(1)

式中：Tj為污染物總負荷量[kg/(hm2·a)]；Ai為污染物在該土地利用類型中的輸出系數(kg/hm2)或第i種畜禽每頭排泄系數(kg/a)或人口每人輸出系數(kg/a)等共m種；Pi為研究區域中土地利用類型的面積(hm2)或第i種牲畜數量(頭)或人口數量(人)等共m種。

1.3 輸出系數取值

農業土地類型、畜牧養殖以及農村生活是農業面源污染產生的因素[8]。河南省是農業大省，農業用地以耕地為主[19-21]，因此，在農業土地利用類型中，我們僅考慮耕地面積。鑒于河南省沒有輸出系數的實測數據，農業用地的輸出系數參考國內相似自然條件下其他區域的研究成果，并取其平均值[8,14-16]；畜禽養殖和農村生活部分的面源污染物輸出系數分別采用國家環保總局推薦的排泄系數和人口輸出系數[22]。畜禽養殖業的總氮和總磷輸出系數分別取為各自排泄系數的10%[8,22]。各輸出系數取值見表1。

表1 農業用地、畜禽養殖和農村生活輸出系數取值

1.4 數據來源

在估算和分析河南省農業面源污染負荷時需要用到的數據有河南省各地市耕地面積、農村人口數量以及牛、豬、羊和家禽數量，這些數據通過查閱《2015年河南統計年鑒》獲取[23]。

1.5 面源污染區劃方法

首先用R軟件中的scale函數對各市農業面源污染的總氮和總磷污染負荷進行標準化，然后采用Kmeans均值聚類方法對河南省農業面源進行聚類，聚類最優簇數采用不同Kmeans均值聚類簇數個數的貢獻率，以貢獻率變化穩定時對應的簇數作為最優分類簇數，最優分類簇數作為區劃的分區個數。用R軟件做Kmeans均值聚類和最優簇數劃分，用ArcGIS 10.2做河南省農業面源污染區劃。

2 結果與分析

2.1 河南省各市農業面源污染特征

2.1.1 各地市總氮總磷負荷量 表2和表3是2014年河南省各市不同污染源類型產生的農業面源污染物總氮和總磷的負荷量。全省平均的總氮負荷量是總磷負荷量的6.7倍。空間分布上看，南陽、駐馬店、周口、商丘和信陽的農業面源污染總氮和總磷負荷量都很高。這些地區耕地面積大，農業人口比較多，農業化程度相對較高。相比較之下，三門峽、鶴壁、濟源三市的農業人口和農業用地總面積都比較少，因此農業面源污染總量比較低。河南省耕地、畜禽養殖業面源污染物總氮和總磷負荷的貢獻率都較高：耕地和畜禽養殖業總氮負荷量的貢獻率分別為47.79%和28.69%，對總磷負荷的貢獻率分別為32.95%和50.95%。其中南陽、駐馬店、信陽、周口、商丘五市的農業面源污染總氮和總磷之和分別占全省總氮、總磷的52.92%和52.41%。

2.1.2 不同污染源類型對總氮總磷負荷量的貢獻 由表4可知，耕地對總氮的輸出貢獻率接近半數，這三種污染源類型總氮負荷量貢獻率的大小順序為：耕地>畜禽養殖>農村生活。畜禽養殖業的總磷負荷貢獻率明顯大于耕地和農村生活的貢獻率。三種污染源類型總磷負荷貢獻率的大小順序為：畜禽養殖>耕地>農村生活。說明目前河南省耕地和畜禽養殖對面源污染物分別對總氮和總磷的貢獻最大。因此為了減少農業環境污染，科學施肥合理密植，發展循環農業，無害化處理畜禽糞便是非常重要的舉措。除此之外，農村生活所占氮、磷總負荷比重也不小，農村地區污水和生活垃圾的處理也必須盡快采取相應的措施。

表2 2014年河南省農業面源污染物總氮負荷量 kg/a

2.2 各市農業面源污染總氮、總磷分布格局

將表2，表3的數據導入ArcGIS，根據河南省的行政區劃，生成河南省各地市面源污染總氮、總磷分布格局(圖1和圖2)。表4是2014年河南省各地市不同污染源類型對總氮、總磷負荷量的貢獻率。由圖1，2可知，南陽、駐馬店兩市的總氮、總磷的負荷量最高，耕地和畜禽養殖對其總氮、總磷負荷貢獻率很高，充分說明了兩市耕地面積大，規模化的大型養殖是造成兩市總氮、總磷的負荷量高的主要原因(表4)。周口、商丘、信陽三市總氮、總磷的負荷量也是比較高的，耕地對這三個地市的總氮、總磷負荷量貢獻率最高。表4還表明，耕地依然是河南省各市農業面源污染的重要組成部分，同時畜禽養殖對河南省農業面源污染造成十分顯著的影響，尤其是在總磷的負荷量上，各市畜禽養殖的對總磷貢獻率均超過了耕地。所以由大規模畜禽養殖業而產生環境污染必須要格外關注，并盡快采取措施。

表3 2014年河南省農業面源污染物總磷負荷量 kg/a

圖12014年河南省各市農業面源總氮負荷量空間分布圖22014年河南省各市農業面源總磷負荷量空間分布

2.3 河南省農業面源污染區劃

最優分類聚類簇數分析結果表明，河南省農業面源污染聚類，分為5類，解釋率達到97%，當分類簇數大于5時，解釋率的變化趨勢趨于平穩，因此河南省面源污染可以區劃為5種類型(圖3)。南陽市和駐馬店市為重度污染區，周口市、商丘市和信陽市為較重度污染區，新鄉市、安陽市、洛陽市、開封市、平頂山市、許昌市、鄭州市為中度污染區，三門峽市、鶴壁市、焦作市、漯河市、濮陽市為較輕污染區，濟源市為輕度污染區(圖4)。

表4 2014年河南省各地市不同面源污染類型對總氮、總磷的貢獻率 %

圖3聚類簇數分析圖

圖42014年河南省農業面源污染區劃

3 結論與討論

本文使用輸出系數模型法，估算了河南省2014年農業面源污染物總氮和總磷負荷量。2014年河南省農業面源污染物總氮和總磷負荷量分別是3.87×105和5.73×104t/a。各地市的農業面源污染物總氮和總磷負荷量差異較大，南陽、駐馬店、信陽、周口、商丘五市的總氮和總磷負荷量較大，農業面源污染總氮和總磷之和占全省總氮、總磷的52.92%和52.41%。

最優分類聚類簇數分析結果表明，河南省農業面源污染可以區劃為5種類型：南陽市和駐馬店市為重度污染區，周口市、商丘市和信陽市為較重污染區，新鄉市、安陽市、洛陽市、開封市、平頂山市、許昌市、鄭州市為中度污染區，三門峽市、鶴壁市、焦作市、漯河市、濮陽市為較輕污染區，濟源市為輕度污染區。

耕地依然是河南省各市農業面源污染來源的重要組成部分，同時畜禽養殖對河南省農業面源污染造成十分顯著的影響，尤其是在總磷的負荷量上，各市畜禽養殖的對總磷貢獻率均超過了耕地。因此為了減少農業面源污染，科學施肥、發展循環農業和無害化處理畜禽糞便是關鍵舉措[24-25]。此外，農村地區污水和生活垃圾的處理也必須盡快實施。

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