漢江流域農業面源污染的源解析

唐肖陽，唐德善，魯佳慧，常文倩，唐新玥

（河海大學水利水電學院，南京 210098）

隨著點源污染治理力度的加強，面源污染特別是農業面源污染的嚴重性和防治的必要性已經引起了國內外學者和管理部門的注意。很多研究表明，面源污染已經成為水體污染的重要污染源，甚至首要污染源。據報道，美國的面源污染占污染總量的2/3，其中農業面源污染貢獻率占68%～83%[1]。荷蘭的農業面源污染產生的總氮（TN）、總磷（TP）污染負荷占水環境污染總負荷的60%和40%～50%[2]。在我國，2010年《第一次全國污染源普查公報》顯示，農業面源污染是總氮、總磷排放的主要來源，其排放量分別為270.46萬t和28.47萬t，分別占排放總量的57.2%和67.4%。與點源污染相比，面源污染具有多源性、隨機性、分散性、分布廣、間歇性和難以監測性的特點，其治理難度大于點源污染，因此估算面源污染負荷，解析污染源具有重要意義。

目前，國內外常用的污染負荷估算方法有輸出系數法[3]、排污系數法[4]、監測法[5]等，污染負荷評價的方法主要有等標污染負荷法[6]、清單法[7]、模型法[8]。由于缺乏與農業面源污染有關的水文和水質系統的、長期的實測數據，而輸出系數法則避開了面源污染發生的復雜過程，所需參數少，操作簡便，且能保證一定的精度，因此在我國面源污染研究中得到了廣泛的應用。輸出系數法最初由Omernik[9]等提出，由此建立了輸出系數模型。此后最為重要的進展是Johnes等[10]在以往模型的基礎上綜合考慮了土地利用類型、人口和牲畜數量等因素對面源污染的影響，建立了更為完善的輸出系數模型。盧少勇等[1]利用輸出系數法分析、評價了洞庭湖區農業面源污染負荷；劉菊等[11]利用輸出系數模型和生態系統服務與權衡綜合評價模型估算了四川省寶興縣面源污染物總氮、總磷負荷；蔡明等[12]采用了考慮降雨因素影響和污染物在遷移過程中損失的改進的輸出系數法對渭河流域總氮負荷量進行了估算。以上研究說明了輸出系數法在面源污染研究中的優越性。

漢江中上游的丹江口水庫是南水北調中線工程的水源地，漢江干流也是南水北調備用水源，但漢江流域內農村區域面積大，農村人口眾多，土地利用強度高，水環境承載壓力巨大，因此控制好漢江流域的農業面源污染是保證南水北調水質的重要任務。張軍等[13]研究發現丹漢江流域是農業非點源污染主要敏感區，隨干流向南北兩側敏感性遞減，許策等[14]對漢江流域荊門段面源污染負荷時空分布與污染現狀進行了分析和評價，但是目前關于漢江整個流域農業面源污染現狀的研究較少。本文以漢江流域范圍的13個地市為研究對象，采用輸出系數模型估算2015年漢江流域TN、TP的污染負荷，運用等標污染負荷法對TN、TP的污染負荷進行評價，運用ArcGIS軟件繪制面源污染空間分布，采用快速聚類法劃分污染類型，旨在為漢江流域面源污染有的放矢地防治提出數據的理論支撐。

1 材料與方法

式中：Li為污染物 i的負荷量，kg·a-1；Eij為在第 j種土地利用類型導致的第i種污染物的輸出系數（kg·hm-2·a-1）或第j種畜禽養殖導致的污染物i的輸出系數[kg·頭（只）-1·a-1]或人口因素導致的污染物i的輸出系數（kg·人-1·a-1）；Aj為第j種土地利用類型的面積（hm2）或第j種畜禽養殖的數量[頭（只）]或人口數量（人）；P為降雨輸入的污染物總量（因缺乏相關監測數據且其相對于農業面源污染物總量可忽略不計，本文不考慮此項影響），kg·a-1；n為流域內污染源數量。

結合漢江流域的實際情況，本文的農業面源污染源主要考慮農田化肥源、畜禽養殖源和農村生活源這3大類污染源，其中農業用地類型主要考慮水田、旱田和園地3種，畜禽養殖主要考慮牛、豬、羊和家禽4種類型。

估算污染物的負荷量關鍵在于確定輸出系數的值。影響輸出系數的因素主要有地形、地貌、水文、氣候、土地利用、土壤類型、植被覆蓋和人類活動等，其主要獲取方法有現場監測法和查閱文獻法[3]。鑒于漢

1.1 研究區域概況

漢江發源于陜西省漢中市寧強縣冢山，干流流經陜西省和湖北省，在武漢市注入長江，全長1577 km，是長江最長的支流。漢江流域分為3段，丹江口市以上江段為上游，丹江口市至鐘祥市江段為中游，鐘祥至漢口龍王廟江段為下游。由于農業面源污染的治理一般以行政區劃為單位分區治理，故參照漢江流域的范圍，選擇陜西省漢中市、安康市、商洛市；河南省南陽市；湖北省十堰市、神農架林區、襄陽市、荊門市、天門市、潛江市、仙桃市、孝感市和武漢市共13個行政區為研究對象，研究區域示意圖見圖1。

1.2 研究方法

1.2.1 污染負荷量估算方法

本文采用輸出系數法（ECM）估算漢江流域各地市TN、TP的污染負荷，公式為[10]：江流域無輸出系數的實測結果，茲參照已有的研究成果確定輸出系數的值。

Beaulac和Reckhow以及Frink通過調查不同土地利用方式下的氮和磷輸出系數的變化范圍，取其平均值作為所研究區域的土地利用輸出系數[15]。因此，在考慮了研究區域和研究年份兩方面因素后，取國內不同研究區域結果的平均值作為本文的不同農業土地利用類型的輸出系數取值。已有研究中的不同區域的不同農業土地利用方式下TN、TP的輸出系數及本文的取值見表1。

圖1 研究區域示意圖Figure 1 The diagrammatic sketch of research area

表1 不同區域輸出系數的分類和取值Table 1 The export coefficient classification and value of different regions

畜禽養殖輸出系數參照沈珍瑤等[1-3]的研究成果。由于各類畜禽的養殖周期不同，當年的畜禽數量是目前研究的爭議所在[21]。牛和羊的平均飼養期一般長于一年，而豬和家禽的平均飼養期不足一年，故本文牛和羊當年的數量取為年末存欄數量，豬和家禽當年的數量取為年內出欄數量[22]。

農村生活污染輸出系數參照國家環保總局推薦的人口輸出系數[15]。漢江流域不同污染源的輸出系數的分類及取值見表2。

表2 漢江流域不同污染源的輸出系數的分類及取值Table 2 Classification and value of export coefficient of different pollution sources in the Hanjiang River Basin

1.2.2 污染負荷評價方法

為了讓不同的污染物能在同一尺度上加以比較，本文采用等標污染負荷法進行污染負荷評價。某污染物或某污染源的等標污染負荷量是指單位時間內排放的含該污染物的廢水的等標體積[23]。某區域第j個污染源的第i個污染物的等標污染負荷量計算公式Pij為：

式中：Pij為第j個污染源第i個污染物的等標污染負荷量，106m3·a-1；Lij為第 j個污染源第 i個污染物的污染負荷量，t·a-1；C0為污染物i評價標準值。漢江流域水質以Ⅱ、Ⅲ類為主，結合各地市的環境狀況公報和水資源公報中漢江流域水質情況，漢中市、安康市、商洛市、十堰市和神農架林區的評價標準值采用《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）中Ⅱ類標準系列的閾濃度的下限值進行核算，其余地市采用Ⅲ類標準系列的閾濃度的下限值進行核算。（其中，Ⅱ類水下限值TN為0.5 mg·L-1，TP 為0.1 mg·L-1；Ⅲ類水下限值TN為1 mg·L-1，TP 為0.2 mg·L-1）。

若某區域第j個污染源有n個污染物，則該區域第j個污染源的等標污染負荷量Pj為：

式中：Pj為某區域第j個污染源的等標污染負荷量，m3·a-1；Pij為某區域第 j個污染源的第 i個污染物的等標污染負荷量，m3·a-1。

若某區域第i個污染物有m個污染源，則該區域的第i個污染物等標污染負荷量Pi為：

式中：Pi為某區域第i個污染物的等標污染負荷量，m3·a-1；Pij為某區域第 i個污染物的第 j個污染源的等標污染負荷量，m3·a-1。

若某區域有n個污染物、m個污染源，則該區域的等標污染負荷量P為：

式中：P為某區域的等標污染負荷量，m3·a-1；Pi為某區域第 i個污染物的等標污染負荷量，m3·a-1；Pj為某區域第 j個污染源的等標污染負荷量，m3·a-1；Pij為某區域第j個污染源的第i個污染物的等標污染負荷量，m3·a-1。

1.2.3 數據來源

研究主要分析漢江流域13個地市的農業面源氮磷污染，所需基礎數據包括水田面積、旱地面積、園地面積、牛、豬、羊、家禽和農村人口的數量。以上基礎數據來源于《2015年湖北省統計年鑒》、《2015年河南統計年鑒》、《2015年陜西統計年鑒》及2015年各地市的統計年鑒或者國民經濟和社會發展統計公報。漢江流域各地市的農村常住人口、農業統計數據見表3。

2 結果與討論

2.1 漢江流域農業面源污染負荷量估算

采用輸出系數法估算了2015年漢江流域13個地市的土地利用、畜禽養殖和農村人口3大類污染源產生的TN、TP污染負荷量及負荷貢獻率，計算結果見表4、表5。

2015年漢江流域的TN、TP污染負荷量分別為179 127 t，26 975 t，TN污染負荷量是TP污染負荷量的6.64倍。在現有研究中，TN與TP的污染負荷量之比在5～9之間[1]，本文結果與已有研究結果間具有一致性。從空間分布上來看，南陽市和襄陽市的TN、TP污染負荷量比較高，主要原因是這2個地市的農業土地利用面積大、畜禽養殖業發達、農村人口多。相比之下，神農架林區、仙桃市、潛江市、天門市和商洛市的農業土地利用面積小、畜禽養殖少、農村人口少，故TN、TP污染負荷量都比較低。

表3 2015年漢江流域各地市農村常住人口和農業統計數據Table 3 The rural resident population and agricultural statistics of cities in the Hanjiang River Basin in 2015

表4 2015年漢江流域各地市不同污染源TN污染負荷量（t）及負荷貢獻率（%）Table 4 The pollution loads and loads contribution rate of TN of different pollution sources of cities in the Hanjiang River Basin in 2015

根據表4、表5的數據，通過計算可得出，漢江流域各地市的TN、TP的污染負荷均以農田化肥和畜禽養殖為主。其中，神農架林區和仙桃市的農田化肥對該地區的TN負荷貢獻率分別為63.70%和57.29%，孝感市和襄陽市的畜禽養殖對該地區的TN負荷貢獻率分別為43.76%和42.03%；神農架林區和南陽市的農田化肥對該地區TP負荷貢獻率分別為37.84%和33.54%；孝感市和荊門市的畜禽養殖對該地區的TP負荷貢獻率為73.05%和71.16%。鑒于此，漢江流域農業面源污染應將重點放在農田化肥污染和畜禽養殖污染上。

2.2 漢江流域農業面源污染負荷評價

2.2.1 漢江流域TN、TP等標污染負荷總量特征

運用等標污染負荷法，計算不同污染源的TN、TP等標污染負荷及貢獻率見表6。

表5 2015年漢江流域各地市不同污染源TP污染負荷量（t）及負荷貢獻率（%）Table 5 The pollution loads and loads contribution rate of TP of different pollution sources of cities in the Hanjiang River Basin in 2015

2015年漢江流域農業面源污染等標污染負荷總量為3.94×1011m3。在各污染源中，農田化肥源的等標污染負荷總量為1.50×1011m3，畜禽養殖源的等標污染負荷總量為1.76×1011m3，農村生活源的等標污染負荷總量為6.9×1010m3。畜禽養殖源的等標污染負荷總量最多，占流域等標污染負荷總量的44.62%，說明漢江流域的首要污染源是畜禽養殖源。

TN的等標污染負荷量貢獻率順序為：農田化肥（47.45%）＞畜禽養殖（32.40%）＞農村生活（20.16%），TP的等標污染負荷量貢獻率順序為：畜禽養殖（61.01%）＞農田化肥（25.3%）＞農村生活（13.68%）。由此可見，漢江流域農業面源污染的TN主要來源是農田化肥，TP主要來源是畜禽養殖，該結果與河南省農業面源污染的研究結果規律一致[3]。農田化肥對TN等標污染負荷貢獻率的影響高于畜禽養殖和農村生活，而畜禽養殖對TP的等標污染負荷貢獻率的影響明顯高于土地利用和農村生活。

表6 2015年漢江流域不同污染源TN、TP的等標污染負荷量及貢獻率Table 6 The equivalent standard pollution load and its contribution rate of TN and TP of different pollution sources in the Hanjiang River basin in 2015

2.2.2 漢江流域TN、TP等標污染負荷量空間分布特征

本文借助ArcGIS 10.0軟件，將等標污染負荷量結果填加到行政區劃圖的表格屬性中，繪制了2015年漢江流域各地市農業面源污染TN、TP的等標污染負荷空間分布格局，見圖2、圖3。在空間分布上，TN、TP的等標污染負荷空間分布有很強的一致性，其空間分布特征是：農業土地利用面積大、畜禽養殖業發達、農村人口多的地市等標污染負荷較大，反之亦然。漢江流域上游至下游的等標污染負荷量呈現出先增加后減少的趨勢，流域等標污染高負荷區集中在流域中游。上游的漢中市、安康市和商洛市共3個地市的等標污染負荷貢獻率之和是28.44%，中游的十堰市、南陽市、襄陽市、神農架林區和荊門市共5個地市的等標污染負荷貢獻率之和是50.93%，下游的天門市、潛江市、仙桃市、孝感市和武漢市共5個地市的等標污染負荷貢獻率之和是20.63%。中游5個地市的等標污染負荷量約占漢江流域的一半，說明了漢江流域中游的農業面源污染現狀的嚴重性和治理的必要性。

由圖2、圖3可知，TN、TP等標污染負荷的最大值均出現在南陽市，其中TN等標污染負荷量貢獻率達21.55%，TP等標污染負荷量貢獻率達17.80%。南陽市內有漢江最大的支流唐白河，當支流的污染物匯入漢江干流，會加劇漢江的污染程度，故應加大對南陽市農業面源污染的治理。其次是漢中市、安康市、十堰市和襄陽市，TN等標污染負荷量貢獻率達10.75%～12.52%，TP等標污染負荷量貢獻率達10.39%～13.61%。等標污染負荷最小的地市是神農架林區、天門市、潛江市和仙桃市，TN等標污染負荷量貢獻率僅為0.26%～2.20%，TP等標污染負荷量貢獻率僅為0.22%～2.07%。

2.2.3 不同污染源對漢江流域各地市TN、TP等標污染負荷的貢獻

為便于分析，將污染源劃分為水田、旱地、園地、畜禽養殖和農村生活共5種污染源，利用ArcGIS軟件，繪制了2015年漢江流域各地市不同污染源TN、TP的等標污染負荷圖，見圖4、圖5。漢江流域內，十堰市、襄陽市和孝感市的TN等標污染負荷貢獻最大的為畜禽養殖，而其他10個地市TN等標污染負荷貢獻最大的均為農田化肥。這10個地市中，漢中市、安康市、商洛市和南陽市的農田化肥源中旱地的等標污染負荷較大，而神農架林區、荊門市、潛江市、仙桃市和武漢市的農田化肥源中水田的等標污染負荷較大。漢江流域內各地市的TP等標污染負荷則表現出明顯的規律特征，即均以畜禽養殖為主。對于流域內等標污染負荷最大的南陽市，其TN等標污染貢獻率最大的是旱地，TP等標污染貢獻率最大的是畜禽養殖。

再將污染源按照農田化肥、畜禽養殖和農村生活3大類進行劃分，將TN等標污染負荷與TP等標污染負荷疊加后，得到2015年漢江流域各地市不同污染源等標污染負荷貢獻率見圖6所示。漢江流域各地市農田化肥源和畜禽養殖源的等標污染負荷貢獻率均相對較高，農村生活源的等標污染負荷貢獻率均相對較低。

圖2 2015年漢江流域各地市TN等標污染負荷空間分布格局Figure 2 Spatial distribution pattern of the equivalent standard pollution load of TN of cities in the Hanjiang River Basin in 2015

圖3 2015年漢江流域各地市TP等標污染負荷空間分布格局Figure 3 Spatial distribution pattern of the equivalent standard pollution load of TP of cities in the Hanjiang River Basin in 2015

圖4 2015年漢江流域各地市不同污染源TN等標污染負荷Figure 4 The equivalent standard pollution load of TN of different pollution sources of cities in the Hanjiang River Basin in 2015

圖5 2015年漢江流域各地市不同污染源TP等標污染負荷Figure 5 The equivalent standard pollution load of TP of different pollution sources of cities in the Hanjiang River Basin in 2015

2.3 漢江流域農業面源污染類型劃分

為因地制宜地開展農業面源污染防治，對各地市按污染類型進行分類。本文采用SPSS軟件中快速聚類（K-Means Cluster）的方法，以各地市農田化肥源、畜禽養殖源和農村生活源這3大污染源的等標污染負荷貢獻率為聚類對象，進行聚類分析。通過聚類分析將各地市劃分成了6種污染類型，各污染類型的空間分布情況見圖7。

第Ⅰ類為農田化肥污染主導型，該類型包含神農架林區和南陽市，其農田化肥源在各類污染源中最為典型，農田化肥源的等標污染貢獻率分別為54.04%和48.12%。第Ⅱ類為畜禽養殖污染主導型，該類型的地市分布在漢江流域中下游，包括襄陽市和孝感市，畜禽養殖源的等標污染貢獻率較高，畜禽養殖源的等標污染貢獻率分別為54.25%和58.04%。第Ⅲ類為農田化肥和畜禽養殖污染復合主導型，該類型只包含荊門市，其畜禽養殖源的等標污染貢獻率為54.31%，農田化肥源的等標污染貢獻率為40.93%。第Ⅳ類為畜禽養殖和農村生活污染復合主導型，該類型的地市包括十堰市和武漢市，其畜禽養殖源和農村生活源的等標污染貢獻率之和分別為71.51%和70.62%。第Ⅴ類為農田化肥和農村生活污染負荷主導型，該類型的地市包括商洛市和仙桃市，其農田化肥源和農村生活源的等標污染貢獻率之和分別為65.35%和69.53%。第Ⅵ類為混合污染型，該類型的地市分散在漢江流域上游段和下游段，其農田化肥源的等標污染貢獻率均在36.18%以上，畜禽養殖源的等標污染貢獻率均在38.03%以上，農村生活源的等標污染貢獻率均在15.74%以上。

圖6 2015年漢江流域各地市不同污染源等標污染負荷貢獻率Figure 6 Contribution rate of equivalent standard pollution load of different pollution sources of cities in the Hanjiang River basin in 2015

3 結論

本文采用輸出系數模型法、等標污染負荷法、ArcGIS技術和快速聚類法，估算了2015年漢江流域各地市的農業面源污染TN、TP的污染負荷量、等標污染負荷量及空間分布情況，結果表明：

（1）2015年漢江流域的TN、TP污染負荷量分別為179 127 t、26 975 t，相應的等標污染負荷量為2.26×1011m3、1.68×1011m3。

（2）TN的等標污染負荷量貢獻率順序為：農田化肥（47.45%）＞畜禽養殖（32.40%）＞農村生活（20.16%），TP的等標污染負荷量貢獻率順序為：畜禽養殖（61.01%）＞農田化肥（25.3%）＞農村生活（13.68%）。農田化肥源和畜禽養殖源是漢江流域農業面源污染的重點污染源。

（3）TN和TP的等標污染負荷的空間分布有很強的一致性，且分布特征明顯。即農田面積大、畜禽養殖業發達、農村人口多的地市等標污染負荷較大，反之亦然。漢江流域內各地市的等標污染負荷量存在一定的差距，等標污染高負荷區集中在流域中游，上游的等標污染負荷其次，下游最低。TN、TP的等標污染負荷最大值均出現在漢江流域中游的南陽市，南陽市是流域面源污染控制的重點區域。

（4）基于各地市不同污染源的等標污染負荷貢獻率，運用快速聚類方法，將漢江流域各地市分為了農田化肥污染主導型、畜禽養殖污染主導型、農田化肥和畜禽養殖污染復合主導型、畜禽養殖和農村生活污染復合主導型、農田化肥和農村生活污染復合主導型和混合污染型6種污染類型。

圖7 漢江流域各地市污染類型空間分布格局Figure 7 Spatial distribution pattern of pollution types of cities in the Hanjiang River Basin