基于GIS的海南省農業面源污染時空分異研究

鄧春梅 李玉萍 李茂芬 葉露 姚偉

摘要：【目的】分析海南省農業面源污染的時空特征，為海南省農業面源污染防控提供參考依據。【方法】借助GIS技術，采用數理統計分析法對2008—2017年間海南省18個市（縣）的農業面源污染時空特征進行分析，并繪制空間分布圖，發現其變化規律。【結果】2008—2017年，海南省化肥施用實物量總體上呈增加趨勢，2017年較2008年增加15.27%，農藥使用量呈明顯減少趨勢，2017年較2009年減少29.79%;由于肉牛的年末存欄量減少，畜禽糞尿排放總量相對呈減少趨勢。從空間分布格局來看，海南省化肥投入強度較高的市（縣）主要分布在東部和西部，投入強度較低的市（縣）主要分布在中部;農藥投入強度高的市（縣）總體減少，僅中部的五指山市和西部的樂東縣的農藥投入強度由弱變強;海南省畜禽糞尿排放強度較高的市（縣）主要集中在東部和西部，2016年畜禽糞尿排放強度超過3.0×104 kg/ha的僅有定安縣，在1.5×104 kg/ha以下的有白沙縣、瓊中縣、瓊海市、五指山市、保亭縣、三亞市和東方市。【建議】化肥、農藥和畜禽糞便是海南省農業面源污染的主要來源，其主要集中分布于東部和西部的市（縣），是由于這些市（縣）種植業和畜禽養殖業范圍較廣。因此，可根據海南省各市（縣）化肥投入、農藥投入和畜禽糞尿排放強度的不同進一步采取相應措施，同時加強專項資金投入，切合實際發展生態循環農業及提高農戶農田環境保護意識，以有效防控海南省農業面源污染，促進海南省生態農業發展。

關鍵詞： 農業面源污染;空間特征;時空分布;海南省

中圖分類號： S181.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼： A 文章編號：2095-1191（2020）10-2580-08

Spatio-temporal variation of agriculture non-point source pollution based on GIS technology in Hainan Province

DENG Chun-mei， LI Yu-ping*， LI Mao-fen， YE Lu， YAO Wei

（Institute of Science and Technology Information， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences/Hainan Provincial Key Laboratory of Practical Research on Tropical Crops Information Technology， Haikou? 571101， China）

Abstract：【Objective】To provide references for the prevention and control of agricultural non-point source pollution in Hainan Province，the spatio-temporal characteristics of agricultural non-point source pollution in Hainan Province was analyzed in the present study. 【Method】With the help of GIS technology and mathematical statistical analysis method，the spatio-temporal characteristics of agricultural non-point source pollution in 18 cities and counties in Hainan Province from 2008 to 2017 were analyzed，and the spatial distribution map was drawn to find out the changes. 【Result】From 2008 to 2017，the total amount of chemical fertilizers used in Hainan Province showed an overall increasing trend with 15.27%，whereas the use of pesticides showed a decreasing trend， and 2017 decreased by 29.79% than 2019. Due to the decrease in the number of cattle at the end of the year，the total discharge of livestock and poultry manure presented a relatively decreasing trend. From the spatial distribution，the cities（counties） with high chemical fertilizer input intensity of Hainan Province was mainly distributed in east and west，while cities（counties） with the low input intensity was mainly distribu-ted in center. Cities and counties with high pesticide input intensity decreased overall except Wuzhishan City in the central part and Ledong County in the west. Livestock and poultry manure emission intensity of Hainan Province was mainly concentrated in the eastern and western cities and counties. In 2016，the livestock and poultry manure emission intensity of Dingan County exceeded 3.0×104 kg/ha among all the 18 cities and counties while those of Baisha County，Qiongzhong County，Qionghai City，Wuzhishan City，Baoting County，Sanya City and Dongfang City were below 1.5×104 kg/ha. 【Suggestion】Fertilizers，pesticides，and livestock manure were the main sources of agricultural non-point source pollution in Hainan Province. They are mainly distributed in cities（counties） in the east and west. These cities （counties） have a wide range of planting and livestock and poultry breeding industries. Different cities（counties） have different chemical fertilizer inputs，pesticide inputs and livestock and poultry emission intensities，then different measures are needed. At the same time， special fund should be added，more practical ecological recycling agriculture should be developed and farmers awareness of farmland environmental protection also need to increase，so as to effectively prevent and control agricultural non-point source pollution and to promote the development of ecological agriculture in Hainan Province.

Key words： agricultural non-point source pollution; spatial feature; temporal and spatial distribution; Hainan Province

Foundation item： Hainan Natural Science Foundation for Youth（318QN290）;Hainan Philosophy and Social Sciences 2019 Planning Project（HNSK（QN）19-84）;Basic Research Project of Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences（1630072017001，1630072017004）

0 引言

【研究意義】近年來，我國農業農村經濟得到快速發展，但同時給農業環境帶來極大影響，如化肥農藥大量、不合理使用對農田土壤和水體造成的污染。近5年的中央一號文件均有明確提到農業面源污染治理問題。盡管我國已高度重視，采取了一系列措施整治農業面源污染，基本遏制了生態環境惡化趨勢，但由于農業面源污染的隨機性、不確定性、分散性、隱蔽性及不易監測性等特點（徐敏云，2015;陳小嬌等，2019），目前仍未能有效地完全解決農業污染問題。海南省作為冬季瓜菜和熱帶水果的主要生產基地，耕地復種指數高，化肥農藥施用量較大、農業生產廢棄物殘留對土壤地力及農業生態環境造成一定破壞。鑒于此，2016年海南省生態循環農業會提出將重點解決農業面源污染問題，推進海南生態循環農業發展，對農業面源污染的管控已成為緊迫而必要的任務。【前人研究進展】國內已有許多學者采用不同的統計分析方法對區域農業面源污染進行分析，為農業面源污染防治提供了理論參考。在GIS技術層面上，徐麗萍等（2011）、葉延瓊等（2013）、韓書成等（2018）采用歷年統計數據及GIS技術分別對新疆地區、廣東省和廣東省湛江市的農業面源污染時空分異進行分析;郝守寧等（2018）借助GIS對尼洋河流域內污染物的空間分布狀況進行研究，實現農業面源污染物空間排放強度分布的可視化表達;康智明等（2018）應用GIS分析福建省農田氮和磷污染的空間分布，得出氮和磷地表流失量較高的區域主要集中在漳州市，南平市氮、磷肥的流失風險值均最高;廖煒等（2018）、宋大平等（2018）利用GIS對流域面源污染進行時空變化分析，解析了流域農業面源污染負荷時空分布特征。在其他分析方法上，劉志欣（2016）從經濟發展變化的角度，采用清單分析法分析重慶三峽庫區農業面源污染的時空變化特征;魏瑞（2016）通過統計方法發現人口增長、經濟利益驅使、政策不健全等方面是造成河南省農業面源污染的主要原因;吳義根等（2017）通過單元調查法測算污染物總量，利用空間數據探索分析法和非參數核密度估算模型對農業面源污染的動態演進情況進行分析，表明我國農業面源污染的空間分布差異明顯，其中海南省由于耕地面積少，農業面源污染單位耕地面積的排放強度較嚴重，相對壓力大。此外，周石池（2011）對海南省農田污染負荷進行估算，得到各市縣農田面源污染的基本信息;陳淼等（2018）則采用ArcView對海南農業面源潛在污染物進行時空特征分析，得出2014年海南省化肥施用強度、農藥施用強度及畜禽糞便污染的風險等級。【本研究切入點】目前雖然已有針對我國部分省（市）農業面源污染的區域分異研究，但以海南省市（縣）為研究區域，利用Arcgis對農業面源污染進行時空差異分析的研究鮮見報道。【擬解決的關鍵問題】采用GIS空間分析法研究分析海南省18個市（縣）（2008—2017年）的農業面源污染時空變化特征，以期為海南省農業面源污染防控提供參考依據。

1 材料與方法

1. 1 研究區概況

海南省位于我國最南端，北以瓊州海峽與廣東省劃界，西隔北部灣與越南相對，東面和南面在南海中與菲律賓、文萊、印度尼西亞和馬來西亞為鄰。海南省全年暖熱，年日照時數1750～2550 h，年均氣溫23～26 ℃，全島降雨充沛，年均降水量在1600 mm以上。2018年海南省農用化肥施用量（實物量）124.85萬t，化學農藥使用量2.32萬t，化肥利用率38%，農藥利用率50.66%。

1. 2 數據來源

主要選取海南省18個市（縣）作為研究區域，考慮數據的完整性，故不把三沙市作為研究區域，僅制作海南省18個市（縣）的空間分布圖（海南省管轄的西沙群島、南沙群島、中沙群島的島礁及海域均未列出）。文中農業面源污染的農用化肥施用量、農藥使用量等數據來源于2008—2017年的《海南統計年鑒》《中國農村統計年鑒》，化肥投入強度、農藥投入強度和畜禽養殖污染密度則是各污染源單位面積的投入量和排泄量。

1. 3 研究方法

主要采用GIS空間分析法進行分析，以單位農地面積年施用量來表示化肥和農藥的污染情況。農地面積包括耕地面積、熱帶作物和水果的年末面積，畜禽污染則用單位耕地面積的畜禽糞尿排泄量表示，海南養殖的畜禽主要包括牛、山羊、生豬和家禽，飼養天數和年排泄系數參考李海鵬和張俊飚（2009）的研究方法。

1. 4 統計分析

以市（縣）為單位，利用Excel 2010對各數據進行整理統計，分析海南省農業面源污染的時序變化規律，并結合海南省實際情況判斷化肥、農藥及畜禽糞尿污染程度。以國際化肥安全使用量225 kg/ha為參考（尚麗麗，2012），以及陳淼等（2018）對海南省化肥施用強度、農藥施用強度和畜禽糞尿排放強度劃分等級的依據，將化肥投入強度劃分為≤500 kg/ha、500～1000 kg/ha和>1000 kg/ha 3個等級;農藥投入強度劃分為≤10 kg/ha、10～30 kg/ha和>30 kg/ha 3個等級;畜禽糞尿排放強度劃分為≤1.5×104 kg/ha、1.5×104～3.0×104 kg/ha和>3.0×104 kg/ha 3個等級。然后導入Arcgis 10.0軟件，按分級標準制成空間分布圖。

2 結果與分析

2. 1 海南省農業面源污染的時間變化特征

2. 1. 1 化肥污染 隨著海南省種植業的不斷發展，化肥施用量隨著作物產量的增加而增加。由于農戶缺乏科學施肥基本知識，認為施肥與產量的增加一定成正比關系，最終導致過量施肥，肥料浪費嚴重，造成環境污染（吉清妹等，2011）。由表1可知，2008—2017年海南省氮肥、鉀肥和復合肥的施用量均呈增長趨勢，化肥施用實物量和磷肥施用量則表現為先波動增加，2015年后有所減少。化肥施用實物量最高的是2015年，為135.54萬t，最低的是2011年，為101.03萬t;2017年的化肥施用實物量比2008年增加17.6萬t，增幅為15.27%。氮肥、磷肥、鉀肥及復合肥分別從2008年的27.75萬t、22.31萬t、13.70萬t和43.73萬t增至2017年的39.89萬t、28.25萬t、18.00萬t和46.80萬t，增幅分別為43.75%、26.62%、31.39%和7.02%。近年來，由于各市（縣）瓜菜及熱帶水果產業的發展規模不斷壯大，種植面積也有所增加，2017年海南省農地面積為131.19萬ha，較2008年增加11.79萬ha，導致化肥施用實物量呈波動增長趨勢。

2. 1. 2 農藥污染 從圖1可看出，2008—2017年海南省農藥使用總量整體上呈波動減少趨勢。其中，農藥使用總量最高的是2009年，約4.7萬t，但僅占全國農藥使用總量的3%。2017年，海南省農藥使用總量約3.3萬t，較2009年減少1.4萬t，減幅為29.79%;農藥單位面積施用量為25.47 kg/ha，較2010年減少11.23%。

2. 1. 3 畜禽養殖污染 從畜禽類別來看，2008—2017年海南省肉牛的年末存欄量呈下降趨勢，2017年肉牛的年末存欄量最少，為52.13萬頭;山羊的年末存欄量和生豬的年出欄量趨于穩定，數量變化不明顯，2017年山羊的年末存欄量最多，為75.32萬頭;家禽年出欄量則呈逐年增長趨勢，2017年家禽年出欄量為15564.87萬只，較2008年的11079.94萬只增加40.48%（表2）。

從畜禽糞尿排泄量來看，山羊、生豬和家禽的糞尿排泄量變化不明顯，而肉牛的糞尿排泄量逐年遞減，變化最明顯。2017年肉牛的糞尿排泄量為913.32萬t，較2008年減少606.37萬t，占畜禽糞尿排泄總量的58%，而生豬的糞尿排泄量占總量的32%（圖2）。

2. 2 海南省農業面源污染的空間變化特征

考慮到數據的完整性及分析的統一性，選擇2008、2010、2014和2016年4個時期，分析海南省18個市（縣）農業面源污染總量的空間特征。根據《海南鄉鎮統計年鑒—2015》的劃分，東部地區包括海口市、三亞市、文昌市、瓊海市、萬寧市和陵水縣;中部地區包括五指山市、定安縣、屯昌縣、瓊中縣、保亭縣和白沙縣;西部地區包括儋州市、東方市、澄邁縣、臨高縣、樂東縣和昌江縣。

2. 2. 1 化肥污染分布 由圖3可知，海南省化肥投入強度較高的市（縣）主要聚集在海南島東部和西部，這些市（縣）大部分是冬季瓜菜和熱帶水果產業的種植基地。從數量來看，2008、2010、2014和2016年，海南省化肥投入強度高于500 kg/ha的市（縣）個數分別為16、15、14和15個，而化肥投入強度低于500 kg/ha的市（縣）個數分別為2、3、4和3個。從空間分布來看，2016年化肥投入強度高于1000 kg/ha的市（縣）個數由2008年的8個增加到10個，分別為海南省東部的海口市、文昌市、瓊海市和陵水縣，西部的東方市、澄邁縣、臨高縣、樂東縣和昌江縣，以及中部的定安縣。化肥投入強度為500～1000 kg/ha的市（縣）個數則由2008年的8個減少為5個，分布在海南省東部的三亞市和萬寧市、中部的屯昌縣和保亭縣及西部的儋州市。化肥投入強度小于500 kg/ha的市（縣）個數由2008年的2個增加到2016年的3個，分布在海南省中部的五指山市、瓊中縣和白沙縣。

2. 2. 2 農藥污染分布 由圖4可知，海南省農藥投入強度較高的市（縣）主要集中在瓜菜和水果種植面積較多的地區，農藥投入強度超過30 kg/ha的市（縣）個數由2008年的3個增加到2016年的5個，而農藥投入強度低于10 kg/ha的市（縣）由2008年的6個減少到2016年的5個，分別是定安縣、屯昌縣、儋州市、昌江縣和東方市，變化趨勢不明顯。在空間分布上，2016年農藥投入強度高于30 kg/ha的市（縣）主要分布在海南省東部的三亞市和瓊海市、中部的五指山市和瓊中縣及西部的樂東縣;農藥投入強度為10～30 kg/ha的市（縣）分布在海南省東部的海口市、文昌市、萬寧市和陵水縣，中部的保亭縣和白沙縣，以及西部的澄邁縣和臨高縣。

2. 2. 3 畜禽養殖污染分布 由圖5可知，海南省畜禽糞尿排放強度近年來呈下降趨勢，畜禽糞尿排放強度超過3.0×104 kg/ha的市（縣）逐年減少，畜禽糞尿排放強度較低的市（縣）主要集中于海南省中部。2016年畜禽糞尿排放強度超過3.0×104 kg/ha的僅有定安縣;畜禽糞尿排放強度在1.5×104 kg/ha以下的市（縣）由2008年的2個增至7個，分別為東部的瓊海市和三亞市，西部的東方市，以及中部的白沙縣、保亭縣、瓊中縣和五指山市;其他市（縣）的畜禽糞尿排放強度在1.5×104～3.0×104 kg/ha。

3 討論

從時間上看，2008—2017年間化肥施用實物量先呈現增長趨勢，2015年后有所減少，農藥使用總量自2010年后呈下降趨勢，主要是由于2010年海南省出臺了一系列措施，實行全國最嚴厲的農藥監管制度，并通過推行生態循環農業模式等方式以達到農藥化肥“零增長”的目的。海南省畜禽養殖中肉牛的年末存欄量呈減少趨勢，由于肉牛糞便是海南省畜禽糞尿的主要來源，盡管其他畜禽的出欄量和存欄量有所增加，但海南省畜禽糞尿排放總量仍有所減少。

從空間分布格局來看，化肥投入強度呈增加趨勢，與劉欽普（2017）研究得出2014年海南化肥施用處于中度環境風險狀態的結論相近。化肥投入強度較高的市（縣）主要分布在海南省東部和西部，投入強度較低的主要分布在海南省中部的白沙縣、瓊中縣和五指山市。歷年來，農藥投入強度較高的主要分布在海南省東部的市（縣）及中部的瓊中縣和五指山市，而西部的大部分市（縣）農藥投入強度較低，中部的五指山市、西部的樂東縣及東部的瓊海市的農藥投入強度逐年增加。海南省畜禽糞尿排放強度呈下降趨勢，除了白沙縣、瓊中縣、瓊海市、五指山市、保亭縣、三亞市和東方市的畜禽糞尿排放強度處于較低值外，其余大部分市（縣）的畜禽糞尿排放強度也不高，而原本畜禽糞尿排放強度較高的陵水縣和萬寧市也向下降趨勢發展。近年來，海南省十分注重畜禽廢棄物的綜合利用及畜禽規模養殖場糞污集中處理，2018年海南省劃定畜禽養殖禁養區291個，禁養區內需關閉或搬遷的養殖場（小區）785家中已關閉或搬遷480家。與2008年相比，2016年畜禽糞尿排放強度在1.5×104 kg/ha以下的市（縣）增至7個，而畜禽糞尿排放強度在3.0×104 kg/ha以上的市（縣）僅有1個，與陳淼等（2018）研究得出畜禽糞便污染嚴重區域逐年減少的結論一致。

采用空間分布圖可直觀了解海南省各市（縣）化肥投入強度、農藥投入強度及畜禽糞尿排泄強度的分布情況，但由于未采用主要污染物的總氮（TN）、總磷（TP）及化學需氧量（COD）等詳細測算指標（費紅，2013;虞慧怡等，2015）進行分析，因此污染的程度與效果無法深入探究。此外，僅從海南省化肥投入強度、農藥投入強度和畜禽糞尿排放強度的層面研究分析海南省農業面源污染的現狀，考慮到數據獲取及農業面源污染的隨機性，對于農膜殘留、秸稈焚燒和水產養殖等方面的污染情況未進行探究，也是今后有待進一步加強研究的方面。

4 結論

基于GIS技術發現海南省農業面源污染表現出明顯的空間差異，在分析數據與結合海南省實際情況的基礎上，得出各市（縣）化肥、農藥投入強度及畜禽糞尿排泄強度的直觀空間分布圖。農業面源污染物投入、畜禽糞尿排放強度較高的市（縣）主要集中在海南省東部和西部，是由于這些市（縣）的冬季瓜菜和熱帶水果產業發展較好，畜禽養殖具有一定的規模。而中部部分市（縣）由于地理位置的特殊原因，產業發展較慢，化肥投入強度和畜禽糞尿排泄強度較低，故相對其他市（縣）而言其農業面源污染較小。

5 建議

5. 1 建立完善面源污染防治政策體系

對于以種植業和畜禽業發展為主的市（縣），要加強化肥農藥的監管力度，制定農田投入品的使用標準和技術規范，制定農資廢棄物有償回收機制，以此鼓勵農戶積極參與。使用現代信息技術實現農業面源污染源數據采集，掌握面源污染的風險來源，制定相對應的防治措施及政策。

5. 2 專項資金投入

通過政府與農資企業聯合設立面源污染防控專項資金，建立完善農田農資廢棄物回收點，農資廢棄物的無害處理站，以及有償回收的經費保障，保證農業面源污染防治工作持續有效地開展。

5. 3 切合實際發展生態循環農業

推行生態循環農業發展模式，減少農業生產資源的浪費。根據海南省市（縣）區域優勢發展特色產業，促進產業鏈附加值，改變優化傳統農業生產結構，提升農產品品牌效應，找到切合實際的生態循環農業發展模式，保證農業可持續發展。

5. 4 提高農戶農田環境保護意識

農民作為農業生產的最直接主體，其生產行為也與面源污染緊密相連。因此，需要通過新型職業農民培訓和多種渠道宣傳方式，提高農民生產知識和環境保護意識，減少化肥農藥的投入量，真正從源頭上緩解甚至破解農業面源污染的問題。

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（責任編輯 羅 麗）