農業(yè)面源污染負荷估算及控制對策研究

臧夢圓，李穎

(山東農業(yè)大學經(jīng)濟管理學院(商學院)，山東 泰安 271018)

農業(yè)面源污染已經(jīng)成為破壞生態(tài)環(huán)境不可忽視的問題，其破壞機理主要是在農業(yè)生產過程中，化肥、農藥及其它有機或無機物等污染源, 在降水或灌溉過程中通過農田地表徑流、農田排水和地下滲漏產生的各種污染物分散地在生物圈層內擴散[1]。由于其污染廣闊性和不確定性，在世界范圍內對生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)和人類生活的健康保障造成嚴重危害[1]。 在我國，對農業(yè)面源污染的防控已經(jīng)成為繼點源污染防控之后的又一個重要防控點，各級政府已將防控農業(yè)面源污染問題提到日事議程。

農業(yè)面源污染問題，自20世紀60年代就引起了世界各國學者的重視，研究主要集中在各流域的農業(yè)面源污染負荷估算、方法改進以及污染管控上[2]。德國和菲律賓采用改進后的模型，更好地估測農業(yè)面源污染負荷，為政府制定政策提供依據(jù)[3，4]。土耳其運用遙感、GIS等技術，評估農業(yè)面源污染對濱海流域的破壞[5]。在我國，自20世紀80年代起就有研究者對農業(yè)面源污染開始估算和評價[6]，重點對太湖流域[7]、湘西流域[8]、三峽庫區(qū)[9，10]、丹江口流域[11]等地的農業(yè)面源污染進行了估測。估測模型主要有輸出系數(shù)模型、模糊兩階段隨機模型、多尺度空間優(yōu)化模型等，研究的領域也不斷拓展。對于影響農業(yè)面源污染的因素和估算方法，張智奎[12]、錢秀紅[13]等對各污染源的排污標準和排污系數(shù)進行了評價界定；彭里[14]、周媛媛[15]等針對畜禽排污量估算方法和區(qū)域分布進行了研究；錢曉雍等[16]通過等標污染負荷法，對不同農業(yè)面源污染來源產生的污染物排放量及其貢獻率進行了評價闡述。葉春等[17]利用GIS技術對化肥和農藥施用所造成的污染進行時空分布研究。從已有文獻中可以看出，對于農業(yè)面源污染物的估算，大多應用面源污染輸出系數(shù)模型，根據(jù)現(xiàn)有的統(tǒng)計數(shù)據(jù)描述流域內的產污過程。

在研究地區(qū)的選擇方面，威海市作為山東省唯一的全國“無廢城市”建設試點城市，具有農業(yè)面源污染治理的示范作用。 2018年6月12日，習近平總書記視察威海，提出了“威海要向精致城市方向發(fā)展”的殷切囑托。兩年多來，威海市把總書記的囑托作為總目標，積極推進“精致城市·幸福威海”建設，加快營造生態(tài)宜居空間。基于此，本文選定山東省威海市作為研究對象，從農林牧副漁大農業(yè)的角度，針對當前農業(yè)面源污染物排放量和強度等問題進行分析，采用面源污染輸出系數(shù)模型對污染源產生的化學需氧量、總氮、總磷進行負荷估算，以期為之后農業(yè)面源污染治理提供科學依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究方法

1.1.1 農業(yè)面源污染負荷估算基礎模型的選取 Johns輸出系數(shù)模型在農業(yè)面源污染負荷的估算中有其獨特的價值[18]。本研究采用該模型作為基礎模型[19]，具體估算公式如下：

(1)農作物秸稈污染源排放量指標，用農作物秸稈排放量來表示，即農作物秸稈排放量=作物產量×折算系數(shù)×(1-秸稈利用率)×污染物平均含量×入河系數(shù)。

(2)禽畜養(yǎng)殖污染源排放量指標，用畜禽養(yǎng)殖排污量來表示，即畜禽排污量=出欄數(shù)×排泄系數(shù)×污染物平均含量×(1-畜禽糞尿利用率)×入河系數(shù)。

(3)農村居民生活污染源排放量指標，用生活污染排放量來表示，即人糞尿、生活污水和生活垃圾三種排污量的總和。人糞尿排污量=鄉(xiāng)村人口×每人每年產污量×(1-糞尿處理率)×入河系數(shù)；生活污水排污量=鄉(xiāng)村人口×每人每年產污量×(1-生活污水處理率)×入河系數(shù)；生活垃圾排污量=鄉(xiāng)村人口×每人每年產污量×(1-生活垃圾處理率)×入河系數(shù)。

(4)水產養(yǎng)殖污染源排放量指標，用淡水養(yǎng)殖排放量來表示，即水產養(yǎng)殖排污量=淡水養(yǎng)殖面積×排污系數(shù)×入河系數(shù)。

(5)化肥污染源排放量指標，用氮肥和磷肥排放量來表示。即氮肥排放量=(氮肥+磷肥×0.185+復合肥×0.325)×0.7×20%；磷肥排放量=(磷肥+復合肥×0.514)×43.66%×0.89×15%。需要說明的是，由于化肥對土壤的影響主要是總氮(TN)、總磷(TP)的排放量，根據(jù)對氮肥和磷肥流失的定點試驗研究[20]，復合肥氮∶磷(P2O5)的養(yǎng)分比取0.325∶0.514，磷肥折純量需乘以系數(shù)43.66%才可得TP量[21]。

1.1.2 農業(yè)面源污染等標排放量測算 為了消除各種污染物排放標準不統(tǒng)一導致無法衡量污染程度的矛盾，采用了等標負荷法，即對實物排放量，按照GB3838—2002中的Ⅲ類標準，計算出等標排放量。公式如下：

(1)

其中Qi為i污染物的排放量(t·a-1)；Si為評價標準。化學需氧量COD取值為20 mg·L-1，TN取值為1 mg·L-1，TP取值為0.2 mg·L-1[22]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

威海是山東省地級市，面積5 798 km2，海岸線長986 km，2019年常住人口283.6×104人。轄環(huán)翠區(qū)、文登區(qū)、榮成市、乳山市，設有高新技術產業(yè)開發(fā)區(qū)(高技區(qū))、經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)(經(jīng)技區(qū))、臨港經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)三個國家級開發(fā)區(qū)。擁有耕地面積19.37×104hm2。2019年實現(xiàn)農林牧漁業(yè)及輔助性活動總產值528.4×104萬元，糧食產量57.97×104t，水果產量117.12×104t，肉類總產量19.08×104t，水產品總產量269.97×104t。

本文選取2019年為研究年，以威海市所轄區(qū)市為基本單元。鄉(xiāng)村人口、主要農作物產量、化肥、畜禽養(yǎng)殖和淡水養(yǎng)殖等方面的基礎數(shù)據(jù)來自威海統(tǒng)計年鑒和農業(yè)統(tǒng)計報表。

1.3 污染源和污染物的選取

農業(yè)面源污染主要是造成水體富營養(yǎng)化，其貢獻率大大超過來自城市生活污水的點源污染和工業(yè)的點源污染[23]。本文重點研究農業(yè)生產和農村居民生活造成的農業(yè)面源污染。從這個角度考慮，選取農作物秸稈、畜禽糞便、生活排污、水產養(yǎng)殖和化肥施用五類污染源作為估算對象。考慮數(shù)據(jù)的可獲取性，重點分析COD、TN、TP三種污染物，其中TN、TP作為水體富營養(yǎng)物質。具體估算分類是：農作物秸稈污染估算選取小麥、玉米、豆類、薯類和花生的秸稈產量，根據(jù)其養(yǎng)分含量和流失系數(shù)估算三種污染物的排放量；畜禽養(yǎng)殖污染選取豬、牛、羊、家禽的年出欄數(shù)，根據(jù)其年排污系數(shù)，估算出三種污染物排放量；農村生活污染主要依據(jù)農村人口的人均排污系數(shù)分別估算人糞尿、生活污水和生活垃圾產生的三種污染物排放量；淡水養(yǎng)殖污染以養(yǎng)殖面積和單位面積的產污量估算三種污染物排放量；化肥用量主要選取氮肥、磷肥和復合肥折純施用量，依據(jù)養(yǎng)分含量、流失污染系數(shù)估算三種污染物排放量。以上均來自《威海統(tǒng)計年鑒》2019年數(shù)據(jù)。

1.4 輸出系數(shù)的選取

輸出系數(shù)主要指排污系數(shù)和入河系數(shù)。由于農業(yè)面源污染受到污染來源和污染排放方式的影響很大，迄今還沒有統(tǒng)一的排污系數(shù)和入河系數(shù)[24]。Johns曾在輸出系數(shù)模型中綜合考慮了不同土地利用類型、畜禽養(yǎng)殖數(shù)量的空間分布狀況、農村居民的生活污水和生活垃圾排放及處理水平等不同污染源類型的輸出系數(shù)，建立了更加完備的農業(yè)面源污染輸出系數(shù)模型，減少了估算的參數(shù)量，更簡便、更精確[21]。本研究結合當?shù)貙嶋H，參考有關文獻[13，21，25，26]，確定了農作物秸稈、畜禽養(yǎng)殖、水產養(yǎng)殖、農村居民生活、化肥施用量5個類別污染源的輸出系數(shù)。

(1)農作物秸稈污染系數(shù)。威海市主要農作物有小麥、玉米、薯類、花生、豆類。農作物產量折算系數(shù)[25]和入河系數(shù)[13]見表1。

表1 農作物產量折算系數(shù)和入河系數(shù)

(2)畜禽養(yǎng)殖污染系數(shù)。本研究選取國家環(huán)保部規(guī)定的畜禽養(yǎng)殖污染系數(shù)，如表2所示。畜禽糞便中污染物平均含量則來源于南京環(huán)境科學研究所測定的太湖流域畜禽糞便污染研究結果，入河系數(shù)值取0.65。

表2 畜禽養(yǎng)殖污染系數(shù)

(3)農村居民生活污染系數(shù)。考慮當?shù)貙嶋H，參考有關文獻，確定了人糞尿、生活污水、生活垃圾的有關系數(shù)[13]，見表3。

表3 農村居民生活人均排污系數(shù)和入河系數(shù)

(4)水產養(yǎng)殖污染系數(shù)。水產養(yǎng)殖污染物主要是淡水養(yǎng)殖形成的，在確定污染物排放系數(shù)時以淡水養(yǎng)殖的魚類為準，排污系數(shù)COD 745 kg·t-1，TN 101 kg·t-1，TP 11 kg·t-1[13]，入河系數(shù)值取1[24]。

(5)化肥污染系數(shù)。據(jù)有關調查研究，化肥利用率較低，大約只有30%～40%，而且農業(yè)肥料中氮肥利用率只有30%左右，磷肥利用率只有11%，其他部分都隨著地表徑流和滲漏等作用而流失掉[21]。基于此，本研究中氮肥流失系數(shù)取0.70，磷肥流失系數(shù)取0.89。對于入河系數(shù)，氮肥取0.20，磷肥取0.15[21]。

2 結果與分析

2.1 全市農業(yè)面源污染物實物排放量

根據(jù)公式計算得到2019年威海市農業(yè)面源污染物實物排放量2.18×104t，其中COD 1.07×104t、TN 0.83×104t、TP 0.28×104t，分別占49.0%、38.3%和12.7%。從污染源結構來看(表4)，5種污染源實物排放量最多的是畜禽養(yǎng)殖，實物排放量0.96×104t，占總量的44.3%，其中，COD 0.73×104t、TN 0.16×104t、TP 0.08×104t，分別占33.7%、7.1%和3.5%。其次是化肥，實物排放量0.82×104t，占總量的37.8%，其中TN 0.63×104t、TP 0.19×104t，分別占28.9%和8.9%。實物排放量最小的是農作物秸稈，僅占0.1%。5種污染源實物排放量大小的順序是：畜禽養(yǎng)殖>化肥>淡水養(yǎng)殖>生活>農作物秸稈。

2.2 全市農業(yè)面源污染等標排放量

根據(jù)公式計算得到2019年威海農業(yè)面源污染等標排放量為2.27×1010m3，COD 0.05×1010m3、TN 0.83×1010m3、TP 1.38×1010m3。如表5所示，排放量最多的是化肥，等標排放量為1.6×1010m3，占70.5%，其中TN 0.63×1010m3、TP 0.97×1010m3，分別占27.74%和42.80%。其次是畜禽養(yǎng)殖，等標排放量0.57×1010m3，占25.2%，其中COD 0.04×1010m3、TN 0.16×1010m3、TP 0.38×1010m3，分別占1.62%、6.83%和16.72%。從污染物等標負荷比看，等標排放量中的TP指標排污量占據(jù)比較高的比重，達到60.95%。5種污染源等標排放負荷比的高低順序是：化肥>畜禽養(yǎng)殖>淡水養(yǎng)殖>生活污染>農作物秸稈。

表4 威海市農業(yè)面源污染5種類別污染源實物排放量 (t)

畜禽養(yǎng)殖和化肥實物排放量達到了全市實物排放量的82.1%(表1)，等標排放量占比更高，達到95.71%，這表明，化肥施用和畜禽養(yǎng)殖是威海市農業(yè)面源污染的主要來源。而農作物秸稈、淡水養(yǎng)殖和生活污染排放量僅占實物排放量的17.90%，占等標排放量的4.29%。

表5 農業(yè)面源污染等標排放量

2.3 對估算結果的分析

從以上估測結果來看，化肥施用和畜禽養(yǎng)殖是威海市農業(yè)面源污染的主要來源。威海市的化肥施用主要來自果樹種植。威海是水果之鄉(xiāng)，2019年水果產量達到117.12×104t，水果生產單位面積平均化肥施用量高于糧食；據(jù)威海市統(tǒng)計局調查，果園每666.7m2化肥施用量90～100 kg，糧食70～75 kg，按復種計算，糧食每666.7m2化肥施用量55～60 kg；但從9年間化肥施用量的趨勢上看，化肥施用量是逐年下降的。畜禽養(yǎng)殖方面，隨著生活質量的提高，城鄉(xiāng)居民對畜禽動物產品的攝入量不斷增加，也帶動養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，豬、家禽年出欄量不斷增加，尤其是家禽出欄量，9年間增長了1.4倍，由此也帶動威海市畜禽污染物排放量的增加。

農作物秸稈的污染排放量相對最小，這主要是由于隨著農業(yè)現(xiàn)代化的快速推進，多種經(jīng)營成為農民增收的方向，種植糧食不再是農民增加收入的唯一選擇，由此也形成糧油農作物播種面積逐年減少、秸稈產量逐年降低趨勢。再加上近年來威海進入精致城市建設階段，成為全國“無廢城市”試點城市，對農業(yè)廢棄物的治理力度不斷加大，農作物秸稈利用率達到96%，農作物污染物的排放量逐年減少成為必然趨勢。

3 結論與建議

3.1 結論

2019年威海市農業(yè)面源污染物實物排放量2.18×104t，COD、TN、TP分別為1.07×104、0.83×104、0.28×104t；等標排放量2.27×1010m3，相對應的COD、TN、TP分別為0.05×1010、0.83×1010、1.38×1010m3。畜禽養(yǎng)殖和化肥排放量占比達82.1%，等標排放量占比更高，達到95.71%，這表明，化肥施用和畜禽養(yǎng)殖是威海市農業(yè)面源污染的主要來源。畜禽養(yǎng)殖量的增加，在滿足人民生活需要的同時，也帶來了污染物的增加。

3.2 對策建議

農業(yè)面源污染物的產生是伴隨著農業(yè)生產發(fā)展而來的，對農業(yè)面源污染治理需要在農業(yè)生產的初始端上下功夫,在源頭上促進污染源減量。對于排放量大的區(qū)域要采取科學規(guī)劃，從技術上制定措施。在治理上要與整體農村經(jīng)濟的晉檔升級共同推進，真正達到農業(yè)面源污染的減量化治理。強化宣傳，建全農業(yè)面源污染治理體制機制，加強科技研發(fā)投入，鼓勵企業(yè)參入治理。對主要污染來源化肥施用和畜禽養(yǎng)殖，要做到重點防控。

(1)嚴格執(zhí)行化肥質量標準，強化測土配方施肥技術應用，及時發(fā)布施肥配方，擴大配方施肥應用面積，減少化肥濫施濫用。加大機械施肥、葉面施肥、滴灌、噴灌等科學施肥方式的推廣和使用。推廣綠色增產的新型肥料，如生物肥、緩釋肥、水溶肥等，實施水肥一體化。努力拓展秸稈肥料化、飼料化、能源化、基料化、原料化利用渠道，構建秸稈綜合利用長效機制，努力提高農業(yè)廢棄物資源利用率，將化肥減量使用與秸稈循環(huán)利用相結合。

(2)統(tǒng)籌考慮區(qū)域環(huán)境承載能力，優(yōu)化調整畜禽養(yǎng)殖布局，發(fā)展種養(yǎng)結合的生態(tài)循環(huán)養(yǎng)殖場建設。在空間布局上要合理規(guī)劃畜牧養(yǎng)殖規(guī)模，防止由于養(yǎng)殖過于集中造成單體區(qū)域的環(huán)境污染。盡量在選址上與種植業(yè)結合，積極推廣“養(yǎng)殖—糞污利用—種植”、“豬—沼—果”等生態(tài)農牧業(yè)發(fā)展模式，加快推進畜禽糞污資源化利用。鼓勵和引導第三方處理企業(yè)對養(yǎng)殖場戶畜禽糞污進行專業(yè)化集中處理。禽畜糞便通過無害化處理，產生有機肥，一舉兩得，還可以減少化肥的使用。由此導致的肥料生產成本提高，可以通過資金補貼或其他優(yōu)惠政策，扶助其發(fā)展。

(3)全面清理飲用水水源地網(wǎng)箱網(wǎng)圍養(yǎng)殖，探索水產養(yǎng)殖容量控制制度，嚴控河流水庫投餌性網(wǎng)箱養(yǎng)殖，嚴格控制餌料投放和魚藥使用量。此外，加快農村基礎設施建設，實行城鄉(xiāng)垃圾污水一體化管理。統(tǒng)籌考慮生活垃圾和農業(yè)廢棄物利用、處理，建立健全符合農村實際、方式多樣的生活垃圾收運處置體系。推進城市污水管網(wǎng)向農村延伸，以區(qū)市為單位，實行農村生活污水處理統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一建設、統(tǒng)一管理，轉變農村居民的生產和生活方式，節(jié)約用水，避免生活垃圾亂丟、亂放。