我國農業面源污染現狀與特征分析

王思如,楊大文,孫金華,唐莉華,王朋杰，盧少勇

(1.清華大學土木水利學院，北京 100084； 2.清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室,北京 100084；3.南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京 210029；4.中國環境科學研究院環境基準與風險評估國家重點實驗室, 北京 100012；5.中國環境科學研究院國家環境保護湖泊污染控制重點實驗室，北京 100012；6.中國環境科學研究院國家環境保護洞庭湖科學觀測研究站,北京 100012)

水污染嚴重影響飲用水、糧食、生態和人居環境的安全[1-2]，成為我國社會經濟可持續發展的瓶頸之一[3]。隨著工業和城市生活點源污染控制措施逐步取得成效，范圍更廣、治理難度更大的農業面源污染(agricultural non-point source pollution， ANP)成為我國水污染的另一重要來源[4-7]。ANP是指農業生產過程中，農田化肥流失、畜禽及水產養殖廢水排放等導致污染物進入水體造成的污染[8-9]。在太湖流域污染負荷中，83%的總氮和84%的總磷來自ANP[10-11]；ANP對洞庭湖總氮和總磷污染貢獻率分別達到61%和80%[12]。因此，掌握我國ANP現狀與特征對指導水資源保護與水環境治理十分必要。

相關研究通常采用Johnes[13]提出的輸出系數法估算ANP排放量。該方法假定單位數量(單位面積)同一污染源的輸出系數相同，相比于考慮流域內污染物形成、運移和轉化過程的機理模型[14]，輸出系數法簡單方便，不依賴大量觀測數據來率定模型參數。當觀測數據有限時，輸出系數法是可行的方法，因此得到了廣泛使用[15-16]。我國針對ANP排放現狀的研究側重于對局部區域的研究[17-20]，在已有少數針對全國的研究中[21-22]，沒有考慮污染物輸出系數在不同區域的差異。此外，國內學者在運用該方法時極少考慮水產養殖污染排放，我國有71.20%的水產品來自于池塘養殖[9]，有必要在計算ANP排放量時考慮水產養殖污染。

本文基于2007年全國第一次污染源普查資料，考慮輸出系數在不同區域的差異性，根據2016年農田種植、畜禽養殖和水產養殖統計數據，計算了2016年我國31個省、自治區、直轄市(以下簡稱省市，港澳臺地區數據缺失)ANP中的總氮、總磷排放量；采用單位面積污染負荷系數和等標污染負荷指數評價了各省、市環境影響程度與污染嚴重程度，分析了ANP的空間特征及不同類型ANP比例，指出ANP的關鍵污染源，并利用SPSS聚類分析識別各省市污染源特征。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究方法

1.1.1污染排放量計算

計算ANP排放量采用改進輸出系數法[23]，即在原輸出系數法基礎上考慮不同類型污染源輸出系數的差異。以省市為計算單元，計算農田種植、畜禽養殖和水產養殖的氮磷排放量。計算公式為

TAL=FL+LL+AL

(1)

其中

FL=10-3Sαf+B

式中：TAL為ANP年總排放量，t；FL為農田種植氮磷污染年排放量，t；LL為畜禽養殖氮磷污染年排放量，t；AL為水產養殖氮磷污染年排放量，t；S為各省市農作物氮磷肥施用折純量，t；αf為農田種植排放/流失系數，g/kg；B為農田種植氮磷基礎流失量，t；i為某種養殖類型序號，如i=1，2，3，4分別為豬、牛、羊、禽；n為畜禽或水產養殖類型數目；Hi為不同畜禽養殖類型牲畜出欄量，萬頭；αli為i類型畜禽養殖氮磷排污系數，kg/(頭·a)；Yi為不同水產養殖類型養殖產量，t；αai為i類型水產養殖氮磷排污系數，g/kg。

假設農田種植基礎流失量隨時間不變，肥料輸出系數等于《第一次污染源普查數據集》(以下簡稱“一普”)肥料輸出量除以相應年份施肥量；不同類型畜禽養殖的污染輸出系數依據文獻[15-16,19,24-44]并結合一普的畜禽養殖污染排放量與相應年份各類型畜禽養殖規模進行修正后確定；水產養殖輸出系數依據一普附件《水產養殖業污染源產排污系數手冊》中現場試驗數據，并根據各省市不同養殖模式比例，綜合考慮該類養殖品種養殖模式可能性，計算其采取某種養殖模式的權重，得到該種類型水產養殖的綜合輸出系數，并根據一普的水產養殖污染排放量與相應年份各類型水產養殖規模對輸出系數進行修正。本文暫不考慮年降雨差異和流域損失對污染輸出系數的影響。計算過程中并未考慮輸出系數隨時間發生變化，可能會對污染排放量存在一定程度的高估[45]。

1.1.2污染程度評價

a.單位面積污染負荷系數法。采用單位面積污染負荷系數評價污染物對某省市的環境影響程度[46]。計算公式為

(2)

其中

式中：K為單位面積污染負荷系數；qi為某省市第i種類型污染的單位面積年排放量，t/km2；Qi為某省市第i種類型污染的年排放量，t；Si為某省市行政面積，km2。

根據K值評價總氮、總磷對各省市環境影響程度[47]：K<60，對環境不構成威脅(Ⅰ級)；60≤K<80，對環境稍有威脅(Ⅱ級)；80≤K<100，對環境構成威脅(Ⅲ級)；K≥100，對環境構成嚴重威脅(Ⅳ級)。

b.等標污染負荷指數法。采用等標污染負荷指數來反映各省市相對污染嚴重程度，即某省市等標污染負荷總量除以其水資源總量[48]，等標污染負荷總量為把污染物全部稀釋到評價標準所需的介質量[49]，表征污染物排放濃度超過某一基準排放標準的程度。計算公式為

(3)

其中

式中:λij為第j種污染源中第i種污染物的等標污染指數；Pij為第j種污染源中第i種污染物的等標污染負荷總量，m3；Wi為該污染物所處省市的水資源總量，m3；Cij為第j種污染源中第i種污染物的年排放量，t；ρi0為GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中第i種污染物的水質標準，mg/L。本文按照水質標準為Ⅲ類進行計算，總氮為1 mg/L，總磷為 0.2 mg/L。

1.1.3污染特征識別

采用SPSS軟件將農田種植、畜禽養殖與水產養殖的氮磷等標污染負荷總量作為輸入，利用分層聚類方法對污染排放特征進行聚類分析。ANP變化的主導因素為對ANP氮磷排放變化貢獻率最大的行業，貢獻率按各行業氮磷排放量值占ANP氮磷總排放量值的百分比進行計算。

1.2 數據來源

我國各省市農林牧漁業總產值數據來源于《中國農業統計資料》；農作物氮肥、磷肥施用折純量和畜禽養殖出欄量均源自《中國農業年鑒》；水產養殖產量數據來自《中國漁業年鑒》；污染輸出系數計算數據來自《第一次全國污染源普查數據集》及其附件《水產養殖業污染源產排污系數手冊》；水資源總量數據來源于各年《中國水資源公報》。

2 ANP排放量及特征分析

2.1 污染排放量

由表1可見，2016年，我國ANP總氮排放量為294.3萬t，其中，農田種植、畜禽養殖、水產養殖排放分別占53.8%、41.9%和4.3%。全國總氮排放量各省市平均值為9.5萬t，高于該值的省市有13個，均位列該年農林牧漁業總產值的前13位，說明地區的ANP總氮排放量與當地農業發展水平直接相關。山東、河南、天津、江蘇4省市的總氮排放強度均高于全國平均值的2倍，表明上述省市在產業發展過程中需更加注重環境承載能力與可持續發展。由表1中各行業總氮排放貢獻率可知，不同省市的ANP總氮排放源差異較大。13個總氮排放量較大的省市中，山東、河北、湖北、江蘇、安徽、廣西、四川7省市由農田種植主導，河南、廣東、湖南、福建、黑龍江、遼寧6省市由畜禽養殖主導，這主要與各省市的農業生產結構有重要關系。

由表1可見，2016年，我國ANP總磷排放量為33.1萬t。其中，農田種植、畜禽養殖、水產養殖排放分別占32.7%、60.1和7.2%。全國ANP總磷排放量各省市平均值為1.1萬t，高于該值的省市有12個，分別是山東、河南、廣東、福建、江蘇、湖北、湖南、河北、遼寧、廣西、四川和安徽。上述省市總氮排放量也高于全國平均值，說明不同省市總磷與總氮排放量排序較為一致(相關系數為0.97)，表明農業發展對氮、磷排放的貢獻同步。此外，除福建外11個省市2016年農林牧漁業總產值均位列全國前12位，說明地區的ANP總磷排放量也與當地的農業發展水平直接相關。山東、河南、天津、江蘇、福建5省市的總磷排放強度均高于全國平均值的2倍，此結論與總氮類似，說明了我國ANP氮磷排放問題的一致性。由表1中的各行業總磷排放貢獻率可知，12個總磷排放量較大的省市中，山東、河南、廣東、福建、江蘇、遼寧等10省市主要來自畜禽養殖，尤其是遼寧省，其畜禽養殖貢獻率占到96%以上，廣西和四川2省主要來自農田種植。

表1 2016年全國各省市ANP排放及各行業貢獻率

2.2 污染程度分析

2.2.1單位面積污染負荷系數分析

根據2016年全國各省市單位面積負荷系數分析結果，除了重慶和北京以外，其余各省市總氮和總磷的分級空間分布基本一致(表2)。東部、中部較西部地區的環境威脅更嚴重，而前者農業開發強度較后者高，導致前者單位面積污染負荷系數(污染程度)更高。氮磷排放量在全國平均值以上的省市中，只有黑龍江和四川對環境不構成威脅，廣西對環境稍有威脅，其余省市均對環境構成嚴重威脅。

表2 2016年全國各省市ANP單位面積污染負荷系數與等標污染負荷指數

2.2.2等標污染負荷指數分析

2016年，全國各省市氮磷等標污染負荷指數與污染排放量的排序結果截然不同，氮磷等標污染負荷指數在各省市間差異很大，且各省市總磷與總氮的等標污染負荷指數排序具有一致性(相關系數為0.97)。對于總氮和總磷等標污染負荷指數，超過全國平均值的有寧夏、山東、天津、河南、河北、山西和遼寧，上述省市均值為其他24個省市均值的10倍以上(表2)。寧夏的氮磷排放量和排放強度均顯著低于全國平均值，其等標污染負荷指數卻均位于全國前五，與其水資源總量小、水環境容量低直接相關。廣東、湖北、湖南、江蘇、福建的氮磷排放量與排放強度均高于全國平均值，其等標污染指數均顯著低于全國平均值，可見豐沛的水資源量對于減輕污染程度具有至關重要的作用。

2.3 污染特征識別

根據污染排放特征聚類分析結果(圖1)，將全國各省市劃分為4類：①農田種植對ANP貢獻占絕對主導的省市，包括貴州、云南和西藏，其農田種植等標污染負荷占比分別為77.0%、84.0%和98.8%；②畜禽養殖對ANP貢獻占絕對主導的省市，包括福建和遼寧，其畜禽養殖等標污染負荷占比分別為69.6%和82.8%；③農田種植和畜禽養殖對ANP貢獻為主要因素，且農田種植占比更大的省市，包括山西、甘肅、新疆、廣西、北京、上海、浙江、河北、重慶、四川、安徽、陜西和海南；④農田種植和畜禽養殖對ANP貢獻為主要因素，且畜禽養殖占比更大的省市，包括山東、河南、吉林、青海、黑龍江、寧夏、湖南、江蘇、江西、內蒙古、廣東、天津、湖北。我國ANP污染源主要是畜禽養殖和農田種植，雖然在各省市污染源占比上不盡相同，但是兩者之和占比大多數超過90%，可見，加強畜禽養殖行業管理與污染治理、生態種植與水土保持等措施對解決我國農業面源污染問題至關重要。

圖1 等標污染負荷量聚類樹形圖

3 ANP排放量變化及特征分析

3.1 污染排放變化分析

2007—2016年，全國ANP總氮排放量增長了23.8萬t，占2007年排放總量的8.8%(表3)。總氮排放增長的省市有26個，其中絕對量增長最大的5個省市依次為福建、黑龍江、湖北、河南和遼寧，增長幅度最大的5個省市依次為福建、寧夏、新疆、黑龍江和內蒙古，排放減幅前5位依次為北京、上海、浙江、河北、山東。總氮排放增長絕對量或幅度位于全國前5位的省市，其農林牧漁業總產值的增幅均超過了100%，說明農業發展水平提升會造成更多總氮排放?？偟欧艤p少的省市中，上海、北京和山東的農林牧漁業總產值增幅不足100%，但浙江和河北的總產值增幅在全國位列前2位，這兩個以農田種植為ANP主要來源的省市在大幅提升農業發展水平的同時能降低總氮排放量，可能是其農業生產技術得以革新，提高了農田氮素利用效率。

表3 2007年至2016年全國各省市ANP排放量變化及其占比情況

2007—2016年，全國有28個省市的ANP總磷排放量出現了增長，有3個省市出現了下降?？傮w上，總磷排放量增長了4.7萬t，相比于2007年的排放總量上升了16.4%(表3)。其中，總磷排放絕對量增長最大的5個省市依次為山東、福建、河南、湖北和遼寧，總磷增幅最大的5個省市依次為福建、新疆、黑龍江、內蒙古和湖北，總磷排放減幅前3位依次為北京、上海、浙江。福建、河南、湖北和遼寧4省市總氮和總磷排放的絕對量增長均位列全國前5位，而福建、新疆、黑龍江和內蒙古4省市的總氮和總磷排放量增幅也位列全國前5位，說明大部分省市農業生產中的總氮和總磷排放量的變化同步。然而，相比于同期總氮排放量的變化，總磷排放增長的省市更多，其中山東和河北雖然總氮排放量下降，但其總磷排放量上升，體現了這兩省農業發展中不同行業發展變化方向的差異性。

3.2 污染排放變化主導因素

根據2007—2016年各行業氮磷排放量變化情況，計算得到導致總氮、總磷排放量變化的主導因素(表4)。農田種植、畜禽養殖和水產養殖變化對總氮排放增長的貢獻率分別為42.5%、44.6%和12.9%。83.8%的省市總氮排放量增長，其中，69.2%的省市由畜禽養殖排污增長主導，23.1%的省市(吉林、陜西、海南、云南、新疆、西藏)由農田種植排污增長主導，其余7.7%的省市(貴州、廣東)由水產養殖排污增長主導。16.2%的省市總氮排放量降低，其中40.0%的省市(山東、河北)由農田種植排污減少主導，60.0%的省市(浙江、北京、上海)由畜禽養殖排污減少主導。農田種植、畜禽養殖和水產養殖對總磷排放增長的貢獻率分別為9.4%、71.7%和18.9%。90.3%的省市總磷排放量增長，其中，67.8%由畜禽養殖排污增長主導，17.9%的省市(陜西、海南、云南、新疆、西藏)由農田種植排污增長主導，其余14.3%(廣東、湖北、貴州、寧夏)由水產養殖排污增長主導。9.7%的省市總磷排放量降低，其中，33.3%(上海)由農田種植排污減少主導，66.7%(浙江、北京)由畜禽養殖排污減少主導。綜上所述，盡管農田種植和水產養殖存在一定影響，2007—2016年影響我國ANP氮磷排放的核心污染源是畜禽養殖，因此，抑制ANP增長應著重考慮削減畜禽養殖污染。

表4 2007年至2016年全國各省市ANP變化主導因素

4 結 語

我國2016年ANP總氮、總磷排放量分別為294.3萬t、33.1萬t，農田種植和畜禽養殖污染是ANP排放的主要來源。ANP排放對我國東部、中部的環境影響較西部地區更嚴重。受各省市的水資源自然稟賦影響，對水資源匱乏的省市而言，雖然ANP排放總量與強度不高，但是水環境污染程度仍然較高。相較于2007年，2016年全國ANP排放的總氮、總磷分別增長了8.8%和16.4%，增長量主要來自畜禽養殖的快速發展。抑制我國ANP增長，應加強對畜禽養殖的管理，尤其是東部與中部地區的畜禽養殖管理。