沙潁河河南段農村面源污染負荷特征與解析

李艷鴿 吳用 孫馳

摘 要：為了準確評估沙潁河上游河南省鄭州、平頂山、許昌、漯河和周口5地市區域內的農村面源污染負荷，采用輸出系數法，以總氮（TN）、總磷（TP）為指標計算了農業種植業、畜禽養殖業、農村生活3類農村面源污染排放量和貢獻率，分析了TN、TP污染負荷的時空分布特征;并以種植面積、糧食需求和污染負荷控制為約束條件構建了區域內農業種植業結構優化模型。結果表明，沙潁河上游河南五地市2009—2018年，TN、TP污染負荷量呈減少趨勢，且十年內分別減少2萬t和0.3萬t。5地市的3類農村面源污染中，TN負荷量貢獻率：農業種植>農村生活>畜禽養殖，TP負荷量貢獻率：農業種植>畜禽養殖>農村生活，其中周口市貢獻率最大。農業種植業優化結果顯示，規劃末期糧食作物播種面積增加5.93萬hm2，經濟作物播種面積增加2.50萬hm2，TP排放負荷約束是經濟作物種植規模增長的主要限制因素。研究結果可為區域內的農村面源污染的防控和治理提供科學依據。

關鍵詞：沙潁河流域;農村面源污染;輸出系數法;時空變化;種植結構

中圖分類號 F327 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2022）11-0143-07

Characteristics and Analysis of Rural Non-point Source Pollution Load in Henan Section of the Shaying River

LI Yan′ge1? ?WU Yong1? ?SUN Chi2

（1College of Resources and Environment， Henan Agricultural University， Zhengzhou 450002， China; 2Civil Engineering College， Zhengzhou University of Technology， Zhengzhou 450044， China）

Abstract： In order to accurately assess the rural non-point source pollution load in the five cities of Zhengzhou， Pingdingshan， Xuchang， Luohe and Zhoukou in Henan Province， in the upper reaches of the Shaying River， this paper adopted the output coefficient method to calculate emissions and contribution rate of the total nitrogen （TN） and total phosphorus （TP） from three types of rural non-point source pollution： agricultural planting， livestock and poultry breeding，and rural life，and analyze the temporal and spatial distribution characteristics of TN and TP pollution loads. Meanwhile， with the planting area， food demand and pollution load control as constraints， a regional agricultural planting industry structure optimization model was constructed. The results showed that the pollution load of TN and TP showed a decreasing trend from 2009 to 2018， and the pollution load was reduced by 20，000 tons and 3，000 tons respectively. Among the three types of rural non-point source pollution， the contribution rate of TN load from high to low is： agricultural planting， rural life， livestock and poultry breeding. And the contribution rate of TP load from high to low is： agricultural planting，livestock and poultry breeding，rural life. Zhoukou City had the largest contribution rate. The optimization results of the agricultural planting industry showed that the sown area of grain crops increased by 59，300hm2， and the cash crops increased by 25，000hm2. TP emission load restriction was the main factor in the growth of economic crop planting scale. The research results can provide basic support and guiding significance for the prevention， control and governance of rural non-point source pollution in the region.

Key words： Shaying River Basin; Rural non-point source pollution; Output coefficient method; Temporal and spatial changes; Planting structure

面源污染的治理和防控研究目前仍是水體污染研究的重點，其中農業面源是研究中的重點和難點。《2018年淮河水資源公報》指出[1]，淮河流域河南省污廢水入河排放量為20.99億t，其中化學需氧量（COD）入河排放量為8.49萬t，氨氮入河排放量為0.81萬t，排污量位于淮河流域4省市之首。淮河水質處于輕污染狀態，水質條件未達到《全國水資源保護規劃（2016—2030年）》規定的目標，水環境保護壓力大。有研究表明，水體環境的惡化是經濟發展的主要限制因素，農業面源污染作為水體環境污染的主要來源，科學的防治和治理是保障區域資源環境與社會經濟可持續發展的有效途徑。當前我國已經從環境破壞型經濟發展模式向環境友好型經濟發展模式轉變，水污染的治理遵循著“減負”—“增能”的治理理念。因此，從面源污染的源頭治理出發，研究流域內氮磷面源污染流失的時空特征，探索污染總量約束下的農業發展模式對面源污染防控具有重要意義。

淮河流域作為我國糧食主產區之一，區域內產業結構特征和水環境污染問題相對復雜。沙潁河作為淮河最大的支流，其上游河南段流經5個主要地市包括有以工業服務業為主的省會城市鄭州市，以工業為主的漯河市、許昌市和平頂山市和以農牧為主的周口市[2]。區域內5個地市經濟社會發展水平上的差異，影響著農業面源污染的排放種類及負荷。厘清5地市農業面源污染的分布特征可為區域內面源污染的防治提供依據。

面源污染核算方法中，Johns提出的輸出系數模型是較常用的方法之一，其優點是所需參數少，操作簡便且具有一定的精度，在大尺度區域面源污染負荷的研究中有較強的優越性。對于不同區域尺度，國外Malve等通過輸出系數模型估算了整個歐洲的生化需氧量（BOD）、TN和TP，評估結果與其他估算模型評估結果相近[3];Delkash等在德黑蘭Kan流域對比了輸出系數模型和SWAT模型的污染負荷估算結果，證明輸出系數模型在缺資料區有更好的精度和適用性[4]。國內劉亞瓊等利用輸出系數模型對北京市農業面源污染負荷進行了估算[5];胡正等利用綜合考慮降雨和地形的影響，用改進的輸出系數模型對渠縣境內流域農業面源污染進行了估算[6]。國內外相關的研究成果均已得到較好的驗證，該模型具有較好的適用性。綜上，擬采用輸出系數法評估沙潁河流域上游河南段排污負荷的變化規律，識別主要污染貢獻源，并以經濟環境友好型為目標，優化求解科學的農業經濟發展模式，為淮河水污染治理提供科學合理的“減負”方案。

1 材料與方法

1.1 研究區概況 研究區選擇位于沙潁河上游的河南省鄭州、平頂山、許昌、漯河和周口5個地市。該區域屬暖溫帶、濕潤—半濕潤季風氣候，由南向北年平均氣溫為10.5～16.7℃，年均日照時間1285.7～2292.9h，全年無霜期201～285d，多年平均降水量760mm，降雨量以6—8月最多，雨熱同期，與農作物需水高峰期一致，充足的光、熱、水資源和肥沃的土地使得該區域成為沙潁河流域重要的產糧基地[7]。

2009—2018年，沙潁河上游河南5個地市經濟社會快速發展，人口總人數由2977萬人增加到3275萬人，作物播種面積由372.00萬hm2增加到378.25萬hm2，有效灌溉面積增加至138.72萬hm2，糧食產量持續增長由原來1517.84萬t增加到1766.10萬t，豬肉產量由125.95萬t增加到146.47萬t。第一產業生產總值由416.30億元增加到1016.08億元，其中農業種植業增值最大，為652.31億元，其次是牧業，增值330.41億元。經濟社會的快速發展，致使區域內水環境壓力不斷增大。

1.2 研究方法

1.2.1 農業面源污染負荷估算 數學模型是研究面源污染的重要手段。Johnes等結合實際應用，在早期輸出系數模型的基礎上，綜合考慮了土地利用類型、牲畜數量及分布狀況、農村居民的面源污染物排放和處理水平等因素，改進后的模型很大程度上豐富了輸出系數模型的內容，提高了模型對土地利用狀況變化的靈敏性[8]。運用改進后的模型能充分利用相對容易得到的統計資料建立土地利用類型、畜禽養殖種類及規模和人口數量與受納水體非點源污染負荷的關系，是缺乏長系列面源污染監測資料地區污染物負荷量估算的有效方法[9-11]。選擇TN和TP 2個污染物指標，對沙潁河上游河南省內5個地市歷年的農村面源污染物負荷排放量進行估算，表達式為：

[L=i=1nEiAi+P] （1）

式中：L為營養物的流失量（kg·a-1）;Ei為營養源i的輸出系數（kg·hm-2·a-1，kg·萬人-1·a-1，kg·萬頭-1·a-1）;Ai為土地利用類型i的面積（hm2）或者畜禽養殖類型i的數量（萬頭）或者人口數量（萬人）;p為來自降雨的營養物輸入（kg·a-1），文中不考慮該因素。

1.2.1.1 數據獲取 從2009—2018年《河南省統計年鑒》中整理了5地市相關統計數據，包括農作物播種面積、果園面積、新增林地面積、畜禽養殖數量和農村人口數。其中由于園地中果園面積占比達90%以上，因此以果園面積代替園地面積。林地僅考慮當年新增林地帶來的污染，相關統計數據見表1。

1.2.1.2 系數的確定 農村面源污染源主要分為三大類：農業種植業、畜禽養殖業和農村生活污染，其中農業種植業污染以耕地、園地、林地3類農業用地計算;畜禽養殖業以豬、牛、羊和家禽4類計算;農村生活污染以農村居民數量為計算依據。

鑒于河南省沒有輸出系數的實測數據，農業種植業三大土地類型的輸出系數參考劉增進等人的相關研究成果，并結合區域已有研究基礎進行確定[12]。畜禽養殖和農村生活兩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[13]，其中畜禽養殖業的TN和TP輸出系數分別取為各自排泄系數的10%，詳情見表2。

1.2.2 農業種植業結構優化模型 源頭控制是面源污染有效治理的方式之一，為進一步探究有效的農業面源污染控制方法，減少污染物排放量，促進生態系統的協調穩定發展，文章通過農業種植結構優化尋求突破點。依據區域種植業面源污染限制排放總量、農作物產量需求、土地面積、種植比例等為約束條件，將農業面源污染排放總量合理的分配到各種農作物的種植規模上，對農業種植業結構進行優化，以實現農業經濟發展和農業面源污染控制的雙重目標[14]。借鑒肖新成[15]等人在三峽庫區種植業結構調整的方法，構建農業種植結構優化模型。

1.2.2.1 目標函數的建立 以地區農業種植業收益最大化為目標建立目標函數，表達式如下：

[maxE（X）i=1nNiXi] （2）

Ni為第i種農作物單位面積的現金收益，Xi為第i種農作物播種面積。

糧食作物以小麥和玉米為主;經濟作物中，近10年來五市蔬菜播種面積占全域經濟作物播種總面積的50%以上，因此經濟作物以蔬菜為主。目標函數中，糧食作物單位面積現金收益取河南省小麥、玉米單位面積現金收益平均值;蔬菜單位面積現金收益取取河南省主要蔬菜單位面積現金收益平均值，數據來源于《全國農產品成本收益匯編2019》。

1.2.2.2 約束條件 根據河南省主體功能定位和“十三五”規劃要求，以種植總面積、糧食保有量和污染物排放控制總量作為約束條件。

（1）種植總面積約束：

X1+X2=耕地面積×復種指數 （3）

河南省大田糧食作物種植方式以小麥—玉米輪作為主，X1為糧食作物播種面積，X2為蔬菜作物播種面積，單位為萬hm2。結合河南省“十三五”規劃，2020年河南省全省耕地面積為802.33萬hm2，其中五市多年平均耕地面積占全省耕地比例24.88%，經計算2020年五市耕地面積為199.62萬hm2，平均復種指數為1.86。

（2）糧食保有量約束：

X1×糧食單產≥糧食保有量 （4）

規劃指出2020年河南省糧食綜合生產能力達到6500萬t，2016—2018年5個市糧食綜合產量占全省的26.03%，計算可得5地市2020年糧食保有量為1692萬t。從糧食單產數據分析，近年來5個市糧食單產穩步攀升，但變化幅度不大，以2018年5個市的平均糧食單產作為2020年5地市糧食單產。

（3）污染物排放控制總量約束：

近年來區域內經濟作物的種植面積呈現逐年增大的趨勢，高水高肥作物種植面積的增加使得區域內農業種植業的N、P污染排放負荷近年一直處于增加趨勢。以糧食作物和蔬菜作物種植規模的角度出發，參照陳敏鵬[16]等人的清單系數法，構建TN、TP污染排放控制的約束條件，表達式如下：

[x1EUN1（1-ηN1）cN1+x2EUN2（1-ηN2）cN2] ≤TN控制

目標 （5）

[x1EUP1（1-ηP1）cP1+x2EUP2（1-ηP2）cP2]≤TP控制

目標 （6）

[EUN1]，[EUN2]為單位面積糧食作物和蔬菜作物氮肥施用總量，[EUP1]，[EUp2]為單位面積糧食作物和蔬菜作物磷肥施用總量;[ηN1]，[ηN2]為糧食作物和蔬菜作物的氮肥利用率，[ηP1]，[ηP2]為糧食作物和蔬菜作物的磷肥利用率;[CN1]，[CN2]為糧食作物和蔬菜作物氮肥的流失系數，[CP1]，[CP2]為糧食作物和蔬菜作物磷肥的流失系數。

TN和TP污染物排放控制目標以2015年為基準年，根據單位面積的化肥施用量和現狀水平的化肥利用率計算得TN和TP排放控制目標分別為1.81和0.15萬t。規劃指出單位面積施肥量零增加，因此[ENUi]和[EUPi]通過查閱基準年2015年統計年鑒得到;化肥利用率（η）通過查閱相關文獻確定，其中河南省設施蔬菜種植面積只占蔬菜種植總面積的16.83%，因此文中的蔬菜作物的化肥利用率參考的是露天蔬菜地[17-20]。化肥徑流流失系數（c）參考朱梅等人[21]以及《第一次全國污染源普查：農業污染源肥料流失系數手冊》的相關研究成果，相關參數取值具體如表3。

2 結果與分析

2.1 沙潁河上游五地市TN、TP污染物負荷量變化規律 通過計算分析（圖1）可知，2009—2018年研究區域內TN、TP污染負荷量呈減少趨勢，TN排放量由2009年12.5萬t下降到10.5萬t，TP排放量由1.6萬t下降到1.3萬t。從N、P污染物產污途徑分析，通過對各因素進行灰色關聯度分析，牛、園地、農村人口的數量與等標污染負荷總量的關聯度最大（表5），說明區域內TN、TP等標污染負荷的變化與牛、園地、農村人口的數量關系密切。畜禽養殖規模的降低和農村人口規模的減少是N、P負荷減少的2個主要因素，其次是園地面積的減少能有效的降低氮磷排放負荷量。分析變化趨勢中的突變點發現，2016年TN和TP大幅度減少的原因是5地市中牛的數量和種植面積大規模的減少，其中養殖規模數量減少41.44萬頭，播種面積減少約3萬hm2。而2018年TN負荷量略微增加，主要是由于5個市播種面積增加了12.37萬hm2，其中許昌增加了6.57萬hm2，周口增加了4.55萬hm2。從年際變化分析可知沙潁河上游五地市農業面源污染的排放量大小主要與牛的養殖規模、農作物播種面積和農村人口密切相關。

2.2 TN、TP負荷量時空分布特征分析 將五地市年TN、TP產污負荷量與轄區面積相比，分析五地市年單位面積的TN、TP負荷量時空分布特征，如圖2（a～f）。TN、TP污染物排放量在空間分布上呈現一致性，即鄭州、平頂山農業面源污染排放量最小，許昌、漯河居中，周口排放量最大。說明該區域在農業面源污染TN、TP污染物防治和治理過程中，周口市、漯河市和許昌市是重點防治地市。從時間變化上，鄭州、平頂山和許昌農業面源污TN、TP排放量呈明顯減少趨勢，周口和漯河不明顯，反映出周口和漯河兩市仍需加大N、P面源污染防治力度。

通過統計分析近年農村面源污染類型占比情況，3種污染類型農業種植，畜禽養殖和農村生活造成的污染負荷比重在各市表現不同，但總體呈現一致的規律。3種污染源類型TN負荷量貢獻率的大小順序為：農業種植>農村生活>畜禽養殖，TP負荷量貢獻率的大小順序為：農業種植>畜禽養殖>農村生活，見表6。因此，為了有效的控制該地區流域氮磷的排放，農業種植仍是需要重點防治的對象。

2.3 農業種植結構與污染負荷相關性分析 農業種植業N、P污染的主要來源是糧食作物和經濟作物種植過程中化肥的過量施用和流失。而在以往的研究中發現，單位面積經濟作物N、P流失量要大于單位面積糧食作物。通過分析2009—2018年五地市的糧經比（糧食播種面積/經濟作物播種面積）與污染物負荷的年變化關系可以分析出，沙潁河上游5地市糧經比與污染總負荷呈相反變化趨勢，兩者相關關系為0.91以上，R2值達0.88，即糧經比比值越大污染總負荷越小（如圖3），亦說明控制經濟類作物的種植規模是該地區農業種植業面源污染防控治理的有效路徑。然而現階段農民在實際的生產活動中更傾向種植經濟效益較高的經濟作物，以獲得更高的經濟收入。因此，在該地區農業面源污染防治和治理中，需適當考慮2種作物種植結構的優化平衡。

通過種植結構優化計算，規劃末年2020年糧食播種面積為278.68萬hm2，經濟作物播種面積為92.61萬hm2，面積優化結果符合實際，經濟效益達到829.76萬億元。其中糧食作物播種面積相比2015年基準年增加5.93萬hm2，經濟作物播種面積增加2.50萬hm2。僅從目標函數看，經濟作物種植規模的增長小于糧食作物種植規模不符合經濟效益最大的目標。對比優化結果發現，約束經濟作物播種面積增加的原因是污染排放控制目標中TP污染負荷排放超標。相比于糧食作物，經濟作物化肥利用率低，污染排放負荷高。因此，較低的化肥利用率水平是農業面源污染負荷排放超標的主要原因，也是限制地區經濟發展的主要因素。在未來農業發展過程中，采用的增加有機肥配比和測土配方科學施肥等方式是提高化肥利用率的有效途徑。另外提高設施蔬菜種植規模的占比，增強水肥高效一體化管理也能有效提高蔬菜作物的化肥利用率，從而進一步擴大農業種植規模和經濟作物面積的占比，滿足農民最大化效益目標。同理在種植規模穩定不變的條件下，提高化肥利用率則是源頭控制面源污染排放的關鍵手段。

3 討論

研究區2009—2018年TN、TP排放量呈減少趨勢，這與丘雯文[22]和楊騫[23]對我國農業面源污染排放研究結果相符;研究區2009—2018年TN負荷量平均是TP負荷量的8.0倍，這與劉增進[12]、劉亞瓊[5]、陳敏鵬[16]的研究成果相似;劉增進[12]和彭舜磊[2]等人研究表明河南省全域不同污染源對TN貢獻率表現為：耕地>畜禽養殖>農村生活，對TP貢獻率表現為：畜禽養殖>耕地>農村生活，這與該文在相同年份相同區域的計算結果一致，但從10年間5個地市的尺度來看，TN貢獻率表現為：耕地>農村生活>畜禽養殖，對TP貢獻率表現為：耕地>畜禽養殖>農村生活，表明沙潁河上游河南5個地市與河南省全域各污染源對TN和TP污染源貢獻率略有差別，主要由于學者對耕地、園地、林地采用的輸出系數不盡相同，且各市農村人口數量和畜禽養殖數量差別較大;各地市對TN、TP貢獻率大小順序均：周口市>平頂山市>許昌市>鄭州市>漯河市，這與劉增進[12]和彭舜磊[2]等人的研究結果一致，且三者對于相同年份TN和TP污染負荷計算結果基本吻合。

該文只考慮了農業種植、農村生活、畜禽養殖三類污染源，未考慮農藥、農膜、各地市污水處理能力等因素以及COD、NH3-N等污染指標。農業種植結構優化中，由于對蔬菜以外的經濟作物的化肥利用率研究較少，所以經濟作物中只考慮了蔬菜，未能全面考慮所有經濟作物。該文研究具有理論支撐且研究結果具有一定的精度和可信度，可為區域內的農村面源污染的防控和治理提供基礎支撐和指導意義。

4 結論

（1）采用輸出系數模型法，估算了2009—2018年沙潁河上游游河南段的鄭州、平頂山、許昌、漯河、周口5個地市的農村面源污染負荷量，結果顯示，TN、TP排放量呈減少趨勢。通過數理統計分析發現，牛、園地、農村人口是TN、TP等標污染負荷變化的主要影響因素。

（2）通過5地市的污染物排放負荷的時空分析，周口、漯河和許昌是農村面源污染的防治重點，且從歷年污染物削減情況上看，周口和漯河2市的面源污染防治仍需要加大力度。針對5地市農村面源污染類型貢獻率分析，TN和TP的主要貢獻來源均是農業種植業，未來農村面源污染防治中種植業仍是治理重點。

（3）在河南省“十三五”規劃目標要求下，5地市作物耕地面積增長幅度為8.43萬hm2，糧食作物增加的面積大于經濟作物面積，化肥利用率低制約著經濟作物種植規模的增加。

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基金項目：河南省重點研發與推廣項目（科技攻關）（192102310251）;河南農業大學校級青年創新項目（KJCX2020C05）;河南省土地整治與生態重建工程技術研究中心;河南科技智庫調研課題（HNKJZK-2020-22C）;河南省哲學社會科學規劃項目（2020BJJ038）。

作者簡介：李艷鴿（1998—），女，河南周口人，大學本科，從事農田水利及土地整治研究。? 收稿日期：2021-12-07