基于GIS的菏澤市農業面源污染時空分布

劉存慶，何 苗，張翠靜，朱啟運，胡術剛

(1. 山東科技大學 安全與環境工程學院，山東 青島 266590；2. 清華大學 環境學院，北京 100084)

0 引 言

我國是農業生產大國，農業面源污染問題不容忽視。《第二次全國污染源普查公報》顯示，2017年全國水污染物化學需氧量排放量2 143.98萬t、總氮排放量304.14萬t、總磷排放量31.54萬t，其中農業源排放化學需氧量1 067.13萬t、總氮141.49萬t、總磷21.20萬t，分別占排放總量的49.77%、46.52%和67.27%[1]。由此可見，農業面源污染依然是國內河流污染的主要來源。

與點源污染不同，面源污染具有分布隨機、成分復雜、難以監測等特點[2]，如不及時管控會對土壤及水源產生污染。因此，農業面源問題越來越受到國內學者的關注，現階段對農業面源污染的研究大多集中于對其污染現狀、危害、成因以及對策等方面[3-4]；研究方法包括監測法、輸出系數法、排污系數法以及模型法等[5-7]；研究范圍大多停留在省級、市級，對于縣區級的面源污染防控與時空分布的精細化研究較少[8-10]。因此，從縣區層面對農業面源進行時空分析具有更強的針對性和實踐指導意義。

為此，本論文在對菏澤市2012—2021年間農藥、化肥的使用情況及畜禽養殖的污染排放狀況研究分析的基礎上，運用ArcGIS技術，以縣區為單位，將典型年份的數據資料空間化和直觀化，研討菏澤市農業面源污染的時間、空間分布格局，為各區縣農業面源的治理提供參考依據。

1 研究區域概況及數據來源

1.1 研究區域概況

菏澤市是黃河流入山東后的第一站，市內河流總流域面積13 000 km2，流域面積在100 km2以上的支流有45條，50～99 km2以上的支流有41條，總長度2 582 km，支流眾多，河網灌溉系統發達。菏澤市各區縣市累年平均日照時數為2 317.9～2 556.9 h，平均氣溫13.5～14 ℃，年平均降水量662.7 mm。據《山東統計年鑒》(2021年)數據顯示，山東省內菏澤市農作物播種面積最高，為155.79 萬hm2，化肥施用量(實物量)137.34萬t，農藥投入量1.17萬t。

1.2 數據來源

本研究選取菏澤市內9個縣為研究對象，制作面源污染分布圖。研究區域內各種面源污染數據(如化肥施用量、農藥投入量、畜禽養殖量等)均來自2012—2021年《菏澤統計年鑒》，另有部分數據來源于網絡，見表1。

表1 網絡數據來源

1.3 研究方法

以縣級為單位，通過Excel對收集到的數據進行整理分析，以施肥強度、農藥投加強度來表示化肥、農藥污染情況，以糞尿排放量表示畜禽養殖面源污染情況；同時應用ArcGIS10.2軟件繪制菏澤市矢量圖。在Excel分析數據的基礎上，并結合菏澤市實際情況，判斷化肥、農藥、養殖污染情況。

(1)化肥污染評價指標

以國際化肥安全使用量225 kg·hm-2為基礎，結合韓書成、林蘭穩等人的研究[12-13]，將化肥施用強度劃分為輕度污染(225～300 kg·hm-2)、中度污染(300～400 kg·hm-2)、重度污染(>400 kg·hm-2)，化肥施用強度計算公式如式(1)。

化肥施用強度=總投入量(折純量)/播種面積

(1)

(2)農藥污染評價指標

對于農藥污染，借鑒葉延瓊、葛小君的研究[14-15]，選用單位面積農藥投入強度來表示污染情況，結合菏澤市當地農藥投入情況，將農藥投入強度劃分為輕度污染(<5 kg·hm-2)、中度污染(5～10 kg·hm-2)、重度污染(>10 kg·hm-2)，農藥投入強度計算公式如式(2)。

農藥投入強度=總投入量/播種面積

(2)

(3)畜禽養殖污染評價指標

畜禽養殖污染則用糞尿排泄量表示，即單位土地內的畜禽糞便尿液排放量，結合菏澤市畜禽養殖現狀，其畜禽主要包括豬、牛、羊和禽類，將糞尿排泄量劃分為3個等級[16-17]，分別是糞尿排泄量<1×104kg·hm-2的輕度污染區，1×104～2×104kg·hm-2的中度污染區，以及>2×104kg·hm-2的重度污染區，糞尿排泄量計算公式如下式(3)。

糞尿排泄量=年排泄系數×數量

(3)

年排泄系數采用鄧春梅[16]、劉培芳[18]的研究方法見表2,分為生豬、牛、羊、蛋禽和肉禽5類，結合菏澤市養殖現狀，計算畜禽養殖面源污染糞尿污染排泄量。

表2 畜禽養殖污染年排泄系數

2 結果與分析

2.1 化肥污染時空變化特征解析

隨著種植業的不斷發展，化肥施用量逐漸增加。農戶因為對科學施肥基礎知識缺乏了解，誤以為施肥量與作物產量成一定正比關系，導致施肥量增加，不僅造成肥料的浪費，還由此引發一系列環境問題。姚春霞等人研究表明[19]，化肥流失量占總施用量15%左右，近十年間化肥施用量及流失量計算結果見表3。

表3 2012—2021年菏澤市化肥施用情況

由表3可知，從時間分布角度來看，2012—2021年間化肥總流失量與施用量呈現先增加后減少的趨勢，氮肥、磷肥、鉀肥、復合肥施用量也均表現為先增加后減少，與此同時播種面積在逐年增加。其中，氮肥施用量在2014年達到頂峰后逐年降低，直至2021年施用量最低為52.08萬t，降幅為21.6%；磷肥施用量在2013年達到頂峰值，先于氮肥，此后施用量逐年降低至34.42萬t，降幅20.3%；鉀肥施用量峰值出現在2017年，此后逐漸下降；菏澤市現有多家復合肥生產廠家，農民對復合肥認可度和使用量偏高，復合肥施用量在2018年達到峰值41.67萬t。

根據化肥施用強度圖1結果顯示，各縣區化肥污染整體趨勢逐年降低。2021年，重度污染地區完全消失，中度污染縣區由2012年的6個減少至1個，減少面積8 227 km2，總體占比75.4%。從地區分布來看，2012年化肥施用強度大于300 kg·hm-2的縣區主要集中在牡丹區周圍，菏澤市西部、西北部和西南部各縣；2015—2018年間，化肥污染逐步改善，整體施用強度逐年降低，直至2021年化肥污染形勢大規模改善，東明縣、鄄城縣、定陶縣、曹縣整體化肥施用強度降低到300 kg·hm-2以下，均屬于輕度污染，但距離國際安全施用標準還有一定差距。

2.2 農藥污染時空變化特征解析

化學農藥極大程度減少了農業生產活動中的勞動成本，提高了農業生產力及農業產量，但對農藥的不合理利用及盲目依賴也會對環境產生嚴重污染。有研究表明[20]，農藥利用率極低，大部分農藥殘留會進入土壤、水及大氣環境中，進而對人類賴以生存的環境和所必須的農產品產生危害。從時間分布角度來看，圖2中2014年后菏澤市農藥投入量整體減少，投入強度也在逐年降低，2018—2021年間降幅尤為明顯。2021年農藥投入量最少，為0.95萬t，投入強度屬于中度污染范圍，較2012年減少0.22萬t，減幅為18.92%。

圖3為菏澤市2012、2015、2018和2021這4年間的農藥投入強度分布圖。由該圖可知，2021年，全市重度污染區域(巨野縣、曹縣和東明縣)全部消失；中污染地區占絕大多數，整體面積8 891 km2；輕度污染地區僅有鄄城縣和成武縣，面積占比18.51%。從空間分布角度來看。東部巨野縣、西部及西南部的東明縣、曹縣污染情況較為嚴重，西北部鄄城縣和東南部成武縣屬于輕度污染區域。具體分析來看，巨野縣2012—2015年間，農藥投入強度屬于重度污染，此后農藥投入量逐漸降低，直至2018年間將至中度污染，農藥投入量降幅44.63%；東明縣化肥污染在重度污染和中度污染之間波動，2018年間呈現重度污染，除此之外各年份均屬于輕度污染；曹縣地區自2015年后一直處于中度農藥污染；鄄城縣2012—2021年間農藥投入強度均在3.79～5.66 kg·hm-2之間，整體污染程度較輕。

圖1 菏澤市不同年份化肥施用強度分布Fig.1 Distribution of fertilizer application intensity in Heze City in different years

圖2 2012—2021年菏澤市農藥投入情況Fig.2 Pesticide input in Heze City from 2012 to 2021

2.3 畜禽養殖污染時空變化特征解析

畜禽養殖過程中產生的殘料和排泄物也是農業面源的主要成分，我國約有2/3的養殖場仍缺乏防污措施，存在處理率低等問題。圖4為2012—2021年菏澤市養殖數量及糞尿排放量。從圖4中畜禽類別來看，2012—2021年菏澤市牛的數量呈下降趨勢，2021年牛的數量最少，為21.9萬頭；羊的數量表現為波動下降，2021年羊的數量為255.1萬頭；豬的數量則趨于穩定，數量變化不明顯；禽類的數量先增長，在2020年后開始有所減少。從畜禽污染物排放量來看，畜禽糞尿總排泄量在2015年后逐漸降低，至2021年排放量降低至1 062萬t，降幅46.8%。劉培芳等人研究發現[18]，市郊畜禽糞便流失率在30%～40%之間，按流失率30%計算，2012—2021年糞便中各污染物流失量結果如圖4。2015年后，CODCr、BOD5排放量逐年降低；2016年后，氨氮排放量受禽類數量影響有所增加。2021年間，CODCr、BOD5、氨氮排放量分別為10.2 萬t、11.2 萬t、1.2 萬t。

圖3 菏澤市不同年份農藥投入強度分布Fig.3 Distribution of pesticide input intensity in Heze City in different years

圖4 2012—2021年菏澤市養殖數量及糞尿排放量Fig.4 Cultivation quantity,fecal and urine emissions in Heze City from 2012 to 2021

由圖5可知，菏澤市近年來重度污染區縣逐步減少，包括定陶區、曹縣在內減少面積2 815 km2，輕度污染區縣增加3處，增加面積3 536 km2。從整體來看，2015年后，菏澤市畜禽污染呈現逐年降低的趨勢。2012—2015年間曹縣和定陶縣是重度污染區縣，其余區縣均為中度污染，2018年，菏澤全市內不存在畜禽重度污染區縣，直至2021年，定陶區、成武縣、單縣由中度污染轉為輕度污染區縣，畜禽污染狀況進一步好轉。從地區分布來看菏澤市畜禽排放強度壓力較大的區域分布在北部及西南部，糞尿排放強度相對小的區域位于東南部的成武縣及單縣。具體分析來看，2021年成武縣豬存欄21.2萬頭、牛存欄0.5萬頭、羊存欄17.6萬頭，豬、牛、羊存欄數在各縣中相對較少，屬于輕度污染。單縣與成武縣情況相同，豬、牛、羊存欄數較少，屬于輕度污染。2021年鄆城縣豬、牛、羊存欄數分別是40.1萬頭、6.7萬頭、31.3萬頭，糞尿排放強度為1.22×104kg·hm-2，遠高于成武縣和單縣，屬于中度污染。

圖5 菏澤市不同年份畜禽糞尿排放強度分布Fig.5 Distribution of manure and urine emission intensity of livestock and poultry in Heze City in different years

3 討 論

近十年來，菏澤市面源污染負荷呈現一定階段化特征，國內經濟體制的改革及環保政策的出臺是導致污染負荷變化的主要原因。2012—2021年間化肥施用量呈現先增加后減少趨勢，2015年后逐漸減少，這與袁旭等人[21-22]研究一致；2012—2015年隨著經濟復蘇[23]、城市化進程影響[24-25]以及有利農業政策的出臺[26]，我國化肥污染負荷在2015年前一直處于增長階段。農藥投入量自2014年后開始減少，主要是2015年間，國務院出臺了一系列政策，包括《水污染防治行動計劃》等，以此為參考，2016年至今菏澤市政府逐步開展化肥減量行動，此后開始逐年制定污染物減量計劃，步入化肥、農藥減量控制階段，2017年，菏澤市出臺《菏澤市四項舉措打響碧水保衛戰》，提出從源頭上控制化肥和農藥使用量，提高利用率，并取得積極成效，2018年后菏澤市化肥農藥減量成效明顯。菏澤市畜禽養殖匯總牛、羊的數量逐漸減少，牛羊屬于大型牲畜，是菏澤市糞尿排泄量的主要來源，盡管其他禽類數量一直在快速增加，但菏澤市畜禽糞尿排放總量在逐步減少。2015年后，菏澤市開展科學劃定畜禽養殖禁養區，導致投資較大的牛、羊等大型牲畜數量下降，與陶園等人研究結果相似[27]。與此同時，當地引進益客集團、重客集團等規模養殖企業，是2016年后禽類數量增加的重要原因。

基于菏澤市面源污染時空分布及變化趨勢，對菏澤市農業面源污染問題需針對不同污染來源采取相應的治理措施。相對而言，菏澤市北部、西南部總體污染情況較嚴峻。在化肥、農藥污染的管控方面，應該注重源頭上的減量化，加強化肥、農藥的監管，結合當地機械化程度，以農業機械駕駛司機為切入點指導施肥數量。在畜禽養殖污染管控方面，增加小規模養殖糞污排放監管力度，逐步完善農業資源化途徑，此外要注意生產過程中的新型污染物，如抗生素、微塑料等[28-29]。

4 結 論

本文選取2012—2021年菏澤市9個縣區面板數據，利用GIS技術分析了菏澤市農業面源污染的時間與空間分布特征。

(1)從整體上看，菏澤市由化肥、農藥和養殖所造成的農業面源污染均有下降趨勢。近十年來，菏澤市農作物化肥施用強度最低年約230.70 kg·hm-2，略高于國際225 kg·hm-2的化肥施用警戒線，整體形勢仍需進一步改進。

(2)從空間分布上看，化肥、農藥和養殖重度污染地區基本消失。各區縣化肥污染基本處于輕度污染范圍，高化肥污染區域位于菏澤市西北部；菏澤市西南部、北部農藥、養殖大多處于中度污染范圍，是菏澤市面源污染的重要來源。

(3)從時間上看，2015年后，菏澤市農業面源污染狀況快速好轉，化肥和農藥的投入量穩步降低，降幅分別達到12.52%和18.91%；近五年來，大型牲口數明顯下降，整體糞尿排放強度呈逐年下降趨勢，但禽類養殖數量迅速上升，需加強對禽類養殖企業糞便流失的監管。