長江中下游糧食主產區耕地面源污染時空分異特征

摘要：為揭示長江中下游糧食主產區耕地面源污染時空規律，利用長江中下游糧食主產區58個市（州、區）統計數據，采用空間分析模型、重心模型、冷熱點分析等方法分析了2009-2019年長江中下游糧食主產區耕地面源污染時空分異特征。結果表明：長江中下游流域整體以及贛湘鄂皖4省2009-2019年耕地面源污染總量和強度總體均呈現出“先升后降”的變化趨勢，其中湖北省的耕地面源污染強度與總量均位于前列。2009-2019年耕地面源污染強度總體表現為“西高東低”的空間分布特征，其中江西省整體上一直保持為低污染強度，湖北省則為高污染強度聚集區。長江中下游糧食主產區耕地面源污染強度重心變化呈現出“區間震蕩”的規律，且長江中下游糧食主產區耕地面源污染強度重心遷移呈現明顯的階段特征。2009-2019年長江中下游糧食主產區耕地面源污染強度呈現出明顯的空間聚集態勢，總體表現為“東冷西熱”的空間分布格局。因此，長江流域中游段特別是湖北省和湖南省是未來進一步推進耕地面源污染防治的重點區域，要統籌好國家糧食安全和耕地生態安全雙重目標。

關鍵詞：耕地面源污染；空間分異；遷移軌跡；冷熱點分析；糧食主產區；長江中下游

中圖分類號：X71；X52 文獻標志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）01-0133-10 doi：10.11654/jaes.2023-0168

耕地面源污染是指在耕地利用過程中，由于農戶不合理地使用化肥、農藥、農膜以及其他田間有機或無機污染物質，通過地表徑流、地下滲漏、揮發或殘留等過程，造成的水體富營養化、土壤板結、大氣酸化等生態環境污染問題和食品安全危機，現已成為全球水污染與土地退化的主要根源。黨中央和國家高度重視耕地面源污染治理，出臺了系列政策文件，如2015年原農業部出臺了《到2020年化肥使用量零增長行動方案》《到2020年農藥使用量零增長行動方案》，以及后來連續7年中央一號文件均強調要加大農業面源污染治理力度，開展農業節肥節藥行動，實現化肥農藥使用量負增長。然而，當前中國耕地面源污染形勢依然嚴峻，《第二次全國污染源普查公報》顯示，2017年種植業污染物排放（流失）量中，氨氮達8.30萬t，總氮達71.95萬t，總磷達7.62萬t，而地膜使用量達141.93萬t，多年累積殘留量118.48萬t。

點源污染治理可以直接在排污口末端安裝污染處理設備對污水進行處理，便可使排放水質達標，但面源污染來源復雜，遷移途徑多樣化，具有不確定性、分散性、隱蔽性、滯后性和潛伏性的特性，不易監測和防治。鑒于此，學術界非常重視面源污染形成機理以及時空演變規律等方面的研究。梁流濤等從理論和實證上分析了農業面源污染的形成機制；馮琳等分析了三峽庫區農業面源污染時空變化特征；馬軍旗等分析了中國農業面源污染的空間差異與影響因素；杜鵑等對安徽懷遠縣農業面源污染的時空分布進行了解析。在此基礎上，也有部分學者開始關注面源污染強度的重心軌跡以及集聚特征，如：丁學謙等分析了洞庭湖平原耕地面源污染遷移軌跡及冷熱點空間格局；肖宇婷等分析了沱江流域總氮面源污染負荷時空演變及其轉移趨勢；張廣納等探究了三峽庫區重慶段農村面源污染冷熱點空間分布特征。上述學者從不同視角采用不同指標揭示了不同區域的農業面源污染的時空特征，對本文有很好的參考價值，但鮮有文獻基于地市尺度來探討長江中下游糧食主產區耕地面源污染的空間分異特征，揭示其遷移軌跡及冷熱點空間格局。

長江中下游糧食主產區是中國重要的糧食生產基地，保護其耕地生態健康對保障國家糧食安全、生態安全和社會安全具有重大意義。然而當前長江中下游糧食主產區因農戶長期不合理的農業生產行為造成了嚴重的耕地面源污染，使其成為中國重要的面源污染治理區域之一。鑒于此，本文以長江中下游糧食主產區為研究區域，基于市域尺度，采用清單分析法分析2009-2019年長江中下游糧食主產區各省市（州、區）耕地面源污染強度，并結合空間分析模型、重心模型和冷熱點分析方法揭示2009-2019年長江中下游糧食主產區耕地面源污染時空分異特征，以期為其面源污染系統防治提供科學參考。

1研究區域與研究方法

1.1研究區域概況

長江中下游糧食主產區主要包括湖北、湖南、安徽、江西、江蘇5省。長江中下游地區土壤肥沃、水網密布，農業生產資源要素豐富，是中國重要的糧食主產基地和生態功能區，也是長江經濟帶生態文明建設和生態功能維護的核心區域。但鑒于江蘇省各地市缺少氮肥、磷肥、復合肥等關鍵指標統計數據，故僅以湖南、湖北、安徽、江西4省的58個市（州、區）作為研究區域（圖1）。研究區域國土面積為7.047x10 km2，僅占全國的7.34％，但2019年研究區內糧食總產量為1.19x10t，占全國糧食總產量的17.94％，該區域在保護國家糧食安全方面承擔著重要作用。然而高糧食產量也伴隨著大量農藥化學投入品的施用，導致面源污染問題不斷顯現，農業生態環境破壞日益嚴重。中國生態縣以及生態鄉鎮建設要求化肥施用強度不得超過250 kg·hm-2，但研究區域內2019年化肥施用強度高達494.00 kg·hm-2。因此，長江中下游糧食主產區耕地面源污染治理顯得尤為迫切。2019年的《中國生態環境狀況公報》顯示，長江中下游糧食主產區內的太湖、巢湖、鄱陽湖和洞庭湖的水質均為Ⅳ類，水質污染較為嚴重。因此，揭示2009-2019年長江中下游糧食主產區耕地面源污染時空分異特征具有重要現實意義。

1.2數據來源

2009-2019年湖南、湖北、安徽、江西4省58市（州、區）的耕地、化肥、農藥、農膜等數據主要來源于《湖南省農村統計年鑒》（2010-2020）、《湖北省農村統計年鑒》（2010-2020）、《江西省統計年鑒》（2010-2020）、《安徽省統計年鑒》（2010-2020）以及湖南省、湖北省、江西省、安徽省的各市統計年鑒（2010-2020）。

1.3研究方法

1.3.1清單分析法

清單分析法是根據不同污染單元分別進行核算后求和的方法，其主要步驟為：確定污染源類型、識別污染單元、搜集污染單元的產排污系數以及污染物的核算。現今，清單分析法已被廣泛地運用于面源污染測算領域。耕地面源污染主要包括農田化肥、農藥、農用薄膜3類污染來源。鑒于此，通過測算以上3種污染物的流失或殘留量來核算2009-2019年長江中下游糧食主產區各市（州、區）的耕地面源污染總量和污染強度。具體的計算公式參考賴斯蕓等和陳敏鵬等采用的方法：

1.3.2重心模型

重心是區域內某種屬性值在研究空間范圍內某一時刻的力矩平衡點，表征該點前后左右各個方向的力量對比能夠維持均衡的情況。借用重心點及其移動方向、移動距離等指標不僅可以刻畫出區域地理現象的空間差異，還可以進一步探尋其動態過程及演化規律。重心模型的應用也較為廣泛，包括經濟重心、土地利用重心以及環境污染重心等涉及經濟、社會、生態等多方面。本文利用重心模型，采用加權平均重心來分析2009-2019年長江中下游糧食主產區耕地面源污染強度的空間重心坐標及其遷移變化情況，揭示耕地面源污染動態時空演變特征，其具體計算公式為：

同時，為反映重心偏移程度，引入重心移動距離和重心移動方向公式，其公式為：

1.3.3冷熱點分析

冷熱點分析是一種空間聚類方法，可展現指標的高值和低值的空間聚集分布規律，并彌補相等斷點分級等對空間特征分析的不足，已應用于生態系統服務價值空間異質性及面源污染空間分布格局研究中。為進一步揭示某市（州、區）的耕地面源污染強度與鄰接市（州、區）的耕地面源污染強度之間的關系，引入冷熱點分析，以此識別長江中下游糧食主產區耕地面源污染強度的冷點區域與熱點區域，并為各地區針對性治理耕地面源污染提供參考依據。冷熱點分析的公式為：

若標準化處理結果Z（G）顯著為正值，說明該地區周圍的值較高，呈現為高值集聚即熱點區；若Z（G）顯著為負值，說明該地區周圍的值較低，呈現為低值集聚即冷點區。運用Arcgis10.2軟件工具箱進行冷熱點分析，若GiZScore值越高，顏色越趨于紅色，說明該市（州、區）的耕地面源污染強度在空間上為熱點區域；GiZScore值越低，顏色越趨于藍色，說明該市（州、區）的耕地面源污染強度在空間上為冷點區域。

2結果與分析

2.1長江中下游糧食主產區耕地面源污染時間變化特征

運用式（1）和式（2）計算得到2009-2019年長江中下游糧食主產區各省和58個市（州、區）的耕地面源污染總量和耕地面源污染強度。

圖2展示了2009-2019年長江中下游糧食主產區各省耕地面源污染總量時間變化特征。從整體來看，2009-2019年長江中下游糧食主產區各省耕地面源污染總量呈現出先增后降的變化趨勢，耕地面源污染總量從2009年的1.18x10 t增至2012年的1.23x10 t，然后穩定降至2019年的9.97x10 t，11年間共降低了15.32％。具體來看，贛湘鄂皖四省中耕地面源污染總量位于前列的為湖北省、湖南省，其次是安徽省，江西省最低；湖北省近11年來耕地面源污染總量波動下降，從2009年的4.89x10t波動降至2015年的4.73x10t，下降幅度不大，年平均下降0.52％，然后穩定降至2019年的3.66×10 t，11年間共降低了25.05％；湖南省和整個研究區域的變化規律類似，從2009年的3.35x10t增至2012年的3.55x10t，然后穩定降至2019年的3.05x10t，11年間共降低了9.02％；江西省和安徽省的耕地面源污染總量變化規律類似，分別從2009年的1.11×10、2.42x10 t增至2013年的1.28×10、2.60×10 t，然后分別穩定降至2019年的1.06×10、2.19×10 t，11年間分別共降低了3.81％、9.69％。

圖3展示了2009-2019年長江中下游糧食主產區各省耕地面源污染強度時間變化特征。從整體來看，2009-2019年長江中下游糧食主產區耕地面源污染強度的時間變化趨勢與耕地面源污染總量一樣，也呈現出先增后降的趨勢，耕地面源污染強度由2009年的0.082 t·hm-2增至2011年的0.084 t·hm-2，然后穩定降至2019年的0.065 t·hm-2，11年間共降低了20.94％。其原因可能是2010年原農業部進一步加強了重點流域農業面源污染防治工作，采取的各項措施使得糧食主產區內到2015年主要農作物測土配方施肥技術普及率達到80％以上，化肥、農藥利用率提高3個百分點；2012年黨的十八大提出了生態文明建設，國務院也研究部署了土壤環境保護和農業農村面源綜合治理工作，長江中下游各省作為糧食主產區，積極對面源污染進行治理。2009年，湖北省便提出了湖北四湖流域爭創農業面源污染控制國家級試驗區，開啟籌劃工作；2016年，湖南省桃源縣、華容縣、赫山區3個縣（區）列入全國農業面源污染治理試點；2016年，國家發改委、原農業部將安徽省列入國家典型流域農業面源污染綜合治理試點省；2014年，江西省便提出了治理農藥面源污染的系列措施。因此，隨著國家政策的落實和政府相關政策的出臺，耕地面源污染強度穩步下降。具體來看，2009-2019年間，贛湘鄂皖四省耕地面源污染強度差異明顯，湖北省的耕地面源污染強度均最高，其次是湖南省，再次是安徽省，江西省耕地面源污染強度最低；湖北省近11年來耕地面源污染強度波動下降，從2009年的0.148 t·hm-2波動降至2017年的0.136 t·hm-2，然后穩定降至2019年的0.113 t·hm-2，11年間共降低了23.36％；湖南省、安徽省、江西省近11年來耕地面源污染強度均呈現出先增后降的趨勢，但各省到達強度頂峰的年份不同，湖南省從2009年的0.089t.·hm-2增至2010年的0.090 t·hm-2，然后穩定降至2019年的0.073 t·hm-2，11年間共降低了17.04％，安徽省和江西省分別從2009年的0.058、0.036 t·hm-2，增至2013年的0.062、0.041 t·hm-2，然后分別穩定降至2019年的0.045、0.034 t·hm-2，11年間共分別降低了23.00％、3.96％。

2.2長江中下游糧食主產區耕地面源污染空間分異特征

2.2.1耕地面源污染空間分布特征

按研究時段的前、中、后選取2009、2014、2019年3個年份來研究長江中下游糧食主產區耕地面源污染空間分布特征（圖4）。利用ArcGIS軟件，采用相等間隔法將長江中下游糧食主產區耕地面源污染強度分為5個等級：高污染地區（Eigt;0.20t·hm-2）、較高污染地區（0.15

2.2.2耕地面源污染重心變化分析

運用式（3）計算出2009-2019年長江中下游糧食主產區耕地面源污染強度重心坐標，并運用式（4）和式（5）計算得到2009-2019年長江中下游糧食主產區耕地面源污染強度重心移動距離和方向，根據坐標繪制2009-2019年主產區耕地面源污染強度重心遷移軌跡（圖5）。

由圖5可以看出，2009-2019年長江中下游糧食主產區耕地面源污染強度重心變化呈現出“區間震蕩”的規律，在東南和西北兩個方向上來回變動，最終在東北方向上變動。從經緯度上來說在29°39′59″N-30°12′10″N與113°31′01″E-113°54′18″E之間變動，從（30°03′36″N，113°51′56″E）遷移至（30°12′10″N，113°40′00″E），累計向西遷移了0.20°，向南遷移了0.14°，說明近11年來，長江中下游糧食主產區西南方向的耕地面源污染強度下降速度相對其他地區較為緩慢。從重心移動距離來看，耕地面源污染強度重心年均移動距離為21 413.55 m，年移動距離最小為2012-2013年的918.52 m，最大為2013-2014年的38 636.20 m，說明耕地面源污染強度在2013-2014年向東南方向有高程度的聚集。從耕地面源污染強度重心分布的位置來看，近11年來，重心均分布在湖北省的仙桃市、荊州市、咸寧市境內，說明湖北省耕地面源污染強度較大，與前文分析一致。

具體來看，從2009-2013年，耕地面源污染強度重心整體向西北方向移動，期間處于西北方向的襄陽市和荊門市等市在耕地復種指數下降情況下，為了保證糧食產量，不斷提高化肥施用強度；從2014-2017年，耕地面源污染強度重心整體向東南方向移動，向長江中下游糧食主產區的中心移動，伴隨著2015年中國政府提出《到2020年化肥施用量零增長行動方案》，湖北省西北部的耕地面源污染開始系統化、規模化治理，污染強度穩步下降，但是南部的咸寧市和湖南的岳陽市等耕地復種指數、灌溉指數分別從原來的2.54、0.56下降至2.14、0.46，岳陽市從原來的2.63、0.93下降至2.15、0.90，說明其對面源污染的治理還不夠重視，同時為保證糧食產量提高化肥施用強度以及農膜使用強度，使得耕地面源污染強度重心向西南方向移動；從2018-2019年，耕地面源污染強度重心向東北方向移動，鄂州市、黃岡市等市的耕地面源污染強度相對于整體而言一直處于較高水平，與此同時，孝感市的安陸市、宜昌市的興山縣、岳陽市的屈原管理區等地區陸續入選農業面源污染綜合治理試點項目，使得長江中下游糧食主產區耕地面源污染治理成果更為顯著。

2.2.3耕地面源污染冷熱點分析

圖6展示了2009、2014、2019年3個年份長江中下游糧食主產區耕地面源污染強度冷熱點空間格局演化狀況。利用ArcGIS軟件，采用自然間斷分類法將熱點分析輸出的Z得分劃分為5個等級：冷點區、次冷點區、不顯著區、次熱點區、熱點區。由圖6可知，長江中下游糧食主產區耕地面源污染呈現出明顯的聚集特征，總體表現為“東冷西熱”的空間格局。熱點區由湖北省向湖南省蔓延，冷點區由江西省向安徽省蔓延。具體來看，安徽省的淮南市、蚌埠市以及江西省的景德鎮市、南昌市、上饒市等一直處于冷點區域，并帶動周圍地區向冷點區與次冷點區方向發展，個數不斷增加。湖北省的荊門市、孝感市、武漢市、仙桃市一直處于熱點區。就數量而言，隨著時間的推移，耕地面源污染強度熱點區占主產區的比例逐漸降低，由15個熱點區降低至10個，但次熱點區個數在不斷遞增，主要表現為部分原熱點區Z值下降，耕地面源污染得到有效控制，從熱點區轉變為次熱點區，以及不顯著區朝次熱點區的演化；耕地面源污染強度冷點區占研究區域的比例逐漸升高，且冷點區與次冷點區和的占比一直高于兩熱點區的占比，由10個冷點區升高至15個，但次冷點區個數在不斷遞減，主要表現為次冷點區向冷點區的轉化。

2009年，熱點區均處于湖北省且與次熱點區呈現空間聚集態勢，呈團塊狀分布，其耕地面源污染強度在四省中一直位居高位，原因可能是湖北省是農業大省，氣候條件溫和，雨水充沛，省內有江漢平原和鄂東沿江平原等平原，土壤肥沃，適宜農作物的種植及生長，為追求更高的糧食產量，故化肥施用量較高，使得TN、TP流失量較多，從而增加了其耕地面源污染強度。2014年，熱點區仍全部位于湖北省，且形成了以湖北省北部市級為核心由北向南遞減的半環狀，省內熱點區個數降低，其原因可能為湖北省政府2011-2013年連續3年發布了關于加快全省化肥產業結構調整促進轉型升級的意見，控制了化肥施用量的增長，從而在一定程度上降低了部分市級的耕地面源污染強度。但湖南省的次熱點區增加了湘潭市和衡陽市，從數據上看，兩市的耕地面源污染強度均有所下降，但是下降幅度相對于周圍地區較小，從而呈現出從不顯著區到次熱點區轉化的局面。2019年，湖北省的熱點區數量進一步減少，形成兩個熱點核心區，熱點核心區由湖北省向湖南省發展，湖南省開始出現熱點區，呈現“帶狀”分布且數量突增為6個，其原因可能為湖南省的耕地面源污染強度雖然在一定程度上有所降低，但其降低比例遠小于湖北省，如2019年兩省行政中心均處于熱點區，但武漢市近10年耕地面源污染強度下降比例為54.3％，而長沙市僅為10.8％，且省內農藥、農膜等的使用量仍較高，未得到有效遏制，從而使得湖南省成為新的熱點核心區。

3討論

3.1長江中下游糧食主產區耕地面源污染指標分析

耕地面源污染主要受到化肥流失、農藥農膜殘留等化學投入品的影響，但也會受到人畜排泄和農田固廢等的影響。人畜排泄和農田固廢等污染源，不僅會產生N、P污染，同時還會產生COD污染。但鑒于當前種植業生產過程中，特別是水稻等大田作物生產過程中，使用人畜糞便的情況已較為少見，人畜糞便主要通過化糞池等污水處理設施處理后排入河流中，并未直接排入耕地中，故未考慮人畜糞便產生的影響。對于作物秸稈固體廢棄物，主要采用還田、作為能源回收等途徑進行處理，同時仍有焚燒行為，無法準確掌握固體廢棄物對耕地產生的污染，故而不考慮固體廢棄物產生的影響，未對COD進行分析。

3.2長江中下游糧食主產區耕地面源污染等級標準分析

當前對于面源污染等級沒有一個統一的標準。原環境保護部在2014年印發的《國家生態文明建設示范村鎮指標（試行）》中規定，農用化肥施用強度（折純）小于220 kg·hm-2，農藥施用強度（折純）小于2.5kg·hm-2。有學者參考國家生態文明建設示范村鎮指標探討了化肥施用強度安全閾值，但同樣是采用等距間隔方法來刻畫區域化肥施用強度等級，這也是學界常用的方法，因此本文也采用等間隔法將長江中下游糧食主產區耕地面源污染強度進行分級，以揭示地區間耕地面源污染強度的差異性。

3.3耕地面源污染防治建議

（1）穩步推進耕地面源污染防治。整個長江中下游糧食主產區特別是湖北省和湖南省，應該基于省情合理制定本省面源污染防治方案及目標，穩步推進耕地面源污染治理，使化肥、農藥、農膜等化學投入品使用量得到有效遏制，夯實化肥農藥零增長行動，進一步推廣節肥節藥技術和測土配方施肥技術，提升地膜回收率。加強耕地面源污染監測能力，“以點帶面”，以湖北省安陸市、鄖陽區等以及湖南省桃源縣、華容縣、赫山區等面源污染綜合試點區帶動流域地區面源污染治理工作。

（2）統籌好國家糧食安全和耕地生態安全雙重目標。長江中下游具有優越的糧食生產氣候條件和良好的耕地資源，切實保護好長江中下游耕地生態安全，是穩住國家糧食安全的壓艙石。強化糧食增產和綠色雙重導向，在減量施肥、提高化肥農藥利用率的基礎上，采取培育良種藥加強高標準農田建設、推進耕地集中連片建設、鞏固完善農田水利設施、推行保護性耕作模式等措施，防止耕地“非糧化”“非農化”，提高綠色增產增效技術供給能力。

4結論

本文基于市級尺度，首先利用清單分析法測算2009-2019年長江中下游糧食主產區贛湘鄂皖4省各市（州、區）耕地面源污染總量與強度，進而利用空間分析法、重心模型、冷熱點分析等方法揭示2009-2019年長江中下游糧食主產區耕地面源污染強度時空分異特征，得到以下研究結論：

（1）長江中下游糧食主產區耕地面源污染狀況有所減輕。2009-2019年長江中下游糧食主產區耕地面源污染總量和強度總體均呈現出“先升后降”的變化趨勢，湖北省的耕地面源污染強度與總量均為最高，江西省最低。

（2）長江中下游糧食主產區耕地面源污染強度表現出明顯的空間差異性和聚集性。2009-2019年耕地面源污染強度總體表現為“西高東低”的空間分布特征，其中，江西省整體上一直保持為低污染強度，湖北省則為高污染強度聚集區。

（3）長江中下游糧食主產區耕地面源污染強度重心變化呈現出“區間震蕩”的規律，總體累計向西遷移了0.20度，向南遷移了0.14度。受農業生產條件和國家政策等的影響，長江中下游糧食主產區耕地面源污染強度重心遷移呈現明顯的階段特征：2009-2013年，耕地面源污染強度重心整體向西北方向移動；2014-2017年，耕地面源污染強度重心整體向東南方向移動；2018-2019年，耕地面源污染強度重心向東北方向移動。

（4）長江中下游糧食主產區耕地面源污染強度呈現出明顯的空間聚集態勢，總體表現為“東冷西熱”的空間分布格局，熱點區核心由湖北省向湖南省蔓延，冷點區由江西省向安徽省蔓延，最終均呈現帶狀分布。