基于输出系数法的河南省农业非点源氨氮负荷研究

张彩玲，刘增进，张关超

(华北水利水电大学 水利学院，郑州 450045)

0 引言

目前农业非点源污染具有影响因素多、发生的随机性大、危害范围广、污染物排放种类和数量不确定、污染负荷时空分布差异明显等特点，其负荷计算越来越困难[1]。农业非点源负荷计算方法的研究始于美国20世纪六七十年代，国内的农业非点源污染研究起步较晚，2000年以后，大批学者运用各种模型和计算方法在全国不同地区、不同尺度范围内展开了大量的应用研究[2,3]。国内目前常用的非点源污染负荷计算模型主要有输出系数模型、经验型统计模型和机理模型。输出系数模型[4]因其结果简单、数据易获得和有一定的可靠性等特点在国内得到广泛的应用。刘亚琼等[5]运用输出系数模型估算了北京地区的非点源污染负荷；李娜等[6]运用输出系数模型对新立城水库汇水区农业非点源污染负荷进行了估算；林秀春等[7]运用输出系数法和等标污染负荷法对萩芦溪流域农业面源污染负荷进行了估算和空间特征研究。

本研究在参考相关研究的基础上，结合河南省实际情况，采用输出系数法估算了河南省2013年河南省各地市农业非点源污染氨氮负荷量、氨氮排放强度，并结合ArcGIS技术分析河南省非点源污染氨氮的空间分布特点，为进一步了解河南省氨氮负荷特征提供理论基础和科学依据。

1 研究区概况

河南省辖18个地级市，是中华文明和中华民族最重要的发源地。全省土地面积16.7 万km2(居全国第17位，占全国总面积的1.74%)。全省多年平均水资源总量403.5 亿m3。2015年“十二五”规划调查中，全省人口数量9 570 万人(不包括人口机械增长)。其中，截至2013年，调查数据显示河南省农村人口数量达到5 275 万，农业用地面积达8 822 万hm2，耕地面积达8 140 万hm2、园地467 万hm2、林地214.7 万hm2。另外，畜禽养殖数量中，牛805.92 万头、羊1 831.82 万只、猪4 778.95 万头、家禽66 744.7 万只等。河南省农田种植大量使用化肥、农药，人类生活污水以及牲畜的排污，导致了农业非点源污染。

2 研究方法介绍

输出系数模型的实质是一种半分布式的集总模型[8]。其在土地利用分类的基础上，增加了牲畜和人口等因素，很大程度上丰富了系数输出模型的内容。

2.1 输出系数模型

20世纪70年代初期，美国、加拿大在研究土地应用-营养负荷-湖泊营养化关系中，提出并应用了输出系数模型。Norvell等[9]在1979年提出了一个较为简单的输出系数模型。英国学者Johns等经过长期的研究与实践，结合以往研究成果和模型的基础上，在1996年提出了更为细致、输出系数更为完善的输出系数模型，并得到了广泛的应用[10-12]。

Johns模型结构如下[13]：

L=∑ni=1Ei[Ai(Ii)]+P

(1)

式中：L为营养物流失量，t/a；i为流域土地利用类型的种类或牲畜、人口；Ei为第i种土地利用类型或牲畜、人口的营养物输出系数；Ii为第i种土地利用类型或牲畜、人口的营养物输入量，t/(km2·a)；Ai为第i类土地利用类型面积，km2或第i种牲畜数量或人口数量，ca；P为由降雨输入的营养物总量，t。

降雨输出污染物总量：

P=crα

(2)

式中：c为雨水中营养物浓度，kg/m3；r为年降雨总量，m3/a；α为径流系数。

注：①河南省各地市降雨营养物浓度相关数据较少，本文拟采用各地市地表水断面水质氨氮负荷浓度作为降雨雨水中氨氮负荷浓度，为减少误差，本文取了各地市各时段共52组断面水质氨氮浓度的平均值作为氨氮浓度计算值；②α=y/x,其中：y为各地市的降雨径流量，x为对应地市的降水量。

城市降雨所产生的氨氮负荷主要是由降雨径流的冲刷引起的，地表沉积物是城市降雨径流中非点源氨氮负荷的主要来源。则结构表达式为：

L=∑ni=1Ei[Ai(Ii)]+crα

(3)

从不同角度出发对污染物排放强度的定义不同，陈媛媛等[14]提出基于经济层面的污染物排放强度，定义污染物排放强度为单位GDP的污染物输出量；王超等[15]利用污染物排放密度(排放强度)来表征污染物空间格局，并提出了地均污染物排放强度。本文根据河南省实际情况及收集到的数据，分析采用地均污染物排放强度，定义污染物排放强度为单位面积上污染物的排放量。故其结构表达式为：

D=L/A

(4)

式中：D为污染物的排放强度或排放密度;A为研究区域面积；其余符号意义同上。

2.2 输出系数值的确定

污染物的输出系数是指单位时间内、某种土地利用方式下输出的污染物总负荷的标准化估值。输出系数多采用单位时间、单位面积上的负荷量表示[5]。确定合理的输出系数是输出系数模型估算污染负荷的关键。影响输出系数的因素有很多，包括流域内的地形地貌、水文、气候、土壤类型、土地利用、植被覆盖、人类活动及管理措施等。确定农业非点源污染输出系数的方法有3种，包括查阅文献法、野外监测法和数学统计分析法[16]。区域非点源污染物输出系数一般采用现场检测或查阅文献的方法，开展监测确定区域输出系数的研究相对较少。本文中采用查阅文献法来确定非点源污染物的输出系数。输出系数取值情况参照文献[17-20]，根据已获取的实际数据结合已有文献中的研究成果确定区域非点源污染物输出系数。结合河南省的实际情况牛、猪、羊、禽的输出系数分别取国家环保总局推荐的排泄系数的16.71%、16.43%、17.68%、14.89%，农村人口输出系数参考国家环保总局发布并实施的GB18596-2001《畜禽养殖业污染排放标准》和高祥照[21]等人编写的《肥料实用手册》中人粪便量的排放系数确定，各输出系数取值见表1。

表1 输出系数分类及取值Tab.1 Classification and value of output coefficient

2.3 数据来源与处理

数据主要包括：耕地面积、园地面积、林地面积、牛、猪、羊、禽及农村人口的数量、降雨量。数据来源于《2014年度河南省统计年鉴》、《2013年度河南省水资源公报》、河南省水环境监测中心数据库、河南省环保局地表水环境质量报告。利用输出系数模型，结合2013年河南省的土地利用情况，计算不同土地利用类型的氨氮负荷；然后，综合运用河南省各城市的氨氮统计数据，计算农村生活、畜禽养殖和降雨冲刷产生的氨氮负荷，与市级行政区矢量图属性关联得出河南省各个市的氨氮分布图；将不同土地利用类型、农村生活、畜禽养殖和降雨径流冲刷产生的氨氮负荷栅格图加和，得出河南省氨氮负荷排放强度空间分布图；最后，对河南省不同城市非点源污染氨氮负荷情况进行分析。

3 计算结果与分析

3.1 非点源污染氨氮负荷及其贡献率分析

河南省不同城市的自然、经济、文化等发展状况不同，所以其对非点源污染物输出量的贡献率也不尽相同。影响各城市对非点源污染氨氮负荷贡献率的因素有：城市经济发展、人口密度、畜禽养殖数量、农作物耕作面积、城市农村土地规划、降雨量等，且各因素间存在密切关系。本文在确定了输出系数值和查阅了相关文献后，采用输出系数法估算了2013年河南省18个城市农业非点源污染氨氮负荷，结果见表2 。

根据表2数据分析河南省地市氨氮输出量情况，其中以南阳市氨氮输出量贡献率最大，周口市次之，济源市最小。此外，不同的污染源类型对氨氮负荷量的贡献率也不同，其贡献率的大小顺序是：畜禽养殖(牛>猪>禽>羊)>农业用地>农村生活污染>降雨污染。农业用地对氨氮负荷输出量的影响南阳市最大(15 321.68 t，占比13.1%)，济源市最小(671.80 t，占比0.6%)；畜禽养殖对氨氮负荷输出量的影响南阳市最大(21 296.53 t，占比14.0%)，济源市最小(780.20 t，占比0.5%)；农村人口对氨氮负荷输出量的影响南阳市最大(13 332.20 t，占比11.8%)，济源市最小(684.80 t，占比0.6%)。根据表2的数据不难发现，不同的土地利用类型对农业非点源污染物输出量的影响不同，其中农业耕地对非点源污染物输出量的贡献最大，园地次之，林地最小。农村生活污染对非点源污染物输出量的贡献占很大比重。降雨产生的氨氮负荷主要是降雨径流的冲刷引起的，地表沉积物是降雨径流中氨氮负荷的主要来源，河南省天然降雨对氨氮负荷量的贡献率为0.04，相比农业用地、农村人口生活和畜禽养殖较小，本文忽略不计。有不同污染源类型非点源污染物输出量分布情况如图1所示。

表2 2013年河南省非点源污染氨氮负荷 t

图1 不同污染源氨氮负荷分布情况Fig.1 Distribution of different pollution sources of ammonia nitrogen load

由表2数据的分析，利用Arcgis绘制河南省各地市农业非点源污染氨氮负荷的分布图，如图2所示。

图2 河南省农业非点源氨氮负荷空间分布图Fig.2 Spatial distribution of non-point sources of ammonia nitrogen load emissions intensity in Henan Province

由图2知，氨氮负荷主要分布在河南省南部，河南省北部氨氮负荷输出量相对较少，氨氮分布较多的是耕地面积广、人口数量大、农业化程度较高的南阳市，另外还有周口、商丘、驻马店等市，而耕地面积少、人口数量小的鹤壁市氨氮负荷最少。造成氨氮负荷分布差异的主要原因是农业化程度、农业用地面积及其分配额度不同；农民环保程度存在差异；规模化的畜禽养殖及其畜禽排入水环境的污物处理程度较低。需合理安排植物种植结构，做好农业生产管理，降低污染物的输出系数。另外，要加大对农业用地污染及农村生活污染的管理措施，加强畜禽养殖的管理力度减少污染物的输出量。

3.2 非点源污染氨氮排放强度及其贡献率分析

在输出系数法计算河南省农业非点源污染氨氮负荷的基础上，根据公式(4)计算了河南省不同地市条件下不同土地利用类型和不同污染源的氨氮排放强度。具体计算结果如表3所示。

表3 2013年河南省非点源污染氨氮排放强度 kg/hm2

由表3数据可以看出，不同地区的不同污染源排放强度相差较大，其主要受自然环境等外部环境的影响。其中，农业用地对排放强度的影响中安阳市最大(10.80 kg/hm2，占比7.9%)，三门峡市最小为(2.80 kg/hm2，占比2%)；畜禽养殖对氨氮排放强度的影响中许昌市最大(16.13 kg/hm2，占比8.6%)，济源市最小(4.04 kg/hm2，占比2.2%)；农村人口对排放强度的影响中漯河市最大(11.78 kg/hm2，占比8.4%)，三门峡市最小(2.34 kg/hm2，占比1.7%)。不同污染源类型对非点源氨氮排放强度的影响不同。畜禽养殖对氨氮排放强度影响最大，农村人口生活影响次之，农业用地对氨氮排放强度影响最小，影响分布情况详见图3。

图3 不同污染源氨氮排放强度分布情况Fig.3 Different pollution sources of ammonia nitrogen emissions intensity distribution

河南省各地市农业非点源污染氨氮排放强度的分布差异情况绘成地图，如图4所示。

图4 河南省农业非点源氨氮排放强度空间分布图Fig.4 Spatial distribution of non-point sources of ammonia nitrogen emissions intensity in Henan Province

由图4知，河南省东北部的氨氮排放强度偏高，西南部氨氮排放强度相对较小，氨氮排放强度较大的是漯河、许昌、开封等市，较小的是三门峡和洛阳市。排放强度较大的主要集中在河南省的东部，由东向西呈减弱趋势，其空间分布差异相对明显。造成氨氮大排放强度集中分布的主要原因是河南省东部人口数量较多，生产生活活动丰富多样，农村环境污染意识较弱；另外东部畜禽养殖业较多，对氨氮负荷排放影响较大，如漯河市、许昌市、开封市。

4 结 语

本文采用输出系数法计算2013年河南省18个地市农业非点源氨氮负荷，并结合ArcGIS技术分析其空间分布特征，主要结论如下：

(1)2013年河南省农业非点源污染氨氮负荷381 862.18 t，周口市最大，济源市最小；不同污染源类型对氨氮负荷的贡献率为：畜禽养殖﹥农业用地﹥农村生活>天然降雨，降雨产污较小，忽略不计，氨氮负荷分布受畜禽养殖业发达程度和土地利用程度影响较大。

(2)2013年河南省农业非点源污染氨氮排放强度468.87 kg/hm2，漯河市最大，三门峡市最小；不同污染源类型对氨氮排放强度的贡献率大小顺序为：畜禽养殖﹥农村人口﹥农业用地，氨氮排放强度受人口密集度、畜禽养殖业发达程度影响较大。

(3)畜禽养殖对氨氮负荷及氨氮排放强度的影响较大，是氨氮污染的主要来源；两者在空间分布上有很明显的差异性，各污染源对氨氮负荷与氨氮排放强度的贡献规律在各地市相似，表明了农业生产活动和农村生活对环境影响的一致性。

(4)合理安排种植结构和林、园地占比，强化农业用地管理，降低污染物输出系数，减少污染物输出；加大农业和农村生活污染的管理措施；加强畜禽养殖污染的管理力度，最大程度的降低氨氮负荷污染。

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[1] 李丽华, 李强坤. 农业非点源污染研究进展和趋势[J]. 农业资源与环境学报, 2014,(1):13-22.

[2] 王少丽, 王兴奎, 许 迪. 农业非点源污染预测模型研究进展[J]. 农业工程学报, 2007,23(5):265-271.

[3] 刘 庄, 晁建颖, 张 丽,等. 中国非点源污染负荷计算研究现状与存在问题[J]. 水科学进展, 2015,26(3):432-442.

[4] 刘瑞民, 何孟常, 王秀娟. 大辽河流域上游非点源污染输出风险分析[J]. 环境科学, 2009,30(3):663-667.

[5] 刘亚琼, 杨玉林, 李法虎. 基于输出系数模型的北京地区农业面源污染负荷估算[J]. 农业工程学报, 2011,27(7):7-12.

[6] 李 娜, 韩维峥, 沈梦楠,等. 基于输出系数模型的水库汇水区农业面源污染负荷估算[J]. 农业工程学报, 2016,32(8):224-230.

[7] 林秀春, 张宇, 江明坤. 萩芦溪流域农业面源污染负荷研究[J]. 中国水土保持, 2013,(8):50-53.

[8] 薛利红, 杨林章. 面源污染物输出系数模型的研究进展[J]. 生态学杂志, 2009,28(4):755-761.

[9] Norvell W A, Frink C R, Hill D E. Phosphorus in Connecticut lakes predicted by land use.[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1979,76(11):5 426-5 429.

[10] 柯 珉, 敖天其, 周 理,等. 基于输出系数模型的西充河流域(西充县境内)面源污染综合评价[J]. 中国农村水利水电, 2014,(3):20-24.

[11] 马广文, 王业耀, 香 宝,等. 松花江流域非点源氮磷负荷及其差异特征[J]. 农业工程学报, 2011,(S2):163-169.

[12] 杨会改, 罗 俊, 刘春莉,等. 湖库型乡镇饮用水水源地非点源污染控制研究[J]. 中国农村水利水电, 2014,(11):63-67.

[13] Johnes P J. Evaluation and management of the impact of land use change on the nitrogen and phosphorus load delivered to surface waters: the export coefficient modelling approach[J]. Journal of Hydrology, 1996,183(3-4):323-349.

[14] 陈媛媛, 李坤望. 开放条件下工业污染物排放强度影响因素分析[J]. 上海财经大学学报, 2010,(4):92-99.

[15] 王 超, 张 洪, 唐文忠,等. 海河流域主要污染物排放强度及其源结构解析----以2007年为例[J]. 环境科学学报, 2015,35(8):2 345-2 353.

[16] 应兰兰, 侯西勇, 路 晓,等. 我国非点源污染研究中输出系数问题[J]. 水资源与水工程学报, 2010,21(6):90-95.

[17] 周 亮, 徐建刚, 孙东琪,等. 淮河流域农业非点源污染空间特征解析及分类控制[J]. 环境科学, 2013,34(2):547-554.

[18] 杨育红, 于福荣, 刘中培. 长春市新立城水库氮磷污染源与污染负荷分析[J]. 云南农业大学学报, 2013,28(5):697-701.

[19] 沈善敏. 中国土壤肥力[M]. 北京：中国农业出版社, 1998.

[20] 郑丙辉, 王丽婧, 龚 斌. 三峡水库上游河流入库面源污染负荷研究[J]. 环境科学研究, 2009,22(2):125-131.

[21] 高祥照. 肥料实用手册[M]. 北京：中国农业出版社, 2002.