河南省农业面源污染负荷估算及区划

2018-05-05彭舜磊王梓臣耿庆玲

水土保持研究 2018年1期

彭舜磊, 李鹏, 王梓臣, 耿庆玲

(1.平顶山学院化学与环境工程学院, 河南平顶山 467000; 2.平顶山学院旅游与规划学院, 河南平顶山 467000)

根据第一次全国污染普查报告，我国农业污染源中的CODCr，总氮和总磷排放量分别占总污染物排放量的43.71%，57.19%，67.27%，是我国水环境污染物主要来源[1]。目前农业面源污染是导致地表水富营养化、地下水硝酸盐超标的主要原因，对区域水环境造成严重威胁[2]。估算面源污染的方法很多，可总结为4类：断面实测总负荷减去点源负荷的方法、水文估算法、数学模型估算法和输出系数法[3]。前两种方法由于流域汇流复杂，面源污染物与点源污染物难以区分，实际应用困难。很多学者基于当地流域面源污染物的迁移物理过程建立了不同的数学估算模型，对不同自然条件下的流域面源污染进行了估算[4-7]，但是由于受农业数据可获得性和水文资料缺失与否的直接影响，涉及参数过多，计算复杂，不适合大尺度区域面源污染估算。输出系数法巧妙避开了氮、磷元素迁移过程产生的复杂计算，直接建立土地利用状况与面源污染负荷的关系，利用容易获取的土地利用类型数据，就可以直接估算区域的污染物总负荷，计算简单且具有可靠性[8]。Johnes等学者1996年在输出系数模型中加入了牲畜、人口等因素，建立了更为完善的输出系数模型[9]。Johnes输出系数模型所需要的参数少且易获取，计算简单，精度较高，适合大尺度区域农业面源污染的估算，因此得到广泛应用[10-14]。

在运用Johnes输出系数模型估算面源污染物负荷时，确定合理的输出系数是科学估算的关键。输出系数受多种因素影响，引起农业面源污染的因素一般归纳为3类：农业用地、畜禽养殖和农村生活污水及废弃物[8]。面源污染的输出系数一般通过试验的方法确定[11-14]。如果本地缺乏输出系数实测数据，农业用地的污染物输出系数通过文献调研，采用相似自然条件下临近几个区域输出系数实测值的平均值确定[8,15-17]，畜禽养殖和农村生活污水和废弃物输出系数分别采用环保部推荐的排泄系数和人口输出系数[8,10,15-17]。

河南省是我国农业大省，农业面源污染形势十分严峻。然而，关于河南省的农业面源污染估算研究相对较少，河南省农业面源污染现状、空间格局以及污染来源如何？这些问题鲜有文献报道。本文以河南省18个地市为核算单元，依据《2015年河南统计年鉴》中的2014年数据，分析河南省农业农村面源污染的分布特点及成因，并对农业面源污染进行科学区划，提出治理对策，旨在为美丽河南建设和新农村环境整治以及流域水污染治理提供科技支撑。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区概况

河南省地理位置为东经110°21′—116°39′，北纬31°23′—36°22′，地处我国华中地区，土地总面积为16.55万km2，辖18个地市。气候为典型的大陆性季风气候，年均降水量800 mm左右。横跨黄、淮、海、长江四大水系，1 500多条河流横贯其中。北部、西部和南部主要为丘陵和山地，东部和中部为广袤的平原，是全国重要的粮食主产区[18]。

1.2 农业面源污染输出系数模型

农业面源污染输出系数模型[8]计算公式

(1)

式中：Tj为污染物总负荷量[kg/(hm2·a)]；Ai为污染物在该土地利用类型中的输出系数(kg/hm2)或第i种畜禽每头排泄系数(kg/a)或人口每人输出系数(kg/a)等共m种；Pi为研究区域中土地利用类型的面积(hm2)或第i种牲畜数量(头)或人口数量(人)等共m种。

1.3 输出系数取值

农业土地类型、畜牧养殖以及农村生活是农业面源污染产生的因素[8]。河南省是农业大省，农业用地以耕地为主[19-21]，因此，在农业土地利用类型中，我们仅考虑耕地面积。鉴于河南省没有输出系数的实测数据，农业用地的输出系数参考国内相似自然条件下其他区域的研究成果，并取其平均值[8,14-16]；畜禽养殖和农村生活部分的面源污染物输出系数分别采用国家环保总局推荐的排泄系数和人口输出系数[22]。畜禽养殖业的总氮和总磷输出系数分别取为各自排泄系数的10%[8,22]。各输出系数取值见表1。

表1 农业用地、畜禽养殖和农村生活输出系数取值

1.4 数据来源

在估算和分析河南省农业面源污染负荷时需要用到的数据有河南省各地市耕地面积、农村人口数量以及牛、猪、羊和家禽数量，这些数据通过查阅《2015年河南统计年鉴》获取[23]。

1.5 面源污染区划方法

首先用R软件中的scale函数对各市农业面源污染的总氮和总磷污染负荷进行标准化，然后采用Kmeans均值聚类方法对河南省农业面源进行聚类，聚类最优簇数采用不同Kmeans均值聚类簇数个数的贡献率，以贡献率变化稳定时对应的簇数作为最优分类簇数，最优分类簇数作为区划的分区个数。用R软件做Kmeans均值聚类和最优簇数划分，用ArcGIS 10.2做河南省农业面源污染区划。

2 结果与分析

2.1 河南省各市农业面源污染特征

2.1.1 各地市总氮总磷负荷量表2和表3是2014年河南省各市不同污染源类型产生的农业面源污染物总氮和总磷的负荷量。全省平均的总氮负荷量是总磷负荷量的6.7倍。空间分布上看，南阳、驻马店、周口、商丘和信阳的农业面源污染总氮和总磷负荷量都很高。这些地区耕地面积大，农业人口比较多，农业化程度相对较高。相比较之下，三门峡、鹤壁、济源三市的农业人口和农业用地总面积都比较少，因此农业面源污染总量比较低。河南省耕地、畜禽养殖业面源污染物总氮和总磷负荷的贡献率都较高：耕地和畜禽养殖业总氮负荷量的贡献率分别为47.79%和28.69%，对总磷负荷的贡献率分别为32.95%和50.95%。其中南阳、驻马店、信阳、周口、商丘五市的农业面源污染总氮和总磷之和分别占全省总氮、总磷的52.92%和52.41%。

2.1.2 不同污染源类型对总氮总磷负荷量的贡献由表4可知，耕地对总氮的输出贡献率接近半数，这三种污染源类型总氮负荷量贡献率的大小顺序为：耕地>畜禽养殖>农村生活。畜禽养殖业的总磷负荷贡献率明显大于耕地和农村生活的贡献率。三种污染源类型总磷负荷贡献率的大小顺序为：畜禽养殖>耕地>农村生活。说明目前河南省耕地和畜禽养殖对面源污染物分别对总氮和总磷的贡献最大。因此为了减少农业环境污染，科学施肥合理密植，发展循环农业，无害化处理畜禽粪便是非常重要的举措。除此之外，农村生活所占氮、磷总负荷比重也不小，农村地区污水和生活垃圾的处理也必须尽快采取相应的措施。

表2 2014年河南省农业面源污染物总氮负荷量 kg/a

2.2 各市农业面源污染总氮、总磷分布格局

将表2，表3的数据导入ArcGIS，根据河南省的行政区划，生成河南省各地市面源污染总氮、总磷分布格局(图1和图2)。表4是2014年河南省各地市不同污染源类型对总氮、总磷负荷量的贡献率。由图1，2可知，南阳、驻马店两市的总氮、总磷的负荷量最高，耕地和畜禽养殖对其总氮、总磷负荷贡献率很高，充分说明了两市耕地面积大，规模化的大型养殖是造成两市总氮、总磷的负荷量高的主要原因(表4)。周口、商丘、信阳三市总氮、总磷的负荷量也是比较高的，耕地对这三个地市的总氮、总磷负荷量贡献率最高。表4还表明，耕地依然是河南省各市农业面源污染的重要组成部分，同时畜禽养殖对河南省农业面源污染造成十分显著的影响，尤其是在总磷的负荷量上，各市畜禽养殖的对总磷贡献率均超过了耕地。所以由大规模畜禽养殖业而产生环境污染必须要格外关注，并尽快采取措施。

表3 2014年河南省农业面源污染物总磷负荷量 kg/a

图12014年河南省各市农业面源总氮负荷量空间分布图22014年河南省各市农业面源总磷负荷量空间分布

2.3 河南省农业面源污染区划

最优分类聚类簇数分析结果表明，河南省农业面源污染聚类，分为5类，解释率达到97%，当分类簇数大于5时，解释率的变化趋势趋于平稳，因此河南省面源污染可以区划为5种类型(图3)。南阳市和驻马店市为重度污染区，周口市、商丘市和信阳市为较重度污染区，新乡市、安阳市、洛阳市、开封市、平顶山市、许昌市、郑州市为中度污染区，三门峡市、鹤壁市、焦作市、漯河市、濮阳市为较轻污染区，济源市为轻度污染区(图4)。

表4 2014年河南省各地市不同面源污染类型对总氮、总磷的贡献率 %

图3聚类簇数分析图

图42014年河南省农业面源污染区划

3 结论与讨论

本文使用输出系数模型法，估算了河南省2014年农业面源污染物总氮和总磷负荷量。2014年河南省农业面源污染物总氮和总磷负荷量分别是3.87×105和5.73×104t/a。各地市的农业面源污染物总氮和总磷负荷量差异较大，南阳、驻马店、信阳、周口、商丘五市的总氮和总磷负荷量较大，农业面源污染总氮和总磷之和占全省总氮、总磷的52.92%和52.41%。

最优分类聚类簇数分析结果表明，河南省农业面源污染可以区划为5种类型：南阳市和驻马店市为重度污染区，周口市、商丘市和信阳市为较重污染区，新乡市、安阳市、洛阳市、开封市、平顶山市、许昌市、郑州市为中度污染区，三门峡市、鹤壁市、焦作市、漯河市、濮阳市为较轻污染区，济源市为轻度污染区。

耕地依然是河南省各市农业面源污染来源的重要组成部分，同时畜禽养殖对河南省农业面源污染造成十分显著的影响，尤其是在总磷的负荷量上，各市畜禽养殖的对总磷贡献率均超过了耕地。因此为了减少农业面源污染，科学施肥、发展循环农业和无害化处理畜禽粪便是关键举措[24-25]。此外，农村地区污水和生活垃圾的处理也必须尽快实施。

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