北京市农业面源污染负荷特征分析及控制分区

2020-07-22谢培宫健陈诚

环境工程技术学报 2020年4期

谢培，宫健,陈诚

1.环境基准与风险评估国家重点实验室，中国环境科学研究院 2.首都师范大学资源环境与旅游学院

在城镇化大背景下，水环境中来自城市和工业点源的污染问题逐步得到解决，而农业面源污染由于具有来源广泛性、随机性、排放不确定性、时空分布不均性，已经成为我国当前水环境污染的重要原因之一[1-2]。进行农业面源污染源解析，准确掌握农业面源污染负荷，并开展面源污染控制区划具有重要意义。已有学者对太湖流域[3]、三峡库区[4]、密云水库流域[5-6]等的农业面源污染进行了定性和定量研究，围绕污染负荷估算和空间分布特征[7]、评价方法及源解析[8-9]、污染类型划分及防治[10-11]等开展了研究。污染负荷主要的估算方法包括监测法[12]、输出系数法[13]、清单分析法[14]及模型模拟法[15]等，通常根据研究区数据资料的完整程度加以选择。其中，清单分析法具有简单、方便、易于操作和实用等优点，适用于不同尺度区域污染负荷核算，已得到了广泛的应用[16]。

大量文献调研发现，北京市各区自然环境和经济社会发展各具特色，农业面源污染特征差异较大。由于调查难度大，已有对北京市农业面源污染的研究多集中于小流域，对整个北京市农业面源污染时空特征的研究相对缺乏。笔者运用清单分析、等标负荷和聚类分析等研究方法，在区级尺度上对北京市农业面源污染负荷及其空间特征、污染分类控制等进行综合研究，确定各区主要污染源、污染物与污染空间分布特征，并进行面源污染控制二级分区，以期为北京市农业面源污染防治提供参考。

1 数据来源与处理方法

1.1 研究区概况

北京市地处海河流域，位于华北平原北部，毗邻渤海湾，总面积为16 410.54 km2，其中山区面积为10 418 km2，约占全市总面积的62%。属暖温带半湿润季风型大陆性气候区，多年平均降水量为595 mm，人均水资源较为缺乏；地势西北高东南低，过渡较为急剧；土壤类型主要为褐土和潮土，地带性植被类型为落叶阔叶林。境内有北运河、潮白河、大清河、永定河、蓟运河五大水系及密云水库，长期以来高强度的工农业生产造成地表水水质恶化，其中北运河、潮白河水系部分河段污染较为严重。北京市下辖16个区，其中朝阳、丰台、海淀、房山、通州、顺义、昌平、大兴、门头沟、怀柔、平谷、密云、延庆这13个区涉及农业，2016年农村人口为291.7万人，农业总产值为145.2亿元；北京市各郊县种植面积较大，农业生产发达，2016年粮食播种面积为87 328.7 hm2，粮食产量达54.17万t。

1.2 数据来源

北京市涉及农业的13个区的基础数据包括国土面积、耕地面积、地表水资源量、农作物产量、农作物播种面积、乡村人口数、畜禽养殖产量等来自《北京统计年鉴2016》[17]、《北京区域统计年鉴2016》[18]。

1.3 数据处理方法

1.3.1污染负荷估算方法

采用清单分析法建立产排污清单，以此估算各类污染源的污染物排放量，具体计算公式如下：

E=∑SUi×ρi×LCi

(1)

式中：E为进入水体的农业面源污染物总氮(TN)、总磷(TP)、化学需氧量(COD)的排放总量，t/a；SUi为i污染单元污染物产生基数，t/a；ρi为i污染单元产污强度系数；SUi×ρi表示污染单元农业面源污染物产生量，即不考虑资源综合利用和管理因素时农业生产和农村生活造成的最大潜在农业面源污染物产生量，t/a；LCi为考虑资源综合利用和管理因素时i污染单元污染物排放系数。上述参数通过相关文献[19-23]分析并结合北京市典型区域内的调研结果确定。

1.3.2污染负荷特征分析

采用等标污染负荷衡量各类污染物(TN、TP、COD)或污染源对环境潜在污染能力的大小，以确定主要污染源或污染物。计算公式如下：

Pj=Cj/C0

(2)

式中：Pj为污染物j的等标排放量，m3；Cj为污染物j的绝对排放量，t/a；C0为污染物j基于水环境功能分区的水质目标控制类别(GB 3838—2002《地表水环境质量标准》)标准值，mg/L。

等标污染指数指以各地区污染源的等标排放量除以该地区地表水资源量，用以反映该地区水体存在的潜在污染程度。等标污染指数参照文献[24]进行计算，公式如下：

Mj=PjV

(3)

式中：Mj为污染源或污染物j的等标污染指数；V为地表水资源量，m3。

等标相对排放系数的大小可以反映农业面源污染的排放强度，基于耕地面积、农村人口以及农业产值计算北京市5类农业面源污染源(化肥施用、作物秸秆、畜禽养殖、水产养殖、农村生活)的等标相对排放系数。不同污染源等标相对排放系数的计算公式如下：

QI=QabS

(4)

式中：QI为第a区第b类污染源的等标相对排放系数，t/(km2·a)；Qab为第a区第b类污染源的等标绝对排放量，t/a；S为第a区的耕地面积，km2。

2 结果与讨论

2.1 北京市农业面源污染负荷及空间分布

2.1.1农业面源污染源负荷估算

北京市5类农业面源污染源TN、TP、COD排放量及占比如表1所示。由表1可知，北京市农业面源污染物TN、TP、COD的总排放量分别为18 169.00、2 668.45和70 211.10 t/a。农村生活为COD的主要来源，其次为畜禽养殖、作物秸杆；畜禽养殖、农村生活和化肥施用为TN的主要来源；农村生活为TP的主要来源，其次是畜禽养殖，这与TN的来源排放特征较为一致。与上海市农业面源污染源排放特征[11]相比，北京市农业面源TP排放量低于上海市(4 400 t/a)，而TN排放量高于上海市(11 300 t/a)。2016年北京市城市生活污水COD排放量为79 396 t/a，工业废水COD排放量为4 738 t/a[17]，而农业面源污染COD排放量约占北京市COD总排放量的45.49%，可见农业面源污染负荷排放对水体的贡献很大。

表1 北京市5类农业面源污染源TN、TP、COD排放量及占比

2.1.2农业面源污染负荷空间分布

北京市13个区农业面源污染物TN、TP与COD排放量及占比见表2，由地理信息系统(GIS)软件做出污染物排放量空间分布如图1所示。

由表2、图1可知，13个区农业面源污染负荷呈现出较强的区域分异特征。从污染物排放总量来看，北运河水系周边，潮白河下游段和大清河水系附近的房山、通州、顺义、大兴、平谷等区较高，合计占北京市农业面源污染排放总量的50%以上。从污染物排放空间分布来看，北运河和永定河水系周边的通州、顺义、大兴区的TN排放量较高；COD排放量高值区主要集中分布在永定河水系、北运河周边、潮白河下游段、蓟运河水系附近，包括房山、通州、顺义、大兴、平谷区；TP排放量低值区出现在丰台、朝阳、海淀、门头沟区，高值区出现在顺义、通州、大兴、平谷区。

表2 北京市13个区农业面源污染物TN、TP、COD排放量及占比

(续表2)

图1 北京市13个区农业面源污染物TN、TP及COD排放量空间分布Fig.1 Spatial distribution of TN, TP and COD emissions from agricultural NPS in 13 districts of Beijing City

2.1.3不同污染源绝对排污贡献率

北京市13个区农业面源污染物TN、TP、COD不同污染源排放占比如图2所示。由图2结合表1可知，畜禽养殖、农村生活对农业面源中TN和COD的排放贡献率均较高。从TN来看，畜禽养殖、农村生活和化肥施用是主要来源，朝阳、丰台、海淀、昌平、门头沟等区TN排放主要来自农村生活；从TP来看，农村生活和畜禽养殖是主要来源，朝阳、丰台、海淀、昌平、门头沟等区TP排放主要来自于农村生活；从COD来看，农村生活、畜禽养殖和作物秸秆是主要来源，丰台、海淀、朝阳、门头沟等区的COD排放几乎全部来自于农村生活，占比均超过80%。除平谷和朝阳区水产养殖对TN和TP排放量贡献较高外，其他各区水产养殖对COD、TN、TP的排放贡献率均较小。顺义、通州、大兴、怀柔、延庆等区TN排放主要来自化肥施用和畜禽养殖，这与王磊等[25]指出的顺义、大兴、通州等区的化肥污染风险较高的结果相一致。

图2 北京市13个区农业面源污染物TN、TP及COD不同污染源排放贡献率Fig.2 Discharge contribution rate of TN, TP and COD of agricultural NPS from different pollution sources in 13 districts of Beijing City

2.2 北京市农业面源污染负荷分析

2.2.1等标负荷特征

北京市农业面源污染物TN、TP、COD的等标排放量与等标排放比如表3所示。由表3可知，北京市农业面源的主要污染物为TN和TP，其等标排放量分别为1 5176.15和9 393.78 t/a，分别占农业面源污染物等标排放量的55.15%和34.14%，远高于COD的等标排放量。等标排放量、等标排放比大小均为畜禽养殖>农村生活>化肥施用>水产养殖>作物桔杆。可见，北京市农业面源主要污染源为畜禽养殖、农村生活、化肥施用，其等标排放比分别为33.30%、27.33%和19.55%，三者累计污染负荷比高达80%以上。

表3 北京市农业面源污染物的等标排放量与等标排放比

北京市13个区农业面源不同污染源的等标排放量、等标排放比分别如表4、表5所示。由表4可知，北京市13个区农业面源等标排放量平均为2 243.40 t/a，其中朝阳、丰台、海淀、门头沟、怀柔5个区的等标排放量低于北京市的平均水平，丰台区的等标排放量最小，为77.18 t/a；顺义区的等标排放量最大，为4 283.43 t/a。由表5可知，北京市13个区化肥施用、农村生活、畜禽养殖、水产养殖、作物秸秆的等标排放比平均值分别为17.30%、9.24%、28.06%、10.98%、35.05%，其中畜禽养殖和农村生活的等标排放比最大。从等标排放比来看，各区的农业面源污染来源差异较大，呈现不同的来源特征：海淀、门头沟这2个区的农业面源污染主要来自农村生活，其等标排放比分别为53.68%、73.65%；顺义、怀柔、密云、平谷、延庆等区的农业面源污染主要来自于畜禽养殖、农村生活，二者的等标排放比之和达50%以上；通州、大兴等区的农业面源污染主要来自于农村生活、化肥施用，二者的等标排放比超过50%。

表5 北京市13个区农业面源不同污染源的等标排放比

表4 北京市13个区农业面源不同污染源的等标排放量

2.2.2污染源排放强度

尽管等标排放量可以将不同污染物在同一尺度上进行比较，但它考虑的仍然是污染负荷总量。农业面源污染受区域大小、农村人口、农业产值等因素的影响，采用基于耕地面积的等标相对排放系数更能体现农业面源污染排放强度的可比性[26-28]。计算出北京市基于单位耕地面积的等标相对排放系数为3.14 t/(km2·a)，由此计算北京市不同污染源的等标相对排放系数，结果如表6所示。由表6可知，北京市5类污染源的等标相对排放系数表现为农村生活>畜禽养殖>化肥施用>水产养殖>作物秸秆，农村生活的等标相对排放系数最大，为主要污染源，其次为畜禽养殖。可见，在排除了区域耕地面积对农业面源污染物绝对等标排放量的影响后，北京市农业面源主要污染源为农村生活和畜禽养殖。

表6 北京市13个区基于耕地面积的不同污染源的等标相对排放系数

2.2.3等标污染指数

北京市13个区农业面源污染源和污染物的等标污染指数分别如图3、图4所示。由图3可知，5类污染源等标污染指数平均值以农村生活为最高，作物秸秆为最低。各区的等标污染指数差异较大，农村生活的等标污染指数在房山区最高，达6.95；化肥施用等标污染指数在通州、房山、顺义、延庆、大兴等区较高，分别为3.18、3.14、2.79、2.35、2.33；畜禽养殖等标污染指数在房山、顺义、平谷等区较高，分别为6.80、5.97、4.86；水产养殖等标污染指数在平谷区最高，达2.13，水产养殖和作物秸秆的等标污染指数在各区均较低。由图4可知，TN、TP、COD的等标污染指数的平均值分别为4.22、3.19、0.87。各区TN、TP、COD的等标污染指数均以房山区为最大，分别为9.82、7.51、2.10。通州、房山、顺义、大兴、平谷、延庆等区的TN、TP、COD的等标污染指数均超过全市平均水平，属于污染程度较为严重的地区。

图3 北京市13个区农业面源污染源的等标污染指数Fig.3 Equivalent pollution index of agricultural NPS pollution sources in 13 districts of Beijing City

图4 北京市13个区农业面源污染物的等标污染指数Fig.4 Equivalent pollution index of agricultural NPS pollutants in 13 districts of Beijing City

2.3 北京市农业面源污染空间特征及控制分区

对北京市13个区农业面源污染等标污染指数进行空间聚类分析，结果如图5所示，由GIS软件做出北京市农业面源污染风险程度分区如图6所示。由图5、图6可知，将北京市农业面源污染风险程度划分为3个等级，分别为高度、中度、轻度风险区。高度风险区集中分布在北京市通州、顺义、房山和平谷区，其平均等标污染指数为15.33；中度风险区主要分布在大兴、延庆、昌平、怀柔、密云区，其平均等标污染指数为7.71；低风险区分布在朝阳、丰台、门头沟、海淀区，其平均等标污染指数为1.98。

图5 北京市13个区农业面源污染风险评价聚类分析Fig.5 Cluster analysis of agricultural NPS pollution risk assessment in 13 districts of Beijing City

图6 北京市农业面源污染风险程度分区Fig.6 Risk zoning of agricultural NPS pollution in Beijing City

基于一级风险分区结果，为实现污染风险分级控制和污染源的分类管理，结合各区农业面源主要污染源类型(表5)，进行农业面源污染的二级分区，结果如表7所示。由表7可知，北京市农业面源污染控制可分为3个一级区和8个二级区(表7)。

表7 北京市农业面源污染控制分区

2.4 北京市农业面源污染控制对策

2.4.1农村生活污染型控制对策

由农村生活引起的农业面源污染覆盖北京市大部分郊区，这些区域地势起伏，乡村人口众多，聚居地分布较为分散，没有完善的排污管网设施；并且农村居民的水环境保护意识淡薄，污水和生活垃圾随意排放或丢弃现象严重。因此，应加快农村地区污水处理厂建设，因地制宜地规划建设污水处理厂，建厂规模应与乡村规模和人口总量相匹配，同时建设配套污水管网，确保污水主管网全覆盖；加快推进农村改厕工作，结合末端集中治污，推广和实施绿色乡村清洁工程建设，加快农村生活污水及废物的资源转化与综合利用。

2.4.2畜禽养殖污染型控制对策

北京市大部分区的畜禽养殖业较为发达，为北京市农业面源污染贡献率最高的污染源类型，尤其是北部和中部(顺义、房山、密云、平谷、昌平、怀柔等区)地区的畜禽养殖污染物排放量大。因此，应建立改善畜禽污染、促进畜牧业持续发展的良性养殖机制预防和治理畜禽养殖污染。相关职能部门应通过各种科普形式，宣传引导养殖户科学养殖，重点建设循环养殖链，实行清洁养殖、生态养殖，促进农村畜禽养殖场污染的减量化和资源化，实现集中统一处置。

2.4.3农田化肥污染型控制对策

北京市农田主要分布在通州、延庆、顺义、大兴等区，约占全市面积的34.30%。由于种植面积较大，农田化肥施用强度高及施用比例不合理，农产品种植结构与布局不规范，而农田化肥的有效利用率较低，造成农田土壤中肥料养分流失率较高。可实行测土配方施肥，提前测试分析土壤肥力状态，按照农田作物产量和作物生长的营养物质需要，决定施用肥料的种类和数量。另外，应根据土壤性质和肥料的特点，合理选择施肥方式，大范围普及农田测土配方施肥技术和土壤有机质提升技术，制定合理的施肥方式，精确施肥，保证化肥施用效力最大化和化肥养分流失最小化。