农业面源污染负荷估算及控制对策研究

臧梦圆，李颖

(山东农业大学经济管理学院(商学院)，山东 泰安 271018)

农业面源污染已经成为破坏生态环境不可忽视的问题，其破坏机理主要是在农业生产过程中，化肥、农药及其它有机或无机物等污染源, 在降水或灌溉过程中通过农田地表径流、农田排水和地下渗漏产生的各种污染物分散地在生物圈层内扩散[1]。由于其污染广阔性和不确定性，在世界范围内对生态环境的良性循环和人类生活的健康保障造成严重危害[1]。 在我国，对农业面源污染的防控已经成为继点源污染防控之后的又一个重要防控点，各级政府已将防控农业面源污染问题提到日事议程。

农业面源污染问题，自20世纪60年代就引起了世界各国学者的重视，研究主要集中在各流域的农业面源污染负荷估算、方法改进以及污染管控上[2]。德国和菲律宾采用改进后的模型，更好地估测农业面源污染负荷，为政府制定政策提供依据[3，4]。土耳其运用遥感、GIS等技术，评估农业面源污染对滨海流域的破坏[5]。在我国，自20世纪80年代起就有研究者对农业面源污染开始估算和评价[6]，重点对太湖流域[7]、湘西流域[8]、三峡库区[9，10]、丹江口流域[11]等地的农业面源污染进行了估测。估测模型主要有输出系数模型、模糊两阶段随机模型、多尺度空间优化模型等，研究的领域也不断拓展。对于影响农业面源污染的因素和估算方法，张智奎[12]、钱秀红[13]等对各污染源的排污标准和排污系数进行了评价界定；彭里[14]、周媛媛[15]等针对畜禽排污量估算方法和区域分布进行了研究；钱晓雍等[16]通过等标污染负荷法，对不同农业面源污染来源产生的污染物排放量及其贡献率进行了评价阐述。叶春等[17]利用GIS技术对化肥和农药施用所造成的污染进行时空分布研究。从已有文献中可以看出，对于农业面源污染物的估算，大多应用面源污染输出系数模型，根据现有的统计数据描述流域内的产污过程。

在研究地区的选择方面，威海市作为山东省唯一的全国“无废城市”建设试点城市，具有农业面源污染治理的示范作用。 2018年6月12日，习近平总书记视察威海，提出了“威海要向精致城市方向发展”的殷切嘱托。两年多来，威海市把总书记的嘱托作为总目标，积极推进“精致城市·幸福威海”建设，加快营造生态宜居空间。基于此，本文选定山东省威海市作为研究对象，从农林牧副渔大农业的角度，针对当前农业面源污染物排放量和强度等问题进行分析，采用面源污染输出系数模型对污染源产生的化学需氧量、总氮、总磷进行负荷估算，以期为之后农业面源污染治理提供科学依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究方法

1.1.1 农业面源污染负荷估算基础模型的选取 Johns输出系数模型在农业面源污染负荷的估算中有其独特的价值[18]。本研究采用该模型作为基础模型[19]，具体估算公式如下：

(1)农作物秸秆污染源排放量指标，用农作物秸秆排放量来表示，即农作物秸秆排放量=作物产量×折算系数×(1-秸秆利用率)×污染物平均含量×入河系数。

(2)禽畜养殖污染源排放量指标，用畜禽养殖排污量来表示，即畜禽排污量=出栏数×排泄系数×污染物平均含量×(1-畜禽粪尿利用率)×入河系数。

(3)农村居民生活污染源排放量指标，用生活污染排放量来表示，即人粪尿、生活污水和生活垃圾三种排污量的总和。人粪尿排污量=乡村人口×每人每年产污量×(1-粪尿处理率)×入河系数；生活污水排污量=乡村人口×每人每年产污量×(1-生活污水处理率)×入河系数；生活垃圾排污量=乡村人口×每人每年产污量×(1-生活垃圾处理率)×入河系数。

(4)水产养殖污染源排放量指标，用淡水养殖排放量来表示，即水产养殖排污量=淡水养殖面积×排污系数×入河系数。

(5)化肥污染源排放量指标，用氮肥和磷肥排放量来表示。即氮肥排放量=(氮肥+磷肥×0.185+复合肥×0.325)×0.7×20%；磷肥排放量=(磷肥+复合肥×0.514)×43.66%×0.89×15%。需要说明的是，由于化肥对土壤的影响主要是总氮(TN)、总磷(TP)的排放量，根据对氮肥和磷肥流失的定点试验研究[20]，复合肥氮∶磷(P2O5)的养分比取0.325∶0.514，磷肥折纯量需乘以系数43.66%才可得TP量[21]。

1.1.2 农业面源污染等标排放量测算 为了消除各种污染物排放标准不统一导致无法衡量污染程度的矛盾，采用了等标负荷法，即对实物排放量，按照GB3838—2002中的Ⅲ类标准，计算出等标排放量。公式如下：

(1)

其中Qi为i污染物的排放量(t·a-1)；Si为评价标准。化学需氧量COD取值为20 mg·L-1，TN取值为1 mg·L-1，TP取值为0.2 mg·L-1[22]。

1.2 数据来源

威海是山东省地级市，面积5 798 km2，海岸线长986 km，2019年常住人口283.6×104人。辖环翠区、文登区、荣成市、乳山市，设有高新技术产业开发区(高技区)、经济技术开发区(经技区)、临港经济技术开发区三个国家级开发区。拥有耕地面积19.37×104hm2。2019年实现农林牧渔业及辅助性活动总产值528.4×104万元，粮食产量57.97×104t，水果产量117.12×104t，肉类总产量19.08×104t，水产品总产量269.97×104t。

本文选取2019年为研究年，以威海市所辖区市为基本单元。乡村人口、主要农作物产量、化肥、畜禽养殖和淡水养殖等方面的基础数据来自威海统计年鉴和农业统计报表。

1.3 污染源和污染物的选取

农业面源污染主要是造成水体富营养化，其贡献率大大超过来自城市生活污水的点源污染和工业的点源污染[23]。本文重点研究农业生产和农村居民生活造成的农业面源污染。从这个角度考虑，选取农作物秸秆、畜禽粪便、生活排污、水产养殖和化肥施用五类污染源作为估算对象。考虑数据的可获取性，重点分析COD、TN、TP三种污染物，其中TN、TP作为水体富营养物质。具体估算分类是：农作物秸秆污染估算选取小麦、玉米、豆类、薯类和花生的秸秆产量，根据其养分含量和流失系数估算三种污染物的排放量；畜禽养殖污染选取猪、牛、羊、家禽的年出栏数，根据其年排污系数，估算出三种污染物排放量；农村生活污染主要依据农村人口的人均排污系数分别估算人粪尿、生活污水和生活垃圾产生的三种污染物排放量；淡水养殖污染以养殖面积和单位面积的产污量估算三种污染物排放量；化肥用量主要选取氮肥、磷肥和复合肥折纯施用量，依据养分含量、流失污染系数估算三种污染物排放量。以上均来自《威海统计年鉴》2019年数据。

1.4 输出系数的选取

输出系数主要指排污系数和入河系数。由于农业面源污染受到污染来源和污染排放方式的影响很大，迄今还没有统一的排污系数和入河系数[24]。Johns曾在输出系数模型中综合考虑了不同土地利用类型、畜禽养殖数量的空间分布状况、农村居民的生活污水和生活垃圾排放及处理水平等不同污染源类型的输出系数，建立了更加完备的农业面源污染输出系数模型，减少了估算的参数量，更简便、更精确[21]。本研究结合当地实际，参考有关文献[13，21，25，26]，确定了农作物秸秆、畜禽养殖、水产养殖、农村居民生活、化肥施用量5个类别污染源的输出系数。

(1)农作物秸秆污染系数。威海市主要农作物有小麦、玉米、薯类、花生、豆类。农作物产量折算系数[25]和入河系数[13]见表1。

表1 农作物产量折算系数和入河系数

(2)畜禽养殖污染系数。本研究选取国家环保部规定的畜禽养殖污染系数，如表2所示。畜禽粪便中污染物平均含量则来源于南京环境科学研究所测定的太湖流域畜禽粪便污染研究结果，入河系数值取0.65。

表2 畜禽养殖污染系数

(3)农村居民生活污染系数。考虑当地实际，参考有关文献，确定了人粪尿、生活污水、生活垃圾的有关系数[13]，见表3。

表3 农村居民生活人均排污系数和入河系数

(4)水产养殖污染系数。水产养殖污染物主要是淡水养殖形成的，在确定污染物排放系数时以淡水养殖的鱼类为准，排污系数COD 745 kg·t-1，TN 101 kg·t-1，TP 11 kg·t-1[13]，入河系数值取1[24]。

(5)化肥污染系数。据有关调查研究，化肥利用率较低，大约只有30%～40%，而且农业肥料中氮肥利用率只有30%左右，磷肥利用率只有11%，其他部分都随着地表径流和渗漏等作用而流失掉[21]。基于此，本研究中氮肥流失系数取0.70，磷肥流失系数取0.89。对于入河系数，氮肥取0.20，磷肥取0.15[21]。

2 结果与分析

2.1 全市农业面源污染物实物排放量

根据公式计算得到2019年威海市农业面源污染物实物排放量2.18×104t，其中COD 1.07×104t、TN 0.83×104t、TP 0.28×104t，分别占49.0%、38.3%和12.7%。从污染源结构来看(表4)，5种污染源实物排放量最多的是畜禽养殖，实物排放量0.96×104t，占总量的44.3%，其中，COD 0.73×104t、TN 0.16×104t、TP 0.08×104t，分别占33.7%、7.1%和3.5%。其次是化肥，实物排放量0.82×104t，占总量的37.8%，其中TN 0.63×104t、TP 0.19×104t，分别占28.9%和8.9%。实物排放量最小的是农作物秸秆，仅占0.1%。5种污染源实物排放量大小的顺序是：畜禽养殖>化肥>淡水养殖>生活>农作物秸秆。

2.2 全市农业面源污染等标排放量

根据公式计算得到2019年威海农业面源污染等标排放量为2.27×1010m3，COD 0.05×1010m3、TN 0.83×1010m3、TP 1.38×1010m3。如表5所示，排放量最多的是化肥，等标排放量为1.6×1010m3，占70.5%，其中TN 0.63×1010m3、TP 0.97×1010m3，分别占27.74%和42.80%。其次是畜禽养殖，等标排放量0.57×1010m3，占25.2%，其中COD 0.04×1010m3、TN 0.16×1010m3、TP 0.38×1010m3，分别占1.62%、6.83%和16.72%。从污染物等标负荷比看，等标排放量中的TP指标排污量占据比较高的比重，达到60.95%。5种污染源等标排放负荷比的高低顺序是：化肥>畜禽养殖>淡水养殖>生活污染>农作物秸秆。

表4 威海市农业面源污染5种类别污染源实物排放量 (t)

畜禽养殖和化肥实物排放量达到了全市实物排放量的82.1%(表1)，等标排放量占比更高，达到95.71%，这表明，化肥施用和畜禽养殖是威海市农业面源污染的主要来源。而农作物秸秆、淡水养殖和生活污染排放量仅占实物排放量的17.90%，占等标排放量的4.29%。

表5 农业面源污染等标排放量

2.3 对估算结果的分析

从以上估测结果来看，化肥施用和畜禽养殖是威海市农业面源污染的主要来源。威海市的化肥施用主要来自果树种植。威海是水果之乡，2019年水果产量达到117.12×104t，水果生产单位面积平均化肥施用量高于粮食；据威海市统计局调查，果园每666.7m2化肥施用量90～100 kg，粮食70～75 kg，按复种计算，粮食每666.7m2化肥施用量55～60 kg；但从9年间化肥施用量的趋势上看，化肥施用量是逐年下降的。畜禽养殖方面，随着生活质量的提高，城乡居民对畜禽动物产品的摄入量不断增加，也带动养殖业的发展，猪、家禽年出栏量不断增加，尤其是家禽出栏量，9年间增长了1.4倍，由此也带动威海市畜禽污染物排放量的增加。

农作物秸秆的污染排放量相对最小，这主要是由于随着农业现代化的快速推进，多种经营成为农民增收的方向，种植粮食不再是农民增加收入的唯一选择，由此也形成粮油农作物播种面积逐年减少、秸秆产量逐年降低趋势。再加上近年来威海进入精致城市建设阶段，成为全国“无废城市”试点城市，对农业废弃物的治理力度不断加大，农作物秸秆利用率达到96%，农作物污染物的排放量逐年减少成为必然趋势。

3 结论与建议

3.1 结论

2019年威海市农业面源污染物实物排放量2.18×104t，COD、TN、TP分别为1.07×104、0.83×104、0.28×104t；等标排放量2.27×1010m3，相对应的COD、TN、TP分别为0.05×1010、0.83×1010、1.38×1010m3。畜禽养殖和化肥排放量占比达82.1%，等标排放量占比更高，达到95.71%，这表明，化肥施用和畜禽养殖是威海市农业面源污染的主要来源。畜禽养殖量的增加，在满足人民生活需要的同时，也带来了污染物的增加。

3.2 对策建议

农业面源污染物的产生是伴随着农业生产发展而来的，对农业面源污染治理需要在农业生产的初始端上下功夫,在源头上促进污染源减量。对于排放量大的区域要采取科学规划，从技术上制定措施。在治理上要与整体农村经济的晋档升级共同推进，真正达到农业面源污染的减量化治理。强化宣传，建全农业面源污染治理体制机制，加强科技研发投入，鼓励企业参入治理。对主要污染来源化肥施用和畜禽养殖，要做到重点防控。

(1)严格执行化肥质量标准，强化测土配方施肥技术应用，及时发布施肥配方，扩大配方施肥应用面积，减少化肥滥施滥用。加大机械施肥、叶面施肥、滴灌、喷灌等科学施肥方式的推广和使用。推广绿色增产的新型肥料，如生物肥、缓释肥、水溶肥等，实施水肥一体化。努力拓展秸秆肥料化、饲料化、能源化、基料化、原料化利用渠道，构建秸秆综合利用长效机制，努力提高农业废弃物资源利用率，将化肥减量使用与秸秆循环利用相结合。

(2)统筹考虑区域环境承载能力，优化调整畜禽养殖布局，发展种养结合的生态循环养殖场建设。在空间布局上要合理规划畜牧养殖规模，防止由于养殖过于集中造成单体区域的环境污染。尽量在选址上与种植业结合，积极推广“养殖—粪污利用—种植”、“猪—沼—果”等生态农牧业发展模式，加快推进畜禽粪污资源化利用。鼓励和引导第三方处理企业对养殖场户畜禽粪污进行专业化集中处理。禽畜粪便通过无害化处理，产生有机肥，一举两得，还可以减少化肥的使用。由此导致的肥料生产成本提高，可以通过资金补贴或其他优惠政策，扶助其发展。

(3)全面清理饮用水水源地网箱网围养殖，探索水产养殖容量控制制度，严控河流水库投饵性网箱养殖，严格控制饵料投放和鱼药使用量。此外，加快农村基础设施建设，实行城乡垃圾污水一体化管理。统筹考虑生活垃圾和农业废弃物利用、处理，建立健全符合农村实际、方式多样的生活垃圾收运处置体系。推进城市污水管网向农村延伸，以区市为单位，实行农村生活污水处理统一规划、统一建设、统一管理，转变农村居民的生产和生活方式，节约用水，避免生活垃圾乱丢、乱放。