黄河流域农业面源污染时空变化及因素分析

陶 园，徐 静，任贺靖，管孝艳※，尤李俊，王少丽

（1. 中国水利水电科学研究院，北京 100048；2. 国家节水灌溉北京工程技术研究中心，北京 100048）

0 引 言

黄河流域是中国重要的经济地带和生态安全屏障[1]。流域水污染问题备受关注，经过长期的治理，黄河流域水环境得到了明显改善。根据2006—2019年中国生态环境状况公报，2006年黄河干流处于轻度污染，支流总体为重度污染，尤其渭河陕西段污染尤为严重；到2017年，黄河干流水质为优，主要支流为中度污染；到2019年其主要支流水质进一步改善，为轻度污染。根据中国第二次污染源普查结果，中国农业源排放的化学需氧量、氨氮、总氮、总磷污染物量占全国水污染物排放量的比例分别为49.8%，22.4%，46.5%，和67.2%，加上农村生活源后，相应比例分别达到73.1%、47.9%、61.2%和78.9%[2]。黄河流域流经青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西、河南及山东等9个省份，这些地区化学需氧量和总磷污染物排放源自面源污染的比例均超过70%和60%，甘肃和内蒙古地区面源污染产生的化学需氧量污染物排放占全省污染物排放量的比例甚至超过80%[2]。在促进黄河流域生态保护和高质量发展的大背景下，理清黄河流域农业面源污染现状以及主要污染源特征，系统并针对性地提出区域治理措施，可为黄河流域及区域污染防治提供有效的参考。

目前，针对黄河流域农业面源污染问题研究缺少系统性、归纳性的研究成果。程红光等[3]利用3S技术基于模型模拟的方法，以子流域为控制单元，估算了黄河流域2000年的面源污染负荷；杨燕春等[4]采用输出系数法估算了整个流域的面源污染负荷量，但均未给出相应的治理对策；宋月君等[5]以GIS和养分平衡计算为依托，进行了了黄河流域农用地面源磷污染的危险性评价；杨永坤[6]将黄河流域划分为草原区、引黄灌区、水土流失区以及平原区4个立体污染分区，给出各分区农业立体污染防治技术模式；其他研究结果主要集中在黄河所流经的特定河段[7]、子流域[8-9]、特定省份和地区[10-12]的面源污染现状分析及防治分析。

从研究方法来说，面源污染估算最常采用的输出系数法和模型模拟两种方法[13-14]均存在各自的优点及弊端，输出系数法算法简单，参数较少，主要通过产污系数、排污系数、入河系数等参数估算污染物产生量、排放量及入河量，产污系数其受人为因素影响较小，相对稳定，因此污染物产生量估算较为准确，而排污系数及入河系数受到环境治理措施和手段、降雨、下垫面等因素综合影响，其取值的不确定性较大，因此对于污染物排放量以及入河量的估算存在一定的不确定性；模型模拟方法估算复杂，参数较多，可实现污染物产生到入河过程的模拟，但其估算精度的差异性较大，程红光等[3]研究中的模拟值和调查值相对误差在1%到40%变化。Tao等[15]在污染物产生量和污染物排放量之间提出了进入环境的潜在污染量的概念，主要指考虑化肥利用率、秸秆综合利用率、畜禽粪便综合利用率等指标后仍未被利用或未被处理的污染物，反映了污染物初步治理效率。为减少排放系数、入河系数等不确定参数的使用，以估算较为准确的污染物产生量为基础，以全国平均污染治理水平计算进入环境的潜在污染量，并与污染源普查数据中的污染物排放量建立相关关系，初步分析不同地区对相应污染源和污染指标的治理效率水平，并结合基础因素特征分析结果提出针对性治理措施和建议。

1 材料和方法

截至2021年，中国进行了两次污染源普查，两次普查水平年分别为2006年[16]和2017年[2]。两次普查间隔的11a间，黄河流域的经济飞速发展，土地利用类型、农业种植结构、覆盖条件发生了很大变化[17-19]。由于黄河流域生态屏障作用越来越被重视，生态治理投入不断增加[20]，不同污染来源对污染的贡献也发生较大变化。

1）普查数据处理

本文针对黄河流域的污染物排放量时空分析中采用的数据基于第一次和第二次全国污染源普查结果[5,16]以及出版的相应文献[21]，其中第一次污染源普查结果中污染物排放总量加入农村生活源进行还原。本文2006年的农村生活源利用第二次普查中的农村生活源及乡村人口数量进行等比估算，同时考虑到2006年农村生活污水基本无处理，2016年中国平均农村生活污水处理率22%左右[22]，因此折算系数按照（1-2006年农村生活污水处理率）/（1-2016农村生活污水处理率）计算[23]，取1.28。由于山西省第二次污染源普查结果尚未公布，其乡村人口数量约为甘肃和陕西省乡村人口数量均值，因此农村生活源根据近似取甘肃和陕西省平均值，农业源主要与化肥施用量、秸秆量、畜禽养殖数量有关，通过计算可知流域内山西省上述指标近似为山东省的1.2倍，进而估算其农业源产生的污染量；根据第一次污染源调查结果显示，流域内山西省污染总量与陕西省污染总量相差不大且污染指标呈现较好比例关系，因此按照流域内陕西省污染量的0.9倍进行估算。

2）污染物估算

农业面源污染产生量根据输出系数法进行估算，化肥污染物产生量=化肥用量×化肥产污系数，而化肥潜在污染量=化肥污染物产生量×（1-化肥利用率）。年鉴中化肥施用量采用折纯量，根据化学组成成分分析，氮肥、磷肥及复合肥（氮磷钾含量相同）的总氮产污系数分别为1、0和0.33[24]，相应的总磷产污系数分别为0、0.44和0.15[24]，氨氮产生量按照总氮产生量的8.3%来估算[25]，2017年全国化肥利用率为36.5%[25]。

秸秆污染物产生量=作物产量×秸秆与作物产量比×秸秆产污系数，秸秆潜在污染量=秸秆污染物产生量×（1-秸秆综合利用率）。黄河流域主要作物包括水稻、小麦、玉米、豆类、薯类、油料、糖料、蔬菜、瓜果等，相应的秸秆与作物产量比分别取0.9、0.97、1.03、1.6、3、3.4、3.4、0.1和0.1[24]。秸秆产污系数见表1，2017年秸秆综合利用率取82%[26]。

表1 不同作物秸秆的产污系数Table 1 Pollutant producing coefficients of different crop straw×10-3 t· t-1

畜禽养殖污染物产生量=畜禽饲养量×产污系数计算，畜禽养殖潜在污染量=畜禽养殖污染物产生量×（1-畜禽粪便综合利用率）。采用将畜禽转换为猪当量的计算方法，再乘以猪畜禽粪便的产污系数进行估算。根据畜禽粪污土地承载力测算技术指南[27]，牛的猪当量为4.45、羊为0.4，家禽为0.0004，对其他畜禽品种则通过粪便产生量与猪进行度量换算得到，根据文献[25]，马、驴、骡的猪当量分别取1.67、1.41和1.41。猪粪便的化学需氧量、氨氮、总氮、总磷产污系数分别为36、1.8、31.73和4.22 kg/头[25]。2017年，中国畜禽粪便综合利用率取60%[28]。耕地面积、化肥施用量、耕地构成、畜禽数量、农村人口数量等数据来自中国农村统计年鉴[29]。

3）污染物排放量影响因素划分及分析方法

根据污染物总量减排核算细则[23]以及污染物排放量计算过程，将影响农业面源污染排放量的因素可概化为两部分：一是基础因素，基础因素可理解为生产投入量以及与投入直接相关的产出物因素，包括化肥施用量、秸秆产生量以及畜禽养殖量等；二是防控因素，防控因素可理解为在防控刺激和措施作用下产生的减少污染物排放的表征因素，如化肥利用率、秸秆综合利用率、畜禽粪便综合利用率等。受到经济发展水平限制，各个省份（自治区）的农业面源污染治理的能力有较大差别，考虑到各省份的治理效率的数据难以获得，因此以2017年全国平均治理效率为参考，建立不同基础因素潜在污染量与污染物排放总量的相关关系，以偏离趋势线的程度反应各个地区相应防治效率与全国平均水平的差别，找到明显远离趋势线的点，进而判断其治理效率。

2 结果与分析

2.1 污染排放量时空分布

将污染普查数据按照面积换算至黄河流域，得到2017年流域内化学需氧量、氨氮、总氮、总磷等污染物排放总量分别为170.5、5.3、18.5和1.7万t。化学需氧量、氨氮、总氮、总磷等污染物排放量较大的省份为内蒙古、河南、陕西等省（自治区），这些省份也是黄河中下游经济区的重要组成（表2）。2017年农业源的化学需氧量、氨氮、总氮、总磷污染排放总量分别为96.2、1.2、7.9和1.1万t，农业源污染输出最大的省份为内蒙古自治区，除总磷污染小于河南省外，其他污染量均最高。参照污染物等标污染负荷等于污染物排放量除以环境质量标准限值，根据Ⅲ类水质的地表水环境标准，化学需氧量、氨氮、总氮、总磷质量标准限值分别为5 、1 、1 和0.2 mg/L[15]，累加不同污染指标的等标污染负荷，可得到各省份对于水环境污染的等标负荷贡献值依次为内蒙古、河南、陕西、山西、山东、甘肃、四川、宁夏和青海省（自治区）。若考虑单位耕地面积农业源对水环境污染的贡献值，则依次为河南、山东、四川、宁夏、青海、甘肃、山西、陕西和内蒙古省（自治区）。可以看到，单位耕地面积农业源污染物排放量主要集中在黄河下游地区的河南和山东省，同时也是中国主要的粮食产区。

与2006年相比，2017年黄河流域污染明显减少，化学需氧量、氨氮、总氮、总磷污染排放总量分别减少48%、72%、61%和55%，相应的农业源污染排放总量减少19.2%、48.3%、70%和53.7 %，农村生活源减少51.0%、52.6%、51.9%和52.1%。可以看到，农业源化学需氧量减少值远小于污染物排放总量的削减值，在农村生活源减少比例与污染物排放总量相差不大的基础上，同时农业源和农村生活源的氨氮污染排放量减少值也远小于污染物排放总量的削减值，可以间接说明这十年来，工业源排放的化学需氧量和氨氮显著减少，对于点源的治理有成效。此外，农业源产生的总氮污染物排放量削减比例高于污染物排放总量中总氮的减少，说明了农业源在总氮污染控制上选择的做法切实有效且效果显著。与2006年相比，2017年黄河流域农业源产生的化学需氧量、氨氮污染排放量占污染排放总量的比例显著增加，增加百分比分别达到56%和83%，进一步说明了开展农业源的污染控制也是黄河流域污染控制攻坚的重点。

表2 黄河流域各省（自治区）污染物排放量Table 2 Pollutant emission of provinces (autonomous region) in the Yellow River Basin ×104 t

2.2 污染物排放量影响因素

2.2.1 基础因素分析

1）化肥施用量

与2006年相比，2017年除山东省外其他省份化肥施用总量均有所增加（图1a），内蒙古自治区化肥施用量的增幅最大，达到83%，从2006年到2017年内蒙古地区的耕地面积变化最大，11 a间耕地面积增加了30%（图 1b），主要原因包括以下两个方面：耕地保护政策的发布和实施；灌排基础设施的建设、灌排工艺的提升及生物化学措施将部分盐碱地土壤改良至可耕作状态，进而转变为耕地[30-31]。此外内蒙古地区单位耕地面积的施肥量也有明显增加，增加值达到41%；河南省和陕西省化肥施用总量位于第二和第三位，二者耕地面积并未发生显著变化，导致化肥施用总量增加的最主要原因在于单位耕地面积施肥量增加明显，与2006年相比，河南省和陕西省2017年单位耕地面积施肥量增加比例分别为28%和58%，达到871、582 kg/hm2，处于严重超量状态，通过分析发现两省蔬菜瓜果种植量大[28]，两者的化肥施用量均很高，瓜果的平均施肥量为922 kg/hm2[32]，蔬菜的平均施肥量为583 kg/hm2[32]，2017年河南省、陕西省瓜果产量位居全国前列，同时河南省蔬菜产量位列全国第二，仅次于山东省。与2006年相比，2017年河南省瓜果产量大幅度减少，蔬菜产量有所增加，但单位耕地施肥量还是大幅度增加，这也间接说明了其在化肥减量上仍有很大的潜力。对于其他省份，山东省2017年施肥总量比2006年有所减少，主要原因在于单位耕地面积施肥量减少明显，减小了12%，但其单位耕地面积施肥量仍达到580 kg/hm2，其蔬菜和瓜果产量分别位居全国第一和第三；四川和甘肃省单位耕地施肥量也有所减少，其他省份均有增加。

2）秸 秆

通过计算得到2017年黄河流域秸秆产生量估算值为1.13亿t，与2006年相比，增加了46%，秸秆产生量主要来自于黄河中下游粮食产区（图2）。内蒙古秸秆产生量远高于其他地区，2017年比2006年增加了84%，导致内蒙古秸秆产生量远高于其他地区的原因可能包括三个方面：一是内蒙古耕地资源的大幅度提升；二是内蒙古地区种植大量油料作物和糖料作物，二者的粮食秸秆比均较高；三是种植结构变化引起的秸秆产生量变化。从单位耕地面积秸秆产生量来看，河南省、山东省、宁夏回族自治区秸秆产生量位居前三位，河南省和山东省主要为小麦、玉米贡献值较多，同时河南作为全国第一的花生产地，其油料秸秆产生量也比较高，而宁夏主要以玉米秸秆为主（表3）。

表3 黄河流域各省（自治区）单位耕地面积下不同作物秸秆产生量Table 3 Straw yield of different crops per unit cultivated land of provinces (autonomous region) in the Yellow River Basint·hm-2

3）畜禽养殖

图3给出了换算成猪当量后养殖数量的变化情况。与2006年相比，2017年黄河流域总体的养殖数量明显减少，减少达到27%。青海省牛的养殖数量增加明显；内蒙古自治区猪的养殖数量有所增加，但羊的养殖数量有所减少，总体上畜禽养殖的数量基本一致；其他省份的养殖数量均大幅度减少，河南省2017年的畜禽养殖量仅为2006年的30%。各地区畜禽养殖明显减少的主要原因在于国家于2010年出台了畜禽养殖业污染防治技术政策，要求畜禽养殖应当严格遵守“禁养区”和“限养区”，同时强化了养殖场建设要求[33]。从单位耕地面积畜禽养殖数量看，2017年四川省、青海省以及山东省位居前三位，主要原因在于四川省和山东省养殖猪的数量大以及青海省牛和羊的养殖数量较大。从养殖结构来看，2017年内蒙古、甘肃及青海地区牛和羊养殖以及山东、河南、陕西和山西的猪养殖总量占比较高（表4），污染物产生量及潜在排放量均较大，应当给予重视。

表4 2017年黄河流域各省（自治区）畜禽养殖猪当量Table 4 Pig manure equivalent of livestock and poultry in provinces (autonomous region) in the Yellow River Basin in 2017×104头

2.2.2 防控因素分析

图4 a可以看出，对于化学需氧量排放量来说，畜禽养殖及秸秆的潜在污染量与之均极显著相关（P＜0.01），相关系数分别为0.88和0.94。按照平均污染治理水平，计算得到流域内由于畜禽养殖导致的化学需氧量潜在污染量约为78万t，是秸秆的3倍。通过对比发现，河南省秸秆和畜禽养殖的数据点均显著高于趋势线，一定程度上反映了该地区相应的治理效率较低，低于流域平均水平。山西及山东省的相应效率也略低于平均值。然而青海省和四川省畜禽养殖的数据点则显著低于趋势线，主要原因在于两个地区畜禽养殖涉及牧场，牧场中畜禽养殖的污染物产生到形成水体污染要经过自然净化，排放系数及入河系数均比较小，导致其污染物排放量较小。若除去青海省和四川省的特殊性影响，则山西及山东省大致在趋势线上，也说明了山西及山东省的治理效率大致在平均水平。

对于氨氮排放量来说，化肥的潜在污染量与之呈显著线性相关关系（图4b），相关系数为0.92，畜禽养殖氨氮潜在污染量与之相关性不如化肥，相关系数为0.73。按照平均污染治理水平，计算得到流域内化肥导致的氨氮潜在污染量约19万t，超过畜禽养殖的4倍。陕西省化肥数据点低于趋势线，说明该地区的化肥治理整体效率较高。河南省畜禽养殖和化肥以及山西省化肥的相应数据点仍然高于趋势线，说明河南省以及山西省化肥利用效率以及其他治理效率提升的需求更迫切。

对于总氮排放量来说，化肥、秸秆以及畜禽养殖潜在污染量与之均显著相关（图4c），相关系数分别为0.90、0.80和0.70。按照平均污染治理水平，计算得到秸秆的总氮潜在污染量仅为流域的1/10左右，化肥的总氮潜在污染量占比更大，约占2/3左右，超过畜禽养殖的3倍。然而对于总磷排放量来说，化肥的总磷潜在污染量与之显著相关（图4d），相关系数为0.90，而秸秆和畜禽养殖与之相关关系不大，主要由于计算得到的化肥总磷潜在污染量占全流域的90%。

3 污染治理措施和建议

根据上述分析，可以发现黄河流域各省对于污染的贡献有着不同的特点和不同的侧重，相应的防控措施手段也应有所不用。从黄河流域农业面源污染攻坚治理的角度，最行之有效的治理措施可集中在控制河南省、山东省、陕西省单位耕地面积的施肥量上，一方面从农艺角度减少粮食作物的施肥量，尤其是减少蔬菜瓜果的化肥施用量；另一方面应当提升农业管理水平，提高化肥利用率[34-36]，增加农田退水的处理能力，增设人工布设的机制、增设人工湿地、设置生态沟渠、排水回用等措施，在污染汇流阻断上做好管理[37-38]。加强黄河流域玉米秸秆的综合利用尤其是宁夏回族自治区、山东省和河南省，加强内蒙古地区糖料油料秸秆的利用，特别是葵花秸秆的利用，同时加强青海省的油菜秸秆的充分利用。玉米、油菜秸秆可以作为饲料、肥料、燃料等利用方式，对于葵花秸秆可通过改性用于废水处理、作为生产新型生物质缓冲包装材料的原料以及人造板等[39-42]；加强畜禽养殖的监管，加快分散经营向规模化养殖模式的转变，加强非规模化养殖场和养殖户的监督管理，强化散户经营的畜禽粪便排放管理，推进畜禽养殖制度化和规范化，尤其是西北地区的牛羊养殖以及黄河中下游地区猪的养殖[43-45]。此外，还应加强种植业与畜牧业的结合，建立良性生态循环模式。针对性治理对象可见表5。

表5 各因素针对性污染治理对象Table 5 Objects of pollution control of different effect factors

4 结 论

本文分析了黄河流域农业面源污染的时空分布特征以及主要污染源特点，并将潜在污染量与污染源普查数据中的污染物排放量建立相关关系，提出了各地区主要污染治理措施，得到以下结论：

1）与2006年相比，2017年黄河流域农业源导致的化学需氧量、氨氮、总氮、总磷总污染量减少19.2%、48.3%、70.0%和53.7 %，同时农业源在污染排放总量中的占比显著增加。黄河流域目前主要的污染来自中下游地区，最大的污染贡献源于内蒙古自治区；若从单位耕地面积农业源对水环境污染的贡献值来说，河南省和山东省的贡献位居前两位。从进入环境的潜在污染量来说，化学需氧量主要污染源来自于畜禽养殖，而氨氮、总氮、总磷则来自于化肥，不同污染物指标与主控因子之间呈现显著的线性关系。

2）从基础因素来说，河南省、陕西省和山东单位耕地的化肥施用量过高，具有很大减量的潜力，尤其是河南省达到871 kg/hm2；2017年黄河流域秸秆产生量估算值为1.13亿t，较2006年增加46%，秸秆资源化利用具有很大潜力，应当根据各省（自治区）特点有针对性的进行利用，如内蒙古油料秸秆、河南和山东省小麦、玉米秸秆以及宁夏玉米秸秆利用；从畜禽养殖的防治来说，应当加大西部地区牛羊养殖治理以及山东、山西、陕西和河南等地区猪养殖的污染排放治理。此外，从防控因素来说，应大力推进河南省所有污染源以及山西省化肥治理效率提升。总体来说，对于面源污染的防治应当做到总体把控、局部提升即有普适性的治理措施也有针对不同省份不同排放特点局部进行技术管理提升治理。