广东省农业面源污染现状及变化的多尺度评价

曹佳霖,胡茂川,,3,4①,贺 凯,3,4,代 超,3,4,贺 斌

(1.中山大学土木工程学院,广东 珠海 519082;2.广东省科学院生态环境与土壤研究所,广东 广州 510650;3.中山大学水资源与环境研究中心,广东 广州 510275;4.广东省华南地区水安全调控工程技术研究中心,广东 广州 510275)

农业面源污染指农业生产过程中农田化肥流失以及畜禽和水产养殖等产生的污染物,通过降雨径流等途径进入水体所造成的水污染[1-2]。农业面源污染的产生与种植业、养殖业发展关系密切[3],是乡村振兴与生态保护之间的突出矛盾,控制和防治农业面源污染是我国面临的重要课题。广东省是我国农业生产较发达的省份,同时也是农业面源污染问题突出的地区之一[4-5]。据第二次全国污染源普查公报统计,来自农业农村面源的总氮、总磷分别占广东全省排放量的38.6%和63%[6]。近年来,广东省农业生产结构发生较大改变[7],土地利用格局的改变以及畜禽养殖、水产养殖规模的改变都会使农业面源污染排放量与排放特征发生变化[4,8]。评估广东省面源污染负荷及其动态变化,解析其来源,对广东省水资源保护、农业可持续发展和乡村振兴建设具有重要意义。

农业面源污染负荷计算通常采用输出系数法[1],与基于流域污染物形成、迁移和转化过程机制的模型相比,输出系数法简便,不依赖于大量观测数据来率定模型参数,结果也且有一定精度,得到了广泛应用[1,9]。例如,李明龙等[10]基于输出系数模型解析了三峡库区非点源氮磷负荷时空变化和来源,韦晓雪等[11]采用输出系数模型分析了1998—2016年洱海流域磷素时空变化特征。当前研究多集中于种植业和畜禽养殖业[3-4],较少考虑水产养殖对面源污染的贡献[12]。随着水产养殖规模扩大,这部分污染负荷不容忽视[13]。另外,当前研究主要关注面源污染年负荷量的变化特征,较少关注季节和月尺度的污染负荷评估和变化。例如,贺斌等[14]采用改进输出系数法分析了广东省102个单元农业面源污染年和月负荷量,该研究计算不同月份污染负荷时,只考虑降水量的影响,未考虑施肥、水产和畜禽各月差异对月污染负荷量的影响。

鉴于此,综合考虑种植业、畜禽养殖业和水产养殖业以及施肥、降水、畜禽和水产养殖各月差异,计算广东省各地级市2009—2019年农业面源污染年排放量、季排放量和月排放量,分析氮磷负荷的时空变化特征,评估农业面源污染对环境的影响程度,并探讨不同污染源的贡献率。研究成果对广东省农业面源污染治理和新农村建设具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

广东省属于东亚季风气候区,是全国光、热和水资源较丰富的地区,且雨热同期,降水主要集中在4—9月,年平均气温为21.8 ℃。全省共有21个地级市,地形上北部多为丘陵,南部多为平原和台地[14]。经济以第一产业为主,农业以种植业、畜禽养殖业和水产养殖业共同发展为主。农业面源污染与种植业、畜禽养殖业、水产养殖业的发展密不可分[15]。

1.2 数据来源

农作物氮肥、磷肥和复合肥施用折纯量,耕地类型和面积,畜禽养殖量以及水产养殖产量数据均源于《广东农村统计年鉴》;全省各市牧渔业产值数据来源于《广东省统计年鉴》及各地级市统计年鉴;广东省市级矢量数据由中国科学院资源环境与数据中心提供;降水数据来自中国气象科学数据共享服务网(http：∥data.cma.cn/)所提供的《中国地面气候资料日值数据集》。

1.3 研究方法

1.3.1农业面源污染物年排放量计算

农业面源污染排放量估算采用改进输出系数法[16],即在经典输出系数法的基础上综合考虑不同类型污染源、地形和降水的影响[14]。以广东省各地级市为计算单元,计算农田种植、畜禽养殖和水产养殖的氮磷排放量。具体表达式为

L=L1+L2+L3,

(1)

(2)

(3)

(4)

式(1)～(4)中,L为农业面源污染年总排放量,t;L1为农田种植氮/磷污染年排放量,t;L2为畜禽养殖氮/磷污染年排放量,t;L3为水产养殖氮/磷污染年排放量,t;α为降水影响因子,其值等于某年降水量与多年平均年降水量的比值;A为各市氮、磷肥施用折纯量,t,包含复合肥换算后的值,总磷估算需乘以系数0.437;Eij,种为第i种地形第j种农地类型的单位质量化肥排污系数,根据广东省整体地形地貌和农地情况,地形分为丘陵和平原两种,农地分为水田和旱地两种;Gj为第j种类型牲畜养殖量,万只;Ej,畜为第j种畜禽养殖排污系数,kg·只-1;Hi为不同水产养殖类型养殖产量,t;Ei,水为第i类型水产养殖排污系数,g·kg-1。

化肥、畜禽养殖的污染物输出系数取值主要参考《第一次全国污染源普查产排污系数手册》及相关文献提供的参数[17-22],水产养殖输出系数根据《水产养殖业污染源产排污系数手册》中现场实验数据[4]确定,依据广东省不同养殖种类的占比来计算该种类型水产养殖的综合输出系数[23-24],各污染物输出系数取值见表1。

表1 不同污染源的输出系数

1.3.2农业面源污染物月排放量计算

污染物月负荷估算主要考虑降水量(降雨因子)、施肥量与施肥时间(施肥因子)、畜禽养殖月规模量(畜禽养殖因子)以及水产养殖月规模量(水产养殖因子)4个影响因素,具体表达式为

(5)

式(5)中,M为污染物月输出量,t;σ为降雨因子;β为施肥因子;γ畜禽养殖因子,其值为多年平均各月畜禽养殖数与年养殖数的比值;δ为水产养殖因子,其值为多年平均水产养殖月产量与年产量的比值。

降水因子的计算主要依据中国气象科学数据共享网(http：∥data.cma.cn/)提供的《中国地面气候资料数据集》中广东省站点的日降水数据,计算多年月平均降水量和年降水量,σ值根据各地级市各月平均降水量在年降水中所占比例取值。

施肥因子根据广东省种植业施肥时间和施肥量并结合肥料衰减流失方程确定。广东省作物管理时间集中在3—10月,作物种植采用轮作模式,每轮作物需施4次氮肥,1次磷肥。按照基肥占40%,分蘖肥占20%,穗肥占30%,粒肥占10%施用氮肥。磷肥全部作基肥施用,分别集中在3月和7月施用。每次施用后肥料都有一个衰减过程,将肥料在各月的肥效进行叠加,并计算其在全年中占比,该值即为施肥因子。结合稻季田面水中氮、磷动态变化特征[25]绘制氮、磷肥衰减过程曲线(图1),化肥衰减方程为

图中数字表示施肥次数。

y=C·e-kt。

(6)

式(6)中,y为衰减后化肥量,t;C为化肥初始量,t,为了简化计算,其值一般按照各次施肥比例取值;k为衰减系数,参照文献[26-29]确定;t为时间,d。

由于缺少各月畜禽养殖数和水产养殖产量信息,在畜禽养殖因子γ和水产养殖因子δ的计算过程中利用畜禽养殖业和渔业产值(牧渔业)数据进行代替,即根据多年平均各季度牧渔业产值,将其按月均分,得到多年平均各月牧渔业产值并计算其占多年平均年牧渔业产值的比例。

1.3.3污染程度评价

采用单位面积农业面源污染负荷系数评价各地级市农业面源污染程度,具体表达式为

K=qx/∑qx,

(7)

qx=L/S。

(8)

式(7)～(8)中,K为单位面积污染负荷系数;qx为x市面源污染物排放强度,t·km-2;L为污染物输出量,t;S为该市行政面积,km2。

根据K值大小将总氮、总磷对各地级市环境影响程度,分为3个等级[30]：K<0.6,对环境不构成威胁(Ⅰ级);K介于[0.6,1],对环境构成威胁(Ⅱ级);K>1,对环境构成严重威胁(Ⅲ级)[14,30]。

2 结果与分析

2.1 农业面源污染负荷随时间变化特征

2.1.1全省农业面源污染负荷年际变化特征

由图2可知,2009—2019年广东省农业面源总氮污染负荷总体呈下降趋势,2009年总氮负荷为17.48万t,2019年为15.91万t,降幅达到8.98%。其中,种植业总氮负荷由6.96万t下降至5.91万t,降幅为15.09%;畜禽养殖业总氮负荷由8.65万t下降至7.87万t,降幅为9.02%;水产养殖业总氮负荷由1.87万t增加到2.12万t。总磷污染负荷总体呈上升趋势,由2009年的1.52万t增长到2019年的1.64万t,增幅为7.89%。

图2 2009—2019年广东省各来源污染负荷及其总和

种植业总磷负荷由0.51万t增加到0.60万t,增幅为17.65%;畜禽养殖业总磷负荷呈现先减少后增加趋势,其中,2009—2016年总磷负荷量减少,2017—2019年总磷负荷量增加;水产养殖业总磷负荷由0.25万t增加至0.29万t,增幅为16%。2016—2017年总氮负荷降幅较大,达到8.0%,其中,种植业总氮负荷由7.14万t下降至6.10万t,降幅为14.56%,畜禽养殖业总氮负荷由8.00万t下降至7.75万t,降幅为3.13%;水产养殖业总氮负荷由2.41万t下降至2.33万t,降幅为3.32%。

2.1.2农业面源污染月、季度分布特征

由图3可知,广东省4—10月总氮和总磷负荷量占全年负荷量的68.8%和67.2%,7月全省氮磷污染负荷最高。81%的地级市总氮和总磷月最大负荷量出现在7月,这些地级市7月降水因子、施肥因子、畜禽养殖因子和水产养殖因子综合占比均最高,其他地级市则分别出现在5月(韶关)、8月(肇庆)或10月(珠海和佛山)。夏季总氮和总磷负荷量最高,春、夏季污染物负荷在一年中占比均较高。

图3 广东省多年平均各月/季节农业面源污染负荷

2.2 农业面源污染负荷空间变化特征

由图4可知,广东省氮磷污染负荷在空间分布上表现较为一致,均表现为粤西地区最高,其后依次为粤北和珠三角地区,粤东地区最低。研究期内,各地级市之间氮磷污染负荷量差异较大,其中,粤西的茂名和湛江污染负荷量最大;粤北的清远和云浮污染负荷量较大;珠三角各地级市污染负荷量有所差异,肇庆、广州和江门污染负荷量比珠三角其他市大;粤东的梅州总氮负荷较高,其他地级市面源污染则均处于较低水平。

以粤S(2019)064号标准地图为底图进行制作。

采用sen slope分析得到广东省2009—2019年氮磷污染负荷变化趋势(图4)。2009—2019年,全省76.2%的地级市总氮负荷量呈现下降趋势,下降趋势最大的5个地级市由大到小依次为佛山(珠三角)、云浮(粤北)、广州(珠三角)、揭阳(粤东)和东莞(珠三角),其中,佛山、广州和东莞均位于珠三角地区,表明珠三角地区总氮污染负荷的防治效果较为显著。总氮排放呈上升趋势的地级市分别为粤北的河源和韶关以及珠三角的江门、肇庆和珠海。这5个地级市农林牧渔业总产值增幅均超过100%,可见,农业发展水平提升的同时也造成了更高的总氮污染负荷。

2009—2019年广东省61.9%的地级市总磷负荷量呈上升趋势,38.1%的地级市呈下降趋势。其中,上升趋势最大的5个地级市由大到小依次为粤北的清远和韶关、珠三角的肇庆和江门以及粤西的阳江。总磷排放量下降趋势最大的5个地级市由大到小依次为珠三角的广州、佛山、东莞和中山以及粤北的云浮。肇庆、江门和韶关3个市总氮和总磷排放量增长趋势均位于全省前5位,说明这3个地级市农业生产中氮磷污染排放量变化一致。粤东的汕尾和清远,粤西的湛江、茂名和阳江,粤北的清远和梅州以及珠三角的惠州8个市总氮排放量呈下降趋势,总磷排放量呈上升趋势。

2.3 污染来源解析

由广东省各污染源氮磷负荷贡献率(图5)可知,各污染源平均贡献率从大到小依次为畜禽养殖、农田种植和水产养殖。对于总氮污染负荷来说,种植业对总氮的贡献率整体呈下降趋势,由2009年的40%下降为2019年的38%,平均占比达39.2%;2009—2016年畜禽养殖业对总氮的贡献率呈下降趋势,2017—2019年呈上升趋势,平均占比达48.07%;水产养殖业对总氮的贡献率呈上升趋势,由2009年的11%增长为2019年的13%,平均占比达12.71%。对于总磷污染负荷来说,种植业对总磷的贡献率整体呈上升趋势,由2009年的34%增长为2019年的36%,平均占比达34.85%;畜禽及水产养殖业对总磷贡献率的变化趋势与总氮一致,平均占比分别达46.34%和18.81%。畜禽养殖对氮磷污染负荷贡献最大,是广东省农业主要污染来源。

图5 2009—2019年广东省各污染源占比

2.4 各地级市面源污染程度变化分析

由图6可知,2019年33.3%的地级市总氮K值大于1,38.1%的地级市K值介于0.6～1之间,28.6%的地级市K值小于0.6。

以粤S(2019)064号标准地图为底图进行制作。

与2009年相比,2019年有71.4%的地级市总氮K值减小,说明10 a间广东省总氮污染程度呈减弱趋势。2019年42.8%的地级市总磷K值大于1,19.1%的地级市K值介于0.6～1之间,38.1%的地级市K值小于0.6。与2009年相比,2019年有52.4%的地级市总磷K值增加,说明10 a间广东省总磷污染程度呈增强趋势,其中,珠三角的江门和肇庆、粤西的茂名以及粤北的河源磷排放对环境的威胁程度上升明显。氮磷污染程度空间分布与排放量的空间分布表现较为一致,粤西地区污染程度最高,珠三角、粤东地区次之,粤北地区污染程度最低。其中,粤西的茂名污染最为严重,珠三角的中山和佛山以及粤北的云浮污染程度较高。

3 讨论

2009—2019年广东省全省总氮污染负荷呈现下降趋势,总磷污染负荷呈现上升趋势,在空间上,粤西地区面源污染负荷量及其对环境的影响均较珠三角、粤北和粤东地区严重。林兰稳等[3]以广东珠三角、粤东、粤西和粤北地区为基本单元,对广东农业面源污染变化进行对比分析也发现除粤西地区农业面源总氮排放略有增加外,其他地区均有所减少,各区域总磷排放均有所增加。贺斌等[14]分析广东省农业面源污染时空分布特征时也有类似发现,粤西地区农业总氮、总磷负荷量及其对环境的影响较粤北、粤东和珠三角地区更严重。董斯齐等[5]在对粤港澳大湾区陆源氮污染来源结构与空间分布的研究中发现,大湾区11个城市(肇庆、东莞、珠海、江门、广州、深圳、惠州、佛山、中山、香港和澳门)总氮排放量显著高于周边8个城市(阳江、云浮、清远、韶关、河源、汕尾、梧州和贺州),其中,总氮排放量最大的为广州,其次为佛山,东莞、深圳、肇庆、江门和清远次之。夏丽佳等[6]在对珠三角4个市农业面源污染源的解析与评价中发现,广州和佛山农业面源污染较为严重,深圳和东莞较轻,笔者对珠三角地级市的研究结果与之一致。此外,广东省畜禽养殖业总氮负荷呈下降趋势,而总磷负荷呈先减少后增加趋势,主要原因为2016—2017年畜禽业总氮负荷减少,总磷负荷增加,这是由于全省家禽养殖数量增加,而牛、羊、猪养殖数量减少,家禽增加的总氮负荷小于其他畜禽减少的总氮负荷,家禽增加的总磷负荷大于其他畜禽产生的总磷负荷,由此造成2016—2017年广东省畜禽业总氮负荷减少、总磷负荷增加。

近10年全省面源污染负荷变化与农业生产结构的调整高度相关。根据2010—2020年《广东农村统计年鉴》,2019年广东省耕地总面积比2009年减少3.51×105hm2(表2),同时水田面积减少,旱地面积增加。王思等[31]基于MODIS归一化植被指数的广东省植被覆盖与土地利用变化研究以及林彤等[32]基于InVEST-PLUS模型的广东省碳储存量空间关联性及预测研究也均有类似发现。随着用地类型结构和种植类别的调整,氮、磷肥施用量也发生变化。《中共广东省委 广东省人民政府关于做好2022年全面推进乡村振兴重点工作的实施意见》提出“蔬菜产量稳定在3 500万t以上。”全省氮肥施用量(折纯量)从2009年的109.60万t减少为2019年的96.74万t,而磷肥施用量(折纯量)则从2009年的31.14万t增加到2019年的36.92万t。这进一步导致广东省总氮污染负荷减少,总磷污染负荷增加。随着《畜禽规模养殖污染防治条例》的发布,近10年广东省加强畜禽养殖污染防治监管[15],特别是严格执行禁养政策,畜禽养殖规模有所减少,由此带来总体上污染负荷有所减少。2009年广东省水产养殖总产量为537.41万t,2019年为866.4万t,增幅达38%。种植业和畜禽养殖是广东省总氮和总磷负荷的主要来源,但渔业养殖对于污染负荷的占比呈现明显上升趋势。

表2 2009—2019年农田耕种面积及施肥量

随着水产养殖规模的持续扩大,水产养殖污染物排放逐渐成为广东省氮磷污染负荷的重要来源。葛小君等[4]在对广东省近20年农业面源污染负荷来源进行分析时也发现广东省水产养殖对农业面源污染负荷的贡献呈逐渐增大趋势,并且珠三角地区水产养殖业成为总氮和总磷污染负荷的主要来源。在预防农业面源污染时,种植业要提高磷肥利用效率,降低磷污染。2019年《广东省打赢农业农村污染治理攻坚战实施方案》也提出加强水产养殖污染防治和水生生态保护[15]。广东省作为水产养殖大省,需要加强水产养殖面源污染排放监管和治理力度[4],同时加强水产养殖业中污染物扩散机制及水产养殖污染控制技术研究,制定有效的预警防治措施。

在月尺度上,全省4—10月总氮和总磷排放量分别占全年排放量的68.8%和67.2%,根据降水数据、广东省作物生长季节和统计年鉴资料可知,该期间降水量最多,农作物活动最为活跃,且畜禽及水产养殖量最高。YIN等[33]采用HYPE模型分析中国轮作种植农田时空特征时也有类似发现,7月总氮总磷污染负荷最高,7—9月氮磷污染负荷在全年中的占比最大。傅博[34]在对广东省江门市四堡水库非点源污染与健康评价研究中亦发现氮磷流失主要集中在汛期的4—9月,特别是集中在降水较大的月份,6—8月基本是流失高峰。陈晓丽[35]模拟广东省飞来峡流域非点源污染负荷的研究表明孟州坝断面、白石窑断面和飞来峡断面总氮负荷在1—7月逐渐上升,在8—12月波动下降,峰值均出现在7月。张狄[36]在基于SWAT模型的广东省清凉山水库氮磷入库通量研究中发现,汛期总氮和总磷入库通量分别占全年的61.5%和75.0%,大于非汛期,最大入库通量均出现在6月。

此外,由于受数据获取的限制,笔者研究也存在一些不足和有待改进之处。(1)农业面源污染负荷评估中忽略了农村生活废弃物的影响,计算结果可能偏小;(2)月污染负荷估算中,没有考虑降水和施肥因子各自权重差异,默认两者权重一样;(3)由于缺少畜禽及水产养殖各月养殖量数据,畜禽及水产养殖因子是按照各季度牧渔业产值均分求取比例;(4)统计口径仅到地级市,不能精确反映农业面源污染的空间变化特征。

4 结论

采用改进输出系数法分析2009—2019年广东省面源污染年负荷量及其时空变化特征,并综合考虑了降水、施肥、畜禽月养殖量差异和水产月养殖差异等因子,评估全省农业面源污染月和季度氮磷负荷,同时采用单位面积负荷系数法评价了农业面源对环境的影响程度,并探讨了种植业、畜禽养殖业和水产养殖业对氮磷污染的贡献。主要结论如下：

(1)近10年来,广东省农业面源总氮负荷呈下降趋势,总磷负荷呈上升趋势。氮磷污染负荷在空间分布上表现较为一致,均为粤西地区最高,其后依次为粤北和珠三角地区,粤东地区最低。全省76.2%的地级市总氮排放量呈下降趋势,61.9%的地级市总磷排放量呈上升趋势。

(2)在季尺度上,春、夏两季是一年中污染排放的高峰;在月尺度上,全省面源污染高排放期相对集中于4—10月,81%的地级市7月面源污染排放量最高。因此,面源污染防控关键期为4—10月,需重点关注7月。

(3)2019年全省33.3%和42.8%的地级市总氮、总磷K值大于1,对环境造成严重威胁;28.6%和38.1%的地级市总氮、总磷排放对环境不构成威胁。相较于2009年,71.4%的地级市总氮排放对环境构成威胁程度降低,52.4%的地级市总磷排放对环境威胁程度增强。粤西地区总氮、总磷排放对环境的影响较珠三角、粤北和粤东地区更严重,需加强粤西地区农业面源防控。

(4)畜禽养殖业对农业面源污染总氮、总磷负荷量贡献较大,其次为种植业,水产养殖业对农业面源污染总氮、总磷负荷量贡献较小。2009—2019年广东省水产养殖污染物排放占比呈现明显上升趋势,因此,除重点关注畜禽养殖业污染物排放外,也需加强对水产养殖业污染物排放的管控。