湖南省农业面源污染时空特征及其与粮食生产的脱钩效应

覃湘，陈竹书,2，周浩，文高辉

（1.湖南师范大学地理科学学院，湖南 长沙 410081；2.益阳市烟草专卖局，湖南 益阳 413002）

农业面源污染是指农业生产和农村生活过程中产生的污染物，主要包括化肥农药、畜禽养殖、农用地膜、固体废弃物等[1]。作为传统农耕大国，我国主要农业区普遍存在不同程度的农业化肥以及农膜过度使用、农业废弃物丢置以及畜禽粪便污染等现象，由此造成如水体富营养化、土壤质量下降和大气酸化等次生环境恶化问题[2-3]。基于此，科学评估典型农区农业面源污染状况、探讨其与粮食生产脱钩特点并提出相应的污染治理策略，对于提高农产品质量及保障国家粮食安全具有重要的现实意义。

相关学者及农业生产管理部门围绕农业面源污染问题开展了大量工作。污染评估方面，多采用清单分析法、排污系数法、输出系数模型法等[4-5]，以评估区域的农业面源污染程度状况，或采用PNPI、DPeRS等模型[6-7]来研究农业面源污染的潜在风险。如熊娜等[8]采用单元调查法和清单分析法测算了广西农业面源污染物排放量和排放强度，揭示农业面源污染的时空演变规律。白晓燕等[9]采用HSPF模型模拟了东江流域BOD、TN和TP非点源污染负荷的时空分布特点。但值得注意的是，在粮食安全生产背景下，由于农业面源污染治理与粮食生产存在结构性矛盾，明确面源污染治理对粮食供给保障造成的影响，解析农业面源污染与粮食产量的作用关系，对于适应性策略制定具有积极意义。“脱钩理论”于2001年由经济合作与发展组织OECD首次提出，经济增长与污染排放之间是否同步变化被描述为“脱钩”[10]，随后Tapio等[11-12]尝试构建弹性脱钩系数，用于解决经济增长与污染排放之间是否同步变化问题。当前，脱钩分析常用于解释经济发展与资源环境的压力关系、人口增长与建设用地扩张的关系等研究。如胡怀敏等[13]将Tapio脱钩模型和LMDI因素分解法相结合，分析了长江经济带交通运输业经济发展与交通能源碳排放之间的脱钩情况及其驱动因素。崔宁波与巴雪真[14]采用脱钩模型评估耕地生态安全压力与农业经济发展脱钩关系。但从宏观定量尺度上，运用脱钩理论来解释农业面源污染与粮食产量作用关系的研究相对较少，这不利于从变化同步性上探讨农业面源污染和粮食产量之间的关系，以提出针对性治理对策。

湖南省是我国重要农副产品生产基地之一，但由于高强度农业生产活动影响，该省农药和化肥施用强度大，如2007年其农药化肥施用强度已超过全国平均水平的38%。此外，《湖南省第二次全国污染源普查公报》显示，湖南省的农业源总氮、总磷排放量分别为9.92万t、1.44万t，占全国总量的7.01%、6.80%，远超工业源与生活源[15]，因此湖南省面临较为严重的农业面源污染风险。在此背景下，本研究以湖南省为研究区，选取化肥、牲畜排泄物和农药污染源为研究对象，采用清单分析法和脱钩理论，从宏观定量角度评估自2007年以来该省农业面源污染时空变化特征，并进一步揭示粮食生产与农业面源污染的脱钩效应，以期为湖南省农业面源污染治理提供理论依据。

1 研究区概况

湖南省地处长江中游，土地面积21.18万km2，辖长沙、株洲、常德等13个地级市和1个自治州，122个县级行政单位。湖南省属中亚热带季风湿润气候，光热水资源丰富，东（幕阜—罗霄山脉）、南（南岭山脉）、西（武陵—雪峰山脉）三面环山，境内的湘东（即指湖南省东部）多为低山平原带，湘西和湘南以山地丘陵为主，湘中大部分为盆地及丘陵和阶地，湘北为洞庭湖平原，地势相对平坦。湖南省作为传统农业大省，2020年粮食播种面积达840.01万hm2，粮食总产量3015.12万t，其中稻谷产量高达2638万t，占当年我国稻谷总量的12.45%。湖南省经济基础较好，粮食生产保障程度较高，但该地区面临着较为严重的农业面源污染和耕地质量下降等问题。

2 研究方法与数据来源

2.1 研究方法

2.1.1 农业面源污染排放总量核算 农业面源污染主要来源于化肥、农药的使用以及牲畜排泄物：1）粮食生产过程中的化肥施用导致氮、磷等元素经各种途径汇入水体和土壤中，进而引起农业面源污染。化肥品种、数量等信息，可依据湖南省统计年鉴及相关参考文献得到[8]，复合肥中N、P2O5二种养分比例按1∶0.8计算[16]，同时依据《农业污染源肥料流失系数手册》，每吨化肥施用量的氮排放量为0.35 t，磷的排放量为0.07 t；2）农药大量使用使得残余农药通过降水径流等方式进入水体或残留在土壤中。农药品种和流失率通过《第一次全国污染普查农药流失系数手册》获得，农药品种主要为吡虫啉、毒死蜱和氟虫氰，流失率分别为0.1904%、0.0734%和0.5459%；3）牲畜养殖产生的排泄物通过清洗粪便、降水淋溶和未经处理直接排放等方式进入水体和土壤。由于猪饲养周期小于一年，其饲养数量可用当年出栏量计算，而牛的饲养周期超过一年，按年末存栏量计算。饲养期按一年365天计，牲畜粪尿日排泄系数以及牲畜污染物含量参考相关文献得到[8,17-18]。

2.1.2 清单分析法 清单分析是一种单独核算不同污染要素的方法，其特点是信息可靠性高、可操作性强，能够有效地建立污染物产生量与污染物排放量关系。本文通过确定污染源的不同类型以及污染单位，并收集污染单位的生产和排放因素，进而实现污染物核算。结合湖南省农业面源污染的来源与特征，建立化肥、农药以及牲畜排泄物的污染排放评估体系[19-20]，以此来核算农业面源污染的排放总量和排放强度。计算公式为：

式中：E为农业面源污染的排放总量，单位为t；i为不同种类面源污染单元；PEi为污染排放量，单位为t；ρi为i的产生系数；ηi表征农药化肥等相关资源利用效率系数；Ci为i的流失系数，由单元和空间特征（S）决定，反映了各要素对农业面源污染的综合影响程度；EI为农业面源污染排放强度，单位为kg/hm2；AI为播种面积，单位为hm2。

湖南省化肥面源污染单元主要包括氮肥、磷肥及复合肥，农药面源污染单元为吡虫啉、毒死蜱和氟虫氰，牲畜面源污染单元主要为牛和猪。3类污染排放量计算公式为：

式中：PE1、PE2和PE3依次为化肥污染排放量、农药污染排放量和牲畜污染排放量，单位为t；PEn和PEp为氮和磷的污染排放量，单位为t；Sn、Sp和Sh依次为氮肥、磷肥和复合肥的施用量，单位为t；Qn和Qp为氮肥和磷肥的排放系数；Li为农药流失率，%；Si为农药使用量，单位为t；Gi为个体日产粪/尿量，kg/(d·头)；Ni为牲畜饲养数量，单位为头；Di为牲畜饲养周期，单位为d；Hi为牲畜尿粪污染物养分含量，%。

2.1.3 Tapio脱钩模型 基于Tapio等[11-12]脱钩基本理论，构建基于农业面源污染与粮食产量/牲畜年产肉（奶）的脱钩分析模型。计算公式为：

式中：DI为脱钩系数；y为年份；EIy、EIy-1分别为基期、末期的3类面源污染排放强度，kg/hm2；Yy、Yy-1分别为基期、末期的粮食单产，kg/hm2，或牲畜年产肉（奶）量，t；具体脱钩状态依次划分为：强脱钩、弱脱钩、衰退性脱钩，强耦合、弱耦合、扩张性耦合等6种状态（表1）。

表1 湖南省农业面源污染与粮食产量的脱钩状态分类Table 1 Classification of decoupling status of agricultural non-point source pollution and grain production in Hunan Province

2.2 数据来源

化肥、牲畜排泄物和农药污染数据均来自于《湖南省农村统计年鉴》（2008—2020），包括播种面积、化肥施用总量、农药使用总量、牲畜存栏量、牲畜出栏量和资源化利用率，化肥、农药使用品种、农药流失率以及牲畜尿粪排泄量等参数主要参考相关文献资料[8,17-18,21-22]；基础行政区划数据来自于国家基础地理信息中心（http://www.ngcc.cn/）。

3 结果与分析

3.1 湖南省农业面源污染程度数量变化特征

2007年以来，湖南省牲畜、化肥、农药3种污染排放强度均呈下降趋势，农业面源污染排放控制取得了较好成效（图1）。牲畜污染排放总量由2007年的45.38万t降至2019年的30.90万t，污染排放强度也由60.21 kg/hm2降到38.04 kg/hm2。其中，2016年湖南省将农业废弃物资源化利用试点设于畜禽养殖优势区域，该政策有效促进了牲畜粪污基本资源化利用并减少牲畜污染排放总量与强度，使得牲畜污染排放总量与强度显著降低，且维持在稳定水平；化肥污染排放总量由2007年的165.37万t升至2019年的167.42万t，但其污染排放强度由219.39 kg/hm2降到了206.11 kg/hm2。农药污染排放总量由2007年的118.96 t降为2019年的115.05 t，污染排放强度也由0.0158 kg/hm2降至0.0142 kg/hm2。农药和化肥污染排放总量呈先增后减趋势，农药和化肥污染排放强度总体呈下降趋势，其主要得益于湖南省实施的化肥、农药零增长行动。

图1 2007—2019年湖南省农业面源污染排放情况Fig. 1 Agricultural non-point source pollution discharge in Hunan Province from 2007 to 2019

3.2 湖南省农业面源污染程度空间分布特征

以2007年、2011年、2015年和2019年为例，采用相等间隔法将湖南省各类污染源排放强度划分为高污染区、较高污染区、中高污染区、中低污染区、较低污染区和低污染区6个等级。对于牲畜面源污染而言，研究期内其排放强度显著降低（图2），但由于湘中地区多为丘陵与盆地，耕地面积相对较少，畜牧业相对种植业较发达，牲畜污染排放强度下降速度缓慢，导致污染高排放区主要集中在湘中地区及湘东地区，且逐渐向湘中地区集聚。2007年，牲畜高污染区集中分布在湘中地区，主要由于湘中地区牲畜养殖规模较大，产生的牲畜尿粪多，且耕地面积较少，污染配套设施较落后，污染承受能力远小于其他地区。2011年无高污染区，较高污染区分别为湘潭市和娄底市，湘潭市牲畜养殖规模和耕地面积同时减小，污染排放强度下降速度较慢，而娄底市在牲畜养殖规模增加的同时，耕地面积在缓慢减少，污染程度加重。2015年，长沙市和邵阳市由中高污染区转变为中低污染区，湘潭市和娄底市污染排放强度有所下降，但仍处于中、高污染区。2019年，除娄底市外，各市均处于“低污染区—中低污染区”区间，牲畜污染治理成效显著，污染程度整体呈湘中＞湘南＞湘北的空间格局。

图2 2007—2019年湖南省牲畜面源污染排放强度空间分布特征Fig. 2 Spatial distribution characteristics of livestock and poultry non-point source pollution intensity in Hunan Province from 2007 to 2019

受农业税减免优惠和鼓励农业发展等政策影响，湖南省2007—2014年化肥施用数量持续上涨，2014年湖南省化肥施用量占全国的14.22%，化肥污染（N、P）高达186.10万t。2007年，化肥高污染区和较高污染区共6个，至2011年，郴州市由中高污染区降为中低污染区，怀化市与邵阳市污染排放强度等级有所提升，化肥污染治理情况依然不容乐观。2015年，湖南省开始实施化肥零增长行动，湘中及湘东地区污染排放等级均有所降低，但至2019年，湘潭市上升为高化肥污染区，主要原因在于其化肥施用规模下降幅度小于耕地规模下降幅度，导致湘潭市的污染程度加重。相比2007年，其他地区的污染排放强度均有所下降，但分布格局仍表现出污染排放强度较高的地区在湘中、湘东地区集聚特点（图3）。

图3 2007—2019年湖南省化肥面源污染排放强度空间分布特征Fig. 3 Spatial distribution characteristics of fertilizer non-point source pollution intensity in Hunan Province from 2007 to 2019

研究期内，湖南省农药污染强度等级分布区域差异较大，高污染区集中分布于湘东地区，低污染区与高污染区均有所增加，2019年农药污染总量较2007年仅下降3.30%，农药污染情势仍然严峻（图4）。2007年，湖南省无低农药污染地区，同时因湘东、湘中地区农业发达 ，使得其农药污染程度显著高于西部。2011年，中高污染区由2个上升至5个，其大多分布在湘中。2015年后，随着测土配方施肥和病虫害绿色防控技术以及生态环境专项整治等措施的陆续推行，湖南省农药污染排放强度等级有所下降，其中较高污染区已降为2个。

图4 2007—2019年湖南省农药面源污染排放强度空间分布特征Fig. 4 Spatial distribution characteristics of pesticide non-point source pollution intensity in Hunan Province from 2007 to 2019

3.3 湖南省农业面源污染脱钩规律分析

3.3.1 粮食产量与化肥面源污染的脱钩效应 湖南省粮食产量与化肥面源污染脱钩关系呈阶段性变化规律（表2）。2008—2013年，随着湖南省化肥施用量持续增加，粮食产量成为脱钩关系的决定性因素，受到自然因素、农业机械化水平和农户生产经营管理等影响，湖南省粮食产量上下浮动，且粮食产量与化肥面源污染的脱钩关系基本处于耦合状态；2014—2019年，受农业面源污染防治政策及化肥零增长行动等影响，湖南省化肥施用量持续下降，但前期粮食增长依赖于化肥的高强度施用，导致粮食产量出现波动变化，期间内二者脱钩与耦合状态交替出现，稳定性较差。近年来，尽管湖南省有效控制了化肥施用量、调整化肥施用结构，粮食产量与化肥面源污染主要呈脱钩状态，但脱钩关系波动较大。

表2 湖南省粮食产量与化肥面源污染脱钩统计表Table 2 Statistical table of decoupling between grain output and fertilizer non-point source pollution in Hunan Province

3.3.2 粮食产量与农药面源污染的脱钩效应 2008—2010年，湖南省粮食产量与农药面源污染的脱钩关系均为耦合（表3），尽管农药施用量增加，但受干旱等自然灾害影响，粮食产量有所下降。2011年后，随着病虫害绿色防控、支持使用低残留农药等区域政策的陆续提出，湖南省农药使用总量逐年下降，除2013年和2018年外，湖南省的粮食产量与农药面源污染基本为脱钩状态，且其脱钩强度由弱变强。同时由上述分析可知，湖南省农药污染排放总量的脱钩关系与化肥相一致，近年来湖南省农药使用量有所下降，一定程度上影响了粮食产量，使得粮食产量与农药使用未实现强脱钩。

表3 湖南省粮食产量与农药面源污染脱钩统计表Table 3 Statistical table of grain output and pesticide nonpoint source pollution in Hunan Province

3.3.3 湖南省粮食产量与牲畜面源污染的脱钩效应肉（奶）产量与牲畜面源污染的关系在2009年、2014—2015年、2019年均为耦合状态，2008年、2010—2013年、2016—2018年为脱钩状态，其中衰退型脱钩与弱脱钩类型占比较大（表4）。2014—2019年，湖南省持续推进了农业废弃物资源化利用试点工作，且由于农业供给侧改革政策推行，肉（奶）供给质量有所提高，肉（奶）产量整体呈下降趋势，肉（奶）产量与牲畜面源污染的脱钩状态波动变化，其中2016、2018年为衰退性脱钩，年产肉（奶）量减少，年尿粪污染量下降，年尿粪污染量下降的幅度大于年产肉（奶）量减少的幅度，尿粪污染量与肉奶产量同步下降情形需引起农业部门重视。

表4 湖南省肉奶产量与其牲畜面源污染的脱钩情况Table 4 Decoupling between meat and milk production and livestock non-point source pollution in Hunan Province

4 结论与建议

4.1 结论

采用清单分析法评估湖南省农业面源污染时空变化特征，运用脱钩理论揭示其粮食生产与面源污染的脱钩效应。得到如下主要结论：

1）研究期内，湖南省农业面源污染物的排放强度均持续降低，牲畜污染、化肥污染和农药污染排放强度的下降幅度分别为35.16%、6.05%和10.13%，农业面源污染政策管控措施效果明显。

2）农药、牲畜污染排放强度空间分布特征一致，呈显著的聚集性效应。污染高排放区主要分布在湘中、湘南以及湘东地区，化肥污染高值区逐渐向湘东地区聚集，牲畜污染高排放区在湘中地区集聚，农业污染高排放区集聚于湘东地区。

3）农业面源污染治理效果显著，粮食生产与3类污染物排放强度均呈阶段性耦合脱钩规律，粮食生产和农业面源污染总体上表现出较好的脱钩关系，3类面源污染与粮食产量关系均出现衰退性脱钩。湖南省后续在保障粮食生产前提下，进一步强化农业面源污染治理工作，以促进粮食生产与农业面源污染进一步脱钩。

4.2 建议

综合以上结论，湖南省应充分考虑内部区域的农业面源污染类型和程度差异，制定不同污染治理措施，具体建议如下：

1）针对湘中地区，应重点关注畜禽污染治理问题，合理安排畜禽养殖规模及其空间布局，适当优化当地畜禽养殖结构，加大畜禽污染治理力度，在建立和健全大型畜禽养殖场各项配套设施的同时，建立大型病死动物的无害化处置中心；为促进畜禽废弃物资源化利用，应鼓励农户全量收集和利用畜禽粪污，根据实际情况选择合理的输送和施用方式，推行经济高效的粪污资源化利用模式，推广全量机械化施用；因地制宜地制定各市畜禽养殖规模，根据各市地域特点，探索总结实用技术模式，形成各具特色的分类治理模式。

2）针对湘北地区，洞庭湖平原粮食增产对化肥大量使用具有高依赖性，应继续实施化肥零增长行动，合理控制当地化肥施用数量，提高农户绿色环保意识，建立有效奖励机制，鼓励农民多施有机肥或种植绿肥，减少化肥污染；而对于张家界等耕地面积少的地区，应在保证耕地质量前提下适度推广轮作休耕等种植结构模式以恢复耕地地力。

3）针对湘东地区，应严格控制农药用量，实现农药使用总量逐年下降，同时加强农地综合整治，采用新型无公害农药或利用物理、生物技术防治害虫，提高作物产品的经济系数，在实现粮食增产的基础上减少农药污染，鼓励示范和推广农药减量和虫害防治技术。同时，加强农药面源污染监测工作，在各地尤其是衡阳市建设数据采集站，实时分析各地农药施用情况，并提出相应防治政策。

本文主要研究结论与陈素琼和刘忠敏[23]关于湖南省典型区域的农业面源污染研究结论基本一致，表明了清单分析法和脱钩模型在农业面源污染特点分析中具有较好可行性。但仍需指出的是，农业面源污染程度受自然因素影响较大[24]，而由于湖南省地形复杂、降雨量年际变化大，使得本文选取的流失系数与实际情形可能存在偏差，后续需结合湖南省自然、社会状况来对流失系数进行修正调整；同时本文在污染核算中主要考虑化肥施用、农药使用和畜禽排泄的影响，而农业面源污染组成成分丰富[25]，应进一步强化其他类型污染源的农业面源污染问题，以更客观表征湖南省农业面源污染状况。