基于GIS的河南省沿黄区域农业面源污染分析

邱青彬,杨玉秀,牛梦姣,张皖玉,张志勇,王小纯,马新明,熊淑萍

(1.河南农业大学农学院/作物生长发育调控教育部重点实验室,河南 郑州 450046;2.河南农业大学生命科学学院,河南 郑州 450002)

农业面源污染作为影响范围最广的污染类型,已经成为世界范围内危害生态环境安全和农业高质量发展的重要因素[1]。黄河流域在中国社会经济发展和生态安全方面具有十分重要的地位[2],因此,黄河流域生态保护和高质量发展已成为黄河流域转型发展过程中的主要任务[3]。根据中国第二次污染源普查结果,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9个省份,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%[4]。河南境内的黄河河道总长711 km,流域面积362万hm2,占黄河流域总面积的5.1%,占河南省总面积的21.7%,其保护和受益地区占河南全省面积的57%[5]。因此,对河南省沿黄区域农业面源污染现状及其特征进行分析,明确该区域污染底数,对黄河流域农业污染的治理与高质量发展具有重要意义。

目前,针对中国不同区域的农业面源污染的起源、迁移方向、转化特征和现状开展了不少研究。LI等[6]用SWAT模型研究了气象和景观格局变化对三峡库区径流和土壤中硝酸盐负荷的影响,探索了农业面源污染的形成机制;LEI等[7]基于巢湖的一个典型城乡小流域,研究了该流域农业面源污染发生的时空特点及其发生和转化机制;谢文明等[8]以长江三角洲河网平原地区典型区域不同种植模式面源污染发生过程为研究对象,对该区域农业面源污染物的迁移方向开展研究;李悦昭等[9]在白洋淀流域构建了污染负荷估算模型,并对流域的农业污染负荷进行估算和评价;有关黄河流域的研究结果,主要集中在黄河流域整体[10]、渭河流域、泾河流域、洛河流域、无定河流域、窟野河流域、黄甫川流域等部分子流域[11]、河南省等特定省份和地区[12]。但对黄河流域县域尺度的农业面源污染研究较少,特别是对黄河流域河南段这一黄河流域重要农业生产区的农业面源污染情况和污染特征的研究较为稀缺。

为了补充和完善黄河流域农业面源污染县域尺度方向的研究,促进黄河流域生态保护和绿色高质量发展,本研究基于文献整理和ArcGIS水文流域分析,以河南省沿黄区域25个县(市、区)为研究对象,综合采用排污系数法和等标污染负荷法对区域内种植业、畜禽养殖业、水产养殖业3类农业面源污染源[13]中的化学需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、总氮(TN)和总磷(TP)4种污染物的等标污染负荷进行核算和分析[14]。依据结果划分重点污染源和重点污染物,并与河南省农业面源污染的排放特征进行对比,确立污染源和污染物的优先控制级别;最后运用层次聚类分析进行污染类型分区,确定河南省沿黄县(市、区)农业面源污染空间分布特征及重点污染项目,研究结果可为黄河流域农业面源污染治理和农业绿色高质量发展提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究范围为河南省沿黄区域规划面积,约2.31万km2,涉及三门峡市、洛阳市、济源市、焦作市、郑州市、开封市、新乡市和濮阳市的25个县(市、区)(图1)。该区域的农业生产情况如表1所示。

表1 河南省沿黄区域农业生产投入情况

图1 河南省沿黄区域概况

1.2 研究方法

1.2.1 数据来源 划分河南省沿黄区域所需的河南省DEM(90 m)数据来源于地理空间数据云(www.gscloud.cn/search),核算河南省沿黄区域农业面源污染所需数据包括25个县(市、区)化肥农药施用量、畜禽养殖量、水产养殖量,来自2018年河南省沿黄区域各县(市、区)统计年鉴和农村统计年鉴;种植模式、养殖场的清粪工艺、固体粪便处理利用方式和污水处理利用方式均来自实地调研;核算污染物排放所需系数源自《第二次全国污染源普查系数手册》[15]。

1.2.2 农业面源污染核算

1.2.2.1 种植业源污染物排放估算 以氮为例,某县(市、区)种植业氮流失总量核算公式如下:

式中:Lm为第m个县(市、区)种植业氮流失量;Ak为第m个县(市、区)第k类种植模式的种植面积;Fk,av为第m个县(市、区)第k类种植模式的氮施肥强度;ek为第k类种植模式氮流失系数;n为第m个县(市、区)种植模式的数量。

以氮为例,河南省沿黄区域种植业源氮流失总量核算公式如下:

式中:L为河南省沿黄县(市、区)种植业源氮流失量;Lm为第m个县(市、区)种植业源氮流失量;n为县(市、区)的数量。

1.2.2.2 畜禽养殖业源污染物排放估算

(1)畜禽规模养殖场排污量核算方法

规模养殖场排污量计算方法主要基于养殖场的清粪工艺、固体粪便处理利用方式和污水处理利用方式来确定。以生猪养殖场为例,具体测算步骤如下:

T=B+C+D+E

式中:T为规模化养殖场生猪总氮排放量;B为粪水还田过载部分氮磷流失量;C为固体粪便场外丢弃排污量;D为污水直接排放排污量;E为养殖场污水采用达标排放工艺的污染物排放量。

上述公式适用于化学需氧量、氨氮和总磷的排污量计算。

(2)规模以下养殖排污量核算方法

规模以下养殖排放量=各种动物的存出栏量×对应的系数。

1.2.2.3 水产养殖业源污染物排放估算

污染物排放量=排污系数×养殖增产量

1.2.3 污染负荷评价

1.2.3.1 农业面源污染排放强度核算 由于农业面源污染物对环境的危害大小不但与污染物数量有关,还与承载其的土地面积密切相关,因此,依据农业面源污染物排放量与耕地面积,污染物排放强度核算公式如下:

Ti,m=Ui,m/Bm

式中:Ti,m为农业面源污染物i在县(市、区)m的排放强度;Ui,m为农业面源污染物i在县(市、区)m的排放量;Bm为县域单元m的耕地面积。

1.2.3.2 等标污染负荷 为准确识别河南省沿黄区域农业面源污染重点污染物、重点污染源,以GB 3838—2002地表水环境质量标准Ⅲ类标准中污染物的标准浓度值为量纲,运用等标污染评价方法,使不同污染物、污染源之间进行对比更具科学性[16],计算公式如表2所示。

表2 等标污染物核算公式

1.2.4 GIS空间分析 水文分析是DEM数字地形分析的一个重要方面[17],基于研究区域DEM的地表水文分析的主要内容是利用水文分析工具提取水流方向、汇流累积量、水流长度、河流网络、河网分级以及流域分割等[18]。本研究应用GIS水文分析工具提取黄河水系和流域,结合河南省行政区划图选取研究区,并使用ArcGIS属性选择功能提取流域涉及区县,得到研究区行政区划图。由研究区行政区划图和河南省DEM数据,得到研究区DEM,结果见图1。

在通过ArcGIS划分出以河南省沿黄区域25个区县为研究区域后,运用ArcGIS 10.8对空间数据进行管理与分析。采用自然断裂法对河南省沿黄区域农业面源污染排放量、排放强度和等标污染负荷进行分析,根据层次聚类分析的结果划分出污染类型分区。

1.2.5 聚类分析 在不同的变量类别之间具有较高的异质性时,聚类分析能按照不同的变量特征对这一系列变量进行分类,使最终归类于同一类别内的变量具有最大程度的同质性。常见的聚类分析方法有K均值聚类、层次聚类、两步聚类法、模糊聚类法、有序样品的聚类等。唐建波等[19]认为层次聚类中的Ward法更加强调同一类别内部的同质性,在最终划分出的结果中,不同类别之间的变量差异显著,可以直接以某区域为样本的变量按照变量之间不同程度的异质性进行聚类,分区类别之间差异显著。因此,本研究采用 Ward联接的聚类分析法对河南省沿黄区域进行农业面源污染区域聚类,以河南省沿黄区域25个县域单元的等标污染负荷强度为样本,对河南省沿黄区域内农业面源污染区域进行分类,并按照污染类别的不同特征进行污染源类型分区。

2 结果与分析

2.1 河南省沿黄区域农业面源污染物排放量

如表3所示,沿黄区域河南段农业面源污染物排放总量为18.34万t。其中,COD、NH3-N、TN和TP排放量分别为16.22×104、0.23×104、1.64×104和0.25×104t,排放贡献率分别为88.46%、1.24%、8.93%和1.37%。种植业、畜禽养殖业、水产养殖业3类污染源的污染物排放量分别为0.69×104、16.75×104和0.89×104t,分别占污染物总量的3.79%、91.38%、4.84%。COD、NH3-N、TN和TP主要排放量均来自畜禽养殖业,所占比例分别为95.56%、75.11%、54.83%和73.98%。

表3 河南省沿黄区域农业面源污染物排放量及比率

2.2 河南省沿黄区域农业面源污染等标污染负荷及比率

仅以各种污染物的排放量对比,无法确切得出不同污染物及污染源对水环境的影响,因此需要采用将污染物转化为对水环境影响作用评价的等标污染负荷来进行比率的比对。由等标污染核算公式(表2)和污染物排放量(表3)可以计算河南省沿黄区域农业面源污染等标负荷。由核算结果可知(表4),河南省沿黄区域农业面源污染物等标负荷总量为392.81亿m3。种植业、畜禽养殖业、水产养殖业3类污染源对4种污染物的等标负荷比率分别为COD:0%、95.56%和4.44%;NH3-N:15.05%、75.11%和9.84%;TN:37.46%、54.83%和7.72%;TP:18.85%、73.98%和7.17%。3类污染源对于总污染物的比率分别为22.49%、70.52%和6.99%;4种污染物对于总污染物的比率分别为20.65%、5.80%、41.67%和31.88%。可得沿黄区域农业面源污染的重点污染源为畜禽养殖业和种植业,畜禽养殖是COD面源污染的主要污染途径,TN和TP是重点污染物。

表4 河南省沿黄区域农业面源污染等标污染负荷及比率

2.3 河南省农业面源污染等标污染负荷及比率

由等标污染核算公式(表2)和河南省的污染物排放量[20]可以计算河南省农业面源污染等标负荷。由核算结果可知(表5),2017年河南省农业面源污染物等标污染负荷为2 132.75亿m3。种植业、畜禽养殖业、水产养殖业3类污染源在4种污染物的等标负荷中的比率分别为COD:0%、98.15%和1.85%;NH3-N:21.14%、74.80%和4.07%;TN:49.47%、48.29%和2.24%;TP:26.57%、73.07%和0.36%。3类污染源在总负荷中的比率分别为31.37%、66.95%和1.68%;4种污染物在总负荷中的比率分别为18.58%、5.77%、43.89%和31.76%。可得河南省农业面源污染的重点污染源为畜禽养殖业和种植业,TN、TP是重点污染物。

表5 河南省农业面源污染等标污染负荷及比率

2.4 河南省沿黄区域农业面源污染物排放量、污染物排放强度和等标污染负荷分布特征

2.4.1 河南省沿黄区域农业面源污染物排放量分布特征 河南省沿黄区域各县(市、区)的COD、NH3-N、TN和TP排放量空间分布如图2所示。黄河北岸的COD、NH3-N排放量普遍较高,河南省沿黄区域西南部县(市、区)的污染物排放量偏低。NH3-N排放量较高的区域主要分布在河南省沿黄区域中部县(市、区)。TN与TP的排放量分布较为相似:黄河北岸和河南省沿黄区域东部部分地区排放量较高。污染物排放量较高的县(市、区)主要分布在黄河北岸,黄河南岸的4种污染物排放量分布呈“西低东高”的趋势。

(a) COD排放量空间分布; (b) NH3-N排放量空间分布; (c) TN排放量空间分布; (d) TP排放量空间分布。下同。

2.4.2 河南省沿黄区域农业面源污染物排放强度分布特征 河南省沿黄区域各县(市、区)的COD、NH3-N、TN和TP排放强度空间分布如图3所示,COD的排放强度分布沿着黄河南岸呈现从低到高的趋势;黄河北岸的NH3-N排放强度均较高,呈“中间高,两边低”的分布趋势;TN的排放强度分布同样呈“中间高,两边低”的趋势,排放强度较高的县(市、区)主要分布在河南省沿黄区域中部,大部分县(市、区)的TN排放强度分布为11.65～18.08 kg·hm-2;TP排放强度较高的县(市、区)主要分布在黄河北岸。黄河南岸的4种污染物排放强度较黄河北岸低。

图3 河南省沿黄区域各县(市、区)COD、NH3-N、TN、TP排放强度空间分布

2.4.3 河南省沿黄区域农业面源污染等标污染负荷空间分布特征 对农业面源污染等标负荷进行空间分析(图4),结果表明,等标污染负荷较高的县(市、区)畜牧养殖业较为发达,主要分布在黄河北岸;污染负荷较低的县(市、区)面积较小且畜牧业发展较弱,主要分布在黄河南岸;河南省沿黄区域等标污染负荷分布呈“西低东高”的趋势。

图4 河南省沿黄区域农业面源污染等标污染负荷分布

2.5 河南省沿黄区域农业面源污染类型划分

对河南省沿黄25个县(市、区)的3类污染源等标污染负荷强度进行聚类分析(见表6和图5、图6),聚类的结果表明各县(市、区)的污染源可分成4种类型。畜禽养殖业主导Ⅰ型的畜禽养殖业源等标污染负荷所占比例为67.41%,种植业源占比也较高,为27.16%。畜禽养殖业主导Ⅱ型的畜禽养殖业源等标污染负荷所占比例为78.99%。水产养殖业较高占比Ⅰ型县(市、区)主要分布在黄河南岸,水产养殖业源等标污染负荷所占比例为35.60%。水产养殖业较高占比Ⅱ型集中分布在黄河北岸,水产养殖业源等标污染负荷所占比例为23.78%。

表6 河南省沿黄区域不同污染类型分区污染源的等标污染负荷强度均值及其等标污染负荷所占比例

图5 基于等标污染负荷强度的聚类及各污染类型分区在区域内的空间分布

3 结论与讨论

农业面源污染是评价农业高质量发展的一项重要指标[21],河南省的农业面源污染较重[12],亟待进一步采取措施改善生态环境。孙笑蕾等[13]多基于排污系数法核算农业面源污染底数提出农业面源污染治理建议,难以将不同污染物、污染源之间进行对比。本研究以县域为基本单元,综合采用排污系数法和等标污染负荷法核算出河南省沿黄区域的农业面源污染底数,并与河南省农业面源污染的排放特征[14]进行对比表明,河南省沿黄区域的重点污染源为畜禽养殖业和种植业,其中畜禽养殖业是面源污染的主要污染途径,TN和TP是重点污染物,这与陶园等[4]得出的结论相符。

前人研究农业面源污染采用的GIS空间分析法多基于农业面源污染不同污染物的排放量进行分析[22],难以完整展示研究区域的农业面源污染分布。本研究对区域农业面源污染不同污染物的排放量、不同污染物的排放强度以及农业面源污染等标污染负荷进行分析得出,该区域污染物排放量偏高的县(市、区)主要分布在黄河北岸。除TN外,污染物排放强度偏高的县(市、区),也主要分布在黄河北岸;TN排放强度偏高的区域主要分布在河南省沿黄区域中部。等标污染负荷较大的县(市、区)主要分布在黄河北岸,河南省沿黄区域等标的污染负荷分布呈“西低东高”的趋势。

聚类分析是一种探索性分析,按聚类的方法可分为层次聚类法、非层次聚类法等。项颂等[14]采用类间平均法作为聚类方法对洱海流域农业面源污染进行分类,为洱海流域的农业面源污染治理提供了理论支持。本研究通过使用Ward联接的层次聚类分析法将沿黄区域内各区县按等标污染负荷构成结构划分为4个类型:畜禽养殖业主导Ⅰ型、畜禽养殖业主导Ⅱ型、水产养殖业较高占比Ⅰ型和水产养殖业较高占比Ⅱ型。畜禽养殖业主导Ⅰ型的养殖业发展较发达,畜禽粪污规模处理不匹配,种植业施肥效率低,流失量大。畜禽养殖业主导Ⅱ型区域的畜禽养殖业源清粪方式不合理,种植业种植作物复种指数高,施肥强度大,种养脱节,水产养殖业源等标污染占比仅为1.78%。水产养殖业较高占比Ⅰ型县(市、区)主要分布在黄河南岸,各县(市、区)对化肥、灌溉依赖高,集约化蔬菜种植区过量施肥普遍。农田水分管理不合理,沟渠生态功能退化,导致氮磷流失严重[23]。区域中各县(市、区)的畜禽养殖业规模较小,为4种污染类型中种植业源和水产养殖业源中占比最高的1种。水产养殖业较高占比Ⅱ型集中分布在黄河北岸,属于水产养殖业较高占比的综合高面源污染区域。该区域存在耕地土壤肥力不足、土壤酸化、耕作层变浅、农田水利设施滞后等问题。根据不同分区的面源污染特点可以针对性地制定污染治理策略[24],采取更有效的治理措施,将为黄河流域河南段的农业面源污染治理和高质量发展提供支持。

本研究以河南省沿黄25个县(市、区) 为分析单元,对河南省沿黄地区农业面源污染负荷和空间特征进行了研究。河南省沿黄区域的畜禽养殖业是需要控制的首要污染源,COD是需要控制的首要污染物。河南省沿黄区域农业面源污染排放最大的来源为畜禽养殖业。污染负荷较大的区域主要分布在黄河北岸及河南省沿黄区域中东部,河南省沿黄区域的污染负荷分布呈“西低东高”的趋势。本研究将沿黄区域内各县(市、区)按等标污染负荷主要来源不同划分可为4个类型,针对不同的污染类型分区采取相应的污染处理措施,将为农业面源污染的治理以及黄河流域的农业高质量发展提供参考。