京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險時空差異研究

王磊，香寶*，蘇本營，王玥，方廣玲，胡鈺，潘麗波，戴霞

(1.中國環(huán)境科學(xué)研究院農(nóng)業(yè)面源污染防治與管理研究中心,北京 100012；2.國家環(huán)境保護區(qū)域生態(tài)過程與功能評估重點實驗室,北京 100012；3.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院,北京 100875）

京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險時空差異研究

王磊1，2，香寶1，2*，蘇本營1，2，王玥1，2，方廣玲1，2，胡鈺1，3，潘麗波1，2，戴霞1，2

(1.中國環(huán)境科學(xué)研究院農(nóng)業(yè)面源污染防治與管理研究中心,北京 100012；2.國家環(huán)境保護區(qū)域生態(tài)過程與功能評估重點實驗室,北京 100012；3.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院,北京 100875）

為探究京津冀區(qū)域農(nóng)業(yè)面源污染情況,采用GIS空間分析方法,對該地區(qū)農(nóng)業(yè)面源的時空動態(tài)變化進行了研究。結(jié)果表明.時間上該區(qū)域化肥施用量呈逐年增加態(tài)勢,由2000年的305.12萬t增加到2014年的370.50萬t；化學(xué)農(nóng)藥施用量相對穩(wěn)定,由2000年的81.88萬t增加到2014年的89.93萬t；而畜禽糞尿排放量則由2000年的2.35億t減少到2014年的1.96億t?？臻g上化肥污染高風(fēng)險縣市區(qū)和畜禽糞尿污染(主要為氮素和磷素污染）縣市區(qū)數(shù)量增長較快,分別從2000年的33、34、60個增加到2014年的72、78、112個。該區(qū)域化肥污染高風(fēng)險縣市區(qū)主要分布在中部和東部的北京、天津、唐山、秦皇島大部分縣市區(qū)及南部的石家莊、衡水、邯鄲部分縣市區(qū)；氮素高風(fēng)險縣市區(qū)主要分布在石家莊、保定、張家口、承德、秦皇島、邯鄲等大牲畜奶牛、肉牛及生豬優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)；磷素高風(fēng)險區(qū)主要分布在石家莊、保定、廊坊、張家口、承德、秦皇島、邯鄲等大牲畜奶牛、肉牛及家禽集中養(yǎng)殖區(qū)。研究表明,京津冀地區(qū)化肥和畜禽糞尿(N、P）高污染風(fēng)險縣市區(qū)數(shù)量大幅增加且分布廣泛,對農(nóng)作物單產(chǎn)過度追求是化肥施用量逐年增加的主要驅(qū)動因素,而耕地面積減少和集約化養(yǎng)殖是氮磷面源污染高風(fēng)險縣市區(qū)增加的主要原因。

京津冀；農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險；時空差異

農(nóng)業(yè)面源污染,又稱為農(nóng)業(yè)非點源污染,指溶解性或固體污染物在大面積降水和徑流沖刷作用下,匯入受納水體而引起的水體污染,其污染物來源主要包括水土流失、農(nóng)業(yè)化學(xué)品過量施用、生活污水、畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)與農(nóng)村廢棄物等［1］。與農(nóng)業(yè)面源污染相關(guān)的工作及相應(yīng)的法規(guī)和政策最早見于美國,1972年,針對日益嚴(yán)重的水體環(huán)境污染,美國環(huán)保局要求各州從1975年開始必須給出非點源控制方案,緊接著,1977年美國清潔水法案出臺,制定了控制污水排放的基本法規(guī)。自此以后,西方各國紛紛開展農(nóng)業(yè)非點源污染研究,主要針對觀測資料的統(tǒng)計與分析,并提出相應(yīng)的政策與農(nóng)業(yè)管理措施。Carpenter等［2］于1998年指出,非點源污染是美國地表水中氮和磷的主要來源,農(nóng)田中過量施肥與畜禽養(yǎng)殖密度過大導(dǎo)致的氮素盈余成為非點源污染的重要原因,在國際上引起很大反響,農(nóng)業(yè)非點源污染研究逐漸走向深入。

隨著人們對物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化過程的深入了解,以及計算機運算能力的提高,“3S”技術(shù)逐漸被引入生物遷移、轉(zhuǎn)化、污染擴散與風(fēng)險評估中,各國相繼制定了各類污染物排放標(biāo)準(zhǔn)和風(fēng)險評價技術(shù)規(guī)范［3］。此外,國外學(xué)者在農(nóng)業(yè)面源污染防治政策的激勵機制方面也進行了深入的理論研究,各國也結(jié)合自身面源污染發(fā)生特征出臺了相應(yīng)的控制政策法規(guī)［4］。國內(nèi)相關(guān)學(xué)者對農(nóng)業(yè)面源污染問題也開展了一系列研究與探討,目前主要集中在農(nóng)業(yè)面源污染的社會經(jīng)濟誘因［5］、形成機理［6］、農(nóng)戶行為［7］等。2013年高懋芳等［8］通過統(tǒng)計1995—2012年ISI Web of Science和CNKI兩大數(shù)據(jù)庫中有關(guān)農(nóng)業(yè)面源污染方面的文章發(fā)現(xiàn),污染治理技術(shù)、污染現(xiàn)狀調(diào)查等方面文章數(shù)量處于前兩位,面源污染負(fù)荷模擬次之,較為缺乏的是關(guān)于面源污染控制管理、驅(qū)動因子與影響因素、環(huán)境風(fēng)險評價等方面的研究,彌補這些方面研究的空白和缺陷已經(jīng)逐漸成為面源污染研究的熱點問題。

中國是農(nóng)業(yè)大國,種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)分布廣泛、普遍存在,致使農(nóng)業(yè)面源污染分布具有范圍廣、隨機性大、隱蔽性強、不易監(jiān)測、難量化及控制難度大等特點。第一次全國污染源普查公報顯示,農(nóng)業(yè)源COD、TN和TP的排放量占污染源總排放的比例分別為43.7%、57.2%和67.4%,農(nóng)業(yè)面源污染已成為中國目前環(huán)境污染的重要來源,也是當(dāng)前農(nóng)村環(huán)境質(zhì)量提升的主要限制因素,制約著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展。針對農(nóng)業(yè)面源污染研究的尺度,大多集中于市、縣(區(qū)）級的農(nóng)業(yè)面源污染現(xiàn)狀與防控方面,而對省域等大尺度上的研究較少。另外,在研究方法上,運用GIS技術(shù)探討農(nóng)業(yè)面源狀況的報道較少［9-10］,缺乏對農(nóng)業(yè)面源污染空間動態(tài)變化等方面的研究［11］。

京津冀地區(qū)同屬京畿重地,戰(zhàn)略地位十分重要,近年來,隨著該區(qū)域城市人口迅猛增加和農(nóng)村經(jīng)濟快速發(fā)展,化肥、農(nóng)藥投入強度已處于全國前列［12］,嚴(yán)重威脅著區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。鑒于此,該區(qū)域相關(guān)省市相繼出臺了《農(nóng)業(yè)面源污染治理行動計劃》等相關(guān)政策文件；針對化肥農(nóng)藥過量施用、規(guī)?；B(yǎng)殖場畜禽廢棄物無害化程度低等環(huán)境問題,國家啟動了京津冀地區(qū)耕地質(zhì)量提升、生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)試點建設(shè)、畜禽水產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)模養(yǎng)殖、測土配方施肥等項目,以期緩解和改善該區(qū)域農(nóng)業(yè)面源污染問題。但由于京津冀地域遼闊,地貌復(fù)雜多樣,同時各縣市區(qū)自然環(huán)境和經(jīng)濟社會發(fā)展環(huán)境各具特色,農(nóng)業(yè)面源污染特征差異較大,調(diào)查難度加大,導(dǎo)致該區(qū)域面源污染時空特征研究相對缺乏。為此,本研究以京津冀農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)為研究對象,分析了近15年區(qū)域農(nóng)業(yè)面源污染時空變化規(guī)律,以期為京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險管控和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提升決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

京津冀地處華北平原,位于113°27′～119°50′E, 36°05′～42°40′N,是我國重要糧棉產(chǎn)區(qū)和集約化蔬菜種植區(qū),也是城郊型農(nóng)業(yè)集中分布區(qū)。區(qū)域土地面積為21.6萬km2,約占全國的2.7%,人口達1.1億；區(qū)域內(nèi)分布的海河、灤河兩大河流水系,是居民生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要水源；區(qū)域土壤類型以棕壤、褐土、潮土、栗鈣土為主,耕地面積6.54萬km2,約占區(qū)域總面積的30%。

京津冀地區(qū)包括北京、天津兩直轄市以及河北省的保定、廊坊、唐山、秦皇島、石家莊、張家口、承德、滄州、邯鄲、邢臺、衡水11個地級市,作為未來中國區(qū)域發(fā)展“三大戰(zhàn)略”之一,該區(qū)域在中國社會經(jīng)濟發(fā)展中具有重要的戰(zhàn)略地位。2015年4月30日中共中央政治局審議通過的《京津冀協(xié)同發(fā)展規(guī)劃綱要》明確指出,京津冀是一個整體,京津冀協(xié)同發(fā)展不只是經(jīng)濟文化協(xié)同共進,大氣污染治理、水環(huán)境保護、面源污染治理等生態(tài)環(huán)境問題也應(yīng)協(xié)同治理、共同進步。近年來,由于化肥、農(nóng)藥過量施用,畜禽糞尿、生活污水、生活垃圾隨意排放,該區(qū)域農(nóng)業(yè)面源污染問題突出,引發(fā)霧霾頻發(fā)、水體富營養(yǎng)化、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全等問題,對區(qū)域大氣、水體、土壤等生態(tài)環(huán)境和人體健康構(gòu)成極大威脅。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的化肥施用量、農(nóng)藥施用量、畜禽養(yǎng)殖量、農(nóng)作物播種面積及耕地面積等資料數(shù)據(jù)分別來自《中國農(nóng)村統(tǒng)計年鑒(2000—2014）》《北京市農(nóng)業(yè)統(tǒng)計年鑒(2000—2014）》《天津市農(nóng)業(yè)統(tǒng)計年鑒(2000—2014）》《河北省農(nóng)業(yè)統(tǒng)計年鑒(2000—2014）》。排污系數(shù)、畜禽飼養(yǎng)天數(shù)等數(shù)據(jù)源于已發(fā)表的文獻及學(xué)位論文［13-17］。

1.3 研究方法

數(shù)據(jù)分析與繪圖方法.以縣市區(qū)為基本單元,應(yīng)用SPSS 19.0數(shù)據(jù)處理軟件對京津冀地區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)(化肥、農(nóng)藥施用量,畜禽養(yǎng)殖出/存欄量）進行分析,并參考前人研究成果,對京津冀農(nóng)業(yè)面源污染進行分級,利用SPSS 19.0、Origin 9.0、ArcMap10.1軟件,結(jié)合相關(guān)系數(shù)(表1）繪制施肥量、畜禽糞尿排放量年際變化表格、圖形,按分級標(biāo)準(zhǔn)繪制典型年份京津冀化肥、農(nóng)藥、畜禽糞尿氮磷污染風(fēng)險空間分布圖。此外,由于部分縣市區(qū)耕地面積數(shù)據(jù)缺失,采用農(nóng)作物復(fù)種指數(shù)進行折算［18］。

表1 畜禽污染物的年排泄情況、肥分?jǐn)?shù)據(jù)Table 1 Annual discharge of pollutants and nutrients(N and P） from livestock and poultry breeding

化肥污染風(fēng)險分區(qū)方法.針對化肥過量施用導(dǎo)致的污染,我國目前缺乏這方面分級法律法規(guī),采用發(fā)達國家為防止化肥對水體造成污染而設(shè)置的警戒線(單位播種面積225 kg·hm-2）為標(biāo)準(zhǔn)［19］,國內(nèi)學(xué)者開展的相關(guān)研究［11,20］多以該警戒線為依據(jù)。因此,將化肥污染低風(fēng)險區(qū)、中風(fēng)險區(qū)、高風(fēng)險區(qū)分別對應(yīng).＜225、225～400、＞400 kg·hm-2。

農(nóng)藥污染風(fēng)險分區(qū)方法.由于農(nóng)藥種類繁多、成分復(fù)雜,具體施用量受農(nóng)民種植習(xí)慣、農(nóng)作物種植類型和氣候等因素影響,國內(nèi)外缺乏對于化學(xué)農(nóng)藥污染的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范。因此,參考前人研究成果,采用單位農(nóng)作物播種面積農(nóng)藥施用量來區(qū)分農(nóng)藥污染程度［21］,農(nóng)藥污染低風(fēng)險區(qū)、中風(fēng)險區(qū)、高風(fēng)險區(qū)分別對應(yīng).＜10、10～20、＞20 kg·hm-2。

畜禽糞尿氮磷污染分區(qū)方法.畜禽養(yǎng)殖污染程度采用糞尿中N、P排放強度來表示,即單位耕地面積N、P負(fù)荷量。根據(jù)京津冀區(qū)域養(yǎng)殖現(xiàn)狀,其畜禽主要包括牛、豬、羊和家禽四類。中國缺乏畜禽糞尿污染控制方面的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范,本研究采用歐盟硝酸鹽法中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn),即單位耕地面積畜禽糞尿氮磷素負(fù)荷限量值為170 kgN·hm-2、35 kgP·hm-2［22］。國內(nèi)學(xué)者開展的相關(guān)研究［19,23］多數(shù)參考該限量值。結(jié)合該區(qū)域畜禽糞尿氮磷素負(fù)荷狀況,將氮素污染低風(fēng)險區(qū)、中風(fēng)險區(qū)、高風(fēng)險區(qū)分別對應(yīng).＜170、170～340、＞340 kg·hm-2；磷素污染低風(fēng)險區(qū)、中風(fēng)險區(qū)、高風(fēng)險區(qū)分別對應(yīng).＜35、35～70、＞70 kg·hm-2。

畜禽糞尿氮(磷）素排放量=日排放系數(shù)×飼養(yǎng)天數(shù)×畜禽數(shù)量×肥分百分比。

2 結(jié)果與分析

2.1 京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染時間變化特征

2.1.1 化肥污染

通過對京津冀地區(qū)15年來,12種主要農(nóng)作物播種面積、化肥施用量等相關(guān)數(shù)據(jù)對比分析發(fā)現(xiàn),2014年與2000年相比,該區(qū)域農(nóng)作物播種總面積減少619.44萬hm2,降低6.2%；但經(jīng)濟作物+蔬菜的播種面積所占比例卻從25.71%增長到28.30%,增加2.59%?；适┯每偭?、化肥施用強度處于持續(xù)增長的趨勢(表2）,15年間,該區(qū)域化肥施用總量和單位播種面積施用量分別從2000年的305.12萬t和304.77 kg·hm-2增加到2014年的370.50萬t和394.48 kg·hm-2。與發(fā)達國家為防止化肥對水體造成污染而設(shè)置的安全警戒線225 kg·hm-2相比,單位播種面積化肥施用量(304.77 kg·hm-2）最低的年份(2000年）也超過了安全警戒線,尤其從2007年開始,每年單位播種面積化肥施用量均在國際警戒線水平的1.5倍以上。自2010年起,該區(qū)域化肥施用總量增長速度相對減慢,僅增加了2.3%,但單位播種面積化肥施用量增加了3.5%,增速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于總量增速。

近年來,我國經(jīng)濟作物和蔬菜的單位面積施肥量不斷增長［24］,京津冀地區(qū)由于種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整,經(jīng)濟作物+蔬菜播種面積所占比例增加,可能是引發(fā)該區(qū)域化肥施用總量不斷增加的原因［25-26］。此外,由于城鎮(zhèn)化和工業(yè)化發(fā)展導(dǎo)致該區(qū)域農(nóng)作物播種面積不斷下降,使得化肥施用強度持續(xù)快速增加,近5年平均施用量386.33 kg·hm-2,超出全國平均水平［24］(346.1 kg· hm-2）12%,是全國面源污染重點防控地區(qū)。

表2 京津冀區(qū)域2000—2014年播種面積、種植結(jié)構(gòu)及化肥施用情況Table 2 Chemical fertilizer application during year 2000—2014 in Beijing-Tianjin-Hebei Region

2.1.2 農(nóng)藥污染

京津冀地區(qū)由于作物種植類型和自然氣候條件多樣,農(nóng)藥施用類型也相對多樣,且成分復(fù)雜。表3顯示2000—2014年京津冀地區(qū)農(nóng)藥施用情況。就施用總量而言,2014年該區(qū)域農(nóng)藥總施用量為89.93萬t,與2000年相比增加了9.83%；農(nóng)藥單位播種面積施用量2014年為9.58 kg·hm-2,較2000年增加了20.42%。2000—2014年間京津冀地區(qū)農(nóng)作物播種面積因城市擴張而逐年減少,盡管農(nóng)藥施用總量增加幅度較小,但單位播種面積施用量卻大幅增加,2014年北京市單位播種面積農(nóng)藥施用量已高達18.4 kg·hm-2,部分縣市區(qū)處于高污染風(fēng)險區(qū)域。此外,長期農(nóng)藥施用已導(dǎo)致病蟲抗藥性增加,防治效果大幅降低,農(nóng)藥施用有進一步增加的趨勢,致使農(nóng)藥污染進一步加重,且呈現(xiàn)污染類型多樣化。農(nóng)藥污染物一般難以降解,在農(nóng)產(chǎn)品、土壤、地表水和地下水中持續(xù)累積,對生態(tài)環(huán)境和人體健康構(gòu)成極大威脅。

2.1.3 畜禽糞尿污染

近年來,隨著京津冀地區(qū)區(qū)域功能定位和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變,該區(qū)域畜禽養(yǎng)殖量呈先增加后降低的趨勢,2000—2005年快速增長,2005—2014年有所下降,其中大牲畜牛的養(yǎng)殖數(shù)量大幅降低,存欄量由2000年的736.53萬頭下降到2014年的452.04萬頭,糞尿產(chǎn)生量由2000年的1.24億t下降到2014年的0.76億t。而消費量相對較大的豬、羊和家禽出欄量/存欄量均呈小幅增加趨勢,豬、羊和家禽糞尿產(chǎn)生量分別由2000年的7933、1886、1306萬t增加到2014年的8458、2122、1400萬t(圖1）。2000—2014年該區(qū)域畜禽糞尿氮磷的變化趨勢與畜禽養(yǎng)殖數(shù)量變化趨勢一致(圖2）,2000年牛、豬、家禽、羊糞尿中氮素產(chǎn)生量分別為70.06、43.63、16.45、15.73萬t, 2014年分別為43、46.51、17.63、17.69萬t；15年間牛養(yǎng)殖產(chǎn)生的糞尿氮素降低了39%,而豬、家禽和羊的產(chǎn)生量略有增加；2000年牛、豬、家禽和羊糞尿磷素產(chǎn)生量分別為23.85、7.93、19.34、6.15萬t,2014年則分別為14.64、8.46、20.73、6.92萬t,15年間牛養(yǎng)殖產(chǎn)生的糞尿磷素降低了39%,豬、家禽和羊的略有增加。

表3 京津冀區(qū)域2000—2014年農(nóng)藥施用情況Table 3 Pesticides application during year 2000—2014 in Beijing-Tianjin-Hebei Region

圖1 京津冀2000—2014年畜禽糞尿產(chǎn)生量Figure 1 Change of pollutants discharge from livestock and poultry breeding during year 2000—2014 in Beijing-Tianjin-Hebei

圖2 京津冀2000—2014年畜禽糞尿中N、P素產(chǎn)生量Figure 2 Change of N and P discharge in livestock and poultry breeding during year 2000—2014 in Beijing-Tianjin-Hebei

2000—2014年該區(qū)域畜禽糞尿組成結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化,但牛和豬糞尿是畜禽糞尿的主要組成,其中,牛糞尿占總畜禽糞尿排放量的比例由2000年的50%下降到2014年的38%,而豬糞尿占總畜禽糞尿比例則從2000年的34%增加到2014年的43%。對畜禽糞尿氮磷素分析可知,牛和豬糞尿氮素和磷素產(chǎn)生量一直處于主導(dǎo)地位,但是牛糞尿氮素和磷素的產(chǎn)生量在2000—2014年間不斷下降,而豬和家禽糞尿氮素和磷素產(chǎn)生量則不斷上升,其中豬糞尿氮素產(chǎn)生量于2012年超過牛,占總畜禽糞尿氮素產(chǎn)生量的37%；而家禽糞尿中磷素產(chǎn)生量則于2006年超過牛,占總畜禽糞尿磷素產(chǎn)生量的41%。這些變化無疑會加重京津冀區(qū)域畜禽糞尿氮磷素污染,故應(yīng)重視對規(guī)?；i、牛、家禽養(yǎng)殖場的整改,配套相應(yīng)糞尿處理設(shè)施,并將畜禽糞尿磷素污染防治納入重點,防止畜禽糞尿隨意排放引發(fā)的區(qū)域環(huán)境污染。

2.2 京津冀農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險空間格局

針對京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險空間分布特征,文章選擇4個代表年份(2000、2005、2010、2014年）,分析了該區(qū)域182個縣市區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險發(fā)生的時空變化。

2.2.1 化肥污染風(fēng)險分布

由圖3可以看出,京津冀地區(qū)由化肥過量施用導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)面源污染較為嚴(yán)重,2014年該區(qū)域部分縣市區(qū)單位播種面積化肥施用量超過1000 kg·hm-2。從2000年到2014年該區(qū)域單位播種面積化肥施用量增幅較大,高風(fēng)險污染(＞400 kg·hm-2）的縣市區(qū)從33個增加到72個,表明該區(qū)域化肥施用導(dǎo)致的污染高風(fēng)險區(qū)大幅度增加。

從空間分布來看,2000年污染高風(fēng)險區(qū)主要分布在中部的順義、通州、大興、香河、三河、薊縣等,東北部的興隆、遷西、盧龍、昌黎等縣,西南部的正定、新樂、邯鄲、磁縣等；而2014年該區(qū)域中部和東北部的北京市、天津市、唐山市、秦皇島市大部分縣市區(qū)均處于高風(fēng)險污染區(qū),西南部的污染高風(fēng)險區(qū)擴大到深州、隆堯、定興等地區(qū),東南部各縣市區(qū)也從2000年的低風(fēng)險區(qū)惡化到較高風(fēng)險污染區(qū)。對單位面積農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)出和產(chǎn)值增加的追求、農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)方式調(diào)整是引起該區(qū)域污染高風(fēng)險區(qū)增加的主要原因之一,例如唐山市、秦皇島市部分郊縣市區(qū)由原來糧食作物種植向蔬菜瓜果等種植模式的轉(zhuǎn)變。此外,近年來國家為了促進農(nóng)業(yè)發(fā)展、保證農(nóng)民收益,對化肥企業(yè)給予一定補貼,限制化肥價格,使化肥大量施用,進而導(dǎo)致化肥污染高風(fēng)險區(qū)增加。

2.2.2 農(nóng)藥污染風(fēng)險分布

圖3 京津冀化肥污染風(fēng)險分布Figure 3 Chemical fertilizer pollution risk distribution in Beijing-Tianjin-Hebei

京津冀地區(qū)氣候條件及種植結(jié)構(gòu)差別大,導(dǎo)致農(nóng)藥施用種類、施用量及農(nóng)藥殘留等變化較大。從圖4可以看出,2000年該區(qū)域農(nóng)藥污染高風(fēng)險(＞20 kg· hm-2）的縣市區(qū)有朝陽、豐臺、海淀、平谷、漢沽、東麗、撫寧、辛集及趙縣共9個,而2014年昌平、懷柔、興隆、盧龍、昌黎、深州、東光等也都超過20 kg·hm-2,高風(fēng)險污染縣市區(qū)增加到20個,其中部分縣市區(qū)高達60 kg·hm-2。該區(qū)域單位農(nóng)作物播種面積農(nóng)藥施用量增幅不大,但高風(fēng)險縣市區(qū)數(shù)量增加一倍多。農(nóng)藥污染高風(fēng)險區(qū)域主要分布在城市周邊蔬菜集中生產(chǎn)供應(yīng)基地,例如北京市的順義、大興、昌平等是北京市蔬菜主要生產(chǎn)地區(qū),河北省的懷來、萬全等也是環(huán)京津蔬菜商品重要生產(chǎn)基地。農(nóng)藥污染高風(fēng)險區(qū)域擴大,將對農(nóng)產(chǎn)品安全、土壤環(huán)境構(gòu)成極大威脅。

圖4 京津冀農(nóng)藥污染風(fēng)險分布Figure 4 Pesticides pollution risk distribution in Beijing-Tianjin-Hebei

2.2.3 畜禽糞尿中氮磷素污染風(fēng)險分布

由于天津市和河北省多數(shù)縣市區(qū)家禽數(shù)量統(tǒng)計數(shù)據(jù)缺失,為了保證數(shù)據(jù)統(tǒng)一,僅對豬、牛、羊三種畜禽糞尿累積氮磷素污染風(fēng)險進行空間差異分析。

由圖5可知,2000—2005年京津冀地區(qū)單位耕地面積畜禽糞尿氮素污染呈局部加重的特點,2000年和2005年該區(qū)域畜禽糞尿中氮素高風(fēng)險污染空間分布區(qū)域大體相同,主要分布在京津冀北部及西南部少數(shù)縣市區(qū)。2010年整個區(qū)域畜禽糞尿中氮素污染與2005年相比明顯降低,原因可能在于,經(jīng)濟疲軟和畜產(chǎn)品安全事件引發(fā)畜產(chǎn)品價格波動較大,導(dǎo)致2010年各縣市區(qū)生豬出欄和牛存欄量大幅度下降［14］。但2014年該區(qū)域畜禽糞尿中氮素污染高風(fēng)險區(qū)大幅增加,壩上高原生態(tài)防護區(qū)、燕山-太行山生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)所在的部分縣市區(qū)單位耕地面積氮素負(fù)荷已超過170 kg·hm-2,氮素污染高風(fēng)險縣市區(qū)數(shù)量達136個,占總縣市區(qū)個數(shù)的75%,除北京、天津、張家口、廊坊、衡水轄區(qū)少部分縣市區(qū)外,其他各縣市區(qū)均處于氮素污染高風(fēng)險或較高風(fēng)險區(qū)。

由圖6可知,該區(qū)域畜禽糞尿磷素污染更為嚴(yán)重,部分氮素污染低風(fēng)險的縣市區(qū)磷素污染卻達到高風(fēng)險水平。2000年和2005年該區(qū)域畜禽糞尿磷素高風(fēng)險污染空間分布基本相同,但2005年磷素負(fù)荷局部加重,主要分布在北部、南部的邊緣縣市區(qū)；2014年該區(qū)域畜禽糞尿中磷素污染高風(fēng)險區(qū)大幅增加,單位耕地面積磷素負(fù)荷超過35 kg·hm-2的縣市區(qū)有148個,占總縣市區(qū)個數(shù)的81%；超過70 kg·hm-2的縣市區(qū)有112個,占總縣市區(qū)個數(shù)的62%。秦皇島、唐山等海岸海域生態(tài)防護區(qū)大部分地區(qū)處于磷素污染高風(fēng)險區(qū),除北京、天津等少部分縣市區(qū),其他各縣市區(qū)均處于磷素污染較高或高污染風(fēng)險區(qū)。

隨著京津冀地區(qū)工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展, 2014年該地區(qū)耕地面積為7 147.54萬hm2,與2000年(7 610.38萬hm2）相比下降6.08%。區(qū)域功能轉(zhuǎn)變及集約化、規(guī)模化養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展,是導(dǎo)致該區(qū)域畜禽糞尿氮磷素高風(fēng)險縣市區(qū)數(shù)量增加的主要因素。例如,石家莊、保定、唐山、邯鄲和衡水等市是京津冀生豬主要養(yǎng)殖區(qū),張家口、承德、唐山等市是京津冀奶牛、肉牛主要飼養(yǎng)區(qū)。

3 討論

京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險時空差異顯著,尤其化肥、畜禽糞尿中氮磷時空變化大,農(nóng)藥時空差異相對較小,僅有小部分高風(fēng)險縣市區(qū)。Xin等［25］研究分析了我國1998—2008年間不同作物化肥投入量時空差異,發(fā)現(xiàn)種植結(jié)構(gòu)變化是導(dǎo)致化肥施用量增加的主要因素。本研究發(fā)現(xiàn),京津冀地區(qū)自2000年以來種植結(jié)構(gòu)調(diào)整較大,經(jīng)濟作物、蔬菜種植面積不斷增加,導(dǎo)致化肥施用總量持續(xù)增長、單位播種面積化肥施用量遠(yuǎn)大于警戒線,化肥污染高風(fēng)險面積擴大；農(nóng)藥污染高風(fēng)險區(qū)集中分布在大城市周邊縣市區(qū),設(shè)施蔬菜和果園面積增加引起的農(nóng)藥噴施量加大是導(dǎo)致城郊區(qū)部分縣市區(qū)農(nóng)藥高風(fēng)險區(qū)域增加的重要因素；畜禽糞尿產(chǎn)生總量年際間整體呈降低趨勢,但由于耕地面積減少、集約化養(yǎng)殖場增加,使得部分區(qū)域單位耕地面積畜禽糞尿氮磷污染負(fù)荷增加。

京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險不斷增大、高風(fēng)險區(qū)域不斷增加,將會帶來一系列環(huán)境問題。Ongley等［27］和Shen等［28］對三峽庫區(qū)水體污染來源進行研究發(fā)現(xiàn),農(nóng)業(yè)面源是三峽庫區(qū)水環(huán)境污染最大的污染源；蔡金洲等［20］的研究發(fā)現(xiàn),三峽庫區(qū)水體中農(nóng)業(yè)面源污染源中56%來自化肥過量施用。此外,張宏威等［29］對設(shè)施蔬菜的試驗研究發(fā)現(xiàn),大量施肥使深層土壤有機態(tài)氮含量增加,可能引發(fā)地下水污染；Wilkinson等［30］研究發(fā)現(xiàn),過多的養(yǎng)分輸入會帶來土壤次生鹽漬化,導(dǎo)致土壤退化。此外,糞尿中的抗生素隨養(yǎng)殖廢水進入周邊水體環(huán)境介質(zhì),給生態(tài)環(huán)境帶來不良影響,并通過食物鏈傳遞,對人體健康產(chǎn)生危害［31］。還有研究表明,畜禽糞尿堆放或儲存過程中,有10%的糞尿流失進入水體,對流域水體氮磷素富營養(yǎng)化的貢獻率分別為10%和20%［32］。本研究發(fā)現(xiàn),京津冀地區(qū)較多的化肥和畜禽糞尿氮磷污染高風(fēng)險縣市區(qū)位于密云水庫上游水系以及清河、大洋河等重要流域內(nèi)(圖3、圖5、圖6）,化肥過量施用及畜禽糞尿的不合理處置,可能導(dǎo)致該區(qū)域重點保護水體的水體富營養(yǎng)化、地下水污染等環(huán)境問題加劇,限制該區(qū)域環(huán)境質(zhì)量的整體提升。

京津冀地區(qū)面臨著化肥污染風(fēng)險逐年升高、部分縣市區(qū)農(nóng)藥污染嚴(yán)重、畜禽糞尿氮磷素污染風(fēng)險范圍廣等問題。針對化肥污染,推薦采用優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)、指導(dǎo)農(nóng)戶科學(xué)施肥、有機肥替代化肥等措施降低其污染風(fēng)險；針對農(nóng)藥污染嚴(yán)重的縣市區(qū),提倡使用生物農(nóng)藥、低毒低殘留農(nóng)藥；針對畜禽糞尿氮磷素高風(fēng)險縣市區(qū),建議加強規(guī)范化養(yǎng)殖、提高畜禽糞污無害化處理、推廣科學(xué)合理還田等措施,防止污染物進入土壤、水體。此外,針對京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染防控,應(yīng)強化建立區(qū)域聯(lián)動協(xié)調(diào)機制,分級分區(qū)分類進行污染源管控,共同面對京津冀區(qū)域面臨的生態(tài)環(huán)境問題,同步治理、協(xié)同管理、優(yōu)化布局,共同提升京津冀地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

圖5 京津冀畜禽糞尿中氮素污染風(fēng)險分布Figure 5 N pollution risk distribution from livestock and poultry breeding in Beijing-Tianjin-Hebei

圖6 京津冀畜禽糞尿中磷素污染風(fēng)險分布Figure 6 P pollution risk distribution from livestock and poultry breeding in Beijing-Tianjin-Hebei

本研究僅針對農(nóng)業(yè)面源污染主要來源的化肥、農(nóng)藥施用和畜禽糞尿污染進行分析,并未考慮農(nóng)膜、秸稈、水產(chǎn)養(yǎng)殖、生活垃圾、生活污水等,以后有必要進一步結(jié)合,對區(qū)域農(nóng)業(yè)面源污染開展更系統(tǒng)的研究。此外,我國尚缺乏化肥、農(nóng)藥施用量的限量標(biāo)準(zhǔn),本研究采用發(fā)達國家的標(biāo)準(zhǔn)及前人的研究成果對化肥、農(nóng)藥、畜禽糞尿氮磷污染程度進行分級,可能導(dǎo)致部分區(qū)域污染風(fēng)險被高估或低估,后續(xù)應(yīng)加強農(nóng)業(yè)面源污染物風(fēng)險評估分級標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的研究。由于本研究對該地區(qū)畜禽糞尿氮磷素污染風(fēng)險分析中,重點考慮了糞污產(chǎn)生總量對耕地的污染風(fēng)險,未考慮養(yǎng)殖場治污設(shè)施的配備情況,可能會導(dǎo)致部分縣市區(qū)被高估,后續(xù)研究應(yīng)結(jié)合更詳盡的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行分析。

4 結(jié)論

(1）京津冀化肥和化學(xué)農(nóng)藥施用總量逐漸增加,單位播種面積化肥和化學(xué)農(nóng)藥施用量仍居高不下。畜禽糞尿排放總量逐漸降低,且豬糞尿產(chǎn)生總量逐漸取代牛糞尿趨于主導(dǎo)地位。

(2）京津冀地區(qū)化肥污染和畜禽糞尿氮磷素污染高風(fēng)險市區(qū)縣個數(shù)增加較快,化學(xué)農(nóng)藥增加較慢。化肥污染和畜禽糞尿氮磷素污染高風(fēng)險市區(qū)縣分布廣泛,化肥農(nóng)藥污染高風(fēng)險市區(qū)縣集中分布在少數(shù)幾個城市周邊蔬菜種植地區(qū)。

(3）化肥污染風(fēng)險增加的主要原因是對農(nóng)作物單產(chǎn)的過度追求；耕地面積減少和集約化養(yǎng)殖共同導(dǎo)致了畜禽糞尿氮磷素污染風(fēng)險增加。

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Spatial-temporal variation of agricultural non-point source pollution risk in Beijing-Tianjin-Hebei Region, China

WANG Lei1,2,XIANG Bao1,2*,SU Ben-ying1,2,WANG Yue1,2,FANG Guang-ling1,2,HU Yu1,3,PAN Li-bo1,2,DAI Xia1,2
(1.Agricultural Non-point Source Pollution Control and Management Research Center,Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012,China;2.State Environment Protection Key Laboratory of Regional Ecological Processes and Functions Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012,China;3.College of Water Sciences,Beijing Normal University,Beijing 100875,China）

In order to understand current situation of agricultural non-point source pollution(ANSP）in Beijing-Tianjin-Hebei region.GIS spatial analysis was used to research the temporal and spatial variation of ANSP in Beijing-Tianjin-Hebei region.The results showed that the application rate of chemical fertilizers increased year by year from 3.051 2×106t in 2000 to 3.705 0×106t in 2014.The application rate ofchemical pesticide was relatively stable from 8.188×106t in 2000 to 8.993×105t in 2014;livestock and poultry manure discharge reduced from 2.35×108t in 2000 to 1.96×108t in 2014 in the region.The spatial distribution analysis showed that the amounts of chemical fertilizer pollution and livestock and poultry manure pollution(N,P）in high-risk counties respectively increased from 33,34,60 in 2000 to 72,78,112 in 2014.The chemical fertilizer pollution in high-rish area is mainly distributed in the central and eastern parts of the region(counties in Beijing,Tianjin,Tangshan,Qinhuangdao）and southern parts of the region(counties of Shijiazhuang,Hengshui,Handan）.Nitrogen pollution high-risk areas are mainly distributed in large livestock cows,beef cattle and advantage of pig producing areas in Shijiazhuang,Baoding, Zhangjiakou,Chengde,Qinhuangdao and Handan;Phosphorus high-risk areas are mainly distributed in large livestock cows,beef cattle and poultry breeding areas in Shijiazhuang,Baoding,Langfang,Zhangjiakou,Chengde,Qinhuangdao and Handan.Our results indicated that chemical fertilizers and livestock and poultry manure pollution(N,P）in high-risk counties were increased rapidly and wide-spreading in Beijing-Tianjin-Hebei region.The excessive yield of crops is the main driving force to increasing application rate of chemical fertilizer.The reduction of cultivated land area and intensification of farming were the main reasons for the increase of nitrogen and phosphorus high-risk counties.

Beijing-Tianjin-Hebei;agricultural non-point source pollution risk;spatial-temporal variation

X592

A

1672-2043(2017）07-1254-12

10.11654/jaes.2016-1539

王磊,香寶,蘇本營,等.京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險時空差異研究［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2017,36(7）.1254-1265.

WANG Lei,XIANG Bao,SU Ben-ying,et al.Spatial-temporal variation of agricultural non-point source pollution risk in Beijing-Tianjin-Hebei Region, China［J］.Journal of Agro-Environment Science,2017,36(7）.1254-1265.

2016-12-01

王磊(1991—）,男,安徽阜陽人,碩士研究生,主要從事農(nóng)業(yè)面源污染防治研究。E-mail:mywlei@yeah.net

*通信作者：香寶E-mail:xiangbao@craes.org.cn

國家科技支撐計劃課題(2014BAD14B02）；國家重點研發(fā)計劃課題(2016YFD0800905）；國家水體污染控制與治理科技重大專項(2015ZX0720300700101）；中國環(huán)境科學(xué)研究院院所長基金(2006001001004028）

Project supported：The National Key Technology Research and Development Program of the Ministry of Science and Technology of China(2014BAD14B02）；The National Science and Technology Major Project of the Ministry of Science and Technology of China(2016YFD0800905）;The National Water Pollution Control and Management of Science and Technology Major Projects of China(2015ZX0720300700101）;The Dean Foundation of Chinese Research Academy of Environmental Sciences(2006001001004028）