河南省農(nóng)業(yè)面源污染負荷估算及區(qū)劃

彭舜磊, 李 鵬, 王梓臣, 耿慶玲

(1.平頂山學院 化學與環(huán)境工程學院, 河南 平頂山 467000; 2.平頂山學院 旅游與規(guī)劃學院, 河南 平頂山 467000)

根據(jù)第一次全國污染普查報告，我國農(nóng)業(yè)污染源中的CODCr，總氮和總磷排放量分別占總污染物排放量的43.71%，57.19%，67.27%，是我國水環(huán)境污染物主要來源[1]。目前農(nóng)業(yè)面源污染是導致地表水富營養(yǎng)化、地下水硝酸鹽超標的主要原因，對區(qū)域水環(huán)境造成嚴重威脅[2]。估算面源污染的方法很多，可總結(jié)為4類：斷面實測總負荷減去點源負荷的方法、水文估算法、數(shù)學模型估算法和輸出系數(shù)法[3]。前兩種方法由于流域匯流復雜，面源污染物與點源污染物難以區(qū)分，實際應用困難。很多學者基于當?shù)亓饔蛎嬖次廴疚锏倪w移物理過程建立了不同的數(shù)學估算模型，對不同自然條件下的流域面源污染進行了估算[4-7]，但是由于受農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)可獲得性和水文資料缺失與否的直接影響，涉及參數(shù)過多，計算復雜，不適合大尺度區(qū)域面源污染估算。輸出系數(shù)法巧妙避開了氮、磷元素遷移過程產(chǎn)生的復雜計算，直接建立土地利用狀況與面源污染負荷的關系，利用容易獲取的土地利用類型數(shù)據(jù)，就可以直接估算區(qū)域的污染物總負荷，計算簡單且具有可靠性[8]。Johnes等學者1996年在輸出系數(shù)模型中加入了牲畜、人口等因素，建立了更為完善的輸出系數(shù)模型[9]。Johnes輸出系數(shù)模型所需要的參數(shù)少且易獲取，計算簡單，精度較高，適合大尺度區(qū)域農(nóng)業(yè)面源污染的估算，因此得到廣泛應用[10-14]。

在運用Johnes輸出系數(shù)模型估算面源污染物負荷時，確定合理的輸出系數(shù)是科學估算的關鍵。輸出系數(shù)受多種因素影響，引起農(nóng)業(yè)面源污染的因素一般歸納為3類：農(nóng)業(yè)用地、畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)村生活污水及廢棄物[8]。面源污染的輸出系數(shù)一般通過試驗的方法確定[11-14]。如果本地缺乏輸出系數(shù)實測數(shù)據(jù)，農(nóng)業(yè)用地的污染物輸出系數(shù)通過文獻調(diào)研，采用相似自然條件下臨近幾個區(qū)域輸出系數(shù)實測值的平均值確定[8,15-17]，畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)村生活污水和廢棄物輸出系數(shù)分別采用環(huán)保部推薦的排泄系數(shù)和人口輸出系數(shù)[8,10,15-17]。

河南省是我國農(nóng)業(yè)大省，農(nóng)業(yè)面源污染形勢十分嚴峻。然而，關于河南省的農(nóng)業(yè)面源污染估算研究相對較少，河南省農(nóng)業(yè)面源污染現(xiàn)狀、空間格局以及污染來源如何？這些問題鮮有文獻報道。本文以河南省18個地市為核算單元，依據(jù)《2015年河南統(tǒng)計年鑒》中的2014年數(shù)據(jù)，分析河南省農(nóng)業(yè)農(nóng)村面源污染的分布特點及成因，并對農(nóng)業(yè)面源污染進行科學區(qū)劃，提出治理對策，旨在為美麗河南建設和新農(nóng)村環(huán)境整治以及流域水污染治理提供科技支撐。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

河南省地理位置為東經(jīng)110°21′—116°39′，北緯31°23′—36°22′，地處我國華中地區(qū)，土地總面積為16.55萬km2，轄18個地市。氣候為典型的大陸性季風氣候，年均降水量800 mm左右。橫跨黃、淮、海、長江四大水系，1 500多條河流橫貫其中。北部、西部和南部主要為丘陵和山地，東部和中部為廣袤的平原，是全國重要的糧食主產(chǎn)區(qū)[18]。

1.2 農(nóng)業(yè)面源污染輸出系數(shù)模型

農(nóng)業(yè)面源污染輸出系數(shù)模型[8]計算公式

(1)

式中：Tj為污染物總負荷量[kg/(hm2·a)]；Ai為污染物在該土地利用類型中的輸出系數(shù)(kg/hm2)或第i種畜禽每頭排泄系數(shù)(kg/a)或人口每人輸出系數(shù)(kg/a)等共m種；Pi為研究區(qū)域中土地利用類型的面積(hm2)或第i種牲畜數(shù)量(頭)或人口數(shù)量(人)等共m種。

1.3 輸出系數(shù)取值

農(nóng)業(yè)土地類型、畜牧養(yǎng)殖以及農(nóng)村生活是農(nóng)業(yè)面源污染產(chǎn)生的因素[8]。河南省是農(nóng)業(yè)大省，農(nóng)業(yè)用地以耕地為主[19-21]，因此，在農(nóng)業(yè)土地利用類型中，我們僅考慮耕地面積。鑒于河南省沒有輸出系數(shù)的實測數(shù)據(jù)，農(nóng)業(yè)用地的輸出系數(shù)參考國內(nèi)相似自然條件下其他區(qū)域的研究成果，并取其平均值[8,14-16]；畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)村生活部分的面源污染物輸出系數(shù)分別采用國家環(huán)?？偩滞扑]的排泄系數(shù)和人口輸出系數(shù)[22]。畜禽養(yǎng)殖業(yè)的總氮和總磷輸出系數(shù)分別取為各自排泄系數(shù)的10%[8,22]。各輸出系數(shù)取值見表1。

表1 農(nóng)業(yè)用地、畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)村生活輸出系數(shù)取值

1.4 數(shù)據(jù)來源

在估算和分析河南省農(nóng)業(yè)面源污染負荷時需要用到的數(shù)據(jù)有河南省各地市耕地面積、農(nóng)村人口數(shù)量以及牛、豬、羊和家禽數(shù)量，這些數(shù)據(jù)通過查閱《2015年河南統(tǒng)計年鑒》獲取[23]。

1.5 面源污染區(qū)劃方法

首先用R軟件中的scale函數(shù)對各市農(nóng)業(yè)面源污染的總氮和總磷污染負荷進行標準化，然后采用Kmeans均值聚類方法對河南省農(nóng)業(yè)面源進行聚類，聚類最優(yōu)簇數(shù)采用不同Kmeans均值聚類簇數(shù)個數(shù)的貢獻率，以貢獻率變化穩(wěn)定時對應的簇數(shù)作為最優(yōu)分類簇數(shù)，最優(yōu)分類簇數(shù)作為區(qū)劃的分區(qū)個數(shù)。用R軟件做Kmeans均值聚類和最優(yōu)簇數(shù)劃分，用ArcGIS 10.2做河南省農(nóng)業(yè)面源污染區(qū)劃。

2 結(jié)果與分析

2.1 河南省各市農(nóng)業(yè)面源污染特征

2.1.1 各地市總氮總磷負荷量 表2和表3是2014年河南省各市不同污染源類型產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)面源污染物總氮和總磷的負荷量。全省平均的總氮負荷量是總磷負荷量的6.7倍?？臻g分布上看，南陽、駐馬店、周口、商丘和信陽的農(nóng)業(yè)面源污染總氮和總磷負荷量都很高。這些地區(qū)耕地面積大，農(nóng)業(yè)人口比較多，農(nóng)業(yè)化程度相對較高。相比較之下，三門峽、鶴壁、濟源三市的農(nóng)業(yè)人口和農(nóng)業(yè)用地總面積都比較少，因此農(nóng)業(yè)面源污染總量比較低。河南省耕地、畜禽養(yǎng)殖業(yè)面源污染物總氮和總磷負荷的貢獻率都較高：耕地和畜禽養(yǎng)殖業(yè)總氮負荷量的貢獻率分別為47.79%和28.69%，對總磷負荷的貢獻率分別為32.95%和50.95%。其中南陽、駐馬店、信陽、周口、商丘五市的農(nóng)業(yè)面源污染總氮和總磷之和分別占全省總氮、總磷的52.92%和52.41%。

2.1.2 不同污染源類型對總氮總磷負荷量的貢獻 由表4可知，耕地對總氮的輸出貢獻率接近半數(shù)，這三種污染源類型總氮負荷量貢獻率的大小順序為：耕地>畜禽養(yǎng)殖>農(nóng)村生活。畜禽養(yǎng)殖業(yè)的總磷負荷貢獻率明顯大于耕地和農(nóng)村生活的貢獻率。三種污染源類型總磷負荷貢獻率的大小順序為：畜禽養(yǎng)殖>耕地>農(nóng)村生活。說明目前河南省耕地和畜禽養(yǎng)殖對面源污染物分別對總氮和總磷的貢獻最大。因此為了減少農(nóng)業(yè)環(huán)境污染，科學施肥合理密植，發(fā)展循環(huán)農(nóng)業(yè)，無害化處理畜禽糞便是非常重要的舉措。除此之外，農(nóng)村生活所占氮、磷總負荷比重也不小，農(nóng)村地區(qū)污水和生活垃圾的處理也必須盡快采取相應的措施。

表2 2014年河南省農(nóng)業(yè)面源污染物總氮負荷量 kg/a

2.2 各市農(nóng)業(yè)面源污染總氮、總磷分布格局

將表2，表3的數(shù)據(jù)導入ArcGIS，根據(jù)河南省的行政區(qū)劃，生成河南省各地市面源污染總氮、總磷分布格局(圖1和圖2)。表4是2014年河南省各地市不同污染源類型對總氮、總磷負荷量的貢獻率。由圖1，2可知，南陽、駐馬店兩市的總氮、總磷的負荷量最高，耕地和畜禽養(yǎng)殖對其總氮、總磷負荷貢獻率很高，充分說明了兩市耕地面積大，規(guī)?；拇笮宛B(yǎng)殖是造成兩市總氮、總磷的負荷量高的主要原因(表4)。周口、商丘、信陽三市總氮、總磷的負荷量也是比較高的，耕地對這三個地市的總氮、總磷負荷量貢獻率最高。表4還表明，耕地依然是河南省各市農(nóng)業(yè)面源污染的重要組成部分，同時畜禽養(yǎng)殖對河南省農(nóng)業(yè)面源污染造成十分顯著的影響，尤其是在總磷的負荷量上，各市畜禽養(yǎng)殖的對總磷貢獻率均超過了耕地。所以由大規(guī)模畜禽養(yǎng)殖業(yè)而產(chǎn)生環(huán)境污染必須要格外關注，并盡快采取措施。

表3 2014年河南省農(nóng)業(yè)面源污染物總磷負荷量 kg/a

圖12014年河南省各市農(nóng)業(yè)面源總氮負荷量空間分布圖22014年河南省各市農(nóng)業(yè)面源總磷負荷量空間分布

2.3 河南省農(nóng)業(yè)面源污染區(qū)劃

最優(yōu)分類聚類簇數(shù)分析結(jié)果表明，河南省農(nóng)業(yè)面源污染聚類，分為5類，解釋率達到97%，當分類簇數(shù)大于5時，解釋率的變化趨勢趨于平穩(wěn)，因此河南省面源污染可以區(qū)劃為5種類型(圖3)。南陽市和駐馬店市為重度污染區(qū)，周口市、商丘市和信陽市為較重度污染區(qū)，新鄉(xiāng)市、安陽市、洛陽市、開封市、平頂山市、許昌市、鄭州市為中度污染區(qū)，三門峽市、鶴壁市、焦作市、漯河市、濮陽市為較輕污染區(qū)，濟源市為輕度污染區(qū)(圖4)。

表4 2014年河南省各地市不同面源污染類型對總氮、總磷的貢獻率 %

圖3聚類簇數(shù)分析圖

圖42014年河南省農(nóng)業(yè)面源污染區(qū)劃

3 結(jié)論與討論

本文使用輸出系數(shù)模型法，估算了河南省2014年農(nóng)業(yè)面源污染物總氮和總磷負荷量。2014年河南省農(nóng)業(yè)面源污染物總氮和總磷負荷量分別是3.87×105和5.73×104t/a。各地市的農(nóng)業(yè)面源污染物總氮和總磷負荷量差異較大，南陽、駐馬店、信陽、周口、商丘五市的總氮和總磷負荷量較大，農(nóng)業(yè)面源污染總氮和總磷之和占全省總氮、總磷的52.92%和52.41%。

最優(yōu)分類聚類簇數(shù)分析結(jié)果表明，河南省農(nóng)業(yè)面源污染可以區(qū)劃為5種類型：南陽市和駐馬店市為重度污染區(qū)，周口市、商丘市和信陽市為較重污染區(qū)，新鄉(xiāng)市、安陽市、洛陽市、開封市、平頂山市、許昌市、鄭州市為中度污染區(qū)，三門峽市、鶴壁市、焦作市、漯河市、濮陽市為較輕污染區(qū)，濟源市為輕度污染區(qū)。

耕地依然是河南省各市農(nóng)業(yè)面源污染來源的重要組成部分，同時畜禽養(yǎng)殖對河南省農(nóng)業(yè)面源污染造成十分顯著的影響，尤其是在總磷的負荷量上，各市畜禽養(yǎng)殖的對總磷貢獻率均超過了耕地。因此為了減少農(nóng)業(yè)面源污染，科學施肥、發(fā)展循環(huán)農(nóng)業(yè)和無害化處理畜禽糞便是關鍵舉措[24-25]。此外，農(nóng)村地區(qū)污水和生活垃圾的處理也必須盡快實施。

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