江西省農(nóng)業(yè)面源污染時(shí)空特征及污染風(fēng)險(xiǎn)分析

熊昭昭，王書月，童 雨，程麗華，徐新華

（浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，杭州 310058）

近年來(lái)，我國(guó)農(nóng)村飲水安全形勢(shì)十分嚴(yán)峻，其核心問(wèn)題是農(nóng)村飲用水源的保護(hù)問(wèn)題。江西是農(nóng)業(yè)大省，農(nóng)村飲水安全問(wèn)題比較突出，在我國(guó)具有地區(qū)代表性。由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)中長(zhǎng)期形成的農(nóng)業(yè)粗放型經(jīng)濟(jì)，農(nóng)村面源污染已成為農(nóng)村地表水污染主要來(lái)源[1]。2010年全國(guó)污染源普查公報(bào)[3]指出近年農(nóng)業(yè)、畜禽養(yǎng)殖及水產(chǎn)養(yǎng)殖的COD、TN、TP排放量分別為13 240、2700、280 kt·a-1，畜禽養(yǎng)殖成為COD主要污染源。劉菊等研究指出農(nóng)村生活與禽類養(yǎng)殖是污染物（COD、TN、TP）的主要來(lái)源[5]。謝頌華等對(duì)江西省水環(huán)境主要污染源的研究中指出，畜禽養(yǎng)殖污染物已接近或超過(guò)工業(yè)和生活廢水污染，成為污染江西省水環(huán)境的主要污染源[1]。

農(nóng)業(yè)面源污染（Agricultural non-point sources pol?lution，ANPSP）是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，氮素和磷素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、農(nóng)藥以及其他有機(jī)或無(wú)機(jī)污染物質(zhì)，通過(guò)農(nóng)田的地表徑流和農(nóng)田滲漏，造成的水環(huán)境的污染，主要包括化肥污染、農(nóng)藥污染、集約化養(yǎng)殖場(chǎng)污染、生活污水及生活垃圾污染[2]。相對(duì)于點(diǎn)源污染易于治理與管理的特征，面源污染來(lái)源復(fù)雜，遷移途徑多樣化[8-10]，使其難以準(zhǔn)確測(cè)量及控制，導(dǎo)致數(shù)據(jù)獲取受到限制?，F(xiàn)有對(duì)江西省農(nóng)村地區(qū)水源污染的報(bào)道多集中在小區(qū)域、單一指標(biāo)的趨勢(shì)變化及管理立法等角度[11-15]。

為了明確全省農(nóng)村飲用水源地重點(diǎn)控制區(qū)域的劃分依據(jù)，本文從江西省年鑒、江西省環(huán)境狀況公報(bào)及江西省環(huán)境統(tǒng)計(jì)年報(bào)獲取全省畜禽養(yǎng)殖、種植業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖污染物排放總量，采用排污系數(shù)法計(jì)算11個(gè)地市農(nóng)村生活源、畜禽養(yǎng)殖、種植業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖污染負(fù)荷；由于掌握不同污染物時(shí)空分布特征對(duì)面源污染預(yù)測(cè)與評(píng)估具有重要意義[16]，本文對(duì)2011—2015年污染總量進(jìn)行時(shí)間趨勢(shì)分析，采用ArcGIS表征COD、TN、TP污染負(fù)荷及污染強(qiáng)度空間分布，對(duì)污染強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行離差標(biāo)準(zhǔn)化，按相同權(quán)重進(jìn)行污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；最后結(jié)合人口、農(nóng)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r、水資源量等因素討論農(nóng)村飲用水源地重點(diǎn)控制區(qū)域。

1 材料與方法

1.1 污染負(fù)荷估算

輸出系數(shù)法于20世紀(jì)70年代初期在北美地區(qū)首先提出[17]，由于兼具原理簡(jiǎn)單、輸入?yún)?shù)少，一定的精度[18]，可模擬缺乏長(zhǎng)時(shí)間系列監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的大中尺度流域面源污染的年負(fù)荷量[19]等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在我國(guó)應(yīng)用較廣，例如北京[15]、三峽庫(kù)區(qū)[20]、京津冀地區(qū)[21]、新疆[22]等地區(qū)的面源污染負(fù)荷估算。本文借鑒經(jīng)典輸出系數(shù)模型的思路，將污染物輸出系數(shù)替換為排放系數(shù)，稱為排污系數(shù)法，得到污染物排放量公式：

式中：Lj為污染物 j在區(qū)域的總負(fù)荷量，kt·a-1；j為區(qū)域中的污染物類型，包括COD、TN、TP 3種；Eij為污染物排放系數(shù)，g·頭（人）-1·a-1；i為區(qū)域中的污染源類型，包括農(nóng)村生活污水、農(nóng)村生活垃圾、畜禽養(yǎng)殖、種植業(yè)或水產(chǎn)養(yǎng)殖；Ai為區(qū)域中個(gè)體數(shù)量，頭（人）。

根據(jù)江西省水資源保護(hù)規(guī)劃技術(shù)細(xì)則[23]，農(nóng)村生活污水中COD、TN和TP排放系數(shù)參考值分別為29.245、2.695 g·頭（人）-1·a-1和0.232 5 g·頭（人）-1·a-1；據(jù)謝頌華等[6]研究，每人每日產(chǎn)生0.5 kg生活垃圾，農(nóng)村生活垃圾中TN占0.21%、TP占0.22%[24]，則農(nóng)村生活垃圾中TN、TP的排放系數(shù)為1.05、1.1 g·頭（人）-1·a-1。農(nóng)村人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)自江西省2011—2015統(tǒng)計(jì)年鑒[26]，全省畜禽養(yǎng)殖、種植業(yè)及水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)生的COD、TN和TP年總排放量從江西省環(huán)境統(tǒng)計(jì)年報(bào)[27]中“農(nóng)業(yè)污染排放情況”的對(duì)應(yīng)污染物排放數(shù)據(jù)獲取，將全省“畜禽養(yǎng)殖污染物排放量/畜禽養(yǎng)殖量”、“種植業(yè)污染物排放量/化肥施用量”、“水產(chǎn)養(yǎng)殖污染物排放量/水產(chǎn)養(yǎng)殖量”作為排放系數(shù)，其中農(nóng)村生活垃圾、種植業(yè)沒有對(duì)應(yīng)的COD年排放量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。整理污染物排放系數(shù)如表1所示。

表1 江西省農(nóng)村面源污染物排放系數(shù)Table 1 ANPSP pollutant emission coefficient of Jiangxi Province

1.2 污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

農(nóng)業(yè)面源污染的污染強(qiáng)度（kg·hm-2·a-1）反映了一個(gè)地區(qū)農(nóng)業(yè)集約化程度和單位土地面積上的農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)水體的影響。本文采用ArcGIS歸一化處理COD、TN和TP污染強(qiáng)度，直觀反映江西省11個(gè)地市農(nóng)村面源污染的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化情況[25]，其中取11個(gè)地市行政面積扣除市區(qū)面積的“農(nóng)村面積”為歸一化字段（Normalization）。

由于各指標(biāo)的數(shù)值水平相差較大，因此對(duì)COD、TN、TP污染強(qiáng)度數(shù)值進(jìn)行離差標(biāo)準(zhǔn)化（min-max標(biāo)準(zhǔn)化），使結(jié)果落到[0，1]區(qū)間，再對(duì)COD、TN、TP污染強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)化值按相同權(quán)重加和得到污染綜合指數(shù)，確定農(nóng)村面源污染風(fēng)險(xiǎn)排序，以此為依據(jù)確定重點(diǎn)控制區(qū)域。轉(zhuǎn)換函數(shù)為：

其中，Qi為評(píng)價(jià)因子的第i級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)化值；Ii為評(píng)價(jià)因子的第i級(jí)的編碼值；Imin為評(píng)價(jià)因子最小編碼值；Imax為評(píng)價(jià)因子的最大編碼值。

2 結(jié)果與分析

2.1 污染負(fù)荷及時(shí)間特征分析

按照上節(jié)污染負(fù)荷估算方法，分別獲得2011—2015年江西省農(nóng)業(yè)面源污染中農(nóng)村生活污水、農(nóng)村生活垃圾、畜禽養(yǎng)殖、種植業(yè)或水產(chǎn)養(yǎng)殖污染負(fù)荷，整理見表2。江西省農(nóng)業(yè)面源污染主要污染物為COD。2011年全省COD、TN及TP污染負(fù)荷分別為510.1、148.2 kt·a-1及27.3 kt·a-1，2015年全省COD、TN及TP總負(fù)荷分別為 455.3、137.4 kt·a-1及26.0 kt·a-1。

2015年不同污染源貢獻(xiàn)率結(jié)果見表3，可知江西省農(nóng)業(yè)面源污染貢獻(xiàn)率綜合排序?yàn)椋恨r(nóng)村生活＞畜禽養(yǎng)殖＞種植業(yè)＞水產(chǎn)養(yǎng)殖。其中，農(nóng)村生活源對(duì)COD污染負(fù)荷的貢獻(xiàn)率最大，貢獻(xiàn)率為51.79%。畜禽養(yǎng)殖對(duì)TN、TP的貢獻(xiàn)率最大，分別為50.52%與44.12%。

2011—2015年COD、TN及TP污染負(fù)荷隨時(shí)間變化結(jié)果見圖1。2011—2015年COD、TN及TP污染負(fù)荷整體呈現(xiàn)略有下降的趨勢(shì)。隨著城鄉(xiāng)一體化，以及江西作為勞務(wù)輸出大省，農(nóng)村居民人口數(shù)量整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，由此帶來(lái)的農(nóng)村生活污水排放量及農(nóng)村固體垃圾產(chǎn)生量逐年下降，污染物總量也隨之下降。

表2 2011—2015年江西省農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷Table 2 ANPSP load of Jiangxi Province in 2011—2015

表3 2015年江西省農(nóng)村面源污染貢獻(xiàn)率Table 3 ANPSP contribution ratio of Jiangxi Province in 2015

圖1 2011—2015年COD、TN、TP污染負(fù)荷時(shí)間特征Figure 1 Temporal characteristic of COD，TN，TP load in 2011—2015

2.2 污染負(fù)荷及污染強(qiáng)度空間特征分析

圖2（a）、圖2（b）、圖2（c）分別為2015年江西省11個(gè)地市COD、TN、TP污染負(fù)荷空間分布圖。結(jié)果表明，污染負(fù)荷總量順序?yàn)椋黑M州＞宜春＞吉安＞上饒＞撫州＞南昌＞九江＞萍鄉(xiāng)＞鷹潭＞景德鎮(zhèn)＞新余。其中，贛州市的COD、TN、TP污染負(fù)荷分別為92.9、22.3、4.8 kt·a-1，分別占全省總 量的 20.40%、19.26%、20.05%；宜春的COD、TN、TP污染負(fù)荷分別占全省的15.67%、16.63%、15.77%；新余為污染負(fù)荷最低的地區(qū)，其COD、TN、TP負(fù)荷分別為9.5、2.9、0.5 kt·a-1分別占全省的2.08%、2.48%、2.20%。

圖2（d）、圖2（e）、圖2（f）分別為2015年江西省11個(gè)地市COD、TN、TP污染強(qiáng)度空間分布圖。其中，贛州、吉安污染強(qiáng)度較低，COD、TN及TP負(fù)荷強(qiáng)度分別在 2.01～2.38、0.49～0.51 kg·hm-2·a-1和 0.11～0.13 kg·hm-2·a-1之間；宜春、南昌為污染強(qiáng)度較高區(qū)域，其COD、TN及TP負(fù)荷密度分別在3.88～5.65、1.04～1.66 kg·hm-2·a-1和0.18～0.32 kg·hm-2·a-1之間。

從以上結(jié)果可以看出，不同污染物的污染負(fù)荷與污染強(qiáng)度分布較為一致，污染負(fù)荷呈現(xiàn)西部高、東部低的特點(diǎn)，污染強(qiáng)度呈現(xiàn)中部高、四周低的特點(diǎn)。這是因?yàn)橐阅喜秊橹行牡沫h(huán)鄱陽(yáng)湖平原區(qū)農(nóng)村面積小、農(nóng)村人口少，城市化發(fā)展較快，種植業(yè)復(fù)種指數(shù)高，規(guī)?；B(yǎng)殖相對(duì)發(fā)展較快，污染排放量大，污染負(fù)荷及污染強(qiáng)度均處于較高水平；以贛州、吉安為主的山地區(qū)農(nóng)村面積大、農(nóng)村人口多，城市化發(fā)展較慢，農(nóng)民收入水平和農(nóng)業(yè)集約化程度較低，以林業(yè)和畜牧業(yè)為主要農(nóng)業(yè)收入來(lái)源，污染負(fù)荷總量大，污染強(qiáng)度小。

2.3 污染風(fēng)險(xiǎn)分析

11個(gè)地市面源污染COD、TN、TP污染強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)化值及綜合指數(shù)結(jié)果見表4。綜合指數(shù)從大到小順序?yàn)椋耗喜酒监l(xiāng)＞鷹潭＞宜春＞新余＞撫州＞上饒＞贛州＞九江＞景德鎮(zhèn)＞吉安。污染風(fēng)險(xiǎn)與單個(gè)污染強(qiáng)度指標(biāo)空間分布的規(guī)律較為一致，呈現(xiàn)中部污染風(fēng)險(xiǎn)高，四周污染風(fēng)險(xiǎn)低的規(guī)律。其中，南昌的農(nóng)業(yè)面源污染COD、TN、TP污染強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)化值均為1，綜合評(píng)價(jià)為農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險(xiǎn)最高區(qū)域；萍鄉(xiāng)、鷹潭、宜春為中度污染風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域；吉安的農(nóng)業(yè)面源污染COD、TN、TP污染強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)化值均為0，綜合評(píng)價(jià)為農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險(xiǎn)最低區(qū)域。

3 討論

石先羅等[28]采用清單分析法得到江西省11市農(nóng)業(yè)面源污染產(chǎn)生量最大的為宜春、吉安和上饒，根據(jù)面源污染等標(biāo)產(chǎn)生量得出面源污染產(chǎn)生強(qiáng)度最大的為贛州、宜春和吉安；張文東等[31]采用數(shù)據(jù)普查得到農(nóng)業(yè)污染源總體分布是鄱陽(yáng)湖濱湖地區(qū)以及周邊的低丘平原區(qū)的農(nóng)業(yè)污染源比較密集，境內(nèi)周邊中低山區(qū)的農(nóng)業(yè)污染源分布較少，強(qiáng)度較低，南昌市農(nóng)業(yè)污染源產(chǎn)生強(qiáng)度最高，贛州、景德鎮(zhèn)等強(qiáng)度較低；吳超雄[32]采用等標(biāo)排放法將江西省11市分成3類：萍鄉(xiāng)、鷹潭、新余、景德鎮(zhèn)為污染程度較低區(qū)域；南昌、撫州、上饒、九江為污染程度中等區(qū)域；吉安、宜春、贛州為污染程度較高區(qū)域。本文所得農(nóng)業(yè)面源污染空間分布特征與污染風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果與其他學(xué)者結(jié)論相近。

表4 2015年江西省農(nóng)村面源污染綜合指數(shù)Table 4 ANPSP comprehensive index in Jiangxi Province in 2015

圖2 2015年COD（a）、TN（b）、TP（c）污染負(fù)荷分布圖，COD（d）、TN（e）、TP污染強(qiáng)度（f）分布圖Figure 2 Pollution load distribution of COD（a），TN（b），TP（c），pollution intensity distribution of COD（d），TN（e），TP（f）in 2015

為向農(nóng)村飲用水源地重點(diǎn)控制劃分提供依據(jù)，本文進(jìn)一步對(duì)比11個(gè)地市人口、水資源及農(nóng)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r數(shù)據(jù)（表5）。其中，宜春、南昌、上饒等中部平原地區(qū)農(nóng)村人口多、人口密集，單位農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力生產(chǎn)的作物、肉類總產(chǎn)量、水產(chǎn)品產(chǎn)量等主要農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量在全省排名靠前，農(nóng)業(yè)較發(fā)達(dá)而水資源總量較小，可作為農(nóng)村飲用水源地重點(diǎn)控制區(qū)域，從提高農(nóng)田灌溉及水肥利用效率，優(yōu)化種植技術(shù)模式[29]，通過(guò)源頭控制降低氮、磷排放[30]；而贛州、上饒、吉安農(nóng)村人口全省排名分別為第一、二、四，地形以山地丘陵為主，單位農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力生產(chǎn)的肉類總產(chǎn)量、水產(chǎn)品產(chǎn)量較高，養(yǎng)殖業(yè)較發(fā)達(dá)而水資源總量大，應(yīng)重點(diǎn)控制畜禽養(yǎng)殖與農(nóng)村生活源污染，從建造生態(tài)屏障保護(hù)水源出發(fā)，提升給水水質(zhì)處理技術(shù)。

4 結(jié)論

農(nóng)業(yè)面源污染時(shí)空差異造成不同地區(qū)污染風(fēng)險(xiǎn)，本文通過(guò)輸出系數(shù)法及ArcGIS歸一化法，對(duì)江西省農(nóng)村地區(qū)COD、TN及TP負(fù)荷進(jìn)行時(shí)空特征及污染風(fēng)險(xiǎn)分析，結(jié)果表明：

（1）江西省2011—2015年間污染負(fù)荷整體呈現(xiàn)略有下降趨勢(shì)；11個(gè)地市農(nóng)業(yè)面源污染空間分布顯示，不同污染物的污染負(fù)荷與污染強(qiáng)度分布較為一致，同一污染物污染負(fù)荷呈現(xiàn)西部高、東部低的特點(diǎn)，污染強(qiáng)度呈現(xiàn)中部高、四周低的特點(diǎn)。

（2）污染風(fēng)險(xiǎn)與單個(gè)污染強(qiáng)度指標(biāo)空間分布的規(guī)律較為一致，呈現(xiàn)中部污染風(fēng)險(xiǎn)高，四周污染風(fēng)險(xiǎn)低的規(guī)律；11個(gè)地市污染風(fēng)險(xiǎn)順序?yàn)椋耗喜酒监l(xiāng)＞鷹潭＞宜春＞新余＞撫州＞上饒＞贛州＞九江＞景德鎮(zhèn)＞吉安。

（3）江西省11個(gè)地市農(nóng)業(yè)面源污染空間分布及污染風(fēng)險(xiǎn)特征與江西省農(nóng)村生活、農(nóng)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r聯(lián)系緊密，對(duì)農(nóng)村飲用水源地重點(diǎn)控制區(qū)域劃分具有指導(dǎo)意義。

表5 2015年江西省11地市農(nóng)村相關(guān)數(shù)據(jù)Table 5 Rural related data of 11 cities in Jiangxi Province in 2015