城市化與農(nóng)業(yè)面源污染關(guān)系的交互動態(tài)響應分析

徐持平 徐慶國

[摘要]以洱海流域2006～2018年的時間序列數(shù)據(jù)為例，利用協(xié)整檢驗、誤差修正模型、脈沖響應函數(shù)、方差分解等方法，對洱海流域城市化與農(nóng)業(yè)面源污染的關(guān)系進行了交互動態(tài)響應分析。研究結(jié)果表明：城市化與農(nóng)業(yè)面源污染長期存在均衡關(guān)系;誤差修正模型表明城市化與農(nóng)業(yè)面源污染在短期會偏離長期均衡;不同類型的農(nóng)業(yè)面源污染與城市化之間的關(guān)系在城市化進程的不同階段表現(xiàn)出不同的特征。

[關(guān)鍵詞]城市化;農(nóng)業(yè)面源污染;向量自回歸模型;脈沖響應;洱海流域

[中圖分類號]F062.2? ? ? [文獻標識碼]A

1 問題的提出

當前我國正處于城市化高速發(fā)展時期，據(jù)中國社會科學院的報告，2018年我國的城市化率已達59.58%。城市化是一把雙刃劍，一方面促進了社會經(jīng)濟的發(fā)展，另一方面，城市的快速擴張也帶來了諸多問題，農(nóng)業(yè)面源污染就是其中一例。

面源污染與點源水污染相對應，是指溶解的或固體的污染物，從非特定的地點，在降水和徑流的沖刷作用下，通過徑流過程而匯入受納水體，如河流、湖泊、海灣等引起的水體污染。在城市化進行的地區(qū)，它是區(qū)域景觀時空格局內(nèi)一系列人口結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、土地結(jié)構(gòu)等諸多變化構(gòu)成的“面”的城市化對水體造成的“面”的污染。

目前對于城市化與環(huán)境污染之間的關(guān)系，學者已展開較為系統(tǒng)的研究，研究對象涉及城市化與大氣污染、土壤污染、工業(yè)“三廢”污染等關(guān)系的研究。研究方法則涉及自然科學領域的生態(tài)統(tǒng)計分析、地理信息系統(tǒng)、水文水質(zhì)監(jiān)測分析以及社會科學領域的經(jīng)濟分析方法，如環(huán)境庫茲涅茲曲線（EKC）分析、廣義矩（GMM）方法、隨機環(huán)境影響評估模型（STIRPAT）法等。總體而言，目前對于城市化與環(huán)境污染關(guān)系的研究，從研究對象上看，多集中于城市化與點源環(huán)境污染的研究，對城市化與非點源環(huán)境污染關(guān)系的研究較少;從研究方法上看，無論是自然科學方法還是社會科學方法，多采用長期、靜態(tài)分析方法，短期、動態(tài)分析則較少涉及;從研究尺度上看，以行政區(qū)劃為主要研究尺度，其他尺度鮮有涉及。

城市化對于非點源水污染之間有無關(guān)系？其關(guān)系是正向還是負向？兩者之間的關(guān)系在長期和短期有什么不同？靜態(tài)和動態(tài)上有什么差異？帶著這些問題，本文以洱海流域為例，對城市化與非點源水污染的關(guān)系展開研究。

2 研究區(qū)域概況

本文的研究區(qū)域為洱海流域，整個區(qū)域包括云貴高原第二大湖泊洱海以及流入洱海的七條主要河流彌苴河、西閘河、永安江、羅時江、錦溪、茫涌溪、波羅江流經(jīng)的地區(qū)，其范圍包括云南大理白族自治州境內(nèi)的大理市、洱源縣的17個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，170個行政村，總面積達2565km2，人口超過90萬。作為云貴高原第二大湖泊的洱海是我國初期富營養(yǎng)化湖泊的典型代表。洱海流域在經(jīng)濟發(fā)展水平上屬于欠發(fā)達地區(qū)，城市化率由2006年的27.75%增加為2018年的43.23%，平均每年約增加 1.10個百分點。隨著城市化的推進，洱海流域農(nóng)業(yè)面源污染有所加劇，化學需氧量（COD）排量、總磷（TP）排量、總氮（TN）排量分別由2006年的26305.02t、432.03t、4351.66t 增加為2018年的31389.76t 、634.56t、7056.32t ，平均每年分別約增加540.05t、19.77t、183.20t。洱海流域2006～2018年歷年城市化水平和非點源水污染的發(fā)展變化如圖1、圖2所示。

3 指標選取、研究方法及數(shù)據(jù)處理

根據(jù)洱海流域的實際情況及數(shù)據(jù)的可得性，本文以洱海流域的城市化率，即流域城鎮(zhèn)人口數(shù)與流域總?cè)丝跀?shù)之比作為表征城市化水平的指標，以化學需氧量（COD）排量、總磷（TP）排量、總氮（TN）排量作為表征農(nóng)業(yè)面源污染的指標，其中城市化率的數(shù)據(jù)來源于歷年《大理年鑒》（2006～2018年）、《洱源年鑒》（2006～2018年）、《大理市2018年政府工作報告》、《洱源縣2018年政府工作報告》。農(nóng)業(yè)面源污染指標的數(shù)據(jù)則來源于流域水質(zhì)監(jiān)測部門對流入洱海的七條主要河流（如前文所述）的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并結(jié)合北京民族出版社2003年出版的《大理洱海科學研究》、洱海項目編制組“國家水體污染控制重大

專項湖泊主題洱海項目實施方案（建議稿）、《云南省環(huán)境狀況公報》整理而成。本文中的化學需氧量（COD）排量、總磷（TP）排量、總氮（TN）排量不包含以點源污染物（主要是工業(yè)廢水和城鎮(zhèn)生活污水）形式進入洱海的各類水體污染物，只包含通過面源途徑進入洱海的水體污染物（包括城市旅游業(yè)、城市垃圾堆放、都市農(nóng)業(yè)農(nóng)田徑流、農(nóng)村生活污染、畜禽糞便、大氣沉降、水土流失等形式）。

本文建立洱海流域與農(nóng)業(yè)面源污染的向量自回歸（VAR）模型，并運用協(xié)整分析、誤差修正模型、脈沖響應函數(shù)、方差分解對洱海流域城市化與農(nóng)業(yè)面源污染之間的關(guān)系進行研究，在分析之前要對城市化和農(nóng)業(yè)面源污染兩時間序列進行單位根檢驗。

本文利用Eviews6.0軟件進行分析，為了消除異方差，增強數(shù)據(jù)平穩(wěn)性，分別對洱海流域城市化率、化學需氧量排量、總磷排量、總氮排量取自然對數(shù)，分別記為LnCSHL、LnCOD、LnTP、LnTN。

4 實證分析

4.1 建立向量自回歸模型

建立由城市化和農(nóng)業(yè)面源污染兩變量構(gòu)成的向量自回歸模型，并對動態(tài)方程的參數(shù)進行估計，結(jié)果見表1，綜合考慮方程的擬合度、系數(shù)的顯著性以及AIC準則，取各變量的最大滯后階數(shù)為3。

由表2、圖3所示，向量自回歸模型所有根模的倒數(shù)均小于1，即位于單位圓內(nèi)，所以模型是穩(wěn)定的，可以進行脈沖響應分析。

4.2 單位根檢驗

為了防止時間序列由于不平穩(wěn)而出現(xiàn)偽回歸，需要對各序列進行單位根檢驗，本文利用ADF檢驗法和PP檢驗法進行檢驗，結(jié)果見表3。

檢驗結(jié)果表明LnCSHL、LnCOD、LnTP、LnTN四個時間序列在10%顯著性水平下都是非平穩(wěn)的，但是其一階差分序列dLnCSHL、dLnCOD、dLnTP、dLnTN全部平穩(wěn)，因此四個序列均為一階單整序列，可以使用協(xié)整理論和誤差修正模型來研究它們之間的長期和短期關(guān)系。

4.3 協(xié)整檢驗

協(xié)整檢驗主要有E-G兩步法和Johanson檢驗法，前者用于兩個變量之間的協(xié)整檢驗，后者用于兩個以上變量之間的協(xié)整檢驗。本文利用Johanson檢驗的跡檢驗和最大特征根檢驗來考察LnCSHL、LnCOD、LnTP、LnTN之間的協(xié)整關(guān)系，結(jié)果見表4。

檢驗結(jié)果表明在5%顯著性水平下，存在一個協(xié)整關(guān)系，將協(xié)整方程寫成數(shù)學表達式，令其等于VECM，得：

用ADF法對VECM進行單位根檢驗，發(fā)現(xiàn)它是平穩(wěn)的，進一步驗證了協(xié)整關(guān)系的正確性。式（1）表明城市化與農(nóng)業(yè)面源污染之間存在長期均衡關(guān)系，不同類型的農(nóng)業(yè)面源污染對城市化的影響方向是不同的?；瘜W需氧量（COD）排量、總氮（TN）排量對城市化的影響為正，城市化率隨著兩者的增加而提高，城市化率對于兩者的彈性分別為1.5171和0.5043，即兩者每提高1%，城市化率分別增加1.5171%和0.5043%?？偭祝═P）排量對城市化的影響為負，城市化率對總磷（TP）排量的彈性為-0.3399，即總磷（TP）排量每提高1%，城市化率下降0.3399%，總磷（TP）排量已對城市化構(gòu)成制約。

4.4 誤差修正模型

協(xié)整關(guān)系反映變量之間的長期靜態(tài)的關(guān)系，如要反映各變量之間的短期動態(tài)關(guān)系，則需要借助誤差修正模型（VEC）。本文建立LnCSHL、LnCOD、LnTP、LnTN四個變量的誤差修正模型。

整體檢驗結(jié)果表明模型擬合效果較好，城市化率、化學需氧量（COD）排量、總磷（TP）排量、總氮（TN）排量的誤差修正系數(shù)均為負，符合反向修正機制，四者的誤差項系數(shù)分別為-0.82，-0.52，-0.77，-0.95，表明城市化率、化學需氧量（COD）排量、總磷（TP）排量、總氮（TN）排量在短期偏離長期均衡時，分別將會以82%、52%、77%、95%的力度被調(diào)整到均衡狀態(tài)。

4.5 脈沖響應函數(shù)分析

根據(jù)已經(jīng)建立的向量自回歸模型，本文應用廣義脈沖響應函數(shù)分析城市化與農(nóng)業(yè)面源污染之間的沖擊響應關(guān)系，該方法不依賴向量自回歸模型中變量次序的正交殘差矩陣，可以提高估計結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性。圖4、圖5、圖6分別為城市化率與化學需氧量（COD）排量、總磷（TP）排量、總氮（TN）排量之間的沖擊響應關(guān)系。圖中縱、橫軸分別表示沖擊作用的滯后期數(shù)和因變量對解釋變量的響應程度，圖中實線為脈沖響應函數(shù)，虛線為正負2倍標準差偏離帶。

圖4中，LnCSHL對于來自LnCOD標準差信息的沖擊，其響應是正向的，并且持續(xù)的時間比較長也較穩(wěn)定，表明化學需氧量排量的增加對城市化的影響為正且維持的時間較長。而對于來自LnCSHL標準差信息的沖擊，LnCOD的當期反應為正，之后逐漸下降為負值，然后保持穩(wěn)定，表明在城市化初期，城市化的推進會使化學需氧量排量增加，隨著城市化的繼續(xù)推進，化學需氧量的排量會減少。

圖5中，LnCSHL對于來自LnTP標準差信息的沖擊，當期響應為0，但之后逐漸上升，然后保持穩(wěn)定。表明總磷排量增加對城市化具有促進作用。對于來自LnCSHL標準差信息的沖擊，LnTP的響應為負值，表明城市化率的提高對總磷排放具有抑制作用。

圖6中，LnCSHL對于來自LnTN標準差信息沖擊的響應為正，但表現(xiàn)出波動性特征，先是逐漸上升然后逐漸下降，之后保持穩(wěn)定。對于來自LnCSHL標準差信息的沖擊，LnTN的響應也具有波動性但一直是負值。

總的來說，洱海流域城市化率與不同類型農(nóng)業(yè)面源污染之間的關(guān)系是不同的，并且表現(xiàn)出一定的階段性特征。在城市化初期，為了實現(xiàn)城市快速發(fā)展，往往以犧牲環(huán)境為代價，導致農(nóng)業(yè)面源污染加劇，隨著城市化的繼續(xù)推進，技術(shù)進步和制度約束使得減輕污染成為可能，與此同時，污染也會對城市化的繼續(xù)推進形成抑制作用。

4.6 方差分解

表8表明總氮（TN）排量變動在前期主要受自身的影響，在第1期貢獻率所占比例超過80%，之后逐漸下降。而化學需氧量（COD）排量和總磷（TP）排量的影響則不斷上升，分別由第1期的3%和9%逐步上升為第10期的33%和42%。

5? ? ?結(jié)論與政策建議

通過對2006～2018年洱海流域城市化率、化學需氧量（COD）排量、總磷（TP）排量、總氮（TN）排量四個時間序列的計量分析，得到以下主要結(jié)論：

（1） 城市化率LnCSHL、化學需氧量（COD）排量LnCOD、總磷（TP）排量LnTP、總氮（TN）排量LnTN之間存在協(xié)整關(guān)系，即長期均衡關(guān)系。

（2） 誤差修正模型表明LnCSHL、LnCOD、LnTP、LnTN在短期會偏離長期均衡，但分別會以82%、52%、77%、95%的力度被調(diào)整到均衡狀態(tài)。

（3） 脈沖響應函數(shù)及方差分解結(jié)果表明，城市化率與不同類型農(nóng)業(yè)面源污染的關(guān)系是不同的，并且表現(xiàn)出一定的階段性特征。城市化率變動主要受化學需氧量（COD）排量和總磷（TP）排量的影響，化學需氧量（COD）排量變動主要受自身和總磷（TP）排量的影響，總磷（TP）排量變動主要受自身和化學需氧量（COD）排量的影響，總氮（TN）排量變動主要受化學需氧量（COD）排量和總磷（TP）排量的影響。

研究結(jié)果表明，在不同的時間階段，城市化的推進一方面會加劇農(nóng)業(yè)面源污染物的排放，另一方面隨著科技進步和相關(guān)制度約束，城市化對于農(nóng)業(yè)面源污染又有一定的抑制作用，與此同時，農(nóng)業(yè)面源污染對城市化具有反作用，各類農(nóng)業(yè)面源污染之間也存在著復雜的關(guān)系。因此，相關(guān)部門對城市化進程中的農(nóng)業(yè)面源污染防治要有整體意識，將農(nóng)業(yè)面源污染防治作為一個系統(tǒng)工程。第一，要抓好源頭控制，這是農(nóng)業(yè)面源污染防治的重點。一方面，通過對相關(guān)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，土地利用結(jié)構(gòu)的調(diào)整及加強城市綠化等，在源頭減少污染物的輸出，另一方面，通過規(guī)范人們行為，妥善處理城市垃圾，減少垃圾露天堆放，適當減少城市周邊農(nóng)業(yè)化肥、農(nóng)藥的使用，在源頭減少污染物的積累。第二，對農(nóng)業(yè)面源污染物實施遷移控制，完善和優(yōu)化城市排水排污系統(tǒng)，延緩污染物輸出的時間，同時在污染物的遷移過程中通過攔截、沉降、吸附、沉淀等工程治污手段實現(xiàn)對污染物的存貯、去除和凈化。第三，對農(nóng)業(yè)面源污染物實施流域末端控制，利用水體周邊的池塘、濕地、河岸湖邊帶等生態(tài)系統(tǒng)實現(xiàn)對污染控制，實現(xiàn)城市與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。

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