北京市農(nóng)業(yè)面源污染負荷特征分析及控制分區(qū)

謝培，宮健,陳誠

1.環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室，中國環(huán)境科學(xué)研究院 2.首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院

在城鎮(zhèn)化大背景下，水環(huán)境中來自城市和工業(yè)點源的污染問題逐步得到解決，而農(nóng)業(yè)面源污染由于具有來源廣泛性、隨機性、排放不確定性、時空分布不均性，已經(jīng)成為我國當前水環(huán)境污染的重要原因之一[1-2]。進行農(nóng)業(yè)面源污染源解析，準確掌握農(nóng)業(yè)面源污染負荷，并開展面源污染控制區(qū)劃具有重要意義。已有學(xué)者對太湖流域[3]、三峽庫區(qū)[4]、密云水庫流域[5-6]等的農(nóng)業(yè)面源污染進行了定性和定量研究，圍繞污染負荷估算和空間分布特征[7]、評價方法及源解析[8-9]、污染類型劃分及防治[10-11]等開展了研究。污染負荷主要的估算方法包括監(jiān)測法[12]、輸出系數(shù)法[13]、清單分析法[14]及模型模擬法[15]等，通常根據(jù)研究區(qū)數(shù)據(jù)資料的完整程度加以選擇。其中，清單分析法具有簡單、方便、易于操作和實用等優(yōu)點，適用于不同尺度區(qū)域污染負荷核算，已得到了廣泛的應(yīng)用[16]。

大量文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn)，北京市各區(qū)自然環(huán)境和經(jīng)濟社會發(fā)展各具特色，農(nóng)業(yè)面源污染特征差異較大。由于調(diào)查難度大，已有對北京市農(nóng)業(yè)面源污染的研究多集中于小流域，對整個北京市農(nóng)業(yè)面源污染時空特征的研究相對缺乏。筆者運用清單分析、等標負荷和聚類分析等研究方法，在區(qū)級尺度上對北京市農(nóng)業(yè)面源污染負荷及其空間特征、污染分類控制等進行綜合研究，確定各區(qū)主要污染源、污染物與污染空間分布特征，并進行面源污染控制二級分區(qū)，以期為北京市農(nóng)業(yè)面源污染防治提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源與處理方法

1.1 研究區(qū)概況

北京市地處海河流域，位于華北平原北部，毗鄰渤海灣，總面積為16 410.54 km2，其中山區(qū)面積為10 418 km2，約占全市總面積的62%。屬暖溫帶半濕潤季風型大陸性氣候區(qū)，多年平均降水量為595 mm，人均水資源較為缺乏；地勢西北高東南低，過渡較為急劇；土壤類型主要為褐土和潮土，地帶性植被類型為落葉闊葉林。境內(nèi)有北運河、潮白河、大清河、永定河、薊運河五大水系及密云水庫，長期以來高強度的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成地表水水質(zhì)惡化，其中北運河、潮白河水系部分河段污染較為嚴重。北京市下轄16個區(qū)，其中朝陽、豐臺、海淀、房山、通州、順義、昌平、大興、門頭溝、懷柔、平谷、密云、延慶這13個區(qū)涉及農(nóng)業(yè)，2016年農(nóng)村人口為291.7萬人，農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值為145.2億元；北京市各郊縣種植面積較大，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)達，2016年糧食播種面積為87 328.7 hm2，糧食產(chǎn)量達54.17萬t。

1.2 數(shù)據(jù)來源

北京市涉及農(nóng)業(yè)的13個區(qū)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括國土面積、耕地面積、地表水資源量、農(nóng)作物產(chǎn)量、農(nóng)作物播種面積、鄉(xiāng)村人口數(shù)、畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)量等來自《北京統(tǒng)計年鑒2016》[17]、《北京區(qū)域統(tǒng)計年鑒2016》[18]。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

1.3.1污染負荷估算方法

采用清單分析法建立產(chǎn)排污清單，以此估算各類污染源的污染物排放量，具體計算公式如下：

E=∑SUi×ρi×LCi

(1)

式中：E為進入水體的農(nóng)業(yè)面源污染物總氮(TN)、總磷(TP)、化學(xué)需氧量(COD)的排放總量，t/a；SUi為i污染單元污染物產(chǎn)生基數(shù)，t/a；ρi為i污染單元產(chǎn)污強度系數(shù)；SUi×ρi表示污染單元農(nóng)業(yè)面源污染物產(chǎn)生量，即不考慮資源綜合利用和管理因素時農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)村生活造成的最大潛在農(nóng)業(yè)面源污染物產(chǎn)生量，t/a；LCi為考慮資源綜合利用和管理因素時i污染單元污染物排放系數(shù)。上述參數(shù)通過相關(guān)文獻[19-23]分析并結(jié)合北京市典型區(qū)域內(nèi)的調(diào)研結(jié)果確定。

1.3.2污染負荷特征分析

采用等標污染負荷衡量各類污染物(TN、TP、COD)或污染源對環(huán)境潛在污染能力的大小，以確定主要污染源或污染物。計算公式如下：

Pj=Cj/C0

(2)

式中：Pj為污染物j的等標排放量，m3；Cj為污染物j的絕對排放量，t/a；C0為污染物j基于水環(huán)境功能分區(qū)的水質(zhì)目標控制類別(GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》)標準值，mg/L。

等標污染指數(shù)指以各地區(qū)污染源的等標排放量除以該地區(qū)地表水資源量，用以反映該地區(qū)水體存在的潛在污染程度。等標污染指數(shù)參照文獻[24]進行計算，公式如下：

Mj=PjV

(3)

式中：Mj為污染源或污染物j的等標污染指數(shù)；V為地表水資源量，m3。

等標相對排放系數(shù)的大小可以反映農(nóng)業(yè)面源污染的排放強度，基于耕地面積、農(nóng)村人口以及農(nóng)業(yè)產(chǎn)值計算北京市5類農(nóng)業(yè)面源污染源(化肥施用、作物秸稈、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)村生活)的等標相對排放系數(shù)。不同污染源等標相對排放系數(shù)的計算公式如下：

QI=QabS

(4)

式中：QI為第a區(qū)第b類污染源的等標相對排放系數(shù)，t/(km2·a)；Qab為第a區(qū)第b類污染源的等標絕對排放量，t/a；S為第a區(qū)的耕地面積，km2。

2 結(jié)果與討論

2.1 北京市農(nóng)業(yè)面源污染負荷及空間分布

2.1.1農(nóng)業(yè)面源污染源負荷估算

北京市5類農(nóng)業(yè)面源污染源TN、TP、COD排放量及占比如表1所示。由表1可知，北京市農(nóng)業(yè)面源污染物TN、TP、COD的總排放量分別為18 169.00、2 668.45和70 211.10 t/a。農(nóng)村生活為COD的主要來源，其次為畜禽養(yǎng)殖、作物秸桿；畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)村生活和化肥施用為TN的主要來源；農(nóng)村生活為TP的主要來源，其次是畜禽養(yǎng)殖，這與TN的來源排放特征較為一致。與上海市農(nóng)業(yè)面源污染源排放特征[11]相比，北京市農(nóng)業(yè)面源TP排放量低于上海市(4 400 t/a)，而TN排放量高于上海市(11 300 t/a)。2016年北京市城市生活污水COD排放量為79 396 t/a，工業(yè)廢水COD排放量為4 738 t/a[17]，而農(nóng)業(yè)面源污染COD排放量約占北京市COD總排放量的45.49%，可見農(nóng)業(yè)面源污染負荷排放對水體的貢獻很大。

表1 北京市5類農(nóng)業(yè)面源污染源TN、TP、COD排放量及占比

2.1.2農(nóng)業(yè)面源污染負荷空間分布

北京市13個區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染物TN、TP與COD排放量及占比見表2，由地理信息系統(tǒng)(GIS)軟件做出污染物排放量空間分布如圖1所示。

由表2、圖1可知，13個區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染負荷呈現(xiàn)出較強的區(qū)域分異特征。從污染物排放總量來看，北運河水系周邊，潮白河下游段和大清河水系附近的房山、通州、順義、大興、平谷等區(qū)較高，合計占北京市農(nóng)業(yè)面源污染排放總量的50%以上。從污染物排放空間分布來看，北運河和永定河水系周邊的通州、順義、大興區(qū)的TN排放量較高；COD排放量高值區(qū)主要集中分布在永定河水系、北運河周邊、潮白河下游段、薊運河水系附近，包括房山、通州、順義、大興、平谷區(qū)；TP排放量低值區(qū)出現(xiàn)在豐臺、朝陽、海淀、門頭溝區(qū)，高值區(qū)出現(xiàn)在順義、通州、大興、平谷區(qū)。

表2 北京市13個區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染物TN、TP、COD排放量及占比

(續(xù)表2)

圖1 北京市13個區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染物TN、TP及COD排放量空間分布Fig.1 Spatial distribution of TN, TP and COD emissions from agricultural NPS in 13 districts of Beijing City

2.1.3不同污染源絕對排污貢獻率

北京市13個區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染物TN、TP、COD不同污染源排放占比如圖2所示。由圖2結(jié)合表1可知，畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)村生活對農(nóng)業(yè)面源中TN和COD的排放貢獻率均較高。從TN來看，畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)村生活和化肥施用是主要來源，朝陽、豐臺、海淀、昌平、門頭溝等區(qū)TN排放主要來自農(nóng)村生活；從TP來看，農(nóng)村生活和畜禽養(yǎng)殖是主要來源，朝陽、豐臺、海淀、昌平、門頭溝等區(qū)TP排放主要來自于農(nóng)村生活；從COD來看，農(nóng)村生活、畜禽養(yǎng)殖和作物秸稈是主要來源，豐臺、海淀、朝陽、門頭溝等區(qū)的COD排放幾乎全部來自于農(nóng)村生活，占比均超過80%。除平谷和朝陽區(qū)水產(chǎn)養(yǎng)殖對TN和TP排放量貢獻較高外，其他各區(qū)水產(chǎn)養(yǎng)殖對COD、TN、TP的排放貢獻率均較小。順義、通州、大興、懷柔、延慶等區(qū)TN排放主要來自化肥施用和畜禽養(yǎng)殖，這與王磊等[25]指出的順義、大興、通州等區(qū)的化肥污染風險較高的結(jié)果相一致。

圖2 北京市13個區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染物TN、TP及COD不同污染源排放貢獻率Fig.2 Discharge contribution rate of TN, TP and COD of agricultural NPS from different pollution sources in 13 districts of Beijing City

2.2 北京市農(nóng)業(yè)面源污染負荷分析

2.2.1等標負荷特征

北京市農(nóng)業(yè)面源污染物TN、TP、COD的等標排放量與等標排放比如表3所示。由表3可知，北京市農(nóng)業(yè)面源的主要污染物為TN和TP，其等標排放量分別為1 5176.15和9 393.78 t/a，分別占農(nóng)業(yè)面源污染物等標排放量的55.15%和34.14%，遠高于COD的等標排放量。等標排放量、等標排放比大小均為畜禽養(yǎng)殖>農(nóng)村生活>化肥施用>水產(chǎn)養(yǎng)殖>作物桔桿。可見，北京市農(nóng)業(yè)面源主要污染源為畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)村生活、化肥施用，其等標排放比分別為33.30%、27.33%和19.55%，三者累計污染負荷比高達80%以上。

表3 北京市農(nóng)業(yè)面源污染物的等標排放量與等標排放比

北京市13個區(qū)農(nóng)業(yè)面源不同污染源的等標排放量、等標排放比分別如表4、表5所示。由表4可知，北京市13個區(qū)農(nóng)業(yè)面源等標排放量平均為2 243.40 t/a，其中朝陽、豐臺、海淀、門頭溝、懷柔5個區(qū)的等標排放量低于北京市的平均水平，豐臺區(qū)的等標排放量最小，為77.18 t/a；順義區(qū)的等標排放量最大，為4 283.43 t/a。由表5可知，北京市13個區(qū)化肥施用、農(nóng)村生活、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖、作物秸稈的等標排放比平均值分別為17.30%、9.24%、28.06%、10.98%、35.05%，其中畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)村生活的等標排放比最大。從等標排放比來看，各區(qū)的農(nóng)業(yè)面源污染來源差異較大，呈現(xiàn)不同的來源特征：海淀、門頭溝這2個區(qū)的農(nóng)業(yè)面源污染主要來自農(nóng)村生活，其等標排放比分別為53.68%、73.65%；順義、懷柔、密云、平谷、延慶等區(qū)的農(nóng)業(yè)面源污染主要來自于畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)村生活，二者的等標排放比之和達50%以上；通州、大興等區(qū)的農(nóng)業(yè)面源污染主要來自于農(nóng)村生活、化肥施用，二者的等標排放比超過50%。

表5 北京市13個區(qū)農(nóng)業(yè)面源不同污染源的等標排放比

表4 北京市13個區(qū)農(nóng)業(yè)面源不同污染源的等標排放量

2.2.2污染源排放強度

盡管等標排放量可以將不同污染物在同一尺度上進行比較，但它考慮的仍然是污染負荷總量。農(nóng)業(yè)面源污染受區(qū)域大小、農(nóng)村人口、農(nóng)業(yè)產(chǎn)值等因素的影響，采用基于耕地面積的等標相對排放系數(shù)更能體現(xiàn)農(nóng)業(yè)面源污染排放強度的可比性[26-28]。計算出北京市基于單位耕地面積的等標相對排放系數(shù)為3.14 t/(km2·a)，由此計算北京市不同污染源的等標相對排放系數(shù)，結(jié)果如表6所示。由表6可知，北京市5類污染源的等標相對排放系數(shù)表現(xiàn)為農(nóng)村生活>畜禽養(yǎng)殖>化肥施用>水產(chǎn)養(yǎng)殖>作物秸稈，農(nóng)村生活的等標相對排放系數(shù)最大，為主要污染源，其次為畜禽養(yǎng)殖?？梢?，在排除了區(qū)域耕地面積對農(nóng)業(yè)面源污染物絕對等標排放量的影響后，北京市農(nóng)業(yè)面源主要污染源為農(nóng)村生活和畜禽養(yǎng)殖。

表6 北京市13個區(qū)基于耕地面積的不同污染源的等標相對排放系數(shù)

2.2.3等標污染指數(shù)

北京市13個區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染源和污染物的等標污染指數(shù)分別如圖3、圖4所示。由圖3可知，5類污染源等標污染指數(shù)平均值以農(nóng)村生活為最高，作物秸稈為最低。各區(qū)的等標污染指數(shù)差異較大，農(nóng)村生活的等標污染指數(shù)在房山區(qū)最高，達6.95；化肥施用等標污染指數(shù)在通州、房山、順義、延慶、大興等區(qū)較高，分別為3.18、3.14、2.79、2.35、2.33；畜禽養(yǎng)殖等標污染指數(shù)在房山、順義、平谷等區(qū)較高，分別為6.80、5.97、4.86；水產(chǎn)養(yǎng)殖等標污染指數(shù)在平谷區(qū)最高，達2.13，水產(chǎn)養(yǎng)殖和作物秸稈的等標污染指數(shù)在各區(qū)均較低。由圖4可知，TN、TP、COD的等標污染指數(shù)的平均值分別為4.22、3.19、0.87。各區(qū)TN、TP、COD的等標污染指數(shù)均以房山區(qū)為最大，分別為9.82、7.51、2.10。通州、房山、順義、大興、平谷、延慶等區(qū)的TN、TP、COD的等標污染指數(shù)均超過全市平均水平，屬于污染程度較為嚴重的地區(qū)。

圖3 北京市13個區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染源的等標污染指數(shù)Fig.3 Equivalent pollution index of agricultural NPS pollution sources in 13 districts of Beijing City

圖4 北京市13個區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染物的等標污染指數(shù)Fig.4 Equivalent pollution index of agricultural NPS pollutants in 13 districts of Beijing City

2.3 北京市農(nóng)業(yè)面源污染空間特征及控制分區(qū)

對北京市13個區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染等標污染指數(shù)進行空間聚類分析，結(jié)果如圖5所示，由GIS軟件做出北京市農(nóng)業(yè)面源污染風險程度分區(qū)如圖6所示。由圖5、圖6可知，將北京市農(nóng)業(yè)面源污染風險程度劃分為3個等級，分別為高度、中度、輕度風險區(qū)。高度風險區(qū)集中分布在北京市通州、順義、房山和平谷區(qū)，其平均等標污染指數(shù)為15.33；中度風險區(qū)主要分布在大興、延慶、昌平、懷柔、密云區(qū)，其平均等標污染指數(shù)為7.71；低風險區(qū)分布在朝陽、豐臺、門頭溝、海淀區(qū)，其平均等標污染指數(shù)為1.98。

圖5 北京市13個區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染風險評價聚類分析Fig.5 Cluster analysis of agricultural NPS pollution risk assessment in 13 districts of Beijing City

圖6 北京市農(nóng)業(yè)面源污染風險程度分區(qū)Fig.6 Risk zoning of agricultural NPS pollution in Beijing City

基于一級風險分區(qū)結(jié)果，為實現(xiàn)污染風險分級控制和污染源的分類管理，結(jié)合各區(qū)農(nóng)業(yè)面源主要污染源類型(表5)，進行農(nóng)業(yè)面源污染的二級分區(qū)，結(jié)果如表7所示。由表7可知，北京市農(nóng)業(yè)面源污染控制可分為3個一級區(qū)和8個二級區(qū)(表7)。

表7 北京市農(nóng)業(yè)面源污染控制分區(qū)

2.4 北京市農(nóng)業(yè)面源污染控制對策

2.4.1農(nóng)村生活污染型控制對策

由農(nóng)村生活引起的農(nóng)業(yè)面源污染覆蓋北京市大部分郊區(qū)，這些區(qū)域地勢起伏，鄉(xiāng)村人口眾多，聚居地分布較為分散，沒有完善的排污管網(wǎng)設(shè)施；并且農(nóng)村居民的水環(huán)境保護意識淡薄，污水和生活垃圾隨意排放或丟棄現(xiàn)象嚴重。因此，應(yīng)加快農(nóng)村地區(qū)污水處理廠建設(shè)，因地制宜地規(guī)劃建設(shè)污水處理廠，建廠規(guī)模應(yīng)與鄉(xiāng)村規(guī)模和人口總量相匹配，同時建設(shè)配套污水管網(wǎng)，確保污水主管網(wǎng)全覆蓋；加快推進農(nóng)村改廁工作，結(jié)合末端集中治污，推廣和實施綠色鄉(xiāng)村清潔工程建設(shè)，加快農(nóng)村生活污水及廢物的資源轉(zhuǎn)化與綜合利用。

2.4.2畜禽養(yǎng)殖污染型控制對策

北京市大部分區(qū)的畜禽養(yǎng)殖業(yè)較為發(fā)達，為北京市農(nóng)業(yè)面源污染貢獻率最高的污染源類型，尤其是北部和中部(順義、房山、密云、平谷、昌平、懷柔等區(qū))地區(qū)的畜禽養(yǎng)殖污染物排放量大。因此，應(yīng)建立改善畜禽污染、促進畜牧業(yè)持續(xù)發(fā)展的良性養(yǎng)殖機制預(yù)防和治理畜禽養(yǎng)殖污染。相關(guān)職能部門應(yīng)通過各種科普形式，宣傳引導(dǎo)養(yǎng)殖戶科學(xué)養(yǎng)殖，重點建設(shè)循環(huán)養(yǎng)殖鏈，實行清潔養(yǎng)殖、生態(tài)養(yǎng)殖，促進農(nóng)村畜禽養(yǎng)殖場污染的減量化和資源化，實現(xiàn)集中統(tǒng)一處置。

2.4.3農(nóng)田化肥污染型控制對策

北京市農(nóng)田主要分布在通州、延慶、順義、大興等區(qū)，約占全市面積的34.30%。由于種植面積較大，農(nóng)田化肥施用強度高及施用比例不合理，農(nóng)產(chǎn)品種植結(jié)構(gòu)與布局不規(guī)范，而農(nóng)田化肥的有效利用率較低，造成農(nóng)田土壤中肥料養(yǎng)分流失率較高。可實行測土配方施肥，提前測試分析土壤肥力狀態(tài)，按照農(nóng)田作物產(chǎn)量和作物生長的營養(yǎng)物質(zhì)需要，決定施用肥料的種類和數(shù)量。另外，應(yīng)根據(jù)土壤性質(zhì)和肥料的特點，合理選擇施肥方式，大范圍普及農(nóng)田測土配方施肥技術(shù)和土壤有機質(zhì)提升技術(shù)，制定合理的施肥方式，精確施肥，保證化肥施用效力最大化和化肥養(yǎng)分流失最小化。

3 結(jié)論

(1)2016年北京市農(nóng)業(yè)面源污染物TN、TP、COD排放量分別為18 169.00、2 668.45、70 211.10 t/a，TN、TP是主要污染物；北京市農(nóng)業(yè)面源首要污染源為農(nóng)村生活，其次為畜禽養(yǎng)殖，建議北京市未來農(nóng)業(yè)面源管控中加強對農(nóng)村生活和畜禽養(yǎng)殖污染的控制。

(2)北京市13個區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染呈現(xiàn)較強的區(qū)域分異特征。水產(chǎn)養(yǎng)殖等標污染指數(shù)以平谷區(qū)為最高，農(nóng)村生活等標污染指數(shù)以房山區(qū)為最高。通州、房山、順義、大興和平谷等區(qū)的TN、TP和COD等標污染指數(shù)超過全市平均水平，房山區(qū)的等標污染指數(shù)最大。

(3)可將北京市劃分為高度、中度和輕度三類農(nóng)業(yè)面源污染風險一級分區(qū)，根據(jù)各區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染類型進一步劃分為8個二級分區(qū)，由此可實現(xiàn)對不同區(qū)不同污染源類型的分類管控。