漢中市農村面源污染時空變化研究

邢海虹， 李小燕， 杜建括， 董明亮

(陜西理工大學 歷史文化與旅游學院，秦巴地理環(huán)境與旅游開發(fā)協(xié)同創(chuàng)新平臺， 陜西 漢中 723000)

不斷加劇的農村面源污染已成為影響現代化進程的關鍵問題，作為南水北調中線水源區(qū)的漢中市，農村面源污染事關本區(qū)生態(tài)文明福祉，也事關京津地區(qū)用水安全。農村面源污染指農村居民生產生活產生的污染物質，在降水下滲和地表徑流作用下進入水體所引起的水環(huán)境污染，包括化肥、農藥、集約化養(yǎng)殖場、生活污水及生活垃圾污染5類[1]。與點源污染相比，面源污染空間分散、來源多樣、遷移復雜、監(jiān)測不易，治理和管理的難度更大[2]。2010年第一次《全國污染源普查公報》[3]顯示我國農業(yè)生產排放的N、P、COD等污染物已超過工業(yè)污染與生活污染，成為污染源之首。目前農村面源污染排放量的估算方法主要有兩種：一是試驗法，通過理化實驗分析得到污染物的入水系數，再用養(yǎng)分總量乘以入水系數得到入水總量，常用于微觀面源排放量估算；另一種是輸出系數法，基于統(tǒng)計數據，使用輸出系數估算污染總量，原理簡單，輸入參數少，模型精度較高，對于缺乏長期監(jiān)測數據的大尺度區(qū)域估算面源污染具有重要意義[4-5]，曹寧等[6]、周芳等[7]、楊永健等[8]、史志華等[9]在研究東北、西藏、黑龍江、漢江流域等地區(qū)的面源污染中均采用了這一方法。本文采用基于輸出系數法的源強法估算漢中市農村面源污染，并借助ARCGIS軟件計算污染強度和污染綜合指數并可視化表達其時空變化，期望有助于漢中市農村面源污染的防治工作。

1 研究區(qū)概況

漢中市位于陜西省西南部，北依秦嶺，南屏巴山，漢中盆地居于中部。土地總面積中，山地占75.2%，丘陵占14.6%，平壩占10.2%。漢中界于北緯32°08′54″—33°53′16″東經105°30′50″—108°16′45″之間，屬北亞熱帶季風氣候，水系縱橫，是南水北調中線重要水源區(qū)。漢中自古就是人口密集、農業(yè)發(fā)達的區(qū)域，截止2017年底，戶籍總人口381.85萬人，常住人口344.93萬人，人口流失比較嚴重，常住人口城鎮(zhèn)化率為49.31%，還有50.69%的人口居住在農村；三類產業(yè)產值占生產總值的比例分別為15.8%、37.9%和46.3%，第一產業(yè)占比偏高。第一產業(yè)中，“養(yǎng)豬、中藥材、茶葉、蔬菜”四大產業(yè)占農林牧漁業(yè)總產值比重的61.7%?？傮w上，農村地區(qū)人口、資源、環(huán)境、發(fā)展之間矛盾突出。

2 市域農村面源污染的發(fā)展變化

2.1 核算方法

我國污染源普查所使用的估算方法與輸出系數法較為類似，稱為源強估算法。本文基于第二次全國污染源普查農業(yè)污染源普查核算方法，采用統(tǒng)計數據估算漢中市農村面源污染排放量。

2.1.1 生活污染

生活污染物排放量與人口數量和人均排放系數相關，計算公式為

式中Pi為i市(縣)生活污染物排放量(t)，Ai為i市(縣)總農村人口數(人)，Bi為i市(縣)生活污染物排放估算系數(kg/(人·年))。

(1)生活污水污染估算系數：根據環(huán)境保護部華南環(huán)境科學研究所的《生活源產排污系數及使用說明》[10]，漢中市生活污水污染物的排放估算系數為TN：0.56 kg/(人·年)，TP：0.16 kg/(人·年)，COD：5.99 kg/(人·年)。

(2)固體廢物污染排放量估算系數：按照《生活源產排污系數及其使用說明》計算方法，漢中市總體固體廢物污染排放量估算系數為TN：3.686 5 kg/(人·年)，TP：0.266 5 kg/(人·年)，COD：22.265 kg/(人·年)。

2.1.2 農業(yè)污染

農業(yè)污染物排放量與耕地面積和單位排放系數相關，計算公式為

Qi=(Ci×Di)×10-3，

式中Qi為i市(縣)農業(yè)污染物排放量(t)，Ci為i市(縣)常用耕地面積(hm2)，Di為i市(縣)農業(yè)化肥污染排放量系數(kg/hm2)。

根據第一次《全國污染源普查公報》[3]，漢中市農村面源污染中的農業(yè)化肥污染排放量系數：TN：103.5 kg/hm2，TP：85.4 kg/hm2，COD：150 kg/hm2。

2.1.3 養(yǎng)殖污染

養(yǎng)殖污染主要是畜禽糞便，與畜禽存欄量和排放系數相關，計算公式為

Rij=(Aij×Bij)×10-3，

式中Rij為i市(縣)第j類畜禽年污染排放量(t)，Aij為i市(縣)第j類畜禽年存欄量(頭)，Bij為i市(縣)第j類畜禽污染排放量估算系數(kg/(頭·年))。根據陜西省畜禽糞尿污染和農村生活污染研究[11]的數據，得到漢中市各類畜禽各類污染物的污染排放量估算系數，見表1。

表1 畜禽污染排放量估算系數 kg/(頭·年)

2.2 漢中市農村面源污染的變化特征

2.2.1 生活污染

2009—2017年，漢中市農村生活污染物排放量呈現減少趨勢(見表2)，具體表現為：

(1)農村生活污水TN、TP以及COD污染不斷減少。如表2所示，2009年的農村生活污水污染物TN、TP、COD排放量分別為1 207.23、344.92、12 913.07 t。2017年農村生活污水污染物TN、TP、COD排放量分別減少至923.98、264.00、9 883.33 t。2009—2017年，漢中市農村生活污水污染物TN、TP、COD排放量不斷減少，年平均減少2.9%。

(2)農村固體廢物的TN、TP、COD排放量不斷減少。排放量分別從2009年的7 947.25、574.41、47 998.26 t，下降至2017年的6 082.62、439.63、36 736.60 t，年平均減少2.9%(見表2)。

表2 農村生活污染TN、TP以及COD含量變化 t

2.2.2 農業(yè)污染

農業(yè)生產過程中，為了提高產量使用的塑料薄膜、化肥、農藥是農業(yè)污染的主要來源。

(1)農用塑料薄膜使用量逐年增加。2009年使用量為2194 t，2017年使用量為2792 t，年平均增長了74.75 t，年均增長3.4%(見圖1)。漢中市屬于亞熱帶季風氣候，降水、溫度變率大，農用塑料薄膜的使用可以在一定范圍內調節(jié)溫度和水分，增加農業(yè)抵抗寒冷和干旱的能力，因此塑料薄膜使用量不斷增加。

圖1 農用塑料薄膜使用量

(2)農業(yè)化肥污染物排放放量隨時間波動較大(見表3)。2009—2012年，農業(yè)化肥污染物TN、TP、COD呈現增加趨勢。主要原因在于受收益影響，人們更愿意種植水果、蔬菜等經濟效益高、周期性短的經濟作物，產業(yè)結構的變化導致施用化肥量的增加。2012—2016年，土地城鎮(zhèn)化加快，耕地面積減少；環(huán)境保護政策促使農業(yè)化肥使用量相應下降，使得農業(yè)化肥污染物排放量減少。2017年政府為落實“綠水青山就是金山銀山”的理念，經濟作物和園林作物播種面積有所增加，糧食作物相對增加，導致農業(yè)化肥使用量增加。

表3 化肥及畜禽污染物TN、TP、COD排放量 t

2.2.3 畜禽養(yǎng)殖污染

漢中市畜禽污染物TN、TP、COD排放量與畜禽養(yǎng)殖數量整體呈現正相關關系。2009年畜禽污染物TN、TP、COD排放量分別為5 243.16、31 011.50、144 621.90 t，2017年排放量分別為5 817.74、33 354.22、155 117.90 t。2009—2017年，畜禽污染物的TN、TP、COD排放量年均分別增長了71.82、292.84、1 312.00 t(見表3)。養(yǎng)殖業(yè)在漢中農業(yè)結構中居于重要地位，伴隨生活水平的進一步提升，肉、蛋、奶需求量增加，農民養(yǎng)殖熱情不斷高漲，養(yǎng)殖規(guī)模的擴大和牲畜數量的增加引起畜禽污染的增加。

2.2.4 各類污染源的貢獻結構

各類污染源(TN、TP、COD)貢獻率見圖2。從TN來看，農業(yè)污染的貢獻最大，且呈現上升趨勢，主要來源于化肥施用；農村生活污染貢獻居于第二位，呈現下降趨勢，這與城市化帶來的農村人口減少相關；畜禽污染貢獻最小但呈現增加態(tài)勢，反映出漢中畜禽養(yǎng)殖量上升的現狀。從TP來看，畜禽養(yǎng)殖的貢獻比例最高且有略微增加態(tài)勢；農村生活污染帶來的貢獻比例很低，只有3%左右，反映出生活污染對TP的貢獻較?。晦r業(yè)污染的TP的貢獻比例約占38%左右且比較穩(wěn)定。從COD來看，畜禽污染貢獻率最高且增加較快，農村生活污染COD貢獻比例中等且較快下降，農業(yè)污染COD貢獻率最低且較為平穩(wěn)。

圖2 各類污染源(TN、TP、COD)貢獻率

3 縣區(qū)尺度農村面源的時空變化

3.1 研究方法

3.1.1 農村面源污染強度

農村面源污染強度(kg/hm2)由污染排放量與土地面積的比值得出，表示污染物的投入密度，間接反映農業(yè)集約化程度[11]。

3.1.2 農村面源污染綜合指數

3.1.2.1 數據標準化

因存在較大的量綱差異，對各縣區(qū)污染強度數據進行離差標準化[12](max-min標準化)處理，使結果均為[0，1]之間的可比數據。轉換函數為

Sij=(Iij-Ijmin)/(Imax-Ijmin)，

式中Sij為第i區(qū)域第j種污染的標準化值;Iij為第i區(qū)域第j種污染物污染強度實際值(t/hm2);Ijmin為第j種污染物污染強度最小值(t/hm2);Ijmax為第j種污染物污染強度最大值(t/hm2)。

3.1.2.2 農村面源污染綜合指數

按相同權重加和求平均值的方法，計算得出TN、TP、COD的污染綜合指數：

式中Tij為第i區(qū)域第j種污染物的綜合指數值，n=3。

以此確定各縣(區(qū))農村面源污染風險排序，進而得出農村面源污染強度的區(qū)域分布，見表4。

表4 漢中市各縣農村生活污染、農業(yè)污染、畜禽污染綜合指數變化表

3.2 農村面源污染的時空特征

(1)從TN的污染強度指數來看，2009年漢臺最高，佛坪、鎮(zhèn)巴最低，其他各縣區(qū)相差不大。2009—2017年，略陽、勉縣、留壩、南鄭、洋縣五縣區(qū)污染強度呈現快速增加趨勢；寧強、漢臺、佛坪、西鄉(xiāng)呈現減緩趨勢；城固、鎮(zhèn)巴污染強度呈現略增趨勢。

(2)從TP和COD的污染強度來看，各縣區(qū)的差異較小，略陽、寧強、南鄭呈現略減趨勢，其他縣區(qū)呈現略增趨勢。TP和COD污染的貢獻中，畜禽養(yǎng)殖污染占比最高。

(3)綜合考慮污染指數大小和變化，將漢中全市劃分為4種污染類型：洋縣、略陽、寧強屬于持續(xù)高污染型，一直排在污染前三位，農業(yè)面源污染程度最為嚴重；佛坪、鎮(zhèn)巴屬于持續(xù)低污染型，污染排名一直居于后兩位，污染程度輕微；南鄭、漢臺屬于污染減輕型，污染不斷呈現減輕趨勢；西鄉(xiāng)、勉縣、留壩、城固屬于污染增加型，面源污染指數呈現增加趨勢。

3.3 農村面源污染時空變化的影響因素

3.3.1 自然因素

地形是影響耕地資源分布、人口和經濟活動分布的重要因素，也深刻影響到面源污染的空間分布與變化。漢臺區(qū)、勉縣、城固縣、洋縣和南鄭區(qū)地處漢中盆地，山區(qū)面積較少，適合耕作的土地面積廣闊，農業(yè)種植面積相對山區(qū)各縣較大；寧強縣雖地處巴山山區(qū)，但有大面積的淺山丘陵山地被開墾為農田，因此耕地面積相對也較大。這幾個縣的平壩和低山丘陵區(qū)，耕地面積廣闊，村鎮(zhèn)數量多，人口規(guī)模大，導致面源污染相對嚴重。其他山區(qū)縣則因耕地面積少，村鎮(zhèn)數量少，人口規(guī)模小，面源污染相對較輕。

3.3.2 人文因素

自然是無定的，人是變化的，政策、市場、科技等等都影響到人的行為決策，從而影響面源污染的變化。比如略陽、寧強等山區(qū)縣TN污染強度增加很快，究其原因，退耕還林導致耕地面積減少，農民更加集約化經營有限土地，導致TN污染強度的快速增加。而漢臺區(qū)等盆地地區(qū)，城市化的發(fā)展導致農村土地面積減少，促使人口大量向城鎮(zhèn)轉移，加上收入來源多樣化，人們對于土地的經營反而粗放，TN污染強度呈現減少趨勢。產業(yè)結構也是影響面源污染的重要因素，比如種植、養(yǎng)殖對于TN、TP、COD有較大差異，種植對于TN貢獻達60%以上，而養(yǎng)殖對于TP、COD的貢獻達60%以上，一個地方產業(yè)結構的差異以及變遷，也是導致面源污染現狀及變化的原因，比如略陽、寧強、洋縣均因為養(yǎng)殖業(yè)貢獻的TP、COD比較高，而導致綜合污染指數持續(xù)較高。

4 結論與建議

4.1 研究結論

(1)2009—2017年，農村生活污水TN、TP、COD排放量年平均分別減少了35.41、10.12、378.72 t；固體污染物TN、TP、COD排放量年平均分別減少了233.08、16.85、1 407.71 t；農業(yè)化肥污染物TN、TP、COD排放量年平均分別增加了93.37、80.52、135.32 t；農用塑料薄膜使用量年平均增長了74.75 t。

(2)2009—2017年，農村面源污染TN總量從2009年的35 407.52 t減少到2017年的34 581.18 t，同比減少了2.33%；TP總量從2009年50 048.04 t增加到2017年的52 819.18 t，同比增加了5.54%；COD總量從2009年235 982.33 t減少到233 269.50 t，同比減少了1.15%。TN、TP、COD總體轉變趨勢是農村生活污染在減少，農業(yè)污染和畜禽污染在增加。從污染來源構成的角度來看，農業(yè)污染的TN貢獻最大，達60%左右，主要來源于化肥施用；畜禽養(yǎng)殖對TP和COD的貢獻比例最高，達60%～70%，且有略微增加的態(tài)勢。

(3)從污染類型上，洋縣、略陽、寧強屬于持續(xù)高污染型，農業(yè)面源污染程度最為嚴重；佛坪、鎮(zhèn)巴屬于持續(xù)低污染型，污染程度輕微；南鄭、漢臺屬于污染減輕型，污染不斷呈現減輕趨勢；西鄉(xiāng)、勉縣、留壩、城固屬于污染增加型，面源污染指數呈現增加趨勢。

(4)人口轉型、耕地減少、技術變化、市場需求等，綜合決定面源污染的變化；地形、退耕還林政策、產業(yè)結構變化在污染時空變化中起到重要影響。

4.2 建議與對策

4.2.1 “理念—制度—科技”聯動，減少面源污染總量

理念：以綠色循環(huán)經濟理念發(fā)展有機無公害食品生產，將養(yǎng)殖、種植、人民生活綜合考慮，在農村地區(qū)形成良性的生態(tài)循環(huán)，在提升產品附加值的同時減少面源污染。

制度：分析產污、管理等各類主體，明晰權責，制定完善的制度措施，形成有法可依、執(zhí)法必嚴的局面，從制度上解決面源污染的問題。

科技：創(chuàng)新物理、生物防病蟲害技術，減少化學農藥的施用量。通過“互聯網+農業(yè)”精準計算農作物最佳施肥量和用藥量，鼓勵生物降解農膜、光降解農膜的研發(fā)和使用，從源頭上削減污染來源。

4.2.2 分類施策，精準管理面源污染

結合漢中地區(qū)特點，結合用地適宜性評價，分析生態(tài)環(huán)境承載力，因地制宜減少面源污染。首先，對偏遠地區(qū)結合移民搬遷、鄉(xiāng)村振興等工作，促進人口向經濟發(fā)達地區(qū)、中心城區(qū)、小城鎮(zhèn)轉移，倡導節(jié)約意識，減少分散的生活污染治理難題。其次，結合水源區(qū)保護戰(zhàn)略，用好政策和資金扶持，按照綠色循環(huán)理念發(fā)展品牌生態(tài)農業(yè)，在增加農民受益的同時減少化肥、農藥使用量，減少農業(yè)污染。再次，廣泛利用山區(qū)發(fā)展規(guī)?；窒吗B(yǎng)殖，建立自然生態(tài)循環(huán)，在提供更高附加值綠色畜禽產品的同時，減少畜禽養(yǎng)殖污染。