沙潁河河南段農(nóng)村面源污染負(fù)荷特征與解析

李艷鴿 吳用 孫馳

摘 要：為了準(zhǔn)確評(píng)估沙潁河上游河南省鄭州、平頂山、許昌、漯河和周口5地市區(qū)域內(nèi)的農(nóng)村面源污染負(fù)荷，采用輸出系數(shù)法，以總氮（TN）、總磷（TP）為指標(biāo)計(jì)算了農(nóng)業(yè)種植業(yè)、畜禽養(yǎng)殖業(yè)、農(nóng)村生活3類農(nóng)村面源污染排放量和貢獻(xiàn)率，分析了TN、TP污染負(fù)荷的時(shí)空分布特征;并以種植面積、糧食需求和污染負(fù)荷控制為約束條件構(gòu)建了區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)種植業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型。結(jié)果表明，沙潁河上游河南五地市2009—2018年，TN、TP污染負(fù)荷量呈減少趨勢(shì)，且十年內(nèi)分別減少2萬(wàn)t和0.3萬(wàn)t。5地市的3類農(nóng)村面源污染中，TN負(fù)荷量貢獻(xiàn)率：農(nóng)業(yè)種植>農(nóng)村生活>畜禽養(yǎng)殖，TP負(fù)荷量貢獻(xiàn)率：農(nóng)業(yè)種植>畜禽養(yǎng)殖>農(nóng)村生活，其中周口市貢獻(xiàn)率最大。農(nóng)業(yè)種植業(yè)優(yōu)化結(jié)果顯示，規(guī)劃末期糧食作物播種面積增加5.93萬(wàn)hm2，經(jīng)濟(jì)作物播種面積增加2.50萬(wàn)hm2，TP排放負(fù)荷約束是經(jīng)濟(jì)作物種植規(guī)模增長(zhǎng)的主要限制因素。研究結(jié)果可為區(qū)域內(nèi)的農(nóng)村面源污染的防控和治理提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：沙潁河流域;農(nóng)村面源污染;輸出系數(shù)法;時(shí)空變化;種植結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào) F327 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2022）11-0143-07

Characteristics and Analysis of Rural Non-point Source Pollution Load in Henan Section of the Shaying River

LI Yan′ge1? ?WU Yong1? ?SUN Chi2

（1College of Resources and Environment， Henan Agricultural University， Zhengzhou 450002， China; 2Civil Engineering College， Zhengzhou University of Technology， Zhengzhou 450044， China）

Abstract： In order to accurately assess the rural non-point source pollution load in the five cities of Zhengzhou， Pingdingshan， Xuchang， Luohe and Zhoukou in Henan Province， in the upper reaches of the Shaying River， this paper adopted the output coefficient method to calculate emissions and contribution rate of the total nitrogen （TN） and total phosphorus （TP） from three types of rural non-point source pollution： agricultural planting， livestock and poultry breeding，and rural life，and analyze the temporal and spatial distribution characteristics of TN and TP pollution loads. Meanwhile， with the planting area， food demand and pollution load control as constraints， a regional agricultural planting industry structure optimization model was constructed. The results showed that the pollution load of TN and TP showed a decreasing trend from 2009 to 2018， and the pollution load was reduced by 20，000 tons and 3，000 tons respectively. Among the three types of rural non-point source pollution， the contribution rate of TN load from high to low is： agricultural planting， rural life， livestock and poultry breeding. And the contribution rate of TP load from high to low is： agricultural planting，livestock and poultry breeding，rural life. Zhoukou City had the largest contribution rate. The optimization results of the agricultural planting industry showed that the sown area of grain crops increased by 59，300hm2， and the cash crops increased by 25，000hm2. TP emission load restriction was the main factor in the growth of economic crop planting scale. The research results can provide basic support and guiding significance for the prevention， control and governance of rural non-point source pollution in the region.

Key words： Shaying River Basin; Rural non-point source pollution; Output coefficient method; Temporal and spatial changes; Planting structure

面源污染的治理和防控研究目前仍是水體污染研究的重點(diǎn)，其中農(nóng)業(yè)面源是研究中的重點(diǎn)和難點(diǎn)?！?018年淮河水資源公報(bào)》指出[1]，淮河流域河南省污廢水入河排放量為20.99億t，其中化學(xué)需氧量（COD）入河排放量為8.49萬(wàn)t，氨氮入河排放量為0.81萬(wàn)t，排污量位于淮河流域4省市之首。淮河水質(zhì)處于輕污染狀態(tài)，水質(zhì)條件未達(dá)到《全國(guó)水資源保護(hù)規(guī)劃（2016—2030年）》規(guī)定的目標(biāo)，水環(huán)境保護(hù)壓力大。有研究表明，水體環(huán)境的惡化是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要限制因素，農(nóng)業(yè)面源污染作為水體環(huán)境污染的主要來(lái)源，科學(xué)的防治和治理是保障區(qū)域資源環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。當(dāng)前我國(guó)已經(jīng)從環(huán)境破壞型經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式向環(huán)境友好型經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式轉(zhuǎn)變，水污染的治理遵循著“減負(fù)”—“增能”的治理理念。因此，從面源污染的源頭治理出發(fā)，研究流域內(nèi)氮磷面源污染流失的時(shí)空特征，探索污染總量約束下的農(nóng)業(yè)發(fā)展模式對(duì)面源污染防控具有重要意義。

淮河流域作為我國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)之一，區(qū)域內(nèi)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)特征和水環(huán)境污染問(wèn)題相對(duì)復(fù)雜。沙潁河作為淮河最大的支流，其上游河南段流經(jīng)5個(gè)主要地市包括有以工業(yè)服務(wù)業(yè)為主的省會(huì)城市鄭州市，以工業(yè)為主的漯河市、許昌市和平頂山市和以農(nóng)牧為主的周口市[2]。區(qū)域內(nèi)5個(gè)地市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平上的差異，影響著農(nóng)業(yè)面源污染的排放種類及負(fù)荷。厘清5地市農(nóng)業(yè)面源污染的分布特征可為區(qū)域內(nèi)面源污染的防治提供依據(jù)。

面源污染核算方法中，Johns提出的輸出系數(shù)模型是較常用的方法之一，其優(yōu)點(diǎn)是所需參數(shù)少，操作簡(jiǎn)便且具有一定的精度，在大尺度區(qū)域面源污染負(fù)荷的研究中有較強(qiáng)的優(yōu)越性。對(duì)于不同區(qū)域尺度，國(guó)外Malve等通過(guò)輸出系數(shù)模型估算了整個(gè)歐洲的生化需氧量（BOD）、TN和TP，評(píng)估結(jié)果與其他估算模型評(píng)估結(jié)果相近[3];Delkash等在德黑蘭Kan流域?qū)Ρ攘溯敵鱿禂?shù)模型和SWAT模型的污染負(fù)荷估算結(jié)果，證明輸出系數(shù)模型在缺資料區(qū)有更好的精度和適用性[4]。國(guó)內(nèi)劉亞瓊等利用輸出系數(shù)模型對(duì)北京市農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷進(jìn)行了估算[5];胡正等利用綜合考慮降雨和地形的影響，用改進(jìn)的輸出系數(shù)模型對(duì)渠縣境內(nèi)流域農(nóng)業(yè)面源污染進(jìn)行了估算[6]。國(guó)內(nèi)外相關(guān)的研究成果均已得到較好的驗(yàn)證，該模型具有較好的適用性。綜上，擬采用輸出系數(shù)法評(píng)估沙潁河流域上游河南段排污負(fù)荷的變化規(guī)律，識(shí)別主要污染貢獻(xiàn)源，并以經(jīng)濟(jì)環(huán)境友好型為目標(biāo)，優(yōu)化求解科學(xué)的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，為淮河水污染治理提供科學(xué)合理的“減負(fù)”方案。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況 研究區(qū)選擇位于沙潁河上游的河南省鄭州、平頂山、許昌、漯河和周口5個(gè)地市。該區(qū)域?qū)倥瘻貛?、濕?rùn)—半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，由南向北年平均氣溫為10.5～16.7℃，年均日照時(shí)間1285.7～2292.9h，全年無(wú)霜期201～285d，多年平均降水量760mm，降雨量以6—8月最多，雨熱同期，與農(nóng)作物需水高峰期一致，充足的光、熱、水資源和肥沃的土地使得該區(qū)域成為沙潁河流域重要的產(chǎn)糧基地[7]。

2009—2018年，沙潁河上游河南5個(gè)地市經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，人口總?cè)藬?shù)由2977萬(wàn)人增加到3275萬(wàn)人，作物播種面積由372.00萬(wàn)hm2增加到378.25萬(wàn)hm2，有效灌溉面積增加至138.72萬(wàn)hm2，糧食產(chǎn)量持續(xù)增長(zhǎng)由原來(lái)1517.84萬(wàn)t增加到1766.10萬(wàn)t，豬肉產(chǎn)量由125.95萬(wàn)t增加到146.47萬(wàn)t。第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值由416.30億元增加到1016.08億元，其中農(nóng)業(yè)種植業(yè)增值最大，為652.31億元，其次是牧業(yè)，增值330.41億元。經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，致使區(qū)域內(nèi)水環(huán)境壓力不斷增大。

1.2 研究方法

1.2.1 農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷估算 數(shù)學(xué)模型是研究面源污染的重要手段。Johnes等結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，在早期輸出系數(shù)模型的基礎(chǔ)上，綜合考慮了土地利用類型、牲畜數(shù)量及分布狀況、農(nóng)村居民的面源污染物排放和處理水平等因素，改進(jìn)后的模型很大程度上豐富了輸出系數(shù)模型的內(nèi)容，提高了模型對(duì)土地利用狀況變化的靈敏性[8]。運(yùn)用改進(jìn)后的模型能充分利用相對(duì)容易得到的統(tǒng)計(jì)資料建立土地利用類型、畜禽養(yǎng)殖種類及規(guī)模和人口數(shù)量與受納水體非點(diǎn)源污染負(fù)荷的關(guān)系，是缺乏長(zhǎng)系列面源污染監(jiān)測(cè)資料地區(qū)污染物負(fù)荷量估算的有效方法[9-11]。選擇TN和TP 2個(gè)污染物指標(biāo)，對(duì)沙潁河上游河南省內(nèi)5個(gè)地市歷年的農(nóng)村面源污染物負(fù)荷排放量進(jìn)行估算，表達(dá)式為：

[L=i=1nEiAi+P] （1）

式中：L為營(yíng)養(yǎng)物的流失量（kg·a-1）;Ei為營(yíng)養(yǎng)源i的輸出系數(shù)（kg·hm-2·a-1，kg·萬(wàn)人-1·a-1，kg·萬(wàn)頭-1·a-1）;Ai為土地利用類型i的面積（hm2）或者畜禽養(yǎng)殖類型i的數(shù)量（萬(wàn)頭）或者人口數(shù)量（萬(wàn)人）;p為來(lái)自降雨的營(yíng)養(yǎng)物輸入（kg·a-1），文中不考慮該因素。

1.2.1.1 數(shù)據(jù)獲取 從2009—2018年《河南省統(tǒng)計(jì)年鑒》中整理了5地市相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，包括農(nóng)作物播種面積、果園面積、新增林地面積、畜禽養(yǎng)殖數(shù)量和農(nóng)村人口數(shù)。其中由于園地中果園面積占比達(dá)90%以上，因此以果園面積代替園地面積。林地僅考慮當(dāng)年新增林地帶來(lái)的污染，相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

1.2.1.2 系數(shù)的確定 農(nóng)村面源污染源主要分為三大類：農(nóng)業(yè)種植業(yè)、畜禽養(yǎng)殖業(yè)和農(nóng)村生活污染，其中農(nóng)業(yè)種植業(yè)污染以耕地、園地、林地3類農(nóng)業(yè)用地計(jì)算;畜禽養(yǎng)殖業(yè)以豬、牛、羊和家禽4類計(jì)算;農(nóng)村生活污染以農(nóng)村居民數(shù)量為計(jì)算依據(jù)。

鑒于河南省沒(méi)有輸出系數(shù)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，農(nóng)業(yè)種植業(yè)三大土地類型的輸出系數(shù)參考劉增進(jìn)等人的相關(guān)研究成果，并結(jié)合區(qū)域已有研究基礎(chǔ)進(jìn)行確定[12]。畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)村生活兩部分的面源污染物輸出系數(shù)分別采用國(guó)家環(huán)?？偩滞扑]的排泄系數(shù)和人口輸出系數(shù)[13]，其中畜禽養(yǎng)殖業(yè)的TN和TP輸出系數(shù)分別取為各自排泄系數(shù)的10%，詳情見(jiàn)表2。

1.2.2 農(nóng)業(yè)種植業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型 源頭控制是面源污染有效治理的方式之一，為進(jìn)一步探究有效的農(nóng)業(yè)面源污染控制方法，減少污染物排放量，促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)穩(wěn)定發(fā)展，文章通過(guò)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化尋求突破點(diǎn)。依據(jù)區(qū)域種植業(yè)面源污染限制排放總量、農(nóng)作物產(chǎn)量需求、土地面積、種植比例等為約束條件，將農(nóng)業(yè)面源污染排放總量合理的分配到各種農(nóng)作物的種植規(guī)模上，對(duì)農(nóng)業(yè)種植業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)業(yè)面源污染控制的雙重目標(biāo)[14]。借鑒肖新成[15]等人在三峽庫(kù)區(qū)種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的方法，構(gòu)建農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型。

1.2.2.1 目標(biāo)函數(shù)的建立 以地區(qū)農(nóng)業(yè)種植業(yè)收益最大化為目標(biāo)建立目標(biāo)函數(shù)，表達(dá)式如下：

[maxE（X）i=1nNiXi] （2）

Ni為第i種農(nóng)作物單位面積的現(xiàn)金收益，Xi為第i種農(nóng)作物播種面積。

糧食作物以小麥和玉米為主;經(jīng)濟(jì)作物中，近10年來(lái)五市蔬菜播種面積占全域經(jīng)濟(jì)作物播種總面積的50%以上，因此經(jīng)濟(jì)作物以蔬菜為主。目標(biāo)函數(shù)中，糧食作物單位面積現(xiàn)金收益取河南省小麥、玉米單位面積現(xiàn)金收益平均值;蔬菜單位面積現(xiàn)金收益取取河南省主要蔬菜單位面積現(xiàn)金收益平均值，數(shù)據(jù)來(lái)源于《全國(guó)農(nóng)產(chǎn)品成本收益匯編2019》。

1.2.2.2 約束條件 根據(jù)河南省主體功能定位和“十三五”規(guī)劃要求，以種植總面積、糧食保有量和污染物排放控制總量作為約束條件。

（1）種植總面積約束：

X1+X2=耕地面積×復(fù)種指數(shù) （3）

河南省大田糧食作物種植方式以小麥—玉米輪作為主，X1為糧食作物播種面積，X2為蔬菜作物播種面積，單位為萬(wàn)hm2。結(jié)合河南省“十三五”規(guī)劃，2020年河南省全省耕地面積為802.33萬(wàn)hm2，其中五市多年平均耕地面積占全省耕地比例24.88%，經(jīng)計(jì)算2020年五市耕地面積為199.62萬(wàn)hm2，平均復(fù)種指數(shù)為1.86。

（2）糧食保有量約束：

X1×糧食單產(chǎn)≥糧食保有量 （4）

規(guī)劃指出2020年河南省糧食綜合生產(chǎn)能力達(dá)到6500萬(wàn)t，2016—2018年5個(gè)市糧食綜合產(chǎn)量占全省的26.03%，計(jì)算可得5地市2020年糧食保有量為1692萬(wàn)t。從糧食單產(chǎn)數(shù)據(jù)分析，近年來(lái)5個(gè)市糧食單產(chǎn)穩(wěn)步攀升，但變化幅度不大，以2018年5個(gè)市的平均糧食單產(chǎn)作為2020年5地市糧食單產(chǎn)。

（3）污染物排放控制總量約束：

近年來(lái)區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)作物的種植面積呈現(xiàn)逐年增大的趨勢(shì)，高水高肥作物種植面積的增加使得區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)種植業(yè)的N、P污染排放負(fù)荷近年一直處于增加趨勢(shì)。以糧食作物和蔬菜作物種植規(guī)模的角度出發(fā)，參照陳敏鵬[16]等人的清單系數(shù)法，構(gòu)建TN、TP污染排放控制的約束條件，表達(dá)式如下：

[x1EUN1（1-ηN1）cN1+x2EUN2（1-ηN2）cN2] ≤TN控制

目標(biāo) （5）

[x1EUP1（1-ηP1）cP1+x2EUP2（1-ηP2）cP2]≤TP控制

目標(biāo) （6）

[EUN1]，[EUN2]為單位面積糧食作物和蔬菜作物氮肥施用總量，[EUP1]，[EUp2]為單位面積糧食作物和蔬菜作物磷肥施用總量;[ηN1]，[ηN2]為糧食作物和蔬菜作物的氮肥利用率，[ηP1]，[ηP2]為糧食作物和蔬菜作物的磷肥利用率;[CN1]，[CN2]為糧食作物和蔬菜作物氮肥的流失系數(shù)，[CP1]，[CP2]為糧食作物和蔬菜作物磷肥的流失系數(shù)。

TN和TP污染物排放控制目標(biāo)以2015年為基準(zhǔn)年，根據(jù)單位面積的化肥施用量和現(xiàn)狀水平的化肥利用率計(jì)算得TN和TP排放控制目標(biāo)分別為1.81和0.15萬(wàn)t。規(guī)劃指出單位面積施肥量零增加，因此[ENUi]和[EUPi]通過(guò)查閱基準(zhǔn)年2015年統(tǒng)計(jì)年鑒得到;化肥利用率（η）通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)確定，其中河南省設(shè)施蔬菜種植面積只占蔬菜種植總面積的16.83%，因此文中的蔬菜作物的化肥利用率參考的是露天蔬菜地[17-20]?；蕪搅髁魇禂?shù)（c）參考朱梅等人[21]以及《第一次全國(guó)污染源普查：農(nóng)業(yè)污染源肥料流失系數(shù)手冊(cè)》的相關(guān)研究成果，相關(guān)參數(shù)取值具體如表3。

2 結(jié)果與分析

2.1 沙潁河上游五地市TN、TP污染物負(fù)荷量變化規(guī)律 通過(guò)計(jì)算分析（圖1）可知，2009—2018年研究區(qū)域內(nèi)TN、TP污染負(fù)荷量呈減少趨勢(shì)，TN排放量由2009年12.5萬(wàn)t下降到10.5萬(wàn)t，TP排放量由1.6萬(wàn)t下降到1.3萬(wàn)t。從N、P污染物產(chǎn)污途徑分析，通過(guò)對(duì)各因素進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析，牛、園地、農(nóng)村人口的數(shù)量與等標(biāo)污染負(fù)荷總量的關(guān)聯(lián)度最大（表5），說(shuō)明區(qū)域內(nèi)TN、TP等標(biāo)污染負(fù)荷的變化與牛、園地、農(nóng)村人口的數(shù)量關(guān)系密切。畜禽養(yǎng)殖規(guī)模的降低和農(nóng)村人口規(guī)模的減少是N、P負(fù)荷減少的2個(gè)主要因素，其次是園地面積的減少能有效的降低氮磷排放負(fù)荷量。分析變化趨勢(shì)中的突變點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，2016年TN和TP大幅度減少的原因是5地市中牛的數(shù)量和種植面積大規(guī)模的減少，其中養(yǎng)殖規(guī)模數(shù)量減少41.44萬(wàn)頭，播種面積減少約3萬(wàn)hm2。而2018年TN負(fù)荷量略微增加，主要是由于5個(gè)市播種面積增加了12.37萬(wàn)hm2，其中許昌增加了6.57萬(wàn)hm2，周口增加了4.55萬(wàn)hm2。從年際變化分析可知沙潁河上游五地市農(nóng)業(yè)面源污染的排放量大小主要與牛的養(yǎng)殖規(guī)模、農(nóng)作物播種面積和農(nóng)村人口密切相關(guān)。

2.2 TN、TP負(fù)荷量時(shí)空分布特征分析 將五地市年TN、TP產(chǎn)污負(fù)荷量與轄區(qū)面積相比，分析五地市年單位面積的TN、TP負(fù)荷量時(shí)空分布特征，如圖2（a～f）。TN、TP污染物排放量在空間分布上呈現(xiàn)一致性，即鄭州、平頂山農(nóng)業(yè)面源污染排放量最小，許昌、漯河居中，周口排放量最大。說(shuō)明該區(qū)域在農(nóng)業(yè)面源污染TN、TP污染物防治和治理過(guò)程中，周口市、漯河市和許昌市是重點(diǎn)防治地市。從時(shí)間變化上，鄭州、平頂山和許昌農(nóng)業(yè)面源污TN、TP排放量呈明顯減少趨勢(shì)，周口和漯河不明顯，反映出周口和漯河兩市仍需加大N、P面源污染防治力度。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析近年農(nóng)村面源污染類型占比情況，3種污染類型農(nóng)業(yè)種植，畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)村生活造成的污染負(fù)荷比重在各市表現(xiàn)不同，但總體呈現(xiàn)一致的規(guī)律。3種污染源類型TN負(fù)荷量貢獻(xiàn)率的大小順序?yàn)椋恨r(nóng)業(yè)種植>農(nóng)村生活>畜禽養(yǎng)殖，TP負(fù)荷量貢獻(xiàn)率的大小順序?yàn)椋恨r(nóng)業(yè)種植>畜禽養(yǎng)殖>農(nóng)村生活，見(jiàn)表6。因此，為了有效的控制該地區(qū)流域氮磷的排放，農(nóng)業(yè)種植仍是需要重點(diǎn)防治的對(duì)象。

2.3 農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)與污染負(fù)荷相關(guān)性分析 農(nóng)業(yè)種植業(yè)N、P污染的主要來(lái)源是糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物種植過(guò)程中化肥的過(guò)量施用和流失。而在以往的研究中發(fā)現(xiàn)，單位面積經(jīng)濟(jì)作物N、P流失量要大于單位面積糧食作物。通過(guò)分析2009—2018年五地市的糧經(jīng)比（糧食播種面積/經(jīng)濟(jì)作物播種面積）與污染物負(fù)荷的年變化關(guān)系可以分析出，沙潁河上游5地市糧經(jīng)比與污染總負(fù)荷呈相反變化趨勢(shì)，兩者相關(guān)關(guān)系為0.91以上，R2值達(dá)0.88，即糧經(jīng)比比值越大污染總負(fù)荷越小（如圖3），亦說(shuō)明控制經(jīng)濟(jì)類作物的種植規(guī)模是該地區(qū)農(nóng)業(yè)種植業(yè)面源污染防控治理的有效路徑。然而現(xiàn)階段農(nóng)民在實(shí)際的生產(chǎn)活動(dòng)中更傾向種植經(jīng)濟(jì)效益較高的經(jīng)濟(jì)作物，以獲得更高的經(jīng)濟(jì)收入。因此，在該地區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染防治和治理中，需適當(dāng)考慮2種作物種植結(jié)構(gòu)的優(yōu)化平衡。

通過(guò)種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算，規(guī)劃末年2020年糧食播種面積為278.68萬(wàn)hm2，經(jīng)濟(jì)作物播種面積為92.61萬(wàn)hm2，面積優(yōu)化結(jié)果符合實(shí)際，經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到829.76萬(wàn)億元。其中糧食作物播種面積相比2015年基準(zhǔn)年增加5.93萬(wàn)hm2，經(jīng)濟(jì)作物播種面積增加2.50萬(wàn)hm2。僅從目標(biāo)函數(shù)看，經(jīng)濟(jì)作物種植規(guī)模的增長(zhǎng)小于糧食作物種植規(guī)模不符合經(jīng)濟(jì)效益最大的目標(biāo)。對(duì)比優(yōu)化結(jié)果發(fā)現(xiàn)，約束經(jīng)濟(jì)作物播種面積增加的原因是污染排放控制目標(biāo)中TP污染負(fù)荷排放超標(biāo)。相比于糧食作物，經(jīng)濟(jì)作物化肥利用率低，污染排放負(fù)荷高。因此，較低的化肥利用率水平是農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷排放超標(biāo)的主要原因，也是限制地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素。在未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展過(guò)程中，采用的增加有機(jī)肥配比和測(cè)土配方科學(xué)施肥等方式是提高化肥利用率的有效途徑。另外提高設(shè)施蔬菜種植規(guī)模的占比，增強(qiáng)水肥高效一體化管理也能有效提高蔬菜作物的化肥利用率，從而進(jìn)一步擴(kuò)大農(nóng)業(yè)種植規(guī)模和經(jīng)濟(jì)作物面積的占比，滿足農(nóng)民最大化效益目標(biāo)。同理在種植規(guī)模穩(wěn)定不變的條件下，提高化肥利用率則是源頭控制面源污染排放的關(guān)鍵手段。

3 討論

研究區(qū)2009—2018年TN、TP排放量呈減少趨勢(shì)，這與丘雯文[22]和楊騫[23]對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)面源污染排放研究結(jié)果相符;研究區(qū)2009—2018年TN負(fù)荷量平均是TP負(fù)荷量的8.0倍，這與劉增進(jìn)[12]、劉亞瓊[5]、陳敏鵬[16]的研究成果相似;劉增進(jìn)[12]和彭舜磊[2]等人研究表明河南省全域不同污染源對(duì)TN貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為：耕地>畜禽養(yǎng)殖>農(nóng)村生活，對(duì)TP貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為：畜禽養(yǎng)殖>耕地>農(nóng)村生活，這與該文在相同年份相同區(qū)域的計(jì)算結(jié)果一致，但從10年間5個(gè)地市的尺度來(lái)看，TN貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為：耕地>農(nóng)村生活>畜禽養(yǎng)殖，對(duì)TP貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為：耕地>畜禽養(yǎng)殖>農(nóng)村生活，表明沙潁河上游河南5個(gè)地市與河南省全域各污染源對(duì)TN和TP污染源貢獻(xiàn)率略有差別，主要由于學(xué)者對(duì)耕地、園地、林地采用的輸出系數(shù)不盡相同，且各市農(nóng)村人口數(shù)量和畜禽養(yǎng)殖數(shù)量差別較大;各地市對(duì)TN、TP貢獻(xiàn)率大小順序均：周口市>平頂山市>許昌市>鄭州市>漯河市，這與劉增進(jìn)[12]和彭舜磊[2]等人的研究結(jié)果一致，且三者對(duì)于相同年份TN和TP污染負(fù)荷計(jì)算結(jié)果基本吻合。

該文只考慮了農(nóng)業(yè)種植、農(nóng)村生活、畜禽養(yǎng)殖三類污染源，未考慮農(nóng)藥、農(nóng)膜、各地市污水處理能力等因素以及COD、NH3-N等污染指標(biāo)。農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，由于對(duì)蔬菜以外的經(jīng)濟(jì)作物的化肥利用率研究較少，所以經(jīng)濟(jì)作物中只考慮了蔬菜，未能全面考慮所有經(jīng)濟(jì)作物。該文研究具有理論支撐且研究結(jié)果具有一定的精度和可信度，可為區(qū)域內(nèi)的農(nóng)村面源污染的防控和治理提供基礎(chǔ)支撐和指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

（1）采用輸出系數(shù)模型法，估算了2009—2018年沙潁河上游游河南段的鄭州、平頂山、許昌、漯河、周口5個(gè)地市的農(nóng)村面源污染負(fù)荷量，結(jié)果顯示，TN、TP排放量呈減少趨勢(shì)。通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，牛、園地、農(nóng)村人口是TN、TP等標(biāo)污染負(fù)荷變化的主要影響因素。

（2）通過(guò)5地市的污染物排放負(fù)荷的時(shí)空分析，周口、漯河和許昌是農(nóng)村面源污染的防治重點(diǎn)，且從歷年污染物削減情況上看，周口和漯河2市的面源污染防治仍需要加大力度。針對(duì)5地市農(nóng)村面源污染類型貢獻(xiàn)率分析，TN和TP的主要貢獻(xiàn)來(lái)源均是農(nóng)業(yè)種植業(yè)，未來(lái)農(nóng)村面源污染防治中種植業(yè)仍是治理重點(diǎn)。

（3）在河南省“十三五”規(guī)劃目標(biāo)要求下，5地市作物耕地面積增長(zhǎng)幅度為8.43萬(wàn)hm2，糧食作物增加的面積大于經(jīng)濟(jì)作物面積，化肥利用率低制約著經(jīng)濟(jì)作物種植規(guī)模的增加。

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作者簡(jiǎn)介：李艷鴿（1998—），女，河南周口人，大學(xué)本科，從事農(nóng)田水利及土地整治研究。? 收稿日期：2021-12-07