基于等標污染負荷強度的海南省農(nóng)村面源污染特征研究

丘麗清，吳根義，李想，佘磊，符致欽

（1.生態(tài)環(huán)境部華南環(huán)境科學研究所，廣州 510535；2.海南省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，海口 570100）

農(nóng)村面源污染又稱農(nóng)村非點源污染，是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活活動中溶解的或固體的污染物，如氮、磷、農(nóng)藥及其他有機或無機污染物質(zhì)從非特定的地域通過地表徑流、農(nóng)田排水和地下滲漏進入水體引起水質(zhì)污染的過程[1]。典型的農(nóng)村面源污染來源包括農(nóng)田種植（化肥使用和秸稈遺棄等）、農(nóng)村生活（生活垃圾、生活污水和人糞尿）、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖等[1-4]。目前，在點源污染得到有效控制和管理的情況下，面源被認為是影響世界各地水生態(tài)環(huán)境的關鍵因素[5-6]，其中農(nóng)村非點源污染影響尤為突出[7-8]。在美國，60%左右的地表水受非點源污染影響[9]，在歐盟和德國，農(nóng)業(yè)對地表水非點源污染的貢獻分別約為55%和48%[10]，在中國，農(nóng)村面源是造成我國水環(huán)境污染的主要來源，據(jù)《第二次全國污染源普查公報》結果顯示，農(nóng)村面源化學需氧量（COD）、總氮（TN）、總磷（TP）排放分別占地表水體污染總負荷的73.06%、61.20%和78.92%。

海南省是我國最大的熱帶寶地，農(nóng)業(yè)資源豐富，但農(nóng)業(yè)發(fā)展模式仍呈現(xiàn)高產(chǎn)、低效、高投入等特征，且隨著農(nóng)村城鎮(zhèn)化進程和農(nóng)村生活方式的轉(zhuǎn)變，農(nóng)村生活用水量大幅增加，由此帶來的農(nóng)村面源污染對全省地表水環(huán)境影響日益突出?！逗Ｄ鲜〉诙稳珖廴驹雌詹楣珗蟆方Y果顯示，農(nóng)村面源產(chǎn)生的COD、TN、TP分別占全省總排放量的68.65%、75.10%和85.16%，農(nóng)村面源治理已成為海南省提高水環(huán)境質(zhì)量的關鍵突破口。當前，已有學者從化肥農(nóng)藥施用強度、畜禽糞污排放強度等角度剖析了海南省農(nóng)業(yè)面源時空分布特征[11-12]，但均未分析水產(chǎn)養(yǎng)殖和農(nóng)村生活污水對其產(chǎn)生的影響，且基于海南省污染負荷核算的農(nóng)村面源污染空間分布特征研究鮮見報道。關于農(nóng)業(yè)面源污染負荷核算與評價，國內(nèi)學者采用較多的方法有輸出系數(shù)模型法[13-15]、清單分析法[16-18]、等標污染負荷法[17-19]，但基于污染物排放量的等標污染負荷法難以反映國土面積等因素對污染程度的影響。本研究以海南省為研究對象，在采用清單分析法核算污染負荷的基礎上，引入等標污染負荷強度，在同一尺度下分析評價農(nóng)村面源污染物排放強度，進而識別主要污染類型，并運用ArcGIS軟件劃分污染負荷強度分區(qū)和污染控制分區(qū)，最后提出農(nóng)村面源污染分類控制對策。

1 研究區(qū)與方法

1.1 研究區(qū)概況

海南省位于我國最南端，陸地（包括海南島和西沙、中沙、南沙群島）總面積3.5 萬km2，海域面積約200 萬km2，下轄19 個市（縣），常住人口1 008.12 萬。海南島以五指山、鸚歌嶺為隆起核心，向外圍逐級下降，由山地、丘陵、臺地、階地、平原構成明顯的環(huán)形層狀地貌梯級結構。山地和丘陵占全島面積的38.7%，臺地和階地占49.5%，環(huán)島濱海平原占11.2%。由于地勢中部高四周低，海南島河流水系呈輻射狀，全島獨流入海河流共154條，其中38條集水面積超100 km2。海南島屬熱帶季風氣候，全年暖熱，雨量充沛，年均溫度22～27 ℃，年均降雨量在1 600 mm 以上，東濕西干氣候明顯。

1.2 研究方法

本研究采用清單分析法、等標污染負荷強度和聚類分析法對2017 年海南省農(nóng)村面源污染狀況進行核算與評價。結合海南省實際情況，將海南省農(nóng)村面源污染分為種植、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)村生活污水四種類型，污染物包括COD、TN和TP。由于三沙市農(nóng)村面源污染物排放量近乎為零，筆者未將其納入本研究。

1.2.1 清單分析法

以市（縣）為單位，采用清單分析法建立產(chǎn)排污清單，以此估算各市（縣）農(nóng)村面源污染物年排放量，計算方法如下：

式中：Qi為農(nóng)村面源污染物i的年排放量，t；Qli、Qri、Qai、Qdi分別為畜禽養(yǎng)殖、種植、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)村生活污水的污染物i的年排放量，t。

式中：XQi為某一畜禽類型j的產(chǎn)生基數(shù)，頭（只）；αi，j為某一畜禽類型j的污染物i的年排放系數(shù)，kg·頭-1或kg·只-1。

式中：NTk為某一種植土地類型k的面積，hm2；Fav,k為某一種植土地類型k的年施肥強度，kg·hm-2；γi，k為某一種植土地類型k的污染物i的種植流失系數(shù)，kg·kg-1。

式中：YZm為某一水產(chǎn)養(yǎng)殖類型m增產(chǎn)量，kg；δi，m為某一水產(chǎn)養(yǎng)殖類型m的污染物i的年排污系數(shù)，g·kg-1。

式中：NP為農(nóng)村常住人口數(shù)，人；εi為污染物i的人均年產(chǎn)污系數(shù)，g·人-1；λi為污染物i的綜合去除率，%。

上述參數(shù)通過《第二次全國污染源普查農(nóng)業(yè)源系數(shù)手冊》[20]《第二次全國污染源普查生活污染源產(chǎn)排污系數(shù)手冊（試用版）》和海南省典型區(qū)域調(diào)研結果確定。

1.2.2 等標污染負荷強度

農(nóng)村面源污染物排放分散，盡管排放總量相同，但對應排放的國土面積大小不同，其對環(huán)境的影響和污染程度存在差別，因此采用排放強度來表征農(nóng)村面源污染程度比單純用排放量更準確。為了將污染物排放強度轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一可比的量，本研究在前人研究[16-19]的基礎上引入等標污染負荷強度，即單位國土面積所含污染物稀釋至環(huán)境質(zhì)量控制標準所需的水量，以便于在同一尺度下比較分析農(nóng)村面源污染物對環(huán)境污染的影響程度。計算公式如下：

式中：Ii為污染物i的排放強度，t·km-2；Qi為污染物i的年排放量，t；A為某市（縣）的計算面積（由土地面積扣除城區(qū)和自然林地面積后所得），km2。海南省各市（縣）面積計算參數(shù)見表1。

表1 海南省各市（縣）面積計算參數(shù)Table 1 Calculation parameters of the area in 18 districts of Hainan Province

式中：Mi為污染物i的等標污染負荷強度，106m3·km-2；C0為污染物i基于環(huán)境質(zhì)量功能分區(qū)的目標控制類別標準值，統(tǒng)一取《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838—2002）Ⅲ類標準值，mg·L-1。

式中：Mn為污染源的等標污染負荷強度，106m3·km-2；n為污染物種類。

式中：M為區(qū)域的等標污染負荷強度，106m3·km-2；m為區(qū)域污染源個數(shù)。

式中：K為污染源在區(qū)域中的等標污染負荷強度占比。

1.2.3 聚類分析法

本研究基于等標污染負荷強度核算結果，運用ArcGIS 10.2 分組分析工具進行聚類分析，直接實現(xiàn)農(nóng)村面源污染負荷強度分布空間可視化。該工具根據(jù)要素屬性和可選的空間/時態(tài)約束對海南省各市（縣）農(nóng)村面源等標污染負荷強度的相似性和差異性進行區(qū)分，當指定了無空間約束時，該工具使用K均值算法查找分組，由于該算法屬于NP（非確定性多項式）難題，軟件將采用啟發(fā)式貪婪算法對要素進行分組，啟發(fā)式貪婪算法始終收斂于局部最小值，從而使各組的每一個組中要素實現(xiàn)差異最小化，進而劃分污染負荷強度分區(qū)。

1.3 數(shù)據(jù)來源

海南省各市（縣）國土面積、城區(qū)面積等基礎數(shù)據(jù)來自《海南統(tǒng)計年鑒2018》；海南省種植、畜禽養(yǎng)殖以及農(nóng)村生活活動指標來自農(nóng)業(yè)部門，水產(chǎn)養(yǎng)殖活動指標來自漁業(yè)部門；海南省農(nóng)村面源污染物排放數(shù)據(jù)來自《海南省第二次全國污染源普查公報》；全國農(nóng)村面源污染物排放數(shù)據(jù)來自《第二次全國污染源普查公報》。

2 結果與分析

2.1 海南省農(nóng)村面源污染物排放量分析

海南省各市（縣）農(nóng)村面源COD、TN、TP排放量見圖1，文昌、?？?、儋州、萬寧、澄邁、瓊海6個市（縣）的COD 排放量均高于全省平均排放量；文昌、儋州、?？?、瓊海、臨高、萬寧、澄邁、樂東8 個市（縣）的TN 排放量均高于全省平均排放量；文昌、儋州、?？凇⑴R高、瓊海、萬寧6 個市（縣）的TP 排放量均高于全省平均排放量；COD、TN、TP 排放量最大值均出現(xiàn)在東部沿海地區(qū)文昌，最小值均出現(xiàn)在中部山區(qū)五指山。結合農(nóng)村面源污染物排放量空間分布圖（圖2）可知，海南省農(nóng)村面源污染物排放量高值主要分布于島東部和北部地勢較低緩、社會活動水平較高的地區(qū)，島中部山地丘陵地區(qū)的農(nóng)村面源污染物排放量處于全省較低水平。

圖1 海南省各市（縣）農(nóng)村面源COD、TN、TP排放量Figure 1 Agricultural non-point source chemical oxygen demand,total nitrogen,and total phosphorus emissions in 18 districts of Hainan Province

圖2 海南省各市（縣）農(nóng)村面源污染物排放量空間分布Figure 2 Spatial distribution of agricultural non-point source pollutant emissions in 18 districts of Hainan Province

海南省農(nóng)村面源各污染類型污染物排放量見表2。COD 主要來源于農(nóng)村生活污水、畜禽養(yǎng)殖，分別占總排放量的41.82%、38.94%；TN 主要來自種植，占總排放量的52.22%，畜禽養(yǎng)殖貢獻占比不足10%；TP主要來自種植、水產(chǎn)養(yǎng)殖，分別占總排放量的39.51%、32.26%。需特別關注的是，海南省憑借自身區(qū)位優(yōu)勢，建省以來水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快，其農(nóng)村面源TP 的貢獻占比達32.26%，遠高于全國水產(chǎn)養(yǎng)殖TP排放量貢獻比例（6.47%），治理任務較重。

表2 海南省農(nóng)村面源各污染類型污染物排放量Table 2 Emissions of different pollution types from agricultural non-point source in Hainan Province

2.2 海南省農(nóng)村面源污染負荷分析

2.2.1 海南省農(nóng)村面源污染物排放強度

海南省各地區(qū)農(nóng)村面源污染物排放強度核算結果見圖3。2017 年海南省農(nóng)村面源COD 排放強度比全國排放強度高1.03 倍，TN 排放強度比全國排放強度高3.74 倍，TP 排放強度比全國排放強度高3.59 倍。從地區(qū)分布來看，萬寧、文昌、?？?、瓊海、澄邁的COD 排放強度高于全省排放強度，除瓊中外，其余地區(qū)的COD 排放強度均高于全國排放強度；文昌、臨高、萬寧、海口、瓊海、三亞的TN排放強度高于全省排放強度，所有市（縣）的TN 排放強度均高于全國排放強度；文昌、臨高、海口、萬寧、瓊海的TP 排放強度高于全省排放強度，所有市（縣）的TP 排放強度均高于全國排放強度。總體來看，海南省農(nóng)村面源污染物排放強度較大，污染防治形勢較嚴峻。

圖3 海南省各市（縣）農(nóng)村面源COD、TN、TP排放強度Figure 3 Agricultural non-point source chemical oxygen demand,total nitrogen,and total phosphorus emission intensity in 18 districts of Hainan Province

2.2.2 海南省農(nóng)村面源等標污染負荷強度

海南省各市（縣）農(nóng)村面源各污染類型的等標污染負荷強度見表3。根據(jù)海南實際情況，將等標污染負荷強度占比大于30%的污染類型篩選為該市（縣）主要污染類型，結果顯示，儋州、五指山、瓊海、東方、定安、屯昌、澄邁、白沙、昌江、保亭、瓊中11個市（縣）的農(nóng)村面源污染主要來源于種植，?？凇⑷齺?、萬寧、樂東、陵水5 個市（縣）的農(nóng)村面源污染主要來源于種植、農(nóng)村生活污水，文昌主要來源于水產(chǎn)養(yǎng)殖，臨高主要來源于水產(chǎn)養(yǎng)殖、種植。從全省層面來看，農(nóng)村面源各污染類型的等標污染負荷強度表現(xiàn)為種植＞農(nóng)村生活污水＞水產(chǎn)養(yǎng)殖＞畜禽養(yǎng)殖，種植是海南省農(nóng)村面源污染的首要來源，其次是農(nóng)村生活污水。

表3 海南省各市（縣）農(nóng)村面源各污染類型的等標污染負荷強度Table 3 Equal standard pollution load intensity of different agricutural non-point source pollution types in 18 districts of Hainan Province

2.3 海南省農(nóng)村面源污染負荷強度分區(qū)

通過聚類分析可知，全省共有高度負荷區(qū)4 個、中度負荷區(qū)12 個、低度負荷區(qū)2 個，其空間分布情況見圖4。高度負荷區(qū)主要分布于文昌、海口、臨高、萬寧。文昌水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達，2017 年水產(chǎn)養(yǎng)殖面積約占全省水產(chǎn)養(yǎng)殖總面積的22.5%，位列全省第一，其中池塘養(yǎng)殖面積約占全省池塘養(yǎng)殖總面積的88%；?？谵r(nóng)村人口數(shù)量約占全省農(nóng)村總人口的13%，耕地面積約占全省耕地總面積的11%，分別位列全省第一、第二；臨高水產(chǎn)養(yǎng)殖面積和耕地面積均位列全省第五；萬寧耕地面積和農(nóng)村人口數(shù)量分別位列全省第十一、第六，但由于區(qū)域污染治理還存在較多薄弱環(huán)節(jié)，且計算面積較小，故其污染負荷強度處于較高水平。中度負荷區(qū)主要分布于農(nóng)村人口密集、農(nóng)業(yè)活動水平較高的臺地、階地和平原地帶，包括三亞、東方、儋州、瓊海、定安、澄邁、屯昌、昌江、樂東、陵水、白沙、保亭12 個市（縣）。低度負荷區(qū)主要分布于島中部偏南人口較少、社會活動水平較低、山地丘陵地形為主的瓊中和五指山。

圖4 海南省農(nóng)村面源污染負荷強度分區(qū)Figure 4 Agricultural non-point source pollution load intensity zones in Hainan Province

2.4 海南省農(nóng)村面源污染控制分區(qū)

綜合海南省各市（縣）農(nóng)村面源主要污染類型篩選結果以及污染負荷強度分區(qū)結果，將海南省農(nóng)村面源污染控制區(qū)劃分為6種：水產(chǎn)養(yǎng)殖污染型-高度負荷區(qū)、水產(chǎn)養(yǎng)殖和種植污染型-高度負荷區(qū)、種植和農(nóng)村生活污水污染型-高度負荷區(qū)、種植污染型-中度負荷區(qū)、種植和農(nóng)村生活污水污染型-中度負荷區(qū)、種植污染型-低度負荷區(qū)，其空間分布情況見圖5。

圖5 海南省農(nóng)村面源污染控制分區(qū)Figure 5 The control zones of agricultural non-point source pollution in Hainan Province

不同區(qū)域根據(jù)不同的污染類型采取針對性的污染控制措施。水產(chǎn)養(yǎng)殖污染型區(qū)域，應優(yōu)化調(diào)整區(qū)域水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)布局，大力發(fā)展綠色養(yǎng)殖，養(yǎng)殖密度大且水域自凈能力不足的區(qū)域可采取輪養(yǎng)或休養(yǎng)等措施，環(huán)境容量超標的水域?qū)嵤┩损B(yǎng)或轉(zhuǎn)產(chǎn)，提高現(xiàn)有水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水治理水平；種植污染型區(qū)域，宜優(yōu)化調(diào)整區(qū)域種植業(yè)產(chǎn)業(yè)布局，繼續(xù)推行測土配方施肥，推廣高效、低毒、低殘留、無公害農(nóng)藥，提高地膜和秸稈的回收利用率，在重點區(qū)域利用現(xiàn)有排水溝渠、廢棄池塘或低澇洼地建設生態(tài)凈化工程；農(nóng)村生活污水污染型區(qū)域，加快農(nóng)村戶用廁所無害化改造，提高糞污資源化利用水平，優(yōu)先推進環(huán)境敏感區(qū)域、農(nóng)村生活污水負荷較高區(qū)域的污水集中處理。

各區(qū)域的污染負荷強度不同，其治理手段和目標有所側重：高度負荷區(qū)以源頭防控與重點治理相結合，著力改善現(xiàn)有農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境；中度負荷區(qū)以源頭防控為主、適當治理為輔，發(fā)展產(chǎn)業(yè)和改善現(xiàn)有農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境并重；低度負荷區(qū)以源頭防控為主，旨在保障現(xiàn)有農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境。

3 結論

（1）文昌、海口、儋州、萬寧、瓊海的農(nóng)村面源COD、TN、TP 排放量均高于海南省平均排放量；三種污染物的排放量最大值均出現(xiàn)在文昌，最小值均出現(xiàn)在五指山；海南省農(nóng)村面源COD、TN、TP 的排放強度比全國排放強度分別高1.03、3.74、3.59倍，且文昌、萬寧、海口、瓊海的三種污染物排放強度均高于全省排放強度，可見海南省農(nóng)村面源污染防治形勢嚴峻。

（2）海南省農(nóng)村面源COD 主要來自農(nóng)村生活污水、畜禽養(yǎng)殖，TN 主要來源于種植，TP 主要來源于種植、水產(chǎn)養(yǎng)殖；各污染類型等標污染負荷強度表現(xiàn)為種植＞農(nóng)村生活污水＞水產(chǎn)養(yǎng)殖＞畜禽養(yǎng)殖，其中文昌為水產(chǎn)養(yǎng)殖污染型，臨高為水產(chǎn)養(yǎng)殖和種植污染型，海口、三亞、萬寧、樂東、陵水為種植和農(nóng)村生活污水污染型，儋州、五指山、瓊海、東方、定安、屯昌、澄邁、白沙、昌江、保亭、瓊中為種植污染型。

（3）聚類分析結果表明，文昌、?？凇⑴R高、萬寧為農(nóng)村面源污染高度負荷區(qū)，三亞、東方、儋州、瓊海、定安、澄邁、屯昌、昌江、樂東、陵水、白沙、保亭為中度負荷區(qū)，瓊中、五指山為低度負荷區(qū)。