廣東省農(nóng)業(yè)面源污染現(xiàn)狀及變化的多尺度評(píng)價(jià)

曹佳霖,胡茂川,,3,4①,賀 凱,3,4,代 超,3,4,賀 斌

(1.中山大學(xué)土木工程學(xué)院,廣東 珠海 519082;2.廣東省科學(xué)院生態(tài)環(huán)境與土壤研究所,廣東 廣州 510650;3.中山大學(xué)水資源與環(huán)境研究中心,廣東 廣州 510275;4.廣東省華南地區(qū)水安全調(diào)控工程技術(shù)研究中心,廣東 廣州 510275)

農(nóng)業(yè)面源污染指農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中農(nóng)田化肥流失以及畜禽和水產(chǎn)養(yǎng)殖等產(chǎn)生的污染物,通過(guò)降雨徑流等途徑進(jìn)入水體所造成的水污染[1-2]。農(nóng)業(yè)面源污染的產(chǎn)生與種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展關(guān)系密切[3],是鄉(xiāng)村振興與生態(tài)保護(hù)之間的突出矛盾,控制和防治農(nóng)業(yè)面源污染是我國(guó)面臨的重要課題。廣東省是我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)較發(fā)達(dá)的省份,同時(shí)也是農(nóng)業(yè)面源污染問(wèn)題突出的地區(qū)之一[4-5]。據(jù)第二次全國(guó)污染源普查公報(bào)統(tǒng)計(jì),來(lái)自農(nóng)業(yè)農(nóng)村面源的總氮、總磷分別占廣東全省排放量的38.6%和63%[6]。近年來(lái),廣東省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)發(fā)生較大改變[7],土地利用格局的改變以及畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)模的改變都會(huì)使農(nóng)業(yè)面源污染排放量與排放特征發(fā)生變化[4,8]。評(píng)估廣東省面源污染負(fù)荷及其動(dòng)態(tài)變化,解析其來(lái)源,對(duì)廣東省水資源保護(hù)、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和鄉(xiāng)村振興建設(shè)具有重要意義。

農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷計(jì)算通常采用輸出系數(shù)法[1],與基于流域污染物形成、遷移和轉(zhuǎn)化過(guò)程機(jī)制的模型相比,輸出系數(shù)法簡(jiǎn)便,不依賴于大量觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)率定模型參數(shù),結(jié)果也且有一定精度,得到了廣泛應(yīng)用[1,9]。例如,李明龍等[10]基于輸出系數(shù)模型解析了三峽庫(kù)區(qū)非點(diǎn)源氮磷負(fù)荷時(shí)空變化和來(lái)源,韋曉雪等[11]采用輸出系數(shù)模型分析了1998—2016年洱海流域磷素時(shí)空變化特征。當(dāng)前研究多集中于種植業(yè)和畜禽養(yǎng)殖業(yè)[3-4],較少考慮水產(chǎn)養(yǎng)殖對(duì)面源污染的貢獻(xiàn)[12]。隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)模擴(kuò)大,這部分污染負(fù)荷不容忽視[13]。另外,當(dāng)前研究主要關(guān)注面源污染年負(fù)荷量的變化特征,較少關(guān)注季節(jié)和月尺度的污染負(fù)荷評(píng)估和變化。例如,賀斌等[14]采用改進(jìn)輸出系數(shù)法分析了廣東省102個(gè)單元農(nóng)業(yè)面源污染年和月負(fù)荷量,該研究計(jì)算不同月份污染負(fù)荷時(shí),只考慮降水量的影響,未考慮施肥、水產(chǎn)和畜禽各月差異對(duì)月污染負(fù)荷量的影響。

鑒于此,綜合考慮種植業(yè)、畜禽養(yǎng)殖業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)以及施肥、降水、畜禽和水產(chǎn)養(yǎng)殖各月差異,計(jì)算廣東省各地級(jí)市2009—2019年農(nóng)業(yè)面源污染年排放量、季排放量和月排放量,分析氮磷負(fù)荷的時(shí)空變化特征,評(píng)估農(nóng)業(yè)面源污染對(duì)環(huán)境的影響程度,并探討不同污染源的貢獻(xiàn)率。研究成果對(duì)廣東省農(nóng)業(yè)面源污染治理和新農(nóng)村建設(shè)具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

廣東省屬于東亞季風(fēng)氣候區(qū),是全國(guó)光、熱和水資源較豐富的地區(qū),且雨熱同期,降水主要集中在4—9月,年平均氣溫為21.8 ℃。全省共有21個(gè)地級(jí)市,地形上北部多為丘陵,南部多為平原和臺(tái)地[14]。經(jīng)濟(jì)以第一產(chǎn)業(yè)為主,農(nóng)業(yè)以種植業(yè)、畜禽養(yǎng)殖業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)共同發(fā)展為主。農(nóng)業(yè)面源污染與種植業(yè)、畜禽養(yǎng)殖業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展密不可分[15]。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

農(nóng)作物氮肥、磷肥和復(fù)合肥施用折純量,耕地類型和面積,畜禽養(yǎng)殖量以及水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量數(shù)據(jù)均源于《廣東農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》;全省各市牧漁業(yè)產(chǎn)值數(shù)據(jù)來(lái)源于《廣東省統(tǒng)計(jì)年鑒》及各地級(jí)市統(tǒng)計(jì)年鑒;廣東省市級(jí)矢量數(shù)據(jù)由中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境與數(shù)據(jù)中心提供;降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http：∥data.cma.cn/)所提供的《中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集》。

1.3 研究方法

1.3.1農(nóng)業(yè)面源污染物年排放量計(jì)算

農(nóng)業(yè)面源污染排放量估算采用改進(jìn)輸出系數(shù)法[16],即在經(jīng)典輸出系數(shù)法的基礎(chǔ)上綜合考慮不同類型污染源、地形和降水的影響[14]。以廣東省各地級(jí)市為計(jì)算單元,計(jì)算農(nóng)田種植、畜禽養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖的氮磷排放量。具體表達(dá)式為

L=L1+L2+L3,

(1)

(2)

(3)

(4)

式(1)～(4)中,L為農(nóng)業(yè)面源污染年總排放量,t;L1為農(nóng)田種植氮/磷污染年排放量,t;L2為畜禽養(yǎng)殖氮/磷污染年排放量,t;L3為水產(chǎn)養(yǎng)殖氮/磷污染年排放量,t;α為降水影響因子,其值等于某年降水量與多年平均年降水量的比值;A為各市氮、磷肥施用折純量,t,包含復(fù)合肥換算后的值,總磷估算需乘以系數(shù)0.437;Eij,種為第i種地形第j種農(nóng)地類型的單位質(zhì)量化肥排污系數(shù),根據(jù)廣東省整體地形地貌和農(nóng)地情況,地形分為丘陵和平原兩種,農(nóng)地分為水田和旱地兩種;Gj為第j種類型牲畜養(yǎng)殖量,萬(wàn)只;Ej,畜為第j種畜禽養(yǎng)殖排污系數(shù),kg·只-1;Hi為不同水產(chǎn)養(yǎng)殖類型養(yǎng)殖產(chǎn)量,t;Ei,水為第i類型水產(chǎn)養(yǎng)殖排污系數(shù),g·kg-1。

化肥、畜禽養(yǎng)殖的污染物輸出系數(shù)取值主要參考《第一次全國(guó)污染源普查產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》及相關(guān)文獻(xiàn)提供的參數(shù)[17-22],水產(chǎn)養(yǎng)殖輸出系數(shù)根據(jù)《水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)污染源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》中現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[4]確定,依據(jù)廣東省不同養(yǎng)殖種類的占比來(lái)計(jì)算該種類型水產(chǎn)養(yǎng)殖的綜合輸出系數(shù)[23-24],各污染物輸出系數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 不同污染源的輸出系數(shù)

1.3.2農(nóng)業(yè)面源污染物月排放量計(jì)算

污染物月負(fù)荷估算主要考慮降水量(降雨因子)、施肥量與施肥時(shí)間(施肥因子)、畜禽養(yǎng)殖月規(guī)模量(畜禽養(yǎng)殖因子)以及水產(chǎn)養(yǎng)殖月規(guī)模量(水產(chǎn)養(yǎng)殖因子)4個(gè)影響因素,具體表達(dá)式為

(5)

式(5)中,M為污染物月輸出量,t;σ為降雨因子;β為施肥因子;γ畜禽養(yǎng)殖因子,其值為多年平均各月畜禽養(yǎng)殖數(shù)與年養(yǎng)殖數(shù)的比值;δ為水產(chǎn)養(yǎng)殖因子,其值為多年平均水產(chǎn)養(yǎng)殖月產(chǎn)量與年產(chǎn)量的比值。

降水因子的計(jì)算主要依據(jù)中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http：∥data.cma.cn/)提供的《中國(guó)地面氣候資料數(shù)據(jù)集》中廣東省站點(diǎn)的日降水?dāng)?shù)據(jù),計(jì)算多年月平均降水量和年降水量,σ值根據(jù)各地級(jí)市各月平均降水量在年降水中所占比例取值。

施肥因子根據(jù)廣東省種植業(yè)施肥時(shí)間和施肥量并結(jié)合肥料衰減流失方程確定。廣東省作物管理時(shí)間集中在3—10月,作物種植采用輪作模式,每輪作物需施4次氮肥,1次磷肥。按照基肥占40%,分蘗肥占20%,穗肥占30%,粒肥占10%施用氮肥。磷肥全部作基肥施用,分別集中在3月和7月施用。每次施用后肥料都有一個(gè)衰減過(guò)程,將肥料在各月的肥效進(jìn)行疊加,并計(jì)算其在全年中占比,該值即為施肥因子。結(jié)合稻季田面水中氮、磷動(dòng)態(tài)變化特征[25]繪制氮、磷肥衰減過(guò)程曲線(圖1),化肥衰減方程為

圖中數(shù)字表示施肥次數(shù)。

y=C·e-kt。

(6)

式(6)中,y為衰減后化肥量,t;C為化肥初始量,t,為了簡(jiǎn)化計(jì)算,其值一般按照各次施肥比例取值;k為衰減系數(shù),參照文獻(xiàn)[26-29]確定;t為時(shí)間,d。

由于缺少各月畜禽養(yǎng)殖數(shù)和水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量信息,在畜禽養(yǎng)殖因子γ和水產(chǎn)養(yǎng)殖因子δ的計(jì)算過(guò)程中利用畜禽養(yǎng)殖業(yè)和漁業(yè)產(chǎn)值(牧漁業(yè))數(shù)據(jù)進(jìn)行代替,即根據(jù)多年平均各季度牧漁業(yè)產(chǎn)值,將其按月均分,得到多年平均各月牧漁業(yè)產(chǎn)值并計(jì)算其占多年平均年牧漁業(yè)產(chǎn)值的比例。

1.3.3污染程度評(píng)價(jià)

采用單位面積農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷系數(shù)評(píng)價(jià)各地級(jí)市農(nóng)業(yè)面源污染程度,具體表達(dá)式為

K=qx/∑qx,

(7)

qx=L/S。

(8)

式(7)～(8)中,K為單位面積污染負(fù)荷系數(shù);qx為x市面源污染物排放強(qiáng)度,t·km-2;L為污染物輸出量,t;S為該市行政面積,km2。

根據(jù)K值大小將總氮、總磷對(duì)各地級(jí)市環(huán)境影響程度,分為3個(gè)等級(jí)[30]：K<0.6,對(duì)環(huán)境不構(gòu)成威脅(Ⅰ級(jí));K介于[0.6,1],對(duì)環(huán)境構(gòu)成威脅(Ⅱ級(jí));K>1,對(duì)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅(Ⅲ級(jí))[14,30]。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷隨時(shí)間變化特征

2.1.1全省農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷年際變化特征

由圖2可知,2009—2019年廣東省農(nóng)業(yè)面源總氮污染負(fù)荷總體呈下降趨勢(shì),2009年總氮負(fù)荷為17.48萬(wàn)t,2019年為15.91萬(wàn)t,降幅達(dá)到8.98%。其中,種植業(yè)總氮負(fù)荷由6.96萬(wàn)t下降至5.91萬(wàn)t,降幅為15.09%;畜禽養(yǎng)殖業(yè)總氮負(fù)荷由8.65萬(wàn)t下降至7.87萬(wàn)t,降幅為9.02%;水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)總氮負(fù)荷由1.87萬(wàn)t增加到2.12萬(wàn)t?？偭孜廴矩?fù)荷總體呈上升趨勢(shì),由2009年的1.52萬(wàn)t增長(zhǎng)到2019年的1.64萬(wàn)t,增幅為7.89%。

圖2 2009—2019年廣東省各來(lái)源污染負(fù)荷及其總和

種植業(yè)總磷負(fù)荷由0.51萬(wàn)t增加到0.60萬(wàn)t,增幅為17.65%;畜禽養(yǎng)殖業(yè)總磷負(fù)荷呈現(xiàn)先減少后增加趨勢(shì),其中,2009—2016年總磷負(fù)荷量減少,2017—2019年總磷負(fù)荷量增加;水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)總磷負(fù)荷由0.25萬(wàn)t增加至0.29萬(wàn)t,增幅為16%。2016—2017年總氮負(fù)荷降幅較大,達(dá)到8.0%,其中,種植業(yè)總氮負(fù)荷由7.14萬(wàn)t下降至6.10萬(wàn)t,降幅為14.56%,畜禽養(yǎng)殖業(yè)總氮負(fù)荷由8.00萬(wàn)t下降至7.75萬(wàn)t,降幅為3.13%;水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)總氮負(fù)荷由2.41萬(wàn)t下降至2.33萬(wàn)t,降幅為3.32%。

2.1.2農(nóng)業(yè)面源污染月、季度分布特征

由圖3可知,廣東省4—10月總氮和總磷負(fù)荷量占全年負(fù)荷量的68.8%和67.2%,7月全省氮磷污染負(fù)荷最高。81%的地級(jí)市總氮和總磷月最大負(fù)荷量出現(xiàn)在7月,這些地級(jí)市7月降水因子、施肥因子、畜禽養(yǎng)殖因子和水產(chǎn)養(yǎng)殖因子綜合占比均最高,其他地級(jí)市則分別出現(xiàn)在5月(韶關(guān))、8月(肇慶)或10月(珠海和佛山)。夏季總氮和總磷負(fù)荷量最高,春、夏季污染物負(fù)荷在一年中占比均較高。

圖3 廣東省多年平均各月/季節(jié)農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷

2.2 農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷空間變化特征

由圖4可知,廣東省氮磷污染負(fù)荷在空間分布上表現(xiàn)較為一致,均表現(xiàn)為粵西地區(qū)最高,其后依次為粵北和珠三角地區(qū),粵東地區(qū)最低。研究期內(nèi),各地級(jí)市之間氮磷污染負(fù)荷量差異較大,其中,粵西的茂名和湛江污染負(fù)荷量最大;粵北的清遠(yuǎn)和云浮污染負(fù)荷量較大;珠三角各地級(jí)市污染負(fù)荷量有所差異,肇慶、廣州和江門(mén)污染負(fù)荷量比珠三角其他市大;粵東的梅州總氮負(fù)荷較高,其他地級(jí)市面源污染則均處于較低水平。

以粵S(2019)064號(hào)標(biāo)準(zhǔn)地圖為底圖進(jìn)行制作。

采用sen slope分析得到廣東省2009—2019年氮磷污染負(fù)荷變化趨勢(shì)(圖4)。2009—2019年,全省76.2%的地級(jí)市總氮負(fù)荷量呈現(xiàn)下降趨勢(shì),下降趨勢(shì)最大的5個(gè)地級(jí)市由大到小依次為佛山(珠三角)、云浮(粵北)、廣州(珠三角)、揭陽(yáng)(粵東)和東莞(珠三角),其中,佛山、廣州和東莞均位于珠三角地區(qū),表明珠三角地區(qū)總氮污染負(fù)荷的防治效果較為顯著?？偟欧懦噬仙厔?shì)的地級(jí)市分別為粵北的河源和韶關(guān)以及珠三角的江門(mén)、肇慶和珠海。這5個(gè)地級(jí)市農(nóng)林牧漁業(yè)總產(chǎn)值增幅均超過(guò)100%,可見(jiàn),農(nóng)業(yè)發(fā)展水平提升的同時(shí)也造成了更高的總氮污染負(fù)荷。

2009—2019年廣東省61.9%的地級(jí)市總磷負(fù)荷量呈上升趨勢(shì),38.1%的地級(jí)市呈下降趨勢(shì)。其中,上升趨勢(shì)最大的5個(gè)地級(jí)市由大到小依次為粵北的清遠(yuǎn)和韶關(guān)、珠三角的肇慶和江門(mén)以及粵西的陽(yáng)江?？偭着欧帕肯陆第厔?shì)最大的5個(gè)地級(jí)市由大到小依次為珠三角的廣州、佛山、東莞和中山以及粵北的云浮。肇慶、江門(mén)和韶關(guān)3個(gè)市總氮和總磷排放量增長(zhǎng)趨勢(shì)均位于全省前5位,說(shuō)明這3個(gè)地級(jí)市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮磷污染排放量變化一致?；洊|的汕尾和清遠(yuǎn),粵西的湛江、茂名和陽(yáng)江,粵北的清遠(yuǎn)和梅州以及珠三角的惠州8個(gè)市總氮排放量呈下降趨勢(shì),總磷排放量呈上升趨勢(shì)。

2.3 污染來(lái)源解析

由廣東省各污染源氮磷負(fù)荷貢獻(xiàn)率(圖5)可知,各污染源平均貢獻(xiàn)率從大到小依次為畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)田種植和水產(chǎn)養(yǎng)殖。對(duì)于總氮污染負(fù)荷來(lái)說(shuō),種植業(yè)對(duì)總氮的貢獻(xiàn)率整體呈下降趨勢(shì),由2009年的40%下降為2019年的38%,平均占比達(dá)39.2%;2009—2016年畜禽養(yǎng)殖業(yè)對(duì)總氮的貢獻(xiàn)率呈下降趨勢(shì),2017—2019年呈上升趨勢(shì),平均占比達(dá)48.07%;水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)對(duì)總氮的貢獻(xiàn)率呈上升趨勢(shì),由2009年的11%增長(zhǎng)為2019年的13%,平均占比達(dá)12.71%。對(duì)于總磷污染負(fù)荷來(lái)說(shuō),種植業(yè)對(duì)總磷的貢獻(xiàn)率整體呈上升趨勢(shì),由2009年的34%增長(zhǎng)為2019年的36%,平均占比達(dá)34.85%;畜禽及水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)對(duì)總磷貢獻(xiàn)率的變化趨勢(shì)與總氮一致,平均占比分別達(dá)46.34%和18.81%。畜禽養(yǎng)殖對(duì)氮磷污染負(fù)荷貢獻(xiàn)最大,是廣東省農(nóng)業(yè)主要污染來(lái)源。

圖5 2009—2019年廣東省各污染源占比

2.4 各地級(jí)市面源污染程度變化分析

由圖6可知,2019年33.3%的地級(jí)市總氮K值大于1,38.1%的地級(jí)市K值介于0.6～1之間,28.6%的地級(jí)市K值小于0.6。

以粵S(2019)064號(hào)標(biāo)準(zhǔn)地圖為底圖進(jìn)行制作。

與2009年相比,2019年有71.4%的地級(jí)市總氮K值減小,說(shuō)明10 a間廣東省總氮污染程度呈減弱趨勢(shì)。2019年42.8%的地級(jí)市總磷K值大于1,19.1%的地級(jí)市K值介于0.6～1之間,38.1%的地級(jí)市K值小于0.6。與2009年相比,2019年有52.4%的地級(jí)市總磷K值增加,說(shuō)明10 a間廣東省總磷污染程度呈增強(qiáng)趨勢(shì),其中,珠三角的江門(mén)和肇慶、粵西的茂名以及粵北的河源磷排放對(duì)環(huán)境的威脅程度上升明顯。氮磷污染程度空間分布與排放量的空間分布表現(xiàn)較為一致,粵西地區(qū)污染程度最高,珠三角、粵東地區(qū)次之,粵北地區(qū)污染程度最低。其中,粵西的茂名污染最為嚴(yán)重,珠三角的中山和佛山以及粵北的云浮污染程度較高。

3 討論

2009—2019年廣東省全省總氮污染負(fù)荷呈現(xiàn)下降趨勢(shì),總磷污染負(fù)荷呈現(xiàn)上升趨勢(shì),在空間上,粵西地區(qū)面源污染負(fù)荷量及其對(duì)環(huán)境的影響均較珠三角、粵北和粵東地區(qū)嚴(yán)重。林蘭穩(wěn)等[3]以廣東珠三角、粵東、粵西和粵北地區(qū)為基本單元,對(duì)廣東農(nóng)業(yè)面源污染變化進(jìn)行對(duì)比分析也發(fā)現(xiàn)除粵西地區(qū)農(nóng)業(yè)面源總氮排放略有增加外,其他地區(qū)均有所減少,各區(qū)域總磷排放均有所增加。賀斌等[14]分析廣東省農(nóng)業(yè)面源污染時(shí)空分布特征時(shí)也有類似發(fā)現(xiàn),粵西地區(qū)農(nóng)業(yè)總氮、總磷負(fù)荷量及其對(duì)環(huán)境的影響較粵北、粵東和珠三角地區(qū)更嚴(yán)重。董斯齊等[5]在對(duì)粵港澳大灣區(qū)陸源氮污染來(lái)源結(jié)構(gòu)與空間分布的研究中發(fā)現(xiàn),大灣區(qū)11個(gè)城市(肇慶、東莞、珠海、江門(mén)、廣州、深圳、惠州、佛山、中山、香港和澳門(mén))總氮排放量顯著高于周邊8個(gè)城市(陽(yáng)江、云浮、清遠(yuǎn)、韶關(guān)、河源、汕尾、梧州和賀州),其中,總氮排放量最大的為廣州,其次為佛山,東莞、深圳、肇慶、江門(mén)和清遠(yuǎn)次之。夏麗佳等[6]在對(duì)珠三角4個(gè)市農(nóng)業(yè)面源污染源的解析與評(píng)價(jià)中發(fā)現(xiàn),廣州和佛山農(nóng)業(yè)面源污染較為嚴(yán)重,深圳和東莞較輕,筆者對(duì)珠三角地級(jí)市的研究結(jié)果與之一致。此外,廣東省畜禽養(yǎng)殖業(yè)總氮負(fù)荷呈下降趨勢(shì),而總磷負(fù)荷呈先減少后增加趨勢(shì),主要原因?yàn)?016—2017年畜禽業(yè)總氮負(fù)荷減少,總磷負(fù)荷增加,這是由于全省家禽養(yǎng)殖數(shù)量增加,而牛、羊、豬養(yǎng)殖數(shù)量減少,家禽增加的總氮負(fù)荷小于其他畜禽減少的總氮負(fù)荷,家禽增加的總磷負(fù)荷大于其他畜禽產(chǎn)生的總磷負(fù)荷,由此造成2016—2017年廣東省畜禽業(yè)總氮負(fù)荷減少、總磷負(fù)荷增加。

近10年全省面源污染負(fù)荷變化與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的調(diào)整高度相關(guān)。根據(jù)2010—2020年《廣東農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》,2019年廣東省耕地總面積比2009年減少3.51×105hm2(表2),同時(shí)水田面積減少,旱地面積增加。王思等[31]基于MODIS歸一化植被指數(shù)的廣東省植被覆蓋與土地利用變化研究以及林彤等[32]基于InVEST-PLUS模型的廣東省碳儲(chǔ)存量空間關(guān)聯(lián)性及預(yù)測(cè)研究也均有類似發(fā)現(xiàn)。隨著用地類型結(jié)構(gòu)和種植類別的調(diào)整,氮、磷肥施用量也發(fā)生變化?！吨泄矎V東省委 廣東省人民政府關(guān)于做好2022年全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興重點(diǎn)工作的實(shí)施意見(jiàn)》提出“蔬菜產(chǎn)量穩(wěn)定在3 500萬(wàn)t以上?！比〉适┯昧?折純量)從2009年的109.60萬(wàn)t減少為2019年的96.74萬(wàn)t,而磷肥施用量(折純量)則從2009年的31.14萬(wàn)t增加到2019年的36.92萬(wàn)t。這進(jìn)一步導(dǎo)致廣東省總氮污染負(fù)荷減少,總磷污染負(fù)荷增加。隨著《畜禽規(guī)模養(yǎng)殖污染防治條例》的發(fā)布,近10年廣東省加強(qiáng)畜禽養(yǎng)殖污染防治監(jiān)管[15],特別是嚴(yán)格執(zhí)行禁養(yǎng)政策,畜禽養(yǎng)殖規(guī)模有所減少,由此帶來(lái)總體上污染負(fù)荷有所減少。2009年廣東省水產(chǎn)養(yǎng)殖總產(chǎn)量為537.41萬(wàn)t,2019年為866.4萬(wàn)t,增幅達(dá)38%。種植業(yè)和畜禽養(yǎng)殖是廣東省總氮和總磷負(fù)荷的主要來(lái)源,但漁業(yè)養(yǎng)殖對(duì)于污染負(fù)荷的占比呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)。

表2 2009—2019年農(nóng)田耕種面積及施肥量

隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大,水產(chǎn)養(yǎng)殖污染物排放逐漸成為廣東省氮磷污染負(fù)荷的重要來(lái)源。葛小君等[4]在對(duì)廣東省近20年農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷來(lái)源進(jìn)行分析時(shí)也發(fā)現(xiàn)廣東省水產(chǎn)養(yǎng)殖對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷的貢獻(xiàn)呈逐漸增大趨勢(shì),并且珠三角地區(qū)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)成為總氮和總磷污染負(fù)荷的主要來(lái)源。在預(yù)防農(nóng)業(yè)面源污染時(shí),種植業(yè)要提高磷肥利用效率,降低磷污染。2019年《廣東省打贏農(nóng)業(yè)農(nóng)村污染治理攻堅(jiān)戰(zhàn)實(shí)施方案》也提出加強(qiáng)水產(chǎn)養(yǎng)殖污染防治和水生生態(tài)保護(hù)[15]。廣東省作為水產(chǎn)養(yǎng)殖大省,需要加強(qiáng)水產(chǎn)養(yǎng)殖面源污染排放監(jiān)管和治理力度[4],同時(shí)加強(qiáng)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中污染物擴(kuò)散機(jī)制及水產(chǎn)養(yǎng)殖污染控制技術(shù)研究,制定有效的預(yù)警防治措施。

在月尺度上,全省4—10月總氮和總磷排放量分別占全年排放量的68.8%和67.2%,根據(jù)降水?dāng)?shù)據(jù)、廣東省作物生長(zhǎng)季節(jié)和統(tǒng)計(jì)年鑒資料可知,該期間降水量最多,農(nóng)作物活動(dòng)最為活躍,且畜禽及水產(chǎn)養(yǎng)殖量最高。YIN等[33]采用HYPE模型分析中國(guó)輪作種植農(nóng)田時(shí)空特征時(shí)也有類似發(fā)現(xiàn),7月總氮總磷污染負(fù)荷最高,7—9月氮磷污染負(fù)荷在全年中的占比最大。傅博[34]在對(duì)廣東省江門(mén)市四堡水庫(kù)非點(diǎn)源污染與健康評(píng)價(jià)研究中亦發(fā)現(xiàn)氮磷流失主要集中在汛期的4—9月,特別是集中在降水較大的月份,6—8月基本是流失高峰。陳曉麗[35]模擬廣東省飛來(lái)峽流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷的研究表明孟州壩斷面、白石窯斷面和飛來(lái)峽斷面總氮負(fù)荷在1—7月逐漸上升,在8—12月波動(dòng)下降,峰值均出現(xiàn)在7月。張狄[36]在基于SWAT模型的廣東省清涼山水庫(kù)氮磷入庫(kù)通量研究中發(fā)現(xiàn),汛期總氮和總磷入庫(kù)通量分別占全年的61.5%和75.0%,大于非汛期,最大入庫(kù)通量均出現(xiàn)在6月。

此外,由于受數(shù)據(jù)獲取的限制,筆者研究也存在一些不足和有待改進(jìn)之處。(1)農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷評(píng)估中忽略了農(nóng)村生活廢棄物的影響,計(jì)算結(jié)果可能偏小;(2)月污染負(fù)荷估算中,沒(méi)有考慮降水和施肥因子各自權(quán)重差異,默認(rèn)兩者權(quán)重一樣;(3)由于缺少畜禽及水產(chǎn)養(yǎng)殖各月養(yǎng)殖量數(shù)據(jù),畜禽及水產(chǎn)養(yǎng)殖因子是按照各季度牧漁業(yè)產(chǎn)值均分求取比例;(4)統(tǒng)計(jì)口徑僅到地級(jí)市,不能精確反映農(nóng)業(yè)面源污染的空間變化特征。

4 結(jié)論

采用改進(jìn)輸出系數(shù)法分析2009—2019年廣東省面源污染年負(fù)荷量及其時(shí)空變化特征,并綜合考慮了降水、施肥、畜禽月養(yǎng)殖量差異和水產(chǎn)月養(yǎng)殖差異等因子,評(píng)估全省農(nóng)業(yè)面源污染月和季度氮磷負(fù)荷,同時(shí)采用單位面積負(fù)荷系數(shù)法評(píng)價(jià)了農(nóng)業(yè)面源對(duì)環(huán)境的影響程度,并探討了種植業(yè)、畜禽養(yǎng)殖業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)對(duì)氮磷污染的貢獻(xiàn)。主要結(jié)論如下：

(1)近10年來(lái),廣東省農(nóng)業(yè)面源總氮負(fù)荷呈下降趨勢(shì),總磷負(fù)荷呈上升趨勢(shì)。氮磷污染負(fù)荷在空間分布上表現(xiàn)較為一致,均為粵西地區(qū)最高,其后依次為粵北和珠三角地區(qū),粵東地區(qū)最低。全省76.2%的地級(jí)市總氮排放量呈下降趨勢(shì),61.9%的地級(jí)市總磷排放量呈上升趨勢(shì)。

(2)在季尺度上,春、夏兩季是一年中污染排放的高峰;在月尺度上,全省面源污染高排放期相對(duì)集中于4—10月,81%的地級(jí)市7月面源污染排放量最高。因此,面源污染防控關(guān)鍵期為4—10月,需重點(diǎn)關(guān)注7月。

(3)2019年全省33.3%和42.8%的地級(jí)市總氮、總磷K值大于1,對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重威脅;28.6%和38.1%的地級(jí)市總氮、總磷排放對(duì)環(huán)境不構(gòu)成威脅。相較于2009年,71.4%的地級(jí)市總氮排放對(duì)環(huán)境構(gòu)成威脅程度降低,52.4%的地級(jí)市總磷排放對(duì)環(huán)境威脅程度增強(qiáng)?；浳鞯貐^(qū)總氮、總磷排放對(duì)環(huán)境的影響較珠三角、粵北和粵東地區(qū)更嚴(yán)重,需加強(qiáng)粵西地區(qū)農(nóng)業(yè)面源防控。

(4)畜禽養(yǎng)殖業(yè)對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染總氮、總磷負(fù)荷量貢獻(xiàn)較大,其次為種植業(yè),水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染總氮、總磷負(fù)荷量貢獻(xiàn)較小。2009—2019年廣東省水產(chǎn)養(yǎng)殖污染物排放占比呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì),因此,除重點(diǎn)關(guān)注畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放外,也需加強(qiáng)對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)污染物排放的管控。