基于“压力-响应”机制的江苏省农业面源污染源解析及其空间特征

陆尤尤，胡清宇，段华平，卞新民,

（1.南京农业大学，a.资源与环境科学学院，b.农学院，江苏南京210095）

随着经济快速发展，水环境污染问题已成为全球性环境问题之一。在城市和工业点源污染得到有效控制的同时，农业面源污染的严重性逐渐显现[1]。农业面源污染不仅直接导致水生生态系统失衡，而且影响人类日常生产和生活，具有多源性、随机性、排放不确定性、时空差异性等特点。农业面源污染源解析、影响因子确定、空间分布特征已成为国内外环境科学领域研究热点之一。

“压力-响应”模型是由联合国经济合作开发组织和联合国环境规划署共同提出的环境概念模型。“压力”指标反映人类活动给环境造成的负荷；“响应”指标表征环境质量、自然资源与生态系统的状况。农业面源污染的排放量与排放系数可视为“压力”，由面源污染排放引起的水质变化可视为“响应”[2]。国内外已开始采用数学模型法[3-9]、平均浓度法[10]、水质水量相关法[11]、综合调查法[12]、单元调查法[13]和清单法[14]等对农业面源污染进行源解析的研究，但研究角度多着眼于农业面源污染的源解析，而在农业面源污染造成的水质的危害后果及程度研究方面较少[15]，且没有从省域范围对农业面源污染的严重程度进行归类和评价，难以制定有针对性的农业面源污染防治对策与措施。

本文基于农业面源污染的“压力-响应”机制，采用清单分析方法，在市级尺度上核算了江苏省13个地级市种植业、养殖业、农村生活三方面对农业面源污染化学需氧量（COD）、全氮（TN）、全磷（TP）的排放负荷及其贡献，确定了农业面源污染的主要污染物、主要污染源、主要影响因子、主要污染区域及农业面源污染空间特征。从而为江苏省制定农业面源污染防治措施、环境保护政策和管理策略提供科学依据。

1 研究方法

1.1 信息采集

按照江苏省2010年行政区划，以13个地级市为单元，逐类收集各项农事及人居活动涉及的原始数据及计算过程中涉及的各类参数。

1.1.1 原始信息采集 各项农事及人居活动涉及的原始数据（表1）来源于《江苏省农村统计年鉴（2011）》。各市地表水资源总量数据来源于《江苏省水资源公报》。

表1 研究区域分区及概况(2010)

1.1.2 计算参数采集 各类参数结合相关文献分析和江苏省典型区域调研确定。氮肥、磷肥的流失系数取平均水平，分别为0.11和0.06[16]；秸秆产出系数参考农业污染源普查技术资料，秸秆综合利用率和流失系数由江苏省作物秸秆综合利用情况专项调查分别取70%和0.04，秸秆养分含量参考相关文献[17-19]；畜禽排泄系数和流失系数来源于江苏省畜禽养殖与排污现状专项调查[16]；水产养殖污染物流失系数结合江苏省内陆水产养殖调查和相关文献资料[20-23]；农村生活污染相关系数来源于《生活源产排污系数及使用说明（2010）》。

1.2 压力指标核算

1.2.1 农业面源污染绝对实物排放量 根据江苏省农业生产活动的特点，将农业面源污染主要来源分为种植业、养殖业和农村生活三方面。

种植业污染物排放主要来自化肥施用和秸秆遗弃污染。以氮肥、磷肥的折纯量计算TN、TP的排放量，不考虑化肥的COD排放量。

化肥施用污染物排放量=化肥施用量（折纯量）×化肥流失系数；

秸秆遗弃污染物排放量=作物产量×秸秆产出系数×（1-秸秆综合利用率）×秸秆养分含量×流失系数。

养殖业污染物排放主要来自畜禽养殖污染和水产养殖污染。

畜禽养殖污染物排放量=畜禽养殖量×畜禽排泄系数×流失系数；

水产养殖污染物排放量=水产品产量×流失系数；

农村生活污染物排放主要来自生活垃圾、生活污水和人粪尿污染物排放。

生活垃圾污染物排放量=农业人口×人均垃圾产生系数×产污系数×流失系数；

生活污水和人粪尿污染排放量=农业人口×产污系数×流失系数。

1.2.2 农业面源污染绝对等标排放量 统一按照地表水环境质量标准(GB3838-2002)中的Ⅲ类标准浓度值（COD:20mg/L、TN:1.0mg/L、TP:0.2mg/L），计算各项活动中 TN、TP、COD 的绝对等标排放量。

某污染物绝对等标排放量=该污染物绝对实物排放量/标准浓度。

1.2.3 农业面源污染国土等标排放系数 基于各市国土面积计算相应的国土等标排放系数。国土等标排放系数=绝对等标排放量/国土面积。

1.3 响应指标核算

1.3.1 农业面源污染造成的水质浓度 某污染物水质浓度=该污染物绝对实物排放量/该市地表水资源总量。

1.3.2 农业面源污染造成的水质指数 单项水质指数=污染物排放浓度/环境质量标准(GB3838-2002Ⅲ类标准)；

综合水质指数采用内梅罗（Nemerow）法计算：

P={[（Ci/Si）2max+（Ci/Si）2ave]/2}1/2

式中，P为内梅罗综合指数，（Ci/Si）max为单项水质指数的最大值，（Ci/Si）ave为水质指数的平均值。具体评价标准见表2。

表2 内梅罗综合水质指数评价标准

2 结果与分析

2.1 江苏省农业面源污染压力分析

2.1.1 江苏省农业面源污染绝对实物排放量 通过计算江苏省各市不同农业面源污染来源的污染物排放量，汇总得到2010年江苏省化肥施用、秸秆遗弃、畜禽养殖、水产养殖、生活垃圾、生活污水、人粪尿7个污染源累积排放的绝对实物排放量，其中 COD为 155.23×104t，TN为 62.34×104t，TP 为9.05×104t(表3)。从各市的排放贡献来看，地处苏北的盐城、连云港、徐州、淮安等市的排放量明显高于地处苏南的无锡、常州、南京、苏州等市，其中盐城的农业面源污染绝对实物排放量最高。与工业污染和城市生活污染相比，农业面源污染已成为江苏省农村水环境污染不容忽视的重要来源。

2.1.2 江苏省农业面源污染绝对等标排放量 由于各污染物的排放标准与环境危害不同，为此分别计算各污染物和污染源的绝对等标排放量，以便在同一尺度上进行分析比较 (表4)。2010年江苏省农业面源污染的绝对等标排放总量为115.33×104t/a，其中COD为7.76×104t/a，TN为62.34×104t/a，TP 为 45.23×104t/a，TN排放最多，其次为 TP，COD最低。7个污染源的绝对等标排放量分别为化肥施用33.57×104t/a、秸秆遗弃 9.16×104t/a、畜禽养殖 33.17×104t/a、水产养殖16.68×104t/a、生活垃圾0.0045×104t/a、生活污水4.35×104t/a、人粪尿18.40×104t/a，化肥施用排放最多，其次为畜禽养殖、人粪尿和水产养殖。

表3 江苏省农业面源污染绝对实物排放量

2.2 江苏省农业面源污染响应分析

作为对压力指标的响应，污染物赋存浓度和水质指数实际上表征的是农业面源污染已经显露出来的污染态势[2]。2010年江苏省各市农业面源污染造成的COD、TN和TP的平均浓度分别为6.25 mg/L、2.53 mg/L和0.36 mg/L（表5），TN、TP的平均浓度均超过地表水环境质量Ⅲ类标准，所有污染物浓度地区差异均显示苏北＞苏中＞苏南，COD、TN的排放浓度最小值出现在无锡,TP的排放浓度最小值出现在镇江；COD、TN、TP的排放浓度最大值均出现在宿迁（表5）。这表明，农业生产越发达，农业面源污染越严重。

表4 江苏省农业面源污染物和污染源的等标排放量

表5 江苏省农业面源污染水质浓度与水质指数

根据内梅罗综合水质指数评价标准（表2），2010年江苏省农业面源污染造成的综合水质指数均值为2.10，达到中度污染水平。全省13个市中，处于安全状态的有无锡、常州、苏州、镇江，水质综合指数分别为 0.53、0.63、0.60、0.55；处于警戒状态的有南京，水质综合指数为0.72；处于轻度污染状态的有南通、扬州，水质综合指数分别为1.31、1.73；处于中度污染状态的有淮安、盐城、泰州，水质综合指数分别为2.61、2.49、2.24；处于严重污染状态的徐州、连云港、宿迁，水质综合指数分别为 4.87、3.07、5.98（表 5）。

2.3 江苏省农业面源污染主要污染物和污染源的确定

采用等标污染负荷与等标污染负荷比的方法，即按照区域内污染物或污染源的等标污染负荷比来确定主要污染物和主要污染源。按照各污染物或污染源的等标污染负荷从大到小顺序排序，分别计算累计百分比，累计百分比大于80%左右的污染物或污染源列为主要污染物或污染源[24]。2010年江苏省农业面源污染的主要污染物依次是TN、TP，其等标污染负荷比分别为54.71%、38.86%；主要污染源依次是化肥施用、畜禽养殖、人粪尿、水产养殖，其等标污染负荷比分别为30.75%、24.94%、16.85%、15.28%（表 6）。

2.4 江苏省农业面源污染主要影响因子的确定

采用相关分析方法，分析了江苏省13个市的绝对实物排放量与国土面积、农业产值、农业人口的相关系数，结果显示它们之间均达到了极显著水平(p＜0.01)，说明各市的农业面源污染绝对实物排放量与其国土面积、农业产值及农村人口的分布相吻合。各污染物与国土面积、农村人口、农业产值的相关性表现为，农业产值＞农村人口＞国土面积（表7）。

表6 江苏省农业面源污染等标负荷比

表7 江苏省农业面源污染与国土面积、农村人口和农业产值的相关性

对绝对实物排放量(y)与国土面积(x1)、农业产值(x2)、农业人口(x3)进行线性回归拟合，方程如下：

YCOD=-3.32813+0.00039X1+0.03768X2+0.01518X3

r2=0.9632**

YTN=-1.79083+0.00006X1+0.02676X2+0.00410X3

r2=0.9726**

YTP=-0.26582+0.00001X1+0.00346X2+0.00072X3

r2=0.9773**

标准回归分析发现，各种污染物排放量均受到农业产值的强烈影响，而国土面积、农村人口的影响则可忽略不计。说明COD、TN、TP排放主要来源于农业生产活动，污染源与污染物的关系分析也显示在COD、TN、TP的排放构成中，位于首位的是生产性污染(表8)。

表8 江苏省农业面源污染源与污染物的关系

2.5 江苏省农业面源污染空间特征分析

等标排放量可在同一尺度上比较，但仍受国土面积、农村人口、农业产值制约的“总量”，为此进一步计算国土等标排放系数，便于进行地区间环境质量比较。结果显示江苏省国土等标排放系数的最大值和最小值分别出现在徐州和苏州，分别为17.55t/km2和6.32 t/km2（表9）。

为进一步分析江苏省农业面源污染的空间分布特征,用国土等标排放系数表征农业面源污染的压力态势,用综合水质指数表征农业面源污染的响应态势,分别对表9和表5采用离差平方和的聚类分析，划分主要污染压力区域和主要污染响应区域（图1、表10）,得出“压力-响应”严重污染型区域：徐州、连云港、宿迁,分布在苏北的农业高产区；“压力-响应”重度污染型区域：淮安、盐城、泰州；“压力-响应”中度污染型区域：南通、扬州；“压力-响应”轻度污染型区域：苏州、无锡、常州、镇江，分布在城市化率较高且农业比重较低的苏南地区。

表9 江苏省农业面源污染国土等标排放系数（单位：t/km2）

图1 江苏省农业面源污染的空间聚类分析

3 讨论与结论

3.1 讨论

江苏省农业面源污染主要污染物为TN、TP,主要污染源为化肥施用、畜禽养殖、人粪尿和水产养殖,说明江苏省农业面源污染属于生产生活复合型污染，因此农业面源污染的防治重点在于普及测土配方施肥技术、发展生态循环农业、推广粪污综合处理工艺，同时推进农村生活污水处理设施建设，加快清洁工程示范村创建。

表10 江苏省农业面源污染的聚类分析

为比较江苏省不同地区农业面源污染的严重程度,本文分别对国土等标排放系数表征的“压力”和综合水质指数表征的“响应”进行聚类分析，综合“压力”和“响应”两方面的聚类结果得出农业面源污染的空间分布特征，从而为江苏省农业面源污染的分级、分类和分区治理提供科学依据。

本文在核算江苏省农业面源污染排放时，污染源只考虑化肥施用、秸秆遗弃、畜禽养殖、水产养殖、生活垃圾和生活污水，其中作物秸秆只考虑江苏省种植比重较大的作物；污染物只考虑COD、TN、TP；相关参数多结合参考文献和抽样调查得到，而缺乏实验验证；由于缺少江苏省农村水质监测数据，未能将农业面源污染排放与农村水环境现状进行量化分析，而仅停留在定性比较上。在今后的研究中，应从全面污染源和污染物、验证计算参数、联系农业面源排污与农村水环境现状等角度，更加深入的研究江苏省农业面源污染与农村水环境之间的关系。

3.2 结论

从排放总量看，江苏省农业面源污染COD、TN、TP的排放量达较高水平，相比于工业污染和生活污染，农业面源污染成为江苏省农村水环境污染的重要来源。

从排放浓度看，所有污染物浓度地区差异均显示苏北＞苏中＞苏南；综合水质指数显示江苏省农业面源污染达中度污染水平，其中徐州、连云港、宿迁水质处于严重污染状态，表明区域农业生产越发达，农业面源污染越严重

农业面源污染的主要污染物依次是TN、TP，主要污染源依次是化肥施用、畜禽养殖、人粪尿、水产养殖，主要影响因子是农业总产值，表明减轻农业面源污染的关键在于建立高效与生态并重的现代农业生产体系。

聚类分析显示压力-响应严重污染型区域：徐州、连云港、宿迁；压力-响应重度污染型区域：淮安、盐城、泰州；压力-响应中度污染型区域：南通、扬州；均分布在农业比重较高的苏北和苏中地区。因此，防治农业面源污染的工作需要分区有序进行，既要预防污染“压力”，又要治理污染“响应”。只有坚持标本兼治，才能改变农业面源污染日益恶化的现状。

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