贵州省农业非点源氮、磷污染时空特征分析

郑 建，韩会庆，蔡广鹏，郜红娟

(1.贵州师范学院 a.地理与旅游学院;b.农业生态与乡村发展研究所，贵阳 550018;2.贵州师范大学地理与环境科学学院，贵阳 550001)

1 研究背景

非点源污染是指溶解的或固体污染物(地面的各种污染物质如城市垃圾、农村家畜粪便、农田中的化肥、农药、重金属及其它有害有机物)，从非特定的地点随暴雨生成的径流进入受纳水体所造成的污染［1-2］。随着点源污染的有效控制，非点源污染造成的水污染问题日益突出，其中农业非点源已成为国内外许多地区的首要污染源［3-4］。农业生产活动中的氮和磷等营养物、农药以及其他有机或无机污染物，通过农田地表径流和农田渗漏形成地表和地下水环境污染。因此，农业非点源污染成为水环境研究的热点。目前大量的研究工作主要以单个污染源为研究对象，如氮磷污染物对水体的污染［5］、农村生活垃圾的产生特征［6］、农作物秸秆焚烧治理［7］等，缺少从整体上对区域农村非点源产生规律、时空分布、不同耕作条件以及施肥水平对污染负荷的影响。

近年来，贵州水质明显恶化，化肥、农药等农业非点源污染是其水质恶化的重要原因，全面评估贵州非点源污染时空特征对贵州实现农业可持续发展有着重要的现实意义。因此，本文以氮、磷等农业非点源污染物为研究对象，研究贵州非点源氮、磷污染的时空分布和变化规律，为有效消减氮、磷污染负荷、改善区域水环境提供科学依据。

2 研究方法

2.1 数据来源

2000—2010年贵州省的农村人口、畜牧业生产情况、化肥投入等统计资料，来源于相应年份的贵州省统计年鉴。2010年贵州省9个行政区的人口数量、畜牧业生产情况、化肥投入等统计资料，来源于2011年贵州省统计年鉴。

2.2 研究方法

2.2.1 输出系数法简介

输出系数法起始于20世纪70年代，也称单位面积负荷法［8］。经过不断改进和发展，现在应用最广泛的是 Johnes等开发的模型［9］。模型方程如下［10］:

式中:L为污染物流失总量(污染物负荷)(kg);Ei为第i类型污染物输出系数，即单位利用类型的面积(km2)或第i种禽畜数量头(只)、人口数量(人);Ii为单位面积或每头(只)禽畜粪便、人均生活污染的第i种污染源污染物量(kg);P为降雨输入的污染物的量，本文中主要考虑不同污染源的输入的氮、磷总量，不考虑降雨输入的氮、磷等污染量。

2.2.2 各污染源输出系数的确定

2.2.2 .1 生活污染排放输出系数

参考高祥照等［11］的研究，得出每个成年人年排粪、尿量分别为113.7，579.3 kg，粪中氮、磷含量分别为6.4，1.1 g/kg，尿中氮、磷含量分别为5.3，0.4 g/kg。

2.2.2 .2 畜禽粪便排放输出系数

根据已有研究成果［12］以及实地调查，得出各种大牲畜以及猪、羊和家禽的日排泄量、排泄物中的氮、磷含量以及排放比例，从而确定其输出系数。猪、牛、羊以及家禽的日排粪量分别为4.0，25.0，2.5，0.12 kg/d，氮含量为7.0，3.5，6.0，13.0 g/kg，磷含量为6.0，2.0，3.0，11.0 g/kg。猪、牛排尿量为3.5和10.0 kg/d，氮含量为5.0，10.0 g/kg，磷含量为0.5，1.0 g/kg，羊和家禽排尿量忽略不计。

年排粪、尿量计算公式为:年排粪(尿)量=个体日排粪(尿)量×饲养期×畜禽养殖量。在估算饲养时间时，猪按300 d计，牛、羊生长期较长，按365 d计，家禽以55 d计。

2.2.2 .3 农田输出系数

化肥及农药施入农田后，主要去向为作物吸收利用、残留在土壤中和随地表径流或地下径流进入水体。贵州省农田施用化肥主要为氮肥和磷肥。参考相关的研究结果［13-15］并根据化肥的施加情况对系数进行修正，确定土壤氮肥流失率为50%，磷肥流失率为20%。

3 结果分析

3.1 贵州省农业非点源氮、磷污染时间特征

从贵州省农业氮、磷污染估算结果看(表1)，2000—2010年贵州农业非点源氮、磷污染排放总量呈先上升后下降趋势，贵州省TN总量从2000年的135.31万 t上升到 2005 年的163.38万 t，再下降到2010年的137.48万 t。TP 总量从 2000 年的40.23万t上升到2005年的47.91万t，再下降到2010年的40.47万 t(见表1)。

从非点源污染输出结构看，农田化肥和畜禽粪便是贵州非点源氮、磷污染的主要来源，其中，农田化肥输出N量占TN总量比例由2000年38.32%下降到2005年29.85%，再上升到2010年33.11%。农田化肥输出P量占TP总量比例由2000年40.35%下降到2005年29.83%，再上升到2010年35.08%;畜禽粪便输出N量占TN总量比例由2000年47.22%上升到2005年56.62%，再下降到2010年52.60%。畜禽粪便输出P量占TP总量比例由2000年55.18%上升到2005年65.93%，再下降到 2010 年60.45%;相对而言，生活污染对贵州非点源氮、磷污染的贡献并不十分突出，所占比例较小(图1)。

图1 贵州省非点源污染不同输出类型所占比例Fig.1 The proportion of different output types of NPS nitrogen and phosphorous pollution

从氮、磷排放强度看，2000—2010年除六盘水市外，其他州市氮、磷排放强度经历了先增强后降低的过程。各州市之间的氮、磷排放强度差异变化不大。其中10年间氮排放强度变化最大为六盘水市，增加了2.17 t/km2，变化最小为铜仁市，仅增加0.16 t/km2;磷排放强度变化最大为贵阳市，减少了0.62 t/km2，变化最小为黔南州，仅减少0.01 t/km2(表2)。

表2 2000—2010年贵州省非点源氮、磷排放强度变化Table 2 Variation of NPS nitrogen and phosphorus discharge intensity in Guizhou Province from 2000 to 2010 t/km2

3.2 贵州省农业非点源氮、磷污染空间分布特征

以贵州省9个地州市为评价单元，将输出系数，农村人口数量、禽畜养殖量、农田面积输入excel，根据各污染源的输出计算方法，得到每个行政区不同时期的非点源氮、磷排放总量数据。将每个行政区不同时期的非点源氮、磷排放总量数据输入ARCGIS软件，通过属性数据和空间分析的连接功能，可以得出贵州省9个地区非点源氮、磷污染排放总量的空间分布图(图2)。并根据各地州市土地总面积和氮、磷污染排放总量，得到每平方公里氮、磷排放量，从而得到贵州各州市氮、磷排放强度空间分布图(图3)。

表1 2000—2010年贵州省农业非点源氮、磷污染估算结果Table 1 Estimated result of agricultural NPS nitrogen and phosphorus pollution in Guizhou from 2000 to 2010 104t

图2 贵州省农业非点源氮磷污染排放总量空间分布Fig.2 Spatial distribution of total agricultural NPS nitrogen and phosphorus discharge in Guizhou

图3 贵州农业非点源氮磷污染排放强度空间分布Fig.3 Spatial distribution of the discharge intensity of agricultural NPS nitrogen and phosphorus in Guizhou

3.2.1 贵州省农业非点源氮、磷污染排放总量空间分布特征

从图2中可以看出，2000—2010年毕节地区、遵义市氮、磷排放总量最大，分别为24.60～33.43万 t和32.44 ～43.43万 t之间。贵阳市、六盘水市氮、磷排放总量较少，排放总量在8.95～10.68万 t和2.04～3.0万t之间。其他州市氮、磷排放总量位于10～25万t和3～7万t之间。呈现出中东部低，西北部高的空间分布特征。

3.2.2 贵州省农业非点源氮、磷污染排放强度空间分布特征

从图3中可以看出，贵州省非点源氮、磷排放强度空间上呈现出中北部大，东南部小的特点。10年间贵州省中北部一直是氮、磷排放强度最大的地区，包括贵阳市、遵义市、毕节地区、六盘水市和安顺市等。说明这些地区在研究期经济保持较高增长速度。化肥使用量和畜禽总量快速增加，对环境产生持续的压力。而贵州东南部地区一直是排放强度较低地区，包括黔东南州和黔南州。

4 结论

(1)研究期贵州农业非点源氮、磷污染排放总量呈先上升后下降趋势。TN总量从2000年的135.31万 t上升到 2005 年的163.38万 t，再下降到2010年的137.48万 t。TP 总量从 2000 年的40.23万t上升到2005年的47.91万t，再下降到2010年的40.47万t。农田化肥和牲畜粪便占贵州农村非点源污染排放总量比重最大，是贵州非点源污染控制最主要的对象。

(2)贵州农业非点源氮、磷污染排放总量和强度呈现区域性分布，排放总量呈现出中东部低，西北部高的特点。排放强度空间上呈现出中北部大，东南部小的特点;这一分布特征主要与化肥使用量和畜禽总量分布有关。为更好地控制非点源污染，应减少化肥、农药的使用量，增加植被，合理地调整农业结构，使贵州生态环境得到改善。

［1］LINE D E.Nonpoint Sources Pollution［J］.Water Environmental Resources，1998，70(4):895-911.

［2］PARRY R.Agricultural Phosphorus and Water Quality:A U.S.Environmental Protection Agency Perspective［J］.Journal of Environmental Quality，1998，27(2):258-261.

［3］USEPA.Report of Environmental Fate and Effects Revised Risk:Registration Eligibility Science Chapter for Atrazine-Environmental Fate and Effects Chapter［R］.Washington D C:US Environmental Protection Agency，2002.

［4］CSATHÖP，SISÁK I，ADIMSZKY L，et al.Agriculture as a Source of Phosphorus Causing Eutrophication in Central and Eastern Europe［J］.Soil Use and Management，2007，23:36-56.

［5］王 宁，郭红岩，王晓蓉，等.大浦镇农业非点源污染磷负荷定量研究［J］.农业环境科学学报，2007，26(6):2150-2155.(WANG Ning，GUO Hong-yan，WANG Xiao-rong，et al.Loading Quantity of Phosphorus from Agricultural Non-point Source Pollution in Dapu Town［J］.Journal of Agro-environment Science，2007，26(6):2150-2155.(in Chinese))

［6］张 静，仲跻胜，邵立明，等.海南省琼海市农村生活垃圾产生特征及就地处理实践［J］.农业环境科学学报，2009，28(11):2422-2427.(ZHANG Jing，ZHONG Jisheng，SHAO Li-ming，et al.Characteristics of Rural Household Solid Wastes and Situ Treatment:A Case Study in Qionghai City of Hainan Province［J］.Journal of Agroenvironment Science，2009，28(11):2422-2427.(in Chinese))

［7］韩宏华，陆建飞.农作物秸秆焚烧污染治理的政策分析［J］.生态经济，2009，(12):173-175.(HAN Hong-hua，LU Jian-fei.A Policy Analysis on Crop Straw Burning Pollution Control［J］.Ecological Economy，2009，(12):173-175.(in Chinese))

［8］OMEMIK J M.The Influence of Land Use on Stream Nutrient Levels.1976 USEPA Rep.600/3-77-105［R］.Corvallis，Oregon:USEPA，1976.

［9］JOHNES P J.Evaluation and Management of the Impact of Land Use Change on the Nitrogen and Phosphorus Load Delivered to Surface Waters:the Export Coefficient Modeling Approach［J］.Journal of Hydrology，1996，183(3/4):323-349.

［10］孟凡祥，赵 倩，马 建，等.农业非点源污染负荷及现状评价——以大苏河地区为例［J］.农业环境科学学报，2010，29(增1):145-150.(MENG Fan-xiang，ZHAO Qian，MA Jian，et al.Evaluation of Agricultural Nonpoint Source Pollution Loadings in Dasu River［J］.Journal of Agro-environment Science，2010，29(Sup.1):145-150.(in Chinese))

［11］高祥照，申月兆，郑 义，等.肥料实用手册［M］.北京:中国农业出版社，2002:135-323.(GAO Xiang-zhao，SHEN Yue-zhao，ZHENG Yi，et al.Practical Handbook of Fertilizer［M］.Beijing:China Agriculture Press.2002:135-323.(in Chinese))

［12］赵 倩，马 建，问青春，等.浑河上游大苏河乡农业非点源污染负荷及现状评价［J］.生态与农村环境学报2010，26(2):126-131.(ZHAO Qian，MA Jian，WEN Qing-chun，et al.Load and Status Quo of Agricultural Non-point Source Pollution in Dasuhe Township on the Upper Streams of Hun River［J］.Journal of Ecology and Rural Environment，2010，26(2):126-131.(in Chinese))

［13］詹可志.贵州省农业面源污染现状分析及防治对策［J］.贵州农业科学，2007，35(增刊):123-125.(ZHAN Kezhi.Current Situation of Agricultural Pollution in Wide Area and Its Control Countermeasures in Guizhou［J］.Guizhou Agricultural Sciences，2007，35(Sup.):123-125.(in Chinese))

［14］罗文敏，张清海，林绍霞，等.贵州省农业非点源污染因子识别及其敏感性评价［J］.江苏农业科学，2010，38(3):401-406.(LUO Wen-min，ZHANG Qing-hai，LIN Shao-xia，et al.Identifying the Factors of Agricultural Non-point Pollution in Guizhou Province and Its Sensitivity Evaluation［J］.Jiangsu Agricultural Sciences，2010，38(3):401-406.(in Chinese))

［15］邱 凉，罗小勇，程红光.长江流域大尺度空间非点源污染负荷研究［J］.人民长江，2011，42(18):81-84.(QIU Liang，LUO Xiao-yong，CHENG Hong-guang.Research on Large-scaled Spatial Non-point Source Pollution Load of the Yangtze River Basin［J］.Yangtze River，2011，42(18):81-84.(in Chinese))