基于GIS的鄂州市氮、磷农业面源污染时空分布研究

翟正丽， 许立祥,2， 周祖昊， 刘佳嘉

(1.中国水利水电科学研究院，北京 100038； 2.华北水利水电大学，河南 郑州 450011)

1 研究背景

农业面源污染是指在农业生产过程中不合理的农药、化肥、农膜以及畜禽粪便、生活垃圾等对农业和农村生态环境所造成的大面积污染[1-2]。早在20世纪30年代，国际上就提出了面源污染这一概念。60年代，国内外学者们对于面源污染才有了全面的认识并对其进行了研究[3]。70年代，面源污染开始受到西方国家的广泛关注，并认为农业面源污染是导致地表水体污染的主要原因，为了了解农业面源的物理、化学过程，国外学者开发了农药输移和径流模型等检测与评估模型。80年代，农业面源污染的研究转向如何管理与控制，从而减轻对地表水的污染负荷。90年代随着“3S”技术的发展，部分学者将“3S”技术引入到对面源污染的分析当中，从而更好地分析面源污染中的氮、磷等污染物的迁移转化，有助于对面源污染的机理研究。研究表明，氮、磷已经成为农业面源污染当中最重要的污染源。在我国，两者的贡献率已经超过了57%、67%[4]。近年来，通过对我们国家的25个湖泊进行调查，发现氮、磷污染已经成为水体污染的核心问题[5]。黄满湘等[6]研究发现植被覆盖可一定程度上减少氮等污染物的流失。国内在农业面源污染的空间分布上，运用GIS技术来分析的案例比较少[7-8]。目前，农业面源污染已经严重影响我国农村生活的生态环境，在新时期，如何加强对面源污染的治理已经成为一个重要的话题。

农业生产收入是鄂州市当地居民的主要收入之一[9]。近年来，随着经济的发展，鄂州市的环境也受到严重的污染，农业面源污染日益严重，已经成为制约鄂州市经济发展的一大瓶颈。因此，对鄂州市农业面源污染的机理研究与治理已经刻不容缓。本文以鄂州市乡镇为计算单元，在分析近5年的农药、化肥施用量以及畜禽养殖场的畜禽排泄量的基础上，预测2020、2030年农业面源污染的污染情况，并利用GIS对全市分乡镇的计算结果进行空间化、数字化的展布，从展布的效果对农业面源污染进行空间、时间的分析，为鄂州市农业面源污染的治理提供参考。

2 资料与方法

2.1 研究区域概况

鄂州市位于湖北省东南部，长江中游南岸，地跨东经 114°32′～115°05′，北纬 30°01′～30°36′，西接“九省通衢”武汉，东连“矿冶之城”黄石，北与黄冈隔江相望，南同咸宁濒湖毗邻。鄂州地理位置极为优越，距省会武汉市仅 60 km，东至上海，西达重庆的水路距离均在 1 100 km 左右。鄂州处于武汉城市圈的核心层，充分享有武汉大都市的经济辐射，部分地区已与武汉形成半小时经济圈，整个鄂州也即将与武汉形成一小时经济圈。

鄂州市现辖鄂城、华容、梁子湖3个县级行政区和葛店、鄂州两个经济开发区，以及凤凰、古楼、西山3个直管街道。鄂城区辖汀祖、碧石渡、泽林、燕矶、杜山、花湖、杨叶、长港等8个镇和花湖新城(花湖镇、杨叶镇、沙窝乡)、主城区(凤凰、古楼、西山直管街道、新庙镇、鄂州开发区)；华容区辖葛华新城(华容、庙岭、葛店开发区)、段店镇和临江、蒲团2个乡；梁子湖区辖东沟、太和、涂家垴、沼山、梁子等5个镇(如图1)。鄂州市属亚热带季风气候区，初夏多雨，秋伏干旱。全年日照2 038 h，年平均气温17.1℃，年平均降雨量1 323.1 mm，降雨总量18.85×108m3。

鄂州市水系发达，河网密度0.381 km/km2，市级层面上，水域所占国土比重居全国第一位。农田、人口主要分布在30 m高程线以下，地市低洼，面源污染容易产生。近年来，鄂州市农业种植中的农药、化肥的施用并不合理，平均施肥量为1 535.7～2 057.7 kg/hm2，远远超出了我国化肥、农药平均使用强度375 kg/hm2。此外，养殖场的畜禽粪便的处理方式一般为自然堆积，并未实施雨污分流措施，这对鄂州市的土壤、水体、大气、居民生活环境等都造成了严重的污染。

2.2 数据源

本次研究所需要的耕地、农药、化肥折纯量、畜禽存出栏量等原始数据均来自于2010-2015年《鄂州市统计年鉴》，部分数据来源于前人发表的文献以及有关部门标准，见表1。

2.3 研究方法

以鄂州市乡镇为计算单元，以前人研究的成果与国家标准化产污系数为基础，通过Excel软件对年鉴中的农药、化肥、非规模养殖畜禽数据进行处理，并将处理后的数据链接到GIS当中，利用鄂州市分乡镇GIS底图对处理结果按照污染强度进行展布。

对于农药、化肥源，从鄂州市农业局得到2015年鄂州市农药、化肥折纯量为87 464 t，其中氮肥、磷肥、钾肥、复合肥分别为35 010、25 286、10 540、16 628 t。农药、化肥污染中TN、TP、氨氮污染的产生系数有关资料以及鄂州市农田径流监测结果表明，氮肥、磷肥在土壤中的平均残留率分别为30.3%、13.2%，地面径流率分别为9.5%、5.3%，地下淋溶率分别为0.54%和0.75%[10]。在此基础上计算鄂州市农业面源污染当中的农药、化肥污染入河量，并按照统计年鉴中化肥、农药近5年的变化趋势预测2020、2030年化肥的折纯量。

表1 2010-2015年鄂州市耕地及化肥、农药施用量变化

对于畜禽养殖源，从《2015年鄂州市统计年鉴》中查阅到规模、非规模畜禽养殖数量(牛、羊、猪、家禽等存出栏数)，2015年鄂州市牲猪、家禽、牛、羊规模养殖数为895 950头、6 790 000只、8 490头、15 490头，牲猪、家禽、牛、羊非规模养殖数为250 843头、8 898 325只、1 330头、1 152头。单只畜禽养殖产污系数见表2，畜禽养殖源污染物的产生可以通过下式估算[11]：

Wi=Qi·ai

(1)

式中：Wi为畜禽养殖源的污染物产生量，t/a；Qi为第i种畜禽的数量；ai为第i种畜禽每头(只)粪便中污染物的产生系数，kg/a。

按照《“十三五”环保约束性指标管理办法》中2015年主要水污染物总量减排核算细则中有关畜禽粪便排泄系数的数据进行计算，根据鄂州市关于畜禽养殖的规划，到2020年，非规模畜禽养殖场由于污染入河量较大，应采取关停措施，2020、2030年规模养殖场的养殖规模按照近6年畜禽养殖变化趋势预测，并按照排泄系数计算污染物的产生量。畜禽养殖入河系数通过查阅文献以及对鄂州市部分畜禽污染物入河调查，综合确定后取0.002，非规模入河系数来源于2000年全国污染调查中长江区非点源污染入河系数[12]，其中CODCr系数为0.136，氨氮系数为0.1，TN系数为0.19，TP系数为0.112。

表2 蓄禽养殖氮、磷产污系数表

3 结果与分析

3.1 农药、化肥污染

随着农业的发展，鄂州市农药、化肥的施用量呈逐年减少的趋势，本次对未来水平年化肥、农药施用量按2010-2015年农用化肥、农药折纯率-6.15%计算，由统计数据显示，2015年为鄂州市化肥、农药施用量最低的一年，现阶段鄂州市耕地面积为56 953.33 hm2，平均施肥量达到1 535.7 kg/hm2，严重超出发达国家为防止化肥、农药对水体造成污染而设置的 225 kg/hm2的警戒线。可见，鄂州市化肥、农药的施肥情况存在着严重的不合理情况，不合理的施肥导致氮、磷等富营养化物质随着降雨后的径流流入河湖、水库等，给鄂州市地表水造成了严重的污染，更为严重的是，根据国内学者的有关研究，当氮素的施肥量超过150～200 kg/hm2时，化肥、农药中的氮素很有可能会溶于雨水和灌溉水中进入到河流和湖泊中，或者通过通过地下淋溶的方式转移到地下水中引起硝酸盐污染[13]。针对目前鄂州市化肥、农药的不合理施用情况，鄂州市农业部门有必要有针对性的提出各种不同农作物的合理施肥建议，从而减轻化肥、农药对鄂州市水体的污染。2015年鄂州市化肥、农药产生的总氮、总磷入河总量分别为2 850.04、1 305.59 t；2020年总氮、总磷入河总量分别为2 382.03、850.78 t；2030年总氮、总磷入河总量分别为1 590.74、503.84 t。

3.2 畜禽养殖污染

由鄂州市分乡镇规模养殖场、非规模养殖畜禽数量以及《“十三五”环保约束性指标管理办法》中2015年主要水污染物总量减排核算细则中有关畜禽粪便排泄系数得出2015年畜禽养殖总氮、总磷的产生量，结合2000年全国污染调查中长江区非点源污染入河系数得出总氮、总磷的入河量。《中国中长期食物发展战略》、《全国畜牧业发展第十三个五年规划》等都要求畜禽养殖业仍要继续增长，满足更多的需求[14]，2015-2030年畜禽养殖业必定对水体环境带来更大的污染负荷。为了减轻未来畜禽养殖对鄂州市环境污染的压力，采取有效措施减少污染。查阅《2015年鄂州市统计年鉴》，得到近5年鄂州市畜禽平均增涨比例，以此预测2020、2030年鄂州市分区畜禽数量。猪、羊增长率为1.2%，牛的增长率为2.36%，家禽增长率为1.96%。结果显示，2015年鄂州市畜禽规模养殖场总氮、总磷入河总量分别为146.25、55.35 t；非规模养殖场总氮、总磷入河总量分别为471.93、296.36 t；2020年畜禽规模养殖场总氮、总磷入河总量分别为313.17、45.59 t；2030年畜禽规模养殖场总氮、总磷入河总量分别为604.37、145.75 t。

4 讨 论

4.1 化肥、农药氮磷入河量分布

未来水平年鄂州市通过减少化肥、农药的施用量，对不同农作物进行合理施肥，能够大幅度的减少污染物的入河量。吕俊[15]通过对杭州市水环境容量的计算，并运用GIS对污染物入河量效果进行了展布。本文通过对鄂州市不同水平年农业污染物入河量的计算，运用GIS对不同水平年污染物入河量进行展布[16-17]，得到 2015、2020、2030年污染物入河量的效果图，如图2、3所示。由展布的效果来看，2015年化肥、农药源污染主要集中在葛华新城以及涂家垴两处，2020、2030年通过减少农药、化肥的使用以及对农作物的合理施肥来减少氮、磷污染物的入河。此外，鄂州市积极推广农田氮磷流失拦截工程，通过灌排分离，将排水渠改造为生态沟渠，针对不同灌区的排水特点，合理设计生态沟渠的规模与形式，对农田损失的氮磷养分进行有效拦截，以控制氮、磷污染物的入河量。未来水平年总氮、总磷的入河量大幅度减少，表明鄂州市对减少化肥、农药源中的氮、磷污染物入河量的措施是行之有效的。

图1鄂州市三区及乡镇行政划分

图2鄂州市不同水平年农药、化肥总氮入河量效果图

4.2 畜禽养殖氮磷入河量分布

通过对不同水平年蓄禽养殖业污染物入河量计算，运用GIS对入河量的结果进行展布得到 2015、2020、2030年蓄禽养殖源污染物入河量的效果图，如图4、5所示。

从展布的效果来看，2015年畜禽养殖源污染物主要集中在葛华新城、太和、沙窝、杨叶、花湖几个乡镇，这是由于这几个乡镇非畜禽养殖数量较多，2020、2030年在规模养殖场养殖规模继续扩大的条件下，鄂州市通过对非规模养殖场采取关停措施，能够有效的减少畜禽排泄物中总氮、总磷的入河量。在规模养殖增加的前提下，畜禽养殖污染物入河量明显减少，说明鄂州市的非规模养殖业对水体污染占畜禽养殖业的比重较大，未来水平年鄂州市采取的关停非规模养殖场的措施对于缓解污染物入河量有着显著的效果。

图3鄂州市不同水平年农药、化肥总磷入河量效果图

图4鄂州市不同水平年畜禽养殖总氮入河量效果图

图5鄂州市不同水平年畜禽养殖总磷入河量效果图

5 结 论

(1)从时间尺度上来看，在合理施肥的条件下，逐年减少农药、化肥的施用量，未来水平年能够大幅度减少污染物中氮磷的入河量；从空间尺度上，葛华新城、涂家垴镇的农药、化肥污染物在未来水平年削减最多。

(2)未来水平年鄂州市在保证畜禽产量增加的条件下，采取关停非规模养殖场的措施，能够减少畜禽排泄物中氮磷污染物的入河量。

(3)畜禽养殖业2030年比2020年污染物入河量略有增加，这是由于规模养殖的畜禽数量上逐年增加。

本文以鄂州市农业污染源为研究对象，详细论述了农业的污染源的产排过程，希望为鄂州市农业面源污染的防治提供帮助。