汉中市农村面源污染时空变化研究

邢海虹， 李小燕， 杜建括， 董明亮

(陕西理工大学 历史文化与旅游学院，秦巴地理环境与旅游开发协同创新平台， 陕西 汉中 723000)

不断加剧的农村面源污染已成为影响现代化进程的关键问题，作为南水北调中线水源区的汉中市，农村面源污染事关本区生态文明福祉，也事关京津地区用水安全。农村面源污染指农村居民生产生活产生的污染物质，在降水下渗和地表径流作用下进入水体所引起的水环境污染，包括化肥、农药、集约化养殖场、生活污水及生活垃圾污染5类[1]。与点源污染相比，面源污染空间分散、来源多样、迁移复杂、监测不易，治理和管理的难度更大[2]。2010年第一次《全国污染源普查公报》[3]显示我国农业生产排放的N、P、COD等污染物已超过工业污染与生活污染，成为污染源之首。目前农村面源污染排放量的估算方法主要有两种：一是试验法，通过理化实验分析得到污染物的入水系数，再用养分总量乘以入水系数得到入水总量，常用于微观面源排放量估算；另一种是输出系数法，基于统计数据，使用输出系数估算污染总量，原理简单，输入参数少，模型精度较高，对于缺乏长期监测数据的大尺度区域估算面源污染具有重要意义[4-5]，曹宁等[6]、周芳等[7]、杨永健等[8]、史志华等[9]在研究东北、西藏、黑龙江、汉江流域等地区的面源污染中均采用了这一方法。本文采用基于输出系数法的源强法估算汉中市农村面源污染，并借助ARCGIS软件计算污染强度和污染综合指数并可视化表达其时空变化，期望有助于汉中市农村面源污染的防治工作。

1 研究区概况

汉中市位于陕西省西南部，北依秦岭，南屏巴山，汉中盆地居于中部。土地总面积中，山地占75.2%，丘陵占14.6%，平坝占10.2%。汉中界于北纬32°08′54″—33°53′16″东经105°30′50″—108°16′45″之间，属北亚热带季风气候，水系纵横，是南水北调中线重要水源区。汉中自古就是人口密集、农业发达的区域，截止2017年底，户籍总人口381.85万人，常住人口344.93万人，人口流失比较严重，常住人口城镇化率为49.31%，还有50.69%的人口居住在农村；三类产业产值占生产总值的比例分别为15.8%、37.9%和46.3%，第一产业占比偏高。第一产业中，“养猪、中药材、茶叶、蔬菜”四大产业占农林牧渔业总产值比重的61.7%。总体上，农村地区人口、资源、环境、发展之间矛盾突出。

2 市域农村面源污染的发展变化

2.1 核算方法

我国污染源普查所使用的估算方法与输出系数法较为类似，称为源强估算法。本文基于第二次全国污染源普查农业污染源普查核算方法，采用统计数据估算汉中市农村面源污染排放量。

2.1.1 生活污染

生活污染物排放量与人口数量和人均排放系数相关，计算公式为

式中Pi为i市(县)生活污染物排放量(t)，Ai为i市(县)总农村人口数(人)，Bi为i市(县)生活污染物排放估算系数(kg/(人·年))。

(1)生活污水污染估算系数：根据环境保护部华南环境科学研究所的《生活源产排污系数及使用说明》[10]，汉中市生活污水污染物的排放估算系数为TN：0.56 kg/(人·年)，TP：0.16 kg/(人·年)，COD：5.99 kg/(人·年)。

(2)固体废物污染排放量估算系数：按照《生活源产排污系数及其使用说明》计算方法，汉中市总体固体废物污染排放量估算系数为TN：3.686 5 kg/(人·年)，TP：0.266 5 kg/(人·年)，COD：22.265 kg/(人·年)。

2.1.2 农业污染

农业污染物排放量与耕地面积和单位排放系数相关，计算公式为

Qi=(Ci×Di)×10-3，

式中Qi为i市(县)农业污染物排放量(t)，Ci为i市(县)常用耕地面积(hm2)，Di为i市(县)农业化肥污染排放量系数(kg/hm2)。

根据第一次《全国污染源普查公报》[3]，汉中市农村面源污染中的农业化肥污染排放量系数：TN：103.5 kg/hm2，TP：85.4 kg/hm2，COD：150 kg/hm2。

2.1.3 养殖污染

养殖污染主要是畜禽粪便，与畜禽存栏量和排放系数相关，计算公式为

Rij=(Aij×Bij)×10-3，

式中Rij为i市(县)第j类畜禽年污染排放量(t)，Aij为i市(县)第j类畜禽年存栏量(头)，Bij为i市(县)第j类畜禽污染排放量估算系数(kg/(头·年))。根据陕西省畜禽粪尿污染和农村生活污染研究[11]的数据，得到汉中市各类畜禽各类污染物的污染排放量估算系数，见表1。

表1 畜禽污染排放量估算系数 kg/(头·年)

2.2 汉中市农村面源污染的变化特征

2.2.1 生活污染

2009—2017年，汉中市农村生活污染物排放量呈现减少趋势(见表2)，具体表现为：

(1)农村生活污水TN、TP以及COD污染不断减少。如表2所示，2009年的农村生活污水污染物TN、TP、COD排放量分别为1 207.23、344.92、12 913.07 t。2017年农村生活污水污染物TN、TP、COD排放量分别减少至923.98、264.00、9 883.33 t。2009—2017年，汉中市农村生活污水污染物TN、TP、COD排放量不断减少，年平均减少2.9%。

(2)农村固体废物的TN、TP、COD排放量不断减少。排放量分别从2009年的7 947.25、574.41、47 998.26 t，下降至2017年的6 082.62、439.63、36 736.60 t，年平均减少2.9%(见表2)。

表2 农村生活污染TN、TP以及COD含量变化 t

2.2.2 农业污染

农业生产过程中，为了提高产量使用的塑料薄膜、化肥、农药是农业污染的主要来源。

(1)农用塑料薄膜使用量逐年增加。2009年使用量为2194 t，2017年使用量为2792 t，年平均增长了74.75 t，年均增长3.4%(见图1)。汉中市属于亚热带季风气候，降水、温度变率大，农用塑料薄膜的使用可以在一定范围内调节温度和水分，增加农业抵抗寒冷和干旱的能力，因此塑料薄膜使用量不断增加。

图1 农用塑料薄膜使用量

(2)农业化肥污染物排放放量随时间波动较大(见表3)。2009—2012年，农业化肥污染物TN、TP、COD呈现增加趋势。主要原因在于受收益影响，人们更愿意种植水果、蔬菜等经济效益高、周期性短的经济作物，产业结构的变化导致施用化肥量的增加。2012—2016年，土地城镇化加快，耕地面积减少；环境保护政策促使农业化肥使用量相应下降，使得农业化肥污染物排放量减少。2017年政府为落实“绿水青山就是金山银山”的理念，经济作物和园林作物播种面积有所增加，粮食作物相对增加，导致农业化肥使用量增加。

表3 化肥及畜禽污染物TN、TP、COD排放量 t

2.2.3 畜禽养殖污染

汉中市畜禽污染物TN、TP、COD排放量与畜禽养殖数量整体呈现正相关关系。2009年畜禽污染物TN、TP、COD排放量分别为5 243.16、31 011.50、144 621.90 t，2017年排放量分别为5 817.74、33 354.22、155 117.90 t。2009—2017年，畜禽污染物的TN、TP、COD排放量年均分别增长了71.82、292.84、1 312.00 t(见表3)。养殖业在汉中农业结构中居于重要地位，伴随生活水平的进一步提升，肉、蛋、奶需求量增加，农民养殖热情不断高涨，养殖规模的扩大和牲畜数量的增加引起畜禽污染的增加。

2.2.4 各类污染源的贡献结构

各类污染源(TN、TP、COD)贡献率见图2。从TN来看，农业污染的贡献最大，且呈现上升趋势，主要来源于化肥施用；农村生活污染贡献居于第二位，呈现下降趋势，这与城市化带来的农村人口减少相关；畜禽污染贡献最小但呈现增加态势，反映出汉中畜禽养殖量上升的现状。从TP来看，畜禽养殖的贡献比例最高且有略微增加态势；农村生活污染带来的贡献比例很低，只有3%左右，反映出生活污染对TP的贡献较小；农业污染的TP的贡献比例约占38%左右且比较稳定。从COD来看，畜禽污染贡献率最高且增加较快，农村生活污染COD贡献比例中等且较快下降，农业污染COD贡献率最低且较为平稳。

图2 各类污染源(TN、TP、COD)贡献率

3 县区尺度农村面源的时空变化

3.1 研究方法

3.1.1 农村面源污染强度

农村面源污染强度(kg/hm2)由污染排放量与土地面积的比值得出，表示污染物的投入密度，间接反映农业集约化程度[11]。

3.1.2 农村面源污染综合指数

3.1.2.1 数据标准化

因存在较大的量纲差异，对各县区污染强度数据进行离差标准化[12](max-min标准化)处理，使结果均为[0，1]之间的可比数据。转换函数为

Sij=(Iij-Ijmin)/(Imax-Ijmin)，

式中Sij为第i区域第j种污染的标准化值;Iij为第i区域第j种污染物污染强度实际值(t/hm2);Ijmin为第j种污染物污染强度最小值(t/hm2);Ijmax为第j种污染物污染强度最大值(t/hm2)。

3.1.2.2 农村面源污染综合指数

按相同权重加和求平均值的方法，计算得出TN、TP、COD的污染综合指数：

式中Tij为第i区域第j种污染物的综合指数值，n=3。

以此确定各县(区)农村面源污染风险排序，进而得出农村面源污染强度的区域分布，见表4。

表4 汉中市各县农村生活污染、农业污染、畜禽污染综合指数变化表

3.2 农村面源污染的时空特征

(1)从TN的污染强度指数来看，2009年汉台最高，佛坪、镇巴最低，其他各县区相差不大。2009—2017年，略阳、勉县、留坝、南郑、洋县五县区污染强度呈现快速增加趋势；宁强、汉台、佛坪、西乡呈现减缓趋势；城固、镇巴污染强度呈现略增趋势。

(2)从TP和COD的污染强度来看，各县区的差异较小，略阳、宁强、南郑呈现略减趋势，其他县区呈现略增趋势。TP和COD污染的贡献中，畜禽养殖污染占比最高。

(3)综合考虑污染指数大小和变化，将汉中全市划分为4种污染类型：洋县、略阳、宁强属于持续高污染型，一直排在污染前三位，农业面源污染程度最为严重；佛坪、镇巴属于持续低污染型，污染排名一直居于后两位，污染程度轻微；南郑、汉台属于污染减轻型，污染不断呈现减轻趋势；西乡、勉县、留坝、城固属于污染增加型，面源污染指数呈现增加趋势。

3.3 农村面源污染时空变化的影响因素

3.3.1 自然因素

地形是影响耕地资源分布、人口和经济活动分布的重要因素，也深刻影响到面源污染的空间分布与变化。汉台区、勉县、城固县、洋县和南郑区地处汉中盆地，山区面积较少，适合耕作的土地面积广阔，农业种植面积相对山区各县较大；宁强县虽地处巴山山区，但有大面积的浅山丘陵山地被开垦为农田，因此耕地面积相对也较大。这几个县的平坝和低山丘陵区，耕地面积广阔，村镇数量多，人口规模大，导致面源污染相对严重。其他山区县则因耕地面积少，村镇数量少，人口规模小，面源污染相对较轻。

3.3.2 人文因素

自然是无定的，人是变化的，政策、市场、科技等等都影响到人的行为决策，从而影响面源污染的变化。比如略阳、宁强等山区县TN污染强度增加很快，究其原因，退耕还林导致耕地面积减少，农民更加集约化经营有限土地，导致TN污染强度的快速增加。而汉台区等盆地地区，城市化的发展导致农村土地面积减少，促使人口大量向城镇转移，加上收入来源多样化，人们对于土地的经营反而粗放，TN污染强度呈现减少趋势。产业结构也是影响面源污染的重要因素，比如种植、养殖对于TN、TP、COD有较大差异，种植对于TN贡献达60%以上，而养殖对于TP、COD的贡献达60%以上，一个地方产业结构的差异以及变迁，也是导致面源污染现状及变化的原因，比如略阳、宁强、洋县均因为养殖业贡献的TP、COD比较高，而导致综合污染指数持续较高。

4 结论与建议

4.1 研究结论

(1)2009—2017年，农村生活污水TN、TP、COD排放量年平均分别减少了35.41、10.12、378.72 t；固体污染物TN、TP、COD排放量年平均分别减少了233.08、16.85、1 407.71 t；农业化肥污染物TN、TP、COD排放量年平均分别增加了93.37、80.52、135.32 t；农用塑料薄膜使用量年平均增长了74.75 t。

(2)2009—2017年，农村面源污染TN总量从2009年的35 407.52 t减少到2017年的34 581.18 t，同比减少了2.33%；TP总量从2009年50 048.04 t增加到2017年的52 819.18 t，同比增加了5.54%；COD总量从2009年235 982.33 t减少到233 269.50 t，同比减少了1.15%。TN、TP、COD总体转变趋势是农村生活污染在减少，农业污染和畜禽污染在增加。从污染来源构成的角度来看，农业污染的TN贡献最大，达60%左右，主要来源于化肥施用；畜禽养殖对TP和COD的贡献比例最高，达60%～70%，且有略微增加的态势。

(3)从污染类型上，洋县、略阳、宁强属于持续高污染型，农业面源污染程度最为严重；佛坪、镇巴属于持续低污染型，污染程度轻微；南郑、汉台属于污染减轻型，污染不断呈现减轻趋势；西乡、勉县、留坝、城固属于污染增加型，面源污染指数呈现增加趋势。

(4)人口转型、耕地减少、技术变化、市场需求等，综合决定面源污染的变化；地形、退耕还林政策、产业结构变化在污染时空变化中起到重要影响。

4.2 建议与对策

4.2.1 “理念—制度—科技”联动，减少面源污染总量

理念：以绿色循环经济理念发展有机无公害食品生产，将养殖、种植、人民生活综合考虑，在农村地区形成良性的生态循环，在提升产品附加值的同时减少面源污染。

制度：分析产污、管理等各类主体，明晰权责，制定完善的制度措施，形成有法可依、执法必严的局面，从制度上解决面源污染的问题。

科技：创新物理、生物防病虫害技术，减少化学农药的施用量。通过“互联网+农业”精准计算农作物最佳施肥量和用药量，鼓励生物降解农膜、光降解农膜的研发和使用，从源头上削减污染来源。

4.2.2 分类施策，精准管理面源污染

结合汉中地区特点，结合用地适宜性评价，分析生态环境承载力，因地制宜减少面源污染。首先，对偏远地区结合移民搬迁、乡村振兴等工作，促进人口向经济发达地区、中心城区、小城镇转移，倡导节约意识，减少分散的生活污染治理难题。其次，结合水源区保护战略，用好政策和资金扶持，按照绿色循环理念发展品牌生态农业，在增加农民受益的同时减少化肥、农药使用量，减少农业污染。再次，广泛利用山区发展规模化林下养殖，建立自然生态循环，在提供更高附加值绿色畜禽产品的同时，减少畜禽养殖污染。