威海市农业面源污染空间异质性分析

臧梦圆

威海市农业面源污染空间异质性分析

臧梦圆

山东农业大学经济管理学院(商学院), 山东 泰安 271018

防治农业面源污染，已经成为保护农业生态环境的重要方面。本文以山东省威海市为研究区域，通过输出系数模型对区域内农作物秸秆、畜禽粪便、生活排污、水产养殖和化肥施用等五类污染源排放的污染物进行估算分析。利用GIS技术，对各区市农业面源污染进行空间化异质性分析，探讨农业面源污染的地理空间分布格局，揭示不同类型污染物对研究区域内农业面源污染的贡献程度和结构特征。研究表明：2019年威海市农业面源污染主要来自畜禽养殖和化肥施用；农业面源污染的主要来源地是乳山市、荣成市和文登区三地，各区市实物排放量占总排放量的排序是乳山市>文登区>荣成市>经技区>临港区>环翠区>高技区；各区市之间单位土地面积等标排放强度极不平衡，乳山单位土地面积的排放强度远远高出其他区市。因此，本文建议农业面源污染治理的重点是畜禽养殖和化肥施用，同时在空间布局上要合理规划畜牧养殖规模，提高农业废弃物资源利用率，减少化肥的施用量，保护生态环境。

农业面源污染; 估算; 空间异质性; 地理信息系统

农业面源污染已经成为破坏生态环境不可忽视的问题，其破坏机理主要是在农业生产过程中。化肥、农药及其它有机或无机物等为主要污染源。在降水或灌溉过程中，通过农田地表径流、排水和地下渗漏产生的各种污染物，分散地在生物圈层内扩散[1]。由于其污染的广阔性和不确定性，在世界范围内对生态环境的良性循环和人类生活的健康保障造成严重危害[1]。在我国，对农业面源污染的防控已经成为继点源污染防控之后的又一防控点，各级对防控农业面源污染问题日益重视。

农业面源污染问题，自20世纪60年代就引起了世界各国学者的重视，研究主要集中在各流域的农业面源污染负荷估算、方法改进以及污染管控上[2]。德国和菲律宾采用改进后的模型，更好的估测农业面源污染负荷，为政府制定政策提供依据[3,4]。土耳其运用遥感、GIS等技术，评估农业面源污染对滨海流域的破坏[5]。在我国，GIS技术被应用于农业面源污染的数据处理、模型集成和信息系统的开发等方面。王云鹏[5]利用遥感和GIS技术，以深圳为例建立了面源信息系统。施加春等[6]通过利用 GIS及其相关技术，建立了一个基于WebGIS的农业面源污染信息系统（ANPSPIS）。叶春等[7]利用GIS技术对化肥和农药施用量所造成的污染进行时空分布研究。从已有文献中可以看出，GIS技术在该领域的应用可以为治理方案的制定提供更加直观的依据。

2018年6月12日，习近平总书记视察威海，提出了“威海要向精致城市方向发展”的殷切嘱托。两年多来，威海市把总书记的嘱托作为总目标总方向总遵循，积极推进“精致城市·幸福威海”建设，加快营造生态宜居空间,而农业面源污染是造成环境污染重要因素之一，是环境整治的难点。同时，威海作为山东省唯一的全国“无废城市”建设的试点城市，有必要对该市农业面源污染负荷状况和空间分布做深入的研究，以便探索出好的环境治理经验在全国推广。

基于此，本文对山东省威海市当前农业面源污染物的排放量和强度等问题进行分析，主要对污染源产生的化学需氧量Chemical Oxygen Demand（COD）、总氮Total Nitrogen（TN）、总磷Total Phosphorus（TP）进行负荷估算，并利用GIS技术对各区市农业面源污染进行空间异质性分析，探讨农业面源污染的地理空间分布格局，以期为之后农业面源污染治理提供科学依据。

1 研究方法和数据来源

1.1 研究区域概况

威海是山东省地级市，位于山东半岛东端，北、东、南三面濒临黄海，北与辽东半岛相对，东与朝鲜半岛隔海相望，西与山东烟台接壤。东西最大横距135 km，南北最大纵距81 km，海岸线长986 km。面积5798 km2，2019年常住人口283.6×104人。辖环翠区、文登区、荣成市、乳山市，设有高新技术产业开发区（高技区）、经济技术开发区（经技区）、临港经济技术开发区（临港区）三个国家级开发区。拥有耕地面积19.37×104hm2。2019年实现农林牧渔业及辅助性活动总产值528.4×104万元，粮食产量57.97×104t，水果产量117.12×104t，肉类总产量19.08×104t，水产品总产量269.97×104t。2018年以来，威海市坚持精致城市建设向农村延伸，加大农村环境治理力度，把农村人居环境整治作为实施乡村振兴战略的重要抓手，以垃圾治理、厕所改造和村容村貌提升为主攻方向，农村人居环境得到明显改善。

1.2 数据收集

农业面源污染可以造成水体富营养化，其贡献率大大超过来自城市生活污水的点源污染和工业的点源污染[8]。本文研究农业面源污染形成的领域，重点是放在农业生产和农村居民生活领域。从这个角度考虑，选取农作物的秸秆、畜禽粪便、生活排污、水产养殖和化肥施用等五类污染源作为估算对象。考虑数据的可获取性，本文重点分析COD、TN、TP三种污染物，其中TN、TP作为水体富养物质。五类污染源的三种污染物排放估算中，农作物秸秆污染主要选取小麦、玉米、豆类、薯类和花生的秸秆产量；畜禽养殖污染猪、牛、羊、家禽的年出栏数；农村生活污染主要依据农村人口的人均排污系数；淡水养殖污染以养殖面积和单位面积的产污量估算；农田化肥污染主要选取氮肥、磷肥和复合肥折纯施用量。

本文以2019年威海市各区市为基本区域单元。研究中所使用的乡村人口、主要农作物产量、化肥、畜禽养殖和淡水养殖等方面的基础数据来自2019年威海统计年鉴和农业统计报表。

1.3 研究方法

1.3.1 农业面源污染负荷估算基础模型的选取Johns输出系数模型在农业面源污染负荷的估算中有其独特的价值[9]。本研究采用该模型作为基础模型[10]，计算公式为：

式中：L为区域污染物的总负荷，kg·a-1（单位：每年产出的污染物kg量）；为区域中的土地利用类型，共种，E为污染物在第种土地利用类型的输出系数或第种畜禽的排泄系数（kg·a-1只、kg·a-1头）或人口的输出系数（kg·a-1人）；A为区域中第种土地利用类型或第种畜禽的数量(只、头)或人口数量(人)。

输出系数主要指排污系数和入河系数。由于农业面源污染受到污染来源和污染排放方式的影响很大，迄今还没有非常统一的排污系数和入河系数[11]。本文结合当地实际，参考有关文献[12-15]，确定农作物秸秆、畜禽养殖业、水产养殖、农村居民生活、化肥施用量a：根据对氮肥和磷肥流失的定点试验研究[18]，复合肥氮：磷（P2O5）的养分比取0.325：0.514，磷肥折纯量是指五氧化二磷的量，需乘以系数43.66%才可得TP的量[13]。等5个类别污染源的输出系数。

1.3.2 农业面源污染等标排放量测算为了消除各种污染物排放标准不统一，无法衡量污染程度的矛盾，采用了等标负荷法，即对实物排放量，按照(GB3838-2002)中的III类标准，计算出等标排放量。公式如下：

P=Q/S(2)

其中Q为污染物排放的污染物的量(t·a-1)（单位：每年排放的污染物吨数）；S为评价标准。取值化学需氧量Chemical Oxygen Demand（COD）为20 mg·L-1，总氮Total Nitrogen（TN）为1 mg·L-1，总磷Total Phosphorus（TP）为0.2 mg·L-1[16]。

1.3.3 农业面源污染等标排放强度测算农业面源污染产生于农业生产和农村居民生活，有关文献已证实过污染物与土地面积、乡村人口、农业产值显著相关[17]。在此只选取土地面积测算污染物在空间分布的强度。公式为：该区域某污染物等标排放强度=该区域某污染物等标排放量/土地面积。

1.3.4 农业面源污染的空间统计分析为了分析农业面源污染在空间上的分布特征，采用地理信息系统（GIS）技术中的空间统计方法将污染源数据与其空间位置联合起来进行分析，对不同区域的农业面源污染的程度和范围进行比较，并通过空间可视化技术将其反映出来。

2 结果分析

2.1 五种污染源等标排放量与等标负荷比空间分析

威海市农业面源污染各区市等标排放量与等标负荷比见表1所示。实物排放空间分布见图1所示b：由于篇幅有限，等标排放量又是基于实物排放量计算出的，此处不再展示实物排放量的具体数值。。

表 1 威海市各区市农业面源污染5种类别污染源等标排放量（左，单位：×106m3a-1）及等标负荷比（右，%）

图1 威海市农业面源污染空间实物排放分布图

在实物和等标排放量中，乳山农业面源污染排放量为全市最高，其次是文登区和荣成市。三者共占威海市农业面源污染实物排放总量89.6%，等标排放量的87.8%。各区市实物和等标排放量的排序是：乳山市>文登区>荣成市>经技区>临港区>环翠区>高技区。

从五种污染源的空间分布来看，乳山市和文登区的种植业秸秆的实物和等标排放最高，其次为荣成市。其他四地的种植业秸秆排放几乎可以忽略不计。但与其他四种污染源排放相比，种植业秸秆的污染排放占比很小。乳山市在畜禽养殖和化肥污染的排放量也是最高的，单是畜禽养殖污染排放占全市总排放量的48%。而淡水养殖污染排放最高的是文登区。生活污染排放最高的是荣成市。五种污染源中，畜禽养殖和化肥污染在实物排放中是最高的两项。但经过等标计算以后，化肥污染成为5种污染源中排量最高的，总排量远远超过畜禽养殖。

从等标负荷比看，乳山市畜禽养殖和化肥排放量分别占全市总排放量的51.2%、41.61%。各区市五种污染源排放总量的占比排序是：乳山市>文登区>荣成市>经技区>临港区>环翠区>高技区。

2.2 三种污染物实物与等标排放量空间分析

各区市三种污染物的实物和等标排放量见表2所示。各区市污染物排放空间分布图见图2所示。

表2 威海市各区市农业面源污染3种污染物实物及等标排放量

图 2 各区市污染物排放空间分布图

从污染物排放的空间分布上看，乳山市、文登区和荣成市三地的COD、TN和TP排放总量占全市的91.9%、87.2%和88%，乳山市的总排放量最高。这说明三区市是农业面源污染排放的重要来源。相比之下，环翠区、高技区、经技区和临港区四个区的占比则相当微弱，四个区的总和占全市污染物总量的10%左右。其中，乳山市在TN和TP方面的排放量是最高的，文登区的COD排放量最高。三种污染物的排放，环翠区和高技区各占不到1%，临港和经技区各占4%~6%。

2.3 空间分布强度分析

威海市农业面源实物排放强度空间分布见图3所示。颜色越重，代表排放强度越高，污染程度越重。从每单位土地面积排放强度看，区市之间存在异质性，乳山单位面积的排放强度远远高出其他区市，其单位土地面积实物排放强度51.87 kg/hm-2，COD、TN和TP分别达到24.13 kg/hm-2、20.31 kg/hm-2和7.43 kg/hm-2；单位土地面积排放强度排第二位的是文登，实物排放强度为43.47 kg/hm-2, COD、TN和TP分别达到26.62 kg/hm-2、12.88 kg/hm-2和3.97kg/hm-2；从单位土地面积排放强度的大小排序：乳山市>文登区>经技区>临港区>荣成市>高技区>环翠区。从分析看农业面源污染实物排放强度与等标排放强度在空间分布上表现不一致。比如：经技区、临港区两区并不是农业面源污染实物排放量多的区域，但在排放强度排序中位次前移一位，这说明这些区域在防控上也不能忽视的。

图3 三种污染物实物排放强度空间分布图

从以上分析研究得出，威海市农业面源污染源主要来自畜禽养殖、化肥施用，这说明了威海市农业面源污染主要产生于畜牧业生产与农业生产。因此，需要加大农业废弃物资源利用，减少化肥量的施用。

3 讨 论

从以上估测结果来看，化肥施用和畜禽养殖是威海市农业面源污染的主要来源。威海市的化肥施用主要来自水果种植。威海是水果之乡，2019年水果产量达到117.12×104t，水果面积亩均化肥施用量高于粮食面积亩均化肥施用量。但从9年间化肥施用量的趋势上看，化肥施用量是逐年下降的。因此，应进一步针对化肥的减量化、精准施用采取有效措施，在不降低农产品产量的情况下，有效减少化肥施用带来的污染。畜禽养殖方面，随着人们的生活质量的提高，城乡居民对畜禽动物产品的摄入量不断增加，也带动养殖业的发展，猪、家禽年出栏量不断增加，尤其是家禽出栏量，9年间增长了1.4倍，由此也带动威海市畜禽污染物排放量的增加。

农作物秸秆的污染排放量相对最小，这主要是由于随着农业现代化的快速推进，农村耕地的多种经营成为农民增收的方向，种植粮食不再是农民增加收入的唯一选择，由此也形成粮油农作物播种面积逐年减少，秸秆产量逐年降低。再加上，近年来，威海进入精致城市建设阶段，成为全国“无废城市”试点城市，对农业废弃物的治理力度和农村生态环境整治力度不断加大，农作物秸秆利用率达到96%，农作物污染物的排放量逐年减少成为必然趋势。在生活污染方面，据抽样调查有18.2%的村粪液接入管网集中处理，有51.5%村生活垃圾达到日产日清，有19.8%的村生活污水得到处理，这些措施有效防控了农业面源污染。

从空间分布来看，乳山市、文登区和荣成市的农业面源污染排放量居前三位。乳山市不但是家禽养殖大市还是种植大市，种养业给乳山市农民带来收入的同时，但也带来了化肥和畜禽养殖污染物排放量的增加。文登区的淡水渔业养殖规模居全市第一，因此该领域的农业面源污染排放也是最高的，等标负荷比达到了77%。因此淡水渔业养殖应成为该区农业面源污染治理工作的重点。

另外，本文在估算威海市农业面源污染排放量时，采用的输出系数模型法，排污系数参考有关文献，其大小与实际可能有差异，因此估算的污染物是可能产生量，在制定防控政策时应考虑到这些因素。

4 主要结论和对策建议

4.1 主要结论

威海市农业面源污染物实物排放量2.17×104t，COD、TN、TP分别为1.07×104t、0.83×104t、0.28×104t；等标排放量2.27×106m3，相对应的COD、TN、TP分别0.05×106m3、0.83×106m3和1.38×106m3。主要污染源是畜禽养殖，其污染负荷率为76%。污染物在空间分布上，乳山市面源污染排放量最大，实物排放量对全市的污染物贡献了39.7%，等标排放量贡献了43%。单位土地面积排放强度也是最高，是重点防控区域。从综合分析情况看，污染源的治理重点是畜禽养殖和化肥。在空间布局上要合理规划畜牧养殖规模，防止由于养殖过于集中造成单体区域的环境污染。另外，要努力提高农业废弃物资源利用率，减少化肥的施用量。

4.2 对策建议

农业面源污染物的产生是伴随着农业生产发展而来的，对农业面源污染治理需要在农业生产的初始端上下功夫,在源头上促进污染源减量。对于排放量大的区域要采取科学规划，从技术上制定措施。在治理上要与整体农村经济的晋档升级共同推进，真正达到农业面源污染的减量化治理。强化宣传，建立农业面源污染治理体制机制，加强科技研发投入，鼓励企业参入治理。针对畜禽养殖和化肥施用造成污染物大的问题，要做到重点防控。

（1）统筹考虑区域环境承载能力，优化调整畜禽养殖布局。积极推广“养殖—粪污利用—种植”的生态农牧业发展模式，加快推进畜禽粪污资源化利用。鼓励和引导第三方处理企业对养殖场户畜禽粪污进行专业化集中处理；

（2）严格执行化肥质量标准，强化测土配方施肥技术应用，及时发布施肥配方，扩大配方施肥应用面积，从而减少化肥的滥施滥用，减少污染物排放；

（3）加快农村基础设施建设，实行城乡垃圾污水一体化管理。统筹考虑生活垃圾和农业废弃物利用、处理，建立健全符合农村实际、方式多样的生活垃圾收运处置体系。推进城市污水管网向农村延伸，以区市为单位，实行农村生活污水处理统一规划、统一建设、统一管理，转变农村居民的生产和生活方式，节约用水，避免生活垃圾乱丢、乱放；

（4）全面清理饮用水水源地网箱网围养殖，探索水产养殖容量控制制度，严控河流水库投饵性网箱养殖；

（5）加大秸秆养殖食用菌、生物质能源和新型材料等领域科学技术研发力度，努力拓展秸秆肥料化、饲料化、能源化、基料化、原料化利用渠道，构建秸秆综合利用长效机制。

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Spatial Heterogeneity Analysis on Agricultural Non-point Source Pollution in Weihai City

ZANG Meng-yuan

271018,

The prevention and cure of agricultural non-point source pollution has increasingly become an important area of agricultural ecological environment protection. Taking Weihai municipality in Shandong province as an example, this paper estimates and analyzes the pollutants generated by five pollution sources, including crop straw, livestock and poultry manure, domestic sewage, aquaculture and fertilizer application, through Output Coefficient Model. GIS technology is used to analyze the spatial heterogeneity of agricultural non-point source pollution in districts and county-level cities to discuss the geographical-spatial distribution pattern of agricultural non-point source pollution and to reveal the contribution degree and structural characteristics of different types of pollutants to agricultural non-point source pollution in the research area. According to the study, the main sources of pollution in 2019 are livestock & poultry farming and chemical fertilizers in Weihai. As to the geographic distribution of physical pollutant discharges, Rushan city ranked the first in amount, followed by Wendeng city, Rongcheng city, Economic Development Zone, Lingang district, Huancui district and High-tech Zone in the sequence. Among these 7 areas, Rushan city, Rongcheng city and Wendeng city were the main sources of agricultural non-point source pollution. The unit area discharge intensity is extremely unbalanced, with Rushan city ranking the first. Based upon the results, this paper suggests that pollution treatment should be focused on livestock & poultry breeding and chemical fertilizer application. Plan livestock breeding scale reasonably in spatial layout. Improve the utilization ratio of agricultural waste resources, promote the full use of agricultural waste in an all-round way and reduce the use of chemical fertilizers in order to protect the environment.

Agricultural non-point source pollution; estimation; spatial heterogeneity; Geographic Informational System

X522;X501

A

1000-2324(2020)02-0277-06

10.3969/j.issn.1000-2324.2021.02.021

2019-11-21

2020-01-24

大学生创新创业训练计划:农业废弃物资源化利用模式及其绩效研究—以威海市无废城市试点为例

臧梦圆(2000-),女,本科生,经济学专业. E-mail:whzmycamille311@163.com