我国农业面源污染现状与特征分析

王思如,杨大文,孙金华,唐莉华,王朋杰，卢少勇

(1.清华大学土木水利学院，北京 100084； 2.清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,北京 100084；3.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210029；4.中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室, 北京 100012；5.中国环境科学研究院国家环境保护湖泊污染控制重点实验室，北京 100012；6.中国环境科学研究院国家环境保护洞庭湖科学观测研究站,北京 100012)

水污染严重影响饮用水、粮食、生态和人居环境的安全[1-2]，成为我国社会经济可持续发展的瓶颈之一[3]。随着工业和城市生活点源污染控制措施逐步取得成效，范围更广、治理难度更大的农业面源污染(agricultural non-point source pollution， ANP)成为我国水污染的另一重要来源[4-7]。ANP是指农业生产过程中，农田化肥流失、畜禽及水产养殖废水排放等导致污染物进入水体造成的污染[8-9]。在太湖流域污染负荷中，83%的总氮和84%的总磷来自ANP[10-11]；ANP对洞庭湖总氮和总磷污染贡献率分别达到61%和80%[12]。因此，掌握我国ANP现状与特征对指导水资源保护与水环境治理十分必要。

相关研究通常采用Johnes[13]提出的输出系数法估算ANP排放量。该方法假定单位数量(单位面积)同一污染源的输出系数相同，相比于考虑流域内污染物形成、运移和转化过程的机理模型[14]，输出系数法简单方便，不依赖大量观测数据来率定模型参数。当观测数据有限时，输出系数法是可行的方法，因此得到了广泛使用[15-16]。我国针对ANP排放现状的研究侧重于对局部区域的研究[17-20]，在已有少数针对全国的研究中[21-22]，没有考虑污染物输出系数在不同区域的差异。此外，国内学者在运用该方法时极少考虑水产养殖污染排放，我国有71.20%的水产品来自于池塘养殖[9]，有必要在计算ANP排放量时考虑水产养殖污染。

本文基于2007年全国第一次污染源普查资料，考虑输出系数在不同区域的差异性，根据2016年农田种植、畜禽养殖和水产养殖统计数据，计算了2016年我国31个省、自治区、直辖市(以下简称省市，港澳台地区数据缺失)ANP中的总氮、总磷排放量；采用单位面积污染负荷系数和等标污染负荷指数评价了各省、市环境影响程度与污染严重程度，分析了ANP的空间特征及不同类型ANP比例，指出ANP的关键污染源，并利用SPSS聚类分析识别各省市污染源特征。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究方法

1.1.1污染排放量计算

计算ANP排放量采用改进输出系数法[23]，即在原输出系数法基础上考虑不同类型污染源输出系数的差异。以省市为计算单元，计算农田种植、畜禽养殖和水产养殖的氮磷排放量。计算公式为

TAL=FL+LL+AL

(1)

其中

FL=10-3Sαf+B

式中：TAL为ANP年总排放量，t；FL为农田种植氮磷污染年排放量，t；LL为畜禽养殖氮磷污染年排放量，t；AL为水产养殖氮磷污染年排放量，t；S为各省市农作物氮磷肥施用折纯量，t；αf为农田种植排放/流失系数，g/kg；B为农田种植氮磷基础流失量，t；i为某种养殖类型序号，如i=1，2，3，4分别为猪、牛、羊、禽；n为畜禽或水产养殖类型数目；Hi为不同畜禽养殖类型牲畜出栏量，万头；αli为i类型畜禽养殖氮磷排污系数，kg/(头·a)；Yi为不同水产养殖类型养殖产量，t；αai为i类型水产养殖氮磷排污系数，g/kg。

假设农田种植基础流失量随时间不变，肥料输出系数等于《第一次污染源普查数据集》(以下简称“一普”)肥料输出量除以相应年份施肥量；不同类型畜禽养殖的污染输出系数依据文献[15-16,19,24-44]并结合一普的畜禽养殖污染排放量与相应年份各类型畜禽养殖规模进行修正后确定；水产养殖输出系数依据一普附件《水产养殖业污染源产排污系数手册》中现场试验数据，并根据各省市不同养殖模式比例，综合考虑该类养殖品种养殖模式可能性，计算其采取某种养殖模式的权重，得到该种类型水产养殖的综合输出系数，并根据一普的水产养殖污染排放量与相应年份各类型水产养殖规模对输出系数进行修正。本文暂不考虑年降雨差异和流域损失对污染输出系数的影响。计算过程中并未考虑输出系数随时间发生变化，可能会对污染排放量存在一定程度的高估[45]。

1.1.2污染程度评价

a.单位面积污染负荷系数法。采用单位面积污染负荷系数评价污染物对某省市的环境影响程度[46]。计算公式为

(2)

其中

式中：K为单位面积污染负荷系数；qi为某省市第i种类型污染的单位面积年排放量，t/km2；Qi为某省市第i种类型污染的年排放量，t；Si为某省市行政面积，km2。

根据K值评价总氮、总磷对各省市环境影响程度[47]：K<60，对环境不构成威胁(Ⅰ级)；60≤K<80，对环境稍有威胁(Ⅱ级)；80≤K<100，对环境构成威胁(Ⅲ级)；K≥100，对环境构成严重威胁(Ⅳ级)。

b.等标污染负荷指数法。采用等标污染负荷指数来反映各省市相对污染严重程度，即某省市等标污染负荷总量除以其水资源总量[48]，等标污染负荷总量为把污染物全部稀释到评价标准所需的介质量[49]，表征污染物排放浓度超过某一基准排放标准的程度。计算公式为

(3)

其中

式中:λij为第j种污染源中第i种污染物的等标污染指数；Pij为第j种污染源中第i种污染物的等标污染负荷总量，m3；Wi为该污染物所处省市的水资源总量，m3；Cij为第j种污染源中第i种污染物的年排放量，t；ρi0为GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中第i种污染物的水质标准，mg/L。本文按照水质标准为Ⅲ类进行计算，总氮为1 mg/L，总磷为 0.2 mg/L。

1.1.3污染特征识别

采用SPSS软件将农田种植、畜禽养殖与水产养殖的氮磷等标污染负荷总量作为输入，利用分层聚类方法对污染排放特征进行聚类分析。ANP变化的主导因素为对ANP氮磷排放变化贡献率最大的行业，贡献率按各行业氮磷排放量值占ANP氮磷总排放量值的百分比进行计算。

1.2 数据来源

我国各省市农林牧渔业总产值数据来源于《中国农业统计资料》；农作物氮肥、磷肥施用折纯量和畜禽养殖出栏量均源自《中国农业年鉴》；水产养殖产量数据来自《中国渔业年鉴》；污染输出系数计算数据来自《第一次全国污染源普查数据集》及其附件《水产养殖业污染源产排污系数手册》；水资源总量数据来源于各年《中国水资源公报》。

2 ANP排放量及特征分析

2.1 污染排放量

由表1可见，2016年，我国ANP总氮排放量为294.3万t，其中，农田种植、畜禽养殖、水产养殖排放分别占53.8%、41.9%和4.3%。全国总氮排放量各省市平均值为9.5万t，高于该值的省市有13个，均位列该年农林牧渔业总产值的前13位，说明地区的ANP总氮排放量与当地农业发展水平直接相关。山东、河南、天津、江苏4省市的总氮排放强度均高于全国平均值的2倍，表明上述省市在产业发展过程中需更加注重环境承载能力与可持续发展。由表1中各行业总氮排放贡献率可知，不同省市的ANP总氮排放源差异较大。13个总氮排放量较大的省市中，山东、河北、湖北、江苏、安徽、广西、四川7省市由农田种植主导，河南、广东、湖南、福建、黑龙江、辽宁6省市由畜禽养殖主导，这主要与各省市的农业生产结构有重要关系。

由表1可见，2016年，我国ANP总磷排放量为33.1万t。其中，农田种植、畜禽养殖、水产养殖排放分别占32.7%、60.1和7.2%。全国ANP总磷排放量各省市平均值为1.1万t，高于该值的省市有12个，分别是山东、河南、广东、福建、江苏、湖北、湖南、河北、辽宁、广西、四川和安徽。上述省市总氮排放量也高于全国平均值，说明不同省市总磷与总氮排放量排序较为一致(相关系数为0.97)，表明农业发展对氮、磷排放的贡献同步。此外，除福建外11个省市2016年农林牧渔业总产值均位列全国前12位，说明地区的ANP总磷排放量也与当地的农业发展水平直接相关。山东、河南、天津、江苏、福建5省市的总磷排放强度均高于全国平均值的2倍，此结论与总氮类似，说明了我国ANP氮磷排放问题的一致性。由表1中的各行业总磷排放贡献率可知，12个总磷排放量较大的省市中，山东、河南、广东、福建、江苏、辽宁等10省市主要来自畜禽养殖，尤其是辽宁省，其畜禽养殖贡献率占到96%以上，广西和四川2省主要来自农田种植。

表1 2016年全国各省市ANP排放及各行业贡献率

2.2 污染程度分析

2.2.1单位面积污染负荷系数分析

根据2016年全国各省市单位面积负荷系数分析结果，除了重庆和北京以外，其余各省市总氮和总磷的分级空间分布基本一致(表2)。东部、中部较西部地区的环境威胁更严重，而前者农业开发强度较后者高，导致前者单位面积污染负荷系数(污染程度)更高。氮磷排放量在全国平均值以上的省市中，只有黑龙江和四川对环境不构成威胁，广西对环境稍有威胁，其余省市均对环境构成严重威胁。

表2 2016年全国各省市ANP单位面积污染负荷系数与等标污染负荷指数

2.2.2等标污染负荷指数分析

2016年，全国各省市氮磷等标污染负荷指数与污染排放量的排序结果截然不同，氮磷等标污染负荷指数在各省市间差异很大，且各省市总磷与总氮的等标污染负荷指数排序具有一致性(相关系数为0.97)。对于总氮和总磷等标污染负荷指数，超过全国平均值的有宁夏、山东、天津、河南、河北、山西和辽宁，上述省市均值为其他24个省市均值的10倍以上(表2)。宁夏的氮磷排放量和排放强度均显著低于全国平均值，其等标污染负荷指数却均位于全国前五，与其水资源总量小、水环境容量低直接相关。广东、湖北、湖南、江苏、福建的氮磷排放量与排放强度均高于全国平均值，其等标污染指数均显著低于全国平均值，可见丰沛的水资源量对于减轻污染程度具有至关重要的作用。

2.3 污染特征识别

根据污染排放特征聚类分析结果(图1)，将全国各省市划分为4类：①农田种植对ANP贡献占绝对主导的省市，包括贵州、云南和西藏，其农田种植等标污染负荷占比分别为77.0%、84.0%和98.8%；②畜禽养殖对ANP贡献占绝对主导的省市，包括福建和辽宁，其畜禽养殖等标污染负荷占比分别为69.6%和82.8%；③农田种植和畜禽养殖对ANP贡献为主要因素，且农田种植占比更大的省市，包括山西、甘肃、新疆、广西、北京、上海、浙江、河北、重庆、四川、安徽、陕西和海南；④农田种植和畜禽养殖对ANP贡献为主要因素，且畜禽养殖占比更大的省市，包括山东、河南、吉林、青海、黑龙江、宁夏、湖南、江苏、江西、内蒙古、广东、天津、湖北。我国ANP污染源主要是畜禽养殖和农田种植，虽然在各省市污染源占比上不尽相同，但是两者之和占比大多数超过90%，可见，加强畜禽养殖行业管理与污染治理、生态种植与水土保持等措施对解决我国农业面源污染问题至关重要。

图1 等标污染负荷量聚类树形图

3 ANP排放量变化及特征分析

3.1 污染排放变化分析

2007—2016年，全国ANP总氮排放量增长了23.8万t，占2007年排放总量的8.8%(表3)。总氮排放增长的省市有26个，其中绝对量增长最大的5个省市依次为福建、黑龙江、湖北、河南和辽宁，增长幅度最大的5个省市依次为福建、宁夏、新疆、黑龙江和内蒙古，排放减幅前5位依次为北京、上海、浙江、河北、山东。总氮排放增长绝对量或幅度位于全国前5位的省市，其农林牧渔业总产值的增幅均超过了100%，说明农业发展水平提升会造成更多总氮排放。总氮排放减少的省市中，上海、北京和山东的农林牧渔业总产值增幅不足100%，但浙江和河北的总产值增幅在全国位列前2位，这两个以农田种植为ANP主要来源的省市在大幅提升农业发展水平的同时能降低总氮排放量，可能是其农业生产技术得以革新，提高了农田氮素利用效率。

表3 2007年至2016年全国各省市ANP排放量变化及其占比情况

2007—2016年，全国有28个省市的ANP总磷排放量出现了增长，有3个省市出现了下降。总体上，总磷排放量增长了4.7万t，相比于2007年的排放总量上升了16.4%(表3)。其中，总磷排放绝对量增长最大的5个省市依次为山东、福建、河南、湖北和辽宁，总磷增幅最大的5个省市依次为福建、新疆、黑龙江、内蒙古和湖北，总磷排放减幅前3位依次为北京、上海、浙江。福建、河南、湖北和辽宁4省市总氮和总磷排放的绝对量增长均位列全国前5位，而福建、新疆、黑龙江和内蒙古4省市的总氮和总磷排放量增幅也位列全国前5位，说明大部分省市农业生产中的总氮和总磷排放量的变化同步。然而，相比于同期总氮排放量的变化，总磷排放增长的省市更多，其中山东和河北虽然总氮排放量下降，但其总磷排放量上升，体现了这两省农业发展中不同行业发展变化方向的差异性。

3.2 污染排放变化主导因素

根据2007—2016年各行业氮磷排放量变化情况，计算得到导致总氮、总磷排放量变化的主导因素(表4)。农田种植、畜禽养殖和水产养殖变化对总氮排放增长的贡献率分别为42.5%、44.6%和12.9%。83.8%的省市总氮排放量增长，其中，69.2%的省市由畜禽养殖排污增长主导，23.1%的省市(吉林、陕西、海南、云南、新疆、西藏)由农田种植排污增长主导，其余7.7%的省市(贵州、广东)由水产养殖排污增长主导。16.2%的省市总氮排放量降低，其中40.0%的省市(山东、河北)由农田种植排污减少主导，60.0%的省市(浙江、北京、上海)由畜禽养殖排污减少主导。农田种植、畜禽养殖和水产养殖对总磷排放增长的贡献率分别为9.4%、71.7%和18.9%。90.3%的省市总磷排放量增长，其中，67.8%由畜禽养殖排污增长主导，17.9%的省市(陕西、海南、云南、新疆、西藏)由农田种植排污增长主导，其余14.3%(广东、湖北、贵州、宁夏)由水产养殖排污增长主导。9.7%的省市总磷排放量降低，其中，33.3%(上海)由农田种植排污减少主导，66.7%(浙江、北京)由畜禽养殖排污减少主导。综上所述，尽管农田种植和水产养殖存在一定影响，2007—2016年影响我国ANP氮磷排放的核心污染源是畜禽养殖，因此，抑制ANP增长应着重考虑削减畜禽养殖污染。

表4 2007年至2016年全国各省市ANP变化主导因素

4 结 语

我国2016年ANP总氮、总磷排放量分别为294.3万t、33.1万t，农田种植和畜禽养殖污染是ANP排放的主要来源。ANP排放对我国东部、中部的环境影响较西部地区更严重。受各省市的水资源自然禀赋影响，对水资源匮乏的省市而言，虽然ANP排放总量与强度不高，但是水环境污染程度仍然较高。相较于2007年，2016年全国ANP排放的总氮、总磷分别增长了8.8%和16.4%，增长量主要来自畜禽养殖的快速发展。抑制我国ANP增长，应加强对畜禽养殖的管理，尤其是东部与中部地区的畜禽养殖管理。