基于加权算术法的农田肥料污染防治规划研究

陈 硕

福建船政交通职业学院安全与环境学院，福建福州，350000

农业面源污染已成为世界共同关注的一个严重环境问题[1]。陆沈钧等[2]根据太湖流域农业面源污染状况，提出管理制度与工程技术两方面的防控措施。在国外，解决农业肥料污染的根本途径是采用生态工程技术，并通过防治补助的方式推动环境污染治理工作的快速开展[3]。而在国内肥料的过度施用是农业面源污染的重要因素之一[4]。陈小奔[5]通过分析黑龙江省化肥污染现状，提出了调整施肥结构的治理对策。本文以聊城市东昌府区为例，根据作物类型、种植结构、肥料投入等指标确定农田肥料污染排放量，利用Arcview和DPS软件进行污染防治功能区划，根据各污染防治区的特点，提出相应的防治措施。

1 农田肥料污染现状评价

1.1 数据来源

抽取2018年1月1日至2018年12月31日聊城市东昌府区19个乡、镇、街道的种植业，将作物分为四类：大田小麦玉米两熟(简称小麦)、园地、露地蔬菜(简称蔬菜)、大田其他两熟(简称两熟)。本次信息采集的不同作物样本数与对应面积见表1。

表1 不同作物样本数和抽样面积

各乡镇五种肥料的单位面积施用量情况见表2。由表2可知：(1)与朱兆良[6]推荐氮肥适宜施用量比较，各乡镇都存在化学氮肥施用量过多的情况，尤其是斗虎屯镇、新区街道办事处和堂邑镇等10个区域单位面积的氮肥施用量较高；(2)新区街道办事处以种植蔬菜为主，复合肥施用较多；(3)北城街道办事处和阎寺街道办事处的磷肥施用较多，因为这两个乡镇主要以种植小麦为主；(4)北城街道办事处、东城街道办事处、斗虎屯镇、侯营镇、湖西街道办事处、蒋官屯街道办事处、柳园街道办事处、堂邑镇、新区街道办事处、于集镇和郑家镇的有机肥的单位面积施用量较低而化肥单位面积施用量较高。

表2 各乡镇肥料单位面积施用量千克/亩

1.2 计算方法

农田肥料污染物排放量估算—排污系数法：

L=L0+F×C

(1)

式中L表示肥料流失量，即氮、磷的径流或淋溶流失量，Kg/hm2；L0表示对照流失量，即不施肥时的氮、磷流失量，Kg/hm2；F表示氮、磷的施用量，Kg/hm2；C表示肥料流失率。

(2)

Q=0.42×N+0.306×P

(3)

式中Q表示富营养化潜力值(千克/亩)；N表示TN单位面积流失量(千克/亩)；P表示TP单位面积流失量(千克/亩)。

2 结果分析

2.1 肥料流失与富营养化分析

2.1.1 总氮(TN)

通过统计各区域总氮单位面积流失量数据，结合Arcview软件，可分别得到小麦地、园地、两熟地、蔬菜地的TN单位面积流失量分布图以及各乡镇的TN总单位面积流失量分布图，分别见图1。

图1 TN单位面积流失量分布图

从图1中可以明显地看出，新区街道办事处小麦地TN单位面积流失量最大；堂邑镇、郑家镇、柳园街道办事处、蒋官屯街道办事处、于集镇的小麦地TN单位面积流失量相近，在1.139～1.178千克/亩的范围；其余乡镇小麦地TN单位面积流失量较少，地理位置上也较为集中。园地仅有六个乡镇有园地，但园地的TN单位面积流失量值均较大；其中斗虎屯镇的园地TN单位面积流失量最大，为2.761 9千克/亩；许营乡园地单位面积TN流失量最少，为1.611 9千克/亩；相同值域内的乡镇在地理位置上分布较散。而于集镇、道口铺街道办事处、张炉集镇两熟地TN单位面积流失量最大；堂邑镇、郑家镇、沙镇镇以及将官屯街道办事处两熟地TN的单位面积流失量在1.167～1.242千克/亩；处于1.024～1.167千克/亩范围内的四个乡镇地理位置相对集中；梁水镇的TN单位面积流失量最少。总的来说，蔬菜地TN单位面积流失量较小麦地、两熟地、园地大；其中新区街道办事处的蔬菜地TN单位面积流失量最大，达3.105 9千克/亩之多。

2.1.2 总磷(TP)

在总磷方面，小麦地、园地、两熟地没有测得总磷流失的有效数据，本文只考虑蔬菜地的总磷流失。梁水镇蔬菜地TP单位面积流失量最大；斗虎屯镇、侯营镇、沙镇镇蔬菜地TP单位面积流失量最少。

将蔬菜地的TP流失量平均到各个地区，从图2中可以看出，梁水镇的TP单位面积流失量仍为最大，另外七个地区单位面积流失量相对很小，其余的地区没有蔬菜地因此没有TP流失。

图2 TP单位面积流失量分布图

2.1.3 富营养化潜力值

将TN、TP的平均流失量归一化为以PO43-为参照物的富营养化潜力值，如表3所示，可看出富营养化潜力值：蔬菜地>园地>两熟地>麦地。从每个乡镇的总潜力值来看，新区街道办事处的富营养化潜力值最高，湖西街道办事处最小。

表3 以为参照物的富营养化潜力值

2.2 肥料污染防治区划分

本文采用当量因子法计算了各镇的富营养化潜力值来表征农田肥料污染负荷[8]。利用系统聚类法进行农田肥料污染防治区划，其中数据转换方式选择标准化转换，聚类距离选择卡方距离，聚类方法选择离差平方和法。区划指标选择了单位面积富营养化潜力值和蔬菜面积比例，见表4，以镇边界为分区边界，不进行跨界区划以便于管理。

表4 蔬菜地比例与富营养化潜力值

根据聚类分析结果(如图3所示)，将东昌府区19个乡、镇及街道办事处划分为4个区，一般保护区：序号1、3、5、7、8、18的乡镇；重点保护区：序号10、16、17、12、14的乡镇；一般治理区：序号2、6、11、19、15、4、9的乡镇；重点治理区：序号为13的乡镇。

图3 聚类分析结果分布图

2.3 肥料污染防治规划措施

2.3.1 大力提倡秸秆还田

秸秆是一种数量多、来源广、可就地利用的优质有机肥源，有补充和平衡土壤养分、补充土壤新鲜有机质、疏松土壤、改善土壤理化性状和提高土壤肥力的作用。政府要坚决制止焚烧作物秸秆，并筛选、引进、示范“腐秆灵”等促进秸秆快速腐熟技术，使秸秆还田技术向着高效、简便、机械化的方向发展。

2.3.2 种植结构合理布局

根据结果分析，重点治理区和一般治理区内蔬菜地的TN单位面积流失量大，应限制这两个区内农民蔬菜种植面积，改为种植对氮素保持能力强的作物，并对其产生的经济损失予以补偿。同时将部分蔬菜地移至TN单位面积流失量较少的地区集中种植，通过科学手段施肥控肥，减少其氮素流失。

2.3.3 推广高浓度复合肥和专用肥

要达到平衡施肥的目的，就要在增施有机肥的基础上引进、推广专用型的长效缓释复合肥料、绿色环保型肥料、有机无机复合肥料和生物型肥料，减少单质化肥的施用。有研究表明，在多种作物上专用肥较之通用型复混肥具有更好的增产增质效果。

3 结 论

本文根据聊城污染源普查的原始数据，结合统计资料和文献资料，对区内19个乡镇肥料污染状况进行了系统的调查与分析，并针对全区及各乡镇的特点提出污染防治措施。主要结论如下：

(1)污染特征：东昌府区内存在普遍的氮肥施用过量现象；TN、TP流失：蔬菜地>园地>粮田(蔬菜地、两熟地)。

(2)防治区划：根据污染负荷结合聚类分析方法，将东昌府区19个乡镇归为四类污染防治区：重点治理区、一般治理区、重点保护区、一般保护区。

(3)防治措施：大力提倡秸秆还田、种植结构合理布局、调整化肥品种结构和推广高浓度复合肥和专用肥为主的工程技术性措施。