长江中下游粮食主产区耕地面源污染时空分异特征

摘要：为揭示长江中下游粮食主产区耕地面源污染时空规律，利用长江中下游粮食主产区58个市（州、区）统计数据，采用空间分析模型、重心模型、冷热点分析等方法分析了2009-2019年长江中下游粮食主产区耕地面源污染时空分异特征。结果表明：长江中下游流域整体以及赣湘鄂皖4省2009-2019年耕地面源污染总量和强度总体均呈现出“先升后降”的变化趋势，其中湖北省的耕地面源污染强度与总量均位于前列。2009-2019年耕地面源污染强度总体表现为“西高东低”的空间分布特征，其中江西省整体上一直保持为低污染强度，湖北省则为高污染强度聚集区。长江中下游粮食主产区耕地面源污染强度重心变化呈现出“区间震荡”的规律，且长江中下游粮食主产区耕地面源污染强度重心迁移呈现明显的阶段特征。2009-2019年长江中下游粮食主产区耕地面源污染强度呈现出明显的空间聚集态势，总体表现为“东冷西热”的空间分布格局。因此，长江流域中游段特别是湖北省和湖南省是未来进一步推进耕地面源污染防治的重点区域，要统筹好国家粮食安全和耕地生态安全双重目标。

关键词：耕地面源污染；空间分异；迁移轨迹；冷热点分析；粮食主产区；长江中下游

中图分类号：X71；X52 文献标志码：A 文章编号：1672-2043（2024）01-0133-10 doi：10.11654/jaes.2023-0168

耕地面源污染是指在耕地利用过程中，由于农户不合理地使用化肥、农药、农膜以及其他田间有机或无机污染物质，通过地表径流、地下渗漏、挥发或残留等过程，造成的水体富营养化、土壤板结、大气酸化等生态环境污染问题和食品安全危机，现已成为全球水污染与土地退化的主要根源。党中央和国家高度重视耕地面源污染治理，出台了系列政策文件，如2015年原农业部出台了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》《到2020年农药使用量零增长行动方案》，以及后来连续7年中央一号文件均强调要加大农业面源污染治理力度，开展农业节肥节药行动，实现化肥农药使用量负增长。然而，当前中国耕地面源污染形势依然严峻，《第二次全国污染源普查公报》显示，2017年种植业污染物排放（流失）量中，氨氮达8.30万t，总氮达71.95万t，总磷达7.62万t，而地膜使用量达141.93万t，多年累积残留量118.48万t。

点源污染治理可以直接在排污口末端安装污染处理设备对污水进行处理，便可使排放水质达标，但面源污染来源复杂，迁移途径多样化，具有不确定性、分散性、隐蔽性、滞后性和潜伏性的特性，不易监测和防治。鉴于此，学术界非常重视面源污染形成机理以及时空演变规律等方面的研究。梁流涛等从理论和实证上分析了农业面源污染的形成机制；冯琳等分析了三峡库区农业面源污染时空变化特征；马军旗等分析了中国农业面源污染的空间差异与影响因素；杜鹃等对安徽怀远县农业面源污染的时空分布进行了解析。在此基础上，也有部分学者开始关注面源污染强度的重心轨迹以及集聚特征，如：丁学谦等分析了洞庭湖平原耕地面源污染迁移轨迹及冷热点空间格局；肖宇婷等分析了沱江流域总氮面源污染负荷时空演变及其转移趋势；张广纳等探究了三峡库区重庆段农村面源污染冷热点空间分布特征。上述学者从不同视角采用不同指标揭示了不同区域的农业面源污染的时空特征，对本文有很好的参考价值，但鲜有文献基于地市尺度来探讨长江中下游粮食主产区耕地面源污染的空间分异特征，揭示其迁移轨迹及冷热点空间格局。

长江中下游粮食主产区是中国重要的粮食生产基地，保护其耕地生态健康对保障国家粮食安全、生态安全和社会安全具有重大意义。然而当前长江中下游粮食主产区因农户长期不合理的农业生产行为造成了严重的耕地面源污染，使其成为中国重要的面源污染治理区域之一。鉴于此，本文以长江中下游粮食主产区为研究区域，基于市域尺度，采用清单分析法分析2009-2019年长江中下游粮食主产区各省市（州、区）耕地面源污染强度，并结合空间分析模型、重心模型和冷热点分析方法揭示2009-2019年长江中下游粮食主产区耕地面源污染时空分异特征，以期为其面源污染系统防治提供科学参考。

1研究区域与研究方法

1.1研究区域概况

长江中下游粮食主产区主要包括湖北、湖南、安徽、江西、江苏5省。长江中下游地区土壤肥沃、水网密布，农业生产资源要素丰富，是中国重要的粮食主产基地和生态功能区，也是长江经济带生态文明建设和生态功能维护的核心区域。但鉴于江苏省各地市缺少氮肥、磷肥、复合肥等关键指标统计数据，故仅以湖南、湖北、安徽、江西4省的58个市（州、区）作为研究区域（图1）。研究区域国土面积为7.047x10 km2，仅占全国的7.34％，但2019年研究区内粮食总产量为1.19x10t，占全国粮食总产量的17.94％，该区域在保护国家粮食安全方面承担着重要作用。然而高粮食产量也伴随着大量农药化学投入品的施用，导致面源污染问题不断显现，农业生态环境破坏日益严重。中国生态县以及生态乡镇建设要求化肥施用强度不得超过250 kg·hm-2，但研究区域内2019年化肥施用强度高达494.00 kg·hm-2。因此，长江中下游粮食主产区耕地面源污染治理显得尤为迫切。2019年的《中国生态环境状况公报》显示，长江中下游粮食主产区内的太湖、巢湖、鄱阳湖和洞庭湖的水质均为Ⅳ类，水质污染较为严重。因此，揭示2009-2019年长江中下游粮食主产区耕地面源污染时空分异特征具有重要现实意义。

1.2数据来源

2009-2019年湖南、湖北、安徽、江西4省58市（州、区）的耕地、化肥、农药、农膜等数据主要来源于《湖南省农村统计年鉴》（2010-2020）、《湖北省农村统计年鉴》（2010-2020）、《江西省统计年鉴》（2010-2020）、《安徽省统计年鉴》（2010-2020）以及湖南省、湖北省、江西省、安徽省的各市统计年鉴（2010-2020）。

1.3研究方法

1.3.1清单分析法

清单分析法是根据不同污染单元分别进行核算后求和的方法，其主要步骤为：确定污染源类型、识别污染单元、搜集污染单元的产排污系数以及污染物的核算。现今，清单分析法已被广泛地运用于面源污染测算领域。耕地面源污染主要包括农田化肥、农药、农用薄膜3类污染来源。鉴于此，通过测算以上3种污染物的流失或残留量来核算2009-2019年长江中下游粮食主产区各市（州、区）的耕地面源污染总量和污染强度。具体的计算公式参考赖斯芸等和陈敏鹏等采用的方法：

1.3.2重心模型

重心是区域内某种属性值在研究空间范围内某一时刻的力矩平衡点，表征该点前后左右各个方向的力量对比能够维持均衡的情况。借用重心点及其移动方向、移动距离等指标不仅可以刻画出区域地理现象的空间差异，还可以进一步探寻其动态过程及演化规律。重心模型的应用也较为广泛，包括经济重心、土地利用重心以及环境污染重心等涉及经济、社会、生态等多方面。本文利用重心模型，采用加权平均重心来分析2009-2019年长江中下游粮食主产区耕地面源污染强度的空间重心坐标及其迁移变化情况，揭示耕地面源污染动态时空演变特征，其具体计算公式为：

同时，为反映重心偏移程度，引入重心移动距离和重心移动方向公式，其公式为：

1.3.3冷热点分析

冷热点分析是一种空间聚类方法，可展现指标的高值和低值的空间聚集分布规律，并弥补相等断点分级等对空间特征分析的不足，已应用于生态系统服务价值空间异质性及面源污染空间分布格局研究中。为进一步揭示某市（州、区）的耕地面源污染强度与邻接市（州、区）的耕地面源污染强度之间的关系，引入冷热点分析，以此识别长江中下游粮食主产区耕地面源污染强度的冷点区域与热点区域，并为各地区针对性治理耕地面源污染提供参考依据。冷热点分析的公式为：

若标准化处理结果Z（G）显著为正值，说明该地区周围的值较高，呈现为高值集聚即热点区；若Z（G）显著为负值，说明该地区周围的值较低，呈现为低值集聚即冷点区。运用Arcgis10.2软件工具箱进行冷热点分析，若GiZScore值越高，颜色越趋于红色，说明该市（州、区）的耕地面源污染强度在空间上为热点区域；GiZScore值越低，颜色越趋于蓝色，说明该市（州、区）的耕地面源污染强度在空间上为冷点区域。

2结果与分析

2.1长江中下游粮食主产区耕地面源污染时间变化特征

运用式（1）和式（2）计算得到2009-2019年长江中下游粮食主产区各省和58个市（州、区）的耕地面源污染总量和耕地面源污染强度。

图2展示了2009-2019年长江中下游粮食主产区各省耕地面源污染总量时间变化特征。从整体来看，2009-2019年长江中下游粮食主产区各省耕地面源污染总量呈现出先增后降的变化趋势，耕地面源污染总量从2009年的1.18x10 t增至2012年的1.23x10 t，然后稳定降至2019年的9.97x10 t，11年间共降低了15.32％。具体来看，赣湘鄂皖四省中耕地面源污染总量位于前列的为湖北省、湖南省，其次是安徽省，江西省最低；湖北省近11年来耕地面源污染总量波动下降，从2009年的4.89x10t波动降至2015年的4.73x10t，下降幅度不大，年平均下降0.52％，然后稳定降至2019年的3.66×10 t，11年间共降低了25.05％；湖南省和整个研究区域的变化规律类似，从2009年的3.35x10t增至2012年的3.55x10t，然后稳定降至2019年的3.05x10t，11年间共降低了9.02％；江西省和安徽省的耕地面源污染总量变化规律类似，分别从2009年的1.11×10、2.42x10 t增至2013年的1.28×10、2.60×10 t，然后分别稳定降至2019年的1.06×10、2.19×10 t，11年间分别共降低了3.81％、9.69％。

图3展示了2009-2019年长江中下游粮食主产区各省耕地面源污染强度时间变化特征。从整体来看，2009-2019年长江中下游粮食主产区耕地面源污染强度的时间变化趋势与耕地面源污染总量一样，也呈现出先增后降的趋势，耕地面源污染强度由2009年的0.082 t·hm-2增至2011年的0.084 t·hm-2，然后稳定降至2019年的0.065 t·hm-2，11年间共降低了20.94％。其原因可能是2010年原农业部进一步加强了重点流域农业面源污染防治工作，采取的各项措施使得粮食主产区内到2015年主要农作物测土配方施肥技术普及率达到80％以上，化肥、农药利用率提高3个百分点；2012年党的十八大提出了生态文明建设，国务院也研究部署了土壤环境保护和农业农村面源综合治理工作，长江中下游各省作为粮食主产区，积极对面源污染进行治理。2009年，湖北省便提出了湖北四湖流域争创农业面源污染控制国家级试验区，开启筹划工作；2016年，湖南省桃源县、华容县、赫山区3个县（区）列入全国农业面源污染治理试点；2016年，国家发改委、原农业部将安徽省列入国家典型流域农业面源污染综合治理试点省；2014年，江西省便提出了治理农药面源污染的系列措施。因此，随着国家政策的落实和政府相关政策的出台，耕地面源污染强度稳步下降。具体来看，2009-2019年间，赣湘鄂皖四省耕地面源污染强度差异明显，湖北省的耕地面源污染强度均最高，其次是湖南省，再次是安徽省，江西省耕地面源污染强度最低；湖北省近11年来耕地面源污染强度波动下降，从2009年的0.148 t·hm-2波动降至2017年的0.136 t·hm-2，然后稳定降至2019年的0.113 t·hm-2，11年间共降低了23.36％；湖南省、安徽省、江西省近11年来耕地面源污染强度均呈现出先增后降的趋势，但各省到达强度顶峰的年份不同，湖南省从2009年的0.089t.·hm-2增至2010年的0.090 t·hm-2，然后稳定降至2019年的0.073 t·hm-2，11年间共降低了17.04％，安徽省和江西省分别从2009年的0.058、0.036 t·hm-2，增至2013年的0.062、0.041 t·hm-2，然后分别稳定降至2019年的0.045、0.034 t·hm-2，11年间共分别降低了23.00％、3.96％。

2.2长江中下游粮食主产区耕地面源污染空间分异特征

2.2.1耕地面源污染空间分布特征

按研究时段的前、中、后选取2009、2014、2019年3个年份来研究长江中下游粮食主产区耕地面源污染空间分布特征（图4）。利用ArcGIS软件，采用相等间隔法将长江中下游粮食主产区耕地面源污染强度分为5个等级：高污染地区（Eigt;0.20t·hm-2）、较高污染地区（0.15

2.2.2耕地面源污染重心变化分析

运用式（3）计算出2009-2019年长江中下游粮食主产区耕地面源污染强度重心坐标，并运用式（4）和式（5）计算得到2009-2019年长江中下游粮食主产区耕地面源污染强度重心移动距离和方向，根据坐标绘制2009-2019年主产区耕地面源污染强度重心迁移轨迹（图5）。

由图5可以看出，2009-2019年长江中下游粮食主产区耕地面源污染强度重心变化呈现出“区间震荡”的规律，在东南和西北两个方向上来回变动，最终在东北方向上变动。从经纬度上来说在29°39′59″N-30°12′10″N与113°31′01″E-113°54′18″E之间变动，从（30°03′36″N，113°51′56″E）迁移至（30°12′10″N，113°40′00″E），累计向西迁移了0.20°，向南迁移了0.14°，说明近11年来，长江中下游粮食主产区西南方向的耕地面源污染强度下降速度相对其他地区较为缓慢。从重心移动距离来看，耕地面源污染强度重心年均移动距离为21 413.55 m，年移动距离最小为2012-2013年的918.52 m，最大为2013-2014年的38 636.20 m，说明耕地面源污染强度在2013-2014年向东南方向有高程度的聚集。从耕地面源污染强度重心分布的位置来看，近11年来，重心均分布在湖北省的仙桃市、荆州市、咸宁市境内，说明湖北省耕地面源污染强度较大，与前文分析一致。

具体来看，从2009-2013年，耕地面源污染强度重心整体向西北方向移动，期间处于西北方向的襄阳市和荆门市等市在耕地复种指数下降情况下，为了保证粮食产量，不断提高化肥施用强度；从2014-2017年，耕地面源污染强度重心整体向东南方向移动，向长江中下游粮食主产区的中心移动，伴随着2015年中国政府提出《到2020年化肥施用量零增长行动方案》，湖北省西北部的耕地面源污染开始系统化、规模化治理，污染强度稳步下降，但是南部的咸宁市和湖南的岳阳市等耕地复种指数、灌溉指数分别从原来的2.54、0.56下降至2.14、0.46，岳阳市从原来的2.63、0.93下降至2.15、0.90，说明其对面源污染的治理还不够重视，同时为保证粮食产量提高化肥施用强度以及农膜使用强度，使得耕地面源污染强度重心向西南方向移动；从2018-2019年，耕地面源污染强度重心向东北方向移动，鄂州市、黄冈市等市的耕地面源污染强度相对于整体而言一直处于较高水平，与此同时，孝感市的安陆市、宜昌市的兴山县、岳阳市的屈原管理区等地区陆续入选农业面源污染综合治理试点项目，使得长江中下游粮食主产区耕地面源污染治理成果更为显著。

2.2.3耕地面源污染冷热点分析

图6展示了2009、2014、2019年3个年份长江中下游粮食主产区耕地面源污染强度冷热点空间格局演化状况。利用ArcGIS软件，采用自然间断分类法将热点分析输出的Z得分划分为5个等级：冷点区、次冷点区、不显著区、次热点区、热点区。由图6可知，长江中下游粮食主产区耕地面源污染呈现出明显的聚集特征，总体表现为“东冷西热”的空间格局。热点区由湖北省向湖南省蔓延，冷点区由江西省向安徽省蔓延。具体来看，安徽省的淮南市、蚌埠市以及江西省的景德镇市、南昌市、上饶市等一直处于冷点区域，并带动周围地区向冷点区与次冷点区方向发展，个数不断增加。湖北省的荆门市、孝感市、武汉市、仙桃市一直处于热点区。就数量而言，随着时间的推移，耕地面源污染强度热点区占主产区的比例逐渐降低，由15个热点区降低至10个，但次热点区个数在不断递增，主要表现为部分原热点区Z值下降，耕地面源污染得到有效控制，从热点区转变为次热点区，以及不显著区朝次热点区的演化；耕地面源污染强度冷点区占研究区域的比例逐渐升高，且冷点区与次冷点区和的占比一直高于两热点区的占比，由10个冷点区升高至15个，但次冷点区个数在不断递减，主要表现为次冷点区向冷点区的转化。

2009年，热点区均处于湖北省且与次热点区呈现空间聚集态势，呈团块状分布，其耕地面源污染强度在四省中一直位居高位，原因可能是湖北省是农业大省，气候条件温和，雨水充沛，省内有江汉平原和鄂东沿江平原等平原，土壤肥沃，适宜农作物的种植及生长，为追求更高的粮食产量，故化肥施用量较高，使得TN、TP流失量较多，从而增加了其耕地面源污染强度。2014年，热点区仍全部位于湖北省，且形成了以湖北省北部市级为核心由北向南递减的半环状，省内热点区个数降低，其原因可能为湖北省政府2011-2013年连续3年发布了关于加快全省化肥产业结构调整促进转型升级的意见，控制了化肥施用量的增长，从而在一定程度上降低了部分市级的耕地面源污染强度。但湖南省的次热点区增加了湘潭市和衡阳市，从数据上看，两市的耕地面源污染强度均有所下降，但是下降幅度相对于周围地区较小，从而呈现出从不显著区到次热点区转化的局面。2019年，湖北省的热点区数量进一步减少，形成两个热点核心区，热点核心区由湖北省向湖南省发展，湖南省开始出现热点区，呈现“带状”分布且数量突增为6个，其原因可能为湖南省的耕地面源污染强度虽然在一定程度上有所降低，但其降低比例远小于湖北省，如2019年两省行政中心均处于热点区，但武汉市近10年耕地面源污染强度下降比例为54.3％，而长沙市仅为10.8％，且省内农药、农膜等的使用量仍较高，未得到有效遏制，从而使得湖南省成为新的热点核心区。

3讨论

3.1长江中下游粮食主产区耕地面源污染指标分析

耕地面源污染主要受到化肥流失、农药农膜残留等化学投入品的影响，但也会受到人畜排泄和农田固废等的影响。人畜排泄和农田固废等污染源，不仅会产生N、P污染，同时还会产生COD污染。但鉴于当前种植业生产过程中，特别是水稻等大田作物生产过程中，使用人畜粪便的情况已较为少见，人畜粪便主要通过化粪池等污水处理设施处理后排入河流中，并未直接排入耕地中，故未考虑人畜粪便产生的影响。对于作物秸秆固体废弃物，主要采用还田、作为能源回收等途径进行处理，同时仍有焚烧行为，无法准确掌握固体废弃物对耕地产生的污染，故而不考虑固体废弃物产生的影响，未对COD进行分析。

3.2长江中下游粮食主产区耕地面源污染等级标准分析

当前对于面源污染等级没有一个统一的标准。原环境保护部在2014年印发的《国家生态文明建设示范村镇指标（试行）》中规定，农用化肥施用强度（折纯）小于220 kg·hm-2，农药施用强度（折纯）小于2.5kg·hm-2。有学者参考国家生态文明建设示范村镇指标探讨了化肥施用强度安全阈值，但同样是采用等距间隔方法来刻画区域化肥施用强度等级，这也是学界常用的方法，因此本文也采用等间隔法将长江中下游粮食主产区耕地面源污染强度进行分级，以揭示地区间耕地面源污染强度的差异性。

3.3耕地面源污染防治建议

（1）稳步推进耕地面源污染防治。整个长江中下游粮食主产区特别是湖北省和湖南省，应该基于省情合理制定本省面源污染防治方案及目标，稳步推进耕地面源污染治理，使化肥、农药、农膜等化学投入品使用量得到有效遏制，夯实化肥农药零增长行动，进一步推广节肥节药技术和测土配方施肥技术，提升地膜回收率。加强耕地面源污染监测能力，“以点带面”，以湖北省安陆市、郧阳区等以及湖南省桃源县、华容县、赫山区等面源污染综合试点区带动流域地区面源污染治理工作。

（2）统筹好国家粮食安全和耕地生态安全双重目标。长江中下游具有优越的粮食生产气候条件和良好的耕地资源，切实保护好长江中下游耕地生态安全，是稳住国家粮食安全的压舱石。强化粮食增产和绿色双重导向，在减量施肥、提高化肥农药利用率的基础上，采取培育良种药加强高标准农田建设、推进耕地集中连片建设、巩固完善农田水利设施、推行保护性耕作模式等措施，防止耕地“非粮化”“非农化”，提高绿色增产增效技术供给能力。

4结论

本文基于市级尺度，首先利用清单分析法测算2009-2019年长江中下游粮食主产区赣湘鄂皖4省各市（州、区）耕地面源污染总量与强度，进而利用空间分析法、重心模型、冷热点分析等方法揭示2009-2019年长江中下游粮食主产区耕地面源污染强度时空分异特征，得到以下研究结论：

（1）长江中下游粮食主产区耕地面源污染状况有所减轻。2009-2019年长江中下游粮食主产区耕地面源污染总量和强度总体均呈现出“先升后降”的变化趋势，湖北省的耕地面源污染强度与总量均为最高，江西省最低。

（2）长江中下游粮食主产区耕地面源污染强度表现出明显的空间差异性和聚集性。2009-2019年耕地面源污染强度总体表现为“西高东低”的空间分布特征，其中，江西省整体上一直保持为低污染强度，湖北省则为高污染强度聚集区。

（3）长江中下游粮食主产区耕地面源污染强度重心变化呈现出“区间震荡”的规律，总体累计向西迁移了0.20度，向南迁移了0.14度。受农业生产条件和国家政策等的影响，长江中下游粮食主产区耕地面源污染强度重心迁移呈现明显的阶段特征：2009-2013年，耕地面源污染强度重心整体向西北方向移动；2014-2017年，耕地面源污染强度重心整体向东南方向移动；2018-2019年，耕地面源污染强度重心向东北方向移动。

（4）长江中下游粮食主产区耕地面源污染强度呈现出明显的空间聚集态势，总体表现为“东冷西热”的空间分布格局，热点区核心由湖北省向湖南省蔓延，冷点区由江西省向安徽省蔓延，最终均呈现带状分布。