基于GIS的鄂州市氮、磷農業面源污染時空分布研究

翟正麗， 許立祥,2， 周祖昊， 劉佳嘉

(1.中國水利水電科學研究院，北京 100038； 2.華北水利水電大學，河南 鄭州 450011)

1 研究背景

農業面源污染是指在農業生產過程中不合理的農藥、化肥、農膜以及畜禽糞便、生活垃圾等對農業和農村生態環境所造成的大面積污染[1-2]。早在20世紀30年代，國際上就提出了面源污染這一概念。60年代，國內外學者們對于面源污染才有了全面的認識并對其進行了研究[3]。70年代，面源污染開始受到西方國家的廣泛關注，并認為農業面源污染是導致地表水體污染的主要原因，為了了解農業面源的物理、化學過程，國外學者開發了農藥輸移和徑流模型等檢測與評估模型。80年代，農業面源污染的研究轉向如何管理與控制，從而減輕對地表水的污染負荷。90年代隨著“3S”技術的發展，部分學者將“3S”技術引入到對面源污染的分析當中，從而更好地分析面源污染中的氮、磷等污染物的遷移轉化，有助于對面源污染的機理研究。研究表明，氮、磷已經成為農業面源污染當中最重要的污染源。在我國，兩者的貢獻率已經超過了57%、67%[4]。近年來，通過對我們國家的25個湖泊進行調查，發現氮、磷污染已經成為水體污染的核心問題[5]。黃滿湘等[6]研究發現植被覆蓋可一定程度上減少氮等污染物的流失。國內在農業面源污染的空間分布上，運用GIS技術來分析的案例比較少[7-8]。目前，農業面源污染已經嚴重影響我國農村生活的生態環境，在新時期，如何加強對面源污染的治理已經成為一個重要的話題。

農業生產收入是鄂州市當地居民的主要收入之一[9]。近年來，隨著經濟的發展，鄂州市的環境也受到嚴重的污染，農業面源污染日益嚴重，已經成為制約鄂州市經濟發展的一大瓶頸。因此，對鄂州市農業面源污染的機理研究與治理已經刻不容緩。本文以鄂州市鄉鎮為計算單元，在分析近5年的農藥、化肥施用量以及畜禽養殖場的畜禽排泄量的基礎上，預測2020、2030年農業面源污染的污染情況，并利用GIS對全市分鄉鎮的計算結果進行空間化、數字化的展布，從展布的效果對農業面源污染進行空間、時間的分析，為鄂州市農業面源污染的治理提供參考。

2 資料與方法

2.1 研究區域概況

鄂州市位于湖北省東南部，長江中游南岸，地跨東經 114°32′～115°05′，北緯 30°01′～30°36′，西接“九省通衢”武漢，東連“礦冶之城”黃石，北與黃岡隔江相望，南同咸寧瀕湖毗鄰。鄂州地理位置極為優越，距省會武漢市僅 60 km，東至上海，西達重慶的水路距離均在 1 100 km 左右。鄂州處于武漢城市圈的核心層，充分享有武漢大都市的經濟輻射，部分地區已與武漢形成半小時經濟圈，整個鄂州也即將與武漢形成一小時經濟圈。

鄂州市現轄鄂城、華容、梁子湖3個縣級行政區和葛店、鄂州兩個經濟開發區，以及鳳凰、古樓、西山3個直管街道。鄂城區轄汀祖、碧石渡、澤林、燕磯、杜山、花湖、楊葉、長港等8個鎮和花湖新城(花湖鎮、楊葉鎮、沙窩鄉)、主城區(鳳凰、古樓、西山直管街道、新廟鎮、鄂州開發區)；華容區轄葛華新城(華容、廟嶺、葛店開發區)、段店鎮和臨江、蒲團2個鄉；梁子湖區轄東溝、太和、涂家垴、沼山、梁子等5個鎮(如圖1)。鄂州市屬亞熱帶季風氣候區，初夏多雨，秋伏干旱。全年日照2 038 h，年平均氣溫17.1℃，年平均降雨量1 323.1 mm，降雨總量18.85×108m3。

鄂州市水系發達，河網密度0.381 km/km2，市級層面上，水域所占國土比重居全國第一位。農田、人口主要分布在30 m高程線以下，地市低洼，面源污染容易產生。近年來，鄂州市農業種植中的農藥、化肥的施用并不合理，平均施肥量為1 535.7～2 057.7 kg/hm2，遠遠超出了我國化肥、農藥平均使用強度375 kg/hm2。此外，養殖場的畜禽糞便的處理方式一般為自然堆積，并未實施雨污分流措施，這對鄂州市的土壤、水體、大氣、居民生活環境等都造成了嚴重的污染。

2.2 數據源

本次研究所需要的耕地、農藥、化肥折純量、畜禽存出欄量等原始數據均來自于2010-2015年《鄂州市統計年鑒》，部分數據來源于前人發表的文獻以及有關部門標準，見表1。

2.3 研究方法

以鄂州市鄉鎮為計算單元，以前人研究的成果與國家標準化產污系數為基礎，通過Excel軟件對年鑒中的農藥、化肥、非規模養殖畜禽數據進行處理，并將處理后的數據鏈接到GIS當中，利用鄂州市分鄉鎮GIS底圖對處理結果按照污染強度進行展布。

對于農藥、化肥源，從鄂州市農業局得到2015年鄂州市農藥、化肥折純量為87 464 t，其中氮肥、磷肥、鉀肥、復合肥分別為35 010、25 286、10 540、16 628 t。農藥、化肥污染中TN、TP、氨氮污染的產生系數有關資料以及鄂州市農田徑流監測結果表明，氮肥、磷肥在土壤中的平均殘留率分別為30.3%、13.2%，地面徑流率分別為9.5%、5.3%，地下淋溶率分別為0.54%和0.75%[10]。在此基礎上計算鄂州市農業面源污染當中的農藥、化肥污染入河量，并按照統計年鑒中化肥、農藥近5年的變化趨勢預測2020、2030年化肥的折純量。

表1 2010-2015年鄂州市耕地及化肥、農藥施用量變化

對于畜禽養殖源，從《2015年鄂州市統計年鑒》中查閱到規模、非規模畜禽養殖數量(牛、羊、豬、家禽等存出欄數)，2015年鄂州市牲豬、家禽、牛、羊規模養殖數為895 950頭、6 790 000只、8 490頭、15 490頭，牲豬、家禽、牛、羊非規模養殖數為250 843頭、8 898 325只、1 330頭、1 152頭。單只畜禽養殖產污系數見表2，畜禽養殖源污染物的產生可以通過下式估算[11]：

Wi=Qi·ai

(1)

式中：Wi為畜禽養殖源的污染物產生量，t/a；Qi為第i種畜禽的數量；ai為第i種畜禽每頭(只)糞便中污染物的產生系數，kg/a。

按照《“十三五”環保約束性指標管理辦法》中2015年主要水污染物總量減排核算細則中有關畜禽糞便排泄系數的數據進行計算，根據鄂州市關于畜禽養殖的規劃，到2020年，非規模畜禽養殖場由于污染入河量較大，應采取關停措施，2020、2030年規模養殖場的養殖規模按照近6年畜禽養殖變化趨勢預測，并按照排泄系數計算污染物的產生量。畜禽養殖入河系數通過查閱文獻以及對鄂州市部分畜禽污染物入河調查，綜合確定后取0.002，非規模入河系數來源于2000年全國污染調查中長江區非點源污染入河系數[12]，其中CODCr系數為0.136，氨氮系數為0.1，TN系數為0.19，TP系數為0.112。

表2 蓄禽養殖氮、磷產污系數表

3 結果與分析

3.1 農藥、化肥污染

隨著農業的發展，鄂州市農藥、化肥的施用量呈逐年減少的趨勢，本次對未來水平年化肥、農藥施用量按2010-2015年農用化肥、農藥折純率-6.15%計算，由統計數據顯示，2015年為鄂州市化肥、農藥施用量最低的一年，現階段鄂州市耕地面積為56 953.33 hm2，平均施肥量達到1 535.7 kg/hm2，嚴重超出發達國家為防止化肥、農藥對水體造成污染而設置的 225 kg/hm2的警戒線?？梢?，鄂州市化肥、農藥的施肥情況存在著嚴重的不合理情況，不合理的施肥導致氮、磷等富營養化物質隨著降雨后的徑流流入河湖、水庫等，給鄂州市地表水造成了嚴重的污染，更為嚴重的是，根據國內學者的有關研究，當氮素的施肥量超過150～200 kg/hm2時，化肥、農藥中的氮素很有可能會溶于雨水和灌溉水中進入到河流和湖泊中，或者通過通過地下淋溶的方式轉移到地下水中引起硝酸鹽污染[13]。針對目前鄂州市化肥、農藥的不合理施用情況，鄂州市農業部門有必要有針對性的提出各種不同農作物的合理施肥建議，從而減輕化肥、農藥對鄂州市水體的污染。2015年鄂州市化肥、農藥產生的總氮、總磷入河總量分別為2 850.04、1 305.59 t；2020年總氮、總磷入河總量分別為2 382.03、850.78 t；2030年總氮、總磷入河總量分別為1 590.74、503.84 t。

3.2 畜禽養殖污染

由鄂州市分鄉鎮規模養殖場、非規模養殖畜禽數量以及《“十三五”環保約束性指標管理辦法》中2015年主要水污染物總量減排核算細則中有關畜禽糞便排泄系數得出2015年畜禽養殖總氮、總磷的產生量，結合2000年全國污染調查中長江區非點源污染入河系數得出總氮、總磷的入河量?！吨袊虚L期食物發展戰略》、《全國畜牧業發展第十三個五年規劃》等都要求畜禽養殖業仍要繼續增長，滿足更多的需求[14]，2015-2030年畜禽養殖業必定對水體環境帶來更大的污染負荷。為了減輕未來畜禽養殖對鄂州市環境污染的壓力，采取有效措施減少污染。查閱《2015年鄂州市統計年鑒》，得到近5年鄂州市畜禽平均增漲比例，以此預測2020、2030年鄂州市分區畜禽數量。豬、羊增長率為1.2%，牛的增長率為2.36%，家禽增長率為1.96%。結果顯示，2015年鄂州市畜禽規模養殖場總氮、總磷入河總量分別為146.25、55.35 t；非規模養殖場總氮、總磷入河總量分別為471.93、296.36 t；2020年畜禽規模養殖場總氮、總磷入河總量分別為313.17、45.59 t；2030年畜禽規模養殖場總氮、總磷入河總量分別為604.37、145.75 t。

4 討 論

4.1 化肥、農藥氮磷入河量分布

未來水平年鄂州市通過減少化肥、農藥的施用量，對不同農作物進行合理施肥，能夠大幅度的減少污染物的入河量。呂俊[15]通過對杭州市水環境容量的計算，并運用GIS對污染物入河量效果進行了展布。本文通過對鄂州市不同水平年農業污染物入河量的計算，運用GIS對不同水平年污染物入河量進行展布[16-17]，得到 2015、2020、2030年污染物入河量的效果圖，如圖2、3所示。由展布的效果來看，2015年化肥、農藥源污染主要集中在葛華新城以及涂家垴兩處，2020、2030年通過減少農藥、化肥的使用以及對農作物的合理施肥來減少氮、磷污染物的入河。此外，鄂州市積極推廣農田氮磷流失攔截工程，通過灌排分離，將排水渠改造為生態溝渠，針對不同灌區的排水特點，合理設計生態溝渠的規模與形式，對農田損失的氮磷養分進行有效攔截，以控制氮、磷污染物的入河量。未來水平年總氮、總磷的入河量大幅度減少，表明鄂州市對減少化肥、農藥源中的氮、磷污染物入河量的措施是行之有效的。

圖1鄂州市三區及鄉鎮行政劃分

圖2鄂州市不同水平年農藥、化肥總氮入河量效果圖

4.2 畜禽養殖氮磷入河量分布

通過對不同水平年蓄禽養殖業污染物入河量計算，運用GIS對入河量的結果進行展布得到 2015、2020、2030年蓄禽養殖源污染物入河量的效果圖，如圖4、5所示。

從展布的效果來看，2015年畜禽養殖源污染物主要集中在葛華新城、太和、沙窩、楊葉、花湖幾個鄉鎮，這是由于這幾個鄉鎮非畜禽養殖數量較多，2020、2030年在規模養殖場養殖規模繼續擴大的條件下，鄂州市通過對非規模養殖場采取關停措施，能夠有效的減少畜禽排泄物中總氮、總磷的入河量。在規模養殖增加的前提下，畜禽養殖污染物入河量明顯減少，說明鄂州市的非規模養殖業對水體污染占畜禽養殖業的比重較大，未來水平年鄂州市采取的關停非規模養殖場的措施對于緩解污染物入河量有著顯著的效果。

圖3鄂州市不同水平年農藥、化肥總磷入河量效果圖

圖4鄂州市不同水平年畜禽養殖總氮入河量效果圖

圖5鄂州市不同水平年畜禽養殖總磷入河量效果圖

5 結 論

(1)從時間尺度上來看，在合理施肥的條件下，逐年減少農藥、化肥的施用量，未來水平年能夠大幅度減少污染物中氮磷的入河量；從空間尺度上，葛華新城、涂家垴鎮的農藥、化肥污染物在未來水平年削減最多。

(2)未來水平年鄂州市在保證畜禽產量增加的條件下，采取關停非規模養殖場的措施，能夠減少畜禽排泄物中氮磷污染物的入河量。

(3)畜禽養殖業2030年比2020年污染物入河量略有增加，這是由于規模養殖的畜禽數量上逐年增加。

本文以鄂州市農業污染源為研究對象，詳細論述了農業的污染源的產排過程，希望為鄂州市農業面源污染的防治提供幫助。