湖南省農業面源污染時空特征及其與糧食生產的脫鉤效應

覃湘，陳竹書,2，周浩，文高輝

（1.湖南師范大學地理科學學院，湖南 長沙 410081；2.益陽市煙草專賣局，湖南 益陽 413002）

農業面源污染是指農業生產和農村生活過程中產生的污染物，主要包括化肥農藥、畜禽養殖、農用地膜、固體廢棄物等[1]。作為傳統農耕大國，我國主要農業區普遍存在不同程度的農業化肥以及農膜過度使用、農業廢棄物丟置以及畜禽糞便污染等現象，由此造成如水體富營養化、土壤質量下降和大氣酸化等次生環境惡化問題[2-3]?；诖?，科學評估典型農區農業面源污染狀況、探討其與糧食生產脫鉤特點并提出相應的污染治理策略，對于提高農產品質量及保障國家糧食安全具有重要的現實意義。

相關學者及農業生產管理部門圍繞農業面源污染問題開展了大量工作。污染評估方面，多采用清單分析法、排污系數法、輸出系數模型法等[4-5]，以評估區域的農業面源污染程度狀況，或采用PNPI、DPeRS等模型[6-7]來研究農業面源污染的潛在風險。如熊娜等[8]采用單元調查法和清單分析法測算了廣西農業面源污染物排放量和排放強度，揭示農業面源污染的時空演變規律。白曉燕等[9]采用HSPF模型模擬了東江流域BOD、TN和TP非點源污染負荷的時空分布特點。但值得注意的是，在糧食安全生產背景下，由于農業面源污染治理與糧食生產存在結構性矛盾，明確面源污染治理對糧食供給保障造成的影響，解析農業面源污染與糧食產量的作用關系，對于適應性策略制定具有積極意義?！懊撱^理論”于2001年由經濟合作與發展組織OECD首次提出，經濟增長與污染排放之間是否同步變化被描述為“脫鉤”[10]，隨后Tapio等[11-12]嘗試構建彈性脫鉤系數，用于解決經濟增長與污染排放之間是否同步變化問題。當前，脫鉤分析常用于解釋經濟發展與資源環境的壓力關系、人口增長與建設用地擴張的關系等研究。如胡懷敏等[13]將Tapio脫鉤模型和LMDI因素分解法相結合，分析了長江經濟帶交通運輸業經濟發展與交通能源碳排放之間的脫鉤情況及其驅動因素。崔寧波與巴雪真[14]采用脫鉤模型評估耕地生態安全壓力與農業經濟發展脫鉤關系。但從宏觀定量尺度上，運用脫鉤理論來解釋農業面源污染與糧食產量作用關系的研究相對較少，這不利于從變化同步性上探討農業面源污染和糧食產量之間的關系，以提出針對性治理對策。

湖南省是我國重要農副產品生產基地之一，但由于高強度農業生產活動影響，該省農藥和化肥施用強度大，如2007年其農藥化肥施用強度已超過全國平均水平的38%。此外，《湖南省第二次全國污染源普查公報》顯示，湖南省的農業源總氮、總磷排放量分別為9.92萬t、1.44萬t，占全國總量的7.01%、6.80%，遠超工業源與生活源[15]，因此湖南省面臨較為嚴重的農業面源污染風險。在此背景下，本研究以湖南省為研究區，選取化肥、牲畜排泄物和農藥污染源為研究對象，采用清單分析法和脫鉤理論，從宏觀定量角度評估自2007年以來該省農業面源污染時空變化特征，并進一步揭示糧食生產與農業面源污染的脫鉤效應，以期為湖南省農業面源污染治理提供理論依據。

1 研究區概況

湖南省地處長江中游，土地面積21.18萬km2，轄長沙、株洲、常德等13個地級市和1個自治州，122個縣級行政單位。湖南省屬中亞熱帶季風濕潤氣候，光熱水資源豐富，東（幕阜—羅霄山脈）、南（南嶺山脈）、西（武陵—雪峰山脈）三面環山，境內的湘東（即指湖南省東部）多為低山平原帶，湘西和湘南以山地丘陵為主，湘中大部分為盆地及丘陵和階地，湘北為洞庭湖平原，地勢相對平坦。湖南省作為傳統農業大省，2020年糧食播種面積達840.01萬hm2，糧食總產量3015.12萬t，其中稻谷產量高達2638萬t，占當年我國稻谷總量的12.45%。湖南省經濟基礎較好，糧食生產保障程度較高，但該地區面臨著較為嚴重的農業面源污染和耕地質量下降等問題。

2 研究方法與數據來源

2.1 研究方法

2.1.1 農業面源污染排放總量核算 農業面源污染主要來源于化肥、農藥的使用以及牲畜排泄物：1）糧食生產過程中的化肥施用導致氮、磷等元素經各種途徑匯入水體和土壤中，進而引起農業面源污染?；势贩N、數量等信息，可依據湖南省統計年鑒及相關參考文獻得到[8]，復合肥中N、P2O5二種養分比例按1∶0.8計算[16]，同時依據《農業污染源肥料流失系數手冊》，每噸化肥施用量的氮排放量為0.35 t，磷的排放量為0.07 t；2）農藥大量使用使得殘余農藥通過降水徑流等方式進入水體或殘留在土壤中。農藥品種和流失率通過《第一次全國污染普查農藥流失系數手冊》獲得，農藥品種主要為吡蟲啉、毒死蜱和氟蟲氰，流失率分別為0.1904%、0.0734%和0.5459%；3）牲畜養殖產生的排泄物通過清洗糞便、降水淋溶和未經處理直接排放等方式進入水體和土壤。由于豬飼養周期小于一年，其飼養數量可用當年出欄量計算，而牛的飼養周期超過一年，按年末存欄量計算。飼養期按一年365天計，牲畜糞尿日排泄系數以及牲畜污染物含量參考相關文獻得到[8,17-18]。

2.1.2 清單分析法 清單分析是一種單獨核算不同污染要素的方法，其特點是信息可靠性高、可操作性強，能夠有效地建立污染物產生量與污染物排放量關系。本文通過確定污染源的不同類型以及污染單位，并收集污染單位的生產和排放因素，進而實現污染物核算。結合湖南省農業面源污染的來源與特征，建立化肥、農藥以及牲畜排泄物的污染排放評估體系[19-20]，以此來核算農業面源污染的排放總量和排放強度。計算公式為：

式中：E為農業面源污染的排放總量，單位為t；i為不同種類面源污染單元；PEi為污染排放量，單位為t；ρi為i的產生系數；ηi表征農藥化肥等相關資源利用效率系數；Ci為i的流失系數，由單元和空間特征（S）決定，反映了各要素對農業面源污染的綜合影響程度；EI為農業面源污染排放強度，單位為kg/hm2；AI為播種面積，單位為hm2。

湖南省化肥面源污染單元主要包括氮肥、磷肥及復合肥，農藥面源污染單元為吡蟲啉、毒死蜱和氟蟲氰，牲畜面源污染單元主要為牛和豬。3類污染排放量計算公式為：

式中：PE1、PE2和PE3依次為化肥污染排放量、農藥污染排放量和牲畜污染排放量，單位為t；PEn和PEp為氮和磷的污染排放量，單位為t；Sn、Sp和Sh依次為氮肥、磷肥和復合肥的施用量，單位為t；Qn和Qp為氮肥和磷肥的排放系數；Li為農藥流失率，%；Si為農藥使用量，單位為t；Gi為個體日產糞/尿量，kg/(d·頭)；Ni為牲畜飼養數量，單位為頭；Di為牲畜飼養周期，單位為d；Hi為牲畜尿糞污染物養分含量，%。

2.1.3 Tapio脫鉤模型 基于Tapio等[11-12]脫鉤基本理論，構建基于農業面源污染與糧食產量/牲畜年產肉（奶）的脫鉤分析模型。計算公式為：

式中：DI為脫鉤系數；y為年份；EIy、EIy-1分別為基期、末期的3類面源污染排放強度，kg/hm2；Yy、Yy-1分別為基期、末期的糧食單產，kg/hm2，或牲畜年產肉（奶）量，t；具體脫鉤狀態依次劃分為：強脫鉤、弱脫鉤、衰退性脫鉤，強耦合、弱耦合、擴張性耦合等6種狀態（表1）。

表1 湖南省農業面源污染與糧食產量的脫鉤狀態分類Table 1 Classification of decoupling status of agricultural non-point source pollution and grain production in Hunan Province

2.2 數據來源

化肥、牲畜排泄物和農藥污染數據均來自于《湖南省農村統計年鑒》（2008—2020），包括播種面積、化肥施用總量、農藥使用總量、牲畜存欄量、牲畜出欄量和資源化利用率，化肥、農藥使用品種、農藥流失率以及牲畜尿糞排泄量等參數主要參考相關文獻資料[8,17-18,21-22]；基礎行政區劃數據來自于國家基礎地理信息中心（http://www.ngcc.cn/）。

3 結果與分析

3.1 湖南省農業面源污染程度數量變化特征

2007年以來，湖南省牲畜、化肥、農藥3種污染排放強度均呈下降趨勢，農業面源污染排放控制取得了較好成效（圖1）。牲畜污染排放總量由2007年的45.38萬t降至2019年的30.90萬t，污染排放強度也由60.21 kg/hm2降到38.04 kg/hm2。其中，2016年湖南省將農業廢棄物資源化利用試點設于畜禽養殖優勢區域，該政策有效促進了牲畜糞污基本資源化利用并減少牲畜污染排放總量與強度，使得牲畜污染排放總量與強度顯著降低，且維持在穩定水平；化肥污染排放總量由2007年的165.37萬t升至2019年的167.42萬t，但其污染排放強度由219.39 kg/hm2降到了206.11 kg/hm2。農藥污染排放總量由2007年的118.96 t降為2019年的115.05 t，污染排放強度也由0.0158 kg/hm2降至0.0142 kg/hm2。農藥和化肥污染排放總量呈先增后減趨勢，農藥和化肥污染排放強度總體呈下降趨勢，其主要得益于湖南省實施的化肥、農藥零增長行動。

圖1 2007—2019年湖南省農業面源污染排放情況Fig. 1 Agricultural non-point source pollution discharge in Hunan Province from 2007 to 2019

3.2 湖南省農業面源污染程度空間分布特征

以2007年、2011年、2015年和2019年為例，采用相等間隔法將湖南省各類污染源排放強度劃分為高污染區、較高污染區、中高污染區、中低污染區、較低污染區和低污染區6個等級。對于牲畜面源污染而言，研究期內其排放強度顯著降低（圖2），但由于湘中地區多為丘陵與盆地，耕地面積相對較少，畜牧業相對種植業較發達，牲畜污染排放強度下降速度緩慢，導致污染高排放區主要集中在湘中地區及湘東地區，且逐漸向湘中地區集聚。2007年，牲畜高污染區集中分布在湘中地區，主要由于湘中地區牲畜養殖規模較大，產生的牲畜尿糞多，且耕地面積較少，污染配套設施較落后，污染承受能力遠小于其他地區。2011年無高污染區，較高污染區分別為湘潭市和婁底市，湘潭市牲畜養殖規模和耕地面積同時減小，污染排放強度下降速度較慢，而婁底市在牲畜養殖規模增加的同時，耕地面積在緩慢減少，污染程度加重。2015年，長沙市和邵陽市由中高污染區轉變為中低污染區，湘潭市和婁底市污染排放強度有所下降，但仍處于中、高污染區。2019年，除婁底市外，各市均處于“低污染區—中低污染區”區間，牲畜污染治理成效顯著，污染程度整體呈湘中＞湘南＞湘北的空間格局。

圖2 2007—2019年湖南省牲畜面源污染排放強度空間分布特征Fig. 2 Spatial distribution characteristics of livestock and poultry non-point source pollution intensity in Hunan Province from 2007 to 2019

受農業稅減免優惠和鼓勵農業發展等政策影響，湖南省2007—2014年化肥施用數量持續上漲，2014年湖南省化肥施用量占全國的14.22%，化肥污染（N、P）高達186.10萬t。2007年，化肥高污染區和較高污染區共6個，至2011年，郴州市由中高污染區降為中低污染區，懷化市與邵陽市污染排放強度等級有所提升，化肥污染治理情況依然不容樂觀。2015年，湖南省開始實施化肥零增長行動，湘中及湘東地區污染排放等級均有所降低，但至2019年，湘潭市上升為高化肥污染區，主要原因在于其化肥施用規模下降幅度小于耕地規模下降幅度，導致湘潭市的污染程度加重。相比2007年，其他地區的污染排放強度均有所下降，但分布格局仍表現出污染排放強度較高的地區在湘中、湘東地區集聚特點（圖3）。

圖3 2007—2019年湖南省化肥面源污染排放強度空間分布特征Fig. 3 Spatial distribution characteristics of fertilizer non-point source pollution intensity in Hunan Province from 2007 to 2019

研究期內，湖南省農藥污染強度等級分布區域差異較大，高污染區集中分布于湘東地區，低污染區與高污染區均有所增加，2019年農藥污染總量較2007年僅下降3.30%，農藥污染情勢仍然嚴峻（圖4）。2007年，湖南省無低農藥污染地區，同時因湘東、湘中地區農業發達 ，使得其農藥污染程度顯著高于西部。2011年，中高污染區由2個上升至5個，其大多分布在湘中。2015年后，隨著測土配方施肥和病蟲害綠色防控技術以及生態環境專項整治等措施的陸續推行，湖南省農藥污染排放強度等級有所下降，其中較高污染區已降為2個。

圖4 2007—2019年湖南省農藥面源污染排放強度空間分布特征Fig. 4 Spatial distribution characteristics of pesticide non-point source pollution intensity in Hunan Province from 2007 to 2019

3.3 湖南省農業面源污染脫鉤規律分析

3.3.1 糧食產量與化肥面源污染的脫鉤效應 湖南省糧食產量與化肥面源污染脫鉤關系呈階段性變化規律（表2）。2008—2013年，隨著湖南省化肥施用量持續增加，糧食產量成為脫鉤關系的決定性因素，受到自然因素、農業機械化水平和農戶生產經營管理等影響，湖南省糧食產量上下浮動，且糧食產量與化肥面源污染的脫鉤關系基本處于耦合狀態；2014—2019年，受農業面源污染防治政策及化肥零增長行動等影響，湖南省化肥施用量持續下降，但前期糧食增長依賴于化肥的高強度施用，導致糧食產量出現波動變化，期間內二者脫鉤與耦合狀態交替出現，穩定性較差。近年來，盡管湖南省有效控制了化肥施用量、調整化肥施用結構，糧食產量與化肥面源污染主要呈脫鉤狀態，但脫鉤關系波動較大。

表2 湖南省糧食產量與化肥面源污染脫鉤統計表Table 2 Statistical table of decoupling between grain output and fertilizer non-point source pollution in Hunan Province

3.3.2 糧食產量與農藥面源污染的脫鉤效應 2008—2010年，湖南省糧食產量與農藥面源污染的脫鉤關系均為耦合（表3），盡管農藥施用量增加，但受干旱等自然災害影響，糧食產量有所下降。2011年后，隨著病蟲害綠色防控、支持使用低殘留農藥等區域政策的陸續提出，湖南省農藥使用總量逐年下降，除2013年和2018年外，湖南省的糧食產量與農藥面源污染基本為脫鉤狀態，且其脫鉤強度由弱變強。同時由上述分析可知，湖南省農藥污染排放總量的脫鉤關系與化肥相一致，近年來湖南省農藥使用量有所下降，一定程度上影響了糧食產量，使得糧食產量與農藥使用未實現強脫鉤。

表3 湖南省糧食產量與農藥面源污染脫鉤統計表Table 3 Statistical table of grain output and pesticide nonpoint source pollution in Hunan Province

3.3.3 湖南省糧食產量與牲畜面源污染的脫鉤效應肉（奶）產量與牲畜面源污染的關系在2009年、2014—2015年、2019年均為耦合狀態，2008年、2010—2013年、2016—2018年為脫鉤狀態，其中衰退型脫鉤與弱脫鉤類型占比較大（表4）。2014—2019年，湖南省持續推進了農業廢棄物資源化利用試點工作，且由于農業供給側改革政策推行，肉（奶）供給質量有所提高，肉（奶）產量整體呈下降趨勢，肉（奶）產量與牲畜面源污染的脫鉤狀態波動變化，其中2016、2018年為衰退性脫鉤，年產肉（奶）量減少，年尿糞污染量下降，年尿糞污染量下降的幅度大于年產肉（奶）量減少的幅度，尿糞污染量與肉奶產量同步下降情形需引起農業部門重視。

表4 湖南省肉奶產量與其牲畜面源污染的脫鉤情況Table 4 Decoupling between meat and milk production and livestock non-point source pollution in Hunan Province

4 結論與建議

4.1 結論

采用清單分析法評估湖南省農業面源污染時空變化特征，運用脫鉤理論揭示其糧食生產與面源污染的脫鉤效應。得到如下主要結論：

1）研究期內，湖南省農業面源污染物的排放強度均持續降低，牲畜污染、化肥污染和農藥污染排放強度的下降幅度分別為35.16%、6.05%和10.13%，農業面源污染政策管控措施效果明顯。

2）農藥、牲畜污染排放強度空間分布特征一致，呈顯著的聚集性效應。污染高排放區主要分布在湘中、湘南以及湘東地區，化肥污染高值區逐漸向湘東地區聚集，牲畜污染高排放區在湘中地區集聚，農業污染高排放區集聚于湘東地區。

3）農業面源污染治理效果顯著，糧食生產與3類污染物排放強度均呈階段性耦合脫鉤規律，糧食生產和農業面源污染總體上表現出較好的脫鉤關系，3類面源污染與糧食產量關系均出現衰退性脫鉤。湖南省后續在保障糧食生產前提下，進一步強化農業面源污染治理工作，以促進糧食生產與農業面源污染進一步脫鉤。

4.2 建議

綜合以上結論，湖南省應充分考慮內部區域的農業面源污染類型和程度差異，制定不同污染治理措施，具體建議如下：

1）針對湘中地區，應重點關注畜禽污染治理問題，合理安排畜禽養殖規模及其空間布局，適當優化當地畜禽養殖結構，加大畜禽污染治理力度，在建立和健全大型畜禽養殖場各項配套設施的同時，建立大型病死動物的無害化處置中心；為促進畜禽廢棄物資源化利用，應鼓勵農戶全量收集和利用畜禽糞污，根據實際情況選擇合理的輸送和施用方式，推行經濟高效的糞污資源化利用模式，推廣全量機械化施用；因地制宜地制定各市畜禽養殖規模，根據各市地域特點，探索總結實用技術模式，形成各具特色的分類治理模式。

2）針對湘北地區，洞庭湖平原糧食增產對化肥大量使用具有高依賴性，應繼續實施化肥零增長行動，合理控制當地化肥施用數量，提高農戶綠色環保意識，建立有效獎勵機制，鼓勵農民多施有機肥或種植綠肥，減少化肥污染；而對于張家界等耕地面積少的地區，應在保證耕地質量前提下適度推廣輪作休耕等種植結構模式以恢復耕地地力。

3）針對湘東地區，應嚴格控制農藥用量，實現農藥使用總量逐年下降，同時加強農地綜合整治，采用新型無公害農藥或利用物理、生物技術防治害蟲，提高作物產品的經濟系數，在實現糧食增產的基礎上減少農藥污染，鼓勵示范和推廣農藥減量和蟲害防治技術。同時，加強農藥面源污染監測工作，在各地尤其是衡陽市建設數據采集站，實時分析各地農藥施用情況，并提出相應防治政策。

本文主要研究結論與陳素瓊和劉忠敏[23]關于湖南省典型區域的農業面源污染研究結論基本一致，表明了清單分析法和脫鉤模型在農業面源污染特點分析中具有較好可行性。但仍需指出的是，農業面源污染程度受自然因素影響較大[24]，而由于湖南省地形復雜、降雨量年際變化大，使得本文選取的流失系數與實際情形可能存在偏差，后續需結合湖南省自然、社會狀況來對流失系數進行修正調整；同時本文在污染核算中主要考慮化肥施用、農藥使用和畜禽排泄的影響，而農業面源污染組成成分豐富[25]，應進一步強化其他類型污染源的農業面源污染問題，以更客觀表征湖南省農業面源污染狀況。