陜西省農業面源污染時空特征及污染源

蒙小俊 王昕婕 朱妮 葛光環

蒙小俊，王昕婕，朱 妮，等. 陜西省農業面源污染時空特征及污染源［J］. 湖北農業科學，2024，63（2）：224-231．

摘要：為明確陜西省農業面源污染時空特征、重點污染源、污染區域和11個地市區的污染類型。利用輸出系數法（ECM）對2010—2019年陜西省11個地市區的農業面源污染總氮（TN）和總磷（TP）的污染負荷進行估算，采用等標污染負荷法對污染源進行評價，通過快速聚類法劃分11個地市區農業面源污染類型。結果表明，2010—2019年陜西省農業面源污染TN和TP污染負荷呈先升后降的趨勢，2019年TN和TP污染負荷最低，分別為129 027.14、13 872.84 t；2019年陜西省畜禽養殖、農業種植和農村生活等標污染負荷比分別為20.923%、60.130%和18.947%；不同污染源TN和TP的等標污染負荷空間分布具有很強的一致性，11個地市區農業面源污染等標污染負荷比由大到小依次為榆林市（16.94%）、漢中市（15.42%）、安康市（13.06%）、渭南市（12.93%）、咸陽市（9.28%）、商洛市（8.31%）、寶雞市（8.18%）、延安市（7.03%）、西安市（6.89%）、銅川市（1.74%）、楊凌示范區（0.24%）；11個地市區農業面源污染分為農業種植污染主導型、農業種植+農村生活污染主導型、農業種植+畜禽養殖污染主導型、混合污染型4種污染類型。

關鍵詞：面源污染；時空特征；污染負荷；等標污染負荷；污染源；陜西省

中圖分類號：X522? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2024）02-0224-08

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.02.034 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

The temporal and spatial characteristics and pollution source of agricultural non-point source pollution in Shaanxi Province

MENG Xiao-jun， WANG Xin-jie， ZHU Ni， GE Guang-huan

（School of Tourism and Environment， Ankang University， Ankang? 725000， Shaanxi， China）

Abstract： In order to clarify the spatiotemporal characteristics， key pollution sources， pollution areas， and pollution types of the agricultural non-point source pollution in Shaanxi Province， the export coefficient method （ECM） was used to estimate the pollution load of total nitrogen （TN） and total phosphorus （TP） in 11 urban areas of Shaanxi Province from 2010 to 2019， and the equal standard pollution load method was adopted to evaluate the pollution sources. The 11 urban areas were divided into agricultural non-point source pollution types using the rapid clustering method.The results showed that from 2010 to 2019， the agricultural non-point source pollution TN and TP pollution load in Shaanxi Province showed a trend of first increasing and then decreasing. In 2019， the pollution load of TN and TP were the lowest， at 129 027.14 and 13 872.84 t， respectively；in 2019， the equal standard pollution load ratios for livestock and poultry breeding， agricultural planting， and rural life in Shaanxi Province were 20.923%， 60.130% and 18.947%， respectively；the spatial distribution of equal standard pollution load for different pollution sources TN and TP showed strong consistency. Among the 11 urban areas， the equal standard pollution load ratios for the agricultural non-point source pollution in descending order were Yulin City （16.94%）， Hanzhong City （15.42%）， Ankang City （13.06%）， Weinan City （12.93%）， Xianyang City （9.28%）， Shangluo City （8.31%）， Baoji City （8.18%）， Yanan City （7.03%）， Xian City （6.89%）， Tongchuan City （1.74%）， and Yangling Demonstration Zone （0.24%）；the agricultural non-point source pollution in 11 urban areas could be divided into four types： agricultural planting pollution dominant type， agricultural planting+rural life pollution dominant type， agricultural planting+livestock and poultry breeding pollution dominant type， and mixed pollution type.

Key words： agricultural non-point source pollution；temporal and spatial characteristics；pollution load；equal standard pollution load； pollution source； Shaanxi Province

農業面源污染治理是新時代美麗中國建設的內在要求，同時也是實施鄉村振興的關鍵舉措。與點源相比，農業面源防治難度更大，已成為許多地區水環境問題的重要原因^［1］，全球范圍內近50%的地表水資源已經受到面源污染的影響^［2］，農業面源污染是造成中國水污染的重要原因。農業面源排放的氮磷在水體中富集是導致水體富營養化和水環境惡化的主要原因，水體富營養化是面源污染導致的突出環境問題之一。

農業面源污染防控的前提是需對其負荷及時空變化等特征進行科學高效精準的評估。然而，農業面源污染源分散、面廣、來源和途徑復雜，污染發生的時間和空間具有隨機性和不確定性^［3，4］。污染物的來源及其傳輸過程監控難度大，因此需要使用模型模擬的方法對農業面源污染進行分析^［5］。常用的農業面源污染模型類型很多，包括土壤和水分評價工具（Soil and water assessment tool，SWAT）、暴雨管理模型（Storm water management model，SWMM）、流域水文模型（Hydrological simulation program fortran，HSPF）、農業政策環境擴展模型（Agricultural policy environmental extender model，APEX）、農業非點源污染模型（Annualized agricultural non-point source model，AnnAGNPS）、長期水文影響分析（Long term hydrologic impact analysis，LTHIA）和輸出系數法（Export coefficient method，ECM）等模型，其中SWAT和ECM 2個模型在中國應用較廣泛^{［2，6］}。鄒凱波等^［7］基于SWAT模型構建了新疆烏倫古河流域面源污染分布式水文模型，建立的SWAT模型能夠用于該流域農業面源污染負荷模擬；藍雪春等^［8］利用SWAT模型來分析湖漫水庫面源污染負荷，結果表明，2011—2018年湖漫水庫的總氮（TN）和總磷（TP）年際流失量均是2014年最大，分別為20.85、1.65 t。TN年內流失量最大值在5月，TP在6月，分別為2.20、0.16 t。盧少勇等^［9］運用ECM評價2010年和2014年洞庭湖區TN、TP輸出負荷，分別為104 556.90、12 719.02 t和103 643.71、13 032.79 t；唐肖陽等^［10］運用ECM估算2015年漢江流域范圍內13個地市的農業面源污染TN、TP污染負荷，分別為17 9127、26 975 t。相比SWAT模型，ECM模型結構簡單，參數少，因效率與精度均高的優勢，使得美國國家環境保護局及中華人民共和國生態環境部都將ECM模型作為農業面源污染負荷核算的推薦方法^{［11，12］}。

陜西省是中國重要的糧食和北方水果主產區，該區域面臨農業面源污染帶來的重大風險。研究表明，2016年陜西省化肥施用強度達799.48 kg/hm²，屬于高度過量水平，施肥風險指數為0.76，化肥施用風險總體屬于重度風險等級，關中地區風險最大，陜南地區次之，陜北地區最小^［13］。陜西省農業面源污染防控對黃河和長江經濟帶社會發展至關重要，已成為限制農業綠色可持續發展的重要因素。耕地、果園面積大幅度增長，農村地區畜禽養殖業的迅速發展和生活排污是造成農業面源污染的主要因素^［14］，但是目前關于陜西省農業面源污染現狀的研究較少。本研究以陜西省11個地市區為研究對象，采用ECM模型估算2010—2019年陜西省農業種植（耕地和園地）、畜禽養殖和農村生活TN、TP的污染負荷，運用等標污染負荷法對TN、TP的污染負荷進行評價，并對11個地市區污染類型進行劃分，以期為陜西省農業面源污染防治提供理論支持。

1 研究區概況與方法

1.1 研究區概況

陜西省橫跨黃河、長江兩大水系，是連接中國東、中部地區和西北、西南地區的重要樞紐，位于105°29′—111°15′E，31°42′—39°35′N（圖1）；東西窄，南北狹長，縱跨中溫帶季風氣候區、暖溫帶季風氣候區和北亞熱帶季風氣候區3個氣候帶，多樣的自然地理條件形成了三大主要的農業類型區，即關中-旱作農業類型區、陜南-旱稻兼作農業類型區及陜北-農牧結合農業類型區^［15］。南北氣候差異較大，降雨量南多北少，陜南地區為濕潤區，關中地區為半濕潤區，陜北地區為半干旱區。陜西省年均降雨量340～1 240 mm，年均溫度9～16 ℃。

1.2 研究方法

1.2.1 污染負荷估算 ECM模型考慮土地利用分類，結合畜禽數量和分布及農村居民非點源污染物排放，能較準確估算氮磷負荷^［9］。本研究采用ECM估算陜西省各地市區TN和TP的污染負荷，計算公式如下^{［9，10］}：

式中，L_j為污染物j在區域的負荷（kg）；E_ij為污染物j在區域i種土地利用類型的輸出系數或牲畜、人口的輸出系數；A_i為第i種土地利用類型面積（hm²）或牲畜（頭）、人口數量（萬人）；p為由降雨輸入的營養物質總量（kg），因降雨影響較小，此項一般可忽略不計；n為污染源數量。

耕地、果園面積大幅度增長，農村地區畜禽養殖業的迅速發展和生活排污是造成農業面源污染的主要因素^［14］，結合陜西省實際情況，本研究的農業面源污染源考慮農業種植、畜禽養殖和農村生活這3大類污染源，其中農業種植土地類型主要考慮水田、旱田和園地3種類型，畜禽養殖主要考慮牛、羊、豬和家禽4種類型。

運用ECM的關鍵在于確定模型E_ij輸出系數，而輸出系數受各種因素的影響，如地形、降雨量和土壤類型等。鑒于陜西省無實測輸出系數，農業種植TN和TP的輸出系數參考文獻^{［9，10］}，將國內不同研究區域結果的平均值作為陜西省不同農業土地利用類型的輸出系數。畜禽養殖和農村生活TN和TP輸出系數分別參照《畜禽養殖業源產排污系數手冊》和中華人民共和國生態環境部推薦的輸出系數^［9］。各污染源TN和TP輸出系數見表1。

1.2.2 污染負荷評價方法 采用等標污染負荷來綜合評價不同污染物或污染源對環境潛在污染能力的大小，將不同污染物在一定尺度上進行比較，以確定主要污染源或主要污染物^［16］，本研究采用GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅱ類和Ⅲ類水質標準，漢中市、安康市和商洛市采用Ⅱ類水質標準，其他地市區采用Ⅲ類水質標準。計算公式和過程詳見參考文獻^［17］。

1.2.3 污染類型劃分方法 為因地制宜地開展農業面源污染防治，利用SPSS聚類分析法對陜西省農業面源污染進行分類，聚類對象為不同地市區各污染源的等標污染負荷比。

1.2.4 數據來源 分析陜西省11個地市區的農業面源氮磷污染，數據包括耕地（水田和旱地）面積、園地面積、牛、羊、豬、家禽和農村人口數量。以上所有數據來源于2010—2019年《陜西省統計年鑒》及陜西省各地市區統計年鑒。

2 結果與分析

2.1 污染負荷及時間特征分析

利用ECM模型估算了2010—2019年陜西省農業面源污染中農業種植、畜禽養殖和農村生活3類污染源TN和TP的污染負荷，圖2和圖3分別為TN和TP污染負荷時間特征。

2010—2019年陜西省農業種植、畜禽養殖和農村生活TN污染負荷分別為83 931.28～90 843.58 t、16 966.48～26 988.47 t和24 119.00～31 919.03 t，3種污染源TN污染負荷為129 027.14～14 2481.75 t；農業種植和畜禽養殖TN污染負荷隨時間推移先升高后降低，而農村生活TN逐年降低，3種污染源TN污染負荷變化趨勢與農業種植TN污染負荷基本相同，其中農業種植TN污染負荷 2017年達最大，為90 843.58 t，畜禽養殖2014年達最大，為26 988.47 t，3種污染源TN污染負荷2017年最大，為142 481.75 t，2019年最小，為129 027.14 t。

2010—2019年陜西省農業種植、畜禽養殖和農村生活TP污染負荷為13 872.84～16 597.20 t，其中農業種植、畜禽養殖和農村生活TP污染負荷分別為6 928.88～7 612.15 t、4 200.65～6 515.19 t和2 442.43～3 232.31 t；3種污染源TP污染負荷隨時間變化趨勢和TN污染負荷時間特征基本一致。

綜合圖2和圖3可以看出，2010—2019年陜西省農業面源污染TN和TP污染負荷均呈先升高后降低趨勢，2019年降至最低；農村生活TN和TP污染負荷均呈逐年降低趨勢，這種變化趨勢與陜西省城鎮化不斷加快和政府高度重視農業面源污染的防治工作密不可分。2010—2019年陜西省城鎮人口比重為45.70%～61.28%，逐年升高。研究表明，城鎮化對化肥面源污染產生了持續穩定的負向影響，即城鎮化緩解了農業面源污^染［18］。同時，國家相關部門出臺了一系列農業面源污染治理的政策性措施。2021年3月中華人民共和國生態環境部和農業農村部聯合印發了《農業面源污染治理與監督指導實施方案（試行）》，明確了“十四五”至2035年重點區域農業面源污染防治的工作目標和主要任務，對面源污染的監測和評估提出了更高的要求。

2.2 污染負荷及空間特征分析

表2和表3分別為2019年陜西省11個地市區不同污染源TN和TP污染負荷及其貢獻率。2019年陜西省農業面源污染TN和TP污染負荷分別為129 027.13 t和13 872.84 t，TN貢獻量約為TP 的9倍，TN/TP在5～10，與以往研究結果一致^［16］。

由表2可知，不同污染源TN污染負荷為? ? ? ? ? ?2 003.23～70 177.56 t，對TN的貢獻率大小表現為旱地（54.39%）>農村生活（18.69%）>園地（11.32%）>牛（7.14%）>豬（2.79%）>水田（2.44%）>家禽（1.68%）>羊（1.55%），其中旱地TN污染負荷最高；11個地市區TN污染負荷為355.85～27 660.36 t，對TN的貢獻率大小表現為榆林市（21.44%）>渭南市（15.86%）>咸陽市（11.34%）>寶雞市（9.99%）>漢中市（8.86%）>延安市（8.78 %）>西安市（8.72%）>安康市（7.64%）>商洛市（4.92%）>銅川市（2.17%）>楊凌示范區（0.28%），榆林市、渭南市和咸陽市3個地市TN污染負荷分別為27 660.36、20 465.84、14 627.84 t，TN貢獻率為48.64%，楊凌示范區最低，TN污染負荷僅為355.85 t。

由表3可知，不同地市區TP污染負荷貢獻率大小表現為榆林市（19.49%）>渭南市（15.81%）>咸陽市（11.44%）>漢中市（10.53%）>寶雞市（10.06%）>安康市（8.67%）>延安市（8.30%）>西安市（7.92%）>商洛市（5.41%）>銅川市（2.05%）>楊凌示范區（0.32%），榆林市、渭南市和咸陽市3個地市TP污染負荷分別為2 704.36、2 192.73、1 587.50 t，3種污染源TP貢獻率為46.74%。旱地、水田、園地、農村生活和畜禽養殖TP污染負荷分別為5 012.68、268.15、1 948.93、2 442.42、4 200.66 t；不同污染源TP污染負荷貢獻率大小表現為旱地（36.13%）>農村生活（17.61%）>園地（14.05%）>牛（10.98%）>豬（9.80%）>家禽（6.67%）>羊（2.83%）>水田（1.93%）。

綜合表2和表3可以看出，陜西省2019年農業面源污染TN污染負荷以農業種植和生活污染為主，TN污染負荷貢獻率分別為68.15%、18.69%；TP污染負荷以農業種植和畜禽養殖為主，TP污染負荷貢獻率分別為52.11%、30.28%；旱地和農村生活的TN污染負荷貢獻率為73.08%；旱地和畜禽養殖的TP污染負荷貢獻率為66.41 %；TN和TP污染負荷具有空間分布的一致性，即榆林市、渭南市和咸陽市貢獻率較高，漢中市、寶雞市、安康市、延安市和西安市居中，商洛市、銅川市和楊凌示范區較低?；诖?，陜西省農業面源污染應將重點放在旱地、農村生活和畜禽養殖上，重點防控的地市為榆林市和渭南市。

2.3 陜西省農業面源污染負荷評價

2.3.1 陜西省TN/TP等標污染負荷分析 利用等標污染負荷法計算2019年陜西省農業面源污染貢獻率，結果如表4所示。2019年陜西省農業面源污染等標污染負荷為243.101×10⁹m³，低于2015年漢江流域農業面源污染等標污染負荷^［10］。畜禽養殖、農業種植和農村生活等標污染負荷分別為50.864×10⁹、146.176×10⁹、46.061×10⁹m³，對應的等標污染負荷比分別為20.923%、60.130%和18.947%，說明陜西省的首要農業面源污染源是農業種植。

畜禽養殖、農業種植和農村生活TN等標污染負荷分別為22.612×10⁹、103.478×10⁹、30.578×10⁹m³，對應的等標污染負荷比分別為14.432%、66.050%、19.518%，農業種植中旱地等標污染負荷比最大，為51.174%，說明陜西省面源污染的TN主要來源于旱地，其次為農村生活和畜禽養殖；畜禽養殖、農業種植和農村生活TP等標污染負荷分別為28.252×10⁹、42.698×10⁹、15.483×10⁹m³，對應的等標污染負荷比分別為32.687%、49.400%和17.913%，農業種植中旱地等標污染負荷比最大，為33.127%，說明陜西省面源污染的TP主要來源于旱地，其次為畜禽養殖和農村生活。

2.3.2 陜西省TN/TP等標污染負荷空間分布 圖4和圖5分別為2019年陜西省11個地市區農業面源污染TN和TP的等標污染負荷空間分布格局。在空間分布上，TN和TP的等標污染負荷空間分布有很強的一致性，即TN和TP等標污染負荷較高的地市為漢中市、榆林市、安康市和渭南市；TN和TP等標污染負荷居中的地市為西安市、延安市、商洛市、寶雞市和咸陽市；銅川市和楊凌示范區TN和TP等標污染負荷較低。

由圖4、表5可知，11個地市區TN的等標污染負荷大小表現為榆林市>漢中市>渭南市>安康市>咸陽市>寶雞市>商洛市>延安市>西安市>銅川市>楊凌示范區。榆林市、漢中市、渭南市和安康市TN等標污染負荷比分別為17.65%、14.60%、13.06%和12.59%，4地市TN等標污染負荷比為57.90%，銅川市和楊凌示范區TN等標污染負荷比分別為1.79%和0.23%，2地市TN等標污染負荷比為2.02%。位于漢江流域的漢中市、安康市和商洛市3地市的TN等標污染負荷比為35.29%；位于渭河流域的西安市、銅川市、寶雞市、咸陽市、楊凌示范區和渭南市6地市的TN等標污染負荷比達39.83%。漢江和渭河分別為長江和黃河的支流，漢江和渭河流域農業面源污染TN等標污染負荷比為75.12%。

由圖5、表5可知，11個地市區TP的等標污染負荷大小表現為漢中市>榆林市>安康市>渭南市>咸陽市>商洛市>寶雞市>延安市>西安市>銅川市>楊凌示范區。漢中市、榆林市、安康市和渭南市TP等標污染負荷比分別為16.89%、15.64%、13.92%和12.68%，4地市TP等標污染負荷比為59.13%，漢江和渭河流域TP等標污染負荷比分別為39.49%和38.19%。漢江和渭河流域農業面源污染TP等標污染負荷比為77.68%。

2.3.3 陜西省11個地市區不同污染源等標污染負荷空間分布 進一步將污染源劃分為水田、旱地、園地、畜禽養殖和農村生活5類污染源，分析得到2019年陜西省11個地市區不同污染源TN和TP等標污染負荷空間分布，結果如表6所示。11個地市區中旱地TN等標污染負荷均較大；除漢中市和安康市外，各地市區的水田TN等標污染負荷均較??；畜禽養殖TN等標污染負荷較大的地市為漢中市、安康市、榆林市和寶雞市；園地TN等標污染負荷較大的地市為榆林市、延安市、漢中市、渭南市，農村生活TN等標污染負荷最大的地市為漢中市，其次為西安市和安康市。畜禽養殖TP等標污染負荷較大的地市為漢中市、安康市、榆林市、渭南市。榆林市旱地和園地TN和TP的等標污染負荷均最大，漢中市畜禽養殖、水田和農村生活TN和TP的等標污染負荷均最大，楊凌示范區畜禽養殖、旱地、園地和農村生活TN和TP等標污染負荷均最小。

將TN和TP 2種污染物等標污染負荷按照農業種植、畜禽養殖和農村生活3大類進行劃分疊加，得到2019年陜西省11個地市區不同污染源等標污染負荷比，如圖6所示。陜西省11個地市區農業種植和畜禽養殖的等標污染負荷比分別為32.63%～77.65%和9.32%～32.04%，而農村生活等標污染負荷比為8.22%～37.25%，農業種植的等標污染負荷比較高。陜西省11個地市區農業面源污染等標污染負荷比由大到小依次為榆林市（16.94%）、漢中市（15.42%）、安康市（13.06%）、渭南市（12.93%）、咸陽市（9.28%）、商洛市（8.31%）、寶雞市（8.18%）、延安市（7.03%）、西安市（6.89%）、銅川市（1.74%）、楊凌示范區（0.24%）。

2.4 陜西省農業面源污染類型劃分

以農業種植、畜禽養殖和農村生活3大污染源的等標污染負荷比為聚類對象，進行聚類分析。通過聚類將11個地市區劃分成4種污染類型，即：農業種植污染主導型、農業種植和農村生活污染主導型、農業種植和畜禽養殖污染主導型、混合污染型，各污染類型空間分布如圖7所示。銅川市、咸陽市、渭南市、延安市和榆林市為農業種植污染主導型，寶雞市、漢中市和安康市為農業種植和畜禽養殖污染主導型，西安市為農業種植和農村生活污染主導型，商洛市和楊凌示范區為混合污染型。

根據不同污染類型陜西省不同地市區宜采取針對性的污染控制措施。結合農業面源污染源分析，陜西省面源污染首要污染源為旱地，而主要污染區域為榆林市，榆林市屬于農業種植污染主導型。對于種植污染型區域，應從源頭削減、過程攔截和末端治理3個層面進行，源頭消減中推行測土配方施肥，實行以產定肥；過程控制中以小流域為單元，在流域內優化坡改梯工程、退耕還草等生態修復措施；末端治理中實施植被過濾帶、濕地緩沖區、滯留池、人工濕地等工程。

3 小結

1）2010—2019年陜西省農業面源污染TN污染負荷和TP污染負荷呈先升后降的趨勢，2019年面源污染TN和TP污染負荷最低且污染負荷具有空間分布的一致性。

2）2019年陜西省畜禽養殖、農業種植和農村生活等標污染負荷分別為50.864×10⁹、146.176×10⁹、46.061×10⁹m³，對應的等標污染負荷比分別為20.923%、60.130%和18.947%；畜禽養殖、農業種植和農村生活TN的等標污染負荷比分別為14.432%、66.050%、19.518%，TP等標污染負荷比分別為32.687%、49.400%和17.913%。農業種植是陜西省農業面源污染的重點污染源。

3）TN和TP的等標污染負荷空間分布具有很強的一致性。陜西省11個地市區農業面源污染等標污染負荷比由大到小依次為榆林市（16.94%）、漢中市（15.42%）、安康市（13.06%）、渭南市（12.93%）、咸陽市（9.28%）、商洛市（8.31%）、寶雞市（8.18%）、延安市（7.03%）、西安市（6.89%）、銅川市（1.74%）、楊凌示范區（0.24%）。榆林市是陜西省農業面源污染控制的重點區域。

4）陜西省11個地市區農業面源污染分為農業種植污染主導型、農業種植+農村生活污染主導型、農業種植+畜禽養殖污染主導型、混合污染型4種污染類型，其中銅川市、咸陽市、渭南市、延安市和榆林市為農業種植污染主導型，寶雞市、漢中市和安康市為農業種植和畜禽養殖污染主導型，西安市為農業種植和農村生活污染主導型，商洛市和楊凌示范區為混合污染型。

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收稿日期：2022-11-04

基金項目：安康市科學技術研究發展指導計劃項目（AK2023-RKZC-05）；安康學院校級科研項目（2023AYPT07）

作者簡介：蒙小?。?981-），男，陜西漢中人，副教授，博士，主要從事水污染控制與面源污染防治研究，（電話）15191559982（電子信箱）

441223618@qq.com。