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刘存庆，何 苗，张翠静，朱启运，胡术刚
(1. 山东科技大学 安全与环境工程学院，山东 青岛 266590；
2. 清华大学 环境学院，北京 100084)
我国是农业生产大国，农业面源污染问题不容忽视。《第二次全国污染源普查公报》显示，2017年全国水污染物化学需氧量排放量2 143.98万t、总氮排放量304.14万t、总磷排放量31.54万t，其中农业源排放化学需氧量1 067.13万t、总氮141.49万t、总磷21.20万t，分别占排放总量的49.77%、46.52%和67.27%[1]。由此可见，农业面源污染依然是国内河流污染的主要来源。
与点源污染不同，面源污染具有分布随机、成分复杂、难以监测等特点[2]，如不及时管控会对土壤及水源产生污染。因此，农业面源问题越来越受到国内学者的关注，现阶段对农业面源污染的研究大多集中于对其污染现状、危害、成因以及对策等方面[3-4]；
研究方法包括监测法、输出系数法、排污系数法以及模型法等[5-7]；
研究范围大多停留在省级、市级，对于县区级的面源污染防控与时空分布的精细化研究较少[8-10]。因此，从县区层面对农业面源进行时空分析具有更强的针对性和实践指导意义。
为此，本论文在对菏泽市2012—2021年间农药、化肥的使用情况及畜禽养殖的污染排放状况研究分析的基础上，运用ArcGIS技术，以县区为单位，将典型年份的数据资料空间化和直观化，研讨菏泽市农业面源污染的时间、空间分布格局，为各区县农业面源的治理提供参考依据。
1.1 研究区域概况
菏泽市是黄河流入山东后的第一站，市内河流总流域面积13 000 km2，流域面积在100 km2以上的支流有45条，50～99 km2以上的支流有41条，总长度2 582 km，支流众多，河网灌溉系统发达。菏泽市各区县市累年平均日照时数为2 317.9～2 556.9 h，平均气温13.5～14 ℃，年平均降水量662.7 mm。据《山东统计年鉴》(2021年)数据显示，山东省内菏泽市农作物播种面积最高，为155.79 万hm2，化肥施用量(实物量)137.34万t，农药投入量1.17万t。
1.2 数据来源
本研究选取菏泽市内9个县为研究对象，制作面源污染分布图。研究区域内各种面源污染数据(如化肥施用量、农药投入量、畜禽养殖量等)均来自2012—2021年《菏泽统计年鉴》，另有部分数据来源于网络，见表1。
表1 网络数据来源
1.3 研究方法
以县级为单位，通过Excel对收集到的数据进行整理分析，以施肥强度、农药投加强度来表示化肥、农药污染情况，以粪尿排放量表示畜禽养殖面源污染情况；
同时应用ArcGIS10.2软件绘制菏泽市矢量图。在Excel分析数据的基础上，并结合菏泽市实际情况，判断化肥、农药、养殖污染情况。
(1)化肥污染评价指标
以国际化肥安全使用量225 kg·hm-2为基础，结合韩书成、林兰稳等人的研究[12-13]，将化肥施用强度划分为轻度污染(225～300 kg·hm-2)、中度污染(300～400 kg·hm-2)、重度污染(>400 kg·hm-2)，化肥施用强度计算公式如式(1)。
化肥施用强度=总投入量(折纯量)/播种面积
(1)
(2)农药污染评价指标
对于农药污染，借鉴叶延琼、葛小君的研究[14-15]，选用单位面积农药投入强度来表示污染情况，结合菏泽市当地农药投入情况，将农药投入强度划分为轻度污染(<5 kg·hm-2)、中度污染(5～10 kg·hm-2)、重度污染(>10 kg·hm-2)，农药投入强度计算公式如式(2)。
农药投入强度=总投入量/播种面积
(2)
(3)畜禽养殖污染评价指标
畜禽养殖污染则用粪尿排泄量表示，即单位土地内的畜禽粪便尿液排放量，结合菏泽市畜禽养殖现状，其畜禽主要包括猪、牛、羊和禽类，将粪尿排泄量划分为3个等级[16-17]，分别是粪尿排泄量<1×104kg·hm-2的轻度污染区，1×104～2×104kg·hm-2的中度污染区，以及>2×104kg·hm-2的重度污染区，粪尿排泄量计算公式如下式(3)。
粪尿排泄量=年排泄系数×数量
(3)
年排泄系数采用邓春梅[16]、刘培芳[18]的研究方法见表2,分为生猪、牛、羊、蛋禽和肉禽5类，结合菏泽市养殖现状，计算畜禽养殖面源污染粪尿污染排泄量。
表2 畜禽养殖污染年排泄系数
2.1 化肥污染时空变化特征解析
随着种植业的不断发展，化肥施用量逐渐增加。农户因为对科学施肥基础知识缺乏了解，误以为施肥量与作物产量成一定正比关系，导致施肥量增加，不仅造成肥料的浪费，还由此引发一系列环境问题。姚春霞等人研究表明[19]，化肥流失量占总施用量15%左右，近十年间化肥施用量及流失量计算结果见表3。
表3 2012—2021年菏泽市化肥施用情况
由表3可知，从时间分布角度来看，2012—2021年间化肥总流失量与施用量呈现先增加后减少的趋势，氮肥、磷肥、钾肥、复合肥施用量也均表现为先增加后减少，与此同时播种面积在逐年增加。其中，氮肥施用量在2014年达到顶峰后逐年降低，直至2021年施用量最低为52.08万t，降幅为21.6%；
磷肥施用量在2013年达到顶峰值，先于氮肥，此后施用量逐年降低至34.42万t，降幅20.3%；
钾肥施用量峰值出现在2017年，此后逐渐下降；
菏泽市现有多家复合肥生产厂家，农民对复合肥认可度和使用量偏高，复合肥施用量在2018年达到峰值41.67万t。
根据化肥施用强度图1结果显示，各县区化肥污染整体趋势逐年降低。2021年，重度污染地区完全消失，中度污染县区由2012年的6个减少至1个，减少面积8 227 km2，总体占比75.4%。从地区分布来看，2012年化肥施用强度大于300 kg·hm-2的县区主要集中在牡丹区周围，菏泽市西部、西北部和西南部各县；
2015—2018年间，化肥污染逐步改善，整体施用强度逐年降低，直至2021年化肥污染形势大规模改善，东明县、鄄城县、定陶县、曹县整体化肥施用强度降低到300 kg·hm-2以下，均属于轻度污染，但距离国际安全施用标准还有一定差距。
2.2 农药污染时空变化特征解析
化学农药极大程度减少了农业生产活动中的劳动成本，提高了农业生产力及农业产量，但对农药的不合理利用及盲目依赖也会对环境产生严重污染。有研究表明[20]，农药利用率极低，大部分农药残留会进入土壤、水及大气环境中，进而对人类赖以生存的环境和所必须的农产品产生危害。从时间分布角度来看，图2中2014年后菏泽市农药投入量整体减少，投入强度也在逐年降低，2018—2021年间降幅尤为明显。2021年农药投入量最少，为0.95万t，投入强度属于中度污染范围，较2012年减少0.22万t，减幅为18.92%。
图3为菏泽市2012、2015、2018和2021这4年间的农药投入强度分布图。由该图可知，2021年，全市重度污染区域(巨野县、曹县和东明县)全部消失；
中污染地区占绝大多数，整体面积8 891 km2；
轻度污染地区仅有鄄城县和成武县，面积占比18.51%。从空间分布角度来看。东部巨野县、西部及西南部的东明县、曹县污染情况较为严重，西北部鄄城县和东南部成武县属于轻度污染区域。具体分析来看，巨野县2012—2015年间，农药投入强度属于重度污染，此后农药投入量逐渐降低，直至2018年间将至中度污染，农药投入量降幅44.63%；
东明县化肥污染在重度污染和中度污染之间波动，2018年间呈现重度污染，除此之外各年份均属于轻度污染；
曹县地区自2015年后一直处于中度农药污染；
鄄城县2012—2021年间农药投入强度均在3.79～5.66 kg·hm-2之间，整体污染程度较轻。
图1 菏泽市不同年份化肥施用强度分布Fig.1 Distribution of fertilizer application intensity in Heze City in different years
图2 2012—2021年菏泽市农药投入情况Fig.2 Pesticide input in Heze City from 2012 to 2021
2.3 畜禽养殖污染时空变化特征解析
畜禽养殖过程中产生的残料和排泄物也是农业面源的主要成分，我国约有2/3的养殖场仍缺乏防污措施，存在处理率低等问题。图4为2012—2021年菏泽市养殖数量及粪尿排放量。从图4中畜禽类别来看，2012—2021年菏泽市牛的数量呈下降趋势，2021年牛的数量最少，为21.9万头；
羊的数量表现为波动下降，2021年羊的数量为255.1万头；
猪的数量则趋于稳定，数量变化不明显；
禽类的数量先增长，在2020年后开始有所减少。从畜禽污染物排放量来看，畜禽粪尿总排泄量在2015年后逐渐降低，至2021年排放量降低至1 062万t，降幅46.8%。刘培芳等人研究发现[18]，市郊畜禽粪便流失率在30%～40%之间，按流失率30%计算，2012—2021年粪便中各污染物流失量结果如图4。2015年后，CODCr、BOD5排放量逐年降低；
2016年后，氨氮排放量受禽类数量影响有所增加。2021年间，CODCr、BOD5、氨氮排放量分别为10.2 万t、11.2 万t、1.2 万t。
图3 菏泽市不同年份农药投入强度分布Fig.3 Distribution of pesticide input intensity in Heze City in different years
图4 2012—2021年菏泽市养殖数量及粪尿排放量Fig.4 Cultivation quantity,fecal and urine emissions in Heze City from 2012 to 2021
由图5可知，菏泽市近年来重度污染区县逐步减少，包括定陶区、曹县在内减少面积2 815 km2，轻度污染区县增加3处，增加面积3 536 km2。从整体来看，2015年后，菏泽市畜禽污染呈现逐年降低的趋势。2012—2015年间曹县和定陶县是重度污染区县，其余区县均为中度污染，2018年，菏泽全市内不存在畜禽重度污染区县，直至2021年，定陶区、成武县、单县由中度污染转为轻度污染区县，畜禽污染状况进一步好转。从地区分布来看菏泽市畜禽排放强度压力较大的区域分布在北部及西南部，粪尿排放强度相对小的区域位于东南部的成武县及单县。具体分析来看，2021年成武县猪存栏21.2万头、牛存栏0.5万头、羊存栏17.6万头，猪、牛、羊存栏数在各县中相对较少，属于轻度污染。单县与成武县情况相同，猪、牛、羊存栏数较少，属于轻度污染。2021年郓城县猪、牛、羊存栏数分别是40.1万头、6.7万头、31.3万头，粪尿排放强度为1.22×104kg·hm-2，远高于成武县和单县，属于中度污染。
图5 菏泽市不同年份畜禽粪尿排放强度分布Fig.5 Distribution of manure and urine emission intensity of livestock and poultry in Heze City in different years
近十年来，菏泽市面源污染负荷呈现一定阶段化特征，国内经济体制的改革及环保政策的出台是导致污染负荷变化的主要原因。2012—2021年间化肥施用量呈现先增加后减少趋势，2015年后逐渐减少，这与袁旭等人[21-22]研究一致；
2012—2015年随着经济复苏[23]、城市化进程影响[24-25]以及有利农业政策的出台[26]，我国化肥污染负荷在2015年前一直处于增长阶段。农药投入量自2014年后开始减少，主要是2015年间，国务院出台了一系列政策，包括《水污染防治行动计划》等，以此为参考，2016年至今菏泽市政府逐步开展化肥减量行动，此后开始逐年制定污染物减量计划，步入化肥、农药减量控制阶段，2017年，菏泽市出台《菏泽市四项举措打响碧水保卫战》，提出从源头上控制化肥和农药使用量，提高利用率，并取得积极成效，2018年后菏泽市化肥农药减量成效明显。菏泽市畜禽养殖汇总牛、羊的数量逐渐减少，牛羊属于大型牲畜，是菏泽市粪尿排泄量的主要来源，尽管其他禽类数量一直在快速增加，但菏泽市畜禽粪尿排放总量在逐步减少。2015年后，菏泽市开展科学划定畜禽养殖禁养区，导致投资较大的牛、羊等大型牲畜数量下降，与陶园等人研究结果相似[27]。与此同时，当地引进益客集团、重客集团等规模养殖企业，是2016年后禽类数量增加的重要原因。
基于菏泽市面源污染时空分布及变化趋势，对菏泽市农业面源污染问题需针对不同污染来源采取相应的治理措施。相对而言，菏泽市北部、西南部总体污染情况较严峻。在化肥、农药污染的管控方面，应该注重源头上的减量化，加强化肥、农药的监管，结合当地机械化程度，以农业机械驾驶司机为切入点指导施肥数量。在畜禽养殖污染管控方面，增加小规模养殖粪污排放监管力度，逐步完善农业资源化途径，此外要注意生产过程中的新型污染物，如抗生素、微塑料等[28-29]。
本文选取2012—2021年菏泽市9个县区面板数据，利用GIS技术分析了菏泽市农业面源污染的时间与空间分布特征。
(1)从整体上看，菏泽市由化肥、农药和养殖所造成的农业面源污染均有下降趋势。近十年来，菏泽市农作物化肥施用强度最低年约230.70 kg·hm-2，略高于国际225 kg·hm-2的化肥施用警戒线，整体形势仍需进一步改进。
(2)从空间分布上看，化肥、农药和养殖重度污染地区基本消失。各区县化肥污染基本处于轻度污染范围，高化肥污染区域位于菏泽市西北部；
菏泽市西南部、北部农药、养殖大多处于中度污染范围，是菏泽市面源污染的重要来源。
(3)从时间上看，2015年后，菏泽市农业面源污染状况快速好转，化肥和农药的投入量稳步降低，降幅分别达到12.52%和18.91%；
近五年来，大型牲口数明显下降，整体粪尿排放强度呈逐年下降趋势，但禽类养殖数量迅速上升，需加强对禽类养殖企业粪便流失的监管。
