許昌市農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染物負(fù)荷現(xiàn)狀調(diào)查研究

高歆 石宏斌 趙會(huì)兵

（許昌學(xué)院城鄉(xiāng)規(guī)劃與園林學(xué)院，河南 許昌 461000）

許昌市農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染物負(fù)荷現(xiàn)狀調(diào)查研究

高歆 石宏斌 趙會(huì)兵

（許昌學(xué)院城鄉(xiāng)規(guī)劃與園林學(xué)院，河南 許昌 461000）

在每個(gè)城市點(diǎn)源污染潛力挖盡以后，面源污染防治將會(huì)成為未來(lái)數(shù)十年的環(huán)保工作重點(diǎn)，面源污染負(fù)荷的計(jì)算又是全面開(kāi)展防治工作的重要基礎(chǔ)。通過(guò)污染物綜合系數(shù)排放模型，使用遙感數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等資料對(duì)河南省許昌市當(dāng)前面源污染進(jìn)行調(diào)查研究。在下轄市縣中，禹州市污染負(fù)荷最重，鄢陵縣總磷排放量最高，長(zhǎng)葛市和魏都區(qū)污染負(fù)荷較小。

非點(diǎn)源污染；遙感；農(nóng)業(yè)；許昌市

隨著對(duì)過(guò)去十幾年點(diǎn)源污染的大力整治，點(diǎn)源污染治理工作的潛力基本挖盡，面源污染工作將會(huì)是今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間的環(huán)保工作重點(diǎn)。與點(diǎn)源污染相比較，面源污染具有隨機(jī)性、復(fù)雜性和廣泛性等特點(diǎn)。在眾多面源污染源中，農(nóng)業(yè)源是最主要的污染源。其是指在農(nóng)業(yè)活動(dòng)中，農(nóng)田中的泥沙、營(yíng)養(yǎng)鹽、農(nóng)藥及其他污染物，在降水和灌溉過(guò)程中，通過(guò)農(nóng)田地表徑流、壤中流、農(nóng)田排水和地下滲漏，進(jìn)入水體形成的面源污染。經(jīng)調(diào)查，農(nóng)業(yè)源總氮排放量為9 096t、總磷288t；生活源排放量總氮48.85t、總磷11.17t；畜禽養(yǎng)殖源總氮排放量為5 986.22t、總磷1 884.29t，其中農(nóng)業(yè)源是總氮的主要來(lái)源，而畜禽養(yǎng)殖是總磷污染源的主要來(lái)源。因此，面源污染防治工作尤其是農(nóng)業(yè)源對(duì)于地區(qū)環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重大意義。

許昌市位于河南省中部地區(qū)，在中原經(jīng)濟(jì)區(qū)中占有重要戰(zhàn)略地位。許昌市在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，對(duì)污染治理方面也非常重視，雖然污染物排放實(shí)行總量控制，但是由于非點(diǎn)源污染在時(shí)空上的不確定性、污染分布廣，加之長(zhǎng)期以來(lái)重視不夠、缺乏有效的定量化基礎(chǔ)研究，難以對(duì)非點(diǎn)源污染進(jìn)行有效的總量控制。2008年以來(lái)，隨著國(guó)家重大水專項(xiàng)的開(kāi)展，水體污染治理進(jìn)入新紀(jì)元。由于點(diǎn)源污染得到有效控制，非點(diǎn)源污染的治理對(duì)改善水環(huán)境的重要性更加明顯。摸清非點(diǎn)源污染的狀況，研究適合許昌市概況、針對(duì)不同地域的非點(diǎn)源污染控制技術(shù)與政策，是許昌市面源污染防治工作的關(guān)鍵。

精確面源污染負(fù)荷量的計(jì)算是全面開(kāi)展面源治理工作的前提和依據(jù)，通過(guò)模型對(duì)非點(diǎn)源污染進(jìn)行模擬，是目前非點(diǎn)源污染研究的重要手段之一。影響非點(diǎn)源污染的諸多因素中，關(guān)系最密切的是土地利用方式、降水強(qiáng)度、地形地貌等，輸出系數(shù)模型綜合考慮非點(diǎn)源主要影響因素，操作簡(jiǎn)單，結(jié)果合理。已有研究表明，輸出系數(shù)模型具有廣泛的適用性［1］。本文將從形成原因出發(fā)，對(duì)許昌市面源污染負(fù)荷進(jìn)行定量計(jì)算，并對(duì)下轄縣市污染源負(fù)荷排放強(qiáng)度進(jìn)行分析，以滿足當(dāng)前污染治理和社會(huì)發(fā)展的需要。

1 研究區(qū)域和研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

許昌市位于東經(jīng)113°03′～114°19′、北緯33°16′～34°24′，全市下轄一區(qū)兩市三縣，分別是魏都區(qū)、禹州市、長(zhǎng)葛市、鄢陵縣、襄城縣和許昌縣。許昌市歷史悠久，其美名主要源于三國(guó)時(shí)期在許昌地區(qū)發(fā)生的眾多戰(zhàn)役，以及歷史名人在該地的著名事跡。許昌市氣候類型為暖溫帶季風(fēng)性氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，適合種植的農(nóng)作物為小麥、玉米，農(nóng)業(yè)發(fā)展歷史悠久。許昌市交通四通八達(dá)，臨近省會(huì)鄭州市，京廣線、鄭渝線從中穿過(guò)，并與京港澳高速公路相接；2015年GDP產(chǎn)值達(dá)2 100億元，在河南省處于中上等水平，經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度較快，GDP排名逐年上升。

1.2 研究方法

目前定量計(jì)算非點(diǎn)源污染負(fù)荷的方法主要有2種，即系數(shù)法和物理模型法。系數(shù)法是建立在影響因子同污染負(fù)荷之間統(tǒng)計(jì)關(guān)系的基礎(chǔ)之上的，不同于物理模型方法，動(dòng)力學(xué)機(jī)制考慮的較少。系數(shù)法模型計(jì)算公式如下：

式（1）中，Lj為第j種污染物負(fù)荷，kg/a；α為降雨影響因子；aij為第i種污染源和j種污染物的系數(shù)，單位為kg/（hm2·a），或?yàn)榈趇中畜禽的排泄系數(shù)［kg/（只·a）、kg/（頭·a）］；Ai為第i類土地利用類型面積，或第i種牲畜的數(shù)量（只或頭）或人口數(shù)量（人）；P為降雨輸入的污染量，kg/a［2］。

2 許昌市面源污染現(xiàn)狀分析

2.1 土地利用面積計(jì)算和污染物排放系數(shù)

對(duì)TM遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，誤差控制在1個(gè)像元內(nèi)，經(jīng)過(guò)精校正、波段合成、裁剪等預(yù)處理步驟以后，采用監(jiān)督分類法提取許昌市土地利用類型分布圖。其次，采用文獻(xiàn)查閱和試驗(yàn)的方法確定面源污染項(xiàng)目的排放系數(shù)。在ERDAS中將2015年許昌市TM數(shù)據(jù)的6個(gè)單波段圖像文件組合成一個(gè)多波段圖像文件。監(jiān)督分類是指利用已知屬性的訓(xùn)練樣本建立判別準(zhǔn)則，然后將像元?dú)w類的過(guò)程。監(jiān)督分類有最小距離法、多級(jí)切割分類法、特征曲線窗口法、最大似然比分類法等多種方法。本研究利用最大似然比分類方法將圖像分為草體、林地、水體、建設(shè)用地、農(nóng)田和未利用土地，分類結(jié)果見(jiàn)表1。

結(jié)合表1可以看出，許昌市土地利用類型主要以農(nóng)田為主，占到總面積的52.84%，其次是林地，這也充分展現(xiàn)了農(nóng)業(yè)在許昌市占有相當(dāng)?shù)牡匚弧Ｈ欢?，水體和建設(shè)用地相對(duì)較少，但是隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城建用地的面積也在迅速增加。

表1 許昌市土地利用分類面積

影響流域非點(diǎn)源污染物輸出系數(shù)的因素很多，主要包括流域內(nèi)地形地貌、水文、氣候、土地利用、土壤類型和結(jié)構(gòu)、植被、管理措施及人類活動(dòng)等，其主要的確定方法有查閱文獻(xiàn)值法和試驗(yàn)法2種。本文輸出系數(shù)采用查閱文獻(xiàn)法確定，輔以試驗(yàn)法進(jìn)行校正，由于緯度位置與耕作方式存在差異等，許昌地區(qū)地處河南中部，結(jié)合國(guó)內(nèi)一些學(xué)者的研究，農(nóng)田、城鎮(zhèn)建設(shè)用地、草地、林地和未利用地的輸出系數(shù)選取如表2所示［3］。

表2 土地利用污染物輸出系數(shù)參數(shù)值

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 水土侵蝕源。許昌市土地利用產(chǎn)生的總氮負(fù)荷為9 096t，總磷負(fù)荷為288t（見(jiàn)圖1、2）。其中，農(nóng)田產(chǎn)生非點(diǎn)源總氮負(fù)荷為7 645t，總磷負(fù)荷為237t，分別占總氮和總磷的百分比為84.04%、82.22%；城建用地產(chǎn)生的非點(diǎn)源總氮負(fù)荷為328t，總磷負(fù)荷為6t，分別占總氮和總磷的百分比為3.60%、2.07%；草地產(chǎn)生非點(diǎn)源總氮負(fù)荷為475t，總磷負(fù)荷為9t，分別占總氮和總磷的百分比為5.23%、3.00%；林地產(chǎn)生非點(diǎn)源總氮負(fù)荷為345t，總磷負(fù)荷為29t，分別占總氮和總磷的百分比為3.79%、9.97%；水體產(chǎn)生的非點(diǎn)源總氮負(fù)荷為92t，總磷負(fù)荷為0.8t，分別占總氮和總磷百分比為1.02%、0.29%；未利用土地產(chǎn)生非點(diǎn)源總氮負(fù)荷為211t，總磷負(fù)荷為7t，分別占總氮和總磷百分比為2.32%、2.45%。

從上述結(jié)果可以看出，在土地利用類型的非點(diǎn)源總氮、總磷排放量中，農(nóng)田始終占據(jù)著最大的比例，對(duì)整個(gè)許昌市來(lái)說(shuō)，農(nóng)業(yè)的面源污染是所有非點(diǎn)源污染中最大的總氮、總磷排放源；隨著許昌市經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，城市建設(shè)用地產(chǎn)生的非點(diǎn)源總氮、總磷值也隨之增加，并且近年來(lái)城鄉(xiāng)結(jié)合部的總氮、總磷產(chǎn)出也愈加凸顯；許昌市的草地植被覆蓋大多圍繞在農(nóng)田附近，由于農(nóng)田需要施加化肥，氮磷的流失進(jìn)一步增強(qiáng)了草體總氮、總磷的排放；林地在許昌市整體面積中占有較高的比例，并且在一定的時(shí)間內(nèi)需要飛機(jī)噴灑藥物，所以林地的總氮、總磷產(chǎn)出在總體上也占有一定的比例；而未利用土地和水體相對(duì)來(lái)說(shuō)面積小，輸出系數(shù)相對(duì)不大，尤其是水體，在許昌市環(huán)保局針對(duì)水源污染頒發(fā)的政策和治理下，總氮和總磷的產(chǎn)出相對(duì)其他幾種土地利用類型要小許多。

圖1 許昌市總氮空間分布

圖2 許昌市總磷空間分布

2.2.2 農(nóng)業(yè)生活源。生活源面源污染主要出現(xiàn)在鄉(xiāng)村，城鎮(zhèn)生活源均通過(guò)污水處理廠統(tǒng)一處理，計(jì)算總量的時(shí)候作為點(diǎn)源來(lái)對(duì)待。農(nóng)村生活源主要來(lái)源于農(nóng)村生活污水，其污水分散，難于收集，且污水來(lái)源多，主要滲入到地下，對(duì)地下水造成污染。計(jì)算生活源污染物排放量采用人均綜合排污系數(shù)法。根據(jù)許昌市2015年統(tǒng)計(jì)年鑒，全市總?cè)丝跀?shù)434.15萬(wàn)人，農(nóng)業(yè)人口為227.62萬(wàn)人［4］。生活污水中的主要污染物包括化學(xué)需氧量、氨氮、總氮、總磷。其排放系數(shù)分別為3、0.15、0.35和0.08，單位為t/萬(wàn)t。經(jīng)過(guò)計(jì)算，許昌市農(nóng)村生活污水產(chǎn)生量為1 993.95萬(wàn)t，COD產(chǎn)生量為5 981.85t，氨氮產(chǎn)生量為299.09t，總氮產(chǎn)生量為697.88t，總磷產(chǎn)生量為159.52t，再根據(jù)入河系數(shù)可以得到各污染物的入河量，污水量及各污染物的入河量按照7%來(lái)計(jì)算，則總氮入河量為48.85t，總磷入河量為11.17t，COD入河量為418.73t，氨氮入河量為3.12t（見(jiàn)表3）。

表3 農(nóng)村生活源污染物排放量

2.2.3 畜禽養(yǎng)殖業(yè)源。畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染源主要是畜禽動(dòng)物的糞便、畜禽及其住舍清洗所產(chǎn)生的污水等其他污染物質(zhì)。畜禽糞便中含有大量氮和磷的化合物，這些氮和磷進(jìn)入土壤后，會(huì)轉(zhuǎn)化為硝酸鹽和磷酸鹽，造成地表和地下水的污染，使水中的硝態(tài)氮、硬度和細(xì)菌總數(shù)都超標(biāo)。水體富營(yíng)養(yǎng)化后，藻類和其他水生植物大量繁殖，使水中溶解氧減少，導(dǎo)致水中生物缺氧死亡。許昌市2015年畜禽養(yǎng)殖見(jiàn)表4，按照國(guó)家環(huán)?？偩忠?guī)定的畜禽糞污排泄系數(shù)計(jì)算，畜禽年產(chǎn)糞便438.46萬(wàn)t，產(chǎn)尿量257.91萬(wàn)t，根據(jù)總氮、總磷、COD、氨氮等污染物在糞便中的百分比，這里取值15%，得出許昌市畜禽養(yǎng)殖污染物總氮產(chǎn)生量為39 908.15t，流失量為5 986.22t，總磷產(chǎn)生量為12 561.92t，流失量為1 884.29t，COD產(chǎn)生量為165 648.27t，流失量為24 847.24t，氨氮產(chǎn)生量為15 893.38t，流失量為2 384.01t（見(jiàn)表5）。

表4 2015年許昌市畜禽養(yǎng)殖情況

表5 畜禽污染源污染物排放量

重點(diǎn)對(duì)上述3種污染源非點(diǎn)源污染物入河量進(jìn)行了計(jì)算，許昌市2015年總氮排放量為15 131.07t，總磷排放量為2 183.46t，水土流失和畜禽養(yǎng)殖分別是總氮和總磷的主要污染源，前者占到總量的60%，而后者更高達(dá)80%以上。

2.3 市轄縣區(qū)的污染源分析

從各個(gè)縣區(qū)的總體情況來(lái)看，禹州市由于農(nóng)耕面積較大，農(nóng)村人口相對(duì)較多，所以就整體而言，其農(nóng)業(yè)和農(nóng)村生活源污染的總氮、總磷產(chǎn)出相對(duì)較高，農(nóng)業(yè)面源污染情況比其他縣區(qū)也要顯著。鄢陵縣以花卉農(nóng)業(yè)為主，農(nóng)業(yè)施肥也主要集中在花卉種植地區(qū)，盡管近年來(lái)勞動(dòng)人口不斷下降，但是由于花卉產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其農(nóng)業(yè)面源污染所產(chǎn)生的總氮和總磷也是顯而易見(jiàn)的。另外，其畜禽養(yǎng)殖污染物排放量最高（見(jiàn)表6）。襄城縣距離市區(qū)較遠(yuǎn)，以農(nóng)業(yè)為主，各源排放量也較大。許昌縣在許昌市的經(jīng)濟(jì)效用帶動(dòng)下，農(nóng)用耕地面積不斷減少，城建用地隨之?dāng)U大，畜禽養(yǎng)殖源排放量較少，農(nóng)業(yè)源和生活源因面積較大、人口較多，排放量較大。相比較之下，由于長(zhǎng)葛市工業(yè)化程度較高，面源污染情況弱度僅次于魏都區(qū)，負(fù)擔(dān)較小。

表62015年許昌市化肥使用情況

3 結(jié)論

許昌市農(nóng)業(yè)總氮、總磷污染負(fù)荷主要來(lái)自農(nóng)業(yè)種植和畜禽養(yǎng)殖，前者占到總氮排放量的60%，而后者總磷污染負(fù)荷貢獻(xiàn)超過(guò)了80%。對(duì)于所轄縣市來(lái)說(shuō)，禹州市污染負(fù)荷排放強(qiáng)度最高，鄢陵縣畜禽養(yǎng)殖污染源排放強(qiáng)度最高，其他源排放強(qiáng)度也較高，其次是許昌縣和襄縣，長(zhǎng)葛市和魏都區(qū)排放強(qiáng)度較低，源于工業(yè)化程度較高。

［1］李兆富，楊桂山，李恒鵬.基于改進(jìn)輸出系數(shù)模型的流域營(yíng)養(yǎng)鹽輸出估算［J］.環(huán)境科學(xué)，2009（3）：66-672.

［2］李娜，韓維崢，沈夢(mèng)楠，等.基于輸出系數(shù)模型的水庫(kù)匯水區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷估算［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016（8）：224-260.

［3］蔡明，李懷恩，莊詠濤，等.改進(jìn)的輸出系數(shù)法在流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算中的應(yīng)用［J］.水利學(xué)報(bào)，2004（7）：40-45.

［4］許昌統(tǒng)計(jì)局.許昌統(tǒng)計(jì)年鑒［R］.北京：中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，2015.

Investigation on Agricultural Non-point Source Pollutant Load in Xuchang City

Gao XinShi HongbinZhao Huibing
（College of Urban and Rural Planning and Landscape Architecture，Xuchang University，Xuchang Henan 461000）

In the light of the potential pollution potential of each city,the prevention and control of non-point source pollution will be the focus of environmental protection work in the next few decades.The calculation of non-point source pollution load is the important foundation of comprehensive prevention and control work.Through the comprehensive emission model of pollutants,remote sensing data and statistical data were used to investigate the current non-point source pollution in Xuchang city of Henan province.Under the jurisdiction of the city and county,the pollution load of Yuzhou city is the heaviest,Yanling county has the highest total phosphorus emissions,the pollution load of Changge city and Weidu district is small.

non-point source pollution；remote sensing；agriculture；Xuchang city

X52

A

1003-5168（2017）05-0151-04

2017-04-07

河南省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（152102310365）；許昌市科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（1502260）。

高歆（1981-），男，博士，講師；研究方向：資源環(huán)境遙感。