基于GIS的菏澤市農(nóng)業(yè)面源污染時空分布

劉存慶，何 苗，張翠靜，朱啟運(yùn)，胡術(shù)剛

(1. 山東科技大學(xué) 安全與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590；2. 清華大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，北京 100084)

0 引 言

我國是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，農(nóng)業(yè)面源污染問題不容忽視?！兜诙稳珖廴驹雌詹楣珗?bào)》顯示，2017年全國水污染物化學(xué)需氧量排放量2 143.98萬t、總氮排放量304.14萬t、總磷排放量31.54萬t，其中農(nóng)業(yè)源排放化學(xué)需氧量1 067.13萬t、總氮141.49萬t、總磷21.20萬t，分別占排放總量的49.77%、46.52%和67.27%[1]。由此可見，農(nóng)業(yè)面源污染依然是國內(nèi)河流污染的主要來源。

與點(diǎn)源污染不同，面源污染具有分布隨機(jī)、成分復(fù)雜、難以監(jiān)測等特點(diǎn)[2]，如不及時管控會對土壤及水源產(chǎn)生污染。因此，農(nóng)業(yè)面源問題越來越受到國內(nèi)學(xué)者的關(guān)注，現(xiàn)階段對農(nóng)業(yè)面源污染的研究大多集中于對其污染現(xiàn)狀、危害、成因以及對策等方面[3-4]；研究方法包括監(jiān)測法、輸出系數(shù)法、排污系數(shù)法以及模型法等[5-7]；研究范圍大多停留在省級、市級，對于縣區(qū)級的面源污染防控與時空分布的精細(xì)化研究較少[8-10]。因此，從縣區(qū)層面對農(nóng)業(yè)面源進(jìn)行時空分析具有更強(qiáng)的針對性和實(shí)踐指導(dǎo)意義。

為此，本論文在對菏澤市2012—2021年間農(nóng)藥、化肥的使用情況及畜禽養(yǎng)殖的污染排放狀況研究分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用ArcGIS技術(shù)，以縣區(qū)為單位，將典型年份的數(shù)據(jù)資料空間化和直觀化，研討菏澤市農(nóng)業(yè)面源污染的時間、空間分布格局，為各區(qū)縣農(nóng)業(yè)面源的治理提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域概況

菏澤市是黃河流入山東后的第一站，市內(nèi)河流總流域面積13 000 km2，流域面積在100 km2以上的支流有45條，50～99 km2以上的支流有41條，總長度2 582 km，支流眾多，河網(wǎng)灌溉系統(tǒng)發(fā)達(dá)。菏澤市各區(qū)縣市累年平均日照時數(shù)為2 317.9～2 556.9 h，平均氣溫13.5～14 ℃，年平均降水量662.7 mm。據(jù)《山東統(tǒng)計(jì)年鑒》(2021年)數(shù)據(jù)顯示，山東省內(nèi)菏澤市農(nóng)作物播種面積最高，為155.79 萬hm2，化肥施用量(實(shí)物量)137.34萬t，農(nóng)藥投入量1.17萬t。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究選取菏澤市內(nèi)9個縣為研究對象，制作面源污染分布圖。研究區(qū)域內(nèi)各種面源污染數(shù)據(jù)(如化肥施用量、農(nóng)藥投入量、畜禽養(yǎng)殖量等)均來自2012—2021年《菏澤統(tǒng)計(jì)年鑒》，另有部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于網(wǎng)絡(luò)，見表1。

表1 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)來源

1.3 研究方法

以縣級為單位，通過Excel對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，以施肥強(qiáng)度、農(nóng)藥投加強(qiáng)度來表示化肥、農(nóng)藥污染情況，以糞尿排放量表示畜禽養(yǎng)殖面源污染情況；同時應(yīng)用ArcGIS10.2軟件繪制菏澤市矢量圖。在Excel分析數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，并結(jié)合菏澤市實(shí)際情況，判斷化肥、農(nóng)藥、養(yǎng)殖污染情況。

(1)化肥污染評價指標(biāo)

以國際化肥安全使用量225 kg·hm-2為基礎(chǔ)，結(jié)合韓書成、林蘭穩(wěn)等人的研究[12-13]，將化肥施用強(qiáng)度劃分為輕度污染(225～300 kg·hm-2)、中度污染(300～400 kg·hm-2)、重度污染(>400 kg·hm-2)，化肥施用強(qiáng)度計(jì)算公式如式(1)。

化肥施用強(qiáng)度=總投入量(折純量)/播種面積

(1)

(2)農(nóng)藥污染評價指標(biāo)

對于農(nóng)藥污染，借鑒葉延瓊、葛小君的研究[14-15]，選用單位面積農(nóng)藥投入強(qiáng)度來表示污染情況，結(jié)合菏澤市當(dāng)?shù)剞r(nóng)藥投入情況，將農(nóng)藥投入強(qiáng)度劃分為輕度污染(<5 kg·hm-2)、中度污染(5～10 kg·hm-2)、重度污染(>10 kg·hm-2)，農(nóng)藥投入強(qiáng)度計(jì)算公式如式(2)。

農(nóng)藥投入強(qiáng)度=總投入量/播種面積

(2)

(3)畜禽養(yǎng)殖污染評價指標(biāo)

畜禽養(yǎng)殖污染則用糞尿排泄量表示，即單位土地內(nèi)的畜禽糞便尿液排放量，結(jié)合菏澤市畜禽養(yǎng)殖現(xiàn)狀，其畜禽主要包括豬、牛、羊和禽類，將糞尿排泄量劃分為3個等級[16-17]，分別是糞尿排泄量<1×104kg·hm-2的輕度污染區(qū)，1×104～2×104kg·hm-2的中度污染區(qū)，以及>2×104kg·hm-2的重度污染區(qū)，糞尿排泄量計(jì)算公式如下式(3)。

糞尿排泄量=年排泄系數(shù)×數(shù)量

(3)

年排泄系數(shù)采用鄧春梅[16]、劉培芳[18]的研究方法見表2,分為生豬、牛、羊、蛋禽和肉禽5類，結(jié)合菏澤市養(yǎng)殖現(xiàn)狀，計(jì)算畜禽養(yǎng)殖面源污染糞尿污染排泄量。

表2 畜禽養(yǎng)殖污染年排泄系數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 化肥污染時空變化特征解析

隨著種植業(yè)的不斷發(fā)展，化肥施用量逐漸增加。農(nóng)戶因?yàn)閷茖W(xué)施肥基礎(chǔ)知識缺乏了解，誤以為施肥量與作物產(chǎn)量成一定正比關(guān)系，導(dǎo)致施肥量增加，不僅造成肥料的浪費(fèi)，還由此引發(fā)一系列環(huán)境問題。姚春霞等人研究表明[19]，化肥流失量占總施用量15%左右，近十年間化肥施用量及流失量計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 2012—2021年菏澤市化肥施用情況

由表3可知，從時間分布角度來看，2012—2021年間化肥總流失量與施用量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，氮肥、磷肥、鉀肥、復(fù)合肥施用量也均表現(xiàn)為先增加后減少，與此同時播種面積在逐年增加。其中，氮肥施用量在2014年達(dá)到頂峰后逐年降低，直至2021年施用量最低為52.08萬t，降幅為21.6%；磷肥施用量在2013年達(dá)到頂峰值，先于氮肥，此后施用量逐年降低至34.42萬t，降幅20.3%；鉀肥施用量峰值出現(xiàn)在2017年，此后逐漸下降；菏澤市現(xiàn)有多家復(fù)合肥生產(chǎn)廠家，農(nóng)民對復(fù)合肥認(rèn)可度和使用量偏高，復(fù)合肥施用量在2018年達(dá)到峰值41.67萬t。

根據(jù)化肥施用強(qiáng)度圖1結(jié)果顯示，各縣區(qū)化肥污染整體趨勢逐年降低。2021年，重度污染地區(qū)完全消失，中度污染縣區(qū)由2012年的6個減少至1個，減少面積8 227 km2，總體占比75.4%。從地區(qū)分布來看，2012年化肥施用強(qiáng)度大于300 kg·hm-2的縣區(qū)主要集中在牡丹區(qū)周圍，菏澤市西部、西北部和西南部各縣；2015—2018年間，化肥污染逐步改善，整體施用強(qiáng)度逐年降低，直至2021年化肥污染形勢大規(guī)模改善，東明縣、鄄城縣、定陶縣、曹縣整體化肥施用強(qiáng)度降低到300 kg·hm-2以下，均屬于輕度污染，但距離國際安全施用標(biāo)準(zhǔn)還有一定差距。

2.2 農(nóng)藥污染時空變化特征解析

化學(xué)農(nóng)藥極大程度減少了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中的勞動成本，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力及農(nóng)業(yè)產(chǎn)量，但對農(nóng)藥的不合理利用及盲目依賴也會對環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重污染。有研究表明[20]，農(nóng)藥利用率極低，大部分農(nóng)藥殘留會進(jìn)入土壤、水及大氣環(huán)境中，進(jìn)而對人類賴以生存的環(huán)境和所必須的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)生危害。從時間分布角度來看，圖2中2014年后菏澤市農(nóng)藥投入量整體減少，投入強(qiáng)度也在逐年降低，2018—2021年間降幅尤為明顯。2021年農(nóng)藥投入量最少，為0.95萬t，投入強(qiáng)度屬于中度污染范圍，較2012年減少0.22萬t，減幅為18.92%。

圖3為菏澤市2012、2015、2018和2021這4年間的農(nóng)藥投入強(qiáng)度分布圖。由該圖可知，2021年，全市重度污染區(qū)域(巨野縣、曹縣和東明縣)全部消失；中污染地區(qū)占絕大多數(shù)，整體面積8 891 km2；輕度污染地區(qū)僅有鄄城縣和成武縣，面積占比18.51%。從空間分布角度來看。東部巨野縣、西部及西南部的東明縣、曹縣污染情況較為嚴(yán)重，西北部鄄城縣和東南部成武縣屬于輕度污染區(qū)域。具體分析來看，巨野縣2012—2015年間，農(nóng)藥投入強(qiáng)度屬于重度污染，此后農(nóng)藥投入量逐漸降低，直至2018年間將至中度污染，農(nóng)藥投入量降幅44.63%；東明縣化肥污染在重度污染和中度污染之間波動，2018年間呈現(xiàn)重度污染，除此之外各年份均屬于輕度污染；曹縣地區(qū)自2015年后一直處于中度農(nóng)藥污染；鄄城縣2012—2021年間農(nóng)藥投入強(qiáng)度均在3.79～5.66 kg·hm-2之間，整體污染程度較輕。

圖1 菏澤市不同年份化肥施用強(qiáng)度分布Fig.1 Distribution of fertilizer application intensity in Heze City in different years

圖2 2012—2021年菏澤市農(nóng)藥投入情況Fig.2 Pesticide input in Heze City from 2012 to 2021

2.3 畜禽養(yǎng)殖污染時空變化特征解析

畜禽養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的殘料和排泄物也是農(nóng)業(yè)面源的主要成分，我國約有2/3的養(yǎng)殖場仍缺乏防污措施，存在處理率低等問題。圖4為2012—2021年菏澤市養(yǎng)殖數(shù)量及糞尿排放量。從圖4中畜禽類別來看，2012—2021年菏澤市牛的數(shù)量呈下降趨勢，2021年牛的數(shù)量最少，為21.9萬頭；羊的數(shù)量表現(xiàn)為波動下降，2021年羊的數(shù)量為255.1萬頭；豬的數(shù)量則趨于穩(wěn)定，數(shù)量變化不明顯；禽類的數(shù)量先增長，在2020年后開始有所減少。從畜禽污染物排放量來看，畜禽糞尿總排泄量在2015年后逐漸降低，至2021年排放量降低至1 062萬t，降幅46.8%。劉培芳等人研究發(fā)現(xiàn)[18]，市郊畜禽糞便流失率在30%～40%之間，按流失率30%計(jì)算，2012—2021年糞便中各污染物流失量結(jié)果如圖4。2015年后，CODCr、BOD5排放量逐年降低；2016年后，氨氮排放量受禽類數(shù)量影響有所增加。2021年間，CODCr、BOD5、氨氮排放量分別為10.2 萬t、11.2 萬t、1.2 萬t。

圖3 菏澤市不同年份農(nóng)藥投入強(qiáng)度分布Fig.3 Distribution of pesticide input intensity in Heze City in different years

圖4 2012—2021年菏澤市養(yǎng)殖數(shù)量及糞尿排放量Fig.4 Cultivation quantity,fecal and urine emissions in Heze City from 2012 to 2021

由圖5可知，菏澤市近年來重度污染區(qū)縣逐步減少，包括定陶區(qū)、曹縣在內(nèi)減少面積2 815 km2，輕度污染區(qū)縣增加3處，增加面積3 536 km2。從整體來看，2015年后，菏澤市畜禽污染呈現(xiàn)逐年降低的趨勢。2012—2015年間曹縣和定陶縣是重度污染區(qū)縣，其余區(qū)縣均為中度污染，2018年，菏澤全市內(nèi)不存在畜禽重度污染區(qū)縣，直至2021年，定陶區(qū)、成武縣、單縣由中度污染轉(zhuǎn)為輕度污染區(qū)縣，畜禽污染狀況進(jìn)一步好轉(zhuǎn)。從地區(qū)分布來看菏澤市畜禽排放強(qiáng)度壓力較大的區(qū)域分布在北部及西南部，糞尿排放強(qiáng)度相對小的區(qū)域位于東南部的成武縣及單縣。具體分析來看，2021年成武縣豬存欄21.2萬頭、牛存欄0.5萬頭、羊存欄17.6萬頭，豬、牛、羊存欄數(shù)在各縣中相對較少，屬于輕度污染。單縣與成武縣情況相同，豬、牛、羊存欄數(shù)較少，屬于輕度污染。2021年鄆城縣豬、牛、羊存欄數(shù)分別是40.1萬頭、6.7萬頭、31.3萬頭，糞尿排放強(qiáng)度為1.22×104kg·hm-2，遠(yuǎn)高于成武縣和單縣，屬于中度污染。

圖5 菏澤市不同年份畜禽糞尿排放強(qiáng)度分布Fig.5 Distribution of manure and urine emission intensity of livestock and poultry in Heze City in different years

3 討 論

近十年來，菏澤市面源污染負(fù)荷呈現(xiàn)一定階段化特征，國內(nèi)經(jīng)濟(jì)體制的改革及環(huán)保政策的出臺是導(dǎo)致污染負(fù)荷變化的主要原因。2012—2021年間化肥施用量呈現(xiàn)先增加后減少趨勢，2015年后逐漸減少，這與袁旭等人[21-22]研究一致；2012—2015年隨著經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇[23]、城市化進(jìn)程影響[24-25]以及有利農(nóng)業(yè)政策的出臺[26]，我國化肥污染負(fù)荷在2015年前一直處于增長階段。農(nóng)藥投入量自2014年后開始減少，主要是2015年間，國務(wù)院出臺了一系列政策，包括《水污染防治行動計(jì)劃》等，以此為參考，2016年至今菏澤市政府逐步開展化肥減量行動，此后開始逐年制定污染物減量計(jì)劃，步入化肥、農(nóng)藥減量控制階段，2017年，菏澤市出臺《菏澤市四項(xiàng)舉措打響碧水保衛(wèi)戰(zhàn)》，提出從源頭上控制化肥和農(nóng)藥使用量，提高利用率，并取得積極成效，2018年后菏澤市化肥農(nóng)藥減量成效明顯。菏澤市畜禽養(yǎng)殖匯總牛、羊的數(shù)量逐漸減少，牛羊?qū)儆诖笮蜕?，是菏澤市糞尿排泄量的主要來源，盡管其他禽類數(shù)量一直在快速增加，但菏澤市畜禽糞尿排放總量在逐步減少。2015年后，菏澤市開展科學(xué)劃定畜禽養(yǎng)殖禁養(yǎng)區(qū)，導(dǎo)致投資較大的牛、羊等大型牲畜數(shù)量下降，與陶園等人研究結(jié)果相似[27]。與此同時，當(dāng)?shù)匾M(jìn)益客集團(tuán)、重客集團(tuán)等規(guī)模養(yǎng)殖企業(yè)，是2016年后禽類數(shù)量增加的重要原因。

基于菏澤市面源污染時空分布及變化趨勢，對菏澤市農(nóng)業(yè)面源污染問題需針對不同污染來源采取相應(yīng)的治理措施。相對而言，菏澤市北部、西南部總體污染情況較嚴(yán)峻。在化肥、農(nóng)藥污染的管控方面，應(yīng)該注重源頭上的減量化，加強(qiáng)化肥、農(nóng)藥的監(jiān)管，結(jié)合當(dāng)?shù)貦C(jī)械化程度，以農(nóng)業(yè)機(jī)械駕駛司機(jī)為切入點(diǎn)指導(dǎo)施肥數(shù)量。在畜禽養(yǎng)殖污染管控方面，增加小規(guī)模養(yǎng)殖糞污排放監(jiān)管力度，逐步完善農(nóng)業(yè)資源化途徑，此外要注意生產(chǎn)過程中的新型污染物，如抗生素、微塑料等[28-29]。

4 結(jié) 論

本文選取2012—2021年菏澤市9個縣區(qū)面板數(shù)據(jù)，利用GIS技術(shù)分析了菏澤市農(nóng)業(yè)面源污染的時間與空間分布特征。

(1)從整體上看，菏澤市由化肥、農(nóng)藥和養(yǎng)殖所造成的農(nóng)業(yè)面源污染均有下降趨勢。近十年來，菏澤市農(nóng)作物化肥施用強(qiáng)度最低年約230.70 kg·hm-2，略高于國際225 kg·hm-2的化肥施用警戒線，整體形勢仍需進(jìn)一步改進(jìn)。

(2)從空間分布上看，化肥、農(nóng)藥和養(yǎng)殖重度污染地區(qū)基本消失。各區(qū)縣化肥污染基本處于輕度污染范圍，高化肥污染區(qū)域位于菏澤市西北部；菏澤市西南部、北部農(nóng)藥、養(yǎng)殖大多處于中度污染范圍，是菏澤市面源污染的重要來源。

(3)從時間上看，2015年后，菏澤市農(nóng)業(yè)面源污染狀況快速好轉(zhuǎn)，化肥和農(nóng)藥的投入量穩(wěn)步降低，降幅分別達(dá)到12.52%和18.91%；近五年來，大型牲口數(shù)明顯下降，整體糞尿排放強(qiáng)度呈逐年下降趨勢，但禽類養(yǎng)殖數(shù)量迅速上升，需加強(qiáng)對禽類養(yǎng)殖企業(yè)糞便流失的監(jiān)管。