河北省2023年農(nóng)業(yè)面源總磷污染評估與典型超標(biāo)斷面影響分析

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)面源污染；總磷；DPeRS模型

中圖分類號：X71；X52 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）12-2786-10 doi：10.11654/jaes.2024-0949

河北省作為我國北方的重要農(nóng)業(yè)大省，其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動對區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量有著顯著影響。相關(guān)研究表明，河北省農(nóng)業(yè)面源總磷污染較為突出[1-2]，有數(shù)據(jù)顯示，其農(nóng)業(yè)源磷的總排放量和單位面積排放量均屬于“高”或“較高”水平的省份[3]。同時，面源相關(guān)研究表明在降雨期間，農(nóng)田排水和地表徑流導(dǎo)致營養(yǎng)鹽如總磷等污染物入河，會加劇水體富營養(yǎng)化的風(fēng)險[4-5]。

降雨伴隨著農(nóng)業(yè)面源污染的易發(fā)性，而汛期伴隨著斷面水質(zhì)易超標(biāo)現(xiàn)象?！?021年9月河北省水質(zhì)狀況報告》顯示劣Ⅴ類水質(zhì)斷面占斷面總數(shù)（127個）的比例為3.94%，主要污染指標(biāo)為總磷、高錳酸鹽指數(shù)和化學(xué)需氧量[6]。《生態(tài)環(huán)境部研判1—9月水生態(tài)環(huán)境形勢，部分地區(qū)城鄉(xiāng)面源污染防治亟待加強(qiáng)》中提及，2022年第三季度，全國汛期污染強(qiáng)度較大的前50名斷面中，河北省的大石橋斷面因總磷等指標(biāo)超標(biāo)位列第12[7]。相關(guān)研究表明，河北省衡水湖濕地近20 年來超Ⅲ類水質(zhì)的監(jiān)測點(diǎn)比例不斷升高，總磷是主要超標(biāo)項[8]。由此可見總磷超標(biāo)是河北省局部地區(qū)汛期水質(zhì)超標(biāo)的主要問題。但是，農(nóng)業(yè)面源總磷污染是否是造成河北省斷面水質(zhì)總磷超標(biāo)的關(guān)鍵因素？本研究將基于水質(zhì)觀測數(shù)據(jù)選取典型超標(biāo)斷面開展總磷超標(biāo)情況與農(nóng)業(yè)面源污染的協(xié)同分析。

本文旨在重點(diǎn)研究河北省2023年農(nóng)業(yè)面源總磷污染情況，并深入探究其與典型超標(biāo)斷面之間的關(guān)系。通過構(gòu)建遙感分布式面源污染估算模型（DPeRS），以及構(gòu)建2023年河北省農(nóng)業(yè)面源污染30m空間分辨率數(shù)據(jù)庫，解析河北省農(nóng)業(yè)面源污染排放和入河負(fù)荷的空間特征，識別農(nóng)業(yè)面源污染優(yōu)控單元結(jié)果，基于水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)提取省內(nèi)典型總磷超標(biāo)斷面，分析農(nóng)業(yè)面源總磷污染對總磷超標(biāo)斷面的影響，并識別農(nóng)業(yè)面源總磷污染防控的薄弱環(huán)節(jié)，這不僅有助于理解農(nóng)業(yè)面源污染對河流水質(zhì)的影響機(jī)制，而且能為河北省農(nóng)業(yè)面源總磷污染的精準(zhǔn)防治提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐，對于改善河北省乃至京津冀地區(qū)的水環(huán)境質(zhì)量具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

河北省作為京津冀協(xié)同發(fā)展的核心區(qū)域，轄石家莊、唐山、邯鄲等11個地級市，總面積為18.88萬km²。該省氣候特征主要表現(xiàn)為溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，全省年均氣溫在11.8 ℃左右，溫度由北向南遞增，年平均降水量約為484.5 mm，降水量分布特點(diǎn)是東南多西北少。

河北省作為我國農(nóng)業(yè)種植大省，是我國重要的糧棉產(chǎn)區(qū)和蔬菜種植區(qū)[9]。本研究根據(jù)2023年空間分辨率不低于2 m的資源系列和高分系列的衛(wèi)星多光譜全色影像產(chǎn)品制作了2023年河北省土地利用產(chǎn)品并對類型情況進(jìn)行了統(tǒng)計，耕地、林地為該省主要土地利用類型，其中耕地面積占比42.68%，林地面積占比33.22%，城鄉(xiāng)、工礦和居民用地面積占比11.96%（圖1）。河北省地勢總體西北高，東南低，并呈階梯狀下降的趨勢，其地貌類型豐富多樣，包括平原、丘陵、山地、高原、盆地、沙漠等，海河和灤河水系是河北省兩大重要水系，是居民生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要水源。

1.2 研究方法

1.2.1 農(nóng)業(yè)面源污染評估模型選取

目前，農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷估算的方法主要分為3類：地面監(jiān)測法[10]、統(tǒng)計學(xué)方法[11]和機(jī)理模型模擬法[12]。地面監(jiān)測法精度最高，適用于小尺度區(qū)域如田塊，這些區(qū)域匯水范圍有限且內(nèi)部水系簡單。統(tǒng)計學(xué)方法主要依賴于統(tǒng)計數(shù)據(jù)和排污系數(shù)進(jìn)行估算，但這種方法的誤差通常較大。機(jī)理模型模擬法則通過模擬物理過程來進(jìn)行定量分析，從而模擬污染物的遷移和水土流失。在眾多機(jī)理模型中，SWAT、AGNPS和DPeRS是較為常用的模型。SWAT和AGNPS模型最初由西方國家開發(fā)，輸入因子和參數(shù)復(fù)雜，對于模擬大尺度行政區(qū)域的面源污染存在一定難度[12-14]。DPeRS模型是我國自主研發(fā)的大尺度面源污染模擬模型，基于遙感分布式面源污染監(jiān)測評估模型算法開發(fā)，能夠進(jìn)行多尺度、多類型的農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測評估，并實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)面源污染量的空間可視化，為農(nóng)業(yè)面源污染的優(yōu)先控制區(qū)提供直觀的空間分布信息，并成功應(yīng)用于我國巢湖流域、海河流域和渭河流域等區(qū)域[15-17]。因此，本研究選擇DPeRS模型來模擬評估河北省2023年農(nóng)業(yè)面源總磷污染情況，并結(jié)合典型斷面進(jìn)行分析。

1.2.2 DPeRS模型算法

氮磷平衡量的計算是DPeRS模型算法重要的一環(huán)，是農(nóng)業(yè)面源污染的初始源強(qiáng)。氮磷平衡量可反映土壤的養(yǎng)分狀態(tài)（盈余或虧損），基于研究區(qū)分縣人口數(shù)量、耕地和園地面積、氮磷施肥量、各類農(nóng)作物和水果的產(chǎn)量及播種面積、畜禽養(yǎng)殖量等50多個統(tǒng)計指標(biāo)數(shù)據(jù)，采用輸入輸出法核算研究區(qū)氮磷平衡量。氮磷平衡量計算公式如公式（1）～公式（3）：

1.2.3 農(nóng)業(yè)面源污染優(yōu)先管控單元劃分

在河北省農(nóng)業(yè)面源污染空間估算結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合“十四五”全國國控斷面對應(yīng)匯水范圍，按照農(nóng)業(yè)面源污染嚴(yán)重程度，提出農(nóng)業(yè)面源污染優(yōu)先管控單元（以下簡稱“優(yōu)控單元”）。其中，按照農(nóng)業(yè)面源污染控制方式，將農(nóng)業(yè)面源污染控制單元分為源頭與入河過程協(xié)同控制單元、源頭控制單元和入河控制單元3類；按照農(nóng)業(yè)面源污染嚴(yán)重程度，將農(nóng)業(yè)面源污染控制單元分為Ⅰ類優(yōu)控單元、Ⅱ類優(yōu)控單元和一般控制單元3個等級；結(jié)合農(nóng)業(yè)面源污染指標(biāo)，將總磷控制單元細(xì)分為總磷源頭、入河Ⅰ類優(yōu)控單元、源頭Ⅱ類優(yōu)控單元，入河過程Ⅱ類優(yōu)控單元和一般面源污染控制單元共4種類型。

省級農(nóng)業(yè)面源污染單元劃分優(yōu)先選取農(nóng)業(yè)面源污染排放強(qiáng)度和入水體量兩個指標(biāo)進(jìn)行判定，考慮到農(nóng)業(yè)面源污染的地區(qū)差異性，以河北省范圍內(nèi)所有控制單元近3年（2020—2022年）農(nóng)業(yè)面源總磷污染的排放負(fù)荷和入水體量的平均值作為閾值提取優(yōu)控單元，該閾值分別為12.6 kg·km^-2和1.5 t。

1.3 數(shù)據(jù)來源

本文采用的DPeRS模型是以大尺度面源污染模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用“二元結(jié)構(gòu)”原理構(gòu)建的遙感分布模型，模型算法以遙感數(shù)據(jù)為驅(qū)動，耦合定量遙感模型和生態(tài)水文過程模型，可對流域尺度面源污染負(fù)荷的時空動態(tài)進(jìn)行定量分析。該模型采用2023年土地利用產(chǎn)品、MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品和多源地面數(shù)據(jù)，并統(tǒng)一為空間分辨率30 m的數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格運(yùn)算。土地利用產(chǎn)品包括空間分辨率不低于2 m 的ZY3-01/02、GF1、GF2、GF6、GF7和ZY1-02D等衛(wèi)星多光譜全色影像產(chǎn)品，MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括植被指數(shù)產(chǎn)品（MOD13Q1），地面數(shù)據(jù)（公開發(fā)表的統(tǒng)計、調(diào)查和試驗數(shù)據(jù)）包括農(nóng)業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)、污染普查數(shù)據(jù)、降水空間插值數(shù)據(jù)、坡度坡長空間數(shù)據(jù)和水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)等。模型數(shù)據(jù)具體來源和處理方法詳見表1。

2 結(jié)果與討論

2.1 農(nóng)業(yè)面源總磷污染評估結(jié)果

基于參數(shù)本土化的DPeRS模型對河北省2023年農(nóng)業(yè)面源總磷污染排放和入河情況進(jìn)行核算，結(jié)果表明，河北省2023年農(nóng)業(yè)面源總磷污染排放量為1.33萬t，平均排放負(fù)荷為7.08 kg·km^-2，入河量為0.15萬t，平均入河負(fù)荷為0.81 kg·km^-2。本文核算的總磷排放量與《河北省第二次全國污染普查公報》數(shù)據(jù)較為接近，公報顯示2017年河北省農(nóng)業(yè)源水污染物排放量中總磷為0.74萬t；同時與Li等通過排污系數(shù)法估算的河北省2021年總磷排放量5.03萬t相比處于同一數(shù)量級但相對偏低[24]，說明與機(jī)理模型相比，排污系數(shù)法計算簡單但存在一定誤差。

從空間分布來看，河北省農(nóng)業(yè)面源總磷污染整體呈現(xiàn)南高北低的趨勢，與王磊等通過統(tǒng)計河北省各市化肥施用量評估的農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險空間分布特征較為一致[9]。分地市來看，農(nóng)業(yè)面源總磷污染排放負(fù)荷較高的區(qū)域主要分布在承德市南部、唐山市西部、廊坊市中部、保定市中部和邯鄲市北部等地區(qū)，與河北省農(nóng)業(yè)面源污染排放負(fù)荷相比，整體上農(nóng)業(yè)面源污染入河負(fù)荷相對較低，且入河負(fù)荷高值區(qū)分布較為零散，這與該地區(qū)水資源量少有密切關(guān)系，空間分布特征與污染高排放負(fù)荷區(qū)基本一致（圖3）。分地市來看，石家莊、邯鄲、邢臺、保定、滄州、廊坊和衡水7市農(nóng)業(yè)面源總磷污染排放負(fù)荷和入河負(fù)荷均超過河北省平均水平（表2）。

2.2 農(nóng)業(yè)面源污染評估精度分析

本文選取了唐河保定市匯水范圍作為驗證流域，通過驗證流域出口的白合水質(zhì)監(jiān)測站的地面監(jiān)測數(shù)據(jù)及遙感水文法反演的流量數(shù)據(jù)驗證模型模擬的精度。白合站點(diǎn)作為驗證流域的出口（圖4），其總磷數(shù)據(jù)源于地面自動站監(jiān)測數(shù)據(jù)，平均濃度為0.02 mg·L^-1，水文流量數(shù)據(jù)通過無人機(jī)航拍、三維數(shù)字河道構(gòu)建、遙感影像反演和降雨系數(shù)插補(bǔ)等一系列方法提取[25-26]，平均流量為70.8 m³·s^-1（圖5）。長時間序列的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)有限，因此通過地面監(jiān)測數(shù)據(jù)核算得出，2023 年1—5月該驗證流域總磷通量為18.39 t?；贒PeRS 模型核算的2023 年1—5月的面源總磷污染量為21.49 t，與實(shí)際觀測總磷通量值的相對誤差僅有16.9%，說明模型模擬精度較高。

2.3 河北省農(nóng)業(yè)面源總磷污染優(yōu)先控制區(qū)域識別

基于河北省農(nóng)業(yè)面源污染空間評估結(jié)果，結(jié)合“十四五”河北省國控斷面對應(yīng)匯水范圍進(jìn)行農(nóng)業(yè)面源污染優(yōu)先控制單元識別。2023年河北省國控斷面對應(yīng)匯水范圍共有201個控制單元，識別出2023年農(nóng)業(yè)面源總磷污染優(yōu)控單元48個，占控制單元總數(shù)量的23.9%，面積占優(yōu)控單元總面積的40.6%。其中，總磷源頭、入河Ⅰ類優(yōu)控單元7個，面積占比6.2%，源頭Ⅱ類優(yōu)控單元21個，面積占比3.1%，入河過程Ⅱ類優(yōu)控單元20個，面積占比31.3%。

空間上（圖6），農(nóng)業(yè)面源總磷污染的源頭、入河Ⅰ類優(yōu)控單元主要分布在邯鄲市東南部、邢臺市東部、保定市中部和南部、秦皇島市南部等區(qū)域?？偭自搭^Ⅱ類優(yōu)控單元主要分布在邯鄲市、衡水市、滄州市的局部地區(qū)以及保底市和廊坊市等區(qū)域?？偭兹牒舆^程Ⅱ類優(yōu)控單元主要分布在河北省南部大部分區(qū)域以及張家口市南部和唐山市等區(qū)域。

2.4 河北省典型總磷超標(biāo)斷面識別

參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）和《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法（試行）》，基于2023年河北省208個國控和省控斷面月度水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)識別超標(biāo)斷面，發(fā)現(xiàn)全年共有44個斷面發(fā)生總磷污染物超Ⅲ類水體情況，且總磷超標(biāo)斷面伴隨季節(jié)性變化。從月度超標(biāo)斷面?zhèn)€數(shù)分析發(fā)現(xiàn)（圖7），總磷指標(biāo)1—6 月和10—12 月超標(biāo)斷面?zhèn)€數(shù)在10 個以下，7、8、9月超標(biāo)斷面?zhèn)€數(shù)分別為14、30、10個，河北省8月總磷污染物超標(biāo)現(xiàn)象尤為突出。河北省夏季斷面總磷超標(biāo)個數(shù)顯著與汛期多雨促進(jìn)面源污染發(fā)生、溶解態(tài)和吸附態(tài)磷匯入河流有關(guān)[3-4]。對斷面總磷超標(biāo)頻次進(jìn)行分析，其中南大港濕地、碼頭李和南劉莊3 個斷面全年有5 個月以上都發(fā)生超Ⅲ類水體情況（圖8），這3 個斷面即為河北省典型總磷超標(biāo)斷面，需要重點(diǎn)分析斷面周邊農(nóng)業(yè)面源污染對其總磷超標(biāo)的影響。

2.5 典型超標(biāo)斷面與農(nóng)業(yè)面源污染協(xié)同分析

基于2023 年河北省農(nóng)業(yè)面源污染優(yōu)控單元結(jié)果，結(jié)合2023年河北省國控和省控水質(zhì)超標(biāo)斷面進(jìn)行空間協(xié)同分析，結(jié)果表明，2023年河北省碼頭李、南劉莊和南大港濕地入口3個斷面總磷超標(biāo)頻次較多，其中，碼頭李和南劉莊斷面所在的匯水區(qū)均屬于農(nóng)業(yè)面源總磷污染優(yōu)先控制單元（圖9）。

碼頭李斷面位于Ⅰ類重點(diǎn)管控的滏東排河（河北?。┛刂茊卧獌?nèi)，斷面水質(zhì)總磷濃度超標(biāo)主要受農(nóng)業(yè)面源污染影響，其農(nóng)業(yè)面源污染源頭排放和入河過程均需加強(qiáng)管控，其中農(nóng)田徑流型農(nóng)業(yè)面源總磷污染占比約84.6%，畜禽養(yǎng)殖型污染占比約14.8%，農(nóng)村生活型污染占比0.6%（表3），因此可優(yōu)先管控該區(qū)域農(nóng)業(yè)種植中磷肥的過量施用，提出適合于河北灌區(qū)種植模式的農(nóng)田面源污染防控型施肥方案或施肥制度，節(jié)約使用化肥，提高化肥利用效率，解決土壤中過多的養(yǎng)分留存[27]。南劉莊斷面位于白洋淀（南淀）控制單元內(nèi)，屬于入河過程Ⅱ類管控單元，說明該控制單元內(nèi)農(nóng)業(yè)面源總磷污染的排放量不高，地表過程攔截措施不當(dāng)，建議適當(dāng)建設(shè)攔截設(shè)施，確保其能夠有效攔截和處理污染物。該單元內(nèi)農(nóng)田徑流型農(nóng)業(yè)面源總磷污染占比約56.1%，畜禽養(yǎng)殖型污染占比約42.1%，農(nóng)村生活型污染占比1.8%，因此該區(qū)域需在農(nóng)業(yè)種植區(qū)和畜禽養(yǎng)殖區(qū)建立相應(yīng)生態(tài)溝渠和生態(tài)攔截技術(shù)等措施[28]，同時南劉莊斷面鄰近唐河（山西省-河北?。┛刂茊卧?，該單元屬于農(nóng)業(yè)面源源頭、入河Ⅰ類優(yōu)控單元，其也會對南劉莊斷面有一定影響。此外，南大港濕地入口斷面所在匯水區(qū)為南排河（河北?。┛刂茊卧?，該斷面鄰近渤海灣，受農(nóng)業(yè)面源影響很小，需重點(diǎn)關(guān)注渤海灣附近水產(chǎn)養(yǎng)殖等點(diǎn)源的影響。

3 結(jié)論

（1）基于參數(shù)本土化DPeRS 模型對河北省2023年農(nóng)業(yè)面源總磷污染的評估結(jié)果顯示，全省2023年農(nóng)業(yè)面源總磷污染排放量為1.33萬t，平均排放負(fù)荷為7.08 kg·km^-2，入河量為0.15萬t，平均入河負(fù)荷為0.81 kg·km^-2，整體呈現(xiàn)南高北低的趨勢，其評估精度高于80%。

（2）2023年農(nóng)業(yè)面源總磷污染優(yōu)控單元48個，占控制單元總數(shù)量的23.9%，面積占優(yōu)控單元總面積的40.6%，需重點(diǎn)針對邯鄲市、保定市和秦皇島市等區(qū)域開展源頭和入河過程協(xié)同優(yōu)先控制措施。

（3）河北省典型超標(biāo)斷面總磷濃度超Ⅲ類水體標(biāo)準(zhǔn)的頻次與汛期農(nóng)業(yè)面源污染易發(fā)有顯著協(xié)同關(guān)系。2023年總磷濃度超標(biāo)頻次較多的3個典型斷面，結(jié)合農(nóng)業(yè)面源總磷污染的優(yōu)控單元分析得出，碼頭李和南劉莊斷面總磷超標(biāo)主要受農(nóng)業(yè)面源總磷污染影響，碼頭李斷面的農(nóng)業(yè)面源污染源頭排放和入河過程均需加強(qiáng)管控，且優(yōu)先管控該區(qū)域農(nóng)業(yè)種植中磷肥的過量施用，南劉莊斷面需加強(qiáng)在農(nóng)業(yè)種植區(qū)和畜禽養(yǎng)殖區(qū)建立生態(tài)溝渠和生態(tài)攔截技術(shù)等措施，南大港濕地入口斷面受農(nóng)業(yè)面源影響很小，需重點(diǎn)排查渤海灣附近水產(chǎn)養(yǎng)殖等點(diǎn)源的影響。