2018, Vol. 37
随着点源污染治理力度的加强，面源污染特别是农业面源污染的严重性和防治的必要性已经引起了国内外学者和管理部门的注意。很多研究表明，面源污染已经成为水体污染的重要污染源，甚至首要污染源。据报道，美国的面源污染占污染总量的2/3，其中农业面源污染贡献率占68%~83%[1]。荷兰的农业面源污染产生的总氮（TN）、总磷（TP）污染负荷占水环境污染总负荷的60%和40%~50%[2]。在我国，2010年《第一次全国污染源普查公报》显示，农业面源污染是总氮、总磷排放的主要来源，其排放量分别为270.46万t和28.47万t，分别占排放总量的57.2%和67.4%。与点源污染相比，面源污染具有多源性、随机性、分散性、分布广、间歇性和难以监测性的特点，其治理难度大于点源污染，因此估算面源污染负荷，解析污染源具有重要意义。
目前，国内外常用的污染负荷估算方法有输出系数法[3]、排污系数法[4]、监测法[5]等，污染负荷评价的方法主要有等标污染负荷法[6]、清单法[7]、模型法[8]。由于缺乏与农业面源污染有关的水文和水质系统的、长期的实测数据，而输出系数法则避开了面源污染发生的复杂过程，所需参数少，操作简便，且能保证一定的精度，因此在我国面源污染研究中得到了广泛的应用。输出系数法最初由Omernik[9]等提出，由此建立了输出系数模型。此后最为重要的进展是Johnes等[10]在以往模型的基础上综合考虑了土地利用类型、人口和牲畜数量等因素对面源污染的影响，建立了更为完善的输出系数模型。卢少勇等[1]利用输出系数法分析、评价了洞庭湖区农业面源污染负荷；刘菊等[11]利用输出系数模型和生态系统服务与权衡综合评价模型估算了四川省宝兴县面源污染物总氮、总磷负荷；蔡明等[12]采用了考虑降雨因素影响和污染物在迁移过程中损失的改进的输出系数法对渭河流域总氮负荷量进行了估算。以上研究说明了输出系数法在面源污染研究中的优越性。
汉江中上游的丹江口水库是南水北调中线工程的水源地，汉江干流也是南水北调备用水源，但汉江流域内农村区域面积大，农村人口众多，土地利用强度高，水环境承载压力巨大，因此控制好汉江流域的农业面源污染是保证南水北调水质的重要任务。张军等[13]研究发现丹汉江流域是农业非点源污染主要敏感区，随干流向南北两侧敏感性递减，许策等[14]对汉江流域荆门段面源污染负荷时空分布与污染现状进行了分析和评价，但是目前关于汉江整个流域农业面源污染现状的研究较少。本文以汉江流域范围的13个地市为研究对象，采用输出系数模型估算2015年汉江流域TN、TP的污染负荷，运用等标污染负荷法对TN、TP的污染负荷进行评价，运用ArcGIS软件绘制面源污染空间分布，采用快速聚类法划分污染类型，旨在为汉江流域面源污染有的放矢地防治提出数据的理论支撑。
1 材料与方法 1.1 研究区域概况汉江发源于陕西省汉中市宁强县冢山，干流流经陕西省和湖北省，在武汉市注入长江，全长1577 km，是长江最长的支流。汉江流域分为3段，丹江口市以上江段为上游，丹江口市至钟祥市江段为中游，钟祥至汉口龙王庙江段为下游。由于农业面源污染的治理一般以行政区划为单位分区治理，故参照汉江流域的范围，选择陕西省汉中市、安康市、商洛市；河南省南阳市；湖北省十堰市、神农架林区、襄阳市、荆门市、天门市、潜江市、仙桃市、孝感市和武汉市共13个行政区为研究对象，研究区域示意图见图 1。
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图 1 研究区域示意图 Figure 1 The diagrammatic sketch of research area |
本文采用输出系数法（ECM）估算汉江流域各地市TN、TP的污染负荷，公式为[10]：
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式中：Li为污染物i的负荷量，kg·a-1；Eij为在第j种土地利用类型导致的第i种污染物的输出系数（kg·hm-2·a-1）或第j种畜禽养殖导致的污染物i的输出系数[kg·头（只）-1·a-1]或人口因素导致的污染物i的输出系数（kg·人-1·a-1）；Aj为第j种土地利用类型的面积（hm2）或第j种畜禽养殖的数量[头（只）]或人口数量（人）；P为降雨输入的污染物总量（因缺乏相关监测数据且其相对于农业面源污染物总量可忽略不计，本文不考虑此项影响），kg·a-1；n为流域内污染源数量。
结合汉江流域的实际情况，本文的农业面源污染源主要考虑农田化肥源、畜禽养殖源和农村生活源这3大类污染源，其中农业用地类型主要考虑水田、旱田和园地3种，畜禽养殖主要考虑牛、猪、羊和家禽4种类型。
估算污染物的负荷量关键在于确定输出系数的值。影响输出系数的因素主要有地形、地貌、水文、气候、土地利用、土壤类型、植被覆盖和人类活动等，其主要获取方法有现场监测法和查阅文献法[3]。鉴于汉江流域无输出系数的实测结果，兹参照已有的研究成果确定输出系数的值。
Beaulac和Reckhow以及Frink通过调查不同土地利用方式下的氮和磷输出系数的变化范围，取其平均值作为所研究区域的土地利用输出系数[15]。因此，在考虑了研究区域和研究年份两方面因素后，取国内不同研究区域结果的平均值作为本文的不同农业土地利用类型的输出系数取值。已有研究中的不同区域的不同农业土地利用方式下TN、TP的输出系数及本文的取值见表 1。
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表 1 不同区域输出系数的分类和取值 Table 1 The export coefficient classification and value of different regions |
畜禽养殖输出系数参照沈珍瑶等[1-3]的研究成果。由于各类畜禽的养殖周期不同，当年的畜禽数量是目前研究的争议所在[21]。牛和羊的平均饲养期一般长于一年，而猪和家禽的平均饲养期不足一年，故本文牛和羊当年的数量取为年末存栏数量，猪和家禽当年的数量取为年内出栏数量[22]。
农村生活污染输出系数参照国家环保总局推荐的人口输出系数[15]。汉江流域不同污染源的输出系数的分类及取值见表 2。
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表 2 汉江流域不同污染源的输出系数的分类及取值 Table 2 Classification and value of export coefficient of different pollution sources in the Hanjiang River Basin |
为了让不同的污染物能在同一尺度上加以比较，本文采用等标污染负荷法进行污染负荷评价。某污染物或某污染源的等标污染负荷量是指单位时间内排放的含该污染物的废水的等标体积[23]。某区域第j个污染源的第i个污染物的等标污染负荷量计算公式Pij为：
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式中：Pij为第j个污染源第i个污染物的等标污染负荷量，106 m3·a-1；Lij为第j个污染源第i个污染物的污染负荷量，t·a-1；C0为污染物i评价标准值。汉江流域水质以Ⅱ、Ⅲ类为主，结合各地市的环境状况公报和水资源公报中汉江流域水质情况，汉中市、安康市、商洛市、十堰市和神农架林区的评价标准值采用《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中Ⅱ类标准系列的阈浓度的下限值进行核算，其余地市采用Ⅲ类标准系列的阈浓度的下限值进行核算。（其中，Ⅱ类水下限值TN为0.5 mg·L-1，TP为0.1 mg·L-1；Ⅲ类水下限值TN为1 mg·L-1，TP为0.2 mg·L-1）。
若某区域第j个污染源有n个污染物，则该区域第j个污染源的等标污染负荷量Pj为：
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(3) |
式中：Pj为某区域第j个污染源的等标污染负荷量，m3·a-1；Pij为某区域第j个污染源的第i个污染物的等标污染负荷量，m3·a-1。
若某区域第i个污染物有m个污染源，则该区域的第i个污染物等标污染负荷量Pi为：
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(4) |
式中：Pi为某区域第i个污染物的等标污染负荷量，m3·a-1；Pij为某区域第i个污染物的第j个污染源的等标污染负荷量，m3·a-1。
若某区域有n个污染物、m个污染源，则该区域的等标污染负荷量P为：
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(5) |
式中：P为某区域的等标污染负荷量，m3·a-1；Pi为某区域第i个污染物的等标污染负荷量，m3·a-1；Pj为某区域第j个污染源的等标污染负荷量，m3·a-1；Pij为某区域第j个污染源的第i个污染物的等标污染负荷量，m3·a-1。
1.2.3 数据来源研究主要分析汉江流域13个地市的农业面源氮磷污染，所需基础数据包括水田面积、旱地面积、园地面积、牛、猪、羊、家禽和农村人口的数量。以上基础数据来源于《2015年湖北省统计年鉴》、《2015年河南统计年鉴》、《2015年陕西统计年鉴》及2015年各地市的统计年鉴或者国民经济和社会发展统计公报。汉江流域各地市的农村常住人口、农业统计数据见表 3。
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表 3 2015年汉江流域各地市农村常住人口和农业统计数据 Table 3 The rural resident population and agricultural statistics of cities in the Hanjiang River Basin in 2015 |
采用输出系数法估算了2015年汉江流域13个地市的土地利用、畜禽养殖和农村人口3大类污染源产生的TN、TP污染负荷量及负荷贡献率，计算结果见表 4、表 5。
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表 4 2015年汉江流域各地市不同污染源TN污染负荷量（t）及负荷贡献率（%） Table 4 The pollution loads and loads contribution rate of TN of different pollution sources of cities in the Hanjiang River Basin in 2015 |
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表 5 2015年汉江流域各地市不同污染源TP污染负荷量（t）及负荷贡献率（%） Table 5 The pollution loads and loads contribution rate of TP of different pollution sources of cities in the Hanjiang River Basin in 2015 |
2015年汉江流域的TN、TP污染负荷量分别为179 127 t，26 975 t，TN污染负荷量是TP污染负荷量的6.64倍。在现有研究中，TN与TP的污染负荷量之比在5~9之间[1]，本文结果与已有研究结果间具有一致性。从空间分布上来看，南阳市和襄阳市的TN、TP污染负荷量比较高，主要原因是这2个地市的农业土地利用面积大、畜禽养殖业发达、农村人口多。相比之下，神农架林区、仙桃市、潜江市、天门市和商洛市的农业土地利用面积小、畜禽养殖少、农村人口少，故TN、TP污染负荷量都比较低。
根据表 4、表 5的数据，通过计算可得出，汉江流域各地市的TN、TP的污染负荷均以农田化肥和畜禽养殖为主。其中，神农架林区和仙桃市的农田化肥对该地区的TN负荷贡献率分别为63.70%和57.29%，孝感市和襄阳市的畜禽养殖对该地区的TN负荷贡献率分别为43.76%和42.03%；神农架林区和南阳市的农田化肥对该地区TP负荷贡献率分别为37.84%和33.54%；孝感市和荆门市的畜禽养殖对该地区的TP负荷贡献率为73.05%和71.16%。鉴于此，汉江流域农业面源污染应将重点放在农田化肥污染和畜禽养殖污染上。
2.2 汉江流域农业面源污染负荷评价 2.2.1 汉江流域TN、TP等标污染负荷总量特征运用等标污染负荷法，计算不同污染源的TN、TP等标污染负荷及贡献率见表 6。
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表 6 2015年汉江流域不同污染源TN、TP的等标污染负荷量及贡献率 Table 6 The equivalent standard pollution load and its contribution rate of TN and TP of different pollution sources in the Hanjiang River basin in 2015 |
2015年汉江流域农业面源污染等标污染负荷总量为3.94×1011 m3。在各污染源中，农田化肥源的等标污染负荷总量为1.50×1011 m3，畜禽养殖源的等标污染负荷总量为1.76×1011 m3，农村生活源的等标污染负荷总量为6.9×1010 m3。畜禽养殖源的等标污染负荷总量最多，占流域等标污染负荷总量的44.62%，说明汉江流域的首要污染源是畜禽养殖源。
TN的等标污染负荷量贡献率顺序为：农田化肥（47.45%） > 畜禽养殖（32.40%） > 农村生活（20.16%），TP的等标污染负荷量贡献率顺序为：畜禽养殖（61.01%） > 农田化肥（25.3%） > 农村生活（13.68%）。由此可见，汉江流域农业面源污染的TN主要来源是农田化肥，TP主要来源是畜禽养殖，该结果与河南省农业面源污染的研究结果规律一致[3]。农田化肥对TN等标污染负荷贡献率的影响高于畜禽养殖和农村生活，而畜禽养殖对TP的等标污染负荷贡献率的影响明显高于土地利用和农村生活。
2.2.2 汉江流域TN、TP等标污染负荷量空间分布特征本文借助ArcGIS 10.0软件，将等标污染负荷量结果填加到行政区划图的表格属性中，绘制了2015年汉江流域各地市农业面源污染TN、TP的等标污染负荷空间分布格局，见图 2、图 3。在空间分布上，TN、TP的等标污染负荷空间分布有很强的一致性，其空间分布特征是：农业土地利用面积大、畜禽养殖业发达、农村人口多的地市等标污染负荷较大，反之亦然。汉江流域上游至下游的等标污染负荷量呈现出先增加后减少的趋势，流域等标污染高负荷区集中在流域中游。上游的汉中市、安康市和商洛市共3个地市的等标污染负荷贡献率之和是28.44%，中游的十堰市、南阳市、襄阳市、神农架林区和荆门市共5个地市的等标污染负荷贡献率之和是50.93%，下游的天门市、潜江市、仙桃市、孝感市和武汉市共5个地市的等标污染负荷贡献率之和是20.63%。中游5个地市的等标污染负荷量约占汉江流域的一半，说明了汉江流域中游的农业面源污染现状的严重性和治理的必要性。
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图 2 2015年汉江流域各地市TN等标污染负荷空间分布格局 Figure 2 Spatial distribution pattern of the equivalent standard pollution load of TN of cities in the Hanjiang River Basin in 2015 |
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图 3 2015年汉江流域各地市TP等标污染负荷空间分布格局 Figure 3 Spatial distribution pattern of the equivalent standard pollution load of TP of cities in the Hanjiang River Basin in 2015 |
由图 2、图 3可知，TN、TP等标污染负荷的最大值均出现在南阳市，其中TN等标污染负荷量贡献率达21.55%，TP等标污染负荷量贡献率达17.80%。南阳市内有汉江最大的支流唐白河，当支流的污染物汇入汉江干流，会加剧汉江的污染程度，故应加大对南阳市农业面源污染的治理。其次是汉中市、安康市、十堰市和襄阳市，TN等标污染负荷量贡献率达10.75%~12.52%，TP等标污染负荷量贡献率达10.39%~13.61%。等标污染负荷最小的地市是神农架林区、天门市、潜江市和仙桃市，TN等标污染负荷量贡献率仅为0.26%~2.20%，TP等标污染负荷量贡献率仅为0.22%~2.07%。
2.2.3 不同污染源对汉江流域各地市TN、TP等标污染负荷的贡献为便于分析，将污染源划分为水田、旱地、园地、畜禽养殖和农村生活共5种污染源，利用ArcGIS软件，绘制了2015年汉江流域各地市不同污染源TN、TP的等标污染负荷图，见图 4、图 5。汉江流域内，十堰市、襄阳市和孝感市的TN等标污染负荷贡献最大的为畜禽养殖，而其他10个地市TN等标污染负荷贡献最大的均为农田化肥。这10个地市中，汉中市、安康市、商洛市和南阳市的农田化肥源中旱地的等标污染负荷较大，而神农架林区、荆门市、潜江市、仙桃市和武汉市的农田化肥源中水田的等标污染负荷较大。汉江流域内各地市的TP等标污染负荷则表现出明显的规律特征，即均以畜禽养殖为主。对于流域内等标污染负荷最大的南阳市，其TN等标污染贡献率最大的是旱地，TP等标污染贡献率最大的是畜禽养殖。
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图 4 2015年汉江流域各地市不同污染源TN等标污染负荷 Figure 4 The equivalent standard pollution load of TN of different pollution sources of cities in the Hanjiang River Basin in 2015 |
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图 5 2015年汉江流域各地市不同污染源TP等标污染负荷 Figure 5 The equivalent standard pollution load of TP of different pollution sources of cities in the Hanjiang River Basin in 2015 |
再将污染源按照农田化肥、畜禽养殖和农村生活3大类进行划分，将TN等标污染负荷与TP等标污染负荷叠加后，得到2015年汉江流域各地市不同污染源等标污染负荷贡献率见图 6所示。汉江流域各地市农田化肥源和畜禽养殖源的等标污染负荷贡献率均相对较高，农村生活源的等标污染负荷贡献率均相对较低。
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图 6 2015年汉江流域各地市不同污染源等标污染负荷贡献率 Figure 6 Contribution rate of equivalent standard pollution load of different pollution sources of cities in the Hanjiang River basin in 2015 |
为因地制宜地开展农业面源污染防治，对各地市按污染类型进行分类。本文采用SPSS软件中快速聚类（K-Means Cluster）的方法，以各地市农田化肥源、畜禽养殖源和农村生活源这3大污染源的等标污染负荷贡献率为聚类对象，进行聚类分析。通过聚类分析将各地市划分成了6种污染类型，各污染类型的空间分布情况见图 7。
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图 7 汉江流域各地市污染类型空间分布格局 Figure 7 Spatial distribution pattern of pollution types of cities in the Hanjiang River Basin |
第Ⅰ类为农田化肥污染主导型，该类型包含神农架林区和南阳市，其农田化肥源在各类污染源中最为典型，农田化肥源的等标污染贡献率分别为54.04%和48.12%。第Ⅱ类为畜禽养殖污染主导型，该类型的地市分布在汉江流域中下游，包括襄阳市和孝感市，畜禽养殖源的等标污染贡献率较高，畜禽养殖源的等标污染贡献率分别为54.25%和58.04%。第Ⅲ类为农田化肥和畜禽养殖污染复合主导型，该类型只包含荆门市，其畜禽养殖源的等标污染贡献率为54.31%，农田化肥源的等标污染贡献率为40.93%。第Ⅳ类为畜禽养殖和农村生活污染复合主导型，该类型的地市包括十堰市和武汉市，其畜禽养殖源和农村生活源的等标污染贡献率之和分别为71.51%和70.62%。第Ⅴ类为农田化肥和农村生活污染负荷主导型，该类型的地市包括商洛市和仙桃市，其农田化肥源和农村生活源的等标污染贡献率之和分别为65.35%和69.53%。第Ⅵ类为混合污染型，该类型的地市分散在汉江流域上游段和下游段，其农田化肥源的等标污染贡献率均在36.18%以上，畜禽养殖源的等标污染贡献率均在38.03%以上，农村生活源的等标污染贡献率均在15.74%以上。
3 结论本文采用输出系数模型法、等标污染负荷法、ArcGIS技术和快速聚类法，估算了2015年汉江流域各地市的农业面源污染TN、TP的污染负荷量、等标污染负荷量及空间分布情况，结果表明：
（1）2015年汉江流域的TN、TP污染负荷量分别为179 127 t、26 975 t，相应的等标污染负荷量为2.26×1011 m3、1.68×1011 m3。
（2）TN的等标污染负荷量贡献率顺序为：农田化肥（47.45%） > 畜禽养殖（32.40%） > 农村生活（20.16%），TP的等标污染负荷量贡献率顺序为：畜禽养殖（61.01%） > 农田化肥（25.3%） > 农村生活（13.68%）。农田化肥源和畜禽养殖源是汉江流域农业面源污染的重点污染源。
（3）TN和TP的等标污染负荷的空间分布有很强的一致性，且分布特征明显。即农田面积大、畜禽养殖业发达、农村人口多的地市等标污染负荷较大，反之亦然。汉江流域内各地市的等标污染负荷量存在一定的差距，等标污染高负荷区集中在流域中游，上游的等标污染负荷其次，下游最低。TN、TP的等标污染负荷最大值均出现在汉江流域中游的南阳市，南阳市是流域面源污染控制的重点区域。
（4）基于各地市不同污染源的等标污染负荷贡献率，运用快速聚类方法，将汉江流域各地市分为了农田化肥污染主导型、畜禽养殖污染主导型、农田化肥和畜禽养殖污染复合主导型、畜禽养殖和农村生活污染复合主导型、农田化肥和农村生活污染复合主导型和混合污染型6种污染类型。
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