农业面源污染，又称为农业非点源污染，指溶解性或固体污染物在大面积降水和径流冲刷作用下，汇入受纳水体而引起的水体污染，其污染物来源主要包括水土流失、农业化学品过量施用、生活污水、畜禽养殖和农业与农村废弃物等^[1]。与农业面源污染相关的工作及相应的法规和政策最早见于美国，1972年，针对日益严重的水体环境污染，美国环保局要求各州从1975年开始必须给出非点源控制方案，紧接着，1977年美国清洁水法案出台，制定了控制污水排放的基本法规。自此以后，西方各国纷纷开展农业非点源污染研究，主要针对观测资料的统计与分析，并提出相应的政策与农业管理措施。Carpenter等^[2]于1998年指出，非点源污染是美国地表水中氮和磷的主要来源，农田中过量施肥与畜禽养殖密度过大导致的氮素盈余成为非点源污染的重要原因，在国际上引起很大反响，农业非点源污染研究逐渐走向深入。

随着人们对物质迁移转化过程的深入了解，以及计算机运算能力的提高，“3S”技术逐渐被引入生物迁移、转化、污染扩散与风险评估中，各国相继制定了各类污染物排放标准和风险评价技术规范^[3]。此外，国外学者在农业面源污染防治政策的激励机制方面也进行了深入的理论研究，各国也结合自身面源污染发生特征出台了相应的控制政策法规^[4]。国内相关学者对农业面源污染问题也开展了一系列研究与探讨，目前主要集中在农业面源污染的社会经济诱因^[5]、形成机理^[6]、农户行为^[7]等。2013年高懋芳等^[8]通过统计1995—2012年ISI Web of Science和CNKI两大数据库中有关农业面源污染方面的文章发现，污染治理技术、污染现状调查等方面文章数量处于前两位，面源污染负荷模拟次之，较为缺乏的是关于面源污染控制管理、驱动因子与影响因素、环境风险评价等方面的研究，弥补这些方面研究的空白和缺陷已经逐渐成为面源污染研究的热点问题。

中国是农业大国，种植业和养殖业分布广泛、普遍存在，致使农业面源污染分布具有范围广、随机性大、隐蔽性强、不易监测、难量化及控制难度大等特点。第一次全国污染源普查公报显示，农业源COD、TN和TP的排放量占污染源总排放的比例分别为43.7%、57.2%和67.4%，农业面源污染已成为中国目前环境污染的重要来源，也是当前农村环境质量提升的主要限制因素，制约着农业现代化的发展。针对农业面源污染研究的尺度，大多集中于市、县（区）级的农业面源污染现状与防控方面，而对省域等大尺度上的研究较少。另外，在研究方法上，运用GIS技术探讨农业面源状况的报道较少^[9-10]，缺乏对农业面源污染空间动态变化等方面的研究^[11]。

京津冀地区同属京畿重地，战略地位十分重要，近年来，随着该区域城市人口迅猛增加和农村经济快速发展，化肥、农药投入强度已处于全国前列^[12]，严重威胁着区域农业可持续发展。鉴于此，该区域相关省市相继出台了《农业面源污染治理行动计划》等相关政策文件；针对化肥农药过量施用、规模化养殖场畜禽废弃物无害化程度低等环境问题，国家启动了京津冀地区耕地质量提升、生态循环农业试点建设、畜禽水产标准化规模养殖、测土配方施肥等项目，以期缓解和改善该区域农业面源污染问题。但由于京津冀地域辽阔，地貌复杂多样，同时各县市区自然环境和经济社会发展环境各具特色，农业面源污染特征差异较大，调查难度加大，导致该区域面源污染时空特征研究相对缺乏。为此，本研究以京津冀农业生产区为研究对象，分析了近15年区域农业面源污染时空变化规律，以期为京津冀地区农业面源污染风险管控和生态环境质量提升决策提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 研究区域概况

京津冀地处华北平原，位于113°27′~119°50′E，36°05′~42°40′N，是我国重要粮棉产区和集约化蔬菜种植区，也是城郊型农业集中分布区。区域土地面积为21.6万km²，约占全国的2.7%，人口达1.1亿；区域内分布的海河、滦河两大河流水系，是居民生活和农业生产的主要水源；区域土壤类型以棕壤、褐土、潮土、栗钙土为主，耕地面积6.54万km²，约占区域总面积的30%。

京津冀地区包括北京、天津两直辖市以及河北省的保定、廊坊、唐山、秦皇岛、石家庄、张家口、承德、沧州、邯郸、邢台、衡水11个地级市，作为未来中国区域发展“三大战略”之一，该区域在中国社会经济发展中具有重要的战略地位。2015年4月30日中共中央政治局审议通过的《京津冀协同发展规划纲要》明确指出，京津冀是一个整体，京津冀协同发展不只是经济文化协同共进，大气污染治理、水环境保护、面源污染治理等生态环境问题也应协同治理、共同进步。近年来，由于化肥、农药过量施用，畜禽粪尿、生活污水、生活垃圾随意排放，该区域农业面源污染问题突出，引发雾霾频发、水体富营养化、农产品质量安全等问题，对区域大气、水体、土壤等生态环境和人体健康构成极大威胁。

1.2 数据来源

本研究采用的化肥施用量、农药施用量、畜禽养殖量、农作物播种面积及耕地面积等资料数据分别来自《中国农村统计年鉴（2000—2014）》《北京市农业统计年鉴（2000—2014）》《天津市农业统计年鉴（2000—2014）》《河北省农业统计年鉴（2000—2014）》。排污系数、畜禽饲养天数等数据源于已发表的文献及学位论文^[13-17]。

1.3 研究方法

数据分析与绘图方法：以县市区为基本单元，应用SPSS 19.0数据处理软件对京津冀地区相关数据（化肥、农药施用量，畜禽养殖出/存栏量）进行分析，并参考前人研究成果，对京津冀农业面源污染进行分级，利用SPSS 19.0、Origin 9.0、ArcMap10.1软件，结合相关系数（表 1）绘制施肥量、畜禽粪尿排放量年际变化表格、图形，按分级标准绘制典型年份京津冀化肥、农药、畜禽粪尿氮磷污染风险空间分布图。此外，由于部分县市区耕地面积数据缺失，采用农作物复种指数进行折算^[18]。

化肥污染风险分区方法：针对化肥过量施用导致的污染，我国目前缺乏这方面分级法律法规，采用发达国家为防止化肥对水体造成污染而设置的警戒线（单位播种面积225 kg·hm^-2）为标准^[19]，国内学者开展的相关研究^{[11, 20]}多以该警戒线为依据。因此，将化肥污染低风险区、中风险区、高风险区分别对应：< 225、225~400、>400 kg·hm^-2。

农药污染风险分区方法：由于农药种类繁多、成分复杂，具体施用量受农民种植习惯、农作物种植类型和气候等因素影响，国内外缺乏对于化学农药污染的标准、规范。因此，参考前人研究成果，采用单位农作物播种面积农药施用量来区分农药污染程度^[21]，农药污染低风险区、中风险区、高风险区分别对应：< 10、10~20、>20 kg·hm^-2。

畜禽粪尿氮磷污染分区方法：畜禽养殖污染程度采用粪尿中N、P排放强度来表示，即单位耕地面积N、P负荷量。根据京津冀区域养殖现状，其畜禽主要包括牛、猪、羊和家禽四类。中国缺乏畜禽粪尿污染控制方面的标准、规范，本研究采用欧盟硝酸盐法中规定的标准，即单位耕地面积畜禽粪尿氮磷素负荷限量值为170 kgN·hm^-2、35 kgP·hm^{-2 [22]}。国内学者开展的相关研究^{[19, 23]}多数参考该限量值。结合该区域畜禽粪尿氮磷素负荷状况，将氮素污染低风险区、中风险区、高风险区分别对应：< 170、170~340、>340 kg·hm^-2；磷素污染低风险区、中风险区、高风险区分别对应：< 35、35~70、＞70 kg·hm^-2。

畜禽粪尿氮（磷）素排放量=日排放系数×饲养天数×畜禽数量×肥分百分比。

2 结果与分析 2.1 京津冀地区农业面源污染时间变化特征 2.1.1 化肥污染

通过对京津冀地区15年来，12种主要农作物播种面积、化肥施用量等相关数据对比分析发现，2014年与2000年相比，该区域农作物播种总面积减少619.44万hm²，降低6.2%；但经济作物+蔬菜的播种面积所占比例却从25.71%增长到28.30%，增加2.59%。化肥施用总量、化肥施用强度处于持续增长的趋势（表 2），15年间，该区域化肥施用总量和单位播种面积施用量分别从2000年的305.12万t和304.77 kg·hm^-2增加到2014年的370.50万t和394.48 kg·hm^-2。与发达国家为防止化肥对水体造成污染而设置的安全警戒线225 kg·hm^-2相比，单位播种面积化肥施用量（304.77 kg·hm^-2）最低的年份（2000年）也超过了安全警戒线，尤其从2007年开始，每年单位播种面积化肥施用量均在国际警戒线水平的1.5倍以上。自2010年起，该区域化肥施用总量增长速度相对减慢，仅增加了2.3%，但单位播种面积化肥施用量增加了3.5%，增速远远大于总量增速。

近年来，我国经济作物和蔬菜的单位面积施肥量不断增长^[24]，京津冀地区由于种植结构的调整，经济作物+蔬菜播种面积所占比例增加，可能是引发该区域化肥施用总量不断增加的原因^[25-26]。此外，由于城镇化和工业化发展导致该区域农作物播种面积不断下降，使得化肥施用强度持续快速增加，近5年平均施用量386.33 kg·hm^-2，超出全国平均水平^[24]（346.1 kg·hm^-2）12%，是全国面源污染重点防控地区。

2.1.2 农药污染

京津冀地区由于作物种植类型和自然气候条件多样，农药施用类型也相对多样，且成分复杂。表 3显示2000—2014年京津冀地区农药施用情况。就施用总量而言，2014年该区域农药总施用量为89.93万t，与2000年相比增加了9.83%；农药单位播种面积施用量2014年为9.58 kg·hm^-2，较2000年增加了20.42%。2000—2014年间京津冀地区农作物播种面积因城市扩张而逐年减少，尽管农药施用总量增加幅度较小，但单位播种面积施用量却大幅增加，2014年北京市单位播种面积农药施用量已高达18.4 kg·hm^-2，部分县市区处于高污染风险区域。此外，长期农药施用已导致病虫抗药性增加，防治效果大幅降低，农药施用有进一步增加的趋势，致使农药污染进一步加重，且呈现污染类型多样化。农药污染物一般难以降解，在农产品、土壤、地表水和地下水中持续累积，对生态环境和人体健康构成极大威胁。

2.1.3 畜禽粪尿污染

近年来，随着京津冀地区区域功能定位和农业生产方式转变，该区域畜禽养殖量呈先增加后降低的趋势，2000—2005年快速增长，2005—2014年有所下降，其中大牲畜牛的养殖数量大幅降低，存栏量由2000年的736.53万头下降到2014年的452.04万头，粪尿产生量由2000年的1.24亿t下降到2014年的0.76亿t。而消费量相对较大的猪、羊和家禽出栏量/存栏量均呈小幅增加趋势，猪、羊和家禽粪尿产生量分别由2000年的7933、1886、1306万t增加到2014年的8458、2122、1400万t（图 1）。2000—2014年该区域畜禽粪尿氮磷的变化趋势与畜禽养殖数量变化趋势一致（图 2），2000年牛、猪、家禽、羊粪尿中氮素产生量分别为70.06、43.63、16.45、15.73万t，2014年分别为43、46.51、17.63、17.69万t；15年间牛养殖产生的粪尿氮素降低了39%，而猪、家禽和羊的产生量略有增加；2000年牛、猪、家禽和羊粪尿磷素产生量分别为23.85、7.93、19.34、6.15万t，2014年则分别为14.64、8.46、20.73、6.92万t，15年间牛养殖产生的粪尿磷素降低了39%，猪、家禽和羊的略有增加。

2000—2014年该区域畜禽粪尿组成结构发生较大变化，但牛和猪粪尿是畜禽粪尿的主要组成，其中，牛粪尿占总畜禽粪尿排放量的比例由2000年的50%下降到2014年的38%，而猪粪尿占总畜禽粪尿比例则从2000年的34%增加到2014年的43%。对畜禽粪尿氮磷素分析可知，牛和猪粪尿氮素和磷素产生量一直处于主导地位，但是牛粪尿氮素和磷素的产生量在2000—2014年间不断下降，而猪和家禽粪尿氮素和磷素产生量则不断上升，其中猪粪尿氮素产生量于2012年超过牛，占总畜禽粪尿氮素产生量的37%；而家禽粪尿中磷素产生量则于2006年超过牛，占总畜禽粪尿磷素产生量的41%。这些变化无疑会加重京津冀区域畜禽粪尿氮磷素污染，故应重视对规模化猪、牛、家禽养殖场的整改，配套相应粪尿处理设施，并将畜禽粪尿磷素污染防治纳入重点，防止畜禽粪尿随意排放引发的区域环境污染。

2.2 京津冀农业面源污染风险空间格局

针对京津冀地区农业面源污染风险空间分布特征，文章选择4个代表年份（2000、2005、2010、2014年），分析了该区域182个县市区农业面源污染风险发生的时空变化。

2.2.1 化肥污染风险分布

由图 3可以看出，京津冀地区由化肥过量施用导致的农业面源污染较为严重，2014年该区域部分县市区单位播种面积化肥施用量超过1000 kg·hm^-2。从2000年到2014年该区域单位播种面积化肥施用量增幅较大，高风险污染（＞400 kg·hm^-2）的县市区从33个增加到72个，表明该区域化肥施用导致的污染高风险区大幅度增加。

从空间分布来看，2000年污染高风险区主要分布在中部的顺义、通州、大兴、香河、三河、蓟县等，东北部的兴隆、迁西、卢龙、昌黎等县，西南部的正定、新乐、邯郸、磁县等；而2014年该区域中部和东北部的北京市、天津市、唐山市、秦皇岛市大部分县市区均处于高风险污染区，西南部的污染高风险区扩大到深州、隆尧、定兴等地区，东南部各县市区也从2000年的低风险区恶化到较高风险污染区。对单位面积农产品产出和产值增加的追求、农业种植结构和生产方式调整是引起该区域污染高风险区增加的主要原因之一，例如唐山市、秦皇岛市部分郊县市区由原来粮食作物种植向蔬菜瓜果等种植模式的转变。此外，近年来国家为了促进农业发展、保证农民收益，对化肥企业给予一定补贴，限制化肥价格，使化肥大量施用，进而导致化肥污染高风险区增加。

2.2.2 农药污染风险分布

京津冀地区气候条件及种植结构差别大，导致农药施用种类、施用量及农药残留等变化较大。从图 4可以看出，2000年该区域农药污染高风险（＞20 kg·hm^-2）的县市区有朝阳、丰台、海淀、平谷、汉沽、东丽、抚宁、辛集及赵县共9个，而2014年昌平、怀柔、兴隆、卢龙、昌黎、深州、东光等也都超过20 kg·hm^-2，高风险污染县市区增加到20个，其中部分县市区高达60 kg·hm^-2。该区域单位农作物播种面积农药施用量增幅不大，但高风险县市区数量增加一倍多。农药污染高风险区域主要分布在城市周边蔬菜集中生产供应基地，例如北京市的顺义、大兴、昌平等是北京市蔬菜主要生产地区，河北省的怀来、万全等也是环京津蔬菜商品重要生产基地。农药污染高风险区域扩大，将对农产品安全、土壤环境构成极大威胁。

2.2.3 畜禽粪尿中氮磷素污染风险分布

由于天津市和河北省多数县市区家禽数量统计数据缺失，为了保证数据统一，仅对猪、牛、羊三种畜禽粪尿累积氮磷素污染风险进行空间差异分析。

由图 5可知，2000—2005年京津冀地区单位耕地面积畜禽粪尿氮素污染呈局部加重的特点，2000年和2005年该区域畜禽粪尿中氮素高风险污染空间分布区域大体相同，主要分布在京津冀北部及西南部少数县市区。2010年整个区域畜禽粪尿中氮素污染与2005年相比明显降低，原因可能在于，经济疲软和畜产品安全事件引发畜产品价格波动较大，导致2010年各县市区生猪出栏和牛存栏量大幅度下降^[14]。但2014年该区域畜禽粪尿中氮素污染高风险区大幅增加，坝上高原生态防护区、燕山-太行山生态涵养区所在的部分县市区单位耕地面积氮素负荷已超过170 kg·hm^-2，氮素污染高风险县市区数量达136个，占总县市区个数的75%，除北京、天津、张家口、廊坊、衡水辖区少部分县市区外，其他各县市区均处于氮素污染高风险或较高风险区。

由图 6可知，该区域畜禽粪尿磷素污染更为严重，部分氮素污染低风险的县市区磷素污染却达到高风险水平。2000年和2005年该区域畜禽粪尿磷素高风险污染空间分布基本相同，但2005年磷素负荷局部加重，主要分布在北部、南部的边缘县市区；2014年该区域畜禽粪尿中磷素污染高风险区大幅增加，单位耕地面积磷素负荷超过35 kg·hm^-2的县市区有148个，占总县市区个数的81%；超过70 kg·hm^-2的县市区有112个，占总县市区个数的62%。秦皇岛、唐山等海岸海域生态防护区大部分地区处于磷素污染高风险区，除北京、天津等少部分县市区，其他各县市区均处于磷素污染较高或高污染风险区。

随着京津冀地区工业化、城镇化的快速发展，2014年该地区耕地面积为7 147.54万hm²，与2000年（7 610.38万hm²）相比下降6.08%。区域功能转变及集约化、规模化养殖业快速发展，是导致该区域畜禽粪尿氮磷素高风险县市区数量增加的主要因素。例如，石家庄、保定、唐山、邯郸和衡水等市是京津冀生猪主要养殖区，张家口、承德、唐山等市是京津冀奶牛、肉牛主要饲养区。

3 讨论

京津冀地区农业面源污染风险时空差异显著，尤其化肥、畜禽粪尿中氮磷时空变化大，农药时空差异相对较小，仅有小部分高风险县市区。Xin等^[25]研究分析了我国1998—2008年间不同作物化肥投入量时空差异，发现种植结构变化是导致化肥施用量增加的主要因素。本研究发现，京津冀地区自2000年以来种植结构调整较大，经济作物、蔬菜种植面积不断增加，导致化肥施用总量持续增长、单位播种面积化肥施用量远大于警戒线，化肥污染高风险面积扩大；农药污染高风险区集中分布在大城市周边县市区，设施蔬菜和果园面积增加引起的农药喷施量加大是导致城郊区部分县市区农药高风险区域增加的重要因素；畜禽粪尿产生总量年际间整体呈降低趋势，但由于耕地面积减少、集约化养殖场增加，使得部分区域单位耕地面积畜禽粪尿氮磷污染负荷增加。

京津冀地区农业面源污染风险不断增大、高风险区域不断增加，将会带来一系列环境问题。Ongley等^[27]和Shen等^[28]对三峡库区水体污染来源进行研究发现，农业面源是三峡库区水环境污染最大的污染源；蔡金洲等^[20]的研究发现，三峡库区水体中农业面源污染源中56%来自化肥过量施用。此外，张宏威等^[29]对设施蔬菜的试验研究发现，大量施肥使深层土壤有机态氮含量增加，可能引发地下水污染；Wilkinson等^[30]研究发现，过多的养分输入会带来土壤次生盐渍化，导致土壤退化。此外，粪尿中的抗生素随养殖废水进入周边水体环境介质，给生态环境带来不良影响，并通过食物链传递，对人体健康产生危害^[31]。还有研究表明，畜禽粪尿堆放或储存过程中，有10%的粪尿流失进入水体，对流域水体氮磷素富营养化的贡献率分别为10%和20%^[32]。本研究发现，京津冀地区较多的化肥和畜禽粪尿氮磷污染高风险县市区位于密云水库上游水系以及清河、大洋河等重要流域内（图 3、图 5、图 6），化肥过量施用及畜禽粪尿的不合理处置，可能导致该区域重点保护水体的水体富营养化、地下水污染等环境问题加剧，限制该区域环境质量的整体提升。

京津冀地区面临着化肥污染风险逐年升高、部分县市区农药污染严重、畜禽粪尿氮磷素污染风险范围广等问题。针对化肥污染，推荐采用优化种植结构、指导农户科学施肥、有机肥替代化肥等措施降低其污染风险；针对农药污染严重的县市区，提倡使用生物农药、低毒低残留农药；针对畜禽粪尿氮磷素高风险县市区，建议加强规范化养殖、提高畜禽粪污无害化处理、推广科学合理还田等措施，防止污染物进入土壤、水体。此外，针对京津冀地区农业面源污染防控，应强化建立区域联动协调机制，分级分区分类进行污染源管控，共同面对京津冀区域面临的生态环境问题，同步治理、协同管理、优化布局，共同提升京津冀地区生态环境质量。

本研究仅针对农业面源污染主要来源的化肥、农药施用和畜禽粪尿污染进行分析，并未考虑农膜、秸秆、水产养殖、生活垃圾、生活污水等，以后有必要进一步结合，对区域农业面源污染开展更系统的研究。此外，我国尚缺乏化肥、农药施用量的限量标准，本研究采用发达国家的标准及前人的研究成果对化肥、农药、畜禽粪尿氮磷污染程度进行分级，可能导致部分区域污染风险被高估或低估，后续应加强农业面源污染物风险评估分级标准相关的研究。由于本研究对该地区畜禽粪尿氮磷素污染风险分析中，重点考虑了粪污产生总量对耕地的污染风险，未考虑养殖场治污设施的配备情况，可能会导致部分县市区被高估，后续研究应结合更详尽的统计数据进行分析。

4 结论

（1）京津冀化肥和化学农药施用总量逐渐增加，单位播种面积化肥和化学农药施用量仍居高不下。畜禽粪尿排放总量逐渐降低，且猪粪尿产生总量逐渐取代牛粪尿趋于主导地位。

（2）京津冀地区化肥污染和畜禽粪尿氮磷素污染高风险市区县个数增加较快，化学农药增加较慢。化肥污染和畜禽粪尿氮磷素污染高风险市区县分布广泛，化肥农药污染高风险市区县集中分布在少数几个城市周边蔬菜种植地区。

（3）化肥污染风险增加的主要原因是对农作物单产的过度追求；耕地面积减少和集约化养殖共同导致了畜禽粪尿氮磷素污染风险增加。