近20年來廣東省農業面源污染負荷時空變化與來源分析

　　摘要：廣東省農業面源污染負荷產生量大，對區域生態環境造成嚴重影響。采用清單分析法分析了近20年(1999—2019年)廣東省農業面源污染負荷時空變化特征，探討了農業面源污染的來源情況，并分析了農業生產投入強度、農業面源污染負荷和農業面源污染指標的關系。結果表明，近20年廣東省農業面源污染總負荷下降6.08%，其中化學需氧量(COD)、總氮(TN)和總磷(TP)的污染負荷增幅分別為−11.88%、4.99%和 26.17%，耕地化肥和農藥投入強度分別上升112.19%和60.38%。珠三角地區是廣東省農業面源污染負荷最高的地區，其次分別是粵北、粵西和粵東地區。畜禽養殖是COD的主要來源，化肥和畜禽養殖是TN的主要來源，畜禽養殖和水產養殖是TP的主要來源，且水產養殖污染物排放占比呈現出明顯上升趨勢。不同區域的污染物來源存在一定差異，粵西、粵北和粵東地區COD和TP主要來源是畜禽養殖，TN的主要來源是化肥;珠三角地區水產養殖業成為TN和TP污染負荷的主要來源。廣東省面源污染負荷總量下降主要源于城鎮化水平的提高和農村人口比例減少。總體而言，廣東省面源污染存在時間階段性變化與空間差異，應當采取全面治理與針對性污染治理相結合的治理措施，全面加強化肥減量措施和養殖業污染治理，重點加強珠三角地區水產養殖污染治理和粵北地區農村生活污染治理。

　　關鍵詞：面源污染;污染負荷;清單分析法;時空變化;污染來源分析

　　葛小君; 黃斌; 袁再健; 王棟棟; 王泉泉; 陳佳村; 謝真越環境科學2021-12-17

　　農業面源污染指的是農業活動過程中畜禽和水產養殖廢水排放、化肥與農藥流失和農村人類活動等因素導致污染物進入環境造成的污染[1,2]，具有排放隨機、過程復雜和不易被監測與控制等特征[3]。中國是世界最大的集約化農業發展中國家之一[4]，從 1978—2017 年，我國化肥年施用量從 884 萬 t 增加到 5859 萬 t，農藥年施用量由 0.73 萬 t 增加到 166 萬 t，但化肥和農藥利用率不足 1/3，畜禽養殖糞污有效處理率不足 1/2[5]。農用化肥和農藥的大量投入造成了嚴重的農業面源污染[6,7]，我國農業的化學需氧量(COD)、總氮(TN)和總磷(TP)排放量分別占全部污染物排放總量的 49.77%、51.97%和 67.22%[8]。

　　廣東省是我國農業生產較發達的省份，同時也是農業面源污染問題突出的地區之一[5,9]，全省農業污染排放和農村生活排污占水體 COD、TN 和 TP 排放量的 60.47%、56.74%和 77.21%[10]。近年來，廣東省城市化進程加快，城市化率從 1999 年的 31.18%上升到 2019 年的 71.40%，農業產業結構發生較大改變[4]，土地利用格局的改變會使得農業面源污染排放量與排放特征發生變化[11]。但以往廣東省農業面源污染研究集中在種植業、畜禽養殖業和農村人口這些方面[12,13]，對水產養殖、農作物固廢和農村生活所產生的污染負荷有所忽視 [4,14]，且大多數農業面源污染負荷估算的研究集中在某個流域或者某個典型區域，因此，有必要對廣東省的農業面源污染負荷的時空變化與來源進行全面分析與評估，以期為廣東省農業生態環境保護及治理提供理論依據。

　　1 材料與方法 1.1 研究方法與數據來源

　　本研究采用清單分析法估算廣東省農業面源污染負荷，該方法不用考慮復雜的污染過程，能夠在較長的時間和較大的空間尺度上對面源污染負荷進行較準確的評估[13]。空間上將廣東省劃分為粵東(汕頭市、汕尾市、潮州市和揭陽市)、粵西(湛江市、茂名市和陽江市)、粵北(韶關市、河源市、梅州市、清遠市和云浮市)和珠三角(廣州市、佛山市、肇慶市、深圳市、東莞市、惠州市、珠海市、中山市和江門市)這 4 個區域進行對比研究。將農業面源污染源分為 3 類：第一類是耕作過程中施用的化肥、農藥和塑料等化學品以及農作物產品收獲后產生的作物廢物;第二類是畜禽養殖和水產養殖產生的養殖業污染物;第三類是農村地區居民的生活廢棄物[5]。農田固廢很少被納入評價面源污染的指標中，但是由于在還田過程中微生物分解養分和徑流沖刷聯合作用[14]，農田固廢仍具有潛在污染量[15,16]，因此本研究將農田固廢作為評價農業面源污染負荷指標之一。為了在統一尺度上比較各類污染物，根據文獻[17]確定化學需氧量(COD)、總氮(TP)和總磷(TP)為主要的污染負荷指標，并以化肥、畜禽養殖、水產養殖、農作物固廢和農村生活作為農業面源污染的污染源。化肥、農藥和地膜的過度使用會增加溫室氣體排放和加劇耕地退化[16]，但是由于其排污系數難以獲得[5]，因此引入排放強度來判斷農業耕地投入要素污染現狀。

　　本研究數據來源于文獻[18,19]。農作物、化肥、農村生活和畜禽養殖的產污和排污系數參考文獻[17,23,24];水產養殖產污和排污系數則依據文獻中廣東漁業各養殖類型占比，選取池塘養殖作為主要養殖方式[25]，并根據文獻進行系數修正[17,20]，其中是否引入沉積物對污染物吸附對水產養殖污染負荷排污系數的取值范圍影響較大，有研究表明，魚塘清淤和內源性養分釋放同樣會產生環境污染[19,21]，因此為了避免高估或低估污染負荷本文中取化學分析法和物料平衡法所給出的兩種排污系數的平均值以確定本文水產養殖產污排污系數。由于化肥施用后并不產生 COD 污染，在計算 COD 負荷時，化肥不作為計算指標。具體的計算指標、排污系數及其來源見表 1 和表 2，其中給出主要的污染負荷貢獻單位的排污系數。

　　1.1.1 污染負荷計算

　　TPLi= ∑ EUactivity= ∑ ∑ EUclass= ∑ ∑ ∑ EUunit×EUA (1) TPL=TPLCOD+TPLTN+TPLTP (2) 式中，TPLi 為農業面源污染指標 i 的污染負荷量，i 包括化學需氧量(COD)、總氮(TN)和總磷(TP);TPL(Total Pollution Loads)為農業面源污染總污染負荷; EUactivity為農業活動的污染源的污染負荷;EUclass 為各類農業活動污染源中各類別的污染負荷;EUunit 為農業各類農業活動污染源中各類別基本單元的污染負荷;EUA 為 EUunit的排污量，EUA 由以下公式計算出。 EUA= ∑ EUi n i=1 ρi(1-ηi)Ci(EUi , S) (3) EUA= ∑ PEi n i=1 Qi (4) 式中，EUi 為基本單位;ρi 為污染物產生系數;ηi 為相關資源利用效率(%);PEi 為農業面源污染物的產量;Ci 為污染物排放系數，由(EUi, S)所決定的;(EUi, S)為基本單位在不同的區域環境特點、水文條件、降雨、土壤、植被覆蓋和各種社會政策的綜合作用。該公式可以簡化為式(4)，Qi為 i 的排污系數，即農業面源污染物的產量乘以排污系數。

　　1.1.2 投入強度計算

　　EIi= Ei AL (5) 式中，EIi 為 i 的單位投入強度(kg·hm-2)，Ei 為投入要素 i 的施用量，AL 為 i 單位的作用面積(hm2)。根據文獻[12,29]和本文數據計算結果，確定化肥和農藥面源污染程度分級。針對化肥污染，將污染等級分為 4 個等級，分別是化肥年投入強度小于 225kg·hm-2 的區域為無污染區，225~500 kg·hm-2 的區域為輕度污染區，500~1000 kg·hm-2 的區域為中度污染區，大于 1000 kg·hm-2 的區域為重度污染區;對于農藥投入強度，將污染等級分為 3 個等級，施用量小于 10 kg·hm-2 的區域為輕度污染區，10~30 kg·hm-2 的區域為中度污染區，大于 30 kg·hm-2 的區域為重度污染區。

　　1.2 分析方法

　　農業生產要素投入量和農業污染負荷指標間的相關性采用 Pearson 相關分析計算，顯著性和極顯著性水平分布設定為 P<0.05 和 P<0.01。采用 GraphPad Prism 9.0 進行數據處理和作圖。使用 ArcGIS10.7 進行空間分布計算。

　　2 結果與分析 2.1 農業面源污染負荷年際變化特征

　　從圖 1 可以看出，廣東省農業面源污染總負荷由 1999 年的 236.63?104 t 下降到 2019 年的 222.40?104 t，降幅為 6.08%。COD 污染負荷由 169.05?104 t 下降到 148.96?104 t，降幅為 11.88%;TN 污染負荷從 59.92?104 t 增加到 62.91?104 t，增幅為 4.99%，TP 污染負荷從 7.65?104 t 增加到 9.66?104 t，增幅為 26.17%。

　　2.2 農業面源污染負荷空間變化特征

　　從廣東省不同區域的污染負荷貢獻率情況可以看出(圖 2)，2019 年總污染負荷貢獻率表現為：珠三角>粵西>粵北>粵東。2019 年珠三角 COD、TN 和 TP 污染負荷貢獻率相較于 1999 年分別下降了 1.82%、4.19%和 5.23%，但仍為 4 個區域中最高;粵東污染負荷貢獻率為 4 個區域中最低，COD、TN 和 TP 污染負荷貢獻率下降了 3.06%、3.68%、3.22%;2016 年之前粵西和粵北地區污染負荷占基本保持不變，2016 年后污染負荷貢獻率上升趨勢較為明顯，相比于 1999 年，2019 年污染負荷貢獻率分別增加了 4.48%和 1.31%。

　　2.3 農業面源污染無來源特征分析 2.3.1 廣東省農業面源污染負荷來源

　　1999~2019 年廣東省 COD 的主要來源是畜禽養殖，TN 的主要來源是化肥和畜禽養殖， TP 的主要來源是畜禽養殖和水產養殖，而農作物廢棄物排污占比相對較低(圖 3)。值得注意的是水產養殖對不同污染物負荷的貢獻均呈現出逐年上升的趨勢，COD 污染負荷貢獻率由 7.25%上升至 15.15%，TN 污染負荷貢獻率從 10.07%上升至 16.60%，TP 污染負荷貢獻率從 16.89%上升至 23.79%。

　　2.3.2 區域農業面源污染負荷來源

　　粵西和粵北 COD 和 TN 污染負荷貢獻率結構較為類似，且 20 年間各污染物污染負荷貢獻率變化幅度不明顯，畜禽養殖是 COD 和 TP 的主要來源，化肥是 TN 的主要來源(圖 4)。珠三角地區畜禽養殖 COD、TN 和 TP 的污染負荷貢獻率明顯下降，水產養殖占污染負荷貢獻率明顯上升，相比于 1999 年，2019 年水產養殖 COD 污染負荷貢獻率上升 11.71%，TN 污染負荷貢獻率達到 25.04%，并且成為了 TP 污染負荷的主要來源。粵東地區污染負荷結構變化不大，畜禽養殖是 COD 和 TP 的主要來源，化肥產污是 TN 主要來源。

　　2.4 農業生產投入強度與面源污染負荷關系 2.4.1 農業生產要素投入時空變化特征

　　近 20 年廣東省耕地面積減少 38.44%(表 3)，化肥和地膜的施用量分別增加 30.63%和 96.90%;農藥施用量在 2012 年達到最高值(113.88?103 t)， 2016 年后開始下降，2019 年農藥施用相較于 2016 年量減少了 28.24%。廣東省近 20 年化肥平均投入強度屬輕度污染狀態(333.44 kg·hm-2)，投入強度較高的城市主要有佛山市、深圳市、中山市、廣州市、東莞市、茂名市、湛江市、潮州市和汕頭市(圖 5)，所有城市化肥投入強度均有提高，全省總體提高了 67.61%，達到了中度污染水平(558.87 kg·hm-2)。廣東省近 20 年農藥平均投入強度屬于中度污染(14.81 kg·hm-2)，投入強度漲幅較高的城市主要有佛山市、東莞市、中山市、珠海市、深圳市和潮州市。相比于 1999~2008 年，2009~2019 年農藥投入強度提高了 64.23%，農藥投入漲幅較高的城市有佛山市、東莞市和潮州市，廣州市農藥投入強度有所下降。

　　2.4.2 農業生產投入強度與農業面源污染負荷關系

　　相關性分析結果表明(表 4)，COD 污染負荷與 TN 和 TP 污染負荷之間存在極顯著相關性(P<0.01);COD、TN 和 TP 污染負荷與化肥、農膜和農藥投入強度之間均呈負相關，其中 COD 與化肥投入強度呈顯著負相關(P<0.05)。 染負荷計算單位以及城鎮化率進行相關性分析(表 5)，其中農業面源污染負荷與面源污染負荷計算單位呈極顯著相關(P<0.01)，與城鎮化率呈極顯著負相關(P<0.01);投入強度與城鎮化率呈極顯著正相關(P<0.01)，與農村人口數和耕地面積呈極顯著負相關(P<0.01)，投入強度與投入總量并不存在顯著相關關系，并且投入強度與畜禽養殖產量和糧食作物產量呈負相關關系，其中農藥和農膜投入強度與畜禽養殖產量和糧食作物產量呈極顯著負相關 (P<0.01)。

　　3 討論

　　近 20 年來，廣東省面源污染負荷變化呈現一定的時間階段性特征，國內經濟體制改革和國際經濟形勢的變化以及環境保護政策的改變對農業生產和農產品市場的影響是導致污染負荷變化的主要原因[30]。1999—2006 年經歷了市場調節增長的階段，在自由市場機制下，農產品的商品屬性得到充分的展現[5]，從而刺激了農業產品的生產，污染負荷隨之增加。而在 2007 年污染負荷出現大幅度的降低，這是由于金融危機出現所導致畜禽養殖數量的急劇減少造成的[31]。2007—2015 年期間，隨著經濟的復蘇以及一系列有利的農業政策出臺，使得污染負荷緩慢增長。2015—2019 年期間，環境保護政策的完善與實施力度的加大，又使得污染負荷逐年降低。化肥、農藥和地膜的使用量受經濟形勢影響較小，這可能與耕地逐漸轉變為建設用地或者撂荒導致的耕地面積減小有關[32,33]，為保證農作物產量投入了更多的化肥和農藥。相關行動方案的頒布使得化肥與農藥的使用量近幾年有所下降[34,35]，但是地膜投入量并未出現降低的趨勢，說明種植業生產要素的投入很大程度上受到農業政策的影響。

　　珠三角地區污染負荷貢獻率最高，說明珠三角地區存在著較大的農業面源污染問題[36]。珠三角地區作為華南地區經濟中心和人口最稠密地區，高速的發展導致農業用地極大地被壓縮[4]，而珠三角地區人均肉類產品消費遠高于全國平均水平[37]，為了保證供應，化肥的施用量大幅增加并且畜禽養殖的規模不斷擴大;其次，考慮到食物的運輸距離成本，珠三角周邊地區農業生產的積極性較高[4];此外，居民飲食結構的改變也會對蔬菜這類施肥量遠高于其他農作物的農產品需求量增加[12,13]。

　　從污染來源方面看，化肥是廣東省 TN 污染負荷最主要的來源[5]，畜禽養殖業是 COD 和 TP 污染負荷的主要來源，漁業養殖對于污染負荷的占比呈現明顯上升趨勢。廣東是全國主要的水產養殖區域[38.39]，并且目前水產養殖業規模仍在持續擴大[40~42]，2019 年珠三角地區水產養殖占廣東省 41.15%，相比于 1999 年，水產養殖總產量上升 112.98%，然而水產養殖過程中飼料的利用效率普遍較低[43]，導致大量的養分擴散至水域或者滯留在養殖區域內，水產養殖的污染物排放逐漸成為珠三角地區 TN 和 TP 污染負荷的主要來源[42,44]。粵北和粵西地區農業生產方式主要以畜禽養殖和種植業為主，所以污染來源主要是畜禽糞污以及化肥施用。粵東地區由于農村人口比重較高，使得農村生活的污染排放在 COD 污染負荷來源中的占比逐漸上升，此外粵東地區位于沿海地帶，水產養殖規模的擴大使得水產養殖排放的總磷占比也逐年上升。

　　城鎮化的提高會導致耕地面積的縮減和耕地使用率的降低以及農村勞動力的轉移[45~47]，為了增加糧食產量，耕地投入要素強度相應增加，因此城鎮化率與耕地投入要素強度呈正相關;但是高城鎮化率會導致當地農業生產活動減弱[47]，降低當地的農業面源污染負荷(表 5)。因此城鎮化率的增加在減少當地的農業面源污染負荷的同時增加了耕地投入要素強度。目前廣東省化肥利用率較低[6]，較高的化肥投入強度會增加 N2O 等溫室氣體的排放[16]。較高強度的化肥和地膜施用，會導致農田持久性有機污染物和微塑料的大量富集[48,49]。因此在處理高城鎮化率的城市農業面源污染問題時，化肥、農藥和地膜是重點關注對象[50]，并且需要考慮提高耕地生產投入要素利用效率的問題[51]。

　　基于廣東省面源污染負荷時空特征及變化趨勢，對于廣東省面源污染問題，需針對不同的污染物類型來采取相應的措施。在 COD 污染的管控方面，應著重于畜禽養殖以及農村生活污水處理上，而對于總氮和總磷污染負荷的管控，要從化肥的施用管理入手，其次應減少散戶畜禽養殖并逐步完善規模化畜禽養殖業糞污處理系統。最后，需要增加水產養殖面源污染排放的監管和治理力度[52,53]，完善水產養殖業中污染物擴散機理，加強水產養殖污染控制技術的研究，制定有效的預警防治措施。此外，農業生產過程中產生的新型污染物(例如抗生素、微塑料和持久性有機污染物等)也需要引起重視[54,55]。

　　4 結論

　　(1)近 20 年來，廣東省農業面源污染總污染負荷和 COD 負荷有所下降，TN 和 TP 的污染負荷上升。農業面源污染負荷排放存在階段性變化特征，經濟和農業政策對農業面源污染負荷影響較大，尤其是對種植業生產要素的影響較為明顯。

　　(2)從空間上來看，珠三角地區是廣東省農業面源污染負荷最高的地區。城鎮化率與農村人口和農業面源污染指標呈現極顯著關系。

　　(3)畜禽養殖是 COD 的主要來源，化肥和畜禽養殖是 TN 的主要來源，畜禽養殖和水產養殖是 TP 的主要來源，水產養殖污染物排放占比呈現出明顯上升趨勢，且不同區域的農業生產模式造成的污染物來源存在差異。

　　(4)廣東省面源污染負荷總量雖有下降，但農業生產投入強度仍然呈上升趨勢，面源污染問題依舊嚴峻。