張彩玲，劉增進，張關(guān)超

(華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，鄭州 450045)

0 引言

目前農(nóng)業(yè)非點源污染具有影響因素多、發(fā)生的隨機性大、危害范圍廣、污染物排放種類和數(shù)量不確定、污染負荷時空分布差異明顯等特點，其負荷計算越來越困難[1]。農(nóng)業(yè)非點源負荷計算方法的研究始于美國20世紀六七十年代，國內(nèi)的農(nóng)業(yè)非點源污染研究起步較晚，2000年以后，大批學(xué)者運用各種模型和計算方法在全國不同地區(qū)、不同尺度范圍內(nèi)展開了大量的應(yīng)用研究[2,3]。國內(nèi)目前常用的非點源污染負荷計算模型主要有輸出系數(shù)模型、經(jīng)驗型統(tǒng)計模型和機理模型。輸出系數(shù)模型[4]因其結(jié)果簡單、數(shù)據(jù)易獲得和有一定的可靠性等特點在國內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。劉亞瓊等[5]運用輸出系數(shù)模型估算了北京地區(qū)的非點源污染負荷；李娜等[6]運用輸出系數(shù)模型對新立城水庫匯水區(qū)農(nóng)業(yè)非點源污染負荷進行了估算；林秀春等[7]運用輸出系數(shù)法和等標污染負荷法對萩蘆溪流域農(nóng)業(yè)面源污染負荷進行了估算和空間特征研究。

本研究在參考相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合河南省實際情況，采用輸出系數(shù)法估算了河南省2013年河南省各地市農(nóng)業(yè)非點源污染氨氮負荷量、氨氮排放強度，并結(jié)合ArcGIS技術(shù)分析河南省非點源污染氨氮的空間分布特點，為進一步了解河南省氨氮負荷特征提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

河南省轄18個地級市，是中華文明和中華民族最重要的發(fā)源地。全省土地面積16.7 萬km2(居全國第17位，占全國總面積的1.74%)。全省多年平均水資源總量403.5 億m3。2015年“十二五”規(guī)劃調(diào)查中，全省人口數(shù)量9 570 萬人(不包括人口機械增長)。其中，截至2013年，調(diào)查數(shù)據(jù)顯示河南省農(nóng)村人口數(shù)量達到5 275 萬，農(nóng)業(yè)用地面積達8 822 萬hm2，耕地面積達8 140 萬hm2、園地467 萬hm2、林地214.7 萬hm2。另外，畜禽養(yǎng)殖數(shù)量中，牛805.92 萬頭、羊1 831.82 萬只、豬4 778.95 萬頭、家禽66 744.7 萬只等。河南省農(nóng)田種植大量使用化肥、農(nóng)藥，人類生活污水以及牲畜的排污，導(dǎo)致了農(nóng)業(yè)非點源污染。

2 研究方法介紹

輸出系數(shù)模型的實質(zhì)是一種半分布式的集總模型[8]。其在土地利用分類的基礎(chǔ)上，增加了牲畜和人口等因素，很大程度上豐富了系數(shù)輸出模型的內(nèi)容。

2.1 輸出系數(shù)模型

20世紀70年代初期，美國、加拿大在研究土地應(yīng)用-營養(yǎng)負荷-湖泊營養(yǎng)化關(guān)系中，提出并應(yīng)用了輸出系數(shù)模型。Norvell等[9]在1979年提出了一個較為簡單的輸出系數(shù)模型。英國學(xué)者Johns等經(jīng)過長期的研究與實踐，結(jié)合以往研究成果和模型的基礎(chǔ)上，在1996年提出了更為細致、輸出系數(shù)更為完善的輸出系數(shù)模型，并得到了廣泛的應(yīng)用[10-12]。

Johns模型結(jié)構(gòu)如下[13]：

L=∑ni=1Ei[Ai(Ii)]+P

(1)

式中：L為營養(yǎng)物流失量，t/a；i為流域土地利用類型的種類或牲畜、人口；Ei為第i種土地利用類型或牲畜、人口的營養(yǎng)物輸出系數(shù)；Ii為第i種土地利用類型或牲畜、人口的營養(yǎng)物輸入量，t/(km2·a)；Ai為第i類土地利用類型面積，km2或第i種牲畜數(shù)量或人口數(shù)量，ca；P為由降雨輸入的營養(yǎng)物總量，t。

降雨輸出污染物總量：

P=crα

(2)

式中：c為雨水中營養(yǎng)物濃度，kg/m3；r為年降雨總量，m3/a；α為徑流系數(shù)。

注：①河南省各地市降雨營養(yǎng)物濃度相關(guān)數(shù)據(jù)較少，本文擬采用各地市地表水?dāng)嗝嫠|(zhì)氨氮負荷濃度作為降雨雨水中氨氮負荷濃度，為減少誤差，本文取了各地市各時段共52組斷面水質(zhì)氨氮濃度的平均值作為氨氮濃度計算值；②α=y/x,其中：y為各地市的降雨徑流量，x為對應(yīng)地市的降水量。

城市降雨所產(chǎn)生的氨氮負荷主要是由降雨徑流的沖刷引起的，地表沉積物是城市降雨徑流中非點源氨氮負荷的主要來源。則結(jié)構(gòu)表達式為：

L=∑ni=1Ei[Ai(Ii)]+crα

(3)

從不同角度出發(fā)對污染物排放強度的定義不同，陳媛媛等[14]提出基于經(jīng)濟層面的污染物排放強度，定義污染物排放強度為單位GDP的污染物輸出量；王超等[15]利用污染物排放密度(排放強度)來表征污染物空間格局，并提出了地均污染物排放強度。本文根據(jù)河南省實際情況及收集到的數(shù)據(jù)，分析采用地均污染物排放強度，定義污染物排放強度為單位面積上污染物的排放量。故其結(jié)構(gòu)表達式為：

D=L/A

(4)

式中：D為污染物的排放強度或排放密度;A為研究區(qū)域面積；其余符號意義同上。

2.2 輸出系數(shù)值的確定

污染物的輸出系數(shù)是指單位時間內(nèi)、某種土地利用方式下輸出的污染物總負荷的標準化估值。輸出系數(shù)多采用單位時間、單位面積上的負荷量表示[5]。確定合理的輸出系數(shù)是輸出系數(shù)模型估算污染負荷的關(guān)鍵。影響輸出系數(shù)的因素有很多，包括流域內(nèi)的地形地貌、水文、氣候、土壤類型、土地利用、植被覆蓋、人類活動及管理措施等。確定農(nóng)業(yè)非點源污染輸出系數(shù)的方法有3種，包括查閱文獻法、野外監(jiān)測法和數(shù)學(xué)統(tǒng)計分析法[16]。區(qū)域非點源污染物輸出系數(shù)一般采用現(xiàn)場檢測或查閱文獻的方法，開展監(jiān)測確定區(qū)域輸出系數(shù)的研究相對較少。本文中采用查閱文獻法來確定非點源污染物的輸出系數(shù)。輸出系數(shù)取值情況參照文獻[17-20]，根據(jù)已獲取的實際數(shù)據(jù)結(jié)合已有文獻中的研究成果確定區(qū)域非點源污染物輸出系數(shù)。結(jié)合河南省的實際情況牛、豬、羊、禽的輸出系數(shù)分別取國家環(huán)?？偩滞扑]的排泄系數(shù)的16.71%、16.43%、17.68%、14.89%，農(nóng)村人口輸出系數(shù)參考國家環(huán)?？偩职l(fā)布并實施的GB18596-2001《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染排放標準》和高祥照[21]等人編寫的《肥料實用手冊》中人糞便量的排放系數(shù)確定，各輸出系數(shù)取值見表1。

表1 輸出系數(shù)分類及取值Tab.1 Classification and value of output coefficient

2.3 數(shù)據(jù)來源與處理

數(shù)據(jù)主要包括：耕地面積、園地面積、林地面積、牛、豬、羊、禽及農(nóng)村人口的數(shù)量、降雨量。數(shù)據(jù)來源于《2014年度河南省統(tǒng)計年鑒》、《2013年度河南省水資源公報》、河南省水環(huán)境監(jiān)測中心數(shù)據(jù)庫、河南省環(huán)保局地表水環(huán)境質(zhì)量報告。利用輸出系數(shù)模型，結(jié)合2013年河南省的土地利用情況，計算不同土地利用類型的氨氮負荷；然后，綜合運用河南省各城市的氨氮統(tǒng)計數(shù)據(jù)，計算農(nóng)村生活、畜禽養(yǎng)殖和降雨沖刷產(chǎn)生的氨氮負荷，與市級行政區(qū)矢量圖屬性關(guān)聯(lián)得出河南省各個市的氨氮分布圖；將不同土地利用類型、農(nóng)村生活、畜禽養(yǎng)殖和降雨徑流沖刷產(chǎn)生的氨氮負荷柵格圖加和，得出河南省氨氮負荷排放強度空間分布圖；最后，對河南省不同城市非點源污染氨氮負荷情況進行分析。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 非點源污染氨氮負荷及其貢獻率分析

河南省不同城市的自然、經(jīng)濟、文化等發(fā)展狀況不同，所以其對非點源污染物輸出量的貢獻率也不盡相同。影響各城市對非點源污染氨氮負荷貢獻率的因素有：城市經(jīng)濟發(fā)展、人口密度、畜禽養(yǎng)殖數(shù)量、農(nóng)作物耕作面積、城市農(nóng)村土地規(guī)劃、降雨量等，且各因素間存在密切關(guān)系。本文在確定了輸出系數(shù)值和查閱了相關(guān)文獻后，采用輸出系數(shù)法估算了2013年河南省18個城市農(nóng)業(yè)非點源污染氨氮負荷，結(jié)果見表2 。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)分析河南省地市氨氮輸出量情況，其中以南陽市氨氮輸出量貢獻率最大，周口市次之，濟源市最小。此外，不同的污染源類型對氨氮負荷量的貢獻率也不同，其貢獻率的大小順序是：畜禽養(yǎng)殖(牛>豬>禽>羊)>農(nóng)業(yè)用地>農(nóng)村生活污染>降雨污染。農(nóng)業(yè)用地對氨氮負荷輸出量的影響南陽市最大(15 321.68 t，占比13.1%)，濟源市最小(671.80 t，占比0.6%)；畜禽養(yǎng)殖對氨氮負荷輸出量的影響南陽市最大(21 296.53 t，占比14.0%)，濟源市最小(780.20 t，占比0.5%)；農(nóng)村人口對氨氮負荷輸出量的影響南陽市最大(13 332.20 t，占比11.8%)，濟源市最小(684.80 t，占比0.6%)。根據(jù)表2的數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，不同的土地利用類型對農(nóng)業(yè)非點源污染物輸出量的影響不同，其中農(nóng)業(yè)耕地對非點源污染物輸出量的貢獻最大，園地次之，林地最小。農(nóng)村生活污染對非點源污染物輸出量的貢獻占很大比重。降雨產(chǎn)生的氨氮負荷主要是降雨徑流的沖刷引起的，地表沉積物是降雨徑流中氨氮負荷的主要來源，河南省天然降雨對氨氮負荷量的貢獻率為0.04，相比農(nóng)業(yè)用地、農(nóng)村人口生活和畜禽養(yǎng)殖較小，本文忽略不計。有不同污染源類型非點源污染物輸出量分布情況如圖1所示。

表2 2013年河南省非點源污染氨氮負荷 t

圖1 不同污染源氨氮負荷分布情況Fig.1 Distribution of different pollution sources of ammonia nitrogen load

由表2數(shù)據(jù)的分析，利用Arcgis繪制河南省各地市農(nóng)業(yè)非點源污染氨氮負荷的分布圖，如圖2所示。

圖2 河南省農(nóng)業(yè)非點源氨氮負荷空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of non-point sources of ammonia nitrogen load emissions intensity in Henan Province

由圖2知，氨氮負荷主要分布在河南省南部，河南省北部氨氮負荷輸出量相對較少，氨氮分布較多的是耕地面積廣、人口數(shù)量大、農(nóng)業(yè)化程度較高的南陽市，另外還有周口、商丘、駐馬店等市，而耕地面積少、人口數(shù)量小的鶴壁市氨氮負荷最少。造成氨氮負荷分布差異的主要原因是農(nóng)業(yè)化程度、農(nóng)業(yè)用地面積及其分配額度不同；農(nóng)民環(huán)保程度存在差異；規(guī)模化的畜禽養(yǎng)殖及其畜禽排入水環(huán)境的污物處理程度較低。需合理安排植物種植結(jié)構(gòu)，做好農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理，降低污染物的輸出系數(shù)。另外，要加大對農(nóng)業(yè)用地污染及農(nóng)村生活污染的管理措施，加強畜禽養(yǎng)殖的管理力度減少污染物的輸出量。

3.2 非點源污染氨氮排放強度及其貢獻率分析

在輸出系數(shù)法計算河南省農(nóng)業(yè)非點源污染氨氮負荷的基礎(chǔ)上，根據(jù)公式(4)計算了河南省不同地市條件下不同土地利用類型和不同污染源的氨氮排放強度。具體計算結(jié)果如表3所示。

表3 2013年河南省非點源污染氨氮排放強度 kg/hm2

由表3數(shù)據(jù)可以看出，不同地區(qū)的不同污染源排放強度相差較大，其主要受自然環(huán)境等外部環(huán)境的影響。其中，農(nóng)業(yè)用地對排放強度的影響中安陽市最大(10.80 kg/hm2，占比7.9%)，三門峽市最小為(2.80 kg/hm2，占比2%)；畜禽養(yǎng)殖對氨氮排放強度的影響中許昌市最大(16.13 kg/hm2，占比8.6%)，濟源市最小(4.04 kg/hm2，占比2.2%)；農(nóng)村人口對排放強度的影響中漯河市最大(11.78 kg/hm2，占比8.4%)，三門峽市最小(2.34 kg/hm2，占比1.7%)。不同污染源類型對非點源氨氮排放強度的影響不同。畜禽養(yǎng)殖對氨氮排放強度影響最大，農(nóng)村人口生活影響次之，農(nóng)業(yè)用地對氨氮排放強度影響最小，影響分布情況詳見圖3。

圖3 不同污染源氨氮排放強度分布情況Fig.3 Different pollution sources of ammonia nitrogen emissions intensity distribution

河南省各地市農(nóng)業(yè)非點源污染氨氮排放強度的分布差異情況繪成地圖，如圖4所示。

圖4 河南省農(nóng)業(yè)非點源氨氮排放強度空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of non-point sources of ammonia nitrogen emissions intensity in Henan Province

由圖4知，河南省東北部的氨氮排放強度偏高，西南部氨氮排放強度相對較小，氨氮排放強度較大的是漯河、許昌、開封等市，較小的是三門峽和洛陽市。排放強度較大的主要集中在河南省的東部，由東向西呈減弱趨勢，其空間分布差異相對明顯。造成氨氮大排放強度集中分布的主要原因是河南省東部人口數(shù)量較多，生產(chǎn)生活活動豐富多樣，農(nóng)村環(huán)境污染意識較弱；另外東部畜禽養(yǎng)殖業(yè)較多，對氨氮負荷排放影響較大，如漯河市、許昌市、開封市。

4 結(jié) 語

本文采用輸出系數(shù)法計算2013年河南省18個地市農(nóng)業(yè)非點源氨氮負荷，并結(jié)合ArcGIS技術(shù)分析其空間分布特征，主要結(jié)論如下：

(1)2013年河南省農(nóng)業(yè)非點源污染氨氮負荷381 862.18 t，周口市最大，濟源市最小；不同污染源類型對氨氮負荷的貢獻率為：畜禽養(yǎng)殖﹥農(nóng)業(yè)用地﹥農(nóng)村生活>天然降雨，降雨產(chǎn)污較小，忽略不計，氨氮負荷分布受畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達程度和土地利用程度影響較大。

(2)2013年河南省農(nóng)業(yè)非點源污染氨氮排放強度468.87 kg/hm2，漯河市最大，三門峽市最?。徊煌廴驹搭愋蛯Π钡欧艔姸鹊呢暙I率大小順序為：畜禽養(yǎng)殖﹥農(nóng)村人口﹥農(nóng)業(yè)用地，氨氮排放強度受人口密集度、畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達程度影響較大。

(3)畜禽養(yǎng)殖對氨氮負荷及氨氮排放強度的影響較大，是氨氮污染的主要來源；兩者在空間分布上有很明顯的差異性，各污染源對氨氮負荷與氨氮排放強度的貢獻規(guī)律在各地市相似，表明了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動和農(nóng)村生活對環(huán)境影響的一致性。

(4)合理安排種植結(jié)構(gòu)和林、園地占比，強化農(nóng)業(yè)用地管理，降低污染物輸出系數(shù)，減少污染物輸出；加大農(nóng)業(yè)和農(nóng)村生活污染的管理措施；加強畜禽養(yǎng)殖污染的管理力度，最大程度的降低氨氮負荷污染。

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