徐新良 陳建洪,2 張雄一,2

(1. 中國科學院 地理科學與資源研究所/資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 100101； 2. 中國科學院大學 資源與環(huán)境學院，北京 100049)

隨著農業(yè)科學技術發(fā)展和國家實施一系列促農、惠農的發(fā)展戰(zhàn)略，我國農業(yè)現代化水平取得了飛速提升，同時也帶來了許多環(huán)境問題，其中農業(yè)面源污染逐漸成為制約農業(yè)可持續(xù)發(fā)展和危害農村生態(tài)環(huán)境的突出問題[1]。據生態(tài)環(huán)境部2015年全國環(huán)境統(tǒng)計公報顯示，我國農業(yè)面源污染已成為當前環(huán)境污染的重要影響因素[2]。目前我國農業(yè)面源污染主要是由農業(yè)生產過程中化肥、農藥的過量使用和農田殘膜、禽畜糞便不合理處置等造成[3]。農業(yè)面源污染影響了耕地資源的質量[4]，加劇了水體污染的風險[5]，并直接影響農村生態(tài)環(huán)境，威脅著農產品安全。雖然近幾年我國農業(yè)科技水平提升，化肥、農藥、農用塑料膜使用量有所降低，但農田面源污染的問題仍然突出。因此，科學有效評估我國農業(yè)面源污染現狀，識別區(qū)域污染時空演變特征，有助于因地制宜進行農業(yè)面源污染的防控和治理，保障農村的生產、生活、生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。

農田面源污染是在農業(yè)生產活動中，氮、磷、鉀肥等化肥、農藥和有機或無機污染物通過農田地表徑流和農田滲漏等作用產生的污染問題[6]。近年來科學評估和探究農業(yè)面源污染越來越受到重視。農田作為農業(yè)生產中最根本、最重要的載體，是面源污染發(fā)生的主要場所，因此，分析農田面源污染的區(qū)域差異和演變特征，是合理防治農田面源污染，促進區(qū)域農田生態(tài)環(huán)境改善，提高農產品安全和品質的重要環(huán)節(jié)。國內已有研究在區(qū)域尺度對農田面源污染的現狀、風險和成因開展了分析評價，如郭攀[7]以漓江典型小流域為研究對象，提出了面源污染綜合治理體系；崔艷智等[8]從面源污染形成、土地利用、社會經濟發(fā)展、資源稟賦等方面，提出了區(qū)域間差異化農田面源污染的生態(tài)補償建議；劉欽普[9]分析了我國農田面源污染研究的不足，并提出應重視面源污染發(fā)生的機制及影響因子、污染防治的技術標準以及面源污染與農戶行為等；田若蘅等[10]采用化肥施用綜合評價模型，分析了四川省2000—2015年化肥施用狀況并評估了其污染風險；宋蕾等[11]利用氮磷排泄量的模型，揭示了關中灌區(qū)農田面源污染的嚴重性；侯彥林等[12-15]通過構建農田氮面源污染評價指標體系和模型，分析了各農業(yè)區(qū)、省區(qū)污染現狀，并對未來的污染趨勢進行了預測；溫兆飛等[16]利用GIS空間分析功能，評價了三峽庫區(qū)農田面源污染的現狀。

為準確評估20世紀90年代以來我國農田面源污染的整體狀況及區(qū)域差異，厘定農田面源污染等級，科學制定化肥、農藥、農用塑料膜的減量增效政策，降低區(qū)域的農田面源污染風險。本研究基于化肥、農藥、農用塑料膜使用量和耕地面積統(tǒng)計數據，以九大農業(yè)區(qū)和省(市、區(qū))域為研究單元，分析了我國農田面源污染的現狀以及1991年以來的時空演變特征，以期為全面把握我國農田面源污染的時空格局和進一步提升農田面源污染的治理提供科學依據。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

本研究所采用的數據主要包括化肥、農藥、農用塑料薄膜、地膜使用量和耕地面積的統(tǒng)計數據，主要源于1991—2019年的《中國農村統(tǒng)計年鑒》。對于數據缺失的區(qū)域，通過省(市、區(qū))統(tǒng)計年鑒或統(tǒng)計公報進行了補充(研究區(qū)域不包括港澳臺地區(qū))。我國九大農業(yè)區(qū)和省(市、區(qū))域行政區(qū)劃空間分布數據均來自中國科學院資源環(huán)境科學數據中心(http:∥www.resdc.cn)。

1.2 研究方法

本研究首先以各省域化肥、農藥、農用塑料膜使用量等統(tǒng)計數據為基礎，結合耕地面積數據，計算各省域化肥、農藥、農用塑料膜地均使用量，分析過程中以1991年的地均使用量為基期，運用ArcGIS空間分析和統(tǒng)計功能，分別對九大農業(yè)區(qū)和省域的地均使用量進行空間差異對比分析，并對1991年以來的變化進行時間演變分析。分析中結合自然斷點法基于地均化肥、農藥、農用塑料膜使用量，將面源污染程度劃分為5個等級(表1)。

表1 化肥、農藥、農用塑料膜面源污染程度等級劃分Table 1 Classification of non-point source pollution of chemical fertilizers, pesticides and agricultural plastic films t/hm2

2 結果與分析

2.1 我國農田面源污染現狀

我國是傳統(tǒng)的農業(yè)大國，國家統(tǒng)計局公布的數據和《中國農村統(tǒng)計年鑒》資料顯示，2018年我國糧食總產量約6.579億t，較2017年下降0.6%；耕地面積為13 486.67萬hm2，農業(yè)化肥施用量為5 653.4萬t，其中氮肥2 065.4萬t、磷肥728.9萬t、鉀肥590.3萬t、復合肥2 268.8萬t；農膜使用量386.9萬t，其中農用塑料薄膜使用246.48萬t、地膜使用為140.40萬t；農藥使用量為150.36萬t。我國農業(yè)化肥、農藥和農用塑料膜使用量普遍較高，但在農業(yè)生產中，化肥的利用率只有30%～40%，其余白白流失，農藥總體平均約有80%直接進入環(huán)境，殘留的農膜若不及時清理，會造成農業(yè)土壤污染、肥力下降和環(huán)境污染等問題。

2018年我國九大農業(yè)區(qū)地均化肥面源污染空間差異明顯，空間分布呈現東南高、西北低的梯度格局，華南區(qū)和黃淮海平原區(qū)污染等級最高，地均化肥使用量分別為0.839 0 t/hm2和0.633 0 t/hm2，長江中下游區(qū)次之，四川盆地及周邊地區(qū)、云貴高原區(qū)和黃土高原區(qū)處于一般等級，北方干旱半干旱區(qū)和東北平原區(qū)處于較低等級，青藏高原區(qū)污染程度最低，僅為0.132 4 t/hm2。各農業(yè)區(qū)地均化肥污染兩極分化問題突出，最大使用量與最小使用量相差533%，最大差值為0.71 t/hm2。從各省域地均化肥面源污染狀況看，廣東、河南、福建污染程度最高，地均化肥使用量均在0.82 t/hm2以上，而西部的西藏和青海污染程度最低，地均化肥使用量均在0.15 t/hm2以下，省域尺度地均化肥使用最多的廣東較最少的西藏相差為637%，地均差值為0.77 t/hm2(表2)。

2018年我國九大農業(yè)區(qū)地均農藥面源污染同樣呈現東南高西北低的分布格局，華南區(qū)和長江中下游地區(qū)污染程度最高，黃淮海平原區(qū)次之，而青藏高原區(qū)、黃土高原區(qū)和北方干旱半干旱區(qū)最低。地均農藥使用量最高的華南區(qū)為0.036 0 t/hm2，而使用量最少的青藏高原區(qū)僅為0.002 7 t/hm2，兩者相差1 215.7%。從各省域地均農藥面源污染狀況看，污染等級高的區(qū)域主要集中在海南、廣東、福建、江西等省份，而污染等級低的區(qū)域主要集中在寧夏、西藏、貴州、青海等省份，其中地均農藥污染最高的福建省比污染最低的寧夏回族自治區(qū)高出2 015.0%，兩極分化問題尤其突出。

表2 2018年我國九大農業(yè)區(qū)地均化肥、農藥、農用塑料膜使用量Table 2 Usage amount of chemical fertilizers, pesticides, and agricultural plastic film per hectare in the nine major agricultural areas in China in 2018 t/hm2

2018年我國九大農業(yè)區(qū)地均農用塑料膜面源污染呈北部及南部高、中部低的斜梯狀分布格局，其中華南區(qū)和北方干旱半干旱區(qū)最高，黃淮海平原區(qū)次之，而東北平原區(qū)、青藏高原區(qū)和黃土高原區(qū)最低。北方干旱半干旱區(qū)地均農用塑料膜污染較東北平原區(qū)高出268.2%。各省份地均農用塑料膜污染等級的空間分布較為分散，上海、新疆、福建和海南污染等級最高，而黑龍江和西藏的污染等級最低。

2.2 我國農田面源污染時空演變特征

1991年以來我國化肥、農藥、農用塑料膜使用量呈現快速增長趨勢，農田面源污染風險進一步加劇。1991—2018年我國化肥使用量從2 805.1萬t增長到5 653.4萬t，增長了101.5%，其中氮肥增加339.3萬t，磷肥增加229.3萬t，鉀肥增加416.4萬t，復合肥增加1 863.3萬t，分別增長了19.7%、45.9%、239.5%和459.5%。我國地均化肥使用量從1991年的0.20 t/hm2上升到2018年的0.42 t/hm2，增長了114.0%，全國平均化肥面源污染程度由較低等級升高為一般等級，并有向較高等級發(fā)展的趨勢。我國農藥使用量從1991年的76.1 t上升到2018年的150.4 t，增長了97.6%，地均農藥使用量從0.005 t/hm2上升到0.011 t/hm2，增長了109.9%，全國平均農藥面源污染程度由較低等級升為一般等級。我國農用塑料膜使用量從1991年的111.4萬t上升到2018年的386.9萬t，增加了272.5萬t，增長了238.2%，地均農用塑料膜使用量從0.009 t/hm2上升到0.029 t/hm2，其污染程度由低等級向一般等級演變。

1991—2018年我國九大農業(yè)區(qū)化肥、農藥和農用塑料膜使用量均呈現增長態(tài)勢?；适褂昧吭鲩L最多的是北方干旱半干旱區(qū)，增長最少的是華南區(qū)，前者增加了461.5萬t，增長了334.9%；農藥使用量增加最多的是長江中下游地區(qū)，最少的是青藏高原區(qū)，前者增加了17.2萬t，增長了51.63%，而后者僅增加了0.04萬t，增長了15.39%；農用塑料膜使用量增加最多的是北方干旱半干旱區(qū)，增加最少的是青藏高原區(qū)，前者增加87.43萬t，增長834.65%，后者僅增加1.60萬t，但卻增長了3 343.13%，其增長比例在各農業(yè)區(qū)中最高(圖3)。

1991—2018年我國九大農業(yè)區(qū)地均化肥、農藥和農用塑料膜使用量均呈現增長態(tài)勢，整體呈現由早期的較低污染等級升高為目前的較高污染等級。地均化肥使用量由1991年全國平均0.20 t/hm2增加到2018年的0.42 t/hm2，增長了110.0%。由圖1 可見：九大農業(yè)區(qū)中只有青藏高原區(qū)仍保持1990年代的低污染等級，但其地均化肥使用量增長了104.16%，其他農業(yè)區(qū)化肥污染等級均呈現不同程度的增長，其中北方干旱半干旱區(qū)和黃土高原增長最突出，增長比例分別為281.79%和279.62%，其污染程度分別由低等級升高為較低等級和較高等級，而四川盆地及周邊地區(qū)和長江中下游地區(qū)增長幅度最小，分別為65.34%和81.86%，其污染程度也分別由較低等級升高為一般等級和較高等級。

圖1 1991和2018年各農業(yè)區(qū)化肥地均使用量及增長比例Fig.1 Usage amount of chemical fertilizers and growth rate in agricultural areas in 1991 and 2018

全國地均農藥使用量由1991年的0.005 t/hm2增加到2018年的0.011 t/hm2，增長120.0%。由圖2可見：九大農業(yè)區(qū)中青藏高原區(qū)、黃土高原和北方干旱半干旱區(qū)2018年仍然保持了1990年代的農藥低污染程度，而其他各區(qū)農藥污染程度均有不同程度上升，其中北方干旱半干旱區(qū)農藥地均使用量增長比例最高，凈增長545.48%，其次為東北平原區(qū)，凈增長350.55%，污染程度也由低等級升高為較低等級，而青藏高原區(qū)增長比例最低，僅為36.11%。

全國地均農用塑料膜使用量較化肥和農藥的增長更加突出，其使用量由1991年的0.008 t/hm2增加到2018年的0.035 t/hm2，增長357.10%。由圖3 可見：九大農業(yè)區(qū)農用塑料膜污染等級的增長最為突出，各區(qū)污染等級均表現為不同程度的增長，1990年代九大農業(yè)區(qū)農用塑料膜普遍處于低或較低污染等級的狀態(tài)到了2018年已不復存在，2018年華南區(qū)和北方干旱半干旱區(qū)污染等級已上升為高污染等級。其中青藏高原區(qū)地均農用塑料膜使用量增長比例最高，凈增長2 833.60%，污染程度也由低等級升高為較低等級，其次為北方干旱半干旱區(qū)，凈增長720.50%，而東北平原區(qū)增長比例最低，但仍為106.98%，其污染程度也由低等級升高為較低等級。

圖2 1991和2018年各農業(yè)區(qū)農藥地均使用量及增長比例Fig.2 Usage amount of pesticides and growth rate in agricultural areas in 1991 and 2018

圖3 1991和2018年各農業(yè)區(qū)農用塑料膜地均使用量及增長比例Fig.3 Usage amount of agricultural plastic film and growth rate in agricultural areas in 1991 and 2018

從省域尺度看，各省份化肥、農藥、農用塑料膜污染程度的演變整體呈現加重趨勢。1991—2018年地均化肥面源污染低等級的省域數量所占比例由32.26%降低為6.45%，較低污染等級的省域數量所占比例由48.39%降低為22.58%，一般污染等級的省域數量所占比例由12.90%上升到29.03%，較高污染等級的省域數量所占比例則由3.23%上升到25.81%，而新增高污染等級的省域數量所占比例為16.13%。1991—2018年我國各省域化肥面源污染等級不變的有：西藏、青海一直為低污染等級、遼寧和貴州一直為較低污染等級、浙江一直為一般污染等級。1991年化肥面源污染只有廣東處于高污染等級，而到了2018年江蘇、福建、海南以及河南均升高為高污染等級。

1991—2018年農藥污染處于低等級的省域數量所占比例由54.84%降低為19.35%，較低等級的省域數量所占比例由12.90%上升到32.26%，一般污染等級的省域數量所占比例由16.13%降低為9.68%，較高污染等級的省域數量所占比例由3.23% 上升到16.13%，高污染等級的省域數量所占比例則由9.68%上升到22.58%。1991—2018年各省域中只有上海市污染等級呈降低趨勢。污染等級沒有發(fā)生變化的有寧夏、貴州、青海、陜西、內蒙古、西藏、北京、浙江和廣東9個省份，而污染等級變化最大是湖北省，由較低污染等級升高為高污染等級。另外，1991年只有浙江、上海、廣東3個省份農藥污染處于高污染等級，而到了2018年湖北、湖南、江西、福建和海南都升高為高污染等級。

1991—2018年各省域地均農用塑料膜污染程度整體由低污染等級升高為較高污染等級，處于低污染等級的省域數量所占比例由70.97%降為6.54%，較低等級的省域數量所占比例由22.58%降為19.35%，一般污染等級的省域數量所占比例則由3.23%增加為29.03%，而新增較高污染等級和高污染等級的省域數量所占比例分別為19.35%和25.81%。1991—2018年各省域中農用塑料膜面源污染等級不變的有黑龍江、貴州、湖北和廣東，而地均農用塑料膜面源污染等級變化最大的有浙江、甘肅、山東、海南和福建，其污染程度由低污染等級升高為高污染等級。

3 討論與結論

作為糧食消費大國，我國用僅占全球9%的耕地，養(yǎng)活了占全球將近20%的人口。為防治病蟲災害，提升土壤肥力，提高農作物產量、確保糧食豐收，我國農業(yè)化肥、農藥、農用塑料膜的使用量近幾十年呈不斷增長態(tài)勢[17]。農業(yè)糧食增產豐收在很長一段時間內是以犧牲生態(tài)環(huán)境為代價的。雖然2015年我國開始實施化肥與農藥減量增效的直接措施，化肥、農藥的使用量有所下降，但農田面源污染的形勢依舊非常嚴峻[18]。不同區(qū)域因其獨特的地理區(qū)位，自然資源稟賦和農業(yè)現代化水平差異，農田面源污染空間異質性也十分明顯[19]。在自然資源稟賦方面，不同農業(yè)區(qū)的降水、光照、土壤肥力有很大的差異，部分區(qū)域降水充足，但水土流失嚴重，土壤有機質含量降低，導致土壤的肥力下降，因此農業(yè)生產中會使用更多的肥料來彌補土壤肥力的下降[20]。在農業(yè)經營水平方面，部分農業(yè)大省如河南、山東、四川等農業(yè)生產以農戶小規(guī)模分散經營為主[21]，農民的環(huán)保意識不足，簡單追求高產量，導致化肥、農藥面源污染情況加劇[22]；在農業(yè)現代化水平高或生態(tài)環(huán)境保護要求嚴格的區(qū)域，注重化肥、農藥的科學使用[23]，農田面源污染狀況有所緩解；另外，農田面源污染與農作物的種植結構也有很大的關系，有些農作物需要保溫、高肥力等條件以實現高產量[24-25]，因此需要采取大量施肥、使用農用塑料膜等措施。本研究選取地均化肥、農藥、農用塑料膜使用量作為分析農田面源污染特征的主要依據，具有科學合理性，得出的農田面源污染問題突出，全國各農業(yè)區(qū)和各省份化肥、農藥、農用塑料膜使用量呈現不同程度加重趨勢的結論與已有的研究結論基本一致[17-18,26]。但農作物廢棄秸稈、禽畜糞便、水產養(yǎng)殖及農村居民生活污水等廢棄物的處置不當也可能使農業(yè)農村環(huán)境尤其是水環(huán)境受到污染，在危害動植物和人類健康的同時，也制約了我國農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。農田面源污染還受到農業(yè)技術的發(fā)展、自然資源稟賦差異、政府制定的政策、農戶生計選擇等多方面綜合作用的影響，因此科學合理的使用現代農業(yè)技術、優(yōu)化農田耕種模式，選擇有效的污染防治手段將成為未來我國農田可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。

近年來，隨著我國農業(yè)發(fā)展水平的不斷提高，化肥、農藥、農用塑料膜的過量使用，是引發(fā)農業(yè)面源污染的重要原因。本研究基于1991—2018年我國化肥、農藥和農用塑料膜使用量相關統(tǒng)計數據，通過ArcGIS空間分析功能，系統(tǒng)分析了我國九大農業(yè)區(qū)和各省域農田化肥、農藥和農用塑料膜面源污染的長時間演變特征，主要結論如下：

1)1991—2018年我國化肥、農藥、農用塑料膜使用量整體呈上升趨勢，其面源污染程度逐漸加重，農田面源污染的問題仍然突出?；适褂每偭吭鲩L101.5%，地均化肥使用量增長114.0%，其面源污染整體從較低污染等級升高為較高污染等級。農藥使用總量增長97.6%，地均農藥使用量增長109.9%，其污染整體從較低等級升高為較高等級；農用塑料膜使用總量增長238.2%，地均農用塑料膜使用量增長222.2%，其污染等級從低污染等級向較高污染等級轉變。

2)1991—2018年我國九大農業(yè)區(qū)地均化肥、農藥和農用塑料膜使用量均呈現增長態(tài)勢，其污染程度由早期的較低污染等級升高為較高污染等級。華南區(qū)、黃淮海平原區(qū)和黃土高原區(qū)化肥面源污染加劇程度最為突出，而青藏高原區(qū)變化較為緩和；黃淮海平原區(qū)、長江中下游地區(qū)和華南區(qū)的農藥面源污染加劇程度最突出，而青藏高原區(qū)變化程度最?。槐狈礁珊蛋敫珊祬^(qū)、華南區(qū)和黃淮海平原區(qū)的農用塑料膜面源污染程度加劇程度最突出，而東北平原區(qū)變化程度最低。

3)1991—2018年各省域化肥、農藥、農用塑料膜污染整體呈現不同程度的加重趨勢，其中河南、海南、湖北、廣西、陜西和新疆的化肥面源污染加劇嚴重，而浙江、青海和西藏相對比較穩(wěn)定；湖南、江西、福建、廣東和海南的農藥面源污染加劇明顯，而浙江、寧夏、青海和北京相對穩(wěn)定，上海的農藥面源污染有所降低；上海、新疆、福建、海南、甘肅、山東和浙江的農用塑料膜面源污染加劇比較明顯，而貴州、黑龍江、湖北和廣東基本保持穩(wěn)定。