丘麗清，吳根義，李想，佘磊，符致欽

（1.生態(tài)環(huán)境部華南環(huán)境科學(xué)研究所，廣州 510535；2.海南省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，海口 570100）

農(nóng)村面源污染又稱(chēng)農(nóng)村非點(diǎn)源污染，是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活活動(dòng)中溶解的或固體的污染物，如氮、磷、農(nóng)藥及其他有機(jī)或無(wú)機(jī)污染物質(zhì)從非特定的地域通過(guò)地表徑流、農(nóng)田排水和地下滲漏進(jìn)入水體引起水質(zhì)污染的過(guò)程[1]。典型的農(nóng)村面源污染來(lái)源包括農(nóng)田種植（化肥使用和秸稈遺棄等）、農(nóng)村生活（生活垃圾、生活污水和人糞尿）、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖等[1-4]。目前，在點(diǎn)源污染得到有效控制和管理的情況下，面源被認(rèn)為是影響世界各地水生態(tài)環(huán)境的關(guān)鍵因素[5-6]，其中農(nóng)村非點(diǎn)源污染影響尤為突出[7-8]。在美國(guó)，60%左右的地表水受非點(diǎn)源污染影響[9]，在歐盟和德國(guó)，農(nóng)業(yè)對(duì)地表水非點(diǎn)源污染的貢獻(xiàn)分別約為55%和48%[10]，在中國(guó)，農(nóng)村面源是造成我國(guó)水環(huán)境污染的主要來(lái)源，據(jù)《第二次全國(guó)污染源普查公報(bào)》結(jié)果顯示，農(nóng)村面源化學(xué)需氧量（COD）、總氮（TN）、總磷（TP）排放分別占地表水體污染總負(fù)荷的73.06%、61.20%和78.92%。

海南省是我國(guó)最大的熱帶寶地，農(nóng)業(yè)資源豐富，但農(nóng)業(yè)發(fā)展模式仍呈現(xiàn)高產(chǎn)、低效、高投入等特征，且隨著農(nóng)村城鎮(zhèn)化進(jìn)程和農(nóng)村生活方式的轉(zhuǎn)變，農(nóng)村生活用水量大幅增加，由此帶來(lái)的農(nóng)村面源污染對(duì)全省地表水環(huán)境影響日益突出?！逗Ｄ鲜〉诙稳珖?guó)污染源普查公報(bào)》結(jié)果顯示，農(nóng)村面源產(chǎn)生的COD、TN、TP分別占全省總排放量的68.65%、75.10%和85.16%，農(nóng)村面源治理已成為海南省提高水環(huán)境質(zhì)量的關(guān)鍵突破口。當(dāng)前，已有學(xué)者從化肥農(nóng)藥施用強(qiáng)度、畜禽糞污排放強(qiáng)度等角度剖析了海南省農(nóng)業(yè)面源時(shí)空分布特征[11-12]，但均未分析水產(chǎn)養(yǎng)殖和農(nóng)村生活污水對(duì)其產(chǎn)生的影響，且基于海南省污染負(fù)荷核算的農(nóng)村面源污染空間分布特征研究鮮見(jiàn)報(bào)道。關(guān)于農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷核算與評(píng)價(jià)，國(guó)內(nèi)學(xué)者采用較多的方法有輸出系數(shù)模型法[13-15]、清單分析法[16-18]、等標(biāo)污染負(fù)荷法[17-19]，但基于污染物排放量的等標(biāo)污染負(fù)荷法難以反映國(guó)土面積等因素對(duì)污染程度的影響。本研究以海南省為研究對(duì)象，在采用清單分析法核算污染負(fù)荷的基礎(chǔ)上，引入等標(biāo)污染負(fù)荷強(qiáng)度，在同一尺度下分析評(píng)價(jià)農(nóng)村面源污染物排放強(qiáng)度，進(jìn)而識(shí)別主要污染類(lèi)型，并運(yùn)用ArcGIS軟件劃分污染負(fù)荷強(qiáng)度分區(qū)和污染控制分區(qū)，最后提出農(nóng)村面源污染分類(lèi)控制對(duì)策。

1 研究區(qū)與方法

1.1 研究區(qū)概況

海南省位于我國(guó)最南端，陸地（包括海南島和西沙、中沙、南沙群島）總面積3.5 萬(wàn)km2，海域面積約200 萬(wàn)km2，下轄19 個(gè)市（縣），常住人口1 008.12 萬(wàn)。海南島以五指山、鸚歌嶺為隆起核心，向外圍逐級(jí)下降，由山地、丘陵、臺(tái)地、階地、平原構(gòu)成明顯的環(huán)形層狀地貌梯級(jí)結(jié)構(gòu)。山地和丘陵占全島面積的38.7%，臺(tái)地和階地占49.5%，環(huán)島濱海平原占11.2%。由于地勢(shì)中部高四周低，海南島河流水系呈輻射狀，全島獨(dú)流入海河流共154條，其中38條集水面積超100 km2。海南島屬熱帶季風(fēng)氣候，全年暖熱，雨量充沛，年均溫度22～27 ℃，年均降雨量在1 600 mm 以上，東濕西干氣候明顯。

1.2 研究方法

本研究采用清單分析法、等標(biāo)污染負(fù)荷強(qiáng)度和聚類(lèi)分析法對(duì)2017 年海南省農(nóng)村面源污染狀況進(jìn)行核算與評(píng)價(jià)。結(jié)合海南省實(shí)際情況，將海南省農(nóng)村面源污染分為種植、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)村生活污水四種類(lèi)型，污染物包括COD、TN和TP。由于三沙市農(nóng)村面源污染物排放量近乎為零，筆者未將其納入本研究。

1.2.1 清單分析法

以市（縣）為單位，采用清單分析法建立產(chǎn)排污清單，以此估算各市（縣）農(nóng)村面源污染物年排放量，計(jì)算方法如下：

式中：Qi為農(nóng)村面源污染物i的年排放量，t；Qli、Qri、Qai、Qdi分別為畜禽養(yǎng)殖、種植、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)村生活污水的污染物i的年排放量，t。

式中：XQi為某一畜禽類(lèi)型j的產(chǎn)生基數(shù)，頭（只）；αi，j為某一畜禽類(lèi)型j的污染物i的年排放系數(shù)，kg·頭-1或kg·只-1。

式中：NTk為某一種植土地類(lèi)型k的面積，hm2；Fav,k為某一種植土地類(lèi)型k的年施肥強(qiáng)度，kg·hm-2；γi，k為某一種植土地類(lèi)型k的污染物i的種植流失系數(shù)，kg·kg-1。

式中：YZm為某一水產(chǎn)養(yǎng)殖類(lèi)型m增產(chǎn)量，kg；δi，m為某一水產(chǎn)養(yǎng)殖類(lèi)型m的污染物i的年排污系數(shù)，g·kg-1。

式中：NP為農(nóng)村常住人口數(shù)，人；εi為污染物i的人均年產(chǎn)污系數(shù)，g·人-1；λi為污染物i的綜合去除率，%。

上述參數(shù)通過(guò)《第二次全國(guó)污染源普查農(nóng)業(yè)源系數(shù)手冊(cè)》[20]《第二次全國(guó)污染源普查生活污染源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)（試用版）》和海南省典型區(qū)域調(diào)研結(jié)果確定。

1.2.2 等標(biāo)污染負(fù)荷強(qiáng)度

農(nóng)村面源污染物排放分散，盡管排放總量相同，但對(duì)應(yīng)排放的國(guó)土面積大小不同，其對(duì)環(huán)境的影響和污染程度存在差別，因此采用排放強(qiáng)度來(lái)表征農(nóng)村面源污染程度比單純用排放量更準(zhǔn)確。為了將污染物排放強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一可比的量，本研究在前人研究[16-19]的基礎(chǔ)上引入等標(biāo)污染負(fù)荷強(qiáng)度，即單位國(guó)土面積所含污染物稀釋至環(huán)境質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)所需的水量，以便于在同一尺度下比較分析農(nóng)村面源污染物對(duì)環(huán)境污染的影響程度。計(jì)算公式如下：

式中：Ii為污染物i的排放強(qiáng)度，t·km-2；Qi為污染物i的年排放量，t；A為某市（縣）的計(jì)算面積（由土地面積扣除城區(qū)和自然林地面積后所得），km2。海南省各市（縣）面積計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 海南省各市（縣）面積計(jì)算參數(shù)Table 1 Calculation parameters of the area in 18 districts of Hainan Province

式中：Mi為污染物i的等標(biāo)污染負(fù)荷強(qiáng)度，106m3·km-2；C0為污染物i基于環(huán)境質(zhì)量功能分區(qū)的目標(biāo)控制類(lèi)別標(biāo)準(zhǔn)值，統(tǒng)一取《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)值，mg·L-1。

式中：Mn為污染源的等標(biāo)污染負(fù)荷強(qiáng)度，106m3·km-2；n為污染物種類(lèi)。

式中：M為區(qū)域的等標(biāo)污染負(fù)荷強(qiáng)度，106m3·km-2；m為區(qū)域污染源個(gè)數(shù)。

式中：K為污染源在區(qū)域中的等標(biāo)污染負(fù)荷強(qiáng)度占比。

1.2.3 聚類(lèi)分析法

本研究基于等標(biāo)污染負(fù)荷強(qiáng)度核算結(jié)果，運(yùn)用ArcGIS 10.2 分組分析工具進(jìn)行聚類(lèi)分析，直接實(shí)現(xiàn)農(nóng)村面源污染負(fù)荷強(qiáng)度分布空間可視化。該工具根據(jù)要素屬性和可選的空間/時(shí)態(tài)約束對(duì)海南省各市（縣）農(nóng)村面源等標(biāo)污染負(fù)荷強(qiáng)度的相似性和差異性進(jìn)行區(qū)分，當(dāng)指定了無(wú)空間約束時(shí)，該工具使用K均值算法查找分組，由于該算法屬于NP（非確定性多項(xiàng)式）難題，軟件將采用啟發(fā)式貪婪算法對(duì)要素進(jìn)行分組，啟發(fā)式貪婪算法始終收斂于局部最小值，從而使各組的每一個(gè)組中要素實(shí)現(xiàn)差異最小化，進(jìn)而劃分污染負(fù)荷強(qiáng)度分區(qū)。

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

海南省各市（縣）國(guó)土面積、城區(qū)面積等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)自《海南統(tǒng)計(jì)年鑒2018》；海南省種植、畜禽養(yǎng)殖以及農(nóng)村生活活動(dòng)指標(biāo)來(lái)自農(nóng)業(yè)部門(mén)，水產(chǎn)養(yǎng)殖活動(dòng)指標(biāo)來(lái)自漁業(yè)部門(mén)；海南省農(nóng)村面源污染物排放數(shù)據(jù)來(lái)自《海南省第二次全國(guó)污染源普查公報(bào)》；全國(guó)農(nóng)村面源污染物排放數(shù)據(jù)來(lái)自《第二次全國(guó)污染源普查公報(bào)》。

2 結(jié)果與分析

2.1 海南省農(nóng)村面源污染物排放量分析

海南省各市（縣）農(nóng)村面源COD、TN、TP排放量見(jiàn)圖1，文昌、?？?、儋州、萬(wàn)寧、澄邁、瓊海6個(gè)市（縣）的COD 排放量均高于全省平均排放量；文昌、儋州、?？?、瓊海、臨高、萬(wàn)寧、澄邁、樂(lè)東8 個(gè)市（縣）的TN 排放量均高于全省平均排放量；文昌、儋州、?？?、臨高、瓊海、萬(wàn)寧6 個(gè)市（縣）的TP 排放量均高于全省平均排放量；COD、TN、TP 排放量最大值均出現(xiàn)在東部沿海地區(qū)文昌，最小值均出現(xiàn)在中部山區(qū)五指山。結(jié)合農(nóng)村面源污染物排放量空間分布圖（圖2）可知，海南省農(nóng)村面源污染物排放量高值主要分布于島東部和北部地勢(shì)較低緩、社會(huì)活動(dòng)水平較高的地區(qū)，島中部山地丘陵地區(qū)的農(nóng)村面源污染物排放量處于全省較低水平。

圖1 海南省各市（縣）農(nóng)村面源COD、TN、TP排放量Figure 1 Agricultural non-point source chemical oxygen demand,total nitrogen,and total phosphorus emissions in 18 districts of Hainan Province

圖2 海南省各市（縣）農(nóng)村面源污染物排放量空間分布Figure 2 Spatial distribution of agricultural non-point source pollutant emissions in 18 districts of Hainan Province

海南省農(nóng)村面源各污染類(lèi)型污染物排放量見(jiàn)表2。COD 主要來(lái)源于農(nóng)村生活污水、畜禽養(yǎng)殖，分別占總排放量的41.82%、38.94%；TN 主要來(lái)自種植，占總排放量的52.22%，畜禽養(yǎng)殖貢獻(xiàn)占比不足10%；TP主要來(lái)自種植、水產(chǎn)養(yǎng)殖，分別占總排放量的39.51%、32.26%。需特別關(guān)注的是，海南省憑借自身區(qū)位優(yōu)勢(shì)，建省以來(lái)水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快，其農(nóng)村面源TP 的貢獻(xiàn)占比達(dá)32.26%，遠(yuǎn)高于全國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖TP排放量貢獻(xiàn)比例（6.47%），治理任務(wù)較重。

表2 海南省農(nóng)村面源各污染類(lèi)型污染物排放量Table 2 Emissions of different pollution types from agricultural non-point source in Hainan Province

2.2 海南省農(nóng)村面源污染負(fù)荷分析

2.2.1 海南省農(nóng)村面源污染物排放強(qiáng)度

海南省各地區(qū)農(nóng)村面源污染物排放強(qiáng)度核算結(jié)果見(jiàn)圖3。2017 年海南省農(nóng)村面源COD 排放強(qiáng)度比全國(guó)排放強(qiáng)度高1.03 倍，TN 排放強(qiáng)度比全國(guó)排放強(qiáng)度高3.74 倍，TP 排放強(qiáng)度比全國(guó)排放強(qiáng)度高3.59 倍。從地區(qū)分布來(lái)看，萬(wàn)寧、文昌、?？?、瓊海、澄邁的COD 排放強(qiáng)度高于全省排放強(qiáng)度，除瓊中外，其余地區(qū)的COD 排放強(qiáng)度均高于全國(guó)排放強(qiáng)度；文昌、臨高、萬(wàn)寧、?？?、瓊海、三亞的TN排放強(qiáng)度高于全省排放強(qiáng)度，所有市（縣）的TN 排放強(qiáng)度均高于全國(guó)排放強(qiáng)度；文昌、臨高、?？?、萬(wàn)寧、瓊海的TP 排放強(qiáng)度高于全省排放強(qiáng)度，所有市（縣）的TP 排放強(qiáng)度均高于全國(guó)排放強(qiáng)度?？傮w來(lái)看，海南省農(nóng)村面源污染物排放強(qiáng)度較大，污染防治形勢(shì)較嚴(yán)峻。

圖3 海南省各市（縣）農(nóng)村面源COD、TN、TP排放強(qiáng)度Figure 3 Agricultural non-point source chemical oxygen demand,total nitrogen,and total phosphorus emission intensity in 18 districts of Hainan Province

2.2.2 海南省農(nóng)村面源等標(biāo)污染負(fù)荷強(qiáng)度

海南省各市（縣）農(nóng)村面源各污染類(lèi)型的等標(biāo)污染負(fù)荷強(qiáng)度見(jiàn)表3。根據(jù)海南實(shí)際情況，將等標(biāo)污染負(fù)荷強(qiáng)度占比大于30%的污染類(lèi)型篩選為該市（縣）主要污染類(lèi)型，結(jié)果顯示，儋州、五指山、瓊海、東方、定安、屯昌、澄邁、白沙、昌江、保亭、瓊中11個(gè)市（縣）的農(nóng)村面源污染主要來(lái)源于種植，海口、三亞、萬(wàn)寧、樂(lè)東、陵水5 個(gè)市（縣）的農(nóng)村面源污染主要來(lái)源于種植、農(nóng)村生活污水，文昌主要來(lái)源于水產(chǎn)養(yǎng)殖，臨高主要來(lái)源于水產(chǎn)養(yǎng)殖、種植。從全省層面來(lái)看，農(nóng)村面源各污染類(lèi)型的等標(biāo)污染負(fù)荷強(qiáng)度表現(xiàn)為種植＞農(nóng)村生活污水＞水產(chǎn)養(yǎng)殖＞畜禽養(yǎng)殖，種植是海南省農(nóng)村面源污染的首要來(lái)源，其次是農(nóng)村生活污水。

表3 海南省各市（縣）農(nóng)村面源各污染類(lèi)型的等標(biāo)污染負(fù)荷強(qiáng)度Table 3 Equal standard pollution load intensity of different agricutural non-point source pollution types in 18 districts of Hainan Province

2.3 海南省農(nóng)村面源污染負(fù)荷強(qiáng)度分區(qū)

通過(guò)聚類(lèi)分析可知，全省共有高度負(fù)荷區(qū)4 個(gè)、中度負(fù)荷區(qū)12 個(gè)、低度負(fù)荷區(qū)2 個(gè)，其空間分布情況見(jiàn)圖4。高度負(fù)荷區(qū)主要分布于文昌、海口、臨高、萬(wàn)寧。文昌水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)，2017 年水產(chǎn)養(yǎng)殖面積約占全省水產(chǎn)養(yǎng)殖總面積的22.5%，位列全省第一，其中池塘養(yǎng)殖面積約占全省池塘養(yǎng)殖總面積的88%；?？谵r(nóng)村人口數(shù)量約占全省農(nóng)村總?cè)丝诘?3%，耕地面積約占全省耕地總面積的11%，分別位列全省第一、第二；臨高水產(chǎn)養(yǎng)殖面積和耕地面積均位列全省第五；萬(wàn)寧耕地面積和農(nóng)村人口數(shù)量分別位列全省第十一、第六，但由于區(qū)域污染治理還存在較多薄弱環(huán)節(jié)，且計(jì)算面積較小，故其污染負(fù)荷強(qiáng)度處于較高水平。中度負(fù)荷區(qū)主要分布于農(nóng)村人口密集、農(nóng)業(yè)活動(dòng)水平較高的臺(tái)地、階地和平原地帶，包括三亞、東方、儋州、瓊海、定安、澄邁、屯昌、昌江、樂(lè)東、陵水、白沙、保亭12 個(gè)市（縣）。低度負(fù)荷區(qū)主要分布于島中部偏南人口較少、社會(huì)活動(dòng)水平較低、山地丘陵地形為主的瓊中和五指山。

圖4 海南省農(nóng)村面源污染負(fù)荷強(qiáng)度分區(qū)Figure 4 Agricultural non-point source pollution load intensity zones in Hainan Province

2.4 海南省農(nóng)村面源污染控制分區(qū)

綜合海南省各市（縣）農(nóng)村面源主要污染類(lèi)型篩選結(jié)果以及污染負(fù)荷強(qiáng)度分區(qū)結(jié)果，將海南省農(nóng)村面源污染控制區(qū)劃分為6種：水產(chǎn)養(yǎng)殖污染型-高度負(fù)荷區(qū)、水產(chǎn)養(yǎng)殖和種植污染型-高度負(fù)荷區(qū)、種植和農(nóng)村生活污水污染型-高度負(fù)荷區(qū)、種植污染型-中度負(fù)荷區(qū)、種植和農(nóng)村生活污水污染型-中度負(fù)荷區(qū)、種植污染型-低度負(fù)荷區(qū)，其空間分布情況見(jiàn)圖5。

圖5 海南省農(nóng)村面源污染控制分區(qū)Figure 5 The control zones of agricultural non-point source pollution in Hainan Province

不同區(qū)域根據(jù)不同的污染類(lèi)型采取針對(duì)性的污染控制措施。水產(chǎn)養(yǎng)殖污染型區(qū)域，應(yīng)優(yōu)化調(diào)整區(qū)域水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)布局，大力發(fā)展綠色養(yǎng)殖，養(yǎng)殖密度大且水域自?xún)裟芰Σ蛔愕膮^(qū)域可采取輪養(yǎng)或休養(yǎng)等措施，環(huán)境容量超標(biāo)的水域?qū)嵤┩损B(yǎng)或轉(zhuǎn)產(chǎn)，提高現(xiàn)有水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水治理水平；種植污染型區(qū)域，宜優(yōu)化調(diào)整區(qū)域種植業(yè)產(chǎn)業(yè)布局，繼續(xù)推行測(cè)土配方施肥，推廣高效、低毒、低殘留、無(wú)公害農(nóng)藥，提高地膜和秸稈的回收利用率，在重點(diǎn)區(qū)域利用現(xiàn)有排水溝渠、廢棄池塘或低澇洼地建設(shè)生態(tài)凈化工程；農(nóng)村生活污水污染型區(qū)域，加快農(nóng)村戶(hù)用廁所無(wú)害化改造，提高糞污資源化利用水平，優(yōu)先推進(jìn)環(huán)境敏感區(qū)域、農(nóng)村生活污水負(fù)荷較高區(qū)域的污水集中處理。

各區(qū)域的污染負(fù)荷強(qiáng)度不同，其治理手段和目標(biāo)有所側(cè)重：高度負(fù)荷區(qū)以源頭防控與重點(diǎn)治理相結(jié)合，著力改善現(xiàn)有農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境；中度負(fù)荷區(qū)以源頭防控為主、適當(dāng)治理為輔，發(fā)展產(chǎn)業(yè)和改善現(xiàn)有農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境并重；低度負(fù)荷區(qū)以源頭防控為主，旨在保障現(xiàn)有農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境。

3 結(jié)論

（1）文昌、海口、儋州、萬(wàn)寧、瓊海的農(nóng)村面源COD、TN、TP 排放量均高于海南省平均排放量；三種污染物的排放量最大值均出現(xiàn)在文昌，最小值均出現(xiàn)在五指山；海南省農(nóng)村面源COD、TN、TP 的排放強(qiáng)度比全國(guó)排放強(qiáng)度分別高1.03、3.74、3.59倍，且文昌、萬(wàn)寧、海口、瓊海的三種污染物排放強(qiáng)度均高于全省排放強(qiáng)度，可見(jiàn)海南省農(nóng)村面源污染防治形勢(shì)嚴(yán)峻。

（2）海南省農(nóng)村面源COD 主要來(lái)自農(nóng)村生活污水、畜禽養(yǎng)殖，TN 主要來(lái)源于種植，TP 主要來(lái)源于種植、水產(chǎn)養(yǎng)殖；各污染類(lèi)型等標(biāo)污染負(fù)荷強(qiáng)度表現(xiàn)為種植＞農(nóng)村生活污水＞水產(chǎn)養(yǎng)殖＞畜禽養(yǎng)殖，其中文昌為水產(chǎn)養(yǎng)殖污染型，臨高為水產(chǎn)養(yǎng)殖和種植污染型，?？?、三亞、萬(wàn)寧、樂(lè)東、陵水為種植和農(nóng)村生活污水污染型，儋州、五指山、瓊海、東方、定安、屯昌、澄邁、白沙、昌江、保亭、瓊中為種植污染型。

（3）聚類(lèi)分析結(jié)果表明，文昌、?？?、臨高、萬(wàn)寧為農(nóng)村面源污染高度負(fù)荷區(qū)，三亞、東方、儋州、瓊海、定安、澄邁、屯昌、昌江、樂(lè)東、陵水、白沙、保亭為中度負(fù)荷區(qū)，瓊中、五指山為低度負(fù)荷區(qū)。