沂河流域临沂市农业面源污染定量估算及特征解析

马金宝，谭亚男，袁建伟，常晓敏

(1.北京中水利德科技发展有限公司，北京 100071；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038；3.长江生态环保集团有限公司，湖北 武汉 430062)

1 研究背景

农业面源污染由于其随机性强、时空范围大、影响周期长、监测难度大等特殊性，已成为制约我国农业经济可持续发展的重要因素之一[1-2]。已有研究表明，农业面源污染将大量氮、磷、农药等污染物带入水体，对区域水环境和人类健康产生严重危害，且已成为中国流域性水体污染的重要来源[3-5]。第二次全国污染源普查公报数据显示，农业面源COD、TN和TP排放量约占到全国排放量的50%、47%和67%，农业源污染物的占比仍然很高，其中种植业与畜禽养殖业的贡献占到农业源的90%以上[6]。农业面源污染已成为危害生态环境的一个重要因素。因此，农业面源污染防控与治理是实现农业绿色发展的本质要求，而农业面源污染排放负荷定量估算、污染主要来源及关键区域的识别是农业面源污染防控与治理的重要步骤[7]，对区域农业可持续发展具有重要意义[8]。目前，针对农业面源污染的负荷估算、主要影响因素分析[9-10]、时空特征分布[11]等已开展了的大量的研究。农业面源污染的影响因素众多且复杂，在时间尺度上与降雨量有直接的正相关关系[12]，Lu等指出长江上游流域颗粒态磷输出负荷在降雨集中的雨季最高[13]。在空间尺度上，不同景观的分布格局对面源污染的形成具有不同的作用，从而影响面源污染负荷产生和输移的空间分布特征。面源污染负荷定量估算是其时空分布特征研究的基础，目前国内外学者在农业面源污染负荷估算方面应用较多的有排污系数法[14-15]、输出系数法[16]、经验系数法[17]、SWAT模型[18]等。但关于长时间序列农业面源污染排放负荷定量估算及特征解析，主要污染源贡献及污染区划分等还需进一步深入研究。

沂河主要干流位于山东省临沂市，沂河水系是临沂市的重要水源地，反之，临沂市水生态环境对沂河下游水环境有重要的影响。由于沂河流域水系比较发达，使得农业面源中的化肥农药、生活污水、畜禽排泄等污染物很容易随地表径流流失到周边水体。在生态环境保护和高质量发展背景下，协同推进农业生产与农业面源污染防治是沂河流域发展农业要面对的现实之一。目前关于临沂市农业面源污染定量估算及特征解析的研究相对较少，临沂市农业面源污染时空动态变化及污染来源定量解析尚不清晰。本文以山东省临沂市为研究对象，采用GIS与排污系数相结合的方法，定量估算临沂市不同行政单元2000—2019年TN、TP、COD的排放总量及排放强度。定性和定量的分析研究区农业面源污染时空变化特征及污染来源贡献，揭示不同类型农业源污染物排放规律及其区域差异，根据污染物排放程度对研究进行分区。研究成果可为协调区域农业发展，制定区域农业面源污染防控策略提供科学依据。

2 研究区域概况及数据来源

2.1 研究区概况沂河是淮河流域沂沭泗水系中一大支流，发源于鲁南山区，全长约333 km，流域面积11 820 km2，多年平均径流量达到36.06亿m3。其中临沂市以上河道长约223 km，沂河区(临沂段)面积为9383 km2，多年平均地表水资源量24.30亿m3[19]。本研究以临沂市为研究对象，辖3区9县，总面积为17 185 km2，属于鲁东南低山丘陵区(图1)。全市水系发育，河流众多，呈脉状分布，水资源利用程度较高，较容易发生污染现象，加之近年来经济发展迅速，从而给水资源和水生态环境带来了严峻的挑战。

图1 研究区地理位置图Fig.1 Location map of the study area

2.2 数据来源本研究涉及的农作物播种面积、作物种植类型、农作物产量、化肥农药施用量、畜禽养殖数量、农村人口等数据来源于2000—2019年《临沂市统计年鉴》。农村生活、农业种植、畜禽养殖三类污染源中污染物TN、TP、COD排放量的核算方法及相关系数参考中华人民共和国生态环境部2021年6月最新发布的《排放源统计调查产排污核算方法和系数手册》(简称“手册”)[20]。

3 研究方法

3.1 农村生活源污染负荷量估算根据《手册》中农村生活源污染物核算方法[20]，对研究区农村生活污水污染物排放量进行估算，农村生活污水污染物排放量=污染物产生量(1-对生活的污水进行处理的行政村比例污染物综合去除率)，其中污染物产生量=农村常驻人口(万人)污染物产污强度(g/人/d)365 d/100。山东省临沂市农村生活污水污染物产污强度、污染物综合去除率等见下表1，对农村生活污水进行处理的行政村比例来自《中国城乡建设统计年鉴》。

表1 山东省临沂市农村生活污水污染物产污强度及污染物综合去除率

3.2 种植业源污染负荷量估算种植业污染物排放量参考“手册”核算方法，采用农作物播种面积与污染物流失系数进行核算。山东省临沂市种植业氮磷排放系数见表2。

表2 山东省临沂市种植业氮磷排放系数

3.3 畜禽养殖业源污染负荷量估算畜禽养殖业污染物(COD、TN、TP)产生量和排放量均采用《手册》中产排污核算法计算，畜禽养殖业污染物排放量等于各类畜禽养殖的污染物排放量之和，其中，第i类畜禽养殖污染物排放量，等于第i类畜禽养殖量与污染物排放系数的乘积。研究区畜禽面源污染排放系数见表3。

表3 山东省临沂市畜禽面源污染排污系数

4 结果与分析

4.1 农业面源污染主要影响因素分析图2为研究区2000—2019年农业及畜禽养殖业各要素时间变化图，可看出，临沂市农药使用量和农用化肥施用总量年际变化较为一致，呈先增后减的趋势，在2009年左右发生拐点变化。临沂市2019年农药使用量为11254 t，比2000年减少了11.98%；氮肥、磷肥、钾肥、复合肥折纯后施用量为90304、24310、33012、170641 t，比2000年减少了12.26%。农作物播种面积在2013年发生拐点，呈先增后减的趋势，2019年农作物播种面积比2000年和2009年分别下降了7.35%和9.06%。畜禽养殖按照《畜禽养殖污染物排放标准》(GB18596-2001)，将不同类型畜禽养殖量换算成猪的养殖量，研究区当量猪数量呈明显增加趋势，2019年比2000年增加了1.89倍，随人们生活水平的提高，畜禽养殖业迅速发展，由此带动了畜禽养殖量的增加。以往研究也表明，淮河流域人口集聚，畜禽养殖发展迅速，是造成当地农业面源污染的主要原因[21]。

从2019年研究区不同行政单元农业及养殖业量占临沂市的比例来看(图3)，兰陵县、郯城县和莒南县在化肥施用和农作物播种面积上占比最高，化肥施用量占比分别为18.30%、13.55%、11.54%；农作物播种面积占比分别为17.29%、11.12%、11.04%。兰陵县、沂南区、平邑县在农药使用上占比最高，分别为17.86%、12.49%、11.99%。沂南县、沂水县和费县在畜禽养殖数量上占比最高，分别为20.03%、13.60%、12.03%。这也与后面不同类型农业面源污染物排放量相一致，兰陵县TN和TP污染排放总量中来自种植业源的占比最高；沂南县和沂水县TN、TP、COD污染排放总量中来自畜禽养殖源的占比最高。

图3 2019年研究区各行政单元农业及养殖业量占临沂市的比例Fig.3 Spatial distribution of agriculture and aquaculture in each administrative unit of the study area

4.2 农业面源污染时间变化分析从图4可看出，2019年TN和TP总排放量分别为154585.30 t/a，98363.34 t/a，比2000年增加了约9.00%，比2009年减少了20.60%。在TN和TP污染物排放量变化中，来自畜禽养殖业源污染排放量最大，且在2014年发生拐点变化，呈先增加后减少的趋势；其次是来自农村生活源污染的排放量，呈明显减少趋势；最后是来自种植业源污染的排放量，呈轻微减少趋势。2019年COD总排放量为221414.35 t/a，比2000年和2009年分别增加了37.28%和7.21%。在COD排放量变化中，来自畜禽养殖业源的排放量最大且逐渐增加，其次是来自农村生活源的排放量逐渐减少，COD总排放量呈先增加后平稳变化的趋势。整体来看，研究区的重点污染源为畜禽养殖业源。

图4 研究区2000—2019年农业面源污染物TN、TP、COD排放量变化Fig.4 Changes of TN，TP and COD emissions of agricultural non-point source pollutants in the study area from 2000 to 2019

由图5可看出，COD是临沂市农业面源污染的主要污染物，其次是TN、最后是TP。2000—2019年TN、TP、COD排放贡献率均值分别为35.55%、22.55%、41.90%。以2014年为拐点，2014年以前，TN、TP、COD排放贡献率变化不大，2000—2014年TN、TP、COD排放贡献率均值分别为36.59%、23.28%、40.12%。2014年以后，COD排放贡献率逐渐增大，TN和TP排放贡献率减小，2014—2019年TN、TP、COD排放贡献率均值分别为34.50%、21.81%、43.68%。这可能受区域产业发展影响较大，近年来畜禽养殖的快速发展，使得研究区的COD排放明显增加。因此，研究区应重点关注污染物COD的减排和治理。已有研究表明，畜禽养殖业目前已成为我国环境污染的主要污染源之一，据统计，2010年规模户养殖场COD排放量占农业源总排放量的比例为95%，占全国COD排放总量的45%[22]。

图5 研究区2000—2019年农业面源污染物TN、TP、COD排放负荷贡献率分布图Fig.5 Distribution of contribution rate of agricultural non-point source pollutants TN，TP and COD emission load in the study area from 2000 to 2019

从表4可看出，研究区污染负荷排放贡献率为畜禽养殖源>农村生活源>种植业源，2019年临沂市畜禽养殖业污染对TN、TP、COD的排放贡献率分别为97.63%、99.78%、81.45%，农村生活源为1.85%、0.20%、18.55%，种植业源TN为0.52%、TP为0.02%。临沂市农业面源污染主要来自畜禽养殖业源，这也与以往的研究较为一致[23]。根据山东省农业畜禽养殖调查和基础数据分析，来自畜禽养殖的排泄物对环境影响较大，目前山东省畜禽粪便无害化处理率不足40%，大量未经处理的畜禽粪便直接排入农田，对区域环境造成严重污染[24]。

表4 2019年临沂市农业面源污染物排放量及贡献率

受区域农业产业发展影响，研究区不同行政单元农业面源污染主要污染源贡献率有一定的差异(图6)。在2019年TN和TP排放中，来自畜禽养殖业的排放对沂南县和沂水县的贡献率最大，分别为23.25%和19.47%，来自种植业源的排放对兰陵县和郯城县的贡献率最大，分别为17.30%和11.13%。这也与前面农业面源污染主要影响因素分析较为一致，化肥施用、农作物播种面积、畜禽养殖量较大的区县，产生的面源污染排放量也较大。

图6 2019年研究区不同行政单元农业面源污染排放贡献分布图Fig.6 Distribution map of agricultural no-point source pollution emission contribution of different administrative units in the study area in 2019

4.3 农业面源污染空间变化分析从临沂市不同行政单元农业面源污染排放总量空间分布来看，各行政区污染物排放总量差异明显。图7为研究区TN、TP、COD排放强度分布图，2019年研究区TN、TP、COD排放强度均值分别为8886.28 kg/km2、5663.59 kg/km2、12650.23 kg/km2。TN和TP排放强度比2000年减少了2.57%和2.47%，比2009年减少了20.71%和21.05%。COD排放强度比2000年增加了28.26%，比2009增加了6.13%。2000—2019年间TN和TP污染物排放强度呈先增加后减小的趋势，COD排放强度呈逐渐增加的趋势。

图7 2000、2009、2019年研究区农业面源污染TN、TP、COD排放强度空间分布Fig.7 Spatial distribution of TN，TP and COD emission intensity of agricultural non-point source pollution in the study area in 2000，2009 and 2019

综合2000—2019年单位面积污染物排放强度GIS数据的自然间断点[22]，将区域单位面积排放强度分为3个等级，重度污染区(TN>12000 kg/km2、TP>7000 kg/km2、COD>15000 kg/km2)、中度污染区(7000 kg/km2

从空间分布的时间变化来看，TN排放强度重度、中度、轻度的面积占临沂市总面积的比例2000年分别为10.78%、49.19%、10.01%；2009年分别为50.15%、26.85%、22.98%；2019年分别为30.20%、22.14%、47.65%。TP排放强度重度、中度、轻度的面积占临沂市总面积的比例2000年分别为20.83%、32.15%、47.00%；2009年分别为50.15%、26.85%、22.98%；2019年分别为30.20%、11.89%、57.90%。可看出2000—2019年间TN和TP排放强度重度区面积先增后减，中度区逐渐减少，轻度区先减后增。COD排放强度重度、中度、轻度的面积占临沂市总面积的比例2000年分别为0.00%、20.69%、79.30%；2009年分别为15.96%、52.57%、31.45%；2019年分别为25.67%、44.48%、29.84%。COD排放强度重度区面积逐渐增加，中度区缓慢增加，轻度区逐渐减少。

整体来看，TN和TP排放强度在2009年最大，即重度污染区覆盖面积最大，占总面积的比例达50.15%。随着化肥减量、农业绿色发展行动等的实施，面源污染治理取得较好效果，2019年TN和TP重度污染区覆盖面积明显减小，部分区县降级为中度或轻度污染区。而COD排放强度重度区面积逐渐增加，是研究区重要的污染物。

从图8可看出，2019年临沂市TN、TP、COD的平均排放强度为8886.28 kg/km2、5663.59 kg/km2、12650.23 kg/km2。在全市12个区县中，其中沂南县、郯城县、沂水县和临沭县4个县TN的排放强度超过临沂市平均排放强度的百分比分别为127.58%、12.18%、37.69%、99.14%；TP的排放强度超过临沂市平均排放强度的百分比分别为134.60%、12.86%、38.89%、106.45%。沂南县、郯城县、兰陵县、费县、临沭县5个县COD的排放强度超过临沂市平均排放强度的百分比分别为90.58%、10.90%、5.42%、25.83%、43.52%。这些县多位于畜禽养殖业和种植业较为发达区域，农业面源污染排放量较大。因此，针对不同地区畜禽养殖污染的严重程度，因地制宜，实行差别化的污染治理至关重要，对畜禽养殖重度污染区，一方面要着力控制大型集约化畜禽养殖业排泄物的排放量，优化畜禽养殖技术，加强生态养殖和清洁养殖治理技术；另一方面对散养畜禽养殖业应促进畜禽养殖废弃物的无害化处理和资源化利用。同时在空间布局上合理规划畜牧养殖规模，防止由于养殖过于集中造成单体区域的环境污染。针对COD的处理，具体可采用固液分离处理技术降低畜禽排污水COD，包括重力沉降技术、蒸发技术、絮凝分离技术、筛分技术、压滤技术及沉淀离心技术，其中絮凝分离技术方法简单、成本低廉，应用较为广泛[25]。

图8 2019年研究区农业面源污染TN、TP、COD排放强度对比Fig.8 Comparison of TN，TP and COD emission intensity of agricultural non-point source pollution in the study area in 2019

5 结论

本研究基于排污系数法对临沂市不同行政单元长时间序列的农业种植、畜禽养殖、农村生活3类污染源TN、TP、COD排放量进行了定量估算，系统分析了不同类型农业面源污染排放时空特征及来源贡献，得到以下结论：

(1)从时间尺度上看，2000—2019年间研究区农业面源污染物TN和TP排放量呈“先增后减”，COD排放量呈“先增加后平稳”的变化趋势，其中2019年TN和TP总排放量比2009年减少了20.60%，COD总排放量比2009年增加了7.21%。

(2)从污染源和污染物结构来看，临沂市污染源负荷排放贡献率排序为畜禽养殖源>农村生活源>种植业源，畜禽养殖业污染对TN、TP、COD的排放贡献率均高于80%；污染物排放量为COD>TN>TP，对应的排放贡献率均值分别为41.90%、35.55%、22.55%。因此，研究区应重点加强畜禽养殖污染物的治理，尤其是COD的减排治理。

(3)从空间分布上看，TN和TP排放强度在2009年最大，即重度污染区覆盖面积最大，占总面积的比例达50.15%，随着化肥减量、农业绿色发展行动等的实施，2019年TN和TP重度污染区覆盖面积明显减小，降为30.20%。而COD排放强度重度区面积逐渐增加，由2000年的15.96%增加到25.67%，是研究区的首要污染物。

(4)从污染物排放强度划分结果来看，沂南县、临沭县、沂水县为TN和TP重度污染区，其中TN排放强度超过临沂市平均排放强度的百分比对应为127.58%、99.14%、37.69%，TP对应为134.60%、106.45%、38.89%。沂南县、临沭县、费县为COD重度污染区，COD的排放强度超过临沂市平均排放强度的百分比对应为90.58%、43.52%、25.83%，以上几个县应作为临沂市农业面源污染的优先控制区进行重点治理。