邓春梅 李玉萍 李茂芬 叶露 姚伟

摘要：【目的】分析海南省农业面源污染的时空特征，为海南省农业面源污染防控提供参考依据。【方法】借助GIS技术，采用数理统计分析法对2008—2017年间海南省18个市（县）的农业面源污染时空特征进行分析，并绘制空间分布图，发现其变化规律。【结果】2008—2017年，海南省化肥施用实物量总体上呈增加趋势，2017年较2008年增加15.27%，农药使用量呈明显减少趋势，2017年较2009年减少29.79%;由于肉牛的年末存栏量减少，畜禽粪尿排放总量相对呈减少趋势。从空间分布格局来看，海南省化肥投入强度较高的市（县）主要分布在东部和西部，投入强度较低的市（县）主要分布在中部;农药投入强度高的市（县）总体减少，仅中部的五指山市和西部的乐东县的农药投入强度由弱变强;海南省畜禽粪尿排放强度较高的市（县）主要集中在东部和西部，2016年畜禽粪尿排放强度超过3.0×104 kg/ha的仅有定安县，在1.5×104 kg/ha以下的有白沙县、琼中县、琼海市、五指山市、保亭县、三亚市和东方市。【建议】化肥、农药和畜禽粪便是海南省农业面源污染的主要来源，其主要集中分布于东部和西部的市（县），是由于这些市（县）种植业和畜禽养殖业范围较广。因此，可根据海南省各市（县）化肥投入、农药投入和畜禽粪尿排放强度的不同进一步采取相应措施，同时加强专项资金投入，切合实际发展生态循环农业及提高农户农田环境保护意识，以有效防控海南省农业面源污染，促进海南省生态农业发展。

关键词： 农业面源污染;空间特征;时空分布;海南省

中图分类号： S181.3                                文獻标志码： A 文章编号：2095-1191（2020）10-2580-08

Spatio-temporal variation of agriculture non-point source pollution based on GIS technology in Hainan Province

DENG Chun-mei， LI Yu-ping*， LI Mao-fen， YE Lu， YAO Wei

（Institute of Science and Technology Information， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences/Hainan Provincial Key Laboratory of Practical Research on Tropical Crops Information Technology， Haikou  571101， China）

Abstract：【Objective】To provide references for the prevention and control of agricultural non-point source pollution in Hainan Province，the spatio-temporal characteristics of agricultural non-point source pollution in Hainan Province was analyzed in the present study. 【Method】With the help of GIS technology and mathematical statistical analysis method，the spatio-temporal characteristics of agricultural non-point source pollution in 18 cities and counties in Hainan Province from 2008 to 2017 were analyzed，and the spatial distribution map was drawn to find out the changes. 【Result】From 2008 to 2017，the total amount of chemical fertilizers used in Hainan Province showed an overall increasing trend with 15.27%，whereas the use of pesticides showed a decreasing trend， and 2017 decreased by 29.79% than 2019. Due to the decrease in the number of cattle at the end of the year，the total discharge of livestock and poultry manure presented a relatively decreasing trend. From the spatial distribution，the cities（counties） with high chemical fertilizer input intensity of Hainan Province was mainly distributed in east and west，while cities（counties） with the low input intensity was mainly distribu-ted in center. Cities and counties with high pesticide input intensity decreased overall except Wuzhishan City in the central part and Ledong County in the west. Livestock and poultry manure emission intensity of Hainan Province was mainly concentrated in the eastern and western cities and counties. In 2016，the livestock and poultry manure emission intensity of Dingan County exceeded 3.0×104 kg/ha among all the 18 cities and counties while those of Baisha County，Qiongzhong County，Qionghai City，Wuzhishan City，Baoting County，Sanya City and Dongfang City were below 1.5×104 kg/ha. 【Suggestion】Fertilizers，pesticides，and livestock manure were the main sources of agricultural non-point source pollution in Hainan Province. They are mainly distributed in cities（counties） in the east and west. These cities （counties） have a wide range of planting and livestock and poultry breeding industries. Different cities（counties） have different chemical fertilizer inputs，pesticide inputs and livestock and poultry emission intensities，then different measures are needed. At the same time， special fund should be added，more practical ecological recycling agriculture should be developed and farmers awareness of farmland environmental protection also need to increase，so as to effectively prevent and control agricultural non-point source pollution and to promote the development of ecological agriculture in Hainan Province.

Key words： agricultural non-point source pollution; spatial feature; temporal and spatial distribution; Hainan Province

Foundation item： Hainan Natural Science Foundation for Youth（318QN290）;Hainan Philosophy and Social Sciences 2019 Planning Project（HNSK（QN）19-84）;Basic Research Project of Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences（1630072017001，1630072017004）

0 引言

【研究意义】近年来，我国农业农村经济得到快速发展，但同时给农业环境带来极大影响，如化肥农药大量、不合理使用对农田土壤和水体造成的污染。近5年的中央一号文件均有明确提到农业面源污染治理问题。尽管我国已高度重视，采取了一系列措施整治农业面源污染，基本遏制了生态环境恶化趋势，但由于农业面源污染的随机性、不确定性、分散性、隐蔽性及不易监测性等特点（徐敏云，2015;陈小娇等，2019），目前仍未能有效地完全解决农业污染问题。海南省作为冬季瓜菜和热带水果的主要生产基地，耕地复种指数高，化肥农药施用量较大、农业生产废弃物残留对土壤地力及农业生态环境造成一定破坏。鉴于此，2016年海南省生态循环农业会提出将重点解决农业面源污染问题，推进海南生态循环农业发展，对农业面源污染的管控已成为紧迫而必要的任务。【前人研究进展】国内已有许多学者采用不同的统计分析方法对区域农业面源污染进行分析，为农业面源污染防治提供了理论参考。在GIS技术层面上，徐丽萍等（2011）、叶延琼等（2013）、韩书成等（2018）采用历年统计数据及GIS技术分别对新疆地区、广东省和广东省湛江市的农业面源污染时空分异进行分析;郝守宁等（2018）借助GIS对尼洋河流域内污染物的空间分布状况进行研究，实现农业面源污染物空间排放强度分布的可视化表达;康智明等（2018）应用GIS分析福建省农田氮和磷污染的空间分布，得出氮和磷地表流失量较高的区域主要集中在漳州市，南平市氮、磷肥的流失风险值均最高;廖炜等（2018）、宋大平等（2018）利用GIS对流域面源污染进行时空变化分析，解析了流域农业面源污染负荷时空分布特征。在其他分析方法上，刘志欣（2016）从经济发展变化的角度，采用清单分析法分析重庆三峡库区农业面源污染的时空变化特征;魏瑞（2016）通过统计方法发现人口增长、经济利益驱使、政策不健全等方面是造成河南省农业面源污染的主要原因;吴义根等（2017）通过单元调查法测算污染物总量，利用空间数据探索分析法和非参数核密度估算模型对农业面源污染的动态演进情况进行分析，表明我国农业面源污染的空间分布差异明显，其中海南省由于耕地面积少，农业面源污染单位耕地面积的排放强度较严重，相对压力大。此外，周石池（2011）对海南省农田污染负荷进行估算，得到各市县农田面源污染的基本信息;陈淼等（2018）则采用ArcView对海南农业面源潜在污染物进行时空特征分析，得出2014年海南省化肥施用强度、农药施用强度及畜禽粪便污染的风险等级。【本研究切入点】目前虽然已有针对我国部分省（市）农业面源污染的区域分异研究，但以海南省市（县）为研究区域，利用Arcgis对农业面源污染进行时空差异分析的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】采用GIS空间分析法研究分析海南省18个市（县）（2008—2017年）的农业面源污染时空变化特征，以期为海南省农业面源污染防控提供参考依据。

1 材料与方法

1. 1 研究区概况

海南省位于我国最南端，北以琼州海峡与广东省划界，西隔北部湾与越南相对，东面和南面在南海中与菲律宾、文莱、印度尼西亚和马来西亚为邻。海南省全年暖热，年日照时数1750～2550 h，年均气温23～26 ℃，全岛降雨充沛，年均降水量在1600 mm以上。2018年海南省农用化肥施用量（实物量）124.85万t，化学农药使用量2.32万t，化肥利用率38%，农药利用率50.66%。

1. 2 数据来源

主要选取海南省18个市（县）作为研究区域，考虑数据的完整性，故不把三沙市作为研究区域，仅制作海南省18个市（县）的空间分布图（海南省管轄的西沙群岛、南沙群岛、中沙群岛的岛礁及海域均未列出）。文中农业面源污染的农用化肥施用量、农药使用量等数据来源于2008—2017年的《海南统计年鉴》《中国农村统计年鉴》，化肥投入强度、农药投入强度和畜禽养殖污染密度则是各污染源单位面积的投入量和排泄量。

1. 3 研究方法

主要采用GIS空间分析法进行分析，以单位农地面积年施用量来表示化肥和农药的污染情况。农地面积包括耕地面积、热带作物和水果的年末面积，畜禽污染则用单位耕地面积的畜禽粪尿排泄量表示，海南养殖的畜禽主要包括牛、山羊、生猪和家禽，饲养天数和年排泄系数参考李海鹏和张俊飚（2009）的研究方法。

1. 4 统计分析

以市（县）为单位，利用Excel 2010对各数据进行整理统计，分析海南省农业面源污染的时序变化规律，并结合海南省实际情况判断化肥、农药及畜禽粪尿污染程度。以国际化肥安全使用量225 kg/ha为参考（尚丽丽，2012），以及陈淼等（2018）对海南省化肥施用强度、农药施用强度和畜禽粪尿排放强度划分等级的依据，将化肥投入强度划分为≤500 kg/ha、500～1000 kg/ha和>1000 kg/ha 3个等级;农药投入强度划分为≤10 kg/ha、10～30 kg/ha和>30 kg/ha 3个等级;畜禽粪尿排放强度划分为≤1.5×104 kg/ha、1.5×104～3.0×104 kg/ha和>3.0×104 kg/ha 3个等级。然后导入Arcgis 10.0软件，按分级标准制成空间分布图。

2 结果与分析

2. 1 海南省农业面源污染的时间变化特征

2. 1. 1 化肥污染 随着海南省种植业的不断发展，化肥施用量随着作物产量的增加而增加。由于农户缺乏科学施肥基本知识，认为施肥与产量的增加一定成正比关系，最终导致过量施肥，肥料浪费严重，造成环境污染（吉清妹等，2011）。由表1可知，2008—2017年海南省氮肥、钾肥和复合肥的施用量均呈增长趋势，化肥施用实物量和磷肥施用量则表现为先波动增加，2015年后有所减少。化肥施用实物量最高的是2015年，为135.54万t，最低的是2011年，为101.03万t;2017年的化肥施用实物量比2008年增加17.6万t，增幅为15.27%。氮肥、磷肥、钾肥及复合肥分别从2008年的27.75万t、22.31万t、13.70万t和43.73万t增至2017年的39.89万t、28.25万t、18.00万t和46.80万t，增幅分别为43.75%、26.62%、31.39%和7.02%。近年来，由于各市（县）瓜菜及热带水果产业的发展规模不断壮大，种植面积也有所增加，2017年海南省农地面积为131.19万ha，较2008年增加11.79万ha，导致化肥施用实物量呈波动增长趋势。

2. 1. 2 农药污染 从图1可看出，2008—2017年海南省农药使用总量整体上呈波动减少趋势。其中，农药使用总量最高的是2009年，约4.7万t，但仅占全国农药使用总量的3%。2017年，海南省农药使用总量约3.3万t，较2009年减少1.4万t，减幅为29.79%;农药单位面积施用量为25.47 kg/ha，较2010年减少11.23%。

2. 1. 3 畜禽养殖污染 从畜禽类别来看，2008—2017年海南省肉牛的年末存栏量呈下降趋势，2017年肉牛的年末存栏量最少，为52.13万头;山羊的年末存栏量和生猪的年出栏量趋于稳定，数量变化不明显，2017年山羊的年末存栏量最多，为75.32万头;家禽年出栏量则呈逐年增长趋势，2017年家禽年出栏量为15564.87万只，较2008年的11079.94万只增加40.48%（表2）。

从畜禽粪尿排泄量来看，山羊、生猪和家禽的粪尿排泄量变化不明显，而肉牛的粪尿排泄量逐年递减，变化最明显。2017年肉牛的粪尿排泄量为913.32万t，较2008年减少606.37万t，占畜禽粪尿排泄总量的58%，而生猪的粪尿排泄量占总量的32%（图2）。

2. 2 海南省农业面源污染的空间变化特征

考虑到数据的完整性及分析的统一性，选择2008、2010、2014和2016年4个时期，分析海南省18个市（县）农业面源污染总量的空间特征。根据《海南乡镇统计年鉴—2015》的划分，东部地区包括海口市、三亚市、文昌市、琼海市、万宁市和陵水县;中部地区包括五指山市、定安县、屯昌县、琼中县、保亭县和白沙县;西部地区包括儋州市、东方市、澄迈县、临高县、乐东县和昌江县。

2. 2. 1 化肥污染分布 由图3可知，海南省化肥投入强度较高的市（县）主要聚集在海南岛东部和西部，这些市（县）大部分是冬季瓜菜和热带水果产业的种植基地。从数量来看，2008、2010、2014和2016年，海南省化肥投入强度高于500 kg/ha的市（县）个数分别为16、15、14和15个，而化肥投入强度低于500 kg/ha的市（县）个数分别为2、3、4和3个。从空间分布来看，2016年化肥投入强度高于1000 kg/ha的市（县）个数由2008年的8个增加到10个，分别为海南省东部的海口市、文昌市、琼海市和陵水县，西部的东方市、澄迈县、临高县、乐东县和昌江县，以及中部的定安县。化肥投入强度为500～1000 kg/ha的市（县）个数则由2008年的8个减少为5个，分布在海南省东部的三亚市和万宁市、中部的屯昌县和保亭县及西部的儋州市。化肥投入强度小于500 kg/ha的市（县）个数由2008年的2个增加到2016年的3个，分布在海南省中部的五指山市、琼中县和白沙县。

2. 2. 2 农药污染分布 由图4可知，海南省农药投入强度较高的市（县）主要集中在瓜菜和水果种植面积较多的地区，农药投入强度超过30 kg/ha的市（县）个数由2008年的3个增加到2016年的5个，而农药投入强度低于10 kg/ha的市（县）由2008年的6个减少到2016年的5个，分别是定安縣、屯昌县、儋州市、昌江县和东方市，变化趋势不明显。在空间分布上，2016年农药投入强度高于30 kg/ha的市（县）主要分布在海南省东部的三亚市和琼海市、中部的五指山市和琼中县及西部的乐东县;农药投入强度为10～30 kg/ha的市（县）分布在海南省东部的海口市、文昌市、万宁市和陵水县，中部的保亭县和白沙县，以及西部的澄迈县和临高县。

2. 2. 3 畜禽养殖污染分布 由图5可知，海南省畜禽粪尿排放强度近年来呈下降趋势，畜禽粪尿排放强度超过3.0×104 kg/ha的市（县）逐年减少，畜禽粪尿排放强度较低的市（县）主要集中于海南省中部。2016年畜禽粪尿排放强度超过3.0×104 kg/ha的仅有定安县;畜禽粪尿排放强度在1.5×104 kg/ha以下的市（县）由2008年的2个增至7个，分别为东部的琼海市和三亚市，西部的东方市，以及中部的白沙县、保亭县、琼中县和五指山市;其他市（县）的畜禽粪尿排放强度在1.5×104～3.0×104 kg/ha。

3 讨论

从时间上看，2008—2017年间化肥施用实物量先呈现增长趋势，2015年后有所减少，农药使用总量自2010年后呈下降趋势，主要是由于2010年海南省出台了一系列措施，实行全国最严厉的农药监管制度，并通过推行生态循环农业模式等方式以达到农药化肥“零增长”的目的。海南省畜禽养殖中肉牛的年末存栏量呈减少趋势，由于肉牛粪便是海南省畜禽粪尿的主要来源，尽管其他畜禽的出栏量和存栏量有所增加，但海南省畜禽粪尿排放总量仍有所减少。

从空间分布格局来看，化肥投入强度呈增加趋势，与刘钦普（2017）研究得出2014年海南化肥施用处于中度环境风险状态的结论相近。化肥投入强度较高的市（县）主要分布在海南省东部和西部，投入强度较低的主要分布在海南省中部的白沙县、琼中县和五指山市。历年来，农药投入强度较高的主要分布在海南省东部的市（县）及中部的琼中县和五指山市，而西部的大部分市（县）农药投入强度较低，中部的五指山市、西部的乐东县及东部的琼海市的农药投入强度逐年增加。海南省畜禽粪尿排放强度呈下降趋势，除了白沙县、琼中县、琼海市、五指山市、保亭县、三亚市和东方市的畜禽粪尿排放强度处于较低值外，其余大部分市（县）的畜禽粪尿排放强度也不高，而原本畜禽粪尿排放强度较高的陵水县和万宁市也向下降趋势发展。近年来，海南省十分注重畜禽废弃物的综合利用及畜禽规模养殖场粪污集中处理，2018年海南省划定畜禽养殖禁养区291个，禁养区内需关闭或搬迁的养殖场（小区）785家中已关闭或搬迁480家。与2008年相比，2016年畜禽粪尿排放强度在1.5×104 kg/ha以下的市（县）增至7个，而畜禽粪尿排放强度在3.0×104 kg/ha以上的市（县）仅有1个，与陈淼等（2018）研究得出畜禽粪便污染严重区域逐年减少的结论一致。

采用空间分布图可直观了解海南省各市（县）化肥投入强度、农药投入强度及畜禽粪尿排泄强度的分布情况，但由于未采用主要污染物的总氮（TN）、总磷（TP）及化学需氧量（COD）等详细测算指标（费红，2013;虞慧怡等，2015）进行分析，因此污染的程度与效果无法深入探究。此外，仅从海南省化肥投入强度、农药投入强度和畜禽粪尿排放强度的层面研究分析海南省农业面源污染的现状，考虑到数据获取及农业面源污染的随机性，对于农膜残留、秸秆焚烧和水产养殖等方面的污染情况未进行探究，也是今后有待进一步加强研究的方面。

4 结论

基于GIS技术发现海南省农业面源污染表现出明显的空间差异，在分析数据与结合海南省实际情况的基础上，得出各市（县）化肥、农药投入强度及畜禽粪尿排泄强度的直观空间分布图。农业面源污染物投入、畜禽粪尿排放强度较高的市（县）主要集中在海南省东部和西部，是由于这些市（县）的冬季瓜菜和热带水果产业发展较好，畜禽养殖具有一定的规模。而中部部分市（县）由于地理位置的特殊原因，产业发展较慢，化肥投入强度和畜禽粪尿排泄强度较低，故相对其他市（县）而言其农业面源污染较小。

5 建议

5. 1 建立完善面源污染防治政策体系

对于以种植业和畜禽业发展为主的市（县），要加强化肥农药的监管力度，制定农田投入品的使用标准和技术规范，制定农资废弃物有偿回收机制，以此鼓励农户积极参与。使用现代信息技术实现农业面源污染源数据采集，掌握面源污染的风险来源，制定相对应的防治措施及政策。

5. 2 专项资金投入

通过政府与农资企业联合设立面源污染防控专项资金，建立完善农田农资废弃物回收点，农资废弃物的无害处理站，以及有偿回收的经费保障，保证农业面源污染防治工作持续有效地开展。

5. 3 切合实际发展生态循环农业

推行生态循环农业发展模式，减少农业生产资源的浪费。根据海南省市（县）区域优势发展特色产业，促进产业链附加值，改变优化传统农业生产结构，提升农产品品牌效应，找到切合实际的生态循环农业发展模式，保证农业可持续发展。

5. 4 提高农户农田环境保护意识

农民作为农业生产的最直接主体，其生产行为也与面源污染紧密相连。因此，需要通過新型职业农民培训和多种渠道宣传方式，提高农民生产知识和环境保护意识，减少化肥农药的投入量，真正从源头上缓解甚至破解农业面源污染的问题。

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（责任编辑 罗 丽）