高歆 石宏斌 赵会兵

（许昌学院城乡规划与园林学院，河南 许昌 461000）

许昌市农业非点源污染物负荷现状调查研究

高歆 石宏斌 赵会兵

（许昌学院城乡规划与园林学院，河南 许昌 461000）

在每个城市点源污染潜力挖尽以后，面源污染防治将会成为未来数十年的环保工作重点，面源污染负荷的计算又是全面开展防治工作的重要基础。通过污染物综合系数排放模型，使用遥感数据、统计数据等资料对河南省许昌市当前面源污染进行调查研究。在下辖市县中，禹州市污染负荷最重，鄢陵县总磷排放量最高，长葛市和魏都区污染负荷较小。

非点源污染；遥感；农业；许昌市

随着对过去十几年点源污染的大力整治，点源污染治理工作的潜力基本挖尽，面源污染工作将会是今后相当长一段时间的环保工作重点。与点源污染相比较，面源污染具有随机性、复杂性和广泛性等特点。在众多面源污染源中，农业源是最主要的污染源。其是指在农业活动中，农田中的泥沙、营养盐、农药及其他污染物，在降水和灌溉过程中，通过农田地表径流、壤中流、农田排水和地下渗漏，进入水体形成的面源污染。经调查，农业源总氮排放量为9 096t、总磷288t；生活源排放量总氮48.85t、总磷11.17t；畜禽养殖源总氮排放量为5 986.22t、总磷1 884.29t，其中农业源是总氮的主要来源，而畜禽养殖是总磷污染源的主要来源。因此，面源污染防治工作尤其是农业源对于地区环境保护、农业安全和经济发展具有重大意义。

许昌市位于河南省中部地区，在中原经济区中占有重要战略地位。许昌市在经济快速发展的同时，对污染治理方面也非常重视，虽然污染物排放实行总量控制，但是由于非点源污染在时空上的不确定性、污染分布广，加之长期以来重视不够、缺乏有效的定量化基础研究，难以对非点源污染进行有效的总量控制。2008年以来，随着国家重大水专项的开展，水体污染治理进入新纪元。由于点源污染得到有效控制，非点源污染的治理对改善水环境的重要性更加明显。摸清非点源污染的状况，研究适合许昌市概况、针对不同地域的非点源污染控制技术与政策，是许昌市面源污染防治工作的关键。

精确面源污染负荷量的计算是全面开展面源治理工作的前提和依据，通过模型对非点源污染进行模拟，是目前非点源污染研究的重要手段之一。影响非点源污染的诸多因素中，关系最密切的是土地利用方式、降水强度、地形地貌等，输出系数模型综合考虑非点源主要影响因素，操作简单，结果合理。已有研究表明，输出系数模型具有广泛的适用性［1］。本文将从形成原因出发，对许昌市面源污染负荷进行定量计算，并对下辖县市污染源负荷排放强度进行分析，以满足当前污染治理和社会发展的需要。

1 研究区域和研究方法

1.1 研究区域概况

许昌市位于东经113°03′～114°19′、北纬33°16′～34°24′，全市下辖一区两市三县，分别是魏都区、禹州市、长葛市、鄢陵县、襄城县和许昌县。许昌市历史悠久，其美名主要源于三国时期在许昌地区发生的众多战役，以及历史名人在该地的著名事迹。许昌市气候类型为暖温带季风性气候，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，适合种植的农作物为小麦、玉米，农业发展历史悠久。许昌市交通四通八达，临近省会郑州市，京广线、郑渝线从中穿过，并与京港澳高速公路相接；2015年GDP产值达2 100亿元，在河南省处于中上等水平，经济发展速度较快，GDP排名逐年上升。

1.2 研究方法

目前定量计算非点源污染负荷的方法主要有2种，即系数法和物理模型法。系数法是建立在影响因子同污染负荷之间统计关系的基础之上的，不同于物理模型方法，动力学机制考虑的较少。系数法模型计算公式如下：

式（1）中，Lj为第j种污染物负荷，kg/a；α为降雨影响因子；aij为第i种污染源和j种污染物的系数，单位为kg/（hm2·a），或为第i中畜禽的排泄系数［kg/（只·a）、kg/（头·a）］；Ai为第i类土地利用类型面积，或第i种牲畜的数量（只或头）或人口数量（人）；P为降雨输入的污染量，kg/a［2］。

2 许昌市面源污染现状分析

2.1 土地利用面积计算和污染物排放系数

对TM遥感影像数据进行预处理，误差控制在1个像元内，经过精校正、波段合成、裁剪等预处理步骤以后，采用监督分类法提取许昌市土地利用类型分布图。其次，采用文献查阅和试验的方法确定面源污染项目的排放系数。在ERDAS中将2015年许昌市TM数据的6个单波段图像文件组合成一个多波段图像文件。监督分类是指利用已知属性的训练样本建立判别准则，然后将像元归类的过程。监督分类有最小距离法、多级切割分类法、特征曲线窗口法、最大似然比分类法等多种方法。本研究利用最大似然比分类方法将图像分为草体、林地、水体、建设用地、农田和未利用土地，分类结果见表1。

结合表1可以看出，许昌市土地利用类型主要以农田为主，占到总面积的52.84%，其次是林地，这也充分展现了农业在许昌市占有相当的地位。然而，水体和建设用地相对较少，但是随着经济的快速发展，城建用地的面积也在迅速增加。

表1 许昌市土地利用分类面积

影响流域非点源污染物输出系数的因素很多，主要包括流域内地形地貌、水文、气候、土地利用、土壤类型和结构、植被、管理措施及人类活动等，其主要的确定方法有查阅文献值法和试验法2种。本文输出系数采用查阅文献法确定，辅以试验法进行校正，由于纬度位置与耕作方式存在差异等，许昌地区地处河南中部，结合国内一些学者的研究，农田、城镇建设用地、草地、林地和未利用地的输出系数选取如表2所示［3］。

表2 土地利用污染物输出系数参数值

2.2 结果分析

2.2.1 水土侵蚀源。许昌市土地利用产生的总氮负荷为9 096t，总磷负荷为288t（见图1、2）。其中，农田产生非点源总氮负荷为7 645t，总磷负荷为237t，分别占总氮和总磷的百分比为84.04%、82.22%；城建用地产生的非点源总氮负荷为328t，总磷负荷为6t，分别占总氮和总磷的百分比为3.60%、2.07%；草地产生非点源总氮负荷为475t，总磷负荷为9t，分别占总氮和总磷的百分比为5.23%、3.00%；林地产生非点源总氮负荷为345t，总磷负荷为29t，分别占总氮和总磷的百分比为3.79%、9.97%；水体产生的非点源总氮负荷为92t，总磷负荷为0.8t，分别占总氮和总磷百分比为1.02%、0.29%；未利用土地产生非点源总氮负荷为211t，总磷负荷为7t，分别占总氮和总磷百分比为2.32%、2.45%。

从上述结果可以看出，在土地利用类型的非点源总氮、总磷排放量中，农田始终占据着最大的比例，对整个许昌市来说，农业的面源污染是所有非点源污染中最大的总氮、总磷排放源；随着许昌市经济的迅速发展，城市建设用地产生的非点源总氮、总磷值也随之增加，并且近年来城乡结合部的总氮、总磷产出也愈加凸显；许昌市的草地植被覆盖大多围绕在农田附近，由于农田需要施加化肥，氮磷的流失进一步增强了草体总氮、总磷的排放；林地在许昌市整体面积中占有较高的比例，并且在一定的时间内需要飞机喷洒药物，所以林地的总氮、总磷产出在总体上也占有一定的比例；而未利用土地和水体相对来说面积小，输出系数相对不大，尤其是水体，在许昌市环保局针对水源污染颁发的政策和治理下，总氮和总磷的产出相对其他几种土地利用类型要小许多。

图1 许昌市总氮空间分布

图2 许昌市总磷空间分布

2.2.2 农业生活源。生活源面源污染主要出现在乡村，城镇生活源均通过污水处理厂统一处理，计算总量的时候作为点源来对待。农村生活源主要来源于农村生活污水，其污水分散，难于收集，且污水来源多，主要渗入到地下，对地下水造成污染。计算生活源污染物排放量采用人均综合排污系数法。根据许昌市2015年统计年鉴，全市总人口数434.15万人，农业人口为227.62万人［4］。生活污水中的主要污染物包括化学需氧量、氨氮、总氮、总磷。其排放系数分别为3、0.15、0.35和0.08，单位为t/万t。经过计算，许昌市农村生活污水产生量为1 993.95万t，COD产生量为5 981.85t，氨氮产生量为299.09t，总氮产生量为697.88t，总磷产生量为159.52t，再根据入河系数可以得到各污染物的入河量，污水量及各污染物的入河量按照7%来计算，则总氮入河量为48.85t，总磷入河量为11.17t，COD入河量为418.73t，氨氮入河量为3.12t（见表3）。

表3 农村生活源污染物排放量

2.2.3 畜禽养殖业源。畜禽养殖业污染源主要是畜禽动物的粪便、畜禽及其住舍清洗所产生的污水等其他污染物质。畜禽粪便中含有大量氮和磷的化合物，这些氮和磷进入土壤后，会转化为硝酸盐和磷酸盐，造成地表和地下水的污染，使水中的硝态氮、硬度和细菌总数都超标。水体富营养化后，藻类和其他水生植物大量繁殖，使水中溶解氧减少，导致水中生物缺氧死亡。许昌市2015年畜禽养殖见表4，按照国家环保总局规定的畜禽粪污排泄系数计算，畜禽年产粪便438.46万t，产尿量257.91万t，根据总氮、总磷、COD、氨氮等污染物在粪便中的百分比，这里取值15%，得出许昌市畜禽养殖污染物总氮产生量为39 908.15t，流失量为5 986.22t，总磷产生量为12 561.92t，流失量为1 884.29t，COD产生量为165 648.27t，流失量为24 847.24t，氨氮产生量为15 893.38t，流失量为2 384.01t（见表5）。

表4 2015年许昌市畜禽养殖情况

表5 畜禽污染源污染物排放量

重点对上述3种污染源非点源污染物入河量进行了计算，许昌市2015年总氮排放量为15 131.07t，总磷排放量为2 183.46t，水土流失和畜禽养殖分别是总氮和总磷的主要污染源，前者占到总量的60%，而后者更高达80%以上。

2.3 市辖县区的污染源分析

从各个县区的总体情况来看，禹州市由于农耕面积较大，农村人口相对较多，所以就整体而言，其农业和农村生活源污染的总氮、总磷产出相对较高，农业面源污染情况比其他县区也要显著。鄢陵县以花卉农业为主，农业施肥也主要集中在花卉种植地区，尽管近年来劳动人口不断下降，但是由于花卉产业的发展，其农业面源污染所产生的总氮和总磷也是显而易见的。另外，其畜禽养殖污染物排放量最高（见表6）。襄城县距离市区较远，以农业为主，各源排放量也较大。许昌县在许昌市的经济效用带动下，农用耕地面积不断减少，城建用地随之扩大，畜禽养殖源排放量较少，农业源和生活源因面积较大、人口较多，排放量较大。相比较之下，由于长葛市工业化程度较高，面源污染情况弱度仅次于魏都区，负担较小。

表62015年许昌市化肥使用情况

3 结论

许昌市农业总氮、总磷污染负荷主要来自农业种植和畜禽养殖，前者占到总氮排放量的60%，而后者总磷污染负荷贡献超过了80%。对于所辖县市来说，禹州市污染负荷排放强度最高，鄢陵县畜禽养殖污染源排放强度最高，其他源排放强度也较高，其次是许昌县和襄县，长葛市和魏都区排放强度较低，源于工业化程度较高。

［1］李兆富，杨桂山，李恒鹏.基于改进输出系数模型的流域营养盐输出估算［J］.环境科学，2009（3）：66-672.

［2］李娜，韩维峥，沈梦楠，等.基于输出系数模型的水库汇水区农业面源污染负荷估算［J］.农业工程学报，2016（8）：224-260.

［3］蔡明，李怀恩，庄咏涛，等.改进的输出系数法在流域非点源污染负荷估算中的应用［J］.水利学报，2004（7）：40-45.

［4］许昌统计局.许昌统计年鉴［R］.北京：中国统计出版社，2015.

Investigation on Agricultural Non-point Source Pollutant Load in Xuchang City

Gao XinShi HongbinZhao Huibing
（College of Urban and Rural Planning and Landscape Architecture，Xuchang University，Xuchang Henan 461000）

In the light of the potential pollution potential of each city,the prevention and control of non-point source pollution will be the focus of environmental protection work in the next few decades.The calculation of non-point source pollution load is the important foundation of comprehensive prevention and control work.Through the comprehensive emission model of pollutants,remote sensing data and statistical data were used to investigate the current non-point source pollution in Xuchang city of Henan province.Under the jurisdiction of the city and county,the pollution load of Yuzhou city is the heaviest,Yanling county has the highest total phosphorus emissions,the pollution load of Changge city and Weidu district is small.

non-point source pollution；remote sensing；agriculture；Xuchang city

X52

A

1003-5168（2017）05-0151-04

2017-04-07

河南省科技攻关计划项目（152102310365）；许昌市科技发展计划项目（1502260）。

高歆（1981-），男，博士，讲师；研究方向：资源环境遥感。