广西农业面源污染时空演变及其防控对策

2022-08-09崔译丹崔海涛王雅丽望飞勇

南方农业学报 2022年5期

熊娜，崔译丹，崔海涛*，王雅丽，望飞勇

（1广西民族大学管理学院，广西南宁 530006；2广西民族大学经济学院，广西南宁 530006；3广西农业科学院园艺研究所，广西南宁 530007）

0 引言

【研究意义】农业是国民经济发展的重要基石，而良好的自然生态环境是保证农业健康、绿色、高质量发展的基本条件。全国污染源第二次普查数据显示，2017年来自农业面源污染的化学需氧量（COD）、总氮（TN）和总磷（TP）排放量分别为1067.13万、141.49万和21.20万t，占全国COD、TN和TP排放总量的49.77%、46.52%和67.22%，农业面源污染已成为我国的第一大污染源。广西是我国农业大省之一，特色农产品和自然资源丰富，具有农业发展的资源禀赋优势。但由于广西地理位置特殊，地形地貌复杂，许多地区受恶劣自然条件的发展约束，农户不得不采用一些农业手段来获得更高的经济效益，而在实施这些农业手段时采取的不合理方式（如过量施用化肥、不经处理随意排放畜禽粪便）导致农业面源污染问题日益严峻，严重影响了广西农业的可持续发展。因此，探讨广西农业面源污染的时空演变及防控对策，可为该区域农业面源污染的防控与治理提供理论参考。【前人研究进展】农业面源污染主要指农业生产活动中，污染物质通过化肥流失、农药滥用、畜禽粪便排放等方式随着农田排水、地表径流和渗透进入水环境，引起水体污染（Ichiki and Yamada，1999；Zhang et al.，2018）。畜禽养殖粪便、农田化肥流失产生的氮（N）、磷（P）和COD呈逐年增长趋势，其中畜禽养殖是农业面源污染的主要源头（胡静锋，2017）。从微观角度来说，非农兼业会减少存于农业生产的劳动力，兼业农户选择增加农药、化肥资本投入以弥补劳动力的不足，从而造成农业面源污染加重（吴伟伟和刘耀彬，2017；夏秋等，2018）；其次，由于非农兼业的“收入效应”大于“替代效应”，兼业收入提高了农村家庭收入水平，降低了资金约束，通过施肥提高作物产量，导致化肥施用量增加（石华平和易敏利，2020）。宏观层面上，国家农业补贴政策的实施引导农户适当增加农业化学物质投入来增产增收，但不当的施用行为会加重农业面源污染（孙博文，2020）；除此之外，人口快速增长、经济利益驱动、政策不健全也是造成农业面源污染的主要原因（魏瑞，2016）。已有学者针对广西的农业面源污染进行研究。廖青等（2013）、熊娜等（2019）对广西畜禽粪便资源量和污染风险进行测算，得出广西畜禽养殖粪便对土壤环境影响较小，但对水体环境已构成严重威胁。蒋冬荣等（2015）从农业生产所需原材料及农业生产废弃物方面深入调查研究，将漓江流域的农业面源污染原因归结为农业生产技术落后、农业生产生活废弃物处理方式不当、环保意识薄弱等。黄晶晶等（2017）通过对南宁市武鸣区农业局的访问及对村民的调查，了解到武鸣区农业污染主要是由农药化肥残留、畜牧养殖动物粪便、农作物秸秆焚烧等引起。杨文慧等（2018）对南宁主要香蕉种植基地的土壤肥力进行调查研究，结果发现土壤肥力利用效果不佳，有机质含量偏低，大多数南宁香蕉基地铵态氮含量高于硝态氮含量，铵硝比不佳。刘岩峰等（2021）利用主成分分析法对广西武鸣河流域不同种植作物的土壤氮磷形态进行研究，得出土地作物类型是影响流域非点源污染的重要因素。【本研究切入点】前人已从农业面源污染的定义、来源和原因展开了较充分的研究，但并未区分各污染源（如畜禽养殖和农田化肥）的污染贡献，缺少结构性因素的分析及时空演变规律的探讨。【拟解决的关键问题】以西江经济带、桂西资源富集区和北部湾经济区为研究单元，将各类污染源分开测算，选取农田化肥施用、畜禽养殖粪便构建排放清单，采用单元调查法对各区域污染物排放量和排放强度进行测算，进而对污染源区域空间分布及演变进行综合分析和评价，以期为广西农业面源污染防控、实施乡村振兴提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

广西位于我国华南地区（东经104°28′~112°04′、北纬20°54′~26°24′），东界广东，南临北部湾，西与云南毗邻，东北接湖南，西北靠贵州，全区总面积23.76万平方千米，下辖14个地级市，地形以山地、丘陵、石山为主，是典型的喀斯特地貌。从北向南分别属亚热带季风气候和热带季风气候，气候温暖、热量丰富，降水丰沛、干湿分明，日照适中、冬少夏多，各地年平均气温在16.5~23.1 ℃，各地年降水量为1080~2760 mm。为促进该区域经济发展，《国务院关于进一步促进广西经济社会发展的若干意见》中将广西划分为西江经济带、桂西资源富集区、北部湾经济区，简称“两区一带”。本研究借用3个经济板块的划分方式将广西农业面源污染区域进行范围界定（图1），进一步研究广西各区域农业面源污染的具体差异。

图1 广西农业面源污染区域分布图Fig.1 Guangxi agricultural non-point pollution region distribution map

1.2 研究方法

1.2.1 农业面源污染物排放量农业面源污染主要包括TN、TP和COD 3种污染物，污染源主要是农田化肥和畜禽粪便。畜禽粪便产生的污染物主要是COD，TN和TP较少，农田化肥施用产生的污染物主要是TN和TP，不包括COD。本研究选择农田化肥和畜禽养殖粪便构建污染清单，对TN、TP和COD 3类污染物的排放量和排放强度进行核算。将各类污染源分解为产污单元和排放清单（表1），对2008—2019年广西农业面源污染物的排放情况进行统计和对比分析。各项污染源估算方法见表2，日排泄系数采用中国生态环境部公布的数据，计算周期及污染物平均含量（表3）。

表1 农业面源污染产污单元清单列表Table 1 List of pollution-producing units of agricultural non-point source pollution

表2 农业面源污染物排放量估算方法Table 2 Estimation method of agricultural non-point source pollutant emission

表3 畜禽粪便日排泄系数、计算周期及污染物平均含量Table 3 Excretion coefficient of livestock manure per day，calculation period and average pollutant content

1.2.2 农业面源污染物排放强度核算农业面源污染排放强度是指单位土地面积上农业面源污染物排放量的富集程度和污染物对环境的影响，计算公式如下（赖斯芸等，2004）：

式中，EI为农业面源污染物排放强度，E为农业面源污染物的实物排放量，AL为研究区域的农地面积。

1.3 数据来源

计算农业面源污染产污单元数据，包括化肥折纯量、生猪出栏量、土地面积和农作物播种面积，数据主要来源于2010—2020年《广西统计年鉴》、各地级市统计年鉴、环境质量公报及《国民经济和社会发展统计公报》，同时收集污染物排放量及强度核算所必需的参数。

1.4 统计分析

运用Excel 2019对广西农业面源污染进行测算，并用ArcGIS绘制空间分布图。

2 结果与分析

2.1 农田化肥引致的农业面源污染

由表4可知，2008—2019年广西各区域的粮食作物播种面积减少，经济作物播种面积增加。其中西江经济带的经济作物增速较快，桂西资源富集区和北部湾经济区增速较慢。西江经济带经济作物播种面积从2008年的1201.19×10ha增长到2019年的1495.11×10ha，增幅为24.5%；桂西资源富集区经济作物播种面积从2008年的708.62×10ha增长到2019年的827.17×10ha，增幅为16.7%；北部湾经济区经济作物播种面积从2008年的800.51×10ha增长到2019年的919.93×10ha，增幅为15.0%。表明西江经济带是经济作物种植的主要区域。

从表5可知，TN是农田化肥污染的主要污染物，其排放量约是TP的2~3倍。西江经济带农田化肥污染物排放量较大，增速较快，从2008年的33.04万t增长到2019年的68.50万t，增幅为107.3%；桂西资源富集区农田化肥污染物排放量较小，但增速较快，从2008年的14.05万t增长到2019年的17.47万t，增幅为24.3%；北部湾经济区农田化肥污染物排放量较小，增速较慢，从2008年的23.95万t增长到2019年的25.56万t，增幅为6.7%。结合表4可知，经济作物播种面积与农田化肥污染变化趋势相同，西江经济带是农田化肥污染的主要区域。

表4 2008—2019年广西各区域农作物播种面积（×103ha）Table 4 Sown area of crops in various regions of Guangxi from 2008 to 2019（×103ha）

表5 2008—2019广西农田化肥面源污染物排放量（万t）Table 5 Non-point source pollutant emission from agricultural fertilizer used in farmland in Guangxi from 2008 to 2019（×104t）

2.2 畜禽养殖引致的农业面源污染

从表6可看出，西江经济带是广西生猪饲养的主要区域，北部湾经济区和桂西资源富集区生猪饲养量较少。西江经济带生猪饲养量较大，增速较快，从2008年的1736.43万头增加到2019年的2557.27万头，增幅为47.3%。北部湾经济区和桂西资源富集区的增幅较小，北部湾经济区从2008年的710.1万头增加到2019年的860.1万头，增幅为21.1%；桂西资源富集区从2008年的481.53万头增加到2019年的588.43万头，增幅为22.2%。

从表7可看出，广西畜禽粪便面源污染排放量呈现较快增长趋势，COD是畜禽养殖粪便污染的主要污染物。西江经济带畜禽养殖粪便污染排放量较大，增速较快，从2008年的41.79万t增长到2019年的50.48万t，增幅为20.8%。北部湾经济区污染物COD排放量较小，增速较慢，从2008年的17.09万t增长到2019年的20.21万t，增幅为17.1%。桂西资源富集区污染物COD排放量与北部湾经济区变化趋势相似，从2008年的11.59万t增长到2019年的13.44万t，增幅为16.0%。结合表6和表7可知，2011和2015年出现的“瘦肉精”等畜产品安全事件，导致消费者对猪肉需求减少，广西3个区域的生猪饲养量均出现下降，同时，畜禽粪便面源污染物也出现下降。因此，从生猪饲养量和畜禽粪便污染物排放量的总体增长趋势和空间结构变化来看，生猪饲养量与畜禽粪便面源污染排放量的增长特征具有一致性。

表6 2008—2019年广西农田施肥量及生猪饲养量Table 6 Fertilizer application amount and hog production in farmland of Guangxi from 2008 to 2019

表7 2008—2019年广西畜禽粪便面源污染物排放量（万t）Table 7 Non-point source pollutant emission from livestock manure in Guangxi，2008-2019（×104t）

2.3 广西各区域农业面源污染物排放量变化

结合图2、图3和图4，从农业面源污染物排放量来看，西江经济带一直处于最高水平（84.00×10t以上），北部湾经济区处于较高水平（45.00×10t以上），桂西资源富集区处于较低水平（28.00×10t以上）。从增长速度来看，西江经济带增长速度最快，污染排放物贡献最大的是TN，其次是TP；TN排放量从2008年的32.99万t增长到2019年的62.34万t，增长量为29.35万t，增幅为89.0%；TP排放量从2008年的9.80万t增长到2019年的18.48万t，增长量为8.68万t，增幅为88.6%；COD排放量从2008年的41.79万t增长到2019年的50.48万t，增长量为8.69万t，增幅为20.8%。桂西资源富集区的增长速度次之，COD、TN和TP的增长速度均在16.0%以上；TN排放量从2008年的12.98万t增长到2019年的15.90万t，增长量为2.92万t，增幅为22.5%；TP排放量从2008年的3.77万t增长到2019年的4.84万t，增长量为1.07万t，增幅为28.4%；COD排放量从2008年的11.59万t增长到2019年的13.44万t，增长量为1.85万t，增幅为16.0%。北部湾经济区的增长速度较慢，TN、TP和COD的增速均在18.0%以下；TN排放量从2008年的21.68万t增长到2019年的23.17万t，增长量为1.49万t，增幅为6.9%；TP排放量从2008年的6.26万t增长到2019年的7.05万t，增长量为0.79万t，增幅为12.6%；COD排放量从2008年的17.09万t增长到2019年的20.01万t，增长量为2.92万t，增幅为17.1%。各地区的主要污染物结构发生较大变化，西江经济带由COD向TN扩大，北部湾经济区由TN向COD扩大，桂西资源富集区尚未发生明显变化，依然为TN。

图2 2008—2019年西江经济带农业面源污染物排放量总和Fig.2 Total agricultural non-point source pollutant emission in the Xijiang Economic Zone from 2008 to 2019

图3 2008—2019年桂西资源富集区农业面源污染物排放量总和Fig.3 Total agricultural non-point source pollutant emission in the resource-rich areas of western Guangxi 2008 from to 2019

图4 2008—2019年北部湾经济区农业面源污染物排放量总和Fig.4 Total emissions of agricultural non-point source pollutants in the Beibu Gulf Economic Zone from 2008 to 2019

2.4 广西各区域农业面源污染物排放强度变化

从图5来看，西江经济带污染区排放强度较大，增长幅度较快，从2008年的564.78 kg/ha增长到2019年的876.75 kg/ha，增幅为55.2%。桂西资源富集区和北部湾经济区的污染物排放强度较小，增长幅度较慢。桂西资源富集区的排放强度从2008年的166.17kg/ha增长到2019年的200.42 kg/ha，增幅为20.6%。北部湾经济区排放强度从2008年的431.97 kg/ha增长到2009年的481.85 kg/ha，增幅为11.5%。西江经济带为农业面源污染物排放强度增长的主要区域。

图5 2008—2019年广西农业面源污染物排放强度变化趋势Fig.5 Change trend of Guangxi agricultural non-point source pollutant emission intensity from 2008 to 2019

从图6污染物排放结构来看，西江经济带污染物COD的排放强度较大，增长较慢，从2008年的279.05 kg/ha增长到2019年的337.08 kg/ha，增幅为20.8%；TN的排放强度较大，增长较快，从2008年的220.29 kg/ha增长到2019年的416.27 kg/ha，增幅为89.0%；TP排放强度较小，增长较快，从2008年65.44 kg/ha增长到2019年的123.40 kg/ha，增幅为88.6%。桂西资源富集区污染物TN的排放强度较大，增长较快，从2008年的76.11 kg/ha增长到2019年的93.23 kg/ha，增幅为22.5%；COD排放强度较大，增长较慢，由2008年的67.96 kg/ha增长到2019年的78.81 kg/ha，增幅为16.0%；TP的排放强度较小，增长较快，从2008年的22.11 kg/ha增长到2019年的28.38 kg/ha，增幅为28.4%。北部湾经济区污染物TN的排放强度较大，增长较慢，从2008年的207.97 kg/ha增长到2019年的222.27 kg/ha，增幅为6.9%；COD的排放强度较大，增长较快，从2008年的163.94 kg/ha增长到2019年的191.95 kg/ha，增幅为17.1%；TP的排放强度较小，增长较快，从2008年的60.05 kg/ha增长到2019年的67.63 kg/ha，增幅为12.6%。从上述排放强度及变化来看，各区域农业面源污染强度变化存在明显差异，西江经济带从COD向COD和TN转变，桂西资源富集区从TN向COD和TN转变，北部湾经济区从TN向COD转变。

图6 2008、2014和2019年广西各区域COD、TN、TP农业面源污染物排放强度空间分布Fig.6 Spatial distribution of COD，TN，and TP agricultural non-point source pollutant emission intensity in Guangxi in 2008，2014，and 2019

3 讨论

本研究运用单元调查法，构建农田化肥和畜禽养殖粪便污染清单，核算广西北部湾经济区、西江经济带、桂西资源富集区农业面源污染物（COD、TN、TP）排放量和排放强度。结果发现：（1）2008—2019年各区域农业面源污染物排放总量和排放强度均呈增加趋势，2008—2014年污染物排放总量增长幅度较大，2014—2019年污染物排放强度变化较大。（2）西江经济带是污染物排放总量和强度增长的主要区域，北部湾经济区的污染物排放物总量较大，桂西资源富集区污染物排放强度增长幅度较大。（3）各地区的主要污染物结构发生明显变化，西江经济带由COD向TN扩大，北部湾经济区由TN向COD扩大，桂西资源富集区尚未发生较大变化，依然为TN。（4）各区域农业面源污染强度变化存在明显差异，西江经济带从COD向COD和TN转变，桂西资源富集区从TN向COD和TN转变，北部湾经济区从TN向COD转变。经济作物播种面积的扩大、生猪饲养量的增长与各区域污染物排放结构及其强度变化特征一致。

经济作物种植规模的扩大导致农田化肥施用量增加，进而引起农业面源污染加重。传统粮食作物对化肥的需求量不足，但经济作物和蔬菜种植单位面积施肥量呈不断增长趋势（栾江等，2013）。西江经济带作为广西区内主要的农业生产区，自然条件优越，具有明显的资源禀赋优势，其粮食作物和经济作物种植面积均居首位，但传统的粮食作物种植周期长、市场售卖价格低，农民收入增长较慢。基于农户对高经济效益的追求及消费者对膳食结构多样化的需求，农作物种植结构发生变化，经济作物和蔬菜播种面积所占比例增加，这些农作物对化肥的需求量远高于粮食作物，成为引发该区域农业面源污染的主要原因（林兰稳等，2020）。西江经济带作为珠江水系的一部分，农业面源污染物特征与流域周边农作物种植结构密切相关，施用化肥会导致大量氮、磷元素进入水体，污染水环境（刘岩峰等，2021）。此外，近年来国家为促进三农发展，对化肥企业给予一定经济补贴，严格控制化肥价格，使农户由于化肥成本降低而大量施用化肥，进而导致农业面源污染排放总量和排放强度增加。已有研究表明，化肥不仅污染水体，而且其中的硝酸盐会引发胃癌、直肠癌等对人体的危害（陈云增等，2016）。

生猪饲养量的增长导致畜禽粪便排放量增长，进而引起农业面源污染恶化。近年来，由于消费结构升级及生猪市场价格变动，生猪养殖散户和养殖场数量逐渐增加。但从目前情况来看，我国大部分养殖场的粪便处理能力不足，60%以上的粪便得不到科学处理而被直接排放，通过畜禽粪便进入水体的COD排放量已超过生活和工业污水COD排放量的总和（刘玉莹和范静，2018），COD成为畜禽养殖粪便污染的主要污染物（吴义根等，2017；贾陈忠和乔扬源，2021）。江西和安徽的农业畜禽养殖粪便污染研究也得到类似结果（熊昭昭等，2018；杜鹃等，2021）。广西东南部和南部地区是广西传统的生猪养殖地区，但大部分养殖场并未对粪便进行专业化处理，特别是散养户，环保意识薄弱，习惯于随意排放和堆放畜禽粪便。有研究表明，畜禽粪便堆放或储存的过程中，伴随雨水冲刷，至少10%的粪尿会流失进入水体，对流域水体富营养化的贡献率分别为10%和20%（张维理等，2004），甚至可能由于降雨或运输不当等原因造成二次、三次污染（耿维等，2013；臧梦圆，2021），导致农业面源污染加重。按照当前国内外农业面源污染排放情况，畜禽粪便若处置不当将会给当地生态环境带来巨大风险（阎百兴等，2019；朱康文等，2020），如地下水有害物质超标会对人类健康产生威胁，规模化养殖产生的大量粪便若无法被及时消纳，会导致土壤结构失衡，影响农作物生长（刘玉莹和范静，2018）。

4 建议

农业面源污染伴随着农业生产发展产生，对农业面源污染的防控与治理归根到底要从农业生产的初始端发力，从源头上减少农田化肥的施用和畜禽养殖粪便的不当处理。对于农田化肥污染物排放量大的区域要采取科学农业发展规划，从农业技术上进行创新，选择其他方式来提高产量；对于畜禽养殖粪便污染物排放量大的区域要形成规模化养殖，优化调整畜禽养殖布局，加强对畜禽粪便的合理利用。同时，在治理过程中要强化宣传，提高农户环保意识与治理参与度，具体建议如下：

4.1 提高农业科技水平，提高肥料利用率

对于农田化肥污染物较严重的地区来说，应当践行农用化学物质投入最小化的思想。随着广西城镇化的推进，非农建设用地占用耕地的趋势已难以逆转，如何在有限的耕地资源情况下提高农作物单位产出和产值至关重要。桂西资源富集区的资源、环境优势不足，应当提高耕地复种指数和大力推广平衡施肥技术，加快开发生物肥，尽量减少使用化学肥料。按照不同作物类型对养分吸收的差异情况，在不同阶段根据作物对养分的需求量进行适量施肥，还可应用农业技术如改良农作物品种增加收成等。

4.2 发展规模化养殖，无害化处理畜禽粪便

随着消费者收入的增加，城镇居民对畜禽肉类的消费增长，传统小规模散户养殖已难以满足市场需求，畜禽粪便污染已成为广西农业面源污染的主要来源，正确处理粪便、提高畜禽粪污的资源化利用效率势在必行。对于广西养殖业集中的区域，如北部湾经济区、西江经济带，应当引导散养户发展规模化养殖，集中处理畜禽养殖粪便，或者引入第三方企业建设无害化粪水处理设施，进行专门化粪便处理，减少粪便污染。同时，指导养殖户合理利用畜禽粪便，如建设沼气池来将畜禽粪便废弃物转化为清洁能源和有机肥料，不仅能减少粪便对环境的污染，还可作为有机肥料代替传统化肥。

4.3 加强农业教育培训，提高农户环保意识

广西各级政府部门应利用互联网、电视、广播、宣传册等多种宣传方式，针对不同群体开展环境保护知识、绿色生产的教育培训来提高农民绿色生产知识和农业面源污染防治意识，引导农业生产者创新升级生产方式，将农业可持续发展理念深入农户内心。通过前期的综合措施，提高农户治理农业面源污染的自觉性和主动性，鼓励农户参与农村环境治理。