重庆市农业面源污染影响因子的系统分析.pdf
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1、农业环境科学学报 2 0 0 9,2 8(5):9 9 9 1 0 0 4 J o u r n a l o f Ag r o En v i r o n me n t S c i e n c e 重庆市农业面源污染影响因子的系统分析 杨志敏,一,陈玉成,一,魏世 强 ,一,赵 中金,王莉玮(1 西南大学资源环境学院,重庆4 0 0 7 1 6;2 重庆市农业资源与环境重点实验室,重庆 4 0 0 7 1 6;3 重庆市农业环境监测站,重庆 4 0 0 0 2 0)摘要:采用系统分析与数学分析方法,探讨了重庆市农业面源污染(N P S P)影响因子的作用大小、作用方向和作用方式,划分重庆 市农业面
2、源污染防治的类型。结果表明,主导因子是代表畜牧业的粪便承载系数、代表种植业的耕地面积和代表农民生活的人均收 入,其中粪便承载系数显示抑制作用,而耕地面积和人均收入则促进面源污染的加重,且它们均以直接作用的形式影响农业面源污 染。重庆市农业面源污染的防治可分为压力一 响应较大型、压力大而响应小型、压力小而响应大型和压力一 响应较小型等。关键词:农业面源污染;影响 因子;系统分析 中图分类号:X 5 0 2 文献标 志码:A 文章编号:1 6 7 2 2 0 4 3(2 0 0 9)0 5 0 9 9 9 0 6 S y s t e ms An a l y s i s o f Fa c t o r
3、 s Affe c t i n g Ag r i c u l t u r a l No n-P o i n t S o u r c e Po l l u t i o n i n Ch o n g q i n g Y A N G Z h i-m i n ,C H E N Y u-c h e n g ,WE I S h i-q i a n g 。,Z H A 0 Z h o n g i n ,WA N G L i w e i (1 C o l l e g e o f R e s o u r c e s&E n v i r o n m e n t,S o u t h w e s t U n i v
4、e r s i t y,C h o n g q i n g 4 0 0 7 1 6,C h i n a;2 C h o n g q i n g K e y L a b o f A g r i e u h u r a l R e s o u r c e s E n v i r o n m e n t,C h o n g q i n g 4 0 0 7 1 6,C h i n a;3 C h o n g q i n g S t a t i o n o f A g r i c u l t u r a l E n v i r o n m e n t Mo n i t o ri n g,C h o n
5、g q i n g 4 0 0 0 2 0,C h i n a)A b s t r a c t:T h e d i s c h a r g e a mo u n t s o f C O D,B O D 5,t o t a l n i t r o g e n(T N)a n d t o t a l p h o s p h o r(T P)w a s a c c o u n t e d b y t h e l i s t a n a l y s i s f r o m t h e 8 s o u r c e s o f a g r i c u l t u r a l n o n p o i n t
6、 s o u r c e p o l l u t i o n(N P S P)s u c h a s c h e m i c a l i n o r g a n i c f e r t i l i z e r s,o r g a n i c f e r t i l i z e r s,c r o p s s t r a w,s t o c k b r e e d-i n g,a q u i e u h u r e,d o m e s t i c s e w a g e,d o m e s t i c w a s t e s a n d s o i l e r o s i o n i n 3 9
7、 d i s t r i c t s(c o u n t i e s)i n C h o n g q i n g S u b s e q u e n t l y,t h e s y s t e m s a n a l y-s i s a n d ma t h e ma t i c a l a n a l y s i s w e r e c o n d u c t e d t o d e t e r mi n e t h e ma g n i t u d e,d i r e c t i o n a n d mo d e o f f a c t o r s a f f e c t i n g N
8、P S P,t o c l a s s i f y t h e p r e v e n t i o n a n d c u r e t y p e s o f N P S P i n C h o n g q i n g T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e d o mi n a n t f a c t o r s w e r e t h e l o a d i n g c o e f fi c i e n t o f d e j e c t i o n f L C D)r e f e r r i n g t o t h e i n fl u
9、 e n c e o f s t o c k b r e e d i n g,t h e p l a n t a t i o n a r e a(P A)r e f e r r i n g t o t h e i n fl u e n c e o f c r o p p r o d u c t i o n a n d t h e m e a n r e v e n u e o f f a r m e r(M R F)r e f e r r i n g t o t h e i n fl u e n c e o f f a rm e r s l i v i n g l e v e 1 O f w
10、h i c h。L C D c o u l d r e s t r a i n t h e N P S P w h i l e P A a n d MR F r e v e r s e d F u rt h e r mo r e,t h e ma n n e r o f L CD,P A a n d MRF w e r e d i r e c t f u n c t i o n T h e 3 9 d i s t r i c t s(c o u n t i e s)i n C h o n g q i n g w e r e c l a s s i fi e d i n t o 4 t y p
11、e s s u c h a s s e v e r i t y b o t h p r e s s u r e a n d r e s p o n s e,s e v e ri t y o f p r e s s u r e b u t l i g h t n e s s o f r e s p o n s e,l i g h t n e s s o f p r e s s u r e b u t s e v e rit y o f r e s p o n s e,a n d l i g h t n e s s b o t h p r e s s u r e a n d r e s p o n
12、 s e b a s e d o n l o a d i n g o f NP S P,p r o v i d i n g t h e s c i e n t i fi c e v i d e n c e t o p r e v e n t a n d c u r e NP S P Ke y wo r d s:a g r i c u h u r a l n o n-p o i n t s o u r c e p o l l u t i o n;i n fl u e n c e f a c t o r;s y s t e ms a n a l y s i s 重庆市直辖 1 0年来,农业生产有了
13、飞速的发展,农 民生活也有了很大的改善,但非持续发展、高消耗 的农村生产与生活方式依然广泛存在,由此带来 的农 业资源与环境问题积重难返,其 中农业面源污染在相 当长的时期 内已成为制约农业循环经济发展 的重要 因素之一。发达国家的经验表明,面源污染 已成 为水 环境的首要污染源,特别是农村生产与生活引起 的面 收稿 日期:2 0 0 8 1 1-0 5 基金项 目:国家科技支撑计划项目(2 0 0 6 B A D 1 7 B 0 9);国家科技支撑计 划项 目(2 0 0 7 B A D 8 7 B 1 0);重庆市 自然科 学基 金项 目 (2 0 0 7 B B 7 3 4 0)作者简
14、介:杨志敏(1 9 7 3 一),女,四川 巴中人,博士研 究生,副 教授,主 要从 事污染 生态研究。E m a i l:b e a r s w u e d u c n 源污染,已经开始取代点源污染,逐渐成 为了水体污 染的重要因素。大多数关于农业面源污染 的研究集 中在化肥、农药、农膜等农用化学品使用水平、畜禽粪 便排放量、水土流失等指标上,而忽略其源解析,尤 其是影响因素的系统分析。重庆市虽然 已开展了农业 面源污染的相关研究 0 1,但由于起步较晚,特别是对 负荷核算与因素分析缺乏一个全貌的认识。鉴于源解 析内容已由作者另文发表,本文拟采用系统分析与数 学分析方法,探讨重庆市农业面源污
15、染 的影响因子,找出因子的作用大小、作用方向和作用方式,划分重 庆市农业面源污染防治 的类型,为采取的相应防治管 理策略提供科学依据。1 0 0 0 杨志敏等:重庆市农业面源污染影响因子的系统分析 2 0 0 9年 5 月 1 研究方法 1 1农业面源污染负荷的核算 在区县级尺度上,采用清单分析法【“,核算化学 肥料施用、有机肥施用、农作物秸秆、畜禽养殖、水产 养殖、农村生活污水、生活垃圾 和地表 自然径流等 8 个来源对农业面源污染物 C O D、B O D 、T N、T P的排放 负荷 2 。主要核算指标有实物排放量、等标排放量、等 标排放系数(国土基)、水质浓度和水质指数。化肥施用排放量
16、=耕地面积X 单位耕地氮肥、磷 肥的折纯施用量X 污染物人河系数 有机肥施用排放量=耕地面积X 单位耕地有机肥 用量X(1 一 有机肥利用率)有机肥养分含量 1 3 入河 系数 秸秆遗弃排放量=某作物产量X 某作物秸秆产出 系数 4 X(1 一 秸秆利用率)秸秆养分含量X 入河系数 畜禽养殖排放量=畜禽养殖总量 排泄系数【5 x 粪 污中污染物平均含量【4 X 畜污中污染物入河系数 水产养殖排放量=淡水养殖产量X 污染 物排放系 数 q 生活 污水排放量=农村人 口总数X 人 均排水 系 数 污水 中污染物平均含量 生活垃圾排放量=农村人 口总数X 人均垃圾产生 系数 垃圾渗滤液 中污染物平均
17、含量 地表径 流排放量=水土 流失 面积X 平 均侵蚀模 数x 0 0 4 6 x 土壤中污染物背景值 等标排放量=实物排放量相 应 的排放浓度标准 等标排放系数(国土基)=等标排放量倡 土面积 水质浓度=污染物实物排放量他 表水资源量 水质指数=污染物排放浓度相 应的 类标 准值(G B 3 8 3 8-2 0 0 2)1 2农业面源污染影响因子库的建立 采用专家咨询法,从影 响农业生产、农村生活等 的自然、经济、资源、生态、环境等层 面确定 了 1 7个影 响因子,即国土面积、耕地面积、坡耕地 比例、水土流 失 比例、土壤侵蚀模数、农业总人 口、农 民人均收入、农业总产值、畜牧业产值、畜禽
18、粪便承载系数(畜禽粪 便承载系数为实际供应消纳地面积与需要消纳面积 的比值,其中需要消纳的面积按 1 5 个猪当量 h m 计 算)、化肥使用水平、秸秆利用率、沼气利用率、复种指 数、人均生态赤字、有效灌溉 比例、森林覆盖率。1-3统计分析 多重共线性分析用来分析影响因子 自身 的相关 性,以剔除某些相关程度较高的 自变量;典型相关分析用来分析响应变量组与影响变量 组之间的集中相关程度;偏 回归分析用来建立响应指标对影 响因子的多 元线性回归方程,确定因子的作用方 向与预测模型;标准 回归分析用来建立 响应指标对影响因子的 标准 回归方程,确定因子的作用大小;通径分析用来分解响应指标对影 响因
19、子的相关 系数,确定 因子的作用方式;对应分析用来确定污染源与污染物的对应关系;聚类分析用来划分农业面源污染的空间异质性。以上所有 分析采用 S P S S 1 1 5、D P S等统计 软件 进行。2 结果与分析 2 1影响因子的筛选 由于影响因子之间存在错综复杂的相互关系,因 此有必要首先剔除存在共线性的因子。在此采用条件 值法,对 1 7个影响因子进行筛选。即首先建立 1 7个 自变量 因子的相关系数矩阵,然后利用 J a e o b i 迭代法 计算该矩阵的特征根和特征向量,在此基础上计算条 件值(最大特征根与最小特征根之 比),根据 值判 断变量之间多重共线性的严重程度。其判断规则为
20、:f 1 0 0,变量之间没有共线性 1 0 0 l 0 0 0,变量之间有严重的共线性 当因子之间存在共线性关系时,则剔除最小特征 根所对应的特征 向量 中系数绝对值最大的变量,然后 重复上述步骤,直至变量之间不存在共线性关系。依 照上述方法,通过 3次迭代,便剔除 了畜牧业 产值、复种指数 2个影响因素。以下统计分析均按保 留的 l 5个影响因素进行,它们是 国土面积(。)、耕地 面积()、坡耕地比例()、水土流失 比例()、土壤侵 蚀模数()、农业总人 口()、农 民人均收入()、农业 总产值()、畜禽粪便 承载系数()、化 肥使用水平()、秸秆利用率()、沼气利用率()、人均生态赤 字
21、()、有效灌溉 比例()、森林覆盖率()。2 2典型相关分析 以 C O D、B O D 、T N、T P的实物排放量为一组变量(分别记为 Y 、y 1 2 y 、Y ),上述 1 5个因子为另一组变 量,进行典型相关分析,发现这 2组变量的第 1对典 型相关变量达到极显著水平(0 0 0 0 1),其相关系数 为 0 9 8 0,其变量组成为:第 2 8 卷第 5 期 农 业 环 境 科 学 学 报 1 0 0 1 M1 1=0 9 23 yl 1-0 35 2 y 1 2+0 0 8 8 y 1 3-,0 1 27 y1 4 Ul l=O 7 95 x 1+0 1 6 2 x 2 0 01
22、 7 x 3+0 02 6 x 4+0 1 8 6 x 5 +0 2 9 9 x 6-0 2 3 0 x 7+0 2 78 x8 0 1 53 x 9+O 07 4 xl o -0 0 61 x 1 1+O08 4 x 1 r _ I)1 97 xl 厂0 0 01 xl 4 0 1 9 1 5 从 中 可 以 发 现 实 物 排 放 量 中 的 主要 因子 是 C O D,其次是 B O D ;影响因子中的主要因子是国土面 积,其次是农业总人 口、农 民人均收入、农业总产值。说明国土面积主要影 响 C O D和 B O D 排放。同理,以 C O D、B O D 5、T N、T P的排放浓度
23、为一组 变量(分别记为 Y:、y 2 2、y 2 3、),仍 以 1 5个因子为另一 组变量,进行典型相关分析,发现它们之间的第 1 对 典 型相关变量也 达到极显著水平(P=O 0 0 0 5),其相 关系数为 0 8 9 5,其变量组成为:,2 1=-0 6 08 y 2 1+0 73 3 +0 3 0 l y e+0 0 50 7 V 2 1=-0 53 2 x 1+0 1 63 x 2+0 1 8 7 x 3 0 08 8 4-0 37 3 x 5 0 04 3 x 6+0 2 9 1 x 7+0 3 4 3 x 8 0 44 9 x 9+0 0 40 x1 o +O 0 92 x1
24、1-0 0 2 7 x1 O 2 5 8 x 1 厂0 0 96 x 1 4 _-0 1 2 4 x1 5 可以发现水质浓度 中的主要 因子是 B O D ,其次 是 C O D;影响因子中的主要因子仍是国土面积,其次 是畜禽粪便承载系数、土壤侵蚀模数和农业总产值。说 明国土面积也是 B O D 、C O D排放浓度 的主要影响 因子。2。3影响因子作用的方向 为了分析农业 面源污染影响因子 的作用 大小与 作用方向,建立预测模型,在此 以实物排放量、水质浓 度、等标排放量、等标排放系数、水质指数等为因变 量,筛选出的 l 5个影响因子为 自变量,进行多元线性 的逐步回归分析,得到的回归模型参
25、数(偏 回归系数、决定系数)见表 1。经过显著性检验,各个 回归方程均 达到了显著性水平(0 0 5)。由表 1 可知,影响因变 量 的自变量 因子不尽相同,但实物排放量、水质浓度、等标排放量、等标排放 系数、水质指数都与水土流失 比例、农业 总人 口、化肥使用水平、秸秆利用率、有效 灌溉比例 5 个 因子关系不大,而与畜禽粪便承载 系数 关系都非常密切。C O D、B O D 的实物排放量均受到 国土面积、耕地 面积、坡耕地比例、农业总产值等因子的促进影响,而 受到畜禽粪便承载系数、森林覆盖率的抑制影 响;T N 受到国土面积、土壤侵蚀模数、农业总产值、人均生态 赤字的促进影响,而受到畜禽粪
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