农业面源污染视角下的三峡库区重庆段水资源的安全性评价———基于DPSIR框架的分析

　　摘要:农业面源污染已成为我国流域污染的主要来源，并已威胁到城乡居民的饮水安全，影响社会经济的可持续发展．三峡库区是生态脆弱区，水资源安全对促进库区生态环境保护与区域经济社会和谐发展尤为重要．为探明三峡库区重庆段农业面源污染与流域水资源安全演进变化的过程与内在机制，根据DPSIR框架原理，运用结构方程模型进行分析，并评价了2000—2011年流域水资源安全程度．结果表明:流域水资源安全程度分为两个阶段，2000—2005年水资源安全等级从一般安全下降到很不安全，2005—2011年水资源安全等级从很不安全上升到安全，出现阶段变化的主要原因在于从2006年开始，政府认识到流域生态环境的重要性并加大了对农业面源污染的控制力度，加强了对水土流失的治理．因此，为有效地减缓农业面源污染、改善流域水体质量，需要调整农业经济发展方式和农业产业结构，依靠科学技术提高农业生产效率，降低农用化学药品的投入，推广有机农业、改善耕地质量;加强水资源监督管理，实施农业生产节水措施;进一步加强面源污染控制投入，有效控制水土流失程度以减缓面源污染，实现流域水资源安全可持续利用．

　　关键词:DPSIR模型;面源污染;结构方程模型;水资源安全;三峡库区

　　1、引言

　　随着社会经济的发展、气候条件的变化，以及人类盲目、过渡地开发水资源，使水资源系统的安全性面临着前所未有的挑战．在过去较长的一段时间里，社会公众普遍认为造成流域水环境污染的罪魁祸首是工业废水的点源污染．因此，政府在控制点源污染方面做了大量工作，并完善了工业水污染防治的标准体系和法律法规．然而，即便是工业点源污染控制技术日趋成熟并得到了全面控制的情况下，流域水环境污染的问题并没有完全好转的趋势．当前，水污染的一个重要特征是水体富养化程度加剧，农业面源污染严重，究其原因在于农业生产中化肥农药的大量使用、农村畜禽养殖业的粪便排放和农村生活垃圾随意处置．在美国，农业生产已经成为河流污染的第一污染源，农业面源污染占污染负荷量的2/3;在荷兰，来自农业面源的总氮、总磷分别占水环境污染总量的60%和40%(Carlo，2007);在我国农业，源总氮、总磷分别占全国排放总量的57．2%和67．4%．三峡库区是生态脆弱区，2008年，库区重庆段农业面源污染物对水体污染的等标污染负荷比为:COD5．76%、总氮52．18%、总磷42．06%;主要污染源是畜禽养殖和化肥施用，贡献率分别为58．21%和27．24%;主要影响因子是农业总产值，贡献率达到90%以上(陈洪波，2006)．严重的面源污染制约着三峡库区和长江中下游流域经济的可持续发展与居民的饮水安全．针对三峡库区脆弱生态环境的特点，近年来，政府联合科研与技术人员沿三峡库区开展了农田氮磷减控施肥关键技术、旱坡地面源污染物生态工程拦截技术、水田生态系统拦截和消纳农业面源污染物关键技术、分散型畜禽、种植业废弃物污染负荷削减与资源化利用技术体系的研究，为面源污染控制、水环境安全和社会经济可持续发展创造了良好的条件．

　　近年来，国内学者采用模糊集对分析法、综合层次分析法、神经网络模型、遗传算法对流域水资源的安全性进行了一定的研究．例如，尹志杰等(2010)将集对分析法与综合层次分析法相结合，对南京市的水资源安全进行了综合评价;李文君等(2011)用集对分析与可变模糊集法，建立了河流生态健康评价指标体系和评价等级标准模型，对北运河水质状况进行了评价．但运用集对分析法评价时未充分利用样本信息，对等级标准边界的模糊性及评价指标的权重没有避免差异不确定系数的取值问题．宋松柏等(2004)利用人工神经网络分析法对汉中盆地和淮河片区进行了评价;刘树锋等(2007)建立了基于神经网络的水资源承载力耦合模型，并以惠州市为例进行了分析．然而，人工神经网络理论方法是一种局部搜索的优化方法和无约束的非线性最优化计算过程，很容易陷入局部极小点而得不到最优结果，需要满足一定的建模条件才具有非线性逼近和泛化能力;金菊良等(2007)采用信息熵与改进模糊层次分析法评价了中国7个区域的水资源状况，但该方法所考虑因素不够全面，且不能体现其层次性及取值不确定性;藏蕾等(2012)采用遗传算法对山东省水安全状况进行了评价，但遗传算法属于随机类算法，需要多次运算，涉及到大量个体的计算，收敛较慢且容易受参数的影响，结果的可靠性差．由于影响水资源安全的因素众多，指标、权重、评价模型等均会产生不同的评价结果．尤其是上述模型中权重设置过度依赖专家经验，使得评价结果一定程度上受到专家理论水平和对流域水资源熟悉程度的影响，难以全面反映人类行为与水环境之间的相互作用．因此，研究流域水资源安全要考虑系统的复杂性，指标体系选取需要体现水环境作用机制，量化模型尽量避免主观性．需要从自然、社会、经济和环境等方面审视库区水资源系统，认识流域水资源安全演进变化过程与内在机制，解决流域水环境改善与水资源可持续利用的瓶颈问题．基于此，本文研究借助DPSIR框架，从农业面源污染角度系统评价三峡库区重庆段水资源安全状况与政府政策和人类活动的响应，以期为流域水资源可持续利用提供科学依据．

　　2、材料与方法

　　2．1DPSIR框架

　　DPSIR模型是分析人类活动与环境因果关系时被广泛使用的框架模型，将环境变化与人类行为之间复杂的相互关系按照因果逻辑分为驱动力、压力、状态、影响、响应等5个过程(图1)．在农业经济增长、农业商品化率和城镇化率提高、人口增长和人均居住面积增加等社会经济驱动力(D)作用下，农户为提高单位面积产出，对农业生产用地进行高投入，如大量使用化肥、农药、地膜和农业生产中需水量增加等，导致水资源与耕地资源承受农民增收和人口增长的压力(P)．三峡库区地貌类型以低山丘陵为主，60%以上土地为坡耕地，降雨集中且入江泥沙从农田土壤带入大量氮、磷物质，有利于面源污染发生，造成水体富营养化(S)．系统所处状态对流域生态环境带来不同程度影响(I)，如水土流失加重、森林覆盖率降低、发生洪涝和旱灾．不利影响需要人类在促进水资源安全和可持续发展进程中采取对策和政策，如通过肥料深施、测土配方施肥、节水灌溉技术和增加投资等控制水体污染，即响应(R)过程．

　　2．2DPSIR模型下流域水资源安全评价的指标体系

　　定量分析流域水资源安全性需从水资源系统-自然生态系统-社会经济系统协调度出发，评估指标体系需从农村社会经济发展、农业生产资料投入、流域污染物排放、流域水体水质、生态环境和政策措施等多方面进行梳理，并根据数据的可得性、独立性和显著性原则，选取具有代表性的流域水资源安全指标．因此，结合DPSIR框架模型，本文选取能够反映流域社会经济与环境特征的27个细分因子．

　　2．3数据来源、处理和定量评价方法

　　根据提出的指标体系，以三峡库区重庆市段2000—2011年水资源为研究对象，评估流域水资源安全状态．指标数据来源于重庆市统计年鉴、重庆市水资源公报、重庆市环境质量公告等．由于指标量纲不统一，缺乏可比性，进行分析时对判断矩阵进行标准化处理，在此，通过Z-score标准化，使数据符合标准正态分布．

　　指标体系权重设置采用结构方程模型(SEM)，SEM是一组反映观测变量和潜变量相互关系的多元统计分析模型，对潜变量进行分析，获取观测变量对潜变量影响的直接效果与间接效果．结构方程模型由测量方程和结构方程两部分构成，首先需要分析测量变量和潜变量的关系，然后构建理论模型，验证理论模型的合理性．测量方程是一组观测变量的线性函数，描述潜变量与观测变量之间的关系，方程如下:y=Λyη+ε(1)；x=Λxξ+δ(2)方程(1)将内因潜变量η连接到内生标识，即观测量y;方程(2)将外因潜变量ξ连接到外生标识，即观测量x．矩阵Λx和Λy分别为反映x对ξ和y对η关系强弱程度的系数矩阵，可以理解为相关系数．ε和δ分别是方程(1)和方程(2)的测量误差．