《Journal of Contaminant Hydrology》：Tracing coastal nonpoint sources of agricultural organic pollution based on soil sequestration and retention processes: A case study of the Yellow River Delta, China
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黄河三角洲地区畜禽养殖产生的化学需氧量（COD）扩散风险评估及验证，结合KDE方法与土壤采样数据，揭示COD通过地表径流扩散至邻近水域，非农用地（尤其是盐碱地）SOM与COD相关性（r=0.86）显著高于农用地，因耕作活动削弱了关联性。
王友晓|张照民|赵忠和|李赫|孙英军|黄崇|张邦华|刘高环
山东建筑大学测绘与地理信息学院，中国济南250101
摘要
中国面临着严重的农业非点源污染（AGNSP）问题，这些问题主要来源于畜禽养殖，导致化学需氧量（COD）的增加。为了从生态系统过程的角度探讨地表水中COD的来源，我们以中国黄河三角洲（YRD）的沿海流域作为典型研究区域，采用了一种综合方法，该方法结合了畜禽养殖的规模和位置信息、污染物生成系数以及核密度估计（KDE）技术，来评估流域土壤侵蚀过程中COD的扩散风险。此外，我们还通过将土壤采样数据与河口的水文和水质监测数据相结合进行了验证和分析。同时，我们选用了Spearman系数来分析表层土壤有机质（SOM）与相关自然-人为因素之间的相关性。主要结论如下：畜禽养殖产生的陆地COD污染风险显著影响SOM（p<0.001），且在非耕地尤其是盐碱地上的相关性最强（rs=0.86），这主要是由于自然土壤侵蚀过程所致。耕地的SOM浓度最高，但由于耕作活动，其与KDE方法计算出的COD生成风险的相关性较低。在流域尺度上，地表径流是河口COD通量的主要驱动因素，但同时对COD浓度具有一定的稀释作用。此外，由于耕地面积与流域内粪便供应之间的不平衡分布，畜禽养殖产生的AGNSP通常会存在溢出效应。我们的研究提供了一种有效且快速的评估方法，用于确定来自畜禽养殖的AGNSP对COD的风险。
引言
在中国，农业生产的高速发展以及随之而来的农业污染物径流损失导致了严重的农业非点源污染（AGNSP），这种污染已成为最主要的水污染类型之一，其中化学需氧量（COD）是主要的排放污染物（Ma等人，2023；Zou等人，2020）。然而，目前准确且精细地追踪AGNSP仍然是一个理论和技术上的挑战，这主要是由于自然和人为因素的耦合复杂性（Xue等人，2022）。根据2020年中国第二次全国污染源普查数据，农业源始终对水环境中的COD污染贡献显著，其中畜禽养殖约占47%，这些污染物主要通过非点源排放（Liu等人，2024）。尽管如此，其他COD来源，如工业和城市废水，主要是点源污染。其他农业来源，如农村生活和水产养殖，虽然COD负荷相对较低，但由于中国的乡村振兴战略，近年来已逐渐被转化为可控的点源污染（Sun等人，2024）。因此，畜禽养殖产生的粪便是地表水COD污染的主要来源。然而，大多数研究仅基于流域内的畜禽数量及其经验排放系数来估算COD排放量，对于初始污染源的组成结构和排放过程了解不足（Huang等人，2013；Sun等人，2019；Yang等人，2024）。
畜禽养殖产生的COD污染来源不仅包括农场内的直接排放（这些排放已得到较好控制，Sui等人，2025），还包括间接途径，例如作为有机肥使用的两种主要粪便类型，以及降雨侵蚀过程，随后粪便渗入土壤并通过相连的水道排出（王友晓等人，2024b）。因此，表层土壤通常是反映AGNSP来源分布和排放风险的关键介质。然而，畜禽养殖产生的粪便通过土地利用活动强烈影响土壤中的COD污染物。例如，粪便常被用作有机肥料，并多施用于耕地，而其他土壤表面的COD贡献主要受土壤侵蚀过程的影响（Gao等人，2014；Mugler等人，2021；Zheng等人，2019）。在肥料施用方面，土壤肥力、区域社会经济状况（包括消费水平和运输条件）以及农民的种植习惯等多种因素都起着重要作用（王友晓等人，2024a；Yang等人，2024）。另一方面，表层土壤有机质（SOM）浓度还受到植被生长、气候因素和土壤肥力及盐碱化等环境因素的影响。总体而言，植被的生命活动显著影响SOM的输入和分解过程，植被覆盖可以减少土壤侵蚀造成的SOM损失（Chen等人，2022；Dosskey等人，2010）。气候因素如降水和蒸散作用不仅可以通过改善植被状况影响SOM，还可以通过改变土壤微生物环境来影响SOM的形成（Li等人，2025；Shi等人，2024）。此外，作为土壤内部环境的重要组成部分，SOM通常受到其他土壤环境指标的显著影响，特别是氮、磷和钾等土壤肥力指标（Wang等人，2024a）以及电导率（EC）和pH值等盐碱化指标（Cao等人，2021；Feng等人，2023）。
近年来，沿海水域，特别是中国莱州湾等封闭海湾，报告了严重的有机污染。这种污染的主要来源是人为活动，尤其是非点源粪便的排放（Chi等人，2020；Han等人，2024；Su等人，2019）。然而，与内陆地区相比，沿海地区由于距离海洋较近，更容易受到AGNSP的影响，因此成为近岸水污染防治的关键目标（Pantusa等人，2023）。此外，由于海陆相互作用，沿海地区通常表现出更明显的动态地理特征。例如，海水入侵可能导致严重的盐碱化问题，潮汐活动可能干扰河口水质采样结果（Consuegra等人，2025；Wang等人，2023）。
在本文中，我们选择了中国典型的农业发达沿海平原流域——黄河三角洲（YRD）作为研究区域，以探讨地表AGNSP及其所含COD的来源形成机制。将表层SOM视为AGNSP的关键来源形式，我们应用地理空间分析方法来确定畜禽粪便生成的空间分布及其相关的COD污染风险。进一步分析了植被覆盖、气候干旱、土壤肥力和盐碱化等环境因素对SOM状况的影响。然后，通过河口COD监测数据，验证了施肥行为对AGNSP中COD的影响。
研究区域
研究区域位于中国黄河三角洲的南部，北界为黄河，南界为芝梅河（见图2）。总面积为2902平方公里。地形较为平坦，平均海拔为3米，海拔范围从-2米到14米不等；西部海拔较高，向东逐渐降低。这一典型的沿海AGNSP区域具有独立的入海排水系统，属于温带气候
不同土地利用类型的土壤指标
对土壤样本进行的全球Moran's I分析（Zhang等人，2023）表明，SOM存在显著聚类现象，z分数为5.12，显著性水平为0.01（p<0.01）（见图3c1）。随后，我们使用最优插值方法（克里金法）计算了SOM的区域分布（见图4a）。表层SOM的分布从内陆地区向东海岸逐渐减少，南部地区的浓度较高。畜禽养殖对非点源污染及其流域溢出风险的评估
基于夏季九个沿海河口测量的COD通量（见图2c），在降雨和AGNSP同时集中的情况下，我们分析了畜禽养殖产生的COD与进入海洋的子流域尺度上的COD浓度和COD通量之间的相关性（见图7a和b）。此外，我们应用IBC值（见公式（10）来评估畜禽养殖产生的COD污染的溢出风险
结论
在本研究中，我们应用KDE方法分析了与畜禽养殖相关的AGNSP中COD的扩散风险。此外，通过使用不同土地利用类型的土壤采样数据和流域河口的水文-水质监测数据，验证了土壤侵蚀过程对COD污染传输的影响。主要结论如下：畜禽养殖产生的COD主要被输送到相邻水域
CRediT作者贡献声明
王友晓：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，监督，软件使用，方法论研究，资金获取，数据分析，概念化。张照民：撰写——审稿与编辑，监督，资源获取，方法论研究，资金获取。赵忠和：撰写——审稿与编辑，监督，研究设计，资金获取，数据管理，概念化。李赫：监督，研究设计，数据分析。孙英军：
未引用的参考文献
Wang等人，2024c
Wang等人，2024d
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了山东省自然科学基金（编号：ZR2023QD129）、山东省资源与环境信息系统国家重点实验室的资助、山东建筑大学博士基金（编号：X24066）、中国科学院战略性先导科技专项（编号：XDA23050101）以及中国山东省高校青年创新团队项目（编号：2024KJH087）的支持。
