城市化與農業面源污染關系的交互動態響應分析

徐持平 徐慶國

[摘要]以洱海流域2006～2018年的時間序列數據為例，利用協整檢驗、誤差修正模型、脈沖響應函數、方差分解等方法，對洱海流域城市化與農業面源污染的關系進行了交互動態響應分析。研究結果表明：城市化與農業面源污染長期存在均衡關系;誤差修正模型表明城市化與農業面源污染在短期會偏離長期均衡;不同類型的農業面源污染與城市化之間的關系在城市化進程的不同階段表現出不同的特征。

[關鍵詞]城市化;農業面源污染;向量自回歸模型;脈沖響應;洱海流域

[中圖分類號]F062.2? ? ? [文獻標識碼]A

1 問題的提出

當前我國正處于城市化高速發展時期，據中國社會科學院的報告，2018年我國的城市化率已達59.58%。城市化是一把雙刃劍，一方面促進了社會經濟的發展，另一方面，城市的快速擴張也帶來了諸多問題，農業面源污染就是其中一例。

面源污染與點源水污染相對應，是指溶解的或固體的污染物，從非特定的地點，在降水和徑流的沖刷作用下，通過徑流過程而匯入受納水體，如河流、湖泊、海灣等引起的水體污染。在城市化進行的地區，它是區域景觀時空格局內一系列人口結構、產業結構、土地結構等諸多變化構成的“面”的城市化對水體造成的“面”的污染。

目前對于城市化與環境污染之間的關系，學者已展開較為系統的研究，研究對象涉及城市化與大氣污染、土壤污染、工業“三廢”污染等關系的研究。研究方法則涉及自然科學領域的生態統計分析、地理信息系統、水文水質監測分析以及社會科學領域的經濟分析方法，如環境庫茲涅茲曲線（EKC）分析、廣義矩（GMM）方法、隨機環境影響評估模型（STIRPAT）法等。總體而言，目前對于城市化與環境污染關系的研究，從研究對象上看，多集中于城市化與點源環境污染的研究，對城市化與非點源環境污染關系的研究較少;從研究方法上看，無論是自然科學方法還是社會科學方法，多采用長期、靜態分析方法，短期、動態分析則較少涉及;從研究尺度上看，以行政區劃為主要研究尺度，其他尺度鮮有涉及。

城市化對于非點源水污染之間有無關系？其關系是正向還是負向？兩者之間的關系在長期和短期有什么不同？靜態和動態上有什么差異？帶著這些問題，本文以洱海流域為例，對城市化與非點源水污染的關系展開研究。

2 研究區域概況

本文的研究區域為洱海流域，整個區域包括云貴高原第二大湖泊洱海以及流入洱海的七條主要河流彌苴河、西閘河、永安江、羅時江、錦溪、茫涌溪、波羅江流經的地區，其范圍包括云南大理白族自治州境內的大理市、洱源縣的17個鄉鎮，170個行政村，總面積達2565km2，人口超過90萬。作為云貴高原第二大湖泊的洱海是我國初期富營養化湖泊的典型代表。洱海流域在經濟發展水平上屬于欠發達地區，城市化率由2006年的27.75%增加為2018年的43.23%，平均每年約增加 1.10個百分點。隨著城市化的推進，洱海流域農業面源污染有所加劇，化學需氧量（COD）排量、總磷（TP）排量、總氮（TN）排量分別由2006年的26305.02t、432.03t、4351.66t 增加為2018年的31389.76t 、634.56t、7056.32t ，平均每年分別約增加540.05t、19.77t、183.20t。洱海流域2006～2018年歷年城市化水平和非點源水污染的發展變化如圖1、圖2所示。

3 指標選取、研究方法及數據處理

根據洱海流域的實際情況及數據的可得性，本文以洱海流域的城市化率，即流域城鎮人口數與流域總人口數之比作為表征城市化水平的指標，以化學需氧量（COD）排量、總磷（TP）排量、總氮（TN）排量作為表征農業面源污染的指標，其中城市化率的數據來源于歷年《大理年鑒》（2006～2018年）、《洱源年鑒》（2006～2018年）、《大理市2018年政府工作報告》、《洱源縣2018年政府工作報告》。農業面源污染指標的數據則來源于流域水質監測部門對流入洱海的七條主要河流（如前文所述）的監測數據，并結合北京民族出版社2003年出版的《大理洱海科學研究》、洱海項目編制組“國家水體污染控制重大

專項湖泊主題洱海項目實施方案（建議稿）、《云南省環境狀況公報》整理而成。本文中的化學需氧量（COD）排量、總磷（TP）排量、總氮（TN）排量不包含以點源污染物（主要是工業廢水和城鎮生活污水）形式進入洱海的各類水體污染物，只包含通過面源途徑進入洱海的水體污染物（包括城市旅游業、城市垃圾堆放、都市農業農田徑流、農村生活污染、畜禽糞便、大氣沉降、水土流失等形式）。

本文建立洱海流域與農業面源污染的向量自回歸（VAR）模型，并運用協整分析、誤差修正模型、脈沖響應函數、方差分解對洱海流域城市化與農業面源污染之間的關系進行研究，在分析之前要對城市化和農業面源污染兩時間序列進行單位根檢驗。

本文利用Eviews6.0軟件進行分析，為了消除異方差，增強數據平穩性，分別對洱海流域城市化率、化學需氧量排量、總磷排量、總氮排量取自然對數，分別記為LnCSHL、LnCOD、LnTP、LnTN。

4 實證分析

4.1 建立向量自回歸模型

建立由城市化和農業面源污染兩變量構成的向量自回歸模型，并對動態方程的參數進行估計，結果見表1，綜合考慮方程的擬合度、系數的顯著性以及AIC準則，取各變量的最大滯后階數為3。

由表2、圖3所示，向量自回歸模型所有根模的倒數均小于1，即位于單位圓內，所以模型是穩定的，可以進行脈沖響應分析。

4.2 單位根檢驗

為了防止時間序列由于不平穩而出現偽回歸，需要對各序列進行單位根檢驗，本文利用ADF檢驗法和PP檢驗法進行檢驗，結果見表3。

檢驗結果表明LnCSHL、LnCOD、LnTP、LnTN四個時間序列在10%顯著性水平下都是非平穩的，但是其一階差分序列dLnCSHL、dLnCOD、dLnTP、dLnTN全部平穩，因此四個序列均為一階單整序列，可以使用協整理論和誤差修正模型來研究它們之間的長期和短期關系。

4.3 協整檢驗

協整檢驗主要有E-G兩步法和Johanson檢驗法，前者用于兩個變量之間的協整檢驗，后者用于兩個以上變量之間的協整檢驗。本文利用Johanson檢驗的跡檢驗和最大特征根檢驗來考察LnCSHL、LnCOD、LnTP、LnTN之間的協整關系，結果見表4。

檢驗結果表明在5%顯著性水平下，存在一個協整關系，將協整方程寫成數學表達式，令其等于VECM，得：

用ADF法對VECM進行單位根檢驗，發現它是平穩的，進一步驗證了協整關系的正確性。式（1）表明城市化與農業面源污染之間存在長期均衡關系，不同類型的農業面源污染對城市化的影響方向是不同的。化學需氧量（COD）排量、總氮（TN）排量對城市化的影響為正，城市化率隨著兩者的增加而提高，城市化率對于兩者的彈性分別為1.5171和0.5043，即兩者每提高1%，城市化率分別增加1.5171%和0.5043%。總磷（TP）排量對城市化的影響為負，城市化率對總磷（TP）排量的彈性為-0.3399，即總磷（TP）排量每提高1%，城市化率下降0.3399%，總磷（TP）排量已對城市化構成制約。

4.4 誤差修正模型

協整關系反映變量之間的長期靜態的關系，如要反映各變量之間的短期動態關系，則需要借助誤差修正模型（VEC）。本文建立LnCSHL、LnCOD、LnTP、LnTN四個變量的誤差修正模型。

整體檢驗結果表明模型擬合效果較好，城市化率、化學需氧量（COD）排量、總磷（TP）排量、總氮（TN）排量的誤差修正系數均為負，符合反向修正機制，四者的誤差項系數分別為-0.82，-0.52，-0.77，-0.95，表明城市化率、化學需氧量（COD）排量、總磷（TP）排量、總氮（TN）排量在短期偏離長期均衡時，分別將會以82%、52%、77%、95%的力度被調整到均衡狀態。

4.5 脈沖響應函數分析

根據已經建立的向量自回歸模型，本文應用廣義脈沖響應函數分析城市化與農業面源污染之間的沖擊響應關系，該方法不依賴向量自回歸模型中變量次序的正交殘差矩陣，可以提高估計結果的穩定性和可靠性。圖4、圖5、圖6分別為城市化率與化學需氧量（COD）排量、總磷（TP）排量、總氮（TN）排量之間的沖擊響應關系。圖中縱、橫軸分別表示沖擊作用的滯后期數和因變量對解釋變量的響應程度，圖中實線為脈沖響應函數，虛線為正負2倍標準差偏離帶。

圖4中，LnCSHL對于來自LnCOD標準差信息的沖擊，其響應是正向的，并且持續的時間比較長也較穩定，表明化學需氧量排量的增加對城市化的影響為正且維持的時間較長。而對于來自LnCSHL標準差信息的沖擊，LnCOD的當期反應為正，之后逐漸下降為負值，然后保持穩定，表明在城市化初期，城市化的推進會使化學需氧量排量增加，隨著城市化的繼續推進，化學需氧量的排量會減少。

圖5中，LnCSHL對于來自LnTP標準差信息的沖擊，當期響應為0，但之后逐漸上升，然后保持穩定。表明總磷排量增加對城市化具有促進作用。對于來自LnCSHL標準差信息的沖擊，LnTP的響應為負值，表明城市化率的提高對總磷排放具有抑制作用。

圖6中，LnCSHL對于來自LnTN標準差信息沖擊的響應為正，但表現出波動性特征，先是逐漸上升然后逐漸下降，之后保持穩定。對于來自LnCSHL標準差信息的沖擊，LnTN的響應也具有波動性但一直是負值。

總的來說，洱海流域城市化率與不同類型農業面源污染之間的關系是不同的，并且表現出一定的階段性特征。在城市化初期，為了實現城市快速發展，往往以犧牲環境為代價，導致農業面源污染加劇，隨著城市化的繼續推進，技術進步和制度約束使得減輕污染成為可能，與此同時，污染也會對城市化的繼續推進形成抑制作用。

4.6 方差分解

表8表明總氮（TN）排量變動在前期主要受自身的影響，在第1期貢獻率所占比例超過80%，之后逐漸下降。而化學需氧量（COD）排量和總磷（TP）排量的影響則不斷上升，分別由第1期的3%和9%逐步上升為第10期的33%和42%。

5? ? ?結論與政策建議

通過對2006～2018年洱海流域城市化率、化學需氧量（COD）排量、總磷（TP）排量、總氮（TN）排量四個時間序列的計量分析，得到以下主要結論：

（1） 城市化率LnCSHL、化學需氧量（COD）排量LnCOD、總磷（TP）排量LnTP、總氮（TN）排量LnTN之間存在協整關系，即長期均衡關系。

（2） 誤差修正模型表明LnCSHL、LnCOD、LnTP、LnTN在短期會偏離長期均衡，但分別會以82%、52%、77%、95%的力度被調整到均衡狀態。

（3） 脈沖響應函數及方差分解結果表明，城市化率與不同類型農業面源污染的關系是不同的，并且表現出一定的階段性特征。城市化率變動主要受化學需氧量（COD）排量和總磷（TP）排量的影響，化學需氧量（COD）排量變動主要受自身和總磷（TP）排量的影響，總磷（TP）排量變動主要受自身和化學需氧量（COD）排量的影響，總氮（TN）排量變動主要受化學需氧量（COD）排量和總磷（TP）排量的影響。

研究結果表明，在不同的時間階段，城市化的推進一方面會加劇農業面源污染物的排放，另一方面隨著科技進步和相關制度約束，城市化對于農業面源污染又有一定的抑制作用，與此同時，農業面源污染對城市化具有反作用，各類農業面源污染之間也存在著復雜的關系。因此，相關部門對城市化進程中的農業面源污染防治要有整體意識，將農業面源污染防治作為一個系統工程。第一，要抓好源頭控制，這是農業面源污染防治的重點。一方面，通過對相關產業結構，土地利用結構的調整及加強城市綠化等，在源頭減少污染物的輸出，另一方面，通過規范人們行為，妥善處理城市垃圾，減少垃圾露天堆放，適當減少城市周邊農業化肥、農藥的使用，在源頭減少污染物的積累。第二，對農業面源污染物實施遷移控制，完善和優化城市排水排污系統，延緩污染物輸出的時間，同時在污染物的遷移過程中通過攔截、沉降、吸附、沉淀等工程治污手段實現對污染物的存貯、去除和凈化。第三，對農業面源污染物實施流域末端控制，利用水體周邊的池塘、濕地、河岸湖邊帶等生態系統實現對污染控制，實現城市與環境的協調發展。

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