摘要:采用綜合調查的方法,對丹江口庫區湖北水源區31個鄉鎮的農業面源污染現狀進行調查,用產污系數法、排污系數法測算區域內各類農業污染源產生與排放污染物的總量,并引入等標污染負荷法分析和評價該區域農業面源污染現狀。結果表明,在該區域內,農業面源主要污染物TN、TP和COD的產生量分別為2 066.93、240.93和16 540.18 t,排放量分別為1 432.28、161.83和4 546.65 t;種植業源為該區域農業面源的主要污染源,其等標污染負荷占所有農業面源等標污染總負荷(1 196.78 t PO43-)的57.79%,水產養殖業源、農村生活源和畜禽養殖業源所占比例分別為14.91%、14.25%和13.05%;TN、TP為該區域農業面源的主要污染物,其等標污染負荷分別占所有農業面源等標污染總負荷的50.26%和41.38%,COD只占8.36%;種植業源的TN和TP等標污染負荷量分別占所有農業面源等標污染負荷總量的36.08%和21.71%,是區域內水體富營養化風險的主要構成因子,也是農業面源污染防控的重點。
關鍵詞:農業面源污染;現狀調查;等標污染負荷;丹江口庫區
中圖分類號:X508 文獻標識碼:A 文章編號:0439-8114(2012)16-3460-05
Investigation and Evaluation on Agricultural Non-Point Source Pollution in Danjiangkou Reservoir Area of Hubei Province
ZHANG Xiao-yong1,2,FAN Xian-peng1,LIU Dong-bi1,XU Fang-sen2,GAN Xiao-ze3,FAN Xiu-yuan3,
DONG Wen-zhong3
(1.Plant Protection and Fertilizer Science Institution, Hubei Academy of Agricultural Sciences,Wuhan 430064,China; 2. College of Resources and Environmental Sciences, Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070,China; 3. Agricultural Ecological and Environment Protection Workstation of Hubei Province,Wuhan 430070,China)
Abstract: The ecological environment in Danjiangkou reservoir area (DRA) is a key factor affecting the quality of water that transported by Middle Route in South to North Water Transfer project, whereas the present situation of agricultural non-point source (NPS) pollution in this area is not clear. In this study, the agricultural NPS for 31 townships in DRA of Hubei province was investigated by comprehensive investigation method; the pollutant load from different sources was calculated by pollution production and discharge coefficient method; and the present pollution situation was analyzed and evaluated by equivalent pollution load method. The results showed that the main agricultural NPS pollutants were TN, TP and COD,with the production of 2 066.93 t, 240.93 t and 16 540.18 t respectively, and with the discharge of 14 32.28 t,161.83 t,and 4 546.65 t respectively. Planting was the main pollution source, with the equivalent pollution load ratio of 57.79% in the total equivalent pollution load (1 196.78 t PO43-) from all sources; and the equivalent pollution load ratio from aquaculture,rural life, livestock and poultry breeding accounted for 14.91%, 14.25%, and 13.05% respectively. The main pollutants from agricultural NPS were TN and TP, with the equivalent pollution load ratio of 50.26% and 41.38% respectively, and that of COD was only 8.36%. The equivalent pollution load ratio of TN and TP from planting accounted for 36.08% and 21.71% respectively in the total from agricultural NPS, indicating that loss of N and P from planting might be the main factor leading to water body eutrophication, which was suggested to be the key for agricultural NPS pollution prevention and controlling.
Key words:agricultural non-point source pollution;present situation investigation;equivalent pollution load;Danjiangkou reservoir area
丹江口水庫位于鄂、豫、陜3省交界處,主要分布于湖北、河南兩省境內,是我國南水北調中線工程的水源區。南水北調中線工程要求丹江口水庫的水質達到國家地表水Ⅱ類以上水質標準[1-3]?,F有監測結果表明,2003~2009年,丹江口水庫的水質已由常年Ⅰ~Ⅱ類下降至大部分時段和區域為Ⅱ~Ⅲ類,個別季節和區域為Ⅲ~Ⅳ類,水質的主要限制因子由單純的總氮(TN)增加為TN、總磷(TP)共同作用,庫區水體處于中營養化狀態,部分支流水體則出現富營養化狀態[4-6]。國內多個重點流域的研究表明,農業面源污染是湖庫水體富營養化的主要原因[7,8]。根據第一次全國污染源普查公報,2007年度全國農業源TN、TP和化學耗氧量(COD)的排放量分別占各種來源排放總量的57.19%、67.27%和43.71%[9]。在丹江口庫區,針對水體水質監測和生態環境評價的研究比較多,庫區農業面源污染的研究大多集中在農業面源污染發生的機理方面[10-13],對農業面源污染物的產生和排放情況的調查和統計未見報道。隨著南水北調中線工程的快速推進,對庫區農業面源污染現狀的深入了解尤為迫切。因此,采用綜合調查的方法,對丹江口庫區湖北水源區所涉及的31個鄉(鎮)的農業面源現狀進行調查,用產污系數法、排污系數法測算區域內各類農業污染源產生與排放污染物總量,并引入等標污染負荷法分析和評價該地區農業面源污染現狀,為制定科學合理的農業面源污染控制措施及農業環境保護政策提供依據。
1 材料與方法
1.1 研究區基本情況
丹江口庫區湖北水源區是指丹江口水庫最高水位線周邊5 km、漢江入庫口上溯10 km以及沿漢江河道兩側2 km范圍內的湖北區域。該區域共涉及湖北省十堰市的丹江口市、張灣區、鄖縣和鄖西縣的31個鄉(鎮)。區域內農業用地總面積為79 180 hm2,其中坡度>5°的坡地占73.73%;耕地利用方式主要為旱地,占85.01%,主要種植制度為玉米-小麥和玉米-油菜,水田種植制度主要為水稻-小麥,園地主要為果園、茶園和桑園。
1.2 調查內容
1.2.1 種植業源 種植業源調查包括各鄉(鎮)種植業基本情況普查和農戶典型地塊抽樣調查。各鄉(鎮)基本情況普查內容主要為各鄉(鎮)各類種植模式及面積。農戶典型地塊按農戶數量0.8%的比例抽取,調查內容包括地塊基本情況、肥料和農藥施用情況、秸稈產生和利用情況。根據種植業污染物產、排系數和各類種植模式面積及比例計算各鄉(鎮)各類污染物流失總量。調查基準年為2007年,調查數據均為2007年的數據。
1.2.2 畜禽養殖業源 對于達到規?;B殖的畜禽養殖場和畜禽養殖專業戶全面調查(表1)。調查內容包括畜禽養殖種類、存欄量、出欄量、飼養周期及清糞方式等。根據畜禽存(出)欄量和各類污染物產、排系數計算出各類污染物產、排總量。
1.2.3 水產養殖業源 對池塘養殖面積在0.33 hm2以上、工廠化養殖水體體積1 500 m3以上的養殖專業戶以及規模化水產養殖場全部進行調查。調查內容包括水產養殖種類、養殖模式、養殖面積、投入品用量及水體交換情況等。根據水產養殖規模和各類污染物產、排系數計算出各類養殖水體的污染物產、排總量。
1.2.4 農村生活源 根據調查獲知,丹江口庫區地形地貌、氣象條件和經濟水平均與三峽庫區較為相似,利用已知的三峽庫區農村生活源污染物產、排系數,結合丹江口庫區湖北水源區各鄉(鎮)的人口數,計算出該區各鄉(鎮)的生活垃圾、生活污水以及其中的污染物產生和排放情況。
1.3 污染物負荷計算及評價方法
1.3.1 污染物計算與匯總 將各個調查對象的調查結果錄入到專用軟件中,導入各類污染物的產、排系數,計算出每個調查對象的各類污染物產生和排放量,匯總后得到各鄉(鎮)不同來源污染物的產生和排放總量。
1.3.2 等標污染負荷量的評價方法 為了便于評價各種來源的不同類型污染物的排放可能造成的庫區水體富營養化污染風險,采用了富營養化污染負荷等當量計量方法[14,15],其原理是根據相同質量的污染物對水體富營養化的相對貢獻大小(當量系數)進行計量匯總,以PO43-為基準物質,不同污染物的當量系數[16]見表2。
2 結果與分析
2.1 丹江口庫區湖北水源區農業面源污染現狀
2.1.1 農業固體廢棄物及農業污水 調查結果表明,丹江口庫區湖北水源區農業固體廢棄物的產生總量為62.55萬t,其中各類農作物秸稈43.70萬t,占農業固體廢棄物產生總量的69.86%,是最大的潛在固體廢棄物污染來源;其次是農村生活垃圾,產生量為15.89萬t,占25.40%;最少的是畜禽養殖業廢棄物2.96萬t,占4.74%(表3)。農業污水產生總量(不包括農田地表徑流)為992.66萬m3,其中農村生活污水618.69萬m3,占農業污水產生總量的62.33%;水產養殖業污水362.01萬m3,占36.47%;畜禽養殖業污水11.96萬m3,占1.20%。農業污水排放總量為262.94萬m3,其中農村生活污水排放量189.34萬m3,占農業污水排放總量的72.01%;水產養殖業污水排放量66.36萬m3,占25.24%;畜禽養殖業污水排放量7.24萬m3,占2.75%。因此,丹江口庫區湖北水源區防控農業固體廢棄物污染的重點是農作物秸稈的資源化利用和農村生活垃圾的處理,控制農業污水排放的重點是農村生活污水的無害化處理與利用。
2.1.2 污染物排放總量 調查結果表明,丹江口庫區湖北水源區農業面源3種主要污染物TN、TP、COD的產生總量分別為2 066.93、240.93和
16 540.18 t;TN、TP、COD的排放總量分別為1 432.28、161.83和4 546.65 t。從TN和TP的排放總量來看,種植業源是該區域的主要污染源,其TN、TP排放量分別占農業面源TN、TP排放總量的71.77%和52.47%;對COD而言,農村生活源則是該區域的主要污染源,其產生和排放量分別占農業面源COD產生和排放總量的58.84%和64.97%(表4)。
2.2 不同來源的污染物產生和排放現狀分析
2.2.1 種植業源 研究區種植業源主要污染物為農田土壤N、P的流失和未充分利用的秸稈。調查結果表明,研究區種植業氮肥施用總量為3.50萬t(N),磷肥施用總量為1.48萬t(P2O5)。與十堰市和湖北全省氮、磷肥施用情況相比,區域內年平均單位面積施肥量低于十堰市和全省平均水平(圖1)。
研究區農田TN年平均流失量為12.98 kg/hm2,TP年平均流失量為1.07 kg/hm2。TN主要是以地表徑流的方式流失,占年平均流失量的89.95%。分析施肥對農田TN、TP的影響,當年施肥造成TN和TP的流失量分別占農田流失總量的34.29%和51.66%(表5)。對TN流失而言,土壤本底的流失量占主要的部分,因此控制農田N、P的流失,除了減少不合理的施肥外,還應綜合考慮增加地表覆蓋、減少擾動土壤的耕作措施、橫坡種植等減少地表徑流發生的農藝措施。
研究區產生的43.70萬t農作物秸稈中,5.57萬t在田間被焚燒,1.62萬t秸稈隨意丟棄,二者占秸稈產生總量的16.5%(圖2)。秸稈在田間焚燒會產生大氣污染,也浪費大量的有機質;隨意丟棄的秸稈腐解后產生的有機質、礦質營養物質等進入農田周邊水體,帶來潛在的環境風險。
2.2.2 畜禽養殖業源 研究區畜禽養殖業總體規模為:生豬出欄量3.60萬頭,肉牛出欄量113.00萬頭,蛋雞存欄量21.05萬只,肉雞出欄量201.01萬只,經濟總產值為1.392億元。畜禽養殖業產生畜禽糞便2.96萬t、尿液2.03萬m3、污水11.96萬m3。TN、TP和COD的產生量分別為492.52、66.20和6 571.40 t,分別占農業面源污染物各自產生總量的23.83%、27.48%和39.73%;TN、TP和COD的排放量分別為116.55、25.07和1 386.55 t,分別占農業面源污染物各自排放總量的8.14%、15.49%和30.50%。若考慮將畜禽養殖業產生的糞便和尿液全部施用于當地的農業用地,則研究區農業用地的畜禽糞便和尿液消納強度分別為373.81和256.35 kg/hm2(表6),總體消納強度為十堰市平均水平的56.19%,約為全省平均水平的21.00%。該區域為環境敏感區域,應合理控制畜禽養殖的規模,大力推進健康養殖,增加糞便與污水的處理設施,確保污染物的零排放。
2.2.3 水產養殖業源 研究區水產養殖總面積
1 893.93 hm2,當年共投放親本魚苗及種苗1 396.78 t,養殖總產量7 879.83 t,養殖增產量6 483.05 t。養殖投入品總量4 988.83 t,其中飼料使用量4 797.66 t,肥料投入量173.19 t,藥物投入量17.98 t。TN、TP和COD的產生量分別為175.67、33.73和237.12 t,分別占農業面源污染物各自產生總量的8.50%、13.99%和1.43%;TN、TP和COD的排放量分別為172.49、33.15和206.33 t,分別占農業面源污染物各自排放總量的12.04%、20.48%和4.54%。水產養殖對庫區水體水質有著直接、迅速的影響,需要更為嚴格的規模控制,提倡采用池塘生態養殖等養殖模式。
2.2.4 農村生活源 研究區31個鄉(鎮)的農村人口總數為85.36萬,農村生活垃圾和污水產生總量分別為15.89萬t和618.69萬m3,排放總量分別為12.15萬t和189.34萬m3。TN、TP和COD的產生量分別為370.78、56.08和9 731.66 t,分別占農業面源污染物各自產生總量的17.94%、23.28和58.84%;TN、TP和COD的排放量分別為115.28、18.69和
2 953.77 t,分別占農業面源污染物各自排放總量的8.05%、11.55%和64.97%。區域內農村生活垃圾與生活污水的處理不僅關系到當地農村居民居住的環境質量,對水源區的水質也有很大的影響。
2.3 研究區農業面源污染負荷評價
2.3.1 主要污染物 按等標污染負荷法計算,研究區水體富營養化等標污染總負荷為1 196.78 t PO43-,其中TN、TP和COD的等標污染負荷分別為601.56、495.2和100.03 t PO43-,所占比例分別為50.26%、41.38%和8.36%,這表明TN的排放所帶來的等標污染負荷最大,COD的排放所帶來的等標污染負荷最?。ū恚罚?。TN是該區域內的主要污染物,也是防控的重點。
2.3.2 主要污染源 分析農業面源污染不同來源所有污染物的等標污染負荷,種植業源、水產養殖業源、畜禽養殖業源和農村生活源的等標污染負荷分別為691.60、178.43、156.16和170.59 t PO43-,所占比例分別為57.79%、14.91%、13.05%和14.25%,種植業源污染物排放所帶來的等標污染負荷最大,畜禽養殖業源污染物排放所帶來的等標污染負荷最小。種植業源為農業面源污染的主要污染物來源,因此該區域農業面源污染防控的重點在種植業源。在種植業源中,TN和TP的等標污染負荷分別占研究區等標污染總負荷的36.08%和21.71%,種植業源的N、P流失是研究區水體富營養化污染風險的最主要構成因子。
3 結論
通過對研究區31個鄉(鎮)的農業面源污染進行綜合調查,采用產污系數法、排污系數法測算。結果表明,該區域內農業固體廢棄物的產生總量為62.55萬t;各類農業污水產生總量(農田地表徑流除外)為992.66萬m3,排放總量為262.94萬m3;農業面源主要污染物TN、TP、COD的產生量分別為
2 066.93、240.93和16 540.18 t;TN、TP、COD的排放量分別為1 432.28、161.83和4 546.65 t。
采用等標污染負荷法對該區域農業面源污染進行分析與評估。結果表明,該區域內,農業面源主要污染物的富營養化等標污染總負荷為1 196.78 t PO43-;種植業源、水產養殖業源、畜禽養殖業源和農村生活源所占比例分別為57.79%、14.91%、13.05%和14.25%,種植業源為該區域農業面源污染的主要來源。幾種主要污染物中,TN、TP和COD的等標污染負荷占等標污染總負荷的比例分別為50.26%、41.38%和8.36%,TN為最主要的污染物。種植業源的TN、TP等標污染負荷分別占農業面源等標污染總負荷的36.08%和21.71%,種植業源的N、P流失是庫區水體富營養化污染風險的主要構成因子。因此,該區域農業面源污染防控的重點是農田N、P的流失,除控制N、P的不合理施用外,還應該綜合考慮肥料的施用方法、增加農田地表覆蓋、合理耕作、橫坡種植等多種農藝措施。
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