飲用水源保護區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染評價

摘要：面源污染由于涉及范圍廣、控制難度大，目前已成為影響水體環(huán)境質(zhì)量的重要污染源。平山縣是河北省石家莊市地表水源保護區(qū)所在地，水體質(zhì)量保護尤為重要。針對石家莊市平山縣面源污染的現(xiàn)狀調(diào)查，采用流失系數(shù)法、排泄系數(shù)法、人均產(chǎn)污系數(shù)法，分別對農(nóng)田徑流、畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)村生活產(chǎn)生的面源污染潛在負荷容量進行了計算；對農(nóng)田徑流污染空間分異評價；最后將HJ-1遙感影像解譯，進行了農(nóng)田徑流污染與土地利用關系研究。研究結果表明：平山縣畜禽養(yǎng)殖為主要的污染源；平山縣總氮污染潛在負荷量從平山縣西側向東側逐漸增加，其主要分布在平山鎮(zhèn)、回舍鎮(zhèn)和崗南鎮(zhèn)，而分布在崗南水庫周圍的西柏坡鎮(zhèn)和孟家莊鎮(zhèn)總氮污染負荷較小；平山縣主要以低矮灌木級草地和林地為主，耕地分散，主要集中在縣域東側，是引起農(nóng)田徑流的主要原因。從畜禽養(yǎng)殖方面入手，實行畜禽糞便無害化、資源化利用，是解決畜禽糞便污染的根本措施。本研究為河北省太行山山區(qū)乃至全國山區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染評價提供思路，為平山縣農(nóng)業(yè)面源污染治理提供理論基礎。

關鍵詞：飲用水源保護區(qū)；面源污染；潛在負荷容量；空間分異；土地利用

中圖分類號： X144；X71 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2014）07-0360-04

收稿日期：2013-10-29

基金項目：河北省自然科學基金（編號：D2010001952）；河北省科技計劃（編號：2237126D-3）。

作者簡介：劉征（1979—），女，河北邯鄲人，碩士，講師，主要從事生態(tài)環(huán)境遙感研究。E-mail：liuzheng111_1979@163.com。

通信作者：趙旭陽，男，河北井陘人，教授，主要從事區(qū)域研究與開發(fā)研究。E-mail：log2008@163.com。面源污染（non- point source pollution，NPSP）也稱非點源污染，是指溶解的和固體的污染物在降水或融雪的沖刷作用下，從非特定地點通過徑流過程匯入受納水體（包括河流、湖泊、水庫和海灣等）并引起有機污染、水體富營養(yǎng)化或有毒有害等其他形式的污染[1]。美國《清潔水法修正案》對面源污染的定義為：污染物以廣義的、分散的、微量的形式進入地表或地下水體。面源污染成為國際環(huán)境問題研究的主流領域，而農(nóng)業(yè)面源污染是目前水體污染中最大的問題之一[2-6]。目前我國農(nóng)業(yè)面源污染問題非常嚴峻，已經(jīng)給水體、土壤和空氣帶來了日益嚴重的危害[7]。

國外面源污染研究起步于20 世紀60年代。美、英、日等一些發(fā)達國家率先開展面源污染研究，20世紀70年代以后在世界各地逐漸受到重視。20世紀80年代，農(nóng)業(yè)面源污染研究蓬勃發(fā)展。到20世紀90年代，新的污染物成為研究熱點。尤以美國研究面源污染的歷史較長，是世界上少數(shù)幾個對點源和面源污染進行全國性系統(tǒng)控制研究的國家之一[8-9]。我國的面源污染研究始于20世紀80年代的湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查，真正意義上的面源污染研究是北京城市徑流污染研究，之后相繼在上海、杭州、蘇州、長沙、南京、成都等城市開展了城市面源污染研究[9-11]；與此同時，農(nóng)村面源污染研究先后在于橋水庫、珠海前山河流域、滇池、太湖、巢湖、晉江流域、東江流域等地方開展[12-13]。目前我國還沒有自主的系統(tǒng)技術，處于分散的嘗試引入國外特別是美國模型的階段。20世紀90年代以來，農(nóng)藥、化肥污染的宏觀特征、影響因素研究和黑箱經(jīng)驗統(tǒng)計模型模式在農(nóng)業(yè)面源污染研究中占據(jù)了重要地位。將面源污染負荷模型與3S（GIS、GPS、RS）技術結合，與水質(zhì)模型對接用于流域水質(zhì)管理成為面源研究的新生長點。目前我國的面源污染往往局限于狹義的面源污染研究；研究內(nèi)容涉及面源污染負荷評價、模型介紹及模型與GIS結合技術等；研究參與人員極少，且存在階段性和孤立性，還未形成體系，更未深入到管理、政策的研究[14]。

本研究針對石家莊市飲用水源保護區(qū)平山縣面源污染的現(xiàn)狀調(diào)查，采用流失系數(shù)法、排泄系數(shù)法、人均產(chǎn)污系數(shù)法，分別對農(nóng)田徑流、畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)村生活產(chǎn)生的面源污染潛在負荷容量進行計算和評價，分析其空間分布特征，與土地利用情況進行相似性分析，并提出合理建議。

1材料與方法

1.1數(shù)據(jù)源

考慮到影像的可獲得性、影像本身的質(zhì)量和文章的創(chuàng)新性，本研究所采用的數(shù)據(jù)主要為研究區(qū)2010年中國環(huán)境一號衛(wèi)星遙感影像。遙感影像成像時間為2010年7月15日，分辨率均為30 m。輔助資料為石家莊市2010年Landsat ETM遙感影像、地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)共享網(wǎng)2005年已分類矢量數(shù)據(jù)、石家莊市2000年地形圖和石家莊地區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖，并結合2010年5月實地勘察和調(diào)研數(shù)據(jù)；查閱平山縣2000年年鑒，國家環(huán)保總局推薦的畜禽排泄系數(shù)和城鎮(zhèn)生活源產(chǎn)排污系數(shù)手冊等相關資料；采用現(xiàn)場調(diào)查，調(diào)查統(tǒng)計平山縣的化肥施用情況，以及糞便、污水產(chǎn)生和處理情況。

1.2研究方法

1.2.1農(nóng)業(yè)面源潛在負荷計算

1.2.1.1農(nóng)田徑流污染潛在負荷 在農(nóng)田種植業(yè)方面，采用流失系數(shù)法估算化肥產(chǎn)生農(nóng)田徑流的面源污染潛在負荷。由過量施用化肥所導致的農(nóng)田徑流總氮、總磷潛在負荷按下述公式進行計算：

總氮（總磷）潛在負荷=氮（磷）施用（折純）量×化肥流失系數(shù)（1）

根據(jù)國家環(huán)保部污染源普查推薦數(shù)據(jù)，選取研究區(qū)的不同種植作物的地下淋溶和地表徑流定位監(jiān)測點數(shù)據(jù)。氮、磷肥料的流失系數(shù)：夏收糧食、秋收糧食氮地表徑流系數(shù)為095，磷為 0.38；棉花、油料氮地表徑流系數(shù)為0.95，磷為0.38；蔬菜氮地表徑流系數(shù)為0.67，磷為0.44。

1.2.1.2畜禽養(yǎng)殖污染潛在負荷本研究使用排泄系數(shù)法進行計算畜禽養(yǎng)殖污染潛在負荷。由畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的污染物潛在負荷量計算公式如下：

畜禽養(yǎng)殖污染物潛在負荷量=畜禽養(yǎng)殖數(shù)×污染物排泄系數(shù)×糞便中污染物平均含量×未處理糞便的比例（2）

采用國家環(huán)境保護總局自然生態(tài)保護司編寫的《全國規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染情況調(diào)查及防治對策》中推薦的畜禽糞便排泄系數(shù)及畜禽糞便中污染物平均含量（表1）。

2.2平山縣面源污染潛在負荷

農(nóng)業(yè)面源污染的主要原因有農(nóng)作物污染、畜禽糞便污染和農(nóng)村生活產(chǎn)生的垃圾3方面。針對平山縣農(nóng)業(yè)面源污染的實際情況，本研究確定化學需氧量（COD）、氨氮、總氮和總磷為研究的主要污染影響因子。由于農(nóng)田徑流產(chǎn)生的COD和氨氮含量幾乎為零，可以忽略不計，僅計算農(nóng)田徑流產(chǎn)生的總氮和總磷。

2.2.1農(nóng)田徑流污染潛在負荷化肥中復合肥的氮、磷含量，依據(jù)調(diào)查結果按復合肥折純量的50%、30%計算，將復合肥中氮、磷與平山縣氮肥、磷肥施用量累加，計算出平山縣氮肥、磷肥施用量。平山縣氮肥平均施用量435 kg/hm2，磷肥平均施用量114 kg/hm2。化肥施用量要求按折純量計算數(shù)量。折純量是指把氮肥、磷肥、鉀肥分別按含氮、含五氧化二磷、含氧化鉀的百分之一百成分進行折算后的數(shù)量。本研究通過計算定義折純量為1.1236%。根據(jù)公式（1）計算得出平山縣農(nóng)田徑流面源污染潛在負荷，見表3。

2.2.2畜禽養(yǎng)殖污染潛在負荷平山縣畜禽養(yǎng)殖糞便產(chǎn)生量見表2，根據(jù)調(diào)查，平山縣畜禽糞便的未處理率為40%。依據(jù)公式（2），計算平山縣畜禽養(yǎng)殖面源污染潛在負荷見表3。

表2平山縣畜禽養(yǎng)殖糞便產(chǎn)生量

類型產(chǎn)生量（t）豬牛羊雞鴨糞37.56154.765.507.300.46尿61.9776.749.08

2.2.3農(nóng)村生活污染潛在負荷根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研情況，除去在排放過程中蒸發(fā)、滲漏以及跟隨人糞尿用于沼氣制造外，平山縣未處理的生活污水比例為90%。依據(jù)公式（3），計算出平山縣農(nóng)村生活面源污染潛在負荷，見表3。

表3污染因子污染潛在負荷量匯總t

類別COD氨氮總氮總磷農(nóng)田徑流2.610.12畜禽養(yǎng)殖13.091.172.560.82農(nóng)村生活1.640.400.500.04合計12.031.575.670.99

在各污染因子中，COD污染潛在負荷量較大，在COD負荷量組成方面，以畜禽養(yǎng)殖為主。由于平山縣鼓勵畜禽養(yǎng)殖業(yè)，各類畜禽的養(yǎng)殖量逐年增加，豬是平山縣重點扶植的養(yǎng)殖種類。同時從畜禽糞便污染含量的分析上看，豬的糞便污染含量最高，豬養(yǎng)殖量增加帶動平山縣全縣畜禽養(yǎng)殖所產(chǎn)生的糞便量也大幅增長；農(nóng)村生活污染負荷量方面，由于農(nóng)村人口平穩(wěn)增長，而且隨著農(nóng)村城鎮(zhèn)化，農(nóng)業(yè)人口會維持在相對穩(wěn)定的水平甚至還會下降，因此農(nóng)村生活產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)面源污染基本穩(wěn)定或略有下降趨勢。氨氮的污染潛在負荷容量仍以畜禽養(yǎng)殖為主。

在各污染源總氮、總磷潛在負荷量比例方面，以農(nóng)田徑流和畜禽養(yǎng)殖為主，農(nóng)村生活所占的比例較小。農(nóng)田徑流產(chǎn)生農(nóng)業(yè)面源污染負荷量受耕地面積與化肥施用量雙重影響。由于平山縣鼓勵畜禽養(yǎng)殖業(yè)，畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的總氮潛在負荷量也占主要地位。

2.3平山縣農(nóng)田徑流污染空間分異評價

查閱平山縣年鑒，得到平山縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)夏糧、秋糧、棉花、油料、蔬菜的播種面積，采用流失系數(shù)法，計算得到各鄉(xiāng)鎮(zhèn)總氮、總磷污染潛在負荷量，采用GIS軟件，得到總氮、總磷污染負荷分布如圖2、圖3所示。

3結論與討論

土地利用及多樣性導致生物地球化學循環(huán)、水文過程和景觀動態(tài)過程的變化，土地利用管理的變化影響著農(nóng)業(yè)面源污染。

平山縣農(nóng)業(yè)面源污染在COD負荷量和氨氮負荷量組成方面，以畜禽養(yǎng)殖為主；在總氮、總磷污染潛在負荷量組成方面，農(nóng)村徑流和畜禽生活占主要地位；從3種農(nóng)業(yè)面源污染來源來看，畜禽養(yǎng)殖為主要的污染源。

平山縣總氮污染潛在負荷量從平山縣西側向東側逐漸增加，主要分布在平山鎮(zhèn)、回舍鎮(zhèn)和崗南鎮(zhèn)，而分布在崗南水庫周圍的西柏坡鎮(zhèn)和孟家莊鎮(zhèn)總氮污染負荷較小。

平山縣主要以低矮灌木及草地和林地為主，耕地分散，主要集中在縣域東側，是引起農(nóng)田徑流的主要原因。林地的擴大使土壤侵蝕減少，進一步降低農(nóng)田污染物徑流量。

從畜禽養(yǎng)殖方面入手，實行畜禽糞便無害化、資源化利用，是解決畜禽糞便污染的根本措施。加強源頭管理、過程監(jiān)控及提高糞便及污水處理設施普及率和使用率，有助于從整體上減少平山縣農(nóng)業(yè)面源污染。

參考文獻：

[1]郭鴻鵬，朱靜雅，楊印生. 農(nóng)業(yè)非點源污染防治技術的研究現(xiàn)狀及進展[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2008，24（4）：290-295.

[2]Thomasi T，Segerson K，Braden J. Issues in the design of incentive schemes for nonpoint source pollution control[J]. Nonpoint Source Pollution Regulation：Issues and Analysis Economics，Energy and Environment，1994，3：1-37.

[3]肖新成，何丙輝，倪九派，等. 農(nóng)業(yè)面源污染視角下的三峽庫區(qū)重慶段水資源的安全性評價——基于DPSIR框架的分析[J]. 環(huán)境科學學報，2013，33（8）：2324-2331.

[4]Mrian W H. Environmental policies[J]. Environmental and Resource Economics，2001，20：1-26.

[5]Helfand G E，House B W. Regulating nonpoint source pollution under heterogeneous conditions[J]. American Journal of Agricultural Economics，1995，77（4）：1024-1032.

[6]James S S，Richard D H，David G A. Research issues in nonpoint pollution control[J]. Environmental and Resource Economics，1998，11（3/4）：571-585.

[7]尚麗麗. 農(nóng)業(yè)面源污染研究的文獻綜述[J]. 農(nóng)村經(jīng)濟與科技，2012，23（2）：13-16.

[8]黃紹平，姚月華，吳常青，等. 我國農(nóng)業(yè)面源污染研究進展[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2011（11）：264-265.

[9]張維理，冀宏杰，Kolbe H，等. 中國農(nóng)業(yè)面源污染形勢估計及控制對策Ⅱ. 歐美國家農(nóng)業(yè)面源污染狀況及控制[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學，2004，37（7）：1018-1025.

[10]張維理，武淑霞，冀宏杰，等. 中國農(nóng)業(yè)面源污染形勢估計及控制對策 Ⅰ. 21世紀初期中國農(nóng)業(yè)面源污染的形勢估計[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學，2004，37（7）：1008-1017.

[11]Jameison D G，F(xiàn)edra K. The “water ware” decision support system for river basin planning：Conceptual design of hydrology[J]. Journal of Hydrology，1996（177）：163-175.

[12]Winlge W，Illiam L，Poeter E，et al. UNCERT：geostatistics，uncertainty analysis and visualization software applied to groundwater flow and contaminant transport modeling[J]. Computers Geosciences，1999，25（4）：365-376.

[13]Sovan L，Mrritxu G，Jeanluc G. Predicting stream Nitrogen concentration from watershed featuresusing neuralnet works[J]. Water Research，1999，33（16）：3469-3478.

[14]鄧雄. 農(nóng)業(yè)非點源污染的研究進展、存在的問題及發(fā)展[J]. 中山大學學報：自然科學版，2007，46（增刊）：244-247.