湖泊流域種植系統磷流特征及影響分析

武慧君　丁雪凱　魏芳雪　趙大慶　張敏明

摘 要：湖泊流域中農業種植排放的磷污染是水體富營養化的主要污染來源。通過物質流分析方法，建立湖泊流域農業種植系統的靜態磷物質流分析模型，并以巢湖流域為例，運用模型系統地量化并分析了2006年流域農業種植系統中的種子、化肥、農藥、糞便、作物、秸稈等含磷物質的代謝過程。結果表明，系統對水體磷貢獻為20.84 kg/畝，其中畜禽糞便還田和化肥施用是造成水體磷污染的主要原因，其含磷量分別占系統磷總輸入量的74.68%和15.07%，并提出防治畜禽養殖污染和提高磷肥施用效率等減少系統對水體磷污染的主要措施。研究為高效控制農業面源污染，尋找治理水體富營養化的新途徑提供依據。

關鍵詞：富營養化；農業種植系統；磷；物質流分析；湖泊流域

中圖分類號：X323 文獻標志碼：A 文章編號：1672-1098（2014）03-0016-05

磷是農作物生長所需要的重要元素，而農田地表徑流及排水中磷素的流失加劇了附近水體的富營養化進程與程度。農業種植系統磷流分析作為理解磷養分在農田系統中循環周轉的有效手段，反映了磷養分利用效率、磷素向環境遷移數量以及磷素管理的優劣等磷素與環境問題，近年來成為評價磷養分投入是否合理、農業可否持續發展、環境效益是否最佳的一個重要指標。國內外對農業生態系統中氮流的研究較多[1-5]， 而對磷的研究較少。因此建立一個農業種植系統磷流模型，對農業種植系統的整體結構優化、生態效率提升以及周邊水體環境改善具有重要作用。

物質流分析是一種刻畫和理解特定物質（通常為元素、化學化合物或一類物質等）在由一定的時間和空間組成的特定系統內流動狀況的分析工具[6-7]。作為產業生態學領域內的一種重要分析工具，它遵循物質守恒定律，通過量化某一物質或某一類物質流入、流出特定系統和在該系統內部的流動和貯存狀況，從而建立該系統內經濟與環境之間的定量關系。本研究通過物質流分析方法建立農業種植系統磷流分析模型，并以巢湖流域為例運用模型對巢湖流域農業種植系統中的農藥、肥料、作物、秸稈等含磷物質進行了磷元素流量分析，識別出巢湖流域農業種植系統中磷流的結構特征以及對水體環境影響的負荷，為控制農業面源污染、水體富營養化治理提供依據。

1 研究方法

1.1 框架構建

考慮到目前經濟和環境統計數據稀缺的條件下，開發動態的磷物質流循環模型具有較大難度，本研究提出建立靜態的農田磷物質流流分析模型。建立靜態農業種植系統磷流分析模型的基本原理是物質衡算即：“輸入=輸出+積累”。從長期來看，農業種植系統中的積累部分即作物生長和土壤養分吸收以及土壤徑流之間是達到一種平衡的，這樣農業種植系統中的物質流才得以平衡和繼續，為此假設農田磷流系統處于一種穩定狀態，則農田系統中的物質衡算公式就可以簡化為：“輸入=輸出”。

模型建立首先應根據研究對象農業種植系統的經濟屬性、環境屬性以及研究目的，概化和定義磷流系統邊界與結構框架。而農業種植系統是人類為了滿足生存需要，依靠土地資源，以作物生長為中心，通過播種、施肥等活動促進農作物的生長繁殖來獲得產品物質而形成的半自然人工生態系統，即是由農作物及其周圍環境構成的物質轉化和能量流動系統[8]。其中農田輸入主要包括種子播種、化肥和農藥施用、人類和畜禽糞便作肥、秸稈還田，輸出主要包括農產品生產、秸稈產出和農田排水，不涉及由于風蝕、水蝕、底泥釋放等自然因素引起的物質流過程，分析框架見圖1。在輸入項以及農產品和秸稈輸出項可以計算的前提下，通過物質守恒原則，可以得出輸出項中的農田排水量，進而為識別農業種植系統中排水的磷含量以及對水體的污染提供依據。

農田系統中磷的輸入包括種子、化肥、農藥、人類糞便、畜禽糞便和還田秸稈，磷的輸出包括農產品、秸稈和排水。在計算中，將各輸入輸出的量折算為磷的數量。計算公式如下：

1） 種子。種子主要包括糧食作物（指稻谷、小麥、玉米、谷子、高粱等谷物，大豆等豆類作物，薯類作物）、油料作物（指花生、油菜籽、芝麻等）和棉花等，其中蔬菜瓜果、麻類、糖料、煙葉、藥材、茶葉等作物一方面種子用量很少而且含磷量較低，故在此忽略不計。種子含磷量計算公式為

4） 糞便。糞便主要包括農村居民糞便和畜禽糞便，根據農村糞便還田情況，假設農村居民和畜禽的糞便全部還田作肥。另外需要說明的是，本研究中畜禽主要考慮豬、牛、羊和家禽四類，其中家禽主要是雞、鴨、鵝，而由于馬、驢、騾、兔等其他動物的養殖數量遠小于上述四類，其磷排泄總量占總量也非常小，因此模型中對此不予考慮。糞便含磷量計算公式為

5） 農作物。農作物中的麻類、糖料、煙葉、藥材、茶葉等作物一方面產量一般較少而且含磷量比較低，故在此忽略不計，主要計算糧食作物、油料作物、棉花和蔬菜瓜果的含磷量，計算公式為

式中：Pc為農作物含磷量，Cci （i=1，2，3，4）分別為糧食作物、油料作物、棉花和蔬菜瓜果的產量，pci （i=1，2，3，4）分別為糧食作物、油料作物、棉花和蔬菜瓜果的含磷率。

6） 秸稈。作為農業種植系統的輸出部分，農作物收獲后產生的秸稈還有一部分焚燒或棄置還田，從而又成為系統一部分輸入，因為秸稈部分不僅要計算出農作物秸稈產生量，還要計算出秸稈還田量，秸稈產生量可以通過作物產量乘以其草谷比（即作物產量與其秸稈比例）求得，而秸稈還田量可以通過秸稈量乘以秸稈還田率求得。注意，農產品中的蔬菜瓜果與糖類的秸稈忽略不計。為此，作為系統輸出部分的秸稈含磷量為

式中：Pt為秸稈含磷量，rti （i=1，2，3）分別為糧食作物、油料作物和棉花的草谷比，pti （i=1，2，3）分別為糧食作物、油料作物和棉花的秸稈的含磷率。

根據湖泊流域農業種植系統磷流分析框架，結合公式（6）得作為系統輸入部分的秸稈含磷量為

1.3 數據來源endprint

各類農作物種植面積和產量，農藥、化肥用量，禽畜生產及農村人口等基礎數據來自《2007年安徽農村經濟統計年鑒》和《2007年安徽省統計年鑒》，基準年為2006年，計算公式中的其他參數來源見表1，最后計算結果按每畝磷含量進行比較。

2. 目前國內生產農藥的廠家約2000家，其中原藥生產企業300多家，年生產能力萬噸以上的品種主要有樂果、對硫磷、辛硫磷、水胺硫磷等（其中磷含量分別5.9%、5.4%、5.2%、4.7%），所以取有機磷農藥的平均磷含量為5%。在我國的農藥產品中，殺蟲劑占農藥總產量的70%，在殺蟲劑中有機磷產量占70%，本文認為研究區域不同農藥的使用比例與全國不同農藥的生產比例基本相同，故取有機磷農藥占全部農藥施用量的50%，即農藥含磷以2.5%計。

3. 畜禽糞便的日排泄量與品種、體重、生理狀態、飼料組成和飼喂方式等均相關，我國目前尚沒有相應的國家標準，根據相關文獻，再結合實際取折中值確定各種畜禽新鮮糞便的排泄系數。

2 區域概況

巢湖位于安徽省中部，是我國著名的五大淡水湖之一。巢湖流域總面積1.35萬 km2，流域涵蓋合肥、肥西、舒城、肥東、居巢、含山、和縣、廬江、無為等九個縣（市）。巢湖流域是安徽省人口最密集的地區之一，其人口965.89萬，共253.22萬戶。其中合肥市是安徽省政治、經濟、文化的中心。巢湖流域農業經濟水平較高，是安徽省糧食、水禽和魚類等主要產地之一，農業種植作物主要有水稻、油菜、棉花、小麥、大豆、薯類、花生、蔬菜等。巢湖目前是我國水體富營養化程度最嚴重湖泊之一，2006年巢湖12個環湖河流監測斷面中，1個水質為Ⅲ類，5個為Ⅳ類，6個為劣Ⅴ類。近年來非點源入湖污染負荷貢獻率已超過70%[9]，農田是農業面源污染物的重要來源，其中農田排水中的磷流失起主要作用。

3 結果與討論

3.1 系統磷輸入

巢湖流域農田輸入主要包括作物種子播種、化肥和農藥施用、人類和畜禽糞便作肥和秸稈還田，根據農業種植系統模型及參數計算，得2006年巢湖流域農田系統磷輸入總量為48.77 kg/畝，其中畜禽糞便還田對系統磷輸入貢獻最大，占系統磷輸入總量的74.68%。其次為化肥，其含磷量占磷輸入總量的15.07%。結合流域農業種植磷流分析模型知，畜禽糞便還田和化肥施用亦是導致農田對水體磷排放主要原因。巢湖流域農業種植系統各含磷輸入項分配情況如圖2所示。

3.2 農田系統磷輸出

巢湖流域農田系統輸出主要包括農作物生產、秸稈產出和農田排水，其中農作物生產和秸稈產出根據農業種植系統模型及參數計算得巢湖流域農田系統磷輸出，而農田排水通過“輸入=輸出”平衡計算得出。總結前面所得數據，得到2006年巢湖流域農業種植系統對水體排磷總量為20.84 kg/畝，結合前面計算知，巢湖流域農業種植系統中的農產品和秸稈兩項磷輸出量分別為16.0 kg/畝和4.84 kg/畝，則該系統排水含磷量為27.93 kg/畝。

3.3 分析與建議

2006年巢湖流域農業種植系統對水體磷貢獻為20.84 kg/畝。從系統磷流結構上看，農田磷輸入部分中的畜禽糞便磷輸入最大，約36.42 kg/畝，占74.68%；其次為化肥磷輸入，約7.35 kg/畝，占15.07%。根據調研發現，巢湖流域內尤其肥西縣畜禽規模養殖企業較多，畜禽排便量較大，而養殖企業的廢物處理設施落后，企業人員的污染治理意識也淡薄，糞便除了大部分還田作肥外，還有相當一部分直接排入水體，對水體貢獻明顯；另外，近年來巢湖流域過快的人口增長及城市化、交通道路設施建設的加快導致人均土地資源占有量快速下降，人地矛盾突出。為緩解人口增長與糧食需求之間的矛盾，提高耕地作物產量，于是被迫提高復種指數，大量施用化肥農藥，甚至有的地方毀林開荒。同時，由于農田耕作方式傳統落后且缺乏有效的管理措施，化肥利用率很低，且大部分隨地表徑流流入水體，產生較大水體負荷。而在系統磷輸入中，種子和農藥磷輸入最小，分別為0.2 kg/畝和0.16 kg/畝，占磷輸入總量的0.41%和0.33%，主要是由于種子施用量較少且其含磷率本身都較低，另外目前國家對有機磷農藥的比例及其含磷率都有嚴格限制，因此導致種子和農藥的磷含量對系統磷輸入貢獻最小。

針對以上結果分析，為提高巢湖流域農業種植磷資源利用效率，并減少對水體的磷污染，本研究提出：

1） 強化規模養殖管理，控制畜禽養殖業的發展速度，實施生態養殖。政府應控制畜禽養殖發展速度，并為養殖企業提供資金和技術支持，加強對規模養殖的環境管理。湖泊周圍劃定畜禽禁養區，禁養區內嚴禁新建畜禽養殖場，已建的畜禽養殖場要限期搬遷或關閉。企業應加強廢物處理設施建設，對員工開展環境保護教育培訓，實現規模養殖畜禽糞便集中處理，制定懲罰措施杜絕畜禽糞便未經處理直接排放進入溝渠、河道和湖體。同時，規模化畜禽養殖場要抓緊治污改造，加強綜合利用，確保實現達標排放。另外，建設一批規模化畜禽養殖場污染治理示范工程，如開發對畜禽糞便資源化綜合利用，如生產沼氣、水產飼料等。

2） 突出農業面源治理，減少流域化肥的施用量，發展生態農業。當地部門應開展生態農業示范，推廣高效有機肥的使用，優化肥料結構并降低磷肥施用量；當地政府和農技人員應引導農民進行高效施肥，加大農業施肥的科技投入，積極改善磷肥施用技術，采用先進的節水灌溉技術，確保因時、因地、因作物需求平衡施肥，提高灌溉用水以及磷肥的利用效率，從而減少化肥的施用量，減少農業種植過程的磷污染。科學進行土地利用區劃，采取適宜的土地利用方式，如將不宜植稻區改為旱作，減少土壤含磷養分流失。

3） 控制水土流失，減少因水土流失進入地表水體的磷量。提高植被的覆蓋率，退耕還林，合理安排好農、林、牧、副業用地；在山地丘陵區，應根據水土流失的形式，開挖截流溝，截斷地表徑流，減緩地表徑流的沖刷力等。endprint

另外，也要注意對對城鎮及農村居民加強環境保護和綠色消費等觀念普及，鼓勵綠色消費，樹立資源節約和環境保護意識，保持居住環境衛生；同時，加快城鄉環境基礎設施建設，提高城鄉垃圾收集、清運和處理能力，實現城市垃圾基本全部無害化處置等。

當然論文中還存在一些不足，如模型輸入輸出計算中的很多參數沒有相應的國家標準，是根據相關文獻結合實際情況綜合所得，尚需進一步研究確認，但由于取值誤差不大，不會對本研究造成影響；農業種植系統磷物質流是一個能量流動的過程，而且沒有考慮自然因素引起的物質流動，對區域物質流活動的環境影響無法給出較為明確的判斷標準，因此對種植系統磷流的輸入輸出平衡還需作進一步研究；目前國家層面的物質流核算方法已較為完善，而流域層面物質流分析研究不多，仍未形成較為統一的方法，因此，如何構建完整的流域物質流核算體系應該是今后流域物質流研究的一個重要領域。

4 結論

1） 根據“輸入=輸出”的物質守恒原理，構建了農業種植系統磷流靜態分析模型，包括磷流分析框架的構建及主要磷流核算方法的確定。其中系統含磷輸入項主要包括種子播種、化肥和農藥施用、人類和畜禽糞便作肥、秸稈還田等，系統含磷輸出項主要包括農產品生產、秸稈產出和農田排水等。

2） 依據模型對2006年巢湖流域農業種植系統磷流進行了刻畫分析，計算得巢湖流域農田排水磷強度為20.84 kg/畝。其中畜禽糞便及化肥施用對流域水環境磷負荷貢獻最大，分別占總磷輸入的74.68%和15.07%，畜禽糞便處理效率低及化肥大量施用是造成該農田對水體磷貢獻的主要原因。

3） 基于減少巢湖流域農業種植對水體磷負荷提出對策建議。如控制畜禽養殖規模，加強畜禽養殖廢物處理水平，對畜禽糞便資源化綜合利用，提高化肥施用效率，采取適宜的土地利用方式，控制水土流失，提高農村廢物處理設施和水平，引導居民綠色消費等。

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（上接第20頁）

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（責任編輯：李麗，范君）endprint

另外，也要注意對對城鎮及農村居民加強環境保護和綠色消費等觀念普及，鼓勵綠色消費，樹立資源節約和環境保護意識，保持居住環境衛生；同時，加快城鄉環境基礎設施建設，提高城鄉垃圾收集、清運和處理能力，實現城市垃圾基本全部無害化處置等。

當然論文中還存在一些不足，如模型輸入輸出計算中的很多參數沒有相應的國家標準，是根據相關文獻結合實際情況綜合所得，尚需進一步研究確認，但由于取值誤差不大，不會對本研究造成影響；農業種植系統磷物質流是一個能量流動的過程，而且沒有考慮自然因素引起的物質流動，對區域物質流活動的環境影響無法給出較為明確的判斷標準，因此對種植系統磷流的輸入輸出平衡還需作進一步研究；目前國家層面的物質流核算方法已較為完善，而流域層面物質流分析研究不多，仍未形成較為統一的方法，因此，如何構建完整的流域物質流核算體系應該是今后流域物質流研究的一個重要領域。

4 結論

1） 根據“輸入=輸出”的物質守恒原理，構建了農業種植系統磷流靜態分析模型，包括磷流分析框架的構建及主要磷流核算方法的確定。其中系統含磷輸入項主要包括種子播種、化肥和農藥施用、人類和畜禽糞便作肥、秸稈還田等，系統含磷輸出項主要包括農產品生產、秸稈產出和農田排水等。

2） 依據模型對2006年巢湖流域農業種植系統磷流進行了刻畫分析，計算得巢湖流域農田排水磷強度為20.84 kg/畝。其中畜禽糞便及化肥施用對流域水環境磷負荷貢獻最大，分別占總磷輸入的74.68%和15.07%，畜禽糞便處理效率低及化肥大量施用是造成該農田對水體磷貢獻的主要原因。

3） 基于減少巢湖流域農業種植對水體磷負荷提出對策建議。如控制畜禽養殖規模，加強畜禽養殖廢物處理水平，對畜禽糞便資源化綜合利用，提高化肥施用效率，采取適宜的土地利用方式，控制水土流失，提高農村廢物處理設施和水平，引導居民綠色消費等。

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另外，也要注意對對城鎮及農村居民加強環境保護和綠色消費等觀念普及，鼓勵綠色消費，樹立資源節約和環境保護意識，保持居住環境衛生；同時，加快城鄉環境基礎設施建設，提高城鄉垃圾收集、清運和處理能力，實現城市垃圾基本全部無害化處置等。

當然論文中還存在一些不足，如模型輸入輸出計算中的很多參數沒有相應的國家標準，是根據相關文獻結合實際情況綜合所得，尚需進一步研究確認，但由于取值誤差不大，不會對本研究造成影響；農業種植系統磷物質流是一個能量流動的過程，而且沒有考慮自然因素引起的物質流動，對區域物質流活動的環境影響無法給出較為明確的判斷標準，因此對種植系統磷流的輸入輸出平衡還需作進一步研究；目前國家層面的物質流核算方法已較為完善，而流域層面物質流分析研究不多，仍未形成較為統一的方法，因此，如何構建完整的流域物質流核算體系應該是今后流域物質流研究的一個重要領域。

4 結論

1） 根據“輸入=輸出”的物質守恒原理，構建了農業種植系統磷流靜態分析模型，包括磷流分析框架的構建及主要磷流核算方法的確定。其中系統含磷輸入項主要包括種子播種、化肥和農藥施用、人類和畜禽糞便作肥、秸稈還田等，系統含磷輸出項主要包括農產品生產、秸稈產出和農田排水等。

2） 依據模型對2006年巢湖流域農業種植系統磷流進行了刻畫分析，計算得巢湖流域農田排水磷強度為20.84 kg/畝。其中畜禽糞便及化肥施用對流域水環境磷負荷貢獻最大，分別占總磷輸入的74.68%和15.07%，畜禽糞便處理效率低及化肥大量施用是造成該農田對水體磷貢獻的主要原因。

3） 基于減少巢湖流域農業種植對水體磷負荷提出對策建議。如控制畜禽養殖規模，加強畜禽養殖廢物處理水平，對畜禽糞便資源化綜合利用，提高化肥施用效率，采取適宜的土地利用方式，控制水土流失，提高農村廢物處理設施和水平，引導居民綠色消費等。

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（責任編輯：李麗，范君）endprint