貴陽市紅楓湖飲用水源保護區的農業面源污染分析

楊通銓， 喻陽華， 劉鴻雁

(1.貴州大學 資源與環境工程學院， 貴州 貴陽 550025； 2.貴陽市兩湖一庫管理局， 貴州 貴陽 551400； 3.仁懷市環境保護局， 貴州 仁懷 564500)

貴陽市紅楓湖飲用水源保護區的農業面源污染分析

楊通銓1,2， 喻陽華3， 劉鴻雁1*

(1.貴州大學 資源與環境工程學院， 貴州 貴陽 550025； 2.貴陽市兩湖一庫管理局， 貴州 貴陽 551400； 3.仁懷市環境保護局， 貴州 仁懷 564500)

為紅楓湖面源污染防治提供科學依據，在對湖區農村人口、土地類型和畜禽養殖規模等調查的基礎上，結合第一次全國污染源普查城鎮生活產排系數、畜禽排泄系數及氮肥和磷肥流失率計算方法，研究紅楓湖飲用水源保護區的農業面源污染情況。結果表明：2013年紅楓湖水源保護區內，各污染源對紅楓湖水質污染的貢獻率為畜禽養殖>農村生活>農田化肥。通過分析得出，在紅楓湖面源污染中，畜禽養殖污染源是紅楓湖農業面源污染的主要來源，對水環境中CODCr、TP和NH3-N貢獻率超過50%；農村生活污染源是農業面源污染的重要來源，對CODCr和NH3-N貢獻率分別為43.49%和46.69%；農田化肥污染源對TN和TP的貢獻率高于農村生活污染源(25.87%和6.75%)，為33.76%和27.71%。應加強水源保護區面源污染的治理，從源頭上控制污染。

紅楓湖； 農業面源污染； 污染物貢獻率； 防治措施

農業面源污染是農業生產活動中產生的污染物通過地表徑流、壤中流、農田排水和地下滲漏進入水體而形成的污染，主要包括農田種植源、畜禽及水產養殖源和農村生活源等[1]。近年來，隨著工業廢水和城市生活污水等點源污染得到有效控制，農業面源已成為水環境污染的最重要來源[2]。中國農業科學院研究成果顯示[3]：在中國水體污染嚴重的流域，農田、農村畜禽養殖和城鄉結合部地帶的排污是造成流域水體氮(N)、磷(P)富營養化的主要原因，其貢獻大大超過來自城市地區的生活源污染和工業源污染。第一次全國污染源普查結果亦顯示[4]，農業面源已遠超工業源和城市生活源而成為污染源之首。其中，農業面源中的化學需氧量(CODCr)、總氮(TN)和總磷(TP)排放量分別占各污染物排放總量的43.7%、57.2%和67.3%。在歐美國家，農業面源污染同樣是造成水體污染的主要原因，如美國的農業面源污染導致40%的湖泊和河流水質不合格[5]；瑞典不同流域中氮的總輸入量60%～87%來自農業[6]；荷蘭農業面源污染的TN和TP分別占水污染總量的60%和40%[7]。由于農業面源污染具有分散、隨機、潛在和難監測等特點，增加了面源污染的識別、控制和治理難度，使得其對水體污染的影響長期被忽視[8]，導致我國湖泊污染的態勢日趨嚴重[9]。據對太湖、滇池等湖泊的調查，面源污染對水體污染的貢獻率超過70%[10-11]。紅楓湖于1960年建成，為貓跳河梯級電站的龍頭水庫，屬于喀斯特高原峽谷型人工深水湖泊，位于貴州省清鎮市、平壩區和西秀區境內(E：106°19′～106°28′，N：26°26′～26°35′)，1988年被國務院批準為國家級風景名勝區。該湖以紅楓湖大橋為界分為北湖和南湖，主要入湖河流有羊昌河、麻線河、后六河和桃花園河，水域面積57.2 km2，流域面積1 596 km2，最大水深45 m，平均水深10.51 m。紅楓湖流域屬亞熱帶季風濕潤氣候帶，年均氣溫14.4℃，年均降水量1 174.7～1 386.1 mm，降水主要集中在夏季(6-8月)。經過60多年的發展，紅楓湖已從建庫時單一的調蓄功能擴展為具有飲用水源、工農業用水、旅游和發電等多種功能，是貴陽市的主要飲用水源，20世紀90年代末期水體污染嚴重，2008年開始綜合治理，水質已由2007年的劣Ⅴ類提升至2014年的總體Ⅲ類和局部Ⅱ類[12-14]，但面源污染風險程度仍然較高，影響著貴陽市120多萬人的飲水安全。為此，對紅楓湖水源保護區農業面源污染狀況進行調查分析，并提出相應的控制對策，以期為紅楓湖面源污染防治提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 數據來源

在2013年對紅楓湖水源保護區調查基礎上，以紅楓湖水源地一二級保護區和準保護區為單位，整理出紅楓湖保護區內的人口數量、耕地面積、畜禽養殖規模及數量等與農業面源污染直接相關的數據信息(表1)。

表1 紅楓湖農業人口、土地類型及畜禽養殖情況

1.2 生活源污染物的計算

參照《第一次全國污染源普查城鎮生活產排污系數手冊》[12]中的城鎮居民生活污染物排放量及生活垃圾產生量計算，其計算公式如下。

Gp=3650NFp

(1)

Wa=3650NFw

(2)

式中，Gp、Wa為城鎮居民生活污染物年排放量和生活垃圾年產生量，其中污水量及垃圾量單位為t/a，污染物單位為kg/a；N為城鎮居民常住人口，萬人；Fp為城鎮居民生活污染物排放系數，其中污水量系數單位為L/(人·d)，污染物系數單位為g/(人·d)；Fw為城鎮居民生活垃圾產生系數，kg/(人·d)。貴陽市城鎮居民生活源污染物對應系數取值參照文獻[15]進行：生活垃圾0.56 kg/(人·d)，生活污水140 L/(人·d)，CODCr72 g/(人·d)，TN 12.8 g/(人·d)，TP 1.14 g/(人·d)，NH3-N(氨氮)9.0 g/(人·d)。

農村生活源污染物人均產生系數參照文獻[16-18](農村居民生活污染物產生量是當地城鎮居民30%～50%)的方法取40%進行評估；農村生活源污染物排放系數涉及地區降水強度、生活模式、土層結構和污水處理程度等因素，參照文獻[19]的方法參考當地徑流量及位置特點，并結合資料文獻[20]的方法選取85%為農村生活源污染物排放系數。

1.3 養殖源污染物的計算

參照文獻[21-22]的估算方法，將豬及家禽等的存欄量看作是當年一個相對穩定的飼養量，在未考慮飼養周期的前提下進行統計計算，計算公式如下。

D1=0.365NR

(3)

D2=D1C

(4)

q=QS=∑XT/S

(5)

式中，D1、D2為畜禽糞便產生量和污染物產生量，單位：t；N為該種畜禽存欄量，單位：頭或只；R為該種畜禽日排泄系數，單位：kg/[頭(只)·d]；C為該種畜禽糞便中污染物平均含量，單位：kg/t；q為畜禽糞便以豬糞當量計的負荷量，單位：t/(hm2·a)；Q為各類畜禽糞便豬糞當量總量，單位：t/a；S為有效耕地面積；單位：hm2；X為各類畜禽糞便量，單位：t/a；T為各類畜禽糞便換算成豬糞當量的換算系數。畜禽糞便日排泄系數、污染物平均含量及豬糞當量換算系數見表2。

表2 畜禽糞便日排泄系數、污染物平均含量及豬糞當量換算系數

Table 2 Daily excretion coefficient of livestock and poultry, mean pollutant content and equivalent conversion coefficient of pig manure

種類Category日排泄系數Dailyexcretioncoefficient化學需氧量/(kg/t)CODCr總氮/(kg/t)TN總磷/(kg/t)TP氨氮/(kg/t)NH3?N含氮量/%w(N)豬糞當量換算系數T豬糞Pigmanure2．0052．05．883．413．100．651．00豬尿Pigurine3．309．03．300．521．400．330．57雞糞Chickenmanure0．1245．09．845．374．781．372．10

注：畜禽糞便排泄系數是指單個動物每日排出糞便的數量，與動物的種類、品種、性別、生長期、喂養飼料甚至天氣條件等諸多因素有關；豬糞當量是根據各類畜禽糞便含N量，將各種畜禽糞便統一換算成豬糞當量，然后相加得到豬糞總量。研究采用《全國規模化畜禽養殖業污染情況調查及防治對策》[23]的推薦值。

Note: The excretion coefficient of livestock and poultry means the daily excretion amount of an animal, which is related to factors of category, variety, sex, growth period, feeding fodder type and weather condition. The equivalent conversion coefficient of pig manure is used to calculate the amount from different manure of livestock and poultry according to nitrogen content in different livestock and poultry manure.

1.4 農田化肥污染物的計算

化肥污染物排放量即化肥施入田間后隨降水、灌溉而流失、最終進入地表水的部分。計算公式如如下[24]。

q=λQ

(6)

式中，q為農田化肥源污染物排放量，單位：t；Q為農田化肥施用量，單位：t；λ為農田化肥源污染物排放系數(即流失系數)。

化肥施用量為當年區域施用化肥的折純量，按農作物單位平均化肥施用量21.9 kg/667m2計算[25]，其中氮肥折純后即TN量，磷肥折純后為P2O5量，TP量經換算得出，農田化肥源污染物排放系數(流失系數)綜合湖泊流域的化肥流失率，根據對氮肥和磷肥流失的文獻資料[20]及流域農業種植情況，確定氮肥流失率為11%，磷肥流失率3%。

2 結果與分析

2.1 農村生活污染物

紅楓湖水源保護區內分布有83個自然村寨12.33萬人。從表3可知，其生活污染物CODCr、TN、TP和NH3-N的排放量分別為1 047.37 t、181.37 t、15.72 t和120.74 t。隨著農村生活水平的提高，生活污水和有機垃圾產生量不斷增多，加之經濟水平低、生活污水無集中收集管網和生活垃圾清運機制不健全等原因，簡單處理或未經處理的生活污染物隨意堆放、腐爛或直排，導致污染物隨污水滲出，經雨水地表徑流流入湖溝渠中，使低處理率和高流失率的農村生活污染成為紅楓湖農業面源污染的重要污染源。

表3 2013年紅楓湖農村生活污染物的排放情況

2.2 畜禽養殖污染物

目前，我國畜禽養殖數量每年呈增加態勢，養殖規模逐漸增大，由此帶來的環境污染已成為農業面源污染的主要來源之一[26]。在紅楓湖周邊，地方政府為增加沿湖農民收入，鼓勵農民自主創業，曾在右二、羊昌和陳亮等紅楓湖飲用水源二級保護區及準保護區內的村寨建設養雞場，大多建在距最高水位線500 m以內。但其養殖規模小，設備簡陋，廢棄物無害化處理率及畜禽糞便還田率較低，污染物不經處理排放，給水環境帶來一定污染。從表4看出，2013年紅楓湖周邊畜禽糞便產生量為31 249.85 t，CODCr1 360.55 t，TN 283.07 t，TP 152.70 t，NH3-N 137.86 t；其畜禽糞便負荷最高為26.22 t/(hm2·a)。

2.3 農田化肥污染物

紅楓湖保護區內耕地面積為6 552 hm2，在最高水位線1 240 m下的農業耕作現象十分普遍。紅楓湖流域降水充沛，加上高強度的施肥，致使大部分的N、P隨地表徑流進入水體。從表5可見，2013年因農業化肥流失的TN為236.75 t、TP為64.57 t。我國因施肥的不均衡造成氮肥、磷肥平均利用率低，再加上超強度施肥，導致大量N、P隨雨水、徑流流失，進入水體，造成水體中N、P濃度過高、比例失衡，從而引起流域內湖泊的富營養化[28]。

表4 2013年紅楓湖畜禽糞便污染物產生量及污染負荷

注：畜禽糞便耕地負荷可直接反映某地區耕地消納畜禽糞便的能力，從而間接反映當地畜禽養殖密度，一般認為土地能夠負荷的畜禽糞便為30～45 t/(hm2·a)[23,27]。

Note: The manure cropland load can reflect the capacity of digesting livestock manure in the area directly, which reflects the local livestock breeding density indirectly. The standard of livestock manure cropland load is 30～45 t/(hm2·a).

表5 2013年紅楓湖農田化肥污染物排放量

表6 2013年紅楓湖農業面源污染物排放量與貢獻率

2.4 農業面源污染

從表6可見，2013年紅楓湖保護區內農村生活、畜禽養殖和農田化肥3種污染源排放污染物共計3 600.70 t，其中，CODCr、TN、TP和NH3-N的排放量分別為2 407.92 t、701.19 t、232.99 t和258.60 t。在3種污染源中，畜禽養殖污染源因分散養殖的畜禽糞尿處理程度低，成為紅楓湖農業面源污染的主要來源，對水環境的CODCr、TP和NH3-N貢獻率超過50%；農村生活污染源是農業面源污染的重要來源，對CODCr和NH3-N貢獻率分別為43.49%和46.69%；農田化肥污染源對TN和TP貢獻率分別為33.76%和27.71%，高于農村生活污染源(25.87%和6.75%)。通過綜合分析，各污染物排放量對農業面源污染的貢獻率為畜禽養殖>農村生活>農田化肥。

3 結論

1) 在紅楓湖農業面源污染中，畜禽養殖貢獻率最高，農村生活次之，農田化肥最低；2013年CODCr、TN、TP和NH3-N的排放量分別為2 407.92 t、701.19 t、232.99 t和258.60 t。

2) 畜禽養殖污染源是紅楓湖農業面源污染的主要來源，由于分散養殖畜禽糞尿處理程度低，對水環境的CODCr、TP和NH3-N貢獻率超過50%；農村生活污染源是農業面源污染的重要來源，對CODCr和NH3-N貢獻率分別為43.49%和46.69%；農田化肥污染源對TN和TP貢獻率分別為33.76%和27.71%，高于農村生活污染源(25.87%和6.75%)。

3) 研究結果表明，紅楓湖面源污染不容忽視，污染治理刻不容緩。對于農村生活污染源，應實施鄉村清潔工程，大力推進農村沼氣池、改廁、改圈、改廚及濕地生態系統建設；對于分散型的個體養殖污染源，應合理布局當地畜禽養殖業，大力推廣生態養殖；在防治農田化肥污染方面，應科學施用農藥和化肥，大力發展有機農業和生態農業等，從源頭上控制面源污染。

4 農業面源污染治理措施

4.1 農村生活污染治理

紅楓湖流域面積大，人口密度高，人地矛盾突出，農村生活污水及人糞尿處理設施發展滯后，污染物只經簡單處理或不經處理直接排放是造成紅楓湖CODCr和NH3-N超標的因素之一。因此，要實施鄉村清潔工程，促進生活廢棄物的資源轉化，采取集中和分散相結合的模式處理生活污水[29]，大力推進農村沼氣池及改廁、改圈和改廚建設，并依靠紅楓湖周邊天然濕地或修建人工濕地、土地處理系統等濕地生態系統，以削減農業面源污染負荷。

4.2 畜禽養殖污染防治

紅楓湖畜禽養殖空間分布較為分散，主要分布在右二、羊昌、陳亮等紅楓湖飲用水源二級保護區和準保護區內，均屬于個體養殖戶，其養殖規模小，技術落后，養殖廢棄物污染無害化處理程度低。因此，應制定畜禽養殖產業發展規劃和污染防治規劃，促進當地畜禽養殖業合理布局；大力推廣生態養殖，根據地區農業種植對畜禽廢棄物的消納能力，建設養殖業和種植業相結合的生態工程，促進畜禽糞便的資源化、產業化循環利用，實現農業環境生態平衡[30]。

4.3 農田化肥污染治理

做好紅楓湖周邊農耕區的退耕工作，建立湖泊生態緩沖帶；科學施用化肥和農藥，降低化肥和農藥的使用量，推廣施用有機肥、高效復合肥、緩釋肥和生物肥等新型肥料，大力發展有機農業、生態農業及休閑農業[31]，從源頭控制農業系統對水環境的污染；同時，應嘗試建立農村面源污染信息管理平臺，科學防治農村面源污染。

[1] Ma J, Ding Z, Wei G, et al. Sources of water pollution and evolution of water quality in the Wuwei basin of Shiyang River, Northwest China[J].Journal of Environmental Management,2009,90:1168-1177.

[2] 胡心亮，夏品華，胡繼偉，等.農業面源污染現狀及防治對策[J].貴州農業科學，2011,39(6):211-215.

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

[4] 中華人民共和國環境保護部/國家統計局/農業部.第一次全國污染源普查公報[EB/OL](2010-02-06)[2015-08-25]. http://www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/bgg/201002/t20100210_185698.htm.

[5] 李秀芬,朱金兆,顧曉君,等.農業面源污染現狀與防治進展[J].中國人口資源與環境，2010,20(4):81-84.

[6] Lena B V . Nutrient Preserving in Riverine Transitional Strip[J].Journal of Human Environment,1994,3(6):342-347.

[7] Boers P C M. Nutrient Emissions from Agriculture in the Netherlands: Causes and Remedies[J].Water SciTechno1.(G .B), 1996,33: 183-190.

[8] 柴世偉，裴曉梅，張亞雷，等.農業面源污染及其控制技術研究[J].水土保持學報，2006,20(6):192-195.

[9] Bu H M, Meng W, Zhang Y. Nitrogen pollution and source identification in the Haicheng River basin in Northeast China[J]. Science of the Total Environment,2011,409:3394-3402.

[10] 成 芳，凌去非，徐海軍，等.太湖水質現狀與主要污染物分析[J].上海海洋大學學報，2010,19(1):106-110.

[11] 方紅云.淺析滇池藍藻暴發原因[J].環境科學導刊，2010,29(S1):74-75.

[12] 楊通銓，劉鴻雁，喻陽華.紅楓湖水質變化趨勢及原因分析[J].長江流域資源與環境，2014.23(S1):96-102.

[13] 郭 云,趙宇中,龍勝興,等.湖泊富營養化治理成效階段水環境特征研究——以貴陽市飲用水源地紅楓湖為例[J].環境污染與防治，2015,37(6):55-62,68.

[14] 張 紅，陳敬安，王敬富，等.貴州紅楓湖底泥磷釋放的模擬實驗研究[J].地球與環境，2015.43(2):243-251.

[15] 全國污染源普查領導小組辦公室.第一次全國污染源普查城鎮生活產排污系數手冊[M].北京：中國環境科學出版社，2009.

[16] 徐洪斌，呂錫武，李先寧，等.太湖流域農村生活污水污染現狀調查研究[J].農業環境科學學報，2007,26(S1):375-378.

[17] 孫興旺.巢湖流域農村生活污染源產排污特征與規律研究[D].合肥：安徽農業大學，2010:16-19.

[18] 嚴婷婷，王紅華，孫治旭，等.滇池流域農村生活污水產排污系數研究[J].環境科學導刊，2010,29(4):46-48.

[19] Arheimer B, Liden R. Nitrogen and phosphorus concentrations from agricultural catchments: influence of spatial and temporal variables[J]. Journal of Hydrology,2000,227:140-159.

[20] 高新昊，江麗華，李曉林，等.“等標污染法”在山東省水環境農業非點源污染源評價中的應用[J].中國生態農業學報，2010,18(5):1066-1070.

[21] 楊 飛，楊世琦，諸云強，等.中國近30年畜禽養殖量及其耕地氮污染負荷分析[J].農業工程學報，2013,29(5):1-11.

[22] 馮 倩，許小華，劉聚濤，等.鄱陽湖生態經濟區畜禽養殖污染負荷分析[J].生態與農村環境學報，2014,30(2):162-166.

[23] 國家環境保護總局自然生態保護司.全國規模化畜禽養殖業污染情況調查及防治對策[M].北京：中國環境科學出版社，2002.

[24] 黃亞麗，張 麗，朱昌雄.山東省南四湖流域農業面源污染狀況分析[J].環境科學研究，2012,25(11):1243-1249.

[25] 中華人民共和國農業部.農業部關于印發《到2020年化肥使用量零增長行動方案》和《到2020年農藥使用量零增長行動方案》的通知[EB/OL](2015-02-07)[2015-08-25].http://www.moa.gov.cn/zwllm/tzgg/tz/201503/t20150318_4444765.htm, 2015.

[26] Ramos M C, Quinton J N, Tyrrel S F.Effects of cattle manure on erosion rates and runoff water pollution by faecal coliforms[J]. Journal Environmental Management,2006,78(1):97-101.

[27] 李 帷，李艷霞，張豐松，等.東北三省畜禽養殖時空分布特征及糞便養分環境影響研究[J].農業環境科學學報，2007,26(6):2350-2357.

[28] 楊麗霞，楊桂山，苑韶峰.影響土壤氮素徑流流失的因素探析[J].中國農業生態學報，2007,15(6):190-194.

[29] 林雪原，荊延德.山東省南四湖流域農業面源污染評價及分類控制[J].生態學雜志，2014,33(12):3278-3285.

[30] 吳根義，廖新俤，賀德春，等.我國畜禽養殖污染防治現狀及對策[J].農業環境科學學報，2014,33(7):1261-1264.

[31] 王小霞，黎小東，張洪波，等.西充河流域(西充縣境內)面源污染現狀與防治措施[J].中國農村水利水電，2015,(1):95-96,103.

(責任編輯： 楊 林)

Agricultural Non-point Source Pollution in Dinking Water Protection Area of Hongfeng Lake, Guiyang

YANG Tongquan1,2, YU Yanghua3, LIU Hongyan1*

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentalEngineering,GuizhouUniversity,Guiyang,Guizhou550025; 2.GuiyangAdministrationoftheTwoLakesandaReservoir,Guiyang,Guizhou551400; 3.RehuaiEnvironmentalProtectionBureau,Renhuai,Guizhou564500,China)

The agricultural non-point source pollution in Drinking Water Protection Area of Hongfeng Lake was investigated by the production and discharge coefficient of rural life, excretion coefficient of livestock and poultry, and wastage rate of nitrogen and phosphorus fertilizer based on survey results of rural population, land type and livestock breeding scale in Drinking Water Protection Area of Hongfeng Lake to provide the scientific basis for control of non-point source pollution in Drinking Water Protection Area of Hongfeng Lake. Results: The contribution rate of different pollution sources to water pollution of Hongfeng Lake was livestock and poultry breeding>rural life>chemical fertilizer in Drinking Water Protection Area of Hongfeng Lake in 2013. The pollution source from livestock and poultry breeding is main source to cause agricultural non-point source pollution and its contribution rate to CODCr, TP and NH3-N in water environment is over 50%. The pollution source from rural life is the important source to cause agricultural non-point source pollution and its contribution rate to CODCrand NH3-N in water environment is 43.49% and 46.69% respectively. The contribution rate of chemical fertilizer pollution source to TN and TP in water environment is 33.76% and 27.71%, 7.89% and 20.96% higher than rural life pollution source separately.

Hongfeng Lake; agricultural non-point source pollution; pollutant contribution rate; control measure

2015-09-01； 2016-01-03修回

貴州省重大科技專項“水資源水質保障關鍵技術研究與應用”[黔科合重大專項字(2012)6013-7]

楊通銓(1984-)，男，在讀碩，研究方向：水污染控制與水源保護。E-mail:283919232@qq.com

*通訊作者：劉鴻雁(1969-)，女，教授，博士，碩士生導師，從事農業面源污染防治等方面的教學與研究。E-mail:2568510503@qq.com

1001-3601(2016)01-0042-0161-05

X524

A