湖北省江陵縣農(nóng)業(yè)非點源污染負荷特征研究

譚心，李方敏

(長江大學化學與環(huán)境工程學院，湖北 荊州 434023)

熊勤學

(長江大學農(nóng)學院，湖北 荊州 434025)

水體污染可分為點源污染和非點源污染(Non-point Source Pollution)。隨著工業(yè)廢水和城市生活污水等點源污染得到有效控制，非點源污染逐漸成為水體污染的主要來源。非點源污染主要是指村民在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與日常生活中，過量排放的生活污水、氮磷等污染物、農(nóng)藥、畜禽糞便污水等不確定性污染源通過地表徑流、雨水淋溶等途徑進入地表水體生態(tài)系統(tǒng)所造成的污染[1]，嚴重時會導致湖泊、河流出現(xiàn)富營養(yǎng)化等問題[2]。

與點源污染相比，非點源污染的發(fā)生具有嚴重的滯后性、機理復雜、污染負荷時空分布差異大、難以估算與模擬等特點[3]。國內外現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)非點源污染負荷估算模型可分為經(jīng)驗模型和機理模型，機理模型雖然能描述污染物的遷移、轉化過程等，但是需要大量實測數(shù)據(jù)支撐，在資料匱乏區(qū)域難以應用[4]。而經(jīng)驗模型需要的參數(shù)較少，其中輸出系數(shù)模型避開了非點源污染所涉及的復雜過程，降低了對流域內污染物遷移轉化過程監(jiān)測數(shù)據(jù)的要求，具有可接受的精度，能夠滿足對農(nóng)業(yè)非點源污染負荷估算的需求[5]。Johnes輸出系數(shù)模型是較為成熟的經(jīng)驗模型之一[6]，該模型通過建立土地利用、人類活動和畜禽養(yǎng)殖等影響因子與污染負荷的關系來計算非點源污染負荷，被廣泛運用于非點源污染負荷的估算研究，如在涪江流域[7]、三峽庫區(qū)[8]、太湖流域[9,10]和密云水庫流域[11～13]等區(qū)域的應用均取得較好的結果。

湖北省江陵縣是我國優(yōu)質商品糧、商品棉基地，盛產(chǎn)四大家魚和水生作物，目前由于受到嚴重的農(nóng)業(yè)非點源污染，生態(tài)環(huán)境每況愈下，嚴重制約了當?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展。因此本研究以江陵縣為研究對象，根據(jù)2012～2016年江陵縣統(tǒng)計局提供的相關數(shù)據(jù)，運用輸出系數(shù)法對該縣的總氮、總磷污染負荷進行估算，并結合地理信息系統(tǒng)(GIS)對區(qū)域內農(nóng)業(yè)非點源污染的時空分布特征與變化趨勢進行分析，以期為江陵縣非點源污染治理提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

江陵縣位于湖北省荊州市境內，地處江漢平原腹地、長江中游荊江北岸。全縣版圖呈馬鞍形，東西長53.5km，南北寬36.2km。面積為1032km2，2016年末全縣常住人口33.11萬人，江陵縣轄7鎮(zhèn)(資市、熊河、白馬寺、灘橋、郝穴、沙崗、普濟)、2鄉(xiāng)(秦市、馬家寨)、2管理區(qū)(三湖、六合垸)、1農(nóng)場(江北)。該縣屬于北亞熱帶季風性濕潤氣候，四季分明，光照充足，雨水充沛，無霜期長，年平均氣溫為16.0～16.4℃，最高氣溫為39.2℃，最低氣溫為-19℃，年平均降雨量為900～1100mm。縣域內地勢平坦，平均海拔高度在25.3～40.0m之間，相對高差為14.7m，屬于湖相沉積平原和長江沖積平原混合地帶，地貌包括淤沙平地、沖積平地、低濕平地、洲灘平地等類型。

1.2 研究方法

1.2.2 輸出系數(shù)法

降雨和地形在非點源污染物的輸移過程中起著重要作用[14]。鑒于研究區(qū)域面積不太大，且無各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的降雨資料，本研究暫不考慮降雨對區(qū)域內非點源污染負荷的空間分布差異，只考慮地形因素對其污染負荷空間分布的影響，具體表達式如下：

(1)

式中：L為某污染物在研究區(qū)域的輸出總負荷，kg/a；α為地形影響因子，表示地形對污染負荷的影響；Ei為某污染物在第i種污染源中的輸出系數(shù)，kg/(hm2·a)；Ai為第i 種污染源的面積(hm2)或畜禽數(shù)量(頭或只)、人口數(shù)量(人)。

1.2.2 等標污染負荷法

等標污染負荷是單位時間排放污染物的廢水等標體積，用以評價各污染源、污染物的相對危害程度，計算公式為：

(2)

式中：Pij表示第j個污染源第i種污染物的等標污染負荷，m3；Mij為第j個污染源第i種污染物的流失量，t；Ci0表示該污染源中第i種污染物的評價標準，本研究采用《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838-2002)中的Ⅲ類水質標準，其中總氮濃度為1mg/L，總磷濃度為0.2mg/L。

1.3 地形影響因子的確定

坡度是影響地面產(chǎn)污負荷的重要因素，隨著地面坡度的增加，降雨產(chǎn)生的水土流失現(xiàn)象相應增加，土壤中的氮、磷污染負荷以較快的速度進入坡面流[15]，地形影響因子α可定義為[16]：

(3)

采用類比法參照文獻[17]的數(shù)據(jù)確定d值為0.6104，運用ArcGIS 10.3軟件對江陵縣數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)進行計算得到研究區(qū)內平均坡度為3.50°。因此，地形影響因子α可定義為：

(4)

通過計算得到研究區(qū)域的地形影響因子變化值從0到5.9422，如圖1所示。

圖1 江陵縣地形影響因子變化圖

1.4 輸出系數(shù)的計算

農(nóng)用地的輸出系數(shù)是根據(jù)單位面積施用的化肥折算成純N、P2O5量及其隨地表徑流排放到環(huán)境中的流失量估算。

(5)

式中：Ej為第j種土地利用類型的輸出系數(shù)，kg/(hm2·a)；α為氮、磷徑流損失量占施肥量的比例；Ij為第j種土地利用類型每年單位面積施純N、P2O5量，kg/(hm2·a)。

林地的輸出系數(shù)參考相似地區(qū)洞庭湖流域的研究成果[18]并結合當?shù)貙嶋H情況而定；淡水養(yǎng)殖輸出系數(shù)的確定，類比湖北省洪湖流域的實測數(shù)據(jù)，采用含有中、長期水質水量監(jiān)測數(shù)據(jù)估算出輸出系數(shù)[19,20]；畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)村生活污水污染源的輸出系數(shù)，采用《畜禽養(yǎng)殖業(yè)源產(chǎn)排污系數(shù)手冊》[21]和國家環(huán)保總局推薦的人口輸出系數(shù)確定[22]，上述各類污染源中TN、TP的輸出系數(shù)見表1。

表1 各類污染源中TN、TP輸出系數(shù)值

1.5 數(shù)據(jù)來源

湖北省江陵縣2012年到2016年的農(nóng)業(yè)人口、畜禽養(yǎng)殖數(shù)量、各種土地利用情況、淡水養(yǎng)殖狀況、生活狀況、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況等非點源污染相關基礎數(shù)據(jù)來自2012～2016年江陵縣統(tǒng)計年鑒；江陵縣DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn/)。

2 結果與分析

2.1 非點源污染負荷的年變化特征

運用上述輸出系數(shù)法，以研究區(qū)域各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)及各類污染源的輸出系數(shù)整理得到2012～2016年江陵縣農(nóng)業(yè)非點源污染TN、TP負荷量(表2)。由表2可知，2012～2016年江陵縣總氮與總磷的年均負荷量分別為2451.31t和423.27t，總氮負荷量是總磷負荷量的5.79倍，這與之前有學者在三峽庫區(qū)研究報道的氮磷負荷比的結論基本類似[23,24]。由表2還可以看出，非點源污染負荷TN、TP在2012～2016年變化具有相似的規(guī)律性，即隨時間推移，TN、TP污染負荷呈先緩慢上升、后略有下降的趨勢，在2015年增長率達到最高，分別為4.69%和6.27%。主要是因為2012～2015年江陵縣的淡水養(yǎng)殖和畜禽養(yǎng)殖規(guī)模持續(xù)增加，引起非點源污染負荷量持續(xù)增漲，而在2016年5月開始實施江陵縣三湖流域非點源污染防控方案后，畜禽養(yǎng)殖重大污染源得到了有效控制。

綜合2012～2016年污染來源看，不同污染源類型對TN負荷量貢獻大小的順序為：農(nóng)林用地>農(nóng)村生活污水>畜禽養(yǎng)殖>淡水養(yǎng)殖，農(nóng)林用地中的耕地是TN污染的首要貢獻源，主要是因為江陵縣的耕地化肥施用量過大，平均每1hm2農(nóng)田純氮量達到381.5kg，是發(fā)達國家規(guī)定警戒線(225kg/hm2)的1.7倍，超出了農(nóng)作物吸收的氮、磷用量，導致過量施用的部分隨地表徑流和地下滲漏進入到水體中。不同污染源類型對江陵縣TP負荷量貢獻的大小順序為：農(nóng)林用地>畜禽養(yǎng)殖>淡水養(yǎng)殖>農(nóng)村生活污水。由于江陵縣家禽養(yǎng)殖規(guī)模較大，養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的污染物和糞便未經(jīng)處理直接排入水體造成污染，因此畜禽養(yǎng)殖是繼農(nóng)林用地后TP負荷量的另一主要貢獻源。

表2 2012～2016年江陵縣非點源污染年負荷量 t/a

2.2 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)2015年污染負荷分析

江陵縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)2015年TN、TP污染負荷量結果如圖2所示。由圖2可知，除秦市鄉(xiāng)外農(nóng)林用地對研究區(qū)域內TN污染負荷量的貢獻率最大，為45.2%～70.3%，其次是農(nóng)村生活污水和畜禽養(yǎng)殖污染負荷。除郝穴、秦市和三湖鄉(xiāng)鎮(zhèn)外，農(nóng)林用地對研究區(qū)內TP污染負荷量的貢獻率最大，為34.7%～64.9%，其次是畜禽養(yǎng)殖和淡水養(yǎng)殖污染負荷。依據(jù)不同污染源在區(qū)域內的等標污染負荷量，采用聚類分析法將各鄉(xiāng)鎮(zhèn)污染負荷量分成4類。第I類鄉(xiāng)鎮(zhèn)包括熊河和白馬寺鎮(zhèn)，該地區(qū)農(nóng)村生活污水、農(nóng)林用地和畜禽養(yǎng)殖污染均很嚴重，屬于重度污染區(qū)；第II類鄉(xiāng)鎮(zhèn)包括資市、馬家寨、沙崗、普濟和三湖鄉(xiāng)鎮(zhèn)，該地區(qū)農(nóng)林用地和畜禽養(yǎng)殖污染較為嚴重，屬于中度污染區(qū)。第III類鄉(xiāng)鎮(zhèn)僅包括秦市鄉(xiāng)，該地區(qū)畜禽養(yǎng)殖污染十分嚴重，其他污染源負荷量較低，屬于中度污染區(qū)。第IV類鄉(xiāng)鎮(zhèn)包括灘橋、郝穴、江北和六合垸鄉(xiāng)鎮(zhèn)，這些地區(qū)各污染源負荷量都處于中低水平，屬于輕度污染區(qū)。

圖2 2015年各鄉(xiāng)鎮(zhèn)TN(a)、TP(b)污染年負荷量

2.3 近5年非點源污染負荷的空間分布差異

江陵縣農(nóng)業(yè)非點源污染負荷具有明顯的時間和空間上的分布差異，運用ArcGIS 10.3軟件將2012年和2016年各鄉(xiāng)鎮(zhèn)非點源污染負荷量與區(qū)域行政圖進行疊加，得到江陵縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)TN、TP污染負荷量空間分布圖(圖3、圖4)。由圖3可知，TN污染負荷輸出的空間分布差異較明顯，2012年TN高污染負荷區(qū)域主要分布在江陵縣中部和西部地區(qū)，即白馬寺、熊河、馬家寨、三湖和沙崗等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，這些區(qū)域對TN污染負荷量的貢獻占全縣的55.9%；2016年TN污染高負荷區(qū)域雖然仍集中在上述鄉(xiāng)鎮(zhèn)，但與2012年比較，秦市、沙崗的TN污染負荷略有上升。

圖3 江陵縣2012與2016年TN負荷量空間分布圖

圖4 江陵縣2012與2016年TP年排放量空間分布圖

由圖4可知，2012年TP高污染負荷區(qū)域主要分布在江陵縣中部、東南部和西北角地區(qū)，即秦市、白馬寺、三湖、熊河等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，這些區(qū)域對TP污染負荷量的貢獻占全縣的47.5%，與2012年相比較，2016年白馬寺和三湖TP污染負荷有所下降，但熊河、普濟和沙崗TP污染負荷略有上升。由于江陵縣中部、東部地區(qū)農(nóng)業(yè)人口多，農(nóng)林用地面積較大，化肥的施用量相較于其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)更高，導致其成為全縣的非點源污染高負荷區(qū)域。全縣非點源污染分布狀況總體上表現(xiàn)為中部、東南部地區(qū)負荷較高，西部、北部地區(qū)負荷相對較低。因此，今后在對江陵縣農(nóng)業(yè)非點源污染進行控制治理時，應根據(jù)其空間分布特征進行分區(qū)防控，優(yōu)先考慮對該縣的中部、東南部區(qū)域進行治理。

3 結論

1)江陵縣農(nóng)業(yè)非點源污染TN、TP 年負荷量在2012～2015年呈緩慢上升達到歷史最高點后，于2016年因非點源污染治理而開始有所下降。

2)2015年江陵縣農(nóng)業(yè)非點源污染TN、TP輸出總量分別為2540.72t和445.36t。不同污染源對區(qū)域內TN負荷量的貢獻順序為：農(nóng)林用地>農(nóng)村生活污水>畜禽養(yǎng)殖>淡水養(yǎng)殖；對TP的貢獻順序為：農(nóng)林用地>畜禽養(yǎng)殖>淡水養(yǎng)殖>農(nóng)村生活污水。

3)在空間分布上，白馬寺、熊河、馬家寨、三湖和沙崗等鄉(xiāng)鎮(zhèn)是TN污染高負荷區(qū)域，占全縣TN負荷量的55.4%，秦市、白馬寺、三湖、熊河等鄉(xiāng)鎮(zhèn)是農(nóng)業(yè)非點源污染TP污染高負荷區(qū)域，占TP年負荷量的48.2%，高污染負荷區(qū)域主要集中在江陵縣中部、東南部地區(qū)，應優(yōu)先防控。