淮河流域奎濉河典型小流域農業面源污染調查與評價

時曉瑞, 武升, 黃瑜, 歐三青, 王樹仁, 馬友華, 姜家生

淮河流域奎濉河典型小流域農業面源污染調查與評價

時曉瑞1, 武升2, 黃瑜2, 歐三青3, 王樹仁3, 馬友華2, 姜家生4,*

1. 安徽農業大學經濟管理學院, 合肥 230036 2. 安徽農業大學資源與環境學院, 合肥 230036 3. 宿州市埇橋區國家現代農業示范區管理委員會, 宿州 234000 4. 安徽農業大學研究生院, 合肥 230036

通過對奎濉河典型小流域進行實地調研, 應用等標污染負荷法進行綜合分析, 結果表明: 小流域內農業面源污染排放源中, 生活源污染負荷率最大, 達到57.32%, 污染物排放總量達到75874.04 kg, 其中COD為主要污染物, 排放量達到39812.58 kg; 養殖業污染負荷率為35.33%, 達到18741.73 kg, 種植業污染負荷率為7.35%。在3個評價因子COD, TN, TP中, 以COD的污染負荷率最高, 達77.17%; 其次為TN, 污染負荷率為16.83%; TP的污染負荷率為6.00%。農村生活和畜禽養殖污染是小流域內農業面源污染物主要來源, 應是該地區農業面源污染防控的重點。

小流域; 農業面源污染; 調查; 評價

0 前言

小流域內農業面源污染由于農田中過多氮、磷肥料的投入、農村畜禽養殖廢水排放等[1]在降雨或灌溉過程中, 經多種途徑進入水體, 造成水體污染, 影響整個流域水質安全[2]。

廖曼等[3]、宋太平等[4]研究表明, 淮河流域種植業化肥的過量投入是導致農業生態系統中氮素污染的主要來源。武升等[5-6]研究巢湖流域眾興水庫小流域內各污染源對農業面源污染的影響程度, 研究結果表明污染物的主要貢獻來自于養殖業, 經小流域匯入巢湖的總氮、總磷入湖質量分別占總入湖污染物的76.9%和68.5%①巢湖流域綜合防治規劃(2001-2015)[R]. 合肥, 安徽省規劃編制領導小組, 2001.。馬靜[7]通過對淮河流域面源污染現狀調查研究表明, 畜禽養殖和農用化肥是農業面源污染控制管理的重點。可見, 造成各流域內水體氮、磷富營養化的因素主要是農業化肥過量投入、畜禽養殖及農村生活污水排放等[8-9]。

調查研究區域屬淮河流域奎濉河典型小流域, 流域內產生的農業面源污染物隨地表徑流進入唐河,通過花園閘最終匯入淮河。因此, 選擇代表淮河流域農業面源污染狀況的奎濉河小流域進行調查, 掌握區域的污染特征, 提出針對性管控措施, 可降低該小流域的面源污染對淮河產生的不利影響?；春恿饔蜃鳛槲覈_展水污染綜合治理的重點流域之一, 其水污染的防治工作具有很強的典型性和代表性。本研究對其他流域開展流域面源污染控制治理具有一定的參考和借鑒意義。

1 材料與方法

1.1 調查位置

淮河流域是我國七大流域之一, 是我國重要的糧、棉、油主產區, 由于近幾年, 水產、畜禽養殖發展迅速, 生產生計帶來的農業面源污染比較嚴重, 成為各學者研究的熱門課題之一。本研究選擇區域為宿州市埇橋區灰古鎮秦圩村和付湖村, 屬淮河流域奎濉河典型小流域, 涉及耕地總面積為1340.65 hm2。調查區域秦圩村位于灰古鎮西南部, 付湖村位于宿州市埇橋區國家現代農業示范區核心區。具體研究區域如圖1所示。

圖1 研究區域地理位置圖

Figure 1 Location map of the investigated area

1.2 調查時間與分析方法

為有效評估宿州市淮河流域奎濉河典型小流域現有居民的生活方式對淮河流域水污染帶來的影響, 根據研究區域現狀, 設計農業面源污染源調查表, 于2018年4月27日至4月30日在2個行政村內隨機對農戶種植現狀、化肥農藥施用量、畜禽水產養殖等情況進行實地問卷調查。共計發放問卷200份, 有效問卷150份。統計相關調查資料, 將污染源的類型分為種植型、養殖型和生活型, 綜合分析各污染物的排放量和負荷率。

1.3 計算評價方法

通過分析比較不同的污染物、污染源對環境影響總量的大小, 確定該區域的主要污染物和主要污染源。本研究采用等標污染負荷法, 選用化學需氧量(COD)、總氮(TN)和總磷(TP)作為評價因子, 全面評估污染現狀。主要計算公式如下:

式中:P為第j個污染源的第i種污染物的等標污染負荷(m3·a–1); Cij為第j個污染源中的第i種污染物的排放濃度; Coi為第i種污染物的評價標準; Qij為第j個污染物的介質排放量(m3·a–1); Mij為第j個污染源的第i種污染物流失量(t·a–1)。

第j個污染源有n個污染物, 則該污染源的等標污染負荷為:

式中:P值為有n個污染物在第j個污染源, 其污染源內的等標污染負荷(m3·a–1);P值為第j個污染源第i種污染物的等表污染負荷(m3·a–1)。

若區域有m個污染源, 則源內等標污染負荷為:

式中:值為該區域等標污染負荷總數(m3·a–1);P為第j個污染源有若干個污染物, 其污染源內的等標污染負荷(m3·a–1);P為第j個污染源第i種污染物的等標污染負荷(m3·a–1)。

該區域第j個污染源的污染負荷比為:

式中:K, 該區域第j個污染源的污染負荷比,K最大值為該區域內主導污染源, 其值從大到小, 可確定該區域的主導污染源;P為第j個污染源的第i種污染物的等表污染負荷(m3·a–1);為該區域等標污染負荷總數(m3·a–1)。

該區域第i個污染物的污染負荷比為:

式中:K, 該區域第i個污染物的污染負荷比,i中最大值表示該區域內的主要污染物, 將數值排序可以確定該區域主要污染物;P為第j個污染源中第i種污染物的等表污染負荷(m3·a–1);為該區域等標污染負荷總數(m3·a–1)。

化肥施用折純量計算公式分別為: N含量(kg·hm-2)=尿素(kg·hm-2)×0.464+復合肥(kg·hm-2)×N 含量比例系數; P2O5含量(kg·hm-2)=尿素(kg·hm-2)× 0.464+復合肥(kg·hm-2)×P2O5含量比例系數; K2O含量(kg·hm-2)=尿素(kg·hm-2)×0.464+復合肥(kg·hm-2)× K2O含量比例系數。

各污染源排污量計算公式: 化肥污染物排放量=氮、磷流失系數×化肥施用量; 畜禽養殖糞污排放量=排污系數×養殖數量; 生活廢污排放量=常住人口×排污系數。

2 結果與分析

2.1 農業面源污染分析評價

2.1.1 種植業面源污染分析

通過農戶調查結果計算出奎濉河典型小流域內灰古鎮秦圩村、付湖村耕地面積分別為600.00 hm2、740.65 hm2, 耕地總面積為1340.65 hm2。由表1可知, 兩個行政村一年內主要農作物種植狀況為小麥玉米輪作、小麥大豆輪作, 西瓜和蔬菜等其他作物均有少量種植。

表2為灰古鎮秦圩村和付湖村不同農作物種植肥料使用情況。表中顯示的氮、磷、鉀的含量均指折純后的含量。由表可知, 西瓜、蔬菜等種植中使用化肥量較高, 且施肥結構嚴重不合理。調查表明, 小流域內主要施用肥料類型為化學肥料, 有機肥投入比例較少。農田過多的氮素等投入隨降雨、地表徑流等途徑進入水體引起富營養化[10], 對小流域內的生態環境造成不利影響。

表1 奎濉河典型小流域土地主要利用類型

表2 奎濉河典型小流域不同作物肥料使用情況

表3為灰古鎮秦圩村和付湖村種植業化肥年施用情況。從總體上看, 付湖村和秦圩村的化肥施用強度, 遠超于發達國家規定225 kg·hm-2的安全標準水平[11], 應嚴格管控。

為了計算區域內農作物的化肥施用對環境造成的污染負荷率, 將農作物污染負荷指標法作為計算方法, 種植業氮、磷的流失量根據年度施肥量的0.563%、0.350%計算[12], 結果得出表4所示灰古鎮付湖村及秦圩村種植業化肥施用造成的污染排放總量。由表可知, 灰古鎮付湖村和秦圩村共有5578.06 kg的污染物排放量。TN為主要污染物來源, 排放量為3278.91 kg; 其次為TP, 排放量為2299.15 kg。付湖村化肥施用造成的污染負荷率最大, 為55.88%; 秦圩村污染負荷率為44.12%, 可能由于付湖村種植蔬菜、西瓜等作物且相應施肥強度較大等因素。

2.1.2 養殖業面源污染分析

經調查得出表5所示灰古鎮付湖村、秦圩村人口及養殖業情況, 由表可知灰古鎮秦圩村畜禽存欄數較大, 全村共有養殖大戶13家, 養殖品種為生豬、肉雞和肉鴨, 年出售雞鴨20萬只。付湖村現有14個家庭農場, 5個專業合作社, 2個農業產業聯合體和市級產業化龍頭企業淮海畜牧有限公司, 主要養殖品種是肉雞, 鴨, 肉牛和生豬等。

表3 奎濉河典型小流域種植業化肥年施用量與施用強度

表4 奎濉河典型小流域種植業化肥污染排放量

表5 奎濉河典型小流域人口及養殖業情況表

表6中畜禽養殖的排污參數來源于2008年安徽省全國首次污染源調查報告中的相關數據。將表5統計數據和表6的排污參數[13-14]相結合, 計算出灰古鎮兩個行政村的畜禽、水產養殖業排污狀況。本研究根據1 hm2精養魚塘每年向環境排放COD、TN、TP分別為74.5、101、11 kg[15]計算魚塘養殖的排污參數。

灰古鎮付湖村、秦圩村養殖業污染物排放量總量詳見表7。由表可以看出, 付湖村和秦圩村的養殖業污染源共向水體排放26808.80 kg污染物, 污染物主要為COD, 污染負荷率達69.91%。在畜禽養殖業中, 秦圩村污染負荷率比較大, 污染物排放總量達24032.52 kg, 占污染物總量的89.64%, 主要原因是養殖大戶畜禽存欄數較大, 污染較嚴重。

表6 奎濉河典型小流域養殖業畜禽糞尿和農社區人居的排污系數和流失率

表7 奎濉河典型小流域養殖業污染物排放量

表8 奎濉河典型小流域常住居民產生的面源污染分析

2.1.3 人居面源污染分析

由于灰古鎮付湖村及秦圩村生活垃圾由政府統一集中處理, 因此只計算常住人口生活污水帶來的污染問題。結合表5和表6的數據, 計算出表8所示付湖村、秦圩村常住居民產生的面源污染分析數據。從表8可以看出, COD的排放為人居生活產生污染物的主要貢獻單位, 占排放總量的91.55%; 其次為TN, 占7.20%; TP最低, 占1.25%。

2.2 農業面源污染綜合分析

根據灰古鎮付湖村和秦圩村農業面源污染特點及綜合種植業污染分析、養殖業污染分析及人居生活污染分析, 計算得出表9所示灰古鎮付湖村和秦圩村各農業面源污染綜合排放量數據。

由表9可看出, 灰古鎮付湖村及秦圩村農業面源污染排放源中, 生活源污染物排放總量達到43487.66 kg, 占總污染負荷的57.32%; 污染物以COD為主, 排放量達到39812.58 kg。養殖業污染物排放總量達到26808.72 kg, 污染物以COD為主, 其排放量達到18741.73 kg, 污染負荷率為35.33%。種植業化肥施用帶來的污染物總量達5577.66 kg, 負荷率為7.35%。在三個評價因子COD, TP, TN中, 污染負荷率最高為COD, 占到77.17%; 其次為TN, 污染負荷率為16.83%; TP的污染負荷率為6.00%。

總的來看, 生活源污染物排放總量最高, 是造成奎濉河小流域的最大污染源, 需謹慎對待、嚴格管理。在三個評價因子COD, TP, TN中, COD污染負荷率最高, 污染負荷率占到77.17%。因此, 加大農村人居環境整治, 嚴格控制亂排亂放, 以提高農村生活污水處理率, 是治理淮河流域奎濉河小流域農業面源污染的關鍵措施。

表9 奎濉河典型小流域各農業面源污染綜合排放量

3 討論

通過對淮河奎濉河小流域農業面源污染情況調查分析顯示: 在三種污染類型中, 人居生活污染和畜禽養殖是導致該流域農業面源污染最主要污染源。其主要原因是生活污水和畜禽糞便不達標處理。

隨著區域養殖數量的增加, 當前大部分養殖場沒有對畜禽糞便進行回收利用且污染處理設施跟不上, 養殖量超過了本地的環境承載能力。但以目前畜禽養殖的養殖密度和養殖規模來看, 還有一定的養殖空間, 未來養殖數量會不斷增多, 必須加強畜禽養殖糞污的治理力度。

農村生活面源污染源主要包括農村生活垃圾、生活污水和人糞尿。農村生活面源污染具有排放量小、分散、面廣、來源多、就近排放的水環境容量小及環境管理水平低等特點, 給流域水環境帶來了顯著影響?？梢钥闯? 農村生活污染源的治理還有很大的空間。

因此, 積極探索符合地方實際的農村生活污染治理模式和長效管理機制, 對于改善農村周圍水環境, 控制流域面源污染具有重要意義。提高農村生活污水處理率和實施養殖畜禽糞便的資源化處理, 是治理流域農業面源污染的有效措施。對于農業面源污染的治理對策雖然有各種不同的措施[16], 并且都起了一定的作用, 但綜合效果仍然欠佳, 難以達到滿意的治理效果[17]。本研究不僅可以探索符合地方實際的農村生活污染防控措施, 對于改善淮河奎濉河小流域水環境, 使其水污染的防治工作具有很強的典型性和代表性。

4 結論與建議

本研究針對淮河流域奎濉河小流域的三類主要污染源, 包括農田的化肥污染、養殖業污染、生活污染, 分別對各類污染源中的污染物進行定量分析及評價, 得出的主要結論如下:

(1) 灰古鎮秦圩村和付湖村年度化肥施用總量分別達到和769.92 t和897.35 t, 其施用強度遠超國家安全水平。因此, 鼓勵秸稈還田, 推廣緩控釋肥料、水肥一體化水溶性肥等新型高效肥料和高效施肥技術。在小流域內推行綠色生產生活方式, 實現經濟發展與生態環境的協調發展。

(2) 養殖業農業面源污染負荷率為35.33%; 生活源污染負荷率達到57.32%。可見, 農村生活和畜禽養殖應該成為該區域農業面源污染防控的重點。加大農村人居環境整治, 嚴格控制亂排亂放現象發生, 以提高廢水治理水平和衛生廁所普及率, 實現廁所糞污的有效處理或資源化利用。因地制宜建設生態溝渠、緩沖帶等有效攔截和消納農田退水和農村生活污水中各類有機污染物。加強大型養殖場糞污垃圾處理設備的配套率, 建設養殖場的糞污處理利用設施, 大力推廣清潔養殖技術和節水、節料等實用技術, 提高集約化、自動化和生態養殖水平。

(3) 在3個評價因子COD, TP, TN中, COD的污染負荷率最高占77.17%。且COD主要來源于生活污染源。因此, 提高農業資源、投入品利用效率和廢棄物回收利用水平。

后期開展流域面源污染防治建議如下:

(1) 隨著近年來對農業面源污染的不斷重視, 農業環境管理的基礎信息不斷豐富, 農業面源污染負荷也隨之變化, 有必要對導致農業面源污染的相關因素進行分析, 使得不同污染物之間的污染負荷值更為準確。

(2) 我們在研究的過程中, 對于徑流污染也缺乏一定的檢測, 并且沒有實現污染物的量化研究。在后期的研究中, 我們應綜合具體因素, 開發有效控制淮河流域奎濉河小流域農業面源污染的措施。

(3) 治理流域面源污染需要綜合運作多種控制措施才會有較好的效果, 因此, 針對淮河流域奎濉河小流域農業面源污染的治理應注重統籌政策措施、補償措施和技術措施。

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Investigation and evaluation of agricultural non-point source pollution in typical small watershed of Kuisui River in Huaihe Basin in Suzhou City, Anhui Province

SHI Xiaorui1, WU Sheng2, HUANG Yu2, OU Sanqing3, WANG Shuren3, MA Youhua2, JIANG Jiasheng4,*

1. School of Economics and Management, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China 2. School of Resources and Environment, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China 3. Management Committee of National Modern Agriculture Demonstration Zone, Yongqiao District, Suzhou City, Suzhou 234000, China 4. Graduate College of Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China

Based on the field investigation of the typical small watershed of Kuisui River and the comprehensive analysis with the method of equal standard pollution load, we found that among the agricultural non-point source pollution sources in the small watershed, the pollution load rate of the domestic source was the largest, reaching to 57.32%, and the total amount of pollutants discharged reached to 75874.04 kg, in which CODwas the main pollutant. The amount of pollutants discharged reachedto 39812.58. The pollution load rate of aquaculture was 35.33%, reaching to 18741.73 kg, and that of planting was 7.35%. Among the three evaluation factors COD, TN and TP, COD had the highest pollution load rate, which was 77.17%; TN was ranked the second, which was 16.83%; TP had a pollution load rate of 6.00%. The pollution of rural life and livestock breeding was the main source of agricultural non-point source pollution in small watershed, which could be the key point of prevention and control of agricultural non-point source pollution in this area.

small watershed; agricultural non-point source pollution; investigation; evaluation

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.05.014

X524

A

1008-8873(2021)05-109-07

2020-03-14;

2020-05-05基金項目:國家發改委宿州市埇橋區農業突出環境治理項目(No.2017-341302-77-01-000579); 安徽省教育廳項目(sztsjh2019-1-3)

時曉瑞(1995—), 女，山西臨汾人, 碩士研究生, 主要從事農業環境治理研究, E-mail:1132149151@qq.com

通信作者:姜家生, 男, 博士, 主要從事農業環境治理研究, E-mail:zzj123@ahau.edu.cn

時曉瑞, 武升, 黃瑜, 等. 淮河流域奎濉河典型小流域農業面源污染調查與評價[J]. 生態科學, 2021, 40(5): 109–115.

SHI Xiaorui, WU Sheng, HUANG Yu, et al. Investigation and evaluation of agricultural non-point source pollution in typical small watershed of Kuisui River in Huaihe Basin in Suzhou City, Anhui Province[J]. Ecological Science, 2021, 40(5): 109–115.