環(huán)鄱陽湖城市群耕地面源污染時(shí)空演變研究*

肖 蔚 葉長盛 甘 鳳 蔡 鑫

(東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,江西 南昌 330013)

相比點(diǎn)源污染,面源污染具有不確定性、分散性、滯后性和隱蔽性等特點(diǎn)[1-2],而且造成的污染不易監(jiān)督和防治。國家出臺了一系列面源污染防治的規(guī)劃和文件,截至2020年底,化肥和農(nóng)藥連續(xù)4年呈現(xiàn)負(fù)增長,治理取得積極進(jìn)展。但我國的化肥投入強(qiáng)度相對高,尤其是高經(jīng)濟(jì)價(jià)值作物以及發(fā)達(dá)地區(qū)仍存在過量施肥問題,新型冠狀病毒感染疫情后國家又對糧食安全提出更高要求,環(huán)鄱陽湖城市群經(jīng)濟(jì)的快速增長和城市化水平的迅速提高也可能導(dǎo)致新的耕地面源污染,這就使得面源污染防治形勢依然不容樂觀。

我國學(xué)者認(rèn)為,化肥農(nóng)藥的過量使用和牲畜規(guī)模化養(yǎng)殖是造成耕地面源污染的主要原因[3-5]。在面源污染的研究中,清單分析法比其他方法具有更大優(yōu)勢,在實(shí)際應(yīng)用中更具有可操作性,其污染負(fù)荷量的估算基于經(jīng)驗(yàn)核算參數(shù)和相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)資料,操作簡單、所需參數(shù)較少,我國學(xué)者通過應(yīng)用清單分析法取得了不少良好的研究成果。馬軍旗等[6]采用清單分析法探討了2003—2017年中國農(nóng)業(yè)面源污染的空間差異;熊娜等[7]利用清單分析法測算了2008—2019年廣西農(nóng)業(yè)面源污染物排放量和排放強(qiáng)度。但現(xiàn)有研究大多數(shù)以省級或市級為研究單元,對于縣級單元的面源污染時(shí)間格局演變特征研究相對不足。本研究對環(huán)鄱陽湖城市群56個(gè)縣(區(qū)、市)的耕地面源污染的時(shí)空演變特征進(jìn)行了研究,為合理的區(qū)域環(huán)境和耕地可持續(xù)發(fā)展提供了理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

環(huán)鄱陽湖城市群位于江西省北部,長江中下游(26°57′N～30°04′N,113°34′E～118°28′E),由8個(gè)地級市(南昌、景德鎮(zhèn)、萍鄉(xiāng)、九江、新余、鷹潭、宜春、上饒),撫州市區(qū)、東鄉(xiāng)區(qū)、金溪縣、崇仁縣以及吉安市峽江縣、新干縣組成,該區(qū)域絕大部分縣(區(qū)、市)是農(nóng)業(yè)縣,是我國重要的商品糧生產(chǎn)基地和蔬菜優(yōu)勢產(chǎn)區(qū),區(qū)域面積約9.23萬km2。該區(qū)域2020年耕地面積1.85萬 km2,糧食作物播種面積250.07萬hm2,糧食產(chǎn)量1 491.85萬t,分別占江西省的68.01%、66.95%、68.94%。近年來,環(huán)鄱陽湖城市群農(nóng)業(yè)集約化程度不斷提高,畜禽養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)發(fā)展迅速,但存在化肥農(nóng)藥使用不合理和畜禽養(yǎng)殖糞污處理不達(dá)標(biāo)等現(xiàn)象,由此產(chǎn)生的耕地面源污染會引發(fā)水體富營養(yǎng)化、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全等問題,對人類健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

1.2 數(shù)據(jù)來源

耕地面源污染產(chǎn)污單元數(shù)據(jù)來自2006—2021年江西統(tǒng)計(jì)年鑒、中國農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒、中國縣域統(tǒng)計(jì)年鑒、各地級市統(tǒng)計(jì)年鑒和縣(區(qū)、市)國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào);耕地面積數(shù)據(jù)來自各地級市土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù),個(gè)別年份缺失數(shù)據(jù)利用插值法和平滑數(shù)據(jù)處理法補(bǔ)齊;耕地面源污染排放測算中使用的產(chǎn)排污系數(shù)等參數(shù)參考文獻(xiàn)[8]至文獻(xiàn)[11]和《污染源普查農(nóng)業(yè)源系數(shù)手冊》。

1.3 研究方法

利用清單分析法計(jì)算耕地面源污染物排放總量和排放強(qiáng)度,選取農(nóng)田化肥、有機(jī)肥、畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)作物秸稈、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)村生活6個(gè)污染源(由于農(nóng)田化肥不產(chǎn)生化學(xué)需氧量(COD)污染,故農(nóng)田化肥不作為COD污染源),以COD、總氮(TN)和總磷(TP)為主要的污染負(fù)荷指標(biāo),建立污染負(fù)荷排放測算與評估的3層結(jié)構(gòu),包括污染源、產(chǎn)污單元和計(jì)算方法(見表1)。

表1 耕地面源污染產(chǎn)污清單及計(jì)算公式Table 1 List and calculation formula of cultivated land non-point source pollution

由于3類指標(biāo)排放強(qiáng)度存在差異,故利用聚類分析法將3類指標(biāo)的排放強(qiáng)度(面源污染排放總量與耕地面積之比)均劃分為4個(gè)等級(見表2)。

表2 COD、TN和TP排放強(qiáng)度等級劃分Table 2 Classification of COD,TN and TP emission intensity kg/hm2

參考文獻(xiàn)[12]、[13],采用發(fā)達(dá)國家為防止化肥對水體造成污染而設(shè)置的警戒線(225 kg/hm2)為標(biāo)準(zhǔn),將化肥投入強(qiáng)度劃分為3個(gè)等級:低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(<225 kg/hm2);中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(225～400 kg/hm2);高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(>400 kg/hm2)。

參考文獻(xiàn)[14]、[15],將畜禽糞尿排放強(qiáng)度劃分為3個(gè)等級:低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(<15 000 kg/hm2);中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(15 000～30 000 kg/hm2);高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(>30 000 kg/hm2)。

2 結(jié)果與討論

2.1 環(huán)鄱陽湖城市群耕地面源污染時(shí)間變化特征

由圖1可得,COD、TN排放總量分別由2005年的50.56萬、13.51萬t下降至2020年的46.14萬、13.26萬t,而TP排放總量由2.65萬t增加至2.74萬t;COD排放強(qiáng)度由2005年的258.22 kg/hm2下降至2020年的248.97 kg/hm2,而TN、TP排放強(qiáng)度分別由69.00、13.53 kg/hm2增加至71.55、14.79 kg/hm2。3類指標(biāo)的排放總量和排放強(qiáng)度變化趨勢基本相同,均呈先增加后減少的趨勢?？梢姯h(huán)鄱陽湖城市群耕地面源污染治理取得了一定成效。2015年原農(nóng)業(yè)部首次提出化肥使用量零增長行動,推進(jìn)農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用,后續(xù)出臺了一系列關(guān)于耕地面源污染防治的政策法規(guī);江西省通過嚴(yán)格實(shí)施畜禽養(yǎng)殖“三區(qū)”規(guī)劃和推進(jìn)化肥農(nóng)藥先進(jìn)施用技術(shù)等舉措,大大降低了耕地面源污染。

圖1 COD、TN和TP排放總量和排放強(qiáng)度隨時(shí)間變化Fig.1 Total emission and emission intensity of COD,TN and TP varied with time

江西省耕地面源污染的主要污染源是畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)田化肥和農(nóng)村生活[16]。由圖2可得,畜禽養(yǎng)殖污染源是環(huán)鄱陽湖城市群耕地面源污染的最主要污染源,對3類指標(biāo)的貢獻(xiàn)率最高,均在45%以上。3類指標(biāo)的主要污染源均是畜禽養(yǎng)殖。農(nóng)村生活COD貢獻(xiàn)率由2005年的33.05%降至2020年的26.46%,TN從14.08%降至10.48%,TP從16.13%降至11.39%;農(nóng)田化肥TN貢獻(xiàn)率由2005年的31.01%降至2020年的24.99%,TP從17.79%降至13.97%。

由表3可看出,2005年畜禽糞尿排放量、農(nóng)田化肥施用量和鄉(xiāng)村人口數(shù)量分別為4 292.18萬t、89.55萬t和2 136.97萬人,2020年比2005年分別減少了12.82%、17.25%和26.95%。主要是由于隨著國家對耕地面源污染的重視,制定了一系列耕地面源污染的相關(guān)政策法規(guī),特別是針對種養(yǎng)結(jié)合和化肥零增長的政策舉措,成效顯著。鄉(xiāng)村人口明顯減少主要是由于我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快,農(nóng)業(yè)人口向城市人口轉(zhuǎn)變,此外江西省作為勞務(wù)輸出大省,鄉(xiāng)村勞動力大量外流。

表3 畜禽糞尿、農(nóng)田化肥和鄉(xiāng)村人口Table 3 Livestock and poultry manure,farmland chemical fertilizer and rural population

2.2 環(huán)鄱陽湖城市群耕地面源污染空間變化特征

2005、2020年環(huán)鄱陽湖城市群COD、TN、TP排放強(qiáng)度空間分布見圖3,2020年環(huán)鄱陽湖城市群畜禽糞尿排放強(qiáng)度、化肥投入強(qiáng)度空間分布見圖4。

圖3 2005、2020年環(huán)鄱陽湖城市群COD、TN和TP排放強(qiáng)度空間分布Fig.3 Spatial distribution of COD,TN and TP emission intensities in urban agglomeration around Poyang Lake in 2005 and 2020

圖4 2020年環(huán)鄱陽湖城市群畜禽糞尿排放強(qiáng)度、化肥投入強(qiáng)度空間分布Fig.4 Spatial distribution of livestock and poultry manure and urine emission intensity and fertilizer input intensity in urban agglomeration around Poyang Lake in 2020

從COD的空間特征來看,2005年COD高污染區(qū)2個(gè)(南昌市區(qū)和崇仁縣),較高污染區(qū)有5個(gè),低污染區(qū)主要分布在環(huán)鄱陽湖城市群北部,北部縣(區(qū)、市)的COD排放強(qiáng)度均在平均值(277.99 kg/hm2)以下。2020年COD污染程度呈西南部>中部>東北部的空間格局分布,西南部縣(區(qū)、市)由于畜禽養(yǎng)殖規(guī)模增加,而耕地面積較少,畜禽糞尿排放強(qiáng)度高,COD污染嚴(yán)重。2020年COD污染程度整體降低主要是由于環(huán)鄱陽湖城市群通過嚴(yán)格落實(shí)畜禽養(yǎng)殖“三區(qū)”規(guī)劃和開展農(nóng)村人居環(huán)境整治等舉措,生態(tài)環(huán)境得到明顯改善,而南昌市區(qū)、崇仁縣COD排放強(qiáng)度分別增至860.60、779.56 kg/hm2,遠(yuǎn)高于平均值(285.05 kg/hm2)。南昌市區(qū)主要是由于城市化進(jìn)程加快,耕地面積縮減;崇仁縣主要是由于畜禽年養(yǎng)殖量巨大,畜禽糞尿排放量高。

從TN的空間特征來看,2005年TN高污染區(qū)2個(gè)(崇仁縣和南昌市區(qū)),較高污染區(qū)7個(gè),低污染區(qū)主要分布在環(huán)鄱陽湖城市群西北部。崇仁縣和南昌市區(qū)TN排放強(qiáng)度分別為209.39、157.08 kg/hm2,遠(yuǎn)高于其他縣(區(qū)、市),崇仁麻雞產(chǎn)業(yè)作為崇仁縣的支柱產(chǎn)業(yè),麻雞年養(yǎng)殖量高,糞尿排放多,污染強(qiáng);南昌市區(qū)由于畜禽養(yǎng)殖密度大,而耕地面積較小,所能承擔(dān)的污染負(fù)荷遠(yuǎn)小于其他地區(qū)。2020年TN污染強(qiáng)度高的地方主要集中在西南部、南部和中部,包括上栗縣、蓮花縣、崇仁縣、南昌市區(qū)和萍鄉(xiāng)市區(qū)等,而北部地區(qū)TN污染程度較低。這與畜禽糞尿排放量和農(nóng)田化肥施用量有關(guān),西南部、中部和南部地區(qū)畜禽糞尿排放強(qiáng)度和化肥投入強(qiáng)度高,北部地區(qū)畜禽養(yǎng)殖規(guī)模較小,畜禽糞尿排放強(qiáng)度相對較低。

從TP的空間特征來看,2005年TP高污染區(qū)2個(gè)(南昌市區(qū)和崇仁縣),較高污染區(qū)7個(gè)(包括南昌縣、樟樹市、上饒市區(qū)和廣豐縣等),絕大部分地區(qū)為較低污染區(qū)。南昌縣和樟樹市是重要的瓜果蔬菜和糧食作物的種植基地,農(nóng)作物單位面積種植量較大,化肥施用量大;上饒市區(qū)主要是由于單位面積畜禽養(yǎng)殖量較大,而耕地面積相對較小,TP污染程度較高;廣豐區(qū)主要是由于畜禽養(yǎng)殖規(guī)模尤其是生豬出欄量較大,導(dǎo)致污染物排放量較大。2020年TP高污染區(qū)增至5個(gè),較高污染區(qū)增至8個(gè),較低污染區(qū)數(shù)量明顯減少,低污染區(qū)數(shù)量增加,TP空間分布與化肥投入強(qiáng)度的空間分布相似。其中,廣豐區(qū)變?yōu)楦呶廴緟^(qū),TP排放強(qiáng)度增至32.21 kg/hm2,主要是由于化肥施用量和家禽出籠量分別增加了20.37%、22.02%。

綜上所述,環(huán)鄱陽湖城市群地面源污染程度高的地方主要集中在西南部地區(qū)、南昌市區(qū)及崇仁縣,污染程度較低的地方主要分布在北部和東部地區(qū)。

2.3 討 論

我國從2004年開始減征或免征農(nóng)業(yè)稅,廣大農(nóng)戶種糧積極性空前高漲[17],化肥投入強(qiáng)度加大。傳統(tǒng)的糧食作物經(jīng)濟(jì)收益低且種植周期長,再加上消費(fèi)市場結(jié)構(gòu)升級,農(nóng)戶對經(jīng)濟(jì)作物的生產(chǎn)積極性提高,農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,經(jīng)濟(jì)作物播種面積所占比例增加。傳統(tǒng)糧食作物對化肥的需求量相對較小,而經(jīng)濟(jì)作物種植的單位面積施肥量大增[18]。研究表明,施肥強(qiáng)度對我國化肥施用量增長的貢獻(xiàn)率高達(dá)70.4%[19],是我國農(nóng)業(yè)化肥施用量快速增長的主要原因。此外,國家的“三農(nóng)”政策降低了農(nóng)戶的化肥成本,導(dǎo)致化肥施用量增加。過量施用化肥,易造成耕地養(yǎng)分結(jié)構(gòu)失調(diào)和重金屬污染[20]。因此,可從以下方面減少農(nóng)田化肥污染:(1)積極推廣科學(xué)施肥和精準(zhǔn)施肥,加速有機(jī)肥代替化肥進(jìn)程;(2)積極推進(jìn)農(nóng)牧結(jié)合、種養(yǎng)平衡一體化,從源頭及生產(chǎn)過程中減少污染物排放。

大牲畜(牛)和生豬的單體產(chǎn)污量相對羊、家禽等更高,耕地面源污染程度與大牲畜(牛)及生豬的養(yǎng)殖量所占比例呈正相關(guān)。由于消費(fèi)觀念的改變、市場需求的優(yōu)化和強(qiáng)農(nóng)惠農(nóng)政策,畜禽養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)效益上升,生豬養(yǎng)殖散戶和養(yǎng)殖場數(shù)量增加,畜禽糞尿排放量增加,導(dǎo)致耕地面源污染加重。我國畜禽規(guī)?；潭雀?但由于資金有限和糞污處理及資源化利用相關(guān)環(huán)節(jié)缺乏監(jiān)管等原因,每年生產(chǎn)的38億t畜禽糞便綜合利用率卻不足60%[21]。畜禽糞尿的過量排放會造成土壤嚴(yán)重板結(jié)、土壤結(jié)構(gòu)失衡,阻礙農(nóng)作物的正常生長[22]。因此,筆者認(rèn)為可從以下角度來提高畜禽養(yǎng)殖廢棄物的資源化利用率:(1)正確發(fā)揮政府和市場作用,積極探索新的糞污處理模式;(2)減輕農(nóng)戶在畜禽糞污處理上的資金壓力,建立長效保障激勵(lì)機(jī)制;(3)加強(qiáng)污染防治宣傳,提高養(yǎng)殖戶的環(huán)保意識。

3 結(jié) 論

(1) 環(huán)鄱陽湖城市群COD、TN排放總量分別由2005年的50.56萬、13.51萬t下降至2020年的46.14萬、13.26萬t,而TP排放總量由2.65萬t增加至2.74萬t;COD排放強(qiáng)度由2005年的258.22 kg/hm2下降至2020年的248.97 kg/hm2,而TN、TP排放強(qiáng)度分別由69.00、13.53 kg/hm2增加至71.55、14.79 kg/hm2。3類指標(biāo)的最主要污染源均是畜禽養(yǎng)殖。

(2) 耕地面源污染程度高的地方主要集中在西南部地區(qū)、南昌市區(qū)及崇仁縣,污染程度較低的地方主要分布在北部和東部地區(qū)。