丹江口库区湖北水源区农业面源污染现状调查及评价
2012-09-12张小勇范先鹏刘冬碧徐芳森甘小泽范修远董文忠
张小勇 范先鹏 刘冬碧 徐芳森 甘小泽 范修远 董文忠
摘要:采用综合调查的方法,对丹江口库区湖北水源区31个乡镇的农业面源污染现状进行调查,用产污系数法、排污系数法测算区域内各类农业污染源产生与排放污染物的总量,并引入等标污染负荷法分析和评价该区域农业面源污染现状。结果表明,在该区域内,农业面源主要污染物TN、TP和COD的产生量分别为2 066.93、240.93和16 540.18 t,排放量分别为1 432.28、161.83和4 546.65 t;种植业源为该区域农业面源的主要污染源,其等标污染负荷占所有农业面源等标污染总负荷(1 196.78 t PO43-)的57.79%,水产养殖业源、农村生活源和畜禽养殖业源所占比例分别为14.91%、14.25%和13.05%;TN、TP为该区域农业面源的主要污染物,其等标污染负荷分别占所有农业面源等标污染总负荷的50.26%和41.38%,COD只占8.36%;种植业源的TN和TP等标污染负荷量分别占所有农业面源等标污染负荷总量的36.08%和21.71%,是区域内水体富营养化风险的主要构成因子,也是农业面源污染防控的重点。
关键词:农业面源污染;现状调查;等标污染负荷;丹江口库区
中图分类号:X508文献标识码:A文章编号:0439-8114(2012)16-3460-05
Investigation and Evaluation on Agricultural Non-Point Source Pollution in Danjiangkou Reservoir Area of Hubei Province
ZHANG Xiao-yong1,2,FAN Xian-peng1,LIU Dong-bi1,XU Fang-sen2,GAN Xiao-ze3,FAN Xiu-yuan3,
DONG Wen-zhong3
(1.Plant Protection and Fertilizer Science Institution, Hubei Academy of Agricultural Sciences,Wuhan 430064,China; 2. College of Resources and Environmental Sciences, Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070,China; 3. Agricultural Ecological and Environment Protection Workstation of Hubei Province,Wuhan 430070,China)
Abstract: The ecological environment in Danjiangkou reservoir area (DRA) is a key factor affecting the quality of water that transported by Middle Route in South to North Water Transfer project, whereas the present situation of agricultural non-point source (NPS) pollution in this area is not clear. In this study, the agricultural NPS for 31 townships in DRA of Hubei province was investigated by comprehensive investigation method; the pollutant load from different sources was calculated by pollution production and discharge coefficient method; and the present pollution situation was analyzed and evaluated by equivalent pollution load method. The results showed that the main agricultural NPS pollutants were TN, TP and COD,with the production of 2 066.93 t, 240.93 t and 16 540.18 t respectively, and with the discharge of 14 32.28 t,161.83 t,and 4 546.65 t respectively. Planting was the main pollution source, with the equivalent pollution load ratio of 57.79% in the total equivalent pollution load (1 196.78 t PO43-) from all sources; and the equivalent pollution load ratio from aquaculture,rural life, livestock and poultry breeding accounted for 14.91%, 14.25%, and 13.05% respectively. The main pollutants from agricultural NPS were TN and TP, with the equivalent pollution load ratio of 50.26% and 41.38% respectively, and that of COD was only 8.36%. The equivalent pollution load ratio of TN and TP from planting accounted for 36.08% and 21.71% respectively in the total from agricultural NPS, indicating that loss of N and P from planting might be the main factor leading to water body eutrophication, which was suggested to be the key for agricultural NPS pollution prevention and controlling.
Key words:agricultural non-point source pollution;present situation investigation;equivalent pollution load;Danjiangkou reservoir area
丹江口水库位于鄂、豫、陕3省交界处,主要分布于湖北、河南两省境内,是我国南水北调中线工程的水源区。南水北调中线工程要求丹江口水库的水质达到国家地表水Ⅱ类以上水质标准[1-3]。现有监测结果表明,2003~2009年,丹江口水库的水质已由常年Ⅰ~Ⅱ类下降至大部分时段和区域为Ⅱ~Ⅲ类,个别季节和区域为Ⅲ~Ⅳ类,水质的主要限制因子由单纯的总氮(TN)增加为TN、总磷(TP)共同作用,库区水体处于中营养化状态,部分支流水体则出现富营养化状态[4-6]。国内多个重点流域的研究表明,农业面源污染是湖库水体富营养化的主要原因[7,8]。根据第一次全国污染源普查公报,2007年度全国农业源TN、TP和化学耗氧量(COD)的排放量分别占各种来源排放总量的57.19%、67.27%和43.71%[9]。在丹江口库区,针对水体水质监测和生态环境评价的研究比较多,库区农业面源污染的研究大多集中在农业面源污染发生的机理方面[10-13],对农业面源污染物的产生和排放情况的调查和统计未见报道。随着南水北调中线工程的快速推进,对库区农业面源污染现状的深入了解尤为迫切。因此,采用综合调查的方法,对丹江口库区湖北水源区所涉及的31个乡(镇)的农业面源现状进行调查,用产污系数法、排污系数法测算区域内各类农业污染源产生与排放污染物总量,并引入等标污染负荷法分析和评价该地区农业面源污染现状,为制定科学合理的农业面源污染控制措施及农业环境保护政策提供依据。
1材料与方法
1.1研究区基本情况
丹江口库区湖北水源区是指丹江口水库最高水位线周边5 km、汉江入库口上溯10 km以及沿汉江河道两侧2 km范围内的湖北区域。该区域共涉及湖北省十堰市的丹江口市、张湾区、郧县和郧西县的31个乡(镇)。区域内农业用地总面积为79 180 hm2,其中坡度>5°的坡地占73.73%;耕地利用方式主要为旱地,占85.01%,主要种植制度为玉米-小麦和玉米-油菜,水田种植制度主要为水稻-小麦,园地主要为果园、茶园和桑园。
1.2调查内容
1.2.1种植业源种植业源调查包括各乡(镇)种植业基本情况普查和农户典型地块抽样调查。各乡(镇)基本情况普查内容主要为各乡(镇)各类种植模式及面积。农户典型地块按农户数量0.8%的比例抽取,调查内容包括地块基本情况、肥料和农药施用情况、秸秆产生和利用情况。根据种植业污染物产、排系数和各类种植模式面积及比例计算各乡(镇)各类污染物流失总量。调查基准年为2007年,调查数据均为2007年的数据。
1.2.2畜禽养殖业源对于达到规模化养殖的畜禽养殖场和畜禽养殖专业户全面调查(表1)。调查内容包括畜禽养殖种类、存栏量、出栏量、饲养周期及清粪方式等。根据畜禽存(出)栏量和各类污染物产、排系数计算出各类污染物产、排总量。
1.2.3水产养殖业源对池塘养殖面积在0.33 hm2以上、工厂化养殖水体体积1 500 m3以上的养殖专业户以及规模化水产养殖场全部进行调查。调查内容包括水产养殖种类、养殖模式、养殖面积、投入品用量及水体交换情况等。根据水产养殖规模和各类污染物产、排系数计算出各类养殖水体的污染物产、排总量。
1.2.4农村生活源根据调查获知,丹江口库区地形地貌、气象条件和经济水平均与三峡库区较为相似,利用已知的三峡库区农村生活源污染物产、排系数,结合丹江口库区湖北水源区各乡(镇)的人口数,计算出该区各乡(镇)的生活垃圾、生活污水以及其中的污染物产生和排放情况。
1.3污染物负荷计算及评价方法
1.3.1污染物计算与汇总将各个调查对象的调查结果录入到专用软件中,导入各类污染物的产、排系数,计算出每个调查对象的各类污染物产生和排放量,汇总后得到各乡(镇)不同来源污染物的产生和排放总量。
1.3.2等标污染负荷量的评价方法为了便于评价各种来源的不同类型污染物的排放可能造成的库区水体富营养化污染风险,采用了富营养化污染负荷等当量计量方法[14,15],其原理是根据相同质量的污染物对水体富营养化的相对贡献大小(当量系数)进行计量汇总,以PO43-为基准物质,不同污染物的当量系数[16]见表2。
2结果与分析
2.1丹江口库区湖北水源区农业面源污染现状
2.1.1农业固体废弃物及农业污水调查结果表明,丹江口库区湖北水源区农业固体废弃物的产生总量为62.55万t,其中各类农作物秸秆43.70万t,占农业固体废弃物产生总量的69.86%,是最大的潜在固体废弃物污染来源;其次是农村生活垃圾,产生量为15.89万t,占25.40%;最少的是畜禽养殖业废弃物2.96万t,占4.74%(表3)。农业污水产生总量(不包括农田地表径流)为992.66万m3,其中农村生活污水618.69万m3,占农业污水产生总量的62.33%;水产养殖业污水362.01万m3,占36.47%;畜禽养殖业污水11.96万m3,占1.20%。农业污水排放总量为262.94万m3,其中农村生活污水排放量189.34万m3,占农业污水排放总量的72.01%;水产养殖业污水排放量66.36万m3,占25.24%;畜禽养殖业污水排放量7.24万m3,占2.75%。因此,丹江口库区湖北水源区防控农业固体废弃物污染的重点是农作物秸秆的资源化利用和农村生活垃圾的处理,控制农业污水排放的重点是农村生活污水的无害化处理与利用。
2.1.2污染物排放总量调查结果表明,丹江口库区湖北水源区农业面源3种主要污染物TN、TP、COD的产生总量分别为2 066.93、240.93和
16 540.18 t;TN、TP、COD的排放总量分别为1 432.28、161.83和4 546.65 t。从TN和TP的排放总量来看,种植业源是该区域的主要污染源,其TN、TP排放量分别占农业面源TN、TP排放总量的71.77%和52.47%;对COD而言,农村生活源则是该区域的主要污染源,其产生和排放量分别占农业面源COD产生和排放总量的58.84%和64.97%(表4)。
2.2不同来源的污染物产生和排放现状分析
2.2.1种植业源研究区种植业源主要污染物为农田土壤N、P的流失和未充分利用的秸秆。调查结果表明,研究区种植业氮肥施用总量为3.50万t(N),磷肥施用总量为1.48万t(P2O5)。与十堰市和湖北全省氮、磷肥施用情况相比,区域内年平均单位面积施肥量低于十堰市和全省平均水平(图1)。
研究区农田TN年平均流失量为12.98 kg/hm2,TP年平均流失量为1.07 kg/hm2。TN主要是以地表径流的方式流失,占年平均流失量的89.95%。分析施肥对农田TN、TP的影响,当年施肥造成TN和TP的流失量分别占农田流失总量的34.29%和51.66%(表5)。对TN流失而言,土壤本底的流失量占主要的部分,因此控制农田N、P的流失,除了减少不合理的施肥外,还应综合考虑增加地表覆盖、减少扰动土壤的耕作措施、横坡种植等减少地表径流发生的农艺措施。
研究区产生的43.70万t农作物秸秆中,5.57万t在田间被焚烧,1.62万t秸秆随意丢弃,二者占秸秆产生总量的16.5%(图2)。秸秆在田间焚烧会产生大气污染,也浪费大量的有机质;随意丢弃的秸秆腐解后产生的有机质、矿质营养物质等进入农田周边水体,带来潜在的环境风险。
2.2.2畜禽养殖业源研究区畜禽养殖业总体规模为:生猪出栏量3.60万头,肉牛出栏量113.00万头,蛋鸡存栏量21.05万只,肉鸡出栏量201.01万只,经济总产值为1.392亿元。畜禽养殖业产生畜禽粪便2.96万t、尿液2.03万m3、污水11.96万m3。TN、TP和COD的产生量分别为492.52、66.20和6 571.40 t,分别占农业面源污染物各自产生总量的23.83%、27.48%和39.73%;TN、TP和COD的排放量分别为116.55、25.07和1 386.55 t,分别占农业面源污染物各自排放总量的8.14%、15.49%和30.50%。若考虑将畜禽养殖业产生的粪便和尿液全部施用于当地的农业用地,则研究区农业用地的畜禽粪便和尿液消纳强度分别为373.81和256.35 kg/hm2(表6),总体消纳强度为十堰市平均水平的56.19%,约为全省平均水平的21.00%。该区域为环境敏感区域,应合理控制畜禽养殖的规模,大力推进健康养殖,增加粪便与污水的处理设施,确保污染物的零排放。
2.2.3水产养殖业源研究区水产养殖总面积
1 893.93 hm2,当年共投放亲本鱼苗及种苗1 396.78 t,养殖总产量7 879.83 t,养殖增产量6 483.05 t。养殖投入品总量4 988.83 t,其中饲料使用量4 797.66 t,肥料投入量173.19 t,药物投入量17.98 t。TN、TP和COD的产生量分别为175.67、33.73和237.12 t,分别占农业面源污染物各自产生总量的8.50%、13.99%和1.43%;TN、TP和COD的排放量分别为172.49、33.15和206.33 t,分别占农业面源污染物各自排放总量的12.04%、20.48%和4.54%。水产养殖对库区水体水质有着直接、迅速的影响,需要更为严格的规模控制,提倡采用池塘生态养殖等养殖模式。
2.2.4农村生活源研究区31个乡(镇)的农村人口总数为85.36万,农村生活垃圾和污水产生总量分别为15.89万t和618.69万m3,排放总量分别为12.15万t和189.34万m3。TN、TP和COD的产生量分别为370.78、56.08和9 731.66 t,分别占农业面源污染物各自产生总量的17.94%、23.28和58.84%;TN、TP和COD的排放量分别为115.28、18.69和
2 953.77 t,分别占农业面源污染物各自排放总量的8.05%、11.55%和64.97%。区域内农村生活垃圾与生活污水的处理不仅关系到当地农村居民居住的环境质量,对水源区的水质也有很大的影响。
2.3研究区农业面源污染负荷评价
2.3.1主要污染物按等标污染负荷法计算,研究区水体富营养化等标污染总负荷为1 196.78 t PO43-,其中TN、TP和COD的等标污染负荷分别为601.56、495.2和100.03 t PO43-,所占比例分别为50.26%、41.38%和8.36%,这表明TN的排放所带来的等标污染负荷最大,COD的排放所带来的等标污染负荷最小(表7)。TN是该区域内的主要污染物,也是防控的重点。
2.3.2主要污染源分析农业面源污染不同来源所有污染物的等标污染负荷,种植业源、水产养殖业源、畜禽养殖业源和农村生活源的等标污染负荷分别为691.60、178.43、156.16和170.59 t PO43-,所占比例分别为57.79%、14.91%、13.05%和14.25%,种植业源污染物排放所带来的等标污染负荷最大,畜禽养殖业源污染物排放所带来的等标污染负荷最小。种植业源为农业面源污染的主要污染物来源,因此该区域农业面源污染防控的重点在种植业源。在种植业源中,TN和TP的等标污染负荷分别占研究区等标污染总负荷的36.08%和21.71%,种植业源的N、P流失是研究区水体富营养化污染风险的最主要构成因子。
3结论
通过对研究区31个乡(镇)的农业面源污染进行综合调查,采用产污系数法、排污系数法测算。结果表明,该区域内农业固体废弃物的产生总量为62.55万t;各类农业污水产生总量(农田地表径流除外)为992.66万m3,排放总量为262.94万m3;农业面源主要污染物TN、TP、COD的产生量分别为
2 066.93、240.93和16 540.18 t;TN、TP、COD的排放量分别为1 432.28、161.83和4 546.65 t。
采用等标污染负荷法对该区域农业面源污染进行分析与评估。结果表明,该区域内,农业面源主要污染物的富营养化等标污染总负荷为1 196.78 t PO43-;种植业源、水产养殖业源、畜禽养殖业源和农村生活源所占比例分别为57.79%、14.91%、13.05%和14.25%,种植业源为该区域农业面源污染的主要来源。几种主要污染物中,TN、TP和COD的等标污染负荷占等标污染总负荷的比例分别为50.26%、41.38%和8.36%,TN为最主要的污染物。种植业源的TN、TP等标污染负荷分别占农业面源等标污染总负荷的36.08%和21.71%,种植业源的N、P流失是库区水体富营养化污染风险的主要构成因子。因此,该区域农业面源污染防控的重点是农田N、P的流失,除控制N、P的不合理施用外,还应该综合考虑肥料的施用方法、增加农田地表覆盖、合理耕作、横坡种植等多种农艺措施。
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