东江源山地果畜结合区面源污染生态化控制模式与效果分析

2013-02-20席运官刘明庆李德波王宏燕

东北农业大学学报 2013年2期

席运官，刘明庆，王磊，汪贞，李德波，王宏燕

（1.环境保护部南京环境科学研究所，南京 210042；2.东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030）

农村面源污染已成为大多数水源保护区水质污染的主导因素，其主要包括种植业不合理施用化肥农药的排放、不恰当土地利用方式导致的水土流失、畜禽与水产养殖业排污、农村生活垃圾和污水的不合理排放等[1-8]。生态农业被认为是充分循环利用生产系统的物质，提高系统综合生产力，减少农业面源污染的重要途径[9-12]。

针对东江源以丘陵山区小流域为主的地貌特征和果（脐橙）畜（生猪养殖）结合的生产模式，以位于定南县龙塘镇朱坑生态养殖小区的“杏林农庄”为例，剖析“猪-沼-果-鱼”综合生态农业模式的结构与功能，并优化分析其控制面源污染的效果，为在东江源广泛推广这种模式保护东江水质提供依据。

1 研究地区概况与研究方法

1.1 研究地区概况

东江源是一个以山地、丘陵为主的地区，地貌可概称“八山半水一分田，半分道路与庄园”，包括赣州市的定南、寻乌和安远三县，地理位置介于东经 114°47'～115°33'，北纬 24°29'～25°33'，流域面积3 502 km2，约占东江全流域面积的1/10，水资源总量44.0亿m3，其中29.21亿m3输入珠江三角洲，是下游众多城市特别是香港的主要水源地。

据调查，东江源区有耕地面积3.46万hm2，果园种植面积达到5.76万hm2，柑橘类果业已成为源头区农业经济发展的支柱产业。果园普遍大量使用农药、化肥，平均使用农药46.44 kg·hm-2，农药种类超过40种，平均使用化肥604.15 kg·hm-2（折纯）。此外，东江源区尤其是定南县养猪业发达，三县年出栏肉猪约77.8万头，年排放粪便约180万t。N、P、农药和养殖废水随地表径流进入水体的风险较大，危及东江源头水体水质[13-14]。

1.2 杏林农庄概况

20世纪80年代以来，南方开展较多的“猪-沼-果”生态农业模式研究，取得良好经济、社会与环境效益[15-16]。“猪-沼-果-鱼”生态农业模式是从“猪-沼-果”的基础上发展衍生而来，利用山地小流域的地形特征，在下游筑坝建鱼塘，以汇集径流水养鱼并消纳系统中沼液等外排养分，从而形成一个生态学与污染防治上都更加完整的生态系统。位于定南县龙塘镇朱坑生态养殖小区的杏林农庄为此模式的典型代表，其2005年建成，总面积33.33 hm2，实行山顶戴帽（种植水土涵养林）、山腰开梯田种脐橙，山脚穿靴（保留防护植被带），山土幼建生猪养殖场并匹配建设沼气系统，山底建鱼塘。其地貌与地理位置见图1，系统结构分布如图2所示。

图1 杏林农庄地理位置与地貌Fig.1 Map of Xinglin farm

图2 杏林农庄“猪-沼-果-鱼”生态农业系统布局Fig.2 Demonstration project of"pig-biogas-fruit-fish"eco-agriculture model in Xing lin farm

1.3 研究方法

1.3.1 杏林农庄的生态调查

对杏林农庄的各单元构成进行现场调查和测量。测量果园坡度，种植带宽度、内倾斜度，脐橙株距，梯壁高度，梯壁杂草的生物量与主要种类；测定猪场、沼气系统、氧化塘、鱼塘的规模与面积。采集果园土壤混合样品进行基础理化性状分析，其基础养分如表1，结果显示果园土壤肥力中等，土壤为黄色壤土，根据脐橙养分需求判断，Ca、Mg等元素较缺乏。

1.3.2 杏林农庄的系统优化

根据生态调查的结果，以“控源-减排-净化”为原则，以控制面源污染为目标，对杏林农庄生产系统进行优化改造，包括在氧化塘引入浮萍净化沼液并投入鱼塘作为鱼饵料；在滑坡敏感地带建造水泥排水沟预防滑坡减少水土流失；保留径流草沟，并在末端排口建造沉沙池；采用种植带地表覆草，保留梯壁植物，以截留地表径流；采用病虫害的生物、物理防治技术，减少化学农药的投入。

1.3.3 杏林农庄排水的水质跟踪测试

为了验证杏林农庄的污染防治效果，2010年6月～2011年8月，对农庄最末排水进行全年跟踪采样监测，同时采集果园径流水进行分析。

排水中TN、NH4+-N含量测定采用Skalar（荷兰）水质流动分析仪；TP采用过硫酸钾氧化-钼蓝比色法；COD测定采用高锰酸盐指数法；pH测定采用雷磁PHS-3C精密pH计。

表1 土壤的基础养分状况Table 1 The condition of soil nutrient

2 结果与分析

2.1 杏林农庄的系统结构与功能分析

如图2所示，杏林农庄养猪场建在小流域的上游。猪场总面积2 600 m2，采用自繁自养的方式，有良种母猪70头，猪场年出栏肥猪100头。猪场设置雨污分流系统，猪粪尿固液分离，粪尿与冲洗水进入沼气池发酵。猪粪通过堆置后，供果园使用。经计算，猪场年产生猪粪411 t，猪尿510 t，沼液可以提供 N 584 kg、P2O5321.67 kg、K2O 438.33 kg，其中60%进入果园，40%进氧化塘。氧化塘长35.4 m，宽22.5 m，平均深度0.6 m，每5 d抽一次约16 m3沼液放入氧化塘，每批次产生的浮萍量为100 kg左右，定期捞取喂鱼，净化的沼液再排入鱼塘，作为促进水生生物生长的肥源，培养鱼饵料。鱼塘建在农庄下游，面积约5 600 m2，深度平均3 m，鱼塘养殖草鱼1 500条，白鲢1 500条，鲤鱼1 000条，鳙鱼1 000条，以及少量的鲫鱼和青鱼。杏林农庄在小流域的两侧山坡以开梯田方式种植4 000多株脐橙（8 hm2），沼液、灌溉都采用管道化方式进行。果园坡度平均为31.8°，采取等高种植方式，开设反倾斜的水平梯带，种植带宽3 m，脐橙株距4 m，梯壁高度1.5～1.8 m，等高面向内倾斜，倾斜度为6～8°，以便汇水排水，减少水土流失；山坡修筑排水沟，沟内留草，阻隔径流泥沙。园内存留梯面、梯壁的植物主要有芒草、藿香蓟等植物，截流养分并减少水土流失。

杏林农庄的系统结构与功能关系如图3所示。

图3 “猪-沼-果-鱼”生态农业系统结构与功能关系Fig.3 Structure and fuction of"pig-biogas-fruit-fish"eco-agriculture model

2.2 杏林农庄面源污染生态化控制效果分析

2.2.1 控源

农药、化肥的过量使用，加剧了该地区的农业面源污染，使得东江源头区水体呈恶化趋势。杏林农庄果园施肥主要以猪粪自制有机肥、沼液为主，以及外购少量复合肥、钾肥等肥料，园内定期人工除草并覆盖于种植带表土作为绿肥使用。果树施肥，以基肥为主，配合一定次数的沼液追肥，针对土壤基础养分分析结果，适当补充钙、镁、硼等脐橙必需矿质养分，总施肥量见表2，其显著少于定南县周边农户的平均养分投入量，即 N 26.1 kg·hm-2，P2O521.9 kg·hm-2，K2O 17.8 kg·hm-2[17]。

果园实行绿色栽培技术，合理进行水肥管理，病虫害防治主要以生物、物理防治为主，包括释放天敌捕食螨防治红蜘蛛（每株果树释放一袋，含300头捕食螨，8月份在脐橙每叶害螨虫/卵少于2头时释放），安装频振式杀虫灯（每盏杀虫灯控制面积2 hm2，一般采用悬挂安装，悬挂高度为1.5 m左右，开灯时间分别为4～6月和为8～11月，天黑后开灯，每晚开灯4～6 h）、挂黄板诱虫（主要诱杀蚜虫、白粉虱、美洲斑潜蝇等害虫，每棵果树上悬挂一张，规格20 cm×24 cm）等；配合冬季施用生石灰进行树体刷白和果园清园消毒处理，喷洒波尔多液、氢氧化铜等矿物源制剂防治果树病害。果园内种植胜红蓟等吸引天敌的杂草、留存茅草等快速生长的土著杂草，增加果园生物多样性，为果树害虫天敌提供栖息繁衍的场所，致使杏林农庄每年只使用农药5～6次，明显少于定南县果园平均12～14次的农药使用次数；而且果园坚持人工除草和覆盖抑草，不施用除草剂。这些措施显著减少了杏林农庄的农药化肥使用量，从源头上有效控制了面源污染风险。

表2 杏林农庄果园2011年施肥水平状况Table 2 The fertilization input in citrus orchards of Xinglin farm in 2011（kg·hm-2）

2.2.2 减排

果园采用等高种植，开设反倾斜的水平种植梯带，保留梯壁植物和径流草沟，建防滑坡排水沟和沉砂池等，对径流减排起到重要的作用。

果园中梯壁杂草以茅草为主，长势旺盛，吸收大量营养，每棵脐橙树平均拥有约6 m2的梯面，如每年除草4次，每次鲜杂草量为6.3 kg计算，果园共计4 000棵脐橙树，则每年果园梯壁可生长杂草量为100.8 t，经测定杂草含氮0.346%，磷（P2O5）0.124%，钾0.314%，可截获348.77 kg氮，124.99 kg磷和316.51 kg钾。如割草后就地铺草则能为果园提供大量营养，同时有利于水土保持。

沉沙池是拦截径流水泥沙的重要方式，经测定，一个长4.4 m，宽1.1～1.25 m，深0.65～0.75 m的沉沙池，在丰水期，每个月拦截的泥沙量为8 m3，即减少了12.8 t泥沙流失量。

因果园采用生态化的栽培与管理措施，径流水中的氮磷含量也较低，监测结果如表3所示。对照地表水环境质量标准可知，果园径流水水质在Ⅰ～Ⅲ类水。

2.2.3 净化

杏林农庄猪场沼气发酵产生的沼液主要用于果园，但仍有40%沼液需外排。农庄设置氧化塘以净化外排沼液，然后进入鱼塘肥水养鱼。

表3 杏林农庄果园径流水水质分析结果Table 3 Quality of the surface runoff from the orchard of Xinglin farm（mg·L-1）

氧化塘引入浮萍快速净化沼液，而浮萍是鱼塘饵料。室内实验表明，浮萍能有效降解沼液（稀释15倍）中的有机物，并去除氮、磷，培养15 d后，浮萍对沼液中CODMn的去除率为47.9%，对氮和磷的去除率分别为37.6%和36.4%。

鱼塘是整个系统径流水与排放养分的汇集与滞留处，养分经过水生生物的生长和微生物的降解，得到进一步的利用与净化。

2.2.4 杏林农庄排水水质分析

杏林农庄通过控源、减排和净化等综合措施，显著减少果园农药、化肥的使用量，有效控制水土流失，减少养殖废水排放量，从而有效改善系统外排水水质，进而达到控制面源污染与保护生态环境的目的。

从2010年6月～2011年8月对农庄边界总排口外排水的监测数据可知（见图4），杏林农庄排水总体状况良好，基本优于地表水Ⅳ类水质指标要求。

图4 杏林农庄总排口排水水质Fig.4 Water quality of the drainage from Xinglin Farm

3 讨论与结论

a.“猪-沼-果-鱼”生态农业模式可有效控制系统面源污染的排放。杏林农庄“猪-沼-果-鱼”生态农业模式，其化肥投入只是当地单一果园平均用量的31%（以复合肥量投入计算），农药使用量为当地平均的50%。农庄果园径流水质优于地表水Ⅲ类水，农庄排水水质全年优于地表水Ⅳ类水。如果养猪场即使以沼液的形式排放废水，经测试，其养分浓度 N 200 mg·L-1，P2O5110 mg·L-1，K2O 150 mg·L-1，CODMn375 mg·L-1，仍为高浓度的污染废水。可以充分证明“猪-沼-果-鱼”生态农业系统是农业面源污染防治的有效模式。

b.“猪-沼-果-鱼”生态农业模式中“鱼”环节是面源污染控制不可缺失的要素。“猪-沼-果-鱼”生态农业模式污染控制措施主要从系统结构、生态建设方面进行防治，除沼液、猪粪堆肥等物质循环利用外，利用浮萍净化沼液并生产鱼饵料，保留梯壁植物再人工除草作为绿肥利用等都是既起到净化和污染截流又紧密结合生产的需要，可操作性、推广性强，适合在丘陵山区进行面源污染防治。在“猪-沼-果-鱼”生态农业模式中，“鱼”这个环节对于面源污染的控制不可缺失，否则猪场多余的沼液和废水直接排放风险大，导致排水高污染风险。因此，要发挥传统的“猪-沼-果”系统防治面源污染的功效，必须添加“鱼”这一环节。

c.“猪-沼-果-鱼”生态农业模式运行需具备一定条件。一是该模式涉及到猪、果、鱼等多项种植、养殖技术，经营者需要掌握各项技术；二则该模式要求劳力较多如人工除草等，需要配备充足的劳力；三是该模式受市场需求影响较大，生猪、脐橙等农产品价格直接关系到农庄经济效益和有效运行；四为自然因素与突发事件影响该模式正常运行，该地区暴雨频发，一方面会诱发塌方造成严重水土流失，有可能造成鱼塘涨水、塌堤跑鱼；养猪存在大规模疾病爆发风险。要有效避免这些风险，需要政府、技术部门等给予多方面支持。

[1]黄丽,项雅玲,袁锦方.三峡库区农田的化肥面源污染状况研究[J].农业环境科学学报,2007,26(增):362-367.

[2]王晓燕,王一峋,蔡新广,等.北京密云水库流域非点源污染现状研究[J].环境科学与技术,2002,25(4):1-3.

[3]陈敏鹏,陈吉宁,赖斯芸.中国农业和农村污染的清单分析与空间特征识别[J].中国环境科学,2006,26(6):751-755.

[4]曹彦龙,李崇明,阚平.重庆三峡库区面源污染源评价与聚类分析[J].农业环境科学学报,2007,26(3):857-862.

[5]孙娟,顾霜妹,李强坤.水土流失与农业非点源污染[J].水利科技与经济,2008,14(12):963-965.

[6]刘鸿雁,王龙飞,罗梅,等.贵阳市阿哈水库农业面源污染调查与分析[J].贵州农业科学,2009,37(9):235-239.

[7]骆世明,蔡昆争,黎华寿,等.流溪河水库集水区农业生态与面源污染分析：Ⅰ农业生态特征对水质的影响[C]//中国农业生态环境保护协会.农村污水处理及资源化利用学术研讨会论文集,2008:51-57.

[8]杨林章,王德建,夏立忠.太湖地区农业面源污染特征及控制途径[J].中国水利,2004(20):29-30.

[9]卞有生.建设农业生态工程治理与控制湖泊面源污染[J].中国工程科学,2001,3(5):17-21.

[10]朱万斌,王海滨,林长松,等.中国生态农业与面源污染减排[J].中国农学通报,2007,23(10):184-187.

[11]喻尚其,刘光德,李其林,等.山区农业面源污染的防治途径及对策[J],西南农业大学学报:社会科学版,2005,3(4):1-4.

[12]杨德伟,陈治谏,廖晓勇,等.三峡库区小流域生态农业发展模式探讨-以杨家沟、戴家沟为例[J].山地学报,24(3):366-372.