贵阳市红枫湖饮用水源保护区的农业面源污染分析

杨通铨， 喻阳华， 刘鸿雁

(1.贵州大学 资源与环境工程学院， 贵州 贵阳 550025； 2.贵阳市两湖一库管理局， 贵州 贵阳 551400； 3.仁怀市环境保护局， 贵州 仁怀 564500)

贵阳市红枫湖饮用水源保护区的农业面源污染分析

杨通铨1,2， 喻阳华3， 刘鸿雁1*

(1.贵州大学 资源与环境工程学院， 贵州 贵阳 550025； 2.贵阳市两湖一库管理局， 贵州 贵阳 551400； 3.仁怀市环境保护局， 贵州 仁怀 564500)

为红枫湖面源污染防治提供科学依据，在对湖区农村人口、土地类型和畜禽养殖规模等调查的基础上，结合第一次全国污染源普查城镇生活产排系数、畜禽排泄系数及氮肥和磷肥流失率计算方法，研究红枫湖饮用水源保护区的农业面源污染情况。结果表明：2013年红枫湖水源保护区内，各污染源对红枫湖水质污染的贡献率为畜禽养殖>农村生活>农田化肥。通过分析得出，在红枫湖面源污染中，畜禽养殖污染源是红枫湖农业面源污染的主要来源，对水环境中CODCr、TP和NH3-N贡献率超过50%；农村生活污染源是农业面源污染的重要来源，对CODCr和NH3-N贡献率分别为43.49%和46.69%；农田化肥污染源对TN和TP的贡献率高于农村生活污染源(25.87%和6.75%)，为33.76%和27.71%。应加强水源保护区面源污染的治理，从源头上控制污染。

红枫湖； 农业面源污染； 污染物贡献率； 防治措施

农业面源污染是农业生产活动中产生的污染物通过地表径流、壤中流、农田排水和地下渗漏进入水体而形成的污染，主要包括农田种植源、畜禽及水产养殖源和农村生活源等[1]。近年来，随着工业废水和城市生活污水等点源污染得到有效控制，农业面源已成为水环境污染的最重要来源[2]。中国农业科学院研究成果显示[3]：在中国水体污染严重的流域，农田、农村畜禽养殖和城乡结合部地带的排污是造成流域水体氮(N)、磷(P)富营养化的主要原因，其贡献大大超过来自城市地区的生活源污染和工业源污染。第一次全国污染源普查结果亦显示[4]，农业面源已远超工业源和城市生活源而成为污染源之首。其中，农业面源中的化学需氧量(CODCr)、总氮(TN)和总磷(TP)排放量分别占各污染物排放总量的43.7%、57.2%和67.3%。在欧美国家，农业面源污染同样是造成水体污染的主要原因，如美国的农业面源污染导致40%的湖泊和河流水质不合格[5]；瑞典不同流域中氮的总输入量60%～87%来自农业[6]；荷兰农业面源污染的TN和TP分别占水污染总量的60%和40%[7]。由于农业面源污染具有分散、随机、潜在和难监测等特点，增加了面源污染的识别、控制和治理难度，使得其对水体污染的影响长期被忽视[8]，导致我国湖泊污染的态势日趋严重[9]。据对太湖、滇池等湖泊的调查，面源污染对水体污染的贡献率超过70%[10-11]。红枫湖于1960年建成，为猫跳河梯级电站的龙头水库，属于喀斯特高原峡谷型人工深水湖泊，位于贵州省清镇市、平坝区和西秀区境内(E：106°19′～106°28′，N：26°26′～26°35′)，1988年被国务院批准为国家级风景名胜区。该湖以红枫湖大桥为界分为北湖和南湖，主要入湖河流有羊昌河、麻线河、后六河和桃花园河，水域面积57.2 km2，流域面积1 596 km2，最大水深45 m，平均水深10.51 m。红枫湖流域属亚热带季风湿润气候带，年均气温14.4℃，年均降水量1 174.7～1 386.1 mm，降水主要集中在夏季(6-8月)。经过60多年的发展，红枫湖已从建库时单一的调蓄功能扩展为具有饮用水源、工农业用水、旅游和发电等多种功能，是贵阳市的主要饮用水源，20世纪90年代末期水体污染严重，2008年开始综合治理，水质已由2007年的劣Ⅴ类提升至2014年的总体Ⅲ类和局部Ⅱ类[12-14]，但面源污染风险程度仍然较高，影响着贵阳市120多万人的饮水安全。为此，对红枫湖水源保护区农业面源污染状况进行调查分析，并提出相应的控制对策，以期为红枫湖面源污染防治提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 数据来源

在2013年对红枫湖水源保护区调查基础上，以红枫湖水源地一二级保护区和准保护区为单位，整理出红枫湖保护区内的人口数量、耕地面积、畜禽养殖规模及数量等与农业面源污染直接相关的数据信息(表1)。

表1 红枫湖农业人口、土地类型及畜禽养殖情况

1.2 生活源污染物的计算

参照《第一次全国污染源普查城镇生活产排污系数手册》[12]中的城镇居民生活污染物排放量及生活垃圾产生量计算，其计算公式如下。

Gp=3650NFp

(1)

Wa=3650NFw

(2)

式中，Gp、Wa为城镇居民生活污染物年排放量和生活垃圾年产生量，其中污水量及垃圾量单位为t/a，污染物单位为kg/a；N为城镇居民常住人口，万人；Fp为城镇居民生活污染物排放系数，其中污水量系数单位为L/(人·d)，污染物系数单位为g/(人·d)；Fw为城镇居民生活垃圾产生系数，kg/(人·d)。贵阳市城镇居民生活源污染物对应系数取值参照文献[15]进行：生活垃圾0.56 kg/(人·d)，生活污水140 L/(人·d)，CODCr72 g/(人·d)，TN 12.8 g/(人·d)，TP 1.14 g/(人·d)，NH3-N(氨氮)9.0 g/(人·d)。

农村生活源污染物人均产生系数参照文献[16-18](农村居民生活污染物产生量是当地城镇居民30%～50%)的方法取40%进行评估；农村生活源污染物排放系数涉及地区降水强度、生活模式、土层结构和污水处理程度等因素，参照文献[19]的方法参考当地径流量及位置特点，并结合资料文献[20]的方法选取85%为农村生活源污染物排放系数。

1.3 养殖源污染物的计算

参照文献[21-22]的估算方法，将猪及家禽等的存栏量看作是当年一个相对稳定的饲养量，在未考虑饲养周期的前提下进行统计计算，计算公式如下。

D1=0.365NR

(3)

D2=D1C

(4)

q=QS=∑XT/S

(5)

式中，D1、D2为畜禽粪便产生量和污染物产生量，单位：t；N为该种畜禽存栏量，单位：头或只；R为该种畜禽日排泄系数，单位：kg/[头(只)·d]；C为该种畜禽粪便中污染物平均含量，单位：kg/t；q为畜禽粪便以猪粪当量计的负荷量，单位：t/(hm2·a)；Q为各类畜禽粪便猪粪当量总量，单位：t/a；S为有效耕地面积；单位：hm2；X为各类畜禽粪便量，单位：t/a；T为各类畜禽粪便换算成猪粪当量的换算系数。畜禽粪便日排泄系数、污染物平均含量及猪粪当量换算系数见表2。

表2 畜禽粪便日排泄系数、污染物平均含量及猪粪当量换算系数

Table 2 Daily excretion coefficient of livestock and poultry, mean pollutant content and equivalent conversion coefficient of pig manure

种类Category日排泄系数Dailyexcretioncoefficient化学需氧量/(kg/t)CODCr总氮/(kg/t)TN总磷/(kg/t)TP氨氮/(kg/t)NH3⁃N含氮量/%w(N)猪粪当量换算系数T猪粪Pigmanure2．0052．05．883．413．100．651．00猪尿Pigurine3．309．03．300．521．400．330．57鸡粪Chickenmanure0．1245．09．845．374．781．372．10

注：畜禽粪便排泄系数是指单个动物每日排出粪便的数量，与动物的种类、品种、性别、生长期、喂养饲料甚至天气条件等诸多因素有关；猪粪当量是根据各类畜禽粪便含N量，将各种畜禽粪便统一换算成猪粪当量，然后相加得到猪粪总量。研究采用《全国规模化畜禽养殖业污染情况调查及防治对策》[23]的推荐值。

Note: The excretion coefficient of livestock and poultry means the daily excretion amount of an animal, which is related to factors of category, variety, sex, growth period, feeding fodder type and weather condition. The equivalent conversion coefficient of pig manure is used to calculate the amount from different manure of livestock and poultry according to nitrogen content in different livestock and poultry manure.

1.4 农田化肥污染物的计算

化肥污染物排放量即化肥施入田间后随降水、灌溉而流失、最终进入地表水的部分。计算公式如如下[24]。

q=λQ

(6)

式中，q为农田化肥源污染物排放量，单位：t；Q为农田化肥施用量，单位：t；λ为农田化肥源污染物排放系数(即流失系数)。

化肥施用量为当年区域施用化肥的折纯量，按农作物单位平均化肥施用量21.9 kg/667m2计算[25]，其中氮肥折纯后即TN量，磷肥折纯后为P2O5量，TP量经换算得出，农田化肥源污染物排放系数(流失系数)综合湖泊流域的化肥流失率，根据对氮肥和磷肥流失的文献资料[20]及流域农业种植情况，确定氮肥流失率为11%，磷肥流失率3%。

2 结果与分析

2.1 农村生活污染物

红枫湖水源保护区内分布有83个自然村寨12.33万人。从表3可知，其生活污染物CODCr、TN、TP和NH3-N的排放量分别为1 047.37 t、181.37 t、15.72 t和120.74 t。随着农村生活水平的提高，生活污水和有机垃圾产生量不断增多，加之经济水平低、生活污水无集中收集管网和生活垃圾清运机制不健全等原因，简单处理或未经处理的生活污染物随意堆放、腐烂或直排，导致污染物随污水渗出，经雨水地表径流流入湖沟渠中，使低处理率和高流失率的农村生活污染成为红枫湖农业面源污染的重要污染源。

表3 2013年红枫湖农村生活污染物的排放情况

2.2 畜禽养殖污染物

目前，我国畜禽养殖数量每年呈增加态势，养殖规模逐渐增大，由此带来的环境污染已成为农业面源污染的主要来源之一[26]。在红枫湖周边，地方政府为增加沿湖农民收入，鼓励农民自主创业，曾在右二、羊昌和陈亮等红枫湖饮用水源二级保护区及准保护区内的村寨建设养鸡场，大多建在距最高水位线500 m以内。但其养殖规模小，设备简陋，废弃物无害化处理率及畜禽粪便还田率较低，污染物不经处理排放，给水环境带来一定污染。从表4看出，2013年红枫湖周边畜禽粪便产生量为31 249.85 t，CODCr1 360.55 t，TN 283.07 t，TP 152.70 t，NH3-N 137.86 t；其畜禽粪便负荷最高为26.22 t/(hm2·a)。

2.3 农田化肥污染物

红枫湖保护区内耕地面积为6 552 hm2，在最高水位线1 240 m下的农业耕作现象十分普遍。红枫湖流域降水充沛，加上高强度的施肥，致使大部分的N、P随地表径流进入水体。从表5可见，2013年因农业化肥流失的TN为236.75 t、TP为64.57 t。我国因施肥的不均衡造成氮肥、磷肥平均利用率低，再加上超强度施肥，导致大量N、P随雨水、径流流失，进入水体，造成水体中N、P浓度过高、比例失衡，从而引起流域内湖泊的富营养化[28]。

表4 2013年红枫湖畜禽粪便污染物产生量及污染负荷

注：畜禽粪便耕地负荷可直接反映某地区耕地消纳畜禽粪便的能力，从而间接反映当地畜禽养殖密度，一般认为土地能够负荷的畜禽粪便为30～45 t/(hm2·a)[23,27]。

Note: The manure cropland load can reflect the capacity of digesting livestock manure in the area directly, which reflects the local livestock breeding density indirectly. The standard of livestock manure cropland load is 30～45 t/(hm2·a).

表5 2013年红枫湖农田化肥污染物排放量

表6 2013年红枫湖农业面源污染物排放量与贡献率

2.4 农业面源污染

从表6可见，2013年红枫湖保护区内农村生活、畜禽养殖和农田化肥3种污染源排放污染物共计3 600.70 t，其中，CODCr、TN、TP和NH3-N的排放量分别为2 407.92 t、701.19 t、232.99 t和258.60 t。在3种污染源中，畜禽养殖污染源因分散养殖的畜禽粪尿处理程度低，成为红枫湖农业面源污染的主要来源，对水环境的CODCr、TP和NH3-N贡献率超过50%；农村生活污染源是农业面源污染的重要来源，对CODCr和NH3-N贡献率分别为43.49%和46.69%；农田化肥污染源对TN和TP贡献率分别为33.76%和27.71%，高于农村生活污染源(25.87%和6.75%)。通过综合分析，各污染物排放量对农业面源污染的贡献率为畜禽养殖>农村生活>农田化肥。

3 结论

1) 在红枫湖农业面源污染中，畜禽养殖贡献率最高，农村生活次之，农田化肥最低；2013年CODCr、TN、TP和NH3-N的排放量分别为2 407.92 t、701.19 t、232.99 t和258.60 t。

2) 畜禽养殖污染源是红枫湖农业面源污染的主要来源，由于分散养殖畜禽粪尿处理程度低，对水环境的CODCr、TP和NH3-N贡献率超过50%；农村生活污染源是农业面源污染的重要来源，对CODCr和NH3-N贡献率分别为43.49%和46.69%；农田化肥污染源对TN和TP贡献率分别为33.76%和27.71%，高于农村生活污染源(25.87%和6.75%)。

3) 研究结果表明，红枫湖面源污染不容忽视，污染治理刻不容缓。对于农村生活污染源，应实施乡村清洁工程，大力推进农村沼气池、改厕、改圈、改厨及湿地生态系统建设；对于分散型的个体养殖污染源，应合理布局当地畜禽养殖业，大力推广生态养殖；在防治农田化肥污染方面，应科学施用农药和化肥，大力发展有机农业和生态农业等，从源头上控制面源污染。

4 农业面源污染治理措施

4.1 农村生活污染治理

红枫湖流域面积大，人口密度高，人地矛盾突出，农村生活污水及人粪尿处理设施发展滞后，污染物只经简单处理或不经处理直接排放是造成红枫湖CODCr和NH3-N超标的因素之一。因此，要实施乡村清洁工程，促进生活废弃物的资源转化，采取集中和分散相结合的模式处理生活污水[29]，大力推进农村沼气池及改厕、改圈和改厨建设，并依靠红枫湖周边天然湿地或修建人工湿地、土地处理系统等湿地生态系统，以削减农业面源污染负荷。

4.2 畜禽养殖污染防治

红枫湖畜禽养殖空间分布较为分散，主要分布在右二、羊昌、陈亮等红枫湖饮用水源二级保护区和准保护区内，均属于个体养殖户，其养殖规模小，技术落后，养殖废弃物污染无害化处理程度低。因此，应制定畜禽养殖产业发展规划和污染防治规划，促进当地畜禽养殖业合理布局；大力推广生态养殖，根据地区农业种植对畜禽废弃物的消纳能力，建设养殖业和种植业相结合的生态工程，促进畜禽粪便的资源化、产业化循环利用，实现农业环境生态平衡[30]。

4.3 农田化肥污染治理

做好红枫湖周边农耕区的退耕工作，建立湖泊生态缓冲带；科学施用化肥和农药，降低化肥和农药的使用量，推广施用有机肥、高效复合肥、缓释肥和生物肥等新型肥料，大力发展有机农业、生态农业及休闲农业[31]，从源头控制农业系统对水环境的污染；同时，应尝试建立农村面源污染信息管理平台，科学防治农村面源污染。

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(责任编辑： 杨 林)

Agricultural Non-point Source Pollution in Dinking Water Protection Area of Hongfeng Lake, Guiyang

YANG Tongquan1,2, YU Yanghua3, LIU Hongyan1*

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentalEngineering,GuizhouUniversity,Guiyang,Guizhou550025; 2.GuiyangAdministrationoftheTwoLakesandaReservoir,Guiyang,Guizhou551400; 3.RehuaiEnvironmentalProtectionBureau,Renhuai,Guizhou564500,China)

The agricultural non-point source pollution in Drinking Water Protection Area of Hongfeng Lake was investigated by the production and discharge coefficient of rural life, excretion coefficient of livestock and poultry, and wastage rate of nitrogen and phosphorus fertilizer based on survey results of rural population, land type and livestock breeding scale in Drinking Water Protection Area of Hongfeng Lake to provide the scientific basis for control of non-point source pollution in Drinking Water Protection Area of Hongfeng Lake. Results: The contribution rate of different pollution sources to water pollution of Hongfeng Lake was livestock and poultry breeding>rural life>chemical fertilizer in Drinking Water Protection Area of Hongfeng Lake in 2013. The pollution source from livestock and poultry breeding is main source to cause agricultural non-point source pollution and its contribution rate to CODCr, TP and NH3-N in water environment is over 50%. The pollution source from rural life is the important source to cause agricultural non-point source pollution and its contribution rate to CODCrand NH3-N in water environment is 43.49% and 46.69% respectively. The contribution rate of chemical fertilizer pollution source to TN and TP in water environment is 33.76% and 27.71%, 7.89% and 20.96% higher than rural life pollution source separately.

Hongfeng Lake; agricultural non-point source pollution; pollutant contribution rate; control measure

2015-09-01； 2016-01-03修回

贵州省重大科技专项“水资源水质保障关键技术研究与应用”[黔科合重大专项字(2012)6013-7]

杨通铨(1984-)，男，在读硕，研究方向：水污染控制与水源保护。E-mail:283919232@qq.com

*通讯作者：刘鸿雁(1969-)，女，教授，博士，硕士生导师，从事农业面源污染防治等方面的教学与研究。E-mail:2568510503@qq.com

1001-3601(2016)01-0042-0161-05

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