越南农耕区施肥方式转变对农业污染负荷的影响

[日本] 　P.H.江 等



试验与研究

越南农耕区施肥方式转变对农业污染负荷的影响

[日本] P.H.江 等

摘要：发展中国家农村地区经济社会的快速发展引起了农田废弃物和施肥管理的变化，导致水体污染。为了有效预测农田营养物质循环及其对水环境的影响，针对Nhue-Day流域内的一个农业集水区1980～2010年间的农业活动，开发了氮磷养分通量模型。基于该模型研究了人畜粪便处置及化肥施用量的变化，为了解稻田对农业集水区环境污染的影响提供了基本信息。研究结果表明，不仅在Nhue-Day流域，也包括在亚洲其他的农业集水区，均应采取适当措施，减少化肥施用量，促进人畜粪便用于农业生产，从而促进充分的物质循环。

关键词：农业污染；施肥方式；Nhue-Day流域

1概述

数十年来，主要以人畜粪便作为农田肥料的作物-家畜系统，是亚洲传统的农业生产模式。然而，近年来经济的快速增长导致废弃物利用管理发生了改变，随之营养物质流也相应发生变化。稻田化肥使用量已急剧上升，成为比人畜粪便更方便施用的肥料。由于农田土壤淋洗和径流，过量施用的化肥成为潜在的水体污染源。此外，大量农业上未得到利用的人畜粪便流入鱼塘，或直接排入附近水体，导致农业集水区水环境污染逐步加剧。

为了解决上述问题，必须了解农业系统、相应的废物利用管理实践以及施肥的动态变化。在农业集水区设计合理的养分管理干预措施时，需要掌握很可能受到这些变化影响的稻田养分平衡和对水体污染影响的相关重要信息。最近，一些研究人员使用物质流分析方法(MFA)，对泰国、中国和越南等发展中国家开展了研究。MFA作为系统工具，可以掌握系统内某一时空下特殊位点物质流和存量。随着经济社会的快速发展，发展中国家农业生产活动中的养分循环可能已发生改变，但以往的研究并未回答稻田耕作方式对土壤养分管理影响的历史演变。早期研究也没有讨论农业生产活动与环境之间的相互作用是如何发生演变的。

该研究旨在从流域层面了解越南典型农耕区农业生产活动的历史演变，其中主要涉及废弃物管理和施肥。Nhue-Day流域是越南3个重要流域之一，其下游地区农业生产一直比较活跃，农田灌溉水交易平台建立时间久远。越南2006年环境公报指出，该流域营养负荷一直处于警戒水平，其中流域农业面源污染是潜在的污染源之一。为了解这种方式带来的污染负荷，该研究也旨在通过开发氮磷物质流模型对稻田营养物质循环进行评估，并分析其对集水区环境污染的影响。

2材料和方法

2.1研究区域

研究区位于越南首都河内郊区的德赖(Trai)村庄。德赖村沿Nhue河岸，距该源头约40 km。研究区域基本信息见表1。当地居民主要以种植业为生，大米是主要农产品。1980～2010年间稻田面积没有变化，占土地总面积的90%。人畜粪便和化肥为稻田用肥，如同流域内其他农业社区，与印度尼西亚、中国的情况也类同。当地居民引取河水用于稻田灌溉，之后再将稻田内农业污水用泵抽回到河道。

表1　研究区域基本信息

表2　作用过程矩阵

注：12*——(P1×β1,4+P2×β2,4+P3×β3,4+Sa/∑S×P4+P5×β5,4+P6×β6,4+P7×β7,4+P8+P9+P10+P11×β11,4×αres)×RN(P)

13*——(P1×β1,4+P5×β5,4+P6×β6,4+P7×β7,4)×kN,ex+P8×kN,ct

14*——(P1×β1,4+P2×β2,4+P3×β3,4+Sa/∑S×P4+P5×β5,4+P6×β6,4+P7×β7,4+P8+P9+P10+P11×β11,4×αres)(1-R)-(1+αre)×P11-P13

图1　物质流模型示意

2.2物质流模型开发

图1为2012年江等学者开发的研究稻田营养平衡的物质流模型。该模型应用于德赖村庄的研究。表2通过矩阵方式列出稻田内各子项的作用过程。系统的所有子项(共8个)在表2的第1行用符号(X1～8)表示：(X1)代表住户，(X2)代表牲畜，(X3)代表鱼塘，(X4)代表稻田，(X1～4)都在研究边界内；(X5)代表集市，(X6)代表水体，(X7)代表土壤和地下水，(X8)代表大气，(X5～8)均在研究边界外。

由单元价值法计算大部分通量:

(1)

(2)

式中，Ii为子项i的输入量，kg/hm2/a；Oj为j子项的输出量，kg/hm2/a；Uk和Ul为优良k和l状态下的单元子项数据，g /单位数量/a；Ck和Cl为优良状态下k和l的总量；Rk和Rl为优良k和l状态下从一个子项转移到另一个子项的比例。

变化量不能用单元价值法，但可根据质量守恒定律进行计算：

(3)

式中，n，m分别为某一子项的总输入和输出量。

表2各行列出了稻田每个子项的反应过程。每个过程的反应速率表示在矩阵的最右列。该矩阵主要说明发生在每个子项的反应过程所占的比重。因此，单个子项的净反应速率受到许多不同反应过程的影响。根据质量守恒定律，子项X4的净反应速率r4为:

(4)

式中,i代表过程(i=1～14);∑S代表研究区域总面积，hm2。

2.3资料收集

表3列出了物质流计算必需的资料。用格式化问卷调查的方式来获得有关废物管理方面的资料，包括人畜粪便、餐厨垃圾、中水、农业废弃物。从历史文献中收集固废成分资料，如人类粪便或化学肥料中的氮和磷含量。假定从1980年到2010年排入Nhue河的污染物总量只有氮、磷发生变化，主要是因为该地区经济社会快速发展对Nhue河的水质产生了实质性的影响。从越南环境保护管理局(VEA)的环境监测中心收集到该河2007年总氮和总磷的相关资料，尽管2000～2010年中期该区域经济社会持续增长，但基本可以认为1980～2007年间污染负荷没有发生显著改变。

3结果与讨论

3.1稻田施用农家肥/有机肥的历史演变

图2给出了来自于人畜粪便农家肥/有机肥的营养物质量的历史演变。由图可知，由于人口增长，人畜粪便氮磷营养负荷从1980年到2010年均增长了1倍。期间人口增长1.6倍，牲畜增长2.7倍。然而，2000年后，稻田施用农家肥的氮磷比例大幅下降。越南稻田施用农家肥/有机肥的历史悠久。1980年，稻田施氮肥35 kg/hm2，磷肥7 kg/hm2，其中85%来源于农家肥/有机肥，稻田施用农家肥/有机肥很普遍。近年来，施用化肥较为便利，利用人畜粪便的传统施肥量逐渐下降。2010年，人畜粪便中氮(37 kg/hm2/a)、磷(7 kg/hm2/a)仅41%施用到稻田。人畜粪便不再集中作为农家肥/有机肥施用于稻田，而是直接进入化粪池/沼气系统和鱼塘。

这些氮磷负荷变化可能是现代化进程发展的结果，影响废弃物管理和营养物质末端循环动力。收集居民粪便并作为农家肥/有机肥的干厕，已逐渐被抽水马桶取代。2010年44%的家庭使用抽水马桶，人粪不再用于农业生产，取而代之的是将粪便排放到化粪池或直接排放。此外，2003年越南针对畜禽养殖业，特别是养猪业，实施沼气项目。在越南城市郊区和农村均实施了此类项目，以增加农民收入，同时减少环境污染。2006年该研究区域引进沼气项目。然而，事实上只有16%的养猪家庭建了沼气系统来处置猪粪，大约53%的家庭将猪粪排入鱼塘。预计排入鱼塘的猪粪数量将会持续增加，因为农民认为猪粪比其他饲料喂鱼能使鱼更快地生长。因此，该研究区域内，鱼塘正逐渐取代稻田，成为畜禽粪便的排放场所。

3.2稻田施用化肥的历史演变

尽管传统上将人畜粪便作为农家肥/有机肥，但现今化肥已广泛应用于稻田。图3示明了来自于化肥和农家肥/有机肥的营养物质的变化过程。如图所见，1980～2000年化肥中的氮磷施用量均下降了6%；而从2000年到2010年，氮磷施用量则分别增加了1.4倍和1.2倍。将这些变化与农家肥/有机肥的营养物质输入进行对比发现，峰值出现在2000年。这表明稻田大量施用农家肥/有机肥可减少化肥的使用。尽管政府政策支持发展畜牧业生产，但稻田农家肥/有机肥的施用量还是逐渐减少。由于经济发展，如今使用化肥比农家肥/有机肥作为肥料更有优势。据联合国环境规划署2011年资料，东亚和东南亚的化肥施用量为196 kg/hm2，高于世界上许多地区，预计这一结果还会不断上升。

3.3稻田营养平衡的历史演变

图4和图5为1980年和2010年稻田氮磷平衡图。化肥、灌溉水、农田径流和农产品是稻田氮素流通的主要环节。化肥、农产品、土壤累积和迁移是磷素流通的主要环节。2010年稻田氮磷总输入量分别为435 kg /hm2/a和90 kg/hm2/a，分别比1980年高出1.5倍和1.3倍。1980年和2010年化肥中氮贡献率分别占总量的47%和40%，磷贡献率分别为74%和65%。2010年稻田施用化肥的氮为174 kg/hm2/a，磷为59 kg/hm2/a。化肥中氮消耗指标同印度尼西亚某小流域内一小村庄的研究成果一致。该区域2010年灌溉用水输入的营养物质对总输入有显著的影响，占氮输入总量的29%(125 kg/ hm2/a)，磷输入总量的12%(11 kg/ hm2/a)。这一结果比日本三岛市2006年的研究成果高出很多，在日本灌溉用水输入的氮只占氮输入总量的7%。这种差异可以解释为该研究区域灌溉水源的水质问题。2012年越南环境保护管理局(VEA)环境监测中心资料显示，2010年Nhue河氮磷污染较重。相比之下，1980年Nhue河氮磷浓度较低，对该时期灌溉用水营养物质输入没有显著影响。1980年和2010年，稻田氮磷营养物质输入总量估测均超过了推荐的水平，即氮为200 kg/ hm2/a，磷为52 kg/ hm2/a。稻田氮磷肥的过度使用，特别是施用大量的化肥后，造成水体中氮及土壤中磷的污染负荷居高不下。氮磷负荷之间的差异在一定程度上可解释为，氮主要随农田径流进入水体，磷主要沉积在土壤中。

表3　物质流计算必需的基本资料

图2　来自于人畜粪便的农家肥/有机肥的氮磷营养物质量

图3　化肥和农家肥/有机肥的氮磷施用量历年演变

图4　稻田内氮素平衡示意(kg/hm2/a)

图5　稻田磷元素平衡示意(kg/hm2/a)

充分的物质循环，需要减少化肥消费，并促进人畜粪便的应用。2010年人畜粪便中有33 kg/hm2/a的氮和5 kg/hm2/a的磷直接排放或通过化粪池/沼气系统排放到环境中。如果都施用于稻田，则氮肥可减少19%，磷肥可减少8%，这不仅有助于更好地进行施肥管理，也有助于改善整个小流域的水环境。

4结语

该研究探讨了越南Nhue-Day流域内一农业集水区氮磷通量现状和历史演变。近年来，废弃物不再得到回收利用，化肥已成为优先施用的肥料。2010年研究区农田氮磷总输入量分别为435 kg/hm2/a和90 kg/hm2/a，分别是1980年的1.5倍和1.3倍。2010年，稻田使用最多的为化肥，其中氮输入量占总输入量的40%，磷占65%。估测稻田氮磷总输入量分别超过推荐值的2.0倍和3.5倍。氮肥施用过量，通过地表径流，导致水体环境氮污染负荷加重。磷肥施用过量则会导致其在土壤中过量累积或污染地下水。

这项研究为了解稻田对农业集水区环境污染的影响提供了基本信息，因此有助于制定小流域范围内更好管控固废和施肥活动的系统干预措施。不仅在Nhue-Day流域，也包括在亚洲其他的农业集水区，均应采取适当措施，减少化肥施用量，促进人畜粪便用于农业生产，从而促进充分的物质循环。

邱训平柯学莎译

(编辑：朱晓红)

收稿日期：2016-02-25

文章编号：1006-0081(2016)06-0034-06

中图法分类号：X592

文献标志码：A