安徽省巢湖流域众兴水库小流域农业面源污染调查与评价

武 升, 张俊森, 管 飞, 朱奎峰, 李小刚, 马友华

(1.安徽农业大学 资源与环境学院, 安徽 合肥 230036; 2.安徽省肥东县农技综合服务中心, 安徽 肥东 231600)

农业面源污染是由农业生产活动中溶解的或固体的污染物，从非特定的地域，在降水和径流冲刷作用下进入水体，引起的水体污染[1-2]。近年来，小流域范围内的面源污染越来越严重，对流域内的水体安全造成严重威胁，以小流域范围进行面源污染的治理已成为控制农业面源污染和治理水土流失的重要方式。孙海军等[3-4]分别对太湖流域浙北山区小流域农社区面源污染物氮、磷排放规律进行调查，研究表明种植业和养殖业污染是该小流域的主要污染物来源。张小勇等[5]对丹江口库区湖北水源区农业面源污染现状采用综合调查的方法，将水源区31个乡镇的农业面源污染现状进行调查汇总，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，对各污染源污染情况进行了对比分析。焦卫东等[6]对厦门石兜—坂头水库库区水质污染源调查与评价，并提出了该流域综合治理提出了相关对策。

研究安徽省巢湖流域众兴水库小流域农业面源污染现状和来源，对了解巢湖流域的小流域内农社区经济社会的可持续发展和环境保护，具有迫切的现实意义和重要的科学意义。据安徽省合肥市环境监测部门2015年对巢湖区和9条主要环湖河流出、入湖水质进行了监测，结果显示，在主要环湖河流中南淝河等入湖河流水质污染较重，众兴水库小流域位于肥东县城北15 km，属巢湖水系南淝河支流，是淠史杭灌区滁河干渠上的反调节水库。区内店埠河汇经南淝河是巢湖的主要支流之一，控制流域面积114 km2，年均农业灌溉水量达1.937×107m3。同时众兴水库作为水源地又承担着肥东县城和合肥市龙岗工业区20万居民的生活用水，年均供水量达1.344×107m3。本文对巢湖流域众兴水库小流域农业面源污染情况进行调查分析研究，旨在促进小流域内农业良性循环和农业面源污染减排，以期为巢湖流域综合治理提供依据。

1 研究与评价方法

1.1 研究方法

为了较详细地了解众兴水库小流域内现有农业生产、生活方式对小流域内农业面源污染的影响状况，通过设计农户调查表，在众兴水库小流域镇南、同心、长王3个社区对农户种植农作物种类、农田化肥施用、畜禽养殖、生活固体废弃物产生量情况进行实地问卷调查。通过实地调查农户情况并结合有关统计资料，分析流域内种植业对农业面源污染的影响。

1.2 评价方法

为了便于分析比较，本研究采用等标污染负荷评价法对众兴水库上流小流域内的3个自然社区域的农业面源污染状况进行综合评价，评价因子选用COD，TN和TP。主要计算公式为：

(1)

式中：Pij——第j个污染源的第i种污染物的等表污染负荷(m3/a)；Cij——第j个污染源的第i种污染物的排放浓度；Coi——第i中污染物的评价标准；Qij——第j个污染物的介质排放量(m3/a)；Mij——第j个污染源第i种污染物流失量(t/a)。

第j个污染源有n个污染物，其源内的等标污染负为：

(2)

式中：Pj——第j个污染源有n个污染物，其源内的等标污染负荷(m3/a)；Pij——第j个污染源的第i种污染物的等表污染负荷(m3/a)。

某地区有m个污染源，则该地区等标污染负荷为：

(3)

式中：P——该地区等标污染负荷总数(m3/a)；Pj——第j个污染源有n个污染物，其源内的等标污染负荷(m3/a)；Pij——第j个污染源的第i种污染物的等表污染负荷(m3/a)。

该地区第j个污染源的污染负荷比为：

(4)

式中：Kj——该地区第j个污染源的污染负荷比，Kj中最大值表示该地区内主要污染源，其值从大到小，可确定重点污染源；Pij——第j个污染源的第i种污染物的等表污染负荷(m3/a)；P——该地区等标污染负荷总数(m3/a)。

该地区第i个污染物的污染负荷比为：

(5)

式中：Ki——该地区第i个污染物的污染负荷比,Ki中最大值表示该地区内主要污染物，根据其值从大到小排序可以确定该地区主要污染物；Pij——第j个污染源的第i种污染物的等表污染负荷(m3/a)；P——该地区等标污染负荷总数(m3/a)。

化肥施用折纯量计算公式分别为：N含量(kg/hm2)=尿素(kg/hm2)×0.467+复合肥(kg/hm2)×N含量比例系数；P2O5含量(kg/hm2)=尿素(kg/hm2)×0.467+复合肥(kg/hm2)×P2O5含量比例系数；K2O含量(kg/hm2)=尿素(kg/hm2)×0.467+复合肥(kg/hm2)×K2O含量比例系数。

各污染源的排污量计算公式分别为：畜禽粪尿排污量=排污系数×饲养量；生活污染排污量=排污系数×城乡人口数；化肥污染排放量=排污系数×化肥施用量；精养鱼塘排污量=排污系数×鱼塘面积。

2 结果与分析

2.1 种植业面源污染分析

通过农户调查结果汇总分析显示众兴水库小流域内镇南、同心、长王社区耕地面积分别为502.13 hm2，213.33和626.67 hm2，耕地总面积为1 342.13 hm2。3个社区主要农作物播种面积见表1。由表1可知，3个社区主要的种植方式为一年内水稻小麦轮作、水稻油菜轮作、少量种植玉米和蔬菜。由于众兴水库坐落在小流域流内，为了涵养水源保护饮用水质量安全，3个社区耕地还林面积较大，镇南、同心、长王社区林地面积分别为2.00，178.67和556.67 hm2，林地总面积达到737.33 hm2。

表1 众兴水库项目区各社区主要农作物播种面积

表2为众兴水库项目区各社区不同作物肥料使用情况，表2中氮、磷、钾肥施用量均指折纯后N，P2O5，K2O含量。由表2可知，流域内种植作物类型不同施肥量差别较大，蔬菜种植中化肥用量最高，林地不施肥。水稻种植中肥料投入也相对较大。农业生产中施肥结构不合理，氮肥施用量过大，钾肥施用不足，有机肥料、生物肥料施用比例严重不足。化肥使用过程中多过的氮素会雨水、地表径流进入水体引起富营养化及土壤酸化板结等问题，是影响小流域内的生态环境的主要因素[7-8]。

表2 众兴水库项目区各社区不同作物肥料使用情况

表3为众兴水库项目区各社区种植业化肥年施用量与施用强度。由表3可知，众兴水库小流域周边3个社区的年度化肥施用量和施用强度中以长王社区的化肥施用强度最大为540.07 kg/hm2；镇南社区和同心社区化肥施用强度均在530 kg/hm2左右。总的来看该项目区内化肥的施用强度过高，显著高于发达国家公认的安全水平225 kg/hm2[9]，流域内的施肥量是安全水平的近两倍。

表3 众兴水库项目区各社区种植业化肥年施用量与施用强度

根据农作物污染负荷指标计算方法，对流域内主要农作物的化肥污染负荷进行定量分析。氮肥、磷肥流失量分别按当年施肥量的6.00%和0.45%[9]计算出众兴水库项目区各社区种植业化肥污染排放量(表4)。

表4 众兴水库项目区各社区种植业化肥污染排放量

由表4可以看出，众兴水库水源地周边3社区的种植业化肥污染源共向水体排放污染物达25.52 t，以TN为主，达到25.24 t，占流失总量的98.92%。镇南社区由于种植面积较大和施肥强度等综合因素对该流域种植业化肥污染负荷率最大，为83.31%。同心社区污染负荷率最小为6.58%。

2.2 养殖业面源污染分析

经调查众兴水库项目区各社区人口及养殖业情况详见表5。

流域内长王社区存栏数较大，主要原因是合肥现代牧业有限公司坐落在长王社区，奶牛存栏数达到1 800头。镇南社区生鸡养殖合作社较多，年存栏数达20万只。同心社区因政策等原因畜禽养殖业较少，主要为部分农户散养，数量较低。

表5 众兴水库项目区各社区人口及养殖业情况

根据表5统计数据，结合表6养殖业畜禽粪尿的排污参数[10-11]，计算出小流域内3个社区的养殖业排污状况。其中鱼塘养殖的排污参数在正常管理水平下，每1 hm2精养鱼塘每年向环境排放COD，TN，TP分别按74.5，101，11 kg计算[12]。农社区生活污水排污系数及流失率来源于参照安徽省农业生态环境总站2008年第一次全国污染源普查《安徽省畜禽养殖业源产排污系数测算工作技术报告》数据。

表6 众兴水库项目区养殖业畜禽粪尿和农社区人居的排污系数和流失率

注：排污系数单位：kg/头，kg/人。

现代牧业(肥东)有限公司位于肥东县白龙镇长王社区，是中国第一个采用“空调”式牛舍的牧场，占地158.87 hm2，存栏奶牛18 000头，全球单体规模最大的“超级牧场”。公司采用先进的散栏饲养方式，奶牛全部在室内饲养，全自动清粪系统，肥东县现代牧业下游塅稍河口为该厂区的唯一出水口。根据肥东县气象局提供的2016年肥东县1—12月降雨量及肥东县环保局提供的现代牧业下游锻稍河口监测点数据(表7)，为了便于数据对比分析将肥东县环保局监测的氨氮数据根据氨氮和总氮之间的比例系数在不同季节的平均值为0.38进行了换算[13]。

表7 肥东县2016年现代牧业锻稍河口监测数据及降雨量

现代牧业厂区奶牛厂房等建筑面积及路面硬化面积较大，透水与不透水地面比例接近1∶1，综合径流系数将达到0.8以上[14]。结合表7及现代牧业厂区面积计算出肥东现代牧业厂区径流水各污染物排放量COD，TN，TP分别为75 456.48，7 366.13，6 504.31 kg。

众兴水库项目区养殖业污染物排放量总量详见表8。由表8可以看出，3个社区的养殖业污染源共向水体排放污染物108 993.51 kg，污染物主要以COD为主，畜禽养殖业中长王社区污染负荷率较大，占到污染物总量的82.14%，污染物总量达89 529.48 kg，主要原因是现代牧业厂区坐落在长王社区，污染较严重。镇南社区由于较多的生鸡存栏量污染负荷率为17.54%,同心社区家禽养殖数量较少，污染负荷率较低为0.32%。

表8 众兴水库项目区养殖业污染物排放量

2.3 人居面源污染分析

由于社区民生活垃圾由政府统一处理，因此只计算常住人口生活污水带来的污染问题。据表5中人口的统计数据和表6的各排污参数，计算出中众兴水库小流域项目区3个社区人居生活产生的面源污染负荷情况(表9)。从表9可以看出，人居生活产生的面源污染以COD为主，其排放量占污染源排放总量的96.45%；其次为TN，占3.06%；TP最低，占0.49%。

表9 众兴水库项目区常住居民产生的面源污染分析

2.3 农业面源污染综合分析

根据镇南社区、同心社区、长王社区3个社区农业面源污染情况综合种植业化肥使用、养殖业污染排放及人居生活污水的统计分析，得出众兴水库项目区周边3个社区各面源污染综合排放量数据(表10)。由表10可看出，众兴水库项目区周边3社区面源污染排放源中，养殖业的排放量和污负荷率最大为57.52%，污染物排放总量达到109.00 t，主要以COD的排放量为主，达到90.38 t，是水源地水体环境潜在的最大污染源，需谨慎对待、严格管理；种植业化肥施用带来的面源污染物总量达25.52 t,负荷率为13.47%。生活源污染负荷为29.01%。在COD，TN，TP这3个评价因子中，以COD的污染负荷率最高，达74.26%；其次为TN，污染负荷率为21.13%；TP 的污染负荷率为4.61%。针对上述该小流域内面源污染的原因帮助农业生产者了解非环境友好型农业生产方式的危害，改变不良种植方式，从源头上减少面源污染；其次推广众兴水库小流域的测土配方精准施肥模式，对农户及新型经营主体等精准施肥进行农业生态补偿；对现代牧场厂区地表径流污水进行生态工程处理，达标排放；鼓励对畜禽粪便、农作物秸秆等农业资源进行综合开发利用；给予使用精准施肥等环境友好型农业技术的农户农业生态补偿，同时加大对环境友好型生态农业产品市场培育，使农业结构调整和环境友好农业技术的推广实现经济、社会和生态效应的最大化。

表10 众兴水库项目区周边3社区各面源污染综合排放量

3 结 论

(1) 小流域内种植业中存在化肥使用量过大，施肥结构不合理，化肥使用量达530 kg/hm2以上，显著高于发达国家公认的安全水平225 kg/hm2。种植过程中追肥的方式单一，追肥次数较少，追肥施用的肥料均为尿素。种植业化肥施用带来的面源污染物总量达25.52 t，负荷率为13.47%。

(2) 众兴水库项目区周边3个社区面源污染排放源中，养殖业污染物的排放量和污染负荷率最大，污染物排放量达到109.00 t，污负荷率最大为57.52%，存在较大污染环境和水体风险。居民生产生活产生的污染物在小流域面源污染负荷中占到29.01%，污染物总量达到54.97 t，也有较高的比例。

(3) 在COD，TN，TP这3个评价因子中，以COD的污染负荷率最高，达74.26%；TN污染负荷率为21.13%；TP的污染负荷率为4.61%。小流域内养殖业的污染物排放是威胁众兴水库水源地饮用水安全的主要构成因子，也是农业面源污染防控的重点。

[参考文献]

[1] 赵彪,孙治旭,胡万里,等.大理洱海流域凤羽河小流域农业面源污染调查与分析[J].云南农业科技,2016(6):11-14.

[2] Cui Meiren, Wen Biaoduan, Ze Yuli, et al. Evaluation of sustainable development of typical small watershed in mountain area： A case study of Puwa small watershed[J]. Advanced Materials Research,2011,183/185:729-733.

[3] 孙海军,吴家森,姜培坤,等.浙北山区典型小流域农村面源污染现状调查与治理对策[J].中国农学通报,2011,27(20):258-264.

[4] 袁晓燕,余志敏,施卫明.浙北地区平原河网农村小流域面源污染调查与防治对策:以德清县武康镇新琪村为例[J].生态与农村环境学报,2010,26(3):193-198.

[5] 张小勇,范先鹏,刘冬碧,等.丹江口库区湖北水源区农业面源污染现状调查及评价[J].湖北农业科学,2012(16):3460-3464.

[6] 焦卫东,谢文玲,郑建华,等.厦门石兜—坂头水库库区水质污染源调查与评价[J].海峡科学,2012(6):41-45.

[7] ChenHong, Duan Chunyi. Research on the pattern of comprehensive improvement of small watershed pollution in Guangxi Province [J]. Applied Mechanics and Materials, 2014, 535(30)：394-398.

[8] 何仁江.三峡库区典型农业小流域氮磷排放负荷与收支研究[D].重庆:西南大学,2011.

[9] 王桂苓,马友华,孙兴旺,等.巢湖流域麦稻轮作农田径流氮磷流失研究[J].水土保持学报,2010,26(2):6-10.

[10] 张忠明,周立军,宋明顺,等.太湖苕溪流域农业面源污染评价及对策[J].环境污染与防治,2012,34(3):105-109.

[11] 彭军.巢湖流域规模化畜禽养殖场对水环境污染评价及其控制对策研究[D].安徽 合肥:安徽农业大学,2010.

[12] 张大弟,张晓红,章家琪,等.上海市郊区非点源污染综合调查评价[J].上海农业学报,1997,1(1):31-36.

[13] 权全,罗纨,沈冰,等.城市化土地利用对降雨径流的影响与调控[J].水土保持学报,2013,27(1):46-50.

[14] 李文杰,王冰.地表水中氨氮和总氮的相关性分析[J].环境保护科学,2012,38(3):79-81.