太湖流域池塘养殖污染排放估算及其空间分布特征*

彭凌云，遆超普，李恒鹏，王良杰，颜晓元

(1:南京林业大学林学院,江苏省南方现代林业协同创新中心，南京 210037) (2:中国科学院南京土壤研究所,土壤与农业可持续发展国家重点实验室，南京 210008) (3:中国科学院南京地理与湖泊研究所,湖泊与环境国家重点实验室，南京 210008)

近年来，农业源污染逐渐成为影响区域水环境的重要因素. 水产养殖源污染作为农业源污染的重要来源之一，得到了越来越多的学者关注和研究[1-3]. 据我国农业部渔业局发布的《2018年中国渔业统计年鉴》[4]显示，2017年我国水产养殖面积达7449.03千hm2，其中池塘养殖面积2527.78千hm2，占淡水养殖面积的47.12%. 据我国2010年《第一次全国污染源普查公报》[5]显示，水产养殖业(包括重点流域)总氮(TN)排放量为10.36万t，TP排放量为1.97万t，化学需氧量为68.50万t，分别占农业污染源排放量的3.83%、6.92%和5.17%，分别占全国排放总量的2.19%、4.65%和2.26%. 根据欧阳佚亭等[6]的估算，2014年我国28个省、自治区、直辖市24种淡水池塘养殖鱼类TN、总磷(TP)和化学需氧量(COD)污染排放分别为61388、11273和592288 t.

太湖流域是我国经济发展最具活力的地区之一，但近年来，尤其是2007年蓝藻暴发之后，水体污染严重影响了该地区社会经济的可持续发展. 2014年太湖健康状况报告显示，太湖营养指数处于中度富营养程度，蓝藻数量处于不健康状态，相较于2007年，水质虽有好转趋势，由劣Ⅴ类变为Ⅴ类，但还没有达到健康状态[7]. 太湖地区以淡水水产养殖为主，其中又以池塘养殖为主要养殖方式，大量研究显示[8-10]，池塘养殖存在许多问题，养殖户往往采用高密度、高投入、高产出的养殖模式，饲料或肥料的过剩极易造成氮磷等污染物的超标排放，引起周围水体的富营养化和水质恶化.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

太湖流域(图1)位于长江三角洲南翼，流域面积为36895 km2，由沿江滨海平原区、中部平原区和西部低山丘陵区构成，湖区面积达2338 km2. 流域属亚热带季风气候，四季分明，降水丰富，多年平均气温为14.9～16.2℃，多年平均降雨量为1177 mm. 太湖流域水网密布，主要水系包括苕溪、南河、洮滆、黄浦江、杭州湾水系等，是我国城市分布最密集、经济发展最有活力的地区之一，由于淡水资源丰富，水产养殖业发达，由于高密度、高强度等不合理养殖模式等造成的水体污染比较严重[16-17].

1.2 样品采集与分析

1.3 入户调研与统计数据

在2014-2015年间共进行3次入户调研，选取太湖流域江苏省、浙江省和上海市的一批具有代表性的池塘养殖户展开全面调查，多次实地调查多家池塘养殖农户和企业，与养殖户进行交流. 通过入户调研，全面了解和掌握了太湖流域池塘养殖的具体情况，主要包括养殖模式、养殖规格、养殖面积/体积、养殖周期、苗种、投放量、水体交换情况，换水频率、换水比例、换水总量、排水去向、饲料肥料名称、主要成分及施用量、施用方法等. 并通过查阅太湖流域各个地区的统计资料，获取各区鱼、虾、蟹池塘养殖面积.

图1 研究区、池塘湖库及采样点分布Fig.1 Study area, ponds, lakes and sampling sites in the Taihu Basin

1.4 遥感解译

为获取太湖流域各地区池塘养殖的面积和详细空间分布数据，本研究通过eCognition软件运用面向对象的分析方法对2014-2015年太湖流域的遥感影像进行解译，利用ARC/INFO进行拓扑检查，然后自动统计不同土地利用类型的面积，最后在ArcMap10.3中提取出池塘养殖的面积和空间分布. 影像资料来自资源三号卫星，分辨率为5.8 m. 初步解译完成后，利用野外实际采样GPS定位验证解译所得土地利用类型和池塘养殖面积，其总精度达到90.21%，符合遥感解译精度要求.

1.5 污染排放计算

根据入户调研，太湖流域主要有鱼、虾、蟹3种养殖类型，以常熟为例，鱼、虾、蟹养殖面积占池塘养殖总面积的98%以上. 因此，研究中分别在溧阳、宜兴、湖州、苏州、常熟地区设置了野外观测点，对3种养殖种类的池塘养殖污染物浓度进行测定，并分别计算排放系数，最后利用各区统计资料3种池塘养殖面积计算整个流域池塘养殖污染物排放量. 鉴于个别地区统计资料中各类养殖池塘面积的缺失，我们采用3类池塘排放的污染物平均值及遥感解译获取的池塘面积计算.

池塘养殖污染物排放系数计算公式如下：

Pkj=∑iQi·ΔCi

(1)

式中,Pkj为池塘养殖第k种养殖类型(鱼、虾、蟹)的第j种污染物的排放系数,kg/hm2；Qi为第i次换水时的排水量,m3；ΔCi为第i次换水时进水污染物浓度与出水污染物浓度的差值,mg/L.

池塘养殖污染物排放量计算公式如下：

Fj=∑jPj·Sj

(2)

式中,Fj为池塘养殖第j种污染物的排放量,kg；Sj为池塘养殖的面积,hm2.

2 结果与分析

2.1 池塘养殖污染物排放系数

结合池塘排/换水数据，2014-2015年间太湖流域池塘养殖不同养殖类型的各类污染物排放系数如表1所示.

表1 太湖流域池塘养殖各污染源排放系数(kg/hm2)

2.2 池塘养殖污染物排放量

2.3 池塘养殖污染源排放空间分布特征

图2 太湖流域池塘养殖污染物排放量的空间分布Fig.2 Spatial distribution of pollutant discharge from pond farming in the Taihu Basin

3 讨论

3.1 池塘养殖污染源排放系数和排放量

本研究中太湖流域不同池塘养殖类型污染物排放系数由大到小排序是：鱼类>蟹类>虾类，鱼类池塘养殖污染物排放系数远远大于虾蟹类. 与戴捷等[19]、陈家长等[20]、陈东兴[21]等的研究对比发现，本研究中TN、TP的总体排放系数相对较小，主要由于研究区内河蟹养殖与青虾养殖比例较高，以常熟市为例，该地区青虾、河蟹养殖面积占常熟市池塘养殖面积的31.3%，TN排放系数为18.0 kg/hm2，而传统草鱼养殖排放系数为73.4 kg/hm2，远远高于青虾河蟹养殖排放系数，较高的河蟹养殖比例导致了该地区较低的污染排放系数，同时高月香等[22]对江苏代表性水产养殖排污系数测算研究发现，河蟹养殖的TN和TP排放系数分别为26.09和4.11 kg/hm2，远低于鱼类养殖的TN和TP排放系数(52.02和8.26 kg/hm2)，这与本研究的结果相似，主要原因在于河蟹、青虾等养殖品种因其食用水生植物、鲜活饲料和动物尸体等，投放富含氮、磷等饵料的量较少，并且河蟹、青虾等养殖塘的表层排水方式降低了排水过程中对底泥的扰动，降低了底泥中氮、磷等污染物的流失. 陈昕等[14]的研究指出，池塘淡水鱼养殖的CODCr排放系数高达199.10 kg/hm2，而饵料的投放是水产养殖CODCr的主要来源，养殖水体封闭，养殖方式密集，换水次数较少，都会导致池塘养殖CODCr排放系数偏高.

太湖流域池塘养殖总面积为230000 hm2，占整个流域水产养殖总面积的93.3%，是太湖流域最主要的水产养殖方式[23]. 本研究中太湖流域池塘养殖污染物排放量依次为CODCr(8.0×107kg)>TN(6.1×106kg)>TP(1.3×105kg). 与其他学者的研究成果[12,21]对比发现，本研究的结果偏小，主要原因在于本研究中考虑的是排换水，水样只包括进水和排水，测算出来的污染物浓度表征了水体中的可溶态和悬浮态污染物，并不涉及沉积在池塘底泥中的污染物. 有研究显示，池塘养殖过程中有14%的氮[24]和51%的磷[25]沉积到底泥中.

3.2 池塘养殖污染源排放的空间分布特征

池塘养殖污染物排放空间分布总体为位于太湖西北部的江苏省宜兴市、溧阳市、金坛市、常州市市辖区及丹阳市，太湖南部的浙江省湖州市市辖区、德清县、江苏省吴江市，太湖东北部的江苏省昆山市、常熟市、苏州市市辖区池塘养殖污染物排放较高，这些地区池塘养殖业发达，是造成排放较高的主要原因.

区域养殖面积的差异是影响池塘养殖污染排放空间分布特征的重要因素之一. 本研究区内湖州市池塘养殖最为发达，池塘养殖面积居太湖流域各县市之首，占太湖流域池塘养殖总面积的13.5%，这也直接造成了湖州市市辖区污染的高排放. 另外，通过实地调查走访，发现湖州市主要池塘养殖种类为草鱼、鲈鱼等，部分混养青虾、河蟹等. 淡水池塘养殖草鱼需要投放大量的养殖饲料，与河蟹、青虾等养殖鲜活饲料不同，草鱼养殖饲料不仅量大而且富含氮磷营养元素，而频繁的换水排水将水体中多余的饲料排入受纳水体，加重了区域污染排放.

环太湖县市中，无锡市辖区的污染排放最小，主要由于早在2008年，无锡市就开始实行池塘养殖循环水技术，避免了将养殖废水直接排入河流，提高了养殖水体的循环利用效率和饲料利用效率. 中华绒螯蟹等河蟹是东太湖区域的重要养殖种类，在现行养殖方式中，多流行多营养层次综合养殖方式[26]，水草成为了河蟹养殖池塘的重要组成部分，不仅降低了饲料的投放量，更是可以吸收氨氮净化水质，因此这也造成了东太湖区域的池塘污染排放低于南太湖. 相比于环湖县市，流域内未与湖区直接接壤的县市池塘养殖污染排放大多低于环湖县市，通过查阅资料发现，一方面，浙江省海宁等县市淡水池塘养殖以中华鳖和虾类养殖为主导，中华鳌与虾类养殖相对鱼类养殖产生的污染较小；另一方面，部分县市临海，海水养殖是当地养殖的主要方式，淡水池塘养殖规模较小，因此淡水池塘养殖所产生的污染排放也处于较低水准.

本研究部分地区(镇江市辖区、丹阳、太仓等)池塘养殖面积小，未获得鱼、虾、蟹的养殖面积，因此，利用遥感解译获得以上各地区池塘养殖面积，这部分池塘养殖的污染物排放总量通过观测到的鱼虾蟹各类污染物的排放系数平均值与遥感解译的面积获取. 尽管这部分池塘面积占近太湖流域池塘养殖总面积的6.7%，对污染物排放总量影响较小，但通过以上方法获取的这些地区的池塘污染物排放量仍有一定的不确定性.

3.3 池塘养殖污染源对太湖水体污染的贡献

表2 太湖流域采样池塘污染物排放浓度

3.4 池塘减排措施

在管理层面，浙江、上海和江苏在太湖流域开展了流域生态治理、流域水环境综合治理等来改善太湖水环境现状，但是针对池塘养殖的规范管理仍停留在各县市各自管理状态，区域间发展存在不协调，流域尺度缺乏统一管理，现有管理制度需进一步完善加强，重视池塘养殖污染的危害，推行合理的池塘污染治理管理政策与策略，建立池塘养殖环境影响评估体系. 同时大力发展复合生态养殖方式，明确污染责任范围，谁污染，谁治理. 加强池塘养殖污染防治宣传教育，治理和宣传相结合. 另外在治理过程中加强区域间合作交流，对重点污染区域进行针对性防控，本研究太湖流域池塘养殖源污染重点控制区域是湖州市、德清县、宜兴市等，应加强重视.