淮河流域奎濉河典型小流域农业面源污染调查与评价

时晓瑞, 武升, 黄瑜, 欧三青, 王树仁, 马友华, 姜家生

淮河流域奎濉河典型小流域农业面源污染调查与评价

时晓瑞1, 武升2, 黄瑜2, 欧三青3, 王树仁3, 马友华2, 姜家生4,*

1. 安徽农业大学经济管理学院, 合肥 230036 2. 安徽农业大学资源与环境学院, 合肥 230036 3. 宿州市埇桥区国家现代农业示范区管理委员会, 宿州 234000 4. 安徽农业大学研究生院, 合肥 230036

通过对奎濉河典型小流域进行实地调研, 应用等标污染负荷法进行综合分析, 结果表明: 小流域内农业面源污染排放源中, 生活源污染负荷率最大, 达到57.32%, 污染物排放总量达到75874.04 kg, 其中COD为主要污染物, 排放量达到39812.58 kg; 养殖业污染负荷率为35.33%, 达到18741.73 kg, 种植业污染负荷率为7.35%。在3个评价因子COD, TN, TP中, 以COD的污染负荷率最高, 达77.17%; 其次为TN, 污染负荷率为16.83%; TP的污染负荷率为6.00%。农村生活和畜禽养殖污染是小流域内农业面源污染物主要来源, 应是该地区农业面源污染防控的重点。

小流域; 农业面源污染; 调查; 评价

0 前言

小流域内农业面源污染由于农田中过多氮、磷肥料的投入、农村畜禽养殖废水排放等[1]在降雨或灌溉过程中, 经多种途径进入水体, 造成水体污染, 影响整个流域水质安全[2]。

廖曼等[3]、宋太平等[4]研究表明, 淮河流域种植业化肥的过量投入是导致农业生态系统中氮素污染的主要来源。武升等[5-6]研究巢湖流域众兴水库小流域内各污染源对农业面源污染的影响程度, 研究结果表明污染物的主要贡献来自于养殖业, 经小流域汇入巢湖的总氮、总磷入湖质量分别占总入湖污染物的76.9%和68.5%①巢湖流域综合防治规划(2001-2015)[R]. 合肥, 安徽省规划编制领导小组, 2001.。马静[7]通过对淮河流域面源污染现状调查研究表明, 畜禽养殖和农用化肥是农业面源污染控制管理的重点。可见, 造成各流域内水体氮、磷富营养化的因素主要是农业化肥过量投入、畜禽养殖及农村生活污水排放等[8-9]。

调查研究区域属淮河流域奎濉河典型小流域, 流域内产生的农业面源污染物随地表径流进入唐河,通过花园闸最终汇入淮河。因此, 选择代表淮河流域农业面源污染状况的奎濉河小流域进行调查, 掌握区域的污染特征, 提出针对性管控措施, 可降低该小流域的面源污染对淮河产生的不利影响。淮河流域作为我国开展水污染综合治理的重点流域之一, 其水污染的防治工作具有很强的典型性和代表性。本研究对其他流域开展流域面源污染控制治理具有一定的参考和借鉴意义。

1 材料与方法

1.1 调查位置

淮河流域是我国七大流域之一, 是我国重要的粮、棉、油主产区, 由于近几年, 水产、畜禽养殖发展迅速, 生产生计带来的农业面源污染比较严重, 成为各学者研究的热门课题之一。本研究选择区域为宿州市埇桥区灰古镇秦圩村和付湖村, 属淮河流域奎濉河典型小流域, 涉及耕地总面积为1340.65 hm2。调查区域秦圩村位于灰古镇西南部, 付湖村位于宿州市埇桥区国家现代农业示范区核心区。具体研究区域如图1所示。

图1 研究区域地理位置图

Figure 1 Location map of the investigated area

1.2 调查时间与分析方法

为有效评估宿州市淮河流域奎濉河典型小流域现有居民的生活方式对淮河流域水污染带来的影响, 根据研究区域现状, 设计农业面源污染源调查表, 于2018年4月27日至4月30日在2个行政村内随机对农户种植现状、化肥农药施用量、畜禽水产养殖等情况进行实地问卷调查。共计发放问卷200份, 有效问卷150份。统计相关调查资料, 将污染源的类型分为种植型、养殖型和生活型, 综合分析各污染物的排放量和负荷率。

1.3 计算评价方法

通过分析比较不同的污染物、污染源对环境影响总量的大小, 确定该区域的主要污染物和主要污染源。本研究采用等标污染负荷法, 选用化学需氧量(COD)、总氮(TN)和总磷(TP)作为评价因子, 全面评估污染现状。主要计算公式如下:

式中:P为第j个污染源的第i种污染物的等标污染负荷(m3·a–1); Cij为第j个污染源中的第i种污染物的排放浓度; Coi为第i种污染物的评价标准; Qij为第j个污染物的介质排放量(m3·a–1); Mij为第j个污染源的第i种污染物流失量(t·a–1)。

第j个污染源有n个污染物, 则该污染源的等标污染负荷为:

式中:P值为有n个污染物在第j个污染源, 其污染源内的等标污染负荷(m3·a–1);P值为第j个污染源第i种污染物的等表污染负荷(m3·a–1)。

若区域有m个污染源, 则源内等标污染负荷为:

式中:值为该区域等标污染负荷总数(m3·a–1);P为第j个污染源有若干个污染物, 其污染源内的等标污染负荷(m3·a–1);P为第j个污染源第i种污染物的等标污染负荷(m3·a–1)。

该区域第j个污染源的污染负荷比为:

式中:K, 该区域第j个污染源的污染负荷比,K最大值为该区域内主导污染源, 其值从大到小, 可确定该区域的主导污染源;P为第j个污染源的第i种污染物的等表污染负荷(m3·a–1);为该区域等标污染负荷总数(m3·a–1)。

该区域第i个污染物的污染负荷比为:

式中:K, 该区域第i个污染物的污染负荷比,i中最大值表示该区域内的主要污染物, 将数值排序可以确定该区域主要污染物;P为第j个污染源中第i种污染物的等表污染负荷(m3·a–1);为该区域等标污染负荷总数(m3·a–1)。

化肥施用折纯量计算公式分别为: N含量(kg·hm-2)=尿素(kg·hm-2)×0.464+复合肥(kg·hm-2)×N 含量比例系数; P2O5含量(kg·hm-2)=尿素(kg·hm-2)× 0.464+复合肥(kg·hm-2)×P2O5含量比例系数; K2O含量(kg·hm-2)=尿素(kg·hm-2)×0.464+复合肥(kg·hm-2)× K2O含量比例系数。

各污染源排污量计算公式: 化肥污染物排放量=氮、磷流失系数×化肥施用量; 畜禽养殖粪污排放量=排污系数×养殖数量; 生活废污排放量=常住人口×排污系数。

2 结果与分析

2.1 农业面源污染分析评价

2.1.1 种植业面源污染分析

通过农户调查结果计算出奎濉河典型小流域内灰古镇秦圩村、付湖村耕地面积分别为600.00 hm2、740.65 hm2, 耕地总面积为1340.65 hm2。由表1可知, 两个行政村一年内主要农作物种植状况为小麦玉米轮作、小麦大豆轮作, 西瓜和蔬菜等其他作物均有少量种植。

表2为灰古镇秦圩村和付湖村不同农作物种植肥料使用情况。表中显示的氮、磷、钾的含量均指折纯后的含量。由表可知, 西瓜、蔬菜等种植中使用化肥量较高, 且施肥结构严重不合理。调查表明, 小流域内主要施用肥料类型为化学肥料, 有机肥投入比例较少。农田过多的氮素等投入随降雨、地表径流等途径进入水体引起富营养化[10], 对小流域内的生态环境造成不利影响。

表1 奎濉河典型小流域土地主要利用类型

表2 奎濉河典型小流域不同作物肥料使用情况

表3为灰古镇秦圩村和付湖村种植业化肥年施用情况。从总体上看, 付湖村和秦圩村的化肥施用强度, 远超于发达国家规定225 kg·hm-2的安全标准水平[11], 应严格管控。

为了计算区域内农作物的化肥施用对环境造成的污染负荷率, 将农作物污染负荷指标法作为计算方法, 种植业氮、磷的流失量根据年度施肥量的0.563%、0.350%计算[12], 结果得出表4所示灰古镇付湖村及秦圩村种植业化肥施用造成的污染排放总量。由表可知, 灰古镇付湖村和秦圩村共有5578.06 kg的污染物排放量。TN为主要污染物来源, 排放量为3278.91 kg; 其次为TP, 排放量为2299.15 kg。付湖村化肥施用造成的污染负荷率最大, 为55.88%; 秦圩村污染负荷率为44.12%, 可能由于付湖村种植蔬菜、西瓜等作物且相应施肥强度较大等因素。

2.1.2 养殖业面源污染分析

经调查得出表5所示灰古镇付湖村、秦圩村人口及养殖业情况, 由表可知灰古镇秦圩村畜禽存栏数较大, 全村共有养殖大户13家, 养殖品种为生猪、肉鸡和肉鸭, 年出售鸡鸭20万只。付湖村现有14个家庭农场, 5个专业合作社, 2个农业产业联合体和市级产业化龙头企业淮海畜牧有限公司, 主要养殖品种是肉鸡, 鸭, 肉牛和生猪等。

表3 奎濉河典型小流域种植业化肥年施用量与施用强度

表4 奎濉河典型小流域种植业化肥污染排放量

表5 奎濉河典型小流域人口及养殖业情况表

表6中畜禽养殖的排污参数来源于2008年安徽省全国首次污染源调查报告中的相关数据。将表5统计数据和表6的排污参数[13-14]相结合, 计算出灰古镇两个行政村的畜禽、水产养殖业排污状况。本研究根据1 hm2精养鱼塘每年向环境排放COD、TN、TP分别为74.5、101、11 kg[15]计算鱼塘养殖的排污参数。

灰古镇付湖村、秦圩村养殖业污染物排放量总量详见表7。由表可以看出, 付湖村和秦圩村的养殖业污染源共向水体排放26808.80 kg污染物, 污染物主要为COD, 污染负荷率达69.91%。在畜禽养殖业中, 秦圩村污染负荷率比较大, 污染物排放总量达24032.52 kg, 占污染物总量的89.64%, 主要原因是养殖大户畜禽存栏数较大, 污染较严重。

表6 奎濉河典型小流域养殖业畜禽粪尿和农社区人居的排污系数和流失率

表7 奎濉河典型小流域养殖业污染物排放量

表8 奎濉河典型小流域常住居民产生的面源污染分析

2.1.3 人居面源污染分析

由于灰古镇付湖村及秦圩村生活垃圾由政府统一集中处理, 因此只计算常住人口生活污水带来的污染问题。结合表5和表6的数据, 计算出表8所示付湖村、秦圩村常住居民产生的面源污染分析数据。从表8可以看出, COD的排放为人居生活产生污染物的主要贡献单位, 占排放总量的91.55%; 其次为TN, 占7.20%; TP最低, 占1.25%。

2.2 农业面源污染综合分析

根据灰古镇付湖村和秦圩村农业面源污染特点及综合种植业污染分析、养殖业污染分析及人居生活污染分析, 计算得出表9所示灰古镇付湖村和秦圩村各农业面源污染综合排放量数据。

由表9可看出, 灰古镇付湖村及秦圩村农业面源污染排放源中, 生活源污染物排放总量达到43487.66 kg, 占总污染负荷的57.32%; 污染物以COD为主, 排放量达到39812.58 kg。养殖业污染物排放总量达到26808.72 kg, 污染物以COD为主, 其排放量达到18741.73 kg, 污染负荷率为35.33%。种植业化肥施用带来的污染物总量达5577.66 kg, 负荷率为7.35%。在三个评价因子COD, TP, TN中, 污染负荷率最高为COD, 占到77.17%; 其次为TN, 污染负荷率为16.83%; TP的污染负荷率为6.00%。

总的来看, 生活源污染物排放总量最高, 是造成奎濉河小流域的最大污染源, 需谨慎对待、严格管理。在三个评价因子COD, TP, TN中, COD污染负荷率最高, 污染负荷率占到77.17%。因此, 加大农村人居环境整治, 严格控制乱排乱放, 以提高农村生活污水处理率, 是治理淮河流域奎濉河小流域农业面源污染的关键措施。

表9 奎濉河典型小流域各农业面源污染综合排放量

3 讨论

通过对淮河奎濉河小流域农业面源污染情况调查分析显示: 在三种污染类型中, 人居生活污染和畜禽养殖是导致该流域农业面源污染最主要污染源。其主要原因是生活污水和畜禽粪便不达标处理。

随着区域养殖数量的增加, 当前大部分养殖场没有对畜禽粪便进行回收利用且污染处理设施跟不上, 养殖量超过了本地的环境承载能力。但以目前畜禽养殖的养殖密度和养殖规模来看, 还有一定的养殖空间, 未来养殖数量会不断增多, 必须加强畜禽养殖粪污的治理力度。

农村生活面源污染源主要包括农村生活垃圾、生活污水和人粪尿。农村生活面源污染具有排放量小、分散、面广、来源多、就近排放的水环境容量小及环境管理水平低等特点, 给流域水环境带来了显著影响。可以看出, 农村生活污染源的治理还有很大的空间。

因此, 积极探索符合地方实际的农村生活污染治理模式和长效管理机制, 对于改善农村周围水环境, 控制流域面源污染具有重要意义。提高农村生活污水处理率和实施养殖畜禽粪便的资源化处理, 是治理流域农业面源污染的有效措施。对于农业面源污染的治理对策虽然有各种不同的措施[16], 并且都起了一定的作用, 但综合效果仍然欠佳, 难以达到满意的治理效果[17]。本研究不仅可以探索符合地方实际的农村生活污染防控措施, 对于改善淮河奎濉河小流域水环境, 使其水污染的防治工作具有很强的典型性和代表性。

4 结论与建议

本研究针对淮河流域奎濉河小流域的三类主要污染源, 包括农田的化肥污染、养殖业污染、生活污染, 分别对各类污染源中的污染物进行定量分析及评价, 得出的主要结论如下:

(1) 灰古镇秦圩村和付湖村年度化肥施用总量分别达到和769.92 t和897.35 t, 其施用强度远超国家安全水平。因此, 鼓励秸秆还田, 推广缓控释肥料、水肥一体化水溶性肥等新型高效肥料和高效施肥技术。在小流域内推行绿色生产生活方式, 实现经济发展与生态环境的协调发展。

(2) 养殖业农业面源污染负荷率为35.33%; 生活源污染负荷率达到57.32%。可见, 农村生活和畜禽养殖应该成为该区域农业面源污染防控的重点。加大农村人居环境整治, 严格控制乱排乱放现象发生, 以提高废水治理水平和卫生厕所普及率, 实现厕所粪污的有效处理或资源化利用。因地制宜建设生态沟渠、缓冲带等有效拦截和消纳农田退水和农村生活污水中各类有机污染物。加强大型养殖场粪污垃圾处理设备的配套率, 建设养殖场的粪污处理利用设施, 大力推广清洁养殖技术和节水、节料等实用技术, 提高集约化、自动化和生态养殖水平。

(3) 在3个评价因子COD, TP, TN中, COD的污染负荷率最高占77.17%。且COD主要来源于生活污染源。因此, 提高农业资源、投入品利用效率和废弃物回收利用水平。

后期开展流域面源污染防治建议如下:

(1) 随着近年来对农业面源污染的不断重视, 农业环境管理的基础信息不断丰富, 农业面源污染负荷也随之变化, 有必要对导致农业面源污染的相关因素进行分析, 使得不同污染物之间的污染负荷值更为准确。

(2) 我们在研究的过程中, 对于径流污染也缺乏一定的检测, 并且没有实现污染物的量化研究。在后期的研究中, 我们应综合具体因素, 开发有效控制淮河流域奎濉河小流域农业面源污染的措施。

(3) 治理流域面源污染需要综合运作多种控制措施才会有较好的效果, 因此, 针对淮河流域奎濉河小流域农业面源污染的治理应注重统筹政策措施、补偿措施和技术措施。

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Investigation and evaluation of agricultural non-point source pollution in typical small watershed of Kuisui River in Huaihe Basin in Suzhou City, Anhui Province

SHI Xiaorui1, WU Sheng2, HUANG Yu2, OU Sanqing3, WANG Shuren3, MA Youhua2, JIANG Jiasheng4,*

1. School of Economics and Management, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China 2. School of Resources and Environment, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China 3. Management Committee of National Modern Agriculture Demonstration Zone, Yongqiao District, Suzhou City, Suzhou 234000, China 4. Graduate College of Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China

Based on the field investigation of the typical small watershed of Kuisui River and the comprehensive analysis with the method of equal standard pollution load, we found that among the agricultural non-point source pollution sources in the small watershed, the pollution load rate of the domestic source was the largest, reaching to 57.32%, and the total amount of pollutants discharged reached to 75874.04 kg, in which CODwas the main pollutant. The amount of pollutants discharged reachedto 39812.58. The pollution load rate of aquaculture was 35.33%, reaching to 18741.73 kg, and that of planting was 7.35%. Among the three evaluation factors COD, TN and TP, COD had the highest pollution load rate, which was 77.17%; TN was ranked the second, which was 16.83%; TP had a pollution load rate of 6.00%. The pollution of rural life and livestock breeding was the main source of agricultural non-point source pollution in small watershed, which could be the key point of prevention and control of agricultural non-point source pollution in this area.

small watershed; agricultural non-point source pollution; investigation; evaluation

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.05.014

X524

A

1008-8873(2021)05-109-07

2020-03-14;

2020-05-05基金项目:国家发改委宿州市埇桥区农业突出环境治理项目(No.2017-341302-77-01-000579); 安徽省教育厅项目(sztsjh2019-1-3)

时晓瑞(1995—), 女，山西临汾人, 硕士研究生, 主要从事农业环境治理研究, E-mail:1132149151@qq.com

通信作者:姜家生, 男, 博士, 主要从事农业环境治理研究, E-mail:zzj123@ahau.edu.cn

时晓瑞, 武升, 黄瑜, 等. 淮河流域奎濉河典型小流域农业面源污染调查与评价[J]. 生态科学, 2021, 40(5): 109–115.

SHI Xiaorui, WU Sheng, HUANG Yu, et al. Investigation and evaluation of agricultural non-point source pollution in typical small watershed of Kuisui River in Huaihe Basin in Suzhou City, Anhui Province[J]. Ecological Science, 2021, 40(5): 109–115.