环鄱阳湖城市群耕地面源污染时空演变研究*

肖 蔚 叶长盛 甘 凤 蔡 鑫

(东华理工大学地球科学学院,江西 南昌 330013)

相比点源污染,面源污染具有不确定性、分散性、滞后性和隐蔽性等特点[1-2],而且造成的污染不易监督和防治。国家出台了一系列面源污染防治的规划和文件,截至2020年底,化肥和农药连续4年呈现负增长,治理取得积极进展。但我国的化肥投入强度相对高,尤其是高经济价值作物以及发达地区仍存在过量施肥问题,新型冠状病毒感染疫情后国家又对粮食安全提出更高要求,环鄱阳湖城市群经济的快速增长和城市化水平的迅速提高也可能导致新的耕地面源污染,这就使得面源污染防治形势依然不容乐观。

我国学者认为,化肥农药的过量使用和牲畜规模化养殖是造成耕地面源污染的主要原因[3-5]。在面源污染的研究中,清单分析法比其他方法具有更大优势,在实际应用中更具有可操作性,其污染负荷量的估算基于经验核算参数和相关数据统计资料,操作简单、所需参数较少,我国学者通过应用清单分析法取得了不少良好的研究成果。马军旗等[6]采用清单分析法探讨了2003—2017年中国农业面源污染的空间差异;熊娜等[7]利用清单分析法测算了2008—2019年广西农业面源污染物排放量和排放强度。但现有研究大多数以省级或市级为研究单元,对于县级单元的面源污染时间格局演变特征研究相对不足。本研究对环鄱阳湖城市群56个县(区、市)的耕地面源污染的时空演变特征进行了研究,为合理的区域环境和耕地可持续发展提供了理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

环鄱阳湖城市群位于江西省北部,长江中下游(26°57′N～30°04′N,113°34′E～118°28′E),由8个地级市(南昌、景德镇、萍乡、九江、新余、鹰潭、宜春、上饶),抚州市区、东乡区、金溪县、崇仁县以及吉安市峡江县、新干县组成,该区域绝大部分县(区、市)是农业县,是我国重要的商品粮生产基地和蔬菜优势产区,区域面积约9.23万km2。该区域2020年耕地面积1.85万 km2,粮食作物播种面积250.07万hm2,粮食产量1 491.85万t,分别占江西省的68.01%、66.95%、68.94%。近年来,环鄱阳湖城市群农业集约化程度不断提高,畜禽养殖业和种植业发展迅速,但存在化肥农药使用不合理和畜禽养殖粪污处理不达标等现象,由此产生的耕地面源污染会引发水体富营养化、农产品质量安全等问题,对人类健康构成严重威胁。

1.2 数据来源

耕地面源污染产污单元数据来自2006—2021年江西统计年鉴、中国农村统计年鉴、中国县域统计年鉴、各地级市统计年鉴和县(区、市)国民经济和社会发展统计公报;耕地面积数据来自各地级市土地利用变更调查数据,个别年份缺失数据利用插值法和平滑数据处理法补齐;耕地面源污染排放测算中使用的产排污系数等参数参考文献[8]至文献[11]和《污染源普查农业源系数手册》。

1.3 研究方法

利用清单分析法计算耕地面源污染物排放总量和排放强度,选取农田化肥、有机肥、畜禽养殖、农作物秸秆、水产养殖、农村生活6个污染源(由于农田化肥不产生化学需氧量(COD)污染,故农田化肥不作为COD污染源),以COD、总氮(TN)和总磷(TP)为主要的污染负荷指标,建立污染负荷排放测算与评估的3层结构,包括污染源、产污单元和计算方法(见表1)。

表1 耕地面源污染产污清单及计算公式Table 1 List and calculation formula of cultivated land non-point source pollution

由于3类指标排放强度存在差异,故利用聚类分析法将3类指标的排放强度(面源污染排放总量与耕地面积之比)均划分为4个等级(见表2)。

表2 COD、TN和TP排放强度等级划分Table 2 Classification of COD,TN and TP emission intensity kg/hm2

参考文献[12]、[13],采用发达国家为防止化肥对水体造成污染而设置的警戒线(225 kg/hm2)为标准,将化肥投入强度划分为3个等级:低风险区(<225 kg/hm2);中风险区(225～400 kg/hm2);高风险区(>400 kg/hm2)。

参考文献[14]、[15],将畜禽粪尿排放强度划分为3个等级:低风险区(<15 000 kg/hm2);中风险区(15 000～30 000 kg/hm2);高风险区(>30 000 kg/hm2)。

2 结果与讨论

2.1 环鄱阳湖城市群耕地面源污染时间变化特征

由图1可得,COD、TN排放总量分别由2005年的50.56万、13.51万t下降至2020年的46.14万、13.26万t,而TP排放总量由2.65万t增加至2.74万t;COD排放强度由2005年的258.22 kg/hm2下降至2020年的248.97 kg/hm2,而TN、TP排放强度分别由69.00、13.53 kg/hm2增加至71.55、14.79 kg/hm2。3类指标的排放总量和排放强度变化趋势基本相同,均呈先增加后减少的趋势。可见环鄱阳湖城市群耕地面源污染治理取得了一定成效。2015年原农业部首次提出化肥使用量零增长行动,推进农业废弃物资源化利用,后续出台了一系列关于耕地面源污染防治的政策法规;江西省通过严格实施畜禽养殖“三区”规划和推进化肥农药先进施用技术等举措,大大降低了耕地面源污染。

图1 COD、TN和TP排放总量和排放强度随时间变化Fig.1 Total emission and emission intensity of COD,TN and TP varied with time

江西省耕地面源污染的主要污染源是畜禽养殖、农田化肥和农村生活[16]。由图2可得,畜禽养殖污染源是环鄱阳湖城市群耕地面源污染的最主要污染源,对3类指标的贡献率最高,均在45%以上。3类指标的主要污染源均是畜禽养殖。农村生活COD贡献率由2005年的33.05%降至2020年的26.46%,TN从14.08%降至10.48%,TP从16.13%降至11.39%;农田化肥TN贡献率由2005年的31.01%降至2020年的24.99%,TP从17.79%降至13.97%。

由表3可看出,2005年畜禽粪尿排放量、农田化肥施用量和乡村人口数量分别为4 292.18万t、89.55万t和2 136.97万人,2020年比2005年分别减少了12.82%、17.25%和26.95%。主要是由于随着国家对耕地面源污染的重视,制定了一系列耕地面源污染的相关政策法规,特别是针对种养结合和化肥零增长的政策举措,成效显著。乡村人口明显减少主要是由于我国城镇化进程加快,农业人口向城市人口转变,此外江西省作为劳务输出大省,乡村劳动力大量外流。

表3 畜禽粪尿、农田化肥和乡村人口Table 3 Livestock and poultry manure,farmland chemical fertilizer and rural population

2.2 环鄱阳湖城市群耕地面源污染空间变化特征

2005、2020年环鄱阳湖城市群COD、TN、TP排放强度空间分布见图3,2020年环鄱阳湖城市群畜禽粪尿排放强度、化肥投入强度空间分布见图4。

图3 2005、2020年环鄱阳湖城市群COD、TN和TP排放强度空间分布Fig.3 Spatial distribution of COD,TN and TP emission intensities in urban agglomeration around Poyang Lake in 2005 and 2020

图4 2020年环鄱阳湖城市群畜禽粪尿排放强度、化肥投入强度空间分布Fig.4 Spatial distribution of livestock and poultry manure and urine emission intensity and fertilizer input intensity in urban agglomeration around Poyang Lake in 2020

从COD的空间特征来看,2005年COD高污染区2个(南昌市区和崇仁县),较高污染区有5个,低污染区主要分布在环鄱阳湖城市群北部,北部县(区、市)的COD排放强度均在平均值(277.99 kg/hm2)以下。2020年COD污染程度呈西南部>中部>东北部的空间格局分布,西南部县(区、市)由于畜禽养殖规模增加,而耕地面积较少,畜禽粪尿排放强度高,COD污染严重。2020年COD污染程度整体降低主要是由于环鄱阳湖城市群通过严格落实畜禽养殖“三区”规划和开展农村人居环境整治等举措,生态环境得到明显改善,而南昌市区、崇仁县COD排放强度分别增至860.60、779.56 kg/hm2,远高于平均值(285.05 kg/hm2)。南昌市区主要是由于城市化进程加快,耕地面积缩减;崇仁县主要是由于畜禽年养殖量巨大,畜禽粪尿排放量高。

从TN的空间特征来看,2005年TN高污染区2个(崇仁县和南昌市区),较高污染区7个,低污染区主要分布在环鄱阳湖城市群西北部。崇仁县和南昌市区TN排放强度分别为209.39、157.08 kg/hm2,远高于其他县(区、市),崇仁麻鸡产业作为崇仁县的支柱产业,麻鸡年养殖量高,粪尿排放多,污染强;南昌市区由于畜禽养殖密度大,而耕地面积较小,所能承担的污染负荷远小于其他地区。2020年TN污染强度高的地方主要集中在西南部、南部和中部,包括上栗县、莲花县、崇仁县、南昌市区和萍乡市区等,而北部地区TN污染程度较低。这与畜禽粪尿排放量和农田化肥施用量有关,西南部、中部和南部地区畜禽粪尿排放强度和化肥投入强度高,北部地区畜禽养殖规模较小,畜禽粪尿排放强度相对较低。

从TP的空间特征来看,2005年TP高污染区2个(南昌市区和崇仁县),较高污染区7个(包括南昌县、樟树市、上饶市区和广丰县等),绝大部分地区为较低污染区。南昌县和樟树市是重要的瓜果蔬菜和粮食作物的种植基地,农作物单位面积种植量较大,化肥施用量大;上饶市区主要是由于单位面积畜禽养殖量较大,而耕地面积相对较小,TP污染程度较高;广丰区主要是由于畜禽养殖规模尤其是生猪出栏量较大,导致污染物排放量较大。2020年TP高污染区增至5个,较高污染区增至8个,较低污染区数量明显减少,低污染区数量增加,TP空间分布与化肥投入强度的空间分布相似。其中,广丰区变为高污染区,TP排放强度增至32.21 kg/hm2,主要是由于化肥施用量和家禽出笼量分别增加了20.37%、22.02%。

综上所述,环鄱阳湖城市群地面源污染程度高的地方主要集中在西南部地区、南昌市区及崇仁县,污染程度较低的地方主要分布在北部和东部地区。

2.3 讨 论

我国从2004年开始减征或免征农业税,广大农户种粮积极性空前高涨[17],化肥投入强度加大。传统的粮食作物经济收益低且种植周期长,再加上消费市场结构升级,农户对经济作物的生产积极性提高,农作物种植结构发生变化,经济作物播种面积所占比例增加。传统粮食作物对化肥的需求量相对较小,而经济作物种植的单位面积施肥量大增[18]。研究表明,施肥强度对我国化肥施用量增长的贡献率高达70.4%[19],是我国农业化肥施用量快速增长的主要原因。此外,国家的“三农”政策降低了农户的化肥成本,导致化肥施用量增加。过量施用化肥,易造成耕地养分结构失调和重金属污染[20]。因此,可从以下方面减少农田化肥污染:(1)积极推广科学施肥和精准施肥,加速有机肥代替化肥进程;(2)积极推进农牧结合、种养平衡一体化,从源头及生产过程中减少污染物排放。

大牲畜(牛)和生猪的单体产污量相对羊、家禽等更高,耕地面源污染程度与大牲畜(牛)及生猪的养殖量所占比例呈正相关。由于消费观念的改变、市场需求的优化和强农惠农政策,畜禽养殖经济效益上升,生猪养殖散户和养殖场数量增加,畜禽粪尿排放量增加,导致耕地面源污染加重。我国畜禽规模化程度高,但由于资金有限和粪污处理及资源化利用相关环节缺乏监管等原因,每年生产的38亿t畜禽粪便综合利用率却不足60%[21]。畜禽粪尿的过量排放会造成土壤严重板结、土壤结构失衡,阻碍农作物的正常生长[22]。因此,笔者认为可从以下角度来提高畜禽养殖废弃物的资源化利用率:(1)正确发挥政府和市场作用,积极探索新的粪污处理模式;(2)减轻农户在畜禽粪污处理上的资金压力,建立长效保障激励机制;(3)加强污染防治宣传,提高养殖户的环保意识。

3 结 论

(1) 环鄱阳湖城市群COD、TN排放总量分别由2005年的50.56万、13.51万t下降至2020年的46.14万、13.26万t,而TP排放总量由2.65万t增加至2.74万t;COD排放强度由2005年的258.22 kg/hm2下降至2020年的248.97 kg/hm2,而TN、TP排放强度分别由69.00、13.53 kg/hm2增加至71.55、14.79 kg/hm2。3类指标的最主要污染源均是畜禽养殖。

(2) 耕地面源污染程度高的地方主要集中在西南部地区、南昌市区及崇仁县,污染程度较低的地方主要分布在北部和东部地区。