東江源山地果畜結合區(qū)面源污染生態(tài)化控制模式與效果分析

席運官，劉明慶，王 磊，汪 貞，李德波，王宏燕

（1.環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所，南京 210042；2.東北農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，哈爾濱 150030）

農(nóng)村面源污染已成為大多數(shù)水源保護區(qū)水質(zhì)污染的主導因素，其主要包括種植業(yè)不合理施用化肥農(nóng)藥的排放、不恰當土地利用方式導致的水土流失、畜禽與水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)排污、農(nóng)村生活垃圾和污水的不合理排放等[1-8]。生態(tài)農(nóng)業(yè)被認為是充分循環(huán)利用生產(chǎn)系統(tǒng)的物質(zhì)，提高系統(tǒng)綜合生產(chǎn)力，減少農(nóng)業(yè)面源污染的重要途徑[9-12]。

針對東江源以丘陵山區(qū)小流域為主的地貌特征和果（臍橙）畜（生豬養(yǎng)殖）結合的生產(chǎn)模式，以位于定南縣龍?zhí)伶?zhèn)朱坑生態(tài)養(yǎng)殖小區(qū)的“杏林農(nóng)莊”為例，剖析“豬-沼-果-魚”綜合生態(tài)農(nóng)業(yè)模式的結構與功能，并優(yōu)化分析其控制面源污染的效果，為在東江源廣泛推廣這種模式保護東江水質(zhì)提供依據(jù)。

1 研究地區(qū)概況與研究方法

1.1 研究地區(qū)概況

東江源是一個以山地、丘陵為主的地區(qū)，地貌可概稱“八山半水一分田，半分道路與莊園”，包括贛州市的定南、尋烏和安遠三縣，地理位置介于東經(jīng) 114°47'～115°33'，北緯 24°29'～25°33'，流域面積3 502 km2，約占東江全流域面積的1/10，水資源總量44.0億m3，其中29.21億m3輸入珠江三角洲，是下游眾多城市特別是香港的主要水源地。

據(jù)調(diào)查，東江源區(qū)有耕地面積3.46萬hm2，果園種植面積達到5.76萬hm2，柑橘類果業(yè)已成為源頭區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。果園普遍大量使用農(nóng)藥、化肥，平均使用農(nóng)藥46.44 kg·hm-2，農(nóng)藥種類超過40種，平均使用化肥604.15 kg·hm-2（折純）。此外，東江源區(qū)尤其是定南縣養(yǎng)豬業(yè)發(fā)達，三縣年出欄肉豬約77.8萬頭，年排放糞便約180萬t。N、P、農(nóng)藥和養(yǎng)殖廢水隨地表徑流進入水體的風險較大，危及東江源頭水體水質(zhì)[13-14]。

1.2 杏林農(nóng)莊概況

20世紀80年代以來，南方開展較多的“豬-沼-果”生態(tài)農(nóng)業(yè)模式研究，取得良好經(jīng)濟、社會與環(huán)境效益[15-16]?！柏i-沼-果-魚”生態(tài)農(nóng)業(yè)模式是從“豬-沼-果”的基礎上發(fā)展衍生而來，利用山地小流域的地形特征，在下游筑壩建魚塘，以匯集徑流水養(yǎng)魚并消納系統(tǒng)中沼液等外排養(yǎng)分，從而形成一個生態(tài)學與污染防治上都更加完整的生態(tài)系統(tǒng)。位于定南縣龍?zhí)伶?zhèn)朱坑生態(tài)養(yǎng)殖小區(qū)的杏林農(nóng)莊為此模式的典型代表，其2005年建成，總面積33.33 hm2，實行山頂戴帽（種植水土涵養(yǎng)林）、山腰開梯田種臍橙，山腳穿靴（保留防護植被帶），山土幼建生豬養(yǎng)殖場并匹配建設沼氣系統(tǒng)，山底建魚塘。其地貌與地理位置見圖1，系統(tǒng)結構分布如圖2所示。

圖1 杏林農(nóng)莊地理位置與地貌Fig.1 Map of Xinglin farm

圖2 杏林農(nóng)莊“豬-沼-果-魚”生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)布局Fig.2 Demonstration project of"pig-biogas-fruit-fish"eco-agriculture model in Xing lin farm

1.3 研究方法

1.3.1 杏林農(nóng)莊的生態(tài)調(diào)查

對杏林農(nóng)莊的各單元構成進行現(xiàn)場調(diào)查和測量。測量果園坡度，種植帶寬度、內(nèi)傾斜度，臍橙株距，梯壁高度，梯壁雜草的生物量與主要種類；測定豬場、沼氣系統(tǒng)、氧化塘、魚塘的規(guī)模與面積。采集果園土壤混合樣品進行基礎理化性狀分析，其基礎養(yǎng)分如表1，結果顯示果園土壤肥力中等，土壤為黃色壤土，根據(jù)臍橙養(yǎng)分需求判斷，Ca、Mg等元素較缺乏。

1.3.2 杏林農(nóng)莊的系統(tǒng)優(yōu)化

根據(jù)生態(tài)調(diào)查的結果，以“控源-減排-凈化”為原則，以控制面源污染為目標，對杏林農(nóng)莊生產(chǎn)系統(tǒng)進行優(yōu)化改造，包括在氧化塘引入浮萍凈化沼液并投入魚塘作為魚餌料；在滑坡敏感地帶建造水泥排水溝預防滑坡減少水土流失；保留徑流草溝，并在末端排口建造沉沙池；采用種植帶地表覆草，保留梯壁植物，以截留地表徑流；采用病蟲害的生物、物理防治技術，減少化學農(nóng)藥的投入。

1.3.3 杏林農(nóng)莊排水的水質(zhì)跟蹤測試

為了驗證杏林農(nóng)莊的污染防治效果，2010年6月～2011年8月，對農(nóng)莊最末排水進行全年跟蹤采樣監(jiān)測，同時采集果園徑流水進行分析。

排水中TN、NH4+-N含量測定采用Skalar（荷蘭）水質(zhì)流動分析儀；TP采用過硫酸鉀氧化-鉬藍比色法；COD測定采用高錳酸鹽指數(shù)法；pH測定采用雷磁PHS-3C精密pH計。

表1 土壤的基礎養(yǎng)分狀況Table 1 The condition of soil nutrient

2 結果與分析

2.1 杏林農(nóng)莊的系統(tǒng)結構與功能分析

如圖2所示，杏林農(nóng)莊養(yǎng)豬場建在小流域的上游。豬場總面積2 600 m2，采用自繁自養(yǎng)的方式，有良種母豬70頭，豬場年出欄肥豬100頭。豬場設置雨污分流系統(tǒng)，豬糞尿固液分離，糞尿與沖洗水進入沼氣池發(fā)酵。豬糞通過堆置后，供果園使用。經(jīng)計算，豬場年產(chǎn)生豬糞411 t，豬尿510 t，沼液可以提供 N 584 kg、P2O5321.67 kg、K2O 438.33 kg，其中60%進入果園，40%進氧化塘。氧化塘長35.4 m，寬22.5 m，平均深度0.6 m，每5 d抽一次約16 m3沼液放入氧化塘，每批次產(chǎn)生的浮萍量為100 kg左右，定期撈取喂魚，凈化的沼液再排入魚塘，作為促進水生生物生長的肥源，培養(yǎng)魚餌料。魚塘建在農(nóng)莊下游，面積約5 600 m2，深度平均3 m，魚塘養(yǎng)殖草魚1 500條，白鰱1 500條，鯉魚1 000條，鳙魚1 000條，以及少量的鯽魚和青魚。杏林農(nóng)莊在小流域的兩側(cè)山坡以開梯田方式種植4 000多株臍橙（8 hm2），沼液、灌溉都采用管道化方式進行。果園坡度平均為31.8°，采取等高種植方式，開設反傾斜的水平梯帶，種植帶寬3 m，臍橙株距4 m，梯壁高度1.5～1.8 m，等高面向內(nèi)傾斜，傾斜度為6～8°，以便匯水排水，減少水土流失；山坡修筑排水溝，溝內(nèi)留草，阻隔徑流泥沙。園內(nèi)存留梯面、梯壁的植物主要有芒草、藿香薊等植物，截流養(yǎng)分并減少水土流失。

杏林農(nóng)莊的系統(tǒng)結構與功能關系如圖3所示。

圖3 “豬-沼-果-魚”生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)結構與功能關系Fig.3 Structure and fuction of"pig-biogas-fruit-fish"eco-agriculture model

2.2 杏林農(nóng)莊面源污染生態(tài)化控制效果分析

2.2.1 控源

農(nóng)藥、化肥的過量使用，加劇了該地區(qū)的農(nóng)業(yè)面源污染，使得東江源頭區(qū)水體呈惡化趨勢。杏林農(nóng)莊果園施肥主要以豬糞自制有機肥、沼液為主，以及外購少量復合肥、鉀肥等肥料，園內(nèi)定期人工除草并覆蓋于種植帶表土作為綠肥使用。果樹施肥，以基肥為主，配合一定次數(shù)的沼液追肥，針對土壤基礎養(yǎng)分分析結果，適當補充鈣、鎂、硼等臍橙必需礦質(zhì)養(yǎng)分，總施肥量見表2，其顯著少于定南縣周邊農(nóng)戶的平均養(yǎng)分投入量，即 N 26.1 kg·hm-2，P2O521.9 kg·hm-2，K2O 17.8 kg·hm-2[17]。

果園實行綠色栽培技術，合理進行水肥管理，病蟲害防治主要以生物、物理防治為主，包括釋放天敵捕食螨防治紅蜘蛛（每株果樹釋放一袋，含300頭捕食螨，8月份在臍橙每葉害螨蟲/卵少于2頭時釋放），安裝頻振式殺蟲燈（每盞殺蟲燈控制面積2 hm2，一般采用懸掛安裝，懸掛高度為1.5 m左右，開燈時間分別為4～6月和為8～11月，天黑后開燈，每晚開燈4～6 h）、掛黃板誘蟲（主要誘殺蚜蟲、白粉虱、美洲斑潛蠅等害蟲，每棵果樹上懸掛一張，規(guī)格20 cm×24 cm）等；配合冬季施用生石灰進行樹體刷白和果園清園消毒處理，噴灑波爾多液、氫氧化銅等礦物源制劑防治果樹病害。果園內(nèi)種植勝紅薊等吸引天敵的雜草、留存茅草等快速生長的土著雜草，增加果園生物多樣性，為果樹害蟲天敵提供棲息繁衍的場所，致使杏林農(nóng)莊每年只使用農(nóng)藥5～6次，明顯少于定南縣果園平均12～14次的農(nóng)藥使用次數(shù)；而且果園堅持人工除草和覆蓋抑草，不施用除草劑。這些措施顯著減少了杏林農(nóng)莊的農(nóng)藥化肥使用量，從源頭上有效控制了面源污染風險。

表2 杏林農(nóng)莊果園2011年施肥水平狀況Table 2 The fertilization input in citrus orchards of Xinglin farm in 2011（kg·hm-2）

2.2.2 減排

果園采用等高種植，開設反傾斜的水平種植梯帶，保留梯壁植物和徑流草溝，建防滑坡排水溝和沉砂池等，對徑流減排起到重要的作用。

果園中梯壁雜草以茅草為主，長勢旺盛，吸收大量營養(yǎng)，每棵臍橙樹平均擁有約6 m2的梯面，如每年除草4次，每次鮮雜草量為6.3 kg計算，果園共計4 000棵臍橙樹，則每年果園梯壁可生長雜草量為100.8 t，經(jīng)測定雜草含氮0.346%，磷（P2O5）0.124%，鉀0.314%，可截獲348.77 kg氮，124.99 kg磷和316.51 kg鉀。如割草后就地鋪草則能為果園提供大量營養(yǎng)，同時有利于水土保持。

沉沙池是攔截徑流水泥沙的重要方式，經(jīng)測定，一個長4.4 m，寬1.1～1.25 m，深0.65～0.75 m的沉沙池，在豐水期，每個月攔截的泥沙量為8 m3，即減少了12.8 t泥沙流失量。

因果園采用生態(tài)化的栽培與管理措施，徑流水中的氮磷含量也較低，監(jiān)測結果如表3所示。對照地表水環(huán)境質(zhì)量標準可知，果園徑流水水質(zhì)在Ⅰ～Ⅲ類水。

2.2.3 凈化

杏林農(nóng)莊豬場沼氣發(fā)酵產(chǎn)生的沼液主要用于果園，但仍有40%沼液需外排。農(nóng)莊設置氧化塘以凈化外排沼液，然后進入魚塘肥水養(yǎng)魚。

表3 杏林農(nóng)莊果園徑流水水質(zhì)分析結果Table 3 Quality of the surface runoff from the orchard of Xinglin farm（mg·L-1）

氧化塘引入浮萍快速凈化沼液，而浮萍是魚塘餌料。室內(nèi)實驗表明，浮萍能有效降解沼液（稀釋15倍）中的有機物，并去除氮、磷，培養(yǎng)15 d后，浮萍對沼液中CODMn的去除率為47.9%，對氮和磷的去除率分別為37.6%和36.4%。

魚塘是整個系統(tǒng)徑流水與排放養(yǎng)分的匯集與滯留處，養(yǎng)分經(jīng)過水生生物的生長和微生物的降解，得到進一步的利用與凈化。

2.2.4 杏林農(nóng)莊排水水質(zhì)分析

杏林農(nóng)莊通過控源、減排和凈化等綜合措施，顯著減少果園農(nóng)藥、化肥的使用量，有效控制水土流失，減少養(yǎng)殖廢水排放量，從而有效改善系統(tǒng)外排水水質(zhì)，進而達到控制面源污染與保護生態(tài)環(huán)境的目的。

從2010年6月～2011年8月對農(nóng)莊邊界總排口外排水的監(jiān)測數(shù)據(jù)可知（見圖4），杏林農(nóng)莊排水總體狀況良好，基本優(yōu)于地表水Ⅳ類水質(zhì)指標要求。

圖4 杏林農(nóng)莊總排口排水水質(zhì)Fig.4 Water quality of the drainage from Xinglin Farm

3 討論與結論

a.“豬-沼-果-魚”生態(tài)農(nóng)業(yè)模式可有效控制系統(tǒng)面源污染的排放。杏林農(nóng)莊“豬-沼-果-魚”生態(tài)農(nóng)業(yè)模式，其化肥投入只是當?shù)貑我还麍@平均用量的31%（以復合肥量投入計算），農(nóng)藥使用量為當?shù)仄骄?0%。農(nóng)莊果園徑流水質(zhì)優(yōu)于地表水Ⅲ類水，農(nóng)莊排水水質(zhì)全年優(yōu)于地表水Ⅳ類水。如果養(yǎng)豬場即使以沼液的形式排放廢水，經(jīng)測試，其養(yǎng)分濃度 N 200 mg·L-1，P2O5110 mg·L-1，K2O 150 mg·L-1，CODMn375 mg·L-1，仍為高濃度的污染廢水?？梢猿浞肿C明“豬-沼-果-魚”生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)是農(nóng)業(yè)面源污染防治的有效模式。

b.“豬-沼-果-魚”生態(tài)農(nóng)業(yè)模式中“魚”環(huán)節(jié)是面源污染控制不可缺失的要素?！柏i-沼-果-魚”生態(tài)農(nóng)業(yè)模式污染控制措施主要從系統(tǒng)結構、生態(tài)建設方面進行防治，除沼液、豬糞堆肥等物質(zhì)循環(huán)利用外，利用浮萍凈化沼液并生產(chǎn)魚餌料，保留梯壁植物再人工除草作為綠肥利用等都是既起到凈化和污染截流又緊密結合生產(chǎn)的需要，可操作性、推廣性強，適合在丘陵山區(qū)進行面源污染防治。在“豬-沼-果-魚”生態(tài)農(nóng)業(yè)模式中，“魚”這個環(huán)節(jié)對于面源污染的控制不可缺失，否則豬場多余的沼液和廢水直接排放風險大，導致排水高污染風險。因此，要發(fā)揮傳統(tǒng)的“豬-沼-果”系統(tǒng)防治面源污染的功效，必須添加“魚”這一環(huán)節(jié)。

c.“豬-沼-果-魚”生態(tài)農(nóng)業(yè)模式運行需具備一定條件。一是該模式涉及到豬、果、魚等多項種植、養(yǎng)殖技術，經(jīng)營者需要掌握各項技術；二則該模式要求勞力較多如人工除草等，需要配備充足的勞力；三是該模式受市場需求影響較大，生豬、臍橙等農(nóng)產(chǎn)品價格直接關系到農(nóng)莊經(jīng)濟效益和有效運行；四為自然因素與突發(fā)事件影響該模式正常運行，該地區(qū)暴雨頻發(fā)，一方面會誘發(fā)塌方造成嚴重水土流失，有可能造成魚塘漲水、塌堤跑魚；養(yǎng)豬存在大規(guī)模疾病爆發(fā)風險。要有效避免這些風險，需要政府、技術部門等給予多方面支持。

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