貴州省農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源氮、磷污染時(shí)空特征分析

鄭 建，韓會(huì)慶，蔡廣鵬，郜紅娟

(1.貴州師范學(xué)院 a.地理與旅游學(xué)院;b.農(nóng)業(yè)生態(tài)與鄉(xiāng)村發(fā)展研究所，貴陽(yáng) 550018;2.貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴陽(yáng) 550001)

1 研究背景

非點(diǎn)源污染是指溶解的或固體污染物(地面的各種污染物質(zhì)如城市垃圾、農(nóng)村家畜糞便、農(nóng)田中的化肥、農(nóng)藥、重金屬及其它有害有機(jī)物)，從非特定的地點(diǎn)隨暴雨生成的徑流進(jìn)入受納水體所造成的污染［1-2］。隨著點(diǎn)源污染的有效控制，非點(diǎn)源污染造成的水污染問(wèn)題日益突出，其中農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源已成為國(guó)內(nèi)外許多地區(qū)的首要污染源［3-4］。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中的氮和磷等營(yíng)養(yǎng)物、農(nóng)藥以及其他有機(jī)或無(wú)機(jī)污染物，通過(guò)農(nóng)田地表徑流和農(nóng)田滲漏形成地表和地下水環(huán)境污染。因此，農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染成為水環(huán)境研究的熱點(diǎn)。目前大量的研究工作主要以單個(gè)污染源為研究對(duì)象，如氮磷污染物對(duì)水體的污染［5］、農(nóng)村生活垃圾的產(chǎn)生特征［6］、農(nóng)作物秸稈焚燒治理［7］等，缺少?gòu)恼w上對(duì)區(qū)域農(nóng)村非點(diǎn)源產(chǎn)生規(guī)律、時(shí)空分布、不同耕作條件以及施肥水平對(duì)污染負(fù)荷的影響。

近年來(lái)，貴州水質(zhì)明顯惡化，化肥、農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染是其水質(zhì)惡化的重要原因，全面評(píng)估貴州非點(diǎn)源污染時(shí)空特征對(duì)貴州實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。因此，本文以氮、磷等農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染物為研究對(duì)象，研究貴州非點(diǎn)源氮、磷污染的時(shí)空分布和變化規(guī)律，為有效消減氮、磷污染負(fù)荷、改善區(qū)域水環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

2000—2010年貴州省的農(nóng)村人口、畜牧業(yè)生產(chǎn)情況、化肥投入等統(tǒng)計(jì)資料，來(lái)源于相應(yīng)年份的貴州省統(tǒng)計(jì)年鑒。2010年貴州省9個(gè)行政區(qū)的人口數(shù)量、畜牧業(yè)生產(chǎn)情況、化肥投入等統(tǒng)計(jì)資料，來(lái)源于2011年貴州省統(tǒng)計(jì)年鑒。

2.2 研究方法

2.2.1 輸出系數(shù)法簡(jiǎn)介

輸出系數(shù)法起始于20世紀(jì)70年代，也稱(chēng)單位面積負(fù)荷法［8］。經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)和發(fā)展，現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的是 Johnes等開(kāi)發(fā)的模型［9］。模型方程如下［10］:

式中:L為污染物流失總量(污染物負(fù)荷)(kg);Ei為第i類(lèi)型污染物輸出系數(shù)，即單位利用類(lèi)型的面積(km2)或第i種禽畜數(shù)量頭(只)、人口數(shù)量(人);Ii為單位面積或每頭(只)禽畜糞便、人均生活污染的第i種污染源污染物量(kg);P為降雨輸入的污染物的量，本文中主要考慮不同污染源的輸入的氮、磷總量，不考慮降雨輸入的氮、磷等污染量。

2.2.2 各污染源輸出系數(shù)的確定

2.2.2 .1 生活污染排放輸出系數(shù)

參考高祥照等［11］的研究，得出每個(gè)成年人年排糞、尿量分別為113.7，579.3 kg，糞中氮、磷含量分別為6.4，1.1 g/kg，尿中氮、磷含量分別為5.3，0.4 g/kg。

2.2.2 .2 畜禽糞便排放輸出系數(shù)

根據(jù)已有研究成果［12］以及實(shí)地調(diào)查，得出各種大牲畜以及豬、羊和家禽的日排泄量、排泄物中的氮、磷含量以及排放比例，從而確定其輸出系數(shù)。豬、牛、羊以及家禽的日排糞量分別為4.0，25.0，2.5，0.12 kg/d，氮含量為7.0，3.5，6.0，13.0 g/kg，磷含量為6.0，2.0，3.0，11.0 g/kg。豬、牛排尿量為3.5和10.0 kg/d，氮含量為5.0，10.0 g/kg，磷含量為0.5，1.0 g/kg，羊和家禽排尿量忽略不計(jì)。

年排糞、尿量計(jì)算公式為:年排糞(尿)量=個(gè)體日排糞(尿)量×飼養(yǎng)期×畜禽養(yǎng)殖量。在估算飼養(yǎng)時(shí)間時(shí)，豬按300 d計(jì)，牛、羊生長(zhǎng)期較長(zhǎng)，按365 d計(jì)，家禽以55 d計(jì)。

2.2.2 .3 農(nóng)田輸出系數(shù)

化肥及農(nóng)藥施入農(nóng)田后，主要去向?yàn)樽魑镂绽谩埩粼谕寥乐泻碗S地表徑流或地下徑流進(jìn)入水體。貴州省農(nóng)田施用化肥主要為氮肥和磷肥。參考相關(guān)的研究結(jié)果［13-15］并根據(jù)化肥的施加情況對(duì)系數(shù)進(jìn)行修正，確定土壤氮肥流失率為50%，磷肥流失率為20%。

3 結(jié)果分析

3.1 貴州省農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源氮、磷污染時(shí)間特征

從貴州省農(nóng)業(yè)氮、磷污染估算結(jié)果看(表1)，2000—2010年貴州農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源氮、磷污染排放總量呈先上升后下降趨勢(shì)，貴州省TN總量從2000年的135.31萬(wàn) t上升到 2005 年的163.38萬(wàn) t，再下降到2010年的137.48萬(wàn) t。TP 總量從 2000 年的40.23萬(wàn)t上升到2005年的47.91萬(wàn)t，再下降到2010年的40.47萬(wàn) t(見(jiàn)表1)。

從非點(diǎn)源污染輸出結(jié)構(gòu)看，農(nóng)田化肥和畜禽糞便是貴州非點(diǎn)源氮、磷污染的主要來(lái)源，其中，農(nóng)田化肥輸出N量占TN總量比例由2000年38.32%下降到2005年29.85%，再上升到2010年33.11%。農(nóng)田化肥輸出P量占TP總量比例由2000年40.35%下降到2005年29.83%，再上升到2010年35.08%;畜禽糞便輸出N量占TN總量比例由2000年47.22%上升到2005年56.62%，再下降到2010年52.60%。畜禽糞便輸出P量占TP總量比例由2000年55.18%上升到2005年65.93%，再下降到 2010 年60.45%;相對(duì)而言，生活污染對(duì)貴州非點(diǎn)源氮、磷污染的貢獻(xiàn)并不十分突出，所占比例較小(圖1)。

圖1 貴州省非點(diǎn)源污染不同輸出類(lèi)型所占比例Fig.1 The proportion of different output types of NPS nitrogen and phosphorous pollution

從氮、磷排放強(qiáng)度看，2000—2010年除六盤(pán)水市外，其他州市氮、磷排放強(qiáng)度經(jīng)歷了先增強(qiáng)后降低的過(guò)程。各州市之間的氮、磷排放強(qiáng)度差異變化不大。其中10年間氮排放強(qiáng)度變化最大為六盤(pán)水市，增加了2.17 t/km2，變化最小為銅仁市，僅增加0.16 t/km2;磷排放強(qiáng)度變化最大為貴陽(yáng)市，減少了0.62 t/km2，變化最小為黔南州，僅減少0.01 t/km2(表2)。

表2 2000—2010年貴州省非點(diǎn)源氮、磷排放強(qiáng)度變化Table 2 Variation of NPS nitrogen and phosphorus discharge intensity in Guizhou Province from 2000 to 2010 t/km2

3.2 貴州省農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源氮、磷污染空間分布特征

以貴州省9個(gè)地州市為評(píng)價(jià)單元，將輸出系數(shù)，農(nóng)村人口數(shù)量、禽畜養(yǎng)殖量、農(nóng)田面積輸入excel，根據(jù)各污染源的輸出計(jì)算方法，得到每個(gè)行政區(qū)不同時(shí)期的非點(diǎn)源氮、磷排放總量數(shù)據(jù)。將每個(gè)行政區(qū)不同時(shí)期的非點(diǎn)源氮、磷排放總量數(shù)據(jù)輸入ARCGIS軟件，通過(guò)屬性數(shù)據(jù)和空間分析的連接功能，可以得出貴州省9個(gè)地區(qū)非點(diǎn)源氮、磷污染排放總量的空間分布圖(圖2)。并根據(jù)各地州市土地總面積和氮、磷污染排放總量，得到每平方公里氮、磷排放量，從而得到貴州各州市氮、磷排放強(qiáng)度空間分布圖(圖3)。

表1 2000—2010年貴州省農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源氮、磷污染估算結(jié)果Table 1 Estimated result of agricultural NPS nitrogen and phosphorus pollution in Guizhou from 2000 to 2010 104t

圖2 貴州省農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源氮磷污染排放總量空間分布Fig.2 Spatial distribution of total agricultural NPS nitrogen and phosphorus discharge in Guizhou

圖3 貴州農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源氮磷污染排放強(qiáng)度空間分布Fig.3 Spatial distribution of the discharge intensity of agricultural NPS nitrogen and phosphorus in Guizhou

3.2.1 貴州省農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源氮、磷污染排放總量空間分布特征

從圖2中可以看出，2000—2010年畢節(jié)地區(qū)、遵義市氮、磷排放總量最大，分別為24.60～33.43萬(wàn) t和32.44 ～43.43萬(wàn) t之間。貴陽(yáng)市、六盤(pán)水市氮、磷排放總量較少，排放總量在8.95～10.68萬(wàn) t和2.04～3.0萬(wàn)t之間。其他州市氮、磷排放總量位于10～25萬(wàn)t和3～7萬(wàn)t之間。呈現(xiàn)出中東部低，西北部高的空間分布特征。

3.2.2 貴州省農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源氮、磷污染排放強(qiáng)度空間分布特征

從圖3中可以看出，貴州省非點(diǎn)源氮、磷排放強(qiáng)度空間上呈現(xiàn)出中北部大，東南部小的特點(diǎn)。10年間貴州省中北部一直是氮、磷排放強(qiáng)度最大的地區(qū)，包括貴陽(yáng)市、遵義市、畢節(jié)地區(qū)、六盤(pán)水市和安順市等。說(shuō)明這些地區(qū)在研究期經(jīng)濟(jì)保持較高增長(zhǎng)速度?；适褂昧亢托笄菘偭靠焖僭黾?，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生持續(xù)的壓力。而貴州東南部地區(qū)一直是排放強(qiáng)度較低地區(qū)，包括黔東南州和黔南州。

4 結(jié)論

(1)研究期貴州農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源氮、磷污染排放總量呈先上升后下降趨勢(shì)。TN總量從2000年的135.31萬(wàn) t上升到 2005 年的163.38萬(wàn) t，再下降到2010年的137.48萬(wàn) t。TP 總量從 2000 年的40.23萬(wàn)t上升到2005年的47.91萬(wàn)t，再下降到2010年的40.47萬(wàn)t。農(nóng)田化肥和牲畜糞便占貴州農(nóng)村非點(diǎn)源污染排放總量比重最大，是貴州非點(diǎn)源污染控制最主要的對(duì)象。

(2)貴州農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源氮、磷污染排放總量和強(qiáng)度呈現(xiàn)區(qū)域性分布，排放總量呈現(xiàn)出中東部低，西北部高的特點(diǎn)。排放強(qiáng)度空間上呈現(xiàn)出中北部大，東南部小的特點(diǎn);這一分布特征主要與化肥使用量和畜禽總量分布有關(guān)。為更好地控制非點(diǎn)源污染，應(yīng)減少化肥、農(nóng)藥的使用量，增加植被，合理地調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)，使貴州生態(tài)環(huán)境得到改善。

［1］LINE D E.Nonpoint Sources Pollution［J］.Water Environmental Resources，1998，70(4):895-911.

［2］PARRY R.Agricultural Phosphorus and Water Quality:A U.S.Environmental Protection Agency Perspective［J］.Journal of Environmental Quality，1998，27(2):258-261.

［3］USEPA.Report of Environmental Fate and Effects Revised Risk:Registration Eligibility Science Chapter for Atrazine-Environmental Fate and Effects Chapter［R］.Washington D C:US Environmental Protection Agency，2002.

［4］CSATH?P，SISáK I，ADIMSZKY L，et al.Agriculture as a Source of Phosphorus Causing Eutrophication in Central and Eastern Europe［J］.Soil Use and Management，2007，23:36-56.

［5］王 寧，郭紅巖，王曉蓉，等.大浦鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染磷負(fù)荷定量研究［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，26(6):2150-2155.(WANG Ning，GUO Hong-yan，WANG Xiao-rong，et al.Loading Quantity of Phosphorus from Agricultural Non-point Source Pollution in Dapu Town［J］.Journal of Agro-environment Science，2007，26(6):2150-2155.(in Chinese))

［6］張 靜，仲躋勝，邵立明，等.海南省瓊海市農(nóng)村生活垃圾產(chǎn)生特征及就地處理實(shí)踐［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，28(11):2422-2427.(ZHANG Jing，ZHONG Jisheng，SHAO Li-ming，et al.Characteristics of Rural Household Solid Wastes and Situ Treatment:A Case Study in Qionghai City of Hainan Province［J］.Journal of Agroenvironment Science，2009，28(11):2422-2427.(in Chinese))

［7］韓宏華，陸建飛.農(nóng)作物秸稈焚燒污染治理的政策分析［J］.生態(tài)經(jīng)濟(jì)，2009，(12):173-175.(HAN Hong-hua，LU Jian-fei.A Policy Analysis on Crop Straw Burning Pollution Control［J］.Ecological Economy，2009，(12):173-175.(in Chinese))

［8］OMEMIK J M.The Influence of Land Use on Stream Nutrient Levels.1976 USEPA Rep.600/3-77-105［R］.Corvallis，Oregon:USEPA，1976.

［9］JOHNES P J.Evaluation and Management of the Impact of Land Use Change on the Nitrogen and Phosphorus Load Delivered to Surface Waters:the Export Coefficient Modeling Approach［J］.Journal of Hydrology，1996，183(3/4):323-349.

［10］孟凡祥，趙 倩，馬 建，等.農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷及現(xiàn)狀評(píng)價(jià)——以大蘇河地區(qū)為例［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，29(增1):145-150.(MENG Fan-xiang，ZHAO Qian，MA Jian，et al.Evaluation of Agricultural Nonpoint Source Pollution Loadings in Dasu River［J］.Journal of Agro-environment Science，2010，29(Sup.1):145-150.(in Chinese))

［11］高祥照，申月兆，鄭 義，等.肥料實(shí)用手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2002:135-323.(GAO Xiang-zhao，SHEN Yue-zhao，ZHENG Yi，et al.Practical Handbook of Fertilizer［M］.Beijing:China Agriculture Press.2002:135-323.(in Chinese))

［12］趙 倩，馬 建，問(wèn)青春，等.渾河上游大蘇河鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷及現(xiàn)狀評(píng)價(jià)［J］.生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào)2010，26(2):126-131.(ZHAO Qian，MA Jian，WEN Qing-chun，et al.Load and Status Quo of Agricultural Non-point Source Pollution in Dasuhe Township on the Upper Streams of Hun River［J］.Journal of Ecology and Rural Environment，2010，26(2):126-131.(in Chinese))

［13］詹可志.貴州省農(nóng)業(yè)面源污染現(xiàn)狀分析及防治對(duì)策［J］.貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，35(增刊):123-125.(ZHAN Kezhi.Current Situation of Agricultural Pollution in Wide Area and Its Control Countermeasures in Guizhou［J］.Guizhou Agricultural Sciences，2007，35(Sup.):123-125.(in Chinese))

［14］羅文敏，張清海，林紹霞，等.貴州省農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染因子識(shí)別及其敏感性評(píng)價(jià)［J］.江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38(3):401-406.(LUO Wen-min，ZHANG Qing-hai，LIN Shao-xia，et al.Identifying the Factors of Agricultural Non-point Pollution in Guizhou Province and Its Sensitivity Evaluation［J］.Jiangsu Agricultural Sciences，2010，38(3):401-406.(in Chinese))

［15］邱 涼，羅小勇，程紅光.長(zhǎng)江流域大尺度空間非點(diǎn)源污染負(fù)荷研究［J］.人民長(zhǎng)江，2011，42(18):81-84.(QIU Liang，LUO Xiao-yong，CHENG Hong-guang.Research on Large-scaled Spatial Non-point Source Pollution Load of the Yangtze River Basin［J］.Yangtze River，2011，42(18):81-84.(in Chinese))