長臨河鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)面源污染解析與評價

燕 婷,李玉成,史 楊,胡宜敏

(1.安徽大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,合肥 230601; 2.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院智能機(jī)械研究所,合肥 230031; 3.中科合肥智慧農(nóng)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新研究院,合肥 231131)

近年來,隨著點(diǎn)源污染得到有效控制,農(nóng)業(yè)面源已逐漸成為地表水污染的首要污染源[1]。根據(jù)《第二次全國污染源普查公報》,2017年全國農(nóng)業(yè)源COD(化學(xué)需氧量)、TN(總氮)、TP(總磷)排放量分別為1 067.13萬、141.49萬和21.20萬噸,分別占各類污染源排放總量的49.8%、46.5%和67.2%[2]。對小流域面源污染進(jìn)行解析,厘清其首要污染源和首要污染物是農(nóng)業(yè)面源污染防控的基礎(chǔ)。

農(nóng)業(yè)面源污染的排放具有隨機(jī)性、分散性和不確定性,所以對農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷的估算具有一定難度[3]。目前,進(jìn)行污染負(fù)荷估算的方法主要有排污系數(shù)法[4]、輸出系數(shù)法[5]、模型法[6]等。其中,排污系數(shù)法相較于其他方法更簡單,參數(shù)要求較少,應(yīng)用性強(qiáng),在監(jiān)測數(shù)據(jù)較少的情況下此方法更為適用。進(jìn)行污染評價的方法主要有等標(biāo)污染負(fù)荷法[7]、清單法[8]等,其中以等標(biāo)污染負(fù)荷法應(yīng)用更為普遍。例如,賈陳忠等[9]利用等標(biāo)污染負(fù)荷法分析山西省11個行政區(qū)2016年農(nóng)業(yè)面源污染特征,胡蕓蕓等[10]利用排污系數(shù)法和等標(biāo)污染負(fù)荷法估算沱江流域COD、TN和TP的排放量,唐肖陽等[11]利用輸出系數(shù)法對漢江流域的13個地市TN和TP的污染負(fù)荷量進(jìn)行了估算。

有研究表明,巢湖入湖污染物氮、磷的主要來源為面源污染[12-13]。本研究區(qū)的長臨河鎮(zhèn)中的玉帶河、長臨河和黑石河屬于直接入巢湖小支流。因此,對這3個小流域進(jìn)行農(nóng)業(yè)面源污染解析,可減少污染物對巢湖的不利影響。本文采用排污系數(shù)法對3個小流域種植業(yè)、畜禽養(yǎng)殖業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)和農(nóng)村生活排放的COD、TN和TP進(jìn)行了估算,并采用等標(biāo)污染負(fù)荷法對污染特征進(jìn)行了評價,結(jié)合水質(zhì)分析結(jié)果,確定長臨河鎮(zhèn)的污染物和污染源,為巢湖流域農(nóng)業(yè)面源污染防控提供基礎(chǔ)依據(jù),也為其他流域水污染防治提供參考。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

長臨河鎮(zhèn)位于合肥市肥東縣最南端,瀕臨巢湖,被稱為“環(huán)湖首鎮(zhèn)”。境內(nèi)巢湖岸線長19.8 km,所有河流向心匯入巢湖。長臨河鎮(zhèn)西部為十八聯(lián)圩濕地,因施口和團(tuán)結(jié)社區(qū)整體搬遷,本研究區(qū)不包括其在內(nèi),根據(jù)自然環(huán)境特征及水系情況,將長臨河鎮(zhèn)其他地區(qū)劃分成玉帶河、長臨河和黑石河流域,所有匯水通過這3個流域流入巢湖半島西岸。2021年長臨河鎮(zhèn)行政區(qū)域面積156.68 km2,總耕地面積2 582.59 hm2,常住人口約5.8萬人,轄11個社區(qū)。玉帶河流域包括白馬、六家畈和虹光社區(qū);長臨河流域包括長臨、羅洪、羅店和東光社區(qū);黑石河流域包括茶山和四頂社區(qū)。目前長臨河鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要以種植業(yè)為主,水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)和畜禽養(yǎng)殖業(yè)為輔,環(huán)巢湖1 km為禁養(yǎng)區(qū)。圖1為研究區(qū)位置圖。

圖1 研究區(qū)示意圖

1.2 方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來自肥東縣長臨河鎮(zhèn)相關(guān)職能部門所提供的資料和現(xiàn)場調(diào)研,現(xiàn)場調(diào)研主要是根據(jù)研究區(qū)域現(xiàn)狀,設(shè)計農(nóng)業(yè)面源污染調(diào)查表,于2021年11月23日至25日隨機(jī)對9個社區(qū)內(nèi)的農(nóng)戶發(fā)放問卷調(diào)查表,對作物施肥、種植作物種類和畜禽養(yǎng)殖等情況進(jìn)行問卷調(diào)查,共計發(fā)放問卷150份,其中有效問卷100份。在研究區(qū)河道、農(nóng)田、魚塘、大棚等重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)共布設(shè)38個監(jiān)測點(diǎn)位,監(jiān)測點(diǎn)位見圖1。結(jié)合實地調(diào)查情況和統(tǒng)計資料,綜合評價各污染源對農(nóng)業(yè)面源污染的影響。

1.2.2 污染排放估算

采用排污系數(shù)法估算長臨河鎮(zhèn)3個小流域種植業(yè)(化肥)、畜禽養(yǎng)殖業(yè)、農(nóng)村生活和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)4個污染源中COD、TN和TP排放情況。方法參考文獻(xiàn)[14]。

種植業(yè)污染物排放量=化肥施用量(折純)×肥料流失系數(shù)+本底流失量

(1)

肥料流失系數(shù)和本底流失量參考文獻(xiàn)[15],不考慮化肥COD排放情況。

畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放量=畜禽的年末存欄數(shù)/出欄數(shù)×污染物的糞便排污系數(shù)×糞便中污染物的平均含量×入河系數(shù)

(2)

糞便排污系數(shù)和糞便中污染物平均含量由原國家環(huán)?？偩滞扑][16]。

水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)污染物排放量=不同品種水產(chǎn)養(yǎng)殖量×不同品種水產(chǎn)污染物排污系數(shù)

(3)

水產(chǎn)排污系數(shù)參考文獻(xiàn)[17]。

農(nóng)村生活污水污染物排放量=農(nóng)村常住人口數(shù)×污染物產(chǎn)生強(qiáng)度×365(天)×(1-對生活污水進(jìn)行處理的行政村比例×污染物綜合去除率)

(4)

其中,污染物產(chǎn)生強(qiáng)度及污染物綜合去除率參考文獻(xiàn)[18],對生活污水進(jìn)行處理的行政村比例取90%。

1.2.3 污染負(fù)荷評價

對污染評價,一般采用等標(biāo)污染負(fù)荷法,其可以評價污染物對環(huán)境潛在污染能力的大小,把各種污染物轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一可比的量。其中,等標(biāo)污染負(fù)荷量指影響環(huán)境的污染物排放總量,單位時間排放的含某污染物的廢水等標(biāo)體積稱為該污染物的等標(biāo)污染負(fù)荷[19]。計算公式如下:

(5)

(6)

(7)

式中,Pi為污染物i的等標(biāo)污染負(fù)荷量,m3/a;Qi為污染物i的排放量,t/a;coi為污染物i的閾濃度,mg/L;Ki為污染物i的等標(biāo)污染負(fù)荷比;An為社區(qū)n的等標(biāo)污染排放系數(shù);Pn為社區(qū)n的污染物等標(biāo)污染負(fù)荷量之和;Sn為各社區(qū)n的耕地面積,hm2。

COD、TN和TP均采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中的Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)(COD≤40 mg/L,總氮≤2.0 mg/L,總磷≤0.4 mg/L)。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)業(yè)面源污染物排放量

2.1.1 農(nóng)村生活源

由于長臨河鎮(zhèn)各社區(qū)生活垃圾由政府統(tǒng)一處理,在進(jìn)行生活污染源排污量計算時只考慮常住人口帶來的污染。4種農(nóng)業(yè)面源污染來源中,農(nóng)村生活源排放COD最多,為190.22 t,占COD排放總量的64.48%。與時曉瑞等[20]在研究淮河流域時的結(jié)論相同,COD主要來源于農(nóng)村生活源。農(nóng)村生活源TN和TP排放量分別為19.63 t和1.93 t,分別占TN和TP排放總量的34.80%和30.13%。

2.1.2 畜禽養(yǎng)殖業(yè)源

表1為長臨河鎮(zhèn)各社區(qū)常住人口及養(yǎng)殖業(yè)情況。長臨河鎮(zhèn)全域為限養(yǎng)區(qū),其中環(huán)巢湖一級保護(hù)區(qū)禁養(yǎng),大型養(yǎng)殖場已全部清理,畜禽養(yǎng)殖主要以農(nóng)戶散養(yǎng)為主。小規(guī)模畜禽養(yǎng)殖或者散養(yǎng)大多沒有畜禽糞污綜合利用措施或者糞污綜合利用率不高,糞污隨地表徑流進(jìn)入河道造成污染。畜禽養(yǎng)殖業(yè)COD、TN和TP排放量分別為67.94、2.46和1.27 t,污染物主要以COD為主,占COD排放總量的23.03%,TN和TP排放量都相對較少,而武升等[21]對巢湖流域眾興水庫的研究表明畜禽養(yǎng)殖業(yè)源排放COD最多。說明長臨河鎮(zhèn)的限養(yǎng)措施取得了明顯成效。

表1 長臨河鎮(zhèn)各社區(qū)常住人口及養(yǎng)殖業(yè)情況

2.1.3 水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)源

長臨河鎮(zhèn)主要水產(chǎn)養(yǎng)殖品種為魚類,水產(chǎn)品年產(chǎn)量較多,部分魚塘投餌,養(yǎng)魚剩余的魚餌大部分沉積腐爛在水底,在水內(nèi)底泥中蓄積,直接造成氮、磷污染。水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)源COD、TN和TP排放量分別為36.83、2.47和0.46 t,其COD、TN和TP排放量在4種農(nóng)業(yè)面源污染來源種中所占比例都相對較小,說明水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)不是長臨鎮(zhèn)鎮(zhèn)主要污染源,這與張曉麗等[22]研究結(jié)果一致。

2.1.4 種植業(yè)源

表2為主要農(nóng)作物播種面積。長臨河鎮(zhèn)主要種植水稻、小麥、油菜、玉米、蔬菜等。種植業(yè)排放TN和TP最多,分別占TN和TP排放總量的56.45%和42.92%。由調(diào)查可知,長臨河鎮(zhèn)大棚蔬菜種植面積較大,為追求高產(chǎn),化肥投加量較大,有機(jī)肥投放比例較少,施肥結(jié)構(gòu)不合理。2021年長臨河鎮(zhèn)3個流域年施用化肥總量為948.86 t,化肥施用強(qiáng)度為625.40 kg/hm2(2015年合肥市平均施用化肥水平為593 kg/hm2[23]),是發(fā)達(dá)國家規(guī)定的化肥施用安全水平(225 kg/hm2[24])的2.80倍。大量的化肥施用造成土壤板結(jié),化肥中的氮、磷隨著地表徑流進(jìn)入附近水體,使水體富營養(yǎng)化加重[24-25]。

2.2 農(nóng)業(yè)面源污染特征

根據(jù)各污染數(shù)據(jù)的統(tǒng)計計算,長臨河鎮(zhèn)各類污染源污染物綜合排放量見表3。2021年COD、TN和TP總排放量分別為294.99、56.41 和6.41 t。3種污染物中COD的排放量最多,占污染物排放總量的82.44%,TN其次,TP最少。TN的排放量為TP排放量的8.80倍,TN/TP比在5～10,符合以往的研究結(jié)果[26]。

表3 長臨河鎮(zhèn)各農(nóng)業(yè)面源污染綜合排放量

2.3 長臨河鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)面源污染特征評價

采用等標(biāo)污染負(fù)荷法對長臨河鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)面源污染情況進(jìn)行評價。由表4可知,長臨河鎮(zhèn)3個小流域2021年農(nóng)業(yè)面源污染等標(biāo)污染負(fù)荷總量為51.61 m3/a,其中TN等標(biāo)污染負(fù)荷量占等標(biāo)污染負(fù)荷總量的54.65%,TP其次,占31.06%,COD占比最小,為14.29%。各社區(qū)TN等標(biāo)排放量均高于COD和TP,可見TN是長臨河鎮(zhèn)的首要污染物。

表4 長臨河鎮(zhèn)各污染源污染物等標(biāo)負(fù)荷量及等標(biāo)排放比

各污染源中,種植業(yè)源的等標(biāo)污染負(fù)荷量最大,占等標(biāo)污染負(fù)荷總量的44.18%,TN和TP的排放量也主要來源于種植業(yè)源。農(nóng)村生活源的等標(biāo)污染負(fù)荷僅次于種植業(yè)源,占等標(biāo)污染負(fù)荷總量的37.59%,畜禽養(yǎng)殖業(yè)源和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)源等標(biāo)污染負(fù)荷量相對較少,分別占等標(biāo)污染負(fù)荷總量的11.84%和6.39%,說明長臨河鎮(zhèn)首要污染源是種植業(yè),其次是農(nóng)村生活源。

由圖2可知,各流域中玉帶河流域、長臨河流域和黑石河流域的等標(biāo)污染負(fù)荷量分別為9.91、32.38和9.32 m3/a,即長臨河流域等標(biāo)污染負(fù)荷量最大,玉帶河流域和黑石河流域等標(biāo)污染負(fù)荷量相差不大,各占等標(biāo)污染負(fù)荷總量的19.20%和18.06%;各社區(qū)中,羅店、羅洪、東光和長臨社區(qū)等標(biāo)污染負(fù)荷量較大,均高于7 m3/a,這4個社區(qū)的等標(biāo)污染負(fù)荷比之和為62.75%,為重點(diǎn)控制社區(qū)。表5為2022年5月長臨河鎮(zhèn)農(nóng)田、大棚、魚塘等重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)點(diǎn)位水質(zhì)情況,監(jiān)測點(diǎn)位見圖1。位于長臨河流域的羅店、羅洪、東光和長臨社區(qū)監(jiān)測點(diǎn)位水質(zhì)都處于Ⅴ類或劣Ⅴ類,水質(zhì)情況不容樂觀,這與農(nóng)業(yè)面源污染調(diào)查評價的結(jié)果一致。

表5 長臨河鎮(zhèn)各監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)情況

(a) (b) (c)

2.4 長臨河鎮(zhèn)水質(zhì)時空變化特征

為了解農(nóng)業(yè)面源污染物對水質(zhì)的污染情況,在長臨河鎮(zhèn)3個小流域共布設(shè)38個監(jiān)測點(diǎn)位,于2022年每月下旬采集水樣并分析COD、TN和TP 3種水質(zhì)指標(biāo)。圖2為根據(jù)4月、5月和6月水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)利用普通克里金插值法繪制的玉帶河、長臨河和黑石河水質(zhì)空間分布圖。

由圖3可知,4月3條河流除個別斷面外水質(zhì)基本為Ⅲ類和Ⅳ類水,5月、6月水質(zhì)大部分為Ⅳ類、Ⅴ類和劣Ⅴ類水。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002),5月和6月各監(jiān)測點(diǎn)TN濃度都在0.37～16.7 mg/L,5月份有60%的監(jiān)測點(diǎn)位TN濃度達(dá)到Ⅳ～劣Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn),6月監(jiān)測點(diǎn)位水質(zhì)情況比5月更差,TN濃度達(dá)到Ⅳ～劣Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)的點(diǎn)占84%。這可能是這幾個月雨水較多且為施肥及追肥的高發(fā)期,肥料投入較多,相應(yīng)的氮素流失較多,這與劉邵偉[27]的研究結(jié)果相似。5月和6月COD和TP的濃度除個別監(jiān)測點(diǎn)外都為Ⅰ～Ⅱ類水質(zhì),表明TN為長臨河鎮(zhèn)的首要污染物,這也與農(nóng)業(yè)面源污染調(diào)查評價的結(jié)果一致。

(a) 4月水質(zhì)情況;(b) 5月水質(zhì)情況;(c) 6月水質(zhì)情況。

3 討論

3.1 首要污染源與首要污染物

劉德勤等[28]研究界首泉河小流域得出農(nóng)村生活源和養(yǎng)殖業(yè)源為主要污染源,山東省南四湖流域的主要污染源為畜禽養(yǎng)殖源[29]。本研究中,種植業(yè)為長臨河鎮(zhèn)首要污染源,TN和TP的排放也主要來自種植業(yè),其次是農(nóng)村生活源。據(jù)調(diào)查,長臨河鎮(zhèn)設(shè)施農(nóng)業(yè)比較發(fā)達(dá),大棚蔬菜種植面積較大,而蔬菜比一般作物施肥量要大,農(nóng)民為了追求高產(chǎn),盲目施加化肥,導(dǎo)致氮、磷排放量較大,且生活污水管網(wǎng)集中處理率不高,有些地區(qū)生活污水直排入河道,導(dǎo)致COD排放量較大。長臨河鎮(zhèn)的首要污染物為TN,這與蔡金洲等[4]對湖北省三峽庫區(qū)的研究結(jié)果相似,說明控制N和P污染是治理農(nóng)業(yè)面源污染的有效手段。

3.2 面源污染防控建議

為有效降低面源污染,長臨河鎮(zhèn)應(yīng)改變施肥觀念,采用水肥一體化和高效施肥技術(shù)[30],推進(jìn)化肥減施增效,鼓勵秸稈還田或農(nóng)業(yè)廢棄物堆肥,大力發(fā)展綠色、循環(huán)農(nóng)業(yè)[31-32];提升農(nóng)民的環(huán)保意識,杜絕農(nóng)村生活污水不合理排放,提高污水治理水平,實現(xiàn)廁所糞污的資源化利用,建設(shè)生態(tài)溝渠、構(gòu)建植物籬等有效攔截和消納農(nóng)田退水和農(nóng)村生活污水中各類有機(jī)污染物。

4 結(jié)論

(1) 2021年長臨河鎮(zhèn)3個流域農(nóng)業(yè)面源污染COD、TN、TP的排放量分別為294.99、56.41和6.41 t,TN和TP主要污染源為種植業(yè)源,COD主要污染源為農(nóng)村生活源。(2)種植業(yè)的等標(biāo)污染負(fù)荷量最大,占等標(biāo)污染負(fù)荷總量的44.18%,為長臨河鎮(zhèn)首要污染源,也是農(nóng)業(yè)面源污染防控的重點(diǎn)。TN為長臨河鎮(zhèn)首要污染物,占污染物等標(biāo)污染負(fù)荷總量的54.65%。長臨河流域中的羅店、羅洪、東光和長臨社區(qū)為農(nóng)業(yè)面源污染重點(diǎn)防控區(qū)。