姜瀅 尤悅文 徐楊 嚴校靜 沈舒鑫 陳重軍
摘 要 利用清單分析的方法,對2005~2014年蘇州市農(nóng)業(yè)面源污染排放量進行了計算,分析該地區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染源強的時間變化特征。研究結(jié)果表明,2014年蘇州市農(nóng)業(yè)面源污染化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH4+-N)、總氮(TN)和總磷(TP)的排放總量分別為131 843.8 t、6 150.2 t、20 848.5 t和2 922.8 t,屬于畜禽養(yǎng)殖型和農(nóng)村生活雙重污染區(qū)。而近十年蘇州市農(nóng)業(yè)面源污染總體呈現(xiàn)逐年下降趨勢,較2005年分別降低38.40%、21.80%、17.13%和25.26%。同時,選用等標污染負荷法分析了蘇州市的農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險,按照污染物等標排放量TN>TP>COD,而按照行業(yè)等標排放量畜禽養(yǎng)殖>農(nóng)村生活>種植業(yè)>水產(chǎn)養(yǎng)殖。近十年蘇州市農(nóng)業(yè)面源污染等標污染排放量從554.1億m3降至420.6億m3,降低24.09%,污染風(fēng)險降低。隨著工業(yè)經(jīng)濟的逐年提升,蘇州市農(nóng)業(yè)面源污染排放量逐漸下降,但農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險依舊存在,TN污染風(fēng)險最高,且污染來源復(fù)雜,應(yīng)加強各行業(yè)的協(xié)同減控。
關(guān)鍵詞 蘇州市;清單分析;農(nóng)業(yè)面源污染源強;時間變化特征
中圖分類號 X506 文獻標識碼 A
農(nóng)業(yè)面源污染對水體的影響日益凸顯,已成為水環(huán)境污染的一個重要來源,成為各國水體富營養(yǎng)化的重要成因[1-3],引起國內(nèi)外研究者的關(guān)注[4-6]。農(nóng)業(yè)面源污染主要來源于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與農(nóng)村生活過程中排放的污染物,具有分散性、隨機性、隱蔽性、難以監(jiān)測和量化等特點[7],導(dǎo)致其處理難度加大。中國對農(nóng)業(yè)面源污染的控制還在起步階段,對于農(nóng)業(yè)面源污染源強的問題開展了部分研究,主要集中在研究方法和污染影響評價等方面[8-9]。常采用水環(huán)境功能區(qū)劃、清單分析、GIS、綜合調(diào)查等方法解析農(nóng)業(yè)面源污染及其動態(tài)變化[10-12],而清單分析是基于研究區(qū)域農(nóng)業(yè)各產(chǎn)業(yè)的數(shù)量和污染物排放因子計算出面源污染物排放量的方法,該方法對參數(shù)要求低,數(shù)據(jù)可靠,可在缺乏實驗條件的情況下較為準確的反應(yīng)區(qū)域農(nóng)業(yè)面源污染[13]。
現(xiàn)有研究大多專注于全國或省域的農(nóng)業(yè)面源污染,而針對某一地區(qū),特別是經(jīng)濟發(fā)展迅猛的地區(qū),在區(qū)域尺度上,研究經(jīng)濟高度發(fā)展和經(jīng)濟結(jié)構(gòu)快速調(diào)整的時期內(nèi),農(nóng)業(yè)面源污染的變化特征和發(fā)展趨勢還比較少。本文以長三角地區(qū)經(jīng)濟高度發(fā)展的重點區(qū)域蘇州市為例,采用清單分析法研究近十年來蘇州市農(nóng)業(yè)面源污染源強的變化特征,以期為我國經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整過程中農(nóng)業(yè)面源污染發(fā)展趨勢提供參考。
1 材料與方法
1.1 材料
1.1.1 研究區(qū)概況 蘇州市位于江蘇省東南部,長江三角洲中部,東臨上海,南接嘉興。2014年耕地面積約25.30萬hm2,占國土總面積的29.81%;農(nóng)村人口為288.83萬人,占總?cè)丝诘?6.05%;農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值392.49億元,占國民生產(chǎn)總值的2.85%,是長三角著名的“魚米之鄉(xiāng)”。近年來,農(nóng)業(yè)發(fā)展基本形成規(guī)?;N植、畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖等為主導(dǎo)的產(chǎn)業(yè),造成較為嚴重的農(nóng)業(yè)面源污染,給蘇州市農(nóng)村生態(tài)建設(shè)帶來了巨大挑戰(zhàn)[14]。
1.1.2 原始數(shù)據(jù)來源 (1)本文所指的蘇州市包括市區(qū)(含姑蘇區(qū)、吳中區(qū)、相城區(qū)、高新區(qū)、工業(yè)園區(qū)和吳江區(qū))及下屬的常熟市、張家港市、昆山市和太倉市。 (2)污染物主要來源于種植業(yè)(含水田、旱地或茶園、果園或林地、菜地等)、畜禽養(yǎng)殖業(yè)(含生豬、牛、羊、家禽等)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)和農(nóng)村生活等4部分,其中農(nóng)業(yè)用地面積、畜禽養(yǎng)殖量、水產(chǎn)養(yǎng)殖面積、農(nóng)村戶籍人口等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)選自2006~2015年蘇州市統(tǒng)計年鑒[14]。
1.2 方法
1.2.1 排污系數(shù)選擇 本文種植業(yè)、畜禽和水產(chǎn)行業(yè)的排污系數(shù)選自第一次全國污染源普查農(nóng)業(yè)污染源肥料流失系數(shù)手冊、畜禽養(yǎng)殖業(yè)源產(chǎn)排污系數(shù)手冊以及水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)污染源產(chǎn)排污系數(shù)手冊,而農(nóng)村生活排污系數(shù)來自“村鎮(zhèn)生活污染防治最佳可行技術(shù)指南(試行)”,具體見表1。
1.2.2 等標污染負荷的計算方法 為了確定農(nóng)業(yè)面源污染主要污染物和污染來源,將各種污染物指標建立在統(tǒng)一的基礎(chǔ)上進行比較,常采用等標污染排放量法[9]。等標污染排放量是指某種污染物負荷與地表水水質(zhì)標準中該種污染物指標的比率,表示要達到相應(yīng)的水質(zhì)標準,需要用來稀釋該污染物的水量,計算公式[17]為:
Pi=10-2Qi/Ci
式中,Pi為某種污染物i的等標污染排放量,單位為億m3;Qi為污染物i的農(nóng)業(yè)面源污染排放量,單位為t;Ci為地表水水質(zhì)標準中污染物i的指標,單位為mg/L。本文采用地表水環(huán)境質(zhì)量標準(GB3838-2002)三類水質(zhì)標準來計算農(nóng)業(yè)面源污染等標排放量,COD為20 mg/L,NH4+-N為1.0 mg/L,TN為1.0 mg/L,TP為0.2 mg/L。
某種污染物的等標排放量占所有污染物等標污染排放總量的比率就是等標負荷比,計算公式為:
Pi%=Pi/∑Pi×100%
2 結(jié)果與分析
2.1 蘇州市農(nóng)業(yè)面源污染排放量及時間變化情況
經(jīng)過清單分析,得出蘇州市農(nóng)業(yè)面源污染源強隨時間變化情況,見圖1。2014年蘇州市農(nóng)業(yè)面源污染物COD、NH4+-N、TN和TP排放量分別為131 843.8 t、6 150.2 t、20 848.5 t和2 922.8 t,平均排放強度分別為520、24.3、82.4、11.6 kg/hm2·a。其中COD的排放量最大,成為蘇州市農(nóng)業(yè)面源的最主要污染物,而TN和NH4+-N次之,TP最末。從2005~2014年,蘇州市農(nóng)業(yè)面源的排放量整體呈現(xiàn)降低趨勢,2014年較2005年,COD、NH4+-N、TN和TP分別降低了38.40%、21.80%、17.13%和25.26%。
然而,蘇州市農(nóng)業(yè)面源污染各項污染物的降低幅度和趨勢存在一定的差異,見圖1。從COD來看,2005年排放總量為214 023.1 t,而2014年減少到131 843.8 t,降低38.40%,年均降低率為4.27%。除在2010年出現(xiàn)小幅上升之外,COD排放量整體呈現(xiàn)緩慢降低趨勢,僅在2009~2010年間,出現(xiàn)了小幅的增長,增長率為9.50%。與后5年相比,在2006~2009年COD排放量降低幅度較為遲緩,平均降低率為2.37%,而2010年后降低幅度加快,平均降低率為8.40%。TP的變化趨勢與COD的變化趨勢基本一致,在十年間的總降低率為25.26%,平均年降低率為2.81%,同樣在2010年出現(xiàn)小幅增加,在此前降低趨勢較為遲緩,此后降低速度加快。然而,從NH4+-N和TN近十年的變化趨勢看,與COD和TP的變化趨勢存在不同,NH4+-N和TN在2005~2014年之間持續(xù)降低,并未出現(xiàn)較大波動,年均降低率分別為2.42%和1.90%,降低趨勢平穩(wěn)。
2.2 蘇州市農(nóng)業(yè)面源污染源行業(yè)分布變化情況
從蘇州市農(nóng)業(yè)面源污染排放量來看,總體呈現(xiàn)下降趨勢,但近十年來不同行業(yè)對蘇州市農(nóng)業(yè)面源污染各污染物的排放量貢獻率卻存在較大差異,見圖2。從行業(yè)來看,COD排放主要來源于畜禽養(yǎng)殖,占67.33%~77.60%,而水產(chǎn)養(yǎng)殖與農(nóng)村生活排放比例相當(dāng),占9.02%~13.46%,種植業(yè)排放量最低,僅占3.60%~6.10%。按照時間來看,COD排放量在水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)村生活和種植業(yè)等行業(yè)的變化并不大,雖然來源于水產(chǎn)養(yǎng)殖和農(nóng)村生活的COD排放量有所降低,但造成2005~2014年COD排放量持續(xù)降低的是畜禽養(yǎng)殖。在此,2010年COD排放量出現(xiàn)高峰,主要原因是家禽養(yǎng)殖量的增加。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看,與2009年相比,2010年蘇州市家禽養(yǎng)殖量增加了17.04%,達到3 643萬羽。而在2010年之后,畜禽養(yǎng)殖量的持續(xù)降低,其中家禽養(yǎng)殖量由3 643萬羽降至1 827萬羽,對蘇州市農(nóng)業(yè)面源COD的排放具有顯著影響,年平均降低率達到12.46%。同樣受畜禽養(yǎng)殖影響較為顯著的是TP,來自畜禽養(yǎng)殖的TP占34.20%~46.88%,而種植業(yè)和農(nóng)村生活排放比例相當(dāng),占21.10%~31.16%,水產(chǎn)業(yè)排放比例最低,僅占8.47%~10.48%。因此,按照COD和TP排放量及其變化趨勢來看,蘇州市農(nóng)業(yè)面源污染屬于畜禽養(yǎng)殖型重污染區(qū),應(yīng)嚴格控制畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物的排放。
從NH4+-N和TN來看,農(nóng)村生活是NH4+-N和TN的首要來源,分別占65.22%~68.93%和39.00%~44.09%。畜禽養(yǎng)殖是NH4+-N的第二排放源,占14.35%~19.57%,而種植業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖排放NH4+-N所占比例僅為6.34%~9.49%。在TN排放量中,種植業(yè)和畜禽業(yè)占到24.50%~32.44%和19.64%~26.16%,而水產(chǎn)養(yǎng)殖排放的TN最少,占6.70%~7.52%。按照NH4+-N和TN排放量來看,蘇州市農(nóng)業(yè)面源污染屬于農(nóng)村生活型重污染區(qū)。近十年來,蘇州市人口城鎮(zhèn)化率提高,農(nóng)村人口數(shù)量快速降低,2005~2014年,由35.70萬逐漸降至28.88萬,年均減少2.12%。農(nóng)村人口的快速降低,為NH4+-N和TN排放量的下降提供了條件。再加上畜禽養(yǎng)殖規(guī)模和養(yǎng)殖量的控制,兩者共同作用造成NH4+-N與TN持續(xù)下降。
2.3 蘇州市農(nóng)業(yè)面源污染源評價變化情況
參照Ⅲ類水標準(GB3838-2002),2014年蘇州市農(nóng)業(yè)面源污染物的等標排放總量為420.6億m3,其中TN等標排放量(208.5億m3)>TP的等標排放量(146.1億m3)>COD的等標排放量(66.0億m3),見表2,三者分別占49.57%、34.75%和15.68%。按照等標負荷結(jié)果,可以得到若不考慮水環(huán)境的自凈作用,每年需208.5億m3純凈水進行稀釋,才能保證蘇州市的地表水達到Ⅲ標準,蘇州市農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險依舊較高,且首要風(fēng)險污染物為TN。
2014年蘇州市農(nóng)業(yè)面源污染不同來源所有污染物的等標污染排放量,畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)村生活、種植業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖所占比例分別為32.17%、30.51%、27.87%和9.45%,見表2。因此,畜禽養(yǎng)殖污染物排放所帶來的等標污染排放量最大,農(nóng)村生活第二,種植業(yè)次之,而水產(chǎn)養(yǎng)殖最小。按照行業(yè)各污染物等標排放量來看,COD應(yīng)主要控制畜禽行業(yè),占67.33%;而TN應(yīng)控制農(nóng)村生活和種植業(yè),分別占40.45%和32.44%;TP應(yīng)控制畜禽養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè),分別占34.20%和31.16%。
從時間軸上來看,蘇州市農(nóng)業(yè)面源污染的等標排放量總體呈下降趨勢,從2005年554.1億m3減少到2014年的420.6億m3,下降24.09%(圖3)。從產(chǎn)業(yè)等標排放量來看,畜禽養(yǎng)殖的等標排放量比重位居首位,占比32.17%~43.31%,而農(nóng)村生活位居第二,占比27.21%~31.11%,種植業(yè)次之,占比19.51%~27.87%,而水產(chǎn)養(yǎng)殖最少,占比7.84%~9.45%。按照行業(yè)變化趨勢,近十年畜禽養(yǎng)殖與農(nóng)村生活等標污染排放量總體上逐年減少,平均年降低率分別為4.85%和2.12%,而水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)等標排放量基本維持不變,種植業(yè)略有增加,平均年增加率為5.19%。
從污染物的等標排放量變化趨勢來看,近十年蘇州市農(nóng)業(yè)面源污染COD和TP等標污染排放量均有所下降,分別從19.31%和35.29%降低至15.68%和34.75%,而TN的等標污染排放量由45.40%增加到49.57%(圖4)。由此說明,蘇州市農(nóng)業(yè)面源污染面臨著COD、TN和TP的三重污染,特別是TN污染風(fēng)險增加趨勢日益明顯,應(yīng)成為農(nóng)業(yè)面源污染物首要控制目標。
3 討論與結(jié)論
蘇州市農(nóng)業(yè)面源污染形勢嚴峻,2014年COD、NH4+-N、TN 和TP的排放總量分別為131 843.8 t、6 150.2 t、20 848.5 t和2 922.8 t,是有機物與氮磷的多方面污染,與全國農(nóng)業(yè)面源污染物排放規(guī)律一致[1]。而從污染物排放強度看,蘇州市農(nóng)業(yè)面源污染COD排放強度較高,遠高于海河流域COD的平均排放強度111.0 kg/(hm2·a)[18]。但從NH4+-N、TN和TP來看,蘇州市農(nóng)業(yè)面源污染排放強度位居中等水平,低于海河流域NH4+-N、TN、TP的平均排放強度,分別為82.8、139.7、29.8 kg/(hm2·a),以及涪江流域總氮平均負荷強度3 100 kg/(hm2·a)[19];但高于湖北省宜昌市香溪河流域的TN、TP的平均排放強度,分別為44.5、2.14 kg/(hm2·a)[20],以及松花江流域TN、TP的平均排放強度,分別為17.7~29.6、0.6~1.1 kg/(hm2·a)[21]。
但是,近十年來蘇州市農(nóng)業(yè)面源污染總體呈現(xiàn)逐年下降趨勢,2014年較2005年分別降低38.40%、21.80%、17.13%和25.26%。同時,蘇州市農(nóng)業(yè)面源污染等標排放量從554.1億m3降至420.6億m3,降低24.09%。對比之下,崔超等[20]研究了三峽地區(qū)興山縣香溪河流域農(nóng)業(yè)源氮磷排放趨勢,發(fā)現(xiàn)2007~2013年間,香溪河流域農(nóng)業(yè)面源污染總氮和總磷排放量均表現(xiàn)不斷升高趨勢,增幅分別為38.0%和85.1%。而耿潤哲等[22]研究認為北京密云流域面源污染2010年比2000年TN、TP負荷量分別增加了33.5%和7.8%,TN增加明顯,推測是降雨量的多少對TN負荷量產(chǎn)生影響,但對于TP負荷量影響較小。因此,從農(nóng)業(yè)面源污染物削減趨勢看,蘇州市近年來針對農(nóng)業(yè)面源污染控制開展的工作對污染物排放起到了有效的遏制作用。
從行業(yè)分布情況來看,蘇州市農(nóng)業(yè)面源污染屬于畜禽養(yǎng)殖型和農(nóng)村生活雙重污染區(qū)。其中,蘇州市畜禽養(yǎng)殖業(yè)引起的面源污染十分嚴重,是農(nóng)業(yè)面源污染的重要來源之一,造成COD排放總量趨高[23]。同時,由于畜禽養(yǎng)殖量的影響,造成時間上TP與COD變化趨勢基本一致[24]。農(nóng)村生活是NH4+-N和TN的首要來源,農(nóng)村人口的快速降低,為NH4+-N和TN排放量的下降提供了條件。再加上畜禽養(yǎng)殖規(guī)模和養(yǎng)殖量的控制,兩者共同作用造成NH4+-N與TN持續(xù)下降。而對于種植業(yè)來說,通過氮肥合理配施保證產(chǎn)量的前提下,適量削減氮肥施用量,提高作物對水肥的利用,可以減輕農(nóng)業(yè)面源污染壓力[25]。與其他地域一致,蘇州市水產(chǎn)業(yè)的污染并不是農(nóng)業(yè)面源污染的主要來源[26],應(yīng)作為輔助工程進行設(shè)置,可以不作為面源污染控制工作的重點。
蘇州市農(nóng)業(yè)面源污染首要風(fēng)險污染物為TN,表明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對水體的氮素污染較重[27]。而TN、TP和COD三種污染物的等標污染風(fēng)險次序與蔡金洲[13]研究的三峽庫區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險相一致,等標污染負荷比分別為57.6%、34.2%和8.2%。然而,結(jié)果與福建水口庫區(qū)流域農(nóng)業(yè)面源結(jié)果存在差別,該流域COD、TN和TP的污染負荷比分別為2.17%、22.99%和74. 85%,TP最高[28]。因此,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的差異造成各地面源污染風(fēng)險狀況存在差異。蘇州市農(nóng)業(yè)面源各行業(yè)等標污染負荷的大小順序為:畜禽養(yǎng)殖業(yè)>農(nóng)村生活>種植業(yè)>水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè),與其他地區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染存在差異,三峽庫區(qū)等標污染負荷的大小順序為:種植業(yè)>畜禽養(yǎng)殖業(yè)>農(nóng)村生活[13];而水口庫區(qū)流域農(nóng)業(yè)面源的大小順序為:農(nóng)田種植業(yè)>水產(chǎn)養(yǎng)殖>畜禽養(yǎng)殖[28],農(nóng)田種植業(yè)居首。因此,按照等標污染排放量,畜禽養(yǎng)殖為蘇州市農(nóng)業(yè)面源污染的首要污染物控制來源,應(yīng)著力控制畜禽養(yǎng)殖源的農(nóng)業(yè)污染排放,而后控制農(nóng)村生活污染的排放。
蘇州市農(nóng)業(yè)面源污染形勢嚴峻,2014年COD、NH4+-N、TN和TP的排放總量分別為131 843.8 t、6 150.2 t、20 848.5 t和2 922.8 t,屬于畜禽養(yǎng)殖型和農(nóng)村生活雙重污染區(qū)。但是,近十年來蘇州市農(nóng)業(yè)面源污染總體呈現(xiàn)逐年下降趨勢,2014年較2005年分別降低38.40%、21.80%、17.13%和25.26%。同時,蘇州市農(nóng)業(yè)面源污染等標排放量從554.1億m3降至420.6億m3,降低24.09%。隨著工業(yè)經(jīng)濟的逐年提升,蘇州市農(nóng)業(yè)面源污染排放量逐漸下降,但農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險依舊存在,TN污染風(fēng)險最高,且污染來源復(fù)雜,應(yīng)加強各行業(yè)的協(xié)同減控。
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