兴山县香溪河流域农业面源污染现状分析

2015-01-27王家，夏颖，陈琼星，范先鹏，吴茂前，张富

湖北农业科学 2014年23期

王家，夏颖，陈琼星，范先鹏，吴茂前，张富林，刘冬碧，张继铭

摘要：采用清单分析法和等标负荷法，研究了湖北省兴山县香溪河流域农业面源污染现状，为综合防控兴山县农业面源污染提供数据支撑。结果表明，流域内等标污染总负荷为1 116.7 m3/a，主要污染源是种植业和畜禽养殖业，其次是农村生活污染源，种植业源等标污染负荷为639.9 m3/a，畜禽养殖业源为425.5 m3/a，农村生活源为51.3 m3/a，等标负荷比分别为57%、38%和5%，主要污染物是TN和TP，其次是COD和NH4+-N，其等标污染负荷分别为570.92、368.00、90.68、87.10 m3/a，等标污染负荷比分别为51.1%、33.4%、8.1%和7.8%;主要污染区域为古夫镇、黄粮镇，其等标污染负荷为178.12 m3/a和207.23 m3/a，两者污染负荷比的和占区域总负荷的34.5%。综上，导致湖北省兴山县香溪河流域水质环境恶化的主要成因是种植业和畜禽养殖业;控制排放的主要污染物TN和TP;防控重点区域为黄粮镇和古夫镇。

关键词：面源污染;等标污染负荷法;兴山县

中图分类号：X524 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）23-5724-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.23.025

在国内外，水环境面源污染越来越受到广泛关注，面源污染问题的研究也随之成为更加引人注目的领域[1]。三峡工程是全国水利水电的重大项目，其对生态环境造成的影响受到国内外广泛关注，香溪河是三峡水库在湖北最大的支流，所以香溪河流域面源污染的防治不容忽视。

研究表明，造成大规模流域中氮、磷元素超标的主要原因是农业面源的污染，其贡献率大大超过了来自城市的生活废水和工业废水的点源污染[2]。随着中国人口的不断增长，全国因废弃物而被占用和损毁的农田面积已经超过1.33万hm2，3亿多农村人口面临着饮水不安全问题[3]。农村的生产生活已经受到严重影响，所以流域农业面源污染的防治是以后环境保护工作的首要任务之一。

三峡水库及其主要支流水域N、P等营养盐的含量都已经超过国际公认标准，已导致富营养化发生藻类水华[4]。为此，以香溪河流域为例，通过对各个乡镇污染现状进行调查，采用输出系数模型[5，6]和清单分析方法[7]对香溪河流域主要乡镇不同污染源的各污染物指标负荷进行估算，用等标污染负荷法[4]确定流域内主要乡镇的主要污染源类型，由此提出香溪河流域农业面源污染的针对性防治对策。

1 香溪河流域概况

香溪河是三峡水库湖北库区最大的支流，干流长94 km，流域总面积3 099 km2，其中流经兴山县内78 km，最后进入秭归县内。该水系分为东西两大源流。东源在神农架林区骡马店，叫东河（深渡河），全长64.5 km;西源在大神农架山南，叫西河（白沙河），河长54 km;东西两河在兴山县高阳镇昭君村前的响滩汇合后，经过香溪镇进入长江干流[8]。研究区域图见图1。

在兴山县香溪河流域，居住人口分布并不均匀，比如在神农架林区基本无人居住，所以主要以兴山县内人口密集的香溪河流域部分地区为主要调查范围，对古夫镇、南阳镇、高阳镇、峡口镇等8个乡镇进行了污染源的数据调查分析。兴山县户籍常住人口117 438人，总耕地面积13 070.7 hm2，其中旱地10 647.8 hm2，水田2 423.1 hm2，平均年化肥使用量11 704.11 t，其中折纯氮肥为8 329.92 t，磷肥3 374.15 t。表1是2007年统计的兴山县香溪河流域各乡镇基本概况。

2 数据调查与处理

2.1 数据调查

文中使用的数据均来自2007年全国污染源普查数据平台，选取古夫镇、高阳镇、峡口镇、南阳镇、黄粮镇、水月寺镇、高桥乡和榛子乡8个乡镇作为研究区进行数据分析，其中包括种植业源、畜禽养殖业源、农村生活源三个主要农村污染源。

2.1.1 种植业源兴山县8个乡镇总耕地面积13 070.7 hm2，其中包括旱地、水田以及园地，肥料使用量共计11 704.11 t。种植业源的调查采取分类、随机抽样的方法。在以乡镇为单位的抽样调查中，以农户作为抽样对象，对该农户的一个典型地块进行调查。调查内容包括耕地基本情况、肥料以及农药的使用等信息。

2.1.2 畜禽养殖业源兴山县共有养殖场13个，养殖小区3个，养殖专业户201户，主要饲养猪、牛和鸡。畜禽养殖业污染源的调查内容主要包括畜禽种类、存栏量、出栏量、饲养阶段、污染物的产生与排放情况，及清粪和污水处理方式（表2）。

2.1.3 农村生活源兴山县乡镇包含109个行政村，户籍人口总数为140 380人，户籍常住人口117 438 人。农村生活产生的污水和垃圾很少经过处理，直接排放到环境中，生活污水和生活垃圾的产生总量分别为77.08 t/a和2.28万 t/a，排放总量分别为19.05 t/a和1.75万t/a。农村生活源主要调查统计农村常住人口和外来人口数量，农户的用水情况、经济收入状况以及生活垃圾和生活污水处理方式。

2.2 数据处理

通过对调查对象的数据结果汇总与对应污染物产排系数[9]（表3至表5）相结合，以此按照排污系数模型[10]测算出农村生活源排放污染物的情况，然后通过等标污染负荷法，以行政单元汇总，计算出各污染物在环境中的等标污染负荷。

2.2.1 输出系数法 Johns等建立了输出系数模型，可以有效避开面源污染的发生过程，从而降低了对流域内检测数据的要求，适用于中国很多地区缺乏面源污染检测资料的情况[5]。其模型方程为

Li=■=EijAj+P0 （1）

式（1）中，Li为污染物i的负荷量，kg/a;Eij为污染物i在第j种土地利用类型中的输出系数[kg/（ca·a）]或第j种畜禽养殖的污染物i的输出系数[kg/（ca·a）]或人口因素导致的污染物i的输出系数[kg/（ca·a）];Aj为第j种土地利用类型的面积（hm2）或第j种畜禽养殖的数量（ca）或人口数量（ca）;P0为降雨输入的污染物总量，kg/a;m为流域内污染源数量。

输出系数一般通过现场监测和查阅文献获取。现场检测可以获取较高精度的参数，但是工作量大、耗时长、费用高;查阅文献是利用前人的研究成果，便于获得，但所得输出系数地域特征明显，模型系数精度有限[11]。本研究中模型均根据流域实际情况并结合第一次全国污染源普查数据管理系统软件进行计算。

2.2.2 污染负荷计算方法对一个系统中多个污染源及其排放的多种污染物进行评价，以确定主要污染源和主要污染物，在此过程中通常采用等标污染负荷作为统一比较的尺度，对各污染源和各污染物的环境影响大小进行比较。

Pi=■×10-6（2）

Ki=■×100%（3）

式（2）中，Pi为污染物i的等标污染负荷量，单位为m3/a;Qi为污染物i的排放量，单位为t/a;Coi为污染物i基于水环境功能分区的水质控制类别标准值（地表水环境质量标准GB3838-2002），单位为mg/L;式（3）中，Ki为污染物i的等标污染负荷比。

在等标污染负荷计算中水质控制类别标准值均采用地表水环境质量标准Ⅱ类功能区对应的标准限值，COD为15 mg/L，NH4+-N和TN均为0.5 mg/L，TP为0.1 mg/L。

3 结果与分析

3.1 各污染源污染分析

3.1.1 种植业源在种植业源中，TN和TP的流失总量分别为197.16 t/a和22.79 t/a，是种植业源产生的主要污染物。乡镇之间污染物流失量趋势基本相同，从小到大为高桥乡、高阳镇、南阳镇、榛子乡、水月寺镇、峡口镇、古夫镇、黄粮镇。其结果与各乡镇肥料施用量基本相似（表6）。

3.1.2 畜禽养殖业源分析在畜禽养殖业源中对环境排放的主要污染物有TN、TP和COD三种。畜禽养殖业排放的总污染物等标负荷为425.51 m3/a（表7），黄粮镇畜禽养殖业排放污染物的等标污染负荷最多，为94.57 m3/a，其中主要污染物为TN，等标污染负荷为42.16 m3/a，等标污染负荷比为44.58%。

3.1.3 农村生活源分析排放的生活污水和生活垃圾中污染物主要包括TN、TP和COD。农村生活源排放的污染物等标污染负荷为51.33 m3/a（表8）。TN、TP、NH4+-N和COD的等标污染负荷比分别为29%、19%、12%和41%。各镇之间等标污染负荷比也存在差异，从大到小为古夫镇、水月寺镇、峡口镇、黄粮镇、高阳镇、南阳镇、高桥乡、榛子乡。

3.2 兴山县香溪河流域农业面源污染现状

从表9可知，2007年香溪河流域兴山县乡镇污染物排放的TN、TP、NH4+-N和COD的总量分别为285.46、36.8、43.55、1 360.18 t/a。兴山县各污染物之间的变化从小到大依次为TP、TN、NH4+-N、COD。COD、TN、TP的最大值均出现在黄粮镇，这是因为黄粮镇常住人口和耕地面积高于其他乡镇，是南阳镇的一倍多。农业面源污染的排放量与该乡镇的耕地面积、农村常住人口和化肥使用量分布基本吻合，因为农业面源污染与这些因子的相关系数都达到了显著水平（表10）。

4种污染物最小值也出现在榛子乡，这是因为榛子乡相对于其他乡镇偏离县城中心，城镇化程度低，常住人口少，林地面积大，森林覆盖率高达88.8%，在榛子乡西面的麻林河流域也是香溪河的发源地之一，水资源丰富。

3.3 农业面源污染综合评价分析

3.3.1 主要污染物分析由表11可以得出，兴山县香溪河流域农业面源污染等标污染总负荷为1116.7 m3/a，其中TN为570.92 m3/a，TP为368 m3/a，COD为90.678 7 m3/a，NH4+-N为87.1 m3/a;污染负荷比分别为51.1%、33.0%、8.1%、7.8%;TN污染负荷比分别是COD污染负荷比和NH4+-N污染负荷比的6.3倍和6.5倍;TP污染负荷比分别是COD污染负荷比和NH4+-N污染负荷比的4倍和4.2倍。各污染物排放规律基本一致，TP和TN的等标污染负荷相对于其他两类污染物较大，尤其在黄粮镇TN是最主要排放污染物，所以TP和TN是该区域的主要污染物。主要污染区域为水月寺镇、峡口镇、古夫镇、黄粮镇，占区域总污染负荷的64.18%，其中黄粮镇和古夫镇最高，两者之和占总污染负荷的34.5%。因此，黄粮镇和古夫镇是主要的两个污染物排放区域。

3.3.2 主要污染源分析由表12可知，兴山县境内香溪河流域主要地区农业面源污染源中植业源等标污染负荷为639.9 m3/a，畜禽养殖业为425.5 m3/a，农村生活为51.3 m3/a，其等标负荷比分别为57%、38%和5%。由此得出种植业为兴山县主要污染源，其次是畜禽养殖业。

在4类污染物中，TP和TN的等标污染负荷是570.9 m3/a和368.0 m3/a，等标负荷比分别为51%和33%，由此可以看出，TP和TN是造成香溪河流域面源污染的主要污染物。

结果表明，湖北省香溪河流域农业面源污染主要污染源为种植业和畜禽养殖业，农村生活也不容忽视，主要污染物为TN和TP，说明香溪河流域农业面源污染属于生产与生活复合型污染。而通过表5可以直观地看出主要污染源对各污染指标贡献的比例。从香溪河上游至下游，各乡镇对TN、TP的贡献逐渐增多，农业人口、畜禽养殖的贡献逐渐增加，这是因为从香溪河上游到汇入长江耕地面积逐渐增多，人口、畜禽养殖数量也逐渐增加。种植业和畜禽养殖业是主要污染源，原因为兴山县地貌区划属秦岭大巴山体系，山脉走向从东向西，由南向北逐渐升高，所以农业产业结构主要以种植和畜禽养殖为主，各乡镇农村缺少集约化生活垃圾以及生活污水处理设施，农村生活对污染贡献比例只占有一小部分。农业面源的主要污染物是TN和TP，林秀春等[12]对萩芦溪流域的研究结果相近，可见农业面源污染中N和P是主要污染物，控制N和P排放量是防治香溪河流域农业面源污染的有效手段。

湖北省兴山县07年N肥的平均施用量为615.9 kg/hm2，远远高出全国平均施用量（158 kg/hm2）[13]，从施肥体系上可以看出[14]，合理使用化肥和农药是香溪河流域农业面源污染的主要防治重点。在对各污染源及其排放的污染物的等标污染负荷进行分析时，发现各污染源的主要污染物均为TN和TP，其中种植业中TN和TP的等标污染负荷比最大，说明TN和TP主要来源于种植业;种植业无COD排放，COD主要来源于畜禽养殖业;农村生活污染源对流域内的贡献最小。

4 小结与讨论

2007年香溪河流域主要乡镇的农业面源污染TN、TP和COD的排放量分别为285、36.8、1360.18 t/a;主要污染物是TN和TP，其等标负荷分别为570.92、368 m3/a，污染负荷比分别为51.1%和33.0%。

香溪河流域的主要污染源为种植业、畜禽养殖业、农村生活污染，各污染源等标污染负荷比分别为57%、38%和5%，种植业对香溪河流域农业面源污染贡献最大，应该是重点治理对象。4个乡镇的等标污染负荷比有所不同，趋势基本相同，从小到大为高阳镇、榛子乡、南阳镇、高阳镇、水月寺镇、峡口镇、古夫镇、黄粮镇。

N、P污染主要来源于种植业。畜禽养殖业排放的主要污染物是COD;重点防控区域为古夫镇和黄粮镇。在种植业中，主要使用N肥、P肥来促进农作物生长，所以COD污染物的排放量极少，几乎无排放，所以植物业源对COD污染物负荷的贡献率是很少的。在农村生活源中，污染物的排量也只占很少一部分，农村地区的经济尚未跟上，大部分地区尚无下水管道，所以大部分污染物都是以地表处理或者直接以田间利用的方式处理。

针对种植业和畜禽业污染，目前发达国家对农田种植业和畜禽养殖业面源污染的主要控制技术有农田综合农业管理模式、等高线条带种植、农业水土保持技术措施[15]、清洁养殖技术等，在兴山县可以借鉴的国内的有效实施的方法有以下3种。

1）农田生态培肥技术。增施有机肥、生物肥，实行用地养地结合，提高土壤肥力水平。有机肥以各种农家肥（如高温堆肥、秸秆、饼肥）和商品有机肥、复混肥为主，生物肥以各种微生物肥（如磷细菌肥、复合微生物肥）、腐植酸类肥为主[16]。

2）化学农药污染控制技术。大力推广机械物理防治法。利用人工器械进行捕杀，利用昆虫的趋光性使用黑光灯、高压汞灯进行灭杀[17]，利用昆虫对某些特定植物的趋性进行植物诱杀，利用昆虫性外激素诱杀。

3）清洁养殖技术。推行清洁养殖是治理养殖业污染的重要关键。以沼气为纽带的畜禽粪便综合利用是我国大中型畜禽场粪便的主要途径，同时要减少畜禽栏舍冲洗水量，分别处理畜禽场的固、液粪污。

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