太湖流域跨界区农业面源污染特征

彭兆弟，李胜生，刘　庄，杨汉培，李维新，庄　巍，李文静，杭小帅①

(1.环境保护部南京环境科学研究所，江苏 南京　210042；2.河海大学环境学院,江苏 南京　210098；3.安徽省地质实验研究所，安徽 合肥　230001)



太湖流域跨界区农业面源污染特征

彭兆弟1,2，李胜生3，刘庄1，杨汉培2，李维新1，庄巍1，李文静1，杭小帅1①

(1.环境保护部南京环境科学研究所，江苏 南京210042；2.河海大学环境学院,江苏 南京210098；3.安徽省地质实验研究所，安徽 合肥230001)

摘要：采用输出系数法，从农村生活污水、农田径流和畜禽养殖3个来源估算太湖流域跨界区农业面源COD、TN和TP污染负荷，并分析其时空变化特征;采用极值标准化法和均方差赋权法，进一步对区域内各地区污染负荷的入水强度进行评价。结果表明，太湖流域跨界区2010—2013年COD、TN和TP入水负荷总体呈下降趋势，4 a间高COD负荷区分布在湖州市和嘉兴市，高TN和TP负荷区分布在苏州市、湖州市和嘉兴市，畜禽养殖是3种污染负荷的主要来源，均占3种污染物总负荷量的80%以上。各地区污染负荷的入水强度评价结果显示，2010—2013年跨界区农业面源污染负荷单位GDP综合评价值分别为0.217 6、0.240 2、0.236 4和0.222 2，无明显变化规律；流域农业面源污染负荷单位面积综合评价值分别为0.407 8、0.289 9、0.289 2和0.281 6，呈下降趋势。

关键词：太湖流域跨界区；农业面源；污染负荷；入水强度

随着社会、经济的快速发展,太湖流域水环境污染及衍生的问题突出[1-2]。太湖流域的主要污染源有工业点源污染、农业面源污染、城镇生活污水排放等[3]。近年来,随着太湖流域工业废水和城市生活污水点源污染整治力度的加强,农业面源污染对流域水环境的贡献日趋增强,已引起社会各界的广泛关注[4]。

太湖流域跨界区指太湖流域内跨省市交界的区域,一般指交界区域的区县辖区,主要涉及苏浙、苏沪、浙沪3个省(市)级跨界区域。该流域是我国社会经济最活跃的区域,农业集约化程度较高。与其他区域相比,流域跨界区因涉及行政区域较多,水系复杂,因此,太湖流域跨界区农业面源具有影响大、污染来源难以界定等特点。当前,关于整个太湖流域农业面源污染的研究较多[5-6],但对太湖流域跨界区域农业面源方面的研究鲜有报道。

为研究太湖流域跨界区农业面源污染负荷及其强度特征,以农村人口所产生的生活污水和生活垃圾、农田径流、畜禽养殖3个主要污染源为切入点,采用输出系数模型[7]对太湖流域跨界区农业面源污染负荷进行核算,并进行空间、时间特征分析,在此基础上对农业面源污染入水强度进行评价,以期为太湖流域面源污染防治及管理提供科学依据。

1研究区概况与研究方法

1.1太湖流域跨界区概况

太湖流域跨界区具体行政区划及人口、农业统计数据参见表1～2。

表12010—2013年太湖流域跨界区农业污染源统计概况

Table 1Statistics of the transboundary agricultural pollution sources in the Taihu valley from 2010 to 2013

市区县农村常住人口/万人种植面积/103hm22010年2011年2012年2013年2010年2011年2012年2013年苏州市吴江市52.947.147.246.137.637.536.938.9昆山市39.152.636.636.018.918.718.525.2太仓市25.725.725.527.049.550.150.050.0湖州市德清县30.330.430.429.220.319.019.519.6南浔区37.036.936.736.146.645.645.144.8吴兴区28.027.727.126.635.434.635.034.8嘉兴市桐乡市51.652.553.656.555.656.357.557.3嘉善县32.433.934.634.949.249.148.848.3平湖市33.734.334.634.545.553.653.353.7南湖区22.822.420.720.240.538.737.638.6秀洲区34.536.838.839.447.648.248.448.0上海市松江区10.410.09.810.416.416.917.016.7金山区32.232.232.030.932.429.732.946.7青浦区34.233.133.332.335.938.239.738.6嘉定区17.929.829.927.98.98.88.78.4

表22010—2013年太湖流域跨界区畜禽养殖污染源统计概况

Table 2Statistics of the transboundary livestock pollution sources in the Taihu valley from 2010 to 2013

万头

“—”表示无数据。

跨界区域总面积8 280 km2,主要指苏浙、苏沪、浙沪3个省(市)级跨界区域,约为整个太湖流域面积的1/5。2013年流域跨界区总人口数为1 069万,约占全流域的20%。2013年跨界区GDP为1.4万亿元,约占全流域的25%。太湖流域跨界区农村人口、种植面积、畜禽养殖情况及各区域编号见表1。数据来源于苏州市、湖州市、嘉兴市、上海市及其下辖区县统计年鉴(2010—2013年)。

1.2污染负荷估算

1.2.1排放污染负荷估算方法

针对水体污染排放负荷的计算,目前已有较多方法可供参考,其中输出系数模型法简单易行,可信度较高。该法是20世纪70年代初美国、加拿大学者在研究土地利用营养负荷与湖泊富营养化关系的过程中提出的,亦称单位面积负荷法[8]。经过不断的拓展和完善,现在的输出系数法模型在考虑土地利用分类的基础上,增加了对居民、牲畜、禽类等输出系数的考虑(依据数量、分布判定)[9],从而建立了更为完善的输出系数模型[10]。模型的表达式为

(1)

式(1)中,i为污染物类型;j为流域中营养源的种类,共n种;Li为某种污染物i在流域的总排放负荷量,t·a-1;Ei,j为某种污染物i在流域第j种营养源的输出系数,无量纲;Aj为耕地面积、人口数量或畜禽数量,hm2、万人或万头;P为由降雨输入的营养物数量,该研究中未考虑此项影响[11]。

从农田径流、农村人口和畜禽养殖3大来源对污染负荷进行分析研究。农田径流产污系数的选取是根据近年来国内外关于输出系数的相关研究结果[12-16],具体系数见表3。

表32010—2013年太湖流域农业面源污染负荷输出系数

Table 3Discharge coefficient of the non-point source agricultural pollution load in the Taihu valley from 2010 to 2013

污染物猪/(kg·头-1·a-1)牛/(kg·头-1·a-1)羊/(kg·头-1·a-1)家禽/(kg·头-1·a-1)农村生活污水/(g·人-1·d-1)农田径流/(kg·hm-2·a-1)TN4.5161.002.280.281.5618.32TP1.7010.070.450.120.162.56COD502501500.836435

农村人口产生的面源污染的主要来源是生活污水的排放,根据原国家环境保护总局推荐的排污系数和人口输出系数,计算出农业人口的输出系数[17]。畜禽养殖分为猪、牛、羊和家禽4大类,参考GB 18596—2001《畜禽养殖业污染排放标准》和文献[14],得出畜禽养殖的输出系数。

1.2.2入水污染负荷估算方法

污染物入水负荷的估算是在排放负荷的基础上,根据入水负荷公式计算得出,入水率也称入水系数、入河系数[18],是描述入水过程的重要参数,该研究所讨论的入水率是指累积在流域坡面的污染物为降雨冲刷形成的污染负荷随流域汇流过程进入主河道的比率。农田径流的入水率为0.1[19],农村生活污水的入水率为0.05[19],畜禽养殖COD、TN和TP的入水率分别为0.113 2、0.212 8和0.154 0[11]。

入水负荷计算公式为

(2)

式(2)中,Ri为某种污染物i的入水负荷,t·a-1;Li,j为某种污染物i第j种营养源的排放负荷,t·a-1;λi,j为某种污染物i第j种营养源入水率,无量纲。

1.3入水污染强度评价方法

入水强度指入水的排放强度,即某个参数一个单位的污染物入水量。入水强度的评价方法主要从2个方面进行评价:单位GDP的入水强度和单位面积的入水强度。

1.3.1单位GDP入水污染强度评价方法

单位GDP入水污染强度反映了新创造的单位经济价值的环境负荷,也间接反映了当地经济生产技术水平的高低和污染治理能力的大小[20]。由于数据分属COD、TN、TP这3种污染物,首先用极值标准化法将计算的强度数据进行标准化,消除量纲。其次,采用均方差赋权法确定各指标权重[21],如表4所示。

表42010—2013年太湖流域跨界区入水污染强度权重

Table 4Weights of transboundary pollution intensity in the Taihu valley from 2010 to 2013

入水污染强度类型年份CODTNTP总计单位GDP20100.3170.3420.341120110.3310.3360.333120120.3520.3250.323120130.3280.3350.3371单位面积20100.3480.3230.329120110.3650.3150.320120120.2870.4520.261120130.3540.3200.3261

最后,将标准化后的值与各指标的权重分别对应相乘,再相加,就得到太湖流域跨界区3种污染物入水强度的评价值。评价值越小,表示污染物入水强度越小,单位 GDP 的环境负荷越小,环境效率越高;反之,评价值越高,表示污染物入水强度越大,单位 GDP 的环境负荷越大,环境效率越低。

1.3.2单位面积入水污染强度评价方法

单位面积入水污染强度反映了当地土地利用的合理程度和土地利用强度。单位面积入水强度评价参照单位GDP入水强度评价方法。

2结果与分析

2.1入水污染负荷核算

2010—2013年太湖跨界农业人口和各个区(县)畜禽存栏数见表1～2。根据1.2.2节中所述计算方法,可计算太湖流域跨界区由3种污染源产生的COD、TN和TP入水负荷，如表5所示。

2010—2013年,COD入水负荷中,3大来源贡献率从大到小依次为畜禽养殖、农村生活污水和农田径流,TN和TP入水负荷中贡献率从大到小依次为畜禽养殖、农田径流和农村生活污水。张利民等[22]对太湖流域望虞河西岸地区的面源污染进行研究,结果表明畜禽养殖业排放的氨氮和总磷分别占农业面源污染总量的42.7%和48.3%。钱秀红等[23]对杭嘉湖河网平原农业面源污染进行调查,除长兴县以地表径流污染居第1位、杭州市以生活污染居第1位外,其余9个市县(余杭市、嘉兴市、嘉善县、海盐县、海宁市、平湖市、桐乡市、湖州市及德清县)均以畜禽养殖污染居第1位。

表52010—2013年太湖流域跨界区农业面源入水污染负荷

Table 5Transboundary non-point source agricultural pollution discharged into the water bodies of the Taihu valley from 2010 to 2013

t

2.2污染物入水负荷时间变化特征

2010—2013年太湖流域跨界区污染入水负荷总量如图1所示,太湖流域跨界区农业面源污染COD、TN、TP负荷呈现明显的时间分布特征。COD、TN和TP负荷基本呈平稳下降趋势,可能是因为该时段内流域跨界区畜禽数量基本呈下降趋势。

2010—2013年COD入水负荷减少16.03%,TN入水负荷减少4.05%,TP入水负荷减少6.03%。与TN和TP相比,COD的下降幅度较大,因为畜禽养殖是各种污染负荷的主要来源,畜禽养殖中COD的输出系数是TN和TP的数倍,而COD的入水率比TN和TP小,所以在原始数据相同的降幅下,经过输出系数模型的计算,COD降幅比TN和TP大。

由图2可知,农田径流输出负荷有轻微上升的趋势,这主要是由于研究区种植面积逐年增加,在输出系数和入水率不变的情况下,种植面积的变化直接导致农田径流输出负荷的变化。畜禽养殖输出有明显下降趋势,主要是由畜禽养殖中家禽、猪、牛等牲畜养殖数量下降导致。在研究时段内,流域跨界区农村人口先上升后下降,所以农村生活污水输出的COD负荷也呈先上升后下降的变化趋势。

图1　2010—2013年太湖流域跨界区入水污染负荷总量

2.3入水污染负荷空间分布特征

农业面源污染的产生具有很强的空间性特征。2010—2013年,太湖流域跨界区的面源污染入水负荷存在明显的空间分布特征(图3)。

图2　2010—2013年太湖流域跨界区污染负荷输出总量

图3　2010—2013年太湖流域跨界区COD、TN和TP入水污染负荷空间分布特征

高COD入水负荷区主要集中在浙江省湖州德清县、嘉兴桐乡市和嘉兴南湖区3个县区,主要是因为这3个地区畜禽养殖数量是研究区域内最多的,其中猪、羊和家禽的养殖数量分别约占全跨界区的34%、51%和25%,在畜禽养殖输出系数相同的情况下,较高的养殖数量导致这些县市的COD入水负荷输出占比较大。高TN入水负荷区和高TP入水负荷区分布基本相同,这与李志宏等[24]的研究结果相同,主要分布在江苏省苏州太仓市、浙江省湖州德清县、嘉兴桐乡市和南湖区,这与畜禽养殖数量和耕地的分布基本相同,畜禽养殖导致该地区TN、TP的高负荷入水量,但是农田径流污染也不容忽视,这些地区的耕地占总跨界区的30%左右,农业活动比较集中,农业生产发达,化肥和农药施用量逐渐增加,大量未被吸收利用的氮、磷流失严重,也是造成区域TN、TP负荷高的原因之一[25]。COD、TN和TP低负荷区域分布比较相似,主要集中在苏州昆山市和上海市松江区和嘉定区,这与李志宏等[24]对2005年太湖流域农业面源污染负荷的估算结果相似,即江苏省昆山市排放量最小。

2.4入水污染强度评价

2.4.1单位GDP入水污染强度

根据1.3.1节中所述评价方法,可估算出2010—2013年各区域单位GDP入水强度评价值和流域跨界区综合评价值。由表6可知,2010—2013年,太湖流域跨界区污染物单位GDP入水强度评价值均值分别是0.438 9、0.424 2、0.415 2和0.388 4,2010—2013年,低于跨界区平均入水强度的行政区域均有8个。

表62010—2013年太湖流域跨界区单位GDP面源污染入水强度评价结果

Table 6Discharge intensity of the transboundary non-point source pollution per unit GDP in the Taihu valley from 2010 to 2013

区县2010年2011年2012年2013年入水强度排名入水强度排名入水强度排名入水强度排名吴江市0.064040.067240.071450.06904昆山市0.000010.000110.000410.00021太仓市0.266360.252660.224970.21686德清县0.9224150.9418150.9817150.981415南浔区0.9115140.9035140.8518140.721514吴兴区0.6033100.411180.423780.42938桐乡市0.6842110.6690110.6571110.568511嘉善县0.8207130.7291120.6786120.676012平湖市0.550090.5458100.5168100.506610南湖区0.8078120.8455130.8097130.707613秀洲区0.520080.495990.487690.48499松江区0.045330.029320.047440.06453金山区0.282570.357470.359930.28417青浦区0.067250.071650.083860.08195嘉定区0.038220.043130.034020.03342平均值0.43890.42420.41520.3884

4 a中,评价值最小的地区是苏州昆山市,只有均值的0.9%左右,湖州德清县的评价值最大,约为均值的2.23倍。从地域分布上看,评价值较小的3个地区为苏州昆山市、上海市松江区和嘉定区,评价值较大的4个地区为湖州德清县、湖州南浔区、嘉兴嘉善县和嘉兴南湖区,这与地域的经济发展水平基本相似。

研究区单位GDP入水污染强度综合评价值如图4所示,从时间上看并没有明显的波动,变化趋势较为平缓,评价值最大的是湖州市,可能是因为湖州市畜禽养殖业规模较大,家禽年存栏数最高,但经济并不发达。评价值最小的地区是苏州市,这表明苏州市单位经济价值的环境负荷较小,产业结构比较合理,治理污染能力较高。

2.4.2单位面积入水强度

根据1.3.2节中所述评价方法,可估算出2010—2013年各区域单位面积入水强度评价值和流域跨界区综合评价值。从表7可知,2010—2013年,跨界区内单位面积入水强度综合评价值的均值是0.321 0、0.309 3、0.432 3和0.348 5,2010—2011年低于均值的区(县)有8个,2012—2013年有7个。4 a中,评价值最低的是苏州市昆山市,只有均值的1%左右;评价值最高的是嘉兴市南湖区,是均值的2.8倍左右。从地域分布来看,评级值较小的地区有苏州市昆山市、吴江市和上海市青浦区、嘉定区,评价值较大的地域有嘉定市南湖区、嘉善县、桐乡市和平湖市。但是,和单位GDP入水强度分布不同的是,苏州太仓市的单位面积入水强度评价值明显比苏州和上海市其他区域大,排名在11位。原因是太仓市的耕地面积占比和家禽的存栏量较大,污染输出大,因此,单位面积入水强度评价值较高,而当地经济发展水平高,导致单位GDP入水强度评价值变小。

2010—2013年,太湖流域跨界区农业面源污染单位面积入水强度综合评价值如图5所示。从时间上来看,流域综合评价值呈下降趋势。评价值最大的地区是嘉兴市,因为嘉兴不仅畜禽养殖业发达,且农村人口和耕地面积也最大。评价值最小的是上海市,上海市土地利用比较合理,单位面积产污量较小。

图4　太湖流域跨界区单位GDP入水污染强度综合评价值

表7 2010—2013年太湖流域跨界区单位面积入水污染强度评价结果

Table 7Intensity of the transboundary non-point source pollution discharged into the water bodies per unit area in the Taihu valley from 2010 to 2013

区县2010年2011年2012年2013年入水强度排名入水强度排名入水强度排名入水强度排名吴江市0.037420.041340.081920.07282昆山市0.000010.000310.000110.00011太仓市0.4448110.4118110.5908110.457911德清县0.301680.302880.514890.412010南浔区0.4089100.3919100.5262100.36098吴兴区0.220360.198660.289160.27506桐乡市0.5776130.5648140.6983130.577213嘉善县0.6343140.5585130.7652140.632114平湖市0.4931120.4854120.6554120.543712南湖区0.8794150.9183151.2394150.908915秀洲区0.344790.321790.451780.38109松江区0.071740.031720.094240.09515金山区0.270270.300870.390670.35897青浦区0.041930.040830.095450.07513嘉定区0.089250.071150.090830.07674平均值0.32100.30930.43230.3485

3结论

(1)太湖流域跨界区农业面源污染负荷产生量较大,2010—2013年COD、TN和TP入水负荷分别超过23 000、3 000和690 t。COD负荷贡献从大到小依次为畜禽养殖、农村生活污水和农田径流。TN、TP负荷贡献从大到小依次为畜禽养殖、农田径流和农村生活污水。畜禽养殖是污染负荷的主要来源,占总负荷量的70%以上。

(2)太湖流域跨界区内入水负荷呈现明显的时间分布特征,入水负荷总体呈下降趋势。其中，畜禽养殖输出负荷呈明显下降趋势,农田径流输出负荷略呈上升趋势,农村生活污水COD输出负荷则明显下降,而TN、TP输出负荷变化不明显。

(3)太湖流域跨界区面源污染入水负荷存在一定的空间分布特征。高COD入水负荷区主要集中在湖州德清县和嘉兴桐乡市、南湖区3个区(县),高TN和高TP入水负荷区分布相同,主要集中在湖州德清县和嘉兴桐乡市、南湖区和苏州太仓市。

(4)2010—2013年,流域跨界区农业面源污染负荷单位GDP综合评价值没有明显的变化趋势。流域农业面源污染负荷单位面积综合评价值呈逐渐下降趋势。

图5　2010—2013年太湖流域跨界区单位

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(责任编辑： 陈昕)

Characteristics of Transboundary Non-Point Source Agricultural Pollution in the Taihu Valley.

PENG Zhao-di1,2, LI Sheng-sheng3, LIU Zhuang1, YANG Han-pei2, LI Wei-xin1, ZHUANG Wei1, LI Wen-jing1, HANG Xiao-shuai1

(1.Nanjing Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Nanjing 210042, China;2.College of Environment, Hohai University, Nanjing 210098, China;3.Institute of Geoanalysis of Anhui Province, Hefei 230001, China)

Abstract:To illustrate the transboundary non-point source agricultural pollution in the Taihu valley, first of all, COD, TN and TP loads in the pollution were figured out with an export coefficient model by calculating the loads separately in the three major contributors of the pollution, i.e. domestic sewage and household refuse from rural population, agricultural runoff and waste from livestock keeping, and temporal and spatial variations of the loads were characterized; Then, discharge intensities of the loads in various regions of the transboundary area were evaluated with the extremum method and the mean variance weighting method. Results show that during the years from 2010 to 2013, the COD, TN and TP loads on the whole were on a declining trend; during the four years, high COD load appeared in Huzhou and Jiaxing and high TN and TP loads in Suzhou, Huzhou and Jiaxing; livestock keeping was the main contributor of the three loads, explaining 80% of the total load. Evaluation of discharge intensity of the loads indicates that the comprehensive index of the non-point source agricultural pollution per unit GDP was 0.217 6, 0.240 2, 0.236 4 and 0.222 2, respectively, for the four years, which did not show any rule of variation, while the comprehensive index of the non-point source agricultural pollution per unit area was 0.407 8, 0.289 9, 0.289 2 and 0.281 6, which obviously followed a declined trend.

Key words:transboundary area in the Taihu valley;non-point source agricultural pollution;pollution load;discharge intensity

收稿日期：2015-06-09

基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07506-007);江苏省自然科学基金(BK2011081)

中图分类号：X24

文献标志码：A

文章编号：1673-4831(2016)03-0458-08

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.03.019

作者简介：彭兆弟(1988—),女,河南平顶山人,硕士,主要从事水污染防治研究。E-mail: pengzhaodi2015@163.com

① 通信作者E-mail: hangxiaoshuai@163.com