安徽省农业源氮磷排放及空间分布特征

孙亚敏

(安徽省生态环境监测中心,安徽 合肥 230061)

氮、磷是生物体生命活动的必要元素,但其未得到有效利用排入环境后会造成污染。 近年来,随着工业污染和生活污染逐步得到治理和控制,农业污染源对水环境的影响日益突出,成为下一步水环境治理的重点所在。 《安徽省第二次全国污染源普查数据公报》显示,2017 年安徽省农业污染源(以下简称农业源)化学需氧量、总氮、氨氮、总磷排放量分别为51.40 万t、8.05 万t、1.20万t、1.17 万t[1],分别占全省各类污染源排放总量的48.4%,55.4%,28.2%和69.6%。 农业源已成为水体污染的重要来源,具有成因复杂、分布范围广、随机性大、较难集中收集处理等特点。 多位学者对农业源污染的研究分析结果,畜禽养殖粪污和过度施用化肥仍是农业污染的重要来源[2-5]。生态环境部与农业农村部联合印发的《农业农村污染治理攻坚战行动计划》中提出,为打好农业农村污染治理攻坚战,要着力解决养殖业污染,有效防控种植业污染[6]。

治理农业源污染最有效的方式是从源头进行控制。 因此,科学估算农业污染的来源及排放特征,识别农业污染的重点区域、重点领域,从而提出相应的源头控制和污染治理措施具有较为重要的意义。 本研究依据安徽省第二次全国污染源普查(以下简称二污普)结果,针对当前对水体环境质量影响较大的氮、磷污染物,对安徽省农业源氮、磷排放来源,结构及空间分布特征进行分析,以期对农业源氮、磷污染控制及环境管理决策提供参考。

1 数据来源及核算方法

1.1 数据来源及研究区域

研究数据主要来自安徽省二污普数据和《安徽省统计年鉴(2018)》[7]。 二污普于2017 年正式启动,普查的标准时点是2017 年12 月31 日,时期资料为2017 年度,普查范围包括工业源、农业源、生活源、集中式污染治理设施和移动源。 其中,农业源普查范围包括种植业、畜禽养殖业和水产养殖业[1]。 畜禽养殖业普查范围包括畜禽规模养殖场和规模以下养殖户,前者指养殖规模达到500 头生猪、100 头奶牛、50 头肉牛、2 000 羽蛋鸡、10 000 羽肉鸡及以上养殖规模的养殖场,后者指达到一定养殖规模(生猪50 头、奶牛5 头、肉牛10 头、蛋鸡500 羽、肉鸡2 000 羽及以上)但小于畜禽规模养殖场养殖量的养殖户[8]。 畜禽规模养殖场生产活动基础数据采用入户调查方式获取,全省共调查17 224 家;规模以下养殖户、种植业和水产养殖业生产活动基础数据采用县级调查表方式进行,全省分别调查105 个、105 个、104 个区(县)。

本研究将安徽省分为淮河以北(淮北、亳州、宿州、蚌埠、阜阳和淮南市)、江淮之间(合肥、滁州和六安市)和沿江江南(马鞍山、芜湖、安庆、宣城、铜陵、池州和黄山市)三个区域,分析农业源氮磷排放来源及空间分布特征。 选取指标包括总氮、氨氮和总磷。

1.2 核算方法

农业源污染物排放(流失)量采用排污系数法核算。

1.2.1 畜禽养殖业氮、磷排放量

式中:P畜禽养殖业——畜禽养殖N、P 排放量,t;Ni——第i种畜禽养殖量,头(或羽);Lij——第i种畜禽第j类污粪处理方式所占比例,%;Lijp——第i种畜禽第j类污粪处理方式对应的排污系数,kg/头(或羽),取自二污普农业源产排污系数手册。

1.2.2 种植业氮、磷流失量

式中:P种植业——种 植 业N、 P 流失 量, t;Pi——第i个县(区) 种植 业N、P 流失量,t;Ai1——第i个县(区)耕地面积,hm2;Ai2——第i个县(区)园地面积,hm2;ei1——第i个县(区)耕地N、P污染流失系数,kg/hm2,取自二污普农业源产排污系数手册;ei2——第i个县(区)园地N、P 污染流失系数,kg/hm2,取自二污普农业源产排污系数手册。

1.2.3 水产养殖业氮、磷排放量

式中:P水产养殖业——水产养殖业N、P 排放量,t;Kij——第i种养殖模式第j 类养殖品种的产量,t;Tij——第i种养殖模式第j类养殖品种的投苗量,t;Cij——产排污系数,g/kg,取自二污普农业源产排污系数手册。

2 结果与讨论

2.1 农业源氮、磷排放结构与空间分布

根据《安徽省第二次全国污染源普查公报》,农业源总氮排放量8.05 万t(占全省排放总量的55.4%),其中,畜禽养殖业排放量2.69 万t,占33.4%;种植业流失量4.99 万t,占62.0%;水产养殖业排放量0.37 万t,占4.6%。 农业源氨氮排放量1.20 万t(占全省排放总量的28.2%),其中,畜禽养殖业排放量0.58 万t,占48.3%;种植业流失量0.52 万t,占43.1%;水产养殖业排放量0.10 万t,占8.6%。 农业源总磷排放量1.17 万t(占全省排放总量的69.6%),其中,畜禽养殖业排放量0.60 万t,占51.5%;种植业流失量0.52 万t,占44.7%;水产养殖业排放量0.05 万t,占3.8%[1]。畜禽规模养殖场总氮、氨氮、总磷排放量分别为2.02 万t、0.52 万t、0.45 万t,分别占畜禽养殖污染物排放总量的75.1%,89.7%,75.0%。 由此可见:农业源氮磷污染90%来自畜禽养殖业(尤其是畜禽规模养殖场)和种植业,水产养殖业贡献率相对较低。 就氨氮和总磷而言,畜禽养殖业贡献最大;就总氮而言,种植业贡献最大。

从空间分布来看(图1):(1)淮河以北农业源总氮、氨氮、总磷排放量分别为3.90 万t、0.58 万t、0.59 万t,分别占全省排放总量的48.4%,48.3%,50.4%,均大于江淮之间及沿江江南。 (2)淮河以北、江淮之间、沿江江南种植业总氮流失量分别为2.27 万t、1.51 万t、1.21 万t,占比分别为45.5%,30.3%,24.2%。 淮河以北、江淮之间、沿江江南畜禽养殖氨氮排放量分别为0.32 万t、0.15 万t、0.11 万t,占比分别为55.2%,25.9%,18.9%。 淮河以北、江淮之间、沿江江南畜禽养殖总磷排放量分别为0.34 万t、0.15 万t、0.11 万t,占比分别为56.7%,25.0%,18.3%。 淮河以北种植业总氮流失量、畜禽养殖业氨氮和总磷的排放量均远大于江淮之间及沿江江南。

图1 安徽省不同区域农业源氮磷排放(流失)量分布

2.2 畜禽养殖业氮、磷排放特征

2.2.1 养殖量及养殖结构

2017 年安徽省共有17 224 个规模化养殖场,五类畜禽养殖总量共计3 329.67 万头生猪当量(生猪当量折算方法依据《畜禽养殖业污染物排放标准》1.2.2 中规定,即:30 头蛋鸡折算1 头猪,60 只肉鸡折算一头猪,1 头奶牛折算10 头猪,1 头肉牛折算5 头猪),比一污普同口径统计的1 432.95 万头增加了1.32 倍,其中,肉牛出栏量增长了5 倍以上。

从养殖类型来看(图2),生猪全年出栏量最多,占60.4%;其次为肉鸡,占22.4%。 从规模化养殖场数量来看,生猪、肉鸡规模化养殖场数量最多,分别占43.8%,29.8%。 蛋鸡、肉牛、奶牛规模化养殖场数量及养殖量均相对较少。

图2 全省养殖种类分布占比

从区域分布来看(图3),淮河以北养殖量远高于江淮之间和沿江江南,占全省养殖总量的49.4%。 淮河以北规模化养殖率(56.7%)低于全省平均水平(63.9%);江淮之间及沿江江南规模化养殖率高于全省平均水平,分别为73.1%和68.2%。

图3 不同区域养殖种类分布情况

从规模化养殖率来看,安徽省奶牛、肉鸡、蛋鸡、生猪、肉牛规模化养殖率分别为96.9%,78.2%,76.4%,59.2%和32.9%。 奶牛、肉鸡、蛋鸡规模化养殖率较高,生猪、肉牛规模化养殖率相对较低。

2.2.2 粪污产生量及综合利用情况

2017 年安徽省畜禽养殖业粪便、尿液产生量分别为1 593.91 万t、1 077.40 万t,其中,67.4%畜禽粪便和66.9%尿液来自畜禽规模养殖场(图4)。 全省畜禽养殖业粪便、尿液平均综合利用率为84.7%,78.3%,其中,畜禽规模养殖场粪便、尿液综合利用率分别为86.9%,80.1%,均高于规模以下养殖户(粪便80.1%、尿液74.7%)。

图4 不同区域养殖粪尿产生量及综合利用率

从区域分布来看,淮河以北畜禽养殖粪便、尿液产生量分别为821.44 万t、618.77 万t,分别占全省畜禽养殖粪便、尿液产生量的51.5%和57.4%,远高于江淮之间及沿江江南,这与淮河以北养殖量远高于其他两个区域有关。 淮河以北畜禽养殖粪便、尿液综合利用率分别为82.7%,78.2%,低于全省平均水平。

2.2.3 畜禽规模养殖场清粪方式

从圈舍清粪方式(图5)可以看出:(1)安徽省畜禽规模养殖场圈舍清粪方式以人工干清粪和机械干清粪为主,占81.7%,低于全国平均水平(88.0%)[9]。 采用垫草垫料方式的养殖场占14.7%,仅3.6%养殖场采用水冲粪、水泡粪、高床养殖等方式。 (2)淮河以北规模养殖场圈舍干清粪比例较高,为88.5%。 江淮之间、沿江江南规模养殖场圈舍干清粪比例分别为79.8%,69.5%,低于全省平均水平。

图5 畜禽规模养殖场清粪方式占比

2.2.4 氮、磷排放量及排放强度

从不同类型养殖场的氮、磷排放量(图6)可以看出:(1)安徽省畜禽养殖业总氮、氨氮、总磷排放量分别约2.69 万t、0.58 万t、0.60 万t,其中75.0%的总氮、89.2%的氨氮、74.0%的总磷来自畜禽规模养殖场。 (2)从区域分布来看,约57.3%总氮、54.5%氨氮、56.0%总磷来自淮河以北的畜禽养殖业。

图6 不同类型养殖场氮磷污染排放量

从养殖场氮、磷排放强度(图7)可以看出:(1)安徽省畜禽养殖场总氮、氨氮、总磷平均排放强度分别为0.808 kg/头标猪、0.175 kg/头标猪、0.181 kg/头标猪,高于全国平均水平(总氮0.73 kg/头标猪,总磷0.15 kg/头标猪)[10]。 (2)淮河以北畜禽养殖场总氮、氨氮、总磷平均排放强度分别为0.937 kg/头标猪、0.205 kg/头标猪、0.192 kg/头标猪,均高于全国及全省平均水平。 (3)江淮之间畜禽养殖场总氮、氨氮、总磷平均排放强度分别为0.704 kg/头标猪、0.158 kg/头标猪、0.157 kg/头标猪,沿江江南畜禽养殖场总氮、氨氮、总磷平均排放强度分别为0.652 kg/头标猪、0.156 kg/头标猪、0.157 kg/头标猪,这两个区域总氮排放强度均低于全国平均水平,总磷排放强度略高于全国平均水平。

图7 畜禽养殖场氮磷污染物排放强度

2.3 种植业氮、磷流失特征

种植业氮、磷污染主要来自化肥的施用。 据联合国粮农组织(FAO)最新数据,2017 年中国氮、磷肥施用量占全球施用比例仍高达27.39%和27.53%,化肥当季利用率较低,部分未被作物吸收利用且离开耕作层土壤的氮、磷通过地表径流、淋溶、氨化、硝化和反硝化等途径进入地表水、地下水和大气中[2]。 二污普种植业氮、磷流失量仅包括地表径流途径下污染物流失量,不包括地下淋溶途径的污染物流失量[8]。

2017 年安徽省种植业总氮流失量4.99 万t,占农业源总氮排放(流失)量的62.0%;氨氮流失量0.52 万t,占农业源氨氮排放(流失)量的43.3%;总磷流失量0.52 万t,占农业源总磷排放(流失)量的44.7%。

从图8 可以看出:淮河以北化肥、氮肥用量均高于江淮之间和沿江江南,这可能与淮河以北耕地面积较多(占全省耕地面积的46.1%)、化肥(尤其是氮肥)施用量较多有关。 淮河以北种植业总氮、氨氮、总磷流失量均大于江淮之间和沿江江南,分别占种植业污染流失量的45.4%,45.6%,45.7%。

图8 不同区域化肥施用量及种植业氮磷流失量

2017 年安徽省化肥、氮肥(折纯)施用量分别为606.34 万t、201.9 万t。 结 合《安 徽 统 计 年 鉴(2018)》中全年总播种面积,计算出全省单位播种面积化肥和氮肥平均施肥强度分别为694.7 kg/hm2、231.4 kg/hm2。 化肥施用强度仍远远高出发达国家公认的225 kg/hm2的安全上限[10]。

3 结论与建议

通过以上分析,得出主要结论与建议如下:

(1)安徽省农业源总氮、氨氮、总磷排放量分别占全省排放总量的55.4%,28.2%和69.6%,农业源已成为水体氮磷污染的重要来源。 其中畜禽养殖业(尤其是畜禽规模养殖场)对农业源氨氮、总磷贡献率最大,种植业对农业源总氮贡献率最大,水产养殖业对农业源氮磷的贡献相对较小。全省畜禽养殖业总氮、氨氮、总磷平均排放强度分别为0.808 kg/头标猪,0.175 kg/头标猪,0.181 kg/头标猪,高于全国平均水平;化肥平均施用强度为694.7 kg/hm2,远高出发达国家公认的化学施用安全上限(225 kg/hm2)。

(2)淮河以北畜禽养殖量和耕地面积分别占全省的49.4%和46.1%。 淮河以北养殖业及种植业氮磷排放(流失)量远大于江淮之间和沿江江南,是全省农业源氮磷污染控制的重点区域。 二污普统计口径内的安徽省畜禽规模化养殖比例为63.9%,规模养殖场圈舍干清粪比例为81.7%,低于全国平均水平。 淮河以北规模养殖场干清粪比例高于江淮之间和沿江江南。

(3)建议优化种养布局,对安徽省不同区域养殖业、种植业污染实施精准管控;对养殖密度高、环境压力大的区域,需控制养殖总量,推动、引导产能向粮食主产区和环境容量大的地方转移。调整种植业结构,提高化肥利用率,改进农业灌溉方式,减少种植过程中化肥过量施用带来的农业面源污染。 淮河以北地区养殖量大且耕地面积多,应大力推进养殖场粪污资源化利用。 结合《畜禽粪污资源化利用行动方案(2017—2020年)》(农牧发〔2017〕2 号)、《开展果菜茶有机肥替代化肥行动方案》(农发〔2017〕2 号)等,提高畜禽养殖粪污有机肥替代化肥的比例。 江淮之间、沿江江南养殖场干清粪比例低于全省平均水平,应优化清粪方式,提高干清粪比例,减少水冲粪给水体带来的氮磷污染,进一步提高畜禽规模化养殖比例,加强对规模以下养殖场的污染管控措施。