长临河镇农业面源污染解析与评价

燕 婷,李玉成,史 杨,胡宜敏

(1.安徽大学 资源与环境工程学院,合肥 230601; 2.中国科学院合肥物质科学研究院智能机械研究所,合肥 230031; 3.中科合肥智慧农业协同创新研究院,合肥 231131)

近年来,随着点源污染得到有效控制,农业面源已逐渐成为地表水污染的首要污染源[1]。根据《第二次全国污染源普查公报》,2017年全国农业源COD(化学需氧量)、TN(总氮)、TP(总磷)排放量分别为1 067.13万、141.49万和21.20万吨,分别占各类污染源排放总量的49.8%、46.5%和67.2%[2]。对小流域面源污染进行解析,厘清其首要污染源和首要污染物是农业面源污染防控的基础。

农业面源污染的排放具有随机性、分散性和不确定性,所以对农业面源污染负荷的估算具有一定难度[3]。目前,进行污染负荷估算的方法主要有排污系数法[4]、输出系数法[5]、模型法[6]等。其中,排污系数法相较于其他方法更简单,参数要求较少,应用性强,在监测数据较少的情况下此方法更为适用。进行污染评价的方法主要有等标污染负荷法[7]、清单法[8]等,其中以等标污染负荷法应用更为普遍。例如,贾陈忠等[9]利用等标污染负荷法分析山西省11个行政区2016年农业面源污染特征,胡芸芸等[10]利用排污系数法和等标污染负荷法估算沱江流域COD、TN和TP的排放量,唐肖阳等[11]利用输出系数法对汉江流域的13个地市TN和TP的污染负荷量进行了估算。

有研究表明,巢湖入湖污染物氮、磷的主要来源为面源污染[12-13]。本研究区的长临河镇中的玉带河、长临河和黑石河属于直接入巢湖小支流。因此,对这3个小流域进行农业面源污染解析,可减少污染物对巢湖的不利影响。本文采用排污系数法对3个小流域种植业、畜禽养殖业、水产养殖业和农村生活排放的COD、TN和TP进行了估算,并采用等标污染负荷法对污染特征进行了评价,结合水质分析结果,确定长临河镇的污染物和污染源,为巢湖流域农业面源污染防控提供基础依据,也为其他流域水污染防治提供参考。

1 研究区概况与方法

1.1 研究区概况

长临河镇位于合肥市肥东县最南端,濒临巢湖,被称为“环湖首镇”。境内巢湖岸线长19.8 km,所有河流向心汇入巢湖。长临河镇西部为十八联圩湿地,因施口和团结社区整体搬迁,本研究区不包括其在内,根据自然环境特征及水系情况,将长临河镇其他地区划分成玉带河、长临河和黑石河流域,所有汇水通过这3个流域流入巢湖半岛西岸。2021年长临河镇行政区域面积156.68 km2,总耕地面积2 582.59 hm2,常住人口约5.8万人,辖11个社区。玉带河流域包括白马、六家畈和虹光社区;长临河流域包括长临、罗洪、罗店和东光社区;黑石河流域包括茶山和四顶社区。目前长临河镇农业生产主要以种植业为主,水产养殖业和畜禽养殖业为辅,环巢湖1 km为禁养区。图1为研究区位置图。

图1 研究区示意图

1.2 方法

1.2.1 数据来源

研究区的基础数据来自肥东县长临河镇相关职能部门所提供的资料和现场调研,现场调研主要是根据研究区域现状,设计农业面源污染调查表,于2021年11月23日至25日随机对9个社区内的农户发放问卷调查表,对作物施肥、种植作物种类和畜禽养殖等情况进行问卷调查,共计发放问卷150份,其中有效问卷100份。在研究区河道、农田、鱼塘、大棚等重点监测区共布设38个监测点位,监测点位见图1。结合实地调查情况和统计资料,综合评价各污染源对农业面源污染的影响。

1.2.2 污染排放估算

采用排污系数法估算长临河镇3个小流域种植业(化肥)、畜禽养殖业、农村生活和水产养殖业4个污染源中COD、TN和TP排放情况。方法参考文献[14]。

种植业污染物排放量=化肥施用量(折纯)×肥料流失系数+本底流失量

(1)

肥料流失系数和本底流失量参考文献[15],不考虑化肥COD排放情况。

畜禽养殖业污染物排放量=畜禽的年末存栏数/出栏数×污染物的粪便排污系数×粪便中污染物的平均含量×入河系数

(2)

粪便排污系数和粪便中污染物平均含量由原国家环保总局推荐[16]。

水产养殖业污染物排放量=不同品种水产养殖量×不同品种水产污染物排污系数

(3)

水产排污系数参考文献[17]。

农村生活污水污染物排放量=农村常住人口数×污染物产生强度×365(天)×(1-对生活污水进行处理的行政村比例×污染物综合去除率)

(4)

其中,污染物产生强度及污染物综合去除率参考文献[18],对生活污水进行处理的行政村比例取90%。

1.2.3 污染负荷评价

对污染评价,一般采用等标污染负荷法,其可以评价污染物对环境潜在污染能力的大小,把各种污染物转化为统一可比的量。其中,等标污染负荷量指影响环境的污染物排放总量,单位时间排放的含某污染物的废水等标体积称为该污染物的等标污染负荷[19]。计算公式如下:

(5)

(6)

(7)

式中,Pi为污染物i的等标污染负荷量,m3/a;Qi为污染物i的排放量,t/a;coi为污染物i的阈浓度,mg/L;Ki为污染物i的等标污染负荷比;An为社区n的等标污染排放系数;Pn为社区n的污染物等标污染负荷量之和;Sn为各社区n的耕地面积,hm2。

COD、TN和TP均采用《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中的Ⅴ类标准(COD≤40 mg/L,总氮≤2.0 mg/L,总磷≤0.4 mg/L)。

2 结果与分析

2.1 农业面源污染物排放量

2.1.1 农村生活源

由于长临河镇各社区生活垃圾由政府统一处理,在进行生活污染源排污量计算时只考虑常住人口带来的污染。4种农业面源污染来源中,农村生活源排放COD最多,为190.22 t,占COD排放总量的64.48%。与时晓瑞等[20]在研究淮河流域时的结论相同,COD主要来源于农村生活源。农村生活源TN和TP排放量分别为19.63 t和1.93 t,分别占TN和TP排放总量的34.80%和30.13%。

2.1.2 畜禽养殖业源

表1为长临河镇各社区常住人口及养殖业情况。长临河镇全域为限养区,其中环巢湖一级保护区禁养,大型养殖场已全部清理,畜禽养殖主要以农户散养为主。小规模畜禽养殖或者散养大多没有畜禽粪污综合利用措施或者粪污综合利用率不高,粪污随地表径流进入河道造成污染。畜禽养殖业COD、TN和TP排放量分别为67.94、2.46和1.27 t,污染物主要以COD为主,占COD排放总量的23.03%,TN和TP排放量都相对较少,而武升等[21]对巢湖流域众兴水库的研究表明畜禽养殖业源排放COD最多。说明长临河镇的限养措施取得了明显成效。

表1 长临河镇各社区常住人口及养殖业情况

2.1.3 水产养殖业源

长临河镇主要水产养殖品种为鱼类,水产品年产量较多,部分鱼塘投饵,养鱼剩余的鱼饵大部分沉积腐烂在水底,在水内底泥中蓄积,直接造成氮、磷污染。水产养殖业源COD、TN和TP排放量分别为36.83、2.47和0.46 t,其COD、TN和TP排放量在4种农业面源污染来源种中所占比例都相对较小,说明水产养殖业不是长临镇镇主要污染源,这与张晓丽等[22]研究结果一致。

2.1.4 种植业源

表2为主要农作物播种面积。长临河镇主要种植水稻、小麦、油菜、玉米、蔬菜等。种植业排放TN和TP最多,分别占TN和TP排放总量的56.45%和42.92%。由调查可知,长临河镇大棚蔬菜种植面积较大,为追求高产,化肥投加量较大,有机肥投放比例较少,施肥结构不合理。2021年长临河镇3个流域年施用化肥总量为948.86 t,化肥施用强度为625.40 kg/hm2(2015年合肥市平均施用化肥水平为593 kg/hm2[23]),是发达国家规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结,化肥中的氮、磷随着地表径流进入附近水体,使水体富营养化加重[24-25]。

2.2 农业面源污染特征

根据各污染数据的统计计算,长临河镇各类污染源污染物综合排放量见表3。2021年COD、TN和TP总排放量分别为294.99、56.41 和6.41 t。3种污染物中COD的排放量最多,占污染物排放总量的82.44%,TN其次,TP最少。TN的排放量为TP排放量的8.80倍,TN/TP比在5～10,符合以往的研究结果[26]。

表3 长临河镇各农业面源污染综合排放量

2.3 长临河镇农业面源污染特征评价

采用等标污染负荷法对长临河镇农业面源污染情况进行评价。由表4可知,长临河镇3个小流域2021年农业面源污染等标污染负荷总量为51.61 m3/a,其中TN等标污染负荷量占等标污染负荷总量的54.65%,TP其次,占31.06%,COD占比最小,为14.29%。各社区TN等标排放量均高于COD和TP,可见TN是长临河镇的首要污染物。

表4 长临河镇各污染源污染物等标负荷量及等标排放比

各污染源中,种植业源的等标污染负荷量最大,占等标污染负荷总量的44.18%,TN和TP的排放量也主要来源于种植业源。农村生活源的等标污染负荷仅次于种植业源,占等标污染负荷总量的37.59%,畜禽养殖业源和水产养殖业源等标污染负荷量相对较少,分别占等标污染负荷总量的11.84%和6.39%,说明长临河镇首要污染源是种植业,其次是农村生活源。

由图2可知,各流域中玉带河流域、长临河流域和黑石河流域的等标污染负荷量分别为9.91、32.38和9.32 m3/a,即长临河流域等标污染负荷量最大,玉带河流域和黑石河流域等标污染负荷量相差不大,各占等标污染负荷总量的19.20%和18.06%;各社区中,罗店、罗洪、东光和长临社区等标污染负荷量较大,均高于7 m3/a,这4个社区的等标污染负荷比之和为62.75%,为重点控制社区。表5为2022年5月长临河镇农田、大棚、鱼塘等重点监测区点位水质情况,监测点位见图1。位于长临河流域的罗店、罗洪、东光和长临社区监测点位水质都处于Ⅴ类或劣Ⅴ类,水质情况不容乐观,这与农业面源污染调查评价的结果一致。

表5 长临河镇各监测点水质情况

(a) (b) (c)

2.4 长临河镇水质时空变化特征

为了解农业面源污染物对水质的污染情况,在长临河镇3个小流域共布设38个监测点位,于2022年每月下旬采集水样并分析COD、TN和TP 3种水质指标。图2为根据4月、5月和6月水质监测数据利用普通克里金插值法绘制的玉带河、长临河和黑石河水质空间分布图。

由图3可知,4月3条河流除个别断面外水质基本为Ⅲ类和Ⅳ类水,5月、6月水质大部分为Ⅳ类、Ⅴ类和劣Ⅴ类水。根据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002),5月和6月各监测点TN浓度都在0.37～16.7 mg/L,5月份有60%的监测点位TN浓度达到Ⅳ～劣Ⅴ类水标准,6月监测点位水质情况比5月更差,TN浓度达到Ⅳ～劣Ⅴ类水标准的点占84%。这可能是这几个月雨水较多且为施肥及追肥的高发期,肥料投入较多,相应的氮素流失较多,这与刘邵伟[27]的研究结果相似。5月和6月COD和TP的浓度除个别监测点外都为Ⅰ～Ⅱ类水质,表明TN为长临河镇的首要污染物,这也与农业面源污染调查评价的结果一致。

(a) 4月水质情况;(b) 5月水质情况;(c) 6月水质情况。

3 讨论

3.1 首要污染源与首要污染物

刘德勤等[28]研究界首泉河小流域得出农村生活源和养殖业源为主要污染源,山东省南四湖流域的主要污染源为畜禽养殖源[29]。本研究中,种植业为长临河镇首要污染源,TN和TP的排放也主要来自种植业,其次是农村生活源。据调查,长临河镇设施农业比较发达,大棚蔬菜种植面积较大,而蔬菜比一般作物施肥量要大,农民为了追求高产,盲目施加化肥,导致氮、磷排放量较大,且生活污水管网集中处理率不高,有些地区生活污水直排入河道,导致COD排放量较大。长临河镇的首要污染物为TN,这与蔡金洲等[4]对湖北省三峡库区的研究结果相似,说明控制N和P污染是治理农业面源污染的有效手段。

3.2 面源污染防控建议

为有效降低面源污染,长临河镇应改变施肥观念,采用水肥一体化和高效施肥技术[30],推进化肥减施增效,鼓励秸秆还田或农业废弃物堆肥,大力发展绿色、循环农业[31-32];提升农民的环保意识,杜绝农村生活污水不合理排放,提高污水治理水平,实现厕所粪污的资源化利用,建设生态沟渠、构建植物篱等有效拦截和消纳农田退水和农村生活污水中各类有机污染物。

4 结论

(1) 2021年长临河镇3个流域农业面源污染COD、TN、TP的排放量分别为294.99、56.41和6.41 t,TN和TP主要污染源为种植业源,COD主要污染源为农村生活源。(2)种植业的等标污染负荷量最大,占等标污染负荷总量的44.18%,为长临河镇首要污染源,也是农业面源污染防控的重点。TN为长临河镇首要污染物,占污染物等标污染负荷总量的54.65%。长临河流域中的罗店、罗洪、东光和长临社区为农业面源污染重点防控区。