越南農(nóng)耕區(qū)施肥方式轉(zhuǎn)變對農(nóng)業(yè)污染負(fù)荷的影響

[日本] 　P.H.江 等

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試驗與研究

越南農(nóng)耕區(qū)施肥方式轉(zhuǎn)變對農(nóng)業(yè)污染負(fù)荷的影響

[日本] P.H.江 等

摘要：發(fā)展中國家農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展引起了農(nóng)田廢棄物和施肥管理的變化，導(dǎo)致水體污染。為了有效預(yù)測農(nóng)田營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)及其對水環(huán)境的影響，針對Nhue-Day流域內(nèi)的一個農(nóng)業(yè)集水區(qū)1980～2010年間的農(nóng)業(yè)活動，開發(fā)了氮磷養(yǎng)分通量模型?；谠撃Ｐ脱芯苛巳诵蠹S便處置及化肥施用量的變化，為了解稻田對農(nóng)業(yè)集水區(qū)環(huán)境污染的影響提供了基本信息。研究結(jié)果表明，不僅在Nhue-Day流域，也包括在亞洲其他的農(nóng)業(yè)集水區(qū)，均應(yīng)采取適當(dāng)措施，減少化肥施用量，促進(jìn)人畜糞便用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，從而促進(jìn)充分的物質(zhì)循環(huán)。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)污染；施肥方式；Nhue-Day流域

1概述

數(shù)十年來，主要以人畜糞便作為農(nóng)田肥料的作物-家畜系統(tǒng)，是亞洲傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。然而，近年來經(jīng)濟(jì)的快速增長導(dǎo)致廢棄物利用管理發(fā)生了改變，隨之營養(yǎng)物質(zhì)流也相應(yīng)發(fā)生變化。稻田化肥使用量已急劇上升，成為比人畜糞便更方便施用的肥料。由于農(nóng)田土壤淋洗和徑流，過量施用的化肥成為潛在的水體污染源。此外，大量農(nóng)業(yè)上未得到利用的人畜糞便流入魚塘，或直接排入附近水體，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)集水區(qū)水環(huán)境污染逐步加劇。

為了解決上述問題，必須了解農(nóng)業(yè)系統(tǒng)、相應(yīng)的廢物利用管理實踐以及施肥的動態(tài)變化。在農(nóng)業(yè)集水區(qū)設(shè)計合理的養(yǎng)分管理干預(yù)措施時，需要掌握很可能受到這些變化影響的稻田養(yǎng)分平衡和對水體污染影響的相關(guān)重要信息。最近，一些研究人員使用物質(zhì)流分析方法(MFA)，對泰國、中國和越南等發(fā)展中國家開展了研究。MFA作為系統(tǒng)工具，可以掌握系統(tǒng)內(nèi)某一時空下特殊位點物質(zhì)流和存量。隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，發(fā)展中國家農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中的養(yǎng)分循環(huán)可能已發(fā)生改變，但以往的研究并未回答稻田耕作方式對土壤養(yǎng)分管理影響的歷史演變。早期研究也沒有討論農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動與環(huán)境之間的相互作用是如何發(fā)生演變的。

該研究旨在從流域?qū)用媪私庠侥系湫娃r(nóng)耕區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的歷史演變，其中主要涉及廢棄物管理和施肥。Nhue-Day流域是越南3個重要流域之一，其下游地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)一直比較活躍，農(nóng)田灌溉水交易平臺建立時間久遠(yuǎn)。越南2006年環(huán)境公報指出，該流域營養(yǎng)負(fù)荷一直處于警戒水平，其中流域農(nóng)業(yè)面源污染是潛在的污染源之一。為了解這種方式帶來的污染負(fù)荷，該研究也旨在通過開發(fā)氮磷物質(zhì)流模型對稻田營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)進(jìn)行評估，并分析其對集水區(qū)環(huán)境污染的影響。

2材料和方法

2.1研究區(qū)域

研究區(qū)位于越南首都河內(nèi)郊區(qū)的德賴(Trai)村莊。德賴村沿Nhue河岸，距該源頭約40 km。研究區(qū)域基本信息見表1。當(dāng)?shù)鼐用裰饕苑N植業(yè)為生，大米是主要農(nóng)產(chǎn)品。1980～2010年間稻田面積沒有變化，占土地總面積的90%。人畜糞便和化肥為稻田用肥，如同流域內(nèi)其他農(nóng)業(yè)社區(qū)，與印度尼西亞、中國的情況也類同。當(dāng)?shù)鼐用褚『铀糜诘咎锕喔?，之后再將稻田?nèi)農(nóng)業(yè)污水用泵抽回到河道。

表1　研究區(qū)域基本信息

表2　作用過程矩陣

注：12*——(P1×β1,4+P2×β2,4+P3×β3,4+Sa/∑S×P4+P5×β5,4+P6×β6,4+P7×β7,4+P8+P9+P10+P11×β11,4×αres)×RN(P)

13*——(P1×β1,4+P5×β5,4+P6×β6,4+P7×β7,4)×kN,ex+P8×kN,ct

14*——(P1×β1,4+P2×β2,4+P3×β3,4+Sa/∑S×P4+P5×β5,4+P6×β6,4+P7×β7,4+P8+P9+P10+P11×β11,4×αres)(1-R)-(1+αre)×P11-P13

圖1　物質(zhì)流模型示意

2.2物質(zhì)流模型開發(fā)

圖1為2012年江等學(xué)者開發(fā)的研究稻田營養(yǎng)平衡的物質(zhì)流模型。該模型應(yīng)用于德賴村莊的研究。表2通過矩陣方式列出稻田內(nèi)各子項的作用過程。系統(tǒng)的所有子項(共8個)在表2的第1行用符號(X1～8)表示：(X1)代表住戶，(X2)代表牲畜，(X3)代表魚塘，(X4)代表稻田，(X1～4)都在研究邊界內(nèi)；(X5)代表集市，(X6)代表水體，(X7)代表土壤和地下水，(X8)代表大氣，(X5～8)均在研究邊界外。

由單元價值法計算大部分通量:

(1)

(2)

式中，Ii為子項i的輸入量，kg/hm2/a；Oj為j子項的輸出量，kg/hm2/a；Uk和Ul為優(yōu)良k和l狀態(tài)下的單元子項數(shù)據(jù)，g /單位數(shù)量/a；Ck和Cl為優(yōu)良狀態(tài)下k和l的總量；Rk和Rl為優(yōu)良k和l狀態(tài)下從一個子項轉(zhuǎn)移到另一個子項的比例。

變化量不能用單元價值法，但可根據(jù)質(zhì)量守恒定律進(jìn)行計算：

(3)

式中，n，m分別為某一子項的總輸入和輸出量。

表2各行列出了稻田每個子項的反應(yīng)過程。每個過程的反應(yīng)速率表示在矩陣的最右列。該矩陣主要說明發(fā)生在每個子項的反應(yīng)過程所占的比重。因此，單個子項的凈反應(yīng)速率受到許多不同反應(yīng)過程的影響。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，子項X4的凈反應(yīng)速率r4為:

(4)

式中,i代表過程(i=1～14);∑S代表研究區(qū)域總面積，hm2。

2.3資料收集

表3列出了物質(zhì)流計算必需的資料。用格式化問卷調(diào)查的方式來獲得有關(guān)廢物管理方面的資料，包括人畜糞便、餐廚垃圾、中水、農(nóng)業(yè)廢棄物。從歷史文獻(xiàn)中收集固廢成分資料，如人類糞便或化學(xué)肥料中的氮和磷含量。假定從1980年到2010年排入Nhue河的污染物總量只有氮、磷發(fā)生變化，主要是因為該地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展對Nhue河的水質(zhì)產(chǎn)生了實質(zhì)性的影響。從越南環(huán)境保護(hù)管理局(VEA)的環(huán)境監(jiān)測中心收集到該河2007年總氮和總磷的相關(guān)資料，盡管2000～2010年中期該區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會持續(xù)增長，但基本可以認(rèn)為1980～2007年間污染負(fù)荷沒有發(fā)生顯著改變。

3結(jié)果與討論

3.1稻田施用農(nóng)家肥/有機(jī)肥的歷史演變

圖2給出了來自于人畜糞便農(nóng)家肥/有機(jī)肥的營養(yǎng)物質(zhì)量的歷史演變。由圖可知，由于人口增長，人畜糞便氮磷營養(yǎng)負(fù)荷從1980年到2010年均增長了1倍。期間人口增長1.6倍，牲畜增長2.7倍。然而，2000年后，稻田施用農(nóng)家肥的氮磷比例大幅下降。越南稻田施用農(nóng)家肥/有機(jī)肥的歷史悠久。1980年，稻田施氮肥35 kg/hm2，磷肥7 kg/hm2，其中85%來源于農(nóng)家肥/有機(jī)肥，稻田施用農(nóng)家肥/有機(jī)肥很普遍。近年來，施用化肥較為便利，利用人畜糞便的傳統(tǒng)施肥量逐漸下降。2010年，人畜糞便中氮(37 kg/hm2/a)、磷(7 kg/hm2/a)僅41%施用到稻田。人畜糞便不再集中作為農(nóng)家肥/有機(jī)肥施用于稻田，而是直接進(jìn)入化糞池/沼氣系統(tǒng)和魚塘。

這些氮磷負(fù)荷變化可能是現(xiàn)代化進(jìn)程發(fā)展的結(jié)果，影響廢棄物管理和營養(yǎng)物質(zhì)末端循環(huán)動力。收集居民糞便并作為農(nóng)家肥/有機(jī)肥的干廁，已逐漸被抽水馬桶取代。2010年44%的家庭使用抽水馬桶，人糞不再用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，取而代之的是將糞便排放到化糞池或直接排放。此外，2003年越南針對畜禽養(yǎng)殖業(yè)，特別是養(yǎng)豬業(yè)，實施沼氣項目。在越南城市郊區(qū)和農(nóng)村均實施了此類項目，以增加農(nóng)民收入，同時減少環(huán)境污染。2006年該研究區(qū)域引進(jìn)沼氣項目。然而，事實上只有16%的養(yǎng)豬家庭建了沼氣系統(tǒng)來處置豬糞，大約53%的家庭將豬糞排入魚塘。預(yù)計排入魚塘的豬糞數(shù)量將會持續(xù)增加，因為農(nóng)民認(rèn)為豬糞比其他飼料喂魚能使魚更快地生長。因此，該研究區(qū)域內(nèi)，魚塘正逐漸取代稻田，成為畜禽糞便的排放場所。

3.2稻田施用化肥的歷史演變

盡管傳統(tǒng)上將人畜糞便作為農(nóng)家肥/有機(jī)肥，但現(xiàn)今化肥已廣泛應(yīng)用于稻田。圖3示明了來自于化肥和農(nóng)家肥/有機(jī)肥的營養(yǎng)物質(zhì)的變化過程。如圖所見，1980～2000年化肥中的氮磷施用量均下降了6%；而從2000年到2010年，氮磷施用量則分別增加了1.4倍和1.2倍。將這些變化與農(nóng)家肥/有機(jī)肥的營養(yǎng)物質(zhì)輸入進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，峰值出現(xiàn)在2000年。這表明稻田大量施用農(nóng)家肥/有機(jī)肥可減少化肥的使用。盡管政府政策支持發(fā)展畜牧業(yè)生產(chǎn)，但稻田農(nóng)家肥/有機(jī)肥的施用量還是逐漸減少。由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展，如今使用化肥比農(nóng)家肥/有機(jī)肥作為肥料更有優(yōu)勢。據(jù)聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署2011年資料，東亞和東南亞的化肥施用量為196 kg/hm2，高于世界上許多地區(qū)，預(yù)計這一結(jié)果還會不斷上升。

3.3稻田營養(yǎng)平衡的歷史演變

圖4和圖5為1980年和2010年稻田氮磷平衡圖?；?、灌溉水、農(nóng)田徑流和農(nóng)產(chǎn)品是稻田氮素流通的主要環(huán)節(jié)?；?、農(nóng)產(chǎn)品、土壤累積和遷移是磷素流通的主要環(huán)節(jié)。2010年稻田氮磷總輸入量分別為435 kg /hm2/a和90 kg/hm2/a，分別比1980年高出1.5倍和1.3倍。1980年和2010年化肥中氮貢獻(xiàn)率分別占總量的47%和40%，磷貢獻(xiàn)率分別為74%和65%。2010年稻田施用化肥的氮為174 kg/hm2/a，磷為59 kg/hm2/a。化肥中氮消耗指標(biāo)同印度尼西亞某小流域內(nèi)一小村莊的研究成果一致。該區(qū)域2010年灌溉用水輸入的營養(yǎng)物質(zhì)對總輸入有顯著的影響，占氮輸入總量的29%(125 kg/ hm2/a)，磷輸入總量的12%(11 kg/ hm2/a)。這一結(jié)果比日本三島市2006年的研究成果高出很多，在日本灌溉用水輸入的氮只占氮輸入總量的7%。這種差異可以解釋為該研究區(qū)域灌溉水源的水質(zhì)問題。2012年越南環(huán)境保護(hù)管理局(VEA)環(huán)境監(jiān)測中心資料顯示，2010年Nhue河氮磷污染較重。相比之下，1980年Nhue河氮磷濃度較低，對該時期灌溉用水營養(yǎng)物質(zhì)輸入沒有顯著影響。1980年和2010年，稻田氮磷營養(yǎng)物質(zhì)輸入總量估測均超過了推薦的水平，即氮為200 kg/ hm2/a，磷為52 kg/ hm2/a。稻田氮磷肥的過度使用，特別是施用大量的化肥后，造成水體中氮及土壤中磷的污染負(fù)荷居高不下。氮磷負(fù)荷之間的差異在一定程度上可解釋為，氮主要隨農(nóng)田徑流進(jìn)入水體，磷主要沉積在土壤中。

表3　物質(zhì)流計算必需的基本資料

圖2　來自于人畜糞便的農(nóng)家肥/有機(jī)肥的氮磷營養(yǎng)物質(zhì)量

圖3　化肥和農(nóng)家肥/有機(jī)肥的氮磷施用量歷年演變

圖4　稻田內(nèi)氮素平衡示意(kg/hm2/a)

圖5　稻田磷元素平衡示意(kg/hm2/a)

充分的物質(zhì)循環(huán)，需要減少化肥消費，并促進(jìn)人畜糞便的應(yīng)用。2010年人畜糞便中有33 kg/hm2/a的氮和5 kg/hm2/a的磷直接排放或通過化糞池/沼氣系統(tǒng)排放到環(huán)境中。如果都施用于稻田，則氮肥可減少19%，磷肥可減少8%，這不僅有助于更好地進(jìn)行施肥管理，也有助于改善整個小流域的水環(huán)境。

4結(jié)語

該研究探討了越南Nhue-Day流域內(nèi)一農(nóng)業(yè)集水區(qū)氮磷通量現(xiàn)狀和歷史演變。近年來，廢棄物不再得到回收利用，化肥已成為優(yōu)先施用的肥料。2010年研究區(qū)農(nóng)田氮磷總輸入量分別為435 kg/hm2/a和90 kg/hm2/a，分別是1980年的1.5倍和1.3倍。2010年，稻田使用最多的為化肥，其中氮輸入量占總輸入量的40%，磷占65%。估測稻田氮磷總輸入量分別超過推薦值的2.0倍和3.5倍。氮肥施用過量，通過地表徑流，導(dǎo)致水體環(huán)境氮污染負(fù)荷加重。磷肥施用過量則會導(dǎo)致其在土壤中過量累積或污染地下水。

這項研究為了解稻田對農(nóng)業(yè)集水區(qū)環(huán)境污染的影響提供了基本信息，因此有助于制定小流域范圍內(nèi)更好管控固廢和施肥活動的系統(tǒng)干預(yù)措施。不僅在Nhue-Day流域，也包括在亞洲其他的農(nóng)業(yè)集水區(qū)，均應(yīng)采取適當(dāng)措施，減少化肥施用量，促進(jìn)人畜糞便用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，從而促進(jìn)充分的物質(zhì)循環(huán)。

邱訓(xùn)平柯學(xué)莎譯

(編輯：朱曉紅)

收稿日期：2016-02-25

文章編號：1006-0081(2016)06-0034-06

中圖法分類號：X592

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A