基于GIS的鄂州市氮、磷農(nóng)業(yè)面源污染時空分布研究

翟正麗， 許立祥,2， 周祖昊， 劉佳嘉

(1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038； 2.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450011)

1 研究背景

農(nóng)業(yè)面源污染是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中不合理的農(nóng)藥、化肥、農(nóng)膜以及畜禽糞便、生活垃圾等對農(nóng)業(yè)和農(nóng)村生態(tài)環(huán)境所造成的大面積污染[1-2]。早在20世紀30年代，國際上就提出了面源污染這一概念。60年代，國內(nèi)外學(xué)者們對于面源污染才有了全面的認識并對其進行了研究[3]。70年代，面源污染開始受到西方國家的廣泛關(guān)注，并認為農(nóng)業(yè)面源污染是導(dǎo)致地表水體污染的主要原因，為了了解農(nóng)業(yè)面源的物理、化學(xué)過程，國外學(xué)者開發(fā)了農(nóng)藥輸移和徑流模型等檢測與評估模型。80年代，農(nóng)業(yè)面源污染的研究轉(zhuǎn)向如何管理與控制，從而減輕對地表水的污染負荷。90年代隨著“3S”技術(shù)的發(fā)展，部分學(xué)者將“3S”技術(shù)引入到對面源污染的分析當(dāng)中，從而更好地分析面源污染中的氮、磷等污染物的遷移轉(zhuǎn)化，有助于對面源污染的機理研究。研究表明，氮、磷已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)面源污染當(dāng)中最重要的污染源。在我國，兩者的貢獻率已經(jīng)超過了57%、67%[4]。近年來，通過對我們國家的25個湖泊進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)氮、磷污染已經(jīng)成為水體污染的核心問題[5]。黃滿湘等[6]研究發(fā)現(xiàn)植被覆蓋可一定程度上減少氮等污染物的流失。國內(nèi)在農(nóng)業(yè)面源污染的空間分布上，運用GIS技術(shù)來分析的案例比較少[7-8]。目前，農(nóng)業(yè)面源污染已經(jīng)嚴重影響我國農(nóng)村生活的生態(tài)環(huán)境，在新時期，如何加強對面源污染的治理已經(jīng)成為一個重要的話題。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)收入是鄂州市當(dāng)?shù)鼐用竦闹饕杖胫籟9]。近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，鄂州市的環(huán)境也受到嚴重的污染，農(nóng)業(yè)面源污染日益嚴重，已經(jīng)成為制約鄂州市經(jīng)濟發(fā)展的一大瓶頸。因此，對鄂州市農(nóng)業(yè)面源污染的機理研究與治理已經(jīng)刻不容緩。本文以鄂州市鄉(xiāng)鎮(zhèn)為計算單元，在分析近5年的農(nóng)藥、化肥施用量以及畜禽養(yǎng)殖場的畜禽排泄量的基礎(chǔ)上，預(yù)測2020、2030年農(nóng)業(yè)面源污染的污染情況，并利用GIS對全市分鄉(xiāng)鎮(zhèn)的計算結(jié)果進行空間化、數(shù)字化的展布，從展布的效果對農(nóng)業(yè)面源污染進行空間、時間的分析，為鄂州市農(nóng)業(yè)面源污染的治理提供參考。

2 資料與方法

2.1 研究區(qū)域概況

鄂州市位于湖北省東南部，長江中游南岸，地跨東經(jīng) 114°32′～115°05′，北緯 30°01′～30°36′，西接“九省通衢”武漢，東連“礦冶之城”黃石，北與黃岡隔江相望，南同咸寧瀕湖毗鄰。鄂州地理位置極為優(yōu)越，距省會武漢市僅 60 km，東至上海，西達重慶的水路距離均在 1 100 km 左右。鄂州處于武漢城市圈的核心層，充分享有武漢大都市的經(jīng)濟輻射，部分地區(qū)已與武漢形成半小時經(jīng)濟圈，整個鄂州也即將與武漢形成一小時經(jīng)濟圈。

鄂州市現(xiàn)轄鄂城、華容、梁子湖3個縣級行政區(qū)和葛店、鄂州兩個經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，以及鳳凰、古樓、西山3個直管街道。鄂城區(qū)轄汀祖、碧石渡、澤林、燕磯、杜山、花湖、楊葉、長港等8個鎮(zhèn)和花湖新城(花湖鎮(zhèn)、楊葉鎮(zhèn)、沙窩鄉(xiāng))、主城區(qū)(鳳凰、古樓、西山直管街道、新廟鎮(zhèn)、鄂州開發(fā)區(qū))；華容區(qū)轄葛華新城(華容、廟嶺、葛店開發(fā)區(qū))、段店鎮(zhèn)和臨江、蒲團2個鄉(xiāng)；梁子湖區(qū)轄東溝、太和、涂家垴、沼山、梁子等5個鎮(zhèn)(如圖1)。鄂州市屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，初夏多雨，秋伏干旱。全年日照2 038 h，年平均氣溫17.1℃，年平均降雨量1 323.1 mm，降雨總量18.85×108m3。

鄂州市水系發(fā)達，河網(wǎng)密度0.381 km/km2，市級層面上，水域所占國土比重居全國第一位。農(nóng)田、人口主要分布在30 m高程線以下，地市低洼，面源污染容易產(chǎn)生。近年來，鄂州市農(nóng)業(yè)種植中的農(nóng)藥、化肥的施用并不合理，平均施肥量為1 535.7～2 057.7 kg/hm2，遠遠超出了我國化肥、農(nóng)藥平均使用強度375 kg/hm2。此外，養(yǎng)殖場的畜禽糞便的處理方式一般為自然堆積，并未實施雨污分流措施，這對鄂州市的土壤、水體、大氣、居民生活環(huán)境等都造成了嚴重的污染。

2.2 數(shù)據(jù)源

本次研究所需要的耕地、農(nóng)藥、化肥折純量、畜禽存出欄量等原始數(shù)據(jù)均來自于2010-2015年《鄂州市統(tǒng)計年鑒》，部分數(shù)據(jù)來源于前人發(fā)表的文獻以及有關(guān)部門標(biāo)準，見表1。

2.3 研究方法

以鄂州市鄉(xiāng)鎮(zhèn)為計算單元，以前人研究的成果與國家標(biāo)準化產(chǎn)污系數(shù)為基礎(chǔ)，通過Excel軟件對年鑒中的農(nóng)藥、化肥、非規(guī)模養(yǎng)殖畜禽數(shù)據(jù)進行處理，并將處理后的數(shù)據(jù)鏈接到GIS當(dāng)中，利用鄂州市分鄉(xiāng)鎮(zhèn)GIS底圖對處理結(jié)果按照污染強度進行展布。

對于農(nóng)藥、化肥源，從鄂州市農(nóng)業(yè)局得到2015年鄂州市農(nóng)藥、化肥折純量為87 464 t，其中氮肥、磷肥、鉀肥、復(fù)合肥分別為35 010、25 286、10 540、16 628 t。農(nóng)藥、化肥污染中TN、TP、氨氮污染的產(chǎn)生系數(shù)有關(guān)資料以及鄂州市農(nóng)田徑流監(jiān)測結(jié)果表明，氮肥、磷肥在土壤中的平均殘留率分別為30.3%、13.2%，地面徑流率分別為9.5%、5.3%，地下淋溶率分別為0.54%和0.75%[10]。在此基礎(chǔ)上計算鄂州市農(nóng)業(yè)面源污染當(dāng)中的農(nóng)藥、化肥污染入河量，并按照統(tǒng)計年鑒中化肥、農(nóng)藥近5年的變化趨勢預(yù)測2020、2030年化肥的折純量。

表1 2010-2015年鄂州市耕地及化肥、農(nóng)藥施用量變化

對于畜禽養(yǎng)殖源，從《2015年鄂州市統(tǒng)計年鑒》中查閱到規(guī)模、非規(guī)模畜禽養(yǎng)殖數(shù)量(牛、羊、豬、家禽等存出欄數(shù))，2015年鄂州市牲豬、家禽、牛、羊規(guī)模養(yǎng)殖數(shù)為895 950頭、6 790 000只、8 490頭、15 490頭，牲豬、家禽、牛、羊非規(guī)模養(yǎng)殖數(shù)為250 843頭、8 898 325只、1 330頭、1 152頭。單只畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)污系數(shù)見表2，畜禽養(yǎng)殖源污染物的產(chǎn)生可以通過下式估算[11]：

Wi=Qi·ai

(1)

式中：Wi為畜禽養(yǎng)殖源的污染物產(chǎn)生量，t/a；Qi為第i種畜禽的數(shù)量；ai為第i種畜禽每頭(只)糞便中污染物的產(chǎn)生系數(shù)，kg/a。

按照《“十三五”環(huán)保約束性指標(biāo)管理辦法》中2015年主要水污染物總量減排核算細則中有關(guān)畜禽糞便排泄系數(shù)的數(shù)據(jù)進行計算，根據(jù)鄂州市關(guān)于畜禽養(yǎng)殖的規(guī)劃，到2020年，非規(guī)模畜禽養(yǎng)殖場由于污染入河量較大，應(yīng)采取關(guān)停措施，2020、2030年規(guī)模養(yǎng)殖場的養(yǎng)殖規(guī)模按照近6年畜禽養(yǎng)殖變化趨勢預(yù)測，并按照排泄系數(shù)計算污染物的產(chǎn)生量。畜禽養(yǎng)殖入河系數(shù)通過查閱文獻以及對鄂州市部分畜禽污染物入河調(diào)查，綜合確定后取0.002，非規(guī)模入河系數(shù)來源于2000年全國污染調(diào)查中長江區(qū)非點源污染入河系數(shù)[12]，其中CODCr系數(shù)為0.136，氨氮系數(shù)為0.1，TN系數(shù)為0.19，TP系數(shù)為0.112。

表2 蓄禽養(yǎng)殖氮、磷產(chǎn)污系數(shù)表

3 結(jié)果與分析

3.1 農(nóng)藥、化肥污染

隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)展，鄂州市農(nóng)藥、化肥的施用量呈逐年減少的趨勢，本次對未來水平年化肥、農(nóng)藥施用量按2010-2015年農(nóng)用化肥、農(nóng)藥折純率-6.15%計算，由統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2015年為鄂州市化肥、農(nóng)藥施用量最低的一年，現(xiàn)階段鄂州市耕地面積為56 953.33 hm2，平均施肥量達到1 535.7 kg/hm2，嚴重超出發(fā)達國家為防止化肥、農(nóng)藥對水體造成污染而設(shè)置的 225 kg/hm2的警戒線?？梢?，鄂州市化肥、農(nóng)藥的施肥情況存在著嚴重的不合理情況，不合理的施肥導(dǎo)致氮、磷等富營養(yǎng)化物質(zhì)隨著降雨后的徑流流入河湖、水庫等，給鄂州市地表水造成了嚴重的污染，更為嚴重的是，根據(jù)國內(nèi)學(xué)者的有關(guān)研究，當(dāng)?shù)氐氖┓柿砍^150～200 kg/hm2時，化肥、農(nóng)藥中的氮素很有可能會溶于雨水和灌溉水中進入到河流和湖泊中，或者通過通過地下淋溶的方式轉(zhuǎn)移到地下水中引起硝酸鹽污染[13]。針對目前鄂州市化肥、農(nóng)藥的不合理施用情況，鄂州市農(nóng)業(yè)部門有必要有針對性的提出各種不同農(nóng)作物的合理施肥建議，從而減輕化肥、農(nóng)藥對鄂州市水體的污染。2015年鄂州市化肥、農(nóng)藥產(chǎn)生的總氮、總磷入河總量分別為2 850.04、1 305.59 t；2020年總氮、總磷入河總量分別為2 382.03、850.78 t；2030年總氮、總磷入河總量分別為1 590.74、503.84 t。

3.2 畜禽養(yǎng)殖污染

由鄂州市分鄉(xiāng)鎮(zhèn)規(guī)模養(yǎng)殖場、非規(guī)模養(yǎng)殖畜禽數(shù)量以及《“十三五”環(huán)保約束性指標(biāo)管理辦法》中2015年主要水污染物總量減排核算細則中有關(guān)畜禽糞便排泄系數(shù)得出2015年畜禽養(yǎng)殖總氮、總磷的產(chǎn)生量，結(jié)合2000年全國污染調(diào)查中長江區(qū)非點源污染入河系數(shù)得出總氮、總磷的入河量?！吨袊虚L期食物發(fā)展戰(zhàn)略》、《全國畜牧業(yè)發(fā)展第十三個五年規(guī)劃》等都要求畜禽養(yǎng)殖業(yè)仍要繼續(xù)增長，滿足更多的需求[14]，2015-2030年畜禽養(yǎng)殖業(yè)必定對水體環(huán)境帶來更大的污染負荷。為了減輕未來畜禽養(yǎng)殖對鄂州市環(huán)境污染的壓力，采取有效措施減少污染。查閱《2015年鄂州市統(tǒng)計年鑒》，得到近5年鄂州市畜禽平均增漲比例，以此預(yù)測2020、2030年鄂州市分區(qū)畜禽數(shù)量。豬、羊增長率為1.2%，牛的增長率為2.36%，家禽增長率為1.96%。結(jié)果顯示，2015年鄂州市畜禽規(guī)模養(yǎng)殖場總氮、總磷入河總量分別為146.25、55.35 t；非規(guī)模養(yǎng)殖場總氮、總磷入河總量分別為471.93、296.36 t；2020年畜禽規(guī)模養(yǎng)殖場總氮、總磷入河總量分別為313.17、45.59 t；2030年畜禽規(guī)模養(yǎng)殖場總氮、總磷入河總量分別為604.37、145.75 t。

4 討 論

4.1 化肥、農(nóng)藥氮磷入河量分布

未來水平年鄂州市通過減少化肥、農(nóng)藥的施用量，對不同農(nóng)作物進行合理施肥，能夠大幅度的減少污染物的入河量。呂俊[15]通過對杭州市水環(huán)境容量的計算，并運用GIS對污染物入河量效果進行了展布。本文通過對鄂州市不同水平年農(nóng)業(yè)污染物入河量的計算，運用GIS對不同水平年污染物入河量進行展布[16-17]，得到 2015、2020、2030年污染物入河量的效果圖，如圖2、3所示。由展布的效果來看，2015年化肥、農(nóng)藥源污染主要集中在葛華新城以及涂家垴兩處，2020、2030年通過減少農(nóng)藥、化肥的使用以及對農(nóng)作物的合理施肥來減少氮、磷污染物的入河。此外，鄂州市積極推廣農(nóng)田氮磷流失攔截工程，通過灌排分離，將排水渠改造為生態(tài)溝渠，針對不同灌區(qū)的排水特點，合理設(shè)計生態(tài)溝渠的規(guī)模與形式，對農(nóng)田損失的氮磷養(yǎng)分進行有效攔截，以控制氮、磷污染物的入河量。未來水平年總氮、總磷的入河量大幅度減少，表明鄂州市對減少化肥、農(nóng)藥源中的氮、磷污染物入河量的措施是行之有效的。

圖1鄂州市三區(qū)及鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政劃分

圖2鄂州市不同水平年農(nóng)藥、化肥總氮入河量效果圖

4.2 畜禽養(yǎng)殖氮磷入河量分布

通過對不同水平年蓄禽養(yǎng)殖業(yè)污染物入河量計算，運用GIS對入河量的結(jié)果進行展布得到 2015、2020、2030年蓄禽養(yǎng)殖源污染物入河量的效果圖，如圖4、5所示。

從展布的效果來看，2015年畜禽養(yǎng)殖源污染物主要集中在葛華新城、太和、沙窩、楊葉、花湖幾個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，這是由于這幾個鄉(xiāng)鎮(zhèn)非畜禽養(yǎng)殖數(shù)量較多，2020、2030年在規(guī)模養(yǎng)殖場養(yǎng)殖規(guī)模繼續(xù)擴大的條件下，鄂州市通過對非規(guī)模養(yǎng)殖場采取關(guān)停措施，能夠有效的減少畜禽排泄物中總氮、總磷的入河量。在規(guī)模養(yǎng)殖增加的前提下，畜禽養(yǎng)殖污染物入河量明顯減少，說明鄂州市的非規(guī)模養(yǎng)殖業(yè)對水體污染占畜禽養(yǎng)殖業(yè)的比重較大，未來水平年鄂州市采取的關(guān)停非規(guī)模養(yǎng)殖場的措施對于緩解污染物入河量有著顯著的效果。

圖3鄂州市不同水平年農(nóng)藥、化肥總磷入河量效果圖

圖4鄂州市不同水平年畜禽養(yǎng)殖總氮入河量效果圖

圖5鄂州市不同水平年畜禽養(yǎng)殖總磷入河量效果圖

5 結(jié) 論

(1)從時間尺度上來看，在合理施肥的條件下，逐年減少農(nóng)藥、化肥的施用量，未來水平年能夠大幅度減少污染物中氮磷的入河量；從空間尺度上，葛華新城、涂家垴鎮(zhèn)的農(nóng)藥、化肥污染物在未來水平年削減最多。

(2)未來水平年鄂州市在保證畜禽產(chǎn)量增加的條件下，采取關(guān)停非規(guī)模養(yǎng)殖場的措施，能夠減少畜禽排泄物中氮磷污染物的入河量。

(3)畜禽養(yǎng)殖業(yè)2030年比2020年污染物入河量略有增加，這是由于規(guī)模養(yǎng)殖的畜禽數(shù)量上逐年增加。

本文以鄂州市農(nóng)業(yè)污染源為研究對象，詳細論述了農(nóng)業(yè)的污染源的產(chǎn)排過程，希望為鄂州市農(nóng)業(yè)面源污染的防治提供幫助。