太湖流域池塘養(yǎng)殖污染排放估算及其空間分布特征*

彭凌云，遆超普，李恒鵬，王良杰，顏曉元

(1:南京林業(yè)大學林學院,江蘇省南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210037) (2:中國科學院南京土壤研究所,土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室，南京 210008) (3:中國科學院南京地理與湖泊研究所,湖泊與環(huán)境國家重點實驗室，南京 210008)

近年來，農(nóng)業(yè)源污染逐漸成為影響區(qū)域水環(huán)境的重要因素. 水產(chǎn)養(yǎng)殖源污染作為農(nóng)業(yè)源污染的重要來源之一，得到了越來越多的學者關(guān)注和研究[1-3]. 據(jù)我國農(nóng)業(yè)部漁業(yè)局發(fā)布的《2018年中國漁業(yè)統(tǒng)計年鑒》[4]顯示，2017年我國水產(chǎn)養(yǎng)殖面積達7449.03千hm2，其中池塘養(yǎng)殖面積2527.78千hm2，占淡水養(yǎng)殖面積的47.12%. 據(jù)我國2010年《第一次全國污染源普查公報》[5]顯示，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)(包括重點流域)總氮(TN)排放量為10.36萬t，TP排放量為1.97萬t，化學需氧量為68.50萬t，分別占農(nóng)業(yè)污染源排放量的3.83%、6.92%和5.17%，分別占全國排放總量的2.19%、4.65%和2.26%. 根據(jù)歐陽佚亭等[6]的估算，2014年我國28個省、自治區(qū)、直轄市24種淡水池塘養(yǎng)殖魚類TN、總磷(TP)和化學需氧量(COD)污染排放分別為61388、11273和592288 t.

太湖流域是我國經(jīng)濟發(fā)展最具活力的地區(qū)之一，但近年來，尤其是2007年藍藻暴發(fā)之后，水體污染嚴重影響了該地區(qū)社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展. 2014年太湖健康狀況報告顯示，太湖營養(yǎng)指數(shù)處于中度富營養(yǎng)程度，藍藻數(shù)量處于不健康狀態(tài)，相較于2007年，水質(zhì)雖有好轉(zhuǎn)趨勢，由劣Ⅴ類變?yōu)棰躅?，但還沒有達到健康狀態(tài)[7]. 太湖地區(qū)以淡水水產(chǎn)養(yǎng)殖為主，其中又以池塘養(yǎng)殖為主要養(yǎng)殖方式，大量研究顯示[8-10]，池塘養(yǎng)殖存在許多問題，養(yǎng)殖戶往往采用高密度、高投入、高產(chǎn)出的養(yǎng)殖模式，飼料或肥料的過剩極易造成氮磷等污染物的超標排放，引起周圍水體的富營養(yǎng)化和水質(zhì)惡化.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

太湖流域(圖1)位于長江三角洲南翼，流域面積為36895 km2，由沿江濱海平原區(qū)、中部平原區(qū)和西部低山丘陵區(qū)構(gòu)成，湖區(qū)面積達2338 km2. 流域?qū)賮啛釒Ъ撅L氣候，四季分明，降水豐富，多年平均氣溫為14.9～16.2℃，多年平均降雨量為1177 mm. 太湖流域水網(wǎng)密布，主要水系包括苕溪、南河、洮滆、黃浦江、杭州灣水系等，是我國城市分布最密集、經(jīng)濟發(fā)展最有活力的地區(qū)之一，由于淡水資源豐富，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達，由于高密度、高強度等不合理養(yǎng)殖模式等造成的水體污染比較嚴重[16-17].

1.2 樣品采集與分析

1.3 入戶調(diào)研與統(tǒng)計數(shù)據(jù)

在2014-2015年間共進行3次入戶調(diào)研，選取太湖流域江蘇省、浙江省和上海市的一批具有代表性的池塘養(yǎng)殖戶展開全面調(diào)查，多次實地調(diào)查多家池塘養(yǎng)殖農(nóng)戶和企業(yè)，與養(yǎng)殖戶進行交流. 通過入戶調(diào)研，全面了解和掌握了太湖流域池塘養(yǎng)殖的具體情況，主要包括養(yǎng)殖模式、養(yǎng)殖規(guī)格、養(yǎng)殖面積/體積、養(yǎng)殖周期、苗種、投放量、水體交換情況，換水頻率、換水比例、換水總量、排水去向、飼料肥料名稱、主要成分及施用量、施用方法等. 并通過查閱太湖流域各個地區(qū)的統(tǒng)計資料，獲取各區(qū)魚、蝦、蟹池塘養(yǎng)殖面積.

圖1 研究區(qū)、池塘湖庫及采樣點分布Fig.1 Study area, ponds, lakes and sampling sites in the Taihu Basin

1.4 遙感解譯

為獲取太湖流域各地區(qū)池塘養(yǎng)殖的面積和詳細空間分布數(shù)據(jù)，本研究通過eCognition軟件運用面向?qū)ο蟮姆治龇椒▽?014-2015年太湖流域的遙感影像進行解譯，利用ARC/INFO進行拓撲檢查，然后自動統(tǒng)計不同土地利用類型的面積，最后在ArcMap10.3中提取出池塘養(yǎng)殖的面積和空間分布. 影像資料來自資源三號衛(wèi)星，分辨率為5.8 m. 初步解譯完成后，利用野外實際采樣GPS定位驗證解譯所得土地利用類型和池塘養(yǎng)殖面積，其總精度達到90.21%，符合遙感解譯精度要求.

1.5 污染排放計算

根據(jù)入戶調(diào)研，太湖流域主要有魚、蝦、蟹3種養(yǎng)殖類型，以常熟為例，魚、蝦、蟹養(yǎng)殖面積占池塘養(yǎng)殖總面積的98%以上. 因此，研究中分別在溧陽、宜興、湖州、蘇州、常熟地區(qū)設置了野外觀測點，對3種養(yǎng)殖種類的池塘養(yǎng)殖污染物濃度進行測定，并分別計算排放系數(shù)，最后利用各區(qū)統(tǒng)計資料3種池塘養(yǎng)殖面積計算整個流域池塘養(yǎng)殖污染物排放量. 鑒于個別地區(qū)統(tǒng)計資料中各類養(yǎng)殖池塘面積的缺失，我們采用3類池塘排放的污染物平均值及遙感解譯獲取的池塘面積計算.

池塘養(yǎng)殖污染物排放系數(shù)計算公式如下：

Pkj=∑iQi·ΔCi

(1)

式中,Pkj為池塘養(yǎng)殖第k種養(yǎng)殖類型(魚、蝦、蟹)的第j種污染物的排放系數(shù),kg/hm2；Qi為第i次換水時的排水量,m3；ΔCi為第i次換水時進水污染物濃度與出水污染物濃度的差值,mg/L.

池塘養(yǎng)殖污染物排放量計算公式如下：

Fj=∑jPj·Sj

(2)

式中,Fj為池塘養(yǎng)殖第j種污染物的排放量,kg；Sj為池塘養(yǎng)殖的面積,hm2.

2 結(jié)果與分析

2.1 池塘養(yǎng)殖污染物排放系數(shù)

結(jié)合池塘排/換水數(shù)據(jù)，2014-2015年間太湖流域池塘養(yǎng)殖不同養(yǎng)殖類型的各類污染物排放系數(shù)如表1所示.

表1 太湖流域池塘養(yǎng)殖各污染源排放系數(shù)(kg/hm2)

2.2 池塘養(yǎng)殖污染物排放量

2.3 池塘養(yǎng)殖污染源排放空間分布特征

圖2 太湖流域池塘養(yǎng)殖污染物排放量的空間分布Fig.2 Spatial distribution of pollutant discharge from pond farming in the Taihu Basin

3 討論

3.1 池塘養(yǎng)殖污染源排放系數(shù)和排放量

本研究中太湖流域不同池塘養(yǎng)殖類型污染物排放系數(shù)由大到小排序是：魚類>蟹類>蝦類，魚類池塘養(yǎng)殖污染物排放系數(shù)遠遠大于蝦蟹類. 與戴捷等[19]、陳家長等[20]、陳東興[21]等的研究對比發(fā)現(xiàn)，本研究中TN、TP的總體排放系數(shù)相對較小，主要由于研究區(qū)內(nèi)河蟹養(yǎng)殖與青蝦養(yǎng)殖比例較高，以常熟市為例，該地區(qū)青蝦、河蟹養(yǎng)殖面積占常熟市池塘養(yǎng)殖面積的31.3%，TN排放系數(shù)為18.0 kg/hm2，而傳統(tǒng)草魚養(yǎng)殖排放系數(shù)為73.4 kg/hm2，遠遠高于青蝦河蟹養(yǎng)殖排放系數(shù)，較高的河蟹養(yǎng)殖比例導致了該地區(qū)較低的污染排放系數(shù)，同時高月香等[22]對江蘇代表性水產(chǎn)養(yǎng)殖排污系數(shù)測算研究發(fā)現(xiàn)，河蟹養(yǎng)殖的TN和TP排放系數(shù)分別為26.09和4.11 kg/hm2，遠低于魚類養(yǎng)殖的TN和TP排放系數(shù)(52.02和8.26 kg/hm2)，這與本研究的結(jié)果相似，主要原因在于河蟹、青蝦等養(yǎng)殖品種因其食用水生植物、鮮活飼料和動物尸體等，投放富含氮、磷等餌料的量較少，并且河蟹、青蝦等養(yǎng)殖塘的表層排水方式降低了排水過程中對底泥的擾動，降低了底泥中氮、磷等污染物的流失. 陳昕等[14]的研究指出，池塘淡水魚養(yǎng)殖的CODCr排放系數(shù)高達199.10 kg/hm2，而餌料的投放是水產(chǎn)養(yǎng)殖CODCr的主要來源，養(yǎng)殖水體封閉，養(yǎng)殖方式密集，換水次數(shù)較少，都會導致池塘養(yǎng)殖CODCr排放系數(shù)偏高.

太湖流域池塘養(yǎng)殖總面積為230000 hm2，占整個流域水產(chǎn)養(yǎng)殖總面積的93.3%，是太湖流域最主要的水產(chǎn)養(yǎng)殖方式[23]. 本研究中太湖流域池塘養(yǎng)殖污染物排放量依次為CODCr(8.0×107kg)>TN(6.1×106kg)>TP(1.3×105kg). 與其他學者的研究成果[12,21]對比發(fā)現(xiàn)，本研究的結(jié)果偏小，主要原因在于本研究中考慮的是排換水，水樣只包括進水和排水，測算出來的污染物濃度表征了水體中的可溶態(tài)和懸浮態(tài)污染物，并不涉及沉積在池塘底泥中的污染物. 有研究顯示，池塘養(yǎng)殖過程中有14%的氮[24]和51%的磷[25]沉積到底泥中.

3.2 池塘養(yǎng)殖污染源排放的空間分布特征

池塘養(yǎng)殖污染物排放空間分布總體為位于太湖西北部的江蘇省宜興市、溧陽市、金壇市、常州市市轄區(qū)及丹陽市，太湖南部的浙江省湖州市市轄區(qū)、德清縣、江蘇省吳江市，太湖東北部的江蘇省昆山市、常熟市、蘇州市市轄區(qū)池塘養(yǎng)殖污染物排放較高，這些地區(qū)池塘養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達，是造成排放較高的主要原因.

區(qū)域養(yǎng)殖面積的差異是影響池塘養(yǎng)殖污染排放空間分布特征的重要因素之一. 本研究區(qū)內(nèi)湖州市池塘養(yǎng)殖最為發(fā)達，池塘養(yǎng)殖面積居太湖流域各縣市之首，占太湖流域池塘養(yǎng)殖總面積的13.5%，這也直接造成了湖州市市轄區(qū)污染的高排放. 另外，通過實地調(diào)查走訪，發(fā)現(xiàn)湖州市主要池塘養(yǎng)殖種類為草魚、鱸魚等，部分混養(yǎng)青蝦、河蟹等. 淡水池塘養(yǎng)殖草魚需要投放大量的養(yǎng)殖飼料，與河蟹、青蝦等養(yǎng)殖鮮活飼料不同，草魚養(yǎng)殖飼料不僅量大而且富含氮磷營養(yǎng)元素，而頻繁的換水排水將水體中多余的飼料排入受納水體，加重了區(qū)域污染排放.

環(huán)太湖縣市中，無錫市轄區(qū)的污染排放最小，主要由于早在2008年，無錫市就開始實行池塘養(yǎng)殖循環(huán)水技術(shù)，避免了將養(yǎng)殖廢水直接排入河流，提高了養(yǎng)殖水體的循環(huán)利用效率和飼料利用效率. 中華絨螯蟹等河蟹是東太湖區(qū)域的重要養(yǎng)殖種類，在現(xiàn)行養(yǎng)殖方式中，多流行多營養(yǎng)層次綜合養(yǎng)殖方式[26]，水草成為了河蟹養(yǎng)殖池塘的重要組成部分，不僅降低了飼料的投放量，更是可以吸收氨氮凈化水質(zhì)，因此這也造成了東太湖區(qū)域的池塘污染排放低于南太湖. 相比于環(huán)湖縣市，流域內(nèi)未與湖區(qū)直接接壤的縣市池塘養(yǎng)殖污染排放大多低于環(huán)湖縣市，通過查閱資料發(fā)現(xiàn)，一方面，浙江省海寧等縣市淡水池塘養(yǎng)殖以中華鱉和蝦類養(yǎng)殖為主導，中華鰲與蝦類養(yǎng)殖相對魚類養(yǎng)殖產(chǎn)生的污染較小；另一方面，部分縣市臨海，海水養(yǎng)殖是當?shù)仞B(yǎng)殖的主要方式，淡水池塘養(yǎng)殖規(guī)模較小，因此淡水池塘養(yǎng)殖所產(chǎn)生的污染排放也處于較低水準.

本研究部分地區(qū)(鎮(zhèn)江市轄區(qū)、丹陽、太倉等)池塘養(yǎng)殖面積小，未獲得魚、蝦、蟹的養(yǎng)殖面積，因此，利用遙感解譯獲得以上各地區(qū)池塘養(yǎng)殖面積，這部分池塘養(yǎng)殖的污染物排放總量通過觀測到的魚蝦蟹各類污染物的排放系數(shù)平均值與遙感解譯的面積獲取. 盡管這部分池塘面積占近太湖流域池塘養(yǎng)殖總面積的6.7%，對污染物排放總量影響較小，但通過以上方法獲取的這些地區(qū)的池塘污染物排放量仍有一定的不確定性.

3.3 池塘養(yǎng)殖污染源對太湖水體污染的貢獻

表2 太湖流域采樣池塘污染物排放濃度

3.4 池塘減排措施

在管理層面，浙江、上海和江蘇在太湖流域開展了流域生態(tài)治理、流域水環(huán)境綜合治理等來改善太湖水環(huán)境現(xiàn)狀，但是針對池塘養(yǎng)殖的規(guī)范管理仍停留在各縣市各自管理狀態(tài)，區(qū)域間發(fā)展存在不協(xié)調(diào)，流域尺度缺乏統(tǒng)一管理，現(xiàn)有管理制度需進一步完善加強，重視池塘養(yǎng)殖污染的危害，推行合理的池塘污染治理管理政策與策略，建立池塘養(yǎng)殖環(huán)境影響評估體系. 同時大力發(fā)展復合生態(tài)養(yǎng)殖方式，明確污染責任范圍，誰污染，誰治理. 加強池塘養(yǎng)殖污染防治宣傳教育，治理和宣傳相結(jié)合. 另外在治理過程中加強區(qū)域間合作交流，對重點污染區(qū)域進行針對性防控，本研究太湖流域池塘養(yǎng)殖源污染重點控制區(qū)域是湖州市、德清縣、宜興市等，應加強重視.