洞庭湖流域农业面源污染时空分异特征与防治建议_胡光伟.pdf

第 卷第 期 年 月环境生态学.农业与农村生态洞庭湖流域农业面源污染时空分异特征与防治建议胡光伟，梁业伟，庄少奇，马逸岚，冯海丽，张 明（湖南工业大学 城市与环境学院，湖南 株洲；湖南工业大学 农牧业废弃物资源化综合利用湖南省重点实验室，湖南 株洲；湖南省国土资源规划院，湖南 长沙）收稿日期：基金项目：教育部人文社科基金项目，洞庭湖流域农业面源污染影响因子识别与协同治理机制研究（）；湖南省教育厅一般项目，乡村振兴战略与新型城镇化战略耦合机制与协同治理研究（）；株洲市社科研究课题，株洲市新型城镇化与乡村振兴战略融合与协同机制研究（）；株洲市科技计划项目，基于 模型的现代农业生态节水技术补偿机制研究 以株洲市为例资助。作者简介：胡光伟（），男，河南固始人，博士，副教授，研究方向为湖泊水资源与水环境、农业面源污染，：。摘要：为深入解析洞庭湖湖区面源污染排放的时空分异特征，为流域面源污染治理提供理论支撑，采用统计分析、空间分析等方法估算湖区 个县（市区）年的污染物排放量。结果显示：）从时间变化看，年湖区化肥施用量（折纯）、农药施用量均呈现出先增长再下降的趋势；生猪、牛的粪尿排泄量占到各类畜禽粪尿排泄量的.，是湖区畜禽粪尿排泄的主要来源。）从空间分布看，高强度施肥区主要集中在中部和北部的县（市区）；农药投入方面，高农药施用强度（）的区域主要集中在湖区中部，与化肥施用强度的空间分布基本保持一致，从数量上看，农药施用强度高于 的县（市区）数量在减少；湖区的畜禽粪尿排放强度呈现出明显下降趋势，排放强度超过 和中排放强度区的县（市区）数量分别减少至 个和 个。关键词：农业面源污染；空间分析；时空分异；洞庭湖流域中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，；，），（），：，（，），：（），；.，（），（，）；，（），（，）；，（，）：；环 境 生 态 学第 期 农业面源污染主要由化肥、农药等有害物质、秸秆农膜等固体废弃物、畜禽养殖粪便、水产养殖饵料、农村生活垃圾等通过地表径流、土壤侵蚀、农田排水等形式进入水体环境所造成水体污染。农药和化肥的过量施用对农业环境造成严重污染，农业面源成为环境污染的治理难点。由于农业面源污染存在随机性强、污染源分散等特点，对其进行治理存在较大难度，面源污染成为导致江河湖泊等流域水质恶化的关键因素，。据调查，太湖流域的、来自于非点源污染，滇池、三峡库区等流域和湖泊污染也受到学者们的广泛关注。根据第二次全国污染源普查结果显示，年农业源、排放量分别为 .万、.万、.万、.万，分别占全国水污染物排放总量的.、.、.、.。洞庭湖流域农业发达，农药化肥过度使用、畜禽养殖废弃物等是造成洞庭湖流域农业面源污染的关键因素，给湖区水体、土壤等农业环境造成严重污染，导致湖泊富营养化急剧恶化，农村生态环境问题亟需改善。近年来，洞庭湖区加大环境综合整治力度，湖区环境有所改善，总磷等主要污染物年排放量逐步减少。但污染物排放总量仍大幅超过水环境容量，洞庭湖总体水质为类，营养状态指数为.，属于中营养状态。尤其是一些相对封闭的内湖，水质总体较差。洞庭湖流域化学需氧量、氨氮、总磷和总氮排放量分别为.万 、.万 、.万 和.万 ，水环境形势不容乐观。年农业部发布了重点流域农业面源污染综合治理示范工程建设规划（年，提出“十三五”期间，在洞庭湖、鄱阳湖、太湖等重点流域，选择农业环境问题突出、代表性强的小流域，加大源头控制，实施农业面源污染综合治理工程建设，到 年，建成一批综合示范区，为全面实施农业面源污染治理提供示范样板和经验。因此，构建多中心、全方位协同治理机制，不仅能够提高农业面源污染治理的效率、切实增加农民收入，而且对洞庭湖流域乃至全国的农业面源污染治理和生态环境改善具有重要意义。研究区域概况洞庭湖坐落于长江干流荆江南岸，流域水体面积 ，是中国第二大淡水湖泊，对长江中游调蓄洪水具有重要作用。洞庭湖流域包含长沙市望城区及岳阳、常德、益阳 市下辖的 个县（市区），常住人口 万人，土地总面积.，占全省总面积的。洞庭湖区作为中国的“鱼米之乡”，是全国商品粮生产基地，耕地总面积，占到全省耕地的，年农业总产值 亿元，湖区农业发达，造成了流域严重的农业面源污染问题。方法与数据.研究方法 空间分析法。将化肥及农药施用强度、畜禽粪尿排放强度通过 空间分析的方法直观地展示出来。化肥施用强度采用单位农作物播种面积施用的化肥数量（折纯量）来表示，农药施用强度采用单位农作物播种面积施用农药数量来表示，畜禽排泄物污染用畜禽粪尿排泄强度来表示，即单位土地面积的畜禽粪尿排泄量、畜禽饲养天数和年排泄系数参考李海鹏等的研究成果。统计分析法。以洞庭湖流域 个县（市区）为基本统计单元，对湖区 年化肥、农药、畜禽养殖等长时间序列数据进行统计，分析流域农业面源污染的时间变化特征，结合 空间分析，为判断化肥、农药及畜禽养殖污染程度的空间变化，以国际公认的化肥施用安全上限 、国家生态县市的考核指标 为划分依据，将化肥施用强度划分为 、和 个等级；农药施用强度划分为、和 个等级；不同畜禽的粪尿排泄量不同，根据原国家环保总局推荐的畜禽粪尿日排泄系数，参照武深树、李海鹏等研究，确定畜禽粪尿的排放系数，计算湖区各县（市区）的畜禽粪尿排放总量，再将畜禽粪尿排放强度划分为 、和 个等级。.数据来源选取洞庭湖区湖南省范围的 个县（市区）作为研究对象，鉴于数据统计口径的一致性，没有涉及湖北省的部分县区。研究所涉及的畜禽养殖、化肥、农药使用量、土地面积、农作物播种面积、人口等数据均根据 年的湖南统计年鉴湖南农村统计年鉴中国农村统计年鉴各县（市区）国民经济和社会发展统计公报整理和计算而来。年胡光伟等：洞庭湖流域农业面源污染时空分异特征与防治建议 结果与分析.洞庭湖区农业面源污染的时间变化特征.化肥污染据湖南农村统计年鉴数据显示（图、图），洞庭湖流域化肥施用量呈现出先上升再下降的趋势，年洞庭湖 个县（市、区）化肥施用量达.万（折纯量，下同），其中，氮肥.万，占.；磷肥.万，占.；钾肥.万，占.，平均每公顷播种面积施用化肥.；到 年，化肥施用量下降至.万，其中，氮肥.万，占.；磷 肥.万，占.；钾肥.万，占.，平均每公顷播种面 积 施 用 化 肥.，低 于 全 国 平 均 值（.），但超过国际公认的安全上限（）。化肥施用强度呈现一定程度的上升变化，主要原因是播种面积在下降，这与农村耕地的抛荒密切相关。图 洞庭湖流域化肥施用量年际变化 图 洞庭湖流域化肥施用强度年际变化 洞庭湖流域化肥施用量较高，但化肥施用结构不合理，氮肥施用量偏高，磷肥和钾肥比例较低，有机肥施用量较少，而农作物对氮肥的吸收率为，磷肥仅为 ，钾肥为 。据研究，化肥氮素流失率为.，磷素流失率为.，洞庭湖区氮、磷的损失率分别为.、.。未被作物利用的氮、磷经过地表径流、渗流或淋溶等作用进入土壤，破坏土壤结构，导致土壤酸化和板结、有机质含量降低和土壤供氮能力变弱等，；而且污染地下水，也会随水流和泥沙进入附近的河流、湖泊，导致水中藻类大量繁殖，消耗溶解氧，水体随之丧失自净能力，水体富营养化加重，严重时导致水体发臭。另外，有些蔬菜含有严重超标的亚硝酸盐，化肥中的重金属在环境中不断富集，被农作物吸收后，随食物链和食物网进入人体，损害人体健康。虽然在洞庭湖流域推广了测土配方施肥技术，但是普及率很低，未被广大农民接受。.农药污染洞庭湖是著名的鱼米之乡，农业发达，化学农药在农作物病虫害防治方面应用广泛。一方面，农药的使用可以提高农作物产量，增加农民收入；另一方面，农药含有有毒有害物质，对环境造成严重污染。省级层面也出台了一系列限制农药违规使用的政策，但为了追求高产和经济利益，违禁农药屡禁不止，给洞庭湖流域带来严重的面源污染。根据统计（图），年湖区农药使用量表现出先增加后下降的趋势，年，洞庭湖流域 个县（市区）的农药使用量为 .，占湖南省农药使用总量（.）的.，与 年的 相比，下降了.。图 洞庭湖流域农药施用量 根据周早弘等的研究，粮食、化肥、农药的年增长比例为 .，即粮食每增加 倍，化肥施用量增加.倍，农药增加.倍。流域内大都采用手动机械施药，农药的有效利用率低于，环 境 生 态 学第 期附着在植物体上的农药仅有，约 直接作用于害虫，其余 降落到地面或悬浮于空中，释放到环境中的农药，污染水源、土壤、农作物。据统计，湘阴县每年平均就有超过 头牛因食用含有农药的稻草而中毒死亡，。.畜禽养殖污染畜禽养殖是造成面源污染另一大来源，湖区畜禽养殖业发展较快，包括生猪、牛、羊、家禽等多种畜禽种类，一方面提高了养殖户的经济收入，另一方面，给湖区生态环境安全造成一定的威胁。根据湖南农村统计年鉴数据统计，年洞庭湖流域 个县（市区）生猪存栏 .万头，牛.万头，羊.万头，家禽 .万羽；到 年，生猪存栏.万头，牛.万头，羊.万头，家禽 .万羽。其中，生猪受非洲猪瘟疫情影响，存栏数呈现波动变化，年存栏数比 年减少了.万头；牛、羊存栏数也分别减少了.万头、.万头；家禽存笼数呈波动增加趋势，年比 年增加了.万羽（图）。图 畜禽养殖存栏数 从畜禽粪尿排泄量计算结果来看（图），年羊、家禽的粪尿排泄量分别为.万、.万；图 畜禽粪尿排泄量 年羊、家禽的粪尿排泄量分别为.万、.万，可以看出，羊、家禽的粪尿排泄量变化不明显。年生猪、牛的粪尿排泄量分别为.万、.万，年生猪、牛的粪尿排泄量分别下降至.万、.万，生猪、牛的粪尿排泄量呈现出明显的下降趋势，与彭瑛等、张艳春前期研究成果基本一致。根据不同畜禽类别粪尿排泄量占比情况来看（表），生猪、牛的粪尿排泄量是畜禽养殖污染的主要来源。年，生猪、牛的粪尿排泄量占比分布达到.、.。其中牛的粪尿排泄量最多。另外，畜禽粪便利用率不高，生猪粪便利用率为.，而 牛、鸡、鸭、羊 粪 便 利 用 率 分 别 只 有.、.、.、，未经利用的粪便经过日晒雨淋，流失到环境中，畜禽粪便土壤负荷为.，总氮、总磷土壤负荷值分别为.、.。另外，畜禽废水未做无害化处理，直接排入河流、湖泊中，造成水体污染、河水变臭、鱼类大量死亡，流域面源污染日益加剧。表 不同畜禽类别粪尿排泄量占比 （）年份生猪牛羊畜禽.洞庭湖区农业面源污染的空间分布.化肥污染空间分布根据 洞 庭 湖 区 化 肥 施 用 强 度 空 间 分 布 图（图）可知，年和 年，高强度施肥区主要集中在中部和北部的县（市区），施肥强度的年际变化不大，该区域是洞庭湖平原的核心区，地势 年胡光伟等：洞庭湖流域农业面源污染时空分异特征与防治建议平坦，多为冲积土壤，土壤肥沃，是我国重要的商品粮生产基地。年高强度施肥区包括石门县、澧县、临澧县等 个县（市区），化肥施用强度高于 ，中强度施肥区主要包括湘阴县、临湘市，化肥施用强度介于 ，达到国家生态县市的考核指标要求，低施肥强度区包括桃源县、安化县、望城区、岳阳楼区 个县区，施肥强度低于 ，达到国际公认的化肥安全施用上限 。（）年化肥施用强度（）年化肥施用强度图 化肥施用强度空间分布 .农药污染空间分布根据洞庭湖流域农药施用强度空间分布图（图）可以看出，农药施用强度高于 的县（市区）数量在减少，年高农药施用强度的县（市区）包括澧县、华容县、云溪区、资阳区、赫山区、汨罗市、望城区；年高农药施用强度的县（市区）包括华容县、汨罗市、湘阴县。从空间上来看，高农药施用强度（）的区域主要集中在湖区中部，与化肥施用强度的空间分布基本保持一致，说明农作物种植发达区域的化肥和农药施用量也较高。（）年农药施用强度（）年农药施用强度图 农药施用强度空间分布图 .畜禽养殖污染空间分布根据洞庭湖区畜禽粪尿排泄强度的计算结果看（图），年畜禽粪尿排放强度比 年有显著的下降趋势，畜禽粪尿排放强度大于 的县（市区）由 年的 个减少到 年的 个，仅剩津市市、华容县、资阳区和湘阴县的排放强度超过 ；而中排放强度区的县（市区）减少更为明显，由 年的 个县（市区）减少到 年的 个，仅剩澧县和临澧县 个县处于中排放强度区；低排放强度区的县（市区）个数明显增加，环 境 生 态 学第 期由 年的 个增加到 年的 个。（）年畜禽粪尿排泄强度（）年畜禽