越南農耕區施肥方式轉變對農業污染負荷的影響

[日本] 　P.H.江 等

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試驗與研究

越南農耕區施肥方式轉變對農業污染負荷的影響

[日本] P.H.江 等

摘要：發展中國家農村地區經濟社會的快速發展引起了農田廢棄物和施肥管理的變化，導致水體污染。為了有效預測農田營養物質循環及其對水環境的影響，針對Nhue-Day流域內的一個農業集水區1980～2010年間的農業活動，開發了氮磷養分通量模型?；谠撃Ｐ脱芯苛巳诵蠹S便處置及化肥施用量的變化，為了解稻田對農業集水區環境污染的影響提供了基本信息。研究結果表明，不僅在Nhue-Day流域，也包括在亞洲其他的農業集水區，均應采取適當措施，減少化肥施用量，促進人畜糞便用于農業生產，從而促進充分的物質循環。

關鍵詞：農業污染；施肥方式；Nhue-Day流域

1概述

數十年來，主要以人畜糞便作為農田肥料的作物-家畜系統，是亞洲傳統的農業生產模式。然而，近年來經濟的快速增長導致廢棄物利用管理發生了改變，隨之營養物質流也相應發生變化。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，大量農業上未得到利用的人畜糞便流入魚塘，或直接排入附近水體，導致農業集水區水環境污染逐步加劇。

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

該研究旨在從流域層面了解越南典型農耕區農業生產活動的歷史演變，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，其下游地區農業生產一直比較活躍，農田灌溉水交易平臺建立時間久遠。越南2006年環境公報指出，該流域營養負荷一直處于警戒水平，其中流域農業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荷，該研究也旨在通過開發氮磷物質流模型對稻田營養物質循環進行評估，并分析其對集水區環境污染的影響。

2材料和方法

2.1研究區域

研究區位于越南首都河內郊區的德賴(Trai)村莊。德賴村沿Nhue河岸，距該源頭約40 km。研究區域基本信息見表1。當地居民主要以種植業為生，大米是主要農產品。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，如同流域內其他農業社區，與印度尼西亞、中國的情況也類同。當地居民引取河水用于稻田灌溉，之后再將稻田內農業污水用泵抽回到河道。

表1　研究區域基本信息

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　物質流模型示意

2.2物質流模型開發

圖1為2012年江等學者開發的研究稻田營養平衡的物質流模型。該模型應用于德賴村莊的研究。表2通過矩陣方式列出稻田內各子項的作用過程。系統的所有子項(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；(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為優良k和l狀態下的單元子項數據，g /單位數量/a；Ck和Cl為優良狀態下k和l的總量；Rk和Rl為優良k和l狀態下從一個子項轉移到另一個子項的比例。

變化量不能用單元價值法，但可根據質量守恒定律進行計算：

(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過程。每個過程的反應速率表示在矩陣的最右列。該矩陣主要說明發生在每個子項的反應過程所占的比重。因此，單個子項的凈反應速率受到許多不同反應過程的影響。根據質量守恒定律，子項X4的凈反應速率r4為:

(4)

式中,i代表過程(i=1～14);∑S代表研究區域總面積，hm2。

2.3資料收集

表3列出了物質流計算必需的資料。用格式化問卷調查的方式來獲得有關廢物管理方面的資料，包括人畜糞便、餐廚垃圾、中水、農業廢棄物。從歷史文獻中收集固廢成分資料，如人類糞便或化學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、磷發生變化，主要是因為該地區經濟社會快速發展對Nhue河的水質產生了實質性的影響。從越南環境保護管理局(VEA)的環境監測中心收集到該河2007年總氮和總磷的相關資料，盡管2000～2010年中期該區域經濟社會持續增長，但基本可以認為1980～2007年間污染負荷沒有發生顯著改變。

3結果與討論

3.1稻田施用農家肥/有機肥的歷史演變

圖2給出了來自于人畜糞便農家肥/有機肥的營養物質量的歷史演變。由圖可知，由于人口增長，人畜糞便氮磷營養負荷從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，稻田施用農家肥的氮磷比例大幅下降。越南稻田施用農家肥/有機肥的歷史悠久。1980年，稻田施氮肥35 kg/hm2，磷肥7 kg/hm2，其中85%來源于農家肥/有機肥，稻田施用農家肥/有機肥很普遍。近年來，施用化肥較為便利，利用人畜糞便的傳統施肥量逐漸下降。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家肥/有機肥施用于稻田，而是直接進入化糞池/沼氣系統和魚塘。

這些氮磷負荷變化可能是現代化進程發展的結果，影響廢棄物管理和營養物質末端循環動力。收集居民糞便并作為農家肥/有機肥的干廁，已逐漸被抽水馬桶取代。2010年44%的家庭使用抽水馬桶，人糞不再用于農業生產，取而代之的是將糞便排放到化糞池或直接排放。此外，2003年越南針對畜禽養殖業，特別是養豬業，實施沼氣項目。在越南城市郊區和農村均實施了此類項目，以增加農民收入，同時減少環境污染。2006年該研究區域引進沼氣項目。然而，事實上只有16%的養豬家庭建了沼氣系統來處置豬糞，大約53%的家庭將豬糞排入魚塘。預計排入魚塘的豬糞數量將會持續增加，因為農民認為豬糞比其他飼料喂魚能使魚更快地生長。因此，該研究區域內，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

盡管傳統上將人畜糞便作為農家肥/有機肥，但現今化肥已廣泛應用于稻田。圖3示明了來自于化肥和農家肥/有機肥的營養物質的變化過程。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。將這些變化與農家肥/有機肥的營養物質輸入進行對比發現，峰值出現在2000年。這表明稻田大量施用農家肥/有機肥可減少化肥的使用。盡管政府政策支持發展畜牧業生產，但稻田農家肥/有機肥的施用量還是逐漸減少。由于經濟發展，如今使用化肥比農家肥/有機肥作為肥料更有優勢。據聯合國環境規劃署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，預計這一結果還會不斷上升。

3.3稻田營養平衡的歷史演變

圖4和圖5為1980年和2010年稻田氮磷平衡圖?；?、灌溉水、農田徑流和農產品是稻田氮素流通的主要環節?；省⑥r產品、土壤累積和遷移是磷素流通的主要環節。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年化肥中氮貢獻率分別占總量的47%和40%，磷貢獻率分別為74%和65%。2010年稻田施用化肥的氮為174 kg/hm2/a，磷為59 kg/hm2/a?；手械闹笜送《饶嵛鱽喣承×饔騼纫恍〈迩f的研究成果一致。該區域2010年灌溉用水輸入的營養物質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域灌溉水源的水質問題。2012年越南環境保護管理局(VEA)環境監測中心資料顯示，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物質輸入沒有顯著影響。1980年和2010年，稻田氮磷營養物質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荷居高不下。氮磷負荷之間的差異在一定程度上可解釋為，氮主要隨農田徑流進入水體，磷主要沉積在土壤中。

表3　物質流計算必需的基本資料

圖2　來自于人畜糞便的農家肥/有機肥的氮磷營養物質量

圖3　化肥和農家肥/有機肥的氮磷施用量歷年演變

圖4　稻田內氮素平衡示意(kg/hm2/a)

圖5　稻田磷元素平衡示意(kg/hm2/a)

充分的物質循環，需要減少化肥消費，并促進人畜糞便的應用。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/沼氣系統排放到環境中。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行施肥管理，也有助于改善整個小流域的水環境。

4結語

該研究探討了越南Nhue-Day流域內一農業集水區氮磷通量現狀和歷史演變。近年來，廢棄物不再得到回收利用，化肥已成為優先施用的肥料。2010年研究區農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，導致水體環境氮污染負荷加重。磷肥施用過量則會導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業集水區環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更好管控固廢和施肥活動的系統干預措施。不僅在Nhue-Day流域，也包括在亞洲其他的農業集水區，均應采取適當措施，減少化肥施用量，促進人畜糞便用于農業生產，從而促進充分的物質循環。

邱訓平柯學莎譯

(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

文獻標志碼：A