環鄱陽湖城市群耕地面源污染時空演變研究*

肖 蔚 葉長盛 甘 鳳 蔡 鑫

(東華理工大學地球科學學院,江西 南昌 330013)

相比點源污染,面源污染具有不確定性、分散性、滯后性和隱蔽性等特點[1-2],而且造成的污染不易監督和防治。國家出臺了一系列面源污染防治的規劃和文件,截至2020年底,化肥和農藥連續4年呈現負增長,治理取得積極進展。但我國的化肥投入強度相對高,尤其是高經濟價值作物以及發達地區仍存在過量施肥問題,新型冠狀病毒感染疫情后國家又對糧食安全提出更高要求,環鄱陽湖城市群經濟的快速增長和城市化水平的迅速提高也可能導致新的耕地面源污染,這就使得面源污染防治形勢依然不容樂觀。

我國學者認為,化肥農藥的過量使用和牲畜規模化養殖是造成耕地面源污染的主要原因[3-5]。在面源污染的研究中,清單分析法比其他方法具有更大優勢,在實際應用中更具有可操作性,其污染負荷量的估算基于經驗核算參數和相關數據統計資料,操作簡單、所需參數較少,我國學者通過應用清單分析法取得了不少良好的研究成果。馬軍旗等[6]采用清單分析法探討了2003—2017年中國農業面源污染的空間差異;熊娜等[7]利用清單分析法測算了2008—2019年廣西農業面源污染物排放量和排放強度。但現有研究大多數以省級或市級為研究單元,對于縣級單元的面源污染時間格局演變特征研究相對不足。本研究對環鄱陽湖城市群56個縣(區、市)的耕地面源污染的時空演變特征進行了研究,為合理的區域環境和耕地可持續發展提供了理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

環鄱陽湖城市群位于江西省北部,長江中下游(26°57′N～30°04′N,113°34′E～118°28′E),由8個地級市(南昌、景德鎮、萍鄉、九江、新余、鷹潭、宜春、上饒),撫州市區、東鄉區、金溪縣、崇仁縣以及吉安市峽江縣、新干縣組成,該區域絕大部分縣(區、市)是農業縣,是我國重要的商品糧生產基地和蔬菜優勢產區,區域面積約9.23萬km2。該區域2020年耕地面積1.85萬 km2,糧食作物播種面積250.07萬hm2,糧食產量1 491.85萬t,分別占江西省的68.01%、66.95%、68.94%。近年來,環鄱陽湖城市群農業集約化程度不斷提高,畜禽養殖業和種植業發展迅速,但存在化肥農藥使用不合理和畜禽養殖糞污處理不達標等現象,由此產生的耕地面源污染會引發水體富營養化、農產品質量安全等問題,對人類健康構成嚴重威脅。

1.2 數據來源

耕地面源污染產污單元數據來自2006—2021年江西統計年鑒、中國農村統計年鑒、中國縣域統計年鑒、各地級市統計年鑒和縣(區、市)國民經濟和社會發展統計公報;耕地面積數據來自各地級市土地利用變更調查數據,個別年份缺失數據利用插值法和平滑數據處理法補齊;耕地面源污染排放測算中使用的產排污系數等參數參考文獻[8]至文獻[11]和《污染源普查農業源系數手冊》。

1.3 研究方法

利用清單分析法計算耕地面源污染物排放總量和排放強度,選取農田化肥、有機肥、畜禽養殖、農作物秸稈、水產養殖、農村生活6個污染源(由于農田化肥不產生化學需氧量(COD)污染,故農田化肥不作為COD污染源),以COD、總氮(TN)和總磷(TP)為主要的污染負荷指標,建立污染負荷排放測算與評估的3層結構,包括污染源、產污單元和計算方法(見表1)。

表1 耕地面源污染產污清單及計算公式Table 1 List and calculation formula of cultivated land non-point source pollution

由于3類指標排放強度存在差異,故利用聚類分析法將3類指標的排放強度(面源污染排放總量與耕地面積之比)均劃分為4個等級(見表2)。

表2 COD、TN和TP排放強度等級劃分Table 2 Classification of COD,TN and TP emission intensity kg/hm2

參考文獻[12]、[13],采用發達國家為防止化肥對水體造成污染而設置的警戒線(225 kg/hm2)為標準,將化肥投入強度劃分為3個等級:低風險區(<225 kg/hm2);中風險區(225～400 kg/hm2);高風險區(>400 kg/hm2)。

參考文獻[14]、[15],將畜禽糞尿排放強度劃分為3個等級:低風險區(<15 000 kg/hm2);中風險區(15 000～30 000 kg/hm2);高風險區(>30 000 kg/hm2)。

2 結果與討論

2.1 環鄱陽湖城市群耕地面源污染時間變化特征

由圖1可得,COD、TN排放總量分別由2005年的50.56萬、13.51萬t下降至2020年的46.14萬、13.26萬t,而TP排放總量由2.65萬t增加至2.74萬t;COD排放強度由2005年的258.22 kg/hm2下降至2020年的248.97 kg/hm2,而TN、TP排放強度分別由69.00、13.53 kg/hm2增加至71.55、14.79 kg/hm2。3類指標的排放總量和排放強度變化趨勢基本相同,均呈先增加后減少的趨勢。可見環鄱陽湖城市群耕地面源污染治理取得了一定成效。2015年原農業部首次提出化肥使用量零增長行動,推進農業廢棄物資源化利用,后續出臺了一系列關于耕地面源污染防治的政策法規;江西省通過嚴格實施畜禽養殖“三區”規劃和推進化肥農藥先進施用技術等舉措,大大降低了耕地面源污染。

圖1 COD、TN和TP排放總量和排放強度隨時間變化Fig.1 Total emission and emission intensity of COD,TN and TP varied with time

江西省耕地面源污染的主要污染源是畜禽養殖、農田化肥和農村生活[16]。由圖2可得,畜禽養殖污染源是環鄱陽湖城市群耕地面源污染的最主要污染源,對3類指標的貢獻率最高,均在45%以上。3類指標的主要污染源均是畜禽養殖。農村生活COD貢獻率由2005年的33.05%降至2020年的26.46%,TN從14.08%降至10.48%,TP從16.13%降至11.39%;農田化肥TN貢獻率由2005年的31.01%降至2020年的24.99%,TP從17.79%降至13.97%。

由表3可看出,2005年畜禽糞尿排放量、農田化肥施用量和鄉村人口數量分別為4 292.18萬t、89.55萬t和2 136.97萬人,2020年比2005年分別減少了12.82%、17.25%和26.95%。主要是由于隨著國家對耕地面源污染的重視,制定了一系列耕地面源污染的相關政策法規,特別是針對種養結合和化肥零增長的政策舉措,成效顯著。鄉村人口明顯減少主要是由于我國城鎮化進程加快,農業人口向城市人口轉變,此外江西省作為勞務輸出大省,鄉村勞動力大量外流。

表3 畜禽糞尿、農田化肥和鄉村人口Table 3 Livestock and poultry manure,farmland chemical fertilizer and rural population

2.2 環鄱陽湖城市群耕地面源污染空間變化特征

2005、2020年環鄱陽湖城市群COD、TN、TP排放強度空間分布見圖3,2020年環鄱陽湖城市群畜禽糞尿排放強度、化肥投入強度空間分布見圖4。

圖3 2005、2020年環鄱陽湖城市群COD、TN和TP排放強度空間分布Fig.3 Spatial distribution of COD,TN and TP emission intensities in urban agglomeration around Poyang Lake in 2005 and 2020

圖4 2020年環鄱陽湖城市群畜禽糞尿排放強度、化肥投入強度空間分布Fig.4 Spatial distribution of livestock and poultry manure and urine emission intensity and fertilizer input intensity in urban agglomeration around Poyang Lake in 2020

從COD的空間特征來看,2005年COD高污染區2個(南昌市區和崇仁縣),較高污染區有5個,低污染區主要分布在環鄱陽湖城市群北部,北部縣(區、市)的COD排放強度均在平均值(277.99 kg/hm2)以下。2020年COD污染程度呈西南部>中部>東北部的空間格局分布,西南部縣(區、市)由于畜禽養殖規模增加,而耕地面積較少,畜禽糞尿排放強度高,COD污染嚴重。2020年COD污染程度整體降低主要是由于環鄱陽湖城市群通過嚴格落實畜禽養殖“三區”規劃和開展農村人居環境整治等舉措,生態環境得到明顯改善,而南昌市區、崇仁縣COD排放強度分別增至860.60、779.56 kg/hm2,遠高于平均值(285.05 kg/hm2)。南昌市區主要是由于城市化進程加快,耕地面積縮減;崇仁縣主要是由于畜禽年養殖量巨大,畜禽糞尿排放量高。

從TN的空間特征來看,2005年TN高污染區2個(崇仁縣和南昌市區),較高污染區7個,低污染區主要分布在環鄱陽湖城市群西北部。崇仁縣和南昌市區TN排放強度分別為209.39、157.08 kg/hm2,遠高于其他縣(區、市),崇仁麻雞產業作為崇仁縣的支柱產業,麻雞年養殖量高,糞尿排放多,污染強;南昌市區由于畜禽養殖密度大,而耕地面積較小,所能承擔的污染負荷遠小于其他地區。2020年TN污染強度高的地方主要集中在西南部、南部和中部,包括上栗縣、蓮花縣、崇仁縣、南昌市區和萍鄉市區等,而北部地區TN污染程度較低。這與畜禽糞尿排放量和農田化肥施用量有關,西南部、中部和南部地區畜禽糞尿排放強度和化肥投入強度高,北部地區畜禽養殖規模較小,畜禽糞尿排放強度相對較低。

從TP的空間特征來看,2005年TP高污染區2個(南昌市區和崇仁縣),較高污染區7個(包括南昌縣、樟樹市、上饒市區和廣豐縣等),絕大部分地區為較低污染區。南昌縣和樟樹市是重要的瓜果蔬菜和糧食作物的種植基地,農作物單位面積種植量較大,化肥施用量大;上饒市區主要是由于單位面積畜禽養殖量較大,而耕地面積相對較小,TP污染程度較高;廣豐區主要是由于畜禽養殖規模尤其是生豬出欄量較大,導致污染物排放量較大。2020年TP高污染區增至5個,較高污染區增至8個,較低污染區數量明顯減少,低污染區數量增加,TP空間分布與化肥投入強度的空間分布相似。其中,廣豐區變為高污染區,TP排放強度增至32.21 kg/hm2,主要是由于化肥施用量和家禽出籠量分別增加了20.37%、22.02%。

綜上所述,環鄱陽湖城市群地面源污染程度高的地方主要集中在西南部地區、南昌市區及崇仁縣,污染程度較低的地方主要分布在北部和東部地區。

2.3 討 論

我國從2004年開始減征或免征農業稅,廣大農戶種糧積極性空前高漲[17],化肥投入強度加大。傳統的糧食作物經濟收益低且種植周期長,再加上消費市場結構升級,農戶對經濟作物的生產積極性提高,農作物種植結構發生變化,經濟作物播種面積所占比例增加。傳統糧食作物對化肥的需求量相對較小,而經濟作物種植的單位面積施肥量大增[18]。研究表明,施肥強度對我國化肥施用量增長的貢獻率高達70.4%[19],是我國農業化肥施用量快速增長的主要原因。此外,國家的“三農”政策降低了農戶的化肥成本,導致化肥施用量增加。過量施用化肥,易造成耕地養分結構失調和重金屬污染[20]。因此,可從以下方面減少農田化肥污染:(1)積極推廣科學施肥和精準施肥,加速有機肥代替化肥進程;(2)積極推進農牧結合、種養平衡一體化,從源頭及生產過程中減少污染物排放。

大牲畜(牛)和生豬的單體產污量相對羊、家禽等更高,耕地面源污染程度與大牲畜(牛)及生豬的養殖量所占比例呈正相關。由于消費觀念的改變、市場需求的優化和強農惠農政策,畜禽養殖經濟效益上升,生豬養殖散戶和養殖場數量增加,畜禽糞尿排放量增加,導致耕地面源污染加重。我國畜禽規模化程度高,但由于資金有限和糞污處理及資源化利用相關環節缺乏監管等原因,每年生產的38億t畜禽糞便綜合利用率卻不足60%[21]。畜禽糞尿的過量排放會造成土壤嚴重板結、土壤結構失衡,阻礙農作物的正常生長[22]。因此,筆者認為可從以下角度來提高畜禽養殖廢棄物的資源化利用率:(1)正確發揮政府和市場作用,積極探索新的糞污處理模式;(2)減輕農戶在畜禽糞污處理上的資金壓力,建立長效保障激勵機制;(3)加強污染防治宣傳,提高養殖戶的環保意識。

3 結 論

(1) 環鄱陽湖城市群COD、TN排放總量分別由2005年的50.56萬、13.51萬t下降至2020年的46.14萬、13.26萬t,而TP排放總量由2.65萬t增加至2.74萬t;COD排放強度由2005年的258.22 kg/hm2下降至2020年的248.97 kg/hm2,而TN、TP排放強度分別由69.00、13.53 kg/hm2增加至71.55、14.79 kg/hm2。3類指標的最主要污染源均是畜禽養殖。

(2) 耕地面源污染程度高的地方主要集中在西南部地區、南昌市區及崇仁縣,污染程度較低的地方主要分布在北部和東部地區。