基于污染足跡模型的稻作農(nóng)業(yè)污染壓力評(píng)估

基于污染足跡模型的稻作農(nóng)業(yè)污染壓力評(píng)估

農(nóng)業(yè)是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，尤其是水稻農(nóng)業(yè)。中國(guó)一半以上的人口主要是水稻。不可否認(rèn)現(xiàn)代化大規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在保障糧食數(shù)量安全方面貢獻(xiàn)巨大,現(xiàn)代化的大規(guī)模農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)在大幅度提高糧食產(chǎn)量、保障糧食數(shù)量安全的同時(shí),也不同程度破壞了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),甚至危及到糧食與食品安全,并對(duì)整個(gè)區(qū)域的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響。具體表現(xiàn)為,化肥農(nóng)藥的過(guò)量施用,使我國(guó)稻田多數(shù)處于氮、磷素盈余狀態(tài),這對(duì)水環(huán)境構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。太湖流域自20世紀(jì)80年代以來(lái)化肥施用量一直呈上升趨勢(shì),是我國(guó)化肥施用量最高的地區(qū)之一。隨著城市化進(jìn)程的加速,太湖地區(qū)的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式正逐漸向大規(guī)模、集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變。農(nóng)民大量施用化肥和農(nóng)藥,其數(shù)量高達(dá)577.5kg·hm-2和34.5kg·hm-2,遠(yuǎn)高于全國(guó)平均的411.0kg·hm-2和11.25kg·hm-2,造成大量氮素和磷素進(jìn)入水體,加速了流域水體的污染和富營(yíng)養(yǎng)化。自20世紀(jì)80年代初以來(lái)太湖地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的氮、磷一直處于盈余狀態(tài),養(yǎng)分高度集中,大田作物施肥量甚至達(dá)到600kg·hm-2,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于作物實(shí)際需要量。近年來(lái),盡管化肥農(nóng)藥的使用量有所減少。但隨著城市化進(jìn)程的加快,耕地面積不斷減少,化肥單位面積使用量變化不大,仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于發(fā)達(dá)國(guó)家為防止水體污染所規(guī)定的平均化肥施用量的安全上限225kg·hm-2。綜上可知,隨著化肥、農(nóng)藥的施用強(qiáng)度逐年增大,稻作生產(chǎn)過(guò)程中的污染物流失務(wù)必會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐乃h(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響。目前,已經(jīng)有學(xué)者從綜合考慮種植業(yè)、畜禽養(yǎng)殖業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的污染物對(duì)水環(huán)境影響的角度,構(gòu)建農(nóng)業(yè)污染壓力模型,計(jì)算農(nóng)業(yè)污染排放量和污染壓力指數(shù),定量分析了處于太湖流域農(nóng)業(yè)污染物排放對(duì)水環(huán)境影響的嚴(yán)重性。但是還沒(méi)有研究從污染足跡的角度對(duì)太湖流域稻作農(nóng)業(yè)進(jìn)行定量評(píng)估。因而,本文以太湖流域稻作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為研究對(duì)象,基于污染足跡模型探討太湖流域稻作農(nóng)業(yè)的污染狀況,期望為該流域合理施用化肥和有效控制稻作農(nóng)業(yè)污染提供科學(xué)依據(jù)。1材料和方法1.1研究區(qū)的選取一般情況下,水體流域都由多個(gè)小流域組成,結(jié)合流域的地形特征,可將農(nóng)業(yè)污染概分為山區(qū)小流域農(nóng)業(yè)污染和平原小流域農(nóng)業(yè)污染。不同的小流域具有不同的特征,其污染特點(diǎn)及發(fā)生規(guī)律也不盡相同。本文研究的是稻作生產(chǎn)污染問(wèn)題,從表1中可以看出太湖流域平原河網(wǎng)區(qū)和山地丘陵地區(qū)水田生產(chǎn)的COD、TN和TP的污染物流失系數(shù)相同,因而本文認(rèn)為太湖流域平原地區(qū)和山區(qū)的稻作生產(chǎn)對(duì)太湖流域水環(huán)境的影響相同。故本文選取太湖流域上游江蘇省常州市、宜興市作為研究區(qū),通過(guò)對(duì)常州市、宜興市的稻作農(nóng)業(yè)污染研究,以期反映太湖流域稻作生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)太湖水環(huán)境的影響。常州市、宜興市地處江蘇省南部、太湖流域上游(見(jiàn)圖1),地處蘇錫常平原區(qū),地勢(shì)平坦,耕地面積廣闊。屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,四季分明、雨熱同期,年平均氣溫16.3℃,年平均降水量1068.9mm。境內(nèi)河道縱橫交織,湖塘星羅棋布,南溪水系、洮滆水系是境內(nèi)主要河流水系,長(zhǎng)蕩湖、滆湖是境內(nèi)主要湖泊。常州市轄金壇、溧陽(yáng)兩市和天寧、鐘樓、戚墅堰、新北、武進(jìn)5區(qū);宜興市轄4個(gè)街道、14個(gè)鎮(zhèn)。2007年常州市、宜興市常住總?cè)丝?62.18×104人,人口密度561人·km-2,非農(nóng)業(yè)人口217.31×104人,占總?cè)丝诘谋戎貫?0.00%。2007年常州市和宜興市經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值為2386.34億元,第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值81.69×108元,占經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的3.42%;第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值1422.56×108元,占經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的59.61%,其中工業(yè)產(chǎn)值為1320.42×108元;第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值882.09×108元,占經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的36.96%,第二產(chǎn)業(yè)占主導(dǎo)地位。常州市和宜興市的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平明顯高于全國(guó)平均水平。然而,在經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的同時(shí),常州市和宜興市生態(tài)環(huán)境也受到了嚴(yán)重破壞。1.2研究方法和數(shù)據(jù)來(lái)源1.2.1稻作農(nóng)業(yè)污染足跡模型計(jì)算本文首先計(jì)算稻作農(nóng)業(yè)COD、TN和TP的入河量。其次,通過(guò)污染足跡模型計(jì)算稻作農(nóng)業(yè)COD、TN和TP的污染足跡;最后,通過(guò)污染壓力模型計(jì)算稻作農(nóng)業(yè)COD、TN和TP的污染壓力指數(shù),并對(duì)其進(jìn)行評(píng)估。1.2.1.試驗(yàn)稻田污染源稻作農(nóng)業(yè)化學(xué)需氧量(COD)、總氮(TN)和總磷(TP)的入河量可根據(jù)公式(1)計(jì)算得到:式中,W_Rf為種植業(yè)污染物的入河量(kg·a-1);Af為研究區(qū)稻田面積(667m2),取自研究區(qū)污染源普查數(shù)據(jù);Cf為稻田的肥料流失系數(shù)(kg·667m-2)(表1);Pf為稻田污染物的排放系數(shù)(本文取值1,因研究區(qū)地勢(shì)平坦,農(nóng)業(yè)與河流的間距較小,且土地對(duì)污染物的吸納能力較小,即排放量等于產(chǎn)生量);Rf為稻田污染物的入河系數(shù),從《太湖流域主要入湖河流水環(huán)境綜合整治規(guī)劃編制規(guī)范》可知稻田生產(chǎn)的污染物入河系數(shù)為0.1~0.3(表2),并結(jié)合多次去研究區(qū)的實(shí)地考察,最終將稻田污染物的入河系數(shù)定為0.3。1.2.1.質(zhì)、兩種類型的對(duì)比基于污染物吸納的生態(tài)足跡,即污染足跡,是指吸納一定人口產(chǎn)生的污染物實(shí)際所需要的土地面積,在理論基礎(chǔ)、研究?jī)?nèi)容、計(jì)算方法等方面都與傳統(tǒng)生態(tài)足跡中的能源足跡有著本質(zhì)的區(qū)別。焦雯珺等根據(jù)污染足跡基本理論,構(gòu)建了太湖流域有機(jī)物污染足跡(PFCOD)、氮污染足跡(PFN)和磷污染足跡(PFP)模型(公式2~公式4)。式中,PFN、PFP和PFCOD分別為稻作農(nóng)業(yè)的氮、磷和COD污染足跡(hm2);PN、PP和PCOD分別為稻作農(nóng)業(yè)的氮、磷和COD入河量(kg);NYCOD、NYN和NYP分別為區(qū)域水體對(duì)COD、氮和磷的平均吸納能力(kg·hm-2),其值分別為1514.67、153.45、10.53kg·hm-2。1.2.1.稻作農(nóng)業(yè)污染足跡及污染承載力本文利用污染壓力指數(shù)(公式5)來(lái)衡量區(qū)域水污染壓力的大小,即利用污染足跡與污染承載力的比值對(duì)區(qū)域水污染壓力進(jìn)行綜合評(píng)估。如果污染承載力大于污染足跡,即存在污染盈余,人類的排污活動(dòng)在區(qū)域的可承載范圍之內(nèi);如果污染承載力小于污染足跡,即存在污染赤字,人類活動(dòng)所產(chǎn)生的污染物超出了區(qū)域的納污能力。式中,A為區(qū)域水域面積(hm2),I為污染壓力指數(shù),PF為稻作農(nóng)業(yè)的污染足跡(本文認(rèn)為有機(jī)物、氮和磷在對(duì)水環(huán)境的影響上具有明顯重疊,故選取三者中的最大值作為研究區(qū)的污染足跡),PC為稻作農(nóng)業(yè)的污染承載力。如果I<1,說(shuō)明該區(qū)域無(wú)水污染壓力;如果1<I<2,說(shuō)明該區(qū)域存在輕度水污染壓力;如果2<I<3,說(shuō)明該區(qū)域存在中度水污染壓力;如果I>3,則說(shuō)明該區(qū)域存在重度水污染壓力。焦雯珺等通過(guò)計(jì)算得出,2007年常州市工業(yè)、生活和農(nóng)業(yè)對(duì)常州市污染物排放的貢獻(xiàn)率大致為33%、45%和22%。因而認(rèn)為農(nóng)業(yè)(種植業(yè)、畜禽養(yǎng)殖業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè))的污染承載力是分配區(qū)域污染承載力的22%,其中經(jīng)計(jì)算稻作農(nóng)業(yè)(水田)COD、TN和TP的總污染足跡是種植業(yè)(旱地、水田、園地和保護(hù)地)COD、TN和TP的總污染的0.47;并且是農(nóng)業(yè)(種植業(yè)、畜禽養(yǎng)殖業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè))COD、TN和TP總污染足跡的0.16,故稻作農(nóng)業(yè)的污染承載力分配農(nóng)業(yè)總污染承載力的0.16。最終求得太湖流域稻作農(nóng)業(yè)的污染承載力。1.2.2肥料流失量表及入河系數(shù)稻作農(nóng)業(yè)的污染物排放量和入河量計(jì)算所需數(shù)據(jù)來(lái)自常州市、宜興市2007年污染源普查資料。不同土地利用方式肥料流失的產(chǎn)排污系數(shù)主要來(lái)自于《第一次全國(guó)污染源普查———農(nóng)業(yè)污染源之肥料流失系數(shù)手冊(cè)》和文獻(xiàn)。入河系數(shù)是在實(shí)地考察的基礎(chǔ)上參照《太湖流域主要入湖河流水環(huán)境綜合整治規(guī)劃編制規(guī)范》確定的。研究區(qū)污染承載力則為常州市、宜興市的實(shí)際水域面積,通過(guò)研究區(qū)1∶10萬(wàn)土地利用遙感解譯數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到。2結(jié)果與討論2.1稻作農(nóng)業(yè)污染物入河量根據(jù)稻作農(nóng)業(yè)污染物入河量計(jì)算公式1,對(duì)常州市、宜興市稻作農(nóng)業(yè)COD、TN和TP的入河量進(jìn)行了計(jì)算,各區(qū)縣計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。從表3中可知,2007年研究區(qū)稻作農(nóng)業(yè)COD、TN和TP的入河量分別為792.96、605.28t和27.16t,其中,以宜興市的入河量最大,其次為溧陽(yáng)市和武進(jìn)區(qū),三者之和占到研究區(qū)稻作農(nóng)業(yè)COD、TN和TP總?cè)牒恿康?6.59%、76.60%和76.58%。不難看出,宜興市、溧陽(yáng)市和武進(jìn)區(qū)是研究區(qū)稻作農(nóng)業(yè)污染物排放最多的地區(qū)。具體到研究區(qū)稻作農(nóng)業(yè)污染物排放的空間格局(圖2~圖4),可以看出污染物排放較多的地區(qū)集中在宜興市、武進(jìn)區(qū)和新北區(qū)的部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)以及溧陽(yáng)市和金壇市的絕大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)。其中,溧陽(yáng)市的社渚鎮(zhèn)、上興鎮(zhèn)、竹簣鎮(zhèn)、別橋鎮(zhèn)、南渡鎮(zhèn)、溧城鎮(zhèn),宜興市徐舍鎮(zhèn)的污染物入河量最大;而新北區(qū)的新橋鎮(zhèn)、薛家鎮(zhèn)和新北城區(qū),鐘樓區(qū),天寧區(qū),戚墅堰區(qū),武進(jìn)區(qū)的橫山橋鎮(zhèn)、橫林鎮(zhèn)、遙觀鎮(zhèn)、湖塘鎮(zhèn)、洛陽(yáng)鎮(zhèn)、牛塘鎮(zhèn)、嘉澤鎮(zhèn)、湟里鎮(zhèn),宜興市的宜城街道、湖滏鎮(zhèn)、太華鎮(zhèn),溧陽(yáng)市的上黃鎮(zhèn)的稻作生產(chǎn)污染物入河量普遍較少。從圖2~圖4可以看出,研究區(qū)稻作農(nóng)業(yè)污染物入河量區(qū)域差異較大。由圖2~圖4可知,入河量較高的鄉(xiāng)鎮(zhèn),其COD入河量超過(guò)21.70t·a-1,TN入河量超過(guò)16.56t·a-1,TP入河量超過(guò)0.74t·a-1;而排放量較少的鄉(xiāng)鎮(zhèn),其COD入河量小于6.06t·a-1,TN入河量小于4.63t·a-1,TP入河量小于0.21t·a-1。2.2稻作農(nóng)業(yè)污染痕跡根據(jù)太湖流域污染足跡模型(公式2~公式4),結(jié)合研究區(qū)稻作農(nóng)業(yè)COD、TN和TP入河量的計(jì)算結(jié)果,計(jì)算得到研究區(qū)稻作農(nóng)業(yè)COD污染足跡、TN污染足跡和TP污染足跡,各區(qū)縣計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。從表4中可以看出,研究區(qū)2007年稻作農(nóng)業(yè)有機(jī)物污染足跡為523.52hm2,其中宜興市、溧陽(yáng)市和武進(jìn)區(qū)有機(jī)物污染足跡依次為167.75、154.52hm2和78.69hm2,三者之和占到研究區(qū)稻作農(nóng)業(yè)有機(jī)物污染足跡的76.59%;研究區(qū)2007年稻作農(nóng)業(yè)氮污染足跡為3944.50hm2,其中宜興市、溧陽(yáng)市和武進(jìn)區(qū)稻作農(nóng)業(yè)氮污染足跡依次為1263.95、1164.23hm2和592.91hm2,三者之和占到研究區(qū)稻作農(nóng)業(yè)氮污染足跡的76.59%;研究區(qū)2007年稻作農(nóng)業(yè)磷污染足跡為2578.95hm2,其中宜興市、溧陽(yáng)市、武進(jìn)區(qū)稻作農(nóng)業(yè)磷污染足跡依次為826.38、761.18hm2和387.65hm2,三者之和占到研究區(qū)稻作農(nóng)業(yè)磷污染足跡的76.59%。從表4中可以看出,研究區(qū)2007年稻作農(nóng)業(yè)污染足跡為3944.50hm2,其中宜興市、溧陽(yáng)市和武進(jìn)區(qū)的污染足跡位列前三,其值依次為1263.95、1164.23hm2和592.91hm2。這說(shuō)明研究區(qū)所轄區(qū)縣中宜興市、溧陽(yáng)市和武進(jìn)區(qū)排放的污染物對(duì)當(dāng)?shù)厮蚩臻g的生態(tài)占用是最大的。具體到研究區(qū)稻作農(nóng)業(yè)有機(jī)物、氮和磷污染足跡的空間分布(圖5~圖7),可以看出研究區(qū)稻作農(nóng)業(yè)COD、氮和磷污染足跡較大的地區(qū)集中在溧陽(yáng)市的社渚鎮(zhèn)、上興鎮(zhèn)、竹簣鎮(zhèn)、別橋鎮(zhèn)、南渡鎮(zhèn)、溧城鎮(zhèn)和宜興市的徐舍鎮(zhèn)。其稻作農(nóng)業(yè)COD污染足跡普遍高于14.32hm2,氮污染足跡普遍高于107.93hm2,磷污染足跡普遍高于70.57hm2。而新北區(qū)的新橋鎮(zhèn)、薛家鎮(zhèn)和新北城區(qū),鐘樓區(qū),天寧區(qū),戚墅堰區(qū),武進(jìn)區(qū)的橫山橋鎮(zhèn)、橫林鎮(zhèn)、遙觀鎮(zhèn)、湖塘鎮(zhèn)、洛陽(yáng)鎮(zhèn)、牛塘鎮(zhèn)、嘉澤鎮(zhèn)、湟里鎮(zhèn),宜興市的宜城街道、湖滏鎮(zhèn)、太華鎮(zhèn),溧陽(yáng)市上黃鎮(zhèn)的稻作農(nóng)業(yè)COD、氮和磷污染足跡普遍較低。其稻作農(nóng)業(yè)COD污染足跡普遍低于4.00hm2,氮污染足跡普遍低于30.16hm2,磷污染足跡普遍低于19.72hm2。由圖8可知,各區(qū)縣的稻作農(nóng)業(yè)污染足跡中,氮污染足跡所占的比例最大,其次是磷污染足跡。由此可知,稻作農(nóng)業(yè)氮類污染物對(duì)當(dāng)?shù)厮蚩臻g的生態(tài)占用最大,其次為磷類污染物。COD的入河量在稻作農(nóng)業(yè)污染物入河量中所占的比重最大,但其污染足跡卻是3類污染物中最小的,是因?yàn)樘饔蚝泳W(wǎng)對(duì)COD(1514.67kg·hm-2)、TN(153.45kg·hm-2)和TP(10.53kg·hm-2)的吸納能力不同。從研究區(qū)污染足跡空間分布圖(圖9)中可知,污染足跡較大的地區(qū)集中在溧陽(yáng)市的社渚鎮(zhèn)、上興鎮(zhèn)、竹簣鎮(zhèn)、別橋鎮(zhèn)、南渡鎮(zhèn)、溧城鎮(zhèn)和宜興市的徐舍鎮(zhèn),其污染足跡普遍高于107.93hm2。2.3納污能力與水環(huán)境總體差異分析,表面活性劑金制約著納污放利用稻作農(nóng)業(yè)污染足跡與污染承載力,計(jì)算得到稻作農(nóng)業(yè)的污染赤字/盈余和污染壓力指數(shù),各區(qū)縣的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知,研究區(qū)2007年稻作農(nóng)業(yè)污染足跡為3944.51hm2,污染承載力為1876.27hm2,污染赤字為2068.24hm2,稻作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)所排放的污染物儼然超出當(dāng)?shù)厮虻某休d能力,對(duì)當(dāng)?shù)厮h(huán)境產(chǎn)生了巨大的壓力。盡管研究區(qū)總體上超載,但是各區(qū)縣的污染赤字/盈余差異十分顯著:溧陽(yáng)市水域的污染物吸納能力僅能滿足當(dāng)?shù)?8.02%的納污需求,導(dǎo)致其污染赤字高達(dá)721.55hm2;宜興市次之,污染赤字為618.24hm2;而天寧區(qū)水域的納污能力不但能滿足當(dāng)?shù)氐咀魃a(chǎn)的納污需求,而且還有15.51hm2的污染盈余。表5顯示,研究區(qū)2007年稻作農(nóng)業(yè)污染壓力指數(shù)為2.10,當(dāng)?shù)厮h(huán)境總體上處于中度污染狀態(tài)。新北區(qū)、鐘樓區(qū)和戚墅堰區(qū)的污染壓力指數(shù)均大于3,溧陽(yáng)市最大污染壓力指數(shù)大于2小于3,金壇市、武進(jìn)區(qū)和宜興市的最大污染壓力指數(shù)大于1小于2,天寧區(qū)的最大污染壓力指數(shù)小于1。這說(shuō)明新北區(qū)、鐘樓區(qū)和戚墅堰區(qū)的當(dāng)?shù)厮h(huán)境總體上存在重度污染壓力,溧陽(yáng)市當(dāng)?shù)厮h(huán)境總體上存在中度污染壓力,金壇市、武進(jìn)區(qū)和宜興市當(dāng)?shù)厮h(huán)境總體上存在輕度污染壓力,而天寧區(qū)當(dāng)?shù)厮h(huán)境則總體上不存在污染壓力。盡管研究區(qū)總體上處于中度污染壓力狀態(tài),但是研究區(qū)稻作農(nóng)業(yè)污染壓力指數(shù)空間差異顯著。從圖10中可以進(jìn)一步看出,新北區(qū)的新北城區(qū),天寧區(qū),武