文章信息
- 李静, 闵庆文, 李文华, 焦雯珺, 袁正
- LI Jing, MIN Qing-wen, LI Wen-hua, JIAO Wen-jun, YUAN Zheng
- 基于污染足迹的太湖流域稻作农业污染评估--以常州市和宜兴市为例
- Pollution Assessment of Rice Agriculture in the Taihu Lake Watershed Based on the Pollution Footprint: A Case Study of Changzhou City and Yixing City, China
- 农业资源与环境学报, 2014, 31(4): 372-380
- Journal of Agricultural Resources and Environment, 2014, 31(6): 513-520
- http://dx.doi.org/10.13254/j.jare.2014.0093
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文章历史
- 收稿日期:2014-04-11
2. 中国科学院大学 北京 100049
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
农业是整个国民经济发展的基础,尤其是稻作农 业,全国一半以上的人口以稻米为主食。不可否认现 代化大规模农业生产在保障粮食数量安全方面贡献 巨大,现代化的大规模农业机械生产在大幅度提高粮 食产量、保障粮食数量安全的同时,也不同程度破坏 了农田生态系统,甚至危及到粮食与食品安全,并对 整个区域的生态环境产生严重影响[1]。具体表现为,化 肥农药的过量施用,使我国稻田多数处于氮、磷素盈 余状态,这对水环境构成了严重的威胁[2, 3, 4, 5, 6]。
太湖流域自20世纪80年代以来化肥施用量一直 呈上升趋势,是我国化肥施用量最高的地区之一[7, 8]。随着城市化进程的加速,太湖地区的传统农业生产方 式正逐渐向大规模、集约化农业生产方式转变。农民 大量施用化肥和农药,其数量高达577.5 kg·hm-2 和 34.5 kg·hm-2,远高于全国平均的411.0 kg·hm-2 和 11.25 kg·hm-2,造成大量氮素和磷素进入水体,加速 了流域水体的污染和富营养化[9]。自20 世纪80 年代 初以来太湖地区农田生态系统中的氮、磷一直处于盈 余状态,养分高度集中,大田作物施肥量甚至达到 600 kg·hm-2,远远高于作物实际需要量[10]。近年来,尽 管化肥农药的使用量有所减少。但随着城市化进程的 加快,耕地面积不断减少,化肥单位面积使用量变化 不大,仍远远高于发达国家为防止水体污染所规定的 平均化肥施用量的安全上限225 kg·hm-2。
综上可知,随着化肥、农药的施用强度逐年增大, 稻作生产过程中的污染物流失务必会对当地的水环 境产生严重影响。目前,已经有学者从综合考虑种植 业、畜禽养殖业和水产养殖业生产过程中产生的污染 物对水环境影响的角度,构建农业污染压力模型,计算 农业污染排放量和污染压力指数,定量分析了处于太 湖流域农业污染物排放对水环境影响的严重性[11, 12]。 但是还没有研究从污染足迹的角度对太湖流域稻作 农业进行定量评估。因而,本文以太湖流域稻作农业 生产为研究对象,基于污染足迹模型探讨太湖流域稻 作农业的污染状况,期望为该流域合理施用化肥和有 效控制稻作农业污染提供科学依据。 1 材料与方法 1.1 研究区概况
一般情况下,水体流域都由多个小流域组成,结 合流域的地形特征,可将农业污染概分为山区小流域 农业污染和平原小流域农业污染。不同的小流域具有 不同的特征,其污染特点及发生规律也不尽相同。本 文研究的是稻作生产污染问题,从表 1 中可以看出太 湖流域平原河网区和山地丘陵地区水田生产的 COD、TN 和TP的污染物流失系数相同,因而本文认 为太湖流域平原地区和山区的稻作生产对太湖流域 水环境的影响相同。故本文选取太湖流域上游江苏省 常州市、宜兴市作为研究区,通过对常州市、宜兴市的 稻作农业污染研究,以期反映太湖流域稻作生产活动 对太湖水环境的影响。
常州市、宜兴市地处江苏省南部、太湖流域上游 (见图 1),地处苏锡常平原区,地势平坦,耕地面积广 阔。属亚热带湿润季风气候,四季分明、雨热同期,年平均气温16.3 益,年平均降水量1 068.9 mm。境内河 道纵横交织,湖塘星罗棋布,南溪水系、洮滆水系是境 内主要河流水系,长荡湖、滆湖是境内主要湖泊。
常州市辖金坛、溧阳两市和天宁、钟楼、戚墅堰、 新北、武进5区;宜兴市辖4 个街道、14 个镇。2007 年 常州市、宜兴市常住总人口362.18×104人,人口密度 561 人·km-2,非农业人口217.31×104 人,占总人口的 比重为60.00%。2007 年常州市和宜兴市经济总产值 为2 386.34亿元,第一产业产值81.69×108元,占经济 总产值的3.42%;第二产业产值1 422.56×108元,占 经济总产值的59.61%,其中工业产值为1 320.42×108 元;第三产业产值882.09×108元,占经济总产值的 36.96%,第二产业占主导地位。常州市和宜兴市的社 会经济发展水平明显高于全国平均水平。然而,在经 济飞速发展的同时,常州市和宜兴市生态环境也受到 了严重破坏。 1.2 研究方法及数据来源 1.2.1 研究方法
本文首先计算稻作农业COD、TN 和TP 的入河 量[13]。其次,通过污染足迹模型计算稻作农业COD、 TN 和TP 的污染足迹[14];最后,通过污染压力模型计 算稻作农业COD、TN 和TP 的污染压力指数,并对其 进行评估。 1.2.1.1 污染物入河量计算
稻作农业化学需氧量(COD)、总氮(TN)和总磷 (TP)的入河量可根据公式(1)计算得到:
基于污染物吸纳的生态足迹,即污染足迹,是指 吸纳一定人口产生的污染物实际所需要的土地面 积[15],在理论基础、研究内容、计算方法等方面都与传 统生态足迹中的能源足迹有着本质的区别。焦雯珺 等[14]根据污染足迹基本理论,构建了太湖流域有机物 污染足迹(PFCOD)、氮污染足迹(PFN)和磷污染足迹 (PFP)模型(公式2~公式4)。
本文利用污染压力指数(公式5)来衡量区域水 污染压力的大小,即利用污染足迹与污染承载力的比 值对区域水污染压力进行综合评估。如果污染承载力 大于污染足迹,即存在污染盈余,人类的排污活动在 区域的可承载范围之内;如果污染承载力小于污染足 迹,即存在污染赤字,人类活动所产生的污染物超出 了区域的纳污能力。
稻作农业的污染物排放量和入河量计算所需数据来自常州市、宜兴市2007 年污染源普查资料。不同 土地利用方式肥料流失的产排污系数主要来自于《第 一次全国污染源普查———农业污染源之肥料流失系 数手册》和文献[16]。入河系数是在实地考察的基础上 参照《太湖流域主要入湖河流水环境综合整治规划编 制规范》确定的。研究区污染承载力则为常州市、宜兴 市的实际水域面积,通过研究区1:10 万土地利用遥 感解译数据统计得到。 2 结果与讨论 2.1 稻作农业污染排放特征
根据稻作农业污染物入河量计算公式1,对常州 市、宜兴市稻作农业COD、TN 和TP 的入河量进行了 计算,各区县计算结果见表 3。
从表 3 中可知,2007 年研究区稻作农业COD、 TN 和TP的入河量分别为792.96、605.28 t和27.16 t, 其中,以宜兴市的入河量最大,其次为溧阳市和武进 区,三者之和占到研究区稻作农业COD、TN和TP总 入河量的76.59%、76.60%和76.58%。不难看出,宜兴 市、溧阳市和武进区是研究区稻作农业污染物排放最 多的地区。
具体到研究区稻作农业污染物排放的空间格局 (图 2~图 4),可以看出污染物排放较多的地区集中在 宜兴市、武进区和新北区的部分乡镇以及溧阳市和金 坛市的绝大部分乡镇。其中,溧阳市的社渚镇、上兴 镇、竹篑镇、别桥镇、南渡镇、溧城镇,宜兴市徐舍镇的 污染物入河量最大;而新北区的新桥镇、薛家镇和新 北城区,钟楼区,天宁区,戚墅堰区,武进区的横山桥 镇、横林镇、遥观镇、湖塘镇、洛阳镇、牛塘镇、嘉泽镇、湟里镇,宜兴市的宜城街道、湖滏镇、太华镇,溧阳市 的上黄镇的稻作生产污染物入河量普遍较少。从图 2~图 4 可以看出,研究区稻作农业污染物入河量区域 差异较大。
由图 2~图 4 可知,入河量较高的乡镇,其COD 入河量超过21.70 t·a-1,TN 入河量超过16.56 t·a-1,TP 入河量超过0.74 t·a-1;而排放量较少的乡镇,其COD 入河量小于6.06 t·a-1,TN 入河量小于4.63 t·a-1,TP 入河量小于0.21 t·a-1。 2.2 稻作农业污染足迹分析
根据太湖流域污染足迹模型(公式2~公式4),结 合研究区稻作农业COD、TN 和TP 入河量的计算结 果,计算得到研究区稻作农业COD 污染足迹、TN 污 染足迹和TP污染足迹,各区县计算结果见表 4。
从表 4中可以看出,研究区2007 年稻作农业有 机物污染足迹为523.52 hm2,其中宜兴市、溧阳市和 武进区有机物污染足迹依次为167.75、154.52 hm2和 78.69 hm2,三者之和占到研究区稻作农业有机物污染 足迹的76.59%;研究区2007 年稻作农业氮污染足迹 为3 944.50 hm2,其中宜兴市、溧阳市和武进区稻作农业氮污染足迹依次为1 263.95、1 164.23 hm2和592.91 hm2,三者之和占到研究区稻作农业氮污染足迹 的76.59%;研究区2007 年稻作农业磷污染足迹为 2 578.95 hm2,其中宜兴市、溧阳市、武进区稻作农业 磷污染足迹依次为826.38、761.18 hm2和387.65 hm2, 三者之和占到研究区稻作农业磷污染足迹的76.59%。
从表 4中可以看出,研究区2007 年稻作农业污 染足迹为3 944.50 hm2,其中宜兴市、溧阳市和武进区 的污染足迹位列前三,其值依次为1 263.95、1 164.23 hm2和592.91 hm2。这说明研究区所辖区县中宜兴市、 溧阳市和武进区排放的污染物对当地水域空间的生 态占用是最大的。
具体到研究区稻作农业有机物、氮和磷污染足迹 的空间分布(图 5~图 7),可以看出研究区稻作农业 COD、氮和磷污染足迹较大的地区集中在溧阳市的社 渚镇、上兴镇、竹篑镇、别桥镇、南渡镇、溧城镇和宜兴 市的徐舍镇。其稻作农业COD 污染足迹普遍高于 14.32 hm2,氮污染足迹普遍高于107.93 hm2,磷污染 足迹普遍高于70.57 hm2。而新北区的新桥镇、薛家镇 和新北城区,钟楼区,天宁区,戚墅堰区,武进区的横 山桥镇、横林镇、遥观镇、湖塘镇、洛阳镇、牛塘镇、嘉 泽镇、湟里镇,宜兴市的宜城街道、湖滏镇、太华镇,溧 阳市上黄镇的稻作农业COD、氮和磷污染足迹普遍 较低。其稻作农业COD污染足迹普遍低于4.00 hm2, 氮污染足迹普遍低于30.16 hm2,磷污染足迹普遍低 于19.72 hm2。
由图 8可知,各区县的稻作农业污染足迹中,氮 污染足迹所占的比例最大,其次是磷污染足迹。由此 可知,稻作农业氮类污染物对当地水域空间的生态占 用最大,其次为磷类污染物。COD 的入河量在稻作农业污染物入河量中所占的比重最大,但其污染足迹却 是3 类污染物中最小的,是因为太湖流域河网对 COD(1 514.67 kg·hm-2)、TN(153.45 kg·hm-2)和TP (10.53 kg·hm-2)的吸纳能力不同。
从研究区污染足迹空间分布图(图 9)中可知,污 染足迹较大的地区集中在溧阳市的社渚镇、上兴镇、 竹篑镇、别桥镇、南渡镇、溧城镇和宜兴市的徐舍镇, 其污染足迹普遍高于107.93 hm2。
2.3 稻作农业污染压力评估利用稻作农业污染足迹与污染承载力,计算得到 稻作农业的污染赤字/盈余和污染压力指数,各区县 的计算结果见表 5。
由表 5可知,研究区2007 年稻作农业污染足迹 为3 944.51 hm2,污染承载力为1 876.27 hm2,污染赤 字为2 068.24 hm2,稻作农业生产活动所排放的污染 物俨然超出当地水域的承载能力,对当地水环境产生 了巨大的压力。尽管研究区总体上超载,但是各区县的污染赤字/盈余差异十分显著:溧阳市水域的污染 物吸纳能力仅能满足当地38.02%的纳污需求,导致 其污染赤字高达721.55 hm2;宜兴市次之,污染赤字 为618.24 hm2;而天宁区水域的纳污能力不但能满足 当地稻作生产的纳污需求,而且还有15.51 hm2的污 染盈余。
表 5 显示,研究区2007年稻作农业污染压力指 数为2.10,当地水环境总体上处于中度污染状态。新 北区、钟楼区和戚墅堰区的污染压力指数均大于3, 溧阳市最大污染压力指数大于2 小于3,金坛市、武 进区和宜兴市的最大污染压力指数大于1 小于2,天 宁区的最大污染压力指数小于1。这说明新北区、钟 楼区和戚墅堰区的当地水环境总体上存在重度污染 压力,溧阳市当地水环境总体上存在中度污染压力, 金坛市、武进区和宜兴市当地水环境总体上存在轻度 污染压力,而天宁区当地水环境则总体上不存在污染 压力。
尽管研究区总体上处于中度污染压力状态,但是 研究区稻作农业污染压力指数空间差异显著。从图10中可以进一步看出,新北区的新北城区,天宁区,武进市的遥塘镇、经发区、牛塘镇、嘉泽镇、湟里镇,金 坛市的金城镇、儒林镇,溧阳市的上黄镇,宜兴市的官 林镇、和桥镇、高塍镇、新街街道、宜城街道、湖滏镇的 稻作农业生产活动还没有对当地水环境造成污染压 力;研究区存在轻度污染压力的地区集中在武进市的 郑陆镇、横林镇、洛阳镇、前黄镇,金坛市的直溪镇、尧 塘镇、指前镇,溧阳市的别桥镇、埭头镇、天目湖镇,宜 兴市的杨巷镇、西渚镇。研究区的剩余乡镇则存在中 度甚至中度污染压力。
3 结论通过计算研究区稻作农业污染足迹和污染压力 指数并对其进行评估,得到如下结论:
(1)从污染物入河量来看,常州市、宜兴市稻作农 业生产过程中向水环境排放的污染物以COD 和TN 为主。COD 和TN 的入河量均是TP 入河量的20 多 倍,COD 和TN 的年入河量分别为792.96 t·a-1 和 605.28 t·a-1,TP的年入河量为27.16 t·a-1。
(2)从污染足迹来看,常州市、宜兴市稻作农业生 产过程中产生的TN 对当地水域空间的生态占用是 最大的(3 944.50 hm2),其次为TP(2 578.95 hm2),最 小的是COD(523.52 hm2)。
(3)从污染压力状况来看,常州市、宜兴市稻作农 业对水环境造成的污染压力指数为2.10,处于中度污 染压力状况。但是具体到各个区县,其污染压力状况 各异,只有常州市天宁区的污染压力指数小于1,其 他各区县的污染压力指数都大于1,表明常州市、宜 兴市稻作农业生产活动超出了当地水域的承载能力, 对当地水环境产生了压力。
[1] | 李文华, 刘某承, 张 丹. 用生态价值观权衡传统农业与常规农业的效益——以稻鱼共作模式为例[J]. 资源科学, 2009, 31(6): 899-904. LI Wen-hua, LIU Mou-cheng, ZHANG Dan. Tradeoff analysis on comprehensive valuation of traditional agriculture and rice monocropping inZhejiang[J]. Resources Science, 2009, 31(6): 899-904.(in Chinese) |
[2] | 杨林章, 冯彦房, 施卫明, 等. 我国农业面源污染治理技术研究进展[J]. 中国生态农业学报, 2013, 21(1): 96-101. YANG Lin-zhang, FENG Yan-fang, SHI Wei-ming, et al. Review of theadvances and development trends in agricultural non-point source pollution control in China[J]. Chinese Journal ofEco-A griculture, 2013, 21(1): 96-101.(in Chinese) |
[3] | 郭廷忠, 张 超, 张丽君. 中国农业污染问题研究[J]. 安徽农业科学,2009, 37(1): 1773-1775. GUO Ting-zhong, ZHANG Chao, ZHANG Li-jun. On agricultural pollution in China[J]. Journal of A nhui A gricultural Sciences, 2009, 37(1):1773-1775.(in Chinese) |
[4] | 马立珊, 汪祖强, 张水铭, 等. 苏南太湖水系农业面源污染及其控制对策研究[J]. 环境科学学报, 1997, 17(1): 39-47. MA Li-shan, WANG Zu-qiang, ZHANG Shui-ming, et al. Pollutionfrom agricultural non-point sources and its control in river system ofTaihu Lake, Jiangsu[J]. A cta Scientiae Circumstantiae, 1997, 17(1): 39-47.(in Chinese) |
[5] | 黄宗楚. 上海旱地农田氮磷流失过程及环境效益研究[D]. 上海: 华东师范大学, 2005. HUANG Zong-chu. The study of nonirrigated farmland nitrogen andphosphorus loss course and environmental effect in Shanghai[D]. Shanghai: East China Normal Unviersiy, 2005.(in Chinese) |
[6] | 苑韶峰, 吕 军. 流域农业非点源污染研究概况[J]. 土壤通报, 2004,35(4): 507-511. YUAN Shao-feng, L譈 Jun. A general introduction of agricultural nonpoint source pollution in watersheds[J]. Chinese Journal of Soil Science,2004, 35(4): 507-511.(in Chinese) |
[7] | 张大弟, 张晓红, 戴育民. 上海市郊 4 种地表径流污染负荷调查与评价[J]. 上海环境科学, 1997, 16(9): 35-38. ZHANG Da-di, ZHANG Xiao-hong, DAI Yu-min. Investigation andassessment of pollution load on four surface runoffs in Shanghai suburbs[J]. Shanghai Environmental Sciences, 1997, 16(9): 35-38.(in Chinese) |
[8] | 沈根祥, 王振旗, 钱晓雍, 等. 上海大莲湖区域农业面源污染特征研究[J]. 上海农业学报, 2010, 26(1): 55-59. SHEN Gen-xiang, WANG Zhen-qi, QIAN Xiao-yong, et al. The features of agricultural nonpoint source pollution in the Dalian Lake area ofShanghai[J]. A cta A griculture Shanghai, 2010, 26(1): 55-59.(in Chinese) |
[9] | 闫丽珍, 石敏俊, 王 磊. 太湖流域农业面源污染及控制研究进展[J]. 中国人口· 资源与环境, 2010, 20(1): 99-107. YAN Li-zhen, SHI Min-jun, WANG Lei. Review of agricultural nonpoint pollution in Taihu Lake and Taihu Basin[J]. China Population, Resources and Environment, 2010, 20(1): 99-107.(in Chinese) |
[10] | 焦雯珺, 闵庆文, 等. 太湖流域水环境变化人文驱动力研究[M]. 北京: 中国环境科学出版社, 2011. JIAO Wen-jun, MIN Qing-wen, et al. The study of human-induceddrivers of water environment changes in the Taihu Lake Basin[M]. Beijing: China Environmental Science Press, 2011.(in Chinese) |
[11] | 李 静, 闵庆文, 李子君, 等. 太湖流域农业污染压力分析[J]. 中国生态农业学报, 2012, 20(3): 348-355. LI Jing, MIN Qing-wen, LI Zi-jun, et al. Agricultural pollution pressure in the Taihu Lake Basin [J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture,2012, 20(3): 348-355.(in Chinese) |
[12] | 李 静, 闵庆文, 李文华, 等 . 太湖流域平河网区农业污染研究——以常州市和宜兴市为例[J]. 生态与农村环境学报, 2014, 30(2): 167-173. LI Jing, MIN Qing-wen, LI Wen-hua, et al. Agricultural pollution ofthe river-netted plain areas in the Taihu Lake Basin: a Case Study ofChangzhou and Yixing[J]. Journal of Ecology and Rural Environment,2014, 30(2): 167-173.(in Chinese) |
[13] | 焦雯珺, 闵庆文, 成升魁, 等. 基于污染足迹模型的太湖流域水环境演变的人文驱动力评估——以江苏省常州市为例[J]. 资源科学,2011, 33(2): 223-229. JIAO Wen-jun, MIN Qing-wen, CHENG Sheng-kui, et al. An assessment of human-induced drivers of water environment changes in theTaihu Lake Basin based on a pollution footprint model: a case study ofChangzhou City, Jiangsu Province[J]. Resources Science, 2011, 33(2):223-229.(in Chinese) |
[14] | 焦雯珺, 闵庆文, 成升魁, 等. 污染足迹及其在区域水污染压力评估中的应用——以太湖流域上游湖州市为例[J]. 生态学报, 2011,31(19): 5599-5606. JIAO Wen-jun, MIN Qing-wen, CHENG Sheng-kui, et al. Pollutionfootprint and its application in regional water pollution pressure assessment: a case study of Huzhou City in the upstream of Taihu LakeWatershed [J]. A cta Ecologica Sinica, 2011, 31(19): 5599-5606.(in Chinese) |
[15] | 闵庆文, 焦雯珺, 成升魁. 污染足迹: 一种基于生态系统服务的生态足迹[J]. 资源科学, 2011, 33(2): 195-200. MIN Qing-wen, JIAO Wen-jun, CHENG Sheng-kuiPollution footprint: a type of ecological footprint based on ecosystem services[J]. Resources Science, 2011, 33(2): 195-200(in Chinese) |
[16] | 张桂英, 汪祖强. 苏南太湖地区农田水中COD 的调查研究[J]. 农村生态环境, 1994, 10(2): 41-44. ZHANG Gui-ying, WANG Zu-qiang. Investigation on the COD balance in agricultural water of Taihu Lake region[J]. Rural Eco-environment, 1994, 10(2): 41-44.(in Chinese) |