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  农业资源与环境学报  2014, Vol. 31 Issue (4): 372-380

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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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收稿日期:2014-04-11
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
李静1,2, 闵庆文1 , 李文华1, 焦雯珺1, 袁正1,2    
1. 中国科学院地理科学与资源研究所 北京 100101;
2. 中国科学院大学 北京 100049
摘要:稻作农业在保障粮食安全方面贡献巨大,但因经济利益驱动,化肥农药被过量施用,造成了氮、磷等营养物质流失,对水环境产生严重影响。本文基于全国第一次污染普查数据,结合各类污染物的产排污系数计算了稻作农业COD、TN和TP入河量,通过污染足迹模型计算了稻作农业COD、TN和TP的污染足迹,通过污染压力模型计算了稻作农业COD、TN和TP的污染压力指数,并对其进行评估。结果表明:(1)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中以COD和TN为主,其入河量分别为792.96 t·a-1和605.28 t·a-1,TP入河量为27.16 t·a-1;(2)常州市、宜兴市稻作农业TN污染足迹最大(3 944.50 hm2),其次为TP污染足迹(2 578.95 hm2),最小的是COD污染足迹(523.52 hm2);(3)常州市、宜兴市稻作农业对水环境的污染压力指数为2.10,处于中度污染压力状况,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。
关键词稻作农业     COD     TN     TP     污染足迹     污染压力     太湖流域    
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
LI Jing1,2, MIN Qing-wen1, LI Wen-hua1, JIAO Wen-jun1, YUAN Zheng1,2     
1. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China;
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract:Rice agriculture has been proved to make a great contribution to the food quantity security, but farmers are driven by economic in-terests to overuse the pesticides and chemical fertilizers. The water environment is getting worse and worse. Based on the first national census of pollution data and the production and drainage coefficient of the pollutants, this paper calculated pollutant (COD, TN and TP)quantity in-lets into river from rice agriculture. The pollution footprint based on the pollution footprint model and the pressure index of pollution based on the pollution pressure model were also calculated. The results showed that the river discharge of COD and TN took the most part in that of COD, TN and TP. The river discharge of COD, TN and TP was 792.96 t·a-1, 605.28 t·a-1 and 27.16 t·a-1 respectively. The pollution footprint of TN was the largest, which was 3 944.50 hm2, the second was the pollution footprint of TP, which was 2 578.95 hm2, the smallest was the pollution footprint of COD, which was 523.52 hm2. The pollution pressure index of rice agriculture was 2.10, indicating that the river is in a moderate pollution stress condition. So the pollutant river discharge of the rice agriculture is beyond the carrying capacity of the local waters.
Key words: rice agriculture     COD     TN     TP     pollution footprint     pollution pressure     Taihu Lake Basin    

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。

表 1 研究区不同土地利用方式肥料流失系数 Table 1 Fertilizer loss coefficient of different land use in the study area

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。

图 1 研究区位置图 Figure 1 The location of the study area

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:

式中,W_Rf为种植业污染物的入河量(kg·a-1);Af为 研究区稻田面积(667 m2),取自研究区污染源普查数 据;Cf为稻田的肥料流失系数(kg·667 m-2)(表 1);Pf 为稻田污染物的排放系数(本文取值1,因研究区地 势平坦,农业与河流的间距较小,且土地对污染物的 吸纳能力较小,即排放量等于产生量);Rf为稻田污染 物的入河系数,从《太湖流域主要入湖河流水环境综 合整治规划编制规范》可知稻田生产的污染物入河系 数为0.1~0.3(表 2),并结合多次去研究区的实地考察, 最终将稻田污染物的入河系数定为0.3。
表 2 太湖流域各类污染源污染物的入河系数 Table 2 Coefficients of losing into rivers of pollutants in the Taihu Lake Basin
1.2.1.2 污染足迹模型

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)。

式中,PFNPFPPFCOD分别为稻作农业的氮、磷和COD 污染足迹(hm2);PNPPPCOD分别为稻作农业的 氮、磷和COD 入河量(kg);NYCODNYNNYP分别为 区域水体对COD、氮和磷的平均吸纳能力(kg·hm-2), 其值分别为1 514.67、153.45、10.53 kg·hm-2[14]1.2.1.3 污染压力模型

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。

式中,A为区域水域面积(hm2),I为污染压力指数,PF 为稻作农业的污染足迹(本文认为有机物、氮和磷在 对水环境的影响上具有明显重叠,故选取三者中的最 大值作为研究区的污染足迹),PC为稻作农业的污染 承载力。如果I<1,说明该区域无水污染压力;如果1< I<2,说明该区域存在轻度水污染压力;如果2<I<3,说 明该区域存在中度水污染压力;如果I>3,则说明该 区域存在重度水污染压力。焦雯珺等[14]通过计算得 出,2007 年常州市工业、生活和农业对常州市污染物 排放的贡献率大致为33%、45%和22%。因而认为农 业(种植业、畜禽养殖业和水产养殖业)的污染承载力 是分配区域污染承载力的22%,其中经计算稻作农 业(水田)COD、TN 和TP 的总污染足迹是种植业(旱 地、水田、园地和保护地)COD、TN 和TP 的总污染的 0.47;并且是农业(种植业、畜禽养殖业和水产养殖 业)COD、TN 和TP总污染足迹的0.16,故稻作农业的 污染承载力分配农业总污染承载力的0.16。最终求得 太湖流域稻作农业的污染承载力。 1.2.2 数据来源

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

表 3 研究区稻作农业污染物入河量(t·a-1 Table 3 COD,TN and TP river discharge of rice agriculture in the study area(t·a-1

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。

图 2 研究区稻作农业COD 排放的空间格局 Figure 2 Spatial distribution of COD river discharge from rice agriculture in the study area

图 3 研究区稻作农业TN排放的空间格局 Figure 3 Spatial distribution of TN river discharge from rice agriculture in the study area

图 4 研究区稻作农业TP排放的空间格局 Figure 4 Spatial distribution of TP river discharge from rice agriculture in the study area

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-12.2 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

表 4 研究区污染物污染足迹(hm2 Table 4 Pollutionfootprintofriceagricultureinthestudyarea(hm2

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%。

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

图 5 研究区稻作农业COD 污染足迹的空间格局 Figure 5 Spatial distribution of COD pollution footprint from rice agriculture in the study area

图 6 研究区稻作农业氮污染足迹的空间格局 Figure 6 Spatial distribution of TN pollution footprint from rice agriculture in the study area

图 7 研究区稻作农业磷污染足迹的空间格局 Figure 7 Spatial distribution of TP pollution footprint from rice agriculture in the study area

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。

图 8 研究区稻作农业污染物污染足迹比例 Figure 8 Proportions of different pollutants discharged from rice agriculture in the study area

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

图 9 研究区稻作农业污染足迹的空间格局 Figure 9 Spatial distribution of pollution footprint from rice agriculture in the study area
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

表 5 研究区稻作生产污染赤字/盈余 Table 5 Pollution deficit/surplus of rice agriculture in the study area

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。

图 10 研究区稻作生产污染压力指数的空间格局 Figure 10 Spatial distribution of pressure index of rice agriculture in the study area
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。

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