洪湖流域农业面源污染调查与污染负荷核算
摘要：针对洪湖流域农业面源污染负荷进行了核算研究，并确定了不同污染源对水环境的贡献率。结果表明，洪湖流域入湖污染物总量为CODCr 38 372.26 t/年、NH3-N 787.667 t/年、TN 4 349.054 t/年、TP 396.106 t/年，农业面源污染负荷估算值为畜禽养殖>水产养殖>居民生活>农田种植，它们对水环境的贡献率分别为39.33%、32.92%、23.33%、4.41%；畜禽养殖CODCr、TN、TP面源污染负荷量最高，分别为18 642.69、2 749.99、296.72 t/年，水产养殖NH3-N面源污染所占比例最大。
关键词：洪湖流域；农业面源污染；污染负荷；畜禽养殖；水产养殖
中图分类号：X508 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）04-0803-04
Investigation of Agricultural Non-Point Source Pollution and Estimation of Pollution Loads in Honghu Valley
MA Yu-bao1，CHEN Li-wen1，LIU Jing-jing1，DENG Chu-zhou2，WU Zhong2，ZHANG Ye-zhong1，DAI Jie1
（1.College of Chemistry and Environmental Engineering， Yangtze University， Jingzhou 434023， Hubei， China；
2. Environmental Protection Bureau of Jingzhou， Jingzhou 434000， Hubei， China）
Abstract： The load of agricultural non-point source pollution and the contribution of different pollution sources to water environment of Honghu valley were studied. The results showed that the total amount of CODCr， NH3-N， TN， and TP into Honghu valley were 38 372.26 t/a， 787.667 t/a， 4 349.054 t/a， and 396.106 t/a respectively. The order of pollution load of different agricultural sources was livestock and poultry > aquaculture > residents life > planting farmland. The contributions of these four agricultural sources were 39.33%， 32.92%， 23.33% and 4.41% respectively. The load of CODCr， TN， and TP of livestock and poultry were highest， were 18 642.69 t/a， 2 749.99 t/a and 296.72 t/a respectively， the NH3-N load of aquaculture was the largest.
Key words： Honghu valley； agricultural non-point source pollution； pollution load； livestock and poultry breeding； aquaculture
洪湖位于湖北省中南部，地处长江中游北岸，横跨洪湖市和监利县，现有面积348.33 km2，是湖北省第一大湖泊[1]。水面范围位于29°40′-29°58′N， 113°12′-113°26′E， 集水面积8 265 km2， 在长江中下游浅水湖泊中具有代表意义。洪湖多年平均降水量1 289 mm，年均径流量22.16亿m3。全年的降水量集中分布在4～10月，约占77%，7～8月份降水量充足，主要农作物为棉花、水稻[2]。近几年洪湖水质监测结果表明，其水中CODCr、TN和TP等指标严重超标，并呈现出持续恶化的趋势，目前已处于劣Ⅳ类至Ⅴ类水平，达不到水功能区划（Ⅱ类）标准。随着对洪湖点源污染的有效控制，农业面源在水体污染中所占的比例不断增加，贡献率超过70%，公认农业面源污染是洪湖水体污染的第一大污染源。洪湖流域农业面源污染源由农村生活污染源、畜禽养殖污染源、农田径流污染源、水产养殖污染源等组成。面源污染危害大，加速水体的富营养化、威胁地下水、淤积水体、降低水体功能、污染饮用水源等[3]。因此，针对洪湖流域农业面源污染负荷进行核算，可为洪湖流域面源污染防治提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 材料
仪器：紫外可见分光光度计、手提式不锈钢蒸汽消毒器、CODCr恒温加热器等仪器；试剂：过硫酸钾、氢氧化钠、抗坏血酸、钼酸铵、酒石酸锑钾、碘化钾、碘化汞、酒石酸钾钠、重铬酸钾、邻菲啰啉、硫酸亚铁、硫酸亚铁铵、硫酸锰等。
1.2 方法
1.2.1 计算方法 农村生活和畜禽养殖污染源的计算采用查阅资料与直接调查相结合的方法，对洪湖流域内相关的村庄和养殖场进行调查，按实际农村人口、养殖存栏数、排放系数、入水率等进行入湖污染物计算；农田种植污染负荷的计算采用典型地块监测法，按实测值计算污染物入湖量；水产养殖污染负荷的计算采用实地采样分析法，按实测值计算污染物入湖量。
1.2.2 水质监测方法 CODCr采用重铬酸盐法（GB11914-1989）测定、NH3-N采用纳氏试剂比色法（GB7479-1987）测定、TN采用碱性过硫酸钾消解紫外可见分光光度法（GB11894-1989）测定、TP采用钼酸铵消煮紫外可见分光光度法（GB11893-1989）测定。
1.2.3 水质监测方案 研究区域界定为洪湖流域中上游，以洪湖上游的福田寺镇杜刘村水稻和棉花种植区作为水田以及旱田试验区，在2010年7～8月，对不同的降雨状况下的污染物进行监测与分析。以洪湖中游的瞿家湾镇、沙口镇、滨湖办事处精养池塘（四大家鱼、河蟹）为水产养殖试验区，进行一个养殖周期（2010年2～11月）的水质跟踪监测。
2 结果与分析
2.1 农村生活污染负荷核算结果
农村生活污水排放系数为150 kg/（人·d），CODCr排放系数为64 g/（人·d）、NH3-N排放系数为7.4 g/（人·d） 、TN排放系数为10.3 g/（人·d）、TP排放系数为0.72 g/（人·d），入水率0.05。农村生活污染源排入洪湖的CODCr 1 905.24 t/年、NH3-N 220.30 t/年、TN 306.63 t/年、TP 21.43 t/年（表1）。
2.2 畜禽养殖污染负荷核算结果
截至2010年底，洪湖流域分散养殖存栏奶牛84头，肉牛5 140头，生猪60.70万头，蛋鸡320.95万只，肉鸡1 151.31万只。畜禽养殖产污系数及畜禽粪尿污染物的入水率分别见表2、表3。按畜禽养殖产污系数及入水率对污染物入湖量进行计算，畜禽养殖污染源排入洪湖的CODCr 18 642.69 t/年、NH3-N 168.27 t/年、TN 2 749.99 t/年、TP 296.72 t/年。
2.3 农田径流污染负荷核算结果
洪湖流域主要降雨季节在每年的7～8月，时间相对较短，便于监测。通过对洪湖流域典型农田在2010年7～8月降雨径流时的现场采样及实验室分析，得出不同下雨状况下的试验结果见表4。
按公式C=■（Ci×Hi）/■Hi进行农田径流主要污染物的加权平均浓度计算，式中，C为降雨某污染物平均浓度；Hi为某次降雨的降雨量；Ci为某次降雨某污染物监测浓度[4，5]。计算结果为水田径流CODCr 36.9 mg/L、NH3-N 2.21 mg/L、TN 6.95 mg/L、TP 0.86 mg/L；旱地径流CODCr 64.5 mg/L、NH3-N 2.57 mg/L、TN 7.98 mg/L、TP 1.35 mg/L。
洪湖流域耕地面积16.61万hm2，其中水田7.98万hm2，旱地8.63万hm2。洪湖流域农田径流产生情况见表5。入水率按10%计算，农田径流污染源排入洪湖的CODCr 1 066.325t/年、NH3-N 50.267 t/年、TN 157.004 t/年、TP 23.236 t/年。
2.4 水产养殖污染负荷核算
2010年5～10月的CODCr、NH3-N、TN、TP监测值以及进出水污染物浓度变化情况见表6。采用化学分析法[6-10]对污染负荷进行核算，计算公式如下：P=Q（Cout-Cint），式中，P为污染物排放负荷量；Q为排出池塘的水量；Cout、Cint分别为池塘出水和进水的污染物浓度。一般情况下，5～10月养殖池塘换水频繁，占总换水量90%，共换水约27次。水产养殖面积共11.39万hm2，大约每次换水深度0.2 m，年外排水量约6.84×109 m3，则水产养殖污染物排入洪湖的CODCr 16 758.00 t/年、NH3-N 348.84 t/年、TN 1 135.44 t/年、TP 54.72 t/年。
2.5 各类污染源对洪湖污染的贡献率
通过对农村生活、畜禽养殖污染源产污系数的调查分析及农田种植、水产养殖污染源的跟踪监测，对洪湖流域面源污染负荷进行核算，其面源污染贡献率见图1。由图1可见，水产养殖和畜禽养殖是洪湖流域农业面源污染的主要来源，洪湖流域内来自畜禽养殖的CODCr、TN、TP面源污染负荷量最高，分别为18 642.69 t/年、2 749.99 t/年、296.72 t/年，大大超出了其他污染源；水产养殖NH3-N污染所占比例最大，占44.29%。农村生活和农田种植的面源污染贡献率不大，农田种植CODCr、NH3-N、TN、TP的面源污染贡献率仅有2.78%、6.38%、3.61%、5.87%，远远小于其他污染源。这与当地的生活水平、生产方式以及养殖模式等密切相关，计算结果基本反应了洪湖流域面源污染的实际状况。
3 结论
1）洪湖流域农业面源污染负荷估算值为畜禽养殖>水产养殖>农村生活>农田种植，排入洪湖的污染物总量为CODCr 38 372.26 t/年、NH3-N 787.67 t/年、TN 4 349.05 t/年、TP 396.12 t/年。
2）水产养殖和畜禽养殖是洪湖流域农业面源污染的主要来源，需要重点控制。畜禽养殖面源污染贡献率最大，其中TN、TP的贡献率超过60%，主要由分散养殖畜禽粪尿的随意排放以及规模化养殖场的大量出现引起，有较大的治理难度，应引起政府的高度重视；农田种植面源污染贡献率最小。
3）洪湖流域水田径流源强系数为CODCr 48.630 kg/（hm2·年）、NH3-N 2.910 kg/（hm2·年）、TN 9.165 kg/（hm2·年）、TP 1.140 kg/（hm2·年）；旱田径流源强系数为CODCr 78.450 kg/（hm2·年）、NH3-N 3.120 kg/（hm2·年）、TN 9.705kg/（hm2·年）、TP 1.635 kg/（hm2·年）。此数据可作为江汉平原地区农田径流计算的污染源源强系数。
4）农业面源污染与人类活动、自然地理、社会经济等密切相关，随着社会经济的迅速发展，人口、生产方式、养殖模式等均在不断变化。因此，应及时校正相关计算模型及计算参数，从而更加准确核算洪湖流域面源污染负荷。
参考文献：
[1] 戴 捷，李传岭，邓楚洲，等.洪湖流域半封闭池塘河蟹养殖氮磷污染负荷研究[J].环境科学与技术，2010，33（5）：169-172.
[2] 桂 峰，于 革.江汉平原洪湖流域营养物质输移演变数值模拟[J].科学通报，2008，53（14）：1709-1718.
[3] 曹彦龙.三峡重庆库区面源污染分析及数字模拟研究[D].重庆：重庆大学，2006.
[4] 张大弟，陈佩青，支月娥.上海市郊4种地表径流及稻田水中的污染物浓度[J].上海环境科学，1997，16（9）：4-6.
[5] 刘占良，赫 旭，安文超，等.大沽河流域农田径流污染研究[J].中国海洋大学学报（自然科学版），2009，39（6）：1305-1310.
[6] 刘 庄，李维新，张毅敏，等.太湖流域非点源污染负荷估算[J].生态与农村环境学报，2010，26（增刊1）：45-48.
[7] 辛玉婷，陈 卫，孙 敏，等.淡水养殖污染负荷估算方法刍议[J].水资源保护，2007，23（6）：19-22.
[8] 岳 勇，程红光，杨胜天，等.松花江流域非点源污染负荷估算与评价[J].地理科学，2007，27（2）：231-235.
[9] 陈家长，胡耿东，瞿建宏，等.太湖流域池塘河蟹养殖向太湖排放氮磷的研究[J].农村生态环境，2005，21（1）：21-23.
[10] 张英鹏，李 彦，孙 明，等.微山岛农业面源污染源解析与防控对策[J].环境与可持续发展，2010（4）：51-54.