饮用水源保护区农业面源污染评价

刘征　刘洋　赵旭阳等

摘要：面源污染由于涉及范围广、控制难度大，目前已成为影响水体环境质量的重要污染源。平山县是河北省石家庄市地表水源保护区所在地，水体质量保护尤为重要。针对石家庄市平山县面源污染的现状调查，采用流失系数法、排泄系数法、人均产污系数法，分别对农田径流、畜禽养殖和农村生活产生的面源污染潜在负荷容量进行了计算；对农田径流污染空间分异评价；最后将HJ-1遥感影像解译，进行了农田径流污染与土地利用关系研究。研究结果表明：平山县畜禽养殖为主要的污染源；平山县总氮污染潜在负荷量从平山县西侧向东侧逐渐增加，其主要分布在平山镇、回舍镇和岗南镇，而分布在岗南水库周围的西柏坡镇和孟家庄镇总氮污染负荷较小；平山县主要以低矮灌木级草地和林地为主，耕地分散，主要集中在县域东侧，是引起农田径流的主要原因。从畜禽养殖方面入手，实行畜禽粪便无害化、资源化利用，是解决畜禽粪便污染的根本措施。本研究为河北省太行山山区乃至全国山区农业面源污染评价提供思路，为平山县农业面源污染治理提供理论基础。

关键词：饮用水源保护区；面源污染；潜在负荷容量；空间分异；土地利用

中图分类号： X144；X71 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2014）07-0360-04

收稿日期：2013-10-29

基金项目：河北省自然科学基金（编号：D2010001952）；河北省科技计划（编号：2237126D-3）。

作者简介：刘征（1979—），女，河北邯郸人，硕士，讲师，主要从事生态环境遥感研究。E-mail：liuzheng111_1979@163.com。

通信作者：赵旭阳，男，河北井陉人，教授，主要从事区域研究与开发研究。E-mail：log2008@163.com。面源污染（non- point source pollution，NPSP）也称非点源污染，是指溶解的和固体的污染物在降水或融雪的冲刷作用下，从非特定地点通过径流过程汇入受纳水体（包括河流、湖泊、水库和海湾等）并引起有机污染、水体富营养化或有毒有害等其他形式的污染[1]。美国《清洁水法修正案》对面源污染的定义为：污染物以广义的、分散的、微量的形式进入地表或地下水体。面源污染成为国际环境问题研究的主流领域，而农业面源污染是目前水体污染中最大的问题之一[2-6]。目前我国农业面源污染问题非常严峻，已经给水体、土壤和空气带来了日益严重的危害[7]。

国外面源污染研究起步于20 世纪60年代。美、英、日等一些发达国家率先开展面源污染研究，20世纪70年代以后在世界各地逐渐受到重视。20世纪80年代，农业面源污染研究蓬勃发展。到20世纪90年代，新的污染物成为研究热点。尤以美国研究面源污染的历史较长，是世界上少数几个对点源和面源污染进行全国性系统控制研究的国家之一[8-9]。我国的面源污染研究始于20世纪80年代的湖泊富营养化调查，真正意义上的面源污染研究是北京城市径流污染研究，之后相继在上海、杭州、苏州、长沙、南京、成都等城市开展了城市面源污染研究[9-11]；与此同时，农村面源污染研究先后在于桥水库、珠海前山河流域、滇池、太湖、巢湖、晋江流域、东江流域等地方开展[12-13]。目前我国还没有自主的系统技术，处于分散的尝试引入国外特别是美国模型的阶段。20世纪90年代以来，农药、化肥污染的宏观特征、影响因素研究和黑箱经验统计模型模式在农业面源污染研究中占据了重要地位。将面源污染负荷模型与3S（GIS、GPS、RS）技术结合，与水质模型对接用于流域水质管理成为面源研究的新生长点。目前我国的面源污染往往局限于狭义的面源污染研究；研究内容涉及面源污染负荷评价、模型介绍及模型与GIS结合技术等；研究参与人员极少，且存在阶段性和孤立性，还未形成体系，更未深入到管理、政策的研究[14]。

本研究针对石家庄市饮用水源保护区平山县面源污染的现状调查，采用流失系数法、排泄系数法、人均产污系数法，分别对农田径流、畜禽养殖和农村生活产生的面源污染潜在负荷容量进行计算和评价，分析其空间分布特征，与土地利用情况进行相似性分析，并提出合理建议。

1材料与方法

1.1数据源

考虑到影像的可获得性、影像本身的质量和文章的创新性，本研究所采用的数据主要为研究区2010年中国环境一号卫星遥感影像。遥感影像成像时间为2010年7月15日，分辨率均为30 m。辅助资料为石家庄市2010年Landsat ETM遥感影像、地球系统科学数据共享网2005年已分类矢量数据、石家庄市2000年地形图和石家庄地区土地利用现状图，并结合2010年5月实地勘察和调研数据；查阅平山县2000年年鉴，国家环保总局推荐的畜禽排泄系数和城镇生活源产排污系数手册等相关资料；采用现场调查，调查统计平山县的化肥施用情况，以及粪便、污水产生和处理情况。

1.2研究方法

1.2.1农业面源潜在负荷计算

1.2.1.1农田径流污染潜在负荷 在农田种植业方面，采用流失系数法估算化肥产生农田径流的面源污染潜在负荷。由过量施用化肥所导致的农田径流总氮、总磷潜在负荷按下述公式进行计算：

总氮（总磷）潜在负荷=氮（磷）施用（折纯）量×化肥流失系数（1）

根据国家环保部污染源普查推荐数据，选取研究区的不同种植作物的地下淋溶和地表径流定位监测点数据。氮、磷肥料的流失系数：夏收粮食、秋收粮食氮地表径流系数为095，磷为 0.38；棉花、油料氮地表径流系数为0.95，磷为0.38；蔬菜氮地表径流系数为0.67，磷为0.44。

1.2.1.2畜禽养殖污染潜在负荷本研究使用排泄系数法进行计算畜禽养殖污染潜在负荷。由畜禽养殖产生的污染物潜在负荷量计算公式如下：

畜禽养殖污染物潜在负荷量=畜禽养殖数×污染物排泄系数×粪便中污染物平均含量×未处理粪便的比例（2）endprint

采用国家环境保护总局自然生态保护司编写的《全国规模化畜禽养殖业污染情况调查及防治对策》中推荐的畜禽粪便排泄系数及畜禽粪便中污染物平均含量（表1）。

2.2平山县面源污染潜在负荷

农业面源污染的主要原因有农作物污染、畜禽粪便污染和农村生活产生的垃圾3方面。针对平山县农业面源污染的实际情况，本研究确定化学需氧量（COD）、氨氮、总氮和总磷为研究的主要污染影响因子。由于农田径流产生的COD和氨氮含量几乎为零，可以忽略不计，仅计算农田径流产生的总氮和总磷。

2.2.1农田径流污染潜在负荷化肥中复合肥的氮、磷含量，依据调查结果按复合肥折纯量的50%、30%计算，将复合肥中氮、磷与平山县氮肥、磷肥施用量累加，计算出平山县氮肥、磷肥施用量。平山县氮肥平均施用量435 kg/hm2，磷肥平均施用量114 kg/hm2。化肥施用量要求按折纯量计算数量。折纯量是指把氮肥、磷肥、钾肥分别按含氮、含五氧化二磷、含氧化钾的百分之一百成分进行折算后的数量。本研究通过计算定义折纯量为1.1236%。根据公式（1）计算得出平山县农田径流面源污染潜在负荷，见表3。

2.2.2畜禽养殖污染潜在负荷平山县畜禽养殖粪便产生量见表2，根据调查，平山县畜禽粪便的未处理率为40%。依据公式（2），计算平山县畜禽养殖面源污染潜在负荷见表3。

表2平山县畜禽养殖粪便产生量

类型产生量（t）猪牛羊鸡鸭粪37.56154.765.507.300.46尿61.9776.749.08

2.2.3农村生活污染潜在负荷根据现场调研情况，除去在排放过程中蒸发、渗漏以及跟随人粪尿用于沼气制造外，平山县未处理的生活污水比例为90%。依据公式（3），计算出平山县农村生活面源污染潜在负荷，见表3。

表3污染因子污染潜在负荷量汇总t

类别COD氨氮总氮总磷农田径流2.610.12畜禽养殖13.091.172.560.82农村生活1.640.400.500.04合计12.031.575.670.99

在各污染因子中，COD污染潜在负荷量较大，在COD负荷量组成方面，以畜禽养殖为主。由于平山县鼓励畜禽养殖业，各类畜禽的养殖量逐年增加，猪是平山县重点扶植的养殖种类。同时从畜禽粪便污染含量的分析上看，猪的粪便污染含量最高，猪养殖量增加带动平山县全县畜禽养殖所产生的粪便量也大幅增长；农村生活污染负荷量方面，由于农村人口平稳增长，而且随着农村城镇化，农业人口会维持在相对稳定的水平甚至还会下降，因此农村生活产生的农业面源污染基本稳定或略有下降趋势。氨氮的污染潜在负荷容量仍以畜禽养殖为主。

在各污染源总氮、总磷潜在负荷量比例方面，以农田径流和畜禽养殖为主，农村生活所占的比例较小。农田径流产生农业面源污染负荷量受耕地面积与化肥施用量双重影响。由于平山县鼓励畜禽养殖业，畜禽养殖产生的总氮潜在负荷量也占主要地位。

2.3平山县农田径流污染空间分异评价

查阅平山县年鉴，得到平山县各乡镇夏粮、秋粮、棉花、油料、蔬菜的播种面积，采用流失系数法，计算得到各乡镇总氮、总磷污染潜在负荷量，采用GIS软件，得到总氮、总磷污染负荷分布如图2、图3所示。

3结论与讨论

土地利用及多样性导致生物地球化学循环、水文过程和景观动态过程的变化，土地利用管理的变化影响着农业面源污染。

平山县农业面源污染在COD负荷量和氨氮负荷量组成方面，以畜禽养殖为主；在总氮、总磷污染潜在负荷量组成方面，农村径流和畜禽生活占主要地位；从3种农业面源污染来源来看，畜禽养殖为主要的污染源。

平山县总氮污染潜在负荷量从平山县西侧向东侧逐渐增加，主要分布在平山镇、回舍镇和岗南镇，而分布在岗南水库周围的西柏坡镇和孟家庄镇总氮污染负荷较小。

平山县主要以低矮灌木及草地和林地为主，耕地分散，主要集中在县域东侧，是引起农田径流的主要原因。林地的扩大使土壤侵蚀减少，进一步降低农田污染物径流量。

从畜禽养殖方面入手，实行畜禽粪便无害化、资源化利用，是解决畜禽粪便污染的根本措施。加强源头管理、过程监控及提高粪便及污水处理设施普及率和使用率，有助于从整体上减少平山县农业面源污染。

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