湖泊流域种植系统磷流特征及影响分析
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摘 要：湖泊流域中农业种植排放的磷污染是水体富营养化的主要污染来源。通过物质流分析方法，建立湖泊流域农业种植系统的静态磷物质流分析模型，并以巢湖流域为例，运用模型系统地量化并分析了2006年流域农业种植系统中的种子、化肥、农药、粪便、作物、秸秆等含磷物质的代谢过程。结果表明，系统对水体磷贡献为20.84 kg/亩，其中畜禽粪便还田和化肥施用是造成水体磷污染的主要原因，其含磷量分别占系统磷总输入量的74.68%和15.07%，并提出防治畜禽养殖污染和提高磷肥施用效率等减少系统对水体磷污染的主要措施。研究为高效控制农业面源污染，寻找治理水体富营养化的新途径提供依据。
关键词：富营养化；农业种植系统；磷；物质流分析；湖泊流域
中图分类号：X323 文献标志码：A 文章编号：1672-1098（2014）03-0016-05
磷是农作物生长所需要的重要元素，而农田地表径流及排水中磷素的流失加剧了附近水体的富营养化进程与程度。农业种植系统磷流分析作为理解磷养分在农田系统中循环周转的有效手段，反映了磷养分利用效率、磷素向环境迁移数量以及磷素管理的优劣等磷素与环境问题，近年来成为评价磷养分投入是否合理、农业可否持续发展、环境效益是否最佳的一个重要指标。国内外对农业生态系统中氮流的研究较多[1-5]， 而对磷的研究较少。因此建立一个农业种植系统磷流模型，对农业种植系统的整体结构优化、生态效率提升以及周边水体环境改善具有重要作用。
物质流分析是一种刻画和理解特定物质（通常为元素、化学化合物或一类物质等）在由一定的时间和空间组成的特定系统内流动状况的分析工具[6-7]。作为产业生态学领域内的一种重要分析工具，它遵循物质守恒定律，通过量化某一物质或某一类物质流入、流出特定系统和在该系统内部的流动和贮存状况，从而建立该系统内经济与环境之间的定量关系。本研究通过物质流分析方法建立农业种植系统磷流分析模型，并以巢湖流域为例运用模型对巢湖流域农业种植系统中的农药、肥料、作物、秸秆等含磷物质进行了磷元素流量分析，识别出巢湖流域农业种植系统中磷流的结构特征以及对水体环境影响的负荷，为控制农业面源污染、水体富营养化治理提供依据。
1 研究方法
1.1 框架构建
考虑到目前经济和环境统计数据稀缺的条件下，开发动态的磷物质流循环模型具有较大难度，本研究提出建立静态的农田磷物质流流分析模型。建立静态农业种植系统磷流分析模型的基本原理是物质衡算即：“输入=输出+积累”。从长期来看，农业种植系统中的积累部分即作物生长和土壤养分吸收以及土壤径流之间是达到一种平衡的，这样农业种植系统中的物质流才得以平衡和继续，为此假设农田磷流系统处于一种稳定状态，则农田系统中的物质衡算公式就可以简化为：“输入=输出”。
模型建立首先应根据研究对象农业种植系统的经济属性、环境属性以及研究目的，概化和定义磷流系统边界与结构框架。而农业种植系统是人类为了满足生存需要，依靠土地资源，以作物生长为中心，通过播种、施肥等活动促进农作物的生长繁殖来获得产品物质而形成的半自然人工生态系统，即是由农作物及其周围环境构成的物质转化和能量流动系统[8]。其中农田输入主要包括种子播种、化肥和农药施用、人类和畜禽粪便作肥、秸秆还田，输出主要包括农产品生产、秸秆产出和农田排水，不涉及由于风蚀、水蚀、底泥释放等自然因素引起的物质流过程，分析框架见图1。在输入项以及农产品和秸秆输出项可以计算的前提下，通过物质守恒原则，可以得出输出项中的农田排水量，进而为识别农业种植系统中排水的磷含量以及对水体的污染提供依据。
农田系统中磷的输入包括种子、化肥、农药、人类粪便、畜禽粪便和还田秸秆，磷的输出包括农产品、秸秆和排水。在计算中，将各输入输出的量折算为磷的数量。计算公式如下：
1） 种子。种子主要包括粮食作物（指稻谷、小麦、玉米、谷子、高粱等谷物，大豆等豆类作物，薯类作物）、油料作物（指花生、油菜籽、芝麻等）和棉花等，其中蔬菜瓜果、麻类、糖料、烟叶、药材、茶叶等作物一方面种子用量很少而且含磷量较低，故在此忽略不计。种子含磷量计算公式为
4） 粪便。粪便主要包括农村居民粪便和畜禽粪便，根据农村粪便还田情况，假设农村居民和畜禽的粪便全部还田作肥。另外需要说明的是，本研究中畜禽主要考虑猪、牛、羊和家禽四类，其中家禽主要是鸡、鸭、鹅，而由于马、驴、骡、兔等其他动物的养殖数量远小于上述四类，其磷排泄总量占总量也非常小，因此模型中对此不予考虑。粪便含磷量计算公式为
5） 农作物。农作物中的麻类、糖料、烟叶、药材、茶叶等作物一方面产量一般较少而且含磷量比较低，故在此忽略不计，主要计算粮食作物、油料作物、棉花和蔬菜瓜果的含磷量，计算公式为
式中：Pc为农作物含磷量，Cci （i=1，2，3，4）分别为粮食作物、油料作物、棉花和蔬菜瓜果的产量，pci （i=1，2，3，4）分别为粮食作物、油料作物、棉花和蔬菜瓜果的含磷率。
6） 秸秆。作为农业种植系统的输出部分，农作物收获后产生的秸秆还有一部分焚烧或弃置还田，从而又成为系统一部分输入，因为秸秆部分不仅要计算出农作物秸秆产生量，还要计算出秸秆还田量，秸秆产生量可以通过作物产量乘以其草谷比（即作物产量与其秸秆比例）求得，而秸秆还田量可以通过秸秆量乘以秸秆还田率求得。注意，农产品中的蔬菜瓜果与糖类的秸秆忽略不计。为此，作为系统输出部分的秸秆含磷量为
式中：Pt为秸秆含磷量，rti （i=1，2，3）分别为粮食作物、油料作物和棉花的草谷比，pti （i=1，2，3）分别为粮食作物、油料作物和棉花的秸秆的含磷率。
根据湖泊流域农业种植系统磷流分析框架，结合公式（6）得作为系统输入部分的秸秆含磷量为
1.3 数据来源
各类农作物种植面积和产量，农药、化肥用量，禽畜生产及农村人口等基础数据来自《2007年安徽农村经济统计年鉴》和《2007年安徽省统计年鉴》，基准年为2006年，计算公式中的其他参数来源见表1，最后计算结果按每亩磷含量进行比较。
2. 目前国内生产农药的厂家约2000家，其中原药生产企业300多家，年生产能力万吨以上的品种主要有乐果、对硫磷、辛硫磷、水胺硫磷等（其中磷含量分别5.9%、5.4%、5.2%、4.7%），所以取有机磷农药的平均磷含量为5%。在我国的农药产品中，杀虫剂占农药总产量的70%，在杀虫剂中有机磷产量占70%，本文认为研究区域不同农药的使用比例与全国不同农药的生产比例基本相同，故取有机磷农药占全部农药施用量的50%，即农药含磷以2.5%计。
3. 畜禽粪便的日排泄量与品种、体重、生理状态、饲料组成和饲喂方式等均相关，我国目前尚没有相应的国家标准，根据相关文献，再结合实际取折中值确定各种畜禽新鲜粪便的排泄系数。
2 区域概况
巢湖位于安徽省中部，是我国著名的五大淡水湖之一。巢湖流域总面积1.35万 km2，流域涵盖合肥、肥西、舒城、肥东、居巢、含山、和县、庐江、无为等九个县（市）。巢湖流域是安徽省人口最密集的地区之一，其人口965.89万，共253.22万户。其中合肥市是安徽省政治、经济、文化的中心。巢湖流域农业经济水平较高，是安徽省粮食、水禽和鱼类等主要产地之一，农业种植作物主要有水稻、油菜、棉花、小麦、大豆、薯类、花生、蔬菜等。巢湖目前是我国水体富营养化程度最严重湖泊之一，2006年巢湖12个环湖河流监测断面中，1个水质为Ⅲ类，5个为Ⅳ类，6个为劣Ⅴ类。近年来非点源入湖污染负荷贡献率已超过70%[9]，农田是农业面源污染物的重要来源，其中农田排水中的磷流失起主要作用。
3 结果与讨论
3.1 系统磷输入
巢湖流域农田输入主要包括作物种子播种、化肥和农药施用、人类和畜禽粪便作肥和秸秆还田，根据农业种植系统模型及参数计算，得2006年巢湖流域农田系统磷输入总量为48.77 kg/亩，其中畜禽粪便还田对系统磷输入贡献最大，占系统磷输入总量的74.68%。其次为化肥，其含磷量占磷输入总量的15.07%。结合流域农业种植磷流分析模型知，畜禽粪便还田和化肥施用亦是导致农田对水体磷排放主要原因。巢湖流域农业种植系统各含磷输入项分配情况如图2所示。
3.2 农田系统磷输出
巢湖流域农田系统输出主要包括农作物生产、秸秆产出和农田排水，其中农作物生产和秸秆产出根据农业种植系统模型及参数计算得巢湖流域农田系统磷输出，而农田排水通过“输入=输出”平衡计算得出。总结前面所得数据，得到2006年巢湖流域农业种植系统对水体排磷总量为20.84 kg/亩，结合前面计算知，巢湖流域农业种植系统中的农产品和秸秆两项磷输出量分别为16.0 kg/亩和4.84 kg/亩，则该系统排水含磷量为27.93 kg/亩。
3.3 分析与建议
2006年巢湖流域农业种植系统对水体磷贡献为20.84 kg/亩。从系统磷流结构上看，农田磷输入部分中的畜禽粪便磷输入最大，约36.42 kg/亩，占74.68%；其次为化肥磷输入，约7.35 kg/亩，占15.07%。根据调研发现，巢湖流域内尤其肥西县畜禽规模养殖企业较多，畜禽排便量较大，而养殖企业的废物处理设施落后，企业人员的污染治理意识也淡薄，粪便除了大部分还田作肥外，还有相当一部分直接排入水体，对水体贡献明显；另外，近年来巢湖流域过快的人口增长及城市化、交通道路设施建设的加快导致人均土地资源占有量快速下降，人地矛盾突出。为缓解人口增长与粮食需求之间的矛盾，提高耕地作物产量，于是被迫提高复种指数，大量施用化肥农药，甚至有的地方毁林开荒。同时，由于农田耕作方式传统落后且缺乏有效的管理措施，化肥利用率很低，且大部分随地表径流流入水体，产生较大水体负荷。而在系统磷输入中，种子和农药磷输入最小，分别为0.2 kg/亩和0.16 kg/亩，占磷输入总量的0.41%和0.33%，主要是由于种子施用量较少且其含磷率本身都较低，另外目前国家对有机磷农药的比例及其含磷率都有严格限制，因此导致种子和农药的磷含量对系统磷输入贡献最小。
针对以上结果分析，为提高巢湖流域农业种植磷资源利用效率，并减少对水体的磷污染，本研究提出：
1） 强化规模养殖管理，控制畜禽养殖业的发展速度，实施生态养殖。政府应控制畜禽养殖发展速度，并为养殖企业提供资金和技术支持，加强对规模养殖的环境管理。湖泊周围划定畜禽禁养区，禁养区内严禁新建畜禽养殖场，已建的畜禽养殖场要限期搬迁或关闭。企业应加强废物处理设施建设，对员工开展环境保护教育培训，实现规模养殖畜禽粪便集中处理，制定惩罚措施杜绝畜禽粪便未经处理直接排放进入沟渠、河道和湖体。同时，规模化畜禽养殖场要抓紧治污改造，加强综合利用，确保实现达标排放。另外，建设一批规模化畜禽养殖场污染治理示范工程，如开发对畜禽粪便资源化综合利用，如生产沼气、水产饲料等。
2） 突出农业面源治理，减少流域化肥的施用量，发展生态农业。当地部门应开展生态农业示范，推广高效有机肥的使用，优化肥料结构并降低磷肥施用量；当地政府和农技人员应引导农民进行高效施肥，加大农业施肥的科技投入，积极改善磷肥施用技术，采用先进的节水灌溉技术，确保因时、因地、因作物需求平衡施肥，提高灌溉用水以及磷肥的利用效率，从而减少化肥的施用量，减少农业种植过程的磷污染。科学进行土地利用区划，采取适宜的土地利用方式，如将不宜植稻区改为旱作，减少土壤含磷养分流失。
3） 控制水土流失，减少因水土流失进入地表水体的磷量。提高植被的覆盖率，退耕还林，合理安排好农、林、牧、副业用地；在山地丘陵区，应根据水土流失的形式，开挖截流沟，截断地表径流，减缓地表径流的冲刷力等。
另外，也要注意对对城镇及农村居民加强环境保护和绿色消费等观念普及，鼓励绿色消费，树立资源节约和环境保护意识，保持居住环境卫生；同时，加快城乡环境基础设施建设，提高城乡垃圾收集、清运和处理能力，实现城市垃圾基本全部无害化处置等。
当然论文中还存在一些不足，如模型输入输出计算中的很多参数没有相应的国家标准，是根据相关文献结合实际情况综合所得，尚需进一步研究确认，但由于取值误差不大，不会对本研究造成影响；农业种植系统磷物质流是一个能量流动的过程，而且没有考虑自然因素引起的物质流动，对区域物质流活动的环境影响无法给出较为明确的判断标准，因此对种植系统磷流的输入输出平衡还需作进一步研究；目前国家层面的物质流核算方法已较为完善，而流域层面物质流分析研究不多，仍未形成较为统一的方法，因此，如何构建完整的流域物质流核算体系应该是今后流域物质流研究的一个重要领域。
4 结论
1） 根据“输入=输出”的物质守恒原理，构建了农业种植系统磷流静态分析模型，包括磷流分析框架的构建及主要磷流核算方法的确定。其中系统含磷输入项主要包括种子播种、化肥和农药施用、人类和畜禽粪便作肥、秸秆还田等，系统含磷输出项主要包括农产品生产、秸秆产出和农田排水等。
2） 依据模型对2006年巢湖流域农业种植系统磷流进行了刻画分析，计算得巢湖流域农田排水磷强度为20.84 kg/亩。其中畜禽粪便及化肥施用对流域水环境磷负荷贡献最大，分别占总磷输入的74.68%和15.07%，畜禽粪便处理效率低及化肥大量施用是造成该农田对水体磷贡献的主要原因。
3） 基于减少巢湖流域农业种植对水体磷负荷提出对策建议。如控制畜禽养殖规模，加强畜禽养殖废物处理水平，对畜禽粪便资源化综合利用，提高化肥施用效率，采取适宜的土地利用方式，控制水土流失，提高农村废物处理设施和水平，引导居民绿色消费等。
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