农业土地利用系统的环境风险识别与评价

农业土地利用系统的环境风险识别与评价

农业土地使用是地球表层系统中最重要的人类活动之一。由于农药和化肥等物质的大量投入,土地利用的集约化程度不断提高,一方面极大地提高作物产量,另一方面也导致土壤和环境质量的下降,威胁着粮食安全、食品安全以及人类与生态系统的健康。因此,农业土地利用系统的环境风险问题已成为当前土地科学和环境科学研究的热点之一。农业土地利用系统的环境风险评价是风险管理的基础。大量研究通过构建评价指标体系对农地整理、土地利用规划、土地利用变化和农业土地利用方式等的生态环境风险进行了分析,而从系统角度研究区域农地利用综合风险的报道较少;许多学者还对土壤重金属污染、农药残留、氮磷流失和土壤侵蚀等的环境影响进行了研究。由于只集中在某一项污染物质或风险上,故难以反映综合风险程度和各风险的内在联系,且对风险源的分析研究不足,不利于风险的防范和管理。该研究从土地利用系统的角度,采用环境风险评价方法分析和评价了湖南省桃江县农业土地利用过程中污水灌溉、肥源投入、农药投入、地膜施用和秸秆焚烧5个方面的环境风险,该研究方法能够对区域农业土地利用系统的多种环境风险源进行识别,评价各种环境风险水平和综合风险程度,从而为区域农业土地利用的环境风险预警和管理提供依据。1土地利用现状湖南省桃江县位于资江流域的中下游,为雪峰山余脉向洞庭湖过渡的丘岗地带,地势南高北低,西高东低,周围山丘环绕,中部有盆地分布,属于典型的山间丘陵盆地,年平均降水量1566mm,土地面积206300hm2,其中低山地占27.3%,丘陵占29.5%,岗地占14.7%,平原占26.4%。全县农业用地面积为170300hm2,占土地利用总面积的82.5%,其中林地占73.3%,耕地占22.3%,其他用地占4.4%,平原耕地中水田占91.4%。以锑、锰、金、铁和钨等为主的有色金属及其他可供开采的矿产有20余种,矿产资源丰富。该县辖15个乡镇,人口85万,其中农业人口71万,占人口总数的84%。数据来源包括:(1)桃江县2006年1∶5万土地利用现状图,主要用于确定污水灌溉的空间分布;(2)桃江县2008年污染源普查数据(农业污染源部分),用于分析肥源投入、农药投入、地膜施用和秸秆焚烧等引起的环境风险水平;(3)土壤重金属采样分析数据(采样时间为2008年9月),用于分析土壤重金属污染程度。2学习方法2.1农业土地利用系统过程农业土地利用系统由土地利用方式、土地利用过程和自然环境等要素组成,在人类农业生产活动过程中形成的自然生态经济系统具有一定结构、功能和自我调节能力,在系统内部以及系统与外部环境之间存在着物质流、能量流和信息流的交换。土地利用系统因受到自然和人为驱动因子的作用而发生变化。这种动态变化主要体现在空间变化和过程变化2个方面。空间变化主要包括农业土地数量变化、利用类型变化和空间位置变化等,过程变化包括农业土地利用系统的物质流、能量流、价值流和信息流的变化等。土地利用系统过程包括系统的输入、土地利用过程和输出3个部分:(1)输入:农业土地利用系统输入分为生产输入和环境输入,其中生产输入包括各种物质(如化肥、畜禽粪肥、农药、灌溉用水、种子等)、劳力、资金、技术和机械等的投入;(2)土地利用过程:农业土地利用是以获取农副产品为目的的生产性利用过程,包括土地的空间布局、耕作管理、化肥农药施用和灌溉等;(3)输出:系统的输出分为产品输出和环境输出,其中产品输出主要是农副产品输出,环境输出包括氮磷等养分输出、重金属等污染物输出和温室气体等输出(图1)。当环境输出超出环境的自净能力或容纳限度时,就可能产生环境风险。农业土地利用系统的输入和土地利用过程是产生环境输出的原因,系统的环境风险主要来自系统的输入和土地利用过程。通过对农业土地利用系统过程和输入输出特征的解析,就可以分析系统的环境风险来源。土地利用系统的环境风险主要来自肥源投入、农药和地膜施用、灌溉、秸秆焚烧以及耕作管理等人为因素(生产输入和土地利用过程)和自然灾害(如干旱、洪涝、泥石流等)、大气沉降等自然因素。由于自然因素带来的环境风险并非由人类的土地利用行为所产生,笔者重点研究土地利用过程中人为因素带来的环境风险。2.2农业土地利用系统的环境风险评估2.2.1环境风险评价单元农业土地利用的环境风险来源和影响较为复杂,以行政单元为评价单元可以满足环境风险管理的需要和一些环境风险的地域性特点,考虑到研究区域为桃江县,因此以乡镇为评价单元。2.2.2土壤污染环境风险评价在环境风险分析的基础上,选取影响区域农业土地利用的主要环境风险为评价对象。环境风险评价方法的选取应根据相关国家标准和行业标准,对于缺少相关评价标准的环境风险,选取的评价方法应该能够对风险大小进行客观评估,具体评价方法如下:(1)土壤重金属污染评价根据《全国土壤污染状况评价技术规定(试行)》,采用单项指数法和内梅罗指数法分别计算单项污染指数和土壤综合污染指数,依据土壤综合污染指数分级标准,得到评价单元土壤重金属污染等级情况,评价步骤见文献;(2)氮淋失评价根据氮淋失的肥料用量分级和当地的复种指数(1.698)计算发生不同程度氮淋失的施肥量(年氮用量>637kg·hm-2,强度淋失;>509~637kg·hm-2,中度淋失;>382~509kg·hm-2,轻度淋失;≤382kg·hm-2,施肥适量或不足),通过对比评价单元的平均施肥量,得到评价单元氮淋失程度;(3)对农药投入、地膜施用和秸秆焚烧引起的环境风险的评价分别以农药投入量、地膜残留量和秸秆焚烧量为评价依据进行评价;(4)综合环境风险评价是在对各种环境风险评价的基础上,以评价单元应该予以重点关注的环境风险种数为依据来确定评价单元的综合风险水平。2.2.3测定指标和方法评价指标的选取也应根据相关国家标准和行业标准,对于缺少相关评价标准的环境风险,应遵循指标值有较大的变化范围且对环境风险产生的后果有显著影响的原则选择评价指标,具体指标选择如下:(1)土壤重金属污染评价参照GB15618—1995《土壤环境质量标准》(Ⅱ类土壤,pH值<6.5)选取Cr、Cu、Zn、Pb、Cd、Ni、Co、Fe和Mn含量作为评价指标,计算污染指数;(2)化肥投入、农药投入和地膜施用分别选取单位面积氮磷施用量和流失量、农药投入量和流失量、地膜残留量以及秸秆焚烧量等指标进行评价;(3)综合环境风险以评价单元需要关注的环境风险种数作为评价指标。3结果与分析3.1土地利用过程分析在综合分析桃江县农地利用的基础资料、污染源普查数据和土壤采样的基础上,分析研究区域农业土地利用过程和输入输出特征,对该区域主要环境风险进行分析和识别,得到桃江县农业土地利用过程中主要环境风险来源有污水灌溉、肥源投入、农药投入、地膜施用和秸秆焚烧。3.2环境风险评估结果3.2.1桃江县乡镇土壤重金属污染总体情况借助遥感影像图和土地利用现状图对桃江县耕地污灌情况进行实地调研,得到污水灌溉耕地分布情况(图2)。全县耕地污灌面积406hm2,占耕地总面积的1.07%,灌溉污水主要来自被工厂排污和矿场废水污染的河流、灌溉沟渠等,主要分布于工矿较多的南部乡镇。为进一步评价污水灌溉的风险程度,对全县146个土壤样本的Cr、Cu、Zn、Pb、Cd、Ni、Co、Fe和Mn这9种重金属含量进行采样分析,采用内梅罗指数法进行评价。结果显示,5种重金属含量超出GB15618—1995《土壤环境质量标准》(Ⅱ类土壤),超标率由大到小依次为Cd、Co、Ni、Cu和Zn(表1)。桃江县不同乡镇土壤重金属综合污染指数为0.77~5.55,平均值为1.58,总体呈轻度污染(表2)。其中,牛田镇土壤重金属污染指数最高,达到5.55,属于重度污染。从综合污染指数的空间分布(图3)可以看出,桃江县水稻田重金属污染集中在南部污水灌溉相对严重的乡镇,北部乡镇重金属综合污染指数较低。3.2.2施肥方案及施量对全县种植业污染源普查数据分析表明,桃江县2008年耕地氮肥施用量为720kg·hm-2,净氮为90kg·hm-2,磷肥为285kg·hm-2,净P2O5为30kg·hm-2。全县施用肥源84种,包括化肥、畜禽粪肥和作物秸秆等,施用率高的有稻草、尿素、氯化钾、猪粪、复合肥、钾肥、碳酸氢铵、桃江配方肥和钙镁磷肥等(表3),施肥方式以撒施为主,容易造成养分淋失。桃江县氮肥的平均当季利用率为30%~35%,磷肥为10%~20%,钾肥为40%~45%,大量的养分流失会导致农业面源污染。全县按乡镇平均年总氮流失量为22kg·hm-2,总磷流失量为2.26kg·hm-2(表4)。根据氮淋失的肥料用量分级,全县总体呈强度淋失,中部乡镇普遍达到强度淋失,灰山港镇、武潭镇和沾溪乡为轻度淋失(图4)。3.2.3农药施用量及流失量全县按乡镇平均年农药施用量为165kg·hm-2(表4),共75种,其中毒死蜱、涕灭威、阿特拉津、氟虫氰、克百威、丁草胺、吡虫啉和乙草胺等农药施用量较大,扑虱灵、井冈霉素、杀虫双、锐劲特、沉螟、克草之星和甲氰菊酯等农药施用率较高,均在2%以上。全县耕地施用农药以低毒农药为主,中度毒性农药主要有叶蝉散、超劲特、敌杀死、三环唑、甲氰菊酯、乐果、速灭抗和敌克松等,约5%的水田作物不同程度地出现过除草剂积累中毒现象。全县按乡镇平均农药年流失量为0.45kg·hm-2(表4),流失量较高的农药有毒死蜱、氟虫氰、丁草胺、吡虫啉和乙草胺5种。其中,鸬鹚渡镇单位面积农药施用量最高,达420kg·hm-2,沾溪乡最低,为60kg·hm-2;石牛江镇和浮丘山乡农药流失量最高,均达0.75kg·hm-2,武潭镇最低,为0.15kg·hm-2(表4)。农药施用量较大的地区集中在该县中部乡镇,在空间分布上与肥源投入具有一致性(图5)。3.2.4对土壤污染的影响桃江县年地膜施用总量为21.614t,各乡镇平均施用量为0.59kg·hm-2(表4),残留量为0.09kg·hm-2,残留率为15%。在1614个采样地块中,仅有9个样点施用地膜,施用率不足1%,多个乡镇未施用地膜(表4)。地膜可以在土壤中存留200~400a,对土壤造成持久性污染,但相关研究表明,农膜残留量达到37.5kg·hm-2时,才会对作物生长和产量以及土壤环境产生显著影响。全县地膜残留量远低于这一水平,地膜施用对当地农业土地利用产生的环境风险影响较小。3.2.5农作物秸秆的纵向变化全县作物秸秆年产生量为32万t,田间秸秆焚烧量约为2万t,焚烧率为6%。其中,玉米秸秆产量最高,为7.65t·hm-2,水稻为6.27t·hm-2。不同作物秸秆的去向不同,其中油菜、玉米和水稻的田间焚烧率较高,分别为15%、9%和4%。秸秆焚烧对颗粒物PM2.5和PM10中有机碳的贡献分别可达18%~38%和14%~32%,排放的温室气体和其他有毒有害气体会影响环境和人体健康。从空间分布(图6)来看,在距离县城中心较近的地区,由于经济作物种植比例高,秸秆产生量少,且政府管控相对严格,秸秆焚烧量小。三堂街镇秸秆焚烧量最大;鸬鹚渡镇焚烧率最高,为19.3%,三堂街镇次之,为15.8%,桃花江镇最低,为0.3%(表4)。3.3环境风险等级区域环境风险的管理应当重点关注风险水平较高的环境风险:对于污水灌溉引起的土壤重金属污染,重点关注重度、中度、轻度污染的地区;对于肥源投入引起的氮磷流失,重点关注强度淋失和中度淋失风险;对于农药施用造成农药残留等风险,重点关注单位面积农药施用量高于全县平均水平的乡镇;对于秸秆焚烧产生的季节性大气污染风险,重点关注单位面积秸秆焚烧量高于全县平均水平的乡镇;而桃江县地膜的施用量和残留率均较低,环境风险小,在综合评价中不予考虑。以评价单元重点关注风险的种数作为风险等级划分依据,将环境风险划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ这4个风险等级,分别对应0~1、2、3和4种需要重点关注的风险。评价结果(图7)表明,桃江县农业土地利用的综合环境风险呈南高北低的趋势。中部和南部乡镇环境风险相对较高,这些地区矿产资源丰富,采矿业和小型排污工厂分布多,污水灌溉导致土壤重金属污染风险大。加之,这些乡镇地势相对平坦,人口密度高,农业土地利用的集约化程度也较高,化肥和农药等投入量大,环境风险高于其他地区。结合图7和表5可知,马迹塘镇的综合风险水平最高,为Ⅳ级,存在4种环境风险;存在Ⅲ级风险的区域面积最大,分布在该县中部的8个乡镇,主要环境风险是养分淋失导致水体富营养化;乍埠乡综合环境风险为Ⅱ级,风险主要来自肥源和农药过量施用;存在Ⅰ级风险的区域主要分布在东部乡镇,环境风险水平均较低,其中武潭镇和沾溪乡没有需要重点关注的风险。4推行生物空间消化消毒,稳定农业生产环境农业土地利用系统环境风险分析与评价方法的研究可以为环境风险的预警以及环境治理和管理提供依据。桃江县农业土地