赣江上游小流域农业非点源污染生态防治技术研究

涂安国，谢颂华，2，郑海金，张 杰，莫明浩

(1.江西省水土保持科学研究所，江西 南昌330029;2.江西农业大学，江西 南昌330045)

农业非点源污染会加剧受纳地表水体富营养化、增加地下水硝酸盐含量，又因其具有分散、隐蔽、随机和发生不确定性等特点而难以控制［1－2］，已成为影响水体质量的重要污染源［3－4］。产生农业非点源污染的根本原因是农业生态系统严重失调［5］。生态工程措施可以通过调控农业生态系统的物质平衡和物质流动途径来控制污染物的流失，减少潜在运移的污染物数量，在运移途中通过滞留径流、增加流动时间等减少进入水体的污染物，进而从农业非点源污染的来源和径流运移等方面控制污染的发生［5－7］，是目前较为常用的非点源污染控制方法。

赣江上游地区是赣江流域的主要产沙区，多年平均输沙量为659万t，占赣江输沙量的71.6%，上游4条支流平均输沙模数均大于140 t/(km2·a)［8］。由于水土流失导致的农业非点源污染，赣江上游赣州市河段已成为赣江流域的主要污染河段，主要污染物有氨氮、总磷等。根据我国水环境治理以流域为单元的治理模式，本课题选取流域治理的最小单元——小流域为对象，在实地调查的基础上，根据非点源污染“源—流—汇”逐级控制理念，探讨赣江上游非点源污染生态控制关键技术，以期为赣江流域的水土流失控制和水环境治理提供参考。

1 研究区概况

赣江是江西省境内鄱阳湖水系第一大河。赣江流域地处南岭以北、长江以南，属亚热带湿润季风气候区，气候温和，雨量丰沛，四季分明，光照充足，年均气温17.6℃，年均蒸发量815.7 mm，年均降水量1542.6 mm，降水主要集中在4—6月，期间降水量占年降水量的46.8%。

左马小流域位于赣江支流上游于都县城郊南面30 km处。流域内地形开阔平坦，坡面较缓，大部分已被修成梯田、台地种植农作物和挖鱼鳞坑植树，土壤类型主要为花岗岩和红砂岩发育的红壤;植被种群丰富，以针叶、阔叶、灌木类为主，林草覆盖度为40%～50%，分布有天然次生林和果园;土地总面积为318.27 hm2，其中耕地 38.18 hm2、园地 22.89 hm2、林地 245.15 hm2、水域4.22 hm2、其他用地7.83 hm2;人口全部为农村人口，人口密度为358人/km2;农业生产占主导地位，农村产业结构不尽合理，以种植粮食作物为主，经济作物、林果和渔业比重小，外出打工收入为非农产业收入的主要来源;小流域内水土流失较为严重，水土流失面积占土地总面积的36.6%，土壤侵蚀模数达4120 t/(km2·a)。

2 研究区非点源污染现状调查

2.1 研究方法

课题组通过实地踏勘和农户问卷调查的方式对左马小流域的主要产业结构、污染源、生活方式等基本情况进行了详细调查，并建立卡口站进行定位观测。2010年1—9月对该小流域水体进行了非点源污染物采样分析，测试指标包括总磷和可溶性总磷、总氮和可溶性总氮、氨态氮和硝态氮。样品的采集和分析测试严格按照《水土保持试验规范》(SD 239—87)、《水质采样技术规程》(SL 187—96)、《水环境监测规范》(SL 219—98)等规程规范执行。

2.2 水环境污染现状

分析测试结果表明，受水土流失影响，左马小流域降雨径流中颗粒态污染物含量较高，其中颗粒态磷含量多占到总磷含量的70%以上，最高达92.77%;颗粒态氮含量多占到总氮含量的58%以上，最高达93.89%。依据《地表水环境质量标准》，降雨径流中氨态氮含量一般达到Ⅱ～Ⅳ类水浓度限值，且多为Ⅲ类以下，平均值为0.622 mg/L;总氮含量多超过Ⅳ类水的浓度限值1.5 mg/L，最高达4.189 mg/L;总磷含量在2—5月初浓度最大，达到Ⅱ～Ⅳ类水浓度限值，其他时间浓度较低，多为Ⅰ类水。总体而言，左马小流域平时水质较好，但遇暴雨径流中颗粒态污染物浓度会急剧增加，如2010年4月27日发生短历时暴雨，降雨径流中总氮、总磷浓度明显升高，尤其颗粒态污染物占到总污染物的90.18%以上。上述测试结果表明水土流失造成的非点源污染对小流域水质具有重要影响，因此在配置非点源污染生态控制措施时应贯彻水土保持这一重要理念。

2.3 农业非点源污染现状

2.3.1 种植业污染

种植业污染主要源于化肥和农药投入量大、资源化利用率低。

(1)不合理施用化肥造成污染。调查结果表明，左马小流域种植业以施用氮肥和复合肥为主，以农家肥为辅，施肥量在900 kg/hm2以上，其中氮肥和复合肥的施用量分别约占施肥总量的40.34%和42.98%。化肥施用量高、结构不合理、利用率低、流失量大，大量化肥(尤其是磷肥)通过农田径流汇入河流、湖库等水体，造成水体富营养化，破坏水体周边环境。不合理施用化肥还会导致部分土壤重金属含量上升，蔬菜、水果等农产品硝酸盐含量超标、品质下降以及土壤次生盐渍化和地下水污染等。

(2)农药残留造成污染。左马小流域农药使用量呈逐年上升趋势，2008年约为38.7 kg/hm2。农药中，化学农药所占比例在95%以上，主要是杀虫双、三唑磷、稻瘟灵等;生物农药所占比例不到5%，主要是阿维菌素和井冈霉素等。任意加大农药使用量、多种农药混用、随意丢弃农药瓶(袋)的情况比比皆是，导致了河、湖、塘等水体不同程度地受到农药残留污染。

2.3.2 畜禽养殖业污染

目前左马小流域农村还未建立有效的畜禽污水处理工程，85%以上的畜禽污水未经处理就直接排放到溪河、鱼塘或农田;虽然90%以上的禽畜粪便采用堆肥还田或堆放在空地上，但是仍有少数直接倒入水体，从而形成了畜禽养殖业污染源。2.3.3 水产养殖业污染

调查发现，有些养殖户和养殖场为了追求经济效益，高密度投放鱼种、大量投喂人工饲料和乱用、滥用渔药等，造成氮、磷和渔药以及其他有机或无机物质超过了水体的自净能力，从而导致水环境的污染。

2.3.4 农村生活污水和垃圾污染

左马小流域农村缺乏统一的污水收集和垃圾收集系统，农村生活垃圾处理方式基本上是以简易填埋、随意堆放为主。在暴雨径流的作用下，垃圾堆放地和人畜排泄物堆放点的污染物，尤其是有害微生物、细菌等随径流进入河流或渗入地下，造成饮用水源水质恶化，严重污染农村生态环境。

在对农村生活习惯的调查中发现，多数农民习惯在未经任何处理的情况下，将生活污水直接排入村庄周边的水渠或直接泼洒至村庄附近的空地。这样就造成村庄附近土壤富集了大量营养物质，在降雨径流的作用下，增大了河流污染风险，并且污水直排直接影响了局部河段水质。

3 典型小流域非点源污染生态控制与生态调节技术研究

水土流失、村落污染和农业污染是非点源污染治理的重点，提高森林覆盖率、完善农业耕作制度、建设合理的农业生态结构和卫生的农村生活环境是非点源污染治理的关键，强化管理是非点源污染治理的必要手段。非点源污染生态工程防治技术或措施应涵盖源头控制技术、污染物迁移过程控制技术及末端控制技术等三方面。在左马小流域非点源污染综合治理过程中，应配合村庄、坡耕地和水系整治等工程建设，根据污染物的产生和迁移路线，结合地质地貌和景观生态，采用源头控制、过程阻断和末端集中处理相结合的综合防控思路，形成“源—流—汇”逐级防控农业非点源污染的生态调节技术体系。

3.1 村落非点源污染生态控制技术

3.1.1 村落污水处理生态控制技术

考虑到左马小流域经济相对落后、污水处理经费不足，推荐采用就地处理泛氧化塘+自然湿地模式。该模式不需要建设污水管网，可利用村里现有的水塘进行加深、拓宽，建设成泛氧化塘进行污水处理，同时对池塘水质进行维护，再利用水域周边的自然湿地进一步处理。

图1为阿科蔓高效生态泛氧化塘处理工艺，其处理流程为:经过预处理，去除污水中的漂浮物;工程没有使用任何循环和动力设备，预处理出水自流到阿科蔓高效生态泛氧化塘，塘中安装水底放置型阿科蔓生态基;阿科蔓高效泛氧化塘出水后进入周边地势较低的自然湿地，进一步净化、改善水质，以满足受纳水域的水功能要求。

图1 阿科蔓高效生态泛氧化塘处理工艺

阿科蔓生态基上大量的本土微生物以好氧菌、兼氧菌、厌氧菌为主，能去除水体中的有机污染物;有益藻类和固氮细菌、反硝化菌、硝化菌等矿质化合成细菌能去除水体中的TN、TP;水生动物主要起到转移污染物的作用。阿科蔓高效生态泛氧化塘处理技术充分考虑了农村经济和基础设施情况，能高效利用农村的景观格局，因地制宜，并且污水处理系统无需任何耗能设备，不需要运行费用，具有经济节约、技术可靠的特点，同时为满足高水质的要求，增加了自然湿地处理过程，对处理后的出水进行进一步净化。左马小流域内有很多河漫滩、池塘、水库、稻田等具有湿地特征的景观，可以充分利用这些景观改善出水水质。

3.1.2 村落固体废弃物生态处理技术

村落固体废弃物的来源有4个方面:一是农田和果园的残留物，如秸秆、杂草、落叶、藤蔓等;二是牲畜和家禽粪便以及栏圈用的铺垫物;三是农产品加工废弃物;四是人粪尿以及生活废弃物。目前，这些固体废弃物大多是随地堆放，严重影响着村落环境和河流水质。

基于研究区村民的科技素质及环境保护意识还不是很高、农村经济发展水平不高、山区能源短缺的现状，推荐采取“猪—沼—果”水土保持生态治理模式对村落固体废弃物进行生态处理。该模式以农户为基础，在果园套种饲料作物，以猪粪为沼气发酵原料，以沼气池为产气主体、沼气为能源、沼液(渣)为果蔬肥料。其基本内容是户建1个沼气池，人均出栏2头猪，人均开发1亩果(15亩=1 hm2)，简称“121”工程。“猪—沼—果”模式以发展沼气为中心，通过沼气池建设，将种植业(果)、养殖业(猪)和农村能源建设(沼)等有机结合起来，实现资源合理利用，从而形成相互促进、良性循环的生态产业链，促进农村经济的发展。

3.2 耕地非点源污染生态控制技术

3.2.1 坡耕地水土保持农业技术

水土流失既是农业非点源污染的主要形式，又是农业非点源污染的主要载体［9］，控制水土流失可以有效控制小流域非点源污染。Henderson等［10］认为控制农业非点源污染最有效和最经济的方法是采取适当的农田管理方式。针对左马小流域的水土流失特征，本课题主要采取增加地面植被覆盖和增加土壤入渗、提高土壤抗蚀性能两类保水保土耕作技术:为增加地面植被覆盖主要是采用间作、套种与混播、等高耕作等技术，改变传统的耕作方式;为增加土壤入渗、提高土壤抗蚀性能主要是在夏、秋两季进行深耕，一般深耕25～30 cm，其他季节则采用少耕甚至免耕等措施，以提高土壤抗蚀性能。

3.2.2 田间污染生态控制与调控技术

农田田间污染物主要是降水和灌溉产生的地表径流携带的氮、磷、泥沙和农药等。治理时，可因地制宜地将田间渠道、坑、塘等改造成土地处理系统，实现农田污染生态控制。图2为农田田间处理系统流程，该处理系统主要由收集系统、缓冲调控系统和净化系统组成，其中净化系统的主要组成部分有渠道、田间坑、塘以及其中的各类生物。

图2 农田田间处理系统流程

3.3 水系径流生态处理与生态修复技术

水系径流生态处理工程主要是在严重污染地段的下游建造截留污染物和污染物循环利用的各类设施，针对非点源污染的突发性、大流量、低浓度等特点，有效控制和削减污染物。左马小流域主要采用了植被过滤带、生态沟渠、多水塘湿地净化系统等水系径流生态处理工程。

3.3.1 植被过滤带技术

植被过滤带能增加地表的粗糙度，降低水流速度以及水流作用于土壤的剪切力，进而降低沉积物的输移能力，促进其在过滤带中沉淀。以净化径流为目的的过滤带，应尽可能建在靠近污染源的地方，并且沿等高线分布，使水流可以平缓地流过过滤带。在左马小流域的丘陵地区，大部分降雨要流入上游溪流，因此沿小河或上游河道建造过滤带通常会比沿大河或下游河流建造更为有效。

过滤带的设计要考虑过滤带的大小、植被类型、管理方式等诸多要素，而这些要素又取决于过滤带的立地条件，包括污染类型和负荷、过滤带截留和转化污染物的能力、降低污染的程度等，因此应根据径流量和立地条件的变化来加大或减小过滤带在不同区域的宽度。比如，可以在地形图上画出产流区和径流流入过滤带的位置，对过滤带的宽度进行必要的调整以适应不同的径流量;在上方坡面径流区域较大、污染物负荷较高的区域，过滤带也应较宽。同时，地面坡度和土壤类型也会影响过滤带去除污染物的能力:陡坡会加大污染物流量、减少入渗时间、影响过滤带效果，因此地面坡度较陡时需要较宽的过滤带;入渗能力强的土壤比入渗能力弱的土壤可以在更大程度上减少径流，因此土壤入渗能力弱时需要较宽的过滤带。

左马小流域植被过滤带设计采用乔灌草相结合的植被结构，乔、灌木发达的根系可以稳固河岸，防止水流的冲刷和侵蚀;草本过滤带可通过增加地表粗糙度来增强地表径流的渗透能力，并减小径流流速，提高过滤带对沉淀物的沉积能力［11］。

3.3.2 生态沟渠构建技术

作为水工程系统，在正常发挥输水配水功能的前提下，增加沟渠形态的多样性、创造适宜的生物栖息环境，可以更多地截留农业非点源污染，增强沟渠水体的自净能力，恢复沟渠的水生态系统功能。本课题从发挥沟渠对非点源污染控制和修复生态功能的角度，探讨了生态沟渠构建技术。

(1)生态沟渠空间形态构建技术。沟渠形态的多样性与生物群落的多样性有着密切的联系。沟渠平面上的蜿蜒性、横向断面上的多样性、纵向上的深潭和浅滩交替以及水流的急缓变化，为各种生物创造了适宜的栖息环境，从而增加了生物群落的多样性。

(2)生态沟渠植被优化构建技术。水系具有天然的自净能力，可以通过植物、动物和微生物的生理过程来吸收降解污染物质。通过对水系自净机理的研究，可以人为地创造适宜的条件来强化沟渠的自然净化过程，增强沟渠的自净能力，从而改善水体水质。目前主要采用的是水生植被恢复技术和生物填料技术。

3.3.3 多水塘湿地净化系统

利用多水塘系统控制非点源污染的主要方法是修建暴雨滞留池。天然或人工水塘不断地与河流进行水分、养分的交换，使流速降低、悬浮物得以沉淀，增加水流与生物膜的接触时间，从而滞留和净化非点源污染物。左马小流域建有许多水塘用来拦截雨水灌溉农田，对其输水系统和其中的水生植被进行优化，可截留来自农田的94%以上的P、N污染物负荷。因此，多水塘湿地系统不仅能控制污染负荷，而且能提高水资源的利用率，可以在左马小流域农业非点源污染防治中普遍采用。同时，自然多水塘湿地系统还能丰富生境与景观的多样性，在维持农田系统的生物多样性和稳定性方面具有重要作用。

4 结语

为了减少并防止农业非点源污染，利用生态工程控制农业非点源污染是一种常用的有效手段。非点源污染控制是一个涉及经济、社会、环境各方面的系统工程，需要在资金、管理、技术和提高环境意识等方面进行全方位的投入，需要多部门协调合作，既要加强对环境影响面大的源头防治，注重实施积极的生态农业战略措施，减少污染物的排放和养分的流失，又要在污染治理技术上充分优化配置生态工程措施，建立流域非点源污染防治的“源—流—汇”的逐级防控技术体系，从根本上形成治理小流域非点源污染的最佳管理措施体系。

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