亚热带小流域COD负荷及影响因子分析

刘梦霞，周脚根，黄新，谢可军，李冀，吕殿青，李裕元

（1. 湖南师范大学资源与环境科学学院，湖南 长沙 410081；2. 中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室，湖南 长沙 410125；3. 湖南省农业资源与环境保护管理站，湖南 长沙 410005）

亚热带小流域COD负荷及影响因子分析

刘梦霞1,2，周脚根2*，黄新3，谢可军3，李冀3，吕殿青1，李裕元2

（1. 湖南师范大学资源与环境科学学院，湖南 长沙 410081；2. 中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室，湖南 长沙 410125；3. 湖南省农业资源与环境保护管理站，湖南 长沙 410005）

化学需氧量（COD）是农业面源污染的重要方面。以湖南省长沙县9个典型小流域为研究对象，利用连续5 a（2011-2015）的定位观测资料，系统分析了亚热带典型小流域COD浓度与负荷的时空变化特征及其主要影响因素。结果表明：1）研究区近5 a来COD浓度的变化范围为0.31-42.63 mg/L，平均值为12.95 mg/L。不同类型小流域COD平均浓度的变化顺序为：种养＞养殖＞森林-种植＞森林，从季节变化来看，COD浓度夏秋季节较高，而冬季与春季相对较低；从年际变化来看，从2011年到2015年COD浓度总体上呈波动上升趋势。2）COD月负荷的变化范围为3.15-1 086.6 kg/hm2，研究区平均值为152.06 kg/hm2，不同类型小流域COD负荷时空变化规律与浓度基本一致。3）COD浓度主要与畜禽养殖密度及人口密度呈显著正相关关系，相关系数分别为0.86（P＜0.05）和0.69（P＜0.05）；COD负荷则与养殖密度、种植比例、径流深等因子呈显著正相关，相关系数分别为0.87（P＜0.05）、0.69（P＜0.05）和0.54（P＜0.05）。适当控制畜禽养殖密度、加强小流域生活污水治理以及促进养殖废弃物资源化利用是控制亚热带小流域COD排放的关键途径。

亚热带小流域；化学需氧量（COD）；COD负荷；时空变化；影响因素

随着工业废水和生活污水等点源污染的有效控制，非点源污染尤其是农业生产和生活活动引起的农业非点源污染，已经成为水环境污染的重要来源[1-2]。农业面源污染研究中，对氮磷污染的关注相对较多[3-4]，而对化学需氧量（COD）的关注则较少，其主要原因在于观测资料缺乏。而COD反映了水中有机污染物的含量，对水体溶氧和鱼、螺等水体浮游及底栖动物的生存有重要影响，是衡量水质好坏的关键指标，COD越大，说明水体受有机物污染越严重，其溶氧量越低，水质越差[5]。根据全国环境统计公报显示，2015年COD排放总量为2 352.7万t，其中工业源319.5万t（占13.58%），农业源1 125.7万t（占47.84%），生活源889.8万t（占37.82%），集中式污染治理设施17.7万t（占0.75%），说明农业源与生活源是当前环境COD的最主要来源，合计占85.66%。根据第一次全国污染源普查公报显示，农业源COD中有85.7%来自于畜禽养殖业，4.2%来自于水产养殖业；生活源COD中有43.6%来自于城镇居民生活，36.2%来自于餐饮业，由此可见，畜禽养殖及居民生活对COD污染影响较大。海河流域COD污染受种植业、畜禽养殖、农村生活影响，其中畜禽养殖与农村生活是COD的主要来源[6]；福建海湾COD污染主要来源于陆域，而农业污染是最大的贡献者[7]；三峡库区农村COD污染受农资使用、畜禽养殖、土地利用类型的影响[8]。养殖业的养殖密度、管理方式是影响农业面源污染，尤其是COD污染的重要方式[9-11]。

国内外在水环境领域研究主要集中在湖泊、水库、河口或滨海等大型水域[12-14]，河流末端是目前水环境研究的重点和热点之一，而在流域或集水区尺度上的相关研究相对薄弱，特别是在流域源头研究较少，然而，河流污染物来源于流域的源头区，对流域下游水域危害严重，故有效控制流域COD面源污染关键在于源头区，研究流域源头区地表水COD污染与负荷情况，有利于辅助流域COD面源污染防控。

因此，本文以金井河9个典型小流域为研究对象，利用长期定位观测资料系统分析亚热带典型小流域COD浓度及负荷的时空变化特征，并探寻主要影响因素，以期为流域农业面源污染的定量评价与科学防控提供数据基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于湖南省长沙县东北部的金井镇境内（图1），地理坐标为27º55´-28º40´N、112º56´-113º30´E，9个目标小流域均位于湘江一级支流捞刀河的上游，其中涧山河与脱甲河为捞刀河的1级子流域，伏岭、观佳河、团结、军民、拨茅田、水坝、东山桥等为捞刀河的2级子小流域，各小流域的基本信息见表1。研究区内年平均降水量1 200-1 500 mm，主要集中在4-10月，年平均气温17.2 ℃ ，无霜期274 d，年日照时数1 663 h，相对湿度80% 左右，属于典型亚热带湿润季风气候。地势北高南低，相对高差一般在100 m以内，海拔43-460m，地貌类型以山地丘陵为主，是典型南方红壤丘陵地貌。流域内主要土壤类型为红壤和水稻土，林地为主要的土地利用方式，占65.5%，农田所占比例较低，为26.6%。其中，稻田、菜地和茶园分别占16.7%、9.9%和2.4%。

图1 研究区9个小流域及采样点分布图Fig. 1 Locations of the nine watersheds and sampling point

研究区主要农作物为水稻与油菜，经济林主要为茶园，主要牲畜种类有猪、牛，以圈养为主，生猪养殖由来已久，且几乎各户均有养殖，少则十余头，多则上百头。2015年的社会经济调查结果显示：区内120头以上的集约化养殖场有100余家，农村养殖密度较高。根据前期结果，依据9个小流域的土地利用构成及畜禽养殖业的分布情况，将其划分为4个类型：森林小流域（伏岭）、森林+种植小流域（涧山、观佳、拨茅田）、养殖小流域（团结、军民）、种植+养殖小流域（水坝、脱甲、东山桥）[15]，其中森林小流域森林比例为100%，无居民居住，无农田分布；森林+种植小流域森林比例较大，且农田比例在15%-25%，养殖密度小于0.4AU/hm2；种植+养殖小流域农田比例在30%以上，且养殖密度大于0.9 AU/hm2；养殖小流域农田比例小于25%，且养殖密度大于1.2 AU/hm2。

表1 研究区典型小流域基本信息Table 1 The basic information of each small watershed

1.2 数据采集与计算

1.2.1 社会经济数据搜集 2011-2015年对金井全镇社会经济状况进行了全面抽样调查，抽样数占各村家庭总数的10%，主要调查了家庭总人口与常住人口、土地面积与利用类型、化肥投入的品种与数量、畜禽养殖的种类与年出栏数量、粪便处理情况等方面的数据，最后统一汇总整理和分析，部分数据(各流域的人口数量与耕地面积等)来源于金井镇政府当年的统计年报。

1.2.2 水文观测与水质测定 在各个小流域出口分别设置水文实时监测系统，采用Simpson’s Parabolic Rule方法使用流速仪(LS25 3 C2型螺旋杯式流速仪)实测而得，系统每10 min自动采集记录流量数据，据此计算流域研究时段内的逐日和累积径流量。水质观测期从2011年1月至2015年12月（5 a），每月的8、18、28号进行水样采集与分析，COD样品分析采用的是重铬酸钾-紫外分光光度法。

1.2.3 畜禽养殖密度计算 根据社会经济调查数据，将畜禽数量换算成国际通用的标准畜禽单元AU。畜禽养殖密度是指区域内单位土地面积的平均畜禽单元数，其计算公式[16]为：

式中：D为畜禽养殖密度（AU/hm2）；Ni为第i种畜禽年存栏量（头或只）；ei为该种畜禽的单元畜禽数量（一个畜禽单元等于454 kg畜禽活体重量）；S为耕地面积（hm2）。

1.2.4 COD负荷及其强度计算 COD负荷及其强度的计算方法[17-18]为：

式中：L为小流域COD年排放总负荷（kg/月）；Ci为COD月平均浓度（mg/L），n为每月的采样次数；Qj为小流域月累计径流量（m3/月），j为月份；I为负荷强度（kg/hm2）；A为小流域面积（hm2）。

表2 亚热带典型小流域水体COD浓度变化特征(mg/L)Table 2 The characteristics of COD concentration of typical subtropical watershed water

2 结果与分析

2.1 小流域C O D变化特征

2.1.1 COD浓度的变化特征 由表2可知，COD平均浓度的变化范围为0.31-42.63 mg/L，平均值为12.95 mg/L，总体上达到国家I类及Ⅱ类（COD≤15 mg/L）水质标准，部分流域水质为劣Ⅴ类，COD＞ 20 mg/L。不同类型小流域COD浓度存在一定的差异性。森林小流域COD浓度最低，为5.98 mg/L；森林-种植小流域COD浓度为0.31-24.68 mg/L，均值为10.23 mg/L；种植-养殖小流域COD浓度最高，为5.22-37.10 mg/L，均值达15.96 mg/L；养殖小流域COD浓度为1.34-42.36 mg/L，均值为14.01 mg/L，COD浓度表现为：种植-养殖小流域＞养殖小流域＞森林-种植小流域＞森林小流域。这主要是因为森林小流域人口稀疏，几乎没有种植及养殖，COD主要是由于枯枝落叶的分解，故COD浓度相对较低；森林-种植小流域人类的生活及农业生产会产生大量的有机污染物，并随生活污水与农田排污进入河流，使得有机污染加重，COD浓度较高；养殖小流域由于养殖密度较高，畜禽养殖废水随意排放进入河流，而养殖废水是COD浓度升高的重要影响因素，故COD浓度很高；种植-养殖小流域在人类生活、农业生产、畜禽养殖的共同作用下，而养殖与种植脱节严重，养殖废弃物未能作为有机肥料有效利用，资源化程度低，故COD浓度最高。

从季节变化来看（图2），COD浓度总体表现为夏秋季节较高，而冬季与春季相对较低。这主要是因为温度较高时，动植物生长旺盛，微生物的分解作用也相对较强，分解速度较快，需氧量随之增加。森林小流域COD浓度冬季最高，春季最低，季节差异较大；森林-种植小流域夏季最高，冬季最低，季节间差异不明显；种植-养殖小流域与养殖小流域COD浓度夏季最高，春季最低。

从年际变化来看（图3），2011-2015年COD浓度总体上是波动上升的，COD浓度2011年最低，2014年最高。从2011年到2012年COD浓度增加较快，说明随着人类生产生活的发展与变化，整个流域的污染情况在加重；从2012年到2013年水体COD增加的速度放缓，这是受上一年养殖利润下降的影响，部分养殖户减小了养殖规模；从2013年到2014年水体COD浓度升高，仅观佳呈下降趋势；从2014年到2015年水体COD浓度总体下降，其中养殖小流域与种植-养殖小流域下降最为明显，主要因为政府为改善水体环境质量，出台了相关政策，限制当地的畜禽养殖。

图2 亚热带典型小流域水体COD浓度季节变化(2011-2015)Fig. 2 The seasonal changes in COD concentrations in the nine typical subtropical watersheds (2011-2015)

图3 亚热带典型小流域水体COD浓度的年际变化(2011-2015)Fig. 3 Interannual changes in the variability of COD concentrations in nine subtropical watersheds(2011-2015)

表3 亚热带典型小流域COD负荷变化特征比较 (kg/hm2)Table 3 The characteristics of COD loads of typical subtropical watershed water (kg/hm2)

2.1.2 COD月负荷的变化特征 由表3可知，不同流域COD月负荷的变化范围为3.15-1 086.6 kg/hm2，平均值为152.06 kg/hm2。森林小流域COD月负荷较低，为111.32 kg/hm2；森林-种植小流域COD月负荷最低，为3.15-582.14 kg/hm2，均值为104.96 kg/hm2；种植-养殖小流域COD月负荷最高，为10.07-1 086.6kg/hm2，均值为243.19 kg/hm2；养殖小流域COD月负荷为7.91-856.75 kg/hm2，均值为151.99 kg/hm2。种植-养殖小流域及养殖小流域COD月负荷最大，其余小流域差别较小，主要集中在100 kg/hm2左右。

从季节变化来看（图4），各小流域COD负荷有较大的差别，总体表现为夏季较高，而冬季与春季相对较低。一方面，COD浓度在夏季较高；另一方面，夏季降水多，有机物得到有效扩散，随降雨及径流汇集到河流，增加了COD负荷。森林小流域COD负荷夏季最高，秋季最低，秋冬季节差别较小；森林-种植小流域夏季最高，春季最低，涧山、拨茅田季节间差异较大；种植-养殖小流域COD负荷夏季最高，春季最低，季节性变化明显；养殖小流域COD负荷季节性变化较小。

图4 亚热带典型小流域水体COD负荷的季节变化 (2011-2015)Fig. 4 The seasonal changes of COD load of typical subtropical watershed water (2011-2015)

从年际变化来看（图5），2011-2015年COD负荷总体上是先上升，后下降，从2011年到2012年各类型小流域COD负荷均迅速增加，其中养殖小流域增加速度最快。从2012年到2015年COD负荷总体下降。从2012年到2013年COD负荷急剧下降，其中养殖小流域与种植-养殖小流域下降相对明显。从2013年到2014年COD负荷在森林小流域、森林—种植小流域、养殖小流域均呈现上升趋势，养殖小流域还是继续下降。从2014年到2015年COD负荷在各流域总体变化较小，略有下降。

2.2 C O D影响因子分析

根据中华人民共和国地表水环境质量标准（GB 3838-2002）的规定，研究区流域地表水存在轻度有机物质污染。不同区域的COD污染来源不同，选取人口密度、径流深、种植比例、养殖密度进行分析，分别绘制其与COD年负荷关系的散点图（图6）。由图6可见，COD负荷与种植比例、养殖密度的相关系数分别为0.690（P＜0.05）、0.870（P＜0.05），COD浓度主要与养殖密度、人口密度有关。在不同的流域种植业与养殖业对COD产生的影响略有差异，但是结果均表明种植业与养殖业对COD有较大影响。

图7中以箭头的夹角来判断两者之间的相关性，两射线之间的相关系数在数值上等于夹角的余弦值，夹角越接近于直角则两者的相关性越低。由此可知，COD浓度及负荷均与养殖密度密切相关。人口密度的箭头较短是由于在整个研究区不同小流域间人口密度的变化不大，因而导致COD变化相对较弱。

图5 亚热带典型小流域水体COD负荷的年际变化 (2011-2015)Fig. 5 The interannual variability of COD load at typical subtropical watershed water (2011-2015)

3 讨论

3.1 种植业对C O D的影响

人类土地利用是对自然生态系统的一种强烈干扰[19]。土地利用/覆盖变化（LUCC）与人类的生产、生活密切相关，它是引起地表地理过程变化的主要原因之一，也是影响区域环境演变的重要组成部分[20-21]。流域水体COD水平受种植比例的影响较大，可以通过改变土地利用方式达到控制COD污染的目的。

土地利用与流域水体COD水平之间的关系可能是非线性的[22]，当某土地利用类型的面积比例超过某一临界值时，其对流域水体的COD水平的影响变得明显，尤其是种植地与COD污染关系密切。种植业内部的农药化肥施用、田间管理、农业生产废弃物的处理则是COD污染的重要原因，而水田区的灌排水过程是COD污染物迁移、转化以及汇集的主要形式[23]。农田中的COD进入田间灌排水系统后，逐级向主干排水系统汇集，并最终进入河流，形成流域的COD负荷增加。

图6 COD年负荷与各因子的关系Fig. 6 The relationship of annual COD load and each factor

图7 COD负荷强度与各影响因子的主成分分析（PCA）结果Fig. 7 PCA results of the relationship of COD load and the infuencing factors

3.2 养殖业对C O D的影响

畜禽粪便和清粪污水随地表径流流失，对水体环境造成严重污染，固态粪污中污染物进入水体的流失率处于2%-8%的水平，而液体排泄物中污染物进入水体的流失率达到了50%[24]。根据已有研究[25]，畜禽粪便中约有25%-30%进入水体，对环境造成严重威胁。朱兆良等[26]认为目前我国实际用于农业的有机肥料数量折合养分约为1 800万t左右，仅占资源总量约34%，占农田养分投入总量中约30%，未被利用的部分或已成为环境污染的重要来源。根据国家环保总局[27]对太湖流域的研究，2004年畜禽粪便流入水体的COD总量约为7.34万t/a，占总污染负荷的7.13%。根据2007年“黄浦江水环境综合整治研究”的结果[28-29]，黄浦江畜禽粪尿产生量达640万t，畜禽污染物中COD产生量为27.4万t，可能进入水体之中的COD约为6.86万t，己占黄浦江上游COD污染总负荷的36%，而居民生活、农业、乡镇工业的COD污染负荷分别为33.8%、19.2%和6.4%。由此可见，畜禽养殖已经成为国内诸多地区COD的主要来源。

3.3 居民生活污水对C O D的影响

农村生活污水是COD的重要来源，主要包括生活污水、生活垃圾和人粪尿等三部分[30]。生活污水主要来源于洗衣、做饭、洗浴及其他零散用水，含少量污染物。生活垃圾尤其是厨余垃圾以有机物为主，一部分能通过自然循环降解，另一部分随水进入水体造成COD污染。人体粪尿中含有大量有机污染物及病原微生物，不合理的排放也会使水体COD浓度升高。通过实施农村改厕、垃圾分类等措施[30]，是降低农村居民生活原COD排放的关键。也可通过生态沟渠湿地消纳等方式有效降低水体COD负荷[31]。

3.4 径流对C O D的影响

地表径流是污染物迁移的直接介质，本文结果表明，径流量与COD浓度的关系并不十分密切（P＞0.05），但径流深对COD负荷强度有着高度线性相关性（图6），表明COD的输移主要通过地表径流的迁移向下游输送，这也正是农业面源污染的显著特点[31]，因此根据不同流域的自然条件特点，强化养殖废水、生活污水等COD来源的管理[32]，从而降低总排放量是控制流域COD污染的关键。

4 结论

1）亚热带丘陵区小流域水体COD月平均浓度变化范围为0.31-42.63 mg/L，小流域COD月平均负荷为3.15-1 086.6 kg/hm2。不同类型小流域COD排放负荷变化顺序为：种植-养殖小流域＞养殖小流域＞森林-种植小流域＞森林小流域。

2）COD排放具有显著的季节变化规律，夏秋季节是COD排放的主要阶段，而冬季与春季排放负荷相对较低。

3）畜禽养殖密度、人口密度及径流量是影响小流域COD排放的主要因素，因此适当控制畜禽养殖规模、加强小流域生活污水治理以及促进养殖废弃物资源化利用等，是控制亚热带丘陵区小流域COD排放的主要途径。

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（责任编辑：王育花）

Analysis of the COD load and impact factor in subtropical watersheds

LIU Meng-xia1,2, ZHOU Jiao-gen2*, HUANG Xin3, XIE Ke-jun3, LI Ji3, Lü Dian-qing1, LI Yu-yuan2
（1. College of Resources and Environmental Sciences, Hunan Normal University, Changsha, Hunan 410081, China; 2. Key Laboratory of Agro-ecological Processes in Subtropical Region, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences, Changsha, Hunan 410125, China; 3. Agricultural Resources and Environment Protection and Administration Station in Hunan Province, Changsha, Hunan 410005, China）

Chemical oxygen demand (COD) is an important aspect of agricultural non-point source pollution. Nine subtropical typical small watersheds were selected in Changsha County of Hunan Province. The characteristics of COD concentration and its spatial-temporal variation and their main infuencing factors were analyzed using the fve-year’s observation data (2011-2015). The results showed that: 1) The COD concentrations in the study area varied in a range of 0.31-42.63 mg/L and the average was 12.95 mg/L in the past fve years. For the different types of small watersheds, the averaged COD concentration sorted in the following order: cropping-livestock ＞ livestock ＞ forest-cropping ＞ forest. The COD concentrations were higher in summer and autumn than those in winter and spring, and generally increased from 2011 to 2015. 2) The monthly COD loads ranged from 3.15 to 1,086.6 kg/hm2, with average value of 152.06 kg/hm2. The characteristics of spatial-temporal and variation of COD loads were similar to COD concentrations in different watersheds. 3) The COD concentrations were signifcantly correlated with the densities of livestock and poultry as well as the resident population, with the correlation coeffcients of 0.86 (P＜0.05) and 0.69 (P＜0.05), respectively. The COD loads were positively correlated with the livestock and poultry density, cropping area ratio, and runoff depth. The correlation coeffcients were 0.87 (P＜0.05), 0.69 (P＜0.05) and 0.54 (P＜0.05), respectively. Appropriate controlling the scale of livestock and poultry breeding, strengthening the domestic sewage treatment in watersheds, and promoting the recycling use of livestock waste are the critical approaches in reducing discharge of COD in the small subtropical watersheds.

small watershed in subtropics; chemical oxygen demand (COD); COD load; spatial-temporal change; infuencing factors

Zhou Jiaogen: E-mail: zhoujg@isa.ac.cn.

X522

A

1000-0275（2017）01-0168-08

10.13872/j.1000-0275.2016.0149

刘梦霞, 周脚根, 黄新, 谢可军, 李冀, 吕殿青, 李裕元. 亚热带小流域COD负荷及影响因子分析[J]. 农业现代化研究, 2017, 38(1): 168-175.

Liu M X, Zhou J G, Huang X, Xie K J, Li J, Lü D Q, Li Y Y. Analysis of the COD load and impact factor in subtropical watersheds[J]. Research of Agricultural Modernization, 2017, 38(1): 168-175.

水利部公益性行业科研专项(201501055)；湖南省科技计划项目(2015NK3055)；湖南省教育厅重点项目（16A129）。

刘梦霞（1990-），女，湖北武汉人，硕士研究生，主要从事农业环境保护研究，E-mail：516680984@qq.com；通讯作者：周脚根（1978-），男，江西吉水人，博士，副研究员，主要从事流域农业面源污染防控研究，E-mail：zhoujg@isa.ac.cn。

2016-10-10，接受日期：2016-12-26

Foundation item: Special Scientifc Research Fund of Public welfare Profession of the Ministry of Water Resources, China(201501055); Science and Technology Project of Hunan Province (2015NK3055), Key Projects of the Education Department of Hunan Province(16A129).

Abstract 10 October, 2016;Accept 26 December, 2016