香溪河流域农业面源污染现状及其控制管理

李 露,马 啸

(1湖北理工学院 土木建筑工程学院,湖北 黄石 435003；2湖北师范大学 城市与环境学院,湖北 黄石 435002)

香溪河流域农业面源污染现状及其控制管理

李 露1,马 啸2

(1湖北理工学院 土木建筑工程学院,湖北 黄石 435003；2湖北师范大学 城市与环境学院,湖北 黄石 435002)

农业生产和农村生活污水是香溪河水体氮磷污染的主要来源，控制农业面源污染是防控三峡库区水体，特别是支流水体富营养化的重要任务和措施。结合香溪河流域自然环境、经济社会和农业生产结构等特点，分析其农业面源污染现状并提出有针对性的农业面源污染防控措施，实现了三峡库区小流域农业面源氮磷流失“控源”、“截汇”和“治污”的管理体制有机结合，旨在为三峡库区小流域氮磷管理提供科学的理论依据，为库区农业面源污染控制提供技术支持。

三峡库区；香溪河流域；农业面源；污染现状；控制管理

三峡库区环境污染问题一直是国内外倍受关注的热点和焦点[1]。随着农业的发展，化肥和农药施用量的逐年增加，造成大量氮磷等污染物随降水或灌溉进入水体，面源污染负荷比重逐年增加，在许多水域，面源污染特别是农业面源污染负荷已超过点源，成为水体污染的主要来源之一[2]。

香溪河是长江中游北岸一级支流，也是长江三峡湖北省库区最大的入库支流，其水环境状况直接影响到三峡库区的水环境和水生态安全。然而，自2003年6月三峡水库蓄水以来，受干流回水顶托的影响，香溪河库湾每年多次发生“水华”现象，持续范围逐渐变大，持续时间逐渐延长，香溪河水华问题越来越严重，其水华优势种已从不产毒素的甲藻、硅藻、绿藻向产毒素的蓝藻演替。农业生产和农村生活是香溪河水体氮磷污染的主要来源，控制农业面源氮磷污染是防控三峡库区水体，特别是支流水体富营养化的重要任务和措施。本研究结合三峡库区香溪河流域自然环境、经济社会和农业生产结构等特点，分析其农业面源污染现状并提出有针对性的农业面源污染防控措施，为三峡库区小流域氮磷管理提供科学的理论依据，为库区农业面源污染控制提供技术支持。

1 香溪河流域农业面源污染现状

1.1香溪河流域概况

香溪河流域位于湖北省西部、长江西陵峡以北，地理位置为110°15'～111°05' E，30°38'～31°36' N。香溪河口距三峡大坝约29 km，东西长66 km，南北宽67 km，三峡库区香溪河流域位置及水系图如图1所示。香溪河距三峡大坝仅41 km，是三峡水库坝首湖北境内的第一大支流，也是最先受三峡水库蓄水影响的流域之一[3-4]。香溪河流域为鄂西地区降雨中心之一，年均降雨量为900～1 200 mm，降雨多集中在4～9月份，约占全年降雨总量的70%。

图1 三峡库区香溪河流域位置及水系图

1.2香溪河流域农业面源污染来源

1.2.1化肥流失

香溪河流域土壤肥力中等，除钾肥基本够用外，普遍缺磷，大部分缺氮。为提高农作物的产量，当地农民大量施用化肥。从化肥流失量上看(氮肥的流失率按10%计算，磷肥、钾肥、复合肥流失率按5%计算)，2014年流域肥料流失总量为353 t，其中氮肥流失279.4 t，磷肥流失35.5 t，钾肥流失38.1 t。单位面积化肥流失量5.6 kg·hm-2。兴山县农业面源污染较为严重的地区主要为昭君镇、南阳镇及峡口镇，总面积约4 400亩，多为柑桔林，化肥用量总计79 t·a-1。

1.2.2水土流失

香溪河流域水土流失涉及面积超过2 700 km2，且侵蚀程度多为中度以上。流域年均输沙量为41.3万t，输沙率5.74 kg·s-1，水土流失直接导致了土壤肥力降低，并且大量泥沙流入溪河，使得河床抬高。香溪河流域2014年调查的土壤侵蚀面积为515 km2，占流域面积68.4%，泥沙输送量度为82.4万t，年侵蚀模数为3 195 t·km-2·a-1。

1.2.3散养畜禽粪便

香溪河流域2014年牲猪、大牲畜(牛、骡马、驴)、羊、家禽(鸡、鸭、鹅)的年末存栏数及当年出栏量等调查结果见表1。湖北省农业生态保护站统计数据表明，牲猪仍然是流域主要的畜种，鸡是库区主要的禽种，大牲畜主要是牛。按照不同畜禽排污系数：猪2.1 kg·ca-1·a-1、大牲畜8.1 kg·ca-1·a-1、羊1.1 kg·ca-1·a-1、肉鸡0.021 kg·ca-1·a-1、蛋鸡0.045 kg·ca-1·a-1、鸭和鹅0.039 kg·ca-1·a-1分别计算统计流域畜禽粪便排放量，2014年流域共产生畜禽粪便103.29万t，其中牲猪粪便利用率最高，为79.65%；羊粪便利用率最低，为12.4%。

1.2.4农村分散生活污水

香溪河流域2014年总人口数为18.4万人，在调查的6个乡镇中，农业人口为11.8万人，占人口总数的64.1%。根据《第一次全国污染源普查生活源产排污系数手册》及相关研究[5-6]可知，流域农村居民人均用水量为200 L·ca-1·d-1，分散式生活污水的排放系数为0.8，农村生活污染输出系数TN为1.955 kg·ca-1·a-1，TP输出系数取值为0.214 kg·ca-1·a-1，CODCr输出系数为16.4 kg·ca-1·d-1。根据相关排污系数折算，流域2014年农村分散生活污水排放量为679.68×104t，CODCr、TN、TP排放量分别为1 548 t、185 t、20 t。

1.3香溪河水质概况

2003年三峡水库蓄水形成香溪河库湾后，水环境条件发生改变，水深显著增加，水流速度减缓，水体复氧系统减弱，氮磷等营养物质的输送能力降低，造成了明显的水体富营养化问题。根据2004—2014年间相关记录可知，每年2月份到10月份，香溪河干流乃至各支流几乎都会出现不同污染程度的“水华”现象，并且呈现愈演愈烈的趋势，“水华”持续时间逐渐变长，污染范围逐渐变大。湖北省环境保护厅发布的数据表明：流域在神农架林区、兴山县昭君镇以上河段水质基本能满足Ⅱ类水体功能水质标准要求；但兴山县昭君镇以下、秭归县境内河段水质均达不到Ⅲ类水体功能水质标准要求(TP标准取0.05 mg/L)，其主要以磷污染为主(昭君镇上游TP浓度低于0.05 mg/L，下游则为0.22～0.77 mg/L)。兴山县环境监测站2004—2014年对香溪河长沙坝及泗湘溪断面水质监测结果如图2所示，香溪河流域的NH3-N总体呈现增加的趋势，但均能满足相应水体功能区划的要求，TP污染是流域水质超标的主要原因，其断面TP超标率高达100%，最大超标倍数达13.58。

图2 香溪河2004—2014年水质变化情况

2 三峡库区香溪河流域农业面源污染防控管理对策

2.1源头防控措施

1)因地制宜，科学施肥。

香溪河流域土壤类型包括黄壤、黄棕壤、棕壤、石灰土、紫色土、水稻土、潮土等。其中黄棕壤和石灰土在全流域中所占面积最大，达到78.6%。农业耕作的施肥量应根据作物需要和不同类型土壤对养分的吸持和释放过程来确定，土壤平衡溶液中磷浓度为0.2 mg·L-1时能达到作物生长所需量的95%，因此应根据标准需磷量来指导施肥[7]。从环境保护和资源节约的角度考虑，库区应进一步推广测土配方施肥技术，平衡土壤养分供给与作物生长需求，提高肥料的利用率，防止养分流失对环境的污染。

同时，施肥时间应尽量避开降雨和灌溉排水，因为降雨和灌溉排水将会大大增加氮磷流失风险。资料表明，2012年三峡库区兴山县日降雨量超过50 mm的极端降水事件只有2次，而实际上一年内少数几次的强降雨造成的氮磷流失可占全年流失量的60%。为了重点防治施肥作用期较高浓度的氮磷流失，农业部门可以加强与气象部门合作，对该时期区域降雨量做出及时、准确的预报，采用避开暴雨施肥的方式，使农业面源污染排放降到尽可能低的程度。雨后缓和排水适用于施肥作用期和生长期，如果暴雨后需要排水，应采取措施以尽可能小的流量排水，以避免土壤冲蚀和颗粒性氮磷流失[8-9]。

2)合理灌溉，优化水肥管理。

合理的灌溉制度与灌溉系统既能满足作物获得高产量所需水分要求，同时又能减少流入水体的养分和农药数量，使得农业面源污染对水体的影响程度降到最小。农田灌溉制度中的灌溉方式与养分及农药流失密切相关，在灌溉相同水量的情况下，农田养分、农药流失量以下列顺序递增：喷灌<淹灌<沟灌，沟灌方式将会导致大量的农田养分与农药流失。优化农地水肥条件，需要根据作物需水习性、土壤质地与肥力、地势、地下水埋深、气象情况以及水源条件等适时适量灌溉，同时需要安排好不同灌期的灌溉时间，协调灌溉和施肥时间的关系[10]。

库区实地监测表明，不同坡度耕地径流中氮磷的浓度和输出量不同，随坡度的增加而增大，在15°左右出现极值，而后虽然坡度增加，但径流和泥沙氮磷流失量反而减小。三峡库区坡耕地大多数集中在15°以下，由于15°以下耕地坡度变化对径流率影响较大，应该通过截流措施来控制坡面氮磷流失，以达到控制农业面源污染的目的。紫色土坡耕地是库区主要的耕地土壤类型，同时也是重要的农业面源氮磷来源之一。研究表明，与其他类型土壤相比，紫色土氮磷富集系数高，流失率和流失负荷大，库区紫色土以丘陵为主，磷素水平较低，在农业生产上施用磷肥强度大，当地表径流和土壤侵蚀发生时，土壤氮磷向水体迁移，会加速附近水体富营养化的产生。

3)优化种植模式，改善耕作方式。

种植制度不合理也是导致库区农业面源流失严重的重要原因。库区现行坡耕地种植制度主要为两熟和三熟制，海拔500 m以下多为三熟制，500～800 m基本上是两熟制，而800 m以上则为一熟制。从种植制度的配置结构来看，重粮食作物轻经济作物的倾向十分明显，而在粮食作物搭配上，又重禾薯类耗地作物，轻豆类养地作物，导致坡耕地地力衰退，作物的增产越来越依赖于化肥。库区大部分坡耕地种植制度主要为小麦—玉米、小麦—花生、小麦—甘薯、油菜—玉米等两熟制，雨季来临时，坡地覆盖度很低，如套种玉米的麦地或豌豆地，覆盖度一般仅为50%～55%，加之春耕不久，土壤疏松，抗蚀力低，遇暴雨则极易造成水土和氮磷流失。如从环境保护角度考虑，将不宜旱作区改植水稻，可大大减少土壤氮磷的损失。在一些面源污染的敏感区推行合理的轮作制度，则农业面源污染可大为减轻。另外少耕或免耕、保持良好植被等措施均应大力推广。相关研究表明[10]，坡耕地作物在施肥处理下的氮磷流失显著高于休闲裸坡，分析研究三峡库区典型土地利用方式对养分流失的影响，结果显示：坡地农田>梯田农田>梯田果园>坡地果园。农作物土地由于施肥量较高，土壤养分流失明显高于林区。2012年库区实地监测表明，柑桔—牧草模式氮磷流失负荷及流失率均比较少，适合在库区进一步推广。

田间耕作方式能改变土壤水的运动途径，进而对土壤营养物质的流失产生影响，不合理的耕作方式会加剧水肥的流失。研究表明，应根据不同作物氮磷吸收特性采取间作、套作、轮作等耕作方式。此外，还可以筛选高效利用氮磷的当地作物品种，在化肥投入低、土壤养分累积少的情况下，作物仍能有效利用土壤中的养分，保证自身生长发育的需要，这样就可在保证作物经济产量和品质的情况下，减少高强度的农化投入引起的氮磷流失与环境污染[12]。

2.2生态技术措施

1)植物篱。

植物篱可以改善带间小气候，为农作物生长提供良好的环境[13]。并且，拦截泥沙长期淤积后能使坡耕地逐步梯化，和传统的梯田相比，植物篱最大的优点是成本低廉、简便易行[14]。如果选择经济作物作为植物篱种植，除具有传统植物篱优点外，还产生一定的经济效益，如黄花、茉莉花、金银花、花椒、枸杞、茶、桑等[15]。三峡库区秭归县小流域从山脚到山顶的陡坡上，每隔5 m间距种植植物篱，其间的坡地种柑橘、板栗等经济林木。研究表明[16-17]，每亩植物篱带间距按3.5 m计算，每年可提供鲜枝叶紫穗槐980 kg、新银合欢1 066 kg、香根草675 kg，对于养分含量较低的紫色土耕地而言，尤其是缺氮、缺磷严重的坡耕地，采用植物篱改良坡地是十分有效的，其生态、经济和社会效益均十分明显。经过实践验证，三峡地区可以推广的植物篱品种有新银合欢、紫穗槐、香根草、桑树、野荞麦、木谨等。配套经济林可选择柑桔、茶叶、布朗李、板栗等树种[18]。

2)植物缓冲带。

在耕地和水体之间建立一定宽度的带状草地或林地即为植物缓冲带。污染物在从耕地等向水体迁移过程中，以地表径流、潜层渗流的方式通过缓冲带，通过一系列的物理、生物及化学过程实现对氮磷的截留转化，可大大削减耕地氮磷负荷量。缓冲带可以滞缓地表径流，调节入河洪峰流量，并且有效地减少径流中固体颗粒和养分含量。调查研究发现，磷在岸边植被带的截留率为80%，而在农田的截留率为41%[19]。此外，地表水流经滨岸缓冲区后，地表水硝态氮含量降低了95%[20]。

3)人工湿地。

湿地是由土壤—植物—微生物组成的生态系统，能够通过微生物降解、植物吸收和土壤吸附等一系列作用削减氮磷负荷量。而由漂浮植物池、沉水植物池、挺水植物池以及草滤带组成的人工湿地，对氮磷、泥砂以及有机物有较好的吸收、吸附和物理沉降作用，可以控制农田径流污染，具有运行管理简单方便、生态效益显著、投资少等优点，是控制农业面源污染的实用工程技术[20]。此外，人工湿地可种植菱白、莲藕或镰草等本地经济类水生植物，具有明显的经济效益和环境效益。实际上，库区坡脚农田通过适当整地维护可以形成水稻田湿地系统，通过拦截高处坡耕地流出的氮磷，经过水稻吸收和净化，可明显降低氮磷向水体的迁移量。

4)生态沟渠。

生态沟渠由沟渠和植物构成，既有普通沟渠的排水功能，同时还具有湿地和植物缓冲带的优点。沟渠可以是自然或人工形成，在地形平缓地区的排水沟渠中常年保持一定水位，在降水期间和农田灌溉时可起排水作用，在其他时间水体处于静止状态或流速缓慢，从而可以满足当地水生植物的生长需求。生态沟渠作为坡面水系的迁移通道，通过拦截泥沙、沉积物的吸附、生物转化等作用对坡耕地中流失的氮磷进行截留和削减，从而减少农业面源污染对水体的危害。

2.3工程技术措施

工程技术措施包括采用平行阶地、草地水道、排水渠网、沉沙池、渗滤坑等集水设施和前置库、氧化塘等水处理设施，这些方法对控制面源氮磷流失有很好的效果[21]。针对库区山坡地、沟壑地形特点，因地制宜地将原有沟壑改造成一种兼具雨水收集储存和拦截净化流域山坡地农业面源N、P及水土流失的多级湿地和谷坊生态阻控技术系统，即生态谷坊阻控系统[22]。生态谷坊综合了人工湿地和谷坊二者的优点，利用山坡地原有坡度，无需动力系统。该系统能够稳定阻控TN、TP等污染物，去除率分别为42%，65%；同时可以对敏感地区进行雨水收集、旱季灌溉、保土保肥、截流控污，适合在三峡库区推广[23]。

2.4管理技术措施

1)政策法规。

目前，我国农业面源污染控制还没有完善的政策和法规保证。因此，三峡库区可以在借鉴发达国家的经验制度基础上，对农田氮磷污染源进行等级划分，针对面源流失严重地区建立控制肥料污染管理体系、质量标准体系、监测体系和施肥技术体系，健全行政法规，包括制定土地利用类型和施肥管理(包括施肥品种与限量等)法律、法规，加强行政执法，实现肥料资源总量控制和地区间合理配置[24]。并且，政府还应给予生态农业补贴，引导并鼓励农民发展和实施生态农业。对为环保而作出贡献的行为或农业损失给予一定的经济补偿或奖励，以吸引更多的民众参与到农业面源污染控制行动中去。此外，政府可以提供农业管理和施肥技术支持，根据土壤类型、植被覆盖、耕作制度和土地利用方式等差异性，推广测土配方施肥技术。

2)宣传教育。

树立正确的农业面源污染控制生态文化理念是有效自主治理的前提。通过对库区偏远信息不发达地区的宣传教育，充分尊重公众环境知情权，发挥公众参与的力量，收集和整理社会各方面的反馈信息，使之积极、能动地参与到氮磷资源节约及流失污染控制的实践中[26]。加强对农业面源污染防治的宣传，最根本的措施是要普及环保知识，加强对农民的教育，提高农民素质，让广大农户树立节水控污意识，推进环境友好生态型农业建设；同时，也能促使生产者在生产过程中考虑环境与经济因素的影响，从源头上削减农业面源污染负荷。

3 结束语

农业面源污染具有随机性、滞后性和复杂性等特点，为了有效防控库区农业面源氮磷流失，必须在研究库区农业面源氮磷污染负荷现状及其流失规律的基础上，找准防控措施技术参数，有针对性地开发合理的防控关键技术。从源头减少氮磷输入着手，因地制宜，科学施肥；合理灌溉，优化水肥管理；优化种植模式，改善耕作方式。对农业面源氮磷流失过程进行生态拦截，采用如植物篱、植物缓冲带、人工湿地、生态沟渠等生态技术措施；采用平行阶地、草地水道、排水渠网、沉沙池、渗滤坑等集水设施和前置库、氧化塘等工程技术措施，以及生态谷坊阻控系统和“山顶植树—山腰果树—台地种粮—山脚鱼塘”生态工程技术措施；最后在末端开展净化处理，并从管理角度促成研究与技术达到长效，如制订氮磷流失防控的相应政策；宣传环保知识，提高农业生产者的环保意识等。实现三峡库区小流域农业面源氮磷流失“控源”、“截汇”和“治污”的管理体制有机结合。

[1] Ma X,Li Y,Li BL,et al.Nitrogen and phosphorus losses by runoff erosion:Field data monitored under natural rainfall in Three Gorges Reservoir Area,China[J].CATENA,2016,147:797-808.

[2] Ma X,Li Y,Zhang M,et al.Assessment and analysis of non-point source nitrogen and phosphorus loads in the Three Gorges Reservoir Area of Hubei province,China[J].Science of the Total Environment,2011,412-413:154-161.

[3] Chen LG,Qian X,Shi Y.Critical area identification of potential soil loss in a typical watershed of the Three Gorges Reservoir Region[J].Water Resources Management,2011,25(13):3445-3463.

[4] 王秀娟,刘瑞民,宫永伟,等.香溪河流域土地利用格局演变对非点源污染的影响研究[J].环境工程学报, 2011,5(5):1194-1200.

[5] Ma X,Li Y,Li BL,et al.Evaluation of nitrogen and phosphorus loads from agricultural nonpoint source in relation to water quality in Three Gorges Reservoir Area,China[J].Desalination and Water Treatment,2016,57(44):20985-21002.

[6] 李小英.滇池流域台地水土和氮磷流失及防控技术研究[D].北京:北京林业大学,2006:85-107.

[7] 徐泰平,朱波,况福虹,等.平衡施肥对紫色土坡耕地磷素径流流失的影响[J].农业环境科学学报, 2006,25(4):1055-1059.

[8] 林超文,庞良玉,罗春燕,等.平衡施肥及雨强对紫色土养分流失的影响[J].生态学报,2009,29(10):5552-5560.

[9] 曹彦龙,李永红,汪立飞,等.三峡库区农业化肥流失污染及其成因分析[J].江苏环境科技,2008,21(1):4-8.

[10] 付勇智.不同灌水方式下稻田水体中氮磷元素变化规律的试验研究[D].哈尔滨:东北农业大学,2009:13-42.

[11] 许其功,席北斗,沈珍瑶,等.耕作措施对三峡库区土壤侵蚀和养分流失的影响[J].生态与农村环境学报,2007,23(3):41-45.

[12] 王梅.三峡库区农业面源污染控制的策略研究[D].武汉:华中科技大学,2009:33-39.

[13] 夏立忠,马力,杨林章,等.植物篱和浅垄作对三峡库区坡耕地氮磷流失的影响[J].农业工程学报,2012,28(14):104-111.

[14] 程冬兵,蔡崇法,等.高绿篱技术保水抗旱效益研究[J].长江流域资源与环境,2008,17(5):793-797.

[15] 郭忠录,钟诚,蔡崇法,等.高植物篱/大豆间作根系相互作用对生长和氮素吸收利用的影响[J]. 植物营养与肥料学报,2008,14(1):59-64.

[16] 程冬兵.三峡库区等高绿篱坡地农业系统紫色土水分特性研究[D].武汉:华中农业大学,2008:39-122.

[17] 杨寅群.植被过滤带对非点源污染物净化效果的初步研究[D].西安:西安理工大学,2009:18-52.

[18] 张刚,王德建,陈效民.太湖地区稻田缓冲带在减少养分流失中的作用[J].土壤学报,2007,44(5):873-877.

[19] Zhao TQ,Xu HS,He YX,et al.Agricultural non-point nitrogen pollution control function of different vegetation types in riparian wetlands:A case study in the Yellow River wetland in China[J].Journal of Environmental Sciences,2009,21(7):933-939.

[20] 牟向玉.基于GIS的滇池流域水土流失非点源污染研究[D].北京:北京林业大学,2009:90-92.

[21] 陆海明,孙金华,邹鹰,等.农田排水沟渠的环境效应与生态功能综述[J].水科学进展,2010,21(5):719-725.

[22] Willison JHM,Li R,Yuan X.Conservation and ecofriendly utilization of wetlands associated with the Three Gorges Reservoir[J].Environmental Science and Pollution Research,2013,20(10):6907-6916.

(责任编辑高嵩)

Current Situation and Control Management of Agriculture Non-point Source Pollution of Xiangxi River Watershed

LiLu1,MaXiao2

(1School of Civil Engineering and Architecture,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003;2College of Urban and Environmental Sciences,Hubei Normal University,Huangshi Hubei 435002)

Agricultural production and rural domestic sewage are the main sources of nitrogen and phousphorus pollution of water body in Xiangxi River Watershed(XXRW).It is an urgent task and important measure to control agricultural non-point source pollution for preventing eutrophication in water body of Three Gorges Reservoir Area,especially in some tributaries.According to the characteristics of natural environment,social economic and agriculture production structure,this paper analyzed the current situation and control management of agriculture non-point source pollution in XXRW.Agricultural non-point source pollution control should be integrated with the management system of source control,intercepting pollution,and pollution treatment in small watershed of Three Gorges Reservoir Area to provide a scientific basis and technical support for management of nitrogen and phosphorus.

Three Gorges Reservoir Area;Xiangxi River Watershed;agriculture non-point source;pollution situation;control management

2017-03-16

湖北省教育厅科学技术研究项目(项目编号：Q20172502);资源枯竭城市转型与发展研究中心开放基金资助项目(项目编号：kf2016y06)；污染物分析与资源化技术湖北省重点实验室开放基金项目(项目编号：PA160205)。

李露，助教，硕士。

10.3969/j.issn.2095-4565.2017.04.004

X506

：A

：2095-4565(2017)04-0012-07