三峡库区面源污染研究进展

李乐, 刘常富

三峡库区面源污染研究进展

李乐, 刘常富*

中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所, 国家林业和草原局森林生态环境重点实验室, 北京 100091

为掌握三峡库区面源污染研究动态并明确研究中存在的问题, 基于1990—2018年三峡库区面源污染的相关研究成果, 检索、分类并统计分析了已发表论文数量变化趋势和高频被引论文内容, 从机理、影响因素、负荷与模型模拟、防治四个方面论述了库区面源污染的研究进展, 以便更好地进行区域生态系统管理。面源污染机理研究主要集中在降雨径流、土壤侵蚀、不同土地利用类型、不同管理措施下泥沙、N、P等污染物流失特征, 多关注单一过程及单一尺度, 严重破碎化土地利用格局背景下的面源污染发生过程、扩散格局及其转化机制有待进一步研究。影响因素多讨论土地利用, 景观格局变化对面源污染的影响机制仍不明晰。负荷模拟研究主要是建立经验模型和探讨国外模型在库区的适用性, 原始开发少。面源污染防治措施多集中于工程及单一技术措施, 最佳管理措施(BMPs)的研究较少, 缺乏生态系统、景观及流域尺度面源污染综合防控技术。提出三峡库区面源污染研究需在以下方面有所加强: (1)不同尺度和格局下N、P、泥沙等耦合作用下的运移、转化机理及其不同污染物在不同陆面斑块界面之间转化机制; (2)景观过程与面源污染动态关系; (3)借鉴国外模型理念, 研发适合我国区域地理特征的面源污染机理预测模型; (4)建设标准化面源污染监测系统; (5)统筹“山水林田湖草”系统治理, 研发面源污染综合防控技术体系。

三峡库区; 面源污染; 模型模拟; 迁移转化; 控制

0 前言

面源污染(又称非点源污染, non-point source pollution, NPS pollution)是指溶解的和固体污染物, 从非特定的地点随着降雨(或融雪)产生的径流进去受纳水体而造成水环境污染[1]。相对于有固定排放口的点源污染, 面源污染往往不易被观察到, 具有随机性大, 污染物的来源和排放点不固定, 污染负荷的时空变化幅度大等特点, 进而导致对其监测、模拟和控制十分困难[2–3]。面源污染尤其是农业面源污染已成为世界各国普遍关注的焦点[4]。

三峡库区位于长江流域腹地, 是长江流域生态环境保护和修复的主控节点。库区地貌类型以低山丘陵为主, 农业种植地位高, 柑橘生产是主要支柱产业, 耕地多分布在长江干、支流两岸, 且大部分为坡耕地和梯田, 78.70%的坡耕地土壤为易风化侵蚀、土壤熟化度低的紫色土。自2003年三峡水库蓄水以来, 库区的水质状况成为国内外关注的焦点之一。受水库淹没的直接影响, 库区生态系统服务价值减少9708.35×104元[5], 加上大量移民活动, 如耕地开垦、大兴土木、破坏植被等, 致使水土流失加剧, 污染物排放量加大, 农业面源污染加剧[6]。三峡库区具有鲜明区域特色, 污染物的种类、负荷、发生规律、影响因素因地而异。针对三峡库区生态环境特点、社会经济状况, 学者们对面源污染成因、迁移转化途径和如何控制与减缓面源污染进行了一系列卓有成效的探索, 但该区域内面源污染研究成果仍然缺乏系统的梳理和综合评价; 且加强该地区面源污染研究工作, 具有重要的现实意义。本文在回顾三峡库区面源污染研究相关文献的基础上, 采用统计分析和讨论相结合的方法, 对相关研究进行梳理和分析, 综述了三峡库区面源污染研究的总体趋势、主要研究内容、存在的问题等, 以期对区域面源污染的深入研究提供参考。

1 三峡库区面源污染研究总体趋势

由图1可以看出, 1990年至2018年, 每年发表的三峡库区面源污染文献数量呈波动递增趋势。早期零星出现关于库区水土流失和土壤养分流失的研究, 2003年库区面源污染专项研究开始, 对三峡库区面源污染研究的关注逐年加强, 2008年以后库区面源污染研究进入快速发展阶段, 年发表研究文献约25篇左右, 说明库区面源污染研究逐渐受到重视, 已成为学者研究热点。但是针对三峡库区面源污染的外文研究文献数量还不多, 发表的文献从 2008年开始, 且多为国内学者所著, 目前在国际上具有较大影响力的研究文献还相对较少。

结合具体内容大致将检索到的文献分为4类, 即调查评价类、机理探索与影响因素类、负荷量化与模型模拟类、防治措施与管理类。其中负荷量化与模型模拟类(39.81%)和调查评价类(24.76%)文章较多, 机理探索与影响因素类(18.81%)和防治措施与管理类(16.61%)文献较少。调查评价类研究以现状评价为主, 它为进一步研究提供了充足的基础数据, 随着人们对面源污染认识程度的加深, 现状分析已经远远不能满足需要, 负荷量化逐渐转变为研究重点, 模型模拟成为主流方法。如何管理和控制面源污染是最终目的, 但多数研究只针对性提出对策建议, 缺少实践应用与验证, 已有技术缺乏有效融合与集成, 在库区面源污染防治方面研究者还必须给予更多的关注。机理研究是有效控制的关键环节, 面源污染作用机理及其迁移过程极其复杂, 是目前库区面源污染研究的难点和薄弱环节。从中英文高频被引文献研究内容来看, 受关注程度较高的文献为养分流失规律和过程模型模拟; 研究污染物主要针对地表径流中的N、P、泥沙, 影响因素方面多讨论土地利用; 使用模型主要是应用比较成熟SWAT模型, 并且注重模型参数的不确定性分析。

图1 三峡库区面源污染研究文献的时间特征(根据中国知网和Web of Science(核心区), 截至2018年11月)

Figure 1 Temporal characteristics of references on non-point source in the Three Gorges Reservoir Areas (based on the CNKI and SCI, update to November 2018)

2 三峡库区面源污染机理研究

面源污染的产生和形成是由自然过程引发的一种连续的生态过程。降雨在不同下垫面产生地表径流, 同时对土壤产生侵蚀作用, 由此产生的径流和泥沙是污染物输移的载体。地表土壤是污染物存在的母体, 在降雨径流的驱动下, 大量可溶性污染物与泥沙及其附着污染物发生迁移转化, 同时降雨过程中土体内污染物随降水入渗产生淋溶垂直迁移。因此, 面源污染的形成机理过程主要由降雨径流、土壤侵蚀和污染物迁移转化3个方面组成, 三者密切相关, 掌握面源污染的过程机理是开展模型化、防控和管理研究的基础[7]。

2.1 降雨径流与面源污染

降雨径流过程是造成面源污染物输出的原动力[8]。一般情况下, 降雨径流中污染物浓度大大高于降雨前浓度[9], 暴雨期径流污染物浓度也远远超过非暴雨期[10]。在面源污染研究中, 大多以水文学为基础, 重点研究径流的产流汇流特征, 最具有代表性的是美国水土保持局提出的SCS-CN (Soil Conservation Service-Curve Number)法。20世纪60年代以来, 我国学者在国外流域水文模型发展的基础上, 探索并逐步形成了蓄满产流和超渗产流两大理论, 并且提出我国特色径流计算的方法。其中, 陈西平[11]提出了计算农田径流污染负荷的三峡库区模型, 可计算库区单位面积径流和污染物输入及输出量。相关学者采用小区定位监测、人工模拟降雨、模型模拟等不同方法对三峡库区不同尺度小流域产流进行研究, 结果表明: 降雨量与地表径流量呈指数关系, 随着降雨量的增加而增加, 而降雨强度与地表径流的具体关系尚不明晰[12], 降雨历时与产流率呈对数正相关关系[13]。另外, TN浓度对降雨径流变化的响应比TP浓度的响应更灵敏[14], 径流量与N、P不同形态的负荷呈多项式[15]和线性[16]关系。目前, 降雨径流研究较为成熟, 人工降雨和自然降雨定点监测与模型相结合是研究产汇流机制的主要途径。基于水文模型模拟是比较通用的方法, 对无大量实测水文资料地区的降雨-径流过程研究有重要意义。

2.2 土壤侵蚀与面源污染

土壤侵蚀是面源污染发生的主要形式, 土壤侵蚀过程分离出的土壤通常称作泥沙, 不仅本身就是重要的面源污染物, 还可以吸附N、P等其他污染物。从面源污染角度研究土壤侵蚀, 首推美国USLE (Universal Soil Loss Equation)方程[17–18]及修正扩展的RUSLE[19], 且被纳入AGNPS、SWAT和AnnAGNPS等模型中, 后来又形成了注重流失过程和迁移机理的WEPP模型[20]。学者们通过小区试验、核素示踪技术、遥感监测和模型估算等方法对三峡库区土壤侵蚀做了大量研究工作, 在国内具有一定代表性。严重的土壤侵蚀与泥沙输移是三峡库区泥沙重要的来源之一, 坡耕地是三峡库区泥沙主要源地[21]。137Cs示踪法对三峡库区土壤侵蚀速率研究结果表明, 不同土地利用类型的土壤侵蚀强度大小顺序为: 耕地>园地>草地>荒地> 林地[22], 坡耕地土壤流失速率受土壤类型、坡度等因子影响较大, 坡度越大, 土壤侵蚀速率也越高[23]。根据小区试验结果, TN和TP主要通过泥沙输出, 所占总量比例分别为86. 6%和98.4%[24], 土壤侵蚀和营养物质流失主要发生在6—8月降雨集中的暴雨季节[25]。因此, 采取合理措施控制该地区土壤侵蚀对控制面源污染物的产生意义重大。对土壤可蚀性K值的研究表明, 三峡库区24个土壤亚类中有14个亚类处于高可蚀性等级, 其中, 中高可蚀性和高可蚀性面积占库区总面积的74.49%, 存在很大的土壤侵蚀风险[26]。采用GIS技术和RUSLE模型相结合的方法使土壤侵蚀的研究有了新的发展方向, 经估算三峡库区1995—2010年均土壤侵蚀量为18476.27×104t·a-1, 平均土壤侵蚀模数为3316.53 t·(km2·a-1)-1, 属于中度侵蚀[27], 植被覆盖和降雨变化对土壤侵蚀影响较大[28]。目前, 土壤侵蚀的研究已经由经验性分析转向了以动力学和水文学相结合的机理研究。

2.3 污染物迁移转化

面源污染物的迁移转化是污染物在外力驱动下由土壤圈向水圈扩散的过程, 包括土壤溶质随地表径流流失和地下渗漏淋失[7]。小流域土壤养分N、P主要经由降雨形成地表径流输出[29], 主要包括两个部分,一是泥沙中所携带的N、P元素物质流失; 二是径流中溶解的N、P元素流失[14]。TN的负荷流失过程和降雨量关系较为密切, TP的负荷流失受降雨强度影响较大; N素的流失以溶解态为主, 而P素则以颗粒态为主[16]。库区紫色土的高土壤入渗率, 及其基岩的低渗透性决定了壤中流的普遍存在, 在农业施肥的影响下, 壤中流中NO3—-N的浓度在20.55—37.26 mg·L-1之间, 超过国际饮用水标准(10 mg·L-1), 壤中流中的溶解态TP平均浓度为0.07 mg·L-1, 超过水体富营养化的临界浓度(0.02 mg·L-1)[30]。坡度在一定范围内与N、P流失量呈正相关, 土壤N平均流失量在15°坡度时最大, 土壤P平均流失量在25°坡度时最大[31]。在其他影响因子一致的情况下, 土壤类型与N、P流失量有一定的影响, 化肥施用量与流失量之间存在线性关系[32], 土壤肥力越高, N、P流失越多, 且N流失受土壤肥力影响比P大;当农田中土壤粉粒和粘粒比例高时, N流失量大, 当沙粒比例高时, 有利于P的流失[33]。另外, 颗粒态磷是土壤磷淋溶的主要形态, 溶解性有机磷是溶解态磷淋溶最主要的形态[34], NO3—-N是土壤氮素淋溶的主要形态, 紫色土坡耕地土壤TN的年淋失量为TP的101.2—123.3倍, 养分渗漏淋失以N素为主[35]。因此, 合理施用氮肥, 提高氮肥利用效率是降低N素淋失、防治流域农业面源污染的关键。不同污染物化学特征不同, 污染机理不尽相同, 研究各物质在土壤圈及土壤-水界面的迁移转化规律及其影响因素, 对控制面源污染具有重要意义。

3 三峡库区面源污染的影响因素

3.1 土地利用

不合理的土地利用方式导致的土地覆被类型变动将会改变污染物在土壤、生物、水等圈层中的运移和传输途径, 增加营养元素流失量, 加强流域水土流失并影响水文循环的所有环节, 从而导致面源污染加剧, 引发水体恶化[36]。定位实验表明, 三峡库区5种代表性土地利用方式的养分年输出总量有较大的变异, 表现为坡地农田＞梯田农田＞梯田果园＞坡地果园, 坡地果园是较理想的土地利用方式, 既减少投资, 又可减少土壤侵蚀[37]; 不同利用方式降低水土和养分流失的顺序是: 免耕地>耕地, 橙区>农区, 石坎梯地>坡地[38]。就其驱动机制来看, 土地利用方式转变而引起的地表径流与N、P等营养元素的输出系数变化是其最根本因子。当土地利用方式发生转变, 其利用目的和土地管理方式的改变必然引起面源污染程度差异。例如, 以农业种植为主的流域内溪流中硝态氮明显高于以林地为主的流域, 林地面积增加会使水体中N素明显减少[39]。

不同土地利用类型下面源污染物流失变异性较强。三峡库区小流域长期定位观测研究结果表明, 不同土地利用类型TP流失负荷的大小顺序为农田＞柑橘园＞茶园＞竹林＞板栗林＞乔木林[40]; 另有学者计算库区不同土地利用类型TN、TP输出系数为农田＞城镇＞草地＞林地[41]。面源污染不仅与土地利用类型及数量结构有关, 也与区域空间配置格局密切相关。多种土地利用类型构成异质景观对土壤养分的分布和迁移产生影响[42], 各项污染物浓度往往介于林地、草地、耕地等单一方式为主控制的小流域之间[43]。

景观格局是生态过程的基础, 通过格局特征可以推测过程特征, 而过程反过来又影响格局形成[44]。三峡库区秭归县农林小流域景观格局特征对径流、泥沙等污染物输出的影响研究表明, 流域径流量与农坡地、农梯地、农林梯地、居民地等斑块面积比例指数以及聚集度等景观指数显著正相关, 而与林地、灌木地斑块面积比例指数显著负相关; 泥沙输出量与农坡地、农林梯地、居民地等斑块面积比例指数、聚集度指数等显著正相关, 而与林地、灌木地斑块面积比例指数、Shannon多样性指数等显著负相关[45], 证明景观格局深刻影响着径流和污染物的产生与输移过程。但是, 由于当前的景观格局指数的生态学意义并不明确, 通过格局指数与水质污染物相关性分析得到的结果尚需进一步的解释[46]。由此可见, 面源污染虽然是由自然过程引发的生态过程, 但在人类活动尤其是土地利用活动影响下得以强化, 笔者据此构建土地利用对面源污染影响的基本原理图(图2)。

3.2 自然地理特征

自然地理条件与人为活动决定了三峡库区面源污染的区域特征。三峡水库蓄水运行中, 将在三峡库区形成长约632 km, 落差30 m的消落带。消落带是一种特殊的流域景观单元, 连接陆地生态系统和水生生态系统。按175 m蓄水方案, 三峡工程将淹没土地864 km2, 淹没土壤主要为肥力高的冲积土和水稻土。低水位时消落带可拦截来自陆源的污染物质, 但当水位上升时又直接与水体发生作用, 向水体释放污染物。因此, 消落带成为三峡库区面源污染物输出的一个敏感区域[47]。目前关于消落带面源污染的研究主要集中在水-土界面上养分交换特征[48]以及干湿交替对土壤磷素释放的影响[49]。水土流失和地表径流是面源污染产生的主要条件, 库区多是坡地、加之降雨集中、强度大、水力冲蚀作用强烈, 水文和地形等自然因素决定库区面源污染形式主要为水土流失型[50]。土壤类型、结构、物理和化学性质都会影响地表径流量和污染物迁移速度[40], 而地表植物可减少地表径流, 阻止泥沙迁移、固持营养物质, 降低面源污染发生的风险。

3.3 农业活动

化肥和农药用量、种类、使用时间, 农业废弃物利用和堆放方式, 耕作方式, 畜牧养殖等农业活动可以通过降雨-径流过程影响面源污染。据估算三峡库区(重庆段)种植业化肥施用量高于全国平均水平, 单位面积施肥折纯量为TN 23.25 t·km-2、TP 20.34 t·km-2, 种植业污染负荷总量较高[51]。田间施用杀虫剂平均只有3%产生药效, 除草剂有效利用的部分占5%—40%[52]。化肥农药施用规模直接决定TN、TP、有毒有机物和无机物的产生量, 农用化学物质的过量和不合理施用是库区农业面源污染主要原因。耕作方面, 水土保持耕作相比于常规耕作, 能有效减少农田N、P流失量[8, 25]。此外, 畜禽粪便与农业废弃物如不合理利用会加重库区面源污染。

图2 土地利用对面源污染的影响基本原理

Figure 2 The influence mechanism of land-use to nonpoint source pollution

3.4 社会经济因素

社会经济发展也是影响面源污染的重要因素。研究表明, 经济增长是影响三峡库区重庆段农业面源污染的主要原因, 且种植业、养殖业和农村生活三大类污染源排放量与农村经济发展之间都具有协整关系。长期来看, 农村经济发展对农业面源污染有减缓作用, 与传统的环境-经济增长库兹涅茨倒U型曲线所揭示的一般规律相同, 农业经济的发展和种植业、养殖业的污染排放量具有双向的因果关系, 但经济发展是农村生活污染排放量增长的原因, 农村生活污染排放量不是经济增长的原因, 它们之间是单向因果关系[53]。同类研究[54]也证明三峡库区农业经济发展对三峡库区的农业面源污染的预防与治理既存在正效应, 也存在负效应。农业面源污染负荷总体上随着农业生产规模的扩大而变小, 二者呈显著的负相关关系, 原因为小规模经营下农户投入的化肥、农药相对较大且田间管理不足, 增加了农业面源污染的风险。因此, 适度的经营规模可以促进化肥、农药等相对合理的施用以及农户对农田的管理效应, 进而减少农业面源污染负荷。

4 三峡库区面源污染负荷及模型研究

三峡库区面源污染负荷有以下特点, 面源污染占总入库负荷的60%—80%, 主要来自长江干流、嘉陵江、乌江三江入库, 其中又属长江干流对入库面源污染负荷的贡献占绝对优势, 嘉陵江、乌江的面源污染总贡献率仅占13.4%—39.4%; 农业面源所占比例很大, 主要污染物是: TP、BOD5、TN、CODCr等, 氮对水体的影响以溶解态氮为主, 磷对水体的影响以颗粒态磷为主[55–58]; 不同土地利用类型中, 耕地为主要污染负荷产出源头, 泥沙、TN、TP负荷分别达到库区总量产出的91.34%、76. 36%和83.69%[59], 旱地和稻田径流中面源污染物浓度较高, 来源于紫色土、水稻土和黄土的径流中营养元素占到了污染物总荷载的很大比例; 面源污染物的产出与海拔高度呈对数关系, 污染物产出的峰值在200 m—500 m海拔梯度, 这个梯度内以农地为主[60–61]。面源污染物产生的关键区域主要位于库区腹地的云阳、奉节、万州、巫溪、丰都、巫山等区县, 且距河流越近, 面源污染危险性越高[62–63]。从面源污染负荷研究方法来看, 多采用人口、面积、单位排放系数等经验公式进行推导和估算, 虽然适合缺乏监测资料的实际, 但由于忽略了迁移转化过程和源区空间异质性, 在一定程度上影响了其科学性及指导性[64]。为使预测结果更加合理, 学者还基于水文分割法[55]、降雨量-输沙量-污染物相关关系模型[65]、泥沙输移比[62, 66]、盲数理论与动态因子[67]、产沙量与吸附态面源相关性[68]和RUSLE方程的耦合负荷模型等对面源污染负荷研究进行了多方面的探索。

通过模型对面源污染进行模拟, 是目前面源污染研究的重要手段之一。模型化研究大致经历初期统计模型、机理模型、实用型模型和大型专业模型四个发展阶段。随着3S技术的迅速发展和面源污染机理的深入研究, GIS与分布式参数模型耦合集成已经成为面源污染研究的主要手段, 包括SWAT、AGNPS、AnnAGPS、BASINS等。这类模型可对降雨径流、土壤侵蚀、溶质运移等连续模拟, 还可以对流域面源污染时空变化、负荷关键源区进行识别, 并与污染管理措施相结合, 进而为面源污染的控制提供参考。目前库区模型化研究尚处于起步阶段, 虽然提出了一些基于面源污染机理的概念模型, 但研究缺乏连续性, 大多还是直接利用国外现有模型或根据实际情况加以修正, 主要包括AnnAGNPS与SWAT。

从AnnAGNPS在库区典型小流域及主要支流应用结果来看, 径流模拟效果优于对泥沙和养分的模拟, 径流模拟误差均在可接受范围之内, 泥沙输出量的模拟误差较高, 氮磷等养分输出的模拟误差最高, 对泥沙和营养物质等模拟方式有待进一步改进。泥沙模拟误差可通过调整RUSLE和HUSLE等子模型的输入参数来减小。该模型总体上模拟结果与相关文献研究和政府统计数据较为相符, 适用于三峡库区地理气候条件[69–71]。但是, 模型不确定分析指出, 不同分辨率DEM对泥沙、总磷、有机碳输出影响显著, 三峡库区类似黑沟小流域宜采用5 m格网尺度DEM, AnnAGNPS模型较不适合于尺度较小、坡度较大的小流域泥沙负载预测[72]; 空间离散单元(SDU)水平, 即SDU大小及数量影响输入参数空间聚合效应及模型输出结果, 径流、泥沙和养分输出具有不同的SDU适宜水平和范围, 且对泥沙、总氮、总磷模拟影响较大[73]。

SWAT是一套由USDA-ARS历经30多年开发的具有很强的物理机制, 适用于复杂大流域的分布式水文模型。已有部分学者将SWAT模型应用到库区及主要支流的面源污染负荷、时空分异规律、不同土地利用类型污染负荷的差异性及其模型不确定性研究, 验证SWAT在库区地理气候条件下的可行性和适用性。结果表明模型对径流、泥沙、营养盐(TN、TP)模拟结果在合理范围之内, 达到了较好的模拟效果, 其中径流模拟效果最佳, 其次为泥沙、营养盐[74]。同时模型在大宁河流域的应用研究结果表明, 面源污染负荷的不确定性主要受径流产生过程的参数的影响[75], 不同的流域划分方案对营养物质的流失产生了轻微的影响, 但没有明显的变化趋势和规律[76]; 空间数据对径流和氮的模拟结果影响较小, 而对泥沙和磷的模拟结果影响较大, 且存在空间数据分辨率的阈值, 分辨率越高并不意味着模拟结果越准确[77]; 土壤数据分辨率对模拟结果的影响较小, 而不同土壤数据来源对模拟结果影响较大, 这种影响在进行污染物模拟时要比流量模拟时要大[78]; 降水空间变异和监测误差对水文模拟结果的不确定性影响显著, 对面源污染物模拟的不确定性相较与对流量的模拟的不确定性会被放大[79–80]。目前在该区域内对引用的外国模型主要集中在小流域及中等尺度流域, 而在大流域尺度上有待更加深入的研究。受模型本身设计的局限性、国内外实际差异性、模型参数输入的不确定性以及基础数据来源等因素的影响, 模型对预测结果的偏差在所难免, 但是相关监测资料的缺乏使模型难于校准和验证, 使其推广使用受到限制。

关键源区(CSAs)识别是流域面源污染控制的先决条件[81]。基于研究区的实际情况及资料的可获得性, 目前库区关键源区识别主要利用SWAT等大型流域模型对污染物的迁移路径、转化过程及输出连续模拟, 找出污染发生的时间与重点区域, 或者通过输出系数法计算流域中不同土地利用类型的污染物年负荷量, 找出污染负荷量大的流域或流域的重要部位。但是经验模型未考虑污染物迁移输出过程的外部影响因子, 不确定性高, 同类研究出现对重点控制区域结果不一致的情况[82–84]。王金亮等[85]通过最小累计阻力模型构建了库区面源污染阻力面, 用阻力值大小来预测库区农业面源污染发生的潜在风险, 具有很好的借鉴意义。

5 三峡库区面源污染防治研究

三峡库区对面源污染防控措施的研究可追溯至水土流失的研究。坡耕地是三峡库区的主要生产用地, 也是主要产沙单元, 土地退化严重。“坡改梯”等措施的实施取得了较好的水土保持效果, 但梯田建设工程量大、成本高。“大横坡+小顺坡”耕作模式是长江上游广大农民长期实践经验的总结, 具有减少细沟侵蚀、排水通畅、防止滑塌、耕作方便及节省劳力的优点。通过在忠县的坡耕地人工降雨试验, 基本查明了不同坡面特征下细沟发生的临界坡长, 采用横坡截留沟在临界坡长处截断坡面, 划分小地块, 形成小顺坡, 最终提出适合三峡库区的“大横坡+小顺坡”坡耕地有限顺坡耕作技术模式[86]。根据区域现场条件, 选择“坡改梯”或“大横坡+ 小顺坡”耕作模式可有效减少陡坡耕地的水土流失, 降低面源污染发生风险。将植物篱技术应用于坡耕地的治理, 可起到减缓坡面、改变氮磷等面源污染物在坡面的分布状态以及降低其含量的作用, 从而控制水土流失与面源污染, 并且具有投资小、施工简单、操作方便等优点。湖北省秭归县的经验表明, “植物篱+经济林”模式具有增加地表覆盖、减缓地表径流、增加土壤肥力和防止坡面水土流失的功能, 与纯坡地经济林相比总纯收入增长11%[87], 实现了生态效益与经济效益的有效结合。缓冲带(湿地)可通过植物吸收、物理沉积、土壤微生物转化等多种途径减少面源污染物进入水体[88]。谢慧等利用SWAT模型模拟三峡库区流域面源污染, 筛选库区流域范围内的面源污染关键区域并进行情景分析, 结果表明添加田边缓冲带情景时, 泥沙、总氮、总磷及综合污染负荷比无任何管理措施的基准情景分别减少了29%、23%、28%、29%[74]。在忠县石盘丘流域[89]和涪陵王家沟小流域[90]研究发现, 稻田可为面源氮、磷提供沉淀区, 合理增加稻田数量, 优化稻田空间格局是控制三峡库区面源污染有效措施。退耕还林工程实施以来使流域土地利用结构发生改变, 通过优化土地利用结构也可控制面源污染, 对秭归县兰凌溪小流域氮磷控制效应研究表明, 小流域土地利用结构调整应优先增加林地, 适当控制园地发展, 且将住宅用地面积比例控制在5%以下, 并通过林茶、林果间作等方式改变小流域部分园地单一类型片状分布格局[91]。

肖新成等[92]以农业经济效益最优和农业面源污染减排为目标, 并考虑到农作物清洁生产技术应用和推广对提高种植业经济收益和降低农业面源污染的作用, 运用线性规划模型优化库区重庆段种植业结构, 得到最优路径为重庆段粮食生产用地应保持约119.16×104hm2, 蔬菜用地保持约33.25×104hm2,经济林(烟草、水果、茶)用地应维持在17.05×104hm2;同时指出在农作物生产过程中应大力推广清洁生产技术, 并在保证粮食生产稳定的前提下, 逐渐缩减玉米和大豆的种植面积, 适当增加经济林种植面积。在库区王家沟小流域测算结果表明, 建设1个8—10 m3的户用沼气池, 全年可减少 COD 230.65 kg、BOD5 146.87 kg、TN 38.00 kg、TP 11.84 kg进入水体[93]; 利用沼肥减少引起面源污染的化肥施用量, 不会造成农产品产量下降, 还可以减少由于大量施用化肥而带来的水体富营养化等一系列环境污染问题。

随着对面源污染研究的深入, 仅靠单一的技术及工程措施或政策措施无法彻底防控面源污染。对面源污染防控及管理措施的研究逐渐从单一的防治措施演变到通过建立面源污染控制措施体系来控制面源污染。最具代表性的“最佳管理措施(BMPs)”的核心是以合理利用土地为基础, 通过管理措施和非管理措施的有效组合以控制面源污染物的产生和运移, 防止污染物进入水库、湖泊、河流等水体。随着研究不断深入, BMPs并非一种确定的方法或手段, 实质上已成为一种理念。有学者在库区王家沟小流域通过土地利用格局优化分析, 在宏观层面上实现了面源污染控制的最佳途径, 同时根据实际情况设计了一套集农村居民点-旱坡地-水田-消落带于一体的多重拦截与消纳面源污染物的农业面源污染控制系列化最佳管理措施, 通过评价该BMPs对N、P和泥沙等污染物的综合去除率达到89%以上[94], 从源头控制、路径耗散、末端处理三个层面减少了面源污染负荷。然而, 决策管理者与利益相关者对相关管理措施持不同意见。例如, 对三峡库区巫溪县92个农民和42个决策管理者进行了问卷调查, 以分析对最佳管理措施的认可程度。结果表明, 政策管理者对大多数保护措施的支持意愿都比农民相对要高, 而农民较为支持边坡防护、河岸森林缓冲带、水平沟等非农措施以及一些能够改善土壤养分的措施[95], 说明农民对管理措施的接受程度主要取决于措施的实施能否带来好的经济效益。对面源污染进行有效治理和控制, 远不只是一个技术问题, 更多的是政治的、体制的和经济的问题。

6 结论与展望

经过多年探索, 库区面源污染研究已经从初期的定性化转向定量化, 由统计、调查转向机理模型模拟及实用治理, 研究内容较为全面, 涉及基础理论、流失规律、负荷量化、控制措施, 研究尺度由微观到中观到宏观, 研究方法包括传统方法、模型模拟和新技术。虽然取得了较大的进展, 但仍然存在不少问题, 有待进一步完善。

库区面源污染机理研究主要集中在降雨径流、土壤侵蚀、不同土地利用类型、不同管理措施下泥沙、N、P等污染物流失特征, 研究多关注单一过程, 当前严重破碎化土地利用格局背景下的面源污染发生过程、扩散格局及其转化机制仍不明晰。不同面源污染物迁移转化特征具有差异性, 其产生的实质是养分或污染物从“土相”向“水相”的运移[96]。三峡库区已在消落带开展了水-土界面上养分交换特征的研究, 但不同陆面斑块界面之间N、P迁移转化机制研究较少。此外, 不同的监测尺度涉及不同的流域产汇流过程及其伴随的渗滤、吸附等机制, 导致不同尺度下污染物产出的显著差异[97], 将一种尺度上的生态规律转换到另外一种尺度上时往往会出现较大的偏差[98]。因此, 尺度问题是影响面源污染输移机理的重要科学问题, 也是一大挑战。今后应深化基础研究, 重点揭示不同尺度和格局下N、P、泥沙等耦合作用下的运移、转化机理及其不同污染物在不同陆面斑块界面之间转化机制, 以期为面源污染的防治提供理论基础。

面源污染影响因子众多, 虽由自然过程引发, 但在土地利用活动下得以强化。景观格局变化对养分等面源污染物发生、迁移和转化具有显著影响[99], 主要表现在土地利用/覆被的变化引起生态系统物质和能量流动过程的变化。研究面源污染物输出对景观格局变化的响应, 通过景观合理布局, 有效地截留进入水体的养分元素, 无疑是一种较为经济、有效的流域面源污染控制新方法。当前景观格局作用量化的研究相对较少, 格局分析及与过程耦合有待进一步发展。现有研究一是将静态的景观格局指数与水环境质量之间进行相关性分析[45], 再者是凭借经验或赋予权重贡献法确定不同景观类型对面源污染生态过程的作用[100]。由于景观格局指数生态学意义并不明确, 无法系统揭示面源污染物输移对景观格局变化的响应机制。流域景观格局与面源污染这一生态过程之间的关系十分复杂, 往往是非线性、耦合与反馈关系。因此, 景观过程与具体生态过程间的动态关系是未来研究的另一挑战, 还需更深入研究才能得出准确结论。

过程模型模拟是目前主要的研究方法, 库区基本上以引用国外模型为主, 主要是探讨国外模型适用性与参数获取, 对模型本身鲜有研究。模型校验方面多使用长江干流水文资料对影响径流、泥沙、营养盐(TN、TP)的敏感参数进行调整, 但忽略水电站对径流的调控作用和对泥沙沉积的影响, 导致率定的参数偏离研究区实际取值。Hong等[101]在目标流域选择典型小流域应用物理模型, 然后将在小流域获得的参数推广至整个流域, 以获得整个流域的面源污染负荷, 为大尺度的面源污染负荷估算提供了一种实用的方法, 但是选择的小流域必须具备充足的数据。由于缺乏模型运行和校正需要的数据和相关实验研究, 使得模型模拟结果得不到很好的校准与验证。因此, 未完全标定模型输出的分析, 是否有助于获得水文过程的关键信息是当前研究中要解决的关键技术问题。今后应系统分析引进模型不确定性, 明确相关模型在三峡库区建立及校验的主要缺陷, 借鉴国外模型理念, 立足于研发反映我国区域地理特征的面源污染负荷估算方法与机理预测模型。

与此同时, 对库区开展系统面源污染背景调查, 建设长期标准化面源污染监测系统是一个值得开展的研究方向, 尤其是建立以日为步长的重点支流及不同地理特征、不同土地利用模式小流域基础数据库具有重要意义。基础资料的完善不仅为模型的应用和提出提供数据支撑, 也为流域污染物排放总量控制、水环境承载力确定等方面的研究提供可靠数据源。此外, 完善相关数据共享机制, 提高监测数据使用效率也是推动区域面源污染研究的有效手段。

面源污染研究的最终目的是如何防治, 目前库区面源污染控制措施多集中于工程及技术措施, 而对土地合理规划利用、管理及政策措施所发挥的作用研究不足。综合防治方案以理论框架和建议为主, 缺乏实证研究及已有技术的集成与推广应用。对最佳管理措施(BMPs)的研究也比较欠缺, 已有研究也主要通过模型进行情景分析。现有面源污染防治技术仅关注源头减量或过程阻断, 缺少从生态系统的层面上进行调控, 忽略了生态系统自身的调控功能与机制, 制约着农业面源污染防控措施的有效实施[96]。杨林章研究团队在太湖地区面源污染研究中, 针对农业面源污染防治提出了“减源-拦截-修复”(3R)理论[102], 后对该理论进行了丰富和发展, 形成“源头减量-过程阻断-养分再利用-生态修复”(4R)理论, 提出了农业面源污染治理的总体思路、相关技术集成与工程化应用框架, 并在工程实践中取得了良好的效果[103], 对三峡库区的面源污染防治具有很好的借鉴意义。与其他生态系统类似, 农业生态系统也具有多种生态服务功能。可通过优化土地利用和管理模式, 施加局部关键措施控制等方法提高农业生态系统营养物质利用率, 减少水土流失和生活污水的产生, 力求养分在到达水体之前达到平衡。实质是增强多种生态系统服务的协同效应, 使面源污染物产量最小而提高生态和经济效益[104]。面源污染的防治是一个系统工程, 并不依赖于单一的技术措施, 需考虑全局性。今后应结合景观生态学原理与土地优化配置理论等相关理论, 采用“源头控制、过程阻断和末端削减”的整体思路, 统筹“山水林田湖草”系统治理, 农、林、水等综合措施紧密结合, 因地制宜研发生态系统、景观及流域尺度面源污染综合防控模式, 即整体景观优化调控, 局部关键措施控制和多重拦截与消纳模式和控制途径集成技术体系。

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A review of non-point source pollution in the Three Gorges Reservoir Area (TGRA)

LI Le, LIU Changfu*

Key Laboratory of Forest Ecology and Environment, National Forestry and Grassland Administration, Research Institute of Forest Ecology, Environment and Protection, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China

In order to clarify the problems and deficiencies of the tendency of research on non-point source pollution, the count and changing tendency of related literatures and contents of high-cited literatures were retrieved, classified and analyzed statistically in this paper based on the research results of non-point source pollution from 1990 to 2018 in the Three Gorges Reservoir Area (TGRA). The research progress of non-point source pollution in the TGRA was discussed from four aspects of the mechanism, influencing factors, load and model simulation and prevention to achieve better regional ecosystem management.Existing research on the mechanism of non-point source pollution was mainly from a single process and scale of rainfall runoff, soil erosion, different land uses and the loss characteristics of pollutants of sediment, N, and P, etc. under different management measures; further research will focus on the occurring process, diffusing pattern and its transforming mechanism of non-point source pollution under the background of severe fragmentized land use. On the influencing factors, more existing discussions were on land use without a clear influential mechanism of how the landscape pattern changes to generate non-point source pollution. In the load simulation, existing research was mainly on establishing the empirical model and discussing the applicability of foreign models in the reservoir area, few of them were on primary developments. In preventing non-point source pollution, existing research focused mainly on engineering and single technical measures, few of them were on the optimal management (BMPs) and on the comprehensive prevention and control technology of non-point source pollution in ecosystems, landscapes and watersheds. Research on non-point source pollution in the Three Gorges Reservoir area should be improved as follows: (1) the migration and transformation mechanism of the N and P and sediment under coupling action in different scales and patterns and the mechanism of their different pollutants transferring among the interface of different land surface patches; (2) the dynamic relationship between non-point source pollution and landscape process; (3) using foreign model ideas as a reference to develop a prediction model of non-point source pollution applicable for our regional geographical characteristics; (4) establishing a standard non-point source pollution monitoring system; (5) overall planning of systematic governance of ‘mountain, water, forest, land, lake and grass,’ and developing a comprehensive technical system of prevention and control of the area’s source pollution.

Three Gorges Reservoir Area (TGRA); non-point source pollution; model simulation; migration and transformation; control

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.02.026

X501

A

1008-8873(2020)02-215-12

2018-12-26;

2019-02-28

国家重点研发计划(2017YFC0505306)

李乐(1991—), 男, 甘肃酒泉人, 博士研究生, 主要从事面源污染及生态系统服务研究, E-mail: zglkylile@126.com

刘常富, 男, 博士, 教授, 主要从事森林生态学研究, E-mail: liucf898@163.com

李乐, 刘常富. 三峡库区面源污染研究进展[J]. 生态科学, 2020, 39(2): 215-226.

LI Le, LIU Changfu. A review of non-point source pollution in the Three Gorges Reservoir Area (TGRA)[J]. Ecological Science, 2020, 39(2): 215-226.