三峡库区兰陵溪小流域农业面源污染排放特征解析*

2021-06-01胡文杰王晓荣唐万鹏崔鸿侠

环境污染与防治 2021年5期

胡文杰王晓荣# 付甜唐万鹏崔鸿侠潘磊徐燕

(1.湖北省林业科学研究院，湖北武汉 430075；2.秭归县林业科学技术推广中心，湖北宜昌 443600)

近年来，面源污染引起的环境问题日渐突出[1]，给土壤、大气及水体环境带来了明显的负面影响[2-3]，已成为当前主要的环境问题之一。在不同类型的面源污染中，农业面源污染物排放量最大，是最主要的贡献者[4]。受污染物的迁移、环境条件、地形条件、土地利用方式等多重因素的影响，农业面源污染的定量评价存在一定难度[5]，因此，分析评价农业面源污染特征，解析主要污染源对面源污染防治并提升环境质量具有重要意义。当前，农业面源污染物排放量的计算方法有多种[6-8]，其中，排污系数法所需参数较少，具有较强的操作性和实用性。

围绕三峡库区严重的面源污染问题，较多学者已从面源污染变化量、污染源划分、农村生活污水等方面开展了大量研究[9-13]，但这些研究区域大多集中在三峡库区重庆段，针对小流域的研究较少，导致目前对三峡库区湖北段小流域面源污染特征了解不足。有研究表明，小流域水体污染是造成农业面源污染的主要原因之一[14]。兰陵溪小流域位于宜昌市秭归县，紧邻长江干流，人为活动频繁，小流域水体水环境质量为《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)的Ⅴ类水平[15]，对长江干流的水体质量安全产生了严重威胁。本研究基于面源污染调查估算兰陵溪小流域农业面源污染负荷，并对主要污染源和污染物进行划分，为该区域面源污染治理防护提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于湖北省秭归县茅坪镇兰陵溪小流域(30°51′21″～30°51′34″ N，110°53′27″～110°54′50″ E)，面积约144.4 hm2，气候属亚热带大陆性季风气候，年均气温18 ℃，年均空气相对湿度77%，无霜期307 d，年均日照时数1 624.8 h，年均降雨量991.90 mm，其中5—9月降雨量占全年总降雨量的70%。兰陵溪小流域地形西高东低，最高海拔2 056 m，最低海拔40 m。研究区用地类型多样，以园地和耕地为主，多种植茶叶、柑橘等经济作物，少量耕地零星种植花生、玉米、红薯等，研究区人为活动较为活跃。三峡大坝位于秭归县，兰陵溪小流域紧邻长江干流，流域内有若干小河道，以前常有居民在江边围网养鱼或用网箱养鱼，近年来，由于保护环境的需要，尤其是提倡长江大保护以来，流域内已没有养鱼现象存在。

1.2 面源污染入户调查

2019年4—5月，本课题组以2018年为基准年开展面源污染调查工作，调查以户为单位进行，分别调查种植业源、畜禽养殖业源、农村生活源。共抽样调查50户，户数抽样比例为总户数的10.63%，调查点分布情况见图1。种植业源调查的内容主要包括耕作的基本情况、地形条件、肥料使用情况等，耕作的主要类型有茶园、果园、茶-果间作、农田等4种，果园以柑橘园为主。结合《秭归县茅坪镇2019年农业年报》相关统计数据，对兰陵溪小流域内所涉及到的农户数量、人口数量、畜禽养殖种类及其出栏量和存栏量、饲养周期、粪便清理方式等进行调查。农村生活源主要调查农户的用水方式、生活污水及生活垃圾处理方式、基础设施的普及率等。由于研究区已无水产养殖等现象存在，因此本研究不考虑水产养殖业源造成的面源污染。

图1 面源污染调查点分布Fig.1 Distribution of non-point source pollution survey sites

1.3 土地利用类型获取

2019年5月，利用无人机对兰陵溪小流域的土地利用类型进行获取，精度为0.2 m。利用ArcGIS软件对影像进行校正、配准和解译，参照《土地利用现状分类标准》(GB/T 21010—2007)并结合土地利用实际情况，按照林地、农田、果园、茶园、茶-果间作、道路、建设用地、水域等进行土地利用类型划分，其中林地占流域总面积的29.82%、茶-果间作占21.15%、茶园占12.64%、果园占5.43%、农田占3.79%、水域占19.22%、建设用地占5.76%、道路占2.20%。

1.4 污染物排放量计算方法

本研究利用排污系数法估算流域内各污染源的排污量，构建兰陵溪小流域的排污清单。参照全国污染源普查资料，将调查结果与对应的耕地面积或总户数对应汇总，估算不同污染源排放量。

1.4.1 种植业源计算

利用肥料施用量与肥料流失系数的乘积计算得到化肥污染物排放量。根据《全国农田面源污染排放系数手册》，茶园、果园、茶-果间作3种耕作类型的TN、TP流失系数为0.174、0.072，农田的TN、TP流失系数为0.528和0.188，分别统计茶园、果园、茶-果间作、农田4种耕作类型TN、TP排放量。

1.4.2 畜禽养殖业源计算

根据《第一次全国污染源普查畜禽养殖业产排污系数与排污系数手册》，畜禽养殖排污量可由畜禽年末存(出)栏数乘以排污系数计算，该手册给定的排污系数是基于畜禽养殖场、畜禽养殖小区和畜禽养殖专业户等3种养殖单元。其中，养殖专业户的规模要求为：生猪年出栏量≥50头、役用牛年出栏量≥10头、蛋鸡年存栏量≥500羽。在本研究区域内，畜禽养殖大多不能达到上述最小养殖规模，视为以散养为主。因此，研究区域内的畜禽养殖污染物排放量计算不宜直接按照《第一次全国污染源普查畜禽养殖业产排污系数与排污系数手册》中给定的参数进行。参考文献[16]计算畜禽养殖排污量，计算式分别见式(1)至式(3)。

畜禽养殖排污量=畜禽养殖产污量×排污系数

(1)

畜禽养殖产污量=畜禽饲养量×
畜禽饲养周期×产污系数

(2)

排污系数=(1-粪尿处理率)×(1-粪尿利用率)+
粪尿还田率×还田流失系数

(3)

以《第一次全国污染源普查畜禽养殖业产排污系数与排污系数手册》给出的产污系数为基础，参照朱建春等[17]的方法对不同畜禽的产污系数进行调整。其中生猪产污系数以1/3保育期+2/3育肥期计；蛋鸡产污系数以产蛋期计；役用牛产污系数以育肥牛期计。根据不同畜禽粪尿产量及其COD、TN、TP含量，计算得到生猪COD、TN、TP产污系数分别为302.24、36.51、4.84 g/d；蛋鸡COD、TN、TP产污系数分别为20.50、1.16、0.23 g/d；役用牛COD、TN、TP产污系数分别为3 324.53、139.76、25.99 g/d。畜禽饲养量由调查统计所得，生猪以出栏量计，蛋鸡和役用牛以存栏量计[18]。参考耿维等[19]研究，生猪饲养周期以199 d计，蛋鸡和役用牛饲养周期均以365 d计。

据调查，散户养殖的畜禽粪尿未经处理直接还田，因此假定粪尿处理率为0，且粪尿还田率等于粪尿利用率。粪尿还田率根据刘晓永等[20]对长江中下游不同畜禽的研究，生猪、蛋鸡和役用牛的粪尿还田率分别取63.34%、61.04%、57.47%，粪尿还田COD、TN、TP流失系数取20%、15%、5%[21]。

1.4.3 农村生活源计算

农村生活源污染物排放量从生活污水、生活垃圾两个口径进行统计[22]。据调查，兰陵溪小流域的生活垃圾基本丢弃至垃圾桶，由拖车定期运走后集中处理，垃圾桶普及率为97.96%，由此计算得到的生活垃圾污染物排放量非常小，在统计时将其忽略不计，仅统计生活污水的污染物排放量。生活污水污染物排放量计算见式(4)：

污染物排放量=流域人口数量×污染物排放系数

(4)

根据《第一次全国污染源普查城镇生活源产排污系数手册》，生活污水的COD排放系数为74 g/(人·d)，TN排放系数为11.8 g/(人·d)，TP排放系数为0.84 g/(人·d)。

1.5 等标负荷评价

本研究采用等标负荷法从水质功能角度评价面源污染的威胁，为对污染源和污染物进行综合分析，污染物等标排放量计算见式(5)[23]：

Pi=Qi/c0i

(5)

式中：Pi为污染物i的等标排放量，m3/a；Qi为污染物i的排放量，t/a；c0i为污染物i基于水环境功能分区的水质控制标准值，mg/L。

2 结果与分析

2.1 农业面源污染物排放量

2.1.1 种植业源

根据种植业源污染调查，兰陵溪小流域氮肥(以N计，下同)、磷肥(以P2O5计，下同)的单位面积施肥量为501.29、266.41 kg/hm2，总施肥量为491.04、120.42 t/a，根据肥料流失系数计算得到种植业源TN、TP排放量分别为89.77、9.05 t/a。分别统计茶园、果园、茶-果间作及农田等不同耕作类型的污染物排放量，结果见表1。可以看出，不同耕作类型的污染物排放量存在较大差异，茶-果间作的TN、TP排放量在不同耕作类型中均为最大，其次为茶园>果园>农田。茶-果间作的TN、TP排放量分别为50.23、4.96 t/a，分别占种植业源TN、TP总排放量的55.95%、54.81%，这反映出茶-果间作施肥量较多，导致污染物排放量较大。

表1 不同耕作类型污染物排放量

2.1.2 畜禽养殖业源

兰陵溪小流域饲养的畜禽主要为生猪、役用牛、蛋鸡，其粪尿产生量分别224.02、947.99、172.27 t/a，排放的主要污染物为COD、TN和TP。不同畜禽污染物排放量均表现为COD>TN>TP，其中役用牛的COD、TN、TP排放量均为最高，分别为61.26、2.45、0.40 t/a，其3种污染物排放总量为生猪的6.41倍，为蛋鸡的4.03倍。蛋鸡的COD、TP排放量高于生猪，但TN排放量小于生猪。

表2 畜禽养殖业源污染物排放量

2.1.3 农村生活源

根据《秭归县茅坪镇2019年农业年报》统计数据，兰陵溪小流域内人口数量为1 223人，由式(4)计算得到兰陵溪小流域农村生活源COD、TN、TP排放量分别为33.03、5.27、0.37 t/a。

2.2 农业面源污染特征

根据不同面源污染数据的统计计算，兰陵溪小流域不同污染物排放量见图2。COD、TN、TP排放总量分别为118.64、99.30、10.08 t/a。COD的主要排放来源为畜禽养殖业，占COD总排放量的72.16%，TN、TP主要排放来源为种植业源，分别占总排放量的90.40%、89.78%。

图2 不同农业面源的污染物排放量Fig.2 Pollutant emission quantity of different agricultural non-point source

2.3 农业面源污染等标排放特征

为了在同一尺度下比较不同污染源、污染物对环境的污染能力，采用等标排放量对兰陵溪小流域的农业面源污染情况进行评价。从表3可以看出，不同污染物的总等标排放量为77.83 m3/a，表现为TN(49.65 m3/a)>TP(25.21 m3/a)>COD(2.97 m3/a)。种植业源的污染物等标排放量为67.51 m3/a，是TN、TP的主要排放源，TN、TP等标排放量分别为44.89、22.62 m3/a，对TN、TP排放的等标负荷比分别为90.41%、89.73%。畜禽养殖业源的污染物等标排放量(5.92 m3/a)与农村生活源(4.40 m3/a)比较接近，畜禽养殖业源的COD、TP等标排放量高于农村生活源，TN等标排放量则相对较小，这与畜禽养殖的结构、农村基础设施建设情况等因素有关。畜禽养殖业源的COD等标负荷比为72.16%，是COD的主要排放源。

表3 不同污染源污染物等标排放量及其贡献率

区分农业面源的主要污染源和污染物可为实施针对性的防治措施提供依据。从污染源看，种植业源、畜禽养殖业源和农村生活源的等标负荷比为86.74%、7.61%和5.65%，种植业源是兰陵溪小流域的主要污染源。从污染物看，TN、TP、COD的等标负荷比为63.79%、32.39%和3.82%，TN是兰陵溪小流域的主要污染物。

3 讨论

面源污染过程相对缓慢，具有污染源分散、污染物结构复杂等特点。在较大尺度上对面源污染的特征进行研究可以获取污染的总体情况并掌握重点污染区域，而从小尺度上对面源污染特征进行研究则可为实施针对性较强的防护措施提供参考依据，并对区域性污染现状作出解释，对小流域的面源污染研究及评价已成为治理农业面源污染的重点工作之一[24]。

根据本次调研结果，兰陵溪小流域氮肥、磷肥施肥量总计767.70 kg/hm2，远高于全国平均水平，且超过美国平均使用量的708.21%，超过国际上规定化肥安全使用上限的341.20%[25-26]。这与当地的生产经营水平及科学施肥的普及率不高有关。黄丽等[27]对三峡库区1996—2003年19县市面源污染的研究表明，三峡库区的单位面积平均施肥量以53.40%的速度增长，2003年库区施肥量达560.30 kg/hm2，到2007年库区4县市的施肥量为687.56 kg/hm2(氮肥485.80 kg/hm2，磷肥201.76 kg/hm2)，增长率22.71%，较1996—2003年肥料使用增长率大大减小，这一方面可能是因为面源污染防控措施的实施造成，另一方面可能由于统计的区域数量不同，不同县市肥料使用情况不均衡导致结果存在差异。兰陵溪小流域氮肥、磷肥施肥量偏高，据调查，该流域部分农户在合理施肥方面存在较大问题，较多农户参考其他农户的方案进行施肥，没有根据自身种植的作物类型或种植面积合理调整；此外，农户多盲目认为施肥越多，作物产量越高，导致单位面积施肥量逐渐增加。这些情况应在实施面源污染防护措施时引起注意。

由于面源污染的复杂性，不同区域的主要污染源和污染物可能会存在差异。太湖流域、滇池流域、沱江流域、洋河流域的主要污染源为畜禽养殖业源[28]，有的地区则为种植业源、水产养殖业源等[29-30]，可见由于不同区域的生产生活方式、土地利用方式等存在差异，导致面源污染的主要类型与主要污染物有所不同[31]。在本研究中，种植业源是兰陵溪小流域的主要污染源，其次是畜禽养殖业源、农村生活源；TN是兰陵溪小流域的主要污染物，其次是TP、COD。据调查，兰陵溪小流域居民多以种植茶叶、柑橘为主要经济来源，其耕作面积较大，且施肥量较多，而畜禽养殖没有专业的养殖场，均为散养，且数量不多，最终使种植业源的贡献比例偏大，畜禽养殖业源较小。TN、TP的主要来源为种植业源，与杨志敏等[32]的研究结果相同。

在兰陵溪小流域，农村生活源的污染物等标负荷比仅为5.65%，占比最小，这可能是由于生活垃圾被集中处理，其排污量未统计到农村生活源中有关。实际上，兰陵溪小流域的沼气池普及率达到85.71%，但由于沼渣处理比较繁琐等原因，沼气池目前未能有效利用，而是作为蓄粪池最终返回田间，若这些沼气池能够充分利用起来，则可进一步降低农村生活源的污染物排放量。

目前，此区域农业种植管理水平相对粗放，为了追求更大的经济效益，农户普遍存在不合理不科学的施肥结构以及施肥方法，致使土壤中氮磷含量大量盈余，在当地特殊的雨热条件下极易导致面源污染的产生[33]。因此，为了在有效提高农业经济产值的同时降低面源污染，后期应该改善和提升种植业生产方式，综合应用坡改梯、构建植物篱、生草覆盖等技术以控制水土流失和降低养分流失[34-35]，同时要改变施肥观念，采用水肥一体化、平衡施肥技术[36]，并降低化肥使用量而增加有机肥使用比例，进而达到控制面源污染水平和风险的目的。