农业面源污染指标与地表水质量的相关性研究

2021-07-01孙池涛张敬敏

灌溉排水学报 2021年6期

高福，冯棣*，孙池涛，张敬敏

（1.山东省高校设施园艺重点实验室/潍坊科技学院，山东寿光 262700；2.山东农业大学水利土木工程学院，山东泰安 271018）

0 引言

【研究意义】改革开放以来，我国取得了举世瞩目的发展成就，然而伴随经济的快速发展，水体被污染的程度也在加剧，进而对生态环境、人类健康和社会的可持续发展造成了威胁。总结来看，污染源主要分为农业面源污染与点源污染2 类。相比之下，面源污染具有随机、多源、面广等特点，已经成为影响水体质量的主要因素[1]，控制农业面源污染也成为解决我国水环境和农村用水问题的关键[2-3]。【研究进展】为了掌握我国水质的变化趋势和污染因素，前人做了较多研究。高建东和冯棣[4]发现，近年来海河流域水质虽然有所改善，但大中型水库水质达标率较低，区域水质整体仍然较差。刘晓林等[5]发现自2012年开始实施最严格的水资源管理制度后，淮河流域河流水质显著改善。全国而言，1997—2017年河流水质有了明显的改善，其中Ⅰ-Ⅲ类水质占比增长较快[6]。王道芸研究发现，流域内污染物输出受多种影响，农田氮磷肥的施加强度直接影响到污染物的输出，随着化肥用量的增加，水质污染更加严重[7]。除化肥污染之外，畜禽养殖业污染物流失、土地利用类型的差异和灌溉方式的不同、居民生活污水的排放都是导致水质变化的因素[8-10]。陶园等[11]通过计算青海省当地污染源产污量与负荷量，指出青海省畜禽粪便对农业面源污染的贡献极大。在应用不同赋权方法在水质状况的研究中，程卫国等[12]发现超标倍数法和熵权计算过程存在一定的缺陷，虽然评价结果都能达到水质功能区的划分，但是变异系数法较其他两种赋权方式更为合理，但是在他的研究中并没有说明这种方法对我国整体水质的适应性。对比加拿大环境部长理事会水质指数（CCME WQI）、内梅罗指数和单因子指数3 种评价方式，杨婷婷[13]认为，污染物较少时，3 种评价结果基本一致，超标污染物较多时CCME WQI 在的评价中比其他2 种结果更为严格，因此水质评价结果更加合理，更加适合评价我国水质。【切入点】综上可见，目前关于水质评价的方法研究已经较为成熟，然而对我国近20 a 地表不同水体质量进行评价的研究鲜有报道，通过定量分析可以更加直接地反映水质变化趋势，相关研究有待开展。【拟解决的关键问题】此外，主要的农业面源污染物到底会影响到哪类水体质量，哪类污染物的影响较大？为回答以上问题，本研究拟开展农业面源污染物与地表水质量的相关性分析，旨在为改善地表水质量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本文中研究的水质数据来源于1999—2018年的《中国水资源公报》，调查的河流长度、湖泊数和水库数分别从1999年的11.4×104km、24 个、141 座增加到2018年的26.2×104km、124 个、1 129 座。化肥施用量和畜禽养殖业生产状况数据来源于1999—2018年的《中国统计年鉴》，参考齐星宇[14]给出的畜禽粪便排污系数与粪便流失率参数（表1），估算全国主要畜禽粪便的排放量以及污染指标的流失量。

1.2 研究方法

CCME WQI 是一种水质管理工具，能够较为直观地反映研究水体的水质状况[15-16]，其将水质分为极好、良好、中等、较差、极差5 个等级，对应值为94～100、79～94、64～79、44～64、0～44。中国根据《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）将水质等级划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和劣Ⅴ这6 类。杨婷婷等[13]将CCME WQI 评价与我国对水质的评价标准进行了对比，结果显示Ⅰ-Ⅲ类水质与CCME WQI 中的极好与良好相对应，Ⅴ类水质对应较差，劣Ⅴ类水质对应极差。据此，本文将Ⅰ-Ⅲ类对应其极好与良好区段，Ⅳ类对应中等，Ⅴ类对应较差，劣Ⅴ类对应极差，评分取区间均值分别为89.5、71.5、54、22。则各类地表水体水质的WQI值计算如式（1）所示：

式中：Pi代表第i类水质得分；Wi代表第i类水质所占权重（%）。

畜禽养殖业污染指标流失量计算方法如式（2）所示：

式中：TPLm代表m类污染指标（化学需氧量COD、总磷TP、氨态氮NH4+-N）流失总量（kg）；Xmj代表j种畜禽的m类污染指标的排放系数（kg·头-1·年-1）；Bj代表j种畜禽的养殖量（详见《中国统计年鉴》）；Lmj代表j种畜禽的m类污染指标的流失率（%），其中畜禽粪便排污系数与流失率数据如表1所示。

表1 畜禽粪便排放系数与流失率[14]Table 1 Discharge coefficient and loss rate of livestock manure[14]

2 结果与分析

2.1 1999—2018年农业主要面源污染指标排放

由表2 可以看出，1999—2018年我国化肥的施用量在2015年之前呈递增趋势，在2015年达到最大值60.23×109kg 之后开始逐年降低。与1999年相比，2018年的化肥施用量增长了37.1%。此外，根据表2 中COD、TP、NH4+-N 流失总量的计算结果可知，1999—2018年TPLCOD、TPLTP和TPLNH4+-N呈先上升后趋于平稳的趋势。与1999年相比，2018年的TPLCOD、TPLTP和TPLNH4+-N分别增加了21.1%、28.4%和15.6%。

表2 1999—2018年化肥施用量及畜禽养殖业污染指标流失状况Table 2 Fertilizer application and loss of pollution indicators in livestock and poultry breeding during 1999—2018

2.2 1999—2018年我国地表水体水质变化趋势

2.2.1 河流水质变化

图1 给出了1999—2018年全年期河流水质变化情况，由图1 可以看出，Ⅰ-Ⅲ类河流水质占比在1999—2009年处于小幅波动状态，之后逐年上升，2018年占比已经增至81.6%；Ⅳ-Ⅴ类河流水质占比在1999—2009年处于小幅波动状态，之后逐年下降，2018年占比已经减至12.9%；劣Ⅴ类河流水质占比呈现出先增高后降低的趋势，最大值21.8%出现在2006年，之后劣Ⅴ类水质占比逐渐减少，至2018年下降到5.5%。从近20 a 河流水质WQI得分可以看出，河流水质在1999—2006年呈下降趋势，之后明显改善，与1999年相比，2018年WQI得分增加了13.8%。

图1 1999—2018年河流水质等级占比情况及WQI 得分Fig.1 Proportion of river water quality grades and WQI score during 1999—2018

2.2.2 湖泊水质变化

图2 显示了我国1999—2018年的湖泊水质变化情况。从图2 可以看出，Ⅰ-Ⅲ类湖泊水质占比在1999—2011年间波动较大，整体呈升高趋势，2012—2018年之后占比较为稳定，但大幅低于之前平均水平；Ⅳ-Ⅴ类湖泊水质占比在1999—2010年波动较大，2011年之后占比呈上升趋势，2018年已经增长到了58.9%；劣Ⅴ类湖泊水质占比整体呈先升高后降低的趋势，最大值50%出现在2001—2003年，至2018年已经减至16.1%。从近20 a 湖泊水质WQI得分可以看出，湖泊水质在1999—2002年大幅降低，随后至2010年快速、大幅升高，之后到2012年又快速降低并保持在一个较为稳定的水平，与1999年相比，2018年WQI得分增加了6.5%。

图2 1999—2018年湖泊水质等级占比情况及WQI 得分Fig.2 Proportion of lake water quality grades and WQI score during 1999—2018

2.2.3 水库水质变化

1999—2018年水库水质变化情况如图3所示，由图3 可以看出，Ⅰ-Ⅲ类水库水质占比整体呈先减少后缓慢增长的趋势，最小值74.4%出现在2003年，至2018年已增至87.3%；Ⅳ-Ⅴ类水库水质占比为[8.7%，21.4%]，处于小幅度波动状态，至2018年为10.1%；劣Ⅴ类水质水库占比整体较为稳定且处于较低水平，至2018年已经减至2.6%。从近20 a 水库水质WQI得分可以看出，1999—2003年水库水质呈下降趋势，之后在波动中缓慢升高，2016—2018 处于高稳状态，与1999年相比，2018年WQI得分增加了2.4%。

图3 1999—2018年水库水质等级占比情况及WQI 得分Fig.3 Proportion of water quality grades of reservoirs and WQI score during 1999—2018

2.3 农业主要面源污染与地表水质相关关系分析

通过拟合近20 a 主要农业面源污染指标产生量相对值（与1999年的比值）与WQI得分的相关关系（表3），可以看出化肥施用量以及畜禽养殖业COD、TP 和NH4+-N的产生量与各类地表水WQI得分之间存在显著或极显著的正相关关系。从拟合方程斜率来看，按对地表水WQI得分贡献大小排序均为NH4+-N＞COD＞TP＞化肥的施用。

表3 1999—2018年主要农业污染指标与WQI 得分的拟合情况Table 3 Correlation analysis between main agricultural pollution indicators and WQI score during 1999—2018

3 讨论

根据2017年农业农村部公布的数据显示，我国化肥施用量为328.5 kg/hm2，远高于120 kg/hm2的世界平均水平。此外自2013年开始我国的肥料利用率逐年增长，2019年已增至39.2%，但是与发达国家的50%～60%相比，仍有较大差距。据全国第一次污染源普查公报显示，种植业总氮流失量高达1.6×107kg，其中地表径流流失量占20%，大量的营养物质随着降水及灌溉排水方式进入地表水[17-19]，从而导致水体中营养含盐量增加，助长了面源污染的扩散。前文中通过拟合发现，化肥施用量以及畜禽养殖业COD、TP和NH4+-N产生量分别与各类地表水WQI得分之间存在显著的正相关关系，说明以上指标不能正确反映主要面源污染物排放对地表水质的影响，因此，本文又引入了畜禽养殖业废物利用率指标加以分析。根据前瞻经济学人的统计数据显示[20]，我国在2010—2017年的主要畜禽养殖业废物利用率分别为37%、38%、40%、43%、46%、50%、54%、60%，据此计算出主要畜禽养殖业产污的具体流失量，并将其相对值与我国地表水体的WQI评分进行拟合，结果如表4所示。由表4 可以看出，河流WQI分值与TPLCOD、TPLTP和TPLNH4+-N的拟合方程相关系数R值均达到了显著或极显著水平，且河流水质与污染指标的利用状况呈现负相关的关系，即随着畜禽养殖业废弃物的减少河流水质逐步改善。从拟合方程的斜率可以看出，TP对河流WQI的影响最大，其次是NH4+-N，COD 影响最小。然而，湖泊和水库WQI分值却与畜禽养殖废弃物流失之间无显著相关关系，因此导致湖泊和水库水质变化的关键诱因有待进一步研究。相同的原理，化肥施用量与各类地表水WQI值之所以存在正相关关系可能主要是由肥料利用率不断提高后养分流失量减少导致的，但因缺乏长系列数据支撑，有待验证。

表4 2010—2017年畜禽养殖业污染指标未利用量与WQI 拟合情况Table 4 Correlation analysis between unused pollution indicators and WQI score during 2010—2017

随着点源污染得到有效控制，面源污染已经成为地表水和地下水污染的主要来源，在污染物的流失过程研究中发现，降雨径流是面源污染的主要原因[21]。在黄河流域小清河段水质研究中，李硕等[22]认为在降雨的驱动之下，7—9月氮、磷的输出量占据全年的50%以上，其中林地和耕地是氮、磷流失最严重的地区。珠江流域由于年降水量的不均引起河流径流的变化，其污染负荷也随径流量增大而增加，主要污染类型是氮磷营养盐、耗氧有机物[23]。丹江口水库流域范围内，大量氮磷化合物随水土流失进入水体造成严重的农业面源污染[24]。在不同的流域范围内，降雨造成的流量增加，能够直接影响养分浓度[25]，流量大小直接影响到流域内污染物流失量[26]与水质指标[27]，反映出降雨对区域内农业面源污染的驱动作用。

在我国不同的流域内，影响水质的主要污染物质存在相通性。大连市登沙河流域内，禽畜养殖和农业耕作业是研究区NH4+-N、和TP 污染的主要来源，随着降水和人类活动，呈现年际内变化[28]。在汉江流域内，TP、TN 污染负荷贡献率最大的污染源分别是禽畜养殖和农用化肥，二者的污染负荷在空间分布上有很强的一致性[1]。在对河南省的面源污染研究中刘增进等[29]指出，农业面源污染TN的主要污染源是耕地，TP 的主要污染源是畜禽养殖，并且各地市之间的差异性较小。沱江作为长江上游主要的支流，流域内污染物主要来自种植业、禽畜养殖业和农村生活排放，其中禽畜养殖业的污染最大，主要污染指标的影响力表现为COD＞TN＞TP[30]；蔡金洲[31]认为湖北省三峡库区内主要的污染源主要来自种植业和禽畜养殖业，农村生活污染在调查中仅占7.99%，研究区域内主要的污染指标是COD、TN、TP；其中种植业是氮、磷污染的主要来源，COD 主要来源于禽畜养殖业。综上可见，在不同流域内农业面源污染的主要影响指标为COD、TN、TP，且主要来源于种植业和禽畜养殖业。其中大部分地区磷污染源主要来自禽畜养殖业。

近年来，除上述几种主要污染物之外，兽用抗生素、兽药残留等，对水质的污染也引起了人们的重视。Zhou 等[32]对养猪场饲料、粪便、冲刷废水以及环境中暴露的抗菌药进行检测，共检测出28 种常用抗菌药。残留在粪便中的兽药经过吸附、降解、地表径流以及淋溶等方式污染地表水和地下水[33]，但是大多数兽药的移动性差，通常会保留在表层土壤中，破坏土壤生态结构影响植物生长[34-35]。由此可见，在养殖业发达的地区做水质调查的时候，兽药残留和抗生素对水质的影响同样需要得到重视。

鉴于本文研究结果及我国农业发展现状，为进一步改善我国地表水质，在严格控制点源污染的基础之上，提出以下建议：加强节水灌溉硬件及管理能力建设，提高用水效率，降低灌溉水深层渗漏量；改善植被条件，增加土壤库容，减少由降雨和灌溉导致的地表水土流失造成的养分流失；改变以往的施肥方式，采用配方施肥等先进的施肥技术提高肥料利用率，减少化学肥料的投入；进一步提高畜禽养殖业污染物的利用率，减少面源污染的产生途径；建立生态缓冲系统，将城市以及农业农村污水处理达标后再放，减轻生态净化压力；完善流域水质监测网络的构建，逐步实现全时、全域的覆盖，精准识别污染源。