典型农业小流域面源污染源解析与控制策略<br/>——以丹江口水源涵养区为例

典型农业小流域面源污染源解析与控制策略
——以丹江口水源涵养区为例

2021-10-21龚世飞丁武汉居学海肖能武叶青松黄进李虎

中国农业科学 2021年18期

龚世飞，丁武汉，居学海，肖能武✉，叶青松，黄进，李虎✉

1丹江口库区十堰生态农业研究院，湖北十堰 442000；2中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；3农业农村部农业生态与资源保护总站，北京 100125

0 引言

【研究意义】农业面源污染是指在农业生产过程中，农化投入品、畜禽养殖粪便及其他污染物质，以溶解态或固态形式，在降雨和地表径流及地下渗漏作用下，从非特定区域进入受纳水体，引起水功能弱化的过程[1-2]。与点源污染相比，面源污染因其具有来源广泛、难以监测、随机性强等特点，难以精准有效控制。据 2019年中国水资源公报显示，参与评价的107个湖泊（水库）中，有28%的水库处于富营养化状态[3]，其中，农业面源污染已经成为水环境质量恶化和湖泊富营养化的重要原因。研究指出，我国农业整体面源污染程度还会进一步加剧[4]，如果不加大治理力度，农业面源污染排放的分散化趋势将给我国带来更为严峻的减排压力[5]，且随着监测和统计口径的不断完善，未来农业面源污染排放的绝对数和占比均可能上升，对环境质量的影响也将更加明显[6]。开展面源污染源解析是面源污染治理的重要基础，通过对特定环境中的污染物进行解析，可以确定水体污染物的来源并定量分析其污染负荷的相对贡献量，从而有针对性地提出对策措施。丹江口库区是南水北调中线工程的核心水源区，也是国家级生态示范区和鄂西北国家重点生态功能保障区，保持库区水质长期稳定对支撑受水区社会经济发展意义重大。国务院2017年批准的《丹江口库区及上游水污染防治和水土保持“十三五”规划》（以下简称《规划》）目标是库区水质长期稳定达到国家地表水环境质量标准（GB3838—2002）Ⅱ类水标准。但已有的研究结果表明[7]，库区总氮（TN）平均质量浓度已超过Ⅳ类水标准，而总磷（TP）平均质量浓度同样接近Ⅱ类水标准，因此，降低库区农业面源污染对保障水源区水质安全意义重大[8]。【前人研究进展】前人关于丹江口库区农业面源污染的研究主要集中在氮磷污染物污染负荷估算[9-10]、时空分布特征研究及环境风险评价[11-12]等方面，这些工作从较大尺度上对库区面源污染特征进行了解析。目前，国内外较为成熟的面源污染源解析方法主要包括输出系数法[11,13]、监测法[14]、排污系数法[15-16]以及模型法[17]等。输出系数法由于所需参数较少，计算方法简便，且能较好反映地区面源污染原始特征，比较适合在水文数据长期缺乏的情况下使用，因此被国内学者广泛采用。卢少勇等[18]利用输出系数法对洞庭湖农业面源污染源和特征进行了解析；王国重等[9]在丹江口水库的研究证实，利用分形理论和输出系数法均能反映出农业面源污染物源的基本特征；彭兆弟等[19]在利用输出系数法的基础上，结合极值标准化法和均方差赋权法，对太湖流域跨界区农业面源污染强度进行了评价。这些研究说明了输出系数法在农业面源污染核算中的广适性和可靠性。在污染负荷评价中，等标污染负荷法可以根据不同研究区的水质分区标准，实现不同污染源中多个污染物在同一尺度上的比较分析，是当前学界应用较为普遍的污染负荷评价方法[20]。【本研究切入点】小流域作为农业面源污染的基本输出单元，是特定流域农业面源污染评价和综合治理的基础[21-23]。关于丹江口库区小流域农业面源污染的研究则多是从污染物流失的时空分异性[7]、农田养分径流特征[24-25]角度进行描述，对典型农业小流域面源污染源调查和解析仍不足，以致影响了库区农业面源污染防控措施的制定和实施效果。【拟解决的关键问题】基于此，本文对丹江口库区典型农业小流域——谭家湾小流域农业面源污染现状进行了调查与分析，应用输出系数法和等标污染负荷法核算了不同农业源的污染负荷，进一步解析了面源污染源的结构并提出了针对性的减排策略，以期为丹江口库区农业面源污染综合治理及促进农业绿色发展提供科学依据。

1 调查与分析方法

1.1 调查方法

为明确丹江口库区农业面源污染来源构成，以谭家湾流域五道岭村和圩坪寺村为研究对象，结合生产生活实际，设计农户调查表，分别调查2015年和2020年流域内种植、养殖及生活源废弃物产生情况。主要调查内容包括：人员结构、土地耕种面积及利用方式、采取的种植制度、施肥措施及水平、畜禽养殖种类及规模、生活垃圾构成及处理方式等。通过整理逐户调查所得数据，结合现有统计资料，对流域农业面源污染现状进行量化评价。

1.2 分析方法

1.2.1 污染负荷估算方法本研究根据谭家湾流域农业资源利用和分布特征，采用Johns输出系数法计算农业面源污染负荷总量。输出系数模型[26]计算公式如下：

式中，Ti为污染物 i的负荷总量（kg）；Eij为第j种土地利用方式下第i种污染物的输出系数（kg·hm-2）或第 j种畜禽养殖伴随的第 i种污染物输出系数（kg·a-1）或人口输出系数（kg·a-1），Aj为研究区中第j种土地利用类型的面积（hm2）或第j种畜禽类型的养殖规模（头/只）或人口数量（人）。

基于对流域农业生活现状的分类调查结果，2020年生活源污染负荷计算方法参照《第二次全国污染源普查——生活污染源产排污系数手册》[27]中五区三类参数得出。由于谭家湾流域居民生活污水均未经处理，直接排入周边环境，因此该流域居民生活水污染物产生量计算公式可演化为：

式中，WPO为行政村居民生活用水污染物年产生量（m3·a-1）；k为每户平均人口（人/户）；m1为有水冲式厕所的居民户数（户）；m2为无水冲式厕所的居民户数（户）；Fc为有水冲式厕所的居民生活每人某种水污染物产生系数（L·d-1）；Fd为无水冲式厕所的居民生活每人某种水污染物产生系数（L·d-1）。

1.2.2 污染负荷评价方法引用等标污染负荷法，在同一尺度上对不同污染源和污染物产生的环境负荷强度进行综合评价，识别流域主要污染来源和主导污染因子。本研究主要考虑总氮（TN）、总磷（TP）和化学需氧量（COD）3个污染评价因子。等标污染负荷为单位时间内某污染物的产生量与环境限量标准的比值，计算公式如下[28-29]：

式中，Pij为第j个污染源的第i个污染物流失量等标污染负荷（m3·a-1）；Mij为第j个污染源的第i个污染物流失量（t·a-1）；Coj为基于水环境功能分区的第 i个污染物限量标准（mg·L-1）；Pj为第j个污染源的等标污染负荷总量（m3·a-1）；Kij为第j个污染源的第i个污染物等标污染负荷比。

根据《规划》目标，丹江口库区水质管理标准采用《地表水环境质量标准（GB3838—2002）》Ⅱ类水质指标下限值，因此TN、TP和COD分别取0.5、0.1和 15 mg·L-1进行核算。

1.2.3 畜禽养殖源环境风险评价方法本研究引入畜禽粪便耕地负荷量和警报值，用以评价畜禽养殖粪便对环境造成的风险等级。具体数据来源和计算过程如下[30-33]：

式中，q为以猪当量计的畜禽粪便耕地负荷量（t·hm-2·a-1）；Q 为各类畜禽粪便猪粪当量（t·a-1）；S 为有效耕地面积（hm2）；Xi为各类畜禽粪便量（t·a-1）；Ti为以猪粪氮含量为基准的各类畜禽粪便猪当量转换系数；r为畜禽粪便耕地负荷警报值；p为单位土地有机肥最大理论适宜施用量（30 t·hm-2·a-1）。

为进一步明确基于环境负荷管理角度的流域养殖业总量控制水平，以猪当量表示畜禽养殖量，将不同畜禽排泄物N、P产生量换算为猪当量，以农田N、P承载力计算畜禽养殖环境容量，公式如下[33]：

式中，TN/P为耕地N（P）环境容量（×104t）；A为有效耕地面积（×104hm2）；CN/P为单位土地粪肥年施 N（P）限量标准：CN=170 kg·hm-2，CP=35 kg·hm-2[34]；PN为畜禽养殖环境容量（万头猪当量）；r为单头猪粪便N（P）年产生量（t）；RN为畜禽养殖实际数量（万头猪当量）；TN(P)i为第i种畜禽粪便N（P）年产生量。

1.2.4 输出系数的取值农业面源污染的输出系数因种植、养殖管理方式和农村生活方式的不同而有所差异。调查得知，2015年以来，流域内种养方式和生活习惯均发生了明显变化，主要体现在养殖方式由水冲清粪向干清粪或垫草垫料转变、作物种植对化肥农药的依赖大幅降低、生活排污渠道也更加多元化。因此，本研究在综合考虑谭家湾流域不同年度农业生产生活方式的基础上，借鉴前人研究结果和流域实测值，根据不同污染管控措施，确定各污染物输出系数。种植业源输出系数来源于许策等[28]和实地测算，土地利用方式主要考虑旱地、林地和园地。养殖业面源污染输出系数根据养殖方式的不同，参照国家环保总局推荐的排泄系数[30]、《第一次全国污染源普查——畜禽养殖业源产排污系数手册》[35]和相关资料[11,18,36]予以确定，畜禽养殖源输出系数取各自排泄系数的 10%[26,36]，养殖类型主要包括猪、牛、羊和家禽，养殖周期为猪300 d、牛365 d、羊365 d、家禽365 d；人居生活面源污染输出系数来源于前人研究结果[32]和《第二次全国污染源普查——生活污染源产排污系数手册》[27]。具体输出系数取值见表1。

表1 各类污染物输出系数Table 1 Output coefficients of various pollutants

2 结果

2.1 流域农业生产与面源污染现状

通过对农户调查表进行汇总，梳理出流域内两个行政村的农业生产现状，考虑到流域内种养规模和人居规模年际间变化较小，本文以2020年数据为基准，具体如表2所示。流域内共有居民821户，常住人口1 264人。圩坪寺村畜禽存栏量较大，生猪养殖规模达到8 231头，其他畜禽种类主要由农户散养。流域内土地利用方式以林地为主，总面积达1 884.67 hm2，占流域耕地总面积的86.07%；受灌溉条件限制，粮食生产以旱作为主，总面积为247.78 hm2；具备一定灌溉条件的园地总面积为57.34 hm2，且以五道岭村为主。调查得知，流域内当前尚在耕种的土地面积为795.86 hm2，其中周年种植粮食作物和蔬菜作物的有效农田面积为107.4 hm2。

表2 流域农业生产现状Table 2 Current situation of agricultural production in small watershed

以污染物原位发生量为基准，分析谭家湾小流域农业面源污染贡献见表 3。流域内农村生活源、养殖业源和种植业源TN的贡献量分别为0.24、2.83和2.49 t，TP的贡献量分别为0.05、0.55和0.26 t，COD的贡献量分别为3.42、9.97和7.98 t。其中，畜禽养殖源的贡献率最为突出。牛、羊采取垫草垫料养殖方式后，实现了污染物的零输出，家禽在采取干清粪养殖方式后，其污染强度也得到有效控制，而生猪在采取干清粪养殖方式后，虽然其污染输出系数也明显降低，但由于养殖规模基数较大，TN、TP和 COD输出量分别占到流域负荷总量的50.55%、59.53%和43.43%。土地利用是流域第二大污染源，占流域TN、TP和COD负荷总量的比例分别为 44.74%、30.35%和 37.35%，其中以旱地和林地贡献最大。农村生活对流域面源污染的贡献率相对较小。

表3 流域农业面源污染物负荷贡献Table 3 Output contribution of pollutants from non-point agricultural sources in the watershed

2.2 面源污染物的动态变化特征

谭家湾流域不同年份农业面源污染的负荷总量如表4所示。流域污染物绝对产生量以COD最多，TN次之，TP最少。2015年流域各类污染物负荷总量为162.32 t，其中 TN、TP和 COD的负荷总量分别为18.12、1.67 和142.53 t；2020年污染物负荷总量为27.79 t，其中TN、TP和COD的负荷总量分别为5.56、0.86和 21.37 t，较 2015年依次减少了 12.56、0.81和121.16 t，降幅分别为69.32%、48.50%和85.01%。总体来看，随着畜禽粪污处理方式的转变、绿色高效种植技术的推广应用以及农村生活排污行为的转变，流域内农业面源污染强度明显降低，2020年的负荷总量较 2015年减少 134.53 t，降幅高达 82.88%，3种污染物中尤以COD的减排幅度最大，占减排总量的90.06%。

表4 流域农业面源污染物负荷总量Table 4 Output load of agricultural non-point source pollutants

2.3 流域农业面源污染等标负荷及动态变化

利用 2020年估算所得数据，分析当前流域农业面源污染等标负荷空间分布及来源贡献，结果如表5所示。TN是流域的首要污染物，等标污染负荷为 11.12 m3·a-1，占总负荷的 52.6%，其次为 TP（8.60 m3·a-1），占总负荷的40.7%，COD的等标污染负荷最小（1.42 m3·a-1），仅占总负荷的 6.7%。其中，不同污染源等标负荷为畜禽养殖源>土地利用源>农村生活源。流域内农业面源污染空间分异性较强，圩坪寺村 TN、TP和 COD的等标负荷均显著高于五道岭村，其等标污染负荷总量（15.23 m3·a-1）约为五道岭村（5.91 m3·a-1）的2.58倍，这主要与不同村域间农业产业布局差异密切相关。

表5 流域等标污染负荷特征Table 5 Characteristics of equivalent standard pollution load

分析谭家湾流域不同年份农业面源污染等标负荷总量变化（表6），2015年流域TN、TP和COD的等标负荷分别为36.24、16.70和9.50 t，等标负荷总量为62.44 t。2020年流域TN、TP和COD的等标负荷分别为11.12、8.60和1.42 t，等标负荷总量为21.14 t，较2015年减少41.30 t，降幅为66.14%。总体来看，降低土地利用污染负荷是促使流域负荷总量大幅减少的主要原因，与 2015年相比，2020年等标负荷减少了29.70 t。此外，对比年际间等标污染负荷可知，2015年以来流域农业面源污染结构发生了明显变化。2015年，土地利用对该流域面源污染等标负荷贡献最大，伴随的等标污染负荷为37.81 t，占等标负荷总量的60.55%；而2020年，流域首要等标污染负荷源则转变为畜禽养殖，其伴随的等标污染负荷为 11.82 t，占等标负荷总量的55.91%。

表6 流域农业面源污染等标负荷总量Table 6 Equivalent pollution load of different pollution sources in the watershed

2.4 养殖业源面源污染控制策略分析

畜禽粪便耕地负荷警报值及环境风险评价结果详见表7。流域畜禽养殖粪便年产生量为1.168×104t，畜禽粪便耕地负荷量为 14.467 t·hm-2·a-1，警报值为0.489，分级指数为Ⅱ，表明流域畜禽粪便对环境构成污染的威胁为“稍有”。考虑到流域内尚有大面积耕地处于闲置状态，因此在这些土地被充分利用后，理论上能消耗更多的畜禽粪便，促使该流域耕地负荷量进一步降低，对环境造成污染的威胁也将同步减小。

表7 流域畜禽粪便负荷警报值及环境风险Table 7 Alarm value for livestock manure and environmental risk

从保持高产的角度出发，由于 50%比例更趋近于实际管理情况，对控制畜禽养殖总量及合理调整养殖布局更具参考价值[31]，因此将实际养殖量与50%环境容量进行比较，得到流域养殖业环境污染风险指数，结果见下表 8。以 N为衡量标准，谭家湾流域畜禽养殖50%环境容量为27 664头猪当量，超过实际养殖量（16 849头猪当量）10 815头猪当量，环境污染风险指数为0.609。以P为衡量标准，谭家湾流域畜禽养殖50%环境容量为31 325头猪当量，超出实际养殖量（14 334头猪当量）16 991头猪当量，环境污染风险指数为0.458。由于畜禽养殖是流域首要污染源，且N已成为该流域最重要的污染物，其风险指数也明显高于P，因此，谭家湾流域在采取养殖总量强制性控制措施时，应以N的环境承载力和潜在风险为依据，即流域养殖规模尚有10 815头猪当量的上升空间。

表8 流域畜禽养殖环境容量及实际总量Table 8 Environmental capacity of animal breeding and actual amounts of livestock in the watershed

3 讨论

3.1 流域主要污染类型

就污染时间变化特点来看，2015年流域等标污染负荷总量达到62.44 m³，而2020年为21.14 m³，较2015年减少41.30 m³，降幅达66.14%，污染负荷的降低主要与土地利用方式的改变有关。2015年土地利用对该流域面源污染等标负荷贡献最大，占等标负荷总量的60.55%，到了2020年土地利用等标污染负荷量降低了78.6%，仅占当年等标负荷总量的38.3%，而流域首要等标污染负荷源则转变为畜禽养殖，其伴随的等标污染负荷占总量的55.91%，可见，产业发展结构与流域农业面源污染密切相关。就污染空间分异特点来看，圩坪寺村TN、TP和COD的等标负荷均显著高于五道岭村，其等标污染负荷总量（15.23 m3·a-1）约为五道岭村（5.91 m3·a-1）的 2.58倍，这主要与不同村域间农业产业结构差异密切相关，其中圩坪寺村由于大规模生猪养殖业的发展，使得畜禽养殖成为该村的主要面源污染源。而五道岭村在土地利用面积与圩坪寺村大致相当的情况下，其畜禽养殖规模较小，使得土地利用成为该村的主要污染源。就流域面源污染指标而言，TN是流域的首要污染物，占总负荷的52.6%，远高于TP和COD的等标污染负荷，说明TN 是流域内需要控制的首要污染物，但 TP伴随的环境风险也需加以重视，其等标负荷超过流域负荷总量的 40%，这是由于土壤中化学形态的磷更容易流失所致。这与相关研究一致，胡芸芸等[16]认为 TN是沱江流域的首要压力来源，TP和COD的等标排污系数相对较小；谢经朝等[29]在汉丰流域的研究也认为TN是比TP更为突出的面源污染物，应重点加以关注。但也有学者在其他地区的研究得出了不同结论，钱晓雍等[37]基于水环境功能区划对上海市农业面源污染进行了解析，认为污染物负荷贡献率表现为 TP＞TN＞COD，武升等[38]对巢湖流域的研究结果则显示，众兴水库小流域以COD的污染负荷率最高，TN和TP的等标污染强度较低。可见，农业面源污染的时空分异特征及主导污染物类型受特定地域的自然条件、地形地貌、产业结构等多种因素的综合影响，其中产业结构是最主要的影响因子。因此，只有准确把握流域面源污染特征才能精准施策，提升面源污染治理的针对性和实效性。

3.2 农业面源污染来源

国内学者关于农业面源污染物来源构成的研究较多，按照输出渠道，通常分为种植业源、养殖业源和农村生活源三类。本研究结果显示，畜禽养殖是当前丹江口水源涵养区典型小流域的首要污染源，其等标污染负荷贡献率达到55.9%。需要指出的是，由于采取的一系列诸如化肥减量替代、土壤免耕覆草等技术措施，种植业污染源的有效控制使得流域面源污染源由2015年的土地利用＞畜禽养殖＞农村生活转变为2020年的畜禽养殖＞土地利用＞农村生活，即面源污染主要来源从土地利用向畜禽养殖源转变。相关研究结果也表明，畜禽养殖作为第一污染源或与其他污染源共同作用，给环境带来了无法忽视的负荷压力。丹江口水库水源区[9]的农业面源污染物估算结果表明，畜禽养殖产生的污染物负荷量达4 800.12 t，占总流失量的70%左右；在太湖流域跨界区[19]，畜禽养殖是所有污染负荷的重要来源，约占污染物总负荷量的 80%以上；上海市[37]的畜禽养殖污染贡献率为66.31%；安徽巢湖[38]众兴水库小流域的养殖业污染物负荷总量为109 t，负荷比也达到57.52%；在汉江流域荆门段[28]和太湖鑫河流域[39]，农村生活和畜禽养殖均是最主要的面源污染来源，其中太湖蠡河流域畜禽养殖的TP和COD排放量依次为58.57 和1 002 t，分别占全流域农业源TP和COD产生量的77.24%和49.69%；而在兴山县香溪河流域[40]，畜禽养殖源 TN年均产生量达到895.7 t，约占全域农业源TN产生量的77.9%。此外，结合流域内畜禽养殖业发展结构分析，生猪养殖规模远高于其他养殖类型，其TN、TP和COD的等标负荷分别占畜禽养殖源负荷总量的99.29%、92.73%和93.94%，是导致畜禽养殖成为流域首要污染源的主要因素，在流域污染的防治中尤其需要关注。但需要指出的是，本研究中用输出系数法估算得出的污染负荷，实际只是面源污染的产生潜力，而不是真正进入水体的污染量，即使畜禽养殖是当前典型小流域最重要的污染来源，但流域内规模化养殖基地建设标准较高，粪污资源化循环利用模式的配套结构相对完善，加之南水北调中线工程正式供水以来，相关部门对库区养殖业污染的管控力度不断加大，低污染物养殖方式的举措持续巩固，这些因素的综合作用，依然使得流域内畜禽养殖源污染环境风险整体可控。

3.3 农业面源污染防控策略

研究发现，生猪养殖给环境造成的污染压力是导致养殖源整体负荷率偏高的主要原因，其伴随的TN和TP负荷量均超出流域负荷总量的一半。因此，降低生猪养殖源污染物负荷是保障整个流域环境长期向好的首要任务。耕地畜禽粪便负荷警报值测算结果表明，在保持当前有效耕地面积不变的情况下，谭家湾流域畜禽养殖粪便给环境造成污染的压力为“稍有”，如果考虑将闲置撂荒的土地和备用状态下的粪污处理设施充分加以利用，则畜禽养殖粪便伴随的环境风险将大大降低直至“无”。总体而言，当前谭家湾流域畜禽养殖粪便带来的环境风险尚处于较为理想的分级区间之内。关于农业面源污染综合防控的路径，目前国内较为成熟的理论是杨林章等[41]从“源头减量—过程阻断—养分再利用—生态修复”层面提出的“4R”理论。以“4R”防控思路为引导，结合谭家湾流域畜禽养殖业发展实际，在“控源”层面，可以通过环保型饲料的开发与应用、超低污染养殖方式的探索或基于环境承载力的养殖规模总量控制等技术应用，降低污染物的产生量。鉴于流域内N的环境风险较高，库区污染物的流失以N为主[11]且该流域 TN浓度常年保持在较高水平[7]，基于污染发生最小化原则，本研究认为谭家湾流域畜禽养殖总量控制应以N为衡量标准，即养殖规模在现有基础上的扩增空间需控制在1 0815头猪当量以内。在“阻输”层面，可以通过防污设施的持续完善、养殖区空间分布的优化调整、等高草篱的构建应用[42]等方式，降低污染物的排放量。在“再利用”层面，配合干湿分离技术，可以实现沼渣肥料化、沼液能源化，同时，还可以将充分发酵的沼液作为灌溉水加以利用，提升畜禽粪污的循环利用率。在“治汇”层面，通过生态湿地和渗透坝等工程的耦合应用，也是一种养殖源污染尾端处理思路，其消减效率已得到充分证实[43-44]。总之，农业面源污染防控是一项系统工程，在制定防控策略时，应根据不同区域面源污染来源结构和主导污染物发生特点，因地制宜的采取具体的污染综合防控措施，以实现农业经济持续向好发展和农业资源环境现状持续改善的双重目标。