龙川江上游典型小流域农业面源污染物排放特征与评价

2022-02-19董磊翟文亮潘雄林莉张胜

安徽农业科学 2022年2期

董磊翟文亮潘雄林莉张胜

摘要 [目的]為了解龙川江上游小流域农业面源污染现状和特征，制定相应的农业面源防控措施，对流域内农业面源污染情况进行调查分析和评价。[方法]基于2019年7月份现场勘查，通过对龙川江上游典型小流域内五街镇、沙桥镇、龙川镇、雨露白族自治乡4个乡镇的27个行政村的农业种植、人居生活源（农村生活污水、生活垃圾）、畜禽养殖进行实地勘查，并对污染负荷进行系统评价分析。[结果]龙川江上游小流域内4个乡镇的面源污染排放源中，农业种植污染源污染物的排放入河量和污染负荷率最大，分别为1 552.48 t/a和86.31%;人居生活源污染物的排放入河量和污染负荷率分别是227.89 t/a和12.67%;畜禽养殖污染源污染物的排放入河量和污染负荷率分别是为18.04 t/a和1.02%。在COD、NH 3-N、TN、TP评价因子中，污染负荷率最高的是COD，达92.08%，TN污染负荷率为6.33%，NH 3-N和TP的污染负荷率分别为0.89%、0.70%。[结论]农业种植是龙川江上游小流域农业面源的主要来源，也是该小流域农业面源污染防控的重点。

关键词龙川江上游;小流域;农业面源污染;排放特征;评价

中图分类号 X 71文献标识码 A文章编号 0517-6611（2022）02-0059-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.02.017

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Discharge Characteristics and Evaluation of Agricultural Non-point Source Pollutants in Typical Small Watersheds in the Upper Reaches of Longchuan River

DONG Lei1，2，3， ZHAI Wen-liang1，2， PAN Xiong1，2 et al

（1.Changjiang River Scientific Research Institute， Changjiang Water Resources Commission， Wuhan，Hubei 430010;2. Key Laboratory of Basin Water Resource and Eco-environmental Science in Hubei Province， Wuhan，Hubei 430010;3. School of Chemistry and Chemical Engineering， Huazhong University of Science and Technology， Wuhan，Hubei 430074）

Abstract [Objective]In order to understand the status and characteristics of agricultural non-point source pollution in the small watershed of the upper reaches of the Longchuan River， and formulate corresponding agricultural non-point source pollution prevention and control measures， the agricultural non-point source pollution in the basin was investigated， analyzed and evaluated. [Method]Based on the site survey in July 2019，through field surveys of agricultural plant pollution source， human living pollution sources （rural domestic sewage， rural domestic garbage） and livestock and poultry pollution source in 27 administrative villages in Wujie Town， Shaqiao Town， Longchuan Town and Yulu Town in typical small watersheds in the upper reaches of the Longchuan River， and the pollution load was systematically evaluated and analyzed.[Result]Among the non-point source pollution emission sources of the four townships in the small watershed of the upper reaches of Longchuan River，the agricultural plant pollution source had the largest discharge volume and pollution load rate， which were 1 552.48 t/a and 86.31%， respectively. As to the human living pollution sources， the discharge into the river and the pollution load rate were 227.89 t/a and 12.67%， respectively. As to the livestock and poultry pollution sources，the discharge into the river and the pollution load rate were 18.04 t/a and 1.02%， respectively. Among the four evaluation factors of COD， NH 3-N， TN and TP， the highest pollution load rate was COD， reaching 92.08%， the TN pollution load rate was 6.33%， and the pollution load rates of NH 3-N and TP were 0.89% and 0.70 %， respectively. [Conclusion]The agricultural plant pollution source is the main source of agricultural non-point source in the small watershed of the upper reaches of Longchuan River， and it is also the key point of agricultural non-point source pollution prevention and control in the small watershed.

Key words Upper reaches of Longchuan River;Small watershed;Agricultural non-point source pollution;Discharge characteristics;Evaluation

基金项目中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（CKSF2021480/SH，CKSF2017062/SH）;湖北省自然科学基金面上项目（2020CFB663）。

作者简介董磊（1987—），男，河南信阳人，工程师，在读博士，从事流域水生态环境治理与修复研究。

*通信作者，正高级工程师，博士，硕士生导师，从事流域水生态环境治理与修复研究。

收稿日期 2021-05-07

农村面源污染是指农村地区在农业生产和居民生活过程中产生的、未经合理处置的污染物（如化肥、农药、废污水等）对水体、土壤和空气及农产品造成的污染，农业面源污染的严重性和防治的必要性已经引起了国内外学者和管理部门的关注。据报道，美国的面源污染占污染总量的2/3，其中农业面源污染贡献率占68%～83%[1];荷兰的农业面源污染产生的总氮、总磷污染负荷分别占水环境污染总负荷的60%和40%～50%[2];丹麦270条河流94%的氮负荷和52%的磷负荷来自农业面源污染[3]。在我国，农业面源污染形势也十分严峻，2010年《第一次全国污染源普查公报》显示，农业面源污染（种植业、畜禽养殖业、水产养殖业）已成为污染源之首，其氮磷排放量分别占总排放量的57.2%和67.4%[4]。

目前，常用的污染负荷估算方法有排污系数法、监测法、模型法、清单分析法等[5]。唐肖阳等[5]对汉江流域农业面源污染进行分析与评价，结果表明农田化肥污染和畜禽养殖是该流域内主要污染源，是农业面源污染防控的重点。王国重等[6]对桃庄河小流域农田面源污染进行调查与评价，利用SCS模型估算了该流域内农田中的径流量和养分流失量，并给出综合治理建议。王萌等[7]运用改进的输出系数模型结合入河系数对三峡库区农业面源氮磷污染负荷进行分析，认为农田种植和畜禽养殖是总氮、总磷负荷的主要贡献源。宋大平等[8]采用清单分析法和排污系数法对淮河流域农业面源污染物的排放进行调查分析，结果表明该小流域农业面源污染的主要来源是农田种植和畜禽养殖，其次是农村生活。相对于点源污染，面源污染的特点是无固定的排污口，且具有随机性、不确定性和时空分布不均性等特点，其治理难度更大，因此估算农业面源污染负荷和贡献强度对掌握区域水环境主要污染物来源以及面源污染控制具有重要意义。

龙川江属于金沙江南岸一级支流，为了解该流域农业面源污染现状和特征，对流域内农业面源污染情况进行分析与评价。笔者选取龙川江上游典型小流域作为研究对象，基于GIS技术，结合SCS模型和RUSLE模型，分析流域内农业种植污染特征，采用排污系数法估算流域人居生活源（农村生活污水、生活垃圾）、畜禽养殖畜中各污染源负荷和污染物排放总量，以期为龙川江农业面源污染防治提供科学依据，进而为长江流域农业面源污染的综合治理奠定基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

龙川江为金沙江南岸一级支流，全长257 km，全流域面积9 187 km2，流域内年均降水量為800～1 000 mm，发源于楚雄彝族自治州的南华县天子庙坡东侧，在元谋北部的江边乡汇入金沙江，是云南省南华、楚雄、牟定、元谋坝区农业的主要灌溉水源，其水质安全对当地经济发展有极其重要的意义[9]。龙川江上游指的是楚雄小河口水文站以上区域，河段总长96 km，流经南华县和楚雄市，流域面积为1 788 km2，位于100°58′～101°38′E、24°50′～25°29′N[10]，流域内面源污染较严重，影响整个龙川江流域水质安全。

研究区域为龙川江上游典型小流域（老厂河水库至小天城出境断面），属云南省南华县境内河段，流域面积为685.7 km2，汇水范围内各乡镇及村落分布见图1，主要涉及沿线4个乡镇（五街镇、沙桥镇、龙川镇、雨露白族自治乡），辖27个村委会。基于现场查勘和历史资料收集整理，龙川江上游典型小流域内主要农业面源污染包括农业种植、农村生活污水、生活垃圾和畜禽养殖等。

1.2 数据来源

为详细了解龙川江上游典型小流域农业面源污染现状，对汇水范围内的五街镇、沙桥镇、龙川镇、雨露白族自治乡4个乡镇27个行政村内的农业种植、农村生活污水、农村生活垃圾和畜禽养殖等进行实地调查。该研究数据主要来源于相关文献、年鉴、标准以及相关统计报告等[11-22]，现场勘查以行政村为基本单元。

1.3 污染排放估算方法

选用化学需氧量（COD）、氨氮（NH 3-N）、总氮（TN）和总磷（TP）作为评价因子，通过实地调查并结合有关统计资料，分析龙川江上游典型小流域内农业种植、农村生活污水、分散式畜禽养殖、生活垃圾和水产养殖各类污染物对农业面源污染的影响及贡献比。

1.3.1 农业种植。

现场调研发现，农业种植是主要产业之一，农村用地面积大，作物类型多样，主要种植农作物有水稻、麦类、油菜、玉米和马铃薯等。基于现场调研，南华县农业种植方式所施用的大量农药、化肥通过地表径流汇入流域内各地表水体，成为影响流域水质的重要因素。农业种植污染负荷主要包括颗粒态和溶解态两部分。其中，颗粒态负荷是指由土壤侵蚀产生的泥沙携带进入受纳水体的污染物;溶解态负荷是指随径流直接进入受纳水体的水溶性污染物。利用GIS软件，对龙川江上游典型小流域汇水范围内各幅DEM数据进行拼接和投影变换等步骤，生成汇水区GRID地图（图2）。

对地形图进行填洼、分析流向、计算累积流等处理，提取龙川江上游典型小流域汇水范围内的河道水系，计算农业种植污染总负荷。

（1）农业种植污染总负荷。计算公式如下：

L a=L s+L d（1）

式中，L a表示农业种植污染总负荷，kg/（hm2·a）;L s表示颗粒态污染负荷，kg/（hm2·a）;L d表示径流中某种土地利用类型的溶解态污染负荷，kg/（hm2·a）。

（2）颗粒态污染负荷。计算公式如下：

L s=α×S d×η×C s×A（2）

式中，α表示换算系数，为1 000;S d表示泥沙输移比，无量纲;η表示土壤污染物富集比，无量纲;C s表示颗粒态污染物含量，%;A表示土壤流失量，t/（hm2·a），采用RUSLE模型计算。

（3）溶解态污染负荷。计算公式如下：

L d =β×C d×Q（3）

式中，β为换算系数，为0.01;C d为径流中某种土地利用类型的污染物浓度[11];Q为年径流深，利用SCS模型计算。

1.3.2 生活污水。

农村生活污水污染负荷计算公式如下：

W 1i=α 1×P×L 1i×365×10-6（4）

式中，i为污染物种类;W 1i为农村居民生活污染负荷，t/a;P为农村居住区人口数，人;L 1i为农村人均污染物排放定额，g/（人·d）;α 1为农村居民生活污染物入河系数。

结合相关规范[12]和参考文献[13-14]，农村居民用水定额按50 L/（人·d）计。排水量取用水量的80%，排水量为40 L/（人·d）。南华县龙川江流域农村生活COD排放系数为23 g/（人·d），NH 3-N排放系数为1.50 g/（人·d），TN排放系数为2.56 g/（人·d），TP排放系数为0.51 g/（人·d）。

1.3.3 生活垃圾。

参考全国第一次污染源普查生活源产排污系数[15]，结合面源污染调查研究文献[16-18]，确定产污系数，以现场勘察的生活垃圾排放情况为依据，确定龙川江上游典型小流域居民生活垃圾产生量为0.5 kg/（人·d），COD、NH 3-N、TN和TP的产污系数分别为50.0、1.8、2.5和1.0 g/（人·d）。

1.3.4 畜禽养殖。

龙川江上游典型小流域内存在少量规模化畜禽养殖场，大部分是分散式畜禽养殖场。流域内的畜禽养殖各污染物的产排系数参照全国第一次污染源普查生活源产排污系数[15]、中国农村统计年鉴[19]、中国畜牧业年鉴[20]以及相关文献[21-22]，畜禽养殖的排放系数如表1所示。

畜禽养殖污染负荷计算公式如下：

W 2i=α 2×N×L 2i×10-3（5）

式中，i为污染物种类;W 2i为畜禽养殖污染负荷，t/a;N为畜禽存栏数，头或只;L 2i为单位畜禽的污染物排放量，kg/（头·a）或kg/（只·a）;α 2为畜禽养殖污染物入河系数。

2 结果与分析

2.1 农业种植污染源贡献量估算

利用GIS软件，提取龙川江上游典型小流域汇水区（包括五街镇、沙桥镇、龙川镇及雨露白族自治乡），根据汇水区内的土地利用类型（图3），基于SCS模型估算溶解态农业种植负荷[23]，基于RUSLE模型估算颗粒态农业种植负荷[24]，按照种植业面源计算方法，分别计算溶解态和颗粒态农业种植污染负荷。

2.1.1 溶解态农业种植负荷。

从龙川江上游典型小流域汇水区各乡镇农业种植溶解态负荷（表2）可以看出，龙川江汇水区（包括五街镇、沙桥镇、龙川镇、雨露白族自治乡）溶解态COD、NH 3-N、TN、TP负荷分别为1 444.02、5.03、91.05、5.54 t/a。其中各乡镇溶解态COD负荷从大到小依次为龙川镇、沙桥镇、五街镇、雨露白族自治乡;各乡镇溶解态NH 3-N、TN、TP负荷从大到小依次为龙川镇、沙桥镇、雨露白族自治乡、五街镇。

2.1.2 颗粒态农业种植负荷。

经统计（图4），龙川江上游典型小流域汇水区（包括五街镇、沙桥镇、龙川镇、雨露白族自治乡）农业种植颗粒态TN负荷为4.36 t/a、颗粒态TP负荷为2.48 t/a，其中龙川镇颗粒态TN、TP分别为4.20、2.40 t/a。

因此，龙川江汇水区（包括五街镇、沙桥镇、龙川镇、雨露白族自治乡）农业种植总负荷COD为1 444.02 t/a，NH 3-N為5.03 t/a，TN为95.41 t/a，TP为8.02 t/a，具体污染物负荷见表3。由于种植面积及综合施肥等因素的影响，龙川镇在该流域内种植业化肥污染物入河量和污染负荷率均最大，分别为806.65 t/a和51.96%;雨露白族自治乡种植业化肥污染物入河量和污染负荷率均最小，分别为96.31 t/a和6.20%。

2.2 生活污水污染源贡献量估算

龙川江上游典型小流域内的广泛农村地区均不具备排水管网，生活污水未经处理直接排入附近的受纳水体，最终进入龙川江。经现场调研和资料收集，南华县农村生活污水涉及4个乡镇（五街镇、沙桥镇、龙川镇、雨露白族自治乡）、27个村委会、10 788户、45 141人，龙川江上游典型小流域汇水区内农村生活污水直排问题较严重。

农村生活污水产生后，考虑排放后的生活污水经雨水冲刷后以地表径流的方式入龙川江，根据农村生活污水处理项目建设与投资技术指南[25]、西南地区农村生活污水处理技术指南[26]等报告研究结论，大部分污染物流失，南华县农村生活污水的流失率约70%，由此得出农村生活污染源污染物的入河系数约0.3。

由表4可知，COD、NH 3-N、TN和TP的污染物排放入河量分别为113.70、7.39、13.14和2.54 t/a。从空间分布上看，沙桥镇在该流域内生活污水污染物入河量和污染负荷率均最大，分别为73.62 t/a和53.83%;雨露白族自治乡生活污水污染物入河量和污染负荷率均最小，分别为11.09 t/a和8.11%。

2.3 生活垃圾污染源贡献量估算

龙川江上游典型小流域内各乡镇人居生活垃圾由政府统一处理，但现场查勘了解，该流域有部分垃圾进入沟渠、河道等。结合现场实际查勘情况，垃圾流失率按总产生量的10%计。由表5可知，龙川江上游典型小流域汇水区农村生活垃圾污染物入河系数取0.1，COD、NH 3-N、TN和TP的污染排放入河量分别为82.38、2.96、4.12和1.66 t/a。从空间分布上看，沙桥镇在该流域内生活垃圾污染物入河量和污染负荷率均最大，分别为49.09 t/a和53.87%;雨露白族自治乡生活垃圾污染物入河量和污染负荷率均最小，分别为7.36 t/a和8.08%。

2.4 畜禽养殖污染源贡献量估算

调查龙川江上游典型小流域汇水区各乡镇人口及养殖业情况，项目区域内的养殖以生猪、牛和家禽（蛋鸡为主）为主，养殖量统计如表6所示。小流域内沙桥镇和龙川镇畜禽养殖数量较大，主要原因是大型规模养殖场较多;五街镇和雨露白族自治乡畜禽养殖场少，主要是小规模养殖场较少，大部分以农户散养为主。

对于畜禽废渣以回收等方式进行处理的污染源，按照产生量的12%计算污染物的流失量。畜禽养殖污水产生后，其污染负荷从源头至目标水体的输移过程中，会产生衰减，且这种衰减会随着输移距离（或时间）的增大而增加，最终仅有部分污染物进入目标水域。参考《中国环境经济核算技术指南》[27]中推荐畜禽养殖的入河系数北方取0.20、南方取0.35，龙川江上游典型小流域内的入河系数取0.35。

从表7可看出，流域内4个乡镇的养殖业污染源共向水体排放污染物18.42 t/a，污染物主要以COD为主，占比88.06%。沙桥镇畜禽养殖污染物排放总量高达8.39 t/a，占污染物排放总量的45.55%，主要由于沙桥镇畜禽养殖场较多;龙川镇的污染物排放总量和污染负荷率分别是5.34 t/a、28.99%;五街镇和雨露白族自治乡家禽养殖污染物排放总量和污染负荷率较低，分别为2.48 t/a（13.46%）、2.21 t/a（12.00%）。

2.5 农业面源污染综合贡献量及比率估算

从表8可看出，龙川江上游典型小流域汇水区农业面源污染排放源中，农业种植污染源污染物的排放入河量和污染负荷率均最大，分别为1 552.48 t/a和86.31%;其次是人居生活源（包括农村生活污水、生活垃圾），其污染物的排放入河量和污染负荷率分别为227.89 t/a和12.67%;畜禽养殖带来的污染物排放入河量和污染负荷率均最小，分别是18.40 t/a和1.02%。在4个评价因子中，COD的污染负荷率最高，达92.08%;其次是TN，污染负荷率为6.33%;NH 3-N和TP的污染负荷率分别为0.89%、0.70%。

2.6 农业面源污染主要防控对策

龙川江上游典型小流域农业面源污染的主要污染源是农业种植污染，主要由于种植业中化肥施用过量、不合理的施肥结构造成。建议加强公益性的农业环保宣传和科学培训，加强流域农业种植污染防治的制度建设和政策扶持，推进农业种植业结构调整，建立健全的农业种植污染监测体系，严格控制化肥施用强度[28]，提高农作物秸秆综合利用率，大力推广精准测土配方施肥、水肥一体化技术，加快推进环境友好型农业种植模式。

人居生活污染主要是由于该流域内人口较密集和当地居民生态环保意识不强等原因。针对生活污水，建议加大环保宣传和培训，提高居民参与农村生态环境保护意愿，减少生活废污水的排放。过程上可采用自然生态处理方法对农村生活污水进行有效去除，如构建人工湿地[29]、一体化污水处理设备等[30]。针对生活垃圾，应进一步完善龙川江流域农村生活垃圾收集、转运、处理系统建设，提高垃圾收集率和处理率;强化生活垃圾的分类、收集处理措施和制度，增强生活垃圾的分类宣传与推广，提高村民环境保护意识[31]。

畜禽养殖污染应推进畜禽养殖制度化和规范化，对区域畜禽养殖散户废物的排放和治理进行统一规划，强制监管，强化粪污资源化利用，建立雨污分离的化粪池，强化畜禽养殖的监督管理。建立良性生态循环模式，将畜禽养殖的废物以及种植业自身产生的秸秆等资源转化为种植业可利用的化肥等资源以及能源，逐步推广种养结合、农牧循环的生態健康养殖模式[32-33]。

3 结论与讨论

（1）龙川江上游典型小流域汇水区面源污染贡献从大到小依次为农业种植（86.31%）、生活污水（7.60%）、生活垃圾（5.07%）、畜禽养殖（1.02%）。

（2）农业种植业污染源共向水体排放污染物1 552.48 t/a，主要以COD为主，其排放入河量占污染物排放入河总量的80.28%，其次是TN，污染物排放入河量达95.41 t/a，污染负荷率为5.30%。人居生活污染源方面，农村生活污水、生活垃圾排放入河污染物分别是136.76、91.13 t/a，污染物均以COD为主。畜禽养殖业中入河污染物负荷较小，其入河污染物为18.40 t/a。

（3）应重点加大对农业种植面源污染防控，推广生态养殖，将种植业与畜禽养殖业相结合形成养殖产业链，实现形成种养结合、综合利用的循环链;同时强化监管，推进农业环境保护宣传与居民参与力度，完善生活垃圾收集、转运、处理系统建设，因地制宜，优化生活污水生态处理技术，采用源头控制、过程阻断和末端控制治理相结合的技术路线，对农业面源污染进行综合防控。

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