农业面源污染负荷计算方法及输出系数取值的分析

杨文慧 于新花 杨彦霞

（宁夏大学土木与水利学院，宁夏银川 750021）

1 引言

农业面源污染是指地面和土壤中的N，P 等营养物质、农药以及其他有机或无机污染物质在降雨冲刷和淋溶作用下，会随着地表的径流或者渗漏作用进入江河、湖泊、水库和海洋等水体而造成的水环境污染［1］。其具有发生时间的随机性、产生方式的间歇性、排放途径的不稳定性、排放量的不确定性、污染负荷的时空变异性、监测模拟与控制的困难性等特点［2］。目前，结合面源污染的特点，研究者提出了很多关于农业面源污染负荷的估算方法，如输出系数法、清单分析法和等标污染负荷法等，但考虑到面源污染是大面积大范围存在的一种形态，而且监测困难，计算误差大，通过各种方法的对比分析，发现输出系数法对于尺度大且长时间未监测缺少数据的流域可发挥重要作用。

2 农业面源污染来源及其特点

2.1 农村生活污染

农业面源污染来源主要有农村生活污染、畜禽养殖污染、农业种植污染［3］。农村生活污染源于居民生活污水肆意排放和生产垃圾乱丢乱弃乱堆放以及没有集中处理的人体粪尿，造成周围环境污染。生活污水中的灰水主要是洗浴、衣物清洗、厨房用水，黑水主要为冲洗水，厨房污水在农村生活污水总量中占20%左右，洗涤污水的占比高达50%，以上这些污水中含有氮、磷、重金属和大肠杆菌［4］。近年来，越来越多的居民开始使用冲水马桶、冲便器等卫生洗浴设施，将这些污水和粪尿集中收集在储存装置中，集满后统一入田，但部分居民还是采用旱厕。生活污水缺失排水管网，处理效率低，生活污水的排放较为分散。生活垃圾以有机物为主，分为可降解物和不可降解物，可降解物可以经过大自然的循环分解机制降解，造成的二次污染小；生活垃圾污染主要是不可降解物，一些结构稳定的塑料制品，如塑料袋、塑料餐盒、废旧电池、化肥包装袋、塑料薄膜等［5］，很难自行降解消失。农村生活垃圾没有统一的收集处理设施，空间分布零散［6］，生活垃圾处理能力不足。

2.2 畜禽养殖污染

畜禽养殖的污染物来源主要是畜禽的粪尿，以及冲洗圈舍、食物残渣的污水，随着生活水平的提高，居民在饮食结构方面更加注重对动物蛋白的摄入，畜禽养殖业近年来快速发展，我国畜禽的存栏量呈现逐年递增的趋势，因此畜禽粪便排放量也大幅增加。目前，畜禽养殖污染物的处理方式［7］一般有3 种：一部分直接入田，畜禽的粪尿大部分作为农作物的肥料；一部分进入沼气池通过厌氧发酵来产生沼气，不仅能够净化空气，而且可以作为能源使用；其他少部分冲洗残渣的废水随着雨水冲刷流入河流或渗透到地下，但在进入河道的过程中，污染物由于截留或消融会在途中消耗掉。

2.3 农业种植污染

根据农田化肥的动态去向，农田中的化肥有10%～30%被农作物吸收利用，50%～60%未被利用的残留在土壤中，其余20%～30%过剩的肥料中N，P 等营养元素通过降雨或灌溉产生的径流汇入地表水流入水体，大量农药进入水体造成流域污染［8］。农业化肥污染一直是流域污染的重要因素［9］，目前学者们对其研究较为深入且颇有成就，比如促进土壤对水分吸收的水肥一体化技术的运用，在很大程度上减少了环境的污染。

农业面源污染源给生态环境资源造成了一定程度的破坏，不仅通过侵蚀土壤导致农村生态系统退化，还通过水污染和食物源污染影响人身健康，农业生活和畜禽养殖造成的农业面源污染尤其受到关注，成为制约农业和农村高质量发展的瓶颈［10］。

3 农业面源污染负荷常用的计算方法

3.1 清单分析法

清单分析法构建的是活动—类别—单元—指标体系［11］，活动是由于生活和生产造成农业面源污染的主要途径，类别是将不同活动进一步细化，指标则是进行计算要求收集的基本数据，单元是指产生农业面源污染可合理计量的最小独立单元［12］。清单分析法首先根据本地区农村基本状况划分污染物的类别，以此分解出产污单元，每个产污单元都有相应的产污系数，结合历年来地区基础统计数据，建立核算公式，基于产污单元的产污系数和流失系数，借助核算公式对进入水系的污染物排放量进行测算。该方法不仅能有效地建立污染物产生量与污染物排放量的关系，而且多用于大范围核算某地区污染物负荷量，减少了实地调研的困难。

晁文文等人基于清单分析法对江西农村水环境污染产污单元进行划分，并建立核算公式，测算水环境污染物［13］；孙勤芳等人采用清单分析法核算农业污染物的排放量和排放浓度［14］。农业面源污染产污单元见表1。

表1 农业面源污染产污单元

计算公式如下［14］：

式中，E 为农业面源污染物的排放量，kg；UE，i为清单i 指标统计数，i＝1，2，3，…，n；Pi为清单i 污染物的产污系数；Ci为清单i 污染物的流失系数，%。

3.2 输出系数法

输出系数法是通过统计公报等渠道收集指标中要求的基础数据，如农村人口数量、畜禽存栏出栏量、化肥施用量等，运用多元线性相关分析，建立流域土地利用类型与面源污染输出量之间的关系，利用不同污染源类型的污染输出系数估算污染负荷，对不同来源污染负荷求和便得到区域污染总负荷。丁晓雯等［15］利用输出系数模型对涪江流域的农业面源污染进行了估算，辨别出主要污染源。该方法其特点在于基础数据较易获取，简化了污染形成过程中的机理研究，减少了对非点源污染物运移监测数据的依赖，所需参数少，操作简便易行［16］，降低了工作量，又具有一定的精度，为大尺度流域非点源污染负荷的量化提供了一种行之有效的方法，尤其是对于缺乏原位监测条件的流域。

经典的Jonhes 输出系数模型为［17］：

式中，L 为流域内污染物j 的排放量，kg/a；i 为流域内农村人口、畜禽数量、用地类型，i＝1，2，3，…，n；Ei为：人口输出系数，kg/（人·a），第i 种畜禽输出系数，kg/（头·a），第i 种用地类型输出系数，kg/（hm2·a），Ai为：农村人口数量，人，第i 种畜禽的（出栏）存栏量，头或只；第i 种用地类型面积，hm2；P 为降雨输入的污染物量，kg/月。

3.3 其他研究方法

除了清单分析法和输出系数法之外，等标污染负荷法也是农业面源污染负荷计算方法之一，其主要是将不同行业的污染物排放量稀释加标准化处理转化成一致且能够比较的量，使其在同一尺度上进行比较，根据所得值的大小确定主要污染物、主要污染账户和总污染负荷［18］，用以评价各污染物的相对危害程度。

目前，输出系数法在计算污染物负荷时相较于其他两种方法应用更为广泛，所需参数相对较少，掌握基础资料后只需确认输出系数，计算简便且具有一定的精度，直接建立了土地利用状况等与面源污染负荷的关系。等标污染负荷法虽然简单易行，但忽略了评价对象的经济属性，导致计算结果具有片面性，往往需要借助其他分析方法来纠偏。清单分析法在计算污染物负荷时要根据研究区域的特征来划分单元，要求的数据较细致，如果单元划分不适宜、参数选取不适配对计算结果的影响较大。清单分析法的核心是各地产排污系数值，此数值大多源于过往文献理论结果，采取实地测算相关排污系数的较少，直接使用产排污系数难免对测量结果的准确性造成一定的影响［19］。

4 输出系数法中输出系数的选取

输出系数法中合理地确认输出系数是成功估算面源污染输出负荷量的关键，输出系数是一种估计值，指某种土地利用方式下在单位时间内、单位面积上输出的污染物总负荷的标准化值［20］。确定输出系数是输出系数法关于污染负荷计算的关键，但是由于输出系数受研究区域一系列因素的影响，如流域内气候因素、地形地貌、土地利用、土壤类型和结构、植被以及管理措施等的影响［21］，通常采用文献查阅法、实验监测法和数学统计法［22］3 种方法来确认输出系数，而文献查阅法是最常用的方法，众多学者也在该方面取得了一定的研究成就。

输出系数法所需系数见表2。

表2 输出系数法所需系数

不同地区畜禽养殖的输出系数见表3。

表3 不同地区畜禽养殖的输出系数［23～31］ kg/［头（只）·a］

不同地区农村生活人口输出系数见表4。

表4 不同地区农村生活人口输出系数［23～29］ kg/（人·a）

不同地区不同土地利用类型的输出系数见表5。

表5 不同地区不同土地利用类型的输出系数［24～33］ kg/（hm2·a）

从表3 可知，畜禽养殖的输出系数COD＞TN＞NH3-N＞TP，研究者关于畜禽养殖业的输出系数多参考原环境保护部推荐的输出系数，COD 取24.82、NH3-N 取2.52、TP 取1.01、TN 取6.11；表4 中农村生活人口输出系数COD＞TN＞NH3-N＞TP，大多参考原环境保护部推荐的人口输出系数，COD 取14.13、NH3-N 取0.9、TP 取0.16、TN 取1.58；表5 中污染物输出系数值相对来说水田高于旱田。

5 结论

（1）农业面源污染来源主要有农村生活污染、畜禽养殖污染、农田种植污染，农业生活和畜禽养殖是农业面源污染的重要因素，成为制约农业和农村高质量发展的瓶颈。

（2）农业面源污染物负荷估算方法主要有清单分析法、输出系数法和等标污染负荷法等，在流域面源污染的控制及管理决策方面发挥了重要的作用。目前应用较为广泛的方法是清单分析法和输出系数法，输出系数法近些年来随着研究者不断改进研究方法，相较于清单分析法估算精确度更高，所需的参数较少，只需要输出系数，而清单分析法需要排污系数和流失率，这些参数的选取都会造成一定的误差。

（3）在统计中发现有的研究者对于畜禽养殖业的输出系数参考原环境保护部推荐的输出系数，分别取各自排泄系数的10%；农村生活人口输出系数参考原环境保护部推荐的人口输出系数。不同土地利用类型的输出系数水田的TP 值与TN 值分别集中分布在1～2 和12～23 之间；旱田的TP 值与TN 值分别集中分布在0.9～2.3 和15～33 之间。