?沅江八形汊长河流域农业面源污染“减源-循环-控污”治理及其实施效果?

2024-06-30曾勇朱坚何钟响张瑛孟卓李尝君

湖南农业科学 2024年5期

曾勇　朱坚　何钟响　张瑛　孟卓　李尝君

摘要：农业面源污染是影响流域水质和水生态的重要污染源，该研究基于“减源-循环-控污”的治理模式，在湖南省沅江市八形汊长河流域实施农业面源污染的综合治理工程，并对实施效果进行监测与评价。结果表明：治理工程实施前，流域内主要农业面源污染源为畜禽养殖，地表径流、种植业与水产养殖污染物排放贡献率较小，分别占比6.3%、6.9%和4.2%；通过对不同治理措施开展连续监测，发现研究治理区主要污染物总氮、总磷和化学需氧量的总排放量分别减排约472.69、66.10和1 866.47 t/a，减排比例分别为88.21%、92.36%和78.84%；各污染防治工程对水体化学需氧量、氨氮、总氮和总磷拦截净化效果较好，平均去除率分别为58.22%、74.33%、60.11%和61.05%，流域出水水质相对稳定。总体而言，“减源-循环-控污”治理模式在沅江八形汊长河流域应用效果较好，有效降低了农业面源污染对流域的影响，为后续洞庭湖区小流域面源污染治理提供借鉴。

关键词：农业面源污染；化学需氧量；总氮；总磷

中图分类号：X52文献标识码：A文章编号：1006-060X（2024）05-0011-05

Treatment of Agricultural Non-Point Source Pollution in the Baxingcha Branch of Yuanjiang River by Source Reduction–Circulation–Pollution Control

ZENG Yong1，ZHU Jian2，HE Zhong-xiang2，ZHANG Ying2，MENG Zhuo3，LI Chang-jun2

（1. Yuanjiang Bureau of Agriculture and Rural Affairs， Yuanjiang 413100， PRC; 2. Hunan Institute of Agricultural Environment and Ecology， Ministry of Agriculture Key Laboratory of Agri-Environment in the Middle Reach Plain of Yangtze River， Hunan Dongting Lake Basin Engineering Research Center for Agricultural Non-Point Pollution Control， Changsha 410125， PRC;

3. Comprehensive Agricultural Service Center of Caowei Town， Yuanjiang 413100， PRC）

Abstract： Agricultural non-point source pollution is a major source of pollution affecting the water quality and ecosystem of rivers. In this study， the treatment mode of source reduction–circulation–pollution control was implemented for agricultural non-point source pollution in the Baxingcha branch of Yuanjiang River， and the treatment effect was monitored and evaluated. The results showed that before treatment， animal breeding was the major source of pollution， while the pollution from surface runoff， planting， and aquaculture only accounted for 6.3%， 6.9%， and 4.2%， respectively. After treatment， the emissions of total nitrogen （TN）， total phosphorus （TP）， and chemical oxygen demand （COD） decreased by 472.69， 66.10， and 1 866.47 t/a （88.21%， 92.36%， and 78.84%）， respectively. The treatment demonstrated satisfactory interception and purification of COD， NH4+-N， TN， and TP in the water， which showcased the average removal rates of 58.22%， 74.33%， 60.11%， and 61.05%， respectively. Furthermore， the water quality remained stable after treatment. In summary， the treatment of source reduction–circulation–pollution control reduces agricultural non-point source pollution in the Baxingcha branch of Yuanjiang River， which provides a reference for treating non-point source pollution of small river branches in Dongting Lake area.

Key words： agricultural non-point source pollution; chemical oxygen demand; total nitrogen; total phosphorus

农业面源污染指在农业生产和农村生活一定区域内的氮、磷等营养盐及其他污染物受水力驱动以随机、分散、无固定方式进入水体，从而引起水质恶化或水体污染的现象[1]。农业面源污染引起的水体污染在世界绝大数国家超过了总水体污染的50%[2]，我国也不例外。2020年《第二次全国污染源普查公报》显示，我国农业污染源中的化学需氧量（COD）、总氮（TN）和总磷（TP）分别占同类污染物排放的49.77%、46.52%和67.22%[3]。洞庭湖平原作为长江流域的重要平原之一，是我国重要的商品粮和大宗农产品生产基地。因农户长期不合理的农业生产活动，以及资源开发强度大、历史欠账多等原因造成了较为严重的面源污染问题[4]。随着这些污染对水环境持续产生影响，流域面源污染治理逐渐成为控制农业面源污染的重要措施[5-6]。

八形汊长河流域是典型的农业小流域，整体属于洞庭湖湿地片区。八形汊长河的主要污染来源为：（1）生活污水。沿河人口分布稠密，且经济条件相对落后，部分群众将未经处理的生活污水直接排入八形汊长河。（2）生产污水。其流经区域为粮食主生产区，生产过程中使用的农药、化肥残留流入沟渠后汇入八形汊长河。（3）河湖精养。该流域有2个渔场（八形汊渔场、共华渔场），基本采取投肥投饵的精养模式，养殖过程中产生的有机污染未经处理直接流入八形汊长河。（4）畜禽养殖。流域内的部分养殖场未采取环保措施或设施不足，导致大部分畜禽排泄物未经处理直接排放入河。2020年，沅江市根据八形汊长河流域农业面源污染情况，启动了沅江市八形汊长河流域山水林田湖草生态保护修复工程项目。据沅江市环境保护监测站监测结果显示，项目实施前八形汊长河的水质属于劣V类，对洞庭湖整体环境以及周围群众的生产生活带来较大影响。

流域面源污染监测有利于及时对污染进行合理有效的控制[7]，该研究采取科学监测技术手段，对沅江八形汊长河流域农业面源污染综合治理试点项目实施前后的污染状况进行监测与调查，评价项目实施后的治理效果，为推进八形汊流域面源污染治理的可持续发展和提高典型小流域农业面源治理效果提供参考依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

八形汊长河流域位于湖南省益阳市沅江市，地处湖南省东北部、洞庭湖滨。河道全长15 km，河面宽度100～300 m，水深4～7 m，属于洞庭湖湿地片区，是一条天然的调蓄长河；水系流向由西北流向东南，具有灌溉、调蓄等功能。研究区包括福安村、双阜村、紫红洲村和仁安村等治理单元，区域内农业面源污染类型主要是农业生产复合污染，畜禽养殖为主要污染源。

1.2 “减源-循环-控污”治理项目的措施

（1）减源措施主要针对种植业、畜禽养殖、水产养殖、生活污水等污染源源头进行治理。其中种植业主要采取化肥农药减量、农田废弃物收集处置等措施；畜禽养殖主要根据“一场一策”思路，针对不同场舍基础条件，因地制宜建设固液分离、厌氧发酵、氧化塘等设施处理污染源；水产养殖主要采取“鱼菜共生”、水生植物种植、曝气等技术进行治理；生活污水则是采取建设三、四格净化池，完善垃圾分类收集等措施进行治理。

（2）循环措施主要有将畜禽养殖废弃物堆沤或厌氧发酵后循环利用或经水田旱地安全消纳、秸秆还田和秸秆收集预处理用于制作饲料或二次加工利用等。

（3）控污措施主要为合理建设生态沟渠、生态塘、生态湿地等生态系统，对面源污染集中区域进行梯级控污，在迁移过程中对污染物进行净化。

1.3 研究方法

1.3.1 污染现状调查采用现场调查与资料收集相结合的办法在治理工程实施前对研究区域进行面源污染情况的调查与分析，参考《第二次全国污染源普查产排污系数手册（生活源）》和《第二次全国污染源普查产排污系数手册（农业源）》估算研究区域面源污染负荷情况。

1.3.2 监测采样针对研究区域内畜禽养殖、水产养殖、农田排水以及居民生活污水排放等典型污染源分布特征布设监测点，每个监测点位按照进、出水口或前段、中段、末段采集1～3处样品，完成监测采样任务共计3次，分别于2020年1月8日、2020年12月2日、2021年1月25日进行第一次、第二次、第三次样品采集。第一次样品为项目建设前各分项治理工程采集的水质对照样品，第二、三次样品分别为项目建设中、建设后相同地点采集的治理后样品。

1.3.3 样品检测与数据分析 COD、TN、TP、氨氮（NH4+-N）分别采用重铬酸盐法、过硫酸钾紫外分光光度法、钼酸铵分光光度法、纳氏试剂分光光度法进行检测。采用Excel、SPSS软件对数据进行分析，使用GraphPad进行绘图。

2 结果与分析

2.1 治理前农业面源污染排放量与分布情况

研究区内常住人口约7 318人，土地总面积1 066.67 hm2，其中耕地面积939.53 hm2，以种植水稻、油菜为主。2020年，畜禽养殖生猪年存栏总量28 170头，鸭存栏9 380羽，肉牛存栏量110头，年产四大家鱼约3 478 t。由表1可知，流域内TN、TP和COD污染物排放总量为2 974.73 t/a，其中TN、TP和COD排放量分别为535.89、71.57和2 367.27 t/a；畜禽养殖、地表径流、种植业和水产养殖污染物排放量占比分别为82.6%、6.3%、6.9%和4.2%，主要的农业面源污染源是畜禽养殖。

2.2 减源技术措施实施效果

减源技术措施包含畜禽养殖、水产养殖、地表径流源头污染的减排。由图1可知，治理项目实施前，养殖场排水第一次水质监测COD、NH4+-N、TN和TP的排放浓度分别为140.00、15.10、25.50和2.74 mg/L，污染物浓度已远超过地表水V类环境标准。畜禽养殖污染防治工程项目实施后，经过厌氧发酵、氧化塘等设备的处理，养殖场排水污染物浓度显著降低，第三次水质监测结果显示COD、NH4+-N、TN和TP的排放浓度分别为25.00、0.94、1.90和0.09 mg/L，较项目实施前分别降低82.14%、93.77%、92.55%和96.72%。

由图2可知，项目实施前，水产养殖尾水第一次水质监测COD、NH4+-N、TN和TP的排放浓度分别为56.00、1.62、7.40和0.38 mg/L，生态水产养殖工程实施后，通过实施“鱼菜共生”、种植浮水植物等措施，鱼塘水质显著改善，第三次水质监测结果显示COD、NH4+-N、TN和TP浓度分别为28.00、0.40、2.21和0.20 mg/L，较项目实施前分别降低50.00%、75.31%、70.14%和47.37%。

由图3可知，生活污水在经四格净化池处理后污染物浓度显著降低。进水口COD、NH4+-N、TN和TP浓度分别为2 610.00、66.70、99.80和30.10 mg/L，而出水口浓度分别为67.00、14.40、28.10和1.47 mg/L，去除率分别为97.43%、78.41%、71.84%和95.12%，表明建设四格净化池能从源头有效降低面源污染排放浓度。

2.3 循环技术措施实施效果

调查显示，研究区内畜禽养殖可利用粪便约12 132.82 t（以生猪计），参考《全国规模化畜禽养殖业污染情况调查及防治对策》及其他学者研究[8]，生猪猪粪中N、P和COD平均含量分别为5.88、3.14和57.03 kg/t。经核算，通过畜禽粪便循环技术，研究区可再利用N、P养分分别达71.34 t和38.09 t，循环利用后COD排放量可减少691.93 t。

2.4 控污技术措施实施效果

控污技术措施指通过构建生态塘、生态沟、生态湿地等对地表径流、种植业、水产养殖面源污染物进行拦截与控制。由图4可知，项目实施后生态塘水体中COD、NH4+-N、TN和TP平均去除率分别为16.70%、32.96%、37.71%和19.88%。

由图5可知，生态沟各段污染物浓度呈波动状态，但总体呈现降低趋势。在第三次采样中，生态沟末端水体中COD、NH4+-N、TN和TP浓度较前端分别降低44.83%、91.20%、28.29%和46.15%。

研究区3处人工湿地主要用于滞留消纳水产养殖鱼塘干塘时排放的尾水，由表2可知，湿地建成后的水质监测结果显示不同湿地出水水质均达到地表水V类水标准，农业面源污染物去除效果显著。

2.5 农业面源污染综合削减量

根据表3可知，通过“减源-循环-控污”治理模式，研究治理区主要污染物TN、TP和COD总排放量分别减排约472.69、66.10和1 866.47 t/a，减排比例分别为88.21%、92.36%和78.84%。

3 结论与讨论

目前针对小流域面源污染的治理以源头预防为主，根据主要面源污染类型进行侧重治理，受区域经济发展水平、农业产业结构差异的影响，不同流域农业面源污染类型也不尽相同[2]。

八形汊长河流域畜禽养殖规模较大，流域内以畜禽养殖污染为最主要污染源，通过采取“粪污资源化利用为主，达标排放为辅”的处理方式，合理规划粪污利用途径，减轻粪污处理设备负荷，降低运维成本，项目实施后养殖排水已达到DB43/1665—2019湖南省农村生活污水处理设施水污染物排放标准的一级标准。

因研究区居民居住较分散，村域地表径流污染采取四格净化池与生态塘协同处理的方式，该技术具有建设成本低、无动力和易维护的特点[9]。从处理效果来看，四格净化池出水达到了农村生活污水处理设施排放二级标准，与田日昌等[10]的研究监测结果相似，后续四格净化池出水还可用于菜地、植物的灌溉。

研究通过对生态沟渠、生态塘、生态湿地等进行合理的植物配置和生态改造，对径流污染物进行拦截消纳[11]。不少研究表明，生态处理系统对TN、TP、COD有较好的净化效果。例如：王迪等[12]对生态沟渠净化拦截效果进行了持续监测，发现生态沟渠对TN和NH4+-N的平均去除率分别为48.7%和58.3%；蒋倩文等[13]的研究结果表明，生态湿地对农田排水TN、TP去除率均大于85%。该研究中生态处理系统对COD、NH4+-N、TN和TP的综合去除率分别为58.22%、74.33%、60.11%和61.05%，略低于蒋倩文等[14]的研究，可能是由于采样时间均为寒冷的冬季，水生植物部分枯萎或代谢降低，导致系统整体去污能力降低，但总体拦截净化效果较好，流域出水水质相对稳定。在第三次生态沟监测采样任务中，沟渠中段污染物浓度骤升，推测是部分收尾工程扰动了底泥导致。

总体而言，“减源-循环-控污”治理模式在沅江八形汊长河流域应用效果较好，有效降低了农业面源污染对流域的影响，为后续洞庭湖区小流域面源污染治理提供借鉴。

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（责任编辑：王婷）

收稿日期：2023-12-06