四川山區(qū)農(nóng)村面源污染負(fù)荷估算與評(píng)價(jià)

劉 菊，傅 斌，王玉寬，徐 佩

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四川山區(qū)農(nóng)村面源污染負(fù)荷估算與評(píng)價(jià)

劉 菊1,2，傅 斌1,3，王玉寬1,3※，徐 佩1,3

（1. 中國科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049； 3.萬州典型區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測重點(diǎn)站，重慶 404020）

對(duì)農(nóng)村面源污染物負(fù)荷的估算、來源分析及控制措施制定是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。利用輸出系數(shù)模型和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與權(quán)衡綜合評(píng)價(jià)模型（Integrate valuation of ecosystem services and tradeoffs tool，InVEST模型）估算寶興縣面源污染物總氮（TN）、總磷（TP）負(fù)荷，并結(jié)合水環(huán)境功能分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，分析面源污染物的超標(biāo)情況。旨在揭示山區(qū)農(nóng)村面源污染治理的空間異質(zhì)性，為農(nóng)村面源污染防治規(guī)劃、山區(qū)水環(huán)境治理效率的提升提供科學(xué)依據(jù)。結(jié)果表明，1）2010年寶興縣面源污染物TN、TP負(fù)荷分別為1 156.44、81.41 t/a，TN、TP負(fù)荷的空間格局整體上呈現(xiàn)出分布不均，局部集中，靠近水體的規(guī)律；2）不同污染源對(duì)TN、TP負(fù)荷的貢獻(xiàn)率大小順序均為：畜禽養(yǎng)殖>農(nóng)業(yè)用地>農(nóng)村生活；3）從流域尺度看，寶興縣TN、TP負(fù)荷沒有超過III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的污染物負(fù)荷閾值；而從30 m×30 m柵格尺度看，寶興縣TN、TP超標(biāo)量分別為763.63、51.16 t/a，其超標(biāo)區(qū)域主要集中在耕地、草地、居民地以及靠近水體的地方，以上超標(biāo)區(qū)域即為面源污染控制和治理的關(guān)鍵區(qū)域。

農(nóng)業(yè)；污染；模型；水環(huán)境功能分區(qū)；產(chǎn)水量；空間差異

0 引 言

隨著城市和工業(yè)點(diǎn)源污染逐步得到有效的控制，山區(qū)農(nóng)村面源污染成為導(dǎo)致水環(huán)境惡化的主要原因之一[1]。同時(shí)農(nóng)村面源污染已成為制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和農(nóng)村水環(huán)境質(zhì)量改善的重要原因[2]，因此，量化農(nóng)村面源污染以確定重點(diǎn)控制區(qū)域，是進(jìn)行非點(diǎn)源污染管理的主要途徑，同時(shí)也是研究的熱點(diǎn)問題之一。

輸出系數(shù)模型是應(yīng)用較廣的估算面源污染負(fù)荷的方法，在北京[3]、三峽庫區(qū)[4]等地區(qū)都得到了應(yīng)用。并且其原理簡單，所需參數(shù)少，又具有一定的精度[5]，被認(rèn)為是較為可靠的方法，可以模擬缺乏長時(shí)間系列監(jiān)測數(shù)據(jù)的大中尺度流域面源污染的年負(fù)荷量[6]。此外，面源污染輸出系數(shù)的應(yīng)用并不局限于輸出系數(shù)模型，事實(shí)上所有的輸出系數(shù)模型和許多復(fù)雜的機(jī)理模型都依賴于污染物輸出系數(shù)來估算大流域污染物的產(chǎn)生和輸移[7]。然而，輸出系數(shù)模型主要考慮人為因素對(duì)農(nóng)村面源污染負(fù)荷的影響，并沒有考慮地形地貌、降雨量、土壤、植被等自然因素對(duì)農(nóng)村面源污染輸出的影響。在眾多影響因素中，降雨和地形是影響面源污染的關(guān)鍵因素[8]。蔡明等[9]在傳統(tǒng)的輸出系數(shù)模型中引入了降雨影響系數(shù)和流域損失系數(shù)2個(gè)參數(shù)，估算渭河流域的TN負(fù)荷量，取得了較好的估算結(jié)果，但其并未考慮地形因素對(duì)面源污染輸出量的影響。有學(xué)者結(jié)合DEM、土地利用和降雨資料（即考慮地形和降雨）對(duì)三峽地區(qū)面源污染負(fù)荷進(jìn)行研究，結(jié)果表明改進(jìn)后的模型能夠使模擬誤差大幅度降低[10]。有些學(xué)者嘗試著將分布式水文模型以及3S技術(shù)與輸出系數(shù)模型相結(jié)合，同時(shí)考慮降雨的時(shí)間和空間差異以及地形對(duì)污染物輸出的影響。如龍?zhí)煊宓萚4]結(jié)合SLURP分布式水文模型，在輸出系數(shù)模型中引入了污染負(fù)荷系數(shù)，用以表征降水、產(chǎn)流等將流域上產(chǎn)生的非點(diǎn)源污染物轉(zhuǎn)換成流域出口污染負(fù)荷的強(qiáng)弱程度。耿潤哲等[11]使用SWAT分布式模型模擬評(píng)價(jià)密云水庫流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷分布特征，結(jié)果表明降雨的時(shí)空異質(zhì)性是非點(diǎn)源污染產(chǎn)生的重要影響因素。由于簡單的輸出系數(shù)模型忽略了影響面源污染負(fù)荷的關(guān)鍵因素而復(fù)雜的機(jī)理模型對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)要求嚴(yán)格，故本研究使用輸出系數(shù)模型與InVEST模型估算和評(píng)價(jià)山區(qū)面源污染物負(fù)荷。InVEST模型是由美國斯坦福大學(xué)、世界自然基金會(huì)和大自然保護(hù)協(xié)會(huì)聯(lián)合開發(fā)的量化和價(jià)值化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的綜合模型[12]。其中，水質(zhì)凈化模塊不僅考慮了降雨和地形因素對(duì)面源污染物的影響，還考慮了土壤和植被等對(duì)上游污染物的截留作用。該模型結(jié)合GIS工具，能夠體現(xiàn)不同尺度的面源污染物輸出的空間差異，適合于降雨空間分布不均以及多山地區(qū)流域面源污染輸出的模擬。

除了估算與分析面源污染的排放來源及負(fù)荷以外，評(píng)估面源污染對(duì)水質(zhì)的危害后果及程度也得到較多的關(guān)注。因?yàn)椋谟邢薜慕?jīng)費(fèi)和時(shí)間內(nèi)，不可能對(duì)所有的區(qū)域都加以治理，必須分清輕重緩急，首先治理危害性最大的區(qū)域[13]。面源污染對(duì)水質(zhì)的危害程度不僅取決于污染物負(fù)荷的大小，還取決于受納水體的保護(hù)目標(biāo)和納污能力。嚴(yán)素定等[14-15]將面源污染排放與水環(huán)境功能分區(qū)掛鉤，通過面源污染物排放量與水資源量相除得到污染物排放濃度，將此濃度與水環(huán)境功能分區(qū)的水質(zhì)控制類別標(biāo)準(zhǔn)值相比得到面源污染水質(zhì)指數(shù)，以反映面源污染對(duì)當(dāng)?shù)厮h(huán)境產(chǎn)生的實(shí)際影響和污染壓力，更為準(zhǔn)確地判斷農(nóng)村面源污染的嚴(yán)重程度，從而為制定有針對(duì)性的面源污染防治對(duì)策與措施提供依據(jù)。

本研究在結(jié)合水環(huán)境功能分區(qū)的基礎(chǔ)上，估算了面源污染物的超標(biāo)情況，直觀地揭示山區(qū)面源污染的空間異質(zhì)性。首先利用輸出系數(shù)模型，結(jié)合研究區(qū)土地利用、畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)村生活等實(shí)際情況，計(jì)算出研究區(qū)農(nóng)村面源污染物TN和TP的負(fù)荷，以此為基礎(chǔ)，借助InVEST模型的水質(zhì)凈化模塊，在綜合考慮地形地貌、降雨量、土壤和植被等因素的影響下，進(jìn)行研究區(qū)面源污染物TN和TP負(fù)荷及其空間差異情況分析，最后，結(jié)合研究區(qū)水環(huán)境功能分區(qū)的水質(zhì)控制類別標(biāo)準(zhǔn)值，從污染源排放與水質(zhì)評(píng)估層面分析研究區(qū)TN和TP超標(biāo)量及分布。本研究旨在揭示山區(qū)面源污染治理的空間異質(zhì)性，確定其重點(diǎn)控制和治理區(qū)域，為農(nóng)村面源污染防治規(guī)劃、山區(qū)環(huán)境治理效率的提升提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

寶興縣位于四川盆地西部邊緣，地理位置為102°25′～103°02′E，30°09′～30°56′N。地形以山地為主，山地面積占幅員的99.7%，是典型的山區(qū)縣。寶興縣屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候區(qū)，受山地地形影響（海拔范圍750～5 328 m），氣候出現(xiàn)垂直帶譜，呈現(xiàn)典型立體氣候，年平均氣溫14.1 ℃，年平均降雨量993.7 mm?？h內(nèi)植被保存完整，覆蓋度達(dá)80%以上，系青衣江發(fā)源地。縣內(nèi)有寶興河貫穿全境，流域面積3 010 km2，寶興縣縣域范圍與寶興河流域范圍基本一致。寶興縣是長江上游重要的水源涵養(yǎng)區(qū)和洪水控制區(qū)，也是全球生物多樣性的熱點(diǎn)地區(qū)。

寶興縣隸屬于四川省雅安市，全縣總面積3 114 km2，下轄9個(gè)行政鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）、55個(gè)行政村，有17個(gè)少數(shù)民族。2010年末，全縣共有18 175戶，總?cè)丝?8 335人，人口密度為18.73人/km2，其中農(nóng)業(yè)人口45 980人，占總?cè)丝诘?8.82%。2010年，寶興縣GDP為14.67億元，農(nóng)民人均純收入達(dá)5 456元。2010年全縣畜禽養(yǎng)殖情況為牛存欄量3.84萬頭，羊存欄量3.63萬頭，豬出欄量5.85萬頭，家禽出欄量13.48萬只。根據(jù)全國第二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)，該縣共有農(nóng)用地2 993.79 km2，占全縣的96.13%。農(nóng)用地中林地（2 404.14 km2）面積最大，其次為草地（498.05 km2），而園地（36.00 km2）、旱地（51.98 km2）和水田（3.62 km2），3者共占農(nóng)用地的2.94%。由于寶興縣自然村落較多，農(nóng)民居住相對(duì)分散，生活垃圾、人畜糞便不能得到有效處理，農(nóng)藥和化肥的使用也造成了一定的面源污染?！秾毰d縣十二五生態(tài)環(huán)保規(guī)劃》明確指出在創(chuàng)建國家級(jí)生態(tài)縣中主要制約的因素就是農(nóng)村面源污染。寶興縣水系及土地利用見圖1。

2 研究方法

2.1 輸出系數(shù)模型

2.1.1 模型介紹

輸出系數(shù)模型所需參數(shù)少，操作簡便，是較為可靠的方法用來模擬缺乏長時(shí)間系列監(jiān)測數(shù)據(jù)的大中尺度流域面源污染的年負(fù)荷量。1996年Johns 等在前人研究的基礎(chǔ)上，綜合考慮土地利用類型、人口和牲畜數(shù)量等因素對(duì)面源污染的影響，提出了更為細(xì)致、完備的輸出系數(shù)模型計(jì)算污染物輸出負(fù)荷。計(jì)算方程為[3,16]

式中L為污染物在流域的總負(fù)荷量，kg/a；為流域中的土地利用類型，共種；E為污染物在第種土地利用類型中的輸出系數(shù)，kg/hm2；或第種畜禽每頭排污系數(shù)，kg/a；或人口每人輸出系數(shù)，kg/a；A為流域中第種土地利用類型的面積，hm2；或第種畜禽數(shù)量，頭或只；或人口數(shù)量，人；為由降雨輸入的污染物總量，kg/a，本研究未考慮此項(xiàng)。主要原因如下：首先研究區(qū)缺少相關(guān)監(jiān)測和研究，難以獲得雨水中TN、TP含量或者大氣濕沉降速率。其次，根據(jù)寶興縣環(huán)境保護(hù)局公布信息，研究區(qū)大氣中SO2、NO2和總懸浮顆粒物的日均值長期優(yōu)于《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB3095-1996中一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)此推斷研究區(qū)降雨污染物輸入比與其他來源污染物輸入少得多。

2.1.2 輸出系數(shù)

輸出系數(shù)的合理取值是準(zhǔn)確估算面源污染物負(fù)荷的關(guān)鍵。根據(jù)公式（1）農(nóng)村面源污染負(fù)荷主要從農(nóng)業(yè)用地、畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)村生活污水及廢棄物3個(gè)方面來考慮，其中，畜禽養(yǎng)殖主要考慮牛、豬、羊和家禽。

由于寶興縣不同土地利用的輸出系數(shù)尚無相關(guān)調(diào)研工作或試驗(yàn)依據(jù)支撐，故參考國內(nèi)相似自然條件下其他地區(qū)的研究如劉瑞民等[17]在長江上游、Fu等[18]在寶興縣、梁常德等[19]在長江干流寸灘斷面至長江源頭的研究結(jié)果，確定本研究區(qū)不同農(nóng)業(yè)用地類型的TN、TP污染物輸出系數(shù)取值（表1）。

表1 不同土地利用類型的輸出系數(shù)

畜禽養(yǎng)殖的面源污染物輸出系數(shù)參照第一次全國農(nóng)業(yè)污染源普查確定的西南區(qū)養(yǎng)殖專業(yè)戶的畜禽不同飼養(yǎng)階段的排污系數(shù)結(jié)合在研究區(qū)的實(shí)地調(diào)查而確定，見表2。畜禽飼養(yǎng)周期參考國家環(huán)保部公布的數(shù)據(jù)以及實(shí)地調(diào)查確定：牛、羊取365 d；豬取300 d；家禽取210 d。因畜禽養(yǎng)殖污染物排放的具體位置難以確定，本研究按照面積進(jìn)行均攤，畜禽養(yǎng)殖可分為圈養(yǎng)和放養(yǎng)，故結(jié)合鄉(xiāng)鎮(zhèn)畜禽養(yǎng)殖統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)邊界以及土地利用數(shù)據(jù)，將畜禽養(yǎng)殖的面源污染輸出分?jǐn)傇诰用竦睾涂煞拍恋牟莸兀ㄔ摽h高海拔天然牧草地因參加天保工程而被保護(hù)，禁止放牧）上。

表2 畜禽養(yǎng)殖的排污系數(shù)Table 2 Pollutants discharge coefficients of livestock and poultry breeding g·(頭·d)-1

注：羊的排污系數(shù)按3只羊等于1只豬來折算。家禽排污系數(shù)以肉雞為例。

Note: Pollutants discharge coefficients of three sheep are equal to the coefficients of one pig. Pollutants discharge coefficients of chicken represent the coefficients of poultry.

農(nóng)村生活方面的面源污染物輸出系數(shù)通過如下方法確定：根據(jù)《四川省用水定額（修訂稿）》（川水發(fā)[2010]4號(hào)），農(nóng)村居民與城鎮(zhèn)居民生活用水量分別為90 L/(人·d)、100 L/(人·d)，參考袁曉燕等[20]研究，村鎮(zhèn)生活污水中TN、TP的質(zhì)量濃度分別為118.9、9.75 mg/L，選取排水系數(shù)0.60，得到研究區(qū)農(nóng)村人口與城鎮(zhèn)人口的TN輸出系數(shù)分別為2.34、2.60 kg/a，TP輸出系數(shù)分別為0.19、0.21 kg/a。根據(jù)村尺度人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、村界和土地利用數(shù)據(jù)將農(nóng)村生活方面的面源污染輸出分?jǐn)傇诰用竦厣稀?/p>

2.2 InVEST模型

本研究使用的模型版本為InVEST 2.4.1，主要使用“產(chǎn)水”和“水質(zhì)凈化”2個(gè)模塊。

2.2.1 產(chǎn)水模塊

InVEST模型產(chǎn)水模塊根據(jù)水量平衡原理，基于氣候、地形和土地利用來計(jì)算流域每個(gè)柵格的徑流量。產(chǎn)水量為區(qū)域上每個(gè)柵格單元的降雨量減去實(shí)際蒸發(fā)量，而降雨量與蒸發(fā)量之間的平衡與其他一系列的氣象要素、土壤特征和地表覆蓋（土地利用類型或植被覆蓋類型）等密切相關(guān)。該模塊已經(jīng)在阿根廷南部丘布特河流域[21]，美國俄勒岡州西北部的圖拉丁河流域[22]，中國三江源區(qū)[23]、都江堰市[24]、密云水庫流域[25]等區(qū)域進(jìn)行了應(yīng)用，模塊計(jì)算原理如下[26]

式中Y為第土地利用/覆被類型柵格的年產(chǎn)水量，mm；P為柵格單元的年均降雨量，mm；AET為第土地利用/覆被類型上柵格的實(shí)際年均蒸散發(fā)量，mm；該模塊需要的數(shù)據(jù)主要包括年均降雨量、潛在蒸散量、土地利用/覆被圖、土壤深度、最大根系深度、植被可利用水和蒸散系數(shù)等。其中，潛在蒸散量的獲得根據(jù)InVEST模型推薦的數(shù)據(jù)難以獲取的地區(qū)使用Modified-Hargreaves方法[27]。

2.2.2 水質(zhì)凈化模塊

植物和土壤可以通過儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)換等方式移除或減少徑流中的營養(yǎng)鹽污染物以達(dá)到凈化水質(zhì)的作用。InVEST模型中的水質(zhì)凈化模塊即是用于評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)中植被和土壤的水質(zhì)凈化功能以及污染物輸出情況。計(jì)算公式如下[26]

ALV=HHSx·pol（3）

（4）

式中ALV是柵格的調(diào)整后輸出值，HSS是柵格的水文敏感性得分，pol是柵格的輸出系數(shù)。λ是徑流指數(shù)，λ表示集水區(qū)平均徑流指數(shù)。是流向柵格的所有柵格產(chǎn)水量之和（也包括柵格自身的產(chǎn)水量）。

計(jì)算出每一柵格的污染物調(diào)整輸出值后，模型根據(jù)坡度決定水流的路徑以及土地覆被對(duì)污染物的凈化能力，計(jì)算污染物隨地表徑流運(yùn)移過程中下游各柵格對(duì)污染物的截留量以及各柵格的污染物負(fù)荷，詳細(xì)計(jì)算過程見InVEST模型用戶手冊[26]。

該模塊需要的數(shù)據(jù)主要包括DEM、土地利用/覆被、土地利用/覆被TN、TP輸出系數(shù)、土地利用/覆被污染物凈化效率、產(chǎn)水量數(shù)據(jù)等。其中，產(chǎn)水量數(shù)據(jù)由產(chǎn)水模塊的結(jié)果提供，不同土地利用/覆被類型對(duì)TN、TP的凈化效率取值主要參考模型用戶手冊、相關(guān)文獻(xiàn)[18]以及研究區(qū)實(shí)際情況確定（表3）。

表3 不同土地利用/覆被污染物凈化效率

2.3 面源污染物超標(biāo)量估算

本研究結(jié)合水環(huán)境功能區(qū)劃規(guī)定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，更加直觀地反映面源污染的嚴(yán)重程度及其空間分布。面源污染物超標(biāo)量計(jì)算公式如下

式中M為第種面源污染物超標(biāo)量，g；e為每個(gè)柵格上污染物的負(fù)荷，mg；y為每個(gè)柵格上的產(chǎn)水量，L；Cs為水質(zhì)類別執(zhí)行水質(zhì)類別標(biāo)準(zhǔn)中第種污染物濃度閾值，mg/L。

按照《四川省水功能區(qū)劃》、《成都市地面水水域環(huán)境功能類別劃分管理規(guī)定》，寶興縣地表水功能區(qū)水質(zhì)類別執(zhí)行III類水域標(biāo)準(zhǔn)。用污染物輸出濃度與《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）III類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（TN濃度≤1.0mg/L，TP濃度≤0.2 mg/L）相比較，得到TN、TP超標(biāo)區(qū)域與超標(biāo)量。

2.4 數(shù)據(jù)來源

2010年寶興縣55個(gè)村人口數(shù)據(jù)來源于寶興縣統(tǒng)計(jì)局，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)畜禽養(yǎng)殖情況來源于《2010年寶興縣農(nóng)業(yè)年報(bào)》；寶興縣DEM（30 m×30 m）數(shù)據(jù)來自全國生態(tài)環(huán)境十年變化遙感調(diào)查項(xiàng)目；寶興縣土地利用圖來自第二次全國土地調(diào)查項(xiàng)目；土壤顆粒組成（黏粒、粉粒、砂粒）、土壤深度和土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)來自第二次全國土壤普查項(xiàng)目；氣象數(shù)據(jù)（1981－2010年日最高溫、日最低溫、日降雨量、太陽輻射量）通過中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)下載和四川省氣象站購買獲得。此外還有寶興縣水文站、環(huán)境監(jiān)測站實(shí)測數(shù)據(jù)用于模型校驗(yàn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 產(chǎn)水量

圖2顯示了寶興縣產(chǎn)水量的評(píng)估結(jié)果，全縣多年平均產(chǎn)水深為852.89 mm，多年平均產(chǎn)水量為26.33億m3。與寶興縣水文站多年徑流監(jiān)測結(jié)果28億m3相比較，模擬產(chǎn)水量的相對(duì)誤差為5.96%。寶興縣產(chǎn)水量的空間格局是縣域東北部與西南部高于縣域西北部和東南部，這主要與降水的空間分布有關(guān)，同時(shí)也受到復(fù)雜地形的影響。

3.2 面源污染物TN、TP負(fù)荷

寶興縣農(nóng)村面源污染TN、TP負(fù)荷計(jì)算結(jié)果如表4所示。2010年寶興縣TN和TP負(fù)荷分別為1 156.44、81.41 t。根據(jù)寶興縣多年實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)（2009－2015年出界水質(zhì)監(jiān)測斷面多年平均TN濃度為0.434 mg/L，TP濃度為0.031 mg/L，寶興縣多年平均徑流量為28億m3）計(jì)算出的研究區(qū)TN、TP負(fù)荷分別為1 215.20、86.80 t（研究區(qū)點(diǎn)源污染較少，故在本研究中忽略不計(jì)）。模型模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果較為接近，模型模擬TN、TP負(fù)荷相對(duì)誤差分別為4.84%、6.21%，表明本研究選取的輸出系數(shù)合理可靠，符合模型的輸出要求。

不同污染源類型產(chǎn)生的TN負(fù)荷以及對(duì)TN負(fù)荷的貢獻(xiàn)率的大小順序?yàn)椋盒笄蒺B(yǎng)殖>農(nóng)業(yè)用地>農(nóng)村生活。TN負(fù)荷的污染源主要是畜禽養(yǎng)殖，而由于全縣人口較少，農(nóng)村生活對(duì)TN輸出貢獻(xiàn)率僅為12.08%。污染源類型對(duì)TP負(fù)荷貢獻(xiàn)率的影響與對(duì)TN污染負(fù)荷的影響規(guī)律相同，但畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)村生活對(duì)TP負(fù)荷的貢獻(xiàn)比例有所增加。

表4 2010年寶興縣面源污染物TN、TP負(fù)荷

寶興縣面源污染物TN、TP負(fù)荷的空間格局如圖3所示，從圖中可以看出TN、TP負(fù)荷分布較為一致，整體上呈現(xiàn)出分布不均，局部集中，靠近水體的規(guī)律，與耿潤哲等[11]在密云水庫流域的研究結(jié)果一致。

3.3 面源污染物TN、TP超標(biāo)量及其空間分布

2010年，寶興縣地表水功能區(qū)水質(zhì)類別執(zhí)行III類水域標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)以及寶興縣多年平均產(chǎn)水量（28億m3）計(jì)算出寶興縣TN、TP負(fù)荷閾值分別為2 800、560 t。本研究估算的寶興縣TN、TP負(fù)荷分別為1 156.44、81.41 t，通過與III類水質(zhì)污染物負(fù)荷閾值對(duì)比可得：從流域尺度上看，寶興縣面源污染物TN、TP負(fù)荷不存在超標(biāo)情況。而從柵格尺度（30 m×30 m）上看，根據(jù)每個(gè)柵格面源污染物負(fù)荷、產(chǎn)水量，以及III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，使用公式（6）計(jì)算出寶興縣面源污染物超標(biāo)量。寶興縣TN超標(biāo)量為763.63 t，占TN負(fù)荷的66.03%；TP超標(biāo)量為51.16 t、占TP負(fù)荷的62.84%。

山區(qū)面源污染物TN、TP超標(biāo)量存在明顯的空間差異（圖4）。從柵格尺度看，寶興縣TN超標(biāo)范圍在0.000 36～1 772.4 kg/hm2之間，平均值為69.20 kg/hm2，標(biāo)準(zhǔn)差為103.84 kg/hm2。寶興縣TP超標(biāo)范圍在0.003 6～144.52 kg/hm2之間，平均值為10.21 kg/hm2，標(biāo)準(zhǔn)差為8.68 kg/hm2。寶興縣面源污染物TN、TP超標(biāo)的空間格局較為相似，面源污染物超標(biāo)區(qū)域主要分布在耕地、草地、居民地以及靠近水體的區(qū)域。

4 討 論

寶興縣不同污染源類型對(duì)農(nóng)村面源污染貢獻(xiàn)率差異較大。其中，農(nóng)村生活對(duì)面源污染貢獻(xiàn)率最小，畜禽養(yǎng)殖對(duì)面源污染物TN、TP負(fù)荷的貢獻(xiàn)率最大，因此為減少面源污染，應(yīng)對(duì)畜禽糞尿進(jìn)行重點(diǎn)治理，防止糞尿中的污染物進(jìn)入水體。畜禽養(yǎng)殖污染治理包括建設(shè)沼氣池、田間池、專業(yè)戶糞污綜合利用設(shè)施[28]。此外，農(nóng)業(yè)用地產(chǎn)生的面源污染所占比例也較大，應(yīng)優(yōu)化土地利用格局，合理利用土地，提高肥料利用率，推行少耕或免耕技術(shù)。

山區(qū)農(nóng)村面源污染負(fù)荷以及超標(biāo)量均存在明顯的空間差異（圖3和圖4），其中農(nóng)村面源污染負(fù)荷的空間差異取決于污染源污染強(qiáng)度，土地利用狀況、植被、河道、降雨、地形、人為管理等因素（在本文中沒有考慮）和自然環(huán)境因素的空間不均勻性[29]。而面源污染超標(biāo)的空間差異不僅取決于污染物負(fù)荷的大小，還取決于受納水體的水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)和納污能力的空間差異。因此，在進(jìn)行山區(qū)農(nóng)村面源污染治理和預(yù)防時(shí)，若忽略其空間異質(zhì)性，采用針對(duì)平原地區(qū)的治理方式，會(huì)造成治理投入針對(duì)性不強(qiáng)，治理效率低等情況。已有研究指出，在面積較大的流域，明確面源污染負(fù)荷較高的區(qū)域作為關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)區(qū)是非常重要和必要的工作[30-31]。而本研究認(rèn)為，在明確面源污染負(fù)荷較高的區(qū)域的基礎(chǔ)上，再根據(jù)受納水體的水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)和納污能力閾值識(shí)別出面源污染超標(biāo)區(qū)域作為治理的優(yōu)先區(qū)，能提高山區(qū)農(nóng)村面源污染的治理效率，為污染控制和流域管理提供依據(jù)。

5 結(jié) 論

本研究通過輸出系數(shù)模型和InVEST模型水質(zhì)凈化模塊，在實(shí)地調(diào)研的基礎(chǔ)上，參考已有研究成果，結(jié)合降雨、地形地貌、植被與土壤等自然因素估算寶興縣農(nóng)村面源污染物TN、TP負(fù)荷，并根據(jù)水環(huán)境功能分區(qū)，分析寶興縣農(nóng)村面源污染超標(biāo)情況。得到結(jié)論如下：

1）寶興縣農(nóng)村面源污染物TN、TP負(fù)荷分別為1 156.44、81.41 t/a，TN、TP負(fù)荷的空間格局較為一致，整體上呈現(xiàn)出分布不均，局部集中，靠近水體的規(guī)律。

2）不同污染源對(duì)TN和TP負(fù)荷的貢獻(xiàn)率大小順序均為：畜禽養(yǎng)殖>農(nóng)業(yè)用地>農(nóng)村生活。對(duì)于寶興縣而言，畜禽養(yǎng)殖是最主要的污染源。因此，為減少面源污染，應(yīng)對(duì)畜禽糞尿進(jìn)行重點(diǎn)治理，防止糞尿中的污染物進(jìn)入水體。此外，合理利用農(nóng)業(yè)用地并且減少化肥的使用仍需引起重視。

3）從流域尺度上，寶興縣TN、TP負(fù)荷均小于III類水質(zhì)污染物負(fù)荷閾值，其面源污染負(fù)荷不存在超標(biāo)情況。而從柵格尺度（30 m×30 m）上看，根據(jù)柵格尺度上污染物負(fù)荷、產(chǎn)水量以及III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出寶興縣TN、TP超標(biāo)量分別為763.63、51.16 t/a，并且TN、TP超標(biāo)量存在明顯的空間差異，其超標(biāo)區(qū)域主要分布在耕地、草地、居民地以及靠近水體的區(qū)域，以上超標(biāo)區(qū)域即為面源污染控制和治理的關(guān)鍵區(qū)域。

本研究揭示山區(qū)面源污染物TN、TP負(fù)荷的空間異質(zhì)性，找出面源污染超標(biāo)區(qū)域，為農(nóng)村面源污染防治規(guī)劃、山區(qū)環(huán)境治理效率的提升提供科學(xué)依據(jù)。但本研究中輸出系數(shù)取值以及InVEST模型中參數(shù)設(shè)置主要通過查閱文獻(xiàn)與參考模型手冊推薦數(shù)據(jù)獲得，在今后的研究中應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研與試驗(yàn)，獲取更為可靠的輸出系數(shù)與模型參數(shù)，以提高研究準(zhǔn)確性與合理性。

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Estimation and evaluation of non-point source pollutants loads in mountainous area of Sichuan

Liu Ju1,2, Fu Bin1,3, Wang Yukuan1,3※, Xu Pei1,3

(1.610041,; 2.100049,; 3.404020,)

Non-point source (NPS) pollution produced from agricultural production activity is one of the largest threats to water environment. The management and control of NPS pollutants to achieve the goals of improving surface water quality have gotten an increasing concern throughout the world. Because of the heterogeneity of key driving factors in NPS pollutions such as terrain, precipitation, and vegetation type, the management of NPS pollution in mountainous areas needs more meticulous effort than the plain areas. In this research, considering the characteristics of the spatial heterogeneity of the natural and human factors in mountainous areas, the loads of NPS pollutants, such as total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) are evaluated by the export coefficient model and the InVEST (integrate valuation of ecosystem services and tradeoffs tool), which is a water purification model. The excesses of NPS pollutants are analyzed according to the water environmental function zoning. The research is intended to reveal the spatial difference of NPS pollution in mountainous areas, determine the key regions for management, and provides a foundation for regional pollution control planning and environmental management efficiency promotion in mountainous areas. The method to estimate and evaluate NPS pollutants loads is developed based on the export coefficient model and InVEST water purification model, and is successfully applied to the case study of Baoxing County, showing the applicability of this method for mountainous areas. The results indicate that: 1) TN and TP loads in Baoxing County are respectively 1 156.44 and 81.41 t/a in 2010, and the spatial distribution of TN and TP loads has the characteristics of uneven distribution, local concentration, and closing to the water. 2) The contributions to pollution from various types of pollutant sources are different. The magnitude order for the contribution from various types of pollutant sources is livestock and poultry breeding > agricultural land > rural life. As above mentioned, the contribution of the livestock and poultry breeding to NPS pollution is the biggest and sustainable resource management should be prioritized in an effort to reduce the burden. Such management practices may involve building methane tanks, field ponds and the comprehensive utilization of waste facilities, which are aimed to reduce the level of NPS pollutant export into water bodies. 3) Compared with the pollutants thresholds of water quality standard at Class III at the watershed scale, the total amounts of TN and TP loads in Baoxing County do not exceed the thresholds. However, at the 30 m × 30 m grid scale, according to the pollutant load, water yield and water quality standard at Class III, TN and TP excesses in Baoxing County are calculated, and the results are respectively 763.63 and 51.16 t/a. The excesses of NPS pollutants in mountainous areas show significant spatial variation. The regions in which TN and TP loads exceed the thresholds are mainly distributed in cultivated land, grassland, residential land and the regions near the water, and these regions are the key regions for NPS pollution control and management.

agriculture; pollution; models; water environmental function zoning; water yield; spatial variation

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.24.029

X522

A

1002-6819(2016)-24-0218-08

2016-04-25

2016-06-11

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41371539）；中國科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目（Y2R2180180）；中-挪生物多樣性與氣候變化項(xiàng)目四川省分項(xiàng)目（C/IV/S/11/242-02）

劉菊，博士生，主要從事生態(tài)補(bǔ)償、流域生態(tài)與管理方面的研究。成都 中科院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所610041。 Email：liuju0607@163.com

王玉寬，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事流域生態(tài)與管理、水土保持方面的研究。成都 中科院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所610041。Email：wangyukuan@imde.ac.cn