三峽庫區(qū)蘭陵溪小流域農(nóng)業(yè)面源污染排放特征解析*

胡文杰 王曉榮# 付 甜 唐萬鵬 崔鴻俠 潘 磊 徐 燕

(1.湖北省林業(yè)科學(xué)研究院，湖北 武漢 430075；2.秭歸縣林業(yè)科學(xué)技術(shù)推廣中心，湖北 宜昌 443600)

近年來，面源污染引起的環(huán)境問題日漸突出[1]，給土壤、大氣及水體環(huán)境帶來了明顯的負(fù)面影響[2-3]，已成為當(dāng)前主要的環(huán)境問題之一。在不同類型的面源污染中，農(nóng)業(yè)面源污染物排放量最大，是最主要的貢獻(xiàn)者[4]。受污染物的遷移、環(huán)境條件、地形條件、土地利用方式等多重因素的影響，農(nóng)業(yè)面源污染的定量評(píng)價(jià)存在一定難度[5]，因此，分析評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)面源污染特征，解析主要污染源對(duì)面源污染防治并提升環(huán)境質(zhì)量具有重要意義。當(dāng)前，農(nóng)業(yè)面源污染物排放量的計(jì)算方法有多種[6-8]，其中，排污系數(shù)法所需參數(shù)較少，具有較強(qiáng)的操作性和實(shí)用性。

圍繞三峽庫區(qū)嚴(yán)重的面源污染問題，較多學(xué)者已從面源污染變化量、污染源劃分、農(nóng)村生活污水等方面開展了大量研究[9-13]，但這些研究區(qū)域大多集中在三峽庫區(qū)重慶段，針對(duì)小流域的研究較少，導(dǎo)致目前對(duì)三峽庫區(qū)湖北段小流域面源污染特征了解不足。有研究表明，小流域水體污染是造成農(nóng)業(yè)面源污染的主要原因之一[14]。蘭陵溪小流域位于宜昌市秭歸縣，緊鄰長(zhǎng)江干流，人為活動(dòng)頻繁，小流域水體水環(huán)境質(zhì)量為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)的Ⅴ類水平[15]，對(duì)長(zhǎng)江干流的水體質(zhì)量安全產(chǎn)生了嚴(yán)重威脅。本研究基于面源污染調(diào)查估算蘭陵溪小流域農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷，并對(duì)主要污染源和污染物進(jìn)行劃分，為該區(qū)域面源污染治理防護(hù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖北省秭歸縣茅坪鎮(zhèn)蘭陵溪小流域(30°51′21″～30°51′34″ N，110°53′27″～110°54′50″ E)，面積約144.4 hm2，氣候?qū)賮啛釒Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年均氣溫18 ℃，年均空氣相對(duì)濕度77%，無霜期307 d，年均日照時(shí)數(shù)1 624.8 h，年均降雨量991.90 mm，其中5—9月降雨量占全年總降雨量的70%。蘭陵溪小流域地形西高東低，最高海拔2 056 m，最低海拔40 m。研究區(qū)用地類型多樣，以園地和耕地為主，多種植茶葉、柑橘等經(jīng)濟(jì)作物，少量耕地零星種植花生、玉米、紅薯等，研究區(qū)人為活動(dòng)較為活躍。三峽大壩位于秭歸縣，蘭陵溪小流域緊鄰長(zhǎng)江干流，流域內(nèi)有若干小河道，以前常有居民在江邊圍網(wǎng)養(yǎng)魚或用網(wǎng)箱養(yǎng)魚，近年來，由于保護(hù)環(huán)境的需要，尤其是提倡長(zhǎng)江大保護(hù)以來，流域內(nèi)已沒有養(yǎng)魚現(xiàn)象存在。

1.2 面源污染入戶調(diào)查

2019年4—5月，本課題組以2018年為基準(zhǔn)年開展面源污染調(diào)查工作，調(diào)查以戶為單位進(jìn)行，分別調(diào)查種植業(yè)源、畜禽養(yǎng)殖業(yè)源、農(nóng)村生活源。共抽樣調(diào)查50戶，戶數(shù)抽樣比例為總戶數(shù)的10.63%，調(diào)查點(diǎn)分布情況見圖1。種植業(yè)源調(diào)查的內(nèi)容主要包括耕作的基本情況、地形條件、肥料使用情況等，耕作的主要類型有茶園、果園、茶-果間作、農(nóng)田等4種，果園以柑橘園為主。結(jié)合《秭歸縣茅坪鎮(zhèn)2019年農(nóng)業(yè)年報(bào)》相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)蘭陵溪小流域內(nèi)所涉及到的農(nóng)戶數(shù)量、人口數(shù)量、畜禽養(yǎng)殖種類及其出欄量和存欄量、飼養(yǎng)周期、糞便清理方式等進(jìn)行調(diào)查。農(nóng)村生活源主要調(diào)查農(nóng)戶的用水方式、生活污水及生活垃圾處理方式、基礎(chǔ)設(shè)施的普及率等。由于研究區(qū)已無水產(chǎn)養(yǎng)殖等現(xiàn)象存在，因此本研究不考慮水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)源造成的面源污染。

圖1 面源污染調(diào)查點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of non-point source pollution survey sites

1.3 土地利用類型獲取

2019年5月，利用無人機(jī)對(duì)蘭陵溪小流域的土地利用類型進(jìn)行獲取，精度為0.2 m。利用ArcGIS軟件對(duì)影像進(jìn)行校正、配準(zhǔn)和解譯，參照《土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 21010—2007)并結(jié)合土地利用實(shí)際情況，按照林地、農(nóng)田、果園、茶園、茶-果間作、道路、建設(shè)用地、水域等進(jìn)行土地利用類型劃分，其中林地占流域總面積的29.82%、茶-果間作占21.15%、茶園占12.64%、果園占5.43%、農(nóng)田占3.79%、水域占19.22%、建設(shè)用地占5.76%、道路占2.20%。

1.4 污染物排放量計(jì)算方法

本研究利用排污系數(shù)法估算流域內(nèi)各污染源的排污量，構(gòu)建蘭陵溪小流域的排污清單。參照全國污染源普查資料，將調(diào)查結(jié)果與對(duì)應(yīng)的耕地面積或總戶數(shù)對(duì)應(yīng)匯總，估算不同污染源排放量。

1.4.1 種植業(yè)源計(jì)算

利用肥料施用量與肥料流失系數(shù)的乘積計(jì)算得到化肥污染物排放量。根據(jù)《全國農(nóng)田面源污染排放系數(shù)手冊(cè)》，茶園、果園、茶-果間作3種耕作類型的TN、TP流失系數(shù)為0.174、0.072，農(nóng)田的TN、TP流失系數(shù)為0.528和0.188，分別統(tǒng)計(jì)茶園、果園、茶-果間作、農(nóng)田4種耕作類型TN、TP排放量。

1.4.2 畜禽養(yǎng)殖業(yè)源計(jì)算

根據(jù)《第一次全國污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)與排污系數(shù)手冊(cè)》，畜禽養(yǎng)殖排污量可由畜禽年末存(出)欄數(shù)乘以排污系數(shù)計(jì)算，該手冊(cè)給定的排污系數(shù)是基于畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)、畜禽養(yǎng)殖小區(qū)和畜禽養(yǎng)殖專業(yè)戶等3種養(yǎng)殖單元。其中，養(yǎng)殖專業(yè)戶的規(guī)模要求為：生豬年出欄量≥50頭、役用牛年出欄量≥10頭、蛋雞年存欄量≥500羽。在本研究區(qū)域內(nèi)，畜禽養(yǎng)殖大多不能達(dá)到上述最小養(yǎng)殖規(guī)模，視為以散養(yǎng)為主。因此，研究區(qū)域內(nèi)的畜禽養(yǎng)殖污染物排放量計(jì)算不宜直接按照《第一次全國污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)與排污系數(shù)手冊(cè)》中給定的參數(shù)進(jìn)行。參考文獻(xiàn)[16]計(jì)算畜禽養(yǎng)殖排污量，計(jì)算式分別見式(1)至式(3)。

畜禽養(yǎng)殖排污量=畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)污量×排污系數(shù)

(1)

畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)污量=畜禽飼養(yǎng)量×
畜禽飼養(yǎng)周期×產(chǎn)污系數(shù)

(2)

排污系數(shù)=(1-糞尿處理率)×(1-糞尿利用率)+
糞尿還田率×還田流失系數(shù)

(3)

以《第一次全國污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)與排污系數(shù)手冊(cè)》給出的產(chǎn)污系數(shù)為基礎(chǔ)，參照朱建春等[17]的方法對(duì)不同畜禽的產(chǎn)污系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。其中生豬產(chǎn)污系數(shù)以1/3保育期+2/3育肥期計(jì)；蛋雞產(chǎn)污系數(shù)以產(chǎn)蛋期計(jì)；役用牛產(chǎn)污系數(shù)以育肥牛期計(jì)。根據(jù)不同畜禽糞尿產(chǎn)量及其COD、TN、TP含量，計(jì)算得到生豬COD、TN、TP產(chǎn)污系數(shù)分別為302.24、36.51、4.84 g/d；蛋雞COD、TN、TP產(chǎn)污系數(shù)分別為20.50、1.16、0.23 g/d；役用牛COD、TN、TP產(chǎn)污系數(shù)分別為3 324.53、139.76、25.99 g/d。畜禽飼養(yǎng)量由調(diào)查統(tǒng)計(jì)所得，生豬以出欄量計(jì)，蛋雞和役用牛以存欄量計(jì)[18]。參考耿維等[19]研究，生豬飼養(yǎng)周期以199 d計(jì)，蛋雞和役用牛飼養(yǎng)周期均以365 d計(jì)。

據(jù)調(diào)查，散戶養(yǎng)殖的畜禽糞尿未經(jīng)處理直接還田，因此假定糞尿處理率為0，且糞尿還田率等于糞尿利用率。糞尿還田率根據(jù)劉曉永等[20]對(duì)長(zhǎng)江中下游不同畜禽的研究，生豬、蛋雞和役用牛的糞尿還田率分別取63.34%、61.04%、57.47%，糞尿還田COD、TN、TP流失系數(shù)取20%、15%、5%[21]。

1.4.3 農(nóng)村生活源計(jì)算

農(nóng)村生活源污染物排放量從生活污水、生活垃圾兩個(gè)口徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)[22]。據(jù)調(diào)查，蘭陵溪小流域的生活垃圾基本丟棄至垃圾桶，由拖車定期運(yùn)走后集中處理，垃圾桶普及率為97.96%，由此計(jì)算得到的生活垃圾污染物排放量非常小，在統(tǒng)計(jì)時(shí)將其忽略不計(jì)，僅統(tǒng)計(jì)生活污水的污染物排放量。生活污水污染物排放量計(jì)算見式(4)：

污染物排放量=流域人口數(shù)量×污染物排放系數(shù)

(4)

根據(jù)《第一次全國污染源普查城鎮(zhèn)生活源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》，生活污水的COD排放系數(shù)為74 g/(人·d)，TN排放系數(shù)為11.8 g/(人·d)，TP排放系數(shù)為0.84 g/(人·d)。

1.5 等標(biāo)負(fù)荷評(píng)價(jià)

本研究采用等標(biāo)負(fù)荷法從水質(zhì)功能角度評(píng)價(jià)面源污染的威脅，為對(duì)污染源和污染物進(jìn)行綜合分析，污染物等標(biāo)排放量計(jì)算見式(5)[23]：

Pi=Qi/c0i

(5)

式中：Pi為污染物i的等標(biāo)排放量，m3/a；Qi為污染物i的排放量，t/a；c0i為污染物i基于水環(huán)境功能分區(qū)的水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)值，mg/L。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)業(yè)面源污染物排放量

2.1.1 種植業(yè)源

根據(jù)種植業(yè)源污染調(diào)查，蘭陵溪小流域氮肥(以N計(jì)，下同)、磷肥(以P2O5計(jì)，下同)的單位面積施肥量為501.29、266.41 kg/hm2，總施肥量為491.04、120.42 t/a，根據(jù)肥料流失系數(shù)計(jì)算得到種植業(yè)源TN、TP排放量分別為89.77、9.05 t/a。分別統(tǒng)計(jì)茶園、果園、茶-果間作及農(nóng)田等不同耕作類型的污染物排放量，結(jié)果見表1?？梢钥闯?，不同耕作類型的污染物排放量存在較大差異，茶-果間作的TN、TP排放量在不同耕作類型中均為最大，其次為茶園>果園>農(nóng)田。茶-果間作的TN、TP排放量分別為50.23、4.96 t/a，分別占種植業(yè)源TN、TP總排放量的55.95%、54.81%，這反映出茶-果間作施肥量較多，導(dǎo)致污染物排放量較大。

表1 不同耕作類型污染物排放量

2.1.2 畜禽養(yǎng)殖業(yè)源

蘭陵溪小流域飼養(yǎng)的畜禽主要為生豬、役用牛、蛋雞，其糞尿產(chǎn)生量分別224.02、947.99、172.27 t/a，排放的主要污染物為COD、TN和TP。不同畜禽污染物排放量均表現(xiàn)為COD>TN>TP，其中役用牛的COD、TN、TP排放量均為最高，分別為61.26、2.45、0.40 t/a，其3種污染物排放總量為生豬的6.41倍，為蛋雞的4.03倍。蛋雞的COD、TP排放量高于生豬，但TN排放量小于生豬。

表2 畜禽養(yǎng)殖業(yè)源污染物排放量

2.1.3 農(nóng)村生活源

根據(jù)《秭歸縣茅坪鎮(zhèn)2019年農(nóng)業(yè)年報(bào)》統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，蘭陵溪小流域內(nèi)人口數(shù)量為1 223人，由式(4)計(jì)算得到蘭陵溪小流域農(nóng)村生活源COD、TN、TP排放量分別為33.03、5.27、0.37 t/a。

2.2 農(nóng)業(yè)面源污染特征

根據(jù)不同面源污染數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算，蘭陵溪小流域不同污染物排放量見圖2。COD、TN、TP排放總量分別為118.64、99.30、10.08 t/a。COD的主要排放來源為畜禽養(yǎng)殖業(yè)，占COD總排放量的72.16%，TN、TP主要排放來源為種植業(yè)源，分別占總排放量的90.40%、89.78%。

圖2 不同農(nóng)業(yè)面源的污染物排放量Fig.2 Pollutant emission quantity of different agricultural non-point source

2.3 農(nóng)業(yè)面源污染等標(biāo)排放特征

為了在同一尺度下比較不同污染源、污染物對(duì)環(huán)境的污染能力，采用等標(biāo)排放量對(duì)蘭陵溪小流域的農(nóng)業(yè)面源污染情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。從表3可以看出，不同污染物的總等標(biāo)排放量為77.83 m3/a，表現(xiàn)為TN(49.65 m3/a)>TP(25.21 m3/a)>COD(2.97 m3/a)。種植業(yè)源的污染物等標(biāo)排放量為67.51 m3/a，是TN、TP的主要排放源，TN、TP等標(biāo)排放量分別為44.89、22.62 m3/a，對(duì)TN、TP排放的等標(biāo)負(fù)荷比分別為90.41%、89.73%。畜禽養(yǎng)殖業(yè)源的污染物等標(biāo)排放量(5.92 m3/a)與農(nóng)村生活源(4.40 m3/a)比較接近，畜禽養(yǎng)殖業(yè)源的COD、TP等標(biāo)排放量高于農(nóng)村生活源，TN等標(biāo)排放量則相對(duì)較小，這與畜禽養(yǎng)殖的結(jié)構(gòu)、農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)情況等因素有關(guān)。畜禽養(yǎng)殖業(yè)源的COD等標(biāo)負(fù)荷比為72.16%，是COD的主要排放源。

表3 不同污染源污染物等標(biāo)排放量及其貢獻(xiàn)率

區(qū)分農(nóng)業(yè)面源的主要污染源和污染物可為實(shí)施針對(duì)性的防治措施提供依據(jù)。從污染源看，種植業(yè)源、畜禽養(yǎng)殖業(yè)源和農(nóng)村生活源的等標(biāo)負(fù)荷比為86.74%、7.61%和5.65%，種植業(yè)源是蘭陵溪小流域的主要污染源。從污染物看，TN、TP、COD的等標(biāo)負(fù)荷比為63.79%、32.39%和3.82%，TN是蘭陵溪小流域的主要污染物。

3 討 論

面源污染過程相對(duì)緩慢，具有污染源分散、污染物結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)。在較大尺度上對(duì)面源污染的特征進(jìn)行研究可以獲取污染的總體情況并掌握重點(diǎn)污染區(qū)域，而從小尺度上對(duì)面源污染特征進(jìn)行研究則可為實(shí)施針對(duì)性較強(qiáng)的防護(hù)措施提供參考依據(jù)，并對(duì)區(qū)域性污染現(xiàn)狀作出解釋，對(duì)小流域的面源污染研究及評(píng)價(jià)已成為治理農(nóng)業(yè)面源污染的重點(diǎn)工作之一[24]。

根據(jù)本次調(diào)研結(jié)果，蘭陵溪小流域氮肥、磷肥施肥量總計(jì)767.70 kg/hm2，遠(yuǎn)高于全國平均水平，且超過美國平均使用量的708.21%，超過國際上規(guī)定化肥安全使用上限的341.20%[25-26]。這與當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)經(jīng)營(yíng)水平及科學(xué)施肥的普及率不高有關(guān)。黃麗等[27]對(duì)三峽庫區(qū)1996—2003年19縣市面源污染的研究表明，三峽庫區(qū)的單位面積平均施肥量以53.40%的速度增長(zhǎng)，2003年庫區(qū)施肥量達(dá)560.30 kg/hm2，到2007年庫區(qū)4縣市的施肥量為687.56 kg/hm2(氮肥485.80 kg/hm2，磷肥201.76 kg/hm2)，增長(zhǎng)率22.71%，較1996—2003年肥料使用增長(zhǎng)率大大減小，這一方面可能是因?yàn)槊嬖次廴痉揽卮胧┑膶?shí)施造成，另一方面可能由于統(tǒng)計(jì)的區(qū)域數(shù)量不同，不同縣市肥料使用情況不均衡導(dǎo)致結(jié)果存在差異。蘭陵溪小流域氮肥、磷肥施肥量偏高，據(jù)調(diào)查，該流域部分農(nóng)戶在合理施肥方面存在較大問題，較多農(nóng)戶參考其他農(nóng)戶的方案進(jìn)行施肥，沒有根據(jù)自身種植的作物類型或種植面積合理調(diào)整；此外，農(nóng)戶多盲目認(rèn)為施肥越多，作物產(chǎn)量越高，導(dǎo)致單位面積施肥量逐漸增加。這些情況應(yīng)在實(shí)施面源污染防護(hù)措施時(shí)引起注意。

由于面源污染的復(fù)雜性，不同區(qū)域的主要污染源和污染物可能會(huì)存在差異。太湖流域、滇池流域、沱江流域、洋河流域的主要污染源為畜禽養(yǎng)殖業(yè)源[28]，有的地區(qū)則為種植業(yè)源、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)源等[29-30]，可見由于不同區(qū)域的生產(chǎn)生活方式、土地利用方式等存在差異，導(dǎo)致面源污染的主要類型與主要污染物有所不同[31]。在本研究中，種植業(yè)源是蘭陵溪小流域的主要污染源，其次是畜禽養(yǎng)殖業(yè)源、農(nóng)村生活源；TN是蘭陵溪小流域的主要污染物，其次是TP、COD。據(jù)調(diào)查，蘭陵溪小流域居民多以種植茶葉、柑橘為主要經(jīng)濟(jì)來源，其耕作面積較大，且施肥量較多，而畜禽養(yǎng)殖沒有專業(yè)的養(yǎng)殖場(chǎng)，均為散養(yǎng)，且數(shù)量不多，最終使種植業(yè)源的貢獻(xiàn)比例偏大，畜禽養(yǎng)殖業(yè)源較小。TN、TP的主要來源為種植業(yè)源，與楊志敏等[32]的研究結(jié)果相同。

在蘭陵溪小流域，農(nóng)村生活源的污染物等標(biāo)負(fù)荷比僅為5.65%，占比最小，這可能是由于生活垃圾被集中處理，其排污量未統(tǒng)計(jì)到農(nóng)村生活源中有關(guān)。實(shí)際上，蘭陵溪小流域的沼氣池普及率達(dá)到85.71%，但由于沼渣處理比較繁瑣等原因，沼氣池目前未能有效利用，而是作為蓄糞池最終返回田間，若這些沼氣池能夠充分利用起來，則可進(jìn)一步降低農(nóng)村生活源的污染物排放量。

目前，此區(qū)域農(nóng)業(yè)種植管理水平相對(duì)粗放，為了追求更大的經(jīng)濟(jì)效益，農(nóng)戶普遍存在不合理不科學(xué)的施肥結(jié)構(gòu)以及施肥方法，致使土壤中氮磷含量大量盈余，在當(dāng)?shù)靥厥獾挠隉釛l件下極易導(dǎo)致面源污染的產(chǎn)生[33]。因此，為了在有效提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值的同時(shí)降低面源污染，后期應(yīng)該改善和提升種植業(yè)生產(chǎn)方式，綜合應(yīng)用坡改梯、構(gòu)建植物籬、生草覆蓋等技術(shù)以控制水土流失和降低養(yǎng)分流失[34-35]，同時(shí)要改變施肥觀念，采用水肥一體化、平衡施肥技術(shù)[36]，并降低化肥使用量而增加有機(jī)肥使用比例，進(jìn)而達(dá)到控制面源污染水平和風(fēng)險(xiǎn)的目的。

4 結(jié) 論

(1) 2018年蘭陵溪小流域面源污染COD、TN、TP排放量分別為118.64、99.30、10.08 t/a，TN、TP主要污染源為種植業(yè)源，COD主要污染源為畜禽養(yǎng)殖業(yè)源。

(2) 在種植業(yè)源中，茶-果間作模式的污染物排放量最大，其次為果園>茶園>農(nóng)田；畜禽養(yǎng)殖業(yè)源中，役用牛的各項(xiàng)污染物排放量最大，其次為蛋雞、生豬。

(3) 從污染源看，種植業(yè)源、畜禽養(yǎng)殖業(yè)源和農(nóng)村生活源的等標(biāo)負(fù)荷比為86.74%、7.61%和5.65%，種植業(yè)源是蘭陵溪小流域的主要污染源。從污染物看，TN、TP、COD的等標(biāo)負(fù)荷比為63.79%、32.39%和3.82%，TN是蘭陵溪小流域的主要污染物。