太湖流域平原農(nóng)業(yè)面源污染模擬與管控的思考

黃佳聰，張京，季雨來，2，高俊峰

（1.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所中國科學(xué)院流域地理學(xué)重點實驗室，南京 210008；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

隨著工業(yè)廢水等點源污染逐步得到控制，農(nóng)業(yè)面源污染已成為我國河湖水污染的重要來源，管理部門對農(nóng)業(yè)面源污染的重視程度與治理力度是前所未有的[1]。而在我國長江中下游的太湖流域平原河網(wǎng)區(qū)，農(nóng)業(yè)面源污染管控與治理長期面臨獨特難題，即復(fù)雜水文條件導(dǎo)致污染來源不清，重點管控對象不明確，缺乏理想管控空間單元，因此有必要針對太湖流域平原河網(wǎng)區(qū)，剖析區(qū)域的獨特水文與氮磷遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，探索有利于農(nóng)業(yè)面源污染管控的空間單元，因地制宜地發(fā)展農(nóng)業(yè)面源污染管控的新途徑、新方法，形成易復(fù)制、可推廣的農(nóng)業(yè)面源污染管控模式[2-3]。

1 平原河網(wǎng)區(qū)農(nóng)業(yè)面源氮磷污染問題

太湖流域平原河網(wǎng)區(qū)人類活動強度大，農(nóng)業(yè)發(fā)達，化肥農(nóng)藥與魚蝦餌料等農(nóng)業(yè)投入品的過量使用，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)面源污染問題突出。其中農(nóng)田耕作與坑塘養(yǎng)殖尾水排放規(guī)模大，并且以小散農(nóng)戶經(jīng)營為主，空間分布分散，尾水排放時間不定，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)面源污染的責(zé)任主體不明，管控難度大，制約了區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量的根本性好轉(zhuǎn)。

（1）農(nóng)田耕作氮磷流失嚴重。2020 年太湖流域耕地面積高達16 278.9 km2，占流域面積的44.1%[4]，主要農(nóng)作物為水稻、小麥及少量經(jīng)濟作物（油菜），其中稻麥輪作農(nóng)田的氮、磷施用量高達33.3、14.6 kg·hm-2·a-1[5]，但氮磷肥利用率較低（28%~41%）[6-7]，剩余氮磷則儲存或排放到水土氣環(huán)境中，進而通過降雨淋溶、下滲等途徑匯入周邊河湖。同時，長期過量氮磷施用造成了農(nóng)田土壤氮磷遺留量不斷累積，成為周邊河湖氮磷污染的重要來源[8]。

（2）池塘養(yǎng)殖污染問題突出。太湖流域養(yǎng)殖池塘總面積高達1 308.6 km2，養(yǎng)殖密度大、飼料肥料投入量大，養(yǎng)殖期間換水與淤泥清理是農(nóng)業(yè)面源污染的重要來源，尤其是太湖東部與南部（蘇州、湖州）和洮滆水系（常州）是池塘養(yǎng)殖的密集地區(qū)。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研與模型核算，太湖流域養(yǎng)殖池塘類型主要包括魚塘與蝦蟹塘，氮、磷流失總量分別高達11 014、1 627 t·a-1[9]，其中魚塘氮、磷污染負荷分別高達115.5、16.5 kg·hm-2·a-1，遠高于蝦蟹塘（21.4、4.4 kg·hm-2·a-1）[10]。為防控池塘養(yǎng)殖污染，國內(nèi)學(xué)者發(fā)展了機械過濾、微生物凈化、人工濕地攔截等養(yǎng)殖尾水凈化與循環(huán)利用技術(shù)，但受限于成本、場地而尚難以在太湖流域大規(guī)模推廣應(yīng)用[11-12]。

（3）面源污染來源與貢獻比例不清。太湖流域平原河網(wǎng)區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染類型多樣（種植業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)等）、空間分布范圍廣、產(chǎn)生具有一定隨機性，導(dǎo)致面源污染來源十分復(fù)雜；與此同時，河網(wǎng)溝塘交錯復(fù)雜，地勢平坦，水流緩慢，往復(fù)流現(xiàn)象明顯，地表水、地下水、土壤水之間存在頻繁的相互補給，農(nóng)田、池塘、生活污水等不同類型污染源排放并匯合于周邊河網(wǎng)、溝渠與坑塘，造成面源污染遷移轉(zhuǎn)化途徑錯綜復(fù)雜。面源污染來源多樣、排放隨機與遷移轉(zhuǎn)化復(fù)雜導(dǎo)致監(jiān)測與追蹤難度大，污染來源與貢獻比例難以精準解析，治理重點對象與目標無法明確。

2 平原圩區(qū)系統(tǒng)獨特性及其對農(nóng)業(yè)面源污染模擬與管控的啟示

圩區(qū)是流域下游平原易澇區(qū)筑堤圍墾形成的相對封閉的人工集水單元，即平原河網(wǎng)區(qū)的破碎化流域，其廣泛分布于長江、湄公河、萊茵河、多瑙河、密西西比河等全球大江大河的沿江濱海地區(qū)，其中太湖流域平原河網(wǎng)區(qū)分布尤為廣泛（2 539 個，10 627 km2）[13-14]，占平原區(qū)面積的近60%（附圖 1，掃描文章首頁OSID碼瀏覽），主要包括城市圩、城鎮(zhèn)圩、農(nóng)業(yè)圩等類型，氮、磷流失總量分別高達16 296[13]、1 916 t·a-1[15]。其中平原農(nóng)村地區(qū)圩區(qū)基本以農(nóng)業(yè)圩形式存在，其是農(nóng)田耕作與池塘養(yǎng)殖等農(nóng)業(yè)活動的密集區(qū)，是平原河網(wǎng)區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染管控的關(guān)鍵地理單元[16]。與此同時，圩區(qū)水文與氮磷循環(huán)過程受自然條件和人工控制的雙重影響，具有與山丘區(qū)不同的農(nóng)業(yè)面源污染產(chǎn)排過程，是平原河網(wǎng)區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染管控的獨特地理單元，制約了國際自然地理學(xué)關(guān)于平原區(qū)水文與氮磷循環(huán)的研究[16-17]。

（1）圩區(qū)具有獨特的水文與氮磷輸移過程。與自然集水單元（山丘區(qū)）相比，圩區(qū)相對封閉，具有獨特的水文與氮磷輸移過程，體現(xiàn)在：①氮磷輸移過程的不連續(xù)性。圩區(qū)水文過程被堤壩和泵站所分割，其氮磷輸移受自然條件和人工閘泵（灌溉抽水、洪澇排水、涵洞引排水）的雙重影響，形成“陡漲陡降”的氮磷輸移過程；稻季期間，通過泵站抽水/涵洞引水滿足稻田灌溉需求，是圩外河流氮磷輸入的重要途徑，圩內(nèi)河流、溝渠、坑塘的水文也有不同程度上升，人為改變了氮磷輸移過程；麥季期間，圩內(nèi)農(nóng)田需水較少，圩區(qū)降雨徑流可通過涵洞外排；強降雨期間，外圍河流水位普遍高于圩內(nèi)地面高程，圩內(nèi)積水無法通過涵洞自流外排，排澇泵站排水成為圩區(qū)氮磷外排的重要途徑（圖1）[17-19]。②氮磷輸移路徑的不確定性。圩區(qū)地勢平坦、地下水埋深較淺，在灌溉抽水、洪澇排水、涵洞引排水等人工控制水文過程的作用下，溝塘地表水、地下水、土壤水之間存在頻繁的水體交換，這是圩區(qū)氮磷輸移的重要路徑，因此與自然集水單元不同，圩區(qū)氮磷輸移路徑主要受上述3 個水位變化驅(qū)動，存在顯著的動態(tài)變化特征[18]。

圖1 太湖流域典型農(nóng)業(yè)圩區(qū)及其人工控制水文過程[19]Figure 1 Typical agricultural polders at Lake Taihu basin and their artificially controlled hydrological processes[19]

（2）圩區(qū)水文與氮磷輸移過程模擬方法有待改進?，F(xiàn)有的SWAT、HSPF 等流域模型適用于山丘區(qū)，但無法模擬平原圩區(qū)的獨特水文與氮磷輸移過程。在此背景下，國內(nèi)學(xué)者主要通過以下兩種途徑實現(xiàn)圩區(qū)水文與氮磷輸移過程的模擬：一種是直接采用與改進現(xiàn)有流域模型，提升模型對圩區(qū)水文與氮磷流失模擬的適用性與精度，但受限于現(xiàn)有模型模擬框架的可拓展性，尚難以充分刻畫圩區(qū)的獨特水文與氮磷輸移規(guī)律[20-22]。另一種途徑是自主研發(fā)適用于圩區(qū)系統(tǒng)的水文與氮磷輸移過程模型，其中中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所選擇太湖流域典型農(nóng)業(yè)圩區(qū)（常州尖圩），開展了連續(xù)10 a（2013—2022年）的氣象、水文與面源氮磷流失過程監(jiān)測與控制實驗，構(gòu)建了一套水位驅(qū)動的圩區(qū)污染物輸移模式，研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的圩區(qū)水文與面源氮磷污染模型（NDP、PDP）（圖2）[18-19]；量化核算了太湖流域所有圩區(qū)氮磷污染負荷的空間分布與季節(jié)變化，解析了氮磷的來源組成與遷移轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵路徑，明確了全流域圩區(qū)氮磷流失總量（氮19 965 t·a-1、磷1 916 t·a-1）及其對太湖外源污染負荷的貢獻[13，15]；通過模擬情景的設(shè)計與模擬，識別了農(nóng)業(yè)圩區(qū)氮磷污染的主控因子及其時空變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了溝塘水生植物群落與蓋度是氮磷攔截的關(guān)鍵要素，提出了以圩內(nèi)溝塘等小微濕地為核心的面源氮磷削減模式，預(yù)測了不同削減模式的氮磷污染管控效果，優(yōu)選出最佳的氮磷削減模式[23-24]。但上述模型與案例研究重點關(guān)注的是圩區(qū)水文驅(qū)動下的氮磷輸移過程，但對土壤水文與氮磷生物地球化學(xué)循環(huán)等缺乏三維立體的精細化刻畫。

圖2 圩區(qū)面源氮、磷污染模型[18，25]Figure 2 Non-point source pollution model for nitrogen and phosphorus in lowland polders[18，25]

（3）圩區(qū)具有農(nóng)業(yè)面源污染管控的優(yōu)勢。圩區(qū)內(nèi)部廣泛分布的用于輸水與儲水的溝塘（溝渠與坑塘）已被廣泛證明具有顯著的氮磷攔截效應(yīng)。全國31 個溝塘氮磷攔截方面的研究案例顯示，溝塘氮、磷攔截率均值分別高達47.9%與45.1%[26-29]（附表1，掃描文章首頁OSID碼瀏覽），氮磷攔截率較高的點位主要分布在長江中下游平原河網(wǎng)區(qū)（圖3），其中圩區(qū)溝塘的氮磷攔截效應(yīng)更加明顯，主要原因包括：①圩區(qū)溝塘向外圍河流排水集中于強降雨期間，在中小雨期間，圩內(nèi)農(nóng)業(yè)尾水排放后滯留于圩內(nèi)溝塘，不直接排放到圩外河流，有利于氮磷攔截[24]。②圩區(qū)地勢平坦，溝塘水流緩慢，有利于顆粒態(tài)氮磷自然沉降；同時，溝塘中廣泛分布的大型水生植物可吸收水體氮磷，提供碳源，促進反硝化，提升氮磷攔截能力[23，30]。

圖3 我國溝塘氮、磷攔截率（文獻調(diào)研方法獲取）Figure 3 Retention rate of nitrogen and phosphorus at ditches and ponds in China（obtained from previous publications）

3 平原圩區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染管控與研究建議

過去幾十年，我國圩區(qū)管理與利用側(cè)重發(fā)揮其防洪與灌溉功能[14，21]；而圩區(qū)具有空間邊界清晰、水量可調(diào)控、溝塘廣泛分布等適合農(nóng)業(yè)面源污染管控的優(yōu)勢，因此有必要據(jù)此優(yōu)勢，探索農(nóng)業(yè)面源污染最大化

攔截的管控措施，充分發(fā)揮圩區(qū)這一具有歷史智慧、文化價值的古老水土資源管理模式。

（1）以圩區(qū)為基本單元，管控農(nóng)業(yè)面源污染?，F(xiàn)有農(nóng)業(yè)面源污染管控主要以行政區(qū)為基本單元，無法科學(xué)診斷其產(chǎn)生根源與輸移規(guī)律；而圩區(qū)是幾千年形成的、完全人工控制的物理單元，具有清晰邊界與水量人工調(diào)控的獨特性，有利于水量與污染物來源與輸移過程的追蹤，可作為農(nóng)業(yè)面源污染控制的理想單元。建議從圩區(qū)系統(tǒng)的整體角度出發(fā)，分類型梳理圩區(qū)面源污染在源頭排放-溝渠輸送-坑塘截留等環(huán)節(jié)的特征，優(yōu)化整合農(nóng)田、溝渠、坑塘等單元面源污染的針對性治理技術(shù)，形成專項技術(shù)組合的最大合力，實現(xiàn)面源污染攔截“1+1>2”的疊加效應(yīng)，突破太湖流域平原區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染管控的創(chuàng)新模式。

（2）研發(fā)圩區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染精準治理的關(guān)鍵技術(shù)。以圩區(qū)為農(nóng)業(yè)面源污染的基本管控單元，綜合運用數(shù)值模型與同位素等污染溯源技術(shù)，精準解析農(nóng)業(yè)面源污染的關(guān)鍵源區(qū)及其貢獻比例，模擬面源污染的沿程消納過程，辨別導(dǎo)致農(nóng)業(yè)面源污染的主控因子及其季節(jié)變化；針對圩區(qū)水文的閘泵人工控制、水體滯留時間長等特點，探索圩區(qū)水體與氮磷的減排控排模式，形成農(nóng)業(yè)面源污染的相關(guān)管控方案，預(yù)測不同組合方案作用下的農(nóng)業(yè)面源污染強度，整合形成一套具備污染溯源、主控因子辨識、管控方案優(yōu)選功能的精準治理技術(shù)，實現(xiàn)圩區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染的“科學(xué)診斷”與“對癥下藥”，綜合解決圩區(qū)的防洪灌溉和農(nóng)業(yè)面源污染問題。

（3）開展圩區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染治理的典型示范。近幾十年來，太湖流域農(nóng)業(yè)面源污染備受重視，我國學(xué)者針對圩區(qū)或圩內(nèi)地塊，圍繞面源氮磷污染問題，開展了系列跟蹤監(jiān)測與野外實驗，積累了長期的歷史觀測數(shù)據(jù)，發(fā)展了稻田、溝渠、坑塘等單元面源污染減排與攔截的專項技術(shù)，從不同空間尺度，研發(fā)了適用于太湖流域的面源污染模型，預(yù)測了不同管控方案作用下的農(nóng)業(yè)面源污染改善效果。依托上述長期觀測、模型模擬與機制分析等研究基礎(chǔ)，可選擇太湖流域典型農(nóng)業(yè)圩區(qū)，開展面源污染治理技術(shù)的示范應(yīng)用，跟蹤評估典型示范區(qū)的水質(zhì)改善效果，打造平原河網(wǎng)區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染的治理樣板。