三峽庫區面源污染研究進展

李樂, 劉常富

三峽庫區面源污染研究進展

李樂, 劉常富*

中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所, 國家林業和草原局森林生態環境重點實驗室, 北京 100091

為掌握三峽庫區面源污染研究動態并明確研究中存在的問題, 基于1990—2018年三峽庫區面源污染的相關研究成果, 檢索、分類并統計分析了已發表論文數量變化趨勢和高頻被引論文內容, 從機理、影響因素、負荷與模型模擬、防治四個方面論述了庫區面源污染的研究進展, 以便更好地進行區域生態系統管理。面源污染機理研究主要集中在降雨徑流、土壤侵蝕、不同土地利用類型、不同管理措施下泥沙、N、P等污染物流失特征, 多關注單一過程及單一尺度, 嚴重破碎化土地利用格局背景下的面源污染發生過程、擴散格局及其轉化機制有待進一步研究。影響因素多討論土地利用, 景觀格局變化對面源污染的影響機制仍不明晰。負荷模擬研究主要是建立經驗模型和探討國外模型在庫區的適用性, 原始開發少。面源污染防治措施多集中于工程及單一技術措施, 最佳管理措施(BMPs)的研究較少, 缺乏生態系統、景觀及流域尺度面源污染綜合防控技術。提出三峽庫區面源污染研究需在以下方面有所加強: (1)不同尺度和格局下N、P、泥沙等耦合作用下的運移、轉化機理及其不同污染物在不同陸面斑塊界面之間轉化機制; (2)景觀過程與面源污染動態關系; (3)借鑒國外模型理念, 研發適合我國區域地理特征的面源污染機理預測模型; (4)建設標準化面源污染監測系統; (5)統籌“山水林田湖草”系統治理, 研發面源污染綜合防控技術體系。

三峽庫區; 面源污染; 模型模擬; 遷移轉化; 控制

0 前言

面源污染(又稱非點源污染, non-point source pollution, NPS pollution)是指溶解的和固體污染物, 從非特定的地點隨著降雨(或融雪)產生的徑流進去受納水體而造成水環境污染[1]。相對于有固定排放口的點源污染, 面源污染往往不易被觀察到, 具有隨機性大, 污染物的來源和排放點不固定, 污染負荷的時空變化幅度大等特點, 進而導致對其監測、模擬和控制十分困難[2–3]。面源污染尤其是農業面源污染已成為世界各國普遍關注的焦點[4]。

三峽庫區位于長江流域腹地, 是長江流域生態環境保護和修復的主控節點。庫區地貌類型以低山丘陵為主, 農業種植地位高, 柑橘生產是主要支柱產業, 耕地多分布在長江干、支流兩岸, 且大部分為坡耕地和梯田, 78.70%的坡耕地土壤為易風化侵蝕、土壤熟化度低的紫色土。自2003年三峽水庫蓄水以來, 庫區的水質狀況成為國內外關注的焦點之一。受水庫淹沒的直接影響, 庫區生態系統服務價值減少9708.35×104元[5], 加上大量移民活動, 如耕地開墾、大興土木、破壞植被等, 致使水土流失加劇, 污染物排放量加大, 農業面源污染加劇[6]。三峽庫區具有鮮明區域特色, 污染物的種類、負荷、發生規律、影響因素因地而異。針對三峽庫區生態環境特點、社會經濟狀況, 學者們對面源污染成因、遷移轉化途徑和如何控制與減緩面源污染進行了一系列卓有成效的探索, 但該區域內面源污染研究成果仍然缺乏系統的梳理和綜合評價; 且加強該地區面源污染研究工作, 具有重要的現實意義。本文在回顧三峽庫區面源污染研究相關文獻的基礎上, 采用統計分析和討論相結合的方法, 對相關研究進行梳理和分析, 綜述了三峽庫區面源污染研究的總體趨勢、主要研究內容、存在的問題等, 以期對區域面源污染的深入研究提供參考。

1 三峽庫區面源污染研究總體趨勢

由圖1可以看出, 1990年至2018年, 每年發表的三峽庫區面源污染文獻數量呈波動遞增趨勢。早期零星出現關于庫區水土流失和土壤養分流失的研究, 2003年庫區面源污染專項研究開始, 對三峽庫區面源污染研究的關注逐年加強, 2008年以后庫區面源污染研究進入快速發展階段, 年發表研究文獻約25篇左右, 說明庫區面源污染研究逐漸受到重視, 已成為學者研究熱點。但是針對三峽庫區面源污染的外文研究文獻數量還不多, 發表的文獻從 2008年開始, 且多為國內學者所著, 目前在國際上具有較大影響力的研究文獻還相對較少。

結合具體內容大致將檢索到的文獻分為4類, 即調查評價類、機理探索與影響因素類、負荷量化與模型模擬類、防治措施與管理類。其中負荷量化與模型模擬類(39.81%)和調查評價類(24.76%)文章較多, 機理探索與影響因素類(18.81%)和防治措施與管理類(16.61%)文獻較少。調查評價類研究以現狀評價為主, 它為進一步研究提供了充足的基礎數據, 隨著人們對面源污染認識程度的加深, 現狀分析已經遠遠不能滿足需要, 負荷量化逐漸轉變為研究重點, 模型模擬成為主流方法。如何管理和控制面源污染是最終目的, 但多數研究只針對性提出對策建議, 缺少實踐應用與驗證, 已有技術缺乏有效融合與集成, 在庫區面源污染防治方面研究者還必須給予更多的關注。機理研究是有效控制的關鍵環節, 面源污染作用機理及其遷移過程極其復雜, 是目前庫區面源污染研究的難點和薄弱環節。從中英文高頻被引文獻研究內容來看, 受關注程度較高的文獻為養分流失規律和過程模型模擬; 研究污染物主要針對地表徑流中的N、P、泥沙, 影響因素方面多討論土地利用; 使用模型主要是應用比較成熟SWAT模型, 并且注重模型參數的不確定性分析。

圖1 三峽庫區面源污染研究文獻的時間特征(根據中國知網和Web of Science(核心區), 截至2018年11月)

Figure 1 Temporal characteristics of references on non-point source in the Three Gorges Reservoir Areas (based on the CNKI and SCI, update to November 2018)

2 三峽庫區面源污染機理研究

面源污染的產生和形成是由自然過程引發的一種連續的生態過程。降雨在不同下墊面產生地表徑流, 同時對土壤產生侵蝕作用, 由此產生的徑流和泥沙是污染物輸移的載體。地表土壤是污染物存在的母體, 在降雨徑流的驅動下, 大量可溶性污染物與泥沙及其附著污染物發生遷移轉化, 同時降雨過程中土體內污染物隨降水入滲產生淋溶垂直遷移。因此, 面源污染的形成機理過程主要由降雨徑流、土壤侵蝕和污染物遷移轉化3個方面組成, 三者密切相關, 掌握面源污染的過程機理是開展模型化、防控和管理研究的基礎[7]。

2.1 降雨徑流與面源污染

降雨徑流過程是造成面源污染物輸出的原動力[8]。一般情況下, 降雨徑流中污染物濃度大大高于降雨前濃度[9], 暴雨期徑流污染物濃度也遠遠超過非暴雨期[10]。在面源污染研究中, 大多以水文學為基礎, 重點研究徑流的產流匯流特征, 最具有代表性的是美國水土保持局提出的SCS-CN (Soil Conservation Service-Curve Number)法。20世紀60年代以來, 我國學者在國外流域水文模型發展的基礎上, 探索并逐步形成了蓄滿產流和超滲產流兩大理論, 并且提出我國特色徑流計算的方法。其中, 陳西平[11]提出了計算農田徑流污染負荷的三峽庫區模型, 可計算庫區單位面積徑流和污染物輸入及輸出量。相關學者采用小區定位監測、人工模擬降雨、模型模擬等不同方法對三峽庫區不同尺度小流域產流進行研究, 結果表明: 降雨量與地表徑流量呈指數關系, 隨著降雨量的增加而增加, 而降雨強度與地表徑流的具體關系尚不明晰[12], 降雨歷時與產流率呈對數正相關關系[13]。另外, TN濃度對降雨徑流變化的響應比TP濃度的響應更靈敏[14], 徑流量與N、P不同形態的負荷呈多項式[15]和線性[16]關系。目前, 降雨徑流研究較為成熟, 人工降雨和自然降雨定點監測與模型相結合是研究產匯流機制的主要途徑。基于水文模型模擬是比較通用的方法, 對無大量實測水文資料地區的降雨-徑流過程研究有重要意義。

2.2 土壤侵蝕與面源污染

土壤侵蝕是面源污染發生的主要形式, 土壤侵蝕過程分離出的土壤通常稱作泥沙, 不僅本身就是重要的面源污染物, 還可以吸附N、P等其他污染物。從面源污染角度研究土壤侵蝕, 首推美國USLE (Universal Soil Loss Equation)方程[17–18]及修正擴展的RUSLE[19], 且被納入AGNPS、SWAT和AnnAGNPS等模型中, 后來又形成了注重流失過程和遷移機理的WEPP模型[20]。學者們通過小區試驗、核素示蹤技術、遙感監測和模型估算等方法對三峽庫區土壤侵蝕做了大量研究工作, 在國內具有一定代表性。嚴重的土壤侵蝕與泥沙輸移是三峽庫區泥沙重要的來源之一, 坡耕地是三峽庫區泥沙主要源地[21]。137Cs示蹤法對三峽庫區土壤侵蝕速率研究結果表明, 不同土地利用類型的土壤侵蝕強度大小順序為: 耕地>園地>草地>荒地> 林地[22], 坡耕地土壤流失速率受土壤類型、坡度等因子影響較大, 坡度越大, 土壤侵蝕速率也越高[23]。根據小區試驗結果, TN和TP主要通過泥沙輸出, 所占總量比例分別為86. 6%和98.4%[24], 土壤侵蝕和營養物質流失主要發生在6—8月降雨集中的暴雨季節[25]。因此, 采取合理措施控制該地區土壤侵蝕對控制面源污染物的產生意義重大。對土壤可蝕性K值的研究表明, 三峽庫區24個土壤亞類中有14個亞類處于高可蝕性等級, 其中, 中高可蝕性和高可蝕性面積占庫區總面積的74.49%, 存在很大的土壤侵蝕風險[26]。采用GIS技術和RUSLE模型相結合的方法使土壤侵蝕的研究有了新的發展方向, 經估算三峽庫區1995—2010年均土壤侵蝕量為18476.27×104t·a-1, 平均土壤侵蝕模數為3316.53 t·(km2·a-1)-1, 屬于中度侵蝕[27], 植被覆蓋和降雨變化對土壤侵蝕影響較大[28]。目前, 土壤侵蝕的研究已經由經驗性分析轉向了以動力學和水文學相結合的機理研究。

2.3 污染物遷移轉化

面源污染物的遷移轉化是污染物在外力驅動下由土壤圈向水圈擴散的過程, 包括土壤溶質隨地表徑流流失和地下滲漏淋失[7]。小流域土壤養分N、P主要經由降雨形成地表徑流輸出[29], 主要包括兩個部分,一是泥沙中所攜帶的N、P元素物質流失; 二是徑流中溶解的N、P元素流失[14]。TN的負荷流失過程和降雨量關系較為密切, TP的負荷流失受降雨強度影響較大; N素的流失以溶解態為主, 而P素則以顆粒態為主[16]。庫區紫色土的高土壤入滲率, 及其基巖的低滲透性決定了壤中流的普遍存在, 在農業施肥的影響下, 壤中流中NO3—-N的濃度在20.55—37.26 mg·L-1之間, 超過國際飲用水標準(10 mg·L-1), 壤中流中的溶解態TP平均濃度為0.07 mg·L-1, 超過水體富營養化的臨界濃度(0.02 mg·L-1)[30]。坡度在一定范圍內與N、P流失量呈正相關, 土壤N平均流失量在15°坡度時最大, 土壤P平均流失量在25°坡度時最大[31]。在其他影響因子一致的情況下, 土壤類型與N、P流失量有一定的影響, 化肥施用量與流失量之間存在線性關系[32], 土壤肥力越高, N、P流失越多, 且N流失受土壤肥力影響比P大;當農田中土壤粉粒和粘粒比例高時, N流失量大, 當沙粒比例高時, 有利于P的流失[33]。另外, 顆粒態磷是土壤磷淋溶的主要形態, 溶解性有機磷是溶解態磷淋溶最主要的形態[34], NO3—-N是土壤氮素淋溶的主要形態, 紫色土坡耕地土壤TN的年淋失量為TP的101.2—123.3倍, 養分滲漏淋失以N素為主[35]。因此, 合理施用氮肥, 提高氮肥利用效率是降低N素淋失、防治流域農業面源污染的關鍵。不同污染物化學特征不同, 污染機理不盡相同, 研究各物質在土壤圈及土壤-水界面的遷移轉化規律及其影響因素, 對控制面源污染具有重要意義。

3 三峽庫區面源污染的影響因素

3.1 土地利用

不合理的土地利用方式導致的土地覆被類型變動將會改變污染物在土壤、生物、水等圈層中的運移和傳輸途徑, 增加營養元素流失量, 加強流域水土流失并影響水文循環的所有環節, 從而導致面源污染加劇, 引發水體惡化[36]。定位實驗表明, 三峽庫區5種代表性土地利用方式的養分年輸出總量有較大的變異, 表現為坡地農田＞梯田農田＞梯田果園＞坡地果園, 坡地果園是較理想的土地利用方式, 既減少投資, 又可減少土壤侵蝕[37]; 不同利用方式降低水土和養分流失的順序是: 免耕地>耕地, 橙區>農區, 石坎梯地>坡地[38]。就其驅動機制來看, 土地利用方式轉變而引起的地表徑流與N、P等營養元素的輸出系數變化是其最根本因子。當土地利用方式發生轉變, 其利用目的和土地管理方式的改變必然引起面源污染程度差異。例如, 以農業種植為主的流域內溪流中硝態氮明顯高于以林地為主的流域, 林地面積增加會使水體中N素明顯減少[39]。

不同土地利用類型下面源污染物流失變異性較強。三峽庫區小流域長期定位觀測研究結果表明, 不同土地利用類型TP流失負荷的大小順序為農田＞柑橘園＞茶園＞竹林＞板栗林＞喬木林[40]; 另有學者計算庫區不同土地利用類型TN、TP輸出系數為農田＞城鎮＞草地＞林地[41]。面源污染不僅與土地利用類型及數量結構有關, 也與區域空間配置格局密切相關。多種土地利用類型構成異質景觀對土壤養分的分布和遷移產生影響[42], 各項污染物濃度往往介于林地、草地、耕地等單一方式為主控制的小流域之間[43]。

景觀格局是生態過程的基礎, 通過格局特征可以推測過程特征, 而過程反過來又影響格局形成[44]。三峽庫區秭歸縣農林小流域景觀格局特征對徑流、泥沙等污染物輸出的影響研究表明, 流域徑流量與農坡地、農梯地、農林梯地、居民地等斑塊面積比例指數以及聚集度等景觀指數顯著正相關, 而與林地、灌木地斑塊面積比例指數顯著負相關; 泥沙輸出量與農坡地、農林梯地、居民地等斑塊面積比例指數、聚集度指數等顯著正相關, 而與林地、灌木地斑塊面積比例指數、Shannon多樣性指數等顯著負相關[45], 證明景觀格局深刻影響著徑流和污染物的產生與輸移過程。但是, 由于當前的景觀格局指數的生態學意義并不明確, 通過格局指數與水質污染物相關性分析得到的結果尚需進一步的解釋[46]。由此可見, 面源污染雖然是由自然過程引發的生態過程, 但在人類活動尤其是土地利用活動影響下得以強化, 筆者據此構建土地利用對面源污染影響的基本原理圖(圖2)。

3.2 自然地理特征

自然地理條件與人為活動決定了三峽庫區面源污染的區域特征。三峽水庫蓄水運行中, 將在三峽庫區形成長約632 km, 落差30 m的消落帶。消落帶是一種特殊的流域景觀單元, 連接陸地生態系統和水生生態系統。按175 m蓄水方案, 三峽工程將淹沒土地864 km2, 淹沒土壤主要為肥力高的沖積土和水稻土。低水位時消落帶可攔截來自陸源的污染物質, 但當水位上升時又直接與水體發生作用, 向水體釋放污染物。因此, 消落帶成為三峽庫區面源污染物輸出的一個敏感區域[47]。目前關于消落帶面源污染的研究主要集中在水-土界面上養分交換特征[48]以及干濕交替對土壤磷素釋放的影響[49]。水土流失和地表徑流是面源污染產生的主要條件, 庫區多是坡地、加之降雨集中、強度大、水力沖蝕作用強烈, 水文和地形等自然因素決定庫區面源污染形式主要為水土流失型[50]。土壤類型、結構、物理和化學性質都會影響地表徑流量和污染物遷移速度[40], 而地表植物可減少地表徑流, 阻止泥沙遷移、固持營養物質, 降低面源污染發生的風險。

3.3 農業活動

化肥和農藥用量、種類、使用時間, 農業廢棄物利用和堆放方式, 耕作方式, 畜牧養殖等農業活動可以通過降雨-徑流過程影響面源污染。據估算三峽庫區(重慶段)種植業化肥施用量高于全國平均水平, 單位面積施肥折純量為TN 23.25 t·km-2、TP 20.34 t·km-2, 種植業污染負荷總量較高[51]。田間施用殺蟲劑平均只有3%產生藥效, 除草劑有效利用的部分占5%—40%[52]。化肥農藥施用規模直接決定TN、TP、有毒有機物和無機物的產生量, 農用化學物質的過量和不合理施用是庫區農業面源污染主要原因。耕作方面, 水土保持耕作相比于常規耕作, 能有效減少農田N、P流失量[8, 25]。此外, 畜禽糞便與農業廢棄物如不合理利用會加重庫區面源污染。

圖2 土地利用對面源污染的影響基本原理

Figure 2 The influence mechanism of land-use to nonpoint source pollution

3.4 社會經濟因素

社會經濟發展也是影響面源污染的重要因素。研究表明, 經濟增長是影響三峽庫區重慶段農業面源污染的主要原因, 且種植業、養殖業和農村生活三大類污染源排放量與農村經濟發展之間都具有協整關系。長期來看, 農村經濟發展對農業面源污染有減緩作用, 與傳統的環境-經濟增長庫茲涅茨倒U型曲線所揭示的一般規律相同, 農業經濟的發展和種植業、養殖業的污染排放量具有雙向的因果關系, 但經濟發展是農村生活污染排放量增長的原因, 農村生活污染排放量不是經濟增長的原因, 它們之間是單向因果關系[53]。同類研究[54]也證明三峽庫區農業經濟發展對三峽庫區的農業面源污染的預防與治理既存在正效應, 也存在負效應。農業面源污染負荷總體上隨著農業生產規模的擴大而變小, 二者呈顯著的負相關關系, 原因為小規模經營下農戶投入的化肥、農藥相對較大且田間管理不足, 增加了農業面源污染的風險。因此, 適度的經營規模可以促進化肥、農藥等相對合理的施用以及農戶對農田的管理效應, 進而減少農業面源污染負荷。

4 三峽庫區面源污染負荷及模型研究

三峽庫區面源污染負荷有以下特點, 面源污染占總入庫負荷的60%—80%, 主要來自長江干流、嘉陵江、烏江三江入庫, 其中又屬長江干流對入庫面源污染負荷的貢獻占絕對優勢, 嘉陵江、烏江的面源污染總貢獻率僅占13.4%—39.4%; 農業面源所占比例很大, 主要污染物是: TP、BOD5、TN、CODCr等, 氮對水體的影響以溶解態氮為主, 磷對水體的影響以顆粒態磷為主[55–58]; 不同土地利用類型中, 耕地為主要污染負荷產出源頭, 泥沙、TN、TP負荷分別達到庫區總量產出的91.34%、76. 36%和83.69%[59], 旱地和稻田徑流中面源污染物濃度較高, 來源于紫色土、水稻土和黃土的徑流中營養元素占到了污染物總荷載的很大比例; 面源污染物的產出與海拔高度呈對數關系, 污染物產出的峰值在200 m—500 m海拔梯度, 這個梯度內以農地為主[60–61]。面源污染物產生的關鍵區域主要位于庫區腹地的云陽、奉節、萬州、巫溪、豐都、巫山等區縣, 且距河流越近, 面源污染危險性越高[62–63]。從面源污染負荷研究方法來看, 多采用人口、面積、單位排放系數等經驗公式進行推導和估算, 雖然適合缺乏監測資料的實際, 但由于忽略了遷移轉化過程和源區空間異質性, 在一定程度上影響了其科學性及指導性[64]。為使預測結果更加合理, 學者還基于水文分割法[55]、降雨量-輸沙量-污染物相關關系模型[65]、泥沙輸移比[62, 66]、盲數理論與動態因子[67]、產沙量與吸附態面源相關性[68]和RUSLE方程的耦合負荷模型等對面源污染負荷研究進行了多方面的探索。

通過模型對面源污染進行模擬, 是目前面源污染研究的重要手段之一。模型化研究大致經歷初期統計模型、機理模型、實用型模型和大型專業模型四個發展階段。隨著3S技術的迅速發展和面源污染機理的深入研究, GIS與分布式參數模型耦合集成已經成為面源污染研究的主要手段, 包括SWAT、AGNPS、AnnAGPS、BASINS等。這類模型可對降雨徑流、土壤侵蝕、溶質運移等連續模擬, 還可以對流域面源污染時空變化、負荷關鍵源區進行識別, 并與污染管理措施相結合, 進而為面源污染的控制提供參考。目前庫區模型化研究尚處于起步階段, 雖然提出了一些基于面源污染機理的概念模型, 但研究缺乏連續性, 大多還是直接利用國外現有模型或根據實際情況加以修正, 主要包括AnnAGNPS與SWAT。

從AnnAGNPS在庫區典型小流域及主要支流應用結果來看, 徑流模擬效果優于對泥沙和養分的模擬, 徑流模擬誤差均在可接受范圍之內, 泥沙輸出量的模擬誤差較高, 氮磷等養分輸出的模擬誤差最高, 對泥沙和營養物質等模擬方式有待進一步改進。泥沙模擬誤差可通過調整RUSLE和HUSLE等子模型的輸入參數來減小。該模型總體上模擬結果與相關文獻研究和政府統計數據較為相符, 適用于三峽庫區地理氣候條件[69–71]。但是, 模型不確定分析指出, 不同分辨率DEM對泥沙、總磷、有機碳輸出影響顯著, 三峽庫區類似黑溝小流域宜采用5 m格網尺度DEM, AnnAGNPS模型較不適合于尺度較小、坡度較大的小流域泥沙負載預測[72]; 空間離散單元(SDU)水平, 即SDU大小及數量影響輸入參數空間聚合效應及模型輸出結果, 徑流、泥沙和養分輸出具有不同的SDU適宜水平和范圍, 且對泥沙、總氮、總磷模擬影響較大[73]。

SWAT是一套由USDA-ARS歷經30多年開發的具有很強的物理機制, 適用于復雜大流域的分布式水文模型。已有部分學者將SWAT模型應用到庫區及主要支流的面源污染負荷、時空分異規律、不同土地利用類型污染負荷的差異性及其模型不確定性研究, 驗證SWAT在庫區地理氣候條件下的可行性和適用性。結果表明模型對徑流、泥沙、營養鹽(TN、TP)模擬結果在合理范圍之內, 達到了較好的模擬效果, 其中徑流模擬效果最佳, 其次為泥沙、營養鹽[74]。同時模型在大寧河流域的應用研究結果表明, 面源污染負荷的不確定性主要受徑流產生過程的參數的影響[75], 不同的流域劃分方案對營養物質的流失產生了輕微的影響, 但沒有明顯的變化趨勢和規律[76]; 空間數據對徑流和氮的模擬結果影響較小, 而對泥沙和磷的模擬結果影響較大, 且存在空間數據分辨率的閾值, 分辨率越高并不意味著模擬結果越準確[77]; 土壤數據分辨率對模擬結果的影響較小, 而不同土壤數據來源對模擬結果影響較大, 這種影響在進行污染物模擬時要比流量模擬時要大[78]; 降水空間變異和監測誤差對水文模擬結果的不確定性影響顯著, 對面源污染物模擬的不確定性相較與對流量的模擬的不確定性會被放大[79–80]。目前在該區域內對引用的外國模型主要集中在小流域及中等尺度流域, 而在大流域尺度上有待更加深入的研究。受模型本身設計的局限性、國內外實際差異性、模型參數輸入的不確定性以及基礎數據來源等因素的影響, 模型對預測結果的偏差在所難免, 但是相關監測資料的缺乏使模型難于校準和驗證, 使其推廣使用受到限制。

關鍵源區(CSAs)識別是流域面源污染控制的先決條件[81]。基于研究區的實際情況及資料的可獲得性, 目前庫區關鍵源區識別主要利用SWAT等大型流域模型對污染物的遷移路徑、轉化過程及輸出連續模擬, 找出污染發生的時間與重點區域, 或者通過輸出系數法計算流域中不同土地利用類型的污染物年負荷量, 找出污染負荷量大的流域或流域的重要部位。但是經驗模型未考慮污染物遷移輸出過程的外部影響因子, 不確定性高, 同類研究出現對重點控制區域結果不一致的情況[82–84]。王金亮等[85]通過最小累計阻力模型構建了庫區面源污染阻力面, 用阻力值大小來預測庫區農業面源污染發生的潛在風險, 具有很好的借鑒意義。

5 三峽庫區面源污染防治研究

三峽庫區對面源污染防控措施的研究可追溯至水土流失的研究。坡耕地是三峽庫區的主要生產用地, 也是主要產沙單元, 土地退化嚴重。“坡改梯”等措施的實施取得了較好的水土保持效果, 但梯田建設工程量大、成本高。“大橫坡+小順坡”耕作模式是長江上游廣大農民長期實踐經驗的總結, 具有減少細溝侵蝕、排水通暢、防止滑塌、耕作方便及節省勞力的優點。通過在忠縣的坡耕地人工降雨試驗, 基本查明了不同坡面特征下細溝發生的臨界坡長, 采用橫坡截留溝在臨界坡長處截斷坡面, 劃分小地塊, 形成小順坡, 最終提出適合三峽庫區的“大橫坡+小順坡”坡耕地有限順坡耕作技術模式[86]。根據區域現場條件, 選擇“坡改梯”或“大橫坡+ 小順坡”耕作模式可有效減少陡坡耕地的水土流失, 降低面源污染發生風險。將植物籬技術應用于坡耕地的治理, 可起到減緩坡面、改變氮磷等面源污染物在坡面的分布狀態以及降低其含量的作用, 從而控制水土流失與面源污染, 并且具有投資小、施工簡單、操作方便等優點。湖北省秭歸縣的經驗表明, “植物籬+經濟林”模式具有增加地表覆蓋、減緩地表徑流、增加土壤肥力和防止坡面水土流失的功能, 與純坡地經濟林相比總純收入增長11%[87], 實現了生態效益與經濟效益的有效結合。緩沖帶(濕地)可通過植物吸收、物理沉積、土壤微生物轉化等多種途徑減少面源污染物進入水體[88]。謝慧等利用SWAT模型模擬三峽庫區流域面源污染, 篩選庫區流域范圍內的面源污染關鍵區域并進行情景分析, 結果表明添加田邊緩沖帶情景時, 泥沙、總氮、總磷及綜合污染負荷比無任何管理措施的基準情景分別減少了29%、23%、28%、29%[74]。在忠縣石盤丘流域[89]和涪陵王家溝小流域[90]研究發現, 稻田可為面源氮、磷提供沉淀區, 合理增加稻田數量, 優化稻田空間格局是控制三峽庫區面源污染有效措施。退耕還林工程實施以來使流域土地利用結構發生改變, 通過優化土地利用結構也可控制面源污染, 對秭歸縣蘭凌溪小流域氮磷控制效應研究表明, 小流域土地利用結構調整應優先增加林地, 適當控制園地發展, 且將住宅用地面積比例控制在5%以下, 并通過林茶、林果間作等方式改變小流域部分園地單一類型片狀分布格局[91]。

肖新成等[92]以農業經濟效益最優和農業面源污染減排為目標, 并考慮到農作物清潔生產技術應用和推廣對提高種植業經濟收益和降低農業面源污染的作用, 運用線性規劃模型優化庫區重慶段種植業結構, 得到最優路徑為重慶段糧食生產用地應保持約119.16×104hm2, 蔬菜用地保持約33.25×104hm2,經濟林(煙草、水果、茶)用地應維持在17.05×104hm2;同時指出在農作物生產過程中應大力推廣清潔生產技術, 并在保證糧食生產穩定的前提下, 逐漸縮減玉米和大豆的種植面積, 適當增加經濟林種植面積。在庫區王家溝小流域測算結果表明, 建設1個8—10 m3的戶用沼氣池, 全年可減少 COD 230.65 kg、BOD5 146.87 kg、TN 38.00 kg、TP 11.84 kg進入水體[93]; 利用沼肥減少引起面源污染的化肥施用量, 不會造成農產品產量下降, 還可以減少由于大量施用化肥而帶來的水體富營養化等一系列環境污染問題。

隨著對面源污染研究的深入, 僅靠單一的技術及工程措施或政策措施無法徹底防控面源污染。對面源污染防控及管理措施的研究逐漸從單一的防治措施演變到通過建立面源污染控制措施體系來控制面源污染。最具代表性的“最佳管理措施(BMPs)”的核心是以合理利用土地為基礎, 通過管理措施和非管理措施的有效組合以控制面源污染物的產生和運移, 防止污染物進入水庫、湖泊、河流等水體。隨著研究不斷深入, BMPs并非一種確定的方法或手段, 實質上已成為一種理念。有學者在庫區王家溝小流域通過土地利用格局優化分析, 在宏觀層面上實現了面源污染控制的最佳途徑, 同時根據實際情況設計了一套集農村居民點-旱坡地-水田-消落帶于一體的多重攔截與消納面源污染物的農業面源污染控制系列化最佳管理措施, 通過評價該BMPs對N、P和泥沙等污染物的綜合去除率達到89%以上[94], 從源頭控制、路徑耗散、末端處理三個層面減少了面源污染負荷。然而, 決策管理者與利益相關者對相關管理措施持不同意見。例如, 對三峽庫區巫溪縣92個農民和42個決策管理者進行了問卷調查, 以分析對最佳管理措施的認可程度。結果表明, 政策管理者對大多數保護措施的支持意愿都比農民相對要高, 而農民較為支持邊坡防護、河岸森林緩沖帶、水平溝等非農措施以及一些能夠改善土壤養分的措施[95], 說明農民對管理措施的接受程度主要取決于措施的實施能否帶來好的經濟效益。對面源污染進行有效治理和控制, 遠不只是一個技術問題, 更多的是政治的、體制的和經濟的問題。

6 結論與展望

經過多年探索, 庫區面源污染研究已經從初期的定性化轉向定量化, 由統計、調查轉向機理模型模擬及實用治理, 研究內容較為全面, 涉及基礎理論、流失規律、負荷量化、控制措施, 研究尺度由微觀到中觀到宏觀, 研究方法包括傳統方法、模型模擬和新技術。雖然取得了較大的進展, 但仍然存在不少問題, 有待進一步完善。

庫區面源污染機理研究主要集中在降雨徑流、土壤侵蝕、不同土地利用類型、不同管理措施下泥沙、N、P等污染物流失特征, 研究多關注單一過程, 當前嚴重破碎化土地利用格局背景下的面源污染發生過程、擴散格局及其轉化機制仍不明晰。不同面源污染物遷移轉化特征具有差異性, 其產生的實質是養分或污染物從“土相”向“水相”的運移[96]。三峽庫區已在消落帶開展了水-土界面上養分交換特征的研究, 但不同陸面斑塊界面之間N、P遷移轉化機制研究較少。此外, 不同的監測尺度涉及不同的流域產匯流過程及其伴隨的滲濾、吸附等機制, 導致不同尺度下污染物產出的顯著差異[97], 將一種尺度上的生態規律轉換到另外一種尺度上時往往會出現較大的偏差[98]。因此, 尺度問題是影響面源污染輸移機理的重要科學問題, 也是一大挑戰。今后應深化基礎研究, 重點揭示不同尺度和格局下N、P、泥沙等耦合作用下的運移、轉化機理及其不同污染物在不同陸面斑塊界面之間轉化機制, 以期為面源污染的防治提供理論基礎。

面源污染影響因子眾多, 雖由自然過程引發, 但在土地利用活動下得以強化。景觀格局變化對養分等面源污染物發生、遷移和轉化具有顯著影響[99], 主要表現在土地利用/覆被的變化引起生態系統物質和能量流動過程的變化。研究面源污染物輸出對景觀格局變化的響應, 通過景觀合理布局, 有效地截留進入水體的養分元素, 無疑是一種較為經濟、有效的流域面源污染控制新方法。當前景觀格局作用量化的研究相對較少, 格局分析及與過程耦合有待進一步發展。現有研究一是將靜態的景觀格局指數與水環境質量之間進行相關性分析[45], 再者是憑借經驗或賦予權重貢獻法確定不同景觀類型對面源污染生態過程的作用[100]。由于景觀格局指數生態學意義并不明確, 無法系統揭示面源污染物輸移對景觀格局變化的響應機制。流域景觀格局與面源污染這一生態過程之間的關系十分復雜, 往往是非線性、耦合與反饋關系。因此, 景觀過程與具體生態過程間的動態關系是未來研究的另一挑戰, 還需更深入研究才能得出準確結論。

過程模型模擬是目前主要的研究方法, 庫區基本上以引用國外模型為主, 主要是探討國外模型適用性與參數獲取, 對模型本身鮮有研究。模型校驗方面多使用長江干流水文資料對影響徑流、泥沙、營養鹽(TN、TP)的敏感參數進行調整, 但忽略水電站對徑流的調控作用和對泥沙沉積的影響, 導致率定的參數偏離研究區實際取值。Hong等[101]在目標流域選擇典型小流域應用物理模型, 然后將在小流域獲得的參數推廣至整個流域, 以獲得整個流域的面源污染負荷, 為大尺度的面源污染負荷估算提供了一種實用的方法, 但是選擇的小流域必須具備充足的數據。由于缺乏模型運行和校正需要的數據和相關實驗研究, 使得模型模擬結果得不到很好的校準與驗證。因此, 未完全標定模型輸出的分析, 是否有助于獲得水文過程的關鍵信息是當前研究中要解決的關鍵技術問題。今后應系統分析引進模型不確定性, 明確相關模型在三峽庫區建立及校驗的主要缺陷, 借鑒國外模型理念, 立足于研發反映我國區域地理特征的面源污染負荷估算方法與機理預測模型。

與此同時, 對庫區開展系統面源污染背景調查, 建設長期標準化面源污染監測系統是一個值得開展的研究方向, 尤其是建立以日為步長的重點支流及不同地理特征、不同土地利用模式小流域基礎數據庫具有重要意義。基礎資料的完善不僅為模型的應用和提出提供數據支撐, 也為流域污染物排放總量控制、水環境承載力確定等方面的研究提供可靠數據源。此外, 完善相關數據共享機制, 提高監測數據使用效率也是推動區域面源污染研究的有效手段。

面源污染研究的最終目的是如何防治, 目前庫區面源污染控制措施多集中于工程及技術措施, 而對土地合理規劃利用、管理及政策措施所發揮的作用研究不足。綜合防治方案以理論框架和建議為主, 缺乏實證研究及已有技術的集成與推廣應用。對最佳管理措施(BMPs)的研究也比較欠缺, 已有研究也主要通過模型進行情景分析。現有面源污染防治技術僅關注源頭減量或過程阻斷, 缺少從生態系統的層面上進行調控, 忽略了生態系統自身的調控功能與機制, 制約著農業面源污染防控措施的有效實施[96]。楊林章研究團隊在太湖地區面源污染研究中, 針對農業面源污染防治提出了“減源-攔截-修復”(3R)理論[102], 后對該理論進行了豐富和發展, 形成“源頭減量-過程阻斷-養分再利用-生態修復”(4R)理論, 提出了農業面源污染治理的總體思路、相關技術集成與工程化應用框架, 并在工程實踐中取得了良好的效果[103], 對三峽庫區的面源污染防治具有很好的借鑒意義。與其他生態系統類似, 農業生態系統也具有多種生態服務功能。可通過優化土地利用和管理模式, 施加局部關鍵措施控制等方法提高農業生態系統營養物質利用率, 減少水土流失和生活污水的產生, 力求養分在到達水體之前達到平衡。實質是增強多種生態系統服務的協同效應, 使面源污染物產量最小而提高生態和經濟效益[104]。面源污染的防治是一個系統工程, 并不依賴于單一的技術措施, 需考慮全局性。今后應結合景觀生態學原理與土地優化配置理論等相關理論, 采用“源頭控制、過程阻斷和末端削減”的整體思路, 統籌“山水林田湖草”系統治理, 農、林、水等綜合措施緊密結合, 因地制宜研發生態系統、景觀及流域尺度面源污染綜合防控模式, 即整體景觀優化調控, 局部關鍵措施控制和多重攔截與消納模式和控制途徑集成技術體系。

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A review of non-point source pollution in the Three Gorges Reservoir Area (TGRA)

LI Le, LIU Changfu*

Key Laboratory of Forest Ecology and Environment, National Forestry and Grassland Administration, Research Institute of Forest Ecology, Environment and Protection, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China

In order to clarify the problems and deficiencies of the tendency of research on non-point source pollution, the count and changing tendency of related literatures and contents of high-cited literatures were retrieved, classified and analyzed statistically in this paper based on the research results of non-point source pollution from 1990 to 2018 in the Three Gorges Reservoir Area (TGRA). The research progress of non-point source pollution in the TGRA was discussed from four aspects of the mechanism, influencing factors, load and model simulation and prevention to achieve better regional ecosystem management.Existing research on the mechanism of non-point source pollution was mainly from a single process and scale of rainfall runoff, soil erosion, different land uses and the loss characteristics of pollutants of sediment, N, and P, etc. under different management measures; further research will focus on the occurring process, diffusing pattern and its transforming mechanism of non-point source pollution under the background of severe fragmentized land use. On the influencing factors, more existing discussions were on land use without a clear influential mechanism of how the landscape pattern changes to generate non-point source pollution. In the load simulation, existing research was mainly on establishing the empirical model and discussing the applicability of foreign models in the reservoir area, few of them were on primary developments. In preventing non-point source pollution, existing research focused mainly on engineering and single technical measures, few of them were on the optimal management (BMPs) and on the comprehensive prevention and control technology of non-point source pollution in ecosystems, landscapes and watersheds. Research on non-point source pollution in the Three Gorges Reservoir area should be improved as follows: (1) the migration and transformation mechanism of the N and P and sediment under coupling action in different scales and patterns and the mechanism of their different pollutants transferring among the interface of different land surface patches; (2) the dynamic relationship between non-point source pollution and landscape process; (3) using foreign model ideas as a reference to develop a prediction model of non-point source pollution applicable for our regional geographical characteristics; (4) establishing a standard non-point source pollution monitoring system; (5) overall planning of systematic governance of ‘mountain, water, forest, land, lake and grass,’ and developing a comprehensive technical system of prevention and control of the area’s source pollution.

Three Gorges Reservoir Area (TGRA); non-point source pollution; model simulation; migration and transformation; control

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.02.026

X501

A

1008-8873(2020)02-215-12

2018-12-26;

2019-02-28

國家重點研發計劃(2017YFC0505306)

李樂(1991—), 男, 甘肅酒泉人, 博士研究生, 主要從事面源污染及生態系統服務研究, E-mail: zglkylile@126.com

劉常富, 男, 博士, 教授, 主要從事森林生態學研究, E-mail: liucf898@163.com

李樂, 劉常富. 三峽庫區面源污染研究進展[J]. 生態科學, 2020, 39(2): 215-226.

LI Le, LIU Changfu. A review of non-point source pollution in the Three Gorges Reservoir Area (TGRA)[J]. Ecological Science, 2020, 39(2): 215-226.