三峽庫區蘭陵溪小流域農業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.湖北省林業科學研究院，湖北 武漢 430075；2.秭歸縣林業科學技術推廣中心，湖北 宜昌 443600)

近年來，面源污染引起的環境問題日漸突出[1]，給土壤、大氣及水體環境帶來了明顯的負面影響[2-3]，已成為當前主要的環境問題之一。在不同類型的面源污染中，農業面源污染物排放量最大，是最主要的貢獻者[4]。受污染物的遷移、環境條件、地形條件、土地利用方式等多重因素的影響，農業面源污染的定量評價存在一定難度[5]，因此，分析評價農業面源污染特征，解析主要污染源對面源污染防治并提升環境質量具有重要意義。當前，農業面源污染物排放量的計算方法有多種[6-8]，其中，排污系數法所需參數較少，具有較強的操作性和實用性。

圍繞三峽庫區嚴重的面源污染問題，較多學者已從面源污染變化量、污染源劃分、農村生活污水等方面開展了大量研究[9-13]，但這些研究區域大多集中在三峽庫區重慶段，針對小流域的研究較少，導致目前對三峽庫區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業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，緊鄰長江干流，人為活動頻繁，小流域水體水環境質量為《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)的Ⅴ類水平[15]，對長江干流的水體質量安全產生了嚴重威脅。本研究基于面源污染調查估算蘭陵溪小流域農業面源污染負荷，并對主要污染源和污染物進行劃分，為該區域面源污染治理防護提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于湖北省秭歸縣茅坪鎮蘭陵溪小流域(30°51′21″～30°51′34″ N，110°53′27″～110°54′50″ E)，面積約144.4 hm2，氣候屬亞熱帶大陸性季風氣候，年均氣溫18 ℃，年均空氣相對濕度77%，無霜期307 d，年均日照時數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。研究區用地類型多樣，以園地和耕地為主，多種植茶葉、柑橘等經濟作物，少量耕地零星種植花生、玉米、紅薯等，研究區人為活動較為活躍。三峽大壩位于秭歸縣，蘭陵溪小流域緊鄰長江干流，流域內有若干小河道，以前常有居民在江邊圍網養魚或用網箱養魚，近年來，由于保護環境的需要，尤其是提倡長江大保護以來，流域內已沒有養魚現象存在。

1.2 面源污染入戶調查

2019年4—5月，本課題組以2018年為基準年開展面源污染調查工作，調查以戶為單位進行，分別調查種植業源、畜禽養殖業源、農村生活源。共抽樣調查50戶，戶數抽樣比例為總戶數的10.63%，調查點分布情況見圖1。種植業源調查的內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、農田等4種，果園以柑橘園為主。結合《秭歸縣茅坪鎮2019年農業年報》相關統計數據，對蘭陵溪小流域內所涉及到的農戶數量、人口數量、畜禽養殖種類及其出欄量和存欄量、飼養周期、糞便清理方式等進行調查。農村生活源主要調查農戶的用水方式、生活污水及生活垃圾處理方式、基礎設施的普及率等。由于研究區已無水產養殖等現象存在，因此本研究不考慮水產養殖業源造成的面源污染。

圖1 面源污染調查點分布Fig.1 Distribution of non-point source pollution survey sites

1.3 土地利用類型獲取

2019年5月，利用無人機對蘭陵溪小流域的土地利用類型進行獲取，精度為0.2 m。利用ArcGIS軟件對影像進行校正、配準和解譯，參照《土地利用現狀分類標準》(GB/T 21010—2007)并結合土地利用實際情況，按照林地、農田、果園、茶園、茶-果間作、道路、建設用地、水域等進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%、農田占3.79%、水域占19.22%、建設用地占5.76%、道路占2.20%。

1.4 污染物排放量計算方法

本研究利用排污系數法估算流域內各污染源的排污量，構建蘭陵溪小流域的排污清單。參照全國污染源普查資料，將調查結果與對應的耕地面積或總戶數對應匯總，估算不同污染源排放量。

1.4.1 種植業源計算

利用肥料施用量與肥料流失系數的乘積計算得到化肥污染物排放量。根據《全國農田面源污染排放系數手冊》，茶園、果園、茶-果間作3種耕作類型的TN、TP流失系數為0.174、0.072，農田的TN、TP流失系數為0.528和0.188，分別統計茶園、果園、茶-果間作、農田4種耕作類型TN、TP排放量。

1.4.2 畜禽養殖業源計算

根據《第一次全國污染源普查畜禽養殖業產排污系數與排污系數手冊》，畜禽養殖排污量可由畜禽年末存(出)欄數乘以排污系數計算，該手冊給定的排污系數是基于畜禽養殖場、畜禽養殖小區和畜禽養殖專業戶等3種養殖單元。其中，養殖專業戶的規模要求為：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。在本研究區域內，畜禽養殖大多不能達到上述最小養殖規模，視為以散養為主。因此，研究區域內的畜禽養殖污染物排放量計算不宜直接按照《第一次全國污染源普查畜禽養殖業產排污系數與排污系數手冊》中給定的參數進行。參考文獻[16]計算畜禽養殖排污量，計算式分別見式(1)至式(3)。

畜禽養殖排污量=畜禽養殖產污量×排污系數

(1)

畜禽養殖產污量=畜禽飼養量×
畜禽飼養周期×產污系數

(2)

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

(3)

以《第一次全國污染源普查畜禽養殖業產排污系數與排污系數手冊》給出的產污系數為基礎，參照朱建春等[17]的方法對不同畜禽的產污系數進行調整。其中生豬產污系數以1/3保育期+2/3育肥期計；蛋雞產污系數以產蛋期計；役用牛產污系數以育肥牛期計。根據不同畜禽糞尿產量及其COD、TN、TP含量，計算得到生豬COD、TN、TP產污系數分別為302.24、36.51、4.84 g/d；蛋雞COD、TN、TP產污系數分別為20.50、1.16、0.23 g/d；役用牛COD、TN、TP產污系數分別為3 324.53、139.76、25.99 g/d。畜禽飼養量由調查統計所得，生豬以出欄量計，蛋雞和役用牛以存欄量計[18]。參考耿維等[19]研究，生豬飼養周期以199 d計，蛋雞和役用牛飼養周期均以365 d計。

據調查，散戶養殖的畜禽糞尿未經處理直接還田，因此假定糞尿處理率為0，且糞尿還田率等于糞尿利用率。糞尿還田率根據劉曉永等[20]對長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流失系數取20%、15%、5%[21]。

1.4.3 農村生活源計算

農村生活源污染物排放量從生活污水、生活垃圾兩個口徑進行統計[22]。據調查，蘭陵溪小流域的生活垃圾基本丟棄至垃圾桶，由拖車定期運走后集中處理，垃圾桶普及率為97.96%，由此計算得到的生活垃圾污染物排放量非常小，在統計時將其忽略不計，僅統計生活污水的污染物排放量。生活污水污染物排放量計算見式(4)：

污染物排放量=流域人口數量×污染物排放系數

(4)

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

1.5 等標負荷評價

本研究采用等標負荷法從水質功能角度評價面源污染的威脅，為對污染源和污染物進行綜合分析，污染物等標排放量計算見式(5)[23]：

Pi=Qi/c0i

(5)

式中：Pi為污染物i的等標排放量，m3/a；Qi為污染物i的排放量，t/a；c0i為污染物i基于水環境功能分區的水質控制標準值，mg/L。

2 結果與分析

2.1 農業面源污染物排放量

2.1.1 種植業源

根據種植業源污染調查，蘭陵溪小流域氮肥(以N計，下同)、磷肥(以P2O5計，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，根據肥料流失系數計算得到種植業源TN、TP排放量分別為89.77、9.05 t/a。分別統計茶園、果園、茶-果間作及農田等不同耕作類型的污染物排放量，結果見表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 畜禽養殖業源

蘭陵溪小流域飼養的畜禽主要為生豬、役用牛、蛋雞，其糞尿產生量分別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 畜禽養殖業源污染物排放量

2.1.3 農村生活源

根據《秭歸縣茅坪鎮2019年農業年報》統計數據，蘭陵溪小流域內人口數量為1 223人，由式(4)計算得到蘭陵溪小流域農村生活源COD、TN、TP排放量分別為33.03、5.27、0.37 t/a。

2.2 農業面源污染特征

根據不同面源污染數據的統計計算，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殖業，占COD總排放量的72.16%，TN、TP主要排放來源為種植業源，分別占總排放量的90.40%、89.78%。

圖2 不同農業面源的污染物排放量Fig.2 Pollutant emission quantity of different agricultural non-point source

2.3 農業面源污染等標排放特征

為了在同一尺度下比較不同污染源、污染物對環境的污染能力，采用等標排放量對蘭陵溪小流域的農業面源污染情況進行評價。從表3可以看出，不同污染物的總等標排放量為77.83 m3/a，表現為TN(49.65 m3/a)>TP(25.21 m3/a)>COD(2.97 m3/a)。種植業源的污染物等標排放量為67.51 m3/a，是TN、TP的主要排放源，TN、TP等標排放量分別為44.89、22.62 m3/a，對TN、TP排放的等標負荷比分別為90.41%、89.73%。畜禽養殖業源的污染物等標排放量(5.92 m3/a)與農村生活源(4.40 m3/a)比較接近，畜禽養殖業源的COD、TP等標排放量高于農村生活源，TN等標排放量則相對較小，這與畜禽養殖的結構、農村基礎設施建設情況等因素有關。畜禽養殖業源的COD等標負荷比為72.16%，是COD的主要排放源。

表3 不同污染源污染物等標排放量及其貢獻率

區分農業面源的主要污染源和污染物可為實施針對性的防治措施提供依據。從污染源看，種植業源、畜禽養殖業源和農村生活源的等標負荷比為86.74%、7.61%和5.65%，種植業源是蘭陵溪小流域的主要污染源。從污染物看，TN、TP、COD的等標負荷比為63.79%、32.39%和3.82%，TN是蘭陵溪小流域的主要污染物。

3 討 論

面源污染過程相對緩慢，具有污染源分散、污染物結構復雜等特點。在較大尺度上對面源污染的特征進行研究可以獲取污染的總體情況并掌握重點污染區域，而從小尺度上對面源污染特征進行研究則可為實施針對性較強的防護措施提供參考依據，并對區域性污染現狀作出解釋，對小流域的面源污染研究及評價已成為治理農業面源污染的重點工作之一[24]。

根據本次調研結果，蘭陵溪小流域氮肥、磷肥施肥量總計767.70 kg/hm2，遠高于全國平均水平，且超過美國平均使用量的708.21%，超過國際上規定化肥安全使用上限的341.20%[25-26]。這與當地的生產經營水平及科學施肥的普及率不高有關。黃麗等[27]對三峽庫區1996—2003年19縣市面源污染的研究表明，三峽庫區的單位面積平均施肥量以53.40%的速度增長，2003年庫區施肥量達560.30 kg/hm2，到2007年庫區4縣市的施肥量為687.56 kg/hm2(氮肥485.80 kg/hm2，磷肥201.76 kg/hm2)，增長率22.71%，較1996—2003年肥料使用增長率大大減小，這一方面可能是因為面源污染防控措施的實施造成，另一方面可能由于統計的區域數量不同，不同縣市肥料使用情況不均衡導致結果存在差異。蘭陵溪小流域氮肥、磷肥施肥量偏高，據調查，該流域部分農戶在合理施肥方面存在較大問題，較多農戶參考其他農戶的方案進行施肥，沒有根據自身種植的作物類型或種植面積合理調整；此外，農戶多盲目認為施肥越多，作物產量越高，導致單位面積施肥量逐漸增加。這些情況應在實施面源污染防護措施時引起注意。

由于面源污染的復雜性，不同區域的主要污染源和污染物可能會存在差異。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殖業源[28]，有的地區則為種植業源、水產養殖業源等[29-30]，可見由于不同區域的生產生活方式、土地利用方式等存在差異，導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，種植業源是蘭陵溪小流域的主要污染源，其次是畜禽養殖業源、農村生活源；TN是蘭陵溪小流域的主要污染物，其次是TP、COD。據調查，蘭陵溪小流域居民多以種植茶葉、柑橘為主要經濟來源，其耕作面積較大，且施肥量較多，而畜禽養殖沒有專業的養殖場，均為散養，且數量不多，最終使種植業源的貢獻比例偏大，畜禽養殖業源較小。TN、TP的主要來源為種植業源，與楊志敏等[32]的研究結果相同。

在蘭陵溪小流域，農村生活源的污染物等標負荷比僅為5.65%，占比最小，這可能是由于生活垃圾被集中處理，其排污量未統計到農村生活源中有關。實際上，蘭陵溪小流域的沼氣池普及率達到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，則可進一步降低農村生活源的污染物排放量。

目前，此區域農業種植管理水平相對粗放，為了追求更大的經濟效益，農戶普遍存在不合理不科學的施肥結構以及施肥方法，致使土壤中氮磷含量大量盈余，在當地特殊的雨熱條件下極易導致面源污染的產生[33]。因此，為了在有效提高農業經濟產值的同時降低面源污染，后期應該改善和提升種植業生產方式，綜合應用坡改梯、構建植物籬、生草覆蓋等技術以控制水土流失和降低養分流失[34-35]，同時要改變施肥觀念，采用水肥一體化、平衡施肥技術[36]，并降低化肥使用量而增加有機肥使用比例，進而達到控制面源污染水平和風險的目的。

4 結 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源，COD主要污染源為畜禽養殖業源。

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

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