農業(yè)面源污染指標與地表水質量的相關性研究

高 福，馮 棣*，孫池濤，張敬敏

（1.山東省高校設施園藝重點實驗室/濰坊科技學院，山東 壽光 262700；2.山東農業(yè)大學 水利土木工程學院，山東 泰安 271018）

0 引言

【研究意義】改革開放以來，我國取得了舉世矚目的發(fā)展成就，然而伴隨經濟的快速發(fā)展，水體被污染的程度也在加劇，進而對生態(tài)環(huán)境、人類健康和社會的可持續(xù)發(fā)展造成了威脅。總結來看，污染源主要分為農業(yè)面源污染與點源污染2 類。相比之下，面源污染具有隨機、多源、面廣等特點，已經成為影響水體質量的主要因素[1]，控制農業(yè)面源污染也成為解決我國水環(huán)境和農村用水問題的關鍵[2-3]。【研究進展】為了掌握我國水質的變化趨勢和污染因素，前人做了較多研究。高建東和馮棣[4]發(fā)現，近年來海河流域水質雖然有所改善，但大中型水庫水質達標率較低，區(qū)域水質整體仍然較差。劉曉林等[5]發(fā)現自2012年開始實施最嚴格的水資源管理制度后，淮河流域河流水質顯著改善。全國而言，1997—2017年河流水質有了明顯的改善，其中Ⅰ-Ⅲ類水質占比增長較快[6]。王道蕓研究發(fā)現，流域內污染物輸出受多種影響，農田氮磷肥的施加強度直接影響到污染物的輸出，隨著化肥用量的增加，水質污染更加嚴重[7]。除化肥污染之外，畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物流失、土地利用類型的差異和灌溉方式的不同、居民生活污水的排放都是導致水質變化的因素[8-10]。陶園等[11]通過計算青海省當地污染源產污量與負荷量，指出青海省畜禽糞便對農業(yè)面源污染的貢獻極大。在應用不同賦權方法在水質狀況的研究中，程衛(wèi)國等[12]發(fā)現超標倍數法和熵權計算過程存在一定的缺陷，雖然評價結果都能達到水質功能區(qū)的劃分，但是變異系數法較其他兩種賦權方式更為合理，但是在他的研究中并沒有說明這種方法對我國整體水質的適應性。對比加拿大環(huán)境部長理事會水質指數（CCME WQI）、內梅羅指數和單因子指數3 種評價方式，楊婷婷[13]認為，污染物較少時，3 種評價結果基本一致，超標污染物較多時CCME WQI 在的評價中比其他2 種結果更為嚴格，因此水質評價結果更加合理，更加適合評價我國水質。【切入點】綜上可見，目前關于水質評價的方法研究已經較為成熟，然而對我國近20 a 地表不同水體質量進行評價的研究鮮有報道，通過定量分析可以更加直接地反映水質變化趨勢，相關研究有待開展。【擬解決的關鍵問題】此外，主要的農業(yè)面源污染物到底會影響到哪類水體質量，哪類污染物的影響較大？為回答以上問題，本研究擬開展農業(yè)面源污染物與地表水質量的相關性分析，旨在為改善地表水質量提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

本文中研究的水質數據來源于1999—2018年的《中國水資源公報》，調查的河流長度、湖泊數和水庫數分別從1999年的11.4×104km、24 個、141 座增加到2018年的26.2×104km、124 個、1 129 座。化肥施用量和畜禽養(yǎng)殖業(yè)生產狀況數據來源于1999—2018年的《中國統(tǒng)計年鑒》，參考齊星宇[14]給出的畜禽糞便排污系數與糞便流失率參數（表1），估算全國主要畜禽糞便的排放量以及污染指標的流失量。

1.2 研究方法

CCME WQI 是一種水質管理工具，能夠較為直觀地反映研究水體的水質狀況[15-16]，其將水質分為極好、良好、中等、較差、極差5 個等級，對應值為94～100、79～94、64～79、44～64、0～44。中國根據《地表水環(huán)境質量標準》（GB3838—2002）將水質等級劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和劣Ⅴ這6 類。楊婷婷等[13]將CCME WQI 評價與我國對水質的評價標準進行了對比，結果顯示Ⅰ-Ⅲ類水質與CCME WQI 中的極好與良好相對應，Ⅴ類水質對應較差，劣Ⅴ類水質對應極差。據此，本文將Ⅰ-Ⅲ類對應其極好與良好區(qū)段，Ⅳ類對應中等，Ⅴ類對應較差，劣Ⅴ類對應極差，評分取區(qū)間均值分別為89.5、71.5、54、22。則各類地表水體水質的WQI值計算如式（1）所示：

式中：Pi代表第i類水質得分；Wi代表第i類水質所占權重（%）。

畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染指標流失量計算方法如式（2）所示：

式中：TPLm代表m類污染指標（化學需氧量COD、總磷TP、氨態(tài)氮NH4+-N）流失總量（kg）；Xmj代表j種畜禽的m類污染指標的排放系數（kg·頭-1·年-1）；Bj代表j種畜禽的養(yǎng)殖量（詳見《中國統(tǒng)計年鑒》）；Lmj代表j種畜禽的m類污染指標的流失率（%），其中畜禽糞便排污系數與流失率數據如表1所示。

表1 畜禽糞便排放系數與流失率[14]Table 1 Discharge coefficient and loss rate of livestock manure[14]

2 結果與分析

2.1 1999—2018年農業(yè)主要面源污染指標排放

由表2 可以看出，1999—2018年我國化肥的施用量在2015年之前呈遞增趨勢，在2015年達到最大值60.23×109kg 之后開始逐年降低。與1999年相比，2018年的化肥施用量增長了37.1%。此外，根據表2 中COD、TP、NH4+-N 流失總量的計算結果可知，1999—2018年TPLCOD、TPLTP和TPLNH4+-N呈先上升后趨于平穩(wěn)的趨勢。與1999年相比，2018年的TPLCOD、TPLTP和TPLNH4+-N分別增加了21.1%、28.4%和15.6%。

表2 1999—2018年化肥施用量及畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染指標流失狀況Table 2 Fertilizer application and loss of pollution indicators in livestock and poultry breeding during 1999—2018

2.2 1999—2018年我國地表水體水質變化趨勢

2.2.1 河流水質變化

圖1 給出了1999—2018年全年期河流水質變化情況，由圖1 可以看出，Ⅰ-Ⅲ類河流水質占比在1999—2009年處于小幅波動狀態(tài)，之后逐年上升，2018年占比已經增至81.6%；Ⅳ-Ⅴ類河流水質占比在1999—2009年處于小幅波動狀態(tài)，之后逐年下降，2018年占比已經減至12.9%；劣Ⅴ類河流水質占比呈現出先增高后降低的趨勢，最大值21.8%出現在2006年，之后劣Ⅴ類水質占比逐漸減少，至2018年下降到5.5%。從近20 a 河流水質WQI得分可以看出，河流水質在1999—2006年呈下降趨勢，之后明顯改善，與1999年相比，2018年WQI得分增加了13.8%。

圖1 1999—2018年河流水質等級占比情況及WQI 得分Fig.1 Proportion of river water quality grades and WQI score during 1999—2018

2.2.2 湖泊水質變化

圖2 顯示了我國1999—2018年的湖泊水質變化情況。從圖2 可以看出，Ⅰ-Ⅲ類湖泊水質占比在1999—2011年間波動較大，整體呈升高趨勢，2012—2018年之后占比較為穩(wěn)定，但大幅低于之前平均水平；Ⅳ-Ⅴ類湖泊水質占比在1999—2010年波動較大，2011年之后占比呈上升趨勢，2018年已經增長到了58.9%；劣Ⅴ類湖泊水質占比整體呈先升高后降低的趨勢，最大值50%出現在2001—2003年，至2018年已經減至16.1%。從近20 a 湖泊水質WQI得分可以看出，湖泊水質在1999—2002年大幅降低，隨后至2010年快速、大幅升高，之后到2012年又快速降低并保持在一個較為穩(wěn)定的水平，與1999年相比，2018年WQI得分增加了6.5%。

圖2 1999—2018年湖泊水質等級占比情況及WQI 得分Fig.2 Proportion of lake water quality grades and WQI score during 1999—2018

2.2.3 水庫水質變化

1999—2018年水庫水質變化情況如圖3所示，由圖3 可以看出，Ⅰ-Ⅲ類水庫水質占比整體呈先減少后緩慢增長的趨勢，最小值74.4%出現在2003年，至2018年已增至87.3%；Ⅳ-Ⅴ類水庫水質占比為[8.7%，21.4%]，處于小幅度波動狀態(tài)，至2018年為10.1%；劣Ⅴ類水質水庫占比整體較為穩(wěn)定且處于較低水平，至2018年已經減至2.6%。從近20 a 水庫水質WQI得分可以看出，1999—2003年水庫水質呈下降趨勢，之后在波動中緩慢升高，2016—2018 處于高穩(wěn)狀態(tài)，與1999年相比，2018年WQI得分增加了2.4%。

圖3 1999—2018年水庫水質等級占比情況及WQI 得分Fig.3 Proportion of water quality grades of reservoirs and WQI score during 1999—2018

2.3 農業(yè)主要面源污染與地表水質相關關系分析

通過擬合近20 a 主要農業(yè)面源污染指標產生量相對值（與1999年的比值）與WQI得分的相關關系（表3），可以看出化肥施用量以及畜禽養(yǎng)殖業(yè)COD、TP 和NH4+-N的產生量與各類地表水WQI得分之間存在顯著或極顯著的正相關關系。從擬合方程斜率來看，按對地表水WQI得分貢獻大小排序均為NH4+-N＞COD＞TP＞化肥的施用。

表3 1999—2018年主要農業(yè)污染指標與WQI 得分的擬合情況Table 3 Correlation analysis between main agricultural pollution indicators and WQI score during 1999—2018

3 討論

根據2017年農業(yè)農村部公布的數據顯示，我國化肥施用量為328.5 kg/hm2，遠高于120 kg/hm2的世界平均水平。此外自2013年開始我國的肥料利用率逐年增長，2019年已增至39.2%，但是與發(fā)達國家的50%～60%相比，仍有較大差距。據全國第一次污染源普查公報顯示，種植業(yè)總氮流失量高達1.6×107kg，其中地表徑流流失量占20%，大量的營養(yǎng)物質隨著降水及灌溉排水方式進入地表水[17-19]，從而導致水體中營養(yǎng)含鹽量增加，助長了面源污染的擴散。前文中通過擬合發(fā)現，化肥施用量以及畜禽養(yǎng)殖業(yè)COD、TP和NH4+-N產生量分別與各類地表水WQI得分之間存在顯著的正相關關系，說明以上指標不能正確反映主要面源污染物排放對地表水質的影響，因此，本文又引入了畜禽養(yǎng)殖業(yè)廢物利用率指標加以分析。根據前瞻經濟學人的統(tǒng)計數據顯示[20]，我國在2010—2017年的主要畜禽養(yǎng)殖業(yè)廢物利用率分別為37%、38%、40%、43%、46%、50%、54%、60%，據此計算出主要畜禽養(yǎng)殖業(yè)產污的具體流失量，并將其相對值與我國地表水體的WQI評分進行擬合，結果如表4所示。由表4 可以看出，河流WQI分值與TPLCOD、TPLTP和TPLNH4+-N的擬合方程相關系數R值均達到了顯著或極顯著水平，且河流水質與污染指標的利用狀況呈現負相關的關系，即隨著畜禽養(yǎng)殖業(yè)廢棄物的減少河流水質逐步改善。從擬合方程的斜率可以看出，TP對河流WQI的影響最大，其次是NH4+-N，COD 影響最小。然而，湖泊和水庫WQI分值卻與畜禽養(yǎng)殖廢棄物流失之間無顯著相關關系，因此導致湖泊和水庫水質變化的關鍵誘因有待進一步研究。相同的原理，化肥施用量與各類地表水WQI值之所以存在正相關關系可能主要是由肥料利用率不斷提高后養(yǎng)分流失量減少導致的，但因缺乏長系列數據支撐，有待驗證。

表4 2010—2017年畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染指標未利用量與WQI 擬合情況Table 4 Correlation analysis between unused pollution indicators and WQI score during 2010—2017

隨著點源污染得到有效控制，面源污染已經成為地表水和地下水污染的主要來源，在污染物的流失過程研究中發(fā)現，降雨徑流是面源污染的主要原因[21]。在黃河流域小清河段水質研究中，李碩等[22]認為在降雨的驅動之下，7—9月氮、磷的輸出量占據全年的50%以上，其中林地和耕地是氮、磷流失最嚴重的地區(qū)。珠江流域由于年降水量的不均引起河流徑流的變化，其污染負荷也隨徑流量增大而增加，主要污染類型是氮磷營養(yǎng)鹽、耗氧有機物[23]。丹江口水庫流域范圍內，大量氮磷化合物隨水土流失進入水體造成嚴重的農業(yè)面源污染[24]。在不同的流域范圍內，降雨造成的流量增加，能夠直接影響?zhàn)B分濃度[25]，流量大小直接影響到流域內污染物流失量[26]與水質指標[27]，反映出降雨對區(qū)域內農業(yè)面源污染的驅動作用。

在我國不同的流域內，影響水質的主要污染物質存在相通性。大連市登沙河流域內，禽畜養(yǎng)殖和農業(yè)耕作業(yè)是研究區(qū)NH4+-N、和TP 污染的主要來源，隨著降水和人類活動，呈現年際內變化[28]。在漢江流域內，TP、TN 污染負荷貢獻率最大的污染源分別是禽畜養(yǎng)殖和農用化肥，二者的污染負荷在空間分布上有很強的一致性[1]。在對河南省的面源污染研究中劉增進等[29]指出，農業(yè)面源污染TN的主要污染源是耕地，TP 的主要污染源是畜禽養(yǎng)殖，并且各地市之間的差異性較小。沱江作為長江上游主要的支流，流域內污染物主要來自種植業(yè)、禽畜養(yǎng)殖業(yè)和農村生活排放，其中禽畜養(yǎng)殖業(yè)的污染最大，主要污染指標的影響力表現為COD＞TN＞TP[30]；蔡金洲[31]認為湖北省三峽庫區(qū)內主要的污染源主要來自種植業(yè)和禽畜養(yǎng)殖業(yè)，農村生活污染在調查中僅占7.99%，研究區(qū)域內主要的污染指標是COD、TN、TP；其中種植業(yè)是氮、磷污染的主要來源，COD 主要來源于禽畜養(yǎng)殖業(yè)。綜上可見，在不同流域內農業(yè)面源污染的主要影響指標為COD、TN、TP，且主要來源于種植業(yè)和禽畜養(yǎng)殖業(yè)。其中大部分地區(qū)磷污染源主要來自禽畜養(yǎng)殖業(yè)。

近年來，除上述幾種主要污染物之外，獸用抗生素、獸藥殘留等，對水質的污染也引起了人們的重視。Zhou 等[32]對養(yǎng)豬場飼料、糞便、沖刷廢水以及環(huán)境中暴露的抗菌藥進行檢測，共檢測出28 種常用抗菌藥。殘留在糞便中的獸藥經過吸附、降解、地表徑流以及淋溶等方式污染地表水和地下水[33]，但是大多數獸藥的移動性差，通常會保留在表層土壤中，破壞土壤生態(tài)結構影響植物生長[34-35]。由此可見，在養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達的地區(qū)做水質調查的時候，獸藥殘留和抗生素對水質的影響同樣需要得到重視。

鑒于本文研究結果及我國農業(yè)發(fā)展現狀，為進一步改善我國地表水質，在嚴格控制點源污染的基礎之上，提出以下建議：加強節(jié)水灌溉硬件及管理能力建設，提高用水效率，降低灌溉水深層滲漏量；改善植被條件，增加土壤庫容，減少由降雨和灌溉導致的地表水土流失造成的養(yǎng)分流失；改變以往的施肥方式，采用配方施肥等先進的施肥技術提高肥料利用率，減少化學肥料的投入；進一步提高畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物的利用率，減少面源污染的產生途徑；建立生態(tài)緩沖系統(tǒng)，將城市以及農業(yè)農村污水處理達標后再放，減輕生態(tài)凈化壓力；完善流域水質監(jiān)測網絡的構建，逐步實現全時、全域的覆蓋，精準識別污染源。

4 結論

1）4 種主要農業(yè)面源污染指標——化肥施用量和畜禽養(yǎng)殖業(yè)產生的COD、TP 和NH4+-N 在1999—2018年均呈先上升后趨于平穩(wěn)或有下降的趨勢。與1999年相比，2018年時4 種主要污染指標依次增長37.1%、21.1%、28.4%和15.6%。

2）近年來，我國河流WQI呈上升趨勢，水質大幅得到改善；而水庫和湖泊WQI處于波動狀態(tài)，近3 a 處于高穩(wěn)水平。

3）河流水質隨畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染指標未利用量的增加而降低，其中TP 對河流WQI的影響最大，降低化肥施用量和畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物未利用量是改善地表水質量的關鍵途徑。