農業(yè)面源污染負荷計算方法及輸出系數取值的分析

楊文慧 于新花 楊彥霞

（寧夏大學土木與水利學院，寧夏銀川 750021）

1 引言

農業(yè)面源污染是指地面和土壤中的N，P 等營養(yǎng)物質、農藥以及其他有機或無機污染物質在降雨沖刷和淋溶作用下，會隨著地表的徑流或者滲漏作用進入江河、湖泊、水庫和海洋等水體而造成的水環(huán)境污染［1］。其具有發(fā)生時間的隨機性、產生方式的間歇性、排放途徑的不穩(wěn)定性、排放量的不確定性、污染負荷的時空變異性、監(jiān)測模擬與控制的困難性等特點［2］。目前，結合面源污染的特點，研究者提出了很多關于農業(yè)面源污染負荷的估算方法，如輸出系數法、清單分析法和等標污染負荷法等，但考慮到面源污染是大面積大范圍存在的一種形態(tài)，而且監(jiān)測困難，計算誤差大，通過各種方法的對比分析，發(fā)現(xiàn)輸出系數法對于尺度大且長時間未監(jiān)測缺少數據的流域可發(fā)揮重要作用。

2 農業(yè)面源污染來源及其特點

2.1 農村生活污染

農業(yè)面源污染來源主要有農村生活污染、畜禽養(yǎng)殖污染、農業(yè)種植污染［3］。農村生活污染源于居民生活污水肆意排放和生產垃圾亂丟亂棄亂堆放以及沒有集中處理的人體糞尿，造成周圍環(huán)境污染。生活污水中的灰水主要是洗浴、衣物清洗、廚房用水，黑水主要為沖洗水，廚房污水在農村生活污水總量中占20%左右，洗滌污水的占比高達50%，以上這些污水中含有氮、磷、重金屬和大腸桿菌［4］。近年來，越來越多的居民開始使用沖水馬桶、沖便器等衛(wèi)生洗浴設施，將這些污水和糞尿集中收集在儲存裝置中，集滿后統(tǒng)一入田，但部分居民還是采用旱廁。生活污水缺失排水管網，處理效率低，生活污水的排放較為分散。生活垃圾以有機物為主，分為可降解物和不可降解物，可降解物可以經過大自然的循環(huán)分解機制降解，造成的二次污染小；生活垃圾污染主要是不可降解物，一些結構穩(wěn)定的塑料制品，如塑料袋、塑料餐盒、廢舊電池、化肥包裝袋、塑料薄膜等［5］，很難自行降解消失。農村生活垃圾沒有統(tǒng)一的收集處理設施，空間分布零散［6］，生活垃圾處理能力不足。

2.2 畜禽養(yǎng)殖污染

畜禽養(yǎng)殖的污染物來源主要是畜禽的糞尿，以及沖洗圈舍、食物殘渣的污水，隨著生活水平的提高，居民在飲食結構方面更加注重對動物蛋白的攝入，畜禽養(yǎng)殖業(yè)近年來快速發(fā)展，我國畜禽的存欄量呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢，因此畜禽糞便排放量也大幅增加。目前，畜禽養(yǎng)殖污染物的處理方式［7］一般有3 種：一部分直接入田，畜禽的糞尿大部分作為農作物的肥料；一部分進入沼氣池通過厭氧發(fā)酵來產生沼氣，不僅能夠凈化空氣，而且可以作為能源使用；其他少部分沖洗殘渣的廢水隨著雨水沖刷流入河流或滲透到地下，但在進入河道的過程中，污染物由于截留或消融會在途中消耗掉。

2.3 農業(yè)種植污染

根據農田化肥的動態(tài)去向，農田中的化肥有10%～30%被農作物吸收利用，50%～60%未被利用的殘留在土壤中，其余20%～30%過剩的肥料中N，P 等營養(yǎng)元素通過降雨或灌溉產生的徑流匯入地表水流入水體，大量農藥進入水體造成流域污染［8］。農業(yè)化肥污染一直是流域污染的重要因素［9］，目前學者們對其研究較為深入且頗有成就，比如促進土壤對水分吸收的水肥一體化技術的運用，在很大程度上減少了環(huán)境的污染。

農業(yè)面源污染源給生態(tài)環(huán)境資源造成了一定程度的破壞，不僅通過侵蝕土壤導致農村生態(tài)系統(tǒng)退化，還通過水污染和食物源污染影響人身健康，農業(yè)生活和畜禽養(yǎng)殖造成的農業(yè)面源污染尤其受到關注，成為制約農業(yè)和農村高質量發(fā)展的瓶頸［10］。

3 農業(yè)面源污染負荷常用的計算方法

3.1 清單分析法

清單分析法構建的是活動—類別—單元—指標體系［11］，活動是由于生活和生產造成農業(yè)面源污染的主要途徑，類別是將不同活動進一步細化，指標則是進行計算要求收集的基本數據，單元是指產生農業(yè)面源污染可合理計量的最小獨立單元［12］。清單分析法首先根據本地區(qū)農村基本狀況劃分污染物的類別，以此分解出產污單元，每個產污單元都有相應的產污系數，結合歷年來地區(qū)基礎統(tǒng)計數據，建立核算公式，基于產污單元的產污系數和流失系數，借助核算公式對進入水系的污染物排放量進行測算。該方法不僅能有效地建立污染物產生量與污染物排放量的關系，而且多用于大范圍核算某地區(qū)污染物負荷量，減少了實地調研的困難。

晁文文等人基于清單分析法對江西農村水環(huán)境污染產污單元進行劃分，并建立核算公式，測算水環(huán)境污染物［13］；孫勤芳等人采用清單分析法核算農業(yè)污染物的排放量和排放濃度［14］。農業(yè)面源污染產污單元見表1。

表1 農業(yè)面源污染產污單元

計算公式如下［14］：

式中，E 為農業(yè)面源污染物的排放量，kg；UE，i為清單i 指標統(tǒng)計數，i＝1，2，3，…，n；Pi為清單i 污染物的產污系數；Ci為清單i 污染物的流失系數，%。

3.2 輸出系數法

輸出系數法是通過統(tǒng)計公報等渠道收集指標中要求的基礎數據，如農村人口數量、畜禽存欄出欄量、化肥施用量等，運用多元線性相關分析，建立流域土地利用類型與面源污染輸出量之間的關系，利用不同污染源類型的污染輸出系數估算污染負荷，對不同來源污染負荷求和便得到區(qū)域污染總負荷。丁曉雯等［15］利用輸出系數模型對涪江流域的農業(yè)面源污染進行了估算，辨別出主要污染源。該方法其特點在于基礎數據較易獲取，簡化了污染形成過程中的機理研究，減少了對非點源污染物運移監(jiān)測數據的依賴，所需參數少，操作簡便易行［16］，降低了工作量，又具有一定的精度，為大尺度流域非點源污染負荷的量化提供了一種行之有效的方法，尤其是對于缺乏原位監(jiān)測條件的流域。

經典的Jonhes 輸出系數模型為［17］：

式中，L 為流域內污染物j 的排放量，kg/a；i 為流域內農村人口、畜禽數量、用地類型，i＝1，2，3，…，n；Ei為：人口輸出系數，kg/（人·a），第i 種畜禽輸出系數，kg/（頭·a），第i 種用地類型輸出系數，kg/（hm2·a），Ai為：農村人口數量，人，第i 種畜禽的（出欄）存欄量，頭或只；第i 種用地類型面積，hm2；P 為降雨輸入的污染物量，kg/月。

3.3 其他研究方法

除了清單分析法和輸出系數法之外，等標污染負荷法也是農業(yè)面源污染負荷計算方法之一，其主要是將不同行業(yè)的污染物排放量稀釋加標準化處理轉化成一致且能夠比較的量，使其在同一尺度上進行比較，根據所得值的大小確定主要污染物、主要污染賬戶和總污染負荷［18］，用以評價各污染物的相對危害程度。

目前，輸出系數法在計算污染物負荷時相較于其他兩種方法應用更為廣泛，所需參數相對較少，掌握基礎資料后只需確認輸出系數，計算簡便且具有一定的精度，直接建立了土地利用狀況等與面源污染負荷的關系。等標污染負荷法雖然簡單易行，但忽略了評價對象的經濟屬性，導致計算結果具有片面性，往往需要借助其他分析方法來糾偏。清單分析法在計算污染物負荷時要根據研究區(qū)域的特征來劃分單元，要求的數據較細致，如果單元劃分不適宜、參數選取不適配對計算結果的影響較大。清單分析法的核心是各地產排污系數值，此數值大多源于過往文獻理論結果，采取實地測算相關排污系數的較少，直接使用產排污系數難免對測量結果的準確性造成一定的影響［19］。

4 輸出系數法中輸出系數的選取

輸出系數法中合理地確認輸出系數是成功估算面源污染輸出負荷量的關鍵，輸出系數是一種估計值，指某種土地利用方式下在單位時間內、單位面積上輸出的污染物總負荷的標準化值［20］。確定輸出系數是輸出系數法關于污染負荷計算的關鍵，但是由于輸出系數受研究區(qū)域一系列因素的影響，如流域內氣候因素、地形地貌、土地利用、土壤類型和結構、植被以及管理措施等的影響［21］，通常采用文獻查閱法、實驗監(jiān)測法和數學統(tǒng)計法［22］3 種方法來確認輸出系數，而文獻查閱法是最常用的方法，眾多學者也在該方面取得了一定的研究成就。

輸出系數法所需系數見表2。

表2 輸出系數法所需系數

不同地區(qū)畜禽養(yǎng)殖的輸出系數見表3。

表3 不同地區(qū)畜禽養(yǎng)殖的輸出系數［23～31］ kg/［頭（只）·a］

不同地區(qū)農村生活人口輸出系數見表4。

表4 不同地區(qū)農村生活人口輸出系數［23～29］ kg/（人·a）

不同地區(qū)不同土地利用類型的輸出系數見表5。

表5 不同地區(qū)不同土地利用類型的輸出系數［24～33］ kg/（hm2·a）

從表3 可知，畜禽養(yǎng)殖的輸出系數COD＞TN＞NH3-N＞TP，研究者關于畜禽養(yǎng)殖業(yè)的輸出系數多參考原環(huán)境保護部推薦的輸出系數，COD 取24.82、NH3-N 取2.52、TP 取1.01、TN 取6.11；表4 中農村生活人口輸出系數COD＞TN＞NH3-N＞TP，大多參考原環(huán)境保護部推薦的人口輸出系數，COD 取14.13、NH3-N 取0.9、TP 取0.16、TN 取1.58；表5 中污染物輸出系數值相對來說水田高于旱田。

5 結論

（1）農業(yè)面源污染來源主要有農村生活污染、畜禽養(yǎng)殖污染、農田種植污染，農業(yè)生活和畜禽養(yǎng)殖是農業(yè)面源污染的重要因素，成為制約農業(yè)和農村高質量發(fā)展的瓶頸。

（2）農業(yè)面源污染物負荷估算方法主要有清單分析法、輸出系數法和等標污染負荷法等，在流域面源污染的控制及管理決策方面發(fā)揮了重要的作用。目前應用較為廣泛的方法是清單分析法和輸出系數法，輸出系數法近些年來隨著研究者不斷改進研究方法，相較于清單分析法估算精確度更高，所需的參數較少，只需要輸出系數，而清單分析法需要排污系數和流失率，這些參數的選取都會造成一定的誤差。

（3）在統(tǒng)計中發(fā)現(xiàn)有的研究者對于畜禽養(yǎng)殖業(yè)的輸出系數參考原環(huán)境保護部推薦的輸出系數，分別取各自排泄系數的10%；農村生活人口輸出系數參考原環(huán)境保護部推薦的人口輸出系數。不同土地利用類型的輸出系數水田的TP 值與TN 值分別集中分布在1～2 和12～23 之間；旱田的TP 值與TN 值分別集中分布在0.9～2.3 和15～33 之間。