寧波市農業面源污染負荷與水環境質量的響應關系分析

關鍵詞：農業面源污染；負荷評估；水環境質量；響應關系

中圖分類號：X52 文獻標志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）12-2817-11 doi：10.11654/jaes.2024-0881

當前農業面源污染已經取代點源污染成為水環境污染的最主要來源[1]，統計數據表明2022年我國農業源化學需氧量（COD）、總氮和總磷的排放量分別為1785.7萬、174.4萬t和27.7萬t，分別占總排放量的68.8%、55.0% 和80.2%[2]。過多氮素、磷素等營養物質進入水體環境會誘發水體富營養化、破壞水環境生態，影響水資源安全利用等[3]。目前農業面源污染管控已成為我國生態文明建設的重點方向，《“十四五”土壤、地下水和農村生態環境保護規劃》指出推進長江經濟帶等重點區域農業面源污染監督與治理是農業綠色發展的重要內容。

國內外學者圍繞農業面源污染成因、傳輸機制、污染負荷評估、環境效應以及防治策略等開展了一系列研究。其中，農業面源污染與水環境質量響應關系的研究對于厘清農業面源污染的環境效應、制定科學的管控對策具有重要的理論和現實意義。有研究發現雨季洱海流域耕地、園地流失的總氮、總磷、氨氮均與周邊水質呈正相關[4]。高福等[5]發現COD、總磷、氨氮等污染物與地表水水質指數呈顯著的正相關關系，錢曉雍[6]分析了不同時間上海淀山湖區域農業面源污染氮磷排放量與淀山湖氮磷濃度、存量的相關性，發現農業面源氮磷排放量與水質濃度僅在個別季節具有相關性，上游來水才是影響淀山湖水質的主要因素。宋曉明等[7]研究發現湖南46個以農業生產活動為主的縣（市、區）單位國土面積農業面源污染負荷與水質類別顯著正相關。綜上可知，農業面源污染對區域性流域水質的影響程度因地而異，可能受到諸多環境因素的干擾。寧波是長江經濟帶重要的工業城市，也屬典型平原河網地區，具有水系發達、往復流嚴重、水體自凈能力較差等特點。2023年寧波市地表水國控斷面水質優良率同比下降18.2個百分點，省控及以上斷面水質優良率同比下降7.4 個百分點[8]，水環境質量管控形勢不容樂觀。第二次污染源普查表明長江經濟帶農業面源污染的COD、總氮、總磷排放量分別占該區域水污染排放總量的45.1%、48.0% 和66.6%[9]，但農業面源污染與水質間是否存在直接的影響尚未明確。為厘清寧波市農業面源對地表水環境質量的影響程度，本研究基于農業面源污染負荷核算和水質監測數據，系統研究姚江、奉化江、甬江一級支流控制單元農業面源污染負荷與水質的空間分異特征，旨在解析兩者之間的響應關系及主要污染來源，明確根據單位國土面積農業面源污染負荷預測水環境質量的適用范圍，以期為長江中下游經濟帶工業發達地區農業面源污染監督管理提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 流域匯水單元劃分

寧波市地處浙江省東北部，地勢西南高，東北低。甬江貫穿寧波市，為東海獨流入海河流，是浙江省八大水系之一。上游源頭有姚江、奉化江兩支，在寧波市三江口匯合成甬江，并于寧波鎮海口流入東海。根據三江一級支流匯水范圍和行政邊界將53個鎮街劃定為32個控制單元，總面積1 513.35 km²。其中部分鎮街位于匯水范圍內但無一級支流出水口，因此根據地理位置和水流方向將其并入下游鎮街控制單元，具體包括：（1）戚家山街道并入小港街道控制單元；（2）貴駟街道、九龍湖街道、駱駝街道、招寶山街道并入蛟川街道控制單元；（3）洞橋鎮、古林鎮并入石碶街道控制單元；（4）集士港鎮并入高橋鎮控制單元；（5）外灘街道并入甬江街道控制單元；（6）三七市鎮并入河姆渡鎮控制單元；（7）白云街道、南門街道、西門街道、鼓樓街道、江廈街道、月湖街道并入文教街道；（8）百丈街道、中河街道、東勝街道、東柳街道、東郊街道并入白鶴街道控制單元。

1.2 農業面源污染負荷計算

參考《第二次全國污染源普查產排污系數手冊》[10]，使用排污系數法評估農業（包括種植業、畜禽和水產養殖）及農村生活污水的COD、氨氮、總磷排放量。各農業源污染物排放量計算公式如下：

1.3 水質樣品采集與測定

分別在寧波市甬江、姚江和奉化江一級支流下游匯入干流處附近各設置一個監測斷面，共163個監測斷面，分布于32個控制單元。監測頻次為每月1次。樣品采集參考《水和廢水監測分析方法》，各監測斷面采集0.5 m 深度處水樣500 mL，置于聚乙烯塑料瓶中，帶回實驗室進行測定，監測指標為高錳酸鹽指數、氨氮及總磷。高錳酸鹽指數采用堿性高錳酸鉀法（GB 17378.4—2007）測定，氨氮采用納氏試劑分光光度法（HJ 535—2009）測定，總磷采用鉬酸銨分光光度法（GB/T 11893—1989）測定。

1.4 基礎數據來源收集

以鎮（街道）為單位，收集控制單元內各鎮（街道）的基礎信息，具體包括：各鎮（街道）國土面積、行政區劃矢量范圍、主要作物播種面積、園地面積、家禽存欄量及出欄量、生豬出欄量、牛存欄量、水產品產量（陸地人工養殖）、農村常住人口與農村生活污水處理模式（納管率），上述數據主要來源于生態環境、農業農村及水利相關部門。產排污系數數據來源于《第二次全國污染源普查產排污系數手冊》[10]。

1.5 數據處理與分析

由于當前地表水水質類別呈非線性變化，無法有效表征其與農業面源污染負荷之間的關系，因此本研究采用污染物等差遞增的標準將水質分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ共6類[7]。將各控制單元斷面12個月污染物濃度進行平均計算得出年度平均污染物濃度，再將其與各控制單元農業面源COD、氨氮、總磷排放負荷進行相關性分析，并利用P 值檢驗法驗證兩者是否顯著相關。利用Excel 2021對數據進行初步統計和處理，利用ArcGIS 10.2進行負荷與水質空間分異表征，利用Origin 2018制圖。

2 結果與討論

2.1 農業面源污染負荷分析

2023年農村生活污水、種植業、水產養殖業和畜禽養殖業對寧波市32個控制單元農業面源COD、氨氮、總磷污染物負荷的貢獻率如圖1所示。COD排放量為1 135.3 t，農村生活污水排放貢獻率最高（57.3%），其次是畜禽養殖業（33.4%），水產養殖業貢獻率為9.3%。氨氮排放量為266.8 t，主要來源于農村生活污水、種植業和畜禽養殖業，貢獻率依次為61.0%、26.1%、11.6%。總磷排放量為118.9 t，主要來自種植業，貢獻率達76.7%，其次是農村生活污水，貢獻率為16.4%。總體來說，農村生活污水和畜禽養殖業主要排放COD與氨氮，種植業主要排放總磷，氨氮次之。

由圖2可知，寧波市32個控制單元農業面源污染負荷差異較大。高橋鎮、石碶街道以及河姆渡鎮控制單元的COD 污染負荷較高，分別為329.3、177.1、130.1 t。位于鄞州區的梅墟街道等7個控制單元、位于江北區的莊橋街道等4個控制單元以及位于海曙區的段塘街道等2個控制單元的COD污染負荷均為0。高橋鎮、橫街鎮以及石碶街道控制單元的氨氮排放量較高，均大于35 t；高橋鎮、石碶街道以及姜山鎮控制單元的總磷排放量較高，均大于15 t。段塘街道、新明街道、明樓街道以及福明街道控制單元的COD、氨氮、總磷排放量最低，均小于0.01 t，由于這些控制單元的城鎮化程度較高，均沒有規模種養，且農村生活污水均已納管處理，因此污染物排放量較小。總體來說，高橋鎮、姜山鎮、橫街鎮、石碶街道、蛟川街道、莊市街道、方橋街道以及河姆渡鎮共8個控制單元的農業面源污染較嚴重，無論COD、氨氮還是總磷排放量均位于前列。寧波市西南部是農業面源污染較集中的區域。

圖3表示單位國土面積農業面源污染負荷，與圖2相比部分控制單元污染負荷格局發生了變化。就單位國土面積COD 污染負荷而言，高橋鎮控制單元仍位列第一，但蛟川街道、橫街鎮及河姆渡鎮控制單元排名均有明顯下降。氨氮污染負荷方面，原本氨氮污染負荷排名較高的陸埠鎮、蛟川街道控制單元單位國土面積污染負荷排名下降顯著，其余控制單元的排名變化不明顯。總磷污染單位國土面積污染負荷最大的為姜山鎮，其次為方橋街道。相對污染總負荷，陸埠鎮、蛟川街道、橫街鎮等土地面積較大的控制單元單位國土面積污染負荷的排名呈現明顯下降趨勢。

隨著長江中下游地區工業和城鎮點源污染問題得到有效控制，面源污染逐漸從次要矛盾上升為主要矛盾，成為水生態環境保護工作的突出難點[11]。寧波市具有農村人口稠密、生豬養殖密度較高、復種指數高等特點，因此厘清農業面源污染來源問題是污染防治的前提。沈婷[12]研究發現生活污染源和畜禽養殖源是長江下游面源污染排放的主要來源，兩者污染物總排放占比分別為39.5%和36.5%。本研究同樣發現農村生活污水和畜禽養殖業是農業面源污染的主要來源。目前雖然寧波市大部分村鎮已通過納管進入污水處理廠的方式處理農村生活污水，但仍有部分行政村以農村污水處理設施或就地消納的方式處理農村生活污水，加之寧波市常住人口眾多，因此對農業面源污染貢獻較大。另外，由于不同控制單元之間國土面積差異較大，為了剔除國土面積對總量的制約，采用單位國土面積農業面源污染負荷可以更有效地表征地區的污染負荷強度[7]。本研究發現高橋鎮、石碶街道以及姜山鎮控制單元農業面源污染排放量和負荷強度均處前列，因此可作為農業面源污染重點管控對象加強監督和管理。

2.2 三江一級支流水質時空演變特征

2023年三江一級支流各水質因子呈季節變化趨勢（圖4）。COD的平均濃度全年整體保持穩定，5—7月有上升的趨勢，之后又逐漸下降，全年中的最大平均值出現在7月，最小平均值出現在9月。總磷的平均濃度1—4月有輕微下降的趨勢，5—7月逐步上升到全年的峰值，8月又明顯下降，之后一直保持穩定，全年中的最大平均值出現在7月，最小平均值出現在4月。氨氮的平均濃度1—3月有下降的趨勢，4—5月有明顯上升的趨勢，6—9月有下降的趨勢，9月到達低谷后逐漸回升，全年中的最大平均值出現在5月，最小平均值出現在9月。

寧波市32個三江一級支流控制單元斷面COD、氨氮、總磷污染空間變化特征如圖5所示，其中COD平均濃度范圍為1.99～7.78 mg·L^-1，氨氮平均濃度范圍為0.08～4.50 mg·L^-1，總磷平均濃度范圍為0.10～0.46 mg·L^-1。方橋街道、姜山鎮、高橋鎮、蛟川街道控制單元范圍內三江一級支流COD 平均濃度均超過7.0 mg·L^-1，而明樓街道、洪塘街道、段塘街道氨氮、總磷平均濃度均較高。橫街鎮范圍內三江一級支流COD、氨氮平均濃度均為最低，而小港街道范圍內總磷平均濃度最低。

如表1所示，通過對寧波市不同控制單元及不同月份各污染物間相關性進行分析，發現在不同控制單元中，COD 與氨氮之間存在顯著的中低度正相關關系（r=0.372*），而COD與總磷之間不存在顯著相關關系（r=0.291）。氨氮與總磷之間的相關性則極為顯著，表現出高度正相關關系（r=0.920***）。在不同月份的分析中，COD 與氨氮之間表現出顯著的中度正相關關系（r=0.564*），COD與總磷之間則具有顯著的中度正相關關系（r=0.698**），而氨氮與總磷之間不存在顯著相關關系（r=0.390）。

整體而言，三江一級支流各監測斷面COD、氨氮、總磷變化趨勢相對一致，在初汛期水環境污染物濃度呈上升趨勢，之后逐漸下降。由于降雨是農業面源污染向水環境遷移的主要因素[13-14]，結合寧波市亞熱帶季風氣候條件和多數三江一級支流建有水閘的現狀，推斷農業面源污染物于枯水期在河道、溝渠淤積，初汛期時由于地表徑流的作用將淤積的污染物沖至一級支流，導致水環境質量下降[15]，之后由于主汛期降雨量大，導致一級支流污染物濃度被稀釋而下降[16]。

通過對三江一級支流斷面水污染物間相關性進行分析發現，水環境中COD、氨氮、總磷污染存在一定相關性。楊宇峰等[17]基于隨機森林模型對遼河進行了高時間分辨率氮、磷濃度模擬與預測，發現斷面總氮、總磷含量的變化趨勢高度一致。本研究與前人研究結果一致，可能的原因是農村生活污水、畜禽糞污、農田退水等主要農業面源污染來源均具有復合型污染特征，含有氮、磷、COD等多種污染物，在相似的污染排放驅動因素（如降雨等）影響下，通過相似的遷移機制進入水環境，使水環境中多種污染物呈現相似的變化趨勢[18-19]。

2.3 面源污染負荷與斷面水質響應關系分析

通過對32個控制單元的單位國土面積農業面源污染負荷與河流水質進行相關性分析發現，兩者不存在顯著相關關系。可能的原因是土壤對農業面源污染具有消納作用[20-21]，部分控制單元面源污染負荷較高但消納面積充足，因此對水環境質量影響較小。采用單位國土面積農業面源污染負荷進行表征，有助于更精準地評估農業活動對水環境的影響。

通過對寧波市三江一級支流32個控制單元污染負荷強度與水環境質量進行相關性分析發現，兩者之間并沒有顯著相關性。可能的原因是寧波市城鎮化程度整體較高，尤其是明樓街道、段塘街道、白鶴街道、文教街道等控制單元農業面源污染負荷較低，但其工業生產較為發達，人口密度也相對較高，其水環境質量仍然較差。因此整體而言寧波市32個控制單元農業源污染物對水質污染貢獻相對較少[22]。對比圖3和圖5可知，部分控制單元單位國土面積農業面源污染負荷與各控制單元水質呈現對應關系，單位國土面積農業面源污染負荷較高的控制單元如姜山鎮、高橋鎮、洪塘街道控制單元，其水環境質量整體也相對較差。該類控制單元的共同特點是農業生產發達而工業生產和農村生活污水貢獻相對較少，因此斷面水質對農業面源污染負荷的響應程度相對較高，這與湖南省農業面源污染與農村水環境質量的關系相似[7]。

本研究在32個控制單元中根據污染負荷強度進一步選擇15個農業生產活動強度較高的控制單元分析其污染負荷強度與水質的響應關系，發現水環境污染物濃度與污染負荷強度存在顯著正相關關系（圖6）。分析結果表明，COD 污染負荷強度與水環境COD 濃度呈顯著正相關關系（Plt;0.05），判定系數為0.27，其中10 個控制單元處于95% 置信區間。與COD 污染情況類似，農業源氨氮負荷強度與水環境氨氮濃度、農業源總磷污染負荷強度與總磷濃度均呈顯著正相關關系，其判定系數分別為0.30與0.35，分別有8個與7個控制單元處于95% 置信區間。研究結果說明在農業生產活動強度較高的控制單元范圍內農業面源污染是導致水環境污染物濃度上升的主要原因之一，水質對污染負荷響應程度較高。

水環境污染來源復雜多樣且時空差異較大，雖然當前農業面源污染成為我國水環境氮磷污染的主要來源，但農業源污染物排放情況受農業生產方式、自然條件、污染防控措施等因素影響，各種因素的綜合影響使農業面源污染呈現隨機性、隱蔽性和不確定性等特點，因此其對水質的影響難以評估。吳根義團隊[7，23]研究發現湖南單位國土面積農業面源污染負荷與水質類別顯著正相關，且開發了根據單位國土面積等標污染負荷預測水環境質量狀況的一階指數函數增長模型。本研究發現寧波市單位國土面積農業面源污染負荷與水環境污染物濃度并無顯著相關性，但農業生產活動強度的較高控制單元水環境質量對農業面源污染負荷的響應程度較高，說明基于農業面源污染負荷的相關水質預測模型有其特定的適用場景，在城市化程度較高的城市適用性相對較低。胡海珍[24]基于工業源和城鎮生活源（污水處理廠）建立了常州市平原河網的水動力-水質模型，各污染物濃度過程線實測值與模擬值基本吻合，說明在工業廢水、城鎮生活污水排放量較高的地區更適合以工業源和城鎮生活源污染負荷為基礎預測水環境質量。寧波市作為經濟發達城市，其工業源、生活源污染整體貢獻較多，同時寧波市部分控制單元農業面源污染貢獻比較大，農業污染負荷與水質響應關系較強，因此需要對寧波市不同控制單元水環境污染進行負荷評估及源解析，劃定優先治理區域，并針對其主要污染來源制定相對應的污染管理政策和防治措施。

3 結論

（1）寧波市農業面源污染負荷存在顯著的空間差異，中南部控制單元化學需氧量（COD）、氨氮、總磷污染負荷均相對較高，其中姜山鎮、高橋鎮控制單元單位國土面積污染負荷最高；農村生活污水是農業源COD和氨氮排放的主要來源，其貢獻率分別為57.3%和61.0%；種植業對總磷的污染貢獻率達到76.7%。

（2）三江一級支流水質呈現季節變化趨勢，初汛期水環境污染物濃度呈上升趨勢；姜山鎮、方橋街道控制單元河流COD濃度較高；白鶴街道、洪塘街道、文教街道控制單元河流氨氮、總磷含量較高。

（3）寧波市32個三江一級支流控制單元單位國土面積污染負荷與水環境質量整體無顯著相關性；農業生產活動強度較高的15個控制單元，單位國土面積COD、氨氮、總磷污染負荷與水環境污染物濃度均呈顯著相關關系，其判定系數分別為0.27、0.30 及0.35，說明水質對污染負荷響應程度較高。