羅 娜，樊 霆，郭 彬，李凝玉，傅慶林，李 華

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院，合肥 230036；2.浙江省農(nóng)業(yè)科學院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所，杭州 310021)

0 引 言

太湖流域作為我國比較發(fā)達的地區(qū)，由于人口密集，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)強度大，導致經(jīng)濟環(huán)境之間的矛盾日益加深，湖泊富營養(yǎng)化加重，威脅當?shù)鼐用竦娜粘Ｉ?，環(huán)境治理也耗費了大量的資源，對流域的經(jīng)濟社會發(fā)展產(chǎn)生制約。[1]作為太湖流域內(nèi)重要水域部分，苕溪流域水質(zhì)與太湖地區(qū)水環(huán)境息息相關(guān)。[2]為進一步研究苕溪流域水體污染狀況，趙欣對流域內(nèi)農(nóng)業(yè)面源污染情況進行了調(diào)查研究。[3]因農(nóng)業(yè)面源污染成因機理的復雜性、時間的滯后性、污染產(chǎn)生的隨機性、污染治理工作的長期性等特點使得面源污染的監(jiān)測難度頗大。對面源污染進行的定量化的評估核算是一直以來面源污染工作的重要內(nèi)容。[4]

本研究采用農(nóng)業(yè)面源污染負荷估算方法中的輸出系數(shù)法，輸出系數(shù)法是20世紀70年代初歐美研究者在對湖泊營養(yǎng)物質(zhì)與土地利用關(guān)系探討中提出的，亦稱單位面積負荷法，后在我國也多有應(yīng)用。經(jīng)過多年來不斷的發(fā)展完善，除土地利用這一影響因素外，同時考慮了畜禽養(yǎng)殖、居民人口等輸出系數(shù)。本研究調(diào)查了苕溪流域包括6大區(qū)縣人口、農(nóng)田面積、蔬菜面積、茶園地面積、種植結(jié)構(gòu)、施肥情況、產(chǎn)量情況和畜禽養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的情況等。利用相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對流域內(nèi)主要氮磷污染物負荷進行研究探討，以確定苕溪流域面源污染主要污染源、主要污染物，為評估農(nóng)業(yè)面源污染對苕溪流域水體污染的影響程度，為苕溪流域和各級政府確定水污染防治重點，采取有效控制措施提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 面源污染負荷估算方法選擇

自20世紀60年代以來，研究者提出了多種面源污染負荷核算方法。目前農(nóng)業(yè)面源污染負荷估算方法主要分為經(jīng)驗統(tǒng)計法、機理模型法兩種。[5]經(jīng)驗統(tǒng)計法是在流域自然地理特征與污染物關(guān)系的基礎(chǔ)上產(chǎn)生，與污染物的轉(zhuǎn)化機理過程無關(guān)，與污染源的輸入有關(guān)的統(tǒng)計方法。[6-9]經(jīng)驗系數(shù)法中的兩種計算方法中，一種是輸出系數(shù)法，另一種是源強系數(shù)法。機理模型法在考慮了降雨、徑流、蒸發(fā)等水循環(huán)過程影響下，描述了在不同土地利用條件下流域內(nèi)面源污染物的遷移轉(zhuǎn)化、最終入河的一系列過程[10-12]，定量分析了農(nóng)業(yè)面源污染物的遷移流失機理過程，通過模型追溯各類污染源的來源，其中主要包括SWAT模型、HSPF模型、AnnAGNPS模型等。[13]

在經(jīng)驗?zāi)Ｐ团c機理模型的對比中，因模型應(yīng)用對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)要求頗高，如降水、蒸發(fā)、日照、氣溫等，同時也需相應(yīng)的連續(xù)水文水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)來校正模型，而我國各地區(qū)的資料相對短缺，且研究時間跨度不足，機理模型無法在資料尚不完全收集之處應(yīng)用，造成研究誤差頗大，不具有較高準確度。[14]而經(jīng)驗統(tǒng)計法最優(yōu)處在于對流域數(shù)據(jù)獲取要求較低[15]，利用土地利用、施肥量、牲畜、人口等數(shù)據(jù)等少量易獲取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計算出流域負荷總量及水系出水口的負荷量，可操作性更強，數(shù)據(jù)獲取難度較低，同時具有極高的準確度。[16]

本研究擬采用輸出系數(shù)法對苕溪流域農(nóng)業(yè)面源污染負荷進行核算，從農(nóng)村生活、畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)種植、水產(chǎn)養(yǎng)殖四大來源進行了流域內(nèi)的農(nóng)業(yè)面源負荷的統(tǒng)計估算。

1.2 輸出系數(shù)法

輸出系數(shù)模型具體輸出系數(shù)公式為：

其中公式左邊j為流域內(nèi)某種污染物的類型，m為土地利用的類型或畜禽種類或人口，Enj為流域內(nèi)某種污染物類型在n種土地利用類型或畜禽或人口中的輸出系數(shù)，F(xiàn)j為第n種土地利用類型或畜禽或人口的總數(shù)量，公式右邊的Aj為流域內(nèi)某種污染物j的總污染負荷量。

本文對苕溪流域相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于2017年杭州、湖州、浙江統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)及相關(guān)統(tǒng)計文獻資料。各類產(chǎn)污系數(shù)的選取是根據(jù)近年來國內(nèi)外關(guān)于輸出系數(shù)的相關(guān)研究結(jié)果。畜禽、種植、生活、水產(chǎn)等相關(guān)流失系數(shù)均來自國內(nèi)外學術(shù)資料庫以及相關(guān)調(diào)查報告，標準手冊等，其中有《2016江蘇省太湖流域污染源調(diào)查報告》《農(nóng)業(yè)技術(shù)經(jīng)濟手冊》[17]和《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標準》(GB18596—2001)等。[18]以2016年為基準年，采用綜合調(diào)查法統(tǒng)計了苕溪流域農(nóng)業(yè)面源污染現(xiàn)狀，調(diào)查結(jié)果運用輸出系數(shù)法估算其污染負荷并進行綜合分析。

1.3 研究區(qū)概況

苕溪流域位于浙江省西北部，流域地跨杭州、湖州兩地級市，流經(jīng)臨安、余杭、安吉、德清、吳興區(qū)及長興縣6個縣市(區(qū))，根據(jù)2016年統(tǒng)計資料顯示，苕溪流域內(nèi)農(nóng)村人口321.88萬人，城鎮(zhèn)人口65.84萬人。苕溪流域面積共計5 918km2，主流長度共157.8km，包括了東西苕溪兩大源流，流域水系圖見圖1。

數(shù)據(jù)來源：中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)

苕溪流域地處亞熱帶季風氣候區(qū)，雨量豐沛，熱量充足。苕溪流域內(nèi)植被種類復雜，整體為亞熱帶典型地帶性植被類型為常綠闊葉林。苕溪流域研究區(qū)內(nèi)面積最大的土地利用類型是林地，森林覆蓋率達90%以上，面積為3295.6km2，其次是水田，面積第三的是農(nóng)村居民點。流域土地利用圖見圖2。

數(shù)據(jù)來源：美國地質(zhì)勘探局網(wǎng)站提供的Landsat遙感影像(空間分辨率為30米)解譯結(jié)果(https://glovis.usgs.gov/)

2 結(jié)果與討論

2.1 苕溪流域種植業(yè)氮磷負荷統(tǒng)計

研究調(diào)查了苕溪流域內(nèi)四大種植業(yè)：水稻、蔬菜、茶園、花卉苗木的播種面積、產(chǎn)量及施肥量狀況。苕溪流域水稻、茶園施肥量調(diào)查[19]，水稻每年種植早晚兩季，年平均施用尿素450kg·hm-2，復合肥150kg·hm-2。茶園每年春季、夏季、秋季施肥3次，年平均施尿素525kg·hm-2，施復合肥300kg·hm-2。[20]對于苕溪流域苗木施肥量調(diào)查，以紅葉石楠為例[21]，最終計算整理出苕溪流域農(nóng)作物面積、產(chǎn)量及農(nóng)作物施肥量，并根據(jù)資料數(shù)據(jù)確定苕溪流域農(nóng)田污染物流失狀況。氮磷流失負荷由稻田流失強度系數(shù)與種植面積可得，根據(jù)化肥流失量=化肥施用量×流失系數(shù)，其中化肥施用量=耕地面積×單位面積施肥當量。綜上苕溪流域內(nèi)農(nóng)田種植徑流污染物氮磷流失總量整理如下表。

表1 苕溪流域種植業(yè)氮磷流失量

2.2 苕溪流域畜禽養(yǎng)殖業(yè)氮磷負荷統(tǒng)計

苕溪流域內(nèi)畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達，但養(yǎng)殖總量分布不平衡，部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)較為突出[22-23]，養(yǎng)殖種類主要包括豬、牛、羊以及雞、鴨、鵝等家禽，畜禽的總量既要考慮年末的存欄量, 也要考慮其出欄量，按照公式：畜禽總量=存欄量+出欄量[24]，計算畜禽的總量，最終得出苕溪流域2016年不同區(qū)縣內(nèi)畜禽養(yǎng)殖業(yè)總量概況。[25-27]畜禽的排泄系數(shù)與畜禽的品種以及家禽的生長期、天氣條件等有關(guān)。[2]據(jù)資料可得出生豬、牛、羊、家禽的養(yǎng)殖周期分別為199天，365天，365天，210天[28]，經(jīng)查閱資料可得，最終確定畜禽糞便污染物進入水體流失率(%)。[29-31]并根據(jù)公式：畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)污量=畜禽排泄系數(shù)×飼養(yǎng)量；畜禽養(yǎng)殖排入水體量=畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)污量×入河系數(shù)。[2]最終計算得出苕溪流域畜禽養(yǎng)殖的污水產(chǎn)生量與污染物入河量如表2。

表2 苕溪流域畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)污量與污染物入河量

2.3 苕溪流域水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)氮磷負荷統(tǒng)計

隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，養(yǎng)殖面積和生產(chǎn)規(guī)模的不斷大[28]，由于養(yǎng)殖過程中是飼料質(zhì)量參差不齊、利用率低，從而引起水體富營養(yǎng)化進而對流域水環(huán)境造成負面影響。[32]根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，苕溪流域水產(chǎn)養(yǎng)殖主要來源于淡水池塘養(yǎng)殖[33-35]，本研究重點估算池塘養(yǎng)殖中的污染物排放量。苕溪流域內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖主要有魚類、蝦蟹類、貝類以及龜鱉類。其中龜類產(chǎn)量最大，約為238 240t，貝類產(chǎn)量最少，約為5 486t。根據(jù)年鑒所得，可得苕溪流域水產(chǎn)養(yǎng)殖面積總計為26 300hm2，總計約為39.45萬畝。

根據(jù)全國第一次污染源調(diào)查的相關(guān)數(shù)據(jù)得出苕溪流域水產(chǎn)養(yǎng)殖不同種類排放系數(shù)[36]，其中貝類的總氮總磷因水體中的溶解氧及食物結(jié)構(gòu)的關(guān)系導致其出現(xiàn)負值的情況，因2017年鑒中杭州地區(qū)蝦蟹類具體數(shù)目缺乏，即取蝦蟹系數(shù)均值來計算。[37-38]故根據(jù)水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量估算法得出水產(chǎn)養(yǎng)殖污染物含量計算公式：污染物年排放量=年產(chǎn)量×產(chǎn)污系數(shù)。由此得出不同水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)品的污染物負荷計算結(jié)果如表3。

表3 不同區(qū)域水產(chǎn)養(yǎng)殖品的污染物年排放量 t

2.4 苕溪流域農(nóng)村生活氮磷負荷統(tǒng)計

農(nóng)村生活污染包括生活污水和人糞便。根據(jù)2017年年鑒可得苕溪流域農(nóng)業(yè)人口總共為321.88萬人。并根據(jù)第一次全國污染源普查城鎮(zhèn)生活源產(chǎn)排污系數(shù)手冊資料確定污染物排放系數(shù)，計算農(nóng)村生活污染物排放量。根據(jù)生活污水總氮產(chǎn)污系數(shù)為0.584kg/(人·a)，總磷為0.146kg/(人·a)，人糞尿總氮系數(shù)為4.4kg/(人·a)，總磷為0.44kg/(人·a)計算苕溪流域農(nóng)村生活污水及人糞尿產(chǎn)污量。按照查閱資料顯示，太湖、苕溪流域生活污水流失率的研究結(jié)果表示，生活污水的75.5%流失到水體中；農(nóng)村居民人糞尿的10.5%進入水體。根據(jù)農(nóng)村生活污水及人糞尿入河計算方法最終得出苕溪流域農(nóng)村生活污水及人糞尿污染物進入水體總量如表4所示。

表4 苕溪流域農(nóng)村生活污水及人糞尿污染物入河量

2.5 苕溪流域農(nóng)業(yè)面源污染總量

利用污染系數(shù)法統(tǒng)計調(diào)查了流域內(nèi)突出污染源影響因素，對生活污染、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)田徑流等面源污染源進行計算，根據(jù)以上統(tǒng)計數(shù)據(jù)得出苕溪流域農(nóng)業(yè)面源污染氮磷污染物負荷總量及各自的比重如下表5。

表5 苕溪流域農(nóng)業(yè)面源污染總量及比例

由統(tǒng)計數(shù)據(jù)及比例分布得出，苕溪流域主要面源污染源構(gòu)成中畜禽養(yǎng)殖業(yè)是其主要污染貢獻來源，總排放量為4 498t·a-1，占總排放量的30%，其次為農(nóng)村生活氮磷污染負荷，占總污染負荷比重的26%，種植業(yè)與水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)分別總量達3 299t·a-1、3 442t·a-1，二者總占比為49%。畜禽養(yǎng)殖及農(nóng)村生活是造成苕溪流域氮磷面源污染的主要來源。其中總氮與總磷來源側(cè)重有所區(qū)別。就各自指標來看，在總氮污染來源中，畜禽養(yǎng)殖是最大的污染來源，占總貢獻量的27%，其次是種植業(yè)，占總污染來源的25%，農(nóng)村生活污染及水產(chǎn)養(yǎng)殖的污染總量較低。在總磷的污染負荷來源中，畜禽養(yǎng)殖是最主要污染來源，總量達1 210t·a-1，比例達49%，其次農(nóng)村污水與水產(chǎn)養(yǎng)殖差距不大，二者共同產(chǎn)生量達1 006t·a-1，比例占有41%。

3 結(jié) 論

本論文選擇苕溪流域作為研究對象，通過資料收集和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的整理統(tǒng)計分類，利用污染系數(shù)法統(tǒng)計計算流域內(nèi)面源污染負荷狀況，分析河道內(nèi)水質(zhì)狀況得出重點污染來源。結(jié)果得出，在總氮污染來源中，畜禽養(yǎng)殖是最大的污染來源，其次是種植業(yè)，農(nóng)村生活污染及水產(chǎn)養(yǎng)殖的污染總量較低。在總磷的污染負荷來源中，畜禽養(yǎng)殖是最主要污染來源，其次農(nóng)村污水與水產(chǎn)養(yǎng)殖差距不大，總結(jié)來看，苕溪流域面源污染氮磷來源主要為畜禽養(yǎng)殖>農(nóng)村生活污水>種植業(yè)>水產(chǎn)養(yǎng)殖，研究明確了水體氮污染的主要來源和控制重點，認為該流域水體農(nóng)業(yè)氮磷污染的原因主要在于城鎮(zhèn)、農(nóng)村生活污水、工業(yè)和禽畜養(yǎng)殖排放廢水。

本研究采用污染系數(shù)負荷調(diào)查統(tǒng)過程中，污染系數(shù)確定具有差異性，不同研究者對所調(diào)查流域的劃分，調(diào)查信息掌握程度的差異，降雨徑流等各類因素的影響都將對流域內(nèi)種植業(yè)污染負荷調(diào)查產(chǎn)生影響，鑒于本研究中所用到的數(shù)據(jù)大多來自于浙江省統(tǒng)計年鑒，杭州市統(tǒng)計年鑒及湖州市統(tǒng)計年鑒，在數(shù)據(jù)收集及錄用過程中存在人為干預(yù)較大，將會對數(shù)據(jù)計算的氮平衡結(jié)果與實際情況存在一定區(qū)別，針對這一數(shù)據(jù)核算過程中的不確定性研究，可作為今后研究方向。