*南四湖農業面源污染現狀及控制措施

劉 靜 路 鳳 楊延釗 徐 娜 郭慶偉

(1．山東大學化學博士后科研流動站，山東濟南250100;2．山東建筑大學市政與環境工程學院，山東濟南250101;3．山東大學化學與化工學院，山東濟南250100)

南四湖是我國第六大淡水湖，由南陽、獨山、昭陽、微山等4個湖泊組成;同時，南四湖是南水北調東線的必經之路，也是東線調水的調蓄湖泊，是魯南、蘇北地區的重要水源地，因此南四湖水資源狀況直接影響整個山東供水的保證率。然而，近20年來，隨著污染物入湖量的不斷增加，南四湖水環境狀況日趨惡化。其中，農業面源污染是導致水體污染和富營養化的主要因素，研究南四湖流域農業面源污染意義重大。

1 南四湖水質現狀

近20年來，隨著污染物入湖量的不斷增加，南四湖水環境狀況日趨惡化［1－2］。重要污染源涉及濟寧、菏澤、棗莊和徐州4個地區，主要污染源可分為工業廢水、生活污水、農田回流水和畜禽及水產養殖非工業點源廢水［3］。大量未經處理富含氮、磷有機物的生活污水和工業廢水排入南四湖，大大超出了湖水的自凈能力，導致湖區大部分河流和水域嚴重污染，主要表現為氮、磷的富營養化問題，破壞了水域生態系統平衡。

2 南四湖農業面源污染現狀

2．1 種植業污染

林治安［4］等人對南四湖流域種植業結構的研究結果顯示:1978年以前，調查區糧食作物播種面積18萬hm2左右，占農作物總播種面積的95%以上，而經濟作物所占比例較小;1978年以來，對種植業結構進行了調整，加大了經濟作物的種植比例。經濟作物單位面積收入高出糧食作物3．49倍。近年來，糧食種植面積逐漸減少，加快了經濟作物的發展。2004年，糧食與經濟作物播種比例達到54．9:45．1。

種植業污染主要指與種植業關系密切的農藥污染、化肥污染、農膜污染以及農作物秸稈污染。

(1)農藥污染。我國是農藥生產和消費的大國之一，目前我國農藥的生產能力76．7萬t，生產農藥品種250多種，類型由原來的礦物源農藥波爾多液、石硫合劑等，發展到使用有機磷、有機氯、氨基甲酸酯類劇毒高殘留化學農藥。據統計，我國每年使用農藥的面積在2．8億hm2以上，每年使用的農藥量達50萬－60萬t，農藥施用平均用量2．33kg/hm2，但利用率不足30%，其中約有80%的農藥直接進入環境［5］。

(2)化肥污染?；实牟缓侠硎褂檬窃斐伤w污染的主要來源。調查資料顯示，自1978年到“九五”中期的20年間，南四湖流域濟寧市所轄11個縣市區農用化肥施用量為快速增長階段，化肥投入總量(折純)由6．07萬t，增長到44．38 萬 t，單位面積施用量由71．85kg/hm2增長到46．54 kg/hm2，增長6．5倍。進入“十五”以來，隨著農業科技的發展和科學種田水平的提高，化肥施用總量基本保持相對穩定，單位播種面積施用量，呈現逐年減少的趨勢。

(3)農膜污染。據統計，我國農膜年殘留量高達35萬t，殘膜率達42%［6］，有近一半的農膜殘留在土壤中，覆膜5a的農田農膜殘留量可達78kg/hm2，目前我國有670萬hm2覆蓋地膜的農田污染狀況日趨嚴重［7］。農膜是重要的農用物資，對提高農作物的產量有重要作用。然而，農膜是有機高分子化學聚合物，在土壤中難降解，廢棄的農膜卻帶來嚴重的污染。

2．2 養殖業污染

(1)水產養殖污染。水產養殖的主要污染途徑為餌料、化肥、藥劑，魚類排泄物，某些魚類的病原微生物等，根據中國科學院土壤研究所在江蘇宜興所做的調查［8］顯示:平均每公頃魚塘全年投放飼料10－31t化肥(主要為尿素)0．23 －1．5t有機肥 7．5 －75t藥物(包括農藥)30 －390kg，石灰150－3 900kg，平均每 hm2魚塘投放魚苗2．3－6t成魚產量約為3．8－12t。養殖池塘經過一段時間的養殖活動后，水質逐漸惡化，主要表現在水體中總氮、總磷、BOD、COD等指標明顯增高，使水體呈現富營養化狀態，易于暴發魚病甚至造成大量魚死亡［9］。

(2)禽畜養殖污染。近些年來，畜禽養殖模式已經逐漸從散戶養殖轉向規?；?、集約化養殖．隨著禽畜養殖規模的不斷擴大，大量的畜禽糞便污水成為污染源，造成生態環境惡化、畜禽產品品質下降并危及人體健康。據國家環?？偩帧?000年全國規模化畜禽養殖業污染情況調查工作報告》顯示［10］，我國畜禽糞便產生量很大，1999年產生總量約為19億t，是工業固體廢棄物年排放量的2．4倍，而且畜禽糞便COD排放量已達7 118萬t，遠遠超過工業廢水與生活廢水COD排放量之和，全國畜禽糞便氮、磷流失總量分別為化肥的1．2倍和1．3倍。據測定，家禽糞便中含有氮、磷、鉀、鈉、鎂、鈣、鋁、鋇、鉻、銅、錫、鎳、鉛、硫、鍶、鈦、釩、鋅等21種元素［11］。這些物質超過環境容量時，就會產生環境污染。

2．3 生活污染

農村生活污染主要包括居民生活污水、生活垃圾及排泄物三大類。城鎮的生活污水是南四湖流域內主要的水體污染源，對水體污染的貢獻率已超過50%。據調查，目前城鎮污水處理主要采用傳統集中式處理方式或小區域分散式處理方式，處理的投資大、適應性與靈活性較差，處理效果不穩定。而沿湖村莊部分居民生活污水沒有進入污水處理廠處理，直接排入河流或水體，對湖泊水質造成污染。南四湖地區流域許多地區是通過小型的沉淀池將生活污水、小企業的生產污水就地排入污水溝或河道，再直接進入主河道或通過降雨徑流進入主河道或入湖。

3 國外農業面源污染的控制措施

近些年來，隨著點源污染得到較好的控制，非點源污染特別是農業面源污染已成為導致水體污染主要原因。面源污染在發達國家特別是美國研究歷史較長，國外發達國家在控制農業面源污染方面采取的政策和技術，在一定程度上為南四湖流域乃至全國提供了可借鑒經驗。其中政策措施大致可分為3種類型［12］:一是自愿控制型政策措施，即在控制農業面源污染上某些參與者自愿采取措施進行防治。二是命令控制型政策措施，采用直接管制加上嚴格的監督和執法，作為農業污染控制和廢棄物管理的主要方式。三是經濟型政策措施，經濟學家認為市場工具是減輕污染危害最合算的方法，優勢在于增加微觀主體控制污染行為的靈活性、效率及成本效益。通過激勵措施加強對污染者經濟上的利益驅動來達到控制污染的目的。

3．1 美國

美國在1972年的《清潔水法》中，第一次將面源污染納入國家法律，1977年進一步強調了面源污染的重要性，規定對農業面源污染自愿采取防治措施者，政府將分擔一部分費用，自愿采取其他措施的，政府給予減免稅額等。1987年的《清潔水法修正案》第319章建立了控制面源污染的國家計劃，鼓勵各州實施“最佳管理措施(BMPs)”，并制訂了具體的比較系統的法規來控制面源污染［13］。BMPs可以分為工程措施和非工程(管理)措施。工程措施主要包括人工濕地、植被過濾帶、草地河岸緩沖帶、降低污水地表徑流速度，以攔截、降解、沉降污染物;Mander等［14］發現河岸植被過濾帶能有效地截留來自農田的養分和泥沙，地表徑流總氮和總磷顯著減少。非工程(管理)措施主要包括規劃、農戶教育、獎勵等形式，依靠農業科技，對農民沒有或只有很少補貼，鼓勵農民自愿采用環境友好的替代技術，主要控制技術有農田最佳養分管理、有機農業或綜合農業管理模式、等高線條帶種植、農業水土保持技術耕作等［15］。

3．2 歐盟

在歐共體時期，1989年歐盟委員會提出一項建議，指出水質問題是由農田與城市硝酸鹽的釋放引起的，這是第一個明確指出面源污染的官方文件［16］。

1992年6月，歐盟部長會議正式采納了共同農業政策。包括環境保護措施的引進、農業用地中的造林項目和農民早期退休計劃等，這些措施有利于農業面源污染的防治。1993年歐盟出臺了結構政策的環境標準。在化肥和農藥的管理上，一些歐盟國家根據農藥和化肥的毒性、用量和使用方法對生態環境和公眾健康可能造成的危害，加強管理并建立嚴格的登記制度。2000年以來，歐盟水體系指令、減少農業面源污染的硝酸鹽指令(91/676)、控制殺蟲劑最大使用量的殺蟲劑法(91/414/EEC)、限制水中殺蟲劑殘留的措施及為

護魚種、貝類安全而制定的水清潔的共同體措施等，已成為了治理農業面源污染的重要措施。歐洲國家，政府每年對每公頃農田實施的環境政策補貼可達50－1 000歐元，在財政支持方面，加大了對農業面源污染控制的財政投入［17］。

4 農業面源污染來源解析方法

4．1 化學質量平衡法(chemical mass balances，CMB)

CMB是應用最為廣泛的受體模型，是由Miller等和Winchester等獨立提出來的［18］。美國環保局(USEPA)推薦使用CMB模型，并開發出了相應的應用軟件包［19］。CMB 模型已應用于水體［20］、沉積物［21］等介質的研究，主要集中在沉積物中污染物的源解析，主要包括多環芳烴(PAHs)、多氯聯苯(PCBs)等有機污染物。通過CMB模型的實際應用，發現這種方法在具有很多優點的同時也存在一些不足。優點體現在:①對一個受體樣品的分析就可以得到結果，可以避免大量的樣品采集所帶來的時間和資金等方面的壓力;②能夠檢測出是否遺漏了某重要污染源，并可以對其他方法的適用性進行檢驗。當然，CMB模型也有它的局限性，主要體現在:①同一類排放源排放成分是有差別的，同一排放源在不同時間排放物質也不同，而CMB模型沒有加以區別;②CMB模型假設從排放源到受體之間，排放的物質組成沒有發生變化，而實際上某些物質并不滿足該條件;③不能得到每一個污染源對受體中每一種污染物的貢獻率，只能得到每一個污染源對受體中污染物總體的綜合貢獻率。

4．2 多元統計方法

多元統計方法的基本思路是利用觀測信息中物質間的相互關系來產生源成分譜或產生暗示重要排放源類型的因子，主要包括主成分分析法(PCA)、因子分析法(FA)、多元線性回歸法等。

PCA和FA既有聯系又不完全相同，都可以用于污染物的來源解析。主成分分析法被成功應用于實際環境保護工作。與CMB相比，多元統計方法具有以下優點:①不用事先假設排放源的數目和類型，排放源的判定相對比較客觀;②能夠解決次生或易變化物質的來源，能利用除濃度以外的一些參數;③研究者只需對排放源組成有大致的了解，并不需要準確的源成分譜數據。這種方法也具有一定的局限性:①方法不是對具體數值進行分析而是對偏差進行處理，如果某重要排放源比較恒定，而其他非重要源具有較大的排放強度變異，可能會忽略排放強度較大的排放源;②氣象學因素的變化影響較大，為了得到準確的結果，需要采集足夠多數量的樣品;③在實際中一般鑒別出5－8個因子，如果重要排放源類型＞10，這種方法不能提供較好的結果。

4．3 AnnAGNPS擴散模型

AnnAGNPS(Annualized Agricultural Non-point Source Pollution Model)是由美國農業部開發研制而成的用于模擬評估流域地表徑流、泥沙侵蝕和氮磷營養鹽流失的連續型分布式參數模型。其前期版本是單一事件分布式模型AGNPS。與AGNPS相比，AnnAGNPS模型的改進之處在于:以日為基礎連續模擬一個時段內每天及累計的徑流、泥沙、養分、農藥等輸出結果，可用于評價流域內非點源污染長期影響;根據地形水文特征進行流域集水單元(cell)的劃分，且模擬的流域尺度更大;與GIS較好地集成，模型參數大多可自動提取，模擬結果的顯示度得以顯著提高;采用RUSLE預測泥沙生成等。

AnnAGNPS模型采用SCS－CN徑流曲線方程計算地表徑流量，并按每日的耕作、土壤水分和作物情況，相應調整曲線數。模型中地表泥沙侵蝕量的計算采用了矯正的通用土壤流失方程(RUSLE)。模型逐日計算各單元內氮、磷和有機碳的營養鹽狀況，包括作物對氮磷的吸收、施肥、殘留的降解和氮磷的遷移等。氮磷和有機碳的輸出按可溶態和顆粒吸附態分別計算，并采用了一組動力學方程計算平衡濃度。采用與CREAMS模型相同的公式計算氮、磷的可溶態濃度和顆粒態濃度。

5 結論

經過近些年來的研究，南四湖流域農業面源污染的研究已取得一定的進展，但是，由于面源污染具有分散性、隱蔽性、隨機性、不確定性、滯后性、模糊性、廣泛性、不易監測性等特點，因此，不論是技術上還是措施上各方面的研究仍需進一步加強及完善，研究方向包括以下幾個方面:

(1)對無機氮、磷的具體形態進行測定分析，無機氮包括硝態氮(NO3－－N)、亞硝態氮(NO2－－N)、氨氮(NH4+－N)，無機磷主要分析正磷酸鹽(PO43－－P)。

(1)分析方法上采用快速準確、高靈敏度的離子色譜法，提供準確可靠的數據資料。

(2)技術方面，確定重點農作物適宜肥料用量，利用測土配方施肥技術，制訂肥料用量標準;構建養殖及生活面源的循環經濟產業鏈，研究有機廢棄物、生活廢水零排放循環利用技術。

(3)深入研究沿湖農業面源的分布、污染物的遷移和轉化規律，明確污染物的形態及數量的變化，得到農業面源在不同環境介質中的衰減因子。

(4)進一步明確氣候、地形、土壤、土地利用及徑流曲線等相關參數，建立南四湖流域完整可靠的數據庫，為南四湖流域農業面源污染的研究提供科學基礎。

(5)根據南四湖流域具體情況，結合國外在農業面源污染方面的控制措施，制定合理的最佳管理措施(BMPs)，并加強模型對流域管理效果的模擬和評價;建立南四湖流域農業面源污染的高效控制模型。

(編輯:田 紅)

［1］劉恩峰，沈吉，楊麗原，等．南四湖及主要入湖河流表層沉積物重金屬形態組成及污染研究［J］．環境科學，2007，28(6):1377 －1383．

［2］濟寧市水利志編撰委員會．濟寧市水利志［M］．濟寧市新聞出版局，1997:3－75．

［3］羅輝，周建仁，郭忠．南水北調對南四湖水環境質量分析與評估［J］．河海大學學報:自然科學版，2005，33(1):63 －67．

［4］林治安，趙秉強，孟慶光，等．我國南四湖流域種植業結構變遷與農業投入產出的特色分析［J］．作物雜志:2007，7－11．

［5］苑韶峰，呂軍，俞勁炎．氮、磷的農業非點源污染防治方法［J］．水土保持學報，2004，18(1):122 －125．

［6］張宏艷．非點源污染的研究經濟學進展［J］．上海經濟，2003，10(1):38－40．

［7］方淑榮，劉正庫．論農業面源污染及其防治對策［J］．農業科技管理，2006，(3):22 －23．

［8］焦雋，李慧，馮其譜，等．江蘇省內陸水產養殖非點源污染負荷評價與控制對策［J］．江蘇農業科學，2007，(6):340－343．

［9］寧豐收，劉俊遠，古昌紅，等．重慶典型養殖魚塘富營養化調查與評價［J］．農業環境與發展，2004，(3):37 －39．

［10］倪曉潔．禽畜養殖污染治理技術綜述［J］．中國環保產業，2009，(9):24－26．

［11］何飛譯．對家禽生產中環境問題的認識和策略［J］．中國家禽，2004，24(1):34 －35．

［12］Dowd B M，Press D，Huertos M L．Agricultural Nonpoint Source Water Pollution Policy:the Case of California’s Central Coast［J］．Agriculture，Ecosystems＆ Environment，2008，128(3):151－161．

［13］劉冬梅，官宏杰．美、日農業面源污染防治立法及對中國的啟示與借鑒［J］．世界農業，2008，(4):35－37．

［14］Mander U，Ain K，Valdo K，et al．Nutrient Run Off Dynamics in A Rural Watershed Influence of Land-Use Changes，Climatic Fluctuations and Eco － Technological Measures［J］．Ecological Engineering，2000，14(6):405 －417．

［15］Centner T J，Houston JE，Keeler A G，et al．the Adoption of Best Management Practices to Reduce Agricultural Water Contamination［J］．Limnologica-Ecology and Management of Inland Waters，1999，29(3):366－373．

［16］張宏艷．發達國家應對農業面源污染的經濟管理措施［J］．世界農業，2006，(5):38 －40．

［17］譚綺球，蘇柱華，鄭業魯．國外治理農業面源污染的成功經驗對廣東的啟示［J］．廣東農業科學，2008，(4):67 －71．

［18］Gleser L J．Some Thoughts on Chemical Mass Balance Models［J］．Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems，1997，37(1):15－22．

［19］Desert Research Institute(DRI)．CMB 8 User’s Manual:EPA’s Office of Air Quality Planning＆ Standards(OAQPs)［R］．Washington DC:United States Environmental Protection Agency，Research Triangle Park，2001．

［20］Booty W G，Resler O，MC Crimmon C．Mass Balance Modeling of Priority Toxic Chemicals Within the Great Lakes Toxic Chemical Decision Support System:Rate Con Model Results for Lake Ontario and Lake Erie［J］．Environmental Modeling and Software，2005，20(6):671－688．

［21］Li A，Jang JK，Scheff PA．Application of EPA CMB8．2 Model for Source Apportionment of Sediment PAHs in Lake Calumet，Chicago［J］．Environmental Science and Technology，2003，37(13):2958 －2960．