重慶市王家溝小流域農(nóng)業(yè)面源污染防控對策

陳康寧，卞戈亞，李 琳

(1.中國水利水電科學(xué)研究院遙感技術(shù)應(yīng)用研究中心，北京 100048;2.中國水利水電科學(xué)研究院水利研究所，北京 100048)

當(dāng)前，三峽水庫水質(zhì)存在持續(xù)惡化的風(fēng)險(xiǎn)[1].以重慶三峽庫區(qū)為例，流經(jīng)主城區(qū)的長江、嘉陵江一級支流共有20條，但有14條河流水質(zhì)長期處于劣Ⅴ類，黑臭問題突出，并呈繼續(xù)惡化趨勢，其中不乏仍具有飲用水源、農(nóng)業(yè)灌溉等水功能要求的河流[2].據(jù)統(tǒng)計(jì)，自2003年水庫135m蓄水期間首次出現(xiàn)“水華”后，三峽庫區(qū)湖北段的香溪河、青干河、童莊河、神農(nóng)溪等7條支流先后多次發(fā)生“水華”，并呈現(xiàn)由支流、庫灣滯水區(qū)向干流近岸水域蔓延的趨勢，嚴(yán)重影響沿河數(shù)萬人畜飲水安全.從污染源分析，不僅有工業(yè)廢水、生活污水等，農(nóng)藥、化肥、畜禽糞便等面源污染對負(fù)荷總量也有很大的貢獻(xiàn)[3].據(jù)研究[4]，三峽庫區(qū)來自面源污染的CODMn，N和P負(fù)荷分別占污染負(fù)荷總量的70.8%，60.6%，74.9%.由此可見，面源污染物是入庫污染物的主要組成部分.

三峽庫區(qū)的農(nóng)業(yè)面源污染與區(qū)域地質(zhì)條件、地形坡度、水文氣象、土壤植被、土地利用、灌排條件、耕作方式等因素聯(lián)系緊密，其中又以不合理的土地開發(fā)利用及農(nóng)藥、化肥和農(nóng)膜等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料的超負(fù)荷投入為主要影響因素[5-9].重慶市涪陵區(qū)珍溪鎮(zhèn)王家溝小流域是三峽庫區(qū)典型的小流域，本研究以該流域?yàn)檠芯繀^(qū)，依據(jù)由ALOS和WorldView1等高分辨率衛(wèi)星遙感影像及DEM等提取出的土地利用、種植結(jié)構(gòu)、坡度分布等專題信息，對當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)面源污染的成因、分布規(guī)律等進(jìn)行空間分析，并針對性地對王家溝小流域的農(nóng)業(yè)面源污染防控問題提出了一些對策和建議.

1 研究區(qū)概況

重慶市涪陵區(qū)珍溪鎮(zhèn)王家溝小流域地處涪陵區(qū)東北部，位居長江北岸，濱臨長江黃金水道，上距涪陵城35km，距重慶主城區(qū)120km，下距豐都縣城29km，東與豐都縣相鄰，西與百勝鎮(zhèn)連界，北與長壽、墊江接壤，南與南沱鎮(zhèn)隔江相望.王家溝所處的珍溪鎮(zhèn)是涪陵有名的“桑菜果”特色鄉(xiāng)鎮(zhèn)，全鎮(zhèn)擁有桑樹1200萬株以上，密植桑園近1 400 hm2，年發(fā)蠶種在45 000張以上.榨菜種植面積4 800hm2，年產(chǎn)青菜頭18萬t，青菜(綠)葉 12萬t，半成品榨菜10萬t.全鎮(zhèn)水果豐富，有500hm2西瓜基地、100hm2龍眼園、233hm2梨園和600hm2柑橘園，年產(chǎn)西瓜3萬余t、龍眼6 000kg、梨2 000 t、柑桔1.7萬t.全鎮(zhèn)境內(nèi)有洪湖、深灣等多個(gè)水庫，水面600余hm2，年產(chǎn)鮮魚700萬kg.2008年全鎮(zhèn)工農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值達(dá)14.7億元，鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)年產(chǎn)值突破11億元大關(guān)，農(nóng)民人均純收入近4500元.

2 基于高分辨率遙感影像的專題信息提取

2.1 覆蓋范圍與分辨率

重慶市涪陵區(qū)珍溪鎮(zhèn)王家溝，覆蓋面積為1.39km2.在這么小的覆蓋面積上提取區(qū)域土地利用信息，必須選擇高分辨率的遙感數(shù)據(jù).為此，本研究遙感影像采用了2010年4月27日成像的ALOS數(shù)據(jù)和2009年7月11日成像的WorldView1數(shù)據(jù).其中，ALOS多光譜數(shù)據(jù)空間分辨率10m，在可見、近紅外光譜范圍內(nèi)有4個(gè)波段和1個(gè)全色波段，WorldView1數(shù)據(jù)全色波段空間分辨率0.61m，如圖1和圖2所示.

圖1 ALOS 2010-04-27影像Fig.1 ALOS image in April 4，2010

圖2 WorldView1 2009-07-11影像Fig.2 WorldView1 image in July 7，2009

2.2 土地利用專題信息

將ALOS數(shù)據(jù)提供的多光譜信息與WorldView1數(shù)據(jù)提供的空間結(jié)構(gòu)和紋理信息融合后提取了研究區(qū)土地利用專題信息，如圖3所示.該專題信息較好地反映了研究區(qū)的地物特征.

圖3 王家溝土地利用專題信息Fig.3 Land uses in Wangjiagou watershed

根據(jù)土地利用專題信息，將研究區(qū)土地利用類型分為9種，即水田、旱地、有林地、疏林地、河渠、水庫坑塘、居民地、工交建設(shè)用地和裸土地，面積分別為76.43，90.24，11.92，5.76，0.60，0.16，3.99，3.22，1.23hm2，占總面積的比例分別為39.49%，46.62%，6.16%，2.97%，0.31%，0.08%，2.06%，1.66%，0.64%.

3 農(nóng)業(yè)面源污染影響因子

3.1 農(nóng)業(yè)耕作

研究區(qū)農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展是農(nóng)業(yè)面源污染形成的根本原因.由于榨菜等傳統(tǒng)種植業(yè)在當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)中占主導(dǎo)地位，且復(fù)種頻繁，農(nóng)業(yè)面源污染始終無法避免.從耕作模式來看，傳統(tǒng)耕作方式造成表層土壤肥力喪失、有機(jī)質(zhì)流失、土壤鹽漬化等，同時(shí)存在過度施肥和肥料利用效率低下的情況，導(dǎo)致土壤生產(chǎn)力下降，還使流失的有機(jī)質(zhì)隨著農(nóng)田徑流匯入水體中，造成面源污染[10].

3.2 灌排條件

農(nóng)田徑流直接入河對研究區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染的貢獻(xiàn)最大.降雨形成的地表徑流匯集進(jìn)入水體，直接引發(fā)污染.從灌溉角度治理農(nóng)業(yè)面源污染，應(yīng)針對當(dāng)?shù)刂饕r(nóng)作物在不同類型的肥料使用、灌溉方式，探索合理、高效的灌溉施肥方式(如水肥耦合技術(shù)等)，從源頭控制農(nóng)業(yè)面源污染，最大限度削減農(nóng)業(yè)面源污染排放，以防止農(nóng)田徑流對地表徑流和地下水的污染[11];從排水角度治理農(nóng)業(yè)面源污染，建設(shè)緩沖帶十分必要，緩沖帶對農(nóng)田地表徑流中攜帶的營養(yǎng)物質(zhì)、顆粒物和農(nóng)藥等污染物，具有較高的截留、吸收作用，是防止面源污染、強(qiáng)化養(yǎng)分循環(huán)的有效方法.

3.3 水文氣象

研究區(qū)多年平均降雨量為1150.26mm，降雨特征呈現(xiàn)明顯的年際、年內(nèi)變化，汛期大概為4—10月.全年降水以夏季最多，占40%左右，日降雨量大于25mm的達(dá)到9～15次/a，大于50mm的達(dá)到2～5次/a.強(qiáng)烈的降水過程是研究區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染的重要驅(qū)動(dòng)力.有關(guān)研究[5]表明，坡面徑流侵蝕力隨降雨強(qiáng)度的增大而增大，強(qiáng)降水是崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的主要誘因，同時(shí)也直接將大量養(yǎng)分、農(nóng)藥等攜帶并排入河流，造成面源污染.

3.4 土壤條件

紫色土作為研究區(qū)主要土壤類型[6]，以物理風(fēng)化為主，極易受到侵蝕.紫色土抗蝕力是由其特性決定的，首先，紫色土抗蝕力和抗沖力均弱，容蓄水量少且滲透率低，故徑流系數(shù)高;其次，紫色土易于崩解剝離，為侵蝕提供大量物源，故抗蝕力很弱;再次，風(fēng)化與侵蝕交替進(jìn)行，尤其在高溫多雨季節(jié)，物理風(fēng)化更為嚴(yán)重，往往形成風(fēng)化一層、剝蝕一層、流失一層的惡性循環(huán).

3.5 地形坡度

坡度是研究區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染的最重要影響因子之一.三峽庫區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐顯示:0°～7°地勢平緩，水體運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，水土流失微弱，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)理想的坡度條件;7°～15°為緩坡地，動(dòng)力和重力作用大，水體運(yùn)動(dòng)加快，侵蝕和水體流失也隨之加重;15°～25°為斜坡地，侵蝕和塊體運(yùn)動(dòng)比較劇烈，水土流失比較嚴(yán)重，不適宜農(nóng)作;25°以上的陡坡地，隨著坡度的加大，雨水沖刷和塊體運(yùn)動(dòng)加劇，侵蝕強(qiáng)烈，水土流失嚴(yán)重，土層變薄，土壤貧瘠，裸巖增多，應(yīng)嚴(yán)禁農(nóng)作，是發(fā)展林、副業(yè)的地區(qū).

3.6 水庫蓄水

三峽水庫蓄水，造成了很長的回水區(qū)，回水區(qū)的水流流速減緩，上游來水輸入的氮、磷等在此沉降，逐漸富營養(yǎng)化并長期積累，在遇到適宜的光照、溫度和風(fēng)速等情況時(shí)，藻類將暴發(fā)并出現(xiàn)“水華”現(xiàn)象.

4 農(nóng)業(yè)面源污染防控對策

本研究認(rèn)為，以上若干種農(nóng)業(yè)面源污染的影響因素可分為3大類:研究區(qū)的自然地理?xiàng)l件、三峽水庫蓄水和不合理的土地開發(fā)利用.前2類可被認(rèn)為是不可抗力或近似不可抗力的影響因素，是當(dāng)?shù)厝罕姛o法改變和必須面對的，而土地的合理開發(fā)利用是人類可控的，因此也是農(nóng)業(yè)面源污染防控對策的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn).為此，本研究基于ALOS和WorldView1等高分辨率遙感影像提取的王家溝土地利用、種植結(jié)構(gòu)信息，對王家溝小流域面源污染問題提出了若干條有針對性的防控對策和建議.

4.1 居民點(diǎn)生活污染控制對策

王家溝居民點(diǎn)十分分散，布局隨意性強(qiáng)，現(xiàn)狀共有約56處居民點(diǎn)，大量的生活污水基本未經(jīng)無害化處理，就隨意排放或直接排放，而生活垃圾也得不到集中而有效的處理，對飲用水安全造成嚴(yán)重威脅.據(jù)調(diào)查[12]，研究區(qū)衛(wèi)生設(shè)施簡陋，衛(wèi)生廁所僅占1/10，生活污水年常量約8690.4t，生活垃圾約79.56t.因此，對于王家溝這種居民點(diǎn)分散、規(guī)模小、地形條件較復(fù)雜、生活污水與垃圾不易集中收集的情況，控制居民點(diǎn)生活污染，可采取如下3種辦法:一是采取積極就地處理的方式，推廣生態(tài)凈化沼氣處理、地埋式無動(dòng)力厭氧處理、厭氧處理與人工濕地聯(lián)合處理等技術(shù);二是治理過程科學(xué)規(guī)劃，合理建設(shè)農(nóng)村生活污水處理設(shè)施，采用分散處理模式;三是長遠(yuǎn)規(guī)劃，推進(jìn)農(nóng)村城鎮(zhèn)化建設(shè)，將農(nóng)村居民點(diǎn)集中起來，便于修建村莊污水處理系統(tǒng)、垃圾配套設(shè)施，將生活污水與生活垃圾集中處理，徹底解決居民點(diǎn)生活污染問題.

4.2 農(nóng)田徑流污染控制對策

據(jù)調(diào)查，王家溝水稻、玉米、榨菜種植面積分別占23.2%，29.0%，47.2%，其中榨菜種植面積占多數(shù).王家溝小流域年均施肥量按總氮統(tǒng)計(jì)為12.83t，按總磷統(tǒng)計(jì)為3.33t，單位面積水平是全國平均水平的1.7倍，存在過度施肥的問題.同時(shí)，肥料施用效率較低下，至少20%的肥料被地表徑流帶走或下滲至地下水中.因此，控制王家溝小流域的總施肥量尤其是氮肥的施肥量，合理調(diào)整施肥比例，提高肥料利用效率，是減少農(nóng)田徑流污染的最有效手段.一般說來，農(nóng)田徑流污染是農(nóng)業(yè)面源污染的最主要源頭，當(dāng)前，在王家溝推廣應(yīng)用水肥耦合技術(shù)是從源頭控制農(nóng)田徑流污染的唯一途徑，簡單來講，就是通過灌溉系統(tǒng)施肥，合理調(diào)節(jié)水肥供應(yīng)，使作物在吸收水分的同時(shí)吸收養(yǎng)分，實(shí)現(xiàn)作物的最大生產(chǎn)潛力，以達(dá)到節(jié)水、節(jié)肥、省工的效果，從而達(dá)到從源頭控制面源污染的目的.

4.3 坡耕地養(yǎng)分流失控制對策

從王家溝小流域坡度分布專題信息可知:王家溝小流域坡度小于7°的區(qū)域約80hm2，占整個(gè)研究區(qū)的57.6%，其中耕地面積為66.43hm2，占總耕地面積的58.65%;坡度7°～15°的區(qū)域?yàn)?8hm2，占整個(gè)研究區(qū)的41.7%，其中耕地面積為45.74hm2，占總耕地面積的40.38%;坡度15°～25°的區(qū)域?yàn)?.6hm2，占整個(gè)研究區(qū)的1.15%，其中耕地面積為1.10hm2，占總耕地面積的0.97%.當(dāng)前，王家溝小流域耕地復(fù)種指數(shù)高，加之雨量充沛且集中，產(chǎn)生的水土流失及面源污染問題十分嚴(yán)重.在這種情況下，必須把防控面源污染與防治水土流失結(jié)合起來，做到源頭控制和過程攔截并重，從降水的就地?cái)r蓄，到利用條帶植物笆、高分子調(diào)控劑對耕地進(jìn)行保護(hù)性耕作及少耕免耕構(gòu)筑綜合性的防控工程體系.

5 結(jié) 語

本研究將王家溝小流域作為典型研究區(qū)，利用ALOS和WorldView1的兩景高分辨率遙感影像提供的多光譜信息和紋理信息，對王家溝現(xiàn)狀下的土地利用、種植業(yè)情況、地形地貌等進(jìn)行了調(diào)查，獲取了詳實(shí)的宏觀信息，再結(jié)合當(dāng)?shù)刈匀坏乩?、生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)社會(huì)等資料，從農(nóng)村居民點(diǎn)生活污染、農(nóng)田徑流污染和坡耕地養(yǎng)分流失等的源頭控制和過程攔截角度，對王家溝的農(nóng)業(yè)面源污染綜合防控問題提出了針對性較強(qiáng)的對策.筆者認(rèn)為，應(yīng)通過工程和技術(shù)方法解決已經(jīng)存在的問題.例如:對于農(nóng)村居民生活污水和生活垃圾，應(yīng)通過修建村莊污水處理系統(tǒng)和垃圾處理系統(tǒng)進(jìn)行集中收集、集中處理、達(dá)標(biāo)排放;對于農(nóng)田徑流污染，應(yīng)重視過度施肥和肥料使用效率低下的問題，盡可能地引進(jìn)和推廣水肥耦合技術(shù)等.但值得注意的是，從決策制定的角度，還應(yīng)關(guān)注諸如農(nóng)村城鎮(zhèn)化建設(shè)、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)高效配置、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)布局合理調(diào)整等問題，從根本上找出一條治理庫區(qū)典型小流域農(nóng)業(yè)面源污染的路子.

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