?沅江八形汊長河流域農(nóng)業(yè)面源污染“減源-循環(huán)-控污”治理及其實(shí)施效果?

曾勇　朱堅(jiān)　何鐘響　張瑛　孟卓　李嘗君

摘要：農(nóng)業(yè)面源污染是影響流域水質(zhì)和水生態(tài)的重要污染源，該研究基于“減源-循環(huán)-控污”的治理模式，在湖南省沅江市八形汊長河流域?qū)嵤┺r(nóng)業(yè)面源污染的綜合治理工程，并對實(shí)施效果進(jìn)行監(jiān)測與評價。結(jié)果表明：治理工程實(shí)施前，流域內(nèi)主要農(nóng)業(yè)面源污染源為畜禽養(yǎng)殖，地表徑流、種植業(yè)與水產(chǎn)養(yǎng)殖污染物排放貢獻(xiàn)率較小，分別占比6.3%、6.9%和4.2%；通過對不同治理措施開展連續(xù)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)研究治理區(qū)主要污染物總氮、總磷和化學(xué)需氧量的總排放量分別減排約472.69、66.10和1 866.47 t/a，減排比例分別為88.21%、92.36%和78.84%；各污染防治工程對水體化學(xué)需氧量、氨氮、總氮和總磷攔截凈化效果較好，平均去除率分別為58.22%、74.33%、60.11%和61.05%，流域出水水質(zhì)相對穩(wěn)定。總體而言，“減源-循環(huán)-控污”治理模式在沅江八形汊長河流域應(yīng)用效果較好，有效降低了農(nóng)業(yè)面源污染對流域的影響，為后續(xù)洞庭湖區(qū)小流域面源污染治理提供借鑒。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)面源污染；化學(xué)需氧量；總氮；總磷

中圖分類號：X52文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1006-060X（2024）05-0011-05

Treatment of Agricultural Non-Point Source Pollution in the Baxingcha Branch of Yuanjiang River by Source Reduction–Circulation–Pollution Control

ZENG Yong1，ZHU Jian2，HE Zhong-xiang2，ZHANG Ying2，MENG Zhuo3，LI Chang-jun2

（1. Yuanjiang Bureau of Agriculture and Rural Affairs， Yuanjiang 413100， PRC; 2. Hunan Institute of Agricultural Environment and Ecology， Ministry of Agriculture Key Laboratory of Agri-Environment in the Middle Reach Plain of Yangtze River， Hunan Dongting Lake Basin Engineering Research Center for Agricultural Non-Point Pollution Control， Changsha 410125， PRC;

3. Comprehensive Agricultural Service Center of Caowei Town， Yuanjiang 413100， PRC）

Abstract： Agricultural non-point source pollution is a major source of pollution affecting the water quality and ecosystem of rivers. In this study， the treatment mode of source reduction–circulation–pollution control was implemented for agricultural non-point source pollution in the Baxingcha branch of Yuanjiang River， and the treatment effect was monitored and evaluated. The results showed that before treatment， animal breeding was the major source of pollution， while the pollution from surface runoff， planting， and aquaculture only accounted for 6.3%， 6.9%， and 4.2%， respectively. After treatment， the emissions of total nitrogen （TN）， total phosphorus （TP）， and chemical oxygen demand （COD） decreased by 472.69， 66.10， and 1 866.47 t/a （88.21%， 92.36%， and 78.84%）， respectively. The treatment demonstrated satisfactory interception and purification of COD， NH4+-N， TN， and TP in the water， which showcased the average removal rates of 58.22%， 74.33%， 60.11%， and 61.05%， respectively. Furthermore， the water quality remained stable after treatment. In summary， the treatment of source reduction–circulation–pollution control reduces agricultural non-point source pollution in the Baxingcha branch of Yuanjiang River， which provides a reference for treating non-point source pollution of small river branches in Dongting Lake area.

Key words： agricultural non-point source pollution; chemical oxygen demand; total nitrogen; total phosphorus

農(nóng)業(yè)面源污染指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)村生活一定區(qū)域內(nèi)的氮、磷等營養(yǎng)鹽及其他污染物受水力驅(qū)動以隨機(jī)、分散、無固定方式進(jìn)入水體，從而引起水質(zhì)惡化或水體污染的現(xiàn)象[1]。農(nóng)業(yè)面源污染引起的水體污染在世界絕大數(shù)國家超過了總水體污染的50%[2]，我國也不例外。2020年《第二次全國污染源普查公報》顯示，我國農(nóng)業(yè)污染源中的化學(xué)需氧量（COD）、總氮（TN）和總磷（TP）分別占同類污染物排放的49.77%、46.52%和67.22%[3]。洞庭湖平原作為長江流域的重要平原之一，是我國重要的商品糧和大宗農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地。因農(nóng)戶長期不合理的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，以及資源開發(fā)強(qiáng)度大、歷史欠賬多等原因造成了較為嚴(yán)重的面源污染問題[4]。隨著這些污染對水環(huán)境持續(xù)產(chǎn)生影響，流域面源污染治理逐漸成為控制農(nóng)業(yè)面源污染的重要措施[5-6]。

八形汊長河流域是典型的農(nóng)業(yè)小流域，整體屬于洞庭湖濕地片區(qū)。八形汊長河的主要污染來源為：（1）生活污水。沿河人口分布稠密，且經(jīng)濟(jì)條件相對落后，部分群眾將未經(jīng)處理的生活污水直接排入八形汊長河。（2）生產(chǎn)污水。其流經(jīng)區(qū)域?yàn)榧Z食主生產(chǎn)區(qū)，生產(chǎn)過程中使用的農(nóng)藥、化肥殘留流入溝渠后匯入八形汊長河。（3）河湖精養(yǎng)。該流域有2個漁場（八形汊漁場、共華漁場），基本采取投肥投餌的精養(yǎng)模式，養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的有機(jī)污染未經(jīng)處理直接流入八形汊長河。（4）畜禽養(yǎng)殖。流域內(nèi)的部分養(yǎng)殖場未采取環(huán)保措施或設(shè)施不足，導(dǎo)致大部分畜禽排泄物未經(jīng)處理直接排放入河。2020年，沅江市根據(jù)八形汊長河流域農(nóng)業(yè)面源污染情況，啟動了沅江市八形汊長河流域山水林田湖草生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程項(xiàng)目。據(jù)沅江市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站監(jiān)測結(jié)果顯示，項(xiàng)目實(shí)施前八形汊長河的水質(zhì)屬于劣V類，對洞庭湖整體環(huán)境以及周圍群眾的生產(chǎn)生活帶來較大影響。

流域面源污染監(jiān)測有利于及時對污染進(jìn)行合理有效的控制[7]，該研究采取科學(xué)監(jiān)測技術(shù)手段，對沅江八形汊長河流域農(nóng)業(yè)面源污染綜合治理試點(diǎn)項(xiàng)目實(shí)施前后的污染狀況進(jìn)行監(jiān)測與調(diào)查，評價項(xiàng)目實(shí)施后的治理效果，為推進(jìn)八形汊流域面源污染治理的可持續(xù)發(fā)展和提高典型小流域農(nóng)業(yè)面源治理效果提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

八形汊長河流域位于湖南省益陽市沅江市，地處湖南省東北部、洞庭湖濱。河道全長15 km，河面寬度100～300 m，水深4～7 m，屬于洞庭湖濕地片區(qū)，是一條天然的調(diào)蓄長河；水系流向由西北流向東南，具有灌溉、調(diào)蓄等功能。研究區(qū)包括福安村、雙阜村、紫紅洲村和仁安村等治理單元，區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)面源污染類型主要是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)復(fù)合污染，畜禽養(yǎng)殖為主要污染源。

1.2 “減源-循環(huán)-控污”治理項(xiàng)目的措施

（1）減源措施主要針對種植業(yè)、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖、生活污水等污染源源頭進(jìn)行治理。其中種植業(yè)主要采取化肥農(nóng)藥減量、農(nóng)田廢棄物收集處置等措施；畜禽養(yǎng)殖主要根據(jù)“一場一策”思路，針對不同場舍基礎(chǔ)條件，因地制宜建設(shè)固液分離、厭氧發(fā)酵、氧化塘等設(shè)施處理污染源；水產(chǎn)養(yǎng)殖主要采取“魚菜共生”、水生植物種植、曝氣等技術(shù)進(jìn)行治理；生活污水則是采取建設(shè)三、四格凈化池，完善垃圾分類收集等措施進(jìn)行治理。

（2）循環(huán)措施主要有將畜禽養(yǎng)殖廢棄物堆漚或厭氧發(fā)酵后循環(huán)利用或經(jīng)水田旱地安全消納、秸稈還田和秸稈收集預(yù)處理用于制作飼料或二次加工利用等。

（3）控污措施主要為合理建設(shè)生態(tài)溝渠、生態(tài)塘、生態(tài)濕地等生態(tài)系統(tǒng)，對面源污染集中區(qū)域進(jìn)行梯級控污，在遷移過程中對污染物進(jìn)行凈化。

1.3 研究方法

1.3.1 污染現(xiàn)狀調(diào)查 采用現(xiàn)場調(diào)查與資料收集相結(jié)合的辦法在治理工程實(shí)施前對研究區(qū)域進(jìn)行面源污染情況的調(diào)查與分析，參考《第二次全國污染源普查產(chǎn)排污系數(shù)手冊（生活源）》和《第二次全國污染源普查產(chǎn)排污系數(shù)手冊（農(nóng)業(yè)源）》估算研究區(qū)域面源污染負(fù)荷情況。

1.3.2 監(jiān)測采樣 針對研究區(qū)域內(nèi)畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)田排水以及居民生活污水排放等典型污染源分布特征布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，每個監(jiān)測點(diǎn)位按照進(jìn)、出水口或前段、中段、末段采集1～3處樣品，完成監(jiān)測采樣任務(wù)共計(jì)3次，分別于2020年1月8日、2020年12月2日、2021年1月25日進(jìn)行第一次、第二次、第三次樣品采集。第一次樣品為項(xiàng)目建設(shè)前各分項(xiàng)治理工程采集的水質(zhì)對照樣品，第二、三次樣品分別為項(xiàng)目建設(shè)中、建設(shè)后相同地點(diǎn)采集的治理后樣品。

1.3.3 樣品檢測與數(shù)據(jù)分析 COD、TN、TP、氨氮（NH4+-N）分別采用重鉻酸鹽法、過硫酸鉀紫外分光光度法、鉬酸銨分光光度法、納氏試劑分光光度法進(jìn)行檢測。采用Excel、SPSS軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，使用GraphPad進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 治理前農(nóng)業(yè)面源污染排放量與分布情況

研究區(qū)內(nèi)常住人口約7 318人，土地總面積1 066.67 hm2，其中耕地面積939.53 hm2，以種植水稻、油菜為主。2020年，畜禽養(yǎng)殖生豬年存欄總量28 170頭，鴨存欄9 380羽，肉牛存欄量110頭，年產(chǎn)四大家魚約3 478 t。由表1可知，流域內(nèi)TN、TP和COD污染物排放總量為2 974.73 t/a，其中TN、TP和COD排放量分別為535.89、71.57和2 367.27 t/a；畜禽養(yǎng)殖、地表徑流、種植業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖污染物排放量占比分別為82.6%、6.3%、6.9%和4.2%，主要的農(nóng)業(yè)面源污染源是畜禽養(yǎng)殖。

2.2 減源技術(shù)措施實(shí)施效果

減源技術(shù)措施包含畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖、地表徑流源頭污染的減排。由圖1可知，治理項(xiàng)目實(shí)施前，養(yǎng)殖場排水第一次水質(zhì)監(jiān)測COD、NH4+-N、TN和TP的排放濃度分別為140.00、15.10、25.50和2.74 mg/L，污染物濃度已遠(yuǎn)超過地表水V類環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。畜禽養(yǎng)殖污染防治工程項(xiàng)目實(shí)施后，經(jīng)過厭氧發(fā)酵、氧化塘等設(shè)備的處理，養(yǎng)殖場排水污染物濃度顯著降低，第三次水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果顯示COD、NH4+-N、TN和TP的排放濃度分別為25.00、0.94、1.90和0.09 mg/L，較項(xiàng)目實(shí)施前分別降低82.14%、93.77%、92.55%和96.72%。

由圖2可知，項(xiàng)目實(shí)施前，水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水第一次水質(zhì)監(jiān)測COD、NH4+-N、TN和TP的排放濃度分別為56.00、1.62、7.40和0.38 mg/L，生態(tài)水產(chǎn)養(yǎng)殖工程實(shí)施后，通過實(shí)施“魚菜共生”、種植浮水植物等措施，魚塘水質(zhì)顯著改善，第三次水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果顯示COD、NH4+-N、TN和TP濃度分別為28.00、0.40、2.21和0.20 mg/L，較項(xiàng)目實(shí)施前分別降低50.00%、75.31%、70.14%和47.37%。

由圖3可知，生活污水在經(jīng)四格凈化池處理后污染物濃度顯著降低。進(jìn)水口COD、NH4+-N、TN和TP濃度分別為2 610.00、66.70、99.80和30.10 mg/L，而出水口濃度分別為67.00、14.40、28.10和1.47 mg/L，去除率分別為97.43%、78.41%、71.84%和95.12%，表明建設(shè)四格凈化池能從源頭有效降低面源污染排放濃度。

2.3 循環(huán)技術(shù)措施實(shí)施效果

調(diào)查顯示，研究區(qū)內(nèi)畜禽養(yǎng)殖可利用糞便約12 132.82 t（以生豬計(jì)），參考《全國規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖業(yè)污染情況調(diào)查及防治對策》及其他學(xué)者研究[8]，生豬豬糞中N、P和COD平均含量分別為5.88、3.14和57.03 kg/t。經(jīng)核算，通過畜禽糞便循環(huán)技術(shù)，研究區(qū)可再利用N、P養(yǎng)分分別達(dá)71.34 t和38.09 t，循環(huán)利用后COD排放量可減少691.93 t。

2.4 控污技術(shù)措施實(shí)施效果

控污技術(shù)措施指通過構(gòu)建生態(tài)塘、生態(tài)溝、生態(tài)濕地等對地表徑流、種植業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖面源污染物進(jìn)行攔截與控制。由圖4可知，項(xiàng)目實(shí)施后生態(tài)塘水體中COD、NH4+-N、TN和TP平均去除率分別為16.70%、32.96%、37.71%和19.88%。

由圖5可知，生態(tài)溝各段污染物濃度呈波動狀態(tài)，但總體呈現(xiàn)降低趨勢。在第三次采樣中，生態(tài)溝末端水體中COD、NH4+-N、TN和TP濃度較前端分別降低44.83%、91.20%、28.29%和46.15%。

研究區(qū)3處人工濕地主要用于滯留消納水產(chǎn)養(yǎng)殖魚塘干塘?xí)r排放的尾水，由表2可知，濕地建成后的水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果顯示不同濕地出水水質(zhì)均達(dá)到地表水V類水標(biāo)準(zhǔn)，農(nóng)業(yè)面源污染物去除效果顯著。

2.5 農(nóng)業(yè)面源污染綜合削減量

根據(jù)表3可知，通過“減源-循環(huán)-控污”治理模式，研究治理區(qū)主要污染物TN、TP和COD總排放量分別減排約472.69、66.10和1 866.47 t/a，減排比例分別為88.21%、92.36%和78.84%。

3 結(jié)論與討論

目前針對小流域面源污染的治理以源頭預(yù)防為主，根據(jù)主要面源污染類型進(jìn)行側(cè)重治理，受區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)差異的影響，不同流域農(nóng)業(yè)面源污染類型也不盡相同[2]。

八形汊長河流域畜禽養(yǎng)殖規(guī)模較大，流域內(nèi)以畜禽養(yǎng)殖污染為最主要污染源，通過采取“糞污資源化利用為主，達(dá)標(biāo)排放為輔”的處理方式，合理規(guī)劃糞污利用途徑，減輕糞污處理設(shè)備負(fù)荷，降低運(yùn)維成本，項(xiàng)目實(shí)施后養(yǎng)殖排水已達(dá)到DB43/1665—2019湖南省農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的一級標(biāo)準(zhǔn)。

因研究區(qū)居民居住較分散，村域地表徑流污染采取四格凈化池與生態(tài)塘協(xié)同處理的方式，該技術(shù)具有建設(shè)成本低、無動力和易維護(hù)的特點(diǎn)[9]。從處理效果來看，四格凈化池出水達(dá)到了農(nóng)村生活污水處理設(shè)施排放二級標(biāo)準(zhǔn)，與田日昌等[10]的研究監(jiān)測結(jié)果相似，后續(xù)四格凈化池出水還可用于菜地、植物的灌溉。

研究通過對生態(tài)溝渠、生態(tài)塘、生態(tài)濕地等進(jìn)行合理的植物配置和生態(tài)改造，對徑流污染物進(jìn)行 攔截消納[11]。不少研究表明，生態(tài)處理系統(tǒng)對TN、TP、COD有較好的凈化效果。例如：王迪等[12]對生態(tài)溝渠凈化攔截效果進(jìn)行了持續(xù)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)生態(tài)溝渠對TN和NH4+-N的平均去除率分別為48.7%和58.3%；蔣倩文等[13]的研究結(jié)果表明，生態(tài)濕地對農(nóng)田排水TN、TP去除率均大于85%。該研究中生態(tài)處理系統(tǒng)對COD、NH4+-N、TN和TP的綜合去除率分別為58.22%、74.33%、60.11%和61.05%，略低于蔣倩文等[14]的研究，可能是由于采樣時間均為寒冷的冬季，水生植物部分枯萎或代謝降低，導(dǎo)致系統(tǒng)整體去污能力降低，但總體攔截凈化效果較好，流域出水水質(zhì)相對穩(wěn)定。在第三次生態(tài)溝監(jiān)測采樣任務(wù)中，溝渠中段污染物濃度驟升，推測是部分收尾工程擾動了底泥導(dǎo)致。

總體而言，“減源-循環(huán)-控污”治理模式在沅江八形汊長河流域應(yīng)用效果較好，有效降低了農(nóng)業(yè)面源污染對流域的影響，為后續(xù)洞庭湖區(qū)小流域面源污染治理提供借鑒。

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（責(zé)任編輯：王婷）

收稿日期：2023-12-06

基金項(xiàng)目：湖南省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新資金項(xiàng)目（2022CX80）

作者簡介：曾勇（1977—），男，湖南沅江市人，農(nóng)藝師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)資源與環(huán)境利用。

通信作者：李嘗君