李剛浩，范先鵬，夏 穎，劉宏斌，吳茂前，張富林，黃 敏，翟麗梅，周繼文，孔祥瓊，程子珍

三峽庫(kù)區(qū)典型流域水質(zhì)時(shí)空特征及污染防控策略

李剛浩1,2，范先鵬1，夏 穎1※，劉宏斌3，吳茂前1，張富林1，黃 敏2，翟麗梅3，周繼文4，孔祥瓊4，程子珍1

（1. 湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保土肥研究所/國(guó)家農(nóng)業(yè)環(huán)境潛江觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站/湖北省農(nóng)業(yè)面源污染防治工程技術(shù)研究中心，武漢 430064；2. 武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，武漢 430070；3. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；4. 興山縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，興山 443700）

為了解三峽庫(kù)區(qū)典型小流域不同土地利用類(lèi)型下水質(zhì)的變化特征，于2015—2020年對(duì)三峽庫(kù)區(qū)長(zhǎng)坪小流域開(kāi)展水質(zhì)監(jiān)測(cè)，對(duì)不同土地利用類(lèi)型下水體中的總氮（Total Nitrogen，TN）、硝態(tài)氮（NO3--N）、氨氮（NH4+-N）、總磷（Total Phosphorus，TP）、可溶態(tài)總磷（Dissolved Total Phosphorus，DTP）和顆粒態(tài)總磷（Particulate Phosphorus，PP）濃度的時(shí)空變化規(guī)律進(jìn)行研究，識(shí)別流域內(nèi)主要氮磷污染源，從而提出針對(duì)性的污染防控策略。結(jié)果表明：1）不同土地利用類(lèi)型氮磷輸出濃度從大到小依次為村莊、坡耕地、林地和水庫(kù)，其TN平均濃度分別為8.29、2.88、1.57和1.43 mg/L，TP平均濃度分別為0.25、0.13、0.09和0.07 mg/L。2）不同土地利用類(lèi)型的水質(zhì)在汛期和非汛期存在差異，村莊氮磷輸出濃度為非汛期高于汛期，坡耕地、林地和水庫(kù)則表現(xiàn)為汛期高于非汛期。3）內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果表明林地和水庫(kù)的污染程度均為清潔水平，坡耕地污染程度為輕污染水平，村莊受散養(yǎng)生豬數(shù)量的影響，污染程度從污染水平轉(zhuǎn)變?yōu)橹匚廴舅健?）長(zhǎng)坪小流域TN和TP年輸出負(fù)荷總量分別為4 278.59和364.93 kg/a。畜禽養(yǎng)殖源是小流域氮磷最主要的污染源，其TN和TP的輸出負(fù)荷分別占流域總負(fù)荷的45.69%和71.77%。坡耕地的TN和TP單位面積污染負(fù)荷分別是村莊的7.58%和1.79%，與村莊相比，坡耕地具有顯著的低污染特征，因此，以坡耕地消納村莊污水和畜禽糞便，可促進(jìn)流域內(nèi)糞污的就地消納，達(dá)到多源共治的效果?；谛×饔虿煌恋乩妙?lèi)型的水質(zhì)特征和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，將流域劃分為林草水源涵養(yǎng)區(qū)、村莊污染控制區(qū)和坡耕地水土保持區(qū)，并進(jìn)行分區(qū)協(xié)同防控，促進(jìn)流域農(nóng)業(yè)面源污染系統(tǒng)高效治理。

水質(zhì)；土地利用；空間分布；三峽庫(kù)區(qū)；典型流域；農(nóng)業(yè)面源污染；分區(qū)協(xié)同防控策略

0 引 言

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)和農(nóng)村生活產(chǎn)生的氮（N）和磷（P）是造成水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要因素[1]。近年來(lái)，隨著點(diǎn)源治理力度的增大，由農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)和農(nóng)村生活引起的農(nóng)業(yè)面源污染已成為目前水體氮磷污染的最主要來(lái)源[2]。因此，研究不同土地利用類(lèi)型對(duì)流域水質(zhì)變化的作用，對(duì)流域的污染防控和居民居住環(huán)境改善具有重要的意義。

土地利用類(lèi)型作為水質(zhì)變化的主要因素之一，隨著時(shí)空尺度的變化對(duì)河流水質(zhì)產(chǎn)生不同的影響[3]。閔惠琳等[4]的研究發(fā)現(xiàn)各形態(tài)氮的濃度均表現(xiàn)出村莊最高，其次為梯田和河流，林地濃度最低的分布特征；王曉燕等[5]對(duì)石匣小流域不同土地利用類(lèi)型中氮磷流失特征的研究發(fā)現(xiàn)，徑流中氮磷的濃度排序?yàn)榇迩f＞坡耕地＞林果地＞荒草地。林地和草地能夠攔蓄污染物，改善水質(zhì)，建設(shè)用地和坡耕地導(dǎo)致水質(zhì)惡化[6-7]。彭勃等[8]對(duì)清源河小流域的研究發(fā)現(xiàn)，耕地和建設(shè)用地面積越大，臨近水體污染越嚴(yán)重，林地和草地則對(duì)水體污染物輸出具有抑制作用。吳東等[9]在蘭陵溪小流域的研究發(fā)現(xiàn)，氮素輸出濃度與居民區(qū)和坡耕地正相關(guān)，與林地負(fù)相關(guān)，居民區(qū)和坡耕地是主要的氮素輸出源。季節(jié)性的變化對(duì)流域水質(zhì)有重要影響，華玲玲等[10]對(duì)古夫河小流域的研究表明，流域氮磷輸出濃度在豐水期最高，梁爽等[11]對(duì)鄂西長(zhǎng)江小流域的研究發(fā)現(xiàn)氮素濃度呈現(xiàn)春夏高，秋冬低的特征。然而，不同流域的土地利用類(lèi)型不同，受自然和人類(lèi)活動(dòng)的影響，土地利用和水質(zhì)之間的關(guān)系并不總是一致，流域水質(zhì)的空間和時(shí)間分布特征仍不確定。

三峽工程是世界上最大的水利樞紐工程之一，在長(zhǎng)江流域經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)與水文治理中發(fā)揮了重要作用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，但同時(shí)也對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了影響[12]。三峽工程的建成，使庫(kù)區(qū)的土地利用類(lèi)型發(fā)生變化，增加了對(duì)陡坡地的開(kāi)發(fā)利用，且?guī)靺^(qū)人口稠密，土地利用強(qiáng)度大，再加上不合理的畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)事操作，庫(kù)區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染問(wèn)題缺少有效處理[13]。三峽庫(kù)區(qū)水土流失嚴(yán)重，大量氮磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)隨地表徑流和泥沙流失而流失，導(dǎo)致三峽庫(kù)區(qū)水質(zhì)下降和水體的富營(yíng)養(yǎng)化[14-15]。因此有必要深入了解該地區(qū)不同土地利用類(lèi)型對(duì)水質(zhì)的影響，根據(jù)不同土地利用類(lèi)型的水質(zhì)特征，提出系統(tǒng)高效的污染防控策略。

小流域是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)，是污染產(chǎn)生的源頭，可以作為面源污染的最佳研究單元[16]。不同土地利用類(lèi)型水質(zhì)特征具有差異性，對(duì)不同土地利用類(lèi)型的農(nóng)業(yè)面源污染防控，需要制定針對(duì)性的防控策略。因此，本研究選取三峽庫(kù)區(qū)上游具有較好獨(dú)立性和封閉性的長(zhǎng)坪小流域作為研究對(duì)象，于2015—2020年在長(zhǎng)坪小流域進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)，結(jié)合GIS技術(shù)，探討流域內(nèi)不同土地利用類(lèi)型對(duì)水質(zhì)變化的影響，并識(shí)別流域內(nèi)氮磷的主要污染源，基于不同土地利用類(lèi)型水質(zhì)的保護(hù)與治理需求，提出流域農(nóng)業(yè)面源污染的分區(qū)協(xié)同防控策略，以期為三峽庫(kù)區(qū)氮磷污染的系統(tǒng)高效防控、水環(huán)境改善、土地利用方式優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域長(zhǎng)坪小流域（110°44'21″～110°46'17″E，31°18'30″～31°20'1″N）位于湖北省宜昌市興山縣，總面積330 hm2，是典型的農(nóng)林復(fù)合小流域。流域氣候?yàn)閬啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫14.9～18.5 ℃，年均降雨量1 000～1 300 mm，降雨季節(jié)分布不均，降雨主要集中在4－9月，具有夏季暴雨多、強(qiáng)度大、歷時(shí)短的特點(diǎn)，根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際降雨情況將4－9月確定為豐水期，10月至次年3月確定為枯水期。小流域地形為兩邊高、中間低，屬于典型丘陵山區(qū)，集水區(qū)徑流匯聚于唯一出口后流入古夫河，再匯入香溪河。主要土壤類(lèi)型為黃棕壤，土層淺薄，抗蝕性差。主要土地利用類(lèi)型為林地、坡耕地和村莊，其中，林地面積最大，占流域總面積的64.11%，坡耕地占流域總面積的28.73%，村莊占流域總面積的5.17%，具有村莊內(nèi)人畜混居普遍、地塊高度分散等特征。主要種植作物為玉米、油菜、馬鈴薯等，主要種植模式為玉米-油菜輪作。該小流域在地形地貌、氣候、土地利用、土壤類(lèi)型和種植模式方面具有典型的三峽庫(kù)區(qū)特征。

1.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

長(zhǎng)坪小流域村莊、坡耕地、林地和水庫(kù)的土地面積之和占長(zhǎng)坪小流域總面積的99%以上，因此在小流域自上而下選取11處水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別代表村莊、坡耕地、林地和水庫(kù)對(duì)小流域氮磷污染分布的影響（圖1）。其中，村莊、坡耕地、林地選取各自匯水范圍內(nèi)的支流作為采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)位于支流與干流交匯的上方，水庫(kù)采樣點(diǎn)位于水庫(kù)出水口。

圖1 流域土地利用類(lèi)型及采樣點(diǎn)分布

1.3 水樣采集與分析

水樣采集時(shí)間為2015年1月－2020年12月，采集頻率為每5ｄ采集一次，采樣位置位于河道中央，在所選斷面采集0.5 m以上表層水混合水樣（至少5點(diǎn)混合），以保證水質(zhì)樣品的代表性。使用500 mL聚乙烯瓶采集水樣，水樣采集后放置于冰箱冷凍保存，并及時(shí)送回實(shí)驗(yàn)室分析測(cè)試。測(cè)定指標(biāo)為總氮（TN）、硝態(tài)氮（NO3--N）、氨氮（NH4+-N）、總磷（TP）和可溶態(tài)總磷（DTP）。TN采用堿性過(guò)硫酸鉀氧化—紫外分光光度法測(cè)定（HJ636－2012），NO3--N采用紫外分光光度法測(cè)定（HJ/T346－2007），NH4+-N采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定，TP采用過(guò)硫酸鉀氧化—鉬藍(lán)比色法（GB11893－1989）測(cè)定，水樣經(jīng)0.45m微孔濾膜過(guò)濾后，測(cè)定DTP，測(cè)定方法與TP相同；顆粒態(tài)總磷（PP）濃度為T(mén)P濃度與DTP濃度之差。

1.4 研究方法

1.4.1 單因子污染指數(shù)法

單因子污染指數(shù)法[17]是用來(lái)評(píng)價(jià)單項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)是否達(dá)到水體功能標(biāo)準(zhǔn)及其超標(biāo)程度。計(jì)算公式為

式中P為單因子污染指數(shù)；D為該斷面第項(xiàng)污染指標(biāo)的年平均值；D0為第項(xiàng)污染指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值。

1.4.2 內(nèi)梅羅污染指數(shù)法

內(nèi)梅羅污染指數(shù)法最早是由Nemerow[18]提出的，將某單項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的實(shí)測(cè)濃度與地表水環(huán)境質(zhì)量中的標(biāo)準(zhǔn)限值進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出綜合指數(shù)，并根據(jù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)水體污染程度。內(nèi)梅羅污染指數(shù)兼顧了單因子污染指數(shù)的平均值和最大值，且突出最大污染指標(biāo)對(duì)水體污染的影響，更能反映水體的實(shí)際污染程度[19]。具體公式如下：

式中為內(nèi)梅羅指數(shù)，max是P的最大值，P是P的平均值。

1.4.3 輸出系數(shù)模型法

輸出系數(shù)模型是通過(guò)對(duì)研究區(qū)域內(nèi)不同污染源類(lèi)型的污染負(fù)荷進(jìn)行求和，最后得到該區(qū)域的污染總負(fù)荷，其模型方程[20]如下：

式中表示污染物的總輸出負(fù)荷，kg/a；E表示第種污染源的輸出系數(shù)，kg/(hm2·a)或kg/(人·a)或kg/(頭·a)；A表示第種畜禽的數(shù)量（頭）、農(nóng)村人口數(shù)（人）或第種土地利用類(lèi)型的面積，hm2。

農(nóng)業(yè)面源污染來(lái)源主要包括農(nóng)村生活源、畜禽養(yǎng)殖源和種植業(yè)源，農(nóng)業(yè)面源污染輸出系數(shù)受農(nóng)村生活方式、養(yǎng)殖模式、種植模式和土地利用類(lèi)型的影響而有所不同[21]。因此，本研究在綜合考慮小流域農(nóng)村生產(chǎn)生活方式的基礎(chǔ)上，借鑒三峽庫(kù)區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染相關(guān)研究[22-25]，確定各污染源的輸出系數(shù)。具體輸出系數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 各污染源輸出系數(shù)

1.4.4 污染防控分區(qū)劃分

參照《全國(guó)生態(tài)功能區(qū)劃（修編版）》劃分方法，從流域面源污染治理角度，根據(jù)流域內(nèi)不同土地利用類(lèi)型水質(zhì)污染程度和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能差異，將流域內(nèi)的土地利用類(lèi)型劃分為不同的防控分區(qū)。

1.4.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2020進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用Origin 2018繪圖，采用ArcGIS 10.2繪制流域土地利用類(lèi)型及采樣點(diǎn)分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)的空間變化特征

2015－2020年長(zhǎng)坪小流域不同土地利用類(lèi)型的水質(zhì)特征統(tǒng)計(jì)分析見(jiàn)表2。TN平均濃度從高到低依次為村莊、坡耕地、林地、水庫(kù)，村莊TN濃度最高，平均濃度為8.29 mg/L，坡耕地TN平均濃度次之，為2.88 mg/L，林地和水庫(kù)TN平均濃度較低，分別為1.57和1.43 mg/L。NO3--N輸出濃度從高到低依次為村莊、坡耕地、林地、水庫(kù)，NO3--N是氮素流失的主要形態(tài)，占TN的55.24%～81.60%。NH4+-N平均濃度變化規(guī)律與TN和NO3--N不同，從高到低依次為村莊、水庫(kù)、林地、坡耕地，不同土地利用類(lèi)型的NH4+-N濃度均較低，村莊、水庫(kù)、林地、坡耕地NH4+-N平均濃度分別為0.51、0.22、0.15、0.11 mg/L。TP平均濃度從高到低依次為村莊、坡耕地、林地、水庫(kù)，平均濃度分別為0.25、0.13、0.09和0.07 mg/L。綜上，長(zhǎng)坪小流域各土地利用類(lèi)型中，村莊的氮磷輸出濃度最高，坡耕地次之，林地和水庫(kù)的氮磷輸出濃度均較低。同時(shí)在長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)，氮磷濃度變化較大，原因可能是受土地利用類(lèi)型、降雨、施肥和時(shí)空變化等因素的影響。

表2 不同土地利用類(lèi)型的各形態(tài)氮磷濃度統(tǒng)計(jì)分析

注：不同字母代表差異顯著（<0.05）。

Note: Different letters represents significant difference at<0.05.

2.2 水質(zhì)的時(shí)間變化特征

長(zhǎng)坪小流域不同土地利用類(lèi)型氮磷濃度表現(xiàn)出較強(qiáng)的時(shí)間異質(zhì)性（圖2）。對(duì)于不同形態(tài)的氮濃度而言，村莊TN、NO3--N和NH4+-N濃度峰值多出現(xiàn)于非汛期的11月至次年1月，村莊非汛期的TN、NO3--N和NH4+-N濃度分別為10.14、8.23和0.75 mg/L，高于汛期的6.44、5.23和 0.26 mg/L。與村莊不同，坡耕地TN、NO3--N和NH4+-N濃度峰值則出現(xiàn)在每年汛期的5－8月。林地和水庫(kù)不同形態(tài)氮濃度沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性差異。對(duì)于不同形態(tài)的磷濃度而言，TP與TN的季節(jié)變化規(guī)律相似，村莊非汛期TP濃度為0.31 mg/L，高于汛期的0.19 mg/L，坡耕地汛期TP濃度為0.15 mg/L，高于非汛期的0.11 mg/L。林地和水庫(kù)TP濃度較低且變化范圍較小。DTP和PP的變化規(guī)律與TP基本一致，村莊DTP和PP濃度峰值多出現(xiàn)在11月至次年2月，與之不同，坡耕地、林地和水庫(kù)DTP和PP濃度峰值則多出現(xiàn)在汛期的6－7月。從年際尺度看，村莊氮磷濃度呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，坡耕地、林地和水庫(kù)沒(méi)有明顯變化。

注：DTP為可溶態(tài)總磷；PP為顆粒態(tài)總磷。下同。

對(duì)不同形態(tài)氮磷濃度和降雨量進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析（表3）發(fā)現(xiàn)，村莊的NH4+-N、TP、PP濃度和月降雨量呈極顯著負(fù)相關(guān)（<0.01），DTP濃度和月降雨量呈顯著負(fù)相關(guān)（<0.05）。與村莊不同，坡耕地的TN、NO3--N、TP、DTP濃度和月降雨量呈極顯著正相關(guān)（<0.01），林地的TP、PP濃度和月降雨量呈極顯著正相關(guān)（<0.01），水庫(kù)的TN、NO3--N、TP、顆粒態(tài)總磷（PP）濃度和月降雨量呈極顯著正相關(guān)（<0.01）。從整體上看，隨著降雨量的增加，村莊氮磷濃度逐漸降低，坡耕地、林地和水庫(kù)的氮磷濃度逐漸增加，且坡耕地氮磷濃度與降雨量的正相關(guān)性高于林地和水庫(kù)。

表3 不同形態(tài)氮磷濃度與降雨量的相關(guān)性分析

注：*和**分別表示在<0.05水平相關(guān)和<0.01水平相關(guān)。

Note:*and**indicate correlation at the<0.05 level and the<0.01 level, respectively.

2.3 不同土地利用類(lèi)型水質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)

基于長(zhǎng)坪小流域2015－2020年的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅污染指數(shù)法相結(jié)合的方法，執(zhí)行GB 3838－2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅴ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)綜合評(píng)價(jià)不同土地利用類(lèi)型水體水質(zhì)，水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同土地利用類(lèi)型年際水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果

注：為內(nèi)梅羅指數(shù)。

Note:is Nemerow index.

從TN污染指數(shù)看，2015－2020年間，村莊、坡耕地、林地和水庫(kù)的TN污染指數(shù)變化范圍分別是2.88～6.41、1.42～1.87、0.67～0.94、0.50～0.82，村莊和坡耕地TN污染指數(shù)均大于1，林地和水庫(kù)的TN污染指數(shù)小于1，村莊和坡耕地的TN超標(biāo)。NH4+-N污染指數(shù)均小于1，TP污染指數(shù)總體小于1，長(zhǎng)坪小流域水質(zhì)超標(biāo)項(xiàng)目主要為T(mén)N。單因子評(píng)價(jià)結(jié)果表明2015－2020年村莊和坡耕地水質(zhì)均為劣Ⅴ類(lèi)水。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，林地和水庫(kù)的污染程度均為清潔水平，坡耕地污染程度為輕污染水平，村莊的污染程度從污染水平轉(zhuǎn)變?yōu)橹匚廴舅?。水質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果表明，水質(zhì)污染程度從重到輕為村莊、坡耕地、林地、水庫(kù)。

從表4可知，村莊內(nèi)梅羅污染指數(shù)呈增加趨勢(shì)，內(nèi)梅羅污染指數(shù)從2015年的2.20增加到2020年的4.88，且村莊的內(nèi)梅羅污染指數(shù)顯著高于其他土地利用類(lèi)型，村莊水質(zhì)的惡化使小流域整體水質(zhì)的污染程度不斷增加。坡耕地內(nèi)梅羅污染指數(shù)呈緩慢增加趨勢(shì)，這可能與化肥的使用量增加有關(guān)。林地和水庫(kù)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)變化穩(wěn)定，水質(zhì)未受到明顯污染。

2.4 不同污染源的氮磷輸出負(fù)荷分析

從表5可以看出，長(zhǎng)坪小流域TN和TP輸出負(fù)荷總量分別為4 278.59和364.93 kg/a。畜禽養(yǎng)殖源是長(zhǎng)坪小流域最主要的污染源，其TN輸出負(fù)荷為1 954.84 kg/a，TP輸出負(fù)荷為261.92 kg/a，分別占流域TN和TP輸出負(fù)荷總量的45.69%和71.77%，其中生豬養(yǎng)殖氮磷輸出負(fù)荷最高，占畜禽養(yǎng)殖源氮磷輸出負(fù)荷的95%以上。因此，有效控制畜禽養(yǎng)殖源，是提高小流域水質(zhì)的關(guān)鍵所在。農(nóng)村生活源的TN和TP的輸出負(fù)荷分別占流域TN和TP輸出負(fù)荷總量的15.30%和9.18%。長(zhǎng)坪小流域主要土地利用類(lèi)型為林地和坡耕地，分別占流域面積的64.11%和28.73%，因此林地和坡耕地的氮磷輸出負(fù)荷也較高，坡耕地和林地的TN輸出負(fù)荷總量分別為1 098.52和570.51 kg/a，分別占流域TN輸出負(fù)荷總量的25.67%和13.34%，坡耕地和林地的TP輸出負(fù)荷總量分別為29.35和40.15 kg/a，分別占流域TP輸出負(fù)荷總量的8.04%和11.01%。畜禽養(yǎng)殖源和種植業(yè)源是小流域的主要污染源，是影響小流域水質(zhì)的關(guān)鍵所在。

表5 不同污染源氮磷污染負(fù)荷及貢獻(xiàn)率

2.5 分區(qū)協(xié)同防控

以三峽庫(kù)區(qū)典型流域長(zhǎng)坪小流域?yàn)槔?，首先按照不同土地利用?lèi)型水質(zhì)污染程度分為清潔、輕污染和重污染；再參照《全國(guó)生態(tài)功能區(qū)劃（修編版）》中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能類(lèi)型，將流域內(nèi)不同土地利用類(lèi)型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分為水源涵養(yǎng)、人居保障和水土保持；綜合土地利用類(lèi)型、污染程度和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，最終將流域防控分區(qū)分為林草水源涵養(yǎng)區(qū)、村莊污染控制區(qū)和坡耕地水土保持區(qū)（表6）。

表6 防控分區(qū)劃分

結(jié)合流域內(nèi)污染特征和不同分區(qū)的防控目標(biāo)，制定分區(qū)協(xié)同防控策略，該策略包括3個(gè)方面內(nèi)容：

1）建立防控分區(qū)。將流域分為林草水源涵養(yǎng)區(qū)、村莊污染控制區(qū)和坡耕地水土保持區(qū)。林草水源涵養(yǎng)區(qū)：林地是長(zhǎng)坪小流域最主要的土地利用類(lèi)型，林地面積占流域總面積的64.11%，林地出水水質(zhì)較好（TN 1.57 mg/L，表2）且常年穩(wěn)定，污染程度為清潔水平（表4），該分區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能為水源涵養(yǎng)，對(duì)該區(qū)域產(chǎn)生的清水應(yīng)采取保護(hù)策略，避免清水過(guò)村后遭受污染。村莊污染控制區(qū)：該分區(qū)面積17.04 hm2，占流域總面積的5.17%，TN和TP的污染負(fù)荷卻分別占流域總污染負(fù)荷的60.99%和80.95%，水質(zhì)較差（污染程度為重污染，表4），同時(shí)該分區(qū)存在著人畜混居普遍、畜禽糞便露天堆置遇雨流失問(wèn)題突出的現(xiàn)象，該分區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能為人居保障，應(yīng)加強(qiáng)污水和糞污的收集、處理和利用，從源頭上控制氮磷污染的輸出。坡耕地水土保持區(qū)：該分區(qū)占流域總面積的28.73%，TN和TP的污染負(fù)荷分別占流域總污染負(fù)荷的25.67%和8.04%（表5），坡耕地周邊水體TN和TP濃度分別為2.88和0.13 mg/L（表2），污染程度屬于輕污染，該分區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能為水土保持，應(yīng)以控制水土流失和氮磷流失為主要防控策略，強(qiáng)化徑流的集蓄和梯級(jí)再利用。

2）分區(qū)協(xié)同防控。通過(guò)促進(jìn)各分區(qū)間的水和污染物的流動(dòng)，建立流域農(nóng)業(yè)面源污染物分區(qū)協(xié)同防控機(jī)制。林地作為水源涵養(yǎng)區(qū)，一方面可為村莊提供生活用水，另一方面林地所產(chǎn)清水流經(jīng)村莊與污水混合后會(huì)帶來(lái)污水量大、處理難等問(wèn)題，應(yīng)在清水入村前進(jìn)行分流調(diào)控，一部分供應(yīng)村莊用水，其余通過(guò)清水通道直接入湖/河；坡耕地單位面積TN和TP污染負(fù)荷僅為村莊的7.58%和1.79%，可以通過(guò)坡耕地就近就地消納村莊糞便污水，協(xié)同實(shí)現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖糞便污染治理與資源化利用，既可以節(jié)約水肥，還可以降低糞污處理成本。

3）重點(diǎn)防控關(guān)鍵源和關(guān)鍵期。由于不同土地利用類(lèi)型氮磷濃度在時(shí)間上存在異質(zhì)性（圖2），在汛期，應(yīng)重點(diǎn)管控坡耕地水土與氮磷流失，不僅要防止氮磷肥的過(guò)量施用，還要通過(guò)集水池或生態(tài)塘等對(duì)汛期的徑流進(jìn)行攔蓄再利用。在非汛期，應(yīng)重點(diǎn)管控村莊中畜禽養(yǎng)殖糞污污染（畜禽養(yǎng)殖源TN和TP污染負(fù)荷比例分別占流域的45.69%和71.77%），糞污貯存和處理設(shè)施的設(shè)計(jì)容積應(yīng)充分考慮糞污產(chǎn)生與利用的錯(cuò)期問(wèn)題。

3 討 論

3.1 時(shí)間變化對(duì)水質(zhì)的影響

研究發(fā)現(xiàn)，2015—2020年研究區(qū)村莊水質(zhì)呈不斷惡化趨勢(shì)，TN和TP平均濃度從2015年的6.01和0.22 mg/L增加到2020年的12.69和0.35 mg/L，內(nèi)梅羅污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果表明2020年村莊污染程度為重污染，分析其原因主要是由于受近年來(lái)市場(chǎng)行情影響，長(zhǎng)坪小流域生豬養(yǎng)殖量增加50%左右。在本研究中，不同土地利用類(lèi)型氮磷濃度隨季節(jié)變化差異明顯，村莊非汛期氮磷濃度高于汛期，該時(shí)期TN和TP濃度分別比汛期高57.45%和63.16%，坡耕地非汛期氮磷濃度均低于汛期，不同土地利用類(lèi)型氮磷濃度的季節(jié)性差異主要是受降雨因素的影響，降雨具有污染和稀釋的雙重作用[26]，表3的分析結(jié)果證實(shí)，降雨量和村莊氮磷濃度負(fù)相關(guān)，和坡耕地、林地和水庫(kù)的氮磷濃度正相關(guān)。Xu等[27]的研究也表明，村莊排放污水氮磷濃度在汛期因雨水稀釋濃度降低，農(nóng)田汛期氮磷濃度高于非汛期。

3.2 土地利用對(duì)水質(zhì)的影響

土地利用類(lèi)型是影響流域徑流產(chǎn)生、土壤侵蝕和氮磷輸出負(fù)荷的重要因素[28]，研究發(fā)現(xiàn)，流域內(nèi)氮磷輸出濃度從高到低依次為村莊、坡耕地、林地、水庫(kù)，這與已有的研究結(jié)果相似[4]。本研究結(jié)果表明村莊和坡耕地對(duì)流域水質(zhì)起負(fù)向作用，林地和水庫(kù)對(duì)流域水質(zhì)起正向作用，這與范雅雙等[29]的研究結(jié)果相同。村莊靠近河道，且村莊的不透水表面的面積較高，道路、屋頂?shù)仁刮廴疚锔菀讌R聚，生活污水和畜禽養(yǎng)殖糞便等直接排放致使大量氮磷污染物進(jìn)入河道，對(duì)河道造成負(fù)擔(dān)[30]。坡耕地受水土流失以及農(nóng)業(yè)活動(dòng)等因素的影響，向河道輸入大量氮磷營(yíng)養(yǎng)物，同時(shí)也作為植被或濕地系統(tǒng)吸附，消納污染物，對(duì)進(jìn)入河道的污染物有截留作用[31]。林地植被覆蓋度高，根系發(fā)達(dá)，可以有效攔截污染物，減少氮磷的輸出。水庫(kù)具有較強(qiáng)的自我凈化能力，受人類(lèi)活動(dòng)的影響較小，氮磷濃度保持低水平，水庫(kù)出水能降低流域河道氮磷濃度。

3.3 流域氮磷輸出負(fù)荷的影響因素

在本研究區(qū)中，畜禽養(yǎng)殖源是長(zhǎng)坪小流域最主要的氮磷污染源，其TN和TP的輸出負(fù)荷分別占流域TN和TP輸出負(fù)荷的45.69%和71.77%。張維理等[32]的研究發(fā)現(xiàn)即使少量的畜禽養(yǎng)殖廢水進(jìn)入水體，也容易使水體富營(yíng)養(yǎng)化。李榮剛等[33]對(duì)太湖地區(qū)水體污染物排放量的研究表明，畜禽養(yǎng)殖排放的TP占水體總量的86.4%。連慧姝等[34]的研究也表明，畜禽養(yǎng)殖源產(chǎn)生的TP占全流域TP產(chǎn)生量的77.24%。在本研究中，農(nóng)村生活源TN和TP的輸出量雖然僅占全流域的15.30%和9.18%，但由于村莊距河道位置較近，污水在河道匯合處會(huì)引起氮磷濃度的升高，使得河道的局部污染嚴(yán)重。種植業(yè)源也是小流域重要的污染源，TN輸出負(fù)荷占流域TN輸出負(fù)荷總量的25.67%，長(zhǎng)坪小流域坡耕地基本采用順坡種植，在6－7月氮磷流失風(fēng)險(xiǎn)期，作物處于苗期，地表裸露大，水土流失風(fēng)險(xiǎn)大。因此，減少村莊和坡耕地的氮磷污染負(fù)荷輸出，是長(zhǎng)坪小流域農(nóng)業(yè)面源污染防控的關(guān)鍵。

3.4 流域農(nóng)業(yè)面源污染分區(qū)協(xié)同防控策略

《關(guān)于加快推進(jìn)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶農(nóng)業(yè)面源污染治理的指導(dǎo)意見(jiàn)》中指出要統(tǒng)籌推進(jìn)種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)和農(nóng)村生活污染防治，系統(tǒng)設(shè)計(jì)治理方案。因此，需要改變按單個(gè)污染源治理的傳統(tǒng)模式，本文從流域面源污染治理角度，基于流域內(nèi)土地利用類(lèi)型、污染特征及功能進(jìn)行防控分區(qū)，將流域分為林草水源涵養(yǎng)區(qū)、村莊污染控制區(qū)和坡耕地水土保持區(qū)，依據(jù)不同分區(qū)的保護(hù)與治理需求，實(shí)施差別化的管理與協(xié)同防控策略。以流域?yàn)閱卧?，統(tǒng)籌考慮種植業(yè)、畜禽養(yǎng)殖業(yè)和農(nóng)村生活污染排放特征，明確污染治理重點(diǎn)和關(guān)鍵期，注重各分區(qū)間水和污染物的緊密銜接，以最低成本實(shí)現(xiàn)最佳治理效果。

氮磷對(duì)于水體是污染物，但是對(duì)于作物是生長(zhǎng)發(fā)育必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。對(duì)于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，最好的農(nóng)業(yè)面源污染治理方式是將各個(gè)污染源中的氮磷通過(guò)土地消納，變廢為寶，實(shí)現(xiàn)雙贏。分散養(yǎng)殖的畜禽糞污經(jīng)過(guò)無(wú)害化處理后就近就地施用于庭院周邊的坡耕地、果園、菜地中比較經(jīng)濟(jì)可行，既促進(jìn)糞肥利用，又可減少污染排放，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、生活清潔化。在三峽庫(kù)區(qū)小流域，由于溝道短，水流急，導(dǎo)致流域自?xún)裟芰Σ?，除了考慮土地利用類(lèi)型外，還應(yīng)根據(jù)流域?qū)嶋H情況，在坡耕地與消落帶或水體交匯處建立臨水生態(tài)凈化區(qū)，通過(guò)生態(tài)溝、塘、植被過(guò)濾帶或消落帶等凈化后再排入水體，對(duì)坡耕地徑流中的泥沙、氮磷和農(nóng)藥等污染物進(jìn)行有效截留[35-36]，提升流域自?xún)裟芰Α?/p>

4 結(jié) 論

1）不同土地利用類(lèi)型氮磷輸出濃度具有較強(qiáng)空間異質(zhì)性，氮磷輸出濃度從高到低依次為村莊、坡耕地、林地、水庫(kù)；流域氮磷輸出濃度的季節(jié)變化存在顯著差異，村莊氮磷輸出濃度為非汛期高于汛期，坡耕地、林地和水庫(kù)則表現(xiàn)為汛期高于非汛期；畜禽養(yǎng)殖源是該流域最主要的氮磷污染源，TN和TP的輸出負(fù)荷占比分別為流域總負(fù)荷的45.69%和71.77%，對(duì)畜禽養(yǎng)殖污染進(jìn)行合理控制，可有效提高小流域水質(zhì)；坡耕地與村莊相比具有顯著的低污染特征，小流域坡耕地的TN和TP單位面積污染負(fù)荷分別是村莊的7.58%和1.79%，因此，可以以坡耕地消納村莊污水和畜禽糞便。

2）根據(jù)流域內(nèi)不同土地利用類(lèi)型的水質(zhì)時(shí)空變化特征，可將流域分為林草水源涵養(yǎng)區(qū)、村莊污染控制區(qū)和坡耕地水土保持區(qū)，建立分區(qū)協(xié)同防控策略，促進(jìn)各分區(qū)間的水和污染物的流動(dòng)，對(duì)關(guān)鍵污染源和關(guān)鍵時(shí)期進(jìn)行重點(diǎn)防控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)流域農(nóng)業(yè)面源污染的低成本和高效治理。

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Spatio-temporal characteristics of water quality and pollution prevention strategies in typical watersheds in the Three Gorges reservoir areas

Li Ganghao1,2, Fan Xianpeng1, Xia Ying1※, Liu Hongbin3, Wu Maoqian1, Zhang Fulin1, Huang Min2, Zhai Limei3, Zhou Jiwen4, Kong Xiangqiong4, Cheng Zizhen1

(1.,/,430064,;2.,,430070,; 3.,,100081,; 4.,443700,)

Water quality has been greatly confined to the nitrogen loss and phosphorus pollutants caused by agricultural production in the Three Gorges Reservoir Area. This study aims to clarify the characteristics of water quality under different land use types in typical small watersheds. The water quality monitoring was conducted in the Changping small watershed in the Three Gorges Reservoir Area from 2015 to 2020. A systematic investigation was made on the change patterns of Total Nitrogen (TN), nitrate nitrogen (NO3--N), ammonia nitrogen (NH4+-N), Total Phosphorus (TP), Dissolved Total Phosphorus (DTP), and Total Particulate Phosphorus (PP) concentrations in the water bodies under land use types, together with their influencing factors. The results showed that: 1) The overall nitrogen and phosphorus output concentrations of land use types were ranked in the order of the village > sloping farmland > forest land > reservoir. The average TN concentrations were 8.29, 2.88, 1.57, and 1.43 mg/L in the villages, sloping farmland, forest land, and reservoirs, respectively. The average TP concentrations were 0.25, 0.13, 0.09, and 0.07 mg/L, respectively. 2) There was a different water quality of land use types during the flood and non-flood periods. The concentration of nitrogen and phosphorus output in the villages was higher in the non-flood period than that in the flood period. The sloping farmland, forest land, and reservoirs showed a higher concentration in the flood period than those in the non-flood period. 3) The Nemerow comprehensive pollution index demonstrated that the pollution level of both forest land and reservoir was at the clean level, and the sloping farmland was at the light pollution level. But, the pollution level of the village deteriorated from the pollution level to a heavy pollution level, due to the increase in pig farming. 4) The annual output loads of TN and TP in the Changping sub-basin were 4 278.59 and 364.93 kg/a , respectively. Livestock and poultry breeding was the most important source of nitrogen and phosphorus pollution in the sub-basin, with the output loads of TN and TP accounting for 45.69% and 71.77%, respectively. The TN and TP pollution load per unit area of sloping land in the sub-basin were 7.58% and 1.79% of those of village, respectively. The sloping farmland presented significantly low pollution characteristics, compared with the village. Therefore, the sloping farmland can be used to absorb the village sewage and livestock manure, in order to promote the local absorption of manure in the basin for the better effect of multi-source co-management. The land use structure of the whole watershed can also be adjusted in an effective way to control agricultural surface pollution. Therefore, the small watershed was divided into the forest and grass water connotation zone, village pollution control zone, as well as sloping farmland soil and water conservation zone, according to the water quality and ecosystem service function of land use types. Zoning collaborative prevention and control strategy should be an effective way of promoting the water resource, nitrogen and phosphorus transfer from one pollution control zone to another pollution control zone in order to preventing the pollutants export to the out of the small watershed. The finding can provide the theoretical basis and technical support for the control of nitrogen and phosphorus pollution in the protection of water sources in the Three Gorges Reservoir Area.

water quality; land use; spatial distribution; Three Gorges Reservoir Area; typical watershed; agricultural non-point source pollution; zoning collaborative prevention and control strategy

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.17.013

X832

A

1002-6819(2022)-17-0118-09

李剛浩，范先鵬，夏穎，等. 三峽庫(kù)區(qū)典型流域水質(zhì)時(shí)空特征及污染防控策略[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2022，38(17)：118-126.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.17.013 http://www.tcsae.org

Li Ganghao, Fan Xianpeng, Xia Ying, et al. Spatio-temporal characteristics of water quality and pollution prevention strategies in typical watersheds in the Three Gorges reservoir areas[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(17): 118-126. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.17.013 http://www.tcsae.org

2022-04-27

2022-08-16

國(guó)家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金項(xiàng)目（U21A2025）

李剛浩，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)面源污染防治。Email：lghdc20@163.com

夏穎，博士，副研究員，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)面源污染防治研究。Email：xiayinghappy105@163.com