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(huán)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(diào)東線的必經(jīng)之路，也是東線調(diào)水的調(diào)蓄湖泊，是魯南、蘇北地區(qū)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(huán)境狀況日趨惡化。其中，農(nóng)業(yè)面源污染是導致水體污染和富營養(yǎng)化的主要因素，研究南四湖流域農(nóng)業(yè)面源污染意義重大。

1 南四湖水質(zhì)現(xiàn)狀

近20年來，隨著污染物入湖量的不斷增加，南四湖水環(huán)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(qū)，主要污染源可分為工業(yè)廢水、生活污水、農(nóng)田回流水和畜禽及水產(chǎn)養(yǎng)殖非工業(yè)點源廢水［3］。大量未經(jīng)處理富含氮、磷有機物的生活污水和工業(yè)廢水排入南四湖，大大超出了湖水的自凈能力，導致湖區(qū)大部分河流和水域嚴重污染，主要表現(xiàn)為氮、磷的富營養(yǎng)化問題，破壞了水域生態(tài)系統(tǒng)平衡。

2 南四湖農(nóng)業(yè)面源污染現(xiàn)狀

2．1 種植業(yè)污染

林治安［4］等人對南四湖流域種植業(yè)結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果顯示:1978年以前，調(diào)查區(qū)糧食作物播種面積18萬hm2左右，占農(nóng)作物總播種面積的95%以上，而經(jīng)濟作物所占比例較小;1978年以來，對種植業(yè)結(jié)構(gòu)進行了調(diào)整，加大了經(jīng)濟作物的種植比例。經(jīng)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(jīng)濟作物的發(fā)展。2004年，糧食與經(jīng)濟作物播種比例達到54．9:45．1。

種植業(yè)污染主要指與種植業(yè)關(guān)系密切的農(nóng)藥污染、化肥污染、農(nóng)膜污染以及農(nóng)作物秸稈污染。

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

(2)化肥污染。化肥的不合理使用是造成水體污染的主要來源。調(diào)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(qū)農(nóng)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(nóng)業(yè)科技的發(fā)展和科學種田水平的提高，化肥施用總量基本保持相對穩(wěn)定，單位播種面積施用量，呈現(xiàn)逐年減少的趨勢。

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

2．2 養(yǎng)殖業(yè)污染

(1)水產(chǎn)養(yǎng)殖污染。水產(chǎn)養(yǎng)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(jù)中國科學院土壤研究所在江蘇宜興所做的調(diào)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(nóng)藥)30 －390kg，石灰150－3 900kg，平均每 hm2魚塘投放魚苗2．3－6t成魚產(chǎn)量約為3．8－12t。養(yǎng)殖池塘經(jīng)過一段時間的養(yǎng)殖活動后，水質(zhì)逐漸惡化，主要表現(xiàn)在水體中總氮、總磷、BOD、COD等指標明顯增高，使水體呈現(xiàn)富營養(yǎng)化狀態(tài)，易于暴發(fā)魚病甚至造成大量魚死亡［9］。

(2)禽畜養(yǎng)殖污染。近些年來，畜禽養(yǎng)殖模式已經(jīng)逐漸從散戶養(yǎng)殖轉(zhuǎn)向規(guī)?；⒓s化養(yǎng)殖．隨著禽畜養(yǎng)殖規(guī)模的不斷擴大，大量的畜禽糞便污水成為污染源，造成生態(tài)環(huán)境惡化、畜禽產(chǎn)品品質(zhì)下降并危及人體健康。據(jù)國家環(huán)保總局《2000年全國規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖業(yè)污染情況調(diào)查工作報告》顯示［10］，我國畜禽糞便產(chǎn)生量很大，1999年產(chǎn)生總量約為19億t，是工業(yè)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(yè)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(jù)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(zhì)超過環(huán)境容量時，就會產(chǎn)生環(huán)境污染。

2．3 生活污染

農(nóng)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(zhèn)的生活污水是南四湖流域內(nèi)主要的水體污染源，對水體污染的貢獻率已超過50%。據(jù)調(diào)查，目前城鎮(zhèn)污水處理主要采用傳統(tǒng)集中式處理方式或小區(qū)域分散式處理方式，處理的投資大、適應(yīng)性與靈活性較差，處理效果不穩(wěn)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(zhì)造成污染。南四湖地區(qū)流域許多地區(qū)是通過小型的沉淀池將生活污水、小企業(yè)的生產(chǎn)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(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)面源污染已成為導致水體污染主要原因。面源污染在發(fā)達國家特別是美國研究歷史較長，國外發(fā)達國家在控制農(nóng)業(yè)面源污染方面采取的政策和技術(shù)，在一定程度上為南四湖流域乃至全國提供了可借鑒經(jīng)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(nóng)業(yè)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(jiān)督和執(zhí)法，作為農(nóng)業(yè)污染控制和廢棄物管理的主要方式。三是經(jīng)濟型政策措施，經(jīng)濟學家認為市場工具是減輕污染危害最合算的方法，優(yōu)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(jīng)濟上的利益驅(qū)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(diào)了面源污染的重要性，規(guī)定對農(nóng)業(yè)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(tǒng)的法規(guī)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(fā)現(xiàn)河岸植被過濾帶能有效地截留來自農(nóng)田的養(yǎng)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(guī)劃、農(nóng)戶教育、獎勵等形式，依靠農(nóng)業(yè)科技，對農(nóng)民沒有或只有很少補貼，鼓勵農(nóng)民自愿采用環(huán)境友好的替代技術(shù)，主要控制技術(shù)有農(nóng)田最佳養(yǎng)分管理、有機農(nóng)業(yè)或綜合農(nóng)業(yè)管理模式、等高線條帶種植、農(nóng)業(yè)水土保持技術(shù)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(zhì)問題是由農(nóng)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(nóng)業(yè)政策。包括環(huán)境保護措施的引進、農(nóng)業(yè)用地中的造林項目和農(nóng)民早期退休計劃等，這些措施有利于農(nóng)業(yè)面源污染的防治。1993年歐盟出臺了結(jié)構(gòu)政策的環(huán)境標準。在化肥和農(nóng)藥的管理上，一些歐盟國家根據(jù)農(nóng)藥和化肥的毒性、用量和使用方法對生態(tài)環(huán)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(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)面源污染的重要措施。歐洲國家，政府每年對每公頃農(nóng)田實施的環(huán)境政策補貼可達50－1 000歐元，在財政支持方面，加大了對農(nóng)業(yè)面源污染控制的財政投入［17］。

4 農(nóng)業(yè)面源污染來源解析方法

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

CMB是應(yīng)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(huán)保局(USEPA)推薦使用CMB模型，并開發(fā)出了相應(yīng)的應(yīng)用軟件包［19］。CMB 模型已應(yīng)用于水體［20］、沉積物［21］等介質(zhì)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(huán)芳烴(PAHs)、多氯聯(lián)苯(PCBs)等有機污染物。通過CMB模型的實際應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)這種方法在具有很多優(yōu)點的同時也存在一些不足。優(yōu)點體現(xiàn)在:①對一個受體樣品的分析就可以得到結(jié)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(xiàn)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(zhì)也不同，而CMB模型沒有加以區(qū)別;②CMB模型假設(shè)從排放源到受體之間，排放的物質(zhì)組成沒有發(fā)生變化，而實際上某些物質(zhì)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(tǒng)計方法

多元統(tǒng)計方法的基本思路是利用觀測信息中物質(zhì)間的相互關(guān)系來產(chǎn)生源成分譜或產(chǎn)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(lián)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(yīng)用于實際環(huán)境保護工作。與CMB相比，多元統(tǒng)計方法具有以下優(yōu)點:①不用事先假設(shè)排放源的數(shù)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(zhì)的來源，能利用除濃度以外的一些參數(shù);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(shù)據(jù)。這種方法也具有一定的局限性:①方法不是對具體數(shù)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(jié)果，需要采集足夠多數(shù)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(jié)果。

4．3 AnnAGNPS擴散模型

AnnAGNPS(Annualized Agricultural Non-point Source Pollution Model)是由美國農(nóng)業(yè)部開發(fā)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(yǎng)鹽流失的連續(xù)型分布式參數(shù)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(chǔ)連續(xù)模擬一個時段內(nèi)每天及累計的徑流、泥沙、養(yǎng)分、農(nóng)藥等輸出結(jié)果，可用于評價流域內(nèi)非點源污染長期影響;根據(jù)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(shù)大多可自動提取，模擬結(jié)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(yīng)調(diào)整曲線數(shù)。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(nèi)氮、磷和有機碳的營養(yǎng)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(tài)和顆粒吸附態(tài)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(tài)濃度和顆粒態(tài)濃度。

5 結(jié)論

經(jīng)過近些年來的研究，南四湖流域農(nóng)業(yè)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(jiān)測性等特點，因此，不論是技術(shù)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(tài)進行測定分析，無機氮包括硝態(tài)氮(NO3－－N)、亞硝態(tài)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(shù)據(jù)資料。

(2)技術(shù)方面，確定重點農(nóng)作物適宜肥料用量，利用測土配方施肥技術(shù)，制訂肥料用量標準;構(gòu)建養(yǎng)殖及生活面源的循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)鏈，研究有機廢棄物、生活廢水零排放循環(huán)利用技術(shù)。

(3)深入研究沿湖農(nóng)業(yè)面源的分布、污染物的遷移和轉(zhuǎn)化規(guī)律，明確污染物的形態(tài)及數(shù)量的變化，得到農(nóng)業(yè)面源在不同環(huán)境介質(zhì)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(guān)參數(shù)，建立南四湖流域完整可靠的數(shù)據(jù)庫，為南四湖流域農(nóng)業(yè)面源污染的研究提供科學基礎(chǔ)。

(5)根據(jù)南四湖流域具體情況，結(jié)合國外在農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)面源污染的高效控制模型。

(編輯:田 紅)

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