楊文慧 于新花 楊彥霞

（寧夏大學(xué)土木與水利學(xué)院，寧夏銀川 750021）

1 引言

農(nóng)業(yè)面源污染是指地面和土壤中的N，P 等營養(yǎng)物質(zhì)、農(nóng)藥以及其他有機或無機污染物質(zhì)在降雨沖刷和淋溶作用下，會隨著地表的徑流或者滲漏作用進入江河、湖泊、水庫和海洋等水體而造成的水環(huán)境污染［1］。其具有發(fā)生時間的隨機性、產(chǎn)生方式的間歇性、排放途徑的不穩(wěn)定性、排放量的不確定性、污染負(fù)荷的時空變異性、監(jiān)測模擬與控制的困難性等特點［2］。目前，結(jié)合面源污染的特點，研究者提出了很多關(guān)于農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷的估算方法，如輸出系數(shù)法、清單分析法和等標(biāo)污染負(fù)荷法等，但考慮到面源污染是大面積大范圍存在的一種形態(tài)，而且監(jiān)測困難，計算誤差大，通過各種方法的對比分析，發(fā)現(xiàn)輸出系數(shù)法對于尺度大且長時間未監(jiān)測缺少數(shù)據(jù)的流域可發(fā)揮重要作用。

2 農(nóng)業(yè)面源污染來源及其特點

2.1 農(nóng)村生活污染

農(nóng)業(yè)面源污染來源主要有農(nóng)村生活污染、畜禽養(yǎng)殖污染、農(nóng)業(yè)種植污染［3］。農(nóng)村生活污染源于居民生活污水肆意排放和生產(chǎn)垃圾亂丟亂棄亂堆放以及沒有集中處理的人體糞尿，造成周圍環(huán)境污染。生活污水中的灰水主要是洗浴、衣物清洗、廚房用水，黑水主要為沖洗水，廚房污水在農(nóng)村生活污水總量中占20%左右，洗滌污水的占比高達50%，以上這些污水中含有氮、磷、重金屬和大腸桿菌［4］。近年來，越來越多的居民開始使用沖水馬桶、沖便器等衛(wèi)生洗浴設(shè)施，將這些污水和糞尿集中收集在儲存裝置中，集滿后統(tǒng)一入田，但部分居民還是采用旱廁。生活污水缺失排水管網(wǎng)，處理效率低，生活污水的排放較為分散。生活垃圾以有機物為主，分為可降解物和不可降解物，可降解物可以經(jīng)過大自然的循環(huán)分解機制降解，造成的二次污染?。簧罾廴局饕遣豢山到馕?，一些結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的塑料制品，如塑料袋、塑料餐盒、廢舊電池、化肥包裝袋、塑料薄膜等［5］，很難自行降解消失。農(nóng)村生活垃圾沒有統(tǒng)一的收集處理設(shè)施，空間分布零散［6］，生活垃圾處理能力不足。

2.2 畜禽養(yǎng)殖污染

畜禽養(yǎng)殖的污染物來源主要是畜禽的糞尿，以及沖洗圈舍、食物殘渣的污水，隨著生活水平的提高，居民在飲食結(jié)構(gòu)方面更加注重對動物蛋白的攝入，畜禽養(yǎng)殖業(yè)近年來快速發(fā)展，我國畜禽的存欄量呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢，因此畜禽糞便排放量也大幅增加。目前，畜禽養(yǎng)殖污染物的處理方式［7］一般有3 種：一部分直接入田，畜禽的糞尿大部分作為農(nóng)作物的肥料；一部分進入沼氣池通過厭氧發(fā)酵來產(chǎn)生沼氣，不僅能夠凈化空氣，而且可以作為能源使用；其他少部分沖洗殘渣的廢水隨著雨水沖刷流入河流或滲透到地下，但在進入河道的過程中，污染物由于截留或消融會在途中消耗掉。

2.3 農(nóng)業(yè)種植污染

根據(jù)農(nóng)田化肥的動態(tài)去向，農(nóng)田中的化肥有10%～30%被農(nóng)作物吸收利用，50%～60%未被利用的殘留在土壤中，其余20%～30%過剩的肥料中N，P 等營養(yǎng)元素通過降雨或灌溉產(chǎn)生的徑流匯入地表水流入水體，大量農(nóng)藥進入水體造成流域污染［8］。農(nóng)業(yè)化肥污染一直是流域污染的重要因素［9］，目前學(xué)者們對其研究較為深入且頗有成就，比如促進土壤對水分吸收的水肥一體化技術(shù)的運用，在很大程度上減少了環(huán)境的污染。

農(nóng)業(yè)面源污染源給生態(tài)環(huán)境資源造成了一定程度的破壞，不僅通過侵蝕土壤導(dǎo)致農(nóng)村生態(tài)系統(tǒng)退化，還通過水污染和食物源污染影響人身健康，農(nóng)業(yè)生活和畜禽養(yǎng)殖造成的農(nóng)業(yè)面源污染尤其受到關(guān)注，成為制約農(nóng)業(yè)和農(nóng)村高質(zhì)量發(fā)展的瓶頸［10］。

3 農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷常用的計算方法

3.1 清單分析法

清單分析法構(gòu)建的是活動—類別—單元—指標(biāo)體系［11］，活動是由于生活和生產(chǎn)造成農(nóng)業(yè)面源污染的主要途徑，類別是將不同活動進一步細(xì)化，指標(biāo)則是進行計算要求收集的基本數(shù)據(jù)，單元是指產(chǎn)生農(nóng)業(yè)面源污染可合理計量的最小獨立單元［12］。清單分析法首先根據(jù)本地區(qū)農(nóng)村基本狀況劃分污染物的類別，以此分解出產(chǎn)污單元，每個產(chǎn)污單元都有相應(yīng)的產(chǎn)污系數(shù)，結(jié)合歷年來地區(qū)基礎(chǔ)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，建立核算公式，基于產(chǎn)污單元的產(chǎn)污系數(shù)和流失系數(shù)，借助核算公式對進入水系的污染物排放量進行測算。該方法不僅能有效地建立污染物產(chǎn)生量與污染物排放量的關(guān)系，而且多用于大范圍核算某地區(qū)污染物負(fù)荷量，減少了實地調(diào)研的困難。

晁文文等人基于清單分析法對江西農(nóng)村水環(huán)境污染產(chǎn)污單元進行劃分，并建立核算公式，測算水環(huán)境污染物［13］；孫勤芳等人采用清單分析法核算農(nóng)業(yè)污染物的排放量和排放濃度［14］。農(nóng)業(yè)面源污染產(chǎn)污單元見表1。

表1 農(nóng)業(yè)面源污染產(chǎn)污單元

計算公式如下［14］：

式中，E 為農(nóng)業(yè)面源污染物的排放量，kg；UE，i為清單i 指標(biāo)統(tǒng)計數(shù)，i＝1，2，3，…，n；Pi為清單i 污染物的產(chǎn)污系數(shù)；Ci為清單i 污染物的流失系數(shù)，%。

3.2 輸出系數(shù)法

輸出系數(shù)法是通過統(tǒng)計公報等渠道收集指標(biāo)中要求的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如農(nóng)村人口數(shù)量、畜禽存欄出欄量、化肥施用量等，運用多元線性相關(guān)分析，建立流域土地利用類型與面源污染輸出量之間的關(guān)系，利用不同污染源類型的污染輸出系數(shù)估算污染負(fù)荷，對不同來源污染負(fù)荷求和便得到區(qū)域污染總負(fù)荷。丁曉雯等［15］利用輸出系數(shù)模型對涪江流域的農(nóng)業(yè)面源污染進行了估算，辨別出主要污染源。該方法其特點在于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)較易獲取，簡化了污染形成過程中的機理研究，減少了對非點源污染物運移監(jiān)測數(shù)據(jù)的依賴，所需參數(shù)少，操作簡便易行［16］，降低了工作量，又具有一定的精度，為大尺度流域非點源污染負(fù)荷的量化提供了一種行之有效的方法，尤其是對于缺乏原位監(jiān)測條件的流域。

經(jīng)典的Jonhes 輸出系數(shù)模型為［17］：

式中，L 為流域內(nèi)污染物j 的排放量，kg/a；i 為流域內(nèi)農(nóng)村人口、畜禽數(shù)量、用地類型，i＝1，2，3，…，n；Ei為：人口輸出系數(shù)，kg/（人·a），第i 種畜禽輸出系數(shù)，kg/（頭·a），第i 種用地類型輸出系數(shù)，kg/（hm2·a），Ai為：農(nóng)村人口數(shù)量，人，第i 種畜禽的（出欄）存欄量，頭或只；第i 種用地類型面積，hm2；P 為降雨輸入的污染物量，kg/月。

3.3 其他研究方法

除了清單分析法和輸出系數(shù)法之外，等標(biāo)污染負(fù)荷法也是農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷計算方法之一，其主要是將不同行業(yè)的污染物排放量稀釋加標(biāo)準(zhǔn)化處理轉(zhuǎn)化成一致且能夠比較的量，使其在同一尺度上進行比較，根據(jù)所得值的大小確定主要污染物、主要污染賬戶和總污染負(fù)荷［18］，用以評價各污染物的相對危害程度。

目前，輸出系數(shù)法在計算污染物負(fù)荷時相較于其他兩種方法應(yīng)用更為廣泛，所需參數(shù)相對較少，掌握基礎(chǔ)資料后只需確認(rèn)輸出系數(shù)，計算簡便且具有一定的精度，直接建立了土地利用狀況等與面源污染負(fù)荷的關(guān)系。等標(biāo)污染負(fù)荷法雖然簡單易行，但忽略了評價對象的經(jīng)濟屬性，導(dǎo)致計算結(jié)果具有片面性，往往需要借助其他分析方法來糾偏。清單分析法在計算污染物負(fù)荷時要根據(jù)研究區(qū)域的特征來劃分單元，要求的數(shù)據(jù)較細(xì)致，如果單元劃分不適宜、參數(shù)選取不適配對計算結(jié)果的影響較大。清單分析法的核心是各地產(chǎn)排污系數(shù)值，此數(shù)值大多源于過往文獻理論結(jié)果，采取實地測算相關(guān)排污系數(shù)的較少，直接使用產(chǎn)排污系數(shù)難免對測量結(jié)果的準(zhǔn)確性造成一定的影響［19］。

4 輸出系數(shù)法中輸出系數(shù)的選取

輸出系數(shù)法中合理地確認(rèn)輸出系數(shù)是成功估算面源污染輸出負(fù)荷量的關(guān)鍵，輸出系數(shù)是一種估計值，指某種土地利用方式下在單位時間內(nèi)、單位面積上輸出的污染物總負(fù)荷的標(biāo)準(zhǔn)化值［20］。確定輸出系數(shù)是輸出系數(shù)法關(guān)于污染負(fù)荷計算的關(guān)鍵，但是由于輸出系數(shù)受研究區(qū)域一系列因素的影響，如流域內(nèi)氣候因素、地形地貌、土地利用、土壤類型和結(jié)構(gòu)、植被以及管理措施等的影響［21］，通常采用文獻查閱法、實驗監(jiān)測法和數(shù)學(xué)統(tǒng)計法［22］3 種方法來確認(rèn)輸出系數(shù)，而文獻查閱法是最常用的方法，眾多學(xué)者也在該方面取得了一定的研究成就。

輸出系數(shù)法所需系數(shù)見表2。

表2 輸出系數(shù)法所需系數(shù)

不同地區(qū)畜禽養(yǎng)殖的輸出系數(shù)見表3。

表3 不同地區(qū)畜禽養(yǎng)殖的輸出系數(shù)［23～31］ kg/［頭（只）·a］

不同地區(qū)農(nóng)村生活人口輸出系數(shù)見表4。

表4 不同地區(qū)農(nóng)村生活人口輸出系數(shù)［23～29］ kg/（人·a）

不同地區(qū)不同土地利用類型的輸出系數(shù)見表5。

表5 不同地區(qū)不同土地利用類型的輸出系數(shù)［24～33］ kg/（hm2·a）

從表3 可知，畜禽養(yǎng)殖的輸出系數(shù)COD＞TN＞NH3-N＞TP，研究者關(guān)于畜禽養(yǎng)殖業(yè)的輸出系數(shù)多參考原環(huán)境保護部推薦的輸出系數(shù)，COD 取24.82、NH3-N 取2.52、TP 取1.01、TN 取6.11；表4 中農(nóng)村生活人口輸出系數(shù)COD＞TN＞NH3-N＞TP，大多參考原環(huán)境保護部推薦的人口輸出系數(shù)，COD 取14.13、NH3-N 取0.9、TP 取0.16、TN 取1.58；表5 中污染物輸出系數(shù)值相對來說水田高于旱田。

5 結(jié)論

（1）農(nóng)業(yè)面源污染來源主要有農(nóng)村生活污染、畜禽養(yǎng)殖污染、農(nóng)田種植污染，農(nóng)業(yè)生活和畜禽養(yǎng)殖是農(nóng)業(yè)面源污染的重要因素，成為制約農(nóng)業(yè)和農(nóng)村高質(zhì)量發(fā)展的瓶頸。

（2）農(nóng)業(yè)面源污染物負(fù)荷估算方法主要有清單分析法、輸出系數(shù)法和等標(biāo)污染負(fù)荷法等，在流域面源污染的控制及管理決策方面發(fā)揮了重要的作用。目前應(yīng)用較為廣泛的方法是清單分析法和輸出系數(shù)法，輸出系數(shù)法近些年來隨著研究者不斷改進研究方法，相較于清單分析法估算精確度更高，所需的參數(shù)較少，只需要輸出系數(shù)，而清單分析法需要排污系數(shù)和流失率，這些參數(shù)的選取都會造成一定的誤差。

（3）在統(tǒng)計中發(fā)現(xiàn)有的研究者對于畜禽養(yǎng)殖業(yè)的輸出系數(shù)參考原環(huán)境保護部推薦的輸出系數(shù)，分別取各自排泄系數(shù)的10%；農(nóng)村生活人口輸出系數(shù)參考原環(huán)境保護部推薦的人口輸出系數(shù)。不同土地利用類型的輸出系數(shù)水田的TP 值與TN 值分別集中分布在1～2 和12～23 之間；旱田的TP 值與TN 值分別集中分布在0.9～2.3 和15～33 之間。