贛江上游小流域農業非點源污染生態防治技術研究

涂安國，謝頌華，2，鄭海金，張 杰，莫明浩

(1.江西省水土保持科學研究所，江西 南昌330029;2.江西農業大學，江西 南昌330045)

農業非點源污染會加劇受納地表水體富營養化、增加地下水硝酸鹽含量，又因其具有分散、隱蔽、隨機和發生不確定性等特點而難以控制［1－2］，已成為影響水體質量的重要污染源［3－4］。產生農業非點源污染的根本原因是農業生態系統嚴重失調［5］。生態工程措施可以通過調控農業生態系統的物質平衡和物質流動途徑來控制污染物的流失，減少潛在運移的污染物數量，在運移途中通過滯留徑流、增加流動時間等減少進入水體的污染物，進而從農業非點源污染的來源和徑流運移等方面控制污染的發生［5－7］，是目前較為常用的非點源污染控制方法。

贛江上游地區是贛江流域的主要產沙區，多年平均輸沙量為659萬t，占贛江輸沙量的71.6%，上游4條支流平均輸沙模數均大于140 t/(km2·a)［8］。由于水土流失導致的農業非點源污染，贛江上游贛州市河段已成為贛江流域的主要污染河段，主要污染物有氨氮、總磷等。根據我國水環境治理以流域為單元的治理模式，本課題選取流域治理的最小單元——小流域為對象，在實地調查的基礎上，根據非點源污染“源—流—匯”逐級控制理念，探討贛江上游非點源污染生態控制關鍵技術，以期為贛江流域的水土流失控制和水環境治理提供參考。

1 研究區概況

贛江是江西省境內鄱陽湖水系第一大河。贛江流域地處南嶺以北、長江以南，屬亞熱帶濕潤季風氣候區，氣候溫和，雨量豐沛，四季分明，光照充足，年均氣溫17.6℃，年均蒸發量815.7 mm，年均降水量1542.6 mm，降水主要集中在4—6月，期間降水量占年降水量的46.8%。

左馬小流域位于贛江支流上游于都縣城郊南面30 km處。流域內地形開闊平坦，坡面較緩，大部分已被修成梯田、臺地種植農作物和挖魚鱗坑植樹，土壤類型主要為花崗巖和紅砂巖發育的紅壤;植被種群豐富，以針葉、闊葉、灌木類為主，林草覆蓋度為40%～50%，分布有天然次生林和果園;土地總面積為318.27 hm2，其中耕地 38.18 hm2、園地 22.89 hm2、林地 245.15 hm2、水域4.22 hm2、其他用地7.83 hm2;人口全部為農村人口，人口密度為358人/km2;農業生產占主導地位，農村產業結構不盡合理，以種植糧食作物為主，經濟作物、林果和漁業比重小，外出打工收入為非農產業收入的主要來源;小流域內水土流失較為嚴重，水土流失面積占土地總面積的36.6%，土壤侵蝕模數達4120 t/(km2·a)。

2 研究區非點源污染現狀調查

2.1 研究方法

課題組通過實地踏勘和農戶問卷調查的方式對左馬小流域的主要產業結構、污染源、生活方式等基本情況進行了詳細調查，并建立卡口站進行定位觀測。2010年1—9月對該小流域水體進行了非點源污染物采樣分析，測試指標包括總磷和可溶性總磷、總氮和可溶性總氮、氨態氮和硝態氮。樣品的采集和分析測試嚴格按照《水土保持試驗規范》(SD 239—87)、《水質采樣技術規程》(SL 187—96)、《水環境監測規范》(SL 219—98)等規程規范執行。

2.2 水環境污染現狀

分析測試結果表明，受水土流失影響，左馬小流域降雨徑流中顆粒態污染物含量較高，其中顆粒態磷含量多占到總磷含量的70%以上，最高達92.77%;顆粒態氮含量多占到總氮含量的58%以上，最高達93.89%。依據《地表水環境質量標準》，降雨徑流中氨態氮含量一般達到Ⅱ～Ⅳ類水濃度限值，且多為Ⅲ類以下，平均值為0.622 mg/L;總氮含量多超過Ⅳ類水的濃度限值1.5 mg/L，最高達4.189 mg/L;總磷含量在2—5月初濃度最大，達到Ⅱ～Ⅳ類水濃度限值，其他時間濃度較低，多為Ⅰ類水?？傮w而言，左馬小流域平時水質較好，但遇暴雨徑流中顆粒態污染物濃度會急劇增加，如2010年4月27日發生短歷時暴雨，降雨徑流中總氮、總磷濃度明顯升高，尤其顆粒態污染物占到總污染物的90.18%以上。上述測試結果表明水土流失造成的非點源污染對小流域水質具有重要影響，因此在配置非點源污染生態控制措施時應貫徹水土保持這一重要理念。

2.3 農業非點源污染現狀

2.3.1 種植業污染

種植業污染主要源于化肥和農藥投入量大、資源化利用率低。

(1)不合理施用化肥造成污染。調查結果表明，左馬小流域種植業以施用氮肥和復合肥為主，以農家肥為輔，施肥量在900 kg/hm2以上，其中氮肥和復合肥的施用量分別約占施肥總量的40.34%和42.98%?；适┯昧扛?、結構不合理、利用率低、流失量大，大量化肥(尤其是磷肥)通過農田徑流匯入河流、湖庫等水體，造成水體富營養化，破壞水體周邊環境。不合理施用化肥還會導致部分土壤重金屬含量上升，蔬菜、水果等農產品硝酸鹽含量超標、品質下降以及土壤次生鹽漬化和地下水污染等。

(2)農藥殘留造成污染。左馬小流域農藥使用量呈逐年上升趨勢，2008年約為38.7 kg/hm2。農藥中，化學農藥所占比例在95%以上，主要是殺蟲雙、三唑磷、稻瘟靈等;生物農藥所占比例不到5%，主要是阿維菌素和井岡霉素等。任意加大農藥使用量、多種農藥混用、隨意丟棄農藥瓶(袋)的情況比比皆是，導致了河、湖、塘等水體不同程度地受到農藥殘留污染。

2.3.2 畜禽養殖業污染

目前左馬小流域農村還未建立有效的畜禽污水處理工程，85%以上的畜禽污水未經處理就直接排放到溪河、魚塘或農田;雖然90%以上的禽畜糞便采用堆肥還田或堆放在空地上，但是仍有少數直接倒入水體，從而形成了畜禽養殖業污染源。2.3.3 水產養殖業污染

調查發現，有些養殖戶和養殖場為了追求經濟效益，高密度投放魚種、大量投喂人工飼料和亂用、濫用漁藥等，造成氮、磷和漁藥以及其他有機或無機物質超過了水體的自凈能力，從而導致水環境的污染。

2.3.4 農村生活污水和垃圾污染

左馬小流域農村缺乏統一的污水收集和垃圾收集系統，農村生活垃圾處理方式基本上是以簡易填埋、隨意堆放為主。在暴雨徑流的作用下，垃圾堆放地和人畜排泄物堆放點的污染物，尤其是有害微生物、細菌等隨徑流進入河流或滲入地下，造成飲用水源水質惡化，嚴重污染農村生態環境。

在對農村生活習慣的調查中發現，多數農民習慣在未經任何處理的情況下，將生活污水直接排入村莊周邊的水渠或直接潑灑至村莊附近的空地。這樣就造成村莊附近土壤富集了大量營養物質，在降雨徑流的作用下，增大了河流污染風險，并且污水直排直接影響了局部河段水質。

3 典型小流域非點源污染生態控制與生態調節技術研究

水土流失、村落污染和農業污染是非點源污染治理的重點，提高森林覆蓋率、完善農業耕作制度、建設合理的農業生態結構和衛生的農村生活環境是非點源污染治理的關鍵，強化管理是非點源污染治理的必要手段。非點源污染生態工程防治技術或措施應涵蓋源頭控制技術、污染物遷移過程控制技術及末端控制技術等三方面。在左馬小流域非點源污染綜合治理過程中，應配合村莊、坡耕地和水系整治等工程建設，根據污染物的產生和遷移路線，結合地質地貌和景觀生態，采用源頭控制、過程阻斷和末端集中處理相結合的綜合防控思路，形成“源—流—匯”逐級防控農業非點源污染的生態調節技術體系。

3.1 村落非點源污染生態控制技術

3.1.1 村落污水處理生態控制技術

考慮到左馬小流域經濟相對落后、污水處理經費不足，推薦采用就地處理泛氧化塘+自然濕地模式。該模式不需要建設污水管網，可利用村里現有的水塘進行加深、拓寬，建設成泛氧化塘進行污水處理，同時對池塘水質進行維護，再利用水域周邊的自然濕地進一步處理。

圖1為阿科蔓高效生態泛氧化塘處理工藝，其處理流程為:經過預處理，去除污水中的漂浮物;工程沒有使用任何循環和動力設備，預處理出水自流到阿科蔓高效生態泛氧化塘，塘中安裝水底放置型阿科蔓生態基;阿科蔓高效泛氧化塘出水后進入周邊地勢較低的自然濕地，進一步凈化、改善水質，以滿足受納水域的水功能要求。

圖1 阿科蔓高效生態泛氧化塘處理工藝

阿科蔓生態基上大量的本土微生物以好氧菌、兼氧菌、厭氧菌為主，能去除水體中的有機污染物;有益藻類和固氮細菌、反硝化菌、硝化菌等礦質化合成細菌能去除水體中的TN、TP;水生動物主要起到轉移污染物的作用。阿科蔓高效生態泛氧化塘處理技術充分考慮了農村經濟和基礎設施情況，能高效利用農村的景觀格局，因地制宜，并且污水處理系統無需任何耗能設備，不需要運行費用，具有經濟節約、技術可靠的特點，同時為滿足高水質的要求，增加了自然濕地處理過程，對處理后的出水進行進一步凈化。左馬小流域內有很多河漫灘、池塘、水庫、稻田等具有濕地特征的景觀，可以充分利用這些景觀改善出水水質。

3.1.2 村落固體廢棄物生態處理技術

村落固體廢棄物的來源有4個方面:一是農田和果園的殘留物，如秸稈、雜草、落葉、藤蔓等;二是牲畜和家禽糞便以及欄圈用的鋪墊物;三是農產品加工廢棄物;四是人糞尿以及生活廢棄物。目前，這些固體廢棄物大多是隨地堆放，嚴重影響著村落環境和河流水質。

基于研究區村民的科技素質及環境保護意識還不是很高、農村經濟發展水平不高、山區能源短缺的現狀，推薦采取“豬—沼—果”水土保持生態治理模式對村落固體廢棄物進行生態處理。該模式以農戶為基礎，在果園套種飼料作物，以豬糞為沼氣發酵原料，以沼氣池為產氣主體、沼氣為能源、沼液(渣)為果蔬肥料。其基本內容是戶建1個沼氣池，人均出欄2頭豬，人均開發1畝果(15畝=1 hm2)，簡稱“121”工程?！柏i—沼—果”模式以發展沼氣為中心，通過沼氣池建設，將種植業(果)、養殖業(豬)和農村能源建設(沼)等有機結合起來，實現資源合理利用，從而形成相互促進、良性循環的生態產業鏈，促進農村經濟的發展。

3.2 耕地非點源污染生態控制技術

3.2.1 坡耕地水土保持農業技術

水土流失既是農業非點源污染的主要形式，又是農業非點源污染的主要載體［9］，控制水土流失可以有效控制小流域非點源污染。Henderson等［10］認為控制農業非點源污染最有效和最經濟的方法是采取適當的農田管理方式。針對左馬小流域的水土流失特征，本課題主要采取增加地面植被覆蓋和增加土壤入滲、提高土壤抗蝕性能兩類保水保土耕作技術:為增加地面植被覆蓋主要是采用間作、套種與混播、等高耕作等技術，改變傳統的耕作方式;為增加土壤入滲、提高土壤抗蝕性能主要是在夏、秋兩季進行深耕，一般深耕25～30 cm，其他季節則采用少耕甚至免耕等措施，以提高土壤抗蝕性能。

3.2.2 田間污染生態控制與調控技術

農田田間污染物主要是降水和灌溉產生的地表徑流攜帶的氮、磷、泥沙和農藥等。治理時，可因地制宜地將田間渠道、坑、塘等改造成土地處理系統，實現農田污染生態控制。圖2為農田田間處理系統流程，該處理系統主要由收集系統、緩沖調控系統和凈化系統組成，其中凈化系統的主要組成部分有渠道、田間坑、塘以及其中的各類生物。

圖2 農田田間處理系統流程

3.3 水系徑流生態處理與生態修復技術

水系徑流生態處理工程主要是在嚴重污染地段的下游建造截留污染物和污染物循環利用的各類設施，針對非點源污染的突發性、大流量、低濃度等特點，有效控制和削減污染物。左馬小流域主要采用了植被過濾帶、生態溝渠、多水塘濕地凈化系統等水系徑流生態處理工程。

3.3.1 植被過濾帶技術

植被過濾帶能增加地表的粗糙度，降低水流速度以及水流作用于土壤的剪切力，進而降低沉積物的輸移能力，促進其在過濾帶中沉淀。以凈化徑流為目的的過濾帶，應盡可能建在靠近污染源的地方，并且沿等高線分布，使水流可以平緩地流過過濾帶。在左馬小流域的丘陵地區，大部分降雨要流入上游溪流，因此沿小河或上游河道建造過濾帶通常會比沿大河或下游河流建造更為有效。

過濾帶的設計要考慮過濾帶的大小、植被類型、管理方式等諸多要素，而這些要素又取決于過濾帶的立地條件，包括污染類型和負荷、過濾帶截留和轉化污染物的能力、降低污染的程度等，因此應根據徑流量和立地條件的變化來加大或減小過濾帶在不同區域的寬度。比如，可以在地形圖上畫出產流區和徑流流入過濾帶的位置，對過濾帶的寬度進行必要的調整以適應不同的徑流量;在上方坡面徑流區域較大、污染物負荷較高的區域，過濾帶也應較寬。同時，地面坡度和土壤類型也會影響過濾帶去除污染物的能力:陡坡會加大污染物流量、減少入滲時間、影響過濾帶效果，因此地面坡度較陡時需要較寬的過濾帶;入滲能力強的土壤比入滲能力弱的土壤可以在更大程度上減少徑流，因此土壤入滲能力弱時需要較寬的過濾帶。

左馬小流域植被過濾帶設計采用喬灌草相結合的植被結構，喬、灌木發達的根系可以穩固河岸，防止水流的沖刷和侵蝕;草本過濾帶可通過增加地表粗糙度來增強地表徑流的滲透能力，并減小徑流流速，提高過濾帶對沉淀物的沉積能力［11］。

3.3.2 生態溝渠構建技術

作為水工程系統，在正常發揮輸水配水功能的前提下，增加溝渠形態的多樣性、創造適宜的生物棲息環境，可以更多地截留農業非點源污染，增強溝渠水體的自凈能力，恢復溝渠的水生態系統功能。本課題從發揮溝渠對非點源污染控制和修復生態功能的角度，探討了生態溝渠構建技術。

(1)生態溝渠空間形態構建技術。溝渠形態的多樣性與生物群落的多樣性有著密切的聯系。溝渠平面上的蜿蜒性、橫向斷面上的多樣性、縱向上的深潭和淺灘交替以及水流的急緩變化，為各種生物創造了適宜的棲息環境，從而增加了生物群落的多樣性。

(2)生態溝渠植被優化構建技術。水系具有天然的自凈能力，可以通過植物、動物和微生物的生理過程來吸收降解污染物質。通過對水系自凈機理的研究，可以人為地創造適宜的條件來強化溝渠的自然凈化過程，增強溝渠的自凈能力，從而改善水體水質。目前主要采用的是水生植被恢復技術和生物填料技術。

3.3.3 多水塘濕地凈化系統

利用多水塘系統控制非點源污染的主要方法是修建暴雨滯留池。天然或人工水塘不斷地與河流進行水分、養分的交換，使流速降低、懸浮物得以沉淀，增加水流與生物膜的接觸時間，從而滯留和凈化非點源污染物。左馬小流域建有許多水塘用來攔截雨水灌溉農田，對其輸水系統和其中的水生植被進行優化，可截留來自農田的94%以上的P、N污染物負荷。因此，多水塘濕地系統不僅能控制污染負荷，而且能提高水資源的利用率，可以在左馬小流域農業非點源污染防治中普遍采用。同時，自然多水塘濕地系統還能豐富生境與景觀的多樣性，在維持農田系統的生物多樣性和穩定性方面具有重要作用。

4 結語

為了減少并防止農業非點源污染，利用生態工程控制農業非點源污染是一種常用的有效手段。非點源污染控制是一個涉及經濟、社會、環境各方面的系統工程，需要在資金、管理、技術和提高環境意識等方面進行全方位的投入，需要多部門協調合作，既要加強對環境影響面大的源頭防治，注重實施積極的生態農業戰略措施，減少污染物的排放和養分的流失，又要在污染治理技術上充分優化配置生態工程措施，建立流域非點源污染防治的“源—流—匯”的逐級防控技術體系，從根本上形成治理小流域非點源污染的最佳管理措施體系。

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