太湖流域平原農業面源污染模擬與管控的思考

黃佳聰，張京，季雨來，2，高俊峰

（1.中國科學院南京地理與湖泊研究所中國科學院流域地理學重點實驗室，南京 210008；2.中國科學院大學，北京 100049）

隨著工業廢水等點源污染逐步得到控制，農業面源污染已成為我國河湖水污染的重要來源，管理部門對農業面源污染的重視程度與治理力度是前所未有的[1]。而在我國長江中下游的太湖流域平原河網區，農業面源污染管控與治理長期面臨獨特難題，即復雜水文條件導致污染來源不清，重點管控對象不明確，缺乏理想管控空間單元，因此有必要針對太湖流域平原河網區，剖析區域的獨特水文與氮磷遷移轉化規律，探索有利于農業面源污染管控的空間單元，因地制宜地發展農業面源污染管控的新途徑、新方法，形成易復制、可推廣的農業面源污染管控模式[2-3]。

1 平原河網區農業面源氮磷污染問題

太湖流域平原河網區人類活動強度大，農業發達，化肥農藥與魚蝦餌料等農業投入品的過量使用，導致農業面源污染問題突出。其中農田耕作與坑塘養殖尾水排放規模大，并且以小散農戶經營為主，空間分布分散，尾水排放時間不定，導致農業面源污染的責任主體不明，管控難度大，制約了區域水環境質量的根本性好轉。

（1）農田耕作氮磷流失嚴重。2020 年太湖流域耕地面積高達16 278.9 km2，占流域面積的44.1%[4]，主要農作物為水稻、小麥及少量經濟作物（油菜），其中稻麥輪作農田的氮、磷施用量高達33.3、14.6 kg·hm-2·a-1[5]，但氮磷肥利用率較低（28%~41%）[6-7]，剩余氮磷則儲存或排放到水土氣環境中，進而通過降雨淋溶、下滲等途徑匯入周邊河湖。同時，長期過量氮磷施用造成了農田土壤氮磷遺留量不斷累積，成為周邊河湖氮磷污染的重要來源[8]。

（2）池塘養殖污染問題突出。太湖流域養殖池塘總面積高達1 308.6 km2，養殖密度大、飼料肥料投入量大，養殖期間換水與淤泥清理是農業面源污染的重要來源，尤其是太湖東部與南部（蘇州、湖州）和洮滆水系（常州）是池塘養殖的密集地區。根據現場調研與模型核算，太湖流域養殖池塘類型主要包括魚塘與蝦蟹塘，氮、磷流失總量分別高達11 014、1 627 t·a-1[9]，其中魚塘氮、磷污染負荷分別高達115.5、16.5 kg·hm-2·a-1，遠高于蝦蟹塘（21.4、4.4 kg·hm-2·a-1）[10]。為防控池塘養殖污染，國內學者發展了機械過濾、微生物凈化、人工濕地攔截等養殖尾水凈化與循環利用技術，但受限于成本、場地而尚難以在太湖流域大規模推廣應用[11-12]。

（3）面源污染來源與貢獻比例不清。太湖流域平原河網區農業面源污染類型多樣（種植業與養殖業等）、空間分布范圍廣、產生具有一定隨機性，導致面源污染來源十分復雜；與此同時，河網溝塘交錯復雜，地勢平坦，水流緩慢，往復流現象明顯，地表水、地下水、土壤水之間存在頻繁的相互補給，農田、池塘、生活污水等不同類型污染源排放并匯合于周邊河網、溝渠與坑塘，造成面源污染遷移轉化途徑錯綜復雜。面源污染來源多樣、排放隨機與遷移轉化復雜導致監測與追蹤難度大，污染來源與貢獻比例難以精準解析，治理重點對象與目標無法明確。

2 平原圩區系統獨特性及其對農業面源污染模擬與管控的啟示

圩區是流域下游平原易澇區筑堤圍墾形成的相對封閉的人工集水單元，即平原河網區的破碎化流域，其廣泛分布于長江、湄公河、萊茵河、多瑙河、密西西比河等全球大江大河的沿江濱海地區，其中太湖流域平原河網區分布尤為廣泛（2 539 個，10 627 km2）[13-14]，占平原區面積的近60%（附圖 1，掃描文章首頁OSID碼瀏覽），主要包括城市圩、城鎮圩、農業圩等類型，氮、磷流失總量分別高達16 296[13]、1 916 t·a-1[15]。其中平原農村地區圩區基本以農業圩形式存在，其是農田耕作與池塘養殖等農業活動的密集區，是平原河網區農業面源污染管控的關鍵地理單元[16]。與此同時，圩區水文與氮磷循環過程受自然條件和人工控制的雙重影響，具有與山丘區不同的農業面源污染產排過程，是平原河網區農業面源污染管控的獨特地理單元，制約了國際自然地理學關于平原區水文與氮磷循環的研究[16-17]。

（1）圩區具有獨特的水文與氮磷輸移過程。與自然集水單元（山丘區）相比，圩區相對封閉，具有獨特的水文與氮磷輸移過程，體現在：①氮磷輸移過程的不連續性。圩區水文過程被堤壩和泵站所分割，其氮磷輸移受自然條件和人工閘泵（灌溉抽水、洪澇排水、涵洞引排水）的雙重影響，形成“陡漲陡降”的氮磷輸移過程；稻季期間，通過泵站抽水/涵洞引水滿足稻田灌溉需求，是圩外河流氮磷輸入的重要途徑，圩內河流、溝渠、坑塘的水文也有不同程度上升，人為改變了氮磷輸移過程；麥季期間，圩內農田需水較少，圩區降雨徑流可通過涵洞外排；強降雨期間，外圍河流水位普遍高于圩內地面高程，圩內積水無法通過涵洞自流外排，排澇泵站排水成為圩區氮磷外排的重要途徑（圖1）[17-19]。②氮磷輸移路徑的不確定性。圩區地勢平坦、地下水埋深較淺，在灌溉抽水、洪澇排水、涵洞引排水等人工控制水文過程的作用下，溝塘地表水、地下水、土壤水之間存在頻繁的水體交換，這是圩區氮磷輸移的重要路徑，因此與自然集水單元不同，圩區氮磷輸移路徑主要受上述3 個水位變化驅動，存在顯著的動態變化特征[18]。

圖1 太湖流域典型農業圩區及其人工控制水文過程[19]Figure 1 Typical agricultural polders at Lake Taihu basin and their artificially controlled hydrological processes[19]

（2）圩區水文與氮磷輸移過程模擬方法有待改進?，F有的SWAT、HSPF 等流域模型適用于山丘區，但無法模擬平原圩區的獨特水文與氮磷輸移過程。在此背景下，國內學者主要通過以下兩種途徑實現圩區水文與氮磷輸移過程的模擬：一種是直接采用與改進現有流域模型，提升模型對圩區水文與氮磷流失模擬的適用性與精度，但受限于現有模型模擬框架的可拓展性，尚難以充分刻畫圩區的獨特水文與氮磷輸移規律[20-22]。另一種途徑是自主研發適用于圩區系統的水文與氮磷輸移過程模型，其中中國科學院南京地理與湖泊研究所選擇太湖流域典型農業圩區（常州尖圩），開展了連續10 a（2013—2022年）的氣象、水文與面源氮磷流失過程監測與控制實驗，構建了一套水位驅動的圩區污染物輸移模式，研發了具有自主知識產權的圩區水文與面源氮磷污染模型（NDP、PDP）（圖2）[18-19]；量化核算了太湖流域所有圩區氮磷污染負荷的空間分布與季節變化，解析了氮磷的來源組成與遷移轉化的關鍵路徑，明確了全流域圩區氮磷流失總量（氮19 965 t·a-1、磷1 916 t·a-1）及其對太湖外源污染負荷的貢獻[13，15]；通過模擬情景的設計與模擬，識別了農業圩區氮磷污染的主控因子及其時空變化規律，發現了溝塘水生植物群落與蓋度是氮磷攔截的關鍵要素，提出了以圩內溝塘等小微濕地為核心的面源氮磷削減模式，預測了不同削減模式的氮磷污染管控效果，優選出最佳的氮磷削減模式[23-24]。但上述模型與案例研究重點關注的是圩區水文驅動下的氮磷輸移過程，但對土壤水文與氮磷生物地球化學循環等缺乏三維立體的精細化刻畫。

圖2 圩區面源氮、磷污染模型[18，25]Figure 2 Non-point source pollution model for nitrogen and phosphorus in lowland polders[18，25]

（3）圩區具有農業面源污染管控的優勢。圩區內部廣泛分布的用于輸水與儲水的溝塘（溝渠與坑塘）已被廣泛證明具有顯著的氮磷攔截效應。全國31 個溝塘氮磷攔截方面的研究案例顯示，溝塘氮、磷攔截率均值分別高達47.9%與45.1%[26-29]（附表1，掃描文章首頁OSID碼瀏覽），氮磷攔截率較高的點位主要分布在長江中下游平原河網區（圖3），其中圩區溝塘的氮磷攔截效應更加明顯，主要原因包括：①圩區溝塘向外圍河流排水集中于強降雨期間，在中小雨期間，圩內農業尾水排放后滯留于圩內溝塘，不直接排放到圩外河流，有利于氮磷攔截[24]。②圩區地勢平坦，溝塘水流緩慢，有利于顆粒態氮磷自然沉降；同時，溝塘中廣泛分布的大型水生植物可吸收水體氮磷，提供碳源，促進反硝化，提升氮磷攔截能力[23，30]。

圖3 我國溝塘氮、磷攔截率（文獻調研方法獲?。〧igure 3 Retention rate of nitrogen and phosphorus at ditches and ponds in China（obtained from previous publications）

3 平原圩區農業面源污染管控與研究建議

過去幾十年，我國圩區管理與利用側重發揮其防洪與灌溉功能[14，21]；而圩區具有空間邊界清晰、水量可調控、溝塘廣泛分布等適合農業面源污染管控的優勢，因此有必要據此優勢，探索農業面源污染最大化

攔截的管控措施，充分發揮圩區這一具有歷史智慧、文化價值的古老水土資源管理模式。

（1）以圩區為基本單元，管控農業面源污染?，F有農業面源污染管控主要以行政區為基本單元，無法科學診斷其產生根源與輸移規律；而圩區是幾千年形成的、完全人工控制的物理單元，具有清晰邊界與水量人工調控的獨特性，有利于水量與污染物來源與輸移過程的追蹤，可作為農業面源污染控制的理想單元。建議從圩區系統的整體角度出發，分類型梳理圩區面源污染在源頭排放-溝渠輸送-坑塘截留等環節的特征，優化整合農田、溝渠、坑塘等單元面源污染的針對性治理技術，形成專項技術組合的最大合力，實現面源污染攔截“1+1>2”的疊加效應，突破太湖流域平原區農業面源污染管控的創新模式。

（2）研發圩區農業面源污染精準治理的關鍵技術。以圩區為農業面源污染的基本管控單元，綜合運用數值模型與同位素等污染溯源技術，精準解析農業面源污染的關鍵源區及其貢獻比例，模擬面源污染的沿程消納過程，辨別導致農業面源污染的主控因子及其季節變化；針對圩區水文的閘泵人工控制、水體滯留時間長等特點，探索圩區水體與氮磷的減排控排模式，形成農業面源污染的相關管控方案，預測不同組合方案作用下的農業面源污染強度，整合形成一套具備污染溯源、主控因子辨識、管控方案優選功能的精準治理技術，實現圩區農業面源污染的“科學診斷”與“對癥下藥”，綜合解決圩區的防洪灌溉和農業面源污染問題。

（3）開展圩區農業面源污染治理的典型示范。近幾十年來，太湖流域農業面源污染備受重視，我國學者針對圩區或圩內地塊，圍繞面源氮磷污染問題，開展了系列跟蹤監測與野外實驗，積累了長期的歷史觀測數據，發展了稻田、溝渠、坑塘等單元面源污染減排與攔截的專項技術，從不同空間尺度，研發了適用于太湖流域的面源污染模型，預測了不同管控方案作用下的農業面源污染改善效果。依托上述長期觀測、模型模擬與機制分析等研究基礎，可選擇太湖流域典型農業圩區，開展面源污染治理技術的示范應用，跟蹤評估典型示范區的水質改善效果，打造平原河網區農業面源污染的治理樣板。