三峽庫區典型流域水質時空特征及污染防控策略

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

三峽庫區典型流域水質時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. 湖北省農業科學院植保土肥研究所/國家農業環境潛江觀測實驗站/湖北省農業面源污染防治工程技術研究中心，武漢 430064；2. 武漢理工大學資源與環境工程學院，武漢 430070；3. 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081；4. 興山縣農業農村局，興山 443700）

為了解三峽庫區典型小流域不同土地利用類型下水質的變化特征，于2015—2020年對三峽庫區長坪小流域開展水質監測，對不同土地利用類型下水體中的總氮（Total Nitrogen，TN）、硝態氮（NO3--N）、氨氮（NH4+-N）、總磷（Total Phosphorus，TP）、可溶態總磷（Dissolved Total Phosphorus，DTP）和顆粒態總磷（Particulate Phosphorus，PP）濃度的時空變化規律進行研究，識別流域內主要氮磷污染源，從而提出針對性的污染防控策略。結果表明：1）不同土地利用類型氮磷輸出濃度從大到小依次為村莊、坡耕地、林地和水庫，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）不同土地利用類型的水質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、林地和水庫則表現為汛期高于非汛期。3）內梅羅綜合污染指數評價結果表明林地和水庫的污染程度均為清潔水平，坡耕地污染程度為輕污染水平，村莊受散養生豬數量的影響，污染程度從污染水平轉變為重污染水平。4）長坪小流域TN和TP年輸出負荷總量分別為4 278.59和364.93 kg/a。畜禽養殖源是小流域氮磷最主要的污染源，其TN和TP的輸出負荷分別占流域總負荷的45.69%和71.77%。坡耕地的TN和TP單位面積污染負荷分別是村莊的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，可促進流域內糞污的就地消納，達到多源共治的效果?；谛×饔虿煌恋乩妙愋偷乃|特征和生態系統服務功能，將流域劃分為林草水源涵養區、村莊污染控制區和坡耕地水土保持區，并進行分區協同防控，促進流域農業面源污染系統高效治理。

水質；土地利用；空間分布；三峽庫區；典型流域；農業面源污染；分區協同防控策略

0 引 言

農業生產活動和農村生活產生的氮（N）和磷（P）是造成水體富營養化的重要因素[1]。近年來，隨著點源治理力度的增大，由農業生產活動和農村生活引起的農業面源污染已成為目前水體氮磷污染的最主要來源[2]。因此，研究不同土地利用類型對流域水質變化的作用，對流域的污染防控和居民居住環境改善具有重要的意義。

土地利用類型作為水質變化的主要因素之一，隨著時空尺度的變化對河流水質產生不同的影響[3]。閔惠琳等[4]的研究發現各形態氮的濃度均表現出村莊最高，其次為梯田和河流，林地濃度最低的分布特征；王曉燕等[5]對石匣小流域不同土地利用類型中氮磷流失特征的研究發現，徑流中氮磷的濃度排序為村莊＞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，建設用地和坡耕地導致水質惡化[6-7]。彭勃等[8]對清源河小流域的研究發現，耕地和建設用地面積越大，臨近水體污染越嚴重，林地和草地則對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現，氮素輸出濃度與居民區和坡耕地正相關，與林地負相關，居民區和坡耕地是主要的氮素輸出源。季節性的變化對流域水質有重要影響，華玲玲等[10]對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]對鄂西長江小流域的研究發現氮素濃度呈現春夏高，秋冬低的特征。然而，不同流域的土地利用類型不同，受自然和人類活動的影響，土地利用和水質之間的關系并不總是一致，流域水質的空間和時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，在長江流域經濟開發與水文治理中發揮了重要作用，取得了顯著的經濟效益和社會效益，但同時也對生態環境造成了影響[12]。三峽工程的建成，使庫區的土地利用類型發生變化，增加了對陡坡地的開發利用，且庫區人口稠密，土地利用強度大，再加上不合理的畜禽養殖和農事操作，庫區農業面源污染問題缺少有效處理[13]。三峽庫區水土流失嚴重，大量氮磷營養物質隨地表徑流和泥沙流失而流失，導致三峽庫區水質下降和水體的富營養化[14-15]。因此有必要深入了解該地區不同土地利用類型對水質的影響，根據不同土地利用類型的水質特征，提出系統高效的污染防控策略。

小流域是一個相對獨立的系統，是污染產生的源頭，可以作為面源污染的最佳研究單元[16]。不同土地利用類型水質特征具有差異性，對不同土地利用類型的農業面源污染防控，需要制定針對性的防控策略。因此，本研究選取三峽庫區上游具有較好獨立性和封閉性的長坪小流域作為研究對象，于2015—2020年在長坪小流域進行長期連續的水質監測，結合GIS技術，探討流域內不同土地利用類型對水質變化的影響，并識別流域內氮磷的主要污染源，基于不同土地利用類型水質的保護與治理需求，提出流域農業面源污染的分區協同防控策略，以期為三峽庫區氮磷污染的系統高效防控、水環境改善、土地利用方式優化提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

研究區域長坪小流域（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，是典型的農林復合小流域。流域氣候為亞熱帶季風濕潤氣候，年平均氣溫14.9～18.5 ℃，年均降雨量1 000～1 300 mm，降雨季節分布不均，降雨主要集中在4－9月，具有夏季暴雨多、強度大、歷時短的特點，根據當地實際降雨情況將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，集水區徑流匯聚于唯一出口后流入古夫河，再匯入香溪河。主要土壤類型為黃棕壤，土層淺薄，抗蝕性差。主要土地利用類型為林地、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、土壤類型和種植模式方面具有典型的三峽庫區特征。

1.2 監測點布置

長坪小流域村莊、坡耕地、林地和水庫的土地面積之和占長坪小流域總面積的99%以上，因此在小流域自上而下選取11處水質監測點分別代表村莊、坡耕地、林地和水庫對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的支流作為采樣點，采樣點位于支流與干流交匯的上方，水庫采樣點位于水庫出水口。

圖1 流域土地利用類型及采樣點分布

1.3 水樣采集與分析

水樣采集時間為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點混合），以保證水質樣品的代表性。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，并及時送回實驗室分析測試。測定指標為總氮（TN）、硝態氮（NO3--N）、氨氮（NH4+-N）、總磷（TP）和可溶態總磷（DTP）。TN采用堿性過硫酸鉀氧化—紫外分光光度法測定（HJ636－2012），NO3--N采用紫外分光光度法測定（HJ/T346－2007），NH4+-N采用靛酚藍比色法測定，TP采用過硫酸鉀氧化—鉬藍比色法（GB11893－1989）測定，水樣經0.45m微孔濾膜過濾后，測定DTP，測定方法與TP相同；顆粒態總磷（PP）濃度為TP濃度與DTP濃度之差。

1.4 研究方法

1.4.1 單因子污染指數法

單因子污染指數法[17]是用來評價單項水質指標是否達到水體功能標準及其超標程度。計算公式為

式中P為單因子污染指數；D為該斷面第項污染指標的年平均值；D0為第項污染指標的評價標準值。

1.4.2 內梅羅污染指數法

內梅羅污染指數法最早是由Nemerow[18]提出的，將某單項水質指標的實測濃度與地表水環境質量中的標準限值進行對比，計算出綜合指數，并根據分級標準評價水體污染程度。內梅羅污染指數兼顧了單因子污染指數的平均值和最大值，且突出最大污染指標對水體污染的影響，更能反映水體的實際污染程度[19]。具體公式如下：

式中為內梅羅指數，max是P的最大值，P是P的平均值。

1.4.3 輸出系數模型法

輸出系數模型是通過對研究區域內不同污染源類型的污染負荷進行求和，最后得到該區域的污染總負荷，其模型方程[20]如下：

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

農業面源污染來源主要包括農村生活源、畜禽養殖源和種植業源，農業面源污染輸出系數受農村生活方式、養殖模式、種植模式和土地利用類型的影響而有所不同[21]。因此，本研究在綜合考慮小流域農村生產生活方式的基礎上，借鑒三峽庫區農業面源污染相關研究[22-25]，確定各污染源的輸出系數。具體輸出系數取值見表1。

表1 各污染源輸出系數

1.4.4 污染防控分區劃分

參照《全國生態功能區劃（修編版）》劃分方法，從流域面源污染治理角度，根據流域內不同土地利用類型水質污染程度和生態系統服務功能差異，將流域內的土地利用類型劃分為不同的防控分區。

1.4.5 數據分析

采用Excel 2020進行數據處理，采用Origin 2018繪圖，采用ArcGIS 10.2繪制流域土地利用類型及采樣點分布圖。

2 結果與分析

2.1 水質的空間變化特征

2015－2020年長坪小流域不同土地利用類型的水質特征統計分析見表2。TN平均濃度從高到低依次為村莊、坡耕地、林地、水庫，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，NO3--N是氮素流失的主要形態，占TN的55.24%～81.60%。NH4+-N平均濃度變化規律與TN和NO3--N不同，從高到低依次為村莊、水庫、林地、坡耕地，不同土地利用類型的NH4+-N濃度均較低，村莊、水庫、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，平均濃度分別為0.25、0.13、0.09和0.07 mg/L。綜上，長坪小流域各土地利用類型中，村莊的氮磷輸出濃度最高，坡耕地次之，林地和水庫的氮磷輸出濃度均較低。同時在長期監測中發現，氮磷濃度變化較大，原因可能是受土地利用類型、降雨、施肥和時空變化等因素的影響。

表2 不同土地利用類型的各形態氮磷濃度統計分析

注：不同字母代表差異顯著（<0.05）。

Note: Different letters represents significant difference at<0.05.

2.2 水質的時間變化特征

長坪小流域不同土地利用類型氮磷濃度表現出較強的時間異質性（圖2）。對于不同形態的氮濃度而言，村莊TN、NO3--N和NH4+-N濃度峰值多出現于非汛期的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濃度峰值則出現在每年汛期的5－8月。林地和水庫不同形態氮濃度沒有表現出明顯的季節性差異。對于不同形態的磷濃度而言，TP與TN的季節變化規律相似，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TP濃度較低且變化范圍較小。DTP和PP的變化規律與TP基本一致，村莊DTP和PP濃度峰值多出現在11月至次年2月，與之不同，坡耕地、林地和水庫DTP和PP濃度峰值則多出現在汛期的6－7月。從年際尺度看，村莊氮磷濃度呈波動上升趨勢，坡耕地、林地和水庫沒有明顯變化。

注：DTP為可溶態總磷；PP為顆粒態總磷。下同。

對不同形態氮磷濃度和降雨量進行Pearson相關性分析（表3）發現，村莊的NH4+-N、TP、PP濃度和月降雨量呈極顯著負相關（<0.01），DTP濃度和月降雨量呈顯著負相關（<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（<0.01），林地的TP、PP濃度和月降雨量呈極顯著正相關（<0.01），水庫的TN、NO3--N、TP、顆粒態總磷（PP）濃度和月降雨量呈極顯著正相關（<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性高于林地和水庫。

表3 不同形態氮磷濃度與降雨量的相關性分析

注：*和**分別表示在<0.05水平相關和<0.01水平相關。

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

2.3 不同土地利用類型水質的綜合評價

基于長坪小流域2015－2020年的水質監測數據，采用單因子污染指數法和內梅羅污染指數法相結合的方法，執行GB 3838－2002《地表水環境質量標準》Ⅴ類標準來綜合評價不同土地利用類型水體水質，水質評價結果見表4。

表4 不同土地利用類型年際水質評價結果

注：為內梅羅指數。

Note:is Nemerow index.

從TN污染指數看，2015－2020年間，村莊、坡耕地、林地和水庫的TN污染指數變化范圍分別是2.88～6.41、1.42～1.87、0.67～0.94、0.50～0.82，村莊和坡耕地TN污染指數均大于1，林地和水庫的TN污染指數小于1，村莊和坡耕地的TN超標。NH4+-N污染指數均小于1，TP污染指數總體小于1，長坪小流域水質超標項目主要為TN。單因子評價結果表明2015－2020年村莊和坡耕地水質均為劣Ⅴ類水。內梅羅綜合污染指數評價結果顯示，林地和水庫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變為重污染水平。水質的綜合評價結果表明，水質污染程度從重到輕為村莊、坡耕地、林地、水庫。

從表4可知，村莊內梅羅污染指數呈增加趨勢，內梅羅污染指數從2015年的2.20增加到2020年的4.88，且村莊的內梅羅污染指數顯著高于其他土地利用類型，村莊水質的惡化使小流域整體水質的污染程度不斷增加。坡耕地內梅羅污染指數呈緩慢增加趨勢，這可能與化肥的使用量增加有關。林地和水庫的內梅羅污染指數變化穩定，水質未受到明顯污染。

2.4 不同污染源的氮磷輸出負荷分析

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

表5 不同污染源氮磷污染負荷及貢獻率

2.5 分區協同防控

以三峽庫區典型流域長坪小流域為例，首先按照不同土地利用類型水質污染程度分為清潔、輕污染和重污染；再參照《全國生態功能區劃（修編版）》中生態系統服務功能類型，將流域內不同土地利用類型的生態系統服務功能分為水源涵養、人居保障和水土保持；綜合土地利用類型、污染程度和生態系統服務功能，最終將流域防控分區分為林草水源涵養區、村莊污染控制區和坡耕地水土保持區（表6）。

表6 防控分區劃分

結合流域內污染特征和不同分區的防控目標，制定分區協同防控策略，該策略包括3個方面內容：

1）建立防控分區。將流域分為林草水源涵養區、村莊污染控制區和坡耕地水土保持區。林草水源涵養區：林地是長坪小流域最主要的土地利用類型，林地面積占流域總面積的64.11%，林地出水水質較好（TN 1.57 mg/L，表2）且常年穩定，污染程度為清潔水平（表4），該分區生態系統服務功能為水源涵養，對該區域產生的清水應采取保護策略，避免清水過村后遭受污染。村莊污染控制區：該分區面積17.04 hm2，占流域總面積的5.17%，TN和TP的污染負荷卻分別占流域總污染負荷的60.99%和80.95%，水質較差（污染程度為重污染，表4），同時該分區存在著人畜混居普遍、畜禽糞便露天堆置遇雨流失問題突出的現象，該分區生態系統服務功能為人居保障，應加強污水和糞污的收集、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：該分區占流域總面積的28.73%，TN和TP的污染負荷分別占流域總污染負荷的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，該分區生態系統服務功能為水土保持，應以控制水土流失和氮磷流失為主要防控策略，強化徑流的集蓄和梯級再利用。

2）分區協同防控。通過促進各分區間的水和污染物的流動，建立流域農業面源污染物分區協同防控機制。林地作為水源涵養區，一方面可為村莊提供生活用水，另一方面林地所產清水流經村莊與污水混合后會帶來污水量大、處理難等問題，應在清水入村前進行分流調控，一部分供應村莊用水，其余通過清水通道直接入湖/河；坡耕地單位面積TN和TP污染負荷僅為村莊的7.58%和1.79%，可以通過坡耕地就近就地消納村莊糞便污水，協同實現畜禽養殖糞便污染治理與資源化利用，既可以節約水肥，還可以降低糞污處理成本。

3）重點防控關鍵源和關鍵期。由于不同土地利用類型氮磷濃度在時間上存在異質性（圖2），在汛期，應重點管控坡耕地水土與氮磷流失，不僅要防止氮磷肥的過量施用，還要通過集水池或生態塘等對汛期的徑流進行攔蓄再利用。在非汛期，應重點管控村莊中畜禽養殖糞污污染（畜禽養殖源TN和TP污染負荷比例分別占流域的45.69%和71.77%），糞污貯存和處理設施的設計容積應充分考慮糞污產生與利用的錯期問題。

3 討 論

3.1 時間變化對水質的影響

研究發現，2015—2020年研究區村莊水質呈不斷惡化趨勢，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，內梅羅污染指數評價結果表明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市場行情影響，長坪小流域生豬養殖量增加50%左右。在本研究中，不同土地利用類型氮磷濃度隨季節變化差異明顯，村莊非汛期氮磷濃度高于汛期，該時期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，不同土地利用類型氮磷濃度的季節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的分析結果證實，降雨量和村莊氮磷濃度負相關，和坡耕地、林地和水庫的氮磷濃度正相關。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，農田汛期氮磷濃度高于非汛期。

3.2 土地利用對水質的影響

土地利用類型是影響流域徑流產生、土壤侵蝕和氮磷輸出負荷的重要因素[28]，研究發現，流域內氮磷輸出濃度從高到低依次為村莊、坡耕地、林地、水庫，這與已有的研究結果相似[4]。本研究結果表明村莊和坡耕地對流域水質起負向作用，林地和水庫對流域水質起正向作用，這與范雅雙等[29]的研究結果相同。村莊靠近河道，且村莊的不透水表面的面積較高，道路、屋頂等使污染物更容易匯聚，生活污水和畜禽養殖糞便等直接排放致使大量氮磷污染物進入河道，對河道造成負擔[30]。坡耕地受水土流失以及農業活動等因素的影響，向河道輸入大量氮磷營養物，同時也作為植被或濕地系統吸附，消納污染物，對進入河道的污染物有截留作用[31]。林地植被覆蓋度高，根系發達，可以有效攔截污染物，減少氮磷的輸出。水庫具有較強的自我凈化能力，受人類活動的影響較小，氮磷濃度保持低水平，水庫出水能降低流域河道氮磷濃度。

3.3 流域氮磷輸出負荷的影響因素

在本研究區中，畜禽養殖源是長坪小流域最主要的氮磷污染源，其TN和TP的輸出負荷分別占流域TN和TP輸出負荷的45.69%和71.77%。張維理等[32]的研究發現即使少量的畜禽養殖廢水進入水體，也容易使水體富營養化。李榮剛等[33]對太湖地區水體污染物排放量的研究表明，畜禽養殖排放的TP占水體總量的86.4%。連慧姝等[34]的研究也表明，畜禽養殖源產生的TP占全流域TP產生量的77.24%。在本研究中，農村生活源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引起氮磷濃度的升高，使得河道的局部污染嚴重。種植業源也是小流域重要的污染源，TN輸出負荷占流域TN輸出負荷總量的25.67%，長坪小流域坡耕地基本采用順坡種植，在6－7月氮磷流失風險期，作物處于苗期，地表裸露大，水土流失風險大。因此，減少村莊和坡耕地的氮磷污染負荷輸出，是長坪小流域農業面源污染防控的關鍵。

3.4 流域農業面源污染分區協同防控策略

《關于加快推進長江經濟帶農業面源污染治理的指導意見》中指出要統籌推進種植業、養殖業和農村生活污染防治，系統設計治理方案。因此，需要改變按單個污染源治理的傳統模式，本文從流域面源污染治理角度，基于流域內土地利用類型、污染特征及功能進行防控分區，將流域分為林草水源涵養區、村莊污染控制區和坡耕地水土保持區，依據不同分區的保護與治理需求，實施差別化的管理與協同防控策略。以流域為單元，統籌考慮種植業、畜禽養殖業和農村生活污染排放特征，明確污染治理重點和關鍵期，注重各分區間水和污染物的緊密銜接，以最低成本實現最佳治理效果。

氮磷對于水體是污染物，但是對于作物是生長發育必需的營養物質。對于農業生態系統來說，最好的農業面源污染治理方式是將各個污染源中的氮磷通過土地消納，變廢為寶，實現雙贏。分散養殖的畜禽糞污經過無害化處理后就近就地施用于庭院周邊的坡耕地、果園、菜地中比較經濟可行，既促進糞肥利用，又可減少污染排放，實現生產、生活清潔化。在三峽庫區小流域，由于溝道短，水流急，導致流域自凈能力差，除了考慮土地利用類型外，還應根據流域實際情況，在坡耕地與消落帶或水體交匯處建立臨水生態凈化區，通過生態溝、塘、植被過濾帶或消落帶等凈化后再排入水體，對坡耕地徑流中的泥沙、氮磷和農藥等污染物進行有效截留[35-36]，提升流域自凈能力。

4 結 論

1）不同土地利用類型氮磷輸出濃度具有較強空間異質性，氮磷輸出濃度從高到低依次為村莊、坡耕地、林地、水庫；流域氮磷輸出濃度的季節變化存在顯著差異，村莊氮磷輸出濃度為非汛期高于汛期，坡耕地、林地和水庫則表現為汛期高于非汛期；畜禽養殖源是該流域最主要的氮磷污染源，TN和TP的輸出負荷占比分別為流域總負荷的45.69%和71.77%，對畜禽養殖污染進行合理控制，可有效提高小流域水質；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）根據流域內不同土地利用類型的水質時空變化特征，可將流域分為林草水源涵養區、村莊污染控制區和坡耕地水土保持區，建立分區協同防控策略，促進各分區間的水和污染物的流動，對關鍵污染源和關鍵時期進行重點防控，進而實現對流域農業面源污染的低成本和高效治理。

[1] Chen C, Gao M, Xie D, et al. Spatial and temporal variations in non-point source losses of nitrogen and phosphorus in a small agricultural catchment in the Three Gorges Region[J]. Environmental Monitoring & Assessment, 2016, 188(4): 257.

[2] Francisco J D, Anthony T, Dahlgren R A. Agricultural pollutant removal by constructed wetlands: Implications for water management and design[J]. Agricultural Water Management, 2012, 104: 171-183.

[3] Wu J, Zeng S, Yang L, et al. Spatiotemporal characteristics of the water quality and its multiscale relationship with land use in the Yangtze river basin[J]. Remote Sensing, 2021, 13(16): 3309.

[4] 閔惠琳，宋維峰. 全福莊小流域不同土地利用類型地表水氮濃度動態特征[J]. 水土保持研究，2019，26(1)：92-97.

Min Huilin, Song Weifeng. Dynamic characterization of surface water nitrogen concentration under various land uses in Quanfuzhuang watershed[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2019, 26(1): 92-97. (in Chinese with English abstract)

[5] 王曉燕，王一峋，王曉峰，等. 密云水庫小流域土地利用方式與氮磷流失規律[J]. 環境科學研究，2003，16(1)：30-33.

Wang Xiaoyan, Wang Yixun, Wang Xiaofeng, et al. The character of nutrient loss and land use in a small watershed of Miyun reservoir[J]. Research of Environmental Sciences, 2003, 16(1): 30-33. (in Chinese with English abstract)

[6] 紀仁婧，洪大林，和玉璞，等. 南方低山丘陵區小流域不同土地利用方式下面源污染分布特征[J]. 水資源與水工程學報，2020，31(4)：181-185.

Ji Renjing, Hong Dalin, He Yupu, et al. Non-point source pollution distribution characteristics under different landuses in small watershed in the hilly regions of south China[J]. Journal of Water resources & Water Engineering, 2020, 31(4): 181-185. (in Chinese with English abstract)

[7] 徐啟渝，王鵬，王濤，等. 土地利用結構與景觀格局對鄱陽湖流域贛江水質的影響[J]. 湖泊科學，2020，32(4)：1008-1019.

Xu Qiyu, Wang Peng, Wang Tao, et al. Investigation of the impacts of land use structure and landscape pattern on water quality in the Ganjiang river, Lake Poyang Basin[J]. Journal of Lake Sciences, 2020, 32(4): 1008-1019. (in Chinese with English abstract)

[8] 彭勃，付永勝，趙君鳳，等. 小流域土地利用景觀格局對水質的影響[J]. 生態科學，2019，38(3)：90-99.

Peng Bo, Fu Yongsheng, Zhao Junfeng, et al. Effect of land use landscape pattern on water quality in small watershed[J]. Ecological Science, 2019, 38(3): 90-99. (in Chinese with English abstract)

[9] 吳東，黃志霖，肖文發，等. 三峽庫區小流域土地利用結構變化及其氮素輸出控制效應：以蘭陵溪小流域為例[J]. 環境科學，2016，37(8)：2940-2946.

Wu Dong, Huang Zhilin, Xiao Wenfa, et al. Land use structure change and its control effect of nitrogen output in a small watershed of Three Gorges Reservoir Area: A case study of Lanlingxi watershed[J]. Environmental Science, 2016, 37(8): 2940-2946. (in Chinese with English abstract)

[10] 華玲玲，李文超，翟麗梅，等. 三峽庫區古夫河小流域氮磷排放特征[J]. 環境科學，2017，38(1)：138-146.

Hua Lingling, Li Wenchao, Zhai Limei, et al. Characteristics of nitrogen and phosphorus emissions in the Gufu river small watershed of the Three Georges Reservoir Area[J]. Environmental Science, 2017, 38(1): 138-146. (in Chinese with English abstract)

[11] 梁爽，陳敏，肖尚斌，等.鄂西長江喀斯特小流域氮磷輸出特征[J]. 長江流域資源與環境，2021，30(10)：2471-2481.

Liang Shuang, Chen Min, Xiao Shangbin, et al. Nitrogen and phosphorus output in a small karst basin of the Yangtze River in western Hubei[J]. Resources and Environment in the Yangtze Basin, 2021, 30(10): 2471-2481. (in Chinese with English abstract)

[12] Wang T, Xiao W, Huang Z, et al. Interflow pattern govern nitrogen loss from tea orchard slopes in response to rainfall pattern in Three Gorges Reservoir Area[J]. Agricultural Water Management, 2022, 269: 107684.

[13] Zhang T, Ni J, Xie D. Severe situation of rural nonpoint source pollution and efficient utilization of agricultural wastes in the Three Gorges Reservoir Area[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2015, 22(21): 16453.

[14] 郭萍，夏振堯，高峰，等. 香根草植物籬對三峽庫區坡地紫色土侵蝕的影響[J]. 農業工程學報，2021，37(19)：105-112.

Guo Ping, Xia Zhenyao, Gao Feng, et al. Effects ofhedgerow on the erosion of purple soil of slope land in the Three Gorges Reservoir Area of China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2021, 37(19): 105-112. (in Chinese with English abstract)

[15] Zhang Y, Xie D, Ni J, et al. Conservation tillage practices reduce nitrogen losses in the sloping upland of the Three Gorges Reservoir Area: No-till is better than mulch-till[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2020, 300: 107003.

[16] 楊桂山. 流域綜合管理導論[M]. 北京：科學出版社，2004.

[17] 王文靜，高鵬程，李捷，等. 丹江口水庫典型入庫支流水質評價與趨勢分析[J]. 水資源保護，2016，32(3)：127-130.

Wang Wenjing, Gao Pengcheng, Li Jie, et al. Water quality assessment and trend analysis of typical tributaries of Danjiangkou reservoir[J]. Water Resources Protection, 2016, 32(3): 127-130. (in Chinese with English abstract)

[18] Nemerow N. Scientific Stream Pollution Analysis[M]. New York: McGraw-Hil1, 1974.

[19] 潘犖，黃曉榮，魏曉玥，等. 三種常用水質評價方法的對比分析研究[J]. 中國農村水利水電，2019(6)：51-55.

Pan Luo, Huang Xiaorong, Wei Xiaoyue, et al. A comparative analysis of three common water quality evaluation methods[J]. China Rural Water and Hydropower, 2019(6): 51-55. (in Chinese with English abstract)

[20] Johnes P J, Heathwaite A L. Modelling the impact of land use change on water quality in agricultural catchments[J]. Hydrological Processes, 1997, 11: 269-286.

[21] 龔世飛，丁武漢，居學海，等. 典型農業小流域面源污染源解析與控制策略：以丹江口水源涵養區為例[J]. 中國農業科學，2021，54(18)：3919-3931.

Gong Shifei, Ding Wuhan, Ju Xuehai, et al. Source analysis and control strategies of non-point source pollution in typical agricultural small watershed: A case study of Danjiangkou water conservation area[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2021, 54(18): 3919-3931. (in Chinese with English abstract)

[22] 王萌，劉云，李春蕾，等. 三峽庫區湖北段非點源污染氮磷排放時空分布特征[J]. 水土保持通報，2018，38(2)：46-52.

Wang Meng, Liu Yun, Li Chunlei, et al. Spatio-temporal distribution of pollution loads from agricultural non-point sources nitrogen and phosphorus in Three Gorges Reservoir Area of Hubei province[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2018, 38(2): 46-52. (in Chinese with English abstract)

[23] 第一次全國污染源普查資料編纂委員會. 污染源普查產排污系數手冊[M]. 北京：中國環境科學出版社，2011.

[24] 任天志. 全國農田面源污染排放系數手冊[M]. 北京：中國農業出版社，2015.

[25] 劉佳昆. 基于改進輸出系數模型的澎溪河流域非點源污染研究[D]. 重慶：西南大學，2019.

Liu Jiakun. An Improved Export Coefficient Model to Estimate Nitrogen and Phosphorus Loads in Pengxi River Basin, Three Gorges Reservoir[D]. Chongqing: Southwest University, 2019. (in Chinese with English abstract)

[26] 唐廉，胡曉輝，權冠中，等. 潭江流域水質時空分布特征及其與土地利用的相關性分析[J]. 地球與環境，2018，46(4)：364-372.

Tang Lian, Hu Xiaohui, Quan Guanzhong, et al. Spatial-temporal distribution characteristics of water quality in Tanjiang River Basin and its correlation with land use[J]. Earth and Environment, 2018, 46(4): 364-372. (in Chinese with English abstract)

[27] Xu J, Jin G, Tang H, et al. Response of water quality to land use and sewage outfalls in different seasons[J]. Science of the Total Environment, 2019, 696: 134014.

[28] Chen X, Xu G, Zhang W, et al. Spatial variation pattern analysis of hydrologic processes and water quality in Three Gorges Reservoir Area[J]. Water, 2019, 11(12): 2608.

[29] 范雅雙，于婉晴，張婧，等. 太湖上游水源區河流水質對景觀格局變化的響應關系：以東苕溪上游為例[J]. 湖泊科學，2021，33(5)：1478-1489.

Fan Yashuang, Yu Wanqing, Zhang Jing, et al. Response of water quality to landscape pattern change in the water source area of upperreaches of Lake Taihu: A case study in the upper reaches of Dongtiaoxi River[J]. Journal of Lake Sciences, 2021, 33(5): 1478-1489. (in Chinese with English abstract)

[30] Asnake K, Worku H, Argaw M. Assessing the impact of watershed land use on Kebena river water quality in Addis Ababa, Ethiopia[J]. Environmental Systems Research, 2021, 10(1): 1-14.

[31] Kadir A, Ahmed Z, Uddin M M,et al. Integrated approach to quantify the impact of land use and land cover changes on water quality of Surma river, Sylhet, Bangladesh [J]. Water, 2022, 14(1): 17.

[32] 張維理，武淑霞，冀宏杰，等. 中國農業面源污染形勢估計及控制對策 I.21世紀初期中國農業面源污染的形勢估計[J]. 中國農業科學，2004，37(7)：1008-1017.

Zhang Weili, Wu Shuxia, Ji Hongjie, et al. Estimation of agricultural non-point source pollution in China and the alleviating strategies I. estimation of agricultural non-point source pollution in China in early 21 century [J]. Scientia Agricultura Sinica, 2004, 37(7): 1008-1017. (in Chinese with English abstract)

[33] 李榮剛，夏源陵. 江蘇太湖地區水污染物及其向水體的排放量[J]. 湖泊科學，2000，12(2)：147-153.

Li Ronggang, Xia Yuanling. Water pollutants and their discharges to water bodies in Taihu lake, Jiangsu province [J]. Journal of Lake Sciences, 2000, 12(2): 147-153. (in Chinese with English abstract)

[34] 連慧姝，劉宏斌，李旭東，等. 太湖蠡河小流域水質的空間變化特征及污染物源解析[J]. 環境科學，2017，38(9)：3657-3665.

Lian Huishu, Liu Hongbin, Li Xudong, et al. Analysis of spatial variability of water quality and pollution sources in Lihe river watershed, Taihu lake basin[J]. Environmental Science, 2017, 38(9): 3657-3665. (in Chinese with English abstract)

[35] 張維，孫虹蕾，唐翔宇. 三峽水庫消落帶土壤膠體釋放與遷移特[J]. 農業工程學報，2021，37(1)：188-194.

Zhang Wei, Sun Honglei, Tang Xiangyu. Soil colloid release and transport in the water level fluctuation zone of the Three Gorges Reservoir[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2021, 37(1): 188-194. (in Chinese with English abstract)

[36] 李姍澤，鄧玥，施鳳寧，等. 水庫消落帶研究進展[J]. 濕地科學，2019，17(6)：689-696.

Li Shanze, Deng Yue, Shi Fengning, et al. Research progress on reservoir subsidence zone[J]. Wetland Science, 2019, 17(6): 689-696. (in Chinese with English abstract)

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. 三峽庫區典型流域水質時空特征及污染防控策略[J]. 農業工程學報，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

國家自然科學基金聯合基金項目（U21A2025）

李剛浩，研究方向為農業面源污染防治。Email：lghdc20@163.com

夏穎，博士，副研究員，研究方向為農業面源污染防治研究。Email：xiayinghappy105@163.com