循环型农业清洁流域建设——以柘皋河流域为例

王 芊 郑利杰 朱昌雄*

(1.中国农业科学院 农业环境与可持续发展研究所/农业农村部农业环境重点实验室，北京 100081;2.生态环境部环境规划院 农村环境保护中心，北京 100012)

随着农业生产的快速发展，化肥及农药大量施用，农业面源污染已成为威胁水体安全的重要原因。20世纪50—80年代，欧美发达国家就经历了严重的面源污染问题，很多地区水体的氮、磷污染负荷加剧[1]。自20世纪80年代以来，我国由于农业面源污染的加剧，直接导致了地下水水质变劣和河湖水体富营养化，主要归咎于农业生产中施用的化肥及农药的低利用率及畜禽粪污的直接排放[2]。为了治理面源污染问题，西方国家采取了技术加政策的方法，在技术层面主要是推广最佳养分管理技术、畜禽养殖配套耕地和处理设施技术、合理轮作技术、有机肥施用分区限时施用技术等，在政策层面则出台了对环境友好型农业技术的补贴措施和违反相关规定的惩戒规定，措施实施后明显改善了水体环境质量[1]。近年来，为治理农业面源污染和缓解环境资源压力，我国提出了化肥农药“两减”目标和“零增长”的方案，力图遏制化肥农药的高投入[3-4]。国内已有围绕面源污染发生规律、污染脆弱区划分、防控技术研发和工程措施设计等方面开展大量研究，为面源污染防控提供了坚实的理论和技术支撑[2,5-7]。

已有研究关注模型模拟方法和污染物输出系数、入河系数等，同时关注基于污染物入河量提出以空间管控和生态修复为核心的防控方案[8-16]。由于面源污染治理涉及到种植业、养殖业、农村生活等多个方面，需要各方面配合开展综合调研和统筹推进治理。在我国长期开展小流域综合治理工作的基础上，水利部提出了“生态清洁小流域”的治理思路，发布了SL 534—2013《生态清洁小流域建设技术导则》，将面源污染治理问题纳入了生态清洁小流域建设内容之中[17]。与此同时，面源污染研究重心开始向技术系统化集成和工程评估转移，着眼于结合工程措施来推动养分用量的削减和区域循环利用[18-24]。

以种养结合循环农业思路指导的有机农业生产模式和农业清洁生产技术是未来解决面源污染的重要方向。已有研究基于水环境容量对面源污染减排率进行计算，结果表明该方法对于制订面源污染防控策略可发挥重要作用[25-27]。然而，目前关于农业清洁流域建设的研究相对较少，因此，本研究借鉴生态清洁小流域建设思路和先进的技术模式，结合“十二五”水专项“流域农业面源污染防控整装技术与农业清洁流域示范”(2015ZX07103-007)的调研数据和成果，拟以巢湖流域内柘皋河流域为典型案例，构建统筹考虑流域水环境容量和种植、养殖、农村生活污染排放的农业清洁流域建设系统和评价指标体系，以期改善我国在流域尺度层面面源污染治理中存在的系统性不强、循环薄弱和技术单一的状况，为流域面源污染系统化治理提供理论依据和技术支撑。

1 研究区域概况

柘皋河流域位于安徽省巢湖市，属巢湖水系，发源于巢湖市与肥东县交界的西大山一带的低山丘陵区，自北向南经栏杆集镇、柘皋镇、夏阁镇、中垾镇注入巢湖，是巢湖的主要支流。柘皋河主河道全长24.4 km，流域总面积 528 km2，其中夏阁河全长23.5 km，流域面积166 km2，是柘皋河最大支流。近年来，由于农村生活污染、农业面源污染、畜禽与水产养殖业污染等原因，该流域地表水水质难以持续保持稳定，安徽省委省政府将柘皋河流域确定为巢湖流域治理“6+1”重点河流之一[28]。全流域可分为12 个小流域治理单元，流域内常住人口约22.1 万人，农村常住人口为17.24 万人，耕地面积3.1 万hm2，14.4 万猪当量(表1)。

表1 柘皋河流域内小流域基本情况Table 1 Basic information of small watersheds in Zhegaohe watershed

2 研究方法

2.1 循环型农业清洁流域评价体系构建

2.1.1循环型农业清洁流域内涵

通过借鉴生态清洁小流域内涵，本研究提出循环型农业清洁流域的概念。以农业污染源排放占总污染排放量的70%以上且工业污染源得到有效治理的流域为治理对象，以提高流域农业氮、磷资源循环利用率为主要目标，以防控流域面源污染的产生为重点建设任务，通过实施种植业和养殖业清洁生产、农村生活垃圾和生活污水治理、种养结合及生态沟渠建设等一系列管控措施，实现流域内水质达标和种植业、养殖业和农村环境整体清洁。在评价体系的建设过程中，以小流域作为基本建设单元开展种植业、养殖业和农村生活污染的防治。小流域规模框为：种植业0.1 万hm2耕地；畜禽养殖业存栏猪当量3 万头；农村常住人口5万人。主要考核指标包括：流域内4～5 级河道水质达到III类标准；生产出绿色安全的农产品；农田氮磷流失显著减少；养殖废弃物资源化利用率达到98%；农村生活污水达到地方标准或资源化利用率达60%。

2.1.2清洁技术体系

本研究对种植业、养殖业、农村生活3 个领域提出19 项清洁生产技术(表2)。

表2 循环型农业清洁流域的清洁技术Table 2 Clean technologies adopted by agricultural clean watershedfeatured with circle characteristics

2.1.3评价指标体系

从环境效益和技术应用两方面提出7 项评价指标：将流域水体水质指标与管理指标作为最重要的2 项指标，其权重比值合计为50%。其中水体水质指标为环境效益指标，权重值为各指标中最高。其余5 项指标则分别关于种植、养殖、农村生活、种养结合及农产品安全5 方面。7 项指标中，除(1)指标为负向指标外，其余6 项指标均按正向指标处理。7 项指标具体阐述如下：

1)水体污染压力指数(WPI)。利用污染足迹法[30]计算小流域的水体污染压力指数，以衡量区域污染严重程度，当水体污染压力指数超过1时按1计。依据“短板效应”按污染最严重的污染物计算。权重值设为0.3。

2)种养循环(RPB)。微生物发酵床的养殖废弃物全循环利用技术(TB10)的覆盖面积与流域耕地总面积的70%之比，种养循环超过1时按1计。权重值设为0.1。

3)畜禽粪污利用指数(UFW)。确保畜禽粪便100%收集且氮、磷资源化利用达98%以上。当以上3个要求均达到标准，畜禽粪污利用指数视为1，否则视为0。权重值设为0.1。

4)面源污染削减指数(RNPL)。种植业面源污染氮、磷排放量要削减30%以上，两者均达到100%时设为1，均低于30%设为0，其余情况按两者削减率乘积计。权重值设为0.1。

5)绿色农产品(GAP)。主要以重金属含量和硝酸盐含量抽检合格率作为评价指标，依照有关标准[31-32]，若全部指标合格则绿色农产品指标值为1，若某一项指标超标则绿色农产品指标值为0。权重值设为0.1。

6)农村生活污染利用(URL)。农村生活污水治理达到地方标准或资源化利用率达到60%，COD、TN、TP的排放标准参照GB18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中一级A标准。当农村生活污水达到治理标准，农村生活污染利用指标值计为0.5或氮、磷资源化利用率达到60%时，该指标计为0.5；当两者同时达到要求时，指标值计为1；否则指标值计为0。权重值设为0.1。

7)技术集成与管理(CTIM)。当地主管部门设立专门管理机构，依据与第三方环境评估机构签订管理协议，依托第三方机构开展如下工作：评估小流域环境容量，制订面源污染防控方案，加强对敏感区域和重点环节的管控，提出为农业主体发放应用清洁技术的生态补偿资金建议清单，在入河断面安装水质仪器开展水质监测和预警。权重值为0.2。根据技术集成度不同分为如下4 种情况：①同时涵盖种植业、养殖业、农村生活3 个领域的技术，其中应至少包含TS2、TP7、TC9、TB11、TB12、TR14和TR18这7 个单项技术，可以视为达到100%集成。各单项技术覆盖占相应污染类别设定规模的比值应达到70%以上，下同；②涵盖种植业、养殖业、农村生活3 个领域中至少2 个领域的技术，且至少涵盖3 类技术，每类技术至少包括①中提到的相应单项技术，可视为50%集成；③种植业中至少涵盖源头削减与过程拦截两类中各自1 项技术，或养殖业中同时涵盖TB11和TB12技术，或农村生活中同时涵盖TR14和TR18技术，可视为25%集成；④其余情况视为零集成。

2.2 氮磷排放量及入河量

基于巢湖流域统计资料设置本流域内的稻麦轮作、菜地、果园三者的耕地比例分别为93.6%、5.1%、1.3%。农村生活污水处理率设为0.1。种植业中蔬菜和果树产排污系数基于第一次全国污染源普查数据，稻麦轮作数据主要基于实验数据(未发表)和文献结果[33]；养殖业产排污系数通过对2 篇文献中的粪污养分浓度与粪污产生量相乘计算得到[34-35]；农村生活污水产排污系数参考与本流域邻近的太湖流域数据[36-37]，并根据调研数据调整了农村生活污水的产排污系数。种植业、养殖业和农村生活污水3种污染源入河系数参考太湖流域数据[37]。不同污染源氮、磷排放和入河系数见表3。

表3 面源污染3大来源产排污系数和入河系数Table 3 Generation & export and discharge into river coefficients of non-pointsource pollution originated from three major sources

参考输出系数模型计算流域排放量[14]。

(1)

式中：Li为第i种污染物的年排放量，t；Ai,j为第i种污染物第j种污染源的耕地面积或农村常住人口或猪当量(其中，i=1，2，分别为氮和磷；j=1，2，3，分别为农田、畜禽养殖和农村生活三大污染源)；Ei,j为第i种污染物第j种污染源的产排污系数。

根据输出系数模型与入河系数计算流域的入河负荷。

(2)

式中：Ri为第i种污染物的年入水负荷，t；Li,j为第i种污染物第j种污染源的年排放负荷(其中，i=1，2，分别为氮和磷；j=1，2，3，分别与农田、畜禽养殖和农村生活三大污染源)；λi,j为第i种污染物第j种污染源的入河系数。

2.3 水环境容量

柘皋河流域的水资源总量(Vw)按1.5 亿m3计，水体中氮、磷的本底浓度(B01、B02)按1.15 mg/L、0.06 mg/L计，水质降解系数按0.1计[37-40]。氮、磷水环境容量(Qi，t)计算公式如下[41]：

Qi=Vw·(B4，i-B0，i)·10-6+C0，i

(3)

式中：Qi为第i类污染物的水环境容量，t；Vw为水资源总量，m3；B4,i为地表水环境质量标准(GB 3838—2002)规定的第Ⅳ类水体的i类污染物含量，取值分别为1.5、0.3，mg/L；B0,i为水体中i类污染物含量本底值，mg/L；C0,i为水体对i类污染物的同化能力，t。

水质同化能力按下式计算[42]：

C0,i=Ki·Vw·Cs·10-6

(4)

式中：Ki为i类污染物的水质降解系数，L/d；Cs为该水体相应水质标准浓度，此处按B4,i计。

2.4 农田径流污染减排率

设定Ri=Qi，通过计算求出Qi、Ri,2、Ri,3各值，并将其代入下式：

R′i,1=Qi-Ri,2-Ri,3

(5)

式中：R′i,1为农田径流第i类污染物入河量目标值，t；Qi为第i类污染物的水环境容量，t；Ri,2为畜禽第i类污染物年入水负荷，t；Ri,3为农村生活第i类污染物年入水负荷，t。

农田径流污染物产生量目标值(L′i,1)：

(6)

式中：L′i,1为农田第i类污染物产生量目标值，t；λi,1为农田第i类污染物入河系数。

通过比较农田径流污染物产生量的实际值(Li,1)与目标值(L′i,1)，可求得农田径流污染减排率(RLRFi,1)：

(7)

式中：RLRFi,1为农田第i类污染物减排率，%；Li,1为农田第i类污染物产生量实际值，t；L′i,1为农田第i类污染物产生量目标值，t。

3 结果与分析

3.1 柘皋河流域氮磷排放量及减排率

根据“十二五”水专项“流域农业面源污染防控整装技术与农业清洁流域示范”的调研，可计算出常规种植方式下氮、磷年排放量分别为904.9和45.3 t；对于畜禽养殖业，氮、磷年排放量分别为203.5 和63.3 t；对于农村生活污水，氮、磷年排放量分别为814.7 和59.7 t。种植业、养殖业和农村生活氮、磷年排放量合计值分别为1 923.0 和168.0 t。种植业、养殖业和农村生活3 大来源氮磷排放量所占比例见图1。如图1所示：柘皋河流域内氮排放量中以种植源所占比重最高，磷排放量以畜禽源污染所占比重最高，两者分别占总量的47%、38%；氮排放量中农村生活源比重约为养殖源的4 倍，分别为42%、11%；磷排放量中农村生活源比重高于种植源，分别为35%、27%。

图1 柘皋河流域种植业、养殖业和农村生活3大来源氮和磷排放量比值Fig.1 Proportion of discharge load from 3 major types of non-point source pollution comprising planting, breeding and rural domestic sewage for N and P in Zhegaohe watershed

根据式(3)和(4)，可计算出柘皋河流域的氮磷水环境容量(Q1、Q2)分别为74.6 和81.0 t。对氮而言，若未对养殖业和农村生活污水加以资源化利用，两者的氮入河量达到80.0 t，超出水环境氮容量(74.6 t)，种植业无可利用的入河空间。若采取资源化利用措施，两者氮入河量之和为17.2 t，种植业氮剩余入河空间为57.4 t，可得出种植业氮减排目标和减排率分别为334.8 t和37%。对于磷而言，柘皋河流域水环境容量为81.0 t，采用资源化利用措施与否留给种植业的磷入河空间分别为68.6 和79.6 t，均高于种植业现状入河量，表明流域磷环境容量空间充足。

3.2 柘皋河流域减排技术实施效果

种植业是面源污染治理的重点，按稻麦轮作、蔬菜、果树3 类种植类型，结合水稻、小麦、蔬菜、果树种植集成技术体系和减排效果参数，可计算出种植业的氮磷减排量(表4和表5)。由表5可见作物种植集成技术的氮磷减排量分别为429.5 和23.5 t，超出了3.2 节中计算出的334.8 t的减排目标。生态沟渠工程的氮、磷减排率可达48.1%、40.2%，该工程可进一步削减种植源氮磷排放量分别为228.7 和8.7 t。

表4 不同技术的氮磷径流流失减排效果Table 4 Reduction rate of N and P run off load of combined-technologies ofmajor engineering technologies for planting industry

表5 柘皋河流域种植业面源污染氮磷减排量Table 5 N and P runoff reduction for planting industry in Zhegaohe watershed

3.3 柘皋河流域初步评价

本研究仅对采取相应治理措施后污染压力指数、种养循环，畜禽粪污利用、面源污染削减率、绿色农产品达标率、农村生活污染利用、技术集成与管理7项指标开展评价。由于调研数据有限，设定种养循环，畜禽粪污利用、绿色农产品达标率、农村生活污染利用4 项指标值均达到标准权重值0.1，技术集成与管理指标为标准权重的1/2(0.1)。对于水体污染压力指数，按未占用的氮的水环境容量的比率计算，且仅考虑氮指标，计算得出水体污染压力指数为0.132，面源污染削减率指标为0.052。通过对各指标值加和得到流域合成值为0.684。可见，在4 项指标均达到标准权重值时，流域合成值仍不高，这与本研究中选用相应的减排参数及水体本底污染有关。因而也表明流域的管理状况不佳，未能真正发挥技术组合间的整装联动作用，因此本研究中将技术集成与管理指标值相应调低。今后应进一步增强减排措施的效果，并开展水体修复治理工程，完善环境治理的市场运作机制。

4 讨 论

随着农业内部分工细化和农业生产规模化发展，种植业和养殖业间的天然养分链条在现代生产条件下被人为地打断，农业面源污染问题因氮磷养分的循环不畅变得日益严峻，农村生活污染逐渐成为部分地区面源污染的重要来源，构建循环型的农业清洁流域在此背景下应运而生[43]。

流域内水环境容量是确定种养规模的前提，在一定环境容量内，水体可对流入其中的氮、磷等营养物质起到净化作用[44]。已有研究利用水文水质模型模拟巢湖水环境容量，并计算出各小流域的年最大允许入湖量，其中柘皋河流域的总氮、总磷最大允许入湖量分别为600和70 t[38]，与本研究所计算出的两者环境容量约为80 t不一致。究其原因：一方面是该研究依据巢湖水环境容量计算各小流域最大允许入湖量较高，故而计算出的总氮最大允许入湖量较高；另一方面，也与不同入湖流域的总氮、总磷负荷所占比例差别及不同湖区水质管理目标有关。柘皋河总磷入湖量在东部湖区居于首位，其余总磷重污染流域集中于西部湖区，且东部湖区对应的水质管理目标高于西部湖区，因而总磷70 t的最大允许入湖量与本研究计算结果相近。双桥河流域是与柘皋河流域相邻的一条小流域，该流域流经巢湖市区，主要污染源为城市生活污染，研究表明仅铵态氮尚存水环境容量(38.42 t)，总磷已无环境容量[45]。由于城市生活污水中磷养分较多，而农田径流中氮较多，造成了2个流域氮、磷环境容量的差别。

实际入河量与环境容量之比可以反映流域内污染的严重程度。如在太湖流域常州和宜兴市的农业污染压力研究表明：大多数乡镇的农业面源氮、磷污染量已经超出了水环境容量，部分地区污染压力值高于3[46]。运用SWAT模型和水质模型模拟浙江省苕溪流域不同子流域的水环境容量与面源污染排放量，结果表明流域内污染压力总体较高，总氮的压力值超过2[47]。本研究中计算出的氮现状污染压力值同样高于2，而磷的污染压力值低于1。由于太湖流域、苕溪流域的生活污染相对较为严重，在苕溪流域养殖源氮、磷产生量为种植源的5～10倍，使得生活和养殖源磷污染比重升高。从巢湖面源污染来源结构来看，源于生活和养殖业的磷入湖量占总入湖量的50%[48]，因而以种植业占优势地位的柘皋河流域磷污染压力相应较低。

开展“种植-养殖-农村生活”内部的养分循环模式可以有效减轻污染压力，但是仍需要通过加强流域环境管理，引入市场化运行机制。除本研究提到的第三方运营机制外，还可通过加强园区建设和综合运用配额、税费、补贴等政策和经济手段，为循环产业链条的发展创造必要的硬件条件和适宜的外部环境[49-50]。今后研究在考虑水环境容量限制的基础上，也应考虑土地承载力以优化流域内种养比例，从而维持高水平的养分循环率[51]。

5 政策建议

循环型农业清洁流域建设应以“山水林田湖草沙”思想为统领，促进流域内农业生产与生态环境的良性循环。在不突破水环境容量和粪污土地承载力的前提下实施种植、养殖、农村生活各环节的面源污染减排措施，结合“种养生”循环链条将减排措施有机结合起来，实现流域内养分资源的循环利用和污染排放量降低，最终达到降低环境污染压力的效果。具体的减排措施方案见图2。循环型农业清洁流域建设首先要考虑水环境容量，并根据土地承载力限定流域内养殖规模。由于本流域磷环境容量空间较为充足，因而面源污染减排方案主要针对氮的减排措施。在图中构建的循环链条中，通过农村生活污水处理、畜禽粪污堆肥等可以大幅削减排放量，分别达到489 和200 t。种植业的氮排放量最高，达到905 t，通过削减430 t 即可实现种植业减排目标。今后宜加强流域内部氮养分由种植业向养殖业和农村生活环节的流动，以减少循环系统外部养分输入。也应加强生态沟渠的建设，可以进一步削减229 t。

具体建议如下：

首先，要依靠市场的力量开展治理，与第三方市场主体签订合同，明确第三方的工作任务。主要包括：加强对流域内关键水质断面进行水质监测，确定环境敏感区域，制定面源污染防控方案，提供清洁环保技术指导，并监督技术的实施，提出发放生态补偿资金建议。参照与本流域条件相似的太湖流域的研究，可根据财力按700～2 700 Yuan/hm2补贴采用清洁种植技术的农田[52]。优化养殖业的空间布局，根据稻麦轮作农田基于氮估算的畜禽粪污土地承载力推荐值(猪当量34.5 头/hm2)[51]，可计算出柘皋河流域的土地承载力为猪当量107 万头(图2)。

方案改编自Rosemarin等[50]。The scheme is adapted from Rosemarin et al.[50].图2 柘皋河循环型农业清洁流域建设方案Fig.2 Construction scheme of circular agricultural clean watershed for Zhegaohe watershed

其次，要加强流域基础设施建设，在面源污染敏感区域修建能有效削减氮磷径流的塘堰湿地和生态沟渠系统；开展高标准农田建设，完善田间路网和管线铺设，方便田间灌溉和有机肥的施用；开展农村生活污水处理厂及管网建设，并同农田灌溉管网有效衔接，能将处理达标后的生活污水用于养分循环利用；发展生态农业、有机农业等标准化农业，推动水肥一体化、减肥减药、精准施肥等环保技术的应用，为养殖业产生的有机肥资源提供消纳场所。

最后，加大对养殖业污染治理力度，按照土地承载力严格控制养殖规模，引导养殖业规模化发展。推广节水、节料等清洁养殖工艺和干清粪、微生物发酵等实用技术，实现源头减少粪污总量。配套建设前段处理设施、厌氧消化设施、厌氧消化剩余物利用设施等，考虑有机肥最佳施用半径建设废弃物资源化中心。加大对于有机肥施用机械和还田技术的研究，发展有机肥施用专业合作组织，推动有机肥还田利用。

致谢

感谢江苏省农业科学院杨林章研究员对农业清洁流域建设思路的重要建议。