太湖流域平原农业面源污染模拟与管控的思考

黄佳聪，张京，季雨来，2，高俊峰

（1.中国科学院南京地理与湖泊研究所中国科学院流域地理学重点实验室，南京 210008；2.中国科学院大学，北京 100049）

随着工业废水等点源污染逐步得到控制，农业面源污染已成为我国河湖水污染的重要来源，管理部门对农业面源污染的重视程度与治理力度是前所未有的[1]。而在我国长江中下游的太湖流域平原河网区，农业面源污染管控与治理长期面临独特难题，即复杂水文条件导致污染来源不清，重点管控对象不明确，缺乏理想管控空间单元，因此有必要针对太湖流域平原河网区，剖析区域的独特水文与氮磷迁移转化规律，探索有利于农业面源污染管控的空间单元，因地制宜地发展农业面源污染管控的新途径、新方法，形成易复制、可推广的农业面源污染管控模式[2-3]。

1 平原河网区农业面源氮磷污染问题

太湖流域平原河网区人类活动强度大，农业发达，化肥农药与鱼虾饵料等农业投入品的过量使用，导致农业面源污染问题突出。其中农田耕作与坑塘养殖尾水排放规模大，并且以小散农户经营为主，空间分布分散，尾水排放时间不定，导致农业面源污染的责任主体不明，管控难度大，制约了区域水环境质量的根本性好转。

（1）农田耕作氮磷流失严重。2020 年太湖流域耕地面积高达16 278.9 km2，占流域面积的44.1%[4]，主要农作物为水稻、小麦及少量经济作物（油菜），其中稻麦轮作农田的氮、磷施用量高达33.3、14.6 kg·hm-2·a-1[5]，但氮磷肥利用率较低（28%~41%）[6-7]，剩余氮磷则储存或排放到水土气环境中，进而通过降雨淋溶、下渗等途径汇入周边河湖。同时，长期过量氮磷施用造成了农田土壤氮磷遗留量不断累积，成为周边河湖氮磷污染的重要来源[8]。

（2）池塘养殖污染问题突出。太湖流域养殖池塘总面积高达1 308.6 km2，养殖密度大、饲料肥料投入量大，养殖期间换水与淤泥清理是农业面源污染的重要来源，尤其是太湖东部与南部（苏州、湖州）和洮滆水系（常州）是池塘养殖的密集地区。根据现场调研与模型核算，太湖流域养殖池塘类型主要包括鱼塘与虾蟹塘，氮、磷流失总量分别高达11 014、1 627 t·a-1[9]，其中鱼塘氮、磷污染负荷分别高达115.5、16.5 kg·hm-2·a-1，远高于虾蟹塘（21.4、4.4 kg·hm-2·a-1）[10]。为防控池塘养殖污染，国内学者发展了机械过滤、微生物净化、人工湿地拦截等养殖尾水净化与循环利用技术，但受限于成本、场地而尚难以在太湖流域大规模推广应用[11-12]。

（3）面源污染来源与贡献比例不清。太湖流域平原河网区农业面源污染类型多样（种植业与养殖业等）、空间分布范围广、产生具有一定随机性，导致面源污染来源十分复杂；与此同时，河网沟塘交错复杂，地势平坦，水流缓慢，往复流现象明显，地表水、地下水、土壤水之间存在频繁的相互补给，农田、池塘、生活污水等不同类型污染源排放并汇合于周边河网、沟渠与坑塘，造成面源污染迁移转化途径错综复杂。面源污染来源多样、排放随机与迁移转化复杂导致监测与追踪难度大，污染来源与贡献比例难以精准解析，治理重点对象与目标无法明确。

2 平原圩区系统独特性及其对农业面源污染模拟与管控的启示

圩区是流域下游平原易涝区筑堤围垦形成的相对封闭的人工集水单元，即平原河网区的破碎化流域，其广泛分布于长江、湄公河、莱茵河、多瑙河、密西西比河等全球大江大河的沿江滨海地区，其中太湖流域平原河网区分布尤为广泛（2 539 个，10 627 km2）[13-14]，占平原区面积的近60%（附图 1，扫描文章首页OSID码浏览），主要包括城市圩、城镇圩、农业圩等类型，氮、磷流失总量分别高达16 296[13]、1 916 t·a-1[15]。其中平原农村地区圩区基本以农业圩形式存在，其是农田耕作与池塘养殖等农业活动的密集区，是平原河网区农业面源污染管控的关键地理单元[16]。与此同时，圩区水文与氮磷循环过程受自然条件和人工控制的双重影响，具有与山丘区不同的农业面源污染产排过程，是平原河网区农业面源污染管控的独特地理单元，制约了国际自然地理学关于平原区水文与氮磷循环的研究[16-17]。

（1）圩区具有独特的水文与氮磷输移过程。与自然集水单元（山丘区）相比，圩区相对封闭，具有独特的水文与氮磷输移过程，体现在：①氮磷输移过程的不连续性。圩区水文过程被堤坝和泵站所分割，其氮磷输移受自然条件和人工闸泵（灌溉抽水、洪涝排水、涵洞引排水）的双重影响，形成“陡涨陡降”的氮磷输移过程；稻季期间，通过泵站抽水/涵洞引水满足稻田灌溉需求，是圩外河流氮磷输入的重要途径，圩内河流、沟渠、坑塘的水文也有不同程度上升，人为改变了氮磷输移过程；麦季期间，圩内农田需水较少，圩区降雨径流可通过涵洞外排；强降雨期间，外围河流水位普遍高于圩内地面高程，圩内积水无法通过涵洞自流外排，排涝泵站排水成为圩区氮磷外排的重要途径（图1）[17-19]。②氮磷输移路径的不确定性。圩区地势平坦、地下水埋深较浅，在灌溉抽水、洪涝排水、涵洞引排水等人工控制水文过程的作用下，沟塘地表水、地下水、土壤水之间存在频繁的水体交换，这是圩区氮磷输移的重要路径，因此与自然集水单元不同，圩区氮磷输移路径主要受上述3 个水位变化驱动，存在显著的动态变化特征[18]。

图1 太湖流域典型农业圩区及其人工控制水文过程[19]Figure 1 Typical agricultural polders at Lake Taihu basin and their artificially controlled hydrological processes[19]

（2）圩区水文与氮磷输移过程模拟方法有待改进。现有的SWAT、HSPF 等流域模型适用于山丘区，但无法模拟平原圩区的独特水文与氮磷输移过程。在此背景下，国内学者主要通过以下两种途径实现圩区水文与氮磷输移过程的模拟：一种是直接采用与改进现有流域模型，提升模型对圩区水文与氮磷流失模拟的适用性与精度，但受限于现有模型模拟框架的可拓展性，尚难以充分刻画圩区的独特水文与氮磷输移规律[20-22]。另一种途径是自主研发适用于圩区系统的水文与氮磷输移过程模型，其中中国科学院南京地理与湖泊研究所选择太湖流域典型农业圩区（常州尖圩），开展了连续10 a（2013—2022年）的气象、水文与面源氮磷流失过程监测与控制实验，构建了一套水位驱动的圩区污染物输移模式，研发了具有自主知识产权的圩区水文与面源氮磷污染模型（NDP、PDP）（图2）[18-19]；量化核算了太湖流域所有圩区氮磷污染负荷的空间分布与季节变化，解析了氮磷的来源组成与迁移转化的关键路径，明确了全流域圩区氮磷流失总量（氮19 965 t·a-1、磷1 916 t·a-1）及其对太湖外源污染负荷的贡献[13，15]；通过模拟情景的设计与模拟，识别了农业圩区氮磷污染的主控因子及其时空变化规律，发现了沟塘水生植物群落与盖度是氮磷拦截的关键要素，提出了以圩内沟塘等小微湿地为核心的面源氮磷削减模式，预测了不同削减模式的氮磷污染管控效果，优选出最佳的氮磷削减模式[23-24]。但上述模型与案例研究重点关注的是圩区水文驱动下的氮磷输移过程，但对土壤水文与氮磷生物地球化学循环等缺乏三维立体的精细化刻画。

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

（3）圩区具有农业面源污染管控的优势。圩区内部广泛分布的用于输水与储水的沟塘（沟渠与坑塘）已被广泛证明具有显著的氮磷拦截效应。全国31 个沟塘氮磷拦截方面的研究案例显示，沟塘氮、磷拦截率均值分别高达47.9%与45.1%[26-29]（附表1，扫描文章首页OSID码浏览），氮磷拦截率较高的点位主要分布在长江中下游平原河网区（图3），其中圩区沟塘的氮磷拦截效应更加明显，主要原因包括：①圩区沟塘向外围河流排水集中于强降雨期间，在中小雨期间，圩内农业尾水排放后滞留于圩内沟塘，不直接排放到圩外河流，有利于氮磷拦截[24]。②圩区地势平坦，沟塘水流缓慢，有利于颗粒态氮磷自然沉降；同时，沟塘中广泛分布的大型水生植物可吸收水体氮磷，提供碳源，促进反硝化，提升氮磷拦截能力[23，30]。

图3 我国沟塘氮、磷拦截率（文献调研方法获取）Figure 3 Retention rate of nitrogen and phosphorus at ditches and ponds in China（obtained from previous publications）

3 平原圩区农业面源污染管控与研究建议

过去几十年，我国圩区管理与利用侧重发挥其防洪与灌溉功能[14，21]；而圩区具有空间边界清晰、水量可调控、沟塘广泛分布等适合农业面源污染管控的优势，因此有必要据此优势，探索农业面源污染最大化

拦截的管控措施，充分发挥圩区这一具有历史智慧、文化价值的古老水土资源管理模式。

（1）以圩区为基本单元，管控农业面源污染。现有农业面源污染管控主要以行政区为基本单元，无法科学诊断其产生根源与输移规律；而圩区是几千年形成的、完全人工控制的物理单元，具有清晰边界与水量人工调控的独特性，有利于水量与污染物来源与输移过程的追踪，可作为农业面源污染控制的理想单元。建议从圩区系统的整体角度出发，分类型梳理圩区面源污染在源头排放-沟渠输送-坑塘截留等环节的特征，优化整合农田、沟渠、坑塘等单元面源污染的针对性治理技术，形成专项技术组合的最大合力，实现面源污染拦截“1+1>2”的叠加效应，突破太湖流域平原区农业面源污染管控的创新模式。

（2）研发圩区农业面源污染精准治理的关键技术。以圩区为农业面源污染的基本管控单元，综合运用数值模型与同位素等污染溯源技术，精准解析农业面源污染的关键源区及其贡献比例，模拟面源污染的沿程消纳过程，辨别导致农业面源污染的主控因子及其季节变化；针对圩区水文的闸泵人工控制、水体滞留时间长等特点，探索圩区水体与氮磷的减排控排模式，形成农业面源污染的相关管控方案，预测不同组合方案作用下的农业面源污染强度，整合形成一套具备污染溯源、主控因子辨识、管控方案优选功能的精准治理技术，实现圩区农业面源污染的“科学诊断”与“对症下药”，综合解决圩区的防洪灌溉和农业面源污染问题。

（3）开展圩区农业面源污染治理的典型示范。近几十年来，太湖流域农业面源污染备受重视，我国学者针对圩区或圩内地块，围绕面源氮磷污染问题，开展了系列跟踪监测与野外实验，积累了长期的历史观测数据，发展了稻田、沟渠、坑塘等单元面源污染减排与拦截的专项技术，从不同空间尺度，研发了适用于太湖流域的面源污染模型，预测了不同管控方案作用下的农业面源污染改善效果。依托上述长期观测、模型模拟与机制分析等研究基础，可选择太湖流域典型农业圩区，开展面源污染治理技术的示范应用，跟踪评估典型示范区的水质改善效果，打造平原河网区农业面源污染的治理样板。