刘 静 路 凤 杨延钊 徐 娜 郭庆伟

(1．山东大学化学博士后科研流动站，山东济南250100;2．山东建筑大学市政与环境工程学院，山东济南250101;3．山东大学化学与化工学院，山东济南250100)

南四湖是我国第六大淡水湖，由南阳、独山、昭阳、微山等4个湖泊组成;同时，南四湖是南水北调东线的必经之路，也是东线调水的调蓄湖泊，是鲁南、苏北地区的重要水源地，因此南四湖水资源状况直接影响整个山东供水的保证率。然而，近20年来，随着污染物入湖量的不断增加，南四湖水环境状况日趋恶化。其中，农业面源污染是导致水体污染和富营养化的主要因素，研究南四湖流域农业面源污染意义重大。

1 南四湖水质现状

近20年来，随着污染物入湖量的不断增加，南四湖水环境状况日趋恶化［1－2］。重要污染源涉及济宁、菏泽、枣庄和徐州4个地区，主要污染源可分为工业废水、生活污水、农田回流水和畜禽及水产养殖非工业点源废水［3］。大量未经处理富含氮、磷有机物的生活污水和工业废水排入南四湖，大大超出了湖水的自净能力，导致湖区大部分河流和水域严重污染，主要表现为氮、磷的富营养化问题，破坏了水域生态系统平衡。

2 南四湖农业面源污染现状

2．1 种植业污染

林治安［4］等人对南四湖流域种植业结构的研究结果显示:1978年以前，调查区粮食作物播种面积18万hm2左右，占农作物总播种面积的95%以上，而经济作物所占比例较小;1978年以来，对种植业结构进行了调整，加大了经济作物的种植比例。经济作物单位面积收入高出粮食作物3．49倍。近年来，粮食种植面积逐渐减少，加快了经济作物的发展。2004年，粮食与经济作物播种比例达到54．9:45．1。

种植业污染主要指与种植业关系密切的农药污染、化肥污染、农膜污染以及农作物秸秆污染。

(1)农药污染。我国是农药生产和消费的大国之一，目前我国农药的生产能力76．7万t，生产农药品种250多种，类型由原来的矿物源农药波尔多液、石硫合剂等，发展到使用有机磷、有机氯、氨基甲酸酯类剧毒高残留化学农药。据统计，我国每年使用农药的面积在2．8亿hm2以上，每年使用的农药量达50万－60万t，农药施用平均用量2．33kg/hm2，但利用率不足30%，其中约有80%的农药直接进入环境［5］。

(2)化肥污染。化肥的不合理使用是造成水体污染的主要来源。调查资料显示，自1978年到“九五”中期的20年间，南四湖流域济宁市所辖11个县市区农用化肥施用量为快速增长阶段，化肥投入总量(折纯)由6．07万t，增长到44．38 万 t，单位面积施用量由71．85kg/hm2增长到46．54 kg/hm2，增长6．5倍。进入“十五”以来，随着农业科技的发展和科学种田水平的提高，化肥施用总量基本保持相对稳定，单位播种面积施用量，呈现逐年减少的趋势。

(3)农膜污染。据统计，我国农膜年残留量高达35万t，残膜率达42%［6］，有近一半的农膜残留在土壤中，覆膜5a的农田农膜残留量可达78kg/hm2，目前我国有670万hm2覆盖地膜的农田污染状况日趋严重［7］。农膜是重要的农用物资，对提高农作物的产量有重要作用。然而，农膜是有机高分子化学聚合物，在土壤中难降解，废弃的农膜却带来严重的污染。

2．2 养殖业污染

(1)水产养殖污染。水产养殖的主要污染途径为饵料、化肥、药剂，鱼类排泄物，某些鱼类的病原微生物等，根据中国科学院土壤研究所在江苏宜兴所做的调查［8］显示:平均每公顷鱼塘全年投放饲料10－31t化肥(主要为尿素)0．23 －1．5t有机肥 7．5 －75t药物(包括农药)30 －390kg，石灰150－3 900kg，平均每 hm2鱼塘投放鱼苗2．3－6t成鱼产量约为3．8－12t。养殖池塘经过一段时间的养殖活动后，水质逐渐恶化，主要表现在水体中总氮、总磷、BOD、COD等指标明显增高，使水体呈现富营养化状态，易于暴发鱼病甚至造成大量鱼死亡［9］。

(2)禽畜养殖污染。近些年来，畜禽养殖模式已经逐渐从散户养殖转向规模化、集约化养殖．随着禽畜养殖规模的不断扩大，大量的畜禽粪便污水成为污染源，造成生态环境恶化、畜禽产品品质下降并危及人体健康。据国家环保总局《2000年全国规模化畜禽养殖业污染情况调查工作报告》显示［10］，我国畜禽粪便产生量很大，1999年产生总量约为19亿t，是工业固体废弃物年排放量的2．4倍，而且畜禽粪便COD排放量已达7 118万t，远远超过工业废水与生活废水COD排放量之和，全国畜禽粪便氮、磷流失总量分别为化肥的1．2倍和1．3倍。据测定，家禽粪便中含有氮、磷、钾、钠、镁、钙、铝、钡、铬、铜、锡、镍、铅、硫、锶、钛、钒、锌等21种元素［11］。这些物质超过环境容量时，就会产生环境污染。

2．3 生活污染

农村生活污染主要包括居民生活污水、生活垃圾及排泄物三大类。城镇的生活污水是南四湖流域内主要的水体污染源，对水体污染的贡献率已超过50%。据调查，目前城镇污水处理主要采用传统集中式处理方式或小区域分散式处理方式，处理的投资大、适应性与灵活性较差，处理效果不稳定。而沿湖村庄部分居民生活污水没有进入污水处理厂处理，直接排入河流或水体，对湖泊水质造成污染。南四湖地区流域许多地区是通过小型的沉淀池将生活污水、小企业的生产污水就地排入污水沟或河道，再直接进入主河道或通过降雨径流进入主河道或入湖。

3 国外农业面源污染的控制措施

近些年来，随着点源污染得到较好的控制，非点源污染特别是农业面源污染已成为导致水体污染主要原因。面源污染在发达国家特别是美国研究历史较长，国外发达国家在控制农业面源污染方面采取的政策和技术，在一定程度上为南四湖流域乃至全国提供了可借鉴经验。其中政策措施大致可分为3种类型［12］:一是自愿控制型政策措施，即在控制农业面源污染上某些参与者自愿采取措施进行防治。二是命令控制型政策措施，采用直接管制加上严格的监督和执法，作为农业污染控制和废弃物管理的主要方式。三是经济型政策措施，经济学家认为市场工具是减轻污染危害最合算的方法，优势在于增加微观主体控制污染行为的灵活性、效率及成本效益。通过激励措施加强对污染者经济上的利益驱动来达到控制污染的目的。

3．1 美国

美国在1972年的《清洁水法》中，第一次将面源污染纳入国家法律，1977年进一步强调了面源污染的重要性，规定对农业面源污染自愿采取防治措施者，政府将分担一部分费用，自愿采取其他措施的，政府给予减免税额等。1987年的《清洁水法修正案》第319章建立了控制面源污染的国家计划，鼓励各州实施“最佳管理措施(BMPs)”，并制订了具体的比较系统的法规来控制面源污染［13］。BMPs可以分为工程措施和非工程(管理)措施。工程措施主要包括人工湿地、植被过滤带、草地河岸缓冲带、降低污水地表径流速度，以拦截、降解、沉降污染物;Mander等［14］发现河岸植被过滤带能有效地截留来自农田的养分和泥沙，地表径流总氮和总磷显著减少。非工程(管理)措施主要包括规划、农户教育、奖励等形式，依靠农业科技，对农民没有或只有很少补贴，鼓励农民自愿采用环境友好的替代技术，主要控制技术有农田最佳养分管理、有机农业或综合农业管理模式、等高线条带种植、农业水土保持技术耕作等［15］。

3．2 欧盟

在欧共体时期，1989年欧盟委员会提出一项建议，指出水质问题是由农田与城市硝酸盐的释放引起的，这是第一个明确指出面源污染的官方文件［16］。

1992年6月，欧盟部长会议正式采纳了共同农业政策。包括环境保护措施的引进、农业用地中的造林项目和农民早期退休计划等，这些措施有利于农业面源污染的防治。1993年欧盟出台了结构政策的环境标准。在化肥和农药的管理上，一些欧盟国家根据农药和化肥的毒性、用量和使用方法对生态环境和公众健康可能造成的危害，加强管理并建立严格的登记制度。2000年以来，欧盟水体系指令、减少农业面源污染的硝酸盐指令(91/676)、控制杀虫剂最大使用量的杀虫剂法(91/414/EEC)、限制水中杀虫剂残留的措施及为

护鱼种、贝类安全而制定的水清洁的共同体措施等，已成为了治理农业面源污染的重要措施。欧洲国家，政府每年对每公顷农田实施的环境政策补贴可达50－1 000欧元，在财政支持方面，加大了对农业面源污染控制的财政投入［17］。

4 农业面源污染来源解析方法

4．1 化学质量平衡法(chemical mass balances，CMB)

CMB是应用最为广泛的受体模型，是由Miller等和Winchester等独立提出来的［18］。美国环保局(USEPA)推荐使用CMB模型，并开发出了相应的应用软件包［19］。CMB 模型已应用于水体［20］、沉积物［21］等介质的研究，主要集中在沉积物中污染物的源解析，主要包括多环芳烃(PAHs)、多氯联苯(PCBs)等有机污染物。通过CMB模型的实际应用，发现这种方法在具有很多优点的同时也存在一些不足。优点体现在:①对一个受体样品的分析就可以得到结果，可以避免大量的样品采集所带来的时间和资金等方面的压力;②能够检测出是否遗漏了某重要污染源，并可以对其他方法的适用性进行检验。当然，CMB模型也有它的局限性，主要体现在:①同一类排放源排放成分是有差别的，同一排放源在不同时间排放物质也不同，而CMB模型没有加以区别;②CMB模型假设从排放源到受体之间，排放的物质组成没有发生变化，而实际上某些物质并不满足该条件;③不能得到每一个污染源对受体中每一种污染物的贡献率，只能得到每一个污染源对受体中污染物总体的综合贡献率。

4．2 多元统计方法

多元统计方法的基本思路是利用观测信息中物质间的相互关系来产生源成分谱或产生暗示重要排放源类型的因子，主要包括主成分分析法(PCA)、因子分析法(FA)、多元线性回归法等。

PCA和FA既有联系又不完全相同，都可以用于污染物的来源解析。主成分分析法被成功应用于实际环境保护工作。与CMB相比，多元统计方法具有以下优点:①不用事先假设排放源的数目和类型，排放源的判定相对比较客观;②能够解决次生或易变化物质的来源，能利用除浓度以外的一些参数;③研究者只需对排放源组成有大致的了解，并不需要准确的源成分谱数据。这种方法也具有一定的局限性:①方法不是对具体数值进行分析而是对偏差进行处理，如果某重要排放源比较恒定，而其他非重要源具有较大的排放强度变异，可能会忽略排放强度较大的排放源;②气象学因素的变化影响较大，为了得到准确的结果，需要采集足够多数量的样品;③在实际中一般鉴别出5－8个因子，如果重要排放源类型＞10，这种方法不能提供较好的结果。

4．3 AnnAGNPS扩散模型

AnnAGNPS(Annualized Agricultural Non-point Source Pollution Model)是由美国农业部开发研制而成的用于模拟评估流域地表径流、泥沙侵蚀和氮磷营养盐流失的连续型分布式参数模型。其前期版本是单一事件分布式模型AGNPS。与AGNPS相比，AnnAGNPS模型的改进之处在于:以日为基础连续模拟一个时段内每天及累计的径流、泥沙、养分、农药等输出结果，可用于评价流域内非点源污染长期影响;根据地形水文特征进行流域集水单元(cell)的划分，且模拟的流域尺度更大;与GIS较好地集成，模型参数大多可自动提取，模拟结果的显示度得以显著提高;采用RUSLE预测泥沙生成等。

AnnAGNPS模型采用SCS－CN径流曲线方程计算地表径流量，并按每日的耕作、土壤水分和作物情况，相应调整曲线数。模型中地表泥沙侵蚀量的计算采用了矫正的通用土壤流失方程(RUSLE)。模型逐日计算各单元内氮、磷和有机碳的营养盐状况，包括作物对氮磷的吸收、施肥、残留的降解和氮磷的迁移等。氮磷和有机碳的输出按可溶态和颗粒吸附态分别计算，并采用了一组动力学方程计算平衡浓度。采用与CREAMS模型相同的公式计算氮、磷的可溶态浓度和颗粒态浓度。

5 结论

经过近些年来的研究，南四湖流域农业面源污染的研究已取得一定的进展，但是，由于面源污染具有分散性、隐蔽性、随机性、不确定性、滞后性、模糊性、广泛性、不易监测性等特点，因此，不论是技术上还是措施上各方面的研究仍需进一步加强及完善，研究方向包括以下几个方面:

(1)对无机氮、磷的具体形态进行测定分析，无机氮包括硝态氮(NO3－－N)、亚硝态氮(NO2－－N)、氨氮(NH4+－N)，无机磷主要分析正磷酸盐(PO43－－P)。

(1)分析方法上采用快速准确、高灵敏度的离子色谱法，提供准确可靠的数据资料。

(2)技术方面，确定重点农作物适宜肥料用量，利用测土配方施肥技术，制订肥料用量标准;构建养殖及生活面源的循环经济产业链，研究有机废弃物、生活废水零排放循环利用技术。

(3)深入研究沿湖农业面源的分布、污染物的迁移和转化规律，明确污染物的形态及数量的变化，得到农业面源在不同环境介质中的衰减因子。

(4)进一步明确气候、地形、土壤、土地利用及径流曲线等相关参数，建立南四湖流域完整可靠的数据库，为南四湖流域农业面源污染的研究提供科学基础。

(5)根据南四湖流域具体情况，结合国外在农业面源污染方面的控制措施，制定合理的最佳管理措施(BMPs)，并加强模型对流域管理效果的模拟和评价;建立南四湖流域农业面源污染的高效控制模型。

(编辑:田 红)

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