随着工业点源污染的有效治理，农业源污染对水环境的影响日益凸显，已经得到越来越多的关注和研究^{[1, 2]}。Van Drecht等^[3]指出农业源氮（N）对全球地表水污染的贡献为19%~61%；我国第一次全国污染普查结果显示，农业源污染物TN（总氮）排放量约占排放总量的57.2%^[4]；国家环境保护部对太湖、巢湖、滇池的调查研究显示，水体中的氮、磷大部分来自于生活污水和农业源污染，工业废水对TN的贡献率仅为10%~16%^[5]。太湖水体污染严重，2013年太湖营养健康状况报告显示，当年太湖主要水质指标中TN平均浓度1.97 mg·L^-1，为地表水Ⅴ类水质状况^[6]。关于太湖地区水体污染的研究较多，但研究阶段不同，方法不同，各污染源贡献的比例差别较大，如金相灿等^[7]指出太湖地区来自农业源的TN污染物占污染物总量的52.6%（1999年）；杨林章等^[8]对太湖地区污染负荷来源的分析表明，农业源TN污染所占的比重约为58%（2013年）；刘庄等^[9]的研究表明，畜禽养殖和水产养殖是太湖流域农业源污染的主要来源，来自这二者的TN污染负荷占流域总负荷的43%（2010年）；郭红岩等^[10]指出太湖地区水稻季各种类型农业源污染中，农田氮排放量占总排放量的72.7%（2003年）。大量研究显示，近30 年来太湖地区农业非点源污染研究主要局限于某一区域营养元素的试验调查与监测，或者片面地研究某一农业源对水环境的影响^{[7, 8, 9, 10, 11, 12, 13]}。这些研究缺乏对种植业、畜禽养殖业和水产养殖业的综合考虑，更缺少对水环境污染影响的定量分析。种植业源中农田是研究者长期关注的重点，也是农业源中占污染比重较大的源^[11]，而随着设施菜地的急剧增加，其逐渐成为农业源氮污染的一个关注重点^{[12, 13]}。设施菜地种植效益高，菜农为了追求效益，超高量使用氮、磷肥料，单季作物化肥纯养分用量平均为569~2000 kg·hm^-2，为普通大田作物的数倍甚至数十倍，这成为水体富营养化的主要潜在威胁之一^[14]。另外，太湖流域淡水资源丰富，渔业水平较发达，养殖户为追求高产往往投放过量的饵料，过量的营养成分导致养殖水体中氮、磷浓度偏高，Cai等^[15]的研究显示太湖地区池塘养殖污水年产生量为12.7~50.9万t，但现有研究对水产养殖污染负荷的关注较少，尤其是围网养殖，主要关注围网养殖面积的动态变化，对围网养殖污染负荷的研究较为缺乏。关于禽畜养殖产排污系数的研究在太湖地区也鲜见报道，而且大部分农业源估算中的禽畜养殖排放系数通过查阅资料获取。钱秀红等^[16]在太湖流域的杭嘉湖水网平原的研究表明，除杭州市以生活污染居第一位外，其余9个市县的水体污染源均以畜禽粪尿污染居第一位。因此，对太湖水体农业源污染评估，应综合种植业、禽畜养殖和水产养殖这几方面进行研究。尤其是近年来随着太湖水环境质量的恶化，政府制定了一系列治理方案和规章，如2012年编制了《太湖流域水环境综合治理总体方案（2013 年修编）》，方案出台后，太湖流域非点源污染治理力度加大，如水产养殖业围网养殖的面积大量减少^[17]等，所以有必要对太湖流域农业源氮污染重新进行核算。

目前农业源污染的研究方法主要有野外调研、野外监测、模型模拟等^[18]。野外调研覆盖范围广、时效性强、可以较为直观地表达一个地区的整体污染情况，但是调查往往缺乏规范、标准的农业源污染调查评估指标体系，影响调查数据及评估结果的可靠性；野外监测得到的数据可靠，时效性好，但是其研究区域范围较小，野外实验干扰较大，数据收集工作的劳动强度大、效率低；模型模拟在进行农业源污染的定量化研究以及影响评价和污染治理时是一种直接有效的研究方法，但是其需要大量的验证参数，且同一模型在不同地区适用性不同。因此，开展农业源污染研究有必要综合调查、监测、遥感和GIS等方法。

针对农业源污染研究中存在的问题与不足，本研究以2013年为基准年，借助野外调研、定位监测、统计年鉴、遥感和GIS等多种手段获取数据，从种植业、水产养殖业和畜禽养殖业对太湖地区农业源氮污染负荷进行核算。借助遥感解译和GIS软件，不仅可以获得较为缺乏的设施菜地、水产养殖的面积数据，而且可以显示污染负荷的空间分布特征，为后期全面研究太湖流域的农业源污染及空间分布情况打下基础，为采取控制措施提供决策支持。

宜溧河流域位于太湖西部，江苏省南部，流域中下游平原地区是一个河网纵横交错、湖荡密布的地区。中下游地区主要河道有南溪河、北溪河、丹金溧漕河以及武宜运河等；下游的宜兴市境内分布有西氿、团氿及东氿3个相互连通的小型湖泊以及都山荡、马公荡、莲花荡等湖荡。流域南部宜溧山区来水主要汇入南溪河及中河并经西氿、团氿、东氿调蓄后经大浦港、陈东港等入太湖河道汇入太湖；北部茅山丘陵地区的来水主要汇入北河^[19]。流域2013年年均气温16.5 ℃，年总降雨量2 366.4 mm。流域内土地利用方式主要为林地、耕地、居民地、果园、草地和水体^[20]。本研究中流域面积为3089 hm²，主要由宜兴、溧阳两市构成，共包含42个乡镇，区域内人口密集，经济高度发达，污染负荷高，水质恶化，尤其是氮、磷污染严重^[21]，流域产生的污染物通过各种水系直接或间接排入太湖，是太湖流域水环境治理的重点和难点。宜溧河流域的地理位置见图 1。

图 1 宜溧河流域地理位置 Figure 1 Location of Yili River catchment

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种植业源氮污染核算通过野外调研、遥感解译、野外监测、数据收集和统计年鉴整理等方法完成。其中土地利用类型的解译利用eCognition软件采用面向对象的分析方法对2013 年4月和5月两期宜溧河流域的高分辨率遥感影像进行解译，影像来自资源三号卫星，分辨率为5.8 m。

种植业调查内容包括地块面积、肥料（化肥和有机肥）的施用和流失情况、排水去向等。根据种植类别将种植业分为水田、旱地和蔬菜地，不同作物单位面积氮肥施用量调研结果如表 1所示。对于氮流失系数，本研究通过对数据的整理和收集，归纳出太湖地区稻季TN径流淋溶损失与施肥量之间的关系，如图 2所示。针对蔬菜地，分别选取大棚和露天菜地进行野外监测，选择宜溧河流域代表性的蔬菜品种，设置不同的施肥处理，进行1年以上的连续监测，获取设施菜地和露天菜地的TN径流淋溶损失与施肥量之间的关系。由于旱地研究数据较少，本研究中旱地TN径流淋溶损失与施肥量的关系参考Ju等^[22]、Zhao等^[23]和遆超普^[24] 的研究（表 2）。

图 2 稻季总氮径流淋溶量与施肥量关系 Figure 2 Relationships of total nitrogen runoff and leaching with nitrogen application rates during rice season

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表 1 不同作物单位面积氮肥施用量（kg N·hm^-2） Table 1 Nitrogen fertilizer application rates of different crop（kg N·hm^-2）

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表 2 旱地总氮径流淋溶损失参数 Table 2 Total nitrogen leaching and runoff coefficients for uplands

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种植业氮污染负荷通过调研获取的单位面积氮肥用量、播种面积与经验公式相结合进行计算。则种植业源氮排污量计算公式如下：

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式中：F为种植业源总氮排放量，t；η_i为第i种作物TN排放系数，kg·hm^-2；S_i为宜溧河流域该i种作物的播种面积，hm²。

水产养殖业源氮污染核算通过野外调研、野外监测、遥感解译等方法完成。通过遥感解译获得围网养殖和池塘养殖的水体面积；野外调查则包括养殖模式、养殖面积、水体交换情况等；同时选择典型水产养殖模式，分别对池塘养殖和围网养殖两种养殖模式进行实地监测，根据水产品的养殖周期、换水和排水进行采样，水样按照《水和废水监测分析方法（第四版）》^[25]进行采集和保存；污染物浓度采用SKALAR San⁺⁺全自动连续流动分析仪进行测定。本研究中围网养殖的TN平均浓度为0.91 mg·L^-1，池塘养殖的TN平均浓度为2.39 mg·L^-1。水产养殖排污系数和氮排污量计算公式如下：

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式中：P_j为第j种水产养殖方式的TN排放系数，kg·hm^-2；Q_i为第i次换水时的排水量，m³；C_i为第i次排水时的TN浓度，mg·L^-1。

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式中：F为水产养殖业TN排放量，t；S_j为第j种养殖方式的养殖面积，hm²。

禽畜养殖业源氮污染核算通过野外调研、野外监测、数据收集和统计年鉴整理等方法完成。野外调研内容包括养殖数量、饲料用量、粪尿产生量、粪尿处理方式等。禽畜养殖业源氮排放量用公式4计算，其中粪氮系数、尿氮系数和粪尿流失率参考武淑霞^[26]和周亮等^[27]的研究，如表 3所示；畜禽数量根据生长周期确定，出栏时间大于1年的牲畜如牛采用年末存栏量作为畜禽养殖数量，其他畜禽（猪、羊、家禽等）出栏次数小于1年，则用年末出栏量表示畜禽养殖数量^{[28, 29]}，流域内宜兴、溧阳两市的畜禽养殖数量如表 4所示。污水处理率通过统计年鉴和实地监测得到，去氮率参考Ti等^[30]关于水体氮负荷的研究。

表 3 禽畜养殖业核算氮排放系数和流失率系数 Table 3 Nitrogen load and loss coefficients for livestock and poultry husbandry

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表 4 宜溧河流域主要畜禽养殖数量 Table 4 Number of major livestock and poultry husbandry in Yili River catchment

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式中：F为禽畜养殖业TN排放量，t；A_i为第i种畜禽的粪氮系数，kg·头^-1；C_i为第i种畜禽的粪流失率；B_i为第i种畜禽的尿氮系数，kg·头^-1；D_i为第i种畜禽的尿流失率；N_i为第i种畜禽的畜禽数量；R为进入污水处理厂的比例；E为污水处理率；Q为污水处理去氮率。

研究区各类别作物播种面积见图 3，种植业源TN排放情况如表 5和图 4所示。种植业TN负荷量为3832 t，其中径流排放量2032 t，占总排放量的53.0%，淋溶排放量1780 t，占总排放量的47.0%。种植业中水田播种面积最大，占种植业总面积的46.0%，水田TN排放量为1504 t，占种植业源总排放量的39.3%，其中TN径流排放量1064 t，占水田TN排放量的70.7%，TN淋溶排放量440 t，占水田TN排放量的29.3%；旱地播种面积仅次于水田，占种植业总面积的42.6%，旱地作物小麦、油菜和玉米的播种面积分别占旱地总面积的80.3%、17.3%和2.4%，旱地TN排放量为1048 t，占种植业源总排放量的27.3%，其中TN径流排放量549 t，占旱地TN排放量的52.4%，TN淋溶排放量499 t，占旱地TN排放量的47.6%；蔬菜地播种面积最小，占种植业总面积的11.4%，蔬菜地分为露天蔬菜地和设施蔬菜地两种种植模式，流域内主要为露天菜地，占蔬菜地总面积的76.1%，设施菜地播种面积占蔬菜地总面积的23.9%，蔬菜地TN排放量仅次于水田，为1280 t，占种植业源总排放量的33.4%，其中TN径流排放量419 t，占蔬菜地TN排放量的32.7%，TN淋溶排放量为861 t，占蔬菜地TN排放量的67.3%。

图 3 各类别作物播种面积 Figure 3 Planting areas of different types of crops

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图 4 种植业不同种植类别TN污染负荷 Figure 4 TN pollution loads of different croplands

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表 5 种植业源TN污染负荷估算结果 Table 5 Calculation of TN pollution load of farmland cultivation

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本研究中通过遥感解译得到宜溧河流域水产养殖业总面积为23.4×10³ hm²，养殖方式以池塘养殖为主，面积为22.2×10³ hm²，占水产养殖业总面积的94.9%；围网养殖面积1.2×10³ hm²，占水产养殖业总面积的5.1%，围网养殖区域主要分布在西氿、东氿等小型湖泊以及都山荡、马公荡等湖荡中，且分布范围较小。计算得到水产养殖业源TN排放量为672 t，其中池塘养殖TN排放量637 t，占水产养殖业源TN排放量的94.8%；围网养殖TN排放量35 t，占水产养殖业源TN排放量的5.2%。水产养殖业源不同养殖方式的面积及TN排放量如表 6所示。

表 6 水产养殖业源不同养殖方式的面积及TN排放量 Table 6 Area and TN load of different types of aquaculture

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宜溧河流域主要区域宜兴和溧阳两市的禽畜养殖业源的TN排放系数和TN排放量如表 7所示。TN排放系数两市均为牛最高，生猪次之，宜兴市和溧阳市牛的TN排放系数分别为21.6、20.8 kg·头^-1，生猪的TN排放系数分别为3.2、3.1 kg·头^-1。宜溧河流域禽畜养殖业源TN排放量为2358 t，其中宜兴市禽畜养殖业源TN排放量为1410 t，占流域总排放量的59.8%，溧阳市禽畜养殖业源TN排放量为948 t，占流域总排放量的40.2%。宜溧河流域TN排放量生猪最大，为1805 t，占流域TN总排放量的76.5%，其中宜兴市生猪TN排放量为1142 t，占宜兴市畜禽养殖业TN总排放量的81.0%，溧阳市生猪TN排放量为663 t，占溧阳市畜禽养殖业TN总排放量的69.9%；其次是家禽，流域内家禽的TN排放量为503 t，占流域TN总排放量的21.3%，其中宜兴市家禽TN排放量为251 t，占宜兴市畜禽养殖业源TN总排放量的17.8%，溧阳市家禽TN排放量为252 t，占溧阳市畜禽养殖业源TN总排放量的26.6%。

表 7 禽畜养殖业TN排污系数和TN排放量 Table 7 Load coefficients and load of TN pollutants from different types of livestock and poultry husbandry

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宜溧河流域2013年主要农业源TN排放总量达到6861 t，单位排放强度为22.2 kg·hm^-2。流域内主要农业源氮污染排放构成如图 5所示。主要农业源TN排放量高低顺序依次为种植业源>禽畜养殖业源>水产养殖业源，种植业源TN排放量最大，达到3832 t，占总排放量的55.9%，单位排放强度为12.4 kg·hm^-2，禽畜养殖业源TN排放量次之，达到2358 t，占总排放量的34.4%，单位排放强度为7.6 kg·hm^-2，水产养殖业源的TN排放量相对较小，为672 t，占总排放量的9.8%，单位排放强度为2.2 kg·hm^-2。

图 5 宜溧河流域主要农业源氮排放量及比例 Figure 5 Loads and percentages of TN pollution from different major agricultural sources of Yili River catchment

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本研究分析了宜溧河流域2013年种植业、禽畜养殖业和水产养殖业的情况，详细计算出了各类农业源的TN排放量。宜栗河流域各农业源的TN排放量分别占总排放量的比例与前人的研究比较如图 6所示，本研究中种植业、禽畜养殖业和水产养殖业所占比例分别为55.9%、34.4%和9.8%，与我国第一次全国污染普查^[5]的结果相比，水产养殖业比例增加，主要原因可能在于研究区渔业发达，水产养殖相对较多，本研究在野外调研和遥感解译时也发现研究区有较发达的水产养殖业，养殖户为追求高产往往投入过量的饵料。边博等^[31]研究表明，太湖西部农业源中种植业、禽畜养殖业和水产养殖业的TN排放量占总排放量的比例分别为79%、12%、9%，其研究中种植业所占比例高于本研究，而禽畜养殖业低于本研究，原因在于其研究中禽畜养殖业污染负荷的核算方法与本研究不同，而且其统计得到的畜禽出栏量较少。本研究调查结果显示，设施菜地单位面积年施肥量为909 kg N·hm^-2，露天菜地606 kg N·hm^-2，水稻单位面积施肥量为352 kg N·hm^-2，蔬菜地单位面积施肥量几乎达到水田的2~3倍，在农业源氮污染中占了较大比重。刘庄等^[9]在太湖流域的研究中种植业未考虑TN排放量较高的蔬菜地，得到的结果种植业TN排放量相对较小，种植业、禽畜养殖业和水产养殖业分别为29%、56%和15%。

图 6 有关文献中三种农业源TN排放量占总负荷量的比例 Figure 6 Proportion of TN from three agricultural sources in total TN loads

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本研究结果显示农业源种植业、禽畜养殖业、水产养殖业的TN单位排放强度分别为12.4、7.6、2.2 kg·hm^-2，其中种植业TN单位排放强度均高于边博等^[31]、李荣刚等^[32]的研究结果（分别为4.6、8. 9 kg·hm^-2），分析发现他们的研究均没有考虑TN排放量较大的蔬菜地，本研究中蔬菜地TN单位排放强度为4.1 kg·hm^-2；其他原因可能是随着城市化进程的加快，耕地面积不断减少，单位面积排放强度增大，本研究在统计中发现，宜溧河流域2013年耕地面积比2012年减少2.31×10³ hm²。

本研究中种植业源TN排放量为3832 t，在三类农业源中占的比重最大，其较高的肥料用量是TN排放量大的原因，尤其是蔬菜地复种指数高，单位面积施肥量大。种植业中稻田的氮污染负荷量最大，水田TN排放系数为26.2 kg·hm^-2，低于Guo等^[33]在太湖的水田TN净负荷量34.1 kg·hm^-2，但因宜溧河流域的粮食作物以水稻为主，水稻的种植面积最大，占种植业总面积的46.0%，所以水田的氮污染负荷量最大。相对于旱地，蔬菜地的排污量较大，蔬菜地的播种面积比旱地少，但是其较高的排污系数使得蔬菜地的TN负荷量高于旱地。

水产养殖业源TN排放量为672 t，以池塘养殖排放为主，池塘养殖TN排放量占水产养殖业TN排放量的94.8%，池塘养殖的TN排放系数为28.7 kg·hm^-2，与陈家长等^[34]、戴捷等^[35]的研究系数相当。围网养殖的TN排放系数为41.0 kg·hm^-2，辛玉婷等^[36]在阳澄湖研究围网养殖恒定源TN排放系数为63.66 kg·hm^-2，围网养殖的TN排放系数非常高，几乎达到池塘养殖的2倍。流域内池塘养殖面积大，围网养殖区域为一些面积较小的湖泊和湖荡，且随着太湖水环境问题日益突出及太湖整治力度的加大，太湖地区的围网养殖面积大量减少，水产养殖业氮污染得到一定控制^{[17, 37]}，但是水产养殖业的TN系数仍然很高，可能与养殖过程中饵料的投放等有关。

禽畜养殖业源TN排放量为2358 t，TN排放量最大的是生猪，占畜禽养殖业源TN总排放量的76.5%，其次是家禽，高排放量与流域的生猪和家禽的出栏量较大有关。王晋虎等^[38]在星云湖流域对畜禽养殖污染估算的研究也显示以猪粪便为主要污染物的畜禽粪便污染是星云湖流域最大的污染源，其次是家禽和牛。随着禽畜养殖业污染的日益凸显，国家和地方均颁布了一系列规章，如《畜禽养殖污染防治管理办法》和《畜禽养殖业污染防治技术规范》等，以及针对太湖流域的《关于加快太湖流域畜禽污染治理工作的意见》等，使禽畜养殖业发生了很多变化，如养殖模式从分散养殖逐渐转变为集约化养殖，很多养殖场建造了污水处理厂、有机肥生产厂等配套设施，禽畜养殖业产生的污染得到了一定的治理，本研究在调查中也发现太湖周边养殖散户数量减少。但是人们生活水平的提高，大大增加了对肉类等副食品的需求，刺激了养殖业的发展，所以禽畜养殖业氮污染治理应受到足够的重视。

宜溧河流域农业源氮污染治理，在考虑禽畜养殖和水产养殖的同时，应将种植业污染尤其是蔬菜地作为重点研究对象，制定合理的控制措施。种植业氮肥施用量高，作物的氮肥当季利用率低，所以种植业应合理控制化肥的施用量，充分发挥氮肥的增产作用，提高氮肥利用率，减少农田中过剩氮的流失^[39]。大量的研究表明，设置隔离带、拦截沟等是拦截氮从农田向生态环境敏感区扩散的有效途径和方法^{[40, 41, 42]}。本研究在调查中发现大量的水产养殖户单个围网养殖面积为1 hm²，大围网养殖几乎消失，随着太湖水污染整治力度的加大，太湖地区水产养殖面积大量减少，水产养殖氮污染将得到逐步控制，但是养殖过程的饵料投放等导致水产养殖的TN排放系数仍然很高。所以，水产养殖业控制养殖面积，合理分布养殖区域，减少饵料投放等对于流域水环境保护起到积极作用；此外，养殖区应实行轮养，提倡生态养殖，以利于湖泊生态恢复和保护^{[43, 44, 45]}。本研究结果显示，规模化养殖场的氮污染负荷量仍然很高，可能与政策本身存在很多缺陷以及执行力度不够有关^[46]。禽畜养殖业应提高现有法规规章的法律效力和实际执行力，从法律层面给予更多关注，制定更多、更符合实际需要的环境政策，有效控制规模化养殖场禽畜粪尿的排放，进一步重视养殖散户，规范其畜舍选址，远离水源地建造畜舍，给予养殖户一定的资金补助等。

（1）2013年宜溧河流域农业源TN排放量达到6861 t，单位排放强度为22.2 kg·hm^-2，其中种植业、禽畜养殖业和水产养殖业TN排放量分别为3832 t、2358 t和672 t，占总负荷的比例为55.9%、34.4%和9.8%。

（2）流域内种植业化肥施用量高，氮损失量大，尤其蔬菜地较明显，蔬菜地TN排放量占总农业源负荷的18.7%；禽畜养殖业TN排放系数牛最大，TN排放量生猪和家禽的养殖数量多，排放量大；水产养殖业TN排放量以池塘养殖为主，围网养殖排污系数大，但养殖面积少，TN排放量较少。

（3）针对流域内农业源氮污染治理，在考虑禽畜养殖业和水产养殖业的同时，应以种植业污染尤其是蔬菜地为重点研究对象，制定合理的减排控制措施。