行读徽州水景观系列（四）：徽州地区乡村小流域农业面源污染治理景观规划与设计途径
01 基于农业生态系统设计的小流域农业面源污染削减方法研究
小流域在我国指范围为10-30km²的流域，是一个内部结构相对完整的自然集水单元。作为乡镇产业发展和人居空间活动的基本单元，乡镇小流域的空间治理在促进海绵田园建设、加强源头滞蓄与过程消减、减缓面源污染、推动乡镇产业转型与社区活力提升等方面发挥着重要的作用。千百年来，在农民对小流域水适应性利用过程中，形成了丰富的传统农耕智慧，发展出的陂塘、基塘等一系列兼顾生态系统完整性与经济适用性的滞水、净水设施，为基于自然的生态工程设计提供了参考原型，也为乡镇小流域面源污染治理、河湖生态环境修复提供了新方法。
本研究以严溪小流域为研究对象。严田村位于江西省婺源县三省交界处，村庄背靠群山、面向农田而建。严溪穿村而过，是居民日常生活、生产的重要载体，小流域分布着众多水利设施。
严田村为盆地地形，农田四周山林环绕，降雨时营养物质从山林流入农田，维持着良好的地力。古人根据北极出地高度确定二十四节气，并根据节气、自然现象与动植物表现等积累了“占候”经验，顺应自然天象来合理安排农业生产，维持了小流域“农田-水”生态系统的健康与安全。
进入工业时代后，严田村的生态系统遭到严重破坏。随着低成本、高肥效的化肥被种粮大户普遍使用，严溪的水环境受到了严重的污染。加之上严田村东西向河道被固化，河床彻底失去了自净能力，地表水与地下水的循环受阻，化肥、农药、除草剂不断流入水系统，水质进一步恶化。
（1）严溪小流域农业面源污染机制探析
农业面源污染风险区域识别
MCR 模型（即最小阻力累计模型）最早用于景观规划中的生境破碎性评价，后也被应用于农业面源污染防控研究，探索农业面源污染的扩散与传播过程。本研究通过 MCR 模型构建了农业面源污染的“源 -汇”风险空间格局，识别了农业面源污染潜在风险区域，为中观尺度的研究与后续的景观规划设计提供基础。
根据严溪流域农业面源污染“源-汇”风险格局识别结果，严溪小流域农业面源污染高风险区域主要以团块和细条带状分布于河流附近的平原地带。
不同景观要素对农业面源污染的削减作用
以严田流域现状所有农田为研究对象，以 100 m × 100 m 为一个单元设置渔网，对现有的农田区域进行划分，总面积为 1.798 km² ，共得到约 100 个较为完整的渔网斑块。在综合考虑景观要素类型、空间位置、要素用地属性的基础上，从田内、田边2个空间维度，面状、线状2个要素形式维度，以及水、林、草3个元素类型维度，通过SWAT模型模拟不同景观元素对农业面源污染产生与传播的影响情况。
研究最终确定了田间植草水道（10m宽）、田间林带（20m宽）、田间水塘（半径10m）、田间林斑（半径10m）、农田边缘缓冲带（20m宽）、河岸边缘缓冲带（20m宽）为主要景观改造方法。
小流域农田景观要素组织模式
SWAT模型运行过程
模拟结果显示，田间林带、田边缓冲带对氮、磷等污染物的削减作用最为明显；田间植草水道、田间林斑、河岸缓冲带对污染物的净化也起到了较为明显的作用。田间水塘对氮、磷等污染物的削减作用较小。在生态系统服务价值方面，田间水塘的生态系统服务价值最为优秀，在食物生产、水资源供给、水文调节方面均优于其余景观改变策略。各景观改变策略在生物多样性保持、维持养分循环等方面都具有积极的作用，但不同策略间差异并不明显。
不同景观改造策略及其生态绩效
（2）农业面源污染削减景观规划与设计途径
小流域景观规划分区
依据 SWAT 模型所划分出的子流域，参考不同区域的自然地理特征，将农业面源污染极高风险区域划分为山地梯田流域、山谷平原流域、河流平原流域、近居民点流域四个区域。
严溪流域四大典型子流域类型
针对严溪各流域当前面临的生态系统问题，本研究运用上述6种景观改造策略对严溪流域面源污染极高风险区的农田生态系统进行了改造设计。以基于自然的解决方案（NbS）为指导，充分运用各类景观元素在农业面源污染削减上的生态价值，以期实现氮、磷等面源污染物的源头削减与过程防治。
严溪流域总体规划平面图
不同子流域景观改变策略
针对近居民点流域出现的驳岸硬化、生活污水直排、缺乏林地与滨水生境等问题，规划设计通过增修村庄净化塘，处理村庄生活污水达到截污减排的目的；通过建设田间林带与田边缓冲带，构建农田植物群落；通过恢复自然驳岸，重构水生生境。
针对山地梯田流域出现的农田灌渠硬化、且水流流速过快，缺少陂塘等生态滞蓄与净化设施等问题，规划设计通过构建陂塘系统、恢复自然水渠，减缓水流流速，起到调蓄水源、净化水质的作用；通过增加田间森林斑块，加强植物对面源污染物的过程消纳。
针对河流平原流域出现的河道硬化、农田景观元素单一、农药化肥施用过量、缺乏坑塘水面等问题，规划设计通过去硬还生的手段恢复自然驳岸形式；通过有机种植，探索“生态优农”的实践形式；通过兴修坑塘水面，复兴传统农耕水智慧。
针对山谷平原流域出现的农田胁迫山林、农业灌渠硬化、种植结构单一等问题，规划设计通过退耕还林还草等手段，修复山麓植被群落；通过合理轮作、间作优化现有农田种植结构；通过在水库下游增设田畔湿地，增强农田生态系统的污染削减能力。
02 基于生态经济效益评估的乡村小流域面源污染治理策略
在农业生产过程中，过量施用化肥和农药是导致农业面源污染问题突出的主要原因之一，这反映了农业发展与生态环境之间的严重矛盾。而化肥和农药的施用主要受农户施肥行为和政策相关的社会经济因素等影响。选取严溪小流域内的严田村为代表。该村存在化肥、农药大量使用的情况，其中的氮、磷、钾、重金属等污染物一部分直接进入农田土壤，一部分则通过径流和淋溶排到农田水系统中，是面源污染的主要来源。
农户的主要施肥行为主要存在以下问题：
以化肥农药为源头的农业面源污染机制分析
研究以种植大户李某的承包田为案例地。此田块位于上严田村与王村之间的梯田，北至王村水塘，南至严溪，东侧为田间山丘，西侧为田间硬化道路，总面积约90亩。
田块地表径流方向和水渠、水圳等分布
农田氮磷流失过程
种植大户李某的化肥农药使用情况
农药或肥料的流失系数是指农药或肥料在土壤中的流失量与施用量之比，农药或肥料的流失系数越大，对面源污染的影响也越大。根据《第一次全国污染源普查农药流失系数手册》和《第一次全国污染源普查肥料流失系数手册》计算农药和化肥的流失量，估算出相应的污染量。
调研和估算结果显示，农田面源污染具有以下特征：
· 化肥施用总量远超过农药，进而对农田面源污染起到决定性作用；
· 种田大户李某的田块中，面源污染主要集中分布在中下游关键田块。
生态经济效益核算
生态经济效益模型可有效兼顾生产与生态的经济效益，指导作物生产的农药化肥合理施用量。农业生态经济效益的核算，有助于在兼顾生产效益的同时，减少化肥农药施用量，从源头减少面源污染；并为使用生态设计进行污染消纳提供科学依据。其计算方法如下：
生态经济效益 = 生产效益 - 生态负效益
设计消纳量 = 化肥施用量 - 化肥适用量
其中，生产效益，是种植并销售水稻、油菜等农产品的利润，即销售农产品的收益扣除种植成本。生态负效益，是种植中化肥施用产生面源污染，对农田生态系统带来的负面影响。
通过计算生产效益最大化和生态经济效益最大化时的化肥施用量得出，生产效益最大化时的化肥适用量为 72.5斤/亩, 生态经济效益最大化时的化肥施用量为 60.9斤/亩。
基于生态经济效益核算的小流域农业面源污染防治政策优化
如何最大化农户收益同时保产？
如何最大化生态经济效益同时保收？
生态补偿是以保护和可持续利用生态系统服务为目的，以经济手段为主，调节相关者利益关系，促进补偿活动、调动生态保护积极性的各种规则、激励和协调的制度安排。严田村暂无减少污染物排放的生态补偿政策，可参考部分省区对农业生产过程中减少氮、磷等污染物排放予以补偿，例如《江苏省环境资源区域补偿办法》。与此同时，从农民教育培训、环保宣传、统一组织管理等角度，改善小流域农业面源污染防治管理对策。
参考资料：北京大学建筑与景观设计学院《乡村与农业景观规划设计》课程研究成果，感谢参与研究的同学们——王业豪、韩静怡、袁艺、 刘志桂、 张启璇、 舒业硕等
水利部水生态保护和水利遗产重点实验室（筹）是水利部联合北京大学建筑与景观设计学院在水生态保护修复、水生态智慧与水文化景观、水利遗产等领域的重要研究基地。实验室的总体定位与发展目标是：立足国家在水生态文明建设、乡村振兴以及美丽中国建设的需求，聚焦全球气候变化与城乡水问题，以水生态保护与修复为研究对象，将传统水生态智慧与当代科学技术、国际NbS理论和技术相结合，重点开展传统水生态景观模式与现代转译、水生态修复技术模块研发、水生态保护与修复理论和技术集成、水利遗产保护与传承等方面的系统性、创新性和前沿性研究，服务于新时期水利高质量发展，并向世界提供应对气候变化及可持续水生态系统保护与修复的中国智慧。
资料整理：王业豪、韩静怡
统筹、审核：吴珊珊
排版：黄羽滋
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