郭羽鑫 鄭宏剛 吳碧蘭 曾維軍

摘要：耕地污染是洱海富營養(yǎng)化的主要影響因素，通過對(duì)洱海流域上游耕地總氮（TN）、總磷（TP）排放強(qiáng)度進(jìn)行分析，可以為洱海流域上游非點(diǎn)源污染治理提供新思路。利用地理信息系統(tǒng)（GIS）空間分析技術(shù)、源強(qiáng)估算法，對(duì)研究區(qū)耕地總氮（TN）、總磷（TP）排放強(qiáng)度進(jìn)行分析。結(jié)果表明，TN排放強(qiáng)度表現(xiàn)為鄧川鎮(zhèn)>茈碧湖鎮(zhèn)>牛街鄉(xiāng)>右所鎮(zhèn)>鳳羽鎮(zhèn)>三營鎮(zhèn);TP排放強(qiáng)度表現(xiàn)為鄧川鎮(zhèn)>牛街鄉(xiāng)>鳳羽鎮(zhèn)>茈碧湖鎮(zhèn)>右所鎮(zhèn)>三營鎮(zhèn)。研究得出，從糧食作物上看，水稻的TN排放總量最大，豆類的TP排放總量最大;從經(jīng)濟(jì)作物上看，蔬菜的TN、TP排放量最多。右所鎮(zhèn)、三營鎮(zhèn)、茈碧湖鎮(zhèn)等3個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）的TN、TP排放強(qiáng)度高于其他3個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）;TN、TP排放強(qiáng)度空間分布呈現(xiàn)出南北高而中間低的趨勢。鄧川鎮(zhèn)成為TN、TP污染最重區(qū)域，三營鎮(zhèn)為污染最輕區(qū)域。

關(guān)鍵詞：洱海流域上游;耕地;氮磷排放;分布規(guī)律;源強(qiáng)估算法

中圖分類號(hào)：X524

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-1302（2020）16-0291-07

水資源關(guān)系著人類的生存與發(fā)展，基于社會(huì)發(fā)展需求，云南省洱海流域水資源污染亟需得到理想治理。洱海流域在點(diǎn)源污染得到有效遏制后，上游農(nóng)業(yè)面源污染成為洱海水污染最大污染源。據(jù)測算，每年進(jìn)入洱海的總氮約9 891 t，總磷約108.1 t，其中非點(diǎn)源污染分別占97.1%、92.5%，點(diǎn)源污染僅占2.9%、7.5%[1]。近年來，洱海生態(tài)保護(hù)形勢嚴(yán)峻，1996年、2003年和2013年，由于水體富營養(yǎng)化，洱海曾大面積暴發(fā)藍(lán)藻災(zāi)害，2003年全年有3個(gè)月水質(zhì)下降到Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。面對(duì)洱海生態(tài)保護(hù)的嚴(yán)峻形勢，云南省大理州政府為了保護(hù)洱海的水質(zhì)做了大量工作，投入巨額資金用于洱海流域水污染治理，如投入巨額資金用于生態(tài)修復(fù)、濕地建設(shè)、環(huán)湖管道截污等;以補(bǔ)貼農(nóng)戶的方式鏟除長勢良好的大蒜，由于大蒜屬高水肥類作物，大理州政府甚至發(fā)出“全面禁止種植大蒜”的倡議等。目前，由于農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的不確定性，洱海治理雖然取得一些成績，但水質(zhì)保護(hù)面臨的局面仍然不容樂觀。

耕地氮磷排放是造成農(nóng)業(yè)面源污染的主要途徑之一，具有高度非線性以及復(fù)雜性等特征[2-3]。準(zhǔn)確估算耕地氮磷排放量，科學(xué)分析耕地氮磷排放強(qiáng)度是耕地污染防控的重要基礎(chǔ)[4-5]。目前，常用的氮磷排放量估算方法有實(shí)測法[6]、污染負(fù)荷估算法[7-8]、源強(qiáng)估算法[9-10]、排污系數(shù)法[11]等，其中源強(qiáng)估算法參數(shù)要求低，計(jì)算方法簡單，實(shí)用性強(qiáng)，適合在大量監(jiān)測數(shù)據(jù)缺乏的情況下對(duì)氮磷排放進(jìn)行估算。本研究通過對(duì)云南省洱海流域上游6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）的耕地面源污染現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查，在充分收集資料的基礎(chǔ)上，利用地理信息系統(tǒng)（GIS）空間分析技術(shù)，運(yùn)用源強(qiáng)估算法[9]對(duì)洱海流域上游北部洱源縣6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）種植業(yè)源總氮（TN）和總磷（TP）排放量、排放強(qiáng)度進(jìn)行估算及空間分布特征進(jìn)行分析，以期為洱海流域水資源保護(hù)，科學(xué)調(diào)整流域土地利用規(guī)劃、合理制定土地利用管理措施從而有效防控流域非點(diǎn)源污染提供參考借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

洱海流域位于我國云南省大理白族自治州境內(nèi)（圖1），位于25°25′ ～26°10′N，99°32′ ～100°27′E，流域面積約為2 607.75 km2。洱海是典型的內(nèi)陸斷陷湖，主要靠降水補(bǔ)給。洱海上游北部地區(qū)主要包括洱源縣的牛街鄉(xiāng)、三營鎮(zhèn)、茈碧湖鎮(zhèn)、右所鎮(zhèn)、鄧川鎮(zhèn)、鳳羽鎮(zhèn)等7個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）[12]以及大理市的上關(guān)鎮(zhèn)，彌苴河、波羅江、羅時(shí)江發(fā)源于洱海上游的洱源縣，每年通過7個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）注入洱海的水量約占其補(bǔ)水總量的70%?；跀?shù)據(jù)資料，本研究以洱海北部洱源縣6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）為研究區(qū)域，結(jié)合GIS空間分析功能對(duì)6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）進(jìn)行耕地TN、TP排放強(qiáng)度進(jìn)行分析。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

以洱海流域上游洱源縣6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）為研究對(duì)象，水質(zhì)數(shù)據(jù)以2019年為時(shí)間基準(zhǔn)年，選取總氮、總磷2個(gè)代表性水質(zhì)指標(biāo)。通過文獻(xiàn)查閱、現(xiàn)場調(diào)查及相關(guān)部門獲取并收集洱海流域上游洱源縣6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）2019年農(nóng)業(yè)相關(guān)原始資料。數(shù)據(jù)來源及具體情況見表1、表2。采用ArcGIS 10.2軟件進(jìn)行作圖，采用Office 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及圖表制作。

1.3 研究方法

1.3.1 空間分析 洱源縣6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）農(nóng)田氮磷污染空間分析[13]在ArcGIS 10.2數(shù)據(jù)分析與管理平臺(tái)基礎(chǔ)上進(jìn)行，主要包括流域邊界確定、遙感影像裁剪、行政區(qū)劃矢量化，以及對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)督分類、色彩分級(jí)處理和野外核查，實(shí)現(xiàn)洱源縣6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）TN、TP不同排放強(qiáng)度空間格局可視化表達(dá)。同時(shí)，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21010—2017《土地利用現(xiàn)狀分類》，以洱海流域影像數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，進(jìn)行影像校正、定義、流域邊界裁剪等，提取洱海流域洱源縣6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）耕地、林地、園地、林地、草地等用地信息數(shù)據(jù)，獲取流域水系分布圖及土地利用現(xiàn)狀圖（圖2、圖3）。

1.3.2 作物排放量計(jì)算法 每個(gè)小區(qū)每種作物徑流污染物的排放量計(jì)算公式[14-15]為

式中：M為小區(qū)徑流排放污染物流失量，g;ρi為第i次排水污染物濃度，mg/L;V為小區(qū)徑流體積，m3。

1.3.3 源強(qiáng)估算法 本研究采用源強(qiáng)估算法[9-10，16]，以鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）為分區(qū)單位，計(jì)算洱海流域上游洱源縣6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）的耕地TN、TP污染負(fù)荷排放強(qiáng)度。

洱海流域上游6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）排放強(qiáng)度是指流域各分區(qū)單位土地面積產(chǎn)生的耕地氮磷污染排放量，計(jì)算公式如下：

P=Q/S。

式中：P為各區(qū)耕地污染源排放強(qiáng)度，kg/（km2·年）;Q為各區(qū)耕地污染排放量，kg/年;S為以鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）為單位的耕地面積，km2。

利用Excel軟件對(duì)洱源縣6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）主要作物種植面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)制圖，以統(tǒng)計(jì)并綜合對(duì)比分析洱源縣6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）的主要作物種植面積，掌握各鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）種植面積最大和最小的主要作物。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）主要作物種植面積統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)《洱源縣統(tǒng)計(jì)年鑒（2019）》對(duì)洱源縣牛街鄉(xiāng)、三營鎮(zhèn)、茈碧湖鎮(zhèn)、右所鎮(zhèn)、鄧川鎮(zhèn)、鳳羽鎮(zhèn)等6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）農(nóng)作物種植種類及面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）9種主要作物種植面積如圖4所示。

由圖4可知，2019年洱海流域上游牛街鄉(xiāng)、三營鎮(zhèn)、茈碧湖鎮(zhèn)、右所鎮(zhèn)、鄧川鎮(zhèn)和鳳羽鎮(zhèn)耕地作物種植以水稻、小麥、玉米、大麥、豆類、薯類、油菜、烤煙、蔬菜等為主要農(nóng)作物。6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）水稻總種植面積為128 755 hm2;而小麥總種植面積僅為1 785 hm2。從圖4可以看出，洱海流域上游的牛街鄉(xiāng)、三營鎮(zhèn)、茈碧湖鎮(zhèn)、右所鎮(zhèn)、鄧川鎮(zhèn)和鳳羽鎮(zhèn)等6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）中，各個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）種植面積最大的基本上均以糧食作物水稻為主，輔以玉米、豆類、蔬菜等，小麥的種植面積最小或甚至不種，烤煙、薯類、油菜等的面積也較小。其次，可以直觀得出，水稻大量種植于茈碧湖鎮(zhèn)、右所鎮(zhèn)，種植面積分別為28 005、25 545 hm2;豆類、大麥、烤煙、蔬菜等主要集中于三營鎮(zhèn);薯類、玉米等主要種植于右所鎮(zhèn);油菜相對(duì)集中于鳳羽鎮(zhèn);而小麥種植面積很小，多分布于茈碧湖鎮(zhèn)，種植面積為 675 hm2。研究區(qū)6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）中，鄧川鎮(zhèn)總種植面積偏少，牛街鄉(xiāng)總種植面積居中。

通過ArcGIS 10.2分別對(duì)6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）的耕地種植面積概況進(jìn)行色彩分級(jí)處理，如圖5所示，可以直觀地看出，2019年洱海流域上游牛街鄉(xiāng)、三營鎮(zhèn)、茈碧湖鎮(zhèn)、右所鎮(zhèn)、鄧川鎮(zhèn)和鳳羽鎮(zhèn)種植面積分別為47 730、126 690、80 475、89 408、21 450、68 931 hm2。整體上，9種主要農(nóng)作物中鄧川鎮(zhèn)種植面積較少，僅約占6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）總種植面積的4.93%;茈碧湖鎮(zhèn)、右所鎮(zhèn)種植面積居中，分別約占6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）總種植面積的18.51%、20.57%，三營鎮(zhèn)種植面積較大，約占6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）總種植面積的29.15%;由此，研究區(qū)種植面積以似“G”字形分布，符合洱源縣6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）土地利用現(xiàn)狀圖土地利用類型分布趨勢。

2.2 研究區(qū)耕地TN、TP排放強(qiáng)度分析

在實(shí)地考察的過程中，采取咨詢相關(guān)部門、翻閱大量數(shù)據(jù)及文獻(xiàn)資料對(duì)洱海流域上游6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）耕地產(chǎn)業(yè)的排污情況有了一定的了解。

利用每個(gè)小區(qū)每種作物徑流污染物的排放量計(jì)算方法[14-15]，以研究區(qū)9種主要種植作物為統(tǒng)計(jì)對(duì)象，結(jié)合文獻(xiàn)查閱及調(diào)查資料分別對(duì)研究區(qū)主要作物的TN、TP排放量進(jìn)行計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，洱源縣9種種植作物中，TN排放量表現(xiàn)為水稻>玉米>蔬菜>大麥>薯類>油菜>烤煙>小麥;TP排放量表現(xiàn)為豆類>蔬菜>玉米>大麥>薯類>烤煙>油菜>水稻>小麥。

洱海流域上游洱源縣6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）TN、TP排放量空間分布如圖7所示。由圖7可知，6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）中，TN排放量表現(xiàn)為三營鎮(zhèn)>茈碧湖鎮(zhèn)>右所鎮(zhèn)>鄧川鎮(zhèn)>鳳羽鎮(zhèn)>牛街鄉(xiāng)，最大和最小TN排放量的鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）分別為三營鎮(zhèn)（73 200 kg/年）、牛街鄉(xiāng)（35 450 kg/年）;TP排放量表現(xiàn)為右所鎮(zhèn)>三營鎮(zhèn)>茈碧湖鎮(zhèn)>鳳羽鎮(zhèn)>鄧川鎮(zhèn)>牛街鄉(xiāng)，最大和最小TP排放量的鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）分別為右所鎮(zhèn)（8 320 kg/年）、牛街鄉(xiāng)（5 868.32 kg/年）。

結(jié)合研究區(qū)2019年6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）的種植面積和氮磷排放量，計(jì)算得出洱海流域上游洱源縣6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）TN、TP排放強(qiáng)度空間分布圖（圖8）。由圖8可知，鄧川鎮(zhèn)TN和TP排放強(qiáng)度分別為218.10、29.00 kg/（km2·年）;三營鎮(zhèn)TN和TP排放強(qiáng)度分別為57.70、6.50 kg/（km2·年）。6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）TN排放強(qiáng)度表現(xiàn)為鄧川鎮(zhèn)>茈碧湖鎮(zhèn)>牛街鄉(xiāng)>右所鎮(zhèn)>鳳羽鎮(zhèn)>三營鎮(zhèn);6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）TP排放強(qiáng)度表現(xiàn)為鄧川鎮(zhèn)>牛街鄉(xiāng)>鳳羽鎮(zhèn)>茈碧湖鎮(zhèn)>右所鎮(zhèn)>三營鎮(zhèn)。

2.3 研究區(qū)6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）作物種植面積與耕地氮磷排放量的關(guān)系

2019年洱海流域上游洱源縣6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染TN平均排放強(qiáng)度為94.70 kg/（km2·年），TP平均排放強(qiáng)度為11.70 kg/（km2·年）;研究區(qū)6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）中，三營鎮(zhèn)作物種植面積最大，排放量最大;當(dāng)三營鎮(zhèn)和右所鎮(zhèn)TP排放量相似的時(shí)候，由于右所鎮(zhèn)的作物種植面積相對(duì)較小，所以右所鎮(zhèn)的排放強(qiáng)度較大;鄧川鎮(zhèn)主要作物分布面積最小?？傊?，當(dāng)排放量和作物種植面積2個(gè)變量中有1個(gè)相似的時(shí)候，如排放量接近，作物種植面積越小排放強(qiáng)度越大;反之，作物種植面積接近，排放量越小排放強(qiáng)度就越大。

2.4 經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)變化對(duì)研究區(qū)6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）氮磷產(chǎn)排強(qiáng)度的影響

耕地氮磷污染是研究區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染的重要因素之一。研究區(qū)6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）的氮磷污染排放強(qiáng)度受制于氮磷污染排放量與農(nóng)作物種植面積2個(gè)因素，基于當(dāng)?shù)氐牡乩砦恢谩夂虻纫蛩匾约暗着欧帕颗c主要作物種植面積的關(guān)系，綜合研究區(qū)6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）主要作物種植概況，按重度排污、中度排污、輕度排污等3種控制模式及每個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）每種主要作物所產(chǎn)生的氮磷污染量大小，合理規(guī)劃并調(diào)整經(jīng)濟(jì)作物種植概況，有益于改善洱海流域上游6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）氮磷產(chǎn)排強(qiáng)度。

3 討論與結(jié)論

洱海流域的非點(diǎn)源污染治理的關(guān)鍵在于農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的治理，農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染治理的最主要來源是耕地種植作物產(chǎn)生的非點(diǎn)源污染。洱源縣地處洱海流域上游北部，包括彌苴河、永安江、羅時(shí)江等3條洱海入湖河流[17-18]，洱源縣TN、TP空間分布特征與各鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)有關(guān)。因此，依據(jù)資料數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的洱源縣6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）9種主要種植作物及其TN、TP排放量對(duì)研究區(qū)進(jìn)行污染防控治理（即對(duì)研究區(qū)作物種植進(jìn)行合理化調(diào)整）。結(jié)合降低污染源排放量及排放強(qiáng)度原則對(duì)研究區(qū)非點(diǎn)源TN、TP污染采用3種控制模式（重度排污、中度排污、輕度排污）及每個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）每種主要作物所產(chǎn)生的氮磷污染量合理規(guī)劃調(diào)整經(jīng)濟(jì)作物種植概況。

農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染治理復(fù)雜且受多方限制因素影響[19]，而洱源縣種植作物關(guān)系到廣大農(nóng)村居民的經(jīng)濟(jì)收益。因此，依據(jù)研究情況對(duì)研究區(qū)種植業(yè)進(jìn)行規(guī)劃調(diào)整須進(jìn)行綜合考慮、多方協(xié)調(diào)，推動(dòng)公眾共同參與，以保證研究區(qū)污染治理措施的有效試驗(yàn)及推行，為后續(xù)治理提供參考。

從糧食作物上看，水稻TN排放總量最大，豆類的TP排放總量最大;從經(jīng)濟(jì)作物上看，蔬菜的TN、TP排放量最多。

洱海流域上游6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）中，鄧川鎮(zhèn)成為TN、TP污染最重區(qū)域，三營鎮(zhèn)為污染最輕區(qū)域。

以研究區(qū)6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）的主要分布位置為依據(jù)，TN、TP排放強(qiáng)度空間分布主要呈現(xiàn)出南北高而中間低的趨勢。鄧川鎮(zhèn)、茈碧湖鎮(zhèn)、牛街鄉(xiāng)相對(duì)其他3個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）更需要對(duì)其進(jìn)行TN治理;而鄧川鎮(zhèn)、牛街鄉(xiāng)、鳳羽鎮(zhèn)等的TP排放強(qiáng)度高;因此，鄧川鎮(zhèn)TN、TP治理需求最大。

綜合研究結(jié)果，建議綜合研究區(qū)6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）主要經(jīng)濟(jì)作物種植結(jié)構(gòu)，用減施化肥、調(diào)整主要作物種植結(jié)構(gòu)、控制水域與污染源距離等治理模式分別對(duì)洱海流域上游6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）進(jìn)行分區(qū)污染治理。

本研究通過對(duì)洱海流域上游6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）的耕地氮磷排放量及排放強(qiáng)度進(jìn)行估算，識(shí)別出了TN、TP污染較重的區(qū)域，并提出了依據(jù)各鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）種植面積和產(chǎn)生氮磷污染量的主要作物結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況進(jìn)行合理規(guī)劃的建議，有利于為后期洱海區(qū)域非點(diǎn)源污染進(jìn)行規(guī)劃和治理。

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