洱海流域肥料面源污染負荷特征研究

段四喜，楊文燕，李鋒林，趙素萍，付朝志，于良君,4*

（1.大理市農業環境保護監測站，云南 大理 671000；2.云南農業大學 資源與環境學院，云南 昆明 650201；3.大理市農業農村局，云南 大理 671000；4《.云南農業大學學報》編輯部，云南 昆明 650201）

0 引言

洱海是云南省大理白族自治州的生命源泉，具有供水、農灌、發電、調節氣候、漁業、航運、旅游七大主要功能。近20年來，由于各種因素的影響，入湖污染負荷量持續增加，洱海生態環境保護形式十分嚴峻［1-2］。大量研究表明，農業面源污染已成為湖泊氮磷污染負荷的主要來源之一［3-5］。為保護水生態環境，厘清農業面源污染負荷和空間分布特征、污染類型及防護等，已有學者對太湖流域［6］、三峽庫區［7］、密云水庫［8］、洱海流域［3］等的農業面源污染進行了定性和定量研究，采用的方法為污染系數估算法［9］、清單法［10］、等標污染負荷法［11］等。其中，污染系數估算法相對簡單、應用性強，而等標污染負荷法是采用等標污染負荷來綜合評價不同污染物或污染源對環境潛在污染能力的大小，將不同污染物在同一尺度上進行比較以確定主要污染源或主要污染物，因而得到廣泛應用［12-15］。

上述有關湖泊水體的農業面源污染研究中，僅將1年的農業面源污染負荷特征進行分析研究，且相關研究將農業面源污染物劃分為秸稈、肥料、畜禽（水產）養殖和農村生產生活污染物［3，6-8］等，同時開展研究，并未單獨就肥料（尤其是無機肥）面源污染負荷特征進行系統性的分析研究。事實上，在各類農業面源污染物中，因肥料過量及不合理的施用而引發的面源污染問題對農業環境、糧食生產和農戶造成了嚴重威脅［16-17］。例如，洱海流域因肥料過量及不合理的施用引發的面源污染占流域TN、TP污染負荷的比值高達42.58%和38.83%［3］。與此同時，肥料面源污染物極易受到施肥、種植類型和數量等的影響［18-21］，導致不同年份肥料面源污染物變幅較大。加上以往研究并未引入差異性統計分析，因此，未能準確把握洱海流域肥料面源污染物在各鄉鎮間不同時間范圍內的差異性。為解決上述問題，有必要對湖泊流域肥料面源污染負荷特征進行深入分析。基于此，本研究收集了洱海流域2016~2018年的無機肥施用統計數據資料，以鎮為單位，綜合采用污染系數估算法、等標污染負荷法和SPSS 13.0軟件對各鄉鎮間不同時間范圍內的差異性進行了分析，以期為洱海農業面源污染防治提供科學依據，進而為洱海流域農業面源污染的綜合治理奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

洱海流域面積2565 km2，屬亞熱帶高原季風氣候，干濕季明顯，年均溫度15.1 ℃，年平均降水量為1048 mm，為典型的山地丘陵地區。流域內主要的土地利用類型為林草地，占流域面積的68.90%，其次為耕地（25.63%），而建設用地只占0.44%。流域總人口約95萬，包括北部洱源縣6個鄉鎮和南部大理市10個鄉鎮（圖1）［22］，其中北部6個鄉鎮為農業發達地區，城鎮化程度只有33%，南部10個鄉鎮城鎮化程度較高，城鎮化程度達68%［22］。農業是流域的基礎產業，其中種植業污染占洱海流域水環境污染負荷率總量的52.74%，畜牧業污染占洱海流域水環境污染負荷率總量的47.26%［23］。流域農田主要分布在離湖泊較近的平壩區，且多沿河流分布，農業肥料污染物極易入湖，對洱海水質產生了不利影響，各鄉鎮農作物基本情況見表1。

表1 洱海流域各鄉鎮肥料用量和主要農作物耕作面積

圖1 洱海流域行政區劃示意［22］

1.2 數據來源

洱海流域16個鄉鎮的基礎數據包括國土面積、耕地面積、無機肥施用量等，來源于2016~2018年《洱源縣國民經濟和社會發展統計年鑒》和《大理統計年鑒》。

1.3 數據處理方法

1.3.1 肥料面源污染負荷估算法 采用清單分析法建立產排污清單，以此估算各類污染源的污染物排放量，主要將洱海流域施用的無機肥料即復合肥、氮肥和磷肥等折算為純氮（N）、純磷（P2O5）施用量，再計算得出污染排放量，具體計算公式如下：

式（1）中：E為肥料面源污染物總氮（TN）、總磷（TP）的排放總量，單位：t/a；SUi為i污染單元污染物產生基數，單位：t/a；ρi為i污染單元產污強度系數，一般默認為0.33；SUi×ρi表示污染單元農業面源污染物產生量，即不考慮資源綜合利用和管理因素時，農業生產和農村生活造成的最大潛在農業面源污染物產生量，單位：t/a；LCi為考慮資源綜合利用和管理因素時i污染單元污染物排放系數，排放系數參數通過相關文獻［9-10，24］、全國第二次污染源普查系數以及結合洱海流域典型區域內的調研結果確定，其中氮肥流失系數取18%，磷肥流失系數取6%。

1.3.2 污染物等標排放量核算方法 等標污染負荷法是采用等標污染負荷來綜合評價不同污染物或污染源對環境潛在污染能力的大小，將不同污染物在同一尺度上進行比較，以確定主要污染源或主要污染物，計算公式如下：

式（2）中：Pj為污染物j的等標排放量，單位：m3；Cj為污染物j的絕對排放量，單位：m3/hm2；C0為污染物j基于水環境功能分區的水質目標控制類別（GB 3838—2002《地表水環境質量標準》）標準值，單位：mg/L。根據《洱海流域水環境保護治理“十三五”規劃》，洱海的保護目標為入湖河流水質不低于Ⅲ類標準，因此按照Ⅲ類標準中污染物濃度（COD≤20 mg/L，TN≤1.0 mg/L，TP≤0.2 mg/L）來計算洱海流域的等標污染負荷。

1.3.3 農業面源污染排放強度核算方法 農業面源排放強度為單位面積耕地承載的排放負荷，用以衡量和比較不同區域間農業面源污染物排放強度之間的大小關系，分析農業面源污染排放格局，計算公式為：

式（3）中：QI 為第a區第b類污染源的等標相對排放系數，單位：kg/（km2·a1）；Qab為第a區第b類污染源的等標絕對排放量，單位：t/a；S為第a區的耕地面積，單位：km2。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2010軟件對數據處理后，用SPSS 13.0軟件在P=0.05水平對不同指標進行差異性分析。

2 結果與分析

2.1 各年度洱海流域肥料面源污染排放量及其分布比例特征

由表2可知，2016~2018年整個洱海流域TN、TP排放量持續下降，TN排放量為2277.45、2071.65和1170.39 t，TP排放量為189.58、173.65和114.56 t。近3年各鄉鎮TN、TP排放量總體為下降趨勢，且絕大部分鄉鎮TN、TP排放量逐年下降。即下關鎮、茈碧湖鎮、鳳羽鎮2017年TN排放量稍高于2016年，右所鎮2018年TN排放量高于2017年，其余12個鄉鎮TN排放量均逐年下降。下關鎮、挖色鎮、灣橋鎮和茈碧湖鎮2017年TP排放量稍高于2016年，右所鎮和牛街鄉2018年TP排放量高于2016和2017年，其余10個鄉鎮TP排放量均逐年下降。

表2 各年度洱海流域鄉鎮尺度肥料面源污染排放量及其排放比例

2016~2018年16個鄉鎮各年度TN排放量和排放量占比最大的為三營鎮，其次為右所鎮，茈碧湖鎮和鳳羽鎮2016~2017年TN排放量和排放量占比較高，2018年相對偏低，以上4個鄉鎮2016~2018年TN排放總和占流域污染負荷總量的52.31%、55.63%和58.83%。大理鎮和海東鎮各年度TN排放量和排放量占比均居中，其余10個鄉鎮各年度TN排放量和排放量占比均相對偏低。三營鎮、右所鎮、茈碧湖鎮各年度TP排放量和占比均較高，鳳羽鎮2016和2017年TP排放量和占比均較高，2018年偏低，上述4個鄉鎮2016~2018年TP排放總和占流域污染負荷總量的57.37%、58.12%和58.32%，大理鎮和海東鎮各年度TP排放量和占比均居中，其余10個鄉鎮則各年度TP排放量和占比相對偏低。

2.2 2016~2018年洱海流域肥料面源污染平均排放量

由圖2可知，2016~2018年16個鄉鎮TN、TP平均排放量差異較大，其中三營鎮TN、TP平均排放量最高，TN平均排放量（389.15 t）顯著高于除右所鎮外的其他14個鄉鎮；TP排放量（44.10 t）顯著高于其余15個鄉鎮。右所鎮、茈碧湖鎮和鳳羽鎮TN、TP平均排放量次之，3個鄉鎮TN平均排放量分別為249.61、195.28和154.48 t，TP平均排放量分別為18.86、15.66和11.20 t，以上4個鄉鎮TN、TP平均排放總量占流域污染負荷總量的53.73%和57.87%，大理鎮和海東鎮TN、TP平均排放量第三，TN平均排放量依次是138.83、135.88 t，TP平均排放量依次是11.26、11.03 t；其余10個鄉鎮平均排放量相對較低，TN和TP平均排放量在39.70~87.50 t和 2.41~7.75 t。

圖2 2016~2018年洱海流域肥料面源污染平均排放量

2.3 各年度洱海流域肥料面源污染等標污染負荷特征

由表3可知，2016~2018年整個洱海流域TN、TP等標污染負荷量逐年下降，3年來TN和TP等標污染負荷量依次是2277.45、2071.65、1170.39 m3和947.82、868.16、572.75 m3。各鄉鎮TN、TP等標污染負荷量總體為下降趨勢，且絕大部分鄉鎮TN、TP等標污染負荷量逐年下降。即除下關鎮、茈碧湖鎮和鳳羽鎮2017年TN等標污染負荷量稍高于2016年，右所鎮2018年TN等標污染負荷量稍高于2017年外，其余12個鄉鎮TN等標污染負荷量均呈逐年下降趨勢。各年度TN等標污染負荷量最高的鄉鎮均為三營鎮，其次為右所鎮，茈碧湖鎮和鳳羽鎮則2016和2017年TN等標污染負荷量較高，2018年相對偏低，但以上4個鄉鎮2016~2018年TN等標污染負荷總量占流域污染負荷總量的52.31%、55.63%和53.11%，大理鎮和海東鎮TN等標污染負荷量在各年度都居中，其余10個鄉鎮相對偏低。

表3 各年度洱海流域肥料面源污染等標污染負荷特征 m3

下關鎮、挖色鎮、灣橋鎮和茈碧湖鎮2017年TP等標污染負荷量稍高于2016年，右所鎮和牛街鄉2018年TP等標污染負荷量高于2016年和2017年，其余10個鄉鎮TP等標污染負荷量均呈逐年下降趨勢。2016~2018年16個鄉鎮均以三營鎮、右所鎮、茈碧湖鎮TP等標污染負荷量較高，鳳羽鎮則2016和2017年TP等標污染負荷量較高，2018年偏低，以上4個鄉鎮TP等標污染負荷量占流域污染負荷總量的57.36%、58.11%和58.32%，大理鎮和海東鎮在各年度等標污染負荷量均居中，其余10個鄉鎮在各年度等標污染負荷量均相對偏低。

2.4 2016~2018年洱海流域肥料面源污染平均等標污染負荷特征

由圖3可知，16個鄉鎮TN、TP平均等標污染負荷量間差異較大。TN、TP平均等標污染負荷量最大的鄉鎮依次是三營鎮（389.15、220.47 m3）、右所鎮（249.61、106.01 m3）、茈碧湖鎮（195.28、78.27 m3）和鳳羽鎮（154.48、56.00 m3），4個鄉鎮TN、TP平均等標污染負荷量分別占流域污染負荷總量的53.73%和57.87%。其中三營鎮TN、TP平均等標污染負荷量顯著高于其余15個鄉鎮，右所鎮TN、TP平均等標污染負荷量顯著高于除三營鎮、茈碧湖鎮、鳳羽鎮、大理鎮和海東鎮外的11個鄉鎮，茈碧湖鎮TN、TP平均等標污染負荷量顯著高于挖色鎮、灣橋鎮、銀橋鎮、雙廊鎮、上關鎮和牛街鄉，鳳羽鎮與除三營鎮外的其余鄉鎮間差異均不顯著。大理鎮（138.83、56.28 m3）和海東鎮（135.88、55.12 m3）TN、TP平均等標污染負荷量居中，其余10個鄉鎮則TN、TP平均等標污染負荷量相對較低，分別為39.70~87.50 m3和12.06~38.75 m3。

圖3 洱海流域各鄉鎮肥料面源污染物平均等標負荷特征

2.5 各年度洱海流域肥料面源污染排放強度

由表4可知，2016~2018年整個洱海流域TN、TP平均排放強度逐年下降，TN平均排放強度分別為59.39、56.40和32.38 kg/km2，TP平均排放強度分別為4.95、4.71和3.38 kg/km2。各年度均以鄧川鎮TN、TP排放強度最大，其次為茈碧湖鎮、三營鎮、右所鎮和鳳羽鎮，再次為大理鎮、海東鎮，其余9個鄉鎮TN、TP排放強度相對較低。各鄉鎮各年度TN、TP排放強度整體呈下降趨勢，且絕大部分鄉鎮TN、TP排放強度逐年下降。其中下關鎮、灣橋鎮、銀橋鎮、茈碧湖鎮和鳳羽鎮2017年TN排放強度稍高于2016年，右所鎮2018年TN排放強度稍高于2016和2017年，其余10個鄉鎮TN排放強度均呈逐年下降趨勢。下關鎮、大理鎮、挖色鎮、灣橋鎮、銀橋鎮和茈碧湖鎮2017年TP排放強度稍高于2016年，右所鎮2018年TP排放強度遠高于2016和2017年，其余9個鄉鎮TP排放強度均逐年下降。

表4 各年度洱海流域肥料面源污染排放強度 kg/km2

2.6 2016~2018年洱海流域肥料面源污染平均排放強度

由圖4可知，2016~2018年16個鄉鎮TN、TP平均排放強度差異較大，TN、TP平均排放強度較高的鄉鎮為鄧川鎮、右所鎮、三營鎮、茈碧湖鎮、海東鎮和鳳羽鎮。TN排放強度以鄧川鎮和右所鎮（116.31和112.49 kg/km2）最高，顯著高于除三營鎮、茈碧湖鎮、海東鎮和鳳羽鎮外的其余10個鄉鎮，三營鎮（98.28 kg/km2）、茈碧湖鎮（82.01 kg/km2）、海東鎮（70.86 kg/km2）和鳳羽鎮（69.93 kg/km2）TN平均排放強度次之，其余10個鄉鎮TN平均排放強度相對偏低。TP排放強度以鄧川鎮最高（12.49 kg/km2），顯著高于流域內除右所鎮和三營鎮外的其余13個鄉鎮，其次為三營鎮（11.12 kg/km2）和右所鎮（9.66 kg/km2），茈碧湖鎮（6.58 kg/km2）、海東鎮（5.75 kg/km2）和鳳羽鎮（5.08 kg/km2）TP排放強度居中，其余10個鄉鎮則TP排放強度相對偏低。

圖4 2016~2018年洱海流域各鄉鎮肥料面源污染平均排放強度

3 討論

3.1 洱海流域肥料面源污染負荷特征差異原因分析

研究表明，2018年洱海流域肥料面源污染TN、TP排放量為1170.39和114.56 t，等標污染負荷量為1170.39和572.75 m3，這與2018年項頌等［3］研究的估算值稍有不同，但偏差不大，說明研究所采用的肥料面源污染核算方法和相關參數的選取具有較高的可信度。2016~2018年洱海流域TN、TP排放量、等標污染負荷量和排放強度均呈逐年下降的趨勢，這說明肥料面源污染治理成效顯著，與全流域禁種以大蒜為主的高肥水農作物、積極推廣綠色生態種植、積極推行土地流轉等相關措施密不可分。研究表明：三營鎮總氮、總磷平均排放量最高（389.15和44.10 t），但10年前研究表明右所鎮總氮、總磷排放量最高（583.8和79.9 t）［25］，說明這10年污染負荷減量較大，但排放量在不同的鄉鎮轉移。

研究表明：16個鄉鎮肥料面源污染TN、TP排放量、等標污染負荷量和排放強度呈北高南低的特點，這與項頌［3］、李影［22］、龔琦［25］等的研究一致。龔琦等［25］研究表明，洱海北部洱源縣6個鄉鎮的總氮、總磷排放量占全流域的48%和44%、本研究結果表明，2016~2018年僅洱海北部洱源縣的三營鎮、右所鎮、茈碧湖鎮和鳳羽鎮TN、TP平均排放量占全流域負荷總量的53.73%和57.87%，說明這10多年來洱海流域肥料面源污染分布一直較為集中，且北部洱源縣6個鄉鎮污染負荷占比持續加大，需要重點監控。項頌等［3］研究表明，流域西部各鄉鎮排放強度較大，本研究結果表明流域北部的鄧川鎮、右所鎮、三營鎮、茈碧湖鎮和鳳羽鎮5個鄉鎮排放強度較大，這與項頌等［3］綜合考慮農村生活、肥料和養殖污染源，而本研究僅考慮肥料污染源有關。本研究還表明，鄧川鎮TN、TP排放量和等標污染負荷量不高，但TN、TP排放強度最高，這是因為鄧川鎮耕地面積盡管僅為559.53 hm2，但單位面積肥料用量卻高達N 646.15 kg/hm2，P2O5476.96 kg/hm2（表 1）。

3.2 洱海流域肥料面源污染防控措施

肥料面源污染因其排放路徑的不確定性、排放區域的廣泛性、控制難度較高等特點，使肥料面源的治理區別于點源污染治理，要求其綜合治理更加系統和全面，因此，源頭的攔截、污染物傳輸過程中的控制以及末端的治理是肥料面源污染治理中需要考慮的內容［26-28］。對整個流域而言，為持續削減農業面源污染負荷，應完善農業綠色發展政策體系，通過制定政策激勵措施，鼓勵洱海保護核心區以外的土地盡量向農業龍頭企業、專業合作社和經營大戶集中流轉，提倡綠色生態種植，構建農業生態補償機制等。

相關研究結果結合表1可知，三營鎮、右所鎮、茈碧湖鎮、鳳羽鎮和鄧川鎮肥料用量很高（N 388.49~646.15 kg/hm2，P2O5193.75~476.96 kg/hm2），主要作物耕地面積較大，且城鎮化程度較低，僅為33%，導致這5個鄉鎮肥料面源污染負荷偏高，因此，這5個鄉鎮應加大測土配方施肥力度，實現農作物秸稈資源化利用，對面源污染物進行實時監測，構建農業生態補償機制，發揮新型經營主體開展土地流轉，增強科技支撐力度，同時，建成地表徑流農田尾水循環凈化系統，以削減肥料面源污染負荷。菜地由于復種指數高，施肥量大，灌溉頻繁，是農田氮磷重要的排放源，也是農田面源污染重點控制的種植類型，這已被許多研究證實。本研究結果也表明，菜地種植面積較大的右所鎮、三營鎮和大理鎮肥料面源污染負荷相對較高，因此，這3個鄉鎮應重點優化種植業結構，調減高肥水作物尤其是蔬菜的種植，鼓勵支持流域內高肥水作物向流域外轉移發展，若需種植高肥水作物則應積極引進高效水肥一體化技術，以節本增效，同時削減面源污染物的排放。海東鎮盡管耕地面積較小，但單位面積肥料用量較大，加上地處環湖區域，因此，應加大測土配方施肥力度，采用生態溝渠、生態庫塘、濕地凈化等生態工程措施，削減農業面源污染負荷。其余9個鄉鎮肥料面源污染負荷相對較低，防控策略為持續推進流域削減負荷的各項措施政策，鞏固取得的成果，防止已取得成果的反彈。

4 結論

2016~2018年洱海流域肥料面源污染負荷逐年下降，其中TN和TP排放總量分別為2277.45、2071.65、1170.39 t和189.58、173.65、114.56 t；TN和TP等標污染負荷總量分別為2277.45、2071.65、1170.39 m3和947.82、868.16、572.75 m3；TN和TP平均排放強度為59.39、56.40、32.28 kg/km2和4.30、4.16、3.18 kg/km2。洱海流域16個鄉鎮中鳳儀鎮、喜洲鎮、海東鎮、雙廊鎮、上關鎮和鄧川鎮TN和TP排放量、等標污染負荷量逐年下降，其余10個鄉鎮TN和TP排放量、等標污染負荷量在各年度間有增有減，但總體呈下降趨勢。2016~2018年每年度和3年平均TN和TP排放量、等標污染負荷量均以右所鎮、三營鎮、茈碧湖鎮和鳳羽鎮最高，4個鄉鎮各年度TN和TP排放總量和等標污染負荷總量占比均在全流域的50%以上，其次為海東鎮和大理鎮，其余10個鄉鎮各年度和3年平均TN和TP排放量、等標污染負荷量相對偏低。但鄧川鎮TN和TP排放強度最大，其次為茈碧湖鎮、三營鎮、右所鎮和鳳羽鎮，再次為大理鎮、海東鎮，其余9個鄉鎮TN和TP排放強度相對較低。