郭羽鑫 郑宏刚 吴碧兰 曾维军

摘要：耕地污染是洱海富营养化的主要影响因素，通过对洱海流域上游耕地总氮（TN）、总磷（TP）排放强度进行分析，可以为洱海流域上游非点源污染治理提供新思路。利用地理信息系统（GIS）空间分析技术、源强估算法，对研究区耕地总氮（TN）、总磷（TP）排放强度进行分析。结果表明，TN排放强度表现为邓川镇>茈碧湖镇>牛街乡>右所镇>凤羽镇>三营镇;TP排放强度表现为邓川镇>牛街乡>凤羽镇>茈碧湖镇>右所镇>三营镇。研究得出，从粮食作物上看，水稻的TN排放总量最大，豆类的TP排放总量最大;从经济作物上看，蔬菜的TN、TP排放量最多。右所镇、三营镇、茈碧湖镇等3个乡（镇）的TN、TP排放强度高于其他3个乡（镇）;TN、TP排放强度空间分布呈现出南北高而中间低的趋势。邓川镇成为TN、TP污染最重区域，三营镇为污染最轻区域。

关键词：洱海流域上游;耕地;氮磷排放;分布规律;源强估算法

中图分类号：X524

文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2020）16-0291-07

水资源关系着人类的生存与发展，基于社会发展需求，云南省洱海流域水资源污染亟需得到理想治理。洱海流域在点源污染得到有效遏制后，上游农业面源污染成为洱海水污染最大污染源。据测算，每年进入洱海的总氮约9 891 t，总磷约108.1 t，其中非点源污染分别占97.1%、92.5%，点源污染仅占2.9%、7.5%[1]。近年来，洱海生态保护形势严峻，1996年、2003年和2013年，由于水体富营养化，洱海曾大面积暴发蓝藻灾害，2003年全年有3个月水质下降到Ⅳ类标准。面对洱海生态保护的严峻形势，云南省大理州政府为了保护洱海的水质做了大量工作，投入巨额资金用于洱海流域水污染治理，如投入巨额资金用于生态修复、湿地建设、环湖管道截污等;以补贴农户的方式铲除长势良好的大蒜，由于大蒜属高水肥类作物，大理州政府甚至发出“全面禁止种植大蒜”的倡议等。目前，由于农业非点源污染的不确定性，洱海治理虽然取得一些成绩，但水质保护面临的局面仍然不容乐观。

耕地氮磷排放是造成农业面源污染的主要途径之一，具有高度非线性以及复杂性等特征[2-3]。准确估算耕地氮磷排放量，科学分析耕地氮磷排放强度是耕地污染防控的重要基础[4-5]。目前，常用的氮磷排放量估算方法有实测法[6]、污染负荷估算法[7-8]、源强估算法[9-10]、排污系数法[11]等，其中源强估算法参数要求低，计算方法简单，实用性强，适合在大量监测数据缺乏的情况下对氮磷排放进行估算。本研究通过对云南省洱海流域上游6个乡（镇）的耕地面源污染现状进行调查，在充分收集资料的基础上，利用地理信息系统（GIS）空间分析技术，运用源强估算法[9]对洱海流域上游北部洱源县6个乡（镇）种植业源总氮（TN）和总磷（TP）排放量、排放强度进行估算及空间分布特征进行分析，以期为洱海流域水资源保护，科学调整流域土地利用规划、合理制定土地利用管理措施从而有效防控流域非点源污染提供参考借鉴。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

洱海流域位于我国云南省大理白族自治州境内（图1），位于25°25′ ～26°10′N，99°32′ ～100°27′E，流域面积约为2 607.75 km2。洱海是典型的内陆断陷湖，主要靠降水补给。洱海上游北部地区主要包括洱源县的牛街乡、三营镇、茈碧湖镇、右所镇、邓川镇、凤羽鎮等7个乡（镇）[12]以及大理市的上关镇，弥苴河、波罗江、罗时江发源于洱海上游的洱源县，每年通过7个乡（镇）注入洱海的水量约占其补水总量的70%。基于数据资料，本研究以洱海北部洱源县6个乡（镇）为研究区域，结合GIS空间分析功能对6个乡（镇）进行耕地TN、TP排放强度进行分析。

1.2 数据来源及处理

以洱海流域上游洱源县6个乡（镇）为研究对象，水质数据以2019年为时间基准年，选取总氮、总磷2个代表性水质指标。通过文献查阅、现场调查及相关部门获取并收集洱海流域上游洱源县6个乡（镇）2019年农业相关原始资料。数据来源及具体情况见表1、表2。采用ArcGIS 10.2软件进行作图，采用Office 2007软件进行数据分析及图表制作。

1.3 研究方法

1.3.1 空间分析 洱源县6个乡（镇）农田氮磷污染空间分析[13]在ArcGIS 10.2数据分析与管理平台基础上进行，主要包括流域边界确定、遥感影像裁剪、行政区划矢量化，以及对影像数据进行监督分类、色彩分级处理和野外核查，实现洱源县6个乡（镇）TN、TP不同排放强度空间格局可视化表达。同时，根据国家标准GB/T 21010—2017《土地利用现状分类》，以洱海流域影像数据为基准，进行影像校正、定义、流域边界裁剪等，提取洱海流域洱源县6个乡（镇）耕地、林地、园地、林地、草地等用地信息数据，获取流域水系分布图及土地利用现状图（图2、图3）。

1.3.2 作物排放量计算法 每个小区每种作物径流污染物的排放量计算公式[14-15]为

式中：M为小区径流排放污染物流失量，g;ρi为第i次排水污染物浓度，mg/L;V为小区径流体积，m3。

1.3.3 源强估算法 本研究采用源强估算法[9-10，16]，以乡（镇）为分区单位，计算洱海流域上游洱源县6个乡（镇）的耕地TN、TP污染负荷排放强度。

洱海流域上游6个乡（镇）排放强度是指流域各分区单位土地面积产生的耕地氮磷污染排放量，计算公式如下：

P=Q/S。

式中：P为各区耕地污染源排放强度，kg/（km2·年）;Q为各区耕地污染排放量，kg/年;S为以乡（镇）为单位的耕地面积，km2。

利用Excel软件对洱源县6个乡（镇）主要作物种植面积进行统计制图，以统计并综合对比分析洱源县6个乡（镇）的主要作物种植面积，掌握各乡（镇）种植面积最大和最小的主要作物。

2 结果与分析

2.1 研究区6个乡（镇）主要作物种植面积统计分析

根据《洱源县统计年鉴（2019）》对洱源县牛街乡、三营镇、茈碧湖镇、右所镇、邓川镇、凤羽镇等6个乡（镇）农作物种植种类及面积进行统计。

6个乡（镇）9种主要作物种植面积如图4所示。

由图4可知，2019年洱海流域上游牛街乡、三营镇、茈碧湖镇、右所镇、邓川镇和凤羽镇耕地作物种植以水稻、小麦、玉米、大麦、豆类、薯类、油菜、烤烟、蔬菜等为主要农作物。6个乡（镇）水稻总种植面积为128 755 hm2;而小麦总种植面积仅为1 785 hm2。从图4可以看出，洱海流域上游的牛街乡、三营镇、茈碧湖镇、右所镇、邓川镇和凤羽镇等6个乡（镇）中，各个乡（镇）种植面积最大的基本上均以粮食作物水稻为主，辅以玉米、豆类、蔬菜等，小麦的种植面积最小或甚至不种，烤烟、薯类、油菜等的面积也较小。其次，可以直观得出，水稻大量种植于茈碧湖镇、右所镇，种植面积分别为28 005、25 545 hm2;豆类、大麦、烤烟、蔬菜等主要集中于三营镇;薯类、玉米等主要种植于右所镇;油菜相对集中于凤羽镇;而小麦种植面积很小，多分布于茈碧湖镇，种植面积为 675 hm2。研究区6个乡（镇）中，邓川镇总种植面积偏少，牛街乡总种植面积居中。

通过ArcGIS 10.2分别对6个乡（镇）的耕地种植面积概况进行色彩分级处理，如图5所示，可以直观地看出，2019年洱海流域上游牛街乡、三营镇、茈碧湖镇、右所镇、邓川镇和凤羽镇种植面积分别为47 730、126 690、80 475、89 408、21 450、68 931 hm2。整体上，9种主要农作物中邓川镇种植面积较少，仅约占6个乡（镇）总种植面积的4.93%;茈碧湖镇、右所镇种植面积居中，分别约占6个乡（镇）总种植面积的18.51%、20.57%，三营镇种植面积较大，约占6个乡（镇）总种植面积的29.15%;由此，研究区种植面积以似“G”字形分布，符合洱源县6个乡（镇）土地利用现状图土地利用类型分布趋势。

2.2 研究区耕地TN、TP排放强度分析

在实地考察的过程中，采取咨询相关部门、翻阅大量数据及文献资料对洱海流域上游6个乡（镇）耕地产业的排污情况有了一定的了解。

利用每个小区每种作物径流污染物的排放量计算方法[14-15]，以研究区9种主要种植作物为统计对象，结合文献查阅及调查资料分别对研究区主要作物的TN、TP排放量进行计算和统计，结果如图6所示。由图6可知，洱源县9种种植作物中，TN排放量表现为水稻>玉米>蔬菜>大麦>薯类>油菜>烤烟>小麦;TP排放量表现为豆类>蔬菜>玉米>大麦>薯类>烤烟>油菜>水稻>小麦。

洱海流域上游洱源县6个乡（镇）TN、TP排放量空间分布如图7所示。由图7可知，6个乡（镇）中，TN排放量表现为三营镇>茈碧湖镇>右所镇>邓川镇>凤羽镇>牛街乡，最大和最小TN排放量的乡（镇）分别为三营镇（73 200 kg/年）、牛街乡（35 450 kg/年）;TP排放量表现为右所镇>三营镇>茈碧湖镇>凤羽镇>邓川镇>牛街乡，最大和最小TP排放量的乡（镇）分别为右所镇（8 320 kg/年）、牛街乡（5 868.32 kg/年）。

结合研究区2019年6个乡（镇）的种植面积和氮磷排放量，计算得出洱海流域上游洱源县6个乡（镇）TN、TP排放强度空间分布图（图8）。由图8可知，邓川镇TN和TP排放强度分别为218.10、29.00 kg/（km2·年）;三营镇TN和TP排放强度分别为57.70、6.50 kg/（km2·年）。6个乡（镇）TN排放强度表现为邓川镇>茈碧湖镇>牛街乡>右所镇>凤羽镇>三营镇;6个乡（镇）TP排放强度表现为邓川镇>牛街乡>凤羽镇>茈碧湖镇>右所镇>三营镇。

2.3 研究区6个乡（镇）作物种植面积与耕地氮磷排放量的关系

2019年洱海流域上游洱源县6个乡（镇）农业非点源污染TN平均排放强度为94.70 kg/（km2·年），TP平均排放强度为11.70 kg/（km2·年）;研究区6个乡（镇）中，三营镇作物种植面积最大，排放量最大;当三营镇和右所镇TP排放量相似的时候，由于右所镇的作物种植面积相对较小，所以右所镇的排放强度较大;邓川镇主要作物分布面积最小。总之，当排放量和作物种植面积2个变量中有1个相似的时候，如排放量接近，作物种植面积越小排放强度越大;反之，作物种植面积接近，排放量越小排放强度就越大。

2.4 经济结构变化对研究区6个乡（镇）氮磷产排强度的影响

耕地氮磷污染是研究区农业面源污染的重要因素之一。研究区6个乡（镇）的氮磷污染排放强度受制于氮磷污染排放量与农作物种植面积2个因素，基于当地的地理位置、气候等因素以及氮磷排放量与主要作物种植面积的关系，综合研究区6个乡（镇）主要作物种植概况，按重度排污、中度排污、轻度排污等3种控制模式及每个乡（镇）每种主要作物所产生的氮磷污染量大小，合理规划并调整经济作物种植概况，有益于改善洱海流域上游6个乡（镇）氮磷产排强度。

3 讨论与结论

洱海流域的非点源污染治理的关键在于农业非点源污染的治理，农业非点源污染治理的最主要来源是耕地种植作物产生的非点源污染。洱源县地处洱海流域上游北部，包括弥苴河、永安江、罗时江等3条洱海入湖河流[17-18]，洱源县TN、TP空间分布特征与各乡（镇）的经济结构有关。因此，依据资料数据统计的洱源縣6个乡（镇）9种主要种植作物及其TN、TP排放量对研究区进行污染防控治理（即对研究区作物种植进行合理化调整）。结合降低污染源排放量及排放强度原则对研究区非点源TN、TP污染采用3种控制模式（重度排污、中度排污、轻度排污）及每个乡（镇）每种主要作物所产生的氮磷污染量合理规划调整经济作物种植概况。

农业非点源污染治理复杂且受多方限制因素影响[19]，而洱源县种植作物关系到广大农村居民的经济收益。因此，依据研究情况对研究区种植业进行规划调整须进行综合考虑、多方协调，推动公众共同参与，以保证研究区污染治理措施的有效试验及推行，为后续治理提供参考。

从粮食作物上看，水稻TN排放总量最大，豆类的TP排放总量最大;从经济作物上看，蔬菜的TN、TP排放量最多。

洱海流域上游6个乡（镇）中，邓川镇成为TN、TP污染最重区域，三营镇为污染最轻区域。

以研究区6个乡（镇）的主要分布位置为依据，TN、TP排放强度空间分布主要呈现出南北高而中间低的趋势。邓川镇、茈碧湖镇、牛街乡相对其他3个乡（镇）更需要对其进行TN治理;而邓川镇、牛街乡、凤羽镇等的TP排放强度高;因此，邓川镇TN、TP治理需求最大。

综合研究结果，建议综合研究区6个乡（镇）主要经济作物种植结构，用减施化肥、调整主要作物种植结构、控制水域与污染源距离等治理模式分别对洱海流域上游6个乡（镇）进行分区污染治理。

本研究通过对洱海流域上游6个乡（镇）的耕地氮磷排放量及排放强度进行估算，识别出了TN、TP污染较重的区域，并提出了依据各乡（镇）种植面积和产生氮磷污染量的主要作物结合当地实际情况进行合理规划的建议，有利于为后期洱海区域非点源污染进行规划和治理。

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