洱海流域上游耕地氮磷排放強度空間分析

郭羽鑫 鄭宏剛 吳碧蘭 曾維軍

摘要：耕地污染是洱海富營養化的主要影響因素，通過對洱海流域上游耕地總氮（TN）、總磷（TP）排放強度進行分析，可以為洱海流域上游非點源污染治理提供新思路。利用地理信息系統（GIS）空間分析技術、源強估算法，對研究區耕地總氮（TN）、總磷（TP）排放強度進行分析。結果表明，TN排放強度表現為鄧川鎮>茈碧湖鎮>牛街鄉>右所鎮>鳳羽鎮>三營鎮;TP排放強度表現為鄧川鎮>牛街鄉>鳳羽鎮>茈碧湖鎮>右所鎮>三營鎮。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;從經濟作物上看，蔬菜的TN、TP排放量最多。右所鎮、三營鎮、茈碧湖鎮等3個鄉（鎮）的TN、TP排放強度高于其他3個鄉（鎮）;TN、TP排放強度空間分布呈現出南北高而中間低的趨勢。鄧川鎮成為TN、TP污染最重區域，三營鎮為污染最輕區域。

關鍵詞：洱海流域上游;耕地;氮磷排放;分布規律;源強估算法

中圖分類號：X524

文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2020）16-0291-07

水資源關系著人類的生存與發展，基于社會發展需求，云南省洱海流域水資源污染亟需得到理想治理。洱海流域在點源污染得到有效遏制后，上游農業面源污染成為洱海水污染最大污染源。據測算，每年進入洱海的總氮約9 891 t，總磷約108.1 t，其中非點源污染分別占97.1%、92.5%，點源污染僅占2.9%、7.5%[1]。近年來，洱海生態保護形勢嚴峻，1996年、2003年和2013年，由于水體富營養化，洱海曾大面積暴發藍藻災害，2003年全年有3個月水質下降到Ⅳ類標準。面對洱海生態保護的嚴峻形勢，云南省大理州政府為了保護洱海的水質做了大量工作，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修復、濕地建設、環湖管道截污等;以補貼農戶的方式鏟除長勢良好的大蒜，由于大蒜屬高水肥類作物，大理州政府甚至發出“全面禁止種植大蒜”的倡議等。目前，由于農業非點源污染的不確定性，洱海治理雖然取得一些成績，但水質保護面臨的局面仍然不容樂觀。

耕地氮磷排放是造成農業面源污染的主要途徑之一，具有高度非線性以及復雜性等特征[2-3]。準確估算耕地氮磷排放量，科學分析耕地氮磷排放強度是耕地污染防控的重要基礎[4-5]。目前，常用的氮磷排放量估算方法有實測法[6]、污染負荷估算法[7-8]、源強估算法[9-10]、排污系數法[11]等，其中源強估算法參數要求低，計算方法簡單，實用性強，適合在大量監測數據缺乏的情況下對氮磷排放進行估算。本研究通過對云南省洱海流域上游6個鄉（鎮）的耕地面源污染現狀進行調查，在充分收集資料的基礎上，利用地理信息系統（GIS）空間分析技術，運用源強估算法[9]對洱海流域上游北部洱源縣6個鄉（鎮）種植業源總氮（TN）和總磷（TP）排放量、排放強度進行估算及空間分布特征進行分析，以期為洱海流域水資源保護，科學調整流域土地利用規劃、合理制定土地利用管理措施從而有效防控流域非點源污染提供參考借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

洱海流域位于我國云南省大理白族自治州境內（圖1），位于25°25′ ～26°10′N，99°32′ ～100°27′E，流域面積約為2 607.75 km2。洱海是典型的內陸斷陷湖，主要靠降水補給。洱海上游北部地區主要包括洱源縣的牛街鄉、三營鎮、茈碧湖鎮、右所鎮、鄧川鎮、鳳羽鎮等7個鄉（鎮）[12]以及大理市的上關鎮，彌苴河、波羅江、羅時江發源于洱海上游的洱源縣，每年通過7個鄉（鎮）注入洱海的水量約占其補水總量的70%?；跀祿Y料，本研究以洱海北部洱源縣6個鄉（鎮）為研究區域，結合GIS空間分析功能對6個鄉（鎮）進行耕地TN、TP排放強度進行分析。

1.2 數據來源及處理

以洱海流域上游洱源縣6個鄉（鎮）為研究對象，水質數據以2019年為時間基準年，選取總氮、總磷2個代表性水質指標。通過文獻查閱、現場調查及相關部門獲取并收集洱海流域上游洱源縣6個鄉（鎮）2019年農業相關原始資料。數據來源及具體情況見表1、表2。采用ArcGIS 10.2軟件進行作圖，采用Office 2007軟件進行數據分析及圖表制作。

1.3 研究方法

1.3.1 空間分析 洱源縣6個鄉（鎮）農田氮磷污染空間分析[13]在ArcGIS 10.2數據分析與管理平臺基礎上進行，主要包括流域邊界確定、遙感影像裁剪、行政區劃矢量化，以及對影像數據進行監督分類、色彩分級處理和野外核查，實現洱源縣6個鄉（鎮）TN、TP不同排放強度空間格局可視化表達。同時，根據國家標準GB/T 21010—2017《土地利用現狀分類》，以洱海流域影像數據為基準，進行影像校正、定義、流域邊界裁剪等，提取洱海流域洱源縣6個鄉（鎮）耕地、林地、園地、林地、草地等用地信息數據，獲取流域水系分布圖及土地利用現狀圖（圖2、圖3）。

1.3.2 作物排放量計算法 每個小區每種作物徑流污染物的排放量計算公式[14-15]為

式中：M為小區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為小區徑流體積，m3。

1.3.3 源強估算法 本研究采用源強估算法[9-10，16]，以鄉（鎮）為分區單位，計算洱海流域上游洱源縣6個鄉（鎮）的耕地TN、TP污染負荷排放強度。

洱海流域上游6個鄉（鎮）排放強度是指流域各分區單位土地面積產生的耕地氮磷污染排放量，計算公式如下：

P=Q/S。

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

利用Excel軟件對洱源縣6個鄉（鎮）主要作物種植面積進行統計制圖，以統計并綜合對比分析洱源縣6個鄉（鎮）的主要作物種植面積，掌握各鄉（鎮）種植面積最大和最小的主要作物。

2 結果與分析

2.1 研究區6個鄉（鎮）主要作物種植面積統計分析

根據《洱源縣統計年鑒（2019）》對洱源縣牛街鄉、三營鎮、茈碧湖鎮、右所鎮、鄧川鎮、鳳羽鎮等6個鄉（鎮）農作物種植種類及面積進行統計。

6個鄉（鎮）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、三營鎮、茈碧湖鎮、右所鎮、鄧川鎮和鳳羽鎮耕地作物種植以水稻、小麥、玉米、大麥、豆類、薯類、油菜、烤煙、蔬菜等為主要農作物。6個鄉（鎮）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、三營鎮、茈碧湖鎮、右所鎮、鄧川鎮和鳳羽鎮等6個鄉（鎮）中，各個鄉（鎮）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、右所鎮，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;薯類、玉米等主要種植于右所鎮;油菜相對集中于鳳羽鎮;而小麥種植面積很小，多分布于茈碧湖鎮，種植面積為 675 hm2。研究區6個鄉（鎮）中，鄧川鎮總種植面積偏少，牛街鄉總種植面積居中。

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

2.2 研究區耕地TN、TP排放強度分析

在實地考察的過程中，采取咨詢相關部門、翻閱大量數據及文獻資料對洱海流域上游6個鄉（鎮）耕地產業的排污情況有了一定的了解。

利用每個小區每種作物徑流污染物的排放量計算方法[14-15]，以研究區9種主要種植作物為統計對象，結合文獻查閱及調查資料分別對研究區主要作物的TN、TP排放量進行計算和統計，結果如圖6所示。由圖6可知，洱源縣9種種植作物中，TN排放量表現為水稻>玉米>蔬菜>大麥>薯類>油菜>烤煙>小麥;TP排放量表現為豆類>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個鄉（鎮）TN、TP排放量空間分布如圖7所示。由圖7可知，6個鄉（鎮）中，TN排放量表現為三營鎮>茈碧湖鎮>右所鎮>鄧川鎮>鳳羽鎮>牛街鄉，最大和最小TN排放量的鄉（鎮）分別為三營鎮（73 200 kg/年）、牛街鄉（35 450 kg/年）;TP排放量表現為右所鎮>三營鎮>茈碧湖鎮>鳳羽鎮>鄧川鎮>牛街鄉，最大和最小TP排放量的鄉（鎮）分別為右所鎮（8 320 kg/年）、牛街鄉（5 868.32 kg/年）。

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

2.3 研究區6個鄉（鎮）作物種植面積與耕地氮磷排放量的關系

2019年洱海流域上游洱源縣6個鄉（鎮）農業非點源污染TN平均排放強度為94.70 kg/（km2·年），TP平均排放強度為11.70 kg/（km2·年）;研究區6個鄉（鎮）中，三營鎮作物種植面積最大，排放量最大;當三營鎮和右所鎮TP排放量相似的時候，由于右所鎮的作物種植面積相對較小，所以右所鎮的排放強度較大;鄧川鎮主要作物分布面積最小?？傊斉欧帕亢妥魑锓N植面積2個變量中有1個相似的時候，如排放量接近，作物種植面積越小排放強度越大;反之，作物種植面積接近，排放量越小排放強度就越大。

2.4 經濟結構變化對研究區6個鄉（鎮）氮磷產排強度的影響

耕地氮磷污染是研究區農業面源污染的重要因素之一。研究區6個鄉（鎮）的氮磷污染排放強度受制于氮磷污染排放量與農作物種植面積2個因素，基于當地的地理位置、氣候等因素以及氮磷排放量與主要作物種植面積的關系，綜合研究區6個鄉（鎮）主要作物種植概況，按重度排污、中度排污、輕度排污等3種控制模式及每個鄉（鎮）每種主要作物所產生的氮磷污染量大小，合理規劃并調整經濟作物種植概況，有益于改善洱海流域上游6個鄉（鎮）氮磷產排強度。

3 討論與結論

洱海流域的非點源污染治理的關鍵在于農業非點源污染的治理，農業非點源污染治理的最主要來源是耕地種植作物產生的非點源污染。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（鎮）的經濟結構有關。因此，依據資料數據統計的洱源縣6個鄉（鎮）9種主要種植作物及其TN、TP排放量對研究區進行污染防控治理（即對研究區作物種植進行合理化調整）。結合降低污染源排放量及排放強度原則對研究區非點源TN、TP污染采用3種控制模式（重度排污、中度排污、輕度排污）及每個鄉（鎮）每種主要作物所產生的氮磷污染量合理規劃調整經濟作物種植概況。

農業非點源污染治理復雜且受多方限制因素影響[19]，而洱源縣種植作物關系到廣大農村居民的經濟收益。因此，依據研究情況對研究區種植業進行規劃調整須進行綜合考慮、多方協調，推動公眾共同參與，以保證研究區污染治理措施的有效試驗及推行，為后續治理提供參考。

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;從經濟作物上看，蔬菜的TN、TP排放量最多。

洱海流域上游6個鄉（鎮）中，鄧川鎮成為TN、TP污染最重區域，三營鎮為污染最輕區域。

以研究區6個鄉（鎮）的主要分布位置為依據，TN、TP排放強度空間分布主要呈現出南北高而中間低的趨勢。鄧川鎮、茈碧湖鎮、牛街鄉相對其他3個鄉（鎮）更需要對其進行TN治理;而鄧川鎮、牛街鄉、鳳羽鎮等的TP排放強度高;因此，鄧川鎮TN、TP治理需求最大。

綜合研究結果，建議綜合研究區6個鄉（鎮）主要經濟作物種植結構，用減施化肥、調整主要作物種植結構、控制水域與污染源距離等治理模式分別對洱海流域上游6個鄉（鎮）進行分區污染治理。

本研究通過對洱海流域上游6個鄉（鎮）的耕地氮磷排放量及排放強度進行估算，識別出了TN、TP污染較重的區域，并提出了依據各鄉（鎮）種植面積和產生氮磷污染量的主要作物結合當地實際情況進行合理規劃的建議，有利于為后期洱海區域非點源污染進行規劃和治理。

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