洱海流域肥料面源污染负荷特征研究

段四喜，杨文燕，李锋林，赵素萍，付朝志，于良君,4*

（1.大理市农业环境保护监测站，云南 大理 671000；2.云南农业大学 资源与环境学院，云南 昆明 650201；3.大理市农业农村局，云南 大理 671000；4《.云南农业大学学报》编辑部，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、农灌、发电、调节气候、渔业、航运、旅游七大主要功能。近20年来，由于各种因素的影响，入湖污染负荷量持续增加，洱海生态环境保护形式十分严峻［1-2］。大量研究表明，农业面源污染已成为湖泊氮磷污染负荷的主要来源之一［3-5］。为保护水生态环境，厘清农业面源污染负荷和空间分布特征、污染类型及防护等，已有学者对太湖流域［6］、三峡库区［7］、密云水库［8］、洱海流域［3］等的农业面源污染进行了定性和定量研究，采用的方法为污染系数估算法［9］、清单法［10］、等标污染负荷法［11］等。其中，污染系数估算法相对简单、应用性强，而等标污染负荷法是采用等标污染负荷来综合评价不同污染物或污染源对环境潜在污染能力的大小，将不同污染物在同一尺度上进行比较以确定主要污染源或主要污染物，因而得到广泛应用［12-15］。

上述有关湖泊水体的农业面源污染研究中，仅将1年的农业面源污染负荷特征进行分析研究，且相关研究将农业面源污染物划分为秸秆、肥料、畜禽（水产）养殖和农村生产生活污染物［3，6-8］等，同时开展研究，并未单独就肥料（尤其是无机肥）面源污染负荷特征进行系统性的分析研究。事实上，在各类农业面源污染物中，因肥料过量及不合理的施用而引发的面源污染问题对农业环境、粮食生产和农户造成了严重威胁［16-17］。例如，洱海流域因肥料过量及不合理的施用引发的面源污染占流域TN、TP污染负荷的比值高达42.58%和38.83%［3］。与此同时，肥料面源污染物极易受到施肥、种植类型和数量等的影响［18-21］，导致不同年份肥料面源污染物变幅较大。加上以往研究并未引入差异性统计分析，因此，未能准确把握洱海流域肥料面源污染物在各乡镇间不同时间范围内的差异性。为解决上述问题，有必要对湖泊流域肥料面源污染负荷特征进行深入分析。基于此，本研究收集了洱海流域2016~2018年的无机肥施用统计数据资料，以镇为单位，综合采用污染系数估算法、等标污染负荷法和SPSS 13.0软件对各乡镇间不同时间范围内的差异性进行了分析，以期为洱海农业面源污染防治提供科学依据，进而为洱海流域农业面源污染的综合治理奠定基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

洱海流域面积2565 km2，属亚热带高原季风气候，干湿季明显，年均温度15.1 ℃，年平均降水量为1048 mm，为典型的山地丘陵地区。流域内主要的土地利用类型为林草地，占流域面积的68.90%，其次为耕地（25.63%），而建设用地只占0.44%。流域总人口约95万，包括北部洱源县6个乡镇和南部大理市10个乡镇（图1）［22］，其中北部6个乡镇为农业发达地区，城镇化程度只有33%，南部10个乡镇城镇化程度较高，城镇化程度达68%［22］。农业是流域的基础产业，其中种植业污染占洱海流域水环境污染负荷率总量的52.74%，畜牧业污染占洱海流域水环境污染负荷率总量的47.26%［23］。流域农田主要分布在离湖泊较近的平坝区，且多沿河流分布，农业肥料污染物极易入湖，对洱海水质产生了不利影响，各乡镇农作物基本情况见表1。

表1 洱海流域各乡镇肥料用量和主要农作物耕作面积

图1 洱海流域行政区划示意［22］

1.2 数据来源

洱海流域16个乡镇的基础数据包括国土面积、耕地面积、无机肥施用量等，来源于2016~2018年《洱源县国民经济和社会发展统计年鉴》和《大理统计年鉴》。

1.3 数据处理方法

1.3.1 肥料面源污染负荷估算法 采用清单分析法建立产排污清单，以此估算各类污染源的污染物排放量，主要将洱海流域施用的无机肥料即复合肥、氮肥和磷肥等折算为纯氮（N）、纯磷（P2O5）施用量，再计算得出污染排放量，具体计算公式如下：

式（1）中：E为肥料面源污染物总氮（TN）、总磷（TP）的排放总量，单位：t/a；SUi为i污染单元污染物产生基数，单位：t/a；ρi为i污染单元产污强度系数，一般默认为0.33；SUi×ρi表示污染单元农业面源污染物产生量，即不考虑资源综合利用和管理因素时，农业生产和农村生活造成的最大潜在农业面源污染物产生量，单位：t/a；LCi为考虑资源综合利用和管理因素时i污染单元污染物排放系数，排放系数参数通过相关文献［9-10，24］、全国第二次污染源普查系数以及结合洱海流域典型区域内的调研结果确定，其中氮肥流失系数取18%，磷肥流失系数取6%。

1.3.2 污染物等标排放量核算方法 等标污染负荷法是采用等标污染负荷来综合评价不同污染物或污染源对环境潜在污染能力的大小，将不同污染物在同一尺度上进行比较，以确定主要污染源或主要污染物，计算公式如下：

式（2）中：Pj为污染物j的等标排放量，单位：m3；Cj为污染物j的绝对排放量，单位：m3/hm2；C0为污染物j基于水环境功能分区的水质目标控制类别（GB 3838—2002《地表水环境质量标准》）标准值，单位：mg/L。根据《洱海流域水环境保护治理“十三五”规划》，洱海的保护目标为入湖河流水质不低于Ⅲ类标准，因此按照Ⅲ类标准中污染物浓度（COD≤20 mg/L，TN≤1.0 mg/L，TP≤0.2 mg/L）来计算洱海流域的等标污染负荷。

1.3.3 农业面源污染排放强度核算方法 农业面源排放强度为单位面积耕地承载的排放负荷，用以衡量和比较不同区域间农业面源污染物排放强度之间的大小关系，分析农业面源污染排放格局，计算公式为：

式（3）中：QI 为第a区第b类污染源的等标相对排放系数，单位：kg/（km2·a1）；Qab为第a区第b类污染源的等标绝对排放量，单位：t/a；S为第a区的耕地面积，单位：km2。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010软件对数据处理后，用SPSS 13.0软件在P=0.05水平对不同指标进行差异性分析。

2 结果与分析

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年整个洱海流域TN、TP排放量持续下降，TN排放量为2277.45、2071.65和1170.39 t，TP排放量为189.58、173.65和114.56 t。近3年各乡镇TN、TP排放量总体为下降趋势，且绝大部分乡镇TN、TP排放量逐年下降。即下关镇、茈碧湖镇、凤羽镇2017年TN排放量稍高于2016年，右所镇2018年TN排放量高于2017年，其余12个乡镇TN排放量均逐年下降。下关镇、挖色镇、湾桥镇和茈碧湖镇2017年TP排放量稍高于2016年，右所镇和牛街乡2018年TP排放量高于2016和2017年，其余10个乡镇TP排放量均逐年下降。

表2 各年度洱海流域乡镇尺度肥料面源污染排放量及其排放比例

2016~2018年16个乡镇各年度TN排放量和排放量占比最大的为三营镇，其次为右所镇，茈碧湖镇和凤羽镇2016~2017年TN排放量和排放量占比较高，2018年相对偏低，以上4个乡镇2016~2018年TN排放总和占流域污染负荷总量的52.31%、55.63%和58.83%。大理镇和海东镇各年度TN排放量和排放量占比均居中，其余10个乡镇各年度TN排放量和排放量占比均相对偏低。三营镇、右所镇、茈碧湖镇各年度TP排放量和占比均较高，凤羽镇2016和2017年TP排放量和占比均较高，2018年偏低，上述4个乡镇2016~2018年TP排放总和占流域污染负荷总量的57.37%、58.12%和58.32%，大理镇和海东镇各年度TP排放量和占比均居中，其余10个乡镇则各年度TP排放量和占比相对偏低。

2.2 2016~2018年洱海流域肥料面源污染平均排放量

由图2可知，2016~2018年16个乡镇TN、TP平均排放量差异较大，其中三营镇TN、TP平均排放量最高，TN平均排放量（389.15 t）显著高于除右所镇外的其他14个乡镇；TP排放量（44.10 t）显著高于其余15个乡镇。右所镇、茈碧湖镇和凤羽镇TN、TP平均排放量次之，3个乡镇TN平均排放量分别为249.61、195.28和154.48 t，TP平均排放量分别为18.86、15.66和11.20 t，以上4个乡镇TN、TP平均排放总量占流域污染负荷总量的53.73%和57.87%，大理镇和海东镇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个乡镇平均排放量相对较低，TN和TP平均排放量在39.70~87.50 t和 2.41~7.75 t。

图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标污染负荷特征

由表3可知，2016~2018年整个洱海流域TN、TP等标污染负荷量逐年下降，3年来TN和TP等标污染负荷量依次是2277.45、2071.65、1170.39 m3和947.82、868.16、572.75 m3。各乡镇TN、TP等标污染负荷量总体为下降趋势，且绝大部分乡镇TN、TP等标污染负荷量逐年下降。即除下关镇、茈碧湖镇和凤羽镇2017年TN等标污染负荷量稍高于2016年，右所镇2018年TN等标污染负荷量稍高于2017年外，其余12个乡镇TN等标污染负荷量均呈逐年下降趋势。各年度TN等标污染负荷量最高的乡镇均为三营镇，其次为右所镇，茈碧湖镇和凤羽镇则2016和2017年TN等标污染负荷量较高，2018年相对偏低，但以上4个乡镇2016~2018年TN等标污染负荷总量占流域污染负荷总量的52.31%、55.63%和53.11%，大理镇和海东镇TN等标污染负荷量在各年度都居中，其余10个乡镇相对偏低。

表3 各年度洱海流域肥料面源污染等标污染负荷特征 m3

下关镇、挖色镇、湾桥镇和茈碧湖镇2017年TP等标污染负荷量稍高于2016年，右所镇和牛街乡2018年TP等标污染负荷量高于2016年和2017年，其余10个乡镇TP等标污染负荷量均呈逐年下降趋势。2016~2018年16个乡镇均以三营镇、右所镇、茈碧湖镇TP等标污染负荷量较高，凤羽镇则2016和2017年TP等标污染负荷量较高，2018年偏低，以上4个乡镇TP等标污染负荷量占流域污染负荷总量的57.36%、58.11%和58.32%，大理镇和海东镇在各年度等标污染负荷量均居中，其余10个乡镇在各年度等标污染负荷量均相对偏低。

2.4 2016~2018年洱海流域肥料面源污染平均等标污染负荷特征

由图3可知，16个乡镇TN、TP平均等标污染负荷量间差异较大。TN、TP平均等标污染负荷量最大的乡镇依次是三营镇（389.15、220.47 m3）、右所镇（249.61、106.01 m3）、茈碧湖镇（195.28、78.27 m3）和凤羽镇（154.48、56.00 m3），4个乡镇TN、TP平均等标污染负荷量分别占流域污染负荷总量的53.73%和57.87%。其中三营镇TN、TP平均等标污染负荷量显著高于其余15个乡镇，右所镇TN、TP平均等标污染负荷量显著高于除三营镇、茈碧湖镇、凤羽镇、大理镇和海东镇外的11个乡镇，茈碧湖镇TN、TP平均等标污染负荷量显著高于挖色镇、湾桥镇、银桥镇、双廊镇、上关镇和牛街乡，凤羽镇与除三营镇外的其余乡镇间差异均不显著。大理镇（138.83、56.28 m3）和海东镇（135.88、55.12 m3）TN、TP平均等标污染负荷量居中，其余10个乡镇则TN、TP平均等标污染负荷量相对较低，分别为39.70~87.50 m3和12.06~38.75 m3。

图3 洱海流域各乡镇肥料面源污染物平均等标负荷特征

2.5 各年度洱海流域肥料面源污染排放强度

由表4可知，2016~2018年整个洱海流域TN、TP平均排放强度逐年下降，TN平均排放强度分别为59.39、56.40和32.38 kg/km2，TP平均排放强度分别为4.95、4.71和3.38 kg/km2。各年度均以邓川镇TN、TP排放强度最大，其次为茈碧湖镇、三营镇、右所镇和凤羽镇，再次为大理镇、海东镇，其余9个乡镇TN、TP排放强度相对较低。各乡镇各年度TN、TP排放强度整体呈下降趋势，且绝大部分乡镇TN、TP排放强度逐年下降。其中下关镇、湾桥镇、银桥镇、茈碧湖镇和凤羽镇2017年TN排放强度稍高于2016年，右所镇2018年TN排放强度稍高于2016和2017年，其余10个乡镇TN排放强度均呈逐年下降趋势。下关镇、大理镇、挖色镇、湾桥镇、银桥镇和茈碧湖镇2017年TP排放强度稍高于2016年，右所镇2018年TP排放强度远高于2016和2017年，其余9个乡镇TP排放强度均逐年下降。

表4 各年度洱海流域肥料面源污染排放强度 kg/km2

2.6 2016~2018年洱海流域肥料面源污染平均排放强度

由图4可知，2016~2018年16个乡镇TN、TP平均排放强度差异较大，TN、TP平均排放强度较高的乡镇为邓川镇、右所镇、三营镇、茈碧湖镇、海东镇和凤羽镇。TN排放强度以邓川镇和右所镇（116.31和112.49 kg/km2）最高，显著高于除三营镇、茈碧湖镇、海东镇和凤羽镇外的其余10个乡镇，三营镇（98.28 kg/km2）、茈碧湖镇（82.01 kg/km2）、海东镇（70.86 kg/km2）和凤羽镇（69.93 kg/km2）TN平均排放强度次之，其余10个乡镇TN平均排放强度相对偏低。TP排放强度以邓川镇最高（12.49 kg/km2），显著高于流域内除右所镇和三营镇外的其余13个乡镇，其次为三营镇（11.12 kg/km2）和右所镇（9.66 kg/km2），茈碧湖镇（6.58 kg/km2）、海东镇（5.75 kg/km2）和凤羽镇（5.08 kg/km2）TP排放强度居中，其余10个乡镇则TP排放强度相对偏低。

图4 2016~2018年洱海流域各乡镇肥料面源污染平均排放强度

3 讨论

3.1 洱海流域肥料面源污染负荷特征差异原因分析

研究表明，2018年洱海流域肥料面源污染TN、TP排放量为1170.39和114.56 t，等标污染负荷量为1170.39和572.75 m3，这与2018年项颂等［3］研究的估算值稍有不同，但偏差不大，说明研究所采用的肥料面源污染核算方法和相关参数的选取具有较高的可信度。2016~2018年洱海流域TN、TP排放量、等标污染负荷量和排放强度均呈逐年下降的趋势，这说明肥料面源污染治理成效显著，与全流域禁种以大蒜为主的高肥水农作物、积极推广绿色生态种植、积极推行土地流转等相关措施密不可分。研究表明：三营镇总氮、总磷平均排放量最高（389.15和44.10 t），但10年前研究表明右所镇总氮、总磷排放量最高（583.8和79.9 t）［25］，说明这10年污染负荷减量较大，但排放量在不同的乡镇转移。

研究表明：16个乡镇肥料面源污染TN、TP排放量、等标污染负荷量和排放强度呈北高南低的特点，这与项颂［3］、李影［22］、龚琦［25］等的研究一致。龚琦等［25］研究表明，洱海北部洱源县6个乡镇的总氮、总磷排放量占全流域的48%和44%、本研究结果表明，2016~2018年仅洱海北部洱源县的三营镇、右所镇、茈碧湖镇和凤羽镇TN、TP平均排放量占全流域负荷总量的53.73%和57.87%，说明这10多年来洱海流域肥料面源污染分布一直较为集中，且北部洱源县6个乡镇污染负荷占比持续加大，需要重点监控。项颂等［3］研究表明，流域西部各乡镇排放强度较大，本研究结果表明流域北部的邓川镇、右所镇、三营镇、茈碧湖镇和凤羽镇5个乡镇排放强度较大，这与项颂等［3］综合考虑农村生活、肥料和养殖污染源，而本研究仅考虑肥料污染源有关。本研究还表明，邓川镇TN、TP排放量和等标污染负荷量不高，但TN、TP排放强度最高，这是因为邓川镇耕地面积尽管仅为559.53 hm2，但单位面积肥料用量却高达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径的不确定性、排放区域的广泛性、控制难度较高等特点，使肥料面源的治理区别于点源污染治理，要求其综合治理更加系统和全面，因此，源头的拦截、污染物传输过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虑的内容［26-28］。对整个流域而言，为持续削减农业面源污染负荷，应完善农业绿色发展政策体系，通过制定政策激励措施，鼓励洱海保护核心区以外的土地尽量向农业龙头企业、专业合作社和经营大户集中流转，提倡绿色生态种植，构建农业生态补偿机制等。

相关研究结果结合表1可知，三营镇、右所镇、茈碧湖镇、凤羽镇和邓川镇肥料用量很高（N 388.49~646.15 kg/hm2，P2O5193.75~476.96 kg/hm2），主要作物耕地面积较大，且城镇化程度较低，仅为33%，导致这5个乡镇肥料面源污染负荷偏高，因此，这5个乡镇应加大测土配方施肥力度，实现农作物秸秆资源化利用，对面源污染物进行实时监测，构建农业生态补偿机制，发挥新型经营主体开展土地流转，增强科技支撑力度，同时，建成地表径流农田尾水循环净化系统，以削减肥料面源污染负荷。菜地由于复种指数高，施肥量大，灌溉频繁，是农田氮磷重要的排放源，也是农田面源污染重点控制的种植类型，这已被许多研究证实。本研究结果也表明，菜地种植面积较大的右所镇、三营镇和大理镇肥料面源污染负荷相对较高，因此，这3个乡镇应重点优化种植业结构，调减高肥水作物尤其是蔬菜的种植，鼓励支持流域内高肥水作物向流域外转移发展，若需种植高肥水作物则应积极引进高效水肥一体化技术，以节本增效，同时削减面源污染物的排放。海东镇尽管耕地面积较小，但单位面积肥料用量较大，加上地处环湖区域，因此，应加大测土配方施肥力度，采用生态沟渠、生态库塘、湿地净化等生态工程措施，削减农业面源污染负荷。其余9个乡镇肥料面源污染负荷相对较低，防控策略为持续推进流域削减负荷的各项措施政策，巩固取得的成果，防止已取得成果的反弹。

4 结论

2016~2018年洱海流域肥料面源污染负荷逐年下降，其中TN和TP排放总量分别为2277.45、2071.65、1170.39 t和189.58、173.65、114.56 t；TN和TP等标污染负荷总量分别为2277.45、2071.65、1170.39 m3和947.82、868.16、572.75 m3；TN和TP平均排放强度为59.39、56.40、32.28 kg/km2和4.30、4.16、3.18 kg/km2。洱海流域16个乡镇中凤仪镇、喜洲镇、海东镇、双廊镇、上关镇和邓川镇TN和TP排放量、等标污染负荷量逐年下降，其余10个乡镇TN和TP排放量、等标污染负荷量在各年度间有增有减，但总体呈下降趋势。2016~2018年每年度和3年平均TN和TP排放量、等标污染负荷量均以右所镇、三营镇、茈碧湖镇和凤羽镇最高，4个乡镇各年度TN和TP排放总量和等标污染负荷总量占比均在全流域的50%以上，其次为海东镇和大理镇，其余10个乡镇各年度和3年平均TN和TP排放量、等标污染负荷量相对偏低。但邓川镇TN和TP排放强度最大，其次为茈碧湖镇、三营镇、右所镇和凤羽镇，再次为大理镇、海东镇，其余9个乡镇TN和TP排放强度相对较低。