洱海流域农业面源污染空间分布特征及分类控制策略

项 颂， 吴 越， 吕兴菊， 高思佳， 储昭升， 庞 燕*

1.中国环境科学研究院， 湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室， 北京 100012

2.大理州洱海湖泊研究中心， 云南 大理 671000

农业生产活动中产生的大量氮磷(N、P)等污染物，其通过各种途径进入湖泊水体后，会引发湖泊富营养化及有害藻类的暴发，对水环境造成严重威胁，继而影响人类生产生活[1-3]. 随着水污染防治行动的逐步推进，全国工业源和城市生活源等污染逐渐得到控制，而农业源污染在地表水体污染中的占比却不断升高[4]. 根据《第二次全国污染普查公报》，2017年全国农业污染源水污染物COD、TN、TP排放量分别为 1 067.13×104、141.49×104和21.20×104t，分别占全国水污染物排放(流失)量的49.8%、46.52%和67.21%[5]，较《第一次全国污染源普查公报》数值有所上升，农业源污染治理将成为我国下一阶段污染攻坚的重点. 开展区域农业面源污染负荷分析及评价，对农业面源污染控制对策和措施的制定、流域水环境管理具有重要意义[6].

农业源污染中以面源污染为主，受降雨、地形、土壤、种植模式、人类生产活动等因素多层次和多尺度的综合影响，呈形成机理复杂、来源模糊、发生随机、流失分散、时空差异大等特征，导致面源污染物来源不易识别和监测，负荷不易估算，给管理措施的制定和控制工程的落实带来了较大困难[7-9]. 目前，国内外关于农业源的研究主要围绕农业源形成机理分析、污染物迁移转化过程、污染负荷定量估算及影响评价、污染管控措施及政策分析等内容，其中关于农业面源发生、迁移、转化及定量分析的研究较为广泛. 对农业面源发生及转化机理的研究主要通过选择代表性区域进行场地试验[10]，人工降雨模拟污染物发生过程[11-12]，研究受纳水体的水质变化[13]等途径来实现；对农业非点源污染负荷的定量化研究主要依靠田间监测试验[14]和机理模型进行模拟研究[15-16]来完成，其估算方法还有多准则分析法[17]、排污系数法[18]、清单法[19]、等标污染负荷法[20]等，其中，排污系数法相对简单、应用性强，而等标污染负荷法不仅考虑污染排放来源特征，还考虑了环境水体水质的功能要求，适用于针对性的管理，因而得到广泛应用[21-24].

洱海位于云南省大理白族自治州中部，是云南省第二大高原淡水湖泊，为国家重点保护的水域，农业是流域的基础产业，2000年以来，随着洱海流域的快速发展，入湖污染负荷不断增加，洱海水质状况不断下滑，已成为富营养化初期湖泊，其中农业面源污染是导致洱海水质下降和水体富营养化的重要因素[25]. 洱海流域农业面源污染一直受到关注，已有研究主要关注洱海农业面源调查与评价[26]、农业面源对洱海水环境影响[27-28]、农田污染物流失特征研究[29-30]、模型模拟[31-32]以及各种农业面源污染调控方案[33-36]等.

2017年洱海被原环境保护部列入“新三湖”，随着《洱海抢救性保护行动方案》和《洱海保护治理与流域生态建设“十三五”规划》的快速推进，特别是流域截污治污体系的建成，流域内的污染收集、治理方式以及污染源结构都产生较大的变化. 该研究基于统计数据资料和实地调查研究，以洱海流域为研究对象，以镇为单元，结合排污系数法、等标污染分析法和GIS空间分析技术，对流域内主要农业面源污染物进行定量核算、空间分析及综合评价，并提出针对性的控制措施，为洱海流域农业污染控制和洱海水质目标管理提供技术支撑.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

洱海流域面积 2 565 km2，湖面高程 1 966 m时湖面面积为252 km2. 洱海流域属低纬高原亚热带季风气候，多年平均降水量为 1 048 mm，主要集中在雨季(5—10月)，占全年降雨量的85%以上. 受地形影响，洱海流域内河流呈聚集状汇入中心湖泊. 境内有大小河溪117条，入湖水量较大的河流有北部的弥苴河、罗时江、永安江，西部的苍山十八溪，南部的波罗江；主要入湖沟渠125条，多分布在西部区域.

洱海流域辖大理市、洱源县两市县的16个乡镇和2个办事处，共167个村委会和33个社区. 2018年，流域地区生产总值456×108元，人口95×104人[37]. 农业是流域的基础产业，其中种植业和畜牧养殖业是农业经济的主导产业，其产值占整个农业经济产值的94%. 洱海流域农业种植分“大春”和“小春”两季，农作物主要以水稻、玉米、豆类等粮食作物，以及大蒜、蔬菜、烟叶等经济作物为主；畜禽养殖以奶牛、生猪、家禽为主. 流域耕地面积占比为1.58%，主要分布在离湖泊较近的平坝区，且多沿河溪分布(见图1)；畜禽主要分布在洱海上游的洱源县境内，农业生产生活产生的污染物极易入湖，对洱海水质产生不利影响.

图1 洱海流域概况及主要农田农村分布

1.2 研究方法

1.2.1数据来源

研究中所用乡镇人口数量、畜禽养殖量、氮肥施用量数据来自《洱海保护治理规化(2018—2035年)》和《大理统计年鉴(2019)》[38-39]；流域农家乐的旅游人次、平均出游时长数据来源于大理白族自治州文化和旅游局. 环湖截污体系中污水处理设施的污染物削减量等数据来自《大理市截污治污工程环境绩效评估报告》[40].

1.2.2污染排放估算方法

1.2.2.1种植业污染源贡献量估算

根据对用地方式与种植模式的调查，将洱海流域的农业种植模式分为旱地(山地)-其他、旱地(坝区)-其他、旱地-大蒜、蔬菜、烟叶-其他、水田-其他、水稻-大蒜、园地等8种，重点关注作物为大蒜、水稻、蚕豆及蔬菜. 对洱海水环境产生影响的种植业污染物主要来自本年度的“大春”种植以及前一年度的“小春”种植的累积，污染物在雨季随地表径流入湖，因此该研究中种植业污染量的核算范围为2017年“小春”及2018年“大春”. 为了保证结果的准确性，使用高精度卫星影像(2.5 m)对流域种植结构统计结果进行校核，具体方法为获取2017年9月—2018年7月的洱海流域GF-2影像进行预处理，得到研究区洱海的高分辨卫星影像图，再使用无人机在各种植模式主要分布区域获取这些地块的高分辨率可见光影像，并选定环洱海周边20个典型地块，对其种植结构进行实地勘测，最终确定各类种植模式的面积；同时根据不同区域地貌及降雨差异，参考中国农业科学研究院、大理州农业科学推广研究院“十一五”与“十二五”期间对洱海流域内施肥与肥料流失率的相关研究成果[41-46]，估算各植模式种植业的流失系数，利用流失系数计算排放量〔见式(1)(2)〕.

(1)

Si×43.66%×Ki

(2)

式中：QN、QP分别为洱海流域8类种植模式的农田N、P流失量，t；Si为种植模式i的农田面积，hm2；NetNi、NetPi分别为种植模式i使用的化肥折纯含N量、P2O5量，kghm2；Orgi为种植模式i的有机肥使用量，kghm2；WOrgP为有机肥中P含量(以P2O5计)，洱海流域使用的有机肥中P含量为1.7%；WOrgN为有机肥中N含量，洱海流域使用的有机肥中N含量为1.8%；Ki为种值模式i的肥料(N、P)流失系数(见表1)，%.

1.2.2.2农村生活污染源贡献量估算

农村生活污水是洱海流域污染源的重要组成部分，农村居民日常排水主要来自日常洗浴和厨房烹饪，以及村落零散的以乳扇为主的食品加工等生产性废水. 乳扇加工业在洱海流域生产量大且多以农村小作坊形式零散生产，尤其是上关镇和北部等奶牛养殖密集区[47]，此类乳制品产生的废水有机物含量高[48-49]，直接排放对环境威胁大. 该研究根据流域内自然村落中乳制品加工业生产规模的抽查结果以及各乡镇乳制品原料的生产量，将各乡镇的食品加工业废水排放负荷按当地农村生活污水排放负荷的10%～40%估算.

表1 洱海流域不同种植模式N、P流失系数

2018年6月底，洱海流域内的沿湖村落污水处理站点与环湖截污体系连接，实现了环湖村落污水收集全覆盖，各类污水处理设施均按排水分区经截污管道接入各城镇污水厂. 根据调查，环湖截污后大理市水冲厕普及率在95%以上，洱源县为70%～80%，流域内形成了农户化粪池、村落污水收集支管、污水收集主干管、污水处理厂站、尾水库塘等污水收集处理系统. 环湖区域大部分原农村生活源由面源转为点源. 但由于环湖截污体系由一系列不同时期建成的管路组成，雨污混流没有得到彻底解决，在雨季污水冒井、溢流的问题仍然存在，此外管网破损造成的“跑冒滴漏”问题也导致污水直接进入环境，这部分未收集的污水应计入面源污染. 对于使用水冲式厕所且接入环湖截污体系的区域，采用污染产生量与片区内污水处理设施入口负荷的差值作为面源的排放量；而对于未使用水冲厕所的区域，则按直接排放纳入面源负荷的计算，农村生活污染排放量的估算根据收集与调查获得的流域内各村落居民化粪池出口污水浓度及村落截污干管进出水浓度与排放量的监测数据来确定(见表2).

表2 洱海流域农村生活污染物排放系数[40]

Table 2 The discharge coefficient of rural domestic pollution in Erhai Lake Basin[40] g(人·d)

表2 洱海流域农村生活污染物排放系数[40]

污染物有水冲厕所无水冲厕所COD 3922TN 0.610.87TP 0.150.17

1.2.2.3畜禽养殖业污染源贡献量估算

畜禽养殖业排放量按照《第一次全国污染源普查畜禽养殖业产排污系数手册》[50]中报道的西南地区排放系数进行估算. 根据走访勘察结果，2018年洱海流域畜禽养殖的处理方式为干清粪，牲畜粪便主要出售给有机肥料公司后委托处理制成有机肥或直接还田，剩余的尿液与污水等由管网收集送至污水处理厂集中处理，接入率约75%. 排放量中还田部分造成的面源流失纳入种植业污染计算，接入集中收集系统的排放量按式(3)(4)计算，由于环湖区域内采取污水集中收集处理方式，即工业、集镇生活、村落、畜禽养殖等统一收集至污水处理厂处理，因此污水厂入口负荷难以区分各类污染源的来源比例，为估算集中收集与处理系统对不同来源污染物的收集量，将总收集量按污染物产生量比例分配至各类污染源，计算公式：

B=Ge, fG

(3)

He, f=B×T

(4)

式中：Ge, f为第e类污染物来源于行业f的源头排放量，ta,e为COD、TN、TP，f为工业、城镇生活、农村生活、畜禽养殖；G为该类污染物的源头总排放量，ta；B为该类污染源的权重系数；He, f为来源于行业f的第e类污染物进入各类污水处理设施的负荷量，ta；T为各类污水处理设施的入口负荷总量，ta.

1.2.2.4水产养殖污染源贡献量估算

根据洱海保护治理“七大行动”的安排，流域核心区水产养殖业全面清退. 目前，仅海西的部分池塘开展了水产生态养殖技术试验示范，实施了种植水生蔬菜和利用微生物制剂调节水质等生态养殖技术，以改善养殖水体环境. 由于养殖技术试验示范污染小，环境影响有限，该研究将其忽略.

1.2.3污染负荷评价

1.2.3.1等标污染负荷

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[20]，计算公式[21]：

(5)

(6)

式中，Me为第e类污染物的等标污染负荷，m3a；De为第e类污染物的排放量，ta；coe为第e类污染物基于水质管理目标的类别标准值；Re为第e类污染物的等标污染负荷占比. 根据《洱海流域水环境保护治理“十三五”规划》，洱海的保护目标为湖心断面水质稳定达到GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中Ⅱ类标准，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浓度≤20 mgL，TN浓度≤1.0 mgL，TP浓度≤0.2 mgL)来计算洱海流域的等标污染负荷.

1.2.3.2农业面源污染排放强度

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：

Le,j=Ue,jAj

(7)

式中：Le,j为第e类污染物在乡镇j的排放强度，kghm2；Ue,j第e类污染物在乡镇j的年负荷量，t；Aj为乡镇j的耕地面积，hm2.

1.2.3.3污染类型划分方法

污染类型的划分主要依据聚类分析的结果，聚类变量为洱海流域内乡镇各污染源的等标污染负荷，使用类间平均法作为聚类方法计算各类污染源等标污染负荷之间的欧氏距离，再根据聚类结果中各类别污染物污染负荷的比重特征确定最终分类[22].

1.2.4数据处理

数据分析主要采用Excel 2016软件，聚类分析使用SPSS 24.0软件，空间分析与地图处理使用ArcGIS 10.2软件.

2 结果与讨论

2.1 洱海流域农村面源污染物排放量及空间分布特征

由表3可见，2018年洱海流域农业面源污染物排放量为 14 200.09 t，其中COD、TN和TP排放量分别为 11 188.20、2 752.56 和259.33 t，排放占比分别为78.79%、19.38%和1.83%. COD排放量主要来自畜禽养殖，占比达60.53%；TN排放量主要来自种植业，占比达42.64%；TP排放量主要来自种植业，占比达38.83%.

表3 洱海流域农业面源污染物排放量及排放占比

洱海流域各乡镇COD、TN、TP 排放量空间分布如图2所示. 由图2可见：洱海流域北部洱源县各地区耕地面积较大，且为传统的奶牛养殖区，分散式庭院养殖模式没有完善的清污分离、收集设施，养殖污染物流失量大，因此是排放量最大的区域，主要包括茈碧湖镇、三营镇、右所镇；环湖区域污染物排放量较大的乡镇为海西的喜洲镇、上关镇、大理镇以及海东的双廊镇. 所有乡镇中排放量最大的4个乡镇(右所镇、茈碧湖镇、三营镇、喜洲镇)的COD、TN和TP排放量之和在流域排放总量中的占比分别达49.0%、44.6%和43.5%. 污染物排放量大小首先与人口、畜禽养殖业和种植业的发展强度有关；其次，环湖区域污水处理设施较为完善，使得这些地区农村生活和畜禽养殖的污染物通过环湖截污系统得到了不同程度地削减，从而降低了排放量.

图2 洱海流域各乡镇COD、TN、TP排放量空间分布

2.2 洱海流域各乡镇农业污染排放强度的空间分布特征

对比图2和图3可见：洱海流域的农业污染排放强度分布与排放量分布差异较大，北部的邓川镇由于耕地面积小，因此COD、TN、TP的排放强度均最高；海西区域的TN与TP排放强度高于海北，尤其是下关镇与喜洲镇.

图3 洱海流域各乡镇COD、TN、TP排放强度空间分布

在TN和TP排放源中，化肥流失导致的TN和TP排放较高，流域内化肥流失主要来自露地蔬菜种植模式及旱地-大蒜轮作模式的耕地，大蒜与蔬菜的化学肥料施用量为其他常规作物施肥量的3～5倍[41-42,46]，且翻耕、排水等农事频繁，是农田面源污染重要的排放源，也是农田面源污染重点控制对象. 旱地-大蒜轮作模式主要位于流域北部区域，种植面积最大的为三营镇，占流域旱地-大蒜种植面积的 40%～50%. 流域内蔬菜种植业在大理市较为集中，特别是大理镇和下关镇，其蔬菜种植面积分别占流域蔬菜种植总面积的24%和15%. 所有高排放强度片区与洱海的距离均在10 km以内，对洱海的水环境构成极大威胁. 此外，海西区域地势西高东低，雨水充足，在沿苍山流向洱海雨水径流的反复冲刷下，产流系数和流失率均高于流域北部的平坦地区. 因此，控制海西的高强度农业面源排放，改变种植结构和农田径流管理是关键.

2.3 洱海流域农业面源污染特征评价

2018年洱海流域农业污染等标污染负荷总量为 4 608.60 m3a，其中种植业和畜禽养殖的等标污染负荷分别为 1 667.31 和 1 587.27 m3a，较2014年分别提高了54.94%和52.67%[28]. 由表4可见，种植业等标污染负荷在总等标污染负荷中的占比最高，为36.40%，其次是畜禽养殖业，为33.44%. 就污染指标而言，TN等标污染负荷达 2 752.56 m3a，远高于TP和COD的等标污染负荷，说明TN是流域内需要控制的首要污染物，这是由于化学形态与土壤颗粒的结合能力不同所致，土壤中氮更容易以硝态氮和氨氮的形式流失[51]，在南四湖流域和汉丰湖流域的研究[21,23]中也得类似结论. 在空间分布上，洱海流域各乡镇等标污染负荷差异较大，等标污染负荷范围为(286.16±150.67)m3a，等标污染负荷强度范围为(0.13±0.067)m3a，变异系数分别为0.53和0.51. 等标污染负荷与等标污染负荷强度的空间分布规律与实际污染排放量与排放强度的分布情况类似，即三营镇、右所镇、茈碧湖镇等流域北部乡镇的等标污染负荷占比较高而流域西部各乡镇的等标污染负荷强度较大，说明洱海流域的农业面源污染分布较为集中.

表4 洱海流域农业面源污染物等标负荷及其占比

2.4 洱海流域农业污染类型划分及控制对策

对流域内16个乡镇的3类污染源等标污染负荷进行聚类分析(见表5和图4)，聚类的结果表明各乡镇污染源可分成4种类型. 种植业主导型主要分布在洱海流域东部和南部地区，包括海东镇、挖色镇、双廊镇、凤仪镇和湾桥镇，其等标污染负荷平均值为171.09 m3a，种植业等标污染负荷占比为44.39%，畜禽养殖源占比也较高. 因此，该区域农业面源控制应以推进种养加循环农业建设为主，聚焦畜禽粪便、农作物秸秆等种养业废弃物，以种带养、以养促种，以稻鱼与稻蟹互利共生、畜禽粪便生产有机肥供应种植业、农产品加工等为切入点，推进流域种养加循环农业示范基地建设，提高农业资源利用效率.

种植业高污染型区域包括大理镇、凤羽镇与牛街乡，其等标污染负荷平均值为277.89 m3a，种植业等标污染负荷占比在50%以上. 该区域的种植作物复种指数高，施肥强度大，造成肥料流失率高. 该区域要推进种植业绿色发展，包括优化种植业结构，逐渐减少大蒜、蔬菜等高水高肥作物种植，推行水稻-蚕豆、水稻-油菜、烤烟-大荚豌等轮作模式，重点培育“水稻+”“烤烟+”等绿色高质高效生产模式，促进生产与生态协调发展；同时，要强化农田径流污染治理，以环湖N、P流失较严重的蔬菜种植区为治理重点，结合洱海环湖湖滨缓冲带生态修复、河道缓冲带建设与沿河低污染水处理，采用生态沟渠、库塘调蓄、湿地净化等生态工程措施，对农田径流进行净化和调蓄. 最后全面推动农田径流拦截调蓄回用的治理模式，分区构建，提高农田径流中N、P营养盐的利用率，降低污染排放量.

农村生活污染主导型乡镇包括喜洲镇、银桥镇与上关镇，其等标污染负荷平均值为322.02 m3a，农村生活污染源等标污染负荷占比超过50%. 该区域地下水丰富，农村人口密集，占流域总农村人口的27.33%，普遍使用水冲式厕所且接入管网系统，但管网系统的内渗和外漏影响了污水处理设施的处理效率，分流能力差导致雨季发生管内沉积物溢流，产生了面源污染. 治理策略上主要应强力推进农村生活污水治理提质增效，首先要实现村外来水、农田灌溉水与村内污水分流；其次加强村落污水管网入户漏接排查，管网破损、渗漏、连通性排查，提升污水收集率和污水浓度；最后，还需压实设施运营方的维护和管理责任，对设备定期检查与监测，实现截污体系正常运行，充分发挥效益.

畜禽养殖主导高污染型区域集中分布在洱海流域北部，包括茈碧湖镇、三营镇与右所镇，其等标污染负荷平均值为539.14 m3a，畜禽养殖业等标污染负荷占比为41.77%，为流域内最高的区域. 除此之外，该区域广泛种植玉米-大蒜等高施肥作物，且农村污水收集系统改造相对环湖区域滞后，因此种植业源和农村生活污染源的等标污染负荷平均值也处于较高水平，属于畜禽养殖主导的综合高面源污染区域. 该区域应首先针对畜禽养殖数量大且分散的现状，通过逐步推行畜禽标准化养殖和适度规模集中养殖、加快奶牛产业转移发展、强化畜禽粪污处理和资源化利用的手段，提高农业资源利用效率，减少畜禽养殖源污染物的排放. 在种植业上推动生产社会化服务体系建设，通过标准化、专业化的种植服务和重点发展绿色种植、测土配方和节水灌溉技术降低面源污染. 农村生活上则以提升污水收集率为首要任务，制定实施综合的防治策略是该区域污染控制的关键.

表5 洱海流域不同污染类型分区等标负荷平均值及其占比

图4 洱海流域乡镇基于等标污染负荷的聚类及各污染类型分区在流域内的空间分布

3 结论

a) 运用排污系数法和等标污染负荷法对2018年洱海流域内16个乡镇的农业面源污染状况进行了综合分析与评价. 排污系数法结果表明，2018年洱海流域农业污染物排放量最大的来源为畜禽养殖业，排放量最大的区域为北部，但排放强度较高的区域主要分布在西部和北部临湖乡镇.

b) 等标污染负荷法评价结果表明，流域内种植业是对水环境造成威胁的首要污染来源，其等标污染负荷在流域总等标污染负荷中的占比为36.40%，其次是畜禽养殖业，占比为34.44%. TN是对水环境造成威胁的首要污染物类型，等标污染负荷占流域总等标污染负荷的59.73%.

c) 对农业面源污染的空间分布进行聚类分析，结果表明流域内各乡镇按等标污染负荷主要来源不同划分为4个类型，第1类是种植业主导型，包括6个乡镇，种植业源等标污染负荷占比为44.39%，污染控制以推进种养平衡为主；第2类是种植业高污染型，种植业源等标污染负荷占比超过50%，污染控制措施为推广绿色种植和分区控制农田径流；第3类是农村生活污染主导型，包括3个乡镇，其农村生活源的等标污染负荷占比超过50%，治理策略为推进农村生活污水治理提质增效；第4类是畜禽养殖主导高污染型，包括3个乡镇，畜禽养殖源等标污染负荷占比为41.77%，且等标污染负荷平均值较高，综合防治是该区域污染控制的关键.