1、洱海流域農業面源污染與水環境變化的關聯分析盧中輝;余斌;張輝;楊振【摘 要】隨著點源污染得到有效控制與治理,農業面源污染已成為湖泊水環境污染的主要來源.該文利用等標污染負荷法和相關統計、調查數據,計算了2006年2014年洱海流域農業面源污染負荷,在此基礎上,運用灰色關聯分析方法,測度了農業面源污染與洱海水環境變化的關聯性.研究揭示:1)2014年流域農業污染的總排放量為8 303.63 t,折算成等標排放量COD、TN和TP分別為325.85、1371.29和420.10m3/a,表明TN為污染超標的主要影響因子;2)畜禽養殖關聯度為0.71,種植業關聯度為0.63,表明農業發展整體對洱海水

2、環境影響較大,其中,大蒜、水稻、牛、豬的關聯度分別為0.70、0.69、0.74、0.74,貢獻率分別為9.35、10.90、35.09、13.19;3)從空間分布看,海北片區的三營鎮、右所鎮、茈碧湖鎮為流域重點污染源區,且流域主要污染物的增減變化具有一定的空間非均衡性.據此,探討了未來洱海流域基于水環境保護的農業發展策略.%Alongwith the effectivecontrol of point source pollution,agricultural nonpoint source pollution hasbecome the main pollution source of l

3、ake water environment.Based on theequivalent standard pollution load method and the relevant surveydata,this paper calculates discharges of agricultural non-point sourcepollution in the Erhai Lake watershed during 20062014,andthen,usingthe grey correlation analysis method,correlations are studied be

4、tweenagricultural non-point source pollution and water environment in the ErhaiLake watershed.The research results show that:firstly,the total dischargesof agricultural non-point source pollution are 8303.63 t,amount toequivalent standard discharges of COD,TN and TPas 325.85,1371.29,and420.10 m3/ a,

5、respectively,which indicates that TNisthe main influencefactor for pollution;secondly,the correlation between livestock and waterenvironment is0.71,and the correlation between crop farming and waterenvironment is0.63,which show that the influence of agriculturaldevelopment isrelatively significant f

6、or water environment.In detail,thecorrelations of garlic,rice,cattle and pig are 0.70,0.69,0.74,0.69,and thecontribution rates are 10.90,9.35,35.09,and13.19,respectively;thirdly,from the perspective of spatial distribution,thenorth area are key pollution source areas,such as Sanying town,Yousuotown,

7、ZiBi lake town,besides,the variance of nonpoint source pollution wasnon-balanced.According to the above data,the future agriculturaldevelopment of Erhai Lake watershed isdiscussed in view of waterenvironment protection strategy.【期刊名稱】華中師范大學學報（自然科學版）【年(卷),期】2017(051)002【總頁數】9頁(P215-223)【關鍵詞】農業面源污染;水環

8、境;等標污染負荷;灰色關聯分析;洱海流域【作 者】盧中輝;余斌;張輝;楊振【作者單位】華中師范大學城市與環境科學學院,武漢430079;淮陰師范學院城市與環境學院,江蘇淮安223300;華中師范大學城市與環境科學學院,武漢430079;華中師范大學城市與環境科學學院,武漢430079;華中師范大學城市與環境科學學院,武漢430079【正文語種】中 文【中圖分類】X501;X52水環境污染作為全球環境問題之一，已引起世界各國的普遍關注.在以工業廢水和城市生活污水為主的點源污染得到有效控制后，面源污染(非點源污染)對水體的影響日益凸顯1-2.據統計，目前全球有 3050%的地表水受到非點源污染的影

9、響.2003 年美國環保局水質調查報告顯示，農業面源污染已成為影響美國河流與湖泊水質的第一大污染源，是河口污染的第三大污染源，是造成地下水污染和濕地退化的主要因素3.我國因化肥、農藥的過量、不當施用及大量畜禽便糞的隨意排放，使得國內農業面源污染程度與廣度都已超過歐美國家，并呈愈演愈烈之勢4.國外農業面源污染研究于 20C60S 在美、日等發達國家率先開展；20C70、80S，受到西方國家普遍關注，并得到迅速發展；20C90S，隨著“3S”技術與數學模型的結合應用，農業面源污染研究進入了新的發展階段.總體上看，目前研究主要集中于機理研究、模型研究以及相關的防治技術等5-6.我國的農業面源污染研究

10、起步相對較晚，20C80S，先后對于橋水庫、太湖、巢湖、三峽庫區等湖泊、水庫開展了農業面源污染的探索性研究；20C90S 以來，通過經驗統計分析、國外模型的引進吸收等方式對農業面源污染的現狀調查與污染負荷評價、形成機理及控制措施等進行了大量有益探討7-9.特別是 2006 年之后，國家設立了水體污染控制重大專項，以洱海為代表的高原湖泊水環境治理問題備受關注，相關研究涉及農業面源污染 SWAT 模型評價、生物技術控制與生態補償、農業經濟優化10-13.總體而言，單純依靠工程性措施很難根治水體富營養化，產業結構優化模式作為一種非工程性措施能夠高效地從源頭上控制污染的發生，特別對于流域尺度上收集和治

11、理成本較高的面源污染而言更具潛力13.但目前國內農業面源污染的研究仍偏重于定性調查分析與工程技術治理，對面源污染的時空變化與產業結構優化調整研究不夠深入，基于富營養化控制的流域產業發展模式的方法和實證分析仍很欠缺.據此，本文以洱海流域為研究案例，通過深入調研與數學模型構建，系統解析農業發展和水環境污染變化特征，重點識別流域控污減排面臨的關鍵問題、關鍵部門與關鍵地區，透視流域農業發展與水環境的關聯效應，提出水環境控制策略，以其為洱海流域水環境治理提供科學依據.1.1農業發展概況洱海流域位于云南省大理白族自治州，地跨大理市和洱源縣兩個市縣，共有17個鄉鎮，流域面積達2 565 km2(見圖1).流

12、域隸屬瀾滄江-湄公河水系，區內水土資源豐富，農業生產條件優越，是云南省重要的農業生產基地.2014年流域農業生產總值達到73.57億元，其中種植業與畜禽養殖業是主要支撐產業，其產值比重分別達到44.20%、50.65%，林業與漁業產值僅占5.15%.“十一五”以來，隨著農業的快速發展，尤其是畜禽養殖規模與糧經作物種植面積的迅速增長，使得畜禽糞尿排泄量和農用化肥施用量大幅增加.據估算，畜禽尿糞排泄量由2006年的188.50萬t，增加到2014年的252.34萬t，增長33.86%；據統計，流域化肥施2006年的2.34萬t，增加到2013年的3.08萬t，增長31.62%，2014年所有下降.

13、總體而言，畜禽糞尿利用與處理率、化肥有效的吸收利用率均相對較低，致使流域農村畜禽污染、種植業化肥污染中的氮、磷污染物質的流失量不斷增長，對流域水環境造成嚴重影響.1.2農業面源污染特征本文參照第一次全國污染源普查云南省大理州農業污染源普查報告之種植業化肥流失系數與畜禽養殖業產排污系數14，結合區域測土配方技術成果和實際調研情況，以大理市、洱源縣2006年相關統計年鑒、匯報資料為基礎，采用等標污染負荷法15對流域內農業污染源進行估算與評價.評價因子主要選取CODcr、TN、TP，主要核算指標有實物排放量、等標排放量.1) 污染物的等標排放量為其中，Pi為i污染物的等標排放量(m3/a)，Ci為i

14、污染物流失量(t/a)，C0為污染物按GB3838-2002標準系列的閾濃度.根據洱海水質規劃要求，其湖泊水質不低于II類水質標準，匯入干流不低于III類水質標準，即采用CODcr為20 mg/L，TN為1.0 mg/L，TP為0.2 mg/L.2)某地區有m個污染源，第j個污染源有n個污染物，則該地區等標排放量為3)該地區第j個污染源的等標污染負荷率為利用相關數據代入以上公式，測算得出洱海流域農業污染負荷，見表1、圖2.從表1、圖2可以看出，洱海流域2006年種農業污染等標排放量總體呈波動上升趨勢，畜禽養殖污染大于種植業化肥污染增量.從畜禽品種來看，僅有羊的等標排放量呈現下降趨勢，其他畜禽排

15、放量均呈上升趨勢.其中，牛的等標排放量在流域中所占比重最大，排放量由2006年的532.35 m3/a快速上升到2014年的715.74 m3/a，主要源于奶牛市場價格的不斷上升，其養殖規模由2006年的7.99萬頭增加到2014年的11.43萬頭，增加43.08%，洱海流域奶牛養殖數量、牛奶產量均占云南省總量的50%以上；豬的排放量在2007年急劇下降達到最低值199.08 m3/a，而后呈穩定上升狀態；羊的排放量在2006年逐年緩慢上升，之后則呈現波動小幅下降趨勢；蛋禽和肉禽則保持穩定上升趨勢.從農作物品種來看，蔬菜等標排放量基本保持穩定，僅在2013年急劇下降達到最低值133.69 m3

16、/a，之后又開始緩慢回升；大蒜的等標排放量在2007年達到頂峰255.65 m3/a，其播種面積達5 736.67 hm2，之后政府對大蒜種植規模的有限削減，其排放量逐步下降至2012年最低點，但是近幾年隨著國內、國際大蒜市場價格的大幅上漲，大蒜種植規模及其排放量又呈現上升趨勢；玉米等標排放量呈逐年上升趨勢，特別是2012年2013年，玉米品牌的創建及以玉米為飼料的加工企業壯大，其種植規模及其排放量快速上升；排污量較高的稻谷變化浮動較小，一直維持在225.0 m3/a左右；小麥的排污量最小，均值僅為7.48 m3/a，故可忽略不計入.總體而言，種植業污染比重由2006年的53.5%下降到201

17、4年的50.8%，畜禽養殖比重相應地由46.5%上升到49.2%，二者排污量相差不大，二者的管理要同行并重.2014 年農業污染源排向水體污染物共 8 303.63t，折算成等標排放量 TN和TP(受篇幅限制，計算過程略)分別325.85 m3/a、1371.29 m3/a和420.10 m3/a.2006年，農業排放量比值變化不大，其中TN總體保持在64.5%左右、TP總體保持在20.5%左右、COD總體保持在15.0%左右，可見有效削減TN和TP入湖量是“十三五”時期洱海水環境保護的關鍵問題.2.1灰色關聯分析模型數理統計中的回歸分析、方差分析、主成分分析、相關分析等都可以運用于關聯性分析

18、，但這些方法往往要求大量樣本數據，且要求各因素之間彼此無關16.水環境問題是一個信息不完備的不確定系統，與水環境自凈能力、流域水資源量、經濟水平和人口規模、產業結構、工程技術水平、政策法規等諸多要素密切相關，多種因素共同作用的結果決定了該系統發展態勢.而且，流域水環境質量通常由幾個主要污染指標測算，產業排放數據多為估測所得，本身具有一定的非精確性，因此，上述計算方法不適用于本文研究.此外，水環境和農業面源污染的關聯度數值本身并非本文研究的關鍵，更重要的是農業不同部門與水環境關聯度大小的排序，從而識別出未來控制水污染的關鍵部門與關鍵問題.經過綜合比較分析，本文選取灰色關聯分析方法.灰色關聯分析是

19、灰色系統理論的基礎，是對系統變化發展態勢的定量描述和比較的方法，實質是關聯系數的分析.該方法在不確定信息的基礎上，能有效度量關聯程度，掌握事物的主要特征，其計算步驟如下1) 對各指標進行標準化處理：2) 求差序列：3) 求兩極最大差和最小差：4) 計算關聯系數：5) 計算灰色關聯度，并排序：2.2 指標選取為了探究流域農業發展對洱海水環境影響程度的大小，本文選取種植業、畜禽養殖業主要部門的等標排放量與水環境質量構建灰色關聯模型.其中，X1X9 為種植業，具體分別為水稻、大麥、玉米、薯類、蠶豆、油料、煙葉、大蒜、蔬菜 (不含大蒜)；X10X14 為畜禽養殖業，具體分別為牛、豬、羊、肉禽、蛋禽，原

20、始值見表1；水環境質量綜合值 X01 為洱海主要水質指標 CODMn、TN、TP、TSI 經過標準化后的加權值，原始值來源于 2006 年云南省環境公報，見表 2.2.3 實證測算根據公式(4)，對數據首先進行標準化處理.然后，根據公式(5)(7)求出每個指標在每一年對應洱海水環境的關聯系數.最后，根據公式(8)求出 2006 年2014 年間每個產業部門指標對應洱海水環境的關聯度，具體見表 3.3.1 農業面源污染對水環境影響的部門貢獻率3.1.1 農業面源污染負荷貢獻率的部門結構 根據表 3 關聯度與權重系數求出 2014年農業各部門對洱海水環境影響的貢獻率，見表 4.從表 3 可以看出，

21、畜禽養殖關聯度均值為 0.71，種植業關聯度均值為 0.63，表明農業發展整體對洱海水環境影響較大，控制畜禽養殖污染與種植業化肥污染，對洱海水環境保護具有重要意義.種植業之大蒜、水稻與畜禽業之牛、豬與洱海水環境的相關程度最大，其關聯度分別為 0.70、0.69、0.74、0.74.其中，水稻種植與生豬養殖是由于其種植規模與養殖規模較大，其排污量較大；大蒜種植與奶牛養殖是由于其單位排放系數大，其排放量大.從表4可以看出，農業各部門等標排放量的貢獻率排序為牛豬水稻大蒜蔬菜(不含大蒜)玉米蠶豆大麥煙葉薯類油料羊蛋禽肉禽.其中牛的貢獻率最大，達到35.09%，其次為豬與水稻，分別達到13.19%和10

22、.90%，大蒜貢獻率為9.35%，而肉禽的貢獻率最低，僅為0.60%.以上貢獻率表明，當前控制污染重點應該集中在牛、大蒜這兩個部門，其次為生豬、蔬菜、水稻和玉米等部門.3.1.2農業面源污染負荷貢獻率的部門結構變化同理，利用農業各部門的等標污染負荷與權重系數求出2006年農業各部門對洱海水環境影響的貢獻率，見圖3.從圖3可以看出，農業各部門從2006年等標排放量的貢獻率變化情況.牛的貢獻率呈現逐年上升趨勢，所占流域比重一直保持在30%以上，其增速有減緩趨勢；生豬的貢獻率由2006年的15.2%下降到2010年的12.5%，然后緩慢提高到2014年的13.2%；水稻的貢獻率呈現逐年緩慢下降的趨勢

23、，占流域的比重由2006年的12.54%下降至2014年的10.90%；玉米的貢獻率在2006年2010年基本維持在6.0%左右，2012年陡增到9.0%，然后下降到2014年的7.9%；大蒜的貢獻率則是呈先增大后減小態勢，其在2007年貢獻率達到最大為15.1%，之后逐步降低，當前隨著大蒜市場效益好，大蒜種植污染又呈上升趨勢；蔬菜的貢獻率在2006年緩慢提高，2011之后下降相對較快，主要源自于流域“三品一標”蔬菜種植規模加大，蔬菜化肥與農藥流失量減少.3.2農業面源污染對水環境影響的空間貢獻率3.2.1農業面源污染負荷貢獻率的空間分布根據表3關聯度與權重系數求出2014年流域各鄉鎮農業污染

24、對洱海水環境影響的貢獻率，見圖4.從鄉鎮分布情況看，污染源主要集中在洱源縣的三營、右所、茈碧湖等鄉鎮，2014年農業污染負荷分別達328.84 m3/a、271.12 m3/a、208.97m3/a，貢獻率分別為14.98%、12.35%、9.52%；大理市的上關鎮、喜洲鎮的農業污染也相對較高，等標負荷分別為162.32 m3/a、158.40m3/a，貢獻率分別為7.40%、7.22%.從分區域看，海北片區是流域污染治理的關鍵地區，2014年其農業污染負荷達1192.56 m3/a，占流域污染負荷的57.20%，其大牲畜養殖、奶牛養殖規模分別占流域的60%、70%，流域大蒜種植主要分布在該片

25、區的右所、鄧川、茈碧湖、上關等鄉鎮；海西片區次之，其污染負荷占流域的21.99%，是流域污染治理的重點地區，流域蔬菜種植主要分布在該片區的大理、喜洲、灣橋等鄉鎮；海南片區、海東片區農業污染程度相對較低，單位數量排放量較小的雞鴨等禽類主要分布在海南片區，海東片區則以玉米種植為主.3.2.2農業面源污染負荷貢獻率的空間變化根據表3關聯度與權重系數求出2006年2014年流域各鄉鎮農業污染對洱海水環境影響的貢獻率變化趨勢，見圖5.從分鄉鎮看，2006年，三營鎮的農業污染負荷增量最大，達106.58m3/a，污染貢獻率由11.86%增加到14.98%，增加3.12%，其中奶牛污染負荷增加78.99 m

26、3/a，貢獻率增加2.31%；喜洲鎮增幅次之，增量為42.16 m3/a，貢獻率由6.21%增加到7.22%，其中奶牛污染負荷增加11.45 m3/a、蔬菜化肥污染增加11.33 m3/a；挖色鎮增量居第3位，達29.71 m3/a，貢獻率由2.93%增加到3.85%，其中玉米、蔬菜化肥污染分別增加13.29 m3/a、10.05m3/a.與此同時，部分鄉鎮污染負荷呈下降趨勢，茈碧湖鎮下降8.14 m3/a，污染貢獻率由11.54%下降到9.52%，下降2.02%，其中奶牛、生豬污染分別下降6.30 m3/a、5.29 m3/a；大理鎮、鳳儀鎮則由于大蒜種植、生豬養殖規模的下降，其污染貢獻率分

27、別由6.92%下降到5.73%、由6.86%下降到5.72%.從分階段看，2006 年2010 年，海北片區中鄉鎮的污染負荷增幅最大，三營鎮、茈碧湖鎮、鳳羽鎮增量位居前三位，海南片區的下關鎮、鳳儀鎮、開發區增量為負，說明作為大理市的核心城區非農產業發展較快，城市化水平較其他片區高.2010年2014年，海北片區鄉鎮的污染負荷增幅減緩，除三營鎮增幅較快，增量達66.97 m3/a，其他鄉鎮增幅較低，茈碧湖鎮負增長態勢明顯，下降 25.85 m3/a；同時，海西片區的喜洲鎮、灣橋鎮及海東片區的挖色鎮增幅較為明顯，其中，喜洲鎮增幅僅次于三營鎮，增量為32.01 m3/a.從變化趨勢看，較之2006年

28、，2014年洱海流域主要農業污染物的增減變化具有一定的空間非均衡性.分區域看，等標排放量增加較大的區域是北部片區和西部片區，增量分別為201.15 m3/a、65.69m3/a；海東片區增量為48.74 m3/a，但由于2006年基數較低，其增幅最快，達30.32%；海南片區下降4.61 m3/a，是農業污染負荷唯一減少的片區.總體而言，茈碧湖鎮、大理鎮、鳳儀鎮、開發區等污染負荷有一定程度下降，主要歸結于它們作為縣市的經濟中心，非農產業得到較大程度發展，農業面源污染有所降低，但是，總體來看，流域大多數鄉鎮污染仍在不斷增加，“控污減排”壓力仍不小.4.1主要結論農業面源污染作為洱海流域污染的主體

29、，重點識別農業污染控污減排的關鍵問題、關鍵部門、關鍵地區，對洱海水環境保護意義重大.1)2014年農業污染源等標排放量COD、TN和TP分別325.85 m3/a、1371.29m3/a和420.10 m3/a.2006年，TN排放量總體保持在64.5%左右、TP保持在20.5%，可見有效削減TN和TP是“十三五”時期洱海水環境保護的關鍵問題.2) 灰色關聯分析結果表明農業面源污染是影響洱海流域水質的重要因素.其中畜禽養殖關聯度均值為0.71，種植業關聯度均值為0.63，表明農業發展整體對洱海水環境影響較大.種植業之大蒜、水稻與畜禽業之牛、豬養殖對洱海水環境影響最大，其關聯度分別為0.70、0

30、.69、0.74、0.74，貢獻率分別為9.35%、10.90%、35.09%、13.19%.其中，水稻種植、生豬養殖污染負荷高是由于其種植規模、養殖規模較大，大蒜種植、奶牛養殖污染負荷高是由于其單位污染排放系數最大.3) 從空間分布情況看，污染重點地區集中于三營鎮、右所鎮、茈碧湖鎮，等標污染負荷分別達328.84 m3/a、271.12m3/a、208.97m3/a，貢獻率分別為14.98%、12.35%、9.52%.從變化趨勢看，洱海流域主要農業污染物的增減變化具有一定的空間非均衡性，海北片區、海西片區污染增量最大，海東片區污染基數小、增幅最大，海南片區污染負荷則有一定程度下降.4.2發展

31、建議4.2.1優化和調整農業產業結構根據流域農業面源污染物的部門貢獻和空間分布特征，結合各類部門單位面積排放強度，全面調整農業產業結構，主要包括農業種植和畜牧業養殖結構、數量、品種及布局的優化調整，大力推廣發展生態農業產業.1) 重點調整產業：奶牛、大蒜.削減奶牛和大蒜產業規模，并轉移至遠離水系的區域或流域外；對于留存的奶牛和大蒜，采取大棚種植和生態廄養開展清潔生產.2) 限制發展產業：蔬菜、玉米、馬鈴薯、大麥與黃牛、生豬.用小麥、蠶豆等替代玉米、馬鈴薯和大蒜等；進行種植方式的輪換和種植布局的轉移.畜牧產業削減養殖數量，并將對保留的畜禽轉移至遠離水系的區域進行生態養殖，洱海、西湖、茈碧湖周邊500 m，彌苴河、永安江、羅時江兩側200米禁止新建養殖場.3) 鼓勵發展產業：優質水稻、小麥、蠶豆、煙葉、雙低油菜和家禽.結合培植發展生態農業和旅游觀光農業，在海北片區建立無公害優質雙低油菜，在海西片區建立花卉生產基地，同時適當擴大烤煙