杞麓湖流域農(nóng)田面源調(diào)查及農(nóng)業(yè)節(jié)水減排對策研究

向 夢，顧世祥，高 蓉，謝崇寶，崔遠來

（1.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北武漢430072；2.云南省水利水電勘測設(shè)計研究院，云南昆明650021；3.中國灌溉排水發(fā)展中心，北京100054）

農(nóng)業(yè)面源污染指農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，氮磷等富余營養(yǎng)物質(zhì)、殘留農(nóng)藥等污染物質(zhì)，隨降雨徑流、農(nóng)田排水及滲漏流入農(nóng)田周邊溝道，造成水體污染的現(xiàn)象［1］。農(nóng)業(yè)面源污染的主要來源為農(nóng)田化肥、農(nóng)藥、廢棄薄膜、秸稈、畜禽糞便、居民生活污水及廢棄物等。因具有隨機性、時空變化大、滯后性等特點，不易于監(jiān)測管理［2］，農(nóng)業(yè)面源污染已成為當今全球普遍存在的環(huán)境問題［3］，也是湖泊等水體污染的重要原因之一，在眾多發(fā)達國家如荷蘭［4］、愛爾蘭［5］、芬蘭［6］等，農(nóng)田面源污染的總氮和總磷占水體污染總量的50%以上?！霸搭^控制為主、過程阻控與末端治理相結(jié)合”是當前進行農(nóng)業(yè)面源污染防控提倡和推行的主要途徑［2］，我國農(nóng)業(yè)面源污染防治重在控源節(jié)流和加強區(qū)域管理等方面。

杞麓湖流域位于滇中玉溪市通?？h，面積約100 km2。近20年來，杞麓湖水質(zhì)均保持在劣Ⅴ類水平，處于嚴重惡化狀態(tài)，并且近年來杞麓湖的主要水質(zhì)指標總氮、總磷均呈現(xiàn)小范圍波動性上升趨勢［7］。管堂珍［8］等指出，2017年農(nóng)業(yè)化肥流失對杞麓湖主要污染物中總氮、總磷的貢獻率分別為43.05%、73.98%。

農(nóng)田面源污染影響著杞麓湖的生態(tài)平衡和流域內(nèi)7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的食品安全及飲水安全，為了摸清杞麓湖流域農(nóng)田面源現(xiàn)狀及其原因，為杞麓湖保護治理和杞麓湖流域水資源分質(zhì)、分行業(yè)性細化配置提供技術(shù)支撐，本文收集2001-2014年杞麓湖流域內(nèi)統(tǒng)計年鑒資料及湖泊水質(zhì)長系列資料，分析湖泊水質(zhì)變化的影響因素，同時在杞麓湖流域5 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)開展了農(nóng)田灌溉用水及農(nóng)田面源污染等現(xiàn)狀調(diào)查。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查對象

調(diào)查分為歷史資料收集和現(xiàn)狀農(nóng)田灌溉用水及農(nóng)田面源污染調(diào)查。歷史資料收集對象為杞麓湖流域涉及的通?？h7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。農(nóng)田面源污染調(diào)查在秀山、九龍、四街、河西和楊廣5 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)開展，每個鄉(xiāng)鎮(zhèn)分別選取2 個村，每個村選擇5 個典型農(nóng)戶，共計10個村，50戶農(nóng)戶。

1.2 調(diào)查內(nèi)容

歷史資料收集包括：①杞麓湖2001-2014年的重要水質(zhì)指標（因變量），即年平均總氮、總磷、氨氮濃度；②流域內(nèi)7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)2001-2014年的10 個杞麓湖水質(zhì)變化影響因素指標（自變量），包括：農(nóng)田耕作面積、蔬菜產(chǎn)量、糧食產(chǎn)量、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值、人口、氮肥折純量、磷肥折純量、鉀肥折純量、農(nóng)藥使用量、塑料薄膜使用量。

圖1 杞麓湖流域水系圖Fig.1 Drainage map of Qilu Lake Basin

農(nóng)田面源污染調(diào)查是對50戶農(nóng)戶了解種植結(jié)構(gòu)、灌溉用水情況、肥料施用現(xiàn)狀、農(nóng)藥使用現(xiàn)狀和農(nóng)田廢棄物處理方式等5個方面的情況。作物種植結(jié)構(gòu)包括種植作物的種類及比例、種植地理分布和種植時間安排。農(nóng)田灌溉用水情況包括不同作物的取水方式、灌溉水源、灌溉方法、灌水定額、灌溉定額、灌水次數(shù)等基本信息。施肥情況包括日常水肥管理措施、施肥量、施肥種類、施肥次數(shù)、施肥方式等信息。農(nóng)田用藥情況包括針對不同作物的殺蟲劑、除菌劑、除草劑等藥物的使用種類、使用用量、使用次數(shù)等信息。農(nóng)田廢棄物包括廢棄地膜和作物殘余（廢棄菜葉、秸稈和花葉等），農(nóng)田廢棄物處理方式包括焚燒、堆積在田間、回收集中處理等。

1.3 分析方法

（1）現(xiàn)狀水質(zhì)評價。以2001-2014年的水質(zhì)監(jiān)測資料為依據(jù)，執(zhí)行GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》，采用單因子評價方法；湖區(qū)富營養(yǎng)化參照SL 395-2007《地表水資源質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)程》進行評價。

（2）相關(guān)性分析。自變量確定為初步篩選出的10 個因素，即比較序列。因變量，即參考序列，確定為3 個因素：杞麓湖水體的年平均總氮、總磷和氨氮濃度。采用普通分析法和灰色關(guān)聯(lián)度分析法，分析影響杞麓湖水質(zhì)變化的重要因素。杞麓湖流域水質(zhì)主要污染物為總氮、總磷和氨氮，其貢獻率分別為69.83%、16.48%和3.94%［9］。分析相關(guān)性因素時，以影響總氮和總磷的因素為主。

普通相關(guān)分析法［10］是變量初步篩選時常用的方法，多用于分析兩變量間相關(guān)關(guān)系。由于普通相關(guān)分析法只考慮了兩個變量之間的相互作用，而沒考慮其他變量的影響。因此，一般不能單獨作為自變量的篩選依據(jù)，常常用其他分析方法予以修訂。

灰色關(guān)聯(lián)度分析法［11］多用于多因素相關(guān)分析，該方法能夠?qū)τ绊懴到y(tǒng)的數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)度排序，找到重要因素。

2 結(jié)果與分析

2.1 杞麓湖水質(zhì)及社會經(jīng)濟發(fā)展指標年際變化

2.1.1 杞麓湖水質(zhì)變化

2001-2014年杞麓湖水質(zhì)普遍處在劣Ⅴ類。圖2可見，2014年湖泊水質(zhì)屬于中度富營養(yǎng)，接近重度富營養(yǎng)，總氮、總磷和氨氮濃度分別為8.92、0.65、1.99 mg/L，是2001年的2.26 倍、4.90倍、2.63倍，其中總氮和總磷濃度分別是地表水Ⅴ類水質(zhì)標準的4.46 倍、1.61 倍，嚴重超標。3 項水質(zhì)指標在2001-2014年間波動較大且均呈增長的趨勢，表明杞麓湖水質(zhì)趨向于富營養(yǎng)化。

圖2 2001-2014年杞麓湖總氮、總磷、氨氮濃度變化Fig.2 Yearly variation of total nitrogen，total phosphorus and ammonia nitrogen in Qilu Lake from 2001 to 2014

2.1.2 主要農(nóng)業(yè)經(jīng)濟指標變化

圖3可見，通?？h2014年人口總量是2001年的1.08 倍，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值是2001年的3.91 倍。2001-2014年人口呈線性增長，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值呈指數(shù)增長，反映通?？h農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力的快速發(fā)展。人口增加，則生活污水及其他生活垃圾和村鎮(zhèn)面源污染排放量增加，同時也增加了農(nóng)業(yè)耕作活動的需求，從而增加農(nóng)田面源污染排放；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值是糧食、蔬菜等產(chǎn)量的間接反映，同時包括果木、其他經(jīng)濟作物以及養(yǎng)殖業(yè)等方面的經(jīng)濟效益，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值增加為農(nóng)田耕作面積及復(fù)種指數(shù)等增加提供了可能的解釋，從而增加農(nóng)田面源污染排放。如今通海縣已成為蔬菜出口大縣，農(nóng)業(yè)是通?？h經(jīng)濟收入的重要組成部分，也是杞麓湖水質(zhì)惡化的重要原因之一。

圖3 杞麓湖流域主要農(nóng)業(yè)經(jīng)濟指標隨時間變化Fig.3 Yearly variation of main agricultural economic indicators in Qilu Lake Basin

蔬菜和糧食作物是杞麓湖流域的主要種植作物。2014年農(nóng)田耕作面積是1994年的1.33 倍；蔬菜產(chǎn)量增至1994年的11.61 倍；糧食作物產(chǎn)量減至1994年的0.46 倍。農(nóng)田耕作面積的增長速率逐漸變緩，蔬菜產(chǎn)量的增長速率遠大于農(nóng)田耕作面積的增長速率，表明種植結(jié)構(gòu)中，蔬菜種植面積占比提高，原因是近年來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平的提高和蔬菜復(fù)種指數(shù)的增加，側(cè)面反映了蔬菜作物經(jīng)濟效益較高，促進當?shù)卣?jīng)濟增長和人民生活質(zhì)量提高。1997年之后蔬菜成為通海縣最主要的種植作物，很大程度上影響著流域內(nèi)農(nóng)田水肥藥和薄膜使用量，是導(dǎo)致農(nóng)田面源污染加劇的關(guān)鍵性因素。

2001年至2014年，氮∶磷∶鉀由1∶0.56∶0.21 變?yōu)?∶0.64∶0.31，鉀肥增長速率高于氮肥和磷肥。2014年杞麓湖流域內(nèi)氮肥折純量、磷肥折純量、鉀肥折純量分別是2001年的1.21 倍、1.40倍、1.81倍，可見施肥總量的增長速率大于農(nóng)田面積增長速率，表明單位面積農(nóng)田施肥量增加。年單位面積氮肥折純量、磷肥折純量和鉀肥折純量的增長原因分析為杞麓湖流域高需肥作物蔬菜種植比例增大，同時復(fù)種指數(shù)增加。

2014年單位面積農(nóng)藥使用量、農(nóng)膜使用量分別是2001年的1.89 倍和2.22 倍。塑料薄膜可對污染物進行吸附，影響污染物的遷移轉(zhuǎn)化過程，其用量是一個直接污染指標，反映蔬菜等經(jīng)濟作物種植面積及其復(fù)種指數(shù)的變化情況。流域內(nèi)單位面積的農(nóng)藥和農(nóng)膜使用量增長原因分析為對農(nóng)藥和農(nóng)膜需求量大的作物種植比例的增加，同時復(fù)種指數(shù)增加。

2.1.3 水質(zhì)指標與其影響因素相關(guān)分析

基于2001-2014年年鑒資料和水質(zhì)資料，得到杞麓湖水質(zhì)指標與其主要影響因素的相關(guān)系數(shù)，見表1。根據(jù)普通相關(guān)分析法，農(nóng)藥使用量與總氮相關(guān)系數(shù)為0.79，與總磷相關(guān)系數(shù)為0.82，蔬菜產(chǎn)量、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值、鉀肥折純量與總氮、總磷的相關(guān)系數(shù)均大于0.8，農(nóng)田面積、氮肥折純量、磷肥折純量、農(nóng)藥使用量與總氮、總磷相關(guān)系數(shù)均大于0.6，僅與糧食作物相關(guān)系數(shù)為負數(shù)且絕對值小于0.2。根據(jù)灰色相關(guān)度分析法，僅糧食作物對總氮的關(guān)聯(lián)度小于0.6，其他指標的相關(guān)度均大于0.6。綜合普通相關(guān)分析法和灰色相關(guān)度分析法，糧食作物產(chǎn)量對水質(zhì)指標的影響最小，人口、蔬菜產(chǎn)量、塑料薄膜使用量、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值、鉀肥折純量為非常重要因素，農(nóng)田面積、氮肥折純量、磷肥折純量、農(nóng)藥使用量為次重要因素。

表1 杞麓湖水質(zhì)指標與其影響因素相關(guān)系數(shù)Tab.1 Correlation coefficient of Qilu Lake water quality index and its influencing factors

2.2 調(diào)查資料分析

2.2.1 種植結(jié)構(gòu)

調(diào)查統(tǒng)計杞麓湖流域作物種植結(jié)構(gòu)見圖4，其中玉米占8.16%，花卉占5.10%，余下作物均為莖葉類蔬菜，占86.74%，為流域主要作物。作物種植茬數(shù)為3～5茬，平均復(fù)種指數(shù)為3.74，而中國一般灌區(qū)復(fù)種指數(shù)為1.50～1.80［12］，杞麓湖流域復(fù)種指數(shù)是一般灌區(qū)的2.5倍，復(fù)種指數(shù)明顯偏大。

圖4 杞麓湖流域作物種植結(jié)構(gòu)Fig.4 Crop planting structure in Qilu Lake Basin

2.2.2 灌溉用水情況

農(nóng)業(yè)灌溉用水情況匯總見表2。5 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)50 個農(nóng)戶樣本的單茬平均灌溉用水量為4 075.20 m3/hm2，變異系數(shù)為38.72%，用水量差距較大，原因分析為農(nóng)戶間取水方式、灌溉方式不同，反映當?shù)毓喔扔盟狈y(tǒng)一調(diào)配和科學管理，易造成灌溉用水浪費。5鎮(zhèn)單茬平均灌溉用水量與通海縣平水年莖葉類蔬菜灌溉定額［13］3 975.00～4 350.00 m3/hm2相近，但由于復(fù)種指數(shù)過高，年單位面積灌溉用水量明顯高于其他地區(qū)。不同取水與灌溉方法對比表明，采用挑水灌溉澆灌方式的灌溉用水量明顯少于其他3種取水方式；相同取水方式下，噴灌的灌溉用水量明顯少于漫灌。

2.2.3 肥料使用情況

典型農(nóng)戶年均施肥總量5 029.20 kg/hm2，其中氮肥折純量為353.70 kg/hm2、磷肥折純量為269.10 kg/hm2、鉀肥折純量為429.45 kg/hm2，分別是2018年我國農(nóng)田年均氮肥、磷肥、鉀肥折純量［14］的2.08倍、3.01倍和5.29倍。

不同作物施肥量統(tǒng)計見表3，水稻單茬施肥量為600.00 kg/hm2左右，主要莖葉類蔬菜單茬施肥量是水稻的2～4 倍，導(dǎo)致單位面積農(nóng)田氮磷鉀入湖排放負荷相應(yīng)增加。

表3 作物單茬施肥量調(diào)查統(tǒng)計kg/hm2Tab.3 Investigation of crop fertilization

樣本施肥總量調(diào)查如圖5（a），肥料用量總體變異系數(shù)為33.35%，肥料施用量因農(nóng)戶習慣而異，個體間差異較大。5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)50 個農(nóng)戶樣本的年均用肥量為6 288.00 kg/hm2，是2018年我國農(nóng)田年均用肥量［14］的8.86 倍，流域內(nèi)不僅施肥總量大，單茬作物用肥量也明顯高于全國平均水平，可見主要種植作物為高需肥作物且復(fù)種指數(shù)高使得杞麓湖流域農(nóng)田施肥量嚴重超標，加劇了肥料流失導(dǎo)致的面源污染排放。為減少肥料使用量須適當減少高需肥作物的種植比例并壓減復(fù)種指數(shù)。

2.2.4 農(nóng)藥使用情況

圖5（b）可見，調(diào)查樣本農(nóng)藥用量較為離散，農(nóng)戶間差距較大，一方面原因是作物受蟲害影響程度不同，另一方面反映了農(nóng)戶用藥缺乏科學規(guī)范，易造成農(nóng)藥的過度使用。50個樣本年均農(nóng)藥用量為35.70 kg/hm2，是全國耕地平均農(nóng)藥使用量［14］的3.96 倍，可見多茬種植增加了農(nóng)藥年使用量，為減少農(nóng)藥用量須壓減復(fù)種指數(shù)。

圖5 調(diào)查樣本的肥料及農(nóng)藥使用情況Fig.5 Investigation of the fertilizer and pesticide usage

2.2.5 農(nóng)田廢棄物處理情況

表4可見，樣本年均薄膜用量為83.55 kg/hm2，是全國年均水平［14］的5.63 倍。蔬菜對薄膜需求量較大，主要用于大棚種植和冬季地膜覆蓋，而廢膜的不恰當處理會加劇農(nóng)田面源污染。

表4 作物薄膜用量調(diào)查情況Tab.4 Investigation of crop film usage

表5可見，85.71%的農(nóng)戶直接焚燒薄膜，僅14.29%的農(nóng)戶將其扔進垃圾箱集中處理；對于作物殘余，88.00%的農(nóng)戶將廢棄菜葉和秸稈堆積在田間用作下一茬的肥料，廢棄物中的肥力會受雨水沖刷而流失，N、P、K 等營養(yǎng)元素經(jīng)匯流進入杞麓湖；10.00%的農(nóng)戶將其集中倒入化肥池，也可用作下一茬的肥料，相比堆積在田間，這種處理方式保證了廢棄物中的肥不隨雨水沖刷流失；2.00%的農(nóng)戶將廢棄葉類喂給養(yǎng)殖的牲畜。

表5 農(nóng)田廢棄物不同處理情況分類占比%Tab.5 Percentage of farmland waste classification

2.3 杞麓湖流域農(nóng)業(yè)節(jié)水減排對策

杞麓湖流域內(nèi)農(nóng)田種植復(fù)種指數(shù)大，年均水肥藥和薄膜用量明顯高于全國平均水平，因此需通過優(yōu)化農(nóng)藝管理技術(shù)與措施，從源頭上減少化肥、農(nóng)藥和塑料薄膜用量，同時采取節(jié)水灌溉技術(shù)，減少排水和減少污染物排放，從而達到控制農(nóng)業(yè)面源污染源頭排放的目的。另外，采用生態(tài)溝及塘堰濕地等攔截及治理措施，對流出農(nóng)田的氮磷等進行回收利用，減少杞麓湖的入湖污染負荷。

2.3.1 田間源頭節(jié)水減排措施

（1）調(diào)整種植結(jié)構(gòu)。適當控制蔬菜發(fā)展規(guī)模，壓減復(fù)種指數(shù)。若將1 茬白菜換成水稻種植，施肥量可減少1 875.00 kg/hm2，根據(jù)江西贛撫平原灌區(qū)經(jīng)驗［15］，菜-稻-菜的水旱輪作模式的經(jīng)濟效益僅次于菜-菜連作模式，是改善蔬菜連作水肥藥用量大的有效途徑。

（2）采用節(jié)水灌溉措施。推廣噴灌、微噴灌或滴灌等高效節(jié)水灌溉技術(shù)。噴灌技術(shù)的用水量較為節(jié)省，同時采用低壓管道輸水，降低輸配水環(huán)節(jié)的水量損失。根據(jù)2019年通?？h水利綜合年報，節(jié)水灌溉工程面積為0.35 萬hm2，占灌溉面積的39.91%，若節(jié)水灌溉工程面積提高到80%，年均減少灌溉用水量2 478.70 萬m3，按灌溉水利用系數(shù)0.6 測算，可減少排水991.48 萬m3。

（3）推廣減肥增效技術(shù)。①水肥綜合管理技術(shù)。水肥綜合管理技術(shù)可結(jié)合噴灌、滴灌等節(jié)水灌溉技術(shù)，實現(xiàn)水肥一體化管理，科學控制肥料使用量并節(jié)約灌溉用水，從而減少氮磷等的流失風險。②無機肥和有機肥的結(jié)合。推行水溶性有機肥，降低肥料成本，提高土壤肥力，減少后期無機肥追肥量。③農(nóng)田廢棄物合理利用。流域內(nèi)應(yīng)禁止將農(nóng)田廢棄物隨意堆放在田間，充分利用化糞池將其轉(zhuǎn)化為有機肥或者牲畜飼料。回收廢膜，達到資源化利用。如果將作物殘余和廢膜回收利用，可減少80%以上的農(nóng)田廢棄物污染。④農(nóng)藥合理施用?？茖W指導(dǎo)農(nóng)戶的用藥種類和用量，避免農(nóng)藥的過度使用，推廣土壤吸附力強、降解快、對生態(tài)環(huán)境破壞小的有機農(nóng)藥，減少農(nóng)藥使用總量。

2.3.2 遷移途徑攔截措施

結(jié)合灌區(qū)已有的排水溝、小型池塘等，進行生態(tài)改造和水系聯(lián)通，其中種植能夠有效吸收和富集氮磷及農(nóng)藥等物質(zhì)的水生植物，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)面源污染的攔截和凈化。

2.3.3 末端治理措施

在杞麓湖沿湖建立人工濕地或調(diào)蓄帶，其中種植蘆葦、菖蒲等能同時帶來經(jīng)濟效益和生態(tài)效益的水生植物，對農(nóng)田富余營養(yǎng)物進行再利用。

將田間水肥藥高效利用與綜合調(diào)控、生態(tài)溝的攔截處理、塘堰濕地的調(diào)蓄處理綜合起來，構(gòu)成農(nóng)業(yè)面源污染治理的“三道防線”技術(shù)體系。根據(jù)云南大理［16，17］及江西贛撫平原［18］的經(jīng)驗，對總氮、總磷的去除效果可以達到70%以上。

3 結(jié) 論

本文基于杞麓湖水質(zhì)及其影響因素采用普通相關(guān)分析法和灰色相關(guān)度分析法，分析了影響杞麓湖水質(zhì)變化的主要因素。基于調(diào)查數(shù)據(jù)分析了杞麓湖流域農(nóng)田種植中水肥藥和薄膜使用情況，提出了杞麓湖流域農(nóng)業(yè)節(jié)水減排措施。主要結(jié)論如下。

（1）人口、蔬菜產(chǎn)量、塑料薄膜使用量、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值、鉀肥折純量為影響杞麓湖水質(zhì)變化的非常重要因素，農(nóng)田面積、氮肥折純量、磷肥折純量、農(nóng)藥使用量為次重要因素，糧食作物產(chǎn)量對水質(zhì)的影響最小。

（2）杞麓湖流域農(nóng)作物中莖葉類蔬菜占絕對優(yōu)勢，占比為86.74%，糧食作物和花卉次之，每年種植3～5 茬。年均用水量、肥料使用量、農(nóng)藥使用量和薄膜使用量分別是全國平均水平的4.00 倍、8.86 倍、3.96 倍和5.63 倍。廢膜處理以焚燒為主，焚燒率為85.71%。農(nóng)田菜葉處理以堆積在田間為主，占比為88.00%。

（3）杞麓湖流域節(jié)水減排措施應(yīng)以源頭控制為主、過程阻控與末端治理為輔。杞麓湖流域需適當控制蔬菜發(fā)展規(guī)模，壓減復(fù)種指數(shù)；實行灌溉用水水源全面管控，推廣噴微灌等高效節(jié)水灌溉技術(shù)；鼓勵農(nóng)戶使用有機肥，科學指導(dǎo)農(nóng)戶用肥用藥，結(jié)合微灌技術(shù)，實施水肥一體化精準控制，減少水肥流失及面源污染排放；推廣使用可降解農(nóng)膜，禁止將農(nóng)作物殘余隨意堆放在田間，充分利用化糞池將其轉(zhuǎn)化為有機肥，達到資源化利用。在過程阻控與末端治理方面，充分利用流域排水溝、塘堰及洼地，改造成生態(tài)溝及塘堰濕地，并進行田溝塘水系聯(lián)通，對流出農(nóng)田的面源污染負荷進行攔截、凈化和回用?！?/p>