环境科学  2019, Vol. 40 Issue (4): 1760-1769   PDF    
引用本文
谢经朝, 赵秀兰, 何丙辉, 李章安. 汉丰湖流域农业面源污染氮磷排放特征分析[J]. 环境科学, 2019, 40(4): 1760-1769.
XIE Jing-chao, ZHAO Xiu-lan, HE Bing-hui, LI Zhang-an. Analysis of the Characteristics of Nitrogen and Phosphorus Emissions from Agricultural Non-point Sources on Hanfeng Lake Basin[J]. Environmental Science, 2019, 40(4): 1760-1769.
汉丰湖流域农业面源污染氮磷排放特征分析
谢经朝1,2, 赵秀兰1,2, 何丙辉1, 李章安3     
1. 西南大学资源环境学院, 重庆 400716;
2. 重庆市农业资源与环境研究重点实验室, 重庆 400716;
3. 重庆市开州区环境监测站, 开州 405400
收稿日期: 2018-08-24; 修订日期: 2018-10-26
基金项目: 国务院三峡工程建设委员会办公室生态与环境系统重点支流水质监测项目
作者简介: 谢经朝(1993~), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为环境污染化学, E-mail:2460653508@qq.com
通信作者: 赵秀兰, E-mail:zxl@swu.edu.cn
摘要: 为把握汉丰湖流域农业面源污染现状，探明其首要污染源和重点控制区域，应用排污系数法估算了汉丰湖流域2015年种植业源、畜禽养殖业源和农村生活源TN、TP污染物的贡献量，利用GIS空间分析法研究了其排放的空间分布特征.结果表明，2015年汉丰湖流域农业面源污染TN和TP的总负荷量分别为2721.42 t和492.04 t；等标污染负荷量以南河子流域最大，汉丰湖子流域最小；不同类型农业面源等标污染负荷总量差异很大，以肥料源和畜禽养殖源为主要来源，其中肥料源等标污染贡献率为76.92%，是汉丰湖流域首要污染源；各乡镇中，敦好镇、铁桥镇和白桥镇的等标污染负荷量较高，均高于350 m3·a-1，为重点控制乡镇.等标污染负荷评价及聚类分析结果表明，汉丰湖流域农业面源有种植业源-畜禽养殖源复合主导型、肥料源-畜禽养殖源复合主导型、种植业源严重污染型和肥料源复合主导型这4种污染类型.
关键词: 汉丰湖流域      农业面源污染      排污系数法      等标污染负荷      空间分布特征     
Analysis of the Characteristics of Nitrogen and Phosphorus Emissions from Agricultural Non-point Sources on Hanfeng Lake Basin
XIE Jing-chao1,2 , ZHAO Xiu-lan1,2 , HE Bing-hui1 , LI Zhang-an3     
1. College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400716, China;
2. Key Laboratory of Agricultural Resources and Environment of Chongqing, Chongqing 400716, China;
3. Environmental Monitoring Station in Kaizhou District, Kaizhou 405400, China
Abstract: To understand the status of agricultural non-point source pollution and to find out the primary pollution sources and the key control areas in the Hanfeng Lake Basin, the discharges of total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) from farming, livestock and poultry breeding, and rural living in thirty-two counties in 2015 were estimated using the pollutant discharge coefficient method. The spatial distribution characteristics of the quality and intensity of the TN and TP emissions from these sources were investigated using the GIS spatial analysis method. Pollution evaluation and source analysis were also carried out using the equivalent pollution load method. The results show that the total loads of TN and TP in the Hanfeng Lake Basin are 2721.42 t and 492.04 t, respectively. The discharge of pollutants is the largest in the Nanhe Basin and the smallest in the area around Hanfeng Lake. The total pollutant loads from the agricultural non-point sources varied greatly, with fertilizer application and livestock and poultry breeding being the main sources. The contribution from fertilizer application is 76.92%, which represents the primary source of TN and TP pollution in the Hanfeng Lake Basin. Among the townships, the equivalent pollution loads of Dunhao, Tieqiao, and Baiqiao are higher than 350 m3·a-1; thus, these are the key control towns. According to the results of the equivalent pollution method and cluster analysis, the 32 counties were divided into four types of pollution areas. These areas are planting-livestock breeding dominant area, fertilizer-livestock breeding dominant area, fertilizer dominant area, and heavily polluted planting dominant area.
Key words: Hanfeng Lake Basin      agricultural non-point source pollution      pollutant discharge coefficient      equivalent pollution load      spatial distribution characteristics     

水体富营养化一直是国内外环境科学领域关注的热点[1, 2], 也是我国三峡水库当前亟待解决的环境问题之一[3].有研究表明, 湖、库水体富营养化程度与氮磷含量明显相关[4], 农业生产活动中大量氮、磷等污染物进入地表水体[5], 是引起湖泊、水库等水体富营养化的重要原因之一[6].英国农业面源污染是主要污染源[7], 点源污染严格控制后, 水体的水质依然没有得到很好的恢复[8], 农业面源污染也是全美河流的第一大污染源[9], 丹麦270条河流94%的氮负荷和52%的磷负荷是由农业面源污染引起[10].在我国, 农业面源污染形势也非常严峻, 《第一次全国污染源普查公报》显示, 我国农业源(含畜禽养殖业、水产养殖业、种植业)已成为污染源之首, 其氮磷排放量分别占总排放量的57.2%和67.4%[11], 太湖流域[12]、宝象河流域[13]、巢湖流域[14]面源污染对总氮(TN)的贡献率分别达83%、74%和52.5%, 对总磷(TP)的贡献率分别达84%、68%和35.9%;延河流域[15]及长江流域[16]等水环境的农业面源问题也备受关注.进行农业面源污染负荷和贡献强度估算对掌握区域水环境主要污染物来源以及面源污染控制具有重要意义.

农业面源污染具有时空的不确定性和随机性, 估算和评价农业面源污染具有较大难度[17].目前, 国内外农业面源污染负荷主要的估算方法有径流分割法[18]、输出系数法[19]、模型法[20]和排污系数法[21]等, 估算方法的选择通常以掌握资料的完整度为依据, 其中排污系数法相对简单、参数要求不高、应用性强, 通常用于监测数据较少的情况下对氮磷负荷进行估算[22].对农业面源污染源解析的方法主要有模型法[23]、平均浓度法[24]、GIS空间分析法[25]、清单法[26]和等标污染负荷法[27]等, 其中, 等标污染负荷法是根据环境水体水质的功能要求来评价污染物的威胁, 不仅考虑了排放来源特征, 也考虑到对环境水质的危害程度.

本研究应用排污系数法估算了开州区汉丰湖流域种植业源、养殖业源及农村生活污染源的氮磷贡献量, 采用GIS技术分析了其空间分异特征, 采用等标污染负荷、聚类分析方法探讨了流域污染特征和控制的重点区域及污染类型, 以期为汉丰湖农业面源污染防治提供科学依据, 进而为三峡库区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

汉丰湖位于三峡水库一级支流小江(澎溪河)的上游, 地处三峡水库区的腹心地带, 位于开州城区东河与南河交汇处, 设计常年水位为170~175 m(吴淞高程), 库周长为36.4 km, 水域面积14.8 km2, 呈“Y”字形沿县城东西延展, 蓄水量8 000万m3.汉丰湖流域有3条主要河流, 分别为东河、南河和桃溪河, 其中桃溪河是南河的一条支流.开州区是一个农业大区, 2015年全区耕地面积共1 008 km2, 共42个乡镇, 其中汉丰湖流域有32个乡镇.汉丰湖流域总面积约3 000 km2, 耕地面积约750 km2, 户籍人口168.35万人, 农业人口114.12万人, 占总人口的67.8%, 常住人口约105.20万人, 畜禽养殖类型主要以猪、肉牛和鸡为主.根据自然环境特征及水系情况, 将汉丰湖流域分成桃溪河子流域、南河子流域、东河子流域及汉丰湖子流域这4个区域, 其分布见图 1.

图 1 汉丰湖流域水系及子流域划分示意 Fig. 1 Map of the water system and sub watershed in the Hanfeng Lake Basin

1.2 研究方法 1.2.1 数据来源

本研究数据主要来源于相关年鉴、年报、文献[28~30]以及其他相关更新调查, 调查以乡镇为基本单元.

1.2.2 污染排放估算方法

利用排污系数法估算种植业源(肥料和作物秸秆)、畜禽养殖业和农村生活源的氮磷负荷, 方法见参考文献[31], 生活污水和生活垃圾的排放系数、污染物平均含量和平均质量浓度、入河系数以及肥料的利用率和平均入河系数、秸秆的综合利用率和入河系数取值均参考文献[32], 有机肥和秸秆的养分含量参考文献[33], 具体估算方法如下.

(1) 种植业污染源贡献量的指标核算

化肥污染源贡献量:

化肥污染源贡献量=化肥施用量(折纯量)×(1-化肥利用率)×入河系数

根据开州区农业技术推广中心2014年肥料利用率试验, 全区肥料常规施用区氮肥、磷肥利用率分别为29.47%、15.77%[34].

根据湖北省和重庆市农业环境监测站监测结果, 氮、磷的入河系数分别为0.1007和0.0599.以氮肥、磷肥的折纯量分别计算TN、TP的贡献量, 不考虑化肥的COD、BOD5的贡献量.

有机肥污染源贡献量:

有机肥污染源贡献量=有机肥施用量×(1-有机肥利用率)×有机肥养分含量×入河系数

作物秸秆源污染贡献量:

作物秸秆污染源贡献量=某作物产量×某作物秸秆产出系数×(1-秸秆利用率)×秸秆养分含量×入河系数

作物种类有水稻、玉米、小麦、油菜、烤烟、花生、高粱、甘蔗、芝麻、薯类、向日葵、蚕豆等, 秸秆产出系数参考文献[35].

(2) 畜禽养殖业污染源贡献量指标核算

畜禽养殖污染源贡献量=养殖总量×畜禽粪便排放系数×粪便中污染物平均含量×污染物入河系数

式中, 养殖总量用畜禽存栏量计算, 存栏量可看作当年中一个相对稳定的饲养量, 一般畜禽的增补量与出栏量大约相同; 畜禽粪便排放系数、畜禽粪便中污染物平均含量及其入河系数由原国家环保总局推荐[36].

(3) 生活污染源贡献量指标核算

生活污水污染源贡献量:

生活污水污染源贡献量=乡镇人口总数×农村生活污水排放系数×污水污染物平均质量浓度×入河系数.

重庆市农村人均生活污水排放量为0.67 L·d-1, 污水中TN和TP平均质量浓度分别取44.14 mg·L-1和4.49 mg·L-1, 入河系数取0.30.

生活垃圾污染源贡献量:

生活垃圾污染源贡献量=乡镇人口总数×农村生活垃圾排放系数×垃圾渗滤液平均含量×入河系数.

重庆市农村人均生活垃圾排放量为0.67 kg·d-1, 垃圾渗滤液TN和TP平均含量分别取1.00mg·kg-1和0.2mg·kg-1, 入河系数取0.20.

1.2.3 污染负荷评价方法

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.某污染物等标污染负荷为单位时间内贡献的含该污染物的废水等标体积, 计算公示如下：

(1)
(2)
(3)

式中, Pi为污染物i的等标污染负荷量, m3·a-1; Qi为污染物i的贡献量, t·a-1; coi为污染物i基于水环境功能分区的水质控制类别标准值[37]，mg·L-1; Ki为污染物i的等标污染负荷比; An为乡镇n的等标排放系数; Pn为乡镇n的污染物等标污染负荷量之和; Sn为乡镇n的耕地面积, hm2.

根据重庆市水环境功能区划修编报告[38], 汉丰湖流域现状水质为Ⅲ类, 水质管理目标Ⅲ类, 因此TN和TP分别取1 mg·L-1和0.05 mg·L-1进行核算.

1.2.4 污染类型划分方法

污染类型划分采用聚类分析进行, 聚类对象为不同乡镇各污染源的等标污染负荷量, 所用软件为SPSS 21.0.

2 结果与讨论 2.1 农业面源氮磷贡献量及贡献强度估算

2015年汉丰湖流域农业面源污染TN和TP总贡献量分别为2 721.42 t和492.04 t, TN贡献量约为TP的6倍, TN/TP比在5~10之间, 与三峡库区以往研究结果相似[39, 40], 这主要由于土壤固磷作用强于固氮, 土壤中以硝态氮和铵态氮形式存在的氮移动性强, 易淋溶下移[41]. TN和TP年均贡献强度分别为314.97kg·hm-2和180.80kg·hm-2, 与其他流域相比相对较大, 如三峡库区香溪河流域TN和TP的年均贡献强度分别为44.5kg·hm-2和2.14 kg·hm-2[42], 海河流域分别为139.7kg·hm-2和29.8 kg·hm-2[43], 这主要因为开州区是农业大区, 耕地面积大, 常驻农业人口数量较多, 人类活动向土壤输入氮磷较多引起.

汉丰湖流域肥料源、养殖业源、作物秸秆源和农村生活源TN的贡献量分别为2 112.12、535.05、70.79和3.46 t, TP的贡献量分别为374.72、108.58、8.38和0.36 t.各类污染源贡献率见图 2, 4种农业面源污染来源中, 肥料源贡献量最多, 占TN和TP总贡献量的比例分别为77.61%和76.16%, 高于丹江口水库[44]和太湖流域[45, 46]等肥料源的贡献量; 其次为畜禽养殖业源, 所占比例分别为19.66%和22.07%, 农村生活源氮磷贡献量最小, 这主要与开州区施肥强度较大有关. 2015年汉丰湖流域各乡镇共施用化肥46 389.27 t, 施用有机肥17 862.84 t, 化肥施用强度为613.32kg·hm-2, 是国际上为防止水体污染而设置的化肥施用安全上限(225kg·hm-2)的2.73倍, 是我国化肥施用强度(250kg·hm-2)的2.45倍[47]. 2012年开州区农业污染普查结果表明, 化肥源TN和TP贡献量分别占农业源的82.7%和81.8%, 畜禽养殖业的TN和TP分别占农业源的17.3%和18.2%[48], 本次调查的结果肥料源的贡献比例略低, 畜禽养殖的贡献率略高, 但均反映出开州区农业面源污染来源主要有2个方面, 即畜禽养殖业和种植业, 这与蔡金洲等[49]对三峡库区农业面源污染源解析中的结论一致.

图 2 各类农业面源污染源排放的贡献 Fig. 2 Contribution of various agricultural non-point source pollution sources

2.2 农业面源氮磷贡献量及强度的空间分布 2.2.1 各子流域氮磷贡献量及贡献强度空间分布特征

各子流域氮磷贡献量及强度见表 1.桃溪河子流域、南河子流域、东河子流域及汉丰湖子流域TN的贡献率分别为27.63%、35.13%、31%和6.24%, 以南河子流域最大, 汉丰湖子流域最小; TP的贡献率分别为25.98%、34.39%、34.61%和5.02%, 以东河子流域最大, 也以汉丰湖子流域最小.

表 1 各子流域TN、TP总贡献量、强度和贡献率 Table 1 Total contribution, intensity, and contribution of TN and TP in each sub-basin

各子流域TN贡献强度分别为275.94、324.71、328.09和424.47kg·hm-2, TP的贡献强度分别为46.91、57.46、66.23和61.76kg·hm-2, 表明尽管汉丰湖子流域TN和TP的贡献量最低, 但TN的贡献强度却最高, TP的贡献强度也较高.

2.2.2 各乡镇氮磷贡献量及贡献强度空间分布特征

各乡镇氮磷贡献量空间分布见图 3. TN贡献量较大的乡镇依次为铁桥镇＞白桥镇＞中和镇＞敦好镇, 这4个乡镇TN贡献量占各乡镇总TN贡献量的26.35%; TP贡献量较大的乡镇依次是敦好镇＞白桥镇＞铁桥镇＞南雅镇＞温泉镇, 这5个乡镇总TP贡献量占各乡镇总TP贡献量的34.70%;氮磷贡献量较小的乡镇分别为满月乡＞文峰街道＞白泉乡＞关面乡＞汉丰街道＞云枫街道和满月乡＞文峰街道＞关面乡＞汉丰街道＞云枫街道, 占总量的比例分别为4.16%和2.61%.

图 3 汉丰湖流域各乡镇TN、TP贡献量空间格局 Fig. 3 Spatial pattern of TN and TP emissions from various towns in the Hanfeng Lake Basin

各乡镇氮磷贡献强度空间分布见图 4.各乡镇TN和TP贡献强度变幅分别为8.61~129.54kg·hm-2和1.18~14.95kg·hm-2, 平均贡献强度分别为35.98kg·hm-2和6.50kg·hm-2. TN贡献强度较大的乡镇依次为镇东街道＞云枫街道＞文峰街道＞白桥镇＞丰乐街道, 其中有4个乡镇街道在汉丰湖子流域, TP贡献强度较大的乡镇依次为丰乐街道＞白桥镇＞镇东街道＞和谦镇＞铁桥镇.表明, 尽管镇东街道、云枫街道、文峰街道和白桥镇氮磷贡献很小, 但贡献强度较大, 也主要是因为化肥的过量施用引起, 因此控制肥料施用量是控制其氮磷贡献强度的关键.

图 4 汉丰湖流域各乡镇TN、TP贡献强度空间格局 Fig. 4 Spatial pattern of TN and TP emission intensity of towns in the Hanfeng Lake Basin

综合图 3和图 4看出, 汉丰湖流域农业源氮磷贡献量和贡献强度在空间上呈现较强的区域性分布, 即北部氮磷贡献量和强度较小, 中部和南部较大, 这是因为北部属大巴山南坡, 多为中山槽谷, 农业活动强度弱, 而南部为低山丘陵区, 多为平坝浅丘, 农业活动强度大引起.北部中山槽谷地貌的满月、关面、白泉3个乡, 氮磷贡献量和强度均较低.

2.2.3 各类农业源氮磷贡献的空间分布特征

各类农业源氮磷贡献量见表 2.各子流域中, 各农业源氮磷贡献均以汉丰湖子流域最低, 桃溪河子流域、南河子流域和东河子流域这3个子流域作物秸秆源和农村生活源的氮磷贡献量相差不大, 畜禽养殖源对氮磷贡献量依次为南河子流域＞东河子流域＞桃溪河子流域, 肥料源对TN贡献量依次为南河子流域＞桃溪河子流域＞东河子流域, 而对TP贡献量依次为东河子流域＞南河子流域＞桃溪河子流域.

表 2 汉丰湖流域各乡镇各类农业源TN和TP贡献量 Table 2 Contribution of TN and TP from various agricultural sources in the Hanfeng Lake Basin

各乡镇中, 肥料源对TN贡献量相对较大的乡镇依次是白桥镇＞敦好镇＞铁桥镇＞九龙山镇＞竹溪镇, 这5个乡镇肥料源TN贡献量占各乡镇肥料总TN贡献量的32.45%, 对TP贡献量相对较大的乡镇依次为敦好镇＞白桥镇＞南雅镇＞九龙山镇, 这4个乡镇肥料TP贡献量占肥料源总TP贡献量的33.20%.

作物秸秆源对TN贡献量相对较大的乡镇依次是敦好镇＞天和镇＞大进镇=九龙山镇＞临江镇, 这5个乡镇作物秸秆源TN贡献量占作物秸秆源总TN贡献量的28.78%;对TP贡献量相对较大的乡镇依次为敦好镇＞天和镇=大进镇＞九龙山镇=临江镇, 这5个乡镇作物秸秆源TP贡献量占作物秸秆源总TP贡献量的28.52%.

畜禽养殖源对TN贡献量相对较大的乡镇依次是铁桥镇＞中和镇＞郭家镇＞大德镇, 这4个乡镇畜禽养殖源TN贡献量占各乡镇畜禽养殖源总TN贡献量的40.12%;对TP贡献量相对较大的乡镇依次是铁桥镇＞郭家镇＞中和镇＞大德镇, 这4个乡镇畜禽养殖源TP贡献量占各乡镇畜禽养殖源总TP贡献量的42.76%.

农村生活源对氮磷贡献量主要与农村人口有关, 各乡镇相差较小, 以临江镇、白鹤街道、中和镇、铁桥镇对TN贡献量较大, 临江镇对TP贡献量最大.

综合分析各乡镇氮磷总贡献量和各类农业源氮磷贡献量的空间分异性可知, 氮磷贡献量较大的几个乡镇中, 白桥镇(化肥施用3 516.22 t)和敦好镇(化肥施用3 780.91 t)主要由于肥料施用较多引起, 且敦好镇磷肥施用量也较大; 中和镇(化肥施用2 184.56 t)和铁桥镇(化肥施用2 624.60 t)肥料施用相对较少, 而生猪养殖量较大, 铁桥镇(生猪35 350头)和中和镇(生猪22 000头)饲养生猪量占汉丰湖流域生猪饲养量的26%, 因此氮磷贡献量较大, 且铁桥镇氮肥施用较多.

2.3 汉丰湖流域农业面源污染特征评价

由表 3和图 5可知, 2015年汉丰湖流域农业面源污染等标污染负荷总量为5 181.92 m3·a-1, 其中TN等标负荷量占等标负荷总量的52.52%, 略高于TP等标负荷量.各污染源中, 肥料源、作物秸秆源、畜禽养殖业源和农村生活源等标负荷总量分别为3 985.87、112.79、1 078.00和5.26 m3·a-1, 以肥料源等标负荷量最多, 占流域污染物等标负荷总量的76.92%, TN和TP的负荷量也主要来源于肥料源, 畜禽养殖源次之, 作物秸秆源和农村生活源相对较少, 分别仅占2.18%和0.10%, 说明肥料源是汉丰湖流域首要污染源.

表 3 汉丰湖流域不同污染源污染物等标负荷量及等标排放比 Table 3 Emission and equivalent emission of pollutants from different sources in the Hanfeng Lake Basin

图 5 汉丰湖流域等标排污总量及等标污染排放系数 Fig. 5 Amount of equivalent pollutant discharge and equivalent emission coefficients of the Hanfeng Lake Basin

各子流域中, 桃溪河子流域、南河子流域、东河子流域和汉丰湖子流域的等标负荷总量分别为1 391.07、1 802.20、1 695.09和293.56 m3·a-1, 即南河子流域的等标污染负荷量最大, 汉丰湖子流域与其他子流域差异较大, 且等标污染负荷量最小, 仅占全流域的5.67%.各乡镇等标负荷总量差异较大, 以桃溪河子流域的敦好镇、南河子流域的铁桥镇和东河子流域的白桥镇等标污染负荷量较高, 均高于350 m3·a-1, 这3个乡镇的等标负荷比之和为21.73%, 为重点控制乡镇.

汉丰湖流域各乡镇等标污染排放系数差异大, 变化范围为0.014~0.200 m3·hm-2, 各子流域中以汉丰湖子流域平均排放系数最大, 为0.132 m3·hm-2, 说明汉丰湖子流域面源污染压力较大.各乡镇中, 镇东街道等标污染排放系数最大, 为0.200 m3·hm-2, 其次为铁桥镇、白桥镇、文峰街道、云枫街道、镇东街道和丰乐街道, 即等标污染排放系数较大的乡镇基本集中于汉丰湖子流域, 面源污染承载压力较大.

2.4 汉丰湖流域农业面源污染类型划分

运用聚类分析方法对各乡镇等标污染负荷总量进行聚类分析, 结果见表 4和图 6.汉丰湖流域农业面源主要分为4种污染类型, 图 7为各污染类型空间分布情况. Ⅰ类为种植业源-畜禽养殖源复合主导型, 该类型各乡镇种植业源和畜禽养殖源的贡献率分别约为79.63%和20.26%, 主要分布在汉丰湖外围乡镇, 如麻柳乡、义和镇、巫山镇等22个乡镇. Ⅱ类为肥料源-畜禽养殖源复合主导型, 该类型畜禽养殖源贡献率最高, 为33.21%, 肥料源贡献率为64.71%, 作物秸秆贡献率相对较低, 该类型的乡镇大都是畜禽养殖大镇, 包括中和镇、临江镇、大德镇、温泉镇等7个乡镇, 主要分布在东河和南河子流域, 畜禽粪污的产生量较大, 这类乡镇在控制施肥量的同时, 要着重关注畜禽养殖粪污的处理方式, 降低面源污染排污风险. Ⅲ类为种植业源严重污染型, 包括敦好镇和九龙山镇, 该类型的2个乡镇分布在桃溪河子流域, 种植业源贡献率高达99.42%, 其中肥料源贡献率为97.23%, 严格把控农田施肥量是降低面源污染排污风险的关键. Ⅳ类为肥料源复合主导型, 该类型只有白桥镇, 属于东河子流域, 其肥料源等标污染负荷量是最多的, 畜禽养殖源的贡献率为11.05%, 应要重点控制白桥镇施肥量, 兼顾畜禽养殖的排污处理.

表 4 各分区不同评价指标的平均值及其贡献率 Table 4 Average values and contributions of different evaluation indexes in different districts

图 6 32个乡镇基于等标污染负荷量聚类树形图 Fig. 6 Cluster dendrogram of 32 regions according to their equivalent pollution loading

图 7 汉丰湖流域不同污染类型空间分布示意 Fig. 7 Spatial distribution of different pollution types in the Hanfeng Lake Basin

3 结论

(1) 汉丰湖流域农业面源污染TN和TP总贡献量分别为2 721.42 t和492.04 t, 等标污染负荷量以南河子流域最大, 汉丰湖子流域最小.各乡镇中, 敦好镇、铁桥镇和白桥镇等标污染负荷量相对较高, 均高于350 m3·a-1, 这3个乡镇的等标排放比之和为21.73%, 为重点控制乡镇.

(2) 汉丰湖流域不同类型农业面源等标污染负荷量差异很大, 肥料源等标污染贡献率为76.92%, 畜禽养殖源次之, 肥料源是汉丰湖流域首要污染源.

(3) 汉丰湖流域农业面源污染分4个类型. Ⅰ类是种植业源-畜禽养殖源复合主导型, 其种植业源和畜禽养殖业源的等标贡献率分别为79.63%和20.26%, 包括紫水乡等22个乡镇; Ⅱ类是肥料源-畜禽养殖源复合主导型, 其肥料源和畜禽养殖业源的等标贡献率分别为64.71%和33.21%, 包括铁桥镇等7个乡镇; Ⅲ类是种植业源严重污染型, 其种植业源的等标贡献率为99.42%, 包括敦好镇和九龙山镇; Ⅳ类为肥料源复合主导型, 该类型肥料源的等标贡献率为88.11%, 只包括白桥镇.

参考文献
[1] Bouwman L, Goldewijk K K, van der Hoek K W, et al. Exploring global changes in nitrogen and phosphorus cycles in agriculture induced by livestock production over the 1900-2050 period[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2013, 110(52): 20882-20887. DOI:10.1073/pnas.1012878108
[2] Park Y, Cho K H, Park J, et al. Development of early-warning protocol for predicting chlorophyll-a concentration using machine learning models in freshwater and estuarine reservoirs, Korea[J]. Science of the Total Environment, 2015, 502: 31-41. DOI:10.1016/j.scitotenv.2014.09.005
[3] 华玲玲, 李文超, 翟丽梅, 等. 三峡库区古夫河小流域氮磷排放特征[J]. 环境科学, 2017, 38(1): 138-146.
Hua L L, Li W C, Zhai L M, et al. Characteristics of nitrogen and phosphorus emissions in the Gufu River small watershed of the Three Georges Reservoir area[J]. Environmental Science, 2017, 38(1): 138-146. DOI:10.3969/j.issn.1673-288X.2017.01.041
[4] Zhang W Q, Jin X, Liu D, et al. Temporal and spatial variation of nitrogen and phosphorus and eutrophication assessment for a typical arid river-Fuyang River in northern China[J]. Journal of Environmental Sciences, 2017, 55: 41-48. DOI:10.1016/j.jes.2016.07.004
[5] 杨林章, 吴永红. 农业面源污染防控与水环境保护[J]. 中国科学院院刊, 2018, 33(2): 168-176.
Yang L Z, Wu Y H. Prevention and control of agricultural non-point source pollution and aquatic environmental Protection[J]. Bulletin of Chinese Academy of Sciences, 2018, 33(2): 168-176.
[6] Rissman A R, Carpenter S R. Progress on nonpoint pollution:barriers & opportunities[J]. Daedalus, 2015, 144(3): 35-47. DOI:10.1162/DAED_a_00340
[7] Holden J, Haygarth P M, MacDonald J, et al. Agriculture's impacts on water quality[EB/OL]. http://www.theukwaterpartnership.org/wp-content/uploads/2015/04/agriculture-water-quality-report.pdf.
[8] Withers P J A, Neal C, Jarvie H P, et al. Agriculture and eutrophication:where do we go from here?[J]. Sustainability, 2014, 6(9): 5853-5875. DOI:10.3390/su6095853
[9] 周文婷, 邵瑞华, 马千里, 等. 高州水库集水区污染源分布特征及污染负荷研究[J]. 水生态学杂志, 2017, 38(3): 23-31.
Zhou W T, Shao R H, Ma Q L, et al. Pollution load assessment in the catchment area of Gaozhou Reservoir[J]. Journal of Hydroecology, 2017, 38(3): 23-31.
[10] 王静, 郭熙盛, 吕国安, 等. 农业面源污染研究进展及其发展态势分析[J]. 江苏农业科学, 2016, 44(9): 21-24.
Wang J, Guo X S, Lv G A, et al. Research progress of agricultural non-point source pollution and its development[J]. Jiangsu Agricultural Sciences, 2016, 44(9): 21-24.
[11] 中华人民共和国环境保护部, 中华人民共和国国家统计局, 中华人民共和国农业部.第一次全国污染源普查公报[EB/OL]. http://www.stats.gov.cn/tjsj/tjgb/qttjgb/qgqttjgb/201002/t20100211_30641.html, 2010-02-11.
[12] 张红举, 陈方. 太湖流域面源污染现状及控制途径[J]. 水资源保护, 2010, 26(3): 87-90.
Zhang H J, Chen F. Non-point pollution statistics and control measures in Taihu Basin[J]. Water Resources Protection, 2010, 26(3): 87-90. DOI:10.3969/j.issn.1004-6933.2010.03.022
[13] 任玮, 代超, 郭怀成. 基于改进输出系数模型的云南宝象河流域非点源污染负荷估算[J]. 中国环境科学, 2015, 35(8): 2400-2408.
Ren W, Dai C, Guo H C. Estimation of pollution load from non-point source in Baoxianghe watershed based, Yunnan Province on improved export coefficient model[J]. China Environmental Science, 2015, 35(8): 2400-2408. DOI:10.3969/j.issn.1000-6923.2015.08.019
[14] 王雪蕾, 王新新, 朱利, 等. 巢湖流域氮磷面源污染与水华空间分布遥感解析[J]. 中国环境科学, 2015, 35(5): 1511-1519.
Wang X L, Wang X X, Zhu L, et al. Spatial analysis on diffuse pollution and algal bloom characteristic with remote sensing in Chao Lake Basin[J]. China Environmental Science, 2015, 35(5): 1511-1519. DOI:10.3969/j.issn.1000-6923.2015.05.031
[15] Wu L, Gao J E, Ma X Y, et al. Application of modified export coefficient method on the load estimation of non-point source nitrogen and phosphorus pollution of soil and water loss in semiarid regions[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2015, 22(14): 10647-10660. DOI:10.1007/s11356-015-4242-z
[16] Wang X, Hao F H, Cheng H G, et al. Estimating non-point source pollutant loads for the large-scale basin of the Yangtze River in China[J]. Environmental Earth Sciences, 2011, 63(5): 1079-1092. DOI:10.1007/s12665-010-0783-0
[17] 程先, 陈利顶, 孙然好. 考虑降水和地形的京津冀水库流域非点源污染负荷估算[J]. 农业工程学报, 2017, 33(4): 265-272.
Cheng X, Chen L D, Sun R H. Estimation of non-point source pollution loads of Beijing-Tianjin-Hebei region considering precipitation and topography[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2017, 33(4): 265-272.
[18] 代俊峰, 全秋慧, 方荣杰, 等. 漓江流域上游非点源污染负荷估算[J]. 水利水电科技进展, 2017, 37(5): 57-63.
Dai J F, Quan Q H, Fang R J, et al. Estimation of non-point source pollution load in upstream of Lijiang River[J]. Advances in Science and Technology of Water Resources, 2017, 37(5): 57-63.
[19] 陈学凯, 刘晓波, 彭文启, 等. 程海流域非点源污染负荷估算及其控制对策[J]. 环境科学, 2018, 39(1): 77-88.
Chen X K, Liu X B, Peng W Q, et al. Estimation of and control strategies for pollution loads from non-point sources in the Chenghai Watershed[J]. Environmental Science, 2018, 39(1): 77-88.
[20] 黄国如, 李开明, 曾向辉, 等. 流域非点源污染负荷核算[M]. 北京: 科学出版社, 2014.
[21] 宋大平, 左强, 刘本生, 等. 农业面源污染中氮排放时空变化及其健康风险评价研究——以淮河流域为例[J]. 农业环境科学学报, 2018, 37(6): 1219-1231.
Song D P, Zuo Q, Liu B S, et al. Estimation of spatio-temporal variability and health risks of nitrogen emissions from agricultural non-point source pollution:a case study of the Huaihe River Basin, China[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2018, 37(6): 1219-1231.
[22] 胡芸芸, 王永东, 李廷轩, 等. 沱江流域农业面源污染排放特征解析[J]. 中国农业科学, 2015, 48(18): 3654-3665.
Hu Y Y, Wang Y D, Li T X, et al. Characteristics analysis of agricultural nonpoint source pollution on Tuojiang River Basin[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2015, 48(18): 3654-3665. DOI:10.3864/j.issn.0578-1752.2015.18.009
[23] 马广文, 王圣瑞, 王业耀, 等. 鄱阳湖流域面源污染负荷模拟与氮和磷时空分布特征[J]. 环境科学学报, 2015, 35(5): 1285-1291.
Ma G W, Wang S R, Wang Y Y, et al. Temporal and spatial distribution characteristics of nitrogen and phosphorus and diffuse source pollution load simulation of Poyang Lake Basin[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2015, 35(5): 1285-1291.
[24] 李家科, 李怀恩, 董雯, 等. 渭河关中段典型支流非点源污染监测与负荷估算[J]. 环境科学学报, 2011, 31(7): 1470-1478.
Li J K, Li H E, Dong W, et al. Monitoring and load estimation of non-point source pollution on typical tributaries in the Guanzhong reach of the Weihe River[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2011, 31(7): 1470-1478.
[25] 王磊, 香宝, 苏本营, 等. 京津冀地区农业面源污染风险时空差异研究[J]. 农业环境科学学报, 2017, 36(7): 1254-1265.
Wang L, Xiang B, Su B Y, et al. Spatial-temporal variation of agricultural non-point source pollution risk in Beijing-Tianjin-Hebei Region, China[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2017, 36(7): 1254-1265.
[26] 胡静锋. 重庆市农业面源污染测算与空间特征解析[J]. 中国农业资源与区划, 2017, 38(1): 135-144.
Hu J F. Measurement and spatial feature analysis of agricultural non-point source pollution in Chongqing[J]. Chinese Journal of Agricultural Resources and Regional Planning, 2017, 38(1): 135-144.
[27] 史小春, 敖天其, 黎小东, 等. 涪江流域(射洪境内)面源污染综合评价[J]. 水土保持研究, 2018, 25(4): 375-379.
Shi X C, Ao T Q, Li X D, et al. Comprehensive evalution on the non-point source pollution of Fujiang Basin (Shehong Territory)[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2018, 25(4): 375-379.
[28] 邓江华, 赵宏兵, 贾红杰. 开州区农业面源污染治理的调查与思考[J]. 农业与技术, 2016, 36(22): 258.
[29] 许辉霞, 贾红杰, 王余富, 等. 开县特色效益农业发展思考[J]. 南方农业, 2016, 10(19): 76-77.
[30] 开县统计局, 国家统计局开县调查队.开县2015年国民经济和社会发展统计公报[R].重庆: 重庆市开州区人民政府, 2016.
[31] 第一次全国污染源普查资料编纂委员会. 污染源普查产排污系数手册[M]. 北京: 中国环境科学出版社, 2011.
[32] 陈玉成, 杨志敏, 陈庆华, 等. 基于"压力-响应"态势的重庆市农业面源污染的源解析[J]. 中国农业科学, 2008, 41(8): 2362-2369.
Chen Y C, Yang Z M, Chen Q H, et al. Source apportionment of agricultural non-point source pollution in Chongqing based on pressure-response system[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2008, 41(8): 2362-2369. DOI:10.3864/j.issn.0578-1752.2008.08.020
[33] 全国农业技术推广服务中心. 中国有机肥料养分数据集[M]. 北京: 中国科学技术出版社, 1999: 123-140.
[34] 许辉霞, 张业顺, 高雪, 等. 开州区生态涵养发展与农业面源污染治理探析[J]. 南方农业, 2016, 10(30): 86-87.
[35] 全国农业技术推广服务中心. 中国有机肥料资源[M]. 北京: 中国农业出版社, 1999.
[36] 国家环境保护总局自然生态保护司. 全国规模化畜禽养殖业污染情况调查及防治对策[M]. 北京: 中国环境科学出版社, 2002.
[37] GB 3838-2002, 地表水环境质量标准[S].
[38] 重庆市水利局.重庆市水功能区划修编报告(2010)[R].重庆: 重庆市水利局, 2010.
[39] 杨彦兰, 申丽娟, 谢德体, 等. 基于输出系数模型的三峡库区(重庆段)农业面源污染负荷估算[J]. 西南大学学报(自然科学版), 2015, 37(3): 112-119.
Yang Y L, Shen L J, Xie D T, et al. Estimation of pollution loads from agricultural nonpoint sources in Three Gorges Reservoir area (Chongqing) based on the export coefficient modeling approach[J]. Journal of Southwest University (Natural Science Edition), 2015, 37(3): 112-119.
[40] 李娜, 韩维峥, 沈梦楠, 等. 基于输出系数模型的水库汇水区农业面源污染负荷估算[J]. 农业工程学报, 2016, 32(8): 224-230.
Li N, Han W Z, Shen M N, et al. Load evaluation of non-point source pollutants from reservoir based on export coefficient modeling[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2016, 32(8): 224-230.
[41] 卢少勇, 张萍, 潘成荣, 等. 洞庭湖农业面源污染排放特征及控制对策研究[J]. 中国环境科学, 2017, 37(6): 2278-2286.
Lu S Y, Zhang P, Pan C R, et al. Agricultural non-point source pollution discharge characteristic and its control measures of Dongtinghu Lake[J]. China Environmental Science, 2017, 37(6): 2278-2286. DOI:10.3969/j.issn.1000-6923.2017.06.036
[42] 崔超, 刘申, 翟丽梅, 等. 兴山县香溪河流域农业源氮磷排放估算及时空特征分析[J]. 农业环境科学学报, 2015, 34(5): 937-946.
Cui C, Liu S, Zhai L M, et al. Estimates and spatio-temporal characteristics of nitrogen and phosphorus discharges from agricultural sources in Xiangxi River Basin, Xingshan County[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2015, 34(5): 937-946.
[43] 邱斌, 李萍萍, 钟晨宇, 等. 海河流域农村非点源污染现状及空间特征分析[J]. 中国环境科学, 2012, 32(3): 564-570.
Qiu B, Li P P, Zhong C Y, et al. Characteristics and spatial distribution of the rural non-point source pollution in Haihe River Basin[J]. China Environmental Science, 2012, 32(3): 564-570. DOI:10.3969/j.issn.1000-6923.2012.03.028
[44] 王国重, 李中原, 左其亭, 等. 丹江口水库水源区农业面源污染物流失量估算[J]. 环境科学研究, 2017, 30(3): 415-422.
Wang G Z, Li Z Y, Zuo Q T, et al. Estimation of agricultural non-point source pollutant loss in catchment areas of Danjiangkou Reservoir[J]. Research of Environmental Sciences, 2017, 30(3): 415-422.
[45] 洪燕婷, 仇蕾. 太湖流域农业面源污染防控措施研究分析[J]. 环境科技, 2015, 28(3): 17-21, 26.
Hong Y T, Qiu L. Analysis of prevention and control measures on agricultural non-point Source pollution in Taihu Basin[J]. Environmental Science and Technology, 2015, 28(3): 17-21, 26. DOI:10.3969/j.issn.1674-4829.2015.03.004
[46] 彭兆弟, 李胜生, 刘庄, 等. 太湖流域跨界区农业面源污染特征[J]. 生态与农村环境学报, 2016, 32(3): 458-465.
Peng Z D, Liu S S, Liu Z, et al. Characteristics of transboundary non-point source agricultural pollution in the Taihu Valley[J]. Journal of Ecology and Rural Environment, 2016, 32(3): 458-465.
[47] 刘钦普. 中国化肥面源污染环境风险时空变化[J]. 农业环境科学学报, 2017, 36(7): 1247-1253.
Liu Q P. Spatio-temoral changes of fertilization environmental risk of China[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2017, 36(7): 1247-1253.
[48] 许辉霞, 贾红杰, 王余富, 等. 开县农业面源污染现状及治理措施建议[J]. 南方农业, 2016, 10(22): 56-57.
[49] 蔡金洲, 范先鹏, 黄敏, 等. 湖北省三峡库区农业面源污染解析[J]. 农业环境科学学报, 2012, 31(7): 1421-1430.
Cai J Z, Fan X P, Huang M, et al. Sources analysis of agricultural non-point source pollution in the three gorges reservoir area of Hubei Province, China[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2012, 31(7): 1421-1430.