农业面源污染中种植业的贡献最为显著，其贡献的总氮与总磷已经分别高达污染物排放总量的1/3和1/4，种植业面源污染己经成为我国水环境质量安全的重大影响因素^[1]。研究表明，种植业中农药和化肥的施用是水体污染和富营养化最主要的污染源^[2]，农药和化肥中未被作物吸收的氮、磷等化学元素通过地表径流和地下淋溶两种方式进入附近河流，最后汇入湖泊，对湖泊水质带来严重危害。种植业面源污染具有随机性强、分布范围广、发生滞后、监测及管理控制难度大等特点^[3-7]，所以分析种植业面源污染物的流失特征十分必要。

云南省高原湖泊是我国湖泊分布最密集的五大湖群之一，高原湖泊及其所在区域是云南省开发较早、利用强度较大、人口特别密集的重要功能区，在防洪、灌溉、工业用水、水产养殖、生活用水、旅游和发电等生产生活方面发挥着重要作用。抚仙湖、星云湖、杞麓湖三大湖泊对玉溪市的气温降水和社会经济发展起着重要作用，但受到流域内种植业面源污染的影响，水质每况愈下。三大流域内人口密集、农田众多且大部分位于湖泊周边。流域内主要种植水稻、旱作作物、经济作物（蔬菜、油菜和烤烟）和果树，水体富营养化的问题愈加严重。关于抚仙湖流域的研究，陈红等^[8]对农业面源污染的控制进行研究，提出应加强生态农业的建设；李正兆等^[9]探讨了农田浅层地下水的污染状况及影响因素，得出施肥对地下硝态氮浓度影响显著；夏训峰等^[10]在考虑水环境容量农业分配量、农业面源污染削减、粮食及副食品安全的基础上，建立了农业产业结构优化调整的系统动力学模型，结果表明目标导向发展方案可以有效降低流域内污染物入湖量；许杰玉等^[11]对星云湖流域分析了水环境质量现状、入湖河流污染贡献及主要污染成因分析。杨逢贵等^[12]对杞麓湖南岸区域的农业面源污染物流失进行了现场观测。区域农业面源污染物主要通过灌溉后的农田废水和降雨径流2种途径流失。在三湖流域的研究中，农业面源污染物来源的分析中都提出主要来源于农药、化肥中的营养元素，但关于这些污染物的流失强度和空间分布都没有涉及，更没有将三大湖泊综合起来的对比研究，在很大程度上限制了流域内种植业面源污染治理的相关工作的深入开展。因此，本文计算了三大流域种植业总氮、总磷、铵态氮、硝态氮的流失量和流失强度以及水稻、旱作作物、经济作物和果树的流失强度，最后对研究区内23个乡镇的污染强度随空间变化进行分析，并提出了相应的污染治理办法。

三大湖泊流域种植业面源污染流失强度和空间分布特征分析所需数据及来源见表 1。

表 1　数据来源及说明 Table 1　Data source and description

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目前，种植业面源污染的流失研究方法有实测法^[13-14]、模型法^[15-16]和流失系数法^[17-18]。相较于实测法和模型法，流失系数法更加的省时省力省财，也能说明研究区的问题。所以种植业化肥中营养物质的流失量计算，根据《第一次全国污染源普查—农业污染源—肥料流失系数手册》（2009年）南方山地丘陵区相关参数为依据，选取缓（陡）坡地非梯田横坡旱地园地、缓（陡）坡地梯田水田单季稻、缓（陡）坡地非梯（梯）田横坡旱地露地蔬菜、缓（陡）坡地非梯（梯）田横坡旱地大田一熟8种模式的流失系数，结合问卷调查数据计算化肥中营养物质的流失量。TN的计算公式如下：

(1)

式中：i表示种植方式旱作、经济作物、水稻、果树，N_H表示缓坡地化肥施用量，N_D表示陡坡地化肥施用量，TN表示总氮的流失量，H_TNαi表示缓坡地第i种种植方式总氮的流失系数，D_TNβi表示陡坡地第i种种植方式总氮的流失系数。TP、NH₄⁺-N和NO₃^-的计算方法同TN相似，只需将流失系数相应修改即可。8种种植模式的流失系数见表 2。

表 2　不同种植模式TN、TP、NH₄⁺-N和NO₃^-的流失系数（%） Table 2　Loss coefficient of different planting patterns(%)

表选项

（1）遥感影像的处理

对已下载的遥感影像进行几何校正、辐射校正、图像融合、图像裁剪和波段组合的预处理；然后将通过预处理的影像进行判读，建立解译标志；将判读的结果进行实地的采点验证，31个采样点中，采样点与判图时的土地利用类型对照一致的点有28个，解译精度为90.32%，对判读错误的地类进行检查与修正；最后统计年鉴上23个乡镇的种植面积合计为42 507.32 hm²，判读结果为42 886.94 hm²，判读误差为0.89%，通过检验。

（2）流失强度的计算

一般而言，种植业化肥中营养物质的流失强度不但与流失量有关，还与各乡镇的种植面积有关。污染物的流失强度表示的是单位面积上的污染物流失量，TN计算公式如下：

(2)

式中：TN_s为总氮流失强度，TN表示总氮的流失量，i表示种植方式旱作、经济作物、水稻、果树，为该乡镇种植面积。TP_s、NH₄-N_s和NO₃-N_s的计算方法同TN_s相似，只需将流失量相应修改即可。

在统一空间参照系统条件下，将同一地区两个地理对象的图层进行叠置，建立地理对象之间的空间对应关系，将种植业面源污染物的流失强度和矢量化后的抚仙湖、星云湖、杞麓湖三大流域的乡镇行政区划图进行union联合，按照已经确定的乡镇面积的地理指标，对叠加后产生的具有不同级别的流失强度进行分级。本文依据罗遵兰等^[19]、王丽华^[20]、赵林萍^[21]等对各污染物流失水平的划分，再结合研究区的情况，分别将总氮、总磷、铵态氮和硝态氮划分出强流失水平、较强流失水平、中等流失水平、较低流失水平和低流失水平。最后得到各乡镇流失强度空间分布的特征。

三大流域内各污染物中总氮流失量最大，贡献率达85%以上（图 1）。流失量最大的是江城镇，每年流失的污染物高达118 712.13 kg；流失量最小的是宁州街，每年流失的污染物达539.07 kg。研究区内包括23个镇，其中污染量高于60 000 kg的有8个镇。这8个镇中，抚仙湖流域内有1个为九街镇；星云湖流域有3个，分别是大街镇、江城镇和前卫镇；杞麓湖流域有2个，分别是河西镇和杨广镇，由此可知污染物流失量最大的流域是星云湖流域。

图 1 2015年三大流域污染物流失量 Figure 1　Pollutants loss amount of three basins in 2015

图选项

计算流域内各乡镇不同污染物单位耕地上流失强度，得出流域内各乡镇总氮、总磷、铵态氮、硝态氮流失强度范围分别为：2.73~22.07、0.05~1.36、0.003~3.52、0.01~2.25 kg·hm^-2，流失强度等级区间见表 3，不同流失强度等级对应的耕地面积及分布乡镇见表 4。

表 3　2015年三大流域污染物流失强度等级划分（kg·hm^-2） Table 3　Pollutants loss intensity classification of three basins in 2015(kg·hm^-2)

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表 4　2015年三大流域不同流失强度等级对应的种植面积及分布乡镇 Table 4　The planting area and distribution towns of the different loss intensity levels of the three basins

表选项

各乡镇总氮流失强度差异较大，最低的乡镇总氮流失水平为2.73 kg·hm^-2，最高的总氮流失水平为22.07 kg·hm^-2。其中强流失水平占17.39%、较强流失水平占34.78%、中等流失水平占26.09%、较低流失水平占13.04%、低流失水平占8.7%。综上，在研究区内总氮的流失强度主要集中在较强流失水平和中等流失水平（13.85~19.28 kg·hm^-2）。

总磷流失强度差异大，乡镇最低的总磷流失水平为0.05 kg·hm^-2，最高的总磷流失水平为1.36 kg·hm^-2。其中强流失水平占17.39%、较强流失水平占13.04%、中等流失水平占30.43%、较低流失水平占17.39%、低流失水平占21.74%。综上，在研究区内总磷的流失强度主要集中在中等流失水平和低等流失水平。

铵态氮流失强度差异明显，乡镇最低的铵态氮流失水平为0.003 kg·hm^-2，最高的铵态氮流失水平为3.52 kg·hm^-2。其中强流失水平占4.35%、较强流失水平占8.70%、中等流失水平占43.48%、较低流失水平占30.43%、低流失水平占13.04%。综上，在研究区内铵态氮的流失强度主要集中在中等流失水平和较低流失水平（0.12~1.5 kg·hm^-2）。

硝态氮流失强度差异大，乡镇最低的硝态氮流失水平为0.01 kg·hm^-2，最高的硝态氮流失水平为2.25 kg·hm^-2。其中强流失水平占4.35%、较强流失水平占17.39%、中等流失水平占30.43%、较低流失水平占34.78%、低流失水平占13.04%。综上，在研究区内硝态氮的流失强度主要集中在中等流失水平和较低流失水平（0.16~0.95 kg·hm^-2）。

总氮的强流失水平乡镇主要分布在星云湖的西北部和杞麓湖的西南部；较强流失水平乡镇主要分布在星云湖流域；中等流失水平乡镇主要分布在抚仙湖的西部和北部及杞麓湖流域；较低流失水平和低流失水平乡镇主要分布在抚仙湖的东部和北部（图 2）。

图 2 2015年总氮、总磷、铵态氮、硝态氮流失强度空间分布图 Figure 2　Loss intensity spatial distribution of total nitrogen, total phosphorus, nitrate nitrogen, ammonium nitrogen in 2015

图选项

总磷的强流失水平乡镇主要分布在杞麓湖的西南部；较强流失水平乡镇主要分布在星云湖西部和南部；中等流失水平乡镇主要分布在星云湖的北部和东部、抚仙湖的西北部；较低流失水平和低流失水平乡镇主要分布在抚仙湖的东北部和东部、杞麓湖的西部和东部（图 2）。

铵态氮流失强度空间分布特征和硝态氮的类似，强流失水平乡镇主要分布在杞麓湖的南部；较强流失水平乡镇主要分布在星云湖南部和北部；中等流失水平乡镇主要分布在星云湖的西部和东部、抚仙湖的西北部和东南部、杞麓湖流域；较低流失水平和低流失水平乡镇主要分布在抚仙湖的东北部和杞麓湖的西部（图 2）。

硝态氮的强流失水平乡镇主要分布在杞麓湖的南部；较强流失水平乡镇主要分布在星云湖南部和北部、抚仙湖的东部；中等流失水平乡镇主要分布在星云湖的西部和东部，杞麓湖流域；较低流失水平和低流失水平乡镇主要分布在抚仙湖的北部和杞麓湖的西北部（图 2）。

三大流域中农作物的污染物流失强度为：经济作物32.37~35.24 kg·hm^-2、水稻20.35~23.36 kg·hm^-2、旱作作物9.57~11.34 kg·hm^-2、果树3.21~4.56 kg·hm^-2。三大流域的总面积为141 422.57 hm²，其中农作物的种植面积为47 886.94 hm²，占30.33%。可见，三大流域内农业是主要生产方式。经济作物和水稻的污染物流失强度大，一方面由于经济作物和水稻分布在湖泊周围（图 3），湖泊周边皆为平地和缓坡，流失系数大，其中露地蔬菜的总氮流失系数为22.5 kg·hm^-2，总磷流失系数为1.38 kg·hm^-2，水稻的总氮流失系数为19.33 kg·hm^-2，总磷流失系数为0.45 kg·hm^-2，均大于大田和果树的流失系数；另一方面，农户的种植意愿越来越倾向于经济作物，而经济作物和水稻农药化肥的施用量高，其中全年经济作物的农药使用量是40.95 kg·hm^-2，化肥施用量是5 250 kg·hm^-2，粮食作物的农药使用量是10.20 kg·hm^-2，化肥施用量是1 650 kg·hm^-2，并且经济作物的复种指数高，经济作物播种面积越大，使用的农药、化肥量越多，而农药中的氮磷元素和化肥中氮肥、磷肥中流失的总氮、总磷、铵态氮和硝态氮通过降雨地表径流和地下淋溶的方式进入湖泊，对湖泊水质带来影响。经济作物和水稻主要分布在星云湖整个流域、杞麓湖西南部和抚仙湖的北岸，和总氮、总磷强流失水平、较强流失水平的空间分布一致，所以三大流域内氮磷元素的流失主要来源于经济作物和水稻。

图 3 2015年三大流域种植类型空间分布图 Figure 3　Damage intensity of crop pollution of three basins in 2015

图选项

玉溪市三大流域辖23个镇，种植业面源污染防治应坚持“分区、分级、分阶段”防治原则，根据铵态氮、硝态氮、总氮、总磷的流失强度，以镇为控制单元，确定其分区分级分阶段防治方案为：强流失水平镇为近期一级重点防治，较强流失水平镇为近期二级防治及中远期一级重点防治，中等流失水平镇为中远期二级防治（表 5）。防治措施可采取改善施肥方式、调整化肥品种结构、鼓励施用有机肥、开发和推广土壤固氮、固磷技术等^[21]。

表 5　三大流域种植业面源污染分区、分级、分阶段防治计划 Table 5　The prevention and control plan of crop farming pollution in three basin divided into region, grades and stages

表选项

在选取指标上，本文选取总氮、总磷、硝态氮和铵态氮4个指标，分别从数量上和空间上说明种植业化肥的营养物质的流失特征。大多数研究^[17-20]笼统地从氮肥、磷肥或氮磷元素的角度分析，而种植业中农作物施用化肥的营养物质，是以总氮、总磷、硝态氮和铵态氮的形式流入湖泊，所以这4个指标的流失特征可以明确显示流域内种植业面源污染对湖泊的影响。罗遵兰等^[19]只是针对各类污染物的流失特征研究，没有进一步分析造成污染物空间分布的原因，而本文除了分析了云南三大高原湖泊（抚仙湖、星云湖、杞麓湖）流域种植业面源污染物的流失特征，还初步分析了这些污染物与种植类型之间的关系，得出经济作物和水稻主要分布地区与总氮、总磷主要流失水平的空间分布特征一致，所以氮磷元素的流失主要来源于经济作物和水稻；从研究结果上，罗遵兰等^[19]、李春哲^[24]、钱晓雍等^[22]对各自研究区农业面源污染负荷进行计算，得出流失量最大的是总氮，与本文的研究结果一致，这源于流域内种植业氮肥的大量使用；对磷素分析时，朱永澍等^[25]用监测浓度的方法分析太湖周边的小流域，并未结合周边乡镇进行分析，从而在治理方面不能体现各个乡镇上区别，而本文分析了三大流域周边23个乡镇的流失强度，可以做到从乡镇上分别治理。然而本文只研究了2015年的种植业污染物流失特征，下一步的工作应分析种植业流失量和流失强度的时间变化特征，对了解10年来三大流域的种植业污染物的流失变化特征更有意义。

（1）三大流域内种植业污染物的数量流失特征：总氮流失量最大，其次为铵态氮、硝态氮、总磷，流失强度范围分别为2.73~22.07、0.003~3.52、0.01~2.25、0.05~1.36 kg·hm^-2；总氮流失水平主要处于较强和中等流失水平，硝态氮和铵态氮流失水平主要处于中等和较低流失水平，总磷流失水平主要处于中等和低等流失水平。

（2）污染物的空间流失特征：总氮、总磷流失主要集中在杞麓湖的西南部、星云湖西部和南部；铵态氮、硝态氮流失主要集中在杞麓湖的南部、星云湖南部和北部。

（3）污染物与种植类型的关联：农作物中经济作物的流失强度最大，其次为水稻和旱作，果树的流失强度最小，经济作物和水稻主要分布地区和总氮、总磷强流失水平的空间分布特征一致，所以氮磷元素的流失主要来源于经济作物和水稻。综上，提出分区、分级、分阶段防治计划。