星云湖流域不同耕地輪作休耕情景對(duì)水質(zhì)的影響及經(jīng)濟(jì)效益分析研究

譚志衛(wèi) 余艷紅 武孔煥 賀能琴 葉 瑞 郭春平

(1.云南省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，云南 昆明 650034；2.云南高原湖泊流域污染過(guò)程與管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650034；3.南京智水環(huán)境科技有限公司,江蘇 南京 210012;4.玉溪市農(nóng)田建設(shè)與土壤肥料工作站，云南 玉溪 653100)

星云湖為云南省嚴(yán)重污染的九大高原湖泊之一，污染來(lái)源主要為農(nóng)業(yè)面源。研究表明，2005—2015年星云湖流域種植業(yè)面源污染逐年加重，種植業(yè)化肥流失量從404.10 t/a增加到890.55 t/a，年均增長(zhǎng)率為12.04%[1]。前期對(duì)星云湖流域種植業(yè)面源污染驅(qū)動(dòng)力的研究顯示，種植結(jié)構(gòu)的改變是種植業(yè)面源污染加重的最關(guān)鍵因素[2]。實(shí)施輪作休耕制度是在新常態(tài)下順應(yīng)我國(guó)種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整方向，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的供給側(cè)改革戰(zhàn)略的有效途徑之一。開(kāi)展輪作休耕的目標(biāo)是通過(guò)政策扶持、科技支撐，探索輪作休耕與主要農(nóng)產(chǎn)品供求的良好互動(dòng)，調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，將種地養(yǎng)地與綜合治理相結(jié)合，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境改善，實(shí)現(xiàn)資源持續(xù)有效利用。目前，耕地輪作休耕試點(diǎn)是一項(xiàng)制度化的探索，王志強(qiáng)等[3]、王文[4]、陳洪國(guó)[5]、程玉龍等[6]對(duì)耕地輪作休耕的實(shí)施要點(diǎn)、政策及操作模式等進(jìn)行了研究。本研究對(duì)星云湖流域開(kāi)展輪作休耕情景的對(duì)比分析，并從諸多情景中選出經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益優(yōu)異的情景，為星云湖農(nóng)業(yè)面源治理、有效降低農(nóng)業(yè)污染、改善生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)支撐。

1 研究區(qū)概況

星云湖流域位于云南省玉溪市江川區(qū)境內(nèi)，屬于珠江流域南盤(pán)江水系，處于滇東山字形構(gòu)造體系的前弧與脊柱之間的地盾范圍。由于地殼局部下陷形成星云湖，周?chē)鸀榈蜕?、丘陵地形，星云湖為滇中高原陷落型淺水湖泊。星云湖流域?qū)賮啛釒髂霞撅L(fēng)氣候，多年平均降雨量848.7 mm，多年平均氣溫15.9 ℃。流域內(nèi)山區(qū)、半山區(qū)約占65%，壩區(qū)占21%，水域占14%。

2 研究區(qū)農(nóng)業(yè)種植特征與水質(zhì)分析

2.1 研究區(qū)農(nóng)業(yè)種植特征

2017年，徑流區(qū)實(shí)際在耕耕地面積10 886.67 hm2，其中壩區(qū)耕地6 853.33 hm2，山區(qū)耕地4 033.33 hm2，主要種植蔬菜、烤煙、玉米、油菜、水稻、馬鈴薯等農(nóng)作物，全年總播種面積26 433.33 hm2，復(fù)種指數(shù)242.91%。其中蔬菜、烤煙、玉米、油菜、水稻、馬鈴薯種植面積分別占55.84%、14.80%、8.46%、5.84%、3.88%、3.09%。星云湖流域耕地分布見(jiàn)圖1。

圖1 星云湖流域耕地及入湖河流分布Fig.1 Distribution of cultivated land and rivers entering the lake in Xingyun Lake Basin

2017年，星云湖徑流區(qū)全年化肥施用量約1.43萬(wàn)t，其中氮肥0.85萬(wàn)t，磷肥0.19萬(wàn)t、鉀肥0.39萬(wàn)t，施肥強(qiáng)度達(dá)6.09 kg/hm2。

2.2 水質(zhì)分析

根據(jù)星云湖1996—2017年全湖平均水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，2000年前，星云湖水質(zhì)總體較好，維持在Ⅲ類水質(zhì)(基于《地表水環(huán)境質(zhì)量》(GB 3838—2002)判定，下同)；2000年后，全湖水質(zhì)迅速下降，2003—2017年均處于劣Ⅴ類，主要超標(biāo)指標(biāo)為T(mén)P、pH。2009—2014年是星云湖污染最為嚴(yán)重的時(shí)期，2016年各污染指標(biāo)呈下降趨勢(shì)，2017年略有上升。湖心站點(diǎn)(國(guó)家考核點(diǎn)位)水質(zhì)變化趨勢(shì)與全湖基本一致，目前主要超標(biāo)指標(biāo)為T(mén)P。2008—2009年，湖心TP總體在Ⅴ類；2009—2014年，TP迅速上升，質(zhì)量濃度在0.42～0.52 mg/L，2012年達(dá)到最高值。2015年TP降至0.27 mg/L，2016、2017年分別為0.22、0.23 mg/L。

3 研究區(qū)農(nóng)業(yè)種植污染問(wèn)題剖析

3.1 農(nóng)業(yè)面源污染是星云湖重要的污染來(lái)源

星云湖流域內(nèi)的污染源主要包括工業(yè)污染、城鎮(zhèn)生活污染、規(guī)模養(yǎng)殖污染、農(nóng)村面源污染、農(nóng)業(yè)面源污染及水土流失。經(jīng)核算，2017年星云湖流域主要污染物COD、TN、TP產(chǎn)生量分別為52 117.95、5 133.16、939.12 t。經(jīng)工程控制削減后，COD、TN、TP排放量分別為15 745.45、2 059.38、214.55 t，入湖量分別為5 594.60、742.50、95.70 t。其中，農(nóng)業(yè)面源污染(化肥流失、農(nóng)田秸稈、水產(chǎn))形成的TN入湖量276.70 t，占37.27%；TP入湖量36.00 t，占37.62%。農(nóng)業(yè)面源污染是星云湖氮磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的重要來(lái)源。

3.2 壩區(qū)蔬菜種植是導(dǎo)致農(nóng)業(yè)面源污染加劇的重要原因

星云湖徑流區(qū)55.84%的面積種植蔬菜，全年施肥強(qiáng)度達(dá)6.09 kg/hm2。環(huán)星云湖翠大線/鐵大線壩區(qū)及一級(jí)保護(hù)區(qū)耕地的施肥強(qiáng)度分別是徑流區(qū)平均施肥強(qiáng)度的1.21、1.47倍，占徑流區(qū)施肥總量的75.83%和17.21%。施肥強(qiáng)度、復(fù)種指數(shù)及蔬菜種植面積占比均呈現(xiàn)為：徑流區(qū)山區(qū)耕地>環(huán)星云湖翠大線/鐵大鐵線以上壩區(qū)耕地>環(huán)星云湖翠大線/鐵大鐵線以下壩區(qū)耕地。

3.3 蔬菜種植帶來(lái)的氮磷污染明顯高于其他種植

目前，沿湖岸種植的花椰菜、西蘭花、青蒜苗等蔬菜作物施肥量均較大。以種植每茬荷藕所需的250 d為基準(zhǔn)，將蔬菜、油菜、水稻和烤煙的種植時(shí)間進(jìn)行折算。蔬菜施氮量(以N計(jì))2.76～4.74 kg/hm2、施磷量(以P2O5計(jì))0.56～0.98 kg/hm2；荷藕施氮量1.20 kg/hm2，施磷量0.60 kg/hm2；油菜施氮量1.55 kg/hm2，施磷量0.43 kg/hm2；水稻施氮量1.45 kg/hm2，施磷量0.58 kg/hm2；烤煙施氮量1.13 kg/hm2，施磷量0.57 kg/hm2。對(duì)比可知，蔬菜種植的氮磷施用量明顯高于其他種植。

4 源解析技術(shù)

本研究采用流域污染負(fù)荷-水質(zhì)響應(yīng)的時(shí)空數(shù)值源解析技術(shù)[7-8]來(lái)分析輪作休耕的環(huán)境效益及對(duì)星云湖水質(zhì)改善的效果。該技術(shù)主要基于流域輸入與響應(yīng)關(guān)系，結(jié)合流域內(nèi)河流負(fù)荷通量，構(gòu)建水質(zhì)直接源解析模型，全湖氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽各組分的存量和通量通過(guò)與三維水質(zhì)模型方程耦合，并與水質(zhì)-水動(dòng)力模型進(jìn)行數(shù)值積分得到；該源解析技術(shù)用水質(zhì)模型的微分方程直接對(duì)每個(gè)污染負(fù)荷再微分，形成新的微分方程求解，然后和水動(dòng)力模型聯(lián)立，獲取源解析系數(shù)，計(jì)算各條河流對(duì)星云湖湖區(qū)內(nèi)考核斷面的貢獻(xiàn)比例。

4.1 源解析構(gòu)建與驗(yàn)證

考慮到目前的數(shù)據(jù)條件和時(shí)間限制，本研究將構(gòu)造的水質(zhì)-水動(dòng)力模型定位在從相對(duì)長(zhǎng)期(年度到多個(gè)年度)和相對(duì)宏觀(多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平均水質(zhì)結(jié)果)的角度來(lái)量化星云湖流域的水質(zhì)響應(yīng)，而對(duì)短期和局部的水質(zhì)響應(yīng)只進(jìn)行有限考察，以供參考之用。根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)，并綜合考慮計(jì)算量等因素，確定模型模擬時(shí)間為2016年1月至2017年12月。

模型校驗(yàn)與模型情景分析都基于同樣時(shí)間尺度。模型模擬的多年平均濃度和空間分布，和李家、湖心和螺絲鋪3個(gè)站點(diǎn)(均為湖區(qū)內(nèi)站點(diǎn))的觀測(cè)結(jié)果基本吻合，全湖多年平均濃度模擬相對(duì)誤差低于5%。

基于三維水質(zhì)-水動(dòng)力模型EFDC[9-10]，將星云湖流域劃分為112個(gè)子流域和61個(gè)水文響應(yīng)單元，將湖區(qū)劃分為167個(gè)正交曲線網(wǎng)格，構(gòu)建星云湖陸域水質(zhì)-水文模型和湖區(qū)水質(zhì)-水動(dòng)力模型。結(jié)合李家、湖心和螺絲鋪3個(gè)站點(diǎn)逐月水環(huán)境常規(guī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)星云湖湖區(qū)內(nèi)多點(diǎn)位進(jìn)行水質(zhì)校準(zhǔn)。

基于構(gòu)建的三維水質(zhì)-水動(dòng)力模型，模擬星云湖流域內(nèi)16條入湖河流污染源和底泥污染源的貢獻(xiàn)?；诋?dāng)前星云湖重點(diǎn)關(guān)注的TP脫劣Ⅴ類需求目標(biāo)，分析了湖心水質(zhì)考核斷面的污染源2016—2017年平均貢獻(xiàn)率，TP的主要貢獻(xiàn)源依次為底泥、東西大河、漁村大河、舊州河和大莊河(見(jiàn)表1)。

表1 星云湖湖心TP貢獻(xiàn)率源解析結(jié)果Table 1 TP source apportionment contribution of central Xingyun Lake

4.2 輪作休耕對(duì)水質(zhì)影響分析方法

基于各子流域?qū)π窃坪^(qū)內(nèi)考核斷面的貢獻(xiàn)率及不同輪作休耕方式后的污染負(fù)荷削減量，計(jì)算得出不同方案實(shí)施后對(duì)星云湖湖心的改善效果。計(jì)算公式見(jiàn)式(1)至式(3)：

Li=A×Pi

(1)

(2)

H=∑Hi

(3)

式中：Li為污染源i水質(zhì)指標(biāo)分配質(zhì)量濃度，mg/L；A為湖心水質(zhì)指標(biāo)質(zhì)量濃度，mg/L；Pi為污染源i貢獻(xiàn)率，%；Hi為實(shí)施輪作休耕后污染源i的水質(zhì)指標(biāo)改善質(zhì)量濃度，mg/L；Ci為污染源i實(shí)施輪作休耕后的污染物削減量，t；Ti為污染源i污染負(fù)荷入湖量，t；H為輪作休耕實(shí)施后對(duì)整個(gè)流域水質(zhì)指標(biāo)的改善質(zhì)量濃度，mg/L。

5 結(jié)果與討論

5.1 不同輪作休耕情景分析

根據(jù)星云湖徑流區(qū)種植結(jié)構(gòu)和農(nóng)業(yè)面源污染狀況特征，按照星云湖流域各污染源貢獻(xiàn)率、土地流轉(zhuǎn)、資金籌措、項(xiàng)目招商、源解析理論計(jì)算等情況綜合分析，擬定14種情景，見(jiàn)表2。

表2 14種情景輪作休耕方式與面積1)Table 2 Rotation and fallow patterns and area in 14 scenarios

由于農(nóng)田固體廢物在不同的環(huán)境保護(hù)政策下會(huì)有很大的變化，因此各情景中只針對(duì)肥料污染進(jìn)行核算與分析。

5.2 不同輪作休耕情景的效益分析

表3展示了不同輪作休耕情景的效益分析。根據(jù)各情景輪作休耕的投資、產(chǎn)出、污染負(fù)荷削減量及水質(zhì)改善的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，削減量及星云湖湖心水質(zhì)改善最大的為情景3，此情景也是凈投資最大的，達(dá)到256 887.76萬(wàn)元，單位削減量?jī)敉顿Y為19 589.78萬(wàn)元，單位水質(zhì)改善凈投資為2 373 255.69萬(wàn)元；削減量及水質(zhì)改善最小的為情景1，其凈投資也是14種情景中最小的，為9 751.26萬(wàn)元。情景3凈投資最大，該情景下單獨(dú)實(shí)施輪作休耕，便能使TP達(dá)到Ⅴ類。

表3 各情景綜合效益分析1)Table 3 Comprehensive benefit analysis for each scenario

從單位削減量?jī)敉顿Y及單位水質(zhì)改善凈投資來(lái)看，兩項(xiàng)指標(biāo)最大值出現(xiàn)在情景5，單位削減量?jī)敉顿Y為48 839.95萬(wàn)元，單位水質(zhì)改善凈投資為6 014 410.41萬(wàn)元，凈投資為184 054.44萬(wàn)元。兩項(xiàng)指標(biāo)最小值出現(xiàn)在情景2，單位削減量?jī)敉顿Y為17 585.68萬(wàn)元，單位水質(zhì)改善凈投資為2 068 090.56萬(wàn)元，凈投資為52 662.99萬(wàn)元。情景2性價(jià)比較高，但在單獨(dú)實(shí)施輪作休耕的情況下不能使TP完全達(dá)到Ⅴ類。

此外，情景11兼顧了經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益，也是較優(yōu)選擇。此情景實(shí)施后，污染物入湖量與水質(zhì)改善的程度均尚可，單位削減量?jī)敉顿Y與單位水質(zhì)改善凈投資均較低，而水質(zhì)能達(dá)到Ⅴ類。

5.3 討 論

目前星云湖水質(zhì)主要超標(biāo)指標(biāo)為T(mén)P與pH，本研究中各情景只是針對(duì)TP進(jìn)行了核算與分析，并沒(méi)對(duì)pH等其他指標(biāo)進(jìn)行核算，而星云湖水質(zhì)達(dá)標(biāo)還受到pH等指標(biāo)的影響。從各情景結(jié)果來(lái)看，輪作休耕的實(shí)施雖然在減少TP上可以有所貢獻(xiàn)，但不能確定其對(duì)pH的影響。其次，源解析模型模擬分析存在不確定性。本研究得到的初步分析結(jié)果是基于星云湖現(xiàn)有數(shù)據(jù)，缺少更長(zhǎng)時(shí)間的有效監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，也未考慮地下水影響，源解析結(jié)果有待進(jìn)一步完善。再次，輪作休耕的執(zhí)行時(shí)效及效益的滯后性都會(huì)影響水質(zhì)改善效果。

6 結(jié) 語(yǔ)

14種情景中，在經(jīng)濟(jì)條件允許情況下，情景3最優(yōu)，此情景實(shí)施后能最大程度減少污染負(fù)荷入湖量，水質(zhì)改善力度也最大(能將湖心TP降低0.108 mg/L)，且單獨(dú)實(shí)施輪作休耕便能使TP達(dá)到Ⅴ類。在考慮削減及水質(zhì)改善投資性價(jià)比的情況下，情景2最優(yōu)，此情景單位削減量?jī)敉顿Y與單位水質(zhì)改善凈投資最低，但在單獨(dú)實(shí)施輪作休耕的情況下不能使TP完全達(dá)到Ⅴ類。情景11兼顧了經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益，也是較優(yōu)選擇。此情景實(shí)施后污染物入湖量與水質(zhì)改善的程度均尚可，單位削減量?jī)敉顿Y與單位水質(zhì)改善凈投資均較低，而水質(zhì)能達(dá)到Ⅴ類。