洱海海西不同種植類型下農(nóng)灌溝渠雨季水質(zhì)變化特征與綜合評(píng)價(jià)

謝坤，羅元，馮弋洋，3，何秋平，4，張克強(qiáng)，沈仕洲，王風(fēng)*

（1. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津300191；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部大理農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，云南 大理671004；3. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，昆明650201；4.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊830052）

水體富營養(yǎng)化已成為我國最嚴(yán)重的水污染問題之一[1]，湖泊和河流等地表水體生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重破壞[2]，而農(nóng)業(yè)面源污染是導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的主要因素之一[3]，其中農(nóng)田種植類型的變化影響著土地的利用強(qiáng)度、化肥農(nóng)藥的施用水平以及水土流失情況，從而影響農(nóng)田土壤N、P 等污染物的產(chǎn)生、輸出、遷移和轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致區(qū)域農(nóng)業(yè)面源污染不斷加劇，使得水體水質(zhì)發(fā)生不同程度的變化。洱海作為云貴高原第二大淡水湖泊，目前水質(zhì)總體穩(wěn)定在Ⅱ至Ⅲ類，已渡過中營養(yǎng)化向富營養(yǎng)化轉(zhuǎn)變階段，正處于早期富營養(yǎng)化[4]。農(nóng)業(yè)面源污染成為洱海富營養(yǎng)化的主要因素之一[5]，而流域耕地N、P 流失已成為農(nóng)業(yè)面源污染主要來源[6]，占污染總量的70% 左右[7]。近年來，不同學(xué)者從流域土地利用類型、季節(jié)變化特征及時(shí)間變化上對(duì)流域農(nóng)業(yè)面源污染變化特征進(jìn)行了深入研究[8-10]，發(fā)現(xiàn)不同土地利用下，耕地面積的增加，導(dǎo)致流域地表徑流中N、P 濃度顯著增加；相對(duì)于耕地面積，林地面積的增加，流域地表徑流中N、P 濃度則相應(yīng)降低，同時(shí)旱季入湖河流水質(zhì)對(duì)土地利用響應(yīng)關(guān)系強(qiáng)于雨季。由于流域種植過程中較為單一種植制度及不同輪作模式導(dǎo)致農(nóng)田N、P 隨地表徑流不同程度流失[11]，在流域徑流中N、P 濃度變化同流域種植類型有明顯的相關(guān)性[12]。研究顯示，洱海北部不同輪作模式中，大蒜-水稻輪作模式下農(nóng)田N、P 流失風(fēng)險(xiǎn)最高[11]，同時(shí)單一模式種植下，流域蔬菜種植N、P流失量遠(yuǎn)大于其余種植類型[13]?？芍?，流域農(nóng)業(yè)面源污染物中N、P等的輸出與流域土地利用、作物種植類型及區(qū)域的空間搭配密切相關(guān)。

農(nóng)田灌排溝渠在自然界中作為一種特殊的生態(tài)系統(tǒng)，不僅通過自身的物理、化學(xué)與微生物作用吸收和轉(zhuǎn)化周圍環(huán)境輸入的N、P 等元素[3]，而且作為農(nóng)田和上下游水體之間的聯(lián)系紐帶，也是下游水體N、P等物質(zhì)來源的重要通道[13]。洱海海西是流域農(nóng)業(yè)種植的主要集中區(qū)域之一，在此區(qū)域內(nèi)耕地面積占農(nóng)業(yè)用地的19.16%～59.77%[10]，為方便灌溉，依托地形變化及蒼山水源等因素，海西種植區(qū)修建了大量農(nóng)灌溝渠，滿足主要農(nóng)業(yè)種植區(qū)農(nóng)田灌溉用水需求，同時(shí)降雨沖刷農(nóng)田導(dǎo)致地表徑流中N、P 等營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入溝渠水體。流域農(nóng)灌溝渠是種植區(qū)農(nóng)田和洱海之間的連接紐帶，是向洱海水體輸送N、P 等物質(zhì)的重要通道[14]，其水質(zhì)狀況受周邊土地利用與種植類型影響極大。目前，對(duì)洱海流域農(nóng)田灌排溝渠的研究多集中于對(duì)農(nóng)田徑流N、P 的削減效應(yīng)[3]，以及農(nóng)村和農(nóng)田交替分布下農(nóng)田溝渠徑流N、P 的變化特征[15]，但對(duì)不同種植類型下農(nóng)田溝渠徑流中N、P 等主要污染物濃度變化、水質(zhì)影響占比及綜合水質(zhì)類別變化還鮮有研究。

本研究以洱海海西苗木、蔬菜、煙草和水稻種植區(qū)農(nóng)灌溝渠為對(duì)象，在溝渠徑流N、P 及COD 濃度變化特征研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究溝渠徑流主要污染物類別，基于綜合平均污染指數(shù)[16]和種植類型貢獻(xiàn)率[13]明確徑流中不同水質(zhì)影響因素占比變化與農(nóng)田灌排、耕作及其他生產(chǎn)事件造成的溝渠徑流N、P 和COD 濃度變化的影響程度，同時(shí)以“中心化”灰色模式識(shí)別水質(zhì)評(píng)價(jià)模型[15]對(duì)農(nóng)灌溝渠水質(zhì)綜合分析評(píng)價(jià)，探討不同種植類型對(duì)溝渠徑流污染貢獻(xiàn)，以期為流域合理優(yōu)化不同種植空間格局提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于云南省大理州大理市214 國道至環(huán)海西路之間種植區(qū)，分布于喜洲鎮(zhèn)、大理鎮(zhèn)和銀橋鎮(zhèn)區(qū)域。區(qū)域?qū)儆诘湫偷母咴途暥任髂霞撅L(fēng)氣候區(qū)，平均海拔1 970～2 049 m，年平均氣溫13～20 ℃，年平均降雨量約1 000～1 500 mm，其主要降雨期（雨季）集中于每年的5—10 月，降水量占全年的85%～96%，降水高峰期主要集中于7—8 月，雨季月平均降雨量約147.85 mm[17]。研究種植區(qū)為單一種植類型集中區(qū)，溝渠來水主要為蒼山匯水，沿“蒼山-洱?！绷鹘?jīng)種植區(qū)，溝渠功能以農(nóng)田灌排為主。溝渠徑流入水口同為上游其他土地利用類型出水口，在降雨、灌溉及其他生產(chǎn)活動(dòng)時(shí)，溝渠時(shí)刻同農(nóng)田進(jìn)行著地表水交換。不同種植類型下溝渠種類、特征及覆蓋匯水面積見表1。溝渠因底泥存在，溝渠內(nèi)植被生長良好，植被均以當(dāng)?shù)爻Ｒ妰?yōu)勢(shì)草本植物雙穗雀稗（PaspalumdistichumL.）、長芒稗（Echinochloa caudataRoshev.）、假稻[Leersia japonica（Makino）Honda.]、空心蓮子草（Alternan-thera philoxeroides）和狗牙根（Cynodon dactylon）等為主。監(jiān)測(cè)區(qū)農(nóng)田土壤類型主要為潴育型水稻土（俗稱雞糞土），土壤肥沃[18]。監(jiān)測(cè)區(qū)主要種植作物分別為蔬菜、水稻、苗木和煙草等，種植模式主要為常年生苗木、旱作蔬菜、蠶豆-煙草輪作和蠶豆-水稻輪作等，作物種植施肥情況見表2。

1.2 數(shù)據(jù)來源

水質(zhì)分析數(shù)據(jù)來源于2018 年6—10 月農(nóng)灌溝渠水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)所得，研究區(qū)域溝渠全長共布設(shè)進(jìn)出水2 個(gè)取樣斷面，不同種植類型農(nóng)灌溝渠共設(shè)置8 個(gè)取樣斷面。取樣頻率為1周1次，如遇下雨，則在降雨當(dāng)天及1 d以后增加取樣頻率，采樣時(shí)間控制在14：00—16：00 之間，共取樣24 批次。水質(zhì)指標(biāo)選取溶解氧（DO）、化學(xué)需氧量（COD）、總氮（TN）、總磷（TP）、銨態(tài)氮（NH+4-N）、硝態(tài)氮（NO-3-N）、可溶性總磷（DTP）和顆粒態(tài)磷（PP）。

1.3 水質(zhì)分析方法及指標(biāo)貢獻(xiàn)率

水樣中TN采用堿性過硫酸鉀分光光度法，NH+4-N和NO-3-N 分別采用納氏試劑比色法和酚二磺酸分光光度法，TP 采用鉬酸銨分光光度法，DTP 濃度同樣采用0.45 μm 微孔濾膜過濾預(yù)處理，測(cè)定方法同TP，PP濃度通過TP 與DTP 計(jì)算而來，COD 濃度采用酸性重鉻酸鹽指數(shù)法[19]，DO 濃度每次采樣時(shí)通過便攜式溶氧儀[YSI 550A，美國賽萊默（Yylem）公司]進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。

種植類型對(duì)溝渠徑流中不同形態(tài)N、P 等貢獻(xiàn)率為溝渠徑流流經(jīng)某一種植區(qū)時(shí)，由于灌排、耕作及其他生產(chǎn)事件引起的水體中不同形態(tài)N、P 濃度變化量與溝渠出水中不同形態(tài)N、P 濃度總量之比[13]，其計(jì)算公式為：

式中：y為種植區(qū)對(duì)溝渠徑流N、P 等濃度貢獻(xiàn)率，%；a1為種植區(qū)溝渠徑流出水濃度，mg·L-1；a2為種植區(qū)溝渠徑流入水濃度，mg·L-1。

1.4 綜合平均污染指數(shù)法[16]

通過綜合平均污染指數(shù)法可獲得溝渠水質(zhì)影響因素綜合權(quán)重，用以確定溝渠水質(zhì)中影響因素占比及其權(quán)重，便于分析水質(zhì)變化狀況。計(jì)算公式如下：

式中：Pk為k評(píng)價(jià)因子的綜合指數(shù)；Pjk為j斷面k項(xiàng)污染因子的污染指數(shù)；Cjk為j斷面k項(xiàng)污染因子的實(shí)測(cè)值；Ck0為k項(xiàng)污染因子評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的平均值；n為監(jiān)測(cè)斷面?zhèn)€數(shù)；Wj（k）為j項(xiàng)污染物的權(quán)重值；Kj（k）為j項(xiàng)污染物貢獻(xiàn)率。Kj（k）越大表明該污染因子的貢獻(xiàn)率越大。

1.5 “中心化”灰色模式識(shí)別水質(zhì)評(píng)價(jià)模型[15]

“中心化”灰色模式識(shí)別水質(zhì)評(píng)價(jià)模型針對(duì)性地考慮了以區(qū)間形式存在的水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，相比于臨界值直接判斷水質(zhì)級(jí)別歸屬更加客觀，同時(shí)采用“中心化”方法進(jìn)行水質(zhì)數(shù)據(jù)無量綱化，使計(jì)算結(jié)果的差異性體現(xiàn)得更加明顯，且具有明確的物理意義。

1.5.1 比較數(shù)列與參考數(shù)列的確定

水質(zhì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)列即比較數(shù)列，設(shè)水質(zhì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)共分m級(jí)，地表水水質(zhì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)一共為V級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)因子有n個(gè)，得到各級(jí)水體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的比較數(shù)列{xi（k）}：

表2 監(jiān)測(cè)期內(nèi)當(dāng)季作物的肥料投入量Table 2 Fertilization rates of the crops during the monitoring period

表1 灌排溝渠采樣位置、特征及覆蓋匯水面積Table 1 Ditch sampling location，characteristics and covered water area

所有斷面監(jiān)測(cè)值作為參考數(shù)列，設(shè)監(jiān)測(cè)斷面共有h 組，每個(gè)點(diǎn)選取評(píng)價(jià)因子相同，共有n 個(gè)，則得到參考數(shù)列{xj（k）}：

式中：xi（k）為比較數(shù)列中的某一元素；xj（k）為參考數(shù)列中的某一元素。

1.5.2 數(shù)據(jù)的無量綱化

評(píng)價(jià)模型采用“中心化”方法對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化：

1.5.3 絕對(duì)差的計(jì)算

由于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)并非一個(gè)數(shù)值，而是一個(gè)區(qū)間。因此，評(píng)價(jià)模型采用一種基于點(diǎn)到區(qū)間距離的關(guān)聯(lián)系數(shù)公式，定義絕對(duì)差為：

1.5.4 關(guān)聯(lián)系數(shù)

基于1.4.3 得到的矩陣，x（ik）對(duì)x（jk）在第k 點(diǎn)的關(guān)聯(lián)系數(shù)定義為：

式中：ρ為分辨系數(shù)，ρ∈（0，1），其取值不同，分辨能力不同，通常其值愈大，分辨性愈強(qiáng)，但是對(duì)于整個(gè)水質(zhì)類別判定趨勢(shì)無過多影響。以往傳統(tǒng)灰色關(guān)聯(lián)分析中，分辨系數(shù)（ρ）取值一般為0.5，故本研究中ρ取值為0.5。

1.5.5 關(guān)聯(lián)度計(jì)算

通過關(guān)聯(lián)系數(shù)與指標(biāo)權(quán)重即可求得樣本參考數(shù)列與比較數(shù)列中各向量間的關(guān)聯(lián)度。計(jì)算公式為：

式中：γij表示斷面j水體樣本與水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)i類型之間的關(guān)聯(lián)度；Wj（k）表示斷面j第k項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合權(quán)重。

1.5.6 求灰色隸屬度

隸屬度Uij表示第j 個(gè)斷面水質(zhì)樣本隸屬于第i 類水的灰色隸屬度，相應(yīng)得到全部水質(zhì)樣本對(duì)于不同類別水質(zhì)的隸屬度。

式中：γqj表示斷面j 水體樣本與水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)q 類型之間的關(guān)聯(lián)度，q=1，2，…，i。

1.5.7 灰色綜合指數(shù)（GC）計(jì)算

灰色綜合指數(shù)可更加細(xì)化了解各監(jiān)測(cè)斷面及溝渠水質(zhì)受污染情況，通過各監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)水質(zhì)類別t 與其相應(yīng)的隸屬度Uij加權(quán)平均，計(jì)算公式為：

式中：Uij為第j個(gè)斷面水質(zhì)樣本第i類水最優(yōu)灰色隸屬度；t為各監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)水質(zhì)類別，t=1，2，…，n。

2 結(jié)果與分析

2.1 溝渠雨季水質(zhì)指標(biāo)動(dòng)態(tài)變化特征

洱海海西種植區(qū)農(nóng)灌溝渠進(jìn)出水N、P 和COD 動(dòng)態(tài)變化見圖1。不同種植區(qū)溝渠徑流進(jìn)出水質(zhì)N 素形態(tài)濃度變化，通過圖1c和圖1b可知，蔬菜和苗木種植區(qū)溝渠進(jìn)出水中TN 和NO-3-N 濃度呈現(xiàn)出水濃度增加，煙草和水稻種植區(qū)溝渠出水濃度減小的趨勢(shì)，蔬菜和苗木種植區(qū)溝渠出水相比于進(jìn)水濃度分別增加162.08% 和169.67%。相比于溝渠中TN 和NO-3-N的變化，蔬菜和煙草種植區(qū)溝渠徑流中NH+4-N 變化表現(xiàn)出相反變化趨勢(shì)，且苗木和水稻種植區(qū)溝渠進(jìn)出水無明顯變化（圖1a）。不同種植類型區(qū)溝渠中NO-3-N是水體中N 素主要形態(tài)，溝渠徑流中NO-3-N/TN 平均分別為71.30%、60.43%、81.35% 和63.26%。通過圖1d、圖1e 和圖1f 可看出，溝渠進(jìn)出水中水質(zhì)P 素濃度除水稻種植區(qū)外，其余種植類型區(qū)溝渠出水中TP和PP 濃度都大于進(jìn)水，苗木和水稻種植區(qū)溝渠水體中DTP 變化與TP 和PP 相反，煙草種植區(qū)DTP 是溝渠水體中P 的主要存在形式，占比為74.16%～77.95%，同時(shí)苗木和水稻種植區(qū)溝渠徑流進(jìn)出水中P 的主要形態(tài)都發(fā)生了變化，蔬菜種植區(qū)溝渠徑流中DTP 和PP 在TP 占比未發(fā)生明顯變化。不同種植類型影響下溝渠徑流出水中COD 濃度都大于進(jìn)水，其中煙草種植區(qū)溝渠徑流出水COD 濃度最大，為71.94 mg·L-1（圖1g）。

圖1 徑流污染物變化特征Figure 1 Runoff pollutant change characteristics

2.2 種植類型對(duì)溝渠水體污染物貢獻(xiàn)率及水質(zhì)影響占比

根據(jù)2018 年6—10 月不同種植區(qū)農(nóng)灌溝渠進(jìn)出水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，各水質(zhì)影響因素占比與種植類型污染貢獻(xiàn)率見表3。不同種植區(qū)溝渠徑流水質(zhì)影響因素占比總體排序?yàn)門N（COD）＞COD（TN）＞TP＞NH+4-N，在不同種植區(qū)溝渠中TN 和COD 均是徑流水質(zhì)重要影響因素，且在蔬菜種植區(qū)溝渠進(jìn)出水水質(zhì)TN 和COD 占 比 變 化 最 大 分 別 為35.04%～56.95% 和20.03%～28.71%。蔬菜和苗木種植區(qū)溝渠徑流出水TN 影響都大于進(jìn)水，且對(duì)溝渠水質(zhì)污染貢獻(xiàn)率分別為71.97% 和62.89%，大于煙草和水稻種植區(qū)。溝渠進(jìn)出水中煙草種植區(qū)TP 影響占比和污染貢獻(xiàn)率（57.95%）為最大，其他種植區(qū)變化較小，水稻因其種植環(huán)境的不同（水田），使得其貢獻(xiàn)率最低，為-5.18%。COD 和NH+4-N 影響占比僅在蔬菜種植區(qū)溝渠有著出水小于進(jìn)水這一變化，由溝渠和種植特殊性共同決定，蔬菜種植區(qū)農(nóng)田對(duì)溝渠NH+4-N 貢獻(xiàn)率更是低至-57.88%。

2.3 “中心化”灰色模式識(shí)別模型水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)

水質(zhì)評(píng)價(jià)模型的計(jì)算見表4。不同種植類型農(nóng)灌溝渠出水水質(zhì)綜合類別和水質(zhì)灰色綜合指數(shù)（GC）變化，除苗木種植區(qū)溝渠出水綜合水質(zhì)為Ⅲ類，蔬菜、水稻和煙草這3種類型種植區(qū)溝渠出水綜合水質(zhì)以Ⅳ類和Ⅴ類為主，4 種類型種植區(qū)溝渠徑流進(jìn)出水綜合水質(zhì)類別變化較大的分別是種植蔬菜（進(jìn)水Ⅳ類，出水Ⅴ類）和苗木（進(jìn)水Ⅱ類，出水Ⅲ類），但從溝渠徑流單位匯水面積指數(shù)差（ΔGC·hm-2）的不同變化，可知不同種植區(qū)溝渠徑流ΔGC·hm-2值大小排序?yàn)?.057 2（蔬菜）＞0.015 5（煙草）＞0.014 1（苗木）＞0.000 2（水稻），種植區(qū)溝渠水質(zhì)ΔGC·hm-2值最大和最小分別為蔬菜和水稻，說明蔬菜種植過程中農(nóng)田N、P等排放對(duì)溝渠徑流水質(zhì)影響最大，其次是煙草和苗木種植，水稻種植污染物排放對(duì)溝渠徑流水質(zhì)影響最小。

3 討論

3.1 洱海流域農(nóng)灌溝渠雨季水質(zhì)指標(biāo)動(dòng)態(tài)變化特征

流域種植區(qū)溝渠徑流在不同種植類型影響下，導(dǎo)致溝渠進(jìn)出水質(zhì)N、P 以及COD 發(fā)生變化，其中蔬菜和苗木種植區(qū)溝渠出水TN 和NO-3-N 濃度大于進(jìn)水，水稻和煙草種植區(qū)溝渠出水濃度則小于進(jìn)水，這一現(xiàn)象與農(nóng)田不同種植作物類型施肥量多少、復(fù)種指數(shù)大小、作物對(duì)所施用養(yǎng)分利用率、土壤N 素濃度本底值和種植區(qū)域作物植被密度密切相關(guān)[20]。由于蔬菜和苗木為露天旱地種植，降雨形成地表徑流將農(nóng)田殘留化肥沖刷進(jìn)入溝渠，同時(shí)旱地種植中NO-3-N 是地表徑流中N 素流失的主要形態(tài)[21]，洱海流域現(xiàn)有農(nóng)田種植模式下大量無機(jī)態(tài)N殘留在土壤中，并且以NO-3-N形式為主[22]。煙草種植類型區(qū)DTP 是溝渠進(jìn)出水徑流中P 的主要形態(tài)，由于煙草種植區(qū)溝渠較為平緩，使得溝渠徑流流速較為平緩，農(nóng)田徑流流失的P 進(jìn)入溝渠后，通過溝渠植物攔截吸附、顆粒沉降后，溝渠徑流中P 形態(tài)以DTP 為主[13]。水稻和苗木種植區(qū)溝渠進(jìn)出水中P 形態(tài)有一定差異，溝渠徑流通過苗木和水稻種植區(qū)后P 的主要形態(tài)分別為PP 和DTP，因稻田P流失須經(jīng)田面水這一過程，田底部土壤受擾動(dòng)較小，田面水進(jìn)入溝渠后徑流中PP在溝渠中植物作用下沉降，而苗木種植中降雨以及地表徑流直接沖刷土壤，形成土壤侵蝕，造成溝渠中PP 濃度增大。流域種植區(qū)農(nóng)田大量施用有機(jī)肥導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)增加，同時(shí)田間大量殘留蔬菜葉片與秸稈分解[23]，在降雨沖刷下進(jìn)入溝渠，因此，導(dǎo)致徑流中COD值出現(xiàn)顯著增加。

表3 水質(zhì)影響因素及污染物貢獻(xiàn)率（%）Table 3 Influence factors of water quality and contribution rate of pollutants（%）

表4 雨季水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果Table 4 Results of monthly water quality evaluation of rainy season

3.2 不同種植類型對(duì)溝渠徑流污染物貢獻(xiàn)率及水質(zhì)影響占比

通過表3可知，4種種植類型農(nóng)田溝渠TN和COD是溝渠水質(zhì)變化主要影響因子。蔬菜種植對(duì)溝渠徑流中TN影響最大，溝渠徑流水質(zhì)TN影響占比的增加主要來自于蔬菜種植過程中的農(nóng)田N素排放，由種植類型污染貢獻(xiàn)率變化可知，蔬菜種植區(qū)農(nóng)田對(duì)溝渠徑流TN貢獻(xiàn)率最大，主要在于蔬菜種植中復(fù)種指數(shù)高，過量施肥，頻繁灌溉和土壤大量殘留[24]，使得農(nóng)田N、P 大量流失，是農(nóng)田面源污染防治中重點(diǎn)控制的種植類型。由于蔬菜種植區(qū)溝渠坡度較大，使得溝渠流速較快，含氧量增加，同時(shí)在溝渠中植物根系過濾攔截與底泥沉淀削減[25]作用下溝渠徑流COD濃度減小，水質(zhì)影響占比降低。不同于蔬菜和苗木種植區(qū)，煙草種植區(qū)溝渠進(jìn)出水TN 占比下降的同時(shí)TP 占比卻大幅增加，且煙草種植對(duì)溝渠徑流TP有著最大貢獻(xiàn)，這可能與煙草不同種植方式密切相關(guān)。水稻種植對(duì)種植區(qū)溝渠徑流有著最小的影響，說明水稻種植中農(nóng)田N、P的排放量較小，這與洱海北部稻田N、P的排放量不同[11]，主要在于洱海北部（水稻-大蒜）與西部（水稻-蠶豆）輪作模式差異，水稻前作作物蠶豆種植相比于大蒜施肥量小，后期土壤流失N、P較少。苗木種植過程中對(duì)TN 和TP 貢獻(xiàn)大于水稻種植，由于研究區(qū)域內(nèi)種植苗木多為中小型景觀性植物，生長周期較短，同時(shí)研究期內(nèi)較為頻繁的移栽和除草等人為干擾因素較多，且洱海流域高原地區(qū)氣候及降雨條件的變化，導(dǎo)致苗木種植過程中N、P流失較大。

3.3 “中心化”灰色模式識(shí)別模型水質(zhì)綜合分析

根據(jù)表4 中數(shù)據(jù)計(jì)算可知，通過數(shù)據(jù)模型計(jì)算將溝渠大量水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)參數(shù)綜合分析，通過計(jì)算以相應(yīng)地表水質(zhì)類別和灰色綜合指數(shù)變化對(duì)不同種植類型溝渠徑流污染變化進(jìn)行直觀且精確的評(píng)價(jià)，溝渠水質(zhì)類別和灰色綜合指數(shù)變化可以直觀地表現(xiàn)出流域不同種植類型對(duì)水質(zhì)變化的影響。按照灰色關(guān)聯(lián)度（γ）與隸屬度（U）值最大決定原則和灰色綜合指數(shù)（GC）意義[26]可知，4 種種植類型區(qū)農(nóng)田溝渠出水水質(zhì)類別在Ⅲ～Ⅴ類，溝渠徑流單位面積指數(shù)差（ΔGC·hm-2）從大到小依次排序分別為蔬菜、煙草、苗木和水稻，蔬菜種植區(qū)農(nóng)田溝渠徑流ΔGC·hm-2值最大，由于蔬菜多為露天種植，與溫室種植相比，露天種植完全依靠自然（陽光、溫度和季節(jié)變化）進(jìn)行蔬菜生產(chǎn)，生產(chǎn)率和利潤低[27]，為提高產(chǎn)量造成農(nóng)田大量農(nóng)家肥及化肥施用，因此大量N、P 殘留在土壤中，且在蔬菜作物收割后土壤中殘留較多，加劇N、P 流失的可能性，使得溝渠水體中TN 和TP 濃度增大。有研究表明，農(nóng)田土壤中N、P流失受降雨強(qiáng)度、植被覆蓋度和土壤含水量影響較大[28]，且蔬菜種植中復(fù)種率較高，生長周期較短，農(nóng)田作物種植單一，加之長期耕種導(dǎo)致土壤容重降低[24]，導(dǎo)致雨季土壤侵蝕現(xiàn)象相比于其他種植類型更為嚴(yán)重，也有研究表明蔬菜種植N、P流失高于一般旱地種植[29]。煙草種植中的覆膜處理相比傳統(tǒng)的裸地種植減少了雨水的直接接觸，減少了雨水對(duì)土壤的直接沖刷[30]，降低了徑流中TN 濃度，由于煙草種植模式為起壟單行覆膜種植，壟溝耕作只對(duì)田壟進(jìn)行覆膜，田壟之間并未覆膜，導(dǎo)致降雨沖刷形成土壤侵蝕，土壤侵蝕形成地表徑流TP 濃度較高。加之煙草種植過程中較為頻繁的生產(chǎn)活動(dòng)使得種植覆膜遭到破壞，煙草種植后期田壟土壤中大量氮磷等物質(zhì)在雨水沖刷下進(jìn)入溝渠徑流，導(dǎo)致溝渠徑流出水GC值大于徑流進(jìn)水。苗木相比旱地蔬菜以及煙草種植，施肥量較少，同時(shí)苗木種植中翻耕次數(shù)少，且不進(jìn)行基肥施加，僅進(jìn)行穴施為主的后期施肥處理[31]，N、P 流失較小，同時(shí)較大降雨量對(duì)地表徑流起到了一部分稀釋作用。水稻相比旱地作物種植，其N、P流失主要來自于稻田排水，在水稻的不同生長期稻田N、P負(fù)荷有著明顯差異[32]，稻田淹水初期N、P 損失均處于較高水平，但隨著淹水時(shí)間的延長而逐漸降低，但這一時(shí)期降雨較少，稻田為保持一定的田間地表水深，導(dǎo)致稻田排水較低，N、P流失較少，在強(qiáng)降雨期間，由于降雨稀釋以及水稻生長消耗，稻田排水導(dǎo)致N、P 損失降低，使得溝渠徑流N、P含量低于其他旱地作物種植下溝渠。

近年來，洱海水質(zhì)總體保持在Ⅱ～Ⅲ類地表水標(biāo)準(zhǔn)，從溝渠出水綜合水質(zhì)類別可知，苗木、水稻、蔬菜和煙草種植區(qū)溝渠出水口水質(zhì)類別較高，農(nóng)灌溝渠出水徑流直排洱海，導(dǎo)致洱海水質(zhì)進(jìn)一步惡化。為降低種植區(qū)溝渠對(duì)洱海水質(zhì)污染，可以對(duì)4 種種植類型在蒼山-洱海向農(nóng)田空間分布上進(jìn)行科學(xué)搭配，搭配方式為“菜地-煙草地-苗木地-稻田-湖濱緩沖帶”，通過種植類型的空間分布優(yōu)化結(jié)合，利用溝渠的灌排功能，上游來水灌溉進(jìn)入菜地和煙草地，過量灌溉用水或降雨形成的地表徑流攜帶新增N、P重新進(jìn)入溝渠，發(fā)揮“源”的作用，溝渠徑流水體逐級(jí)進(jìn)入苗木地，最后進(jìn)入稻田，通過稻田濕地效應(yīng)[33]，對(duì)溝渠徑流水體中N、P起到“匯”的效果，同時(shí)對(duì)農(nóng)田灌排溝渠進(jìn)行生態(tài)化改造，提高對(duì)農(nóng)田排水中N、P等污染物的削減[3]，在種植區(qū)入湖末端配置生態(tài)庫塘和濕地，形成湖濱緩沖帶，對(duì)溝渠排水中N、P 等污染物進(jìn)一步削減，以及尾水回用[34]，以實(shí)現(xiàn)流域農(nóng)田面源污染防治的源頭減量、過程攔截、養(yǎng)分循環(huán)利用和末端凈化“4R”策略[35]，以保護(hù)洱海流域水生生態(tài)環(huán)境安全。

4 結(jié)論

（1）洱海海西種植區(qū)4 種種植類型下農(nóng)田對(duì)溝渠出水中N、P 的影響從大到小依次為蔬菜、煙草、苗木和水稻。4 種種植類型下溝渠水體中NO-3-N 是N 素的主要形態(tài)，占TN 濃度的60.43%～81.35%，DTP 是煙草種植區(qū)溝渠徑流P 素的主要形態(tài)，苗木和水稻種植區(qū)溝渠徑流進(jìn)出水中P 素的主要形態(tài)都發(fā)生了變化，溝渠徑流通過苗木和水稻種植區(qū)后P 的主要形態(tài)分別為PP 和DTP，農(nóng)灌溝渠對(duì)徑流中NH+4-N 起到一定削減作用。

（2）綜合平均污染指數(shù)和種植污染貢獻(xiàn)率分析顯示徑流水質(zhì)影響因子占比排序?yàn)門N（COD）＞COD（TN）＞TP＞NH+4-N，水體中TN和COD是溝渠徑流水質(zhì)主要影響因子，蔬菜和煙草種植分別是溝渠徑流中TN 與TP 污染物主要來源，水稻種植對(duì)溝渠徑流中COD污染貢獻(xiàn)率較小。

（3）通過改進(jìn)灰色模式識(shí)別模型對(duì)洱海海西不同種植區(qū)農(nóng)灌溝渠水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，不同種植類型種植區(qū)內(nèi)溝渠單位面積灰色綜合指數(shù)差（ΔGC·hm-2）排序?yàn)槭卟耍?.057 2）＞煙草（0.015 5）＞苗木（0.014 1）＞水稻（0.000 2），受種植區(qū)沿程農(nóng)田灌排生產(chǎn)活動(dòng)影響溝渠徑流水質(zhì)污染程度惡化，其中蔬菜種植對(duì)溝渠水質(zhì)影響最大，而水稻種植最小。