洱海是云南省第二大高原淡水湖泊，孕育了大理地区近4000年的历史文明，同时，洱海流域也是大理市的主要饮用水源地.但近年来，由于农业生产方式、作物种植模式的变化，一些不恰当的农田耕作、施肥和施药等措施的应用，以及养殖规模的快速增加，养殖方式、养殖圈舍的改变，加剧了农业面源污染强度.洱海流域主要以农业和旅游业为主导的产业结构，使得农业面源污染对水体富营养化的影响很大(倪喜云，2012；陈纬栋，2011)，导致洱海水质下降，逐步由贫营养化过渡到中营养化，成为我国初期富营养化湖泊的典型代表(杨晓雪，2006).农业面源污染发生机理复杂，具有在不确定的时间，通过不确定途径，排放不确定数量污染物的特性(蔡明等，2006；贺缠生等，1998)，且农业面源污染受降雨-径流影响较大，使其“三不”特征更加突出.因此，农业面源污染量估算成为流域内污染物总量控制的基础，也为构建流域农业面源污染综合防治体系提供理论依据.

国内外关于流域农业面源污染量估算研究主要采用水文分割法、输出系数法、模型估算法等.水文分割法运用水文学原理，考虑点源、面源的形成和输移规律，认为基流输送的物质代表了点源量和自然背景值，而地表径流输送的物质为面源量，进而采用径流组分分割的方法来实现面源污染量估算(蔡明等，2006；郑丙辉等，2009).但水文分割法推求步骤繁琐，同时需满足一定的假定条件，而假定条件不一定与实际情况相符，可能导致面源估算结果的偏差(蔡明等，2005；2006).输出系数法利用相对容易得到的流域土地利用类型等数据，通过多元线性回归分析，直接建立流域土地利用类型与面源污染输出量之间的关系，然后通过对不同污染源类型的污染量求和，得到研究区域的污染总量(刘亚琼等，2011；黄金良等，2011；陆宇超等，2014；Gücker et al., 2009).此类模型一般直接评估和预测TP和TN的负荷量，较少涉及氮、磷养分的形态，此模型的代表是SWAT.模型估算法根据不同功能用途，可以把流域点源与非点源污染总量管理中用到的模型划分为3类：流域量模型(Watershed Loading Model)、受纳水体模型(Receiving Water Model)和集成化模拟系统(Integrated Modeling System).流域量模型一般用来模拟沉积物和污染物的产生及其从源向受纳水体运动的过程；受纳水体模型一般用来模拟沉积物或污染物在河流、湖泊、水库、河口、沿海等水体中的运动和衰减转化过程，有的还可以模拟富营养化过程；集成化模拟系统已经不再局限于单个模型，而是一个计算机应用系统，一般做法是整合和串联若干种模型以便增强模拟功能(曾思育等，2011；高懋芳等，2014；丁训静等，2003).

农业面源污染量估算利用参数建立模型，能快速获得计算结果，但由于各种条件的差异，计算结果与流域出水实际监测结果存在较大差异.国外各种模型的建立及参数的校正均是建立在长期、系统、连续的流域监测数据基础上，而我国对流域全面的监测研究较少.基于此，本研究于2013年1—12月在洱海上游凤羽河小流域进行定位连续监测，计算凤羽河小流域出水量和氮磷排放量，以阐明流域氮磷排放特征，为流域面源污染总量控制目标制定，以及流域内农业种植管理、养殖业畜禽粪便管理和农村居民点生活污水排放管理提供理论依据.

研究区凤羽河小流域地处东经99°51′31″~100°01′46″，北纬25°52′48″~26°05′52″，位于云南省西部大理白族自治州洱源县，是高原农业流域洱海流域西北部的一个典型子流域.流域地形为山地丘陵，最高海拔3621 m，最低海拔2072 m，平均海拔2634 m，属北亚热带高原季风气候，四季温差小，年均温13.9 ℃；年均降水量745 mm，冬春干旱，夏秋多雨，雨旱两季分明.流域内河流众多(图 1)，水资源丰富，主要河流有兰林河、黑龙河、白石江、青石江、大涧河和东部天马山的三爷河和清源沟，汇流至凤羽河，从流域出口下龙门流出.常年水流量达1亿m³，属澜沧江水系，是洱海的重要水源地.流域内土壤类型以麻黑汤土、麻灰汤土、棕红土和水稻土为主(图 2).流域面积219 km²，土地利用方式主要以草地(45.9%)、林地(29.6%)、水田(11.9%)和旱地(8.9%)为主.

图 1(Fig. 1)

图 1 凤羽河小流域水系分布状况 Fig. 1 the distribution of water in Fengyu river watershed

图 2(Fig. 2)

图 2 凤羽河小流域土地利用现状 Fig. 2 Land use in Fengyu river watershed

凤羽河小流域范围覆盖凤羽镇的凤翔、源胜、上寺、白米、江登、凤河、庄上、起凤、振兴9个村委会、44个自然村、121个村民小组，全镇7885户，人口31797人，其中，镇区居民9510人.流域内农业种植作物播种面积为：水稻1373 hm²、玉米580 hm²、大麦340 hm²、大豆167 hm²、蚕豆233 hm²、马铃薯27 hm²、油菜1800 hm²、烤烟213 hm²和大蒜267 hm².流域内畜禽养殖大牲畜1.1万头(奶牛0.73万头)，生猪2.1万头，鸡3.1万羽，羊0.45万只.

河流流速采用流速仪测定《河流流量测验规范GB50179-93》，河水水位采用美国Waterlog H-3553气泡水位计自动连续监测河流水位，根据河流处于不同水位时自动监测水位和同时刻流速仪测定的流量建立水位-流量关系公式，将每30 min自动监测一次的水位数据带入水位-流量关系公式即得到河流流量，以每天48次监测流量的总和作为当天的总径流量(公式(1)).监测时段为2013年1月至12月.

式中，Q为监测时段河流径流量(m³)，q_i和q_i+1为2个相邻时刻河流径流量(m³ · d^-1)，Δt为时间段(d).

河流水质采样于凤羽河小流域出口下龙门，采样频率每天采集1次.水质分析项目有铵态氮(NH₄⁺-N)、硝态氮(NO₃^--N)、可溶性有机氮(DON)、可溶性总氮(DTN)、总氮(TN)、颗粒态氮(PN)、总磷(TP)、可溶性总磷(DTP)、颗粒态磷(PP).TN、DTN使用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法测定(GB11894-89)，NO₃^--N使用酚二磺酸分光光度法测定(GB7480-87)，NH₄⁺-N使用纳氏试剂分光光度法测定(GB7479-87)，DTN减去NH₄⁺-N和NO₃^--N即为DON，TN与DTN的差值为PN；TP、DTP使用钼酸铵分光光度法测定(GB11893-89)，TP与DTP的差值为PP.

污染量计算采用公式(2)计算：

式中，F为监测时段河流径流污染物的排放量(kg)，Q_i为监测时段河流径流量(m³)，C_j为河流检测水质氮磷浓度(mg · L^-1).

试验数据采用SPSS18.0统计分析软件分析，其中相关性分析选择Pearson相关分析；图表制作采用SigmaPlot 8.0制图软件.

在2013年1—12月监测期间(图 3)，凤羽河小流域降雨量为1385 mm，降雨天数107 d，7—9月雨季降雨量1016 mm，占全年总降雨量的73.36%.凤羽河小流域出水口监测断面径流量达9.93×10⁸ m³ · a^-1.从时间变化上看，流域径流量变化趋势与降雨量略有差别.1—4月期间，降雨较少，未能形成有效地表径流，日径流量维持在1.71×10⁵ m³ · d^-1左右.5—6月，流域内大面积种植水稻，水稻田旱水交替过程截留了部分地表径流(陶春等，2010)，凤羽河监测断面的最小径流量0.54×10⁵ m³ · d^-1出现于此时期.7—9月为流域内雨季，每月都出现了一次明显的流量峰值，分别为9.02×10⁵、9.15×10⁵、11.65×10⁵ m³ · d^-1，9月份的径流量达到了全年峰值，此期间农田持续产生地表径流，7—9月监测断面径流量达4.34×10⁸ m³，占全年径流量的43.7%.10月份以后，降雨持续减少，径流量缓慢降至年平均径流量2.88×10⁵ m³ · d^-1水平.

图 3(Fig. 3)

图 3 凤羽河小流域年度降雨量和径流量变化 Fig. 3 The annual rainfall and runoff in Fengyu river watershed

2013年1—12月，凤羽河小流域监测断面氮素污染物排放特征见图 4.铵态氮排放峰值与径流量峰值关系较小，1—4月径流为基流流量，5—6月受水稻田灌水泡田截留地表径流，监测断面径流量减少，但水质铵态氮排放量逐月递增，从1月份的308 kg · 月^-1增至6月份的峰值738 kg · 月^-1，1—6月铵态氮排放量占全年总量的74.80%，是流域铵态氮排放的高风险期.7月以后水质铵态氮排放量急剧减少.

图 4(Fig. 4)

图 4 凤羽河小流域径流过程及氮素污染物量变化 Fig. 4 The change of runoff and nitrogen discharge in Fengyu river watershed

流域监测断面硝态氮、可溶性氮、颗粒态氮和总氮的排放量在7、8、9月各出现一次峰值，3次峰值出现的时期与径流量变化相似，与径流量相比，硝态氮、可溶性氮、颗粒态氮和总氮排放量峰值过后迅速降低，7—9月是凤羽河小流域硝态氮、可溶性总氮、颗粒态氮和总氮排放的高风险期(孙志高等，2008)，其排放量占全年总量的比值分别为42.30%、45.03%、80.74%和55.33%.

监测期内对每天的采样检测数据计算得出，凤羽河小流域总氮(TN)的年度排放量总量为139.8 t · a^-1，颗粒态氮(PN)和可溶性总氮(DTN)占TN的比例分别为28.84%和71.16%(图 5)，可溶性总氮是氮的主要排放形式.可溶性总氮(DTN)排放分配于全年，其排放量变异系数(C.V)为72.03%，是排放氮素形态中变异系数最小的.可溶性氮排放形态中，以硝态氮(NO₃^--N)排放为主，占TN的比例为52.13%，可溶性有机氮(DON)和铵态氮(NH₄⁺-N)占TN的比例分别为16.34%和2.68%.

图 5(Fig. 5)

图 5 凤羽河小流域各种形态氮素排放量关系 Fig. 5 various nitrogen forms in Fengyu river watershed

2013年1—12月，凤羽河小流域监测断面磷素污染物排放特征见图 6.可溶性总磷(DTP)、颗粒态磷(PP)、总磷(TP)排放量与径流量均为显著正相关关系(r=0.737、0.831、0.847，p<0.01).磷素排放量的全年峰值均与径流量相同，出现于9月份.7—9月是凤羽河小流域磷素排放的高风险期，可溶性总磷(DTP)、颗粒态磷(PP)、总磷(TP)排放量占全年总量的比例分别为56.99%、84.22%、77.81%.

图 6(Fig. 6)

图 6 凤羽河小流域径流过程及磷素污染物量变化 Fig. 6 The change of runoff and phosphorus discharge in Fengyu river watershed

监测期内对每天的采样检测数据计算得出，凤羽河小流域总磷(TP)的年度排放量总量为27.7 t · a^-1，可溶性总磷(DTP)占TP的比例为23.53%，颗粒态磷(PP)占TP的比例为76.47%，颗粒态磷(PP)是磷素的主要排放形式.

凤羽河小流域氮素污染物排放量的统计分析结果表明，铵态氮与径流量无显著相关关系，流域内铵态氮的排放高风险期是1—6月，比当地7—9月雨季降雨产生的径流洪峰提前，这与许其功等(2007)的研究结论相似，在降雨过程中，氨氮的浓度峰值先于流量峰值出现.监测结果发现，铵态氮流失主要发生于前期零星降雨过程和初期暴雨时，后期的长时间连续降雨对铵态氮流失影响较小.凤羽河小流域养殖业发达，畜禽粪便露天堆放，短时零星降雨和初期暴雨造成畜禽粪便中大量的铵态氮率先溶解流出，1—6月多次出现铵态氮的排放峰值.胡璐等(2008)研究表明，在长时间的干旱状况下，骤然降雨造成土壤湿度的突然变化，对土壤铵态氮流失具有脉冲式的增强作用.连续的降雨径流对铵态氮排放影响较小.进入夏季后，土壤温度升高，在-4~40 ℃范围内，随着土温升高，土壤微生物活性增强，加速了土壤氮的矿化速率，同时硝化作用增强，加之高温促进土壤氨的挥发损失，土壤铵态氮含量较少，多以硝态氮形式保存于土壤中(Bolan et al., 2004；巨晓棠等，2000；陈玲，2013).由于硝态氮带负电荷，不易被土壤吸附，在土壤中的移动性强，易随降雨-径流流失，因此，流域内可溶性氮素流失形态中以硝态氮(NO₃^--N)为主，占总氮(TN)排放量的52.13%.

本研究中颗粒态氮(PN)排放集中于7—9月雨季的径流洪峰期.这主要由于前期流域内农田土壤经春耕翻动后(邱学礼等，2012)，在土壤侵蚀作用处于主导地位条件下，土壤颗粒遇径流易分散流失(王晓燕等，2003)，导致径流中泥沙含量高，颗粒态氮的浓度大，造成排放峰值与径流峰值同时出现(李勇等，2000)；经过多次降雨后，地表土壤经冲刷、压实、结皮等作用，径流与土壤相互作用深度减弱(王全九等，1998)，并且作物生长吸收大量土壤养分，植被覆盖率达到全年最大值，径流的稀释作用逐渐替代侵蚀作用占主导地位(黄云凤等，2006)，径流中颗粒态氮浓度逐渐降低，其排放峰值也逐次递减.

流域中磷素污染物排放量变化与降雨-径流过程相似，可溶性总磷(DTP)、颗粒态磷(PP)和总磷(TP)峰值随降雨径流洪峰出现.研究认为土壤中大量铁铝氧化物的存在，使土壤具有较强的吸附磷能力，不易造成磷的向下淋溶流失，降雨产生的地表径流对表层土壤颗粒的溶解和搬运是土壤磷流失的主要途径(Silva et al., 2005；高明等，2004；李勇等，2000).Sharpley等(1999)研究了美国 20 个小流域氮磷流失状况，得出了径流中磷主要以颗粒形态流失，占总磷流失的75%.单保庆等(2001)研究发现，在中到大雨条件下地表径流中的磷迁移通量是壤中流的 3~4 倍，磷素养分输出的主要方式为颗粒态，占 74.5%~94.9%，溶解态所占的比例很低.这与凤羽河小流域颗粒态磷(PP)排放量占总磷(TP)的比例为76.47%，颗粒态磷(PP)是磷素的主要排放形式的结论一致.

1)凤羽河小流域年度降雨量为1385mm，地表径流总量为0.99亿m³.7—9月雨季降雨量占全年的73.36%，7—9月监测断面径流量占全年径流量的43.7%.流域内径流变化受降雨影响较大.

2)凤羽河小流域总氮(TN)的年度排放量总量为139.8 t，颗粒态氮(PN)和可溶性总氮(DTN)占总氮(TN)的比例分别为28.84%和71.16%，可溶性总氮(DTN)中的硝态氮(NO₃^--N)是氮排放的主要形式，占总氮(TN)的52.13%.7—9月氮素污染物排放量占全年总量的55.33%.

3)凤羽河小流域总磷(TP)的年度排放量总量为27.7 t，可溶性总磷(DTP)占总磷(TP)的比例为23.53%，颗粒态磷(PP)占总磷(TP)的比例为76.47%，颗粒态磷(PP)是磷的主要排放形式.7—9月磷素污染物排放量占全年总量的77.81%.