摘要
为探究农业种养模式变化对平原水网区河湖水量水质的影响，以江汉平原四湖总干渠为研究对象，基于2010—2023年观测数据分析了年际年内水量水质变化特征，利用遥感影像、统计年鉴等数据识别了不同土地利用类型的年际变化，并探究了近10年不同类型氮磷污染负荷的变化趋势，运用冗余分析（RDA）和相关性热图（correlation）重点探讨了农业种养模式变化下总干渠水量水质的响应规律。结果表明：①2010—2023年，四湖总干渠水体总氮、总磷浓度在年际上呈现出先增加再减小后趋于稳定的变化趋势，年内表现为冬春季低、夏秋季高的特征，而在空间上则表现为出入渠口低、中间高；总干渠年内排水量主要集中在4—9月，约占全年的65.7%。②近10年，四湖流域农业种养模式变化显著，主要表现为旱地耕作面积缩减约15%，稻田种养面积增加约19%，淡水养殖面积在2010—2016年增加了约2%，而在2016—2022年缩减了4%以上。③四湖总干渠水量变化特征除受降雨量影响外，还与流域内不同土地利用类型的降雨径流量变化相关，其中水田和旱地是主要影响因素，其贡献分别占总水量变化的366%和-236%。④近10年，四湖总干渠总氮、总磷浓度与流域内氮磷污染负荷呈显著正相关（解释度为79.7%），而引起流域内氮磷污染负荷变化的主要影响因素是淡水养殖和畜禽养殖；此外，稻田种养对氮磷负荷的贡献近10年从6%增至26%，氮磷污染负荷占比逐渐凸显，未来水环境污染风险不容忽视。
Abstract
To explore the impact of changes in agricultural cropping-breeding mode(ACBM) on river water quantity and quality, the Four Lakes Main Channel(FLMC) in the Jianghan Plain was taken as the research object. Based on observation data from 2010 to 2023, the trend of annual water quantity and quality changes was analyzed. Remote sensing images and statistical yearbook data were used to identify the interannual area change characteristics of different land use types and the trends of nitrogen and phosphorus point source load over nearly 10 years. Redundancy analysis (RDA) and correlation heat map were applied to explore the response of the main channel's nitrogen and phosphorus concentration to the changes. The results indicated that: ① From 2010 to 2023, the concentration of total nitrogen and total phosphorus in FLMC exhibited an inter-annual pattern of “increase-decrease-stabilization”. The annual performance was lower in winter and spring, and higher in summer and autumn. Spatially, the concentrations were lower at the inlet and outlet and higher in the central reach. The annual displacement of the total trunk canal is mainly concentrated between April and September, accounting for 65.7% of the annual total. ② Over the past decade, the ACBM in the Sihu Basin has changed significantly. The dry land cultivation area decreased by about 15%, and paddy field area increased by about 19%. The freshwater aquaculture area increased by about 2% from 2010 to 2016, and decreased by more than 4% from 2016 to 2022. ③The variation characteristics of the total water quantity in the FLMC were not only affected by rainfall, but also related to the variation of rainfall-runoff of different land use types in the basin, among which paddy field and dry land were the main contributors, accounting for 366% and -236% of the total water quantity variation, respectively. ④ Over the recent 10 years, the concentration of total nitrogen and total phosphorus in the FLMC were positively correlated with the pollution loads (79.7% interpretation), and the main factors that caused the changes of N and P pollution loads in the basin were freshwater breeding and livestock breeding. In addition, the contribution of paddy cultivation to N and P loads increased from 6% to 26% in nearly 10 years, and the proportion of N and P loads gradually became prominent. This trend suggests that the risk of water environment pollution in the future cannot be ignored.
四湖总干渠处于江汉平原四湖流域中下区，与长湖、洪湖两大调蓄湖泊构成了上、中、下区分片排灌的格局，建立了能够有效排涝和灌溉的农田水利系统[1]。然而，四湖总干渠水质自2010年以来持续恶化，不但影响了洪湖水生态环境安全，还给沿岸居民的生产生活用水带来诸多不便[2-3]。因此，掌握四湖总干渠水质水量变化特征及其影响因素，对于明确未来水质目标，保护洪湖湿地乃至长江均具有重要指导意义。
已有研究报道，四湖总干渠的水质水量变化特征与流域内汇入的农业面源污染密切相关[4-6]。影响流域农业面源污染的关键因素为土地利用类型与空间格局[7-11]，其中畜禽养殖、水产养殖、农田种植等是农业面源污染的主要来源[3，12]。特别是河湖网围养殖、河湖沿线畜禽养殖等产生的污染物直接进入水体，导致河湖氮磷营养盐浓度激增，对河湖水生态环境的影响最为严重[13-15]。相关研究结果显示，由于长湖围网养殖和精养鱼塘投放了大量饲料化肥，长湖入总干渠的水体总磷（TP）、总氮（TN）浓度超标几倍到几十倍，从而导致四湖总干渠靠近长湖上游段为重度污染[16-17]。为贯彻长江大保护战略，“十二五”以来，湖北省各市、州人民政府组织所属县级政府开展河湖违规养殖行为整治工作，取缔河湖网箱养殖，同时大力推广稻田综合种养模式，主要为稻虾种养。2013年，稻虾共作模式诞生，稻虾种养规模自此真正实现发展，并于2016年进入快速发展阶段。稻虾共作模式是在稻虾连作模式基础上发展而来，被农业农村部誉为“现代农业发展的成功典范，现代农业的一次革命”[18-19]。然而，农户为了追求高效益，在养殖过程中往往会投入过量饲料，导致稻虾种养模式比单一水稻产生更多的资源消耗，污染物在稻田土壤中累积，田间溶解氧下降，化学需氧量升高，氮磷排放量增大，水体富营养化风险增加等[20-25]。尽管如此，稻虾共作模式下小龙虾养殖废水的单位面积年均氮磷流失量，仍然低于河湖网箱养殖废水的氮磷流失量[21-22，26]。因此，在一定范围内发展稻虾综合种养模式、取缔网箱养殖，理论上可减小农业面源负荷并降低河湖水环境风险[27-28]，但是农业种养结构大规模调整下，四湖总干渠的水质水量变化特征及其响应规律尚不清楚。
为了深入了解农业种养模式变化对四湖总干渠水量水质的影响，本研究基于2010—2023年观测数据分析年际年内水量水质变化特征，利用遥感影像、统计年鉴等数据识别不同土地利用类型的年际变化，查明2010—2023年不同土地利用类型氮磷污染负荷的变化趋势，并运用冗余分析（RDA）和相关性热图重点探讨农业种养模式变化下总干渠水量水质的响应规律，以期为农业种养结构的优化管理以及农业绿色高质量发展提供科学依据和理论支撑。
1 材料与方法
1.1 研究区域概况
四湖流域跨荆门、荆州、潜江3市，流域总面积为11547.5 km2，内垸总面积为10375 km2，按等高截流排水分上、中、下三区（图1）。四湖流域地势西北高、东南低，上游多为丘陵，中、下游为平原湖区。四湖流域在自然状态下是水乡泽国，水系以内荆河为骨干，上承丘陵区的来水，下汇湖区渍水，历来水旱灾害频繁，以水灾最为严重，洪涝干旱交替发生。为此，自1955年统一规划以来，经历了“修筑堤防、开渠建闸、兴建泵站、水系连通”等工程，逐渐形成了江湖分家、河湖分家、排灌分家、江河湖渠相连的平原渠网。
流域内的四湖总干渠原属内荆河的一段，发源于湖北荆门市西北部，经沙市、潜江、江陵、监利等县市，至洪湖市新滩口入长江，全长358 km。四湖流域中下区地势平坦、河网密布、闸泵众多，四湖总干渠处于四湖流域中下区。四湖流域上区承水进入长湖后经雷家垱闸、习家口闸、刘岭闸等汇入四湖总干渠，或从田关闸排出；四湖流域中下区承水经东干渠、西干渠等总干渠沿岸支（沟）渠，与上区来水一起进入洪湖后，从新滩口闸、新堤大闸、高潭口泵站等闸泵排出四湖总干渠。
图1四湖流域在湖北省的位置及调查监测点分布
Fig.1Location of the Sihu Basin in Hubei Province and distribution of sampling sites
1.2 数据来源及点位布设
本研究数据主要包括四湖总干渠水体TN和TP浓度、四湖总干渠典型断面水体流量、四湖流域降雨量、四湖流域土地利用类型及主要农业种养面积等。其中，四湖总干渠2010—2023年国控断面（运粮湖C、新河村E、新滩口K）水体TN、TP浓度数据源于中国环境监测总站（https://www.cnemc.cn/），其余监测断面水体TN、TP浓度数据源于荆州市驻点跟踪项目监测数据以及本文资助项目近3年的月监测数据；四湖流域水体流量数据源于荆州市四湖工程管理局（http://www.jzshglj.com.cn/）；四湖流域降雨量数据来源于国家青藏高原科学数据中心（https://data.tpdc.ac.cn/login），四湖流域土地利用类型数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心（http: //www.resdc.cn/），四湖流域主要农业种养面积数据来源于湖北省统计局（https://tjj.hubei.gov.cn/）公布的年鉴数据。
2022年四湖总干渠水体TN、TP浓度逐月数据来自课题组的每月定期监测。监测点位主要布设在居民区、干支渠汇入上下游、湖泊出入口等位置，包括四湖流域上区（A长湖）、四湖流域中区（B~H）、四湖流域下区（I~K）和入长江口（L）等（图1）。为便于分析，本文将各监测点位划分为渠首（A~B）、渠中（C~J）、渠尾（K~L）。
1.3 研究方法
1.3.1 氮磷等水质指标测定
水质指标测定方法参照《水和废水监测分析方法（第四版）》，其中TN浓度采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定，TP浓度采用钼酸铵分光光度法测定[29]。
1.3.2 四湖流域产水量及不同污染负荷估算
基于湖北省统计局公布的年鉴数据，获取2010—2022年四湖流域土地利用类型数据、四湖流域主要农业种养面积数据和四湖流域工业企业排放废水总量数据等；然后分别利用径流曲线法（soil conservation service，SCS）模型估算不同土地利用类型的产水量[30]，输出系数模型（export coefficient models）估算四湖流域农业面源污染负荷，《工业污染源产生和排放系数手册》给出的污染物排污系数计算工业废水污染负荷。其中，面源污染输出系数参考江汉平原类似社会活动和自然条件下的研究结果，并取平均值确定[31-32]，不同农业种养模式及本研究的输出系数见表1；畜禽养殖和农村生活污染输出系数分别采用原国家环境保护总局推荐的排泄系数和人口输出系数[33]（表2）。
表1不同农业种养模式污染输出系数*
Tab.1The pollution output coefficient of different agricultural cultivation modes
*— 表示无数据。
表2四湖流域畜禽养殖和农村生活污染输出系数
Tab.2The pollution output coefficients of livestock and poultry breeding and rural living in the Sihu Basin
1.4 数据统计分析
2010—2023年四湖总干渠年际TN、TP浓度数据为各年度所有采样点和采样时间的平均值±标准误差，2022年四湖总干渠年内TN、TP浓度变化数据为该年度逐月所有采样点和采样时间的平均值±标准误差，2022年四湖总干渠TN、TP浓度空间变化数据为该年度各监测点位（A~L）所有采样时间的平均值±标准误差。基于输出系数模型估算不同农业种养模式氮磷面源负荷，SCS模型估算流域产水量，并绘制堆积面积图和相关性热图。本研究所有数据均采用Excel和SPSS 19.0软件整理与统计，科学数据图采用Origin 2021软件绘制，冗余分析（RDA）采用Canoco 5软件绘制，采样点分布图使用ArcGIS 10.2和CAD2014软件绘制。
2 结果
2.1 四湖总干渠的水量变化特征
四湖总干渠水量虽然受到闸泵控制影响，但在空间上（习家口闸→福田寺闸→新滩口闸）仍然呈现递增趋势，在年际变化上（2010—2023年）仍与降雨量变化趋势基本保持一致（图2）。四湖总干渠排水量除了与降雨量相关，还与降雨强度、土地利用方式等因素有关[37]。2022—2023年年降雨量与2017—2018年相当，但福田寺闸和新滩口闸的年排水量却远不及2017—2018年（图2）。2010—2016年习家口闸排水量的波动范围为0~8 m3/s，而2017—2023年则为12~31 m3/s，排水量为2010—2016年的3倍以上，这可能与四湖流域中下区农业灌溉需水量增加有关[38]。
图2四湖流域年降雨量及总干渠典型断面年际排水量
Fig.2Annual rainfall in Sihu Basin and interannual drainage at typical sections of main canal
四湖总干渠流量季节性变化明显（图3）。以福田寺闸2010—2023年的月均流量为例，四湖总干渠4—9月的流量均在110 m3/s以上，均值约为140 m3/s，而10月—次年3月的月均流量在100 m3/s以下，均值约为74 m3/s。经计算，四湖总干渠4—9月的累计流量占全年总流量的65.7%。
图3四湖总干渠福田寺闸2010—2023年月均流量变化
Fig.3The average monthly discharge of Futian Temple Gate in the Four Lakes Main Channel during 2010-2023
2.2 四湖总干渠的水质变化特征
2010—2023年四湖总干渠水体TN、TP浓度差异显著，整体呈“上升→下降”的趋势（图4）。2010—2023年总干渠水体TN浓度高于Ⅴ类标准限值，属于劣Ⅴ类水体（GB 3838—2002，TN＞2 mg/L），其中2010—2013年水体TN年均值从3 mg/L增至6 mg/L，2013—2021年水体TN年均值逐年递减并稳定至2 mg/L；2021—2023年水体TN年均值趋于稳定，在2 mg/L上下波动。2010—2023年总干渠水体TP年均值波动范围为0.15~0.25 mg/L，属于Ⅲ~Ⅳ类水体（GB 3838—2002，0.1 mg/L＜Ⅲ（TP）≤0.2 mg/L，0.2 mg/L＜Ⅳ（TP）≤0.3 mg/L）。其中2010年水体TP年均值为0.15 mg/L，2013年增至0.25 mg/L，2013—2019年水体TP年均值逐年递减至0.15 mg/L；2019—2023年水体TP年均值趋于稳定，在0.15 mg/L上下波动。
图4四湖总干渠水体总磷和总氮浓度的年际变化趋势（不同字母表示有显著差异（P＜0.05））
Fig.4Interannual variation of total nitrogen and total phosphorus concentration in water in the Four Lakes Main Channel （Different letters indicate significant differences (P＜0.05) ）
四湖总干渠TN、TP浓度年内季节性变化显著（P＜0.05）（图5）。以2022年为例，年内汛期的4—9月达峰值，其TN、TP浓度均值比非汛期（10月—次年3月）分别高约0.5和0.03 mg/L。此外，四湖总干渠水体TP浓度在汛期变化较大（0.05~0.27 mg/L），部分点位的水体TP浓度大于0.2 mg/L；非汛期的水体TP浓度变化较小（0.05~0.18 mg/L），水体TP浓度指标常年达地表水Ⅲ类标准（TP≤0.2 mg/L）。水体TN浓度年内变化特征与TP相似，汛期浓度高且变化较大（0.6~3.5 mg/L），非汛期浓度低且变化较小（0.7~2.2 mg/L）。
总干渠不同断面的水体TN、TP浓度从四湖总干渠渠首（监测断面A~B）、渠中（监测断面C~J）、渠尾（监测断面K~L），依次呈先增加后下降的趋势，具有显著的空间异质性（图6）。四湖总干渠渠首（A~B）来水来自长湖，自河湖网箱养殖取缔后，长湖主要承纳四湖流域上区丘陵水，水质较好；渠中（C~J）来水主要是四湖流域中区的干支渠、灌排闸，且流域中区以稻田种养和淡水养殖为主，其排水量大、水质较差；渠尾（K~L）主要承接四湖流域下区汇水，由于下区汇水面积小，其污染负荷较流域中区小，因此渠尾水质稍好于渠中。由于稻田种养（以稻虾为主）、淡水养殖等主要沿干支渠分布在四湖流域中区，其虾稻田排水特别是水稻种植前（6月）的集中大规模排水、淡水养殖换水以及汛期（5—9月）降雨地表径流等，均会对四湖流域中区各监测断面的水体TP和TN浓度产生较大影响[39-40]，这与本研究中水体TN、TP浓度均值及中位值汛期较非汛期更大（图5）和总干渠渠中较总干渠渠首渠尾更大（图6）的时空特征相符。
图52022年四湖总干渠水体总氮、总磷浓度的年内变化特征 （不同字母表示有显著差异（P＜0.05））
Fig.5The variation characteristics of total nitrogen and total phosphorus concentration in the Four Lakes Main Channel in 2022 （Different letters indicate significant differences (P＜0.05) ）
2.3 四湖流域土地利用类型变化特征
四湖流域土地利用类型遥感解译数据与年鉴统计数据显示，耕地（约67%）、水域（约15%）和建设用地（约13%）是四湖流域的主要土地利用类型，其中水域主要集中在四湖流域下区，建设用地主要集中在长湖周边的荆州市区（图7）。2010—2022年间，四湖流域的土地利用类型变化显著（P＜0.05）。从土地利用转移图谱来看，荆州市、潜江市、监利市、洪湖市、江陵县等市（县）城区的耕地向建设用地转移，四湖流域下区特别是洪湖周边水域向耕地转移（图8）；从年鉴统计数据来看，主要表现为：耕地（+1%）和建设用地（+1%）呈扩张趋势，水域面积（-2%）呈逐年缩减趋势（图9a）。
图62022年四湖总干渠水体总氮、总磷浓度空间变化特征（不同字母表示有显著差异（P＜0.05））
Fig.6The spatial variation characteristics of total nitrogen and total phosphorus concentration in the Four Lakes Main Channel in 2022 （Different letters indicate significant differences (P＜0.05) ）
耕地是四湖流域的主要土地利用类型，占四湖流域总面积的66%~67%（图9a），主要包括旱地耕作、单一水稻种植、稻田种养（稻虾、稻鱼、稻蟹等）和部分陆域淡水养殖。为查明耕地中不同农业种养模式的变化特征，基于荆门市、荆州市、潜江市等地的统计年鉴数据，计算得出2010—2022年四湖流域不同农业种养模式的面积（图9b）。如图9b所示，四湖流域不同农业种养模式的年际面积变化显著（P＜0.05），其中旱地耕作和单一水稻种植面积整体上逐年递减，稻田种养面积逐年递增，而淡水养殖面积先增后减；截至2022年，旱地耕作面积占比减小15%，稻田种养面积占比增加19%，单一水稻种植面积占比减小2%，淡水养殖面积占比在2010—2016年增加约2%、2016—2022年减小4%以上。可见，四湖流域不同农业种养模式的变化特征主要表现为：旱地耕作、单一水稻种植、淡水养殖面积缩减，稻田种养面积增大。
图7四湖流域土地利用变化
Fig.7The land use change of the Sihu Basin
图82011—2021年四湖流域土地利用转移图谱
Fig.8Land use transfer map of the Sihu Basin from 2011 to 2021
图9四湖流域不同土地利用类型（a）和农业种养模式（b）的面积占比年际变化特征
Fig.9The interannual change characteristics of the area proportion of different land use types (a) and agricultural cultivation models (b) in the Sihu Basin
3 讨论
3.1 四湖流域土地利用变化对总干渠水量的影响
将新堤大闸、新滩口泵闸、高潭口泵站等闸泵出口的年排水量累加，计算得出2010—2022年四湖总干渠的年排水量（图2）。四湖总干渠年排水量与降雨产流、“引江济汉”补水、工农业生产用水等因素有关[41-43]。本文重点探讨四湖流域各土地利用类型的降雨产流对四湖总干渠排水量的影响。将四湖流域降雨量（P）、地表产水量（Q-s）、林地产水量（Q-f）、水域产水量（Q-w）、建设用地产水量（Q-c）、水田产水量（Q-p）和旱地产水量（Q-d）与四湖总干渠年排水量（Q-flow）做相关性分析（图10），结果显示，四湖总干渠年排水量与四湖流域降雨量、地表产水量均呈极显著相关，这表明四湖流域的降雨径流大多先汇入流域内的四湖总干渠，再排入长江；不同土地利用类型中，按相关性系数大小排列依次为水域＞旱地＞水田＞林地＞建设用地。
图10四湖总干渠排水量与降雨量、不同土地利用类型产水量的Pearson相关性热图 （*表示P≤0.001，代表显著相关）
Fig.10The heat map of Pearson correlation coefficients between total drainage water and rainfall, water yield of different types of land use (*P≤0.001, represents a statistically significant correlation)
为进一步明确不同土地利用类型变化在地表产水量变化中的贡献率，以年降雨量相近的年份（2011年、2017年）为例，对比分析了2011年和2017年不同土地利用类型面积及其产水量变化（图11）。与2011年相比，2017年四湖流域的水田和建设用地面积分别增加了654和107 km2，旱地和水域面积分别减少了562和204 km2，林地面积略有增加；利用SCS模型估算出不同土地类型变化下的产水量变化，发现不同土地利用类型的产水量变化大小依次为水田＞旱地＞水域＞建设用地＞林地，其中水田增加7.34亿m3、旱地减少4.73亿m3、水域减少1.77亿m3、建设用地增加1.11亿m3、林地增加0.05亿m3。经计算，年均降雨量1000 mm以下，2017年的地表产水量比2011年多2.0亿m3；水田、旱地的产水量变化分别占地表产水量变化的366%和-236%，这表明水田和旱地面积变化是导致流域内地表产水量变化的关键因素（图12）。
图112011—2017年不同土地利用类型面积变化及其产水量变化
Fig.11The changes in area and water yield of different land use types during 2011-2017
3.2 四湖流域农业种养模式变化对总干渠水质的影响
为探究四湖总干渠水质变化的环境影响因素，将总干渠TN浓度、TP浓度与四湖流域氮污染负荷、磷污染负荷、年降雨量、总干渠排水量等环境因子进行基于相关矩阵的RDA分析（图13）。RDA分析结果表明，第一排序轴解释了83.42%的环境因子信息，第一轴因变量（总干渠TN浓度、TP浓度）与环境因子（四湖流域氮污染负荷、磷污染负荷、年降雨量、总干渠排水量）的相关性达91.34%，排序结果可靠。2010—2023年总干渠TN、TP浓度与四湖流域氮污染负荷、磷污染负荷呈极显著正相关（解释度为79.7%，P＜0.01），与降雨量和总干渠排水量呈显著负相关（解释度为3.1%，P＜0.05）。
图122010—2022年不同土地利用类型的产水量占比
Fig.12The proportion of water production by different land use types from 2010 to 2022
为查明四湖流域氮磷污染负荷中不同类型来源的贡献率，基于2010—2023年荆门市、荆州市、潜江市等地的统计年鉴数据，利用输出系数法估算流域内各市（县）的旱地耕作（DC）、水稻种植（RC）、稻虾种养（RSF）、淡水养殖（FA）、畜禽养殖（LPB）、农村生活（RL）、工业废水（IW）7种不同类型来源的氮磷污染负荷，统计计算2010—2022年四湖流域不同类型氮磷污染负荷并绘制堆积柱状图（图14）。结果显示，2010—2022年四湖流域氮磷污染负荷总体呈先上升后下降的趋势，与总干渠TN、TP浓度变化特征基本吻合（图4）。四湖流域氮磷污染负荷中，农业面源污染是主要来源，占总负荷的80%以上。农业面源污染中，氮污染总负荷占比按大小排列依次为水稻种植＞淡水养殖＞稻虾种养，贡献率分别为20%~27%、16%~23%、6%~26%；磷污染总负荷占比按大小排列依次为淡水养殖＞畜禽养殖＞稻虾种养，贡献率分别为25%~32%、21%~30%、7%~26%。由于淡水养殖（FA）和水稻种植（RC）向稻虾种养（RSF）转移，导致稻虾种养（RSF）污染负荷占比逐年递增（从6%增至26%），截至2022年，其氮、磷污染负荷在各类型污染来源中占比最大，未来的环境风险不可忽视（图14）。
图13四湖总干渠年均氮磷浓度与环境因子的冗余分析 （C-TP：总磷浓度；C-TN：总氮浓度；Load-P：磷负荷；Load-N：氮负荷；P：降雨量；Q：排水量）
Fig.13The redundancy analysis of nitrogen and phosphorus concentrations of Four Lakes Main Channel and environmental factors (C-TP: Total phosphorus concentration; C-TN: Total nitrogen concentration; Load-P: Phosphorus load; Load-N: Nitrogen load; P: Rainfall; Q: Drainage volume)
为进一步探究影响四湖流域氮磷污染负荷年际变化的主要因素，查明影响四湖总干渠TN、TP浓度年际变化的关键因子，本文对2010—2022年上述7种不同类型来源的氮磷污染负荷与四湖流域氮磷污染负荷进行相关性分析（图15）。结果表明，淡水养殖、畜禽养殖与四湖流域氮磷污染负荷呈显著正相关（P≤0.001，相关系数≥0.90），是影响四湖流域年际氮磷污染负荷变化的主要因子。由于四湖总干渠TN、TP浓度变化特征与四湖流域氮磷污染负荷变化呈极显著正相关，因此淡水养殖、畜禽养殖的面积变化是影响四湖总干渠TN、TP浓度年际变化的关键因子。
图142010—2022年四湖流域不同类型来源氮（a）、磷（b）污染负荷变化特征
Fig.14The N (a) and P (b) pollution load variation characteristics of different sources in Sihu Basin from 2010 to 2022
四湖流域年内降雨分布不均，4—9月份为汛期，6—7月份为降雨峰值[44]；汛期农业排水、地表径流的频度平均高出非汛期13%，为农业面源污染排放的风险期[45]。相关研究表明[21，46]，为满足稻虾种养，年内4—6月需不断投加小龙虾饵料、化肥，而饵料和化肥投加前1天氮磷浓度会达到峰值，增加了氮磷降雨径流流失风险；此外，夏季水体溶解氧低，淡水养殖和稻虾种养都需频繁进行水质性换水和补水，这又增加了氮磷农业排水流失风险。梁利权等研究发现，水产养殖尾水流量与河流量以1∶200的比例外排，会对河道400 m的TN、TP、CODMn等产生显著影响[47]。因此，水稻种植、稻虾种养和淡水养殖等农业氮磷面源负荷增大，是导致总干渠年内汛期氮磷浓度均值大、变化范围大的主要原因（图5）。
图15四湖流域氮（a）、磷（b）污染负荷与不同类型污染来源的相关性热图 （*表示P≤0.001，代表显著相关）
Fig.15The correlation heat of nitrogen and phosphorus pollution load and different types of pollution sources in Sihu Basin (*P≤0.001, represents a statistically significant correlation)
3.3 四湖总干渠管理启示与治理途径
为贯彻落实长江大保护战略部署，“十三五”（2016—2020年）和“十四五”（2021—2025年）期间，荆州市优化了四湖流域农业种养结构，对四湖总干渠工业企业进行了整改与搬迁，推进了农村生活垃圾收集处理以及河道清淤、岸线整治等工作。
在淡水养殖和稻虾种养方面，优化农业种养结构。2016年以来，荆州市对四湖流域内的长湖和洪湖开展了拆除围网行动，恢复长湖面积3600.2万m2，拆除洪湖12467.3万m2围网，全部取缔养殖700.0万m2，兼顾环境保护的同时发展农业，积极拓展养殖空间，大力推广稻虾种养模式。2016年以来，四湖流域淡水养殖面积占比缩减4%，旱地种植面积缩减11%，稻虾种养面积增加14%（图9b）；相应地，四湖流域淡水养殖氮、磷污染负荷分别减少3542和940 t/a，旱地种植氮、磷污染负荷分别减少2611和236 t/a，稻虾种养氮、磷污染负荷分别增加3721和638 t/a，氮、磷污染负荷合计分别削减2432和538 t/a（图16），四湖总干渠水体TN、TP浓度显著降低（图4）。虽然农业种养结构调整保证了流域内农业生产经济效益，削减了四湖流域氮、磷污染负荷，但稻虾种养规模大、需水量大，这必然会改变区域水循环过程，进而影响区域水环境[41，48]。研究结果显示，2016年以来稻虾种养的氮、磷污染负荷占比增加约20%，且截至2022年其氮、磷污染负荷占比最大，约占42%（图16），未来对区域水环境的影响不容忽视，稻虾种养潜在污染风险还需进一步探究。
图162016年和2022年农业种养结构调整下四湖流域氮（a）、磷（b）污染负荷的变化特征
Fig.16The change characteristics of N (a) and P (b) pollution loads under the adjustment of agricultural cropping-breeding mode in 2016 and 2022 in the Sihu Basin
在畜禽养殖方面，全面加强畜禽养殖防治工作。关闭或搬迁四湖总干渠沿岸禁养区规模化养殖场289家，1047家专业养殖户关停转迁。研究结果显示（图17），2016年以来，四湖流域畜禽养殖氮、磷污染负荷分别减少1430和394 t/a，占四湖流域氮、磷总负荷变化的24.4%和38.2%。
在工业废水、城乡污水排放方面。干（支）渠沿岸缓冲区也是影响总干渠河流水质的重要尺度[49-53]，为此荆州市在2018—2020年还开展了四湖总干渠污染防治三年行动计划，加强了豉湖渠、西干渠、四湖总干渠沿线企业监管，加大工业污染治理监管力度，全面推进城区截污纳管、雨污分流改造、污水管网建设等。自2015年以来，对39家企业进行整改，4家企业关停；新建污水管网157 km，排查污水管网975 km。本研究结果显示（图17），2016年以来，四湖流域工业废水氮、磷污染负荷分别减少1815和61 t/a，占四湖流域氮、磷总负荷变化的29.8%和5.9%。
综上所述，农业种养模式变化是导致四湖流域氮、磷负荷变化的主要原因，贡献率分别达76.5%和78.1%。这表明优化调整四湖流域农业种养模式，对于降低流域内农业面源污染负荷，改善四湖流域水环境至关重要[4-6]。而农业面源负荷又与农业排水、地表径流等因素密切相关[54-55]。因此，未来还需持续关注农业种养结构及其规模，特别是淡水养殖和稻田种养，并要坚持农业节水优先，推进生态循环种养模式，减少高浓度氮磷农业尾水的直接排放量，发展绿色高效农业。此外，近10年四湖流域极端旱涝事件频发，还需考虑气候变化对四湖流域水环境的影响，并进一步开展相关研究[42-43]。
4 结论
1）2010—2023年，四湖总干渠水体TN、TP浓度在年际上呈现出先增加后减小再趋于稳定的变化趋势，年内表现为冬春季低、夏秋季高的特征，在空间上则表现为出入渠口低、中间高的特征；总干渠年内排水量主要集中在4—9月，约占全年的65.7%。
图17四湖流域不同来源氮（a）、磷（b）污染负荷变化特征
Fig.17The change characteristics of nitrogen and phosphorus pollution loads from different sources in the Sihu Basin
2）近10年，四湖流域农业种养模式变化显著，主要表现为旱地耕作面积缩减约15%，稻田种养面积增加约19%，淡水养殖面积在2010—2016年增加了约2%，而在2016—2022年缩减了4%以上。
3）四湖总干渠水量变化除了受降雨量影响外，还与流域内不同土地利用类型的降雨径流量变化相关，其中水田和旱地是主要因子，其贡献分别占总水量变化的366%和-236%。
4）近10年，四湖总干渠TN、TP浓度与流域内氮磷污染负荷显著正相关（解释度为79.7%，P＜0.01），引起流域内氮磷污染负荷变化的主要影响因素是淡水养殖和畜禽养殖；此外，稻田种养对氮磷负荷的贡献近10年从6%增至26%，氮磷污染负荷占比逐渐凸显，未来水环境污染风险不容忽视。
