李曉琳，帥永芳，張 翼，鄭 毅,3，危 鋒,韋曉雪

(1：西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，昆明 650224) (2：云南省水文水資源局大理分局，大理 671000) (3：云南開放大學(xué)，昆明 650500)

洱海是云南省第二大高原淡水湖泊，是云南省水資源的重要載體，也是全省居民密集、人類活動(dòng)頻繁的地區(qū)，在區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮重要作用[1-2]. 由于水體富營養(yǎng)化，洱海曾于1996、2003和2013年多次暴發(fā)藍(lán)藻災(zāi)害，2000年以來，洱海水質(zhì)從Ⅱ類最低下降為Ⅳ類，湖泊生態(tài)保護(hù)形勢(shì)嚴(yán)峻[3-4]. 針對(duì)洱海富營養(yǎng)化問題，大理白族自治州政府制定一系列洱海水環(huán)境保護(hù)治理規(guī)劃，通過生態(tài)修復(fù)、濕地建設(shè)、環(huán)湖管道截污工程建設(shè)，使湖泊水質(zhì)條件有所改善，但水環(huán)境污染狀況仍不容樂觀[5-7]. 因此如何進(jìn)一步明晰流域污染負(fù)荷來源，加強(qiáng)入湖污染負(fù)荷削減，成為洱海水環(huán)境保護(hù)的重要問題.

氮輸入負(fù)荷升高是洱海水環(huán)境退化的重要誘因，定量解析氮污染的時(shí)空分布特征成為流域水環(huán)境精細(xì)化管理的重要基礎(chǔ). 據(jù)測(cè)算，每年進(jìn)入洱海的總氮約2628.2 t，農(nóng)田面源污染、農(nóng)村畜禽糞便和農(nóng)村生活污染是洱海氮污染負(fù)荷的主要來源[8]. 研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田面源污染來源于化肥不合理投入，導(dǎo)致盈余的氮素通過徑流、降水沖刷等方式進(jìn)入湖泊，且種植模式和施肥方式對(duì)氮排放特征具有顯著影響[9-11]；畜禽糞尿遠(yuǎn)超環(huán)境可承載能力且集中排放導(dǎo)致畜禽糞便污染，養(yǎng)殖規(guī)模和結(jié)構(gòu)是主要影響因子[12-13]；農(nóng)村生活污染來源于農(nóng)村人口的排泄物和分散式生活污水的排放，農(nóng)村生活污水排放量計(jì)算及低污染水處理是研究重點(diǎn)[14-15]. 目前，洱海流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)村生活對(duì)洱海水環(huán)境影響的研究開展較多，但多集中于農(nóng)村面源，結(jié)構(gòu)較為單一. 隨著流域快速城鎮(zhèn)化和環(huán)湖旅游業(yè)的“井噴式”無序發(fā)展，洱海氮污染源構(gòu)成日趨復(fù)雜. 王圣瑞等[16]研究發(fā)現(xiàn)，洱海流域城鎮(zhèn)污染存量大，旅游污染增加，導(dǎo)致入湖河流水質(zhì)提升困難. 以往研究多關(guān)注農(nóng)村污染，而忽略城鎮(zhèn)點(diǎn)源及旅游污染源的影響，已無法適應(yīng)洱海流域城鎮(zhèn)化及旅游經(jīng)濟(jì)發(fā)展的現(xiàn)狀，綜合考慮農(nóng)村和城鎮(zhèn)、點(diǎn)源與面源的氮排放的研究鮮見報(bào)道，嚴(yán)重制約洱海流域氮污染精準(zhǔn)化化治理的實(shí)現(xiàn).

當(dāng)前對(duì)流域氮污染源解析多采用模型方法，模擬氮在空間傳輸遷移過程及可能分布特征，常用的模型有：經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⒏拍钅Ｐ秃蜋C(jī)理模型. 其中概念模型(AGNPS模型、AnnAGNPS模型、ANSWERS模型)與機(jī)理模型(GREAMS模型、SWAT模型、HSPF模型)設(shè)計(jì)時(shí)未考慮地形地貌差異，導(dǎo)致對(duì)復(fù)雜區(qū)域模擬效果不佳，或是涉及參數(shù)過多且不易獲取等原因，對(duì)洱海流域的適用性還有待提高[17-20]. 相反，以輸出系數(shù)模型為代表的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膮?shù)相對(duì)容易獲取，且省略了對(duì)非點(diǎn)源污染形成過程的研究，減少了對(duì)土壤侵蝕、污染物遷移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的依賴性. 在實(shí)際應(yīng)用中，輸出系數(shù)模型往往比機(jī)理模型更具操作性和可行性[21]. 目前，輸出系數(shù)模型已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我國諸多流域，并取得較好的模擬結(jié)果[22-24]. 長(zhǎng)期以來，洱海流域污染物排放及入湖負(fù)荷計(jì)算多以全流域或鄉(xiāng)鎮(zhèn)為尺度：如，董利民[25]以洱海全流域?yàn)檠芯繉?duì)象，對(duì)外源性污染源進(jìn)行調(diào)查和解析；翟玥等[26]使用驗(yàn)證后的SWAT模型模擬計(jì)算洱海流域內(nèi)不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)的農(nóng)業(yè)面源污染源結(jié)構(gòu)，識(shí)別重點(diǎn)農(nóng)業(yè)污染村鎮(zhèn)；項(xiàng)頌等[27]對(duì)洱海流域農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷進(jìn)行分析及評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)北部鄉(xiāng)鎮(zhèn)污染物排放量較高，西部各鄉(xiāng)鎮(zhèn)排放強(qiáng)度較大. 研究結(jié)果均值化的呈現(xiàn)方式難以反映氮污染源的空間異質(zhì)性，有必要對(duì)洱海流域加以細(xì)化，從子流域的尺度分析氮時(shí)空分布特征，準(zhǔn)確識(shí)別各類污染源排放格局，定位高負(fù)荷敏感區(qū)及其主要污染源，進(jìn)而為指導(dǎo)控源減排措施的精準(zhǔn)實(shí)施提供依據(jù).

因此，本文利用GIS流域分析功能，將洱海流域劃分為26個(gè)子流域；通過文獻(xiàn)挖掘和實(shí)地調(diào)研獲得模型參數(shù)，利用輸出系數(shù)模型結(jié)合GIS空間分析功能，分析洱海流域1998-2016年間氮素污染時(shí)空分布特征，定量流域內(nèi)農(nóng)村和城鎮(zhèn)區(qū)域的氮污染源結(jié)構(gòu)，精確量化不同時(shí)期各子流域的重要污染源，為洱海流域水環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)和實(shí)踐參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

洱海(25°30′～26°00′N，100°00′～100°30′E)是全國第七大淡水湖泊，位于大理白族自治州境內(nèi)，地跨大理市和洱源縣，湖面面積250 km2，平均水深10.5 m，流域面積2565 km2[28]. 洱海流域位于北亞熱帶高原季風(fēng)氣候帶上，具有年溫差小、日溫差大、干濕季節(jié)分明的氣候特點(diǎn)[20]. 流域內(nèi)有大小河溪117條，其中彌苴河、永安江、羅時(shí)江位于洱海的北部，彌苴河是位于洱海北部最大的入湖河流；波羅江、西洱河位于洱海的南部；蒼山十八溪位于洱海的西側(cè)；鳳尾菁、海東菁、龍王廟菁位于洱海的東側(cè). 本研究基于DEM數(shù)據(jù)并結(jié)合GIS流域分析功能，將洱海流域劃分為26個(gè)子流域，其中18、19、20號(hào)子流域?qū)儆诙纯h，其余子流域?qū)儆诖罄硎?圖1).

圖1 洱海流域及土地利用Fig.1 Sub-basins and land use in Lake Erhai basin

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)包括地理空間數(shù)據(jù)、農(nóng)村數(shù)據(jù)及城鎮(zhèn)數(shù)據(jù)3部分. 其中地理空間數(shù)據(jù)涉及土地利用分布圖、子流域邊界圖等. 基于地理空間數(shù)據(jù)云和自然資源部國土衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心平臺(tái)獲取遙感影像，通過數(shù)據(jù)預(yù)處理、監(jiān)督分類和目視解譯，結(jié)合GIS的空間分析功能，獲得1998、2005、2010和2016年洱海流域土地利用分布圖，包括耕地、林地、草地、建設(shè)用地、水域和未利用地6大類型，總體分類精度和Kappa系數(shù)均達(dá)到90%以上. 基于DEM數(shù)據(jù)并結(jié)合GIS流域分析功能，獲得洱海子流域分布圖；農(nóng)村數(shù)據(jù)主要來源于1998-2016年大理白族自治州地方年鑒、統(tǒng)計(jì)年鑒、云南省數(shù)字鄉(xiāng)村網(wǎng)及實(shí)地調(diào)研[29-30]. 涉及的數(shù)據(jù)包括：農(nóng)村人口數(shù)量、雞、豬、牛、羊和大牲畜等畜禽養(yǎng)殖數(shù)量，糧食和經(jīng)濟(jì)作物播種面積、產(chǎn)量以及氮肥施用量. 城鎮(zhèn)數(shù)據(jù)主要來源于1998-2016年大理州國民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)、大理白族自治州統(tǒng)計(jì)年鑒和洱海流域水污染綜合防治規(guī)劃等[6,29,31-32]. 涉及數(shù)據(jù)包括：城鎮(zhèn)人口數(shù)量、旅游人口數(shù)量、二三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、不達(dá)標(biāo)污水量等.

1.3 研究方法與參數(shù)獲取

洱海流域的氮素來源主要包括農(nóng)村和城鎮(zhèn)兩部分，在本研究中根據(jù)污染物排放方式不同，將其劃分為面源污染和點(diǎn)源污染兩種形式(圖2).

圖2 污染負(fù)荷入湖機(jī)制Fig.2 The mechanism of pollution load into the lake

1.3.1 面源污染計(jì)算方法 面源污染主要是由于流域內(nèi)產(chǎn)生的污染物通過降雨的沖刷作用，隨著地表徑流和泥沙的陸面輸移到達(dá)河流. 在農(nóng)村區(qū)域，面源污染主要來源于農(nóng)村生活產(chǎn)生的廢棄物還田、化肥施用、土地利用等；在城鎮(zhèn)區(qū)域主要來源于建設(shè)過程中產(chǎn)生的污染. 本研究中采取輸出系數(shù)模型法計(jì)算面源污染. 輸出系數(shù)法又名單位負(fù)荷法，最早于1996年由英國科學(xué)家Johnes提出，是基于多元線性回歸分析的數(shù)學(xué)模型，直接建立流域土地利用類型、施肥量、牲畜、人口等數(shù)據(jù)與面源污染輸出量之間的關(guān)系，然后通過對(duì)不同污染源類型的污染負(fù)荷求和，得到研究區(qū)的污染輸出負(fù)荷[33]. 具體計(jì)算過程參考文獻(xiàn)[34]，其中參考《第一次全國污染普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》[35]以及包維卿等[36]和董利民[25]的研究綜合分析，得出洱海流域中大牲畜、豬、羊、奶牛和家禽畜禽糞尿排泄系數(shù)及氮含量；采用文獻(xiàn)查閱法，結(jié)合洱海流域?qū)嶋H的經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度和土地利用類型，確定洱海流域林地、草地、未利用地和農(nóng)村人口輸出系數(shù)[37]，分別為0.24 kg/hm2、1.57 kg/hm2、5.0 kg/hm2和2.83 kg/人. 入湖系數(shù)是指污染物在降水沖刷和坡度作用下向流域出口輸入與遷移過程中，會(huì)受到植被攔截、地下滲漏、自然沉降以及各種生化作用的影響，導(dǎo)致污染物出現(xiàn)的入湖損失，本文中入湖系數(shù)來源于文獻(xiàn)[3,38-40].

此外，自然條件的生物固氮和大氣沉降也是面源污染的重要組成部分，具體計(jì)算過程為：

P=d·a·λ

(1)

式中，d為研究區(qū)域單位面積上氮沉降率或生物固氮量，kg/km2；a為研究區(qū)域的面積，km2；λ代表徑流系數(shù). 單位面積干濕氮沉降率、生物固氮量及徑流系數(shù)均來源于文獻(xiàn)資料[36,39-40].

1.3.2 點(diǎn)源污染計(jì)算方法 洱海流域點(diǎn)源污染主要來源于城鎮(zhèn)區(qū)域，包括城鎮(zhèn)居民生活、工業(yè)污水、旅游污染等通過處理設(shè)施后排入湖泊. 此外，隨著農(nóng)村污水收集處理及農(nóng)村環(huán)境整治工作的開展以及規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)日益增加，農(nóng)村生活和畜禽養(yǎng)殖污染不僅以傳統(tǒng)方式還田，還有部分是設(shè)施處理后通過管道運(yùn)輸以點(diǎn)源方式排入湖泊[34]. 具體計(jì)算方式如下：

(1)城鎮(zhèn)(農(nóng)村)居民生活：

Lj·pop=365POPU·α1·β1

(2)

式中，Lj·pop為第j子流域中城市居民生活產(chǎn)生的總氮污染負(fù)荷，t；POPU代表生活污水可被污水設(shè)施處理的城市或農(nóng)村人口數(shù)量；α1代表城市(或農(nóng)村)居民中每人每天氮排放量，t；β1是城市(或農(nóng)村)居民生活污染物通過城鎮(zhèn)化糞池、管網(wǎng)收集和污染治理設(shè)施處理后，最終進(jìn)入湖泊的比例. 根據(jù)文獻(xiàn)資料確定城鎮(zhèn)生活中每人每天氮排放量為11.9 g[38].

(2)產(chǎn)業(yè)污染，包括工業(yè)污染、旅游污染和規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖污染：

Lj·t=Wj·t·αj·t·βj·t

(3)

式中，Lj·t是第j子流域中第t類產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)生總氮污染負(fù)荷(t)；Wj·t是第j子流域中第t類不達(dá)標(biāo)工業(yè)污水排放量(t)，或每年旅游人口數(shù)量(人)，或每年規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖產(chǎn)生的糞尿量(t)，其中子流域的污水排放量及畜禽養(yǎng)殖的糞尿量用面積加權(quán)法獲取，子流域旅游人口數(shù)量根據(jù)各個(gè)子流域內(nèi)旅游景點(diǎn)、住宿和餐飲的數(shù)量確定權(quán)重，再將各子流域權(quán)重與旅游總?cè)丝谙喑双@??；αj·t代表第j子流域中第t類每噸不達(dá)標(biāo)工業(yè)污水含氮量，或旅游人口的氮排放量，或畜禽的排泄物中含氮量；βj·t是第j子流域中第t類工業(yè)污水，或旅游、規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖污水通過管網(wǎng)收集、污染治理設(shè)施處理后最終進(jìn)入湖泊的比例. 城鎮(zhèn)生活、農(nóng)村生活、旅游和畜禽養(yǎng)殖的系數(shù)取值分別為0.10～0.21、0.4～0.5、0.10～0.21和0.16～0.20. 根據(jù)文獻(xiàn)資料確定工業(yè)不達(dá)標(biāo)污水中總氮含量[41]、畜禽糞便還田比例[42]和旅游人口總氮入湖量[43].

2 結(jié)果與分析

2.1 1998-2016年洱海流域總氮污染入湖負(fù)荷分析

洱海流域在1998-2016年的總氮污染負(fù)荷平均值為2502.73 t，其中1998、2005、2010、2016年總氮污染負(fù)荷分別為2442.43、2573.10、2606.28、2389.10 t，污染負(fù)荷先增加后有所下降(表1). 其中，面源污染是其主要來源，1998、2005、2010、2016年面源污染占總污染負(fù)荷比例分別為93.21%、91.84%、89.50%、86.09%，相比2010年，2016年降幅(11.84%)最大. 但從數(shù)量上看，面源污染呈下降趨勢(shì)，從2276.28 t 降至2056.67 t. 與之相反，點(diǎn)源污染出現(xiàn)明顯上漲，從1998年的166.15 t升至2016年的332.43 t，但其占比遠(yuǎn)低于面源污染.

表1 洱海流域總氮入湖污染負(fù)荷

2.2 洱海流域總氮污染源分析

化肥污染、畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)村生活和大氣沉降是洱海流域主要的面源污染(圖3A). 由化肥施用引起的農(nóng)田面源污染呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，從792.42 t降至604.21 t，降幅達(dá)23.75%. 由畜禽養(yǎng)殖過程中糞尿還田所導(dǎo)致的污染呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，從1998年的516.51 t升至2005年的545.32 t，后又降至2016年的499.06 t. 同樣地，農(nóng)村生活面源污染呈現(xiàn)明顯的先增后減的趨勢(shì)，從1998年的411.28 t到2010年的518.57 t，漲幅達(dá)26.09%，后又降至2016年的405.84 t，降幅為1.32%. 除了人為活動(dòng)外，由自然因素引起的大氣沉降也是洱海流域總氮污染負(fù)荷的一個(gè)重要來源，但近年來呈現(xiàn)先升后降逐年下降的趨勢(shì)，從1998年的370.60 t降至2016年的338.90 t，降幅為8.55%. 此外，生物固氮、建筑污染以及土地利用貢獻(xiàn)量相對(duì)較小，截止2016年三者僅為159.79、28.64和20.23 t.

城鎮(zhèn)生活、畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)村生活、旅游污染和工業(yè)污染是洱海流域主要的點(diǎn)源污染(圖3B). 城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活點(diǎn)源污染貢獻(xiàn)均呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，兩者分別增加32.09和40.17 t. 隨著流域內(nèi)規(guī)模化養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展以及養(yǎng)殖技術(shù)的不斷完善，大多養(yǎng)殖場(chǎng)均配置有污水處理設(shè)備，使得畜禽糞尿通過污水處理設(shè)施后以點(diǎn)源形式排入湖泊內(nèi)，該部分點(diǎn)源污染近年也呈現(xiàn)出明顯上漲趨勢(shì)，從1998年的35.87 t升至2016年的73.16 t. 在諸多污染源中，旅游污染上升幅度最大，從1998年的7.34 t陡升至68.59 t，增長(zhǎng)8.3倍，其中2005-2010年的漲幅最大，高達(dá)84.76%. 此外，工廠污水點(diǎn)源污染源呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)，1998-2005年間減少18.98 t，但此后升至30.56 t.

圖3 洱海流域總氮入湖污染負(fù)荷(A：面源污染負(fù)荷；B：點(diǎn)源污染負(fù)荷)Fig.3 Total nitrogen pollution in Lake Erhai basin (A: Non-point source pollution load; B: Point source pollution load)

2.3 洱海流域總氮入湖污染負(fù)荷空間分析

根據(jù)GIS的自然間斷功能，將入湖污染負(fù)荷量劃分為4個(gè)等級(jí)(圖4). 洱源縣所轄流域(包括18、19、20號(hào)子流域)1998、2005、2010和2016年的總氮污染負(fù)荷分別為1246.23、1331.01、1343.85、1207.34 t，占全流域的50%以上，其中化肥污染、畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)村生活是主要的污染來源，貢獻(xiàn)比例分別為28%、22%和18%. 大理市所轄流域總氮入湖污染負(fù)荷分別為1054.95、1116.33、1151.41、1062.59 t，主要來源于化肥施用、畜禽養(yǎng)殖、城鎮(zhèn)生活和旅游污染. 洱源縣單位面積總氮污染負(fù)荷主要集中在0～1000 kg/km2，大理市主要集中在1000～1500和1500～2000 kg/km2.

不同子流域的單位面積污染負(fù)荷量在空間格局上不盡相同. 其中7、8、11、18和24號(hào)子流域總氮污染負(fù)荷量較高，分別為1857、1582、1541、1088和1050 kg/km2，而21號(hào)子流域的單位負(fù)荷量最低，僅為709 kg/km2. 7、8號(hào)子流域是變化幅度最大的子流域，7號(hào)子流域單位面積負(fù)荷量從1998年的1142 kg/km2增至2016年的2387 kg/km2，增加2倍以上，8號(hào)子流域從1067 kg/km2增至1947 kg/km2，上升幅度高達(dá)45%；其他子流域的變化幅度不均勻，其中4號(hào)子流域下降趨勢(shì)最明顯，下降幅度約為11%.

從子流域的氮污染源來看，不同的子流域污染來源差異明顯. 11、18、24子流域以化肥污染為主，3個(gè)子流域的化肥污染占比均達(dá)40%左右；畜禽養(yǎng)殖污染主要集中在18、19、20號(hào)子流域，農(nóng)村生活污染主要集中于2～6子流域. 城鎮(zhèn)生活污染源主要集中在23、24、25號(hào)子流域，約占總污染負(fù)荷的25%. 7號(hào)子流域中旅游污染比較突出，從1998年的2.31 t上升到2016年的21.56 t.

圖4 1998-2016年子流域總氮污染負(fù)荷分布及組成Fig.4 Distribution and composition of total nitrogen pollution load in sub-basins from 1998 to 2016

3 討論

3.1 1998-2016年洱海流域總氮入湖污染負(fù)荷時(shí)間分異特征

1998-2016年間洱海流域總氮負(fù)荷量呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，1998-2005年間從2442.43 t 增至2573.10 t，主要由于面源污染負(fù)荷的增加. 該時(shí)期洱海流域種植業(yè)發(fā)展迅速，以大蒜為主的高氮肥作物面積不斷擴(kuò)大，化肥的大量施用導(dǎo)致盈余的氮素隨降雨及灌溉排水等方式進(jìn)入湖泊；2003年洱海流域暴發(fā)大規(guī)模的藍(lán)藻水華，當(dāng)?shù)卣岢鲆幌盗兄卫泶胧ā叭巳€”(退塘還湖、退耕還林、退房還濕地)、農(nóng)業(yè)面源污染治理等，最終2005年面源污染有所改善. 但是從總量上看，2005年總氮負(fù)荷量依然高達(dá)2606.28 t，究其原因，雖然該時(shí)期面源污染得到一定程度控制，但是隨著洱海流域城鎮(zhèn)化快速發(fā)展，城鎮(zhèn)人口從15.78萬人增至24.65萬人，人口的增加導(dǎo)致污水處理量增加且難度提升，而當(dāng)時(shí)流域內(nèi)污水處理廠數(shù)量少且處理設(shè)施落后、效率低下，最終點(diǎn)源污染增加.

2010-2016年間洱海流域總氮負(fù)荷量下降217.18 t. 一方面，隨著洱海流域水污染綜合防治規(guī)劃中提出的畜禽養(yǎng)殖污染治理與資源化、農(nóng)業(yè)面源污染控制等一系列工程的實(shí)施，有效地降低了面源污染；另一方面伴隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，污染嚴(yán)重的大蒜種植面積不斷減少，通過綠色農(nóng)業(yè)方式及測(cè)土配方措施進(jìn)一步降低了由化肥施用引起的農(nóng)田面源污染[44]. 雖然流域內(nèi)總氮面源污染有所降低，但是依然是最重要的污染物排放方式，占總量80%以上，面源污染具有分散性、隱蔽性和不確定性等特征，因此在未來的洱海生態(tài)環(huán)境保護(hù)過程中，依然需要繼續(xù)加強(qiáng)面源污染控制.

3.2 1998-2016年洱海流域總氮入湖污染負(fù)荷源結(jié)構(gòu)解析

表2 與其他相關(guān)研究結(jié)果比較

洱海流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程產(chǎn)生的總氮污染入湖負(fù)荷占污染負(fù)荷總量的50%以上，其中1998、2005、2010和2016年化肥污染產(chǎn)生的總氮負(fù)荷量分別為792.42、744、730.57和604.21 t，而養(yǎng)殖過程的總氮負(fù)荷量為516.51、545.32、531.49和499.06 t；均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于當(dāng)年的點(diǎn)源污染總量. 如表2所示，對(duì)比洱海流域水污染綜合防治“十二五”“十三五”規(guī)劃以及前人研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，本研究中的城鎮(zhèn)生活污染、干濕沉降和旅游污染與已有研究結(jié)果相符，但是農(nóng)村生活、畜禽養(yǎng)殖及農(nóng)田面源存在一定差異，究其原因主要是由于過去研究多將農(nóng)村污水、畜禽養(yǎng)殖污染均作為面源處理，但實(shí)際上隨著洱海流域內(nèi)農(nóng)村污水收集處理及農(nóng)村環(huán)境整治工作的開展，以及配套布設(shè)的污水處理設(shè)施處理的規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)的增加，使得農(nóng)村生活和畜禽養(yǎng)殖污染物并未完全作為有機(jī)肥還田，而是部分通過集中處置后納管排放，最終導(dǎo)致負(fù)荷量存在差異.

化肥污染和畜禽養(yǎng)殖已經(jīng)成為洱海流域總氮污染的主要來源. 洱海流域是大理州農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要區(qū)域，蔬菜等高氮肥作物的面積較大，據(jù)統(tǒng)計(jì)洱海流域蔬菜面積為8400 hm2，平均氮肥施用量達(dá)1800 kg/hm2，遠(yuǎn)高于全國平均水平[46]. 隨著種植業(yè)的快速發(fā)展，帶來化肥投入的增加，同時(shí)化肥投入量大與利用效率低下之間的矛盾，造成盈余的氮素只能損失到環(huán)境中，通過淋洗、徑流、侵蝕進(jìn)入水體中. 另一方面，洱海流域作為大理白族自治州重要的奶牛和生豬養(yǎng)殖基地，截止2016年兩者養(yǎng)殖量分別為6.8萬和36.12萬頭，畜禽養(yǎng)殖以圈養(yǎng)為主，但是分布于流域廣大的農(nóng)村區(qū)域，畜禽糞尿的處理難度大，導(dǎo)致畜禽糞尿中的氮隨降雨及地表徑流進(jìn)入河流并最終匯入洱海，這與董利民的研究結(jié)果相吻合[43]. 此外，農(nóng)村生活過程中產(chǎn)生的面源污染，也是洱海流域氮污染的重要來源. 雖然流域內(nèi)重要集鎮(zhèn)配套建成污水處理網(wǎng)，但2010年以前流域內(nèi)大部分自然村的污水收集設(shè)施、排水設(shè)施均不完善，導(dǎo)致大量生活污水得不到妥善處理，該結(jié)果與龐燕等的研究結(jié)論相一致[14].

農(nóng)村和城鎮(zhèn)生活污染是洱海流域總氮點(diǎn)源污染的主要來源，分別占比21.36%和26.81%，雖然按照“集中與處理相結(jié)合，以集中為主要處理手段”的原則，流域內(nèi)相繼建成了多座污水處理廠，但是隨著城鎮(zhèn)化和旅游業(yè)的發(fā)展，城鎮(zhèn)人口持續(xù)增長(zhǎng)，農(nóng)村經(jīng)濟(jì)收入的增加，居民生活方式的改變導(dǎo)致用水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于污水處理容量，而且農(nóng)村排水設(shè)施和收集系統(tǒng)的建設(shè)相對(duì)落后，設(shè)施使用率及效率低下，造成城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活污水不減反增. 此外，近年來大理旅游業(yè)的繁榮，導(dǎo)致旅游污染成為增長(zhǎng)最快的污染源，增長(zhǎng)8.3倍. 因此未來旅游污染控制將成為洱海氮污染控制的重點(diǎn). 近年大理州人民政府相繼提出洱海流域旅游接待實(shí)行“門前三包”制度、污水垃圾有償收集處理制度，強(qiáng)力調(diào)整沿湖旅游業(yè)無序、低端發(fā)展現(xiàn)狀. 相關(guān)措施的制定可與本研究結(jié)果相互印證[47].

3.3 洱海流域總氮入湖污染負(fù)荷空間分布特征

子流域7、8、11、18和24對(duì)總氮入湖污染貢獻(xiàn)最大，總氮負(fù)荷均值分別為1857、1582、1541、1088和1050 kg/km2. 7、8號(hào)子流域總氮負(fù)荷主要來源于旅游污染，截止2016年，大理市共接待游客1100萬人，巨大的旅游人口導(dǎo)致用水量及污水的激增，但污水處理設(shè)施建設(shè)的缺失且滯后，導(dǎo)致污水未得到有效處理. 2、11號(hào)子流域位于洱海流域西部壩區(qū)，該區(qū)域以種植業(yè)為主，過去主要種植大蒜、蠶豆等高施肥量、高耗水作物，造成該區(qū)域的農(nóng)業(yè)面源污染問題突出，但是自2010年后，隨著環(huán)湖截污工程及相應(yīng)污水處理設(shè)施的建設(shè)，該區(qū)域的農(nóng)業(yè)面源污染得到有效控制，到2016年區(qū)域內(nèi)總氮負(fù)荷量均低于1000 kg/km2；18號(hào)子流域位于洱海流域北部，洱源和鄧川盆地畜牧業(yè)發(fā)達(dá)，是主要的奶牛和生豬養(yǎng)殖基地. 該區(qū)域農(nóng)牧分離問題嚴(yán)重，畜禽糞尿作為有機(jī)肥還田率僅有8%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于全國30%～50%的水平. 畜禽糞尿的不合理利用及管理，導(dǎo)致畜禽養(yǎng)殖成為主要來源. 24號(hào)子流域位于洱海流域南部區(qū)域，是大理市主城區(qū)所在地，也是人口最為密集的區(qū)域. 污水量大且污水處理設(shè)施老舊處理率低等問題，使得城鎮(zhèn)生活成為該區(qū)域總氮負(fù)荷的主要來源. 2016年洱海流域中洱源縣的總氮負(fù)荷量(1207.34 t)高于大理市(1062.59 t)，農(nóng)業(yè)是洱源縣的主要產(chǎn)業(yè)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的農(nóng)業(yè)面源污染及畜禽糞尿污染是其主要來源.

綜上所述，根據(jù)洱海流域各子流域的總氮負(fù)荷時(shí)空特征及其源結(jié)構(gòu)解析，本文針對(duì)不同區(qū)域提出差異化的治理措施：(1)北部以畜禽養(yǎng)殖為主的18、19、20號(hào)子流域：一方面嚴(yán)格劃定畜禽養(yǎng)殖區(qū)域，避免全流域分散養(yǎng)殖；另一方面通過種養(yǎng)結(jié)合形式，提高畜禽糞尿作為有機(jī)肥的還田比例，促進(jìn)氮素在種養(yǎng)系統(tǒng)中的循環(huán)利用，減少氮的環(huán)境排放；(2)西部以種植業(yè)為主的2～6號(hào)和9～11號(hào)子流域：實(shí)施種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，減少高耗氮作物種植面積，優(yōu)化化肥與有機(jī)肥結(jié)構(gòu)，減少化肥投入；(3)東南部的22～24號(hào)子流域城鎮(zhèn)區(qū)域以及西部2～6子流域中的農(nóng)村區(qū)域：增加城鎮(zhèn)專業(yè)化運(yùn)營污水處理廠數(shù)量；完善農(nóng)村污水管網(wǎng)體系建設(shè)，提高農(nóng)村污水處理效率；(4)以旅游業(yè)為主的7、8號(hào)子流域：在旅游人口密集居住區(qū)域加強(qiáng)污水處理和收集設(shè)施建設(shè)，提高污水去除效率. 此外，在控源減排的同時(shí)，完善環(huán)湖截污工程建設(shè)，實(shí)現(xiàn)沿湖村落污水處理與環(huán)湖截污體系相連接；發(fā)展農(nóng)村生活與養(yǎng)殖污水處理集成技術(shù)等，進(jìn)一步減少總氮入湖負(fù)荷量.

4 結(jié)論

1)利用輸出系數(shù)模型，分析洱海流域1998-2016年間總氮入湖污染負(fù)荷時(shí)空分布特征. 1998、2005、2010和2016年的洱海流域總氮入湖污染負(fù)荷分別為2442.43、2573.10、2606.28和2389.10 t. 面源污染是洱海流域氮排放的主要形式，占總污染負(fù)荷60%以上；點(diǎn)源污染呈現(xiàn)增加趨勢(shì).

2)通過對(duì)流域內(nèi)農(nóng)村和城鎮(zhèn)區(qū)域的總氮入湖污染負(fù)荷源結(jié)構(gòu)定量化研究，發(fā)現(xiàn)化肥污染、畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)村生活是洱海流域氮負(fù)荷的主要污染源. 其中面源污染貢獻(xiàn)程度依次為化肥污染>畜禽養(yǎng)殖>農(nóng)村生活>大氣沉降>生物固氮>土地利用；點(diǎn)源污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率從大到小依次為城鎮(zhèn)生活>農(nóng)村生活>畜禽養(yǎng)殖>旅游污染>工業(yè)污染.

3)基于GIS空間分析功能，精確量化不同時(shí)期各子流域的重要污染源. 洱海流域7(中和溪)、8(桃梅溪)、11(白石溪)、18(羅時(shí)江)和24(波羅江)號(hào)子流域?qū)偟牒廴矩暙I(xiàn)最大，單位面積總氮負(fù)荷分別為1857、1582、1541、1088和1050 kg/km2. 以旅游污染、化肥污染、畜禽養(yǎng)殖和城鎮(zhèn)生活污染為主. 根據(jù)洱海流域各子流域的總氮入湖污染負(fù)荷時(shí)空分異特征及源結(jié)構(gòu)解析，針對(duì)不同區(qū)域提出差異化的治理措施：通過生活污水集中處理，提高污水處理率；畜禽養(yǎng)殖規(guī)?；?，加強(qiáng)糞便處理技術(shù)；優(yōu)化化肥和有機(jī)肥結(jié)構(gòu)等措施實(shí)現(xiàn)氮素有效減排，控制洱海水體富營養(yǎng)化.