基于輸出系數(shù)模型的1998—2016年洱海流域磷素時(shí)空變化特征分析

韋曉雪，李曉琳，鄭 毅*

（1.西南林業(yè)大學(xué)濕地學(xué)院，昆明 650224；2.西南林業(yè)大學(xué)國(guó)家高原濕地研究中心，昆明 650224；3.西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，昆明 650224）

洱海位于云南大理白族自治州境內(nèi)，系云南省第二大高原淡水湖泊，具有供水、灌溉、漁業(yè)、航運(yùn)、旅游等多種功能，在區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用[1]。但由于洱海具有入湖河流源近流短、水體交換周期長(zhǎng)、水量少等特征，使其富營(yíng)養(yǎng)化狀況日趨嚴(yán)重[2]。20世紀(jì)90年代以來(lái)，洱海水質(zhì)從Ⅱ類(lèi)下降為Ⅲ類(lèi)，主要水質(zhì)指標(biāo)尤其是總磷量呈增加趨勢(shì)，區(qū)域經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展成為該區(qū)域可持續(xù)發(fā)展面臨的重要問(wèn)題[3-4]。洱海富營(yíng)養(yǎng)化是一個(gè)長(zhǎng)期而緩慢的過(guò)程[5]。近20年來(lái)，在國(guó)家重大水專(zhuān)項(xiàng)的支持下，地方政府制定了一系列洱海流域水環(huán)境保護(hù)治理規(guī)劃（1996—2016），以期減少經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展下洱海流域污染負(fù)荷，但近些年水環(huán)境污染依舊存在。因此，運(yùn)用科學(xué)方法揭示長(zhǎng)時(shí)間尺度下洱海流域磷素的時(shí)空分布規(guī)律，分析其存在的問(wèn)題并提出對(duì)策，對(duì)于改善洱海水質(zhì)、保護(hù)洱海流域水環(huán)境，實(shí)現(xiàn)洱海流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)的科學(xué)指導(dǎo)意義。

磷素的輸入是導(dǎo)致洱海水質(zhì)不斷惡化的主要限制因子[6]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與農(nóng)村生活污染是流域環(huán)境污染的主要來(lái)源，二者對(duì)流域污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率在60%以上[7-9]。流域內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)強(qiáng)度加大、化肥農(nóng)藥使用過(guò)量、農(nóng)戶(hù)散養(yǎng)畜禽糞便資源利用程度不高，使得農(nóng)業(yè)面源污染急速增加[10-12]。加上生產(chǎn)過(guò)程中磷素利用效率低的矛盾，導(dǎo)致盈余磷素在土壤內(nèi)累積，或通過(guò)徑流、淋溶、侵蝕進(jìn)入水體，加劇了水體富營(yíng)養(yǎng)化[13]。富磷的農(nóng)村生活污水和生活垃圾隨意排放與丟棄，致使農(nóng)村污染進(jìn)一步加重[14-15]。流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展過(guò)程中，城鎮(zhèn)入湖磷污染負(fù)荷逐年升高是導(dǎo)致洱海水質(zhì)下降的另一重要原因，王圣瑞等[16]研究發(fā)現(xiàn)洱海流域城鎮(zhèn)污染存量大，旅游污染快速增加，導(dǎo)致入湖河流水質(zhì)提升困難。一方面人口數(shù)量持續(xù)上升，人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度加大，導(dǎo)致流域污染干擾性增強(qiáng)[17]；另一方面快速城鎮(zhèn)化進(jìn)程中洱海流域城市建筑面積加大，水泥等不透水性下墊面增加，加快污水進(jìn)入水體時(shí)間[18-19]。然而目前綜合考慮農(nóng)村和城鎮(zhèn)兩大污染源的研究甚少，已有研究多涉及農(nóng)村面源污染對(duì)洱海水環(huán)境的影響，實(shí)際上忽略了城鎮(zhèn)與農(nóng)村不同污染來(lái)源的差異性及其對(duì)水環(huán)境的影響。

有學(xué)者從空間尺度對(duì)洱海流域農(nóng)業(yè)面源污染分布情況進(jìn)行了研究。如杜寶漢[20]以區(qū)為單元估算了洱海流域農(nóng)村非點(diǎn)源污染量，發(fā)現(xiàn)洱海西部與北部是污染重點(diǎn)控制區(qū)；翟玥等[21]以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單元核算了洱海流域面源污染評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)對(duì)入湖貢獻(xiàn)最大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)是江尾、右所、三營(yíng)、玉湖、鳳儀和喜洲，約占流域污染負(fù)荷的65%。但已有研究多是基于大尺度污染物研究估算，具有空間異質(zhì)性結(jié)果不夠細(xì)致的缺點(diǎn)，導(dǎo)致難以區(qū)分各污染來(lái)源分布格局與定位高負(fù)荷敏感區(qū)及其污染類(lèi)型[22]。因此，為了保護(hù)洱海流域健康的水環(huán)境功能，有必要全面且細(xì)致地摸清洱海流域磷污染排放源，以子流域尺度估算洱海流域磷污染負(fù)荷。以子流域?yàn)閱卧浪愣Ａ饔蛄孜廴荆欣趯?duì)洱海流域磷素污染提出因地制宜的精細(xì)化管理，從而實(shí)現(xiàn)減少流域磷素污染的目標(biāo)。

本研究通過(guò)整理年鑒數(shù)據(jù)、挖掘文獻(xiàn)資料、實(shí)地調(diào)研及監(jiān)測(cè)等方式，將輸出系數(shù)模型與ArcGIS相結(jié)合，精確分析洱海流域26個(gè)子流域在1998—2016近20年間總磷負(fù)荷時(shí)空分布特征，定量分析流域內(nèi)農(nóng)村和城鎮(zhèn)區(qū)域的外源磷污染源結(jié)構(gòu)，識(shí)別洱海流域重點(diǎn)污染源和污染區(qū)域，為今后洱海流域水環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)和實(shí)踐參考。

1 研究區(qū)概況

洱海流域位于大理白族自治州中部偏東位置，地跨大理市和洱源縣兩個(gè)區(qū)域（25°30′～26°00′N(xiāo)，100°00′～100°30′E），流域總面積為2 556.4 km2。洱海隸屬瀾滄江的分支水系，是云南高原上僅次于滇池的第二大高原湖泊。洱海流域主要進(jìn)水河流為彌苴河、羅時(shí)江、永安江，位于洱海北部區(qū)域，唯一的出水口分布在西南地區(qū)的西洱河流域，湖水途經(jīng)漾濞江最后匯入瀾滄江。本文參照董利民[23]的研究，依據(jù)流量匯流區(qū)并結(jié)合GIS將洱海流域劃分為26個(gè)子流域，按照縣級(jí)行政單元?jiǎng)澐郑恿饔?8～20轄屬洱源縣，其余子流域轄屬大理市（圖1）。

圖1 洱海流域及土地利用Figure 1 Watershed and land use in Erhai Lake basin

2 研究方法

本研究將洱海磷污染依照來(lái)源分為農(nóng)村污染源與城鎮(zhèn)污染源。農(nóng)村污染源由農(nóng)村生活、畜禽養(yǎng)殖糞便、林地磷淋洗以及農(nóng)業(yè)面源污染組成；城鎮(zhèn)污染源由城鎮(zhèn)生活污水、建筑污染、工業(yè)污染和旅游污染構(gòu)成。從入湖方式劃分，又可分為點(diǎn)源和面源兩種形式。農(nóng)業(yè)面源污染是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中過(guò)量施用化肥農(nóng)藥、畜禽糞便以及農(nóng)村生活污染不合理排放等對(duì)農(nóng)業(yè)以及農(nóng)村環(huán)境造成的大范圍污染，具有分散性、不確定性、隱蔽性和難測(cè)性的特點(diǎn)[24]。傳統(tǒng)意義上的農(nóng)村生活污染是通過(guò)面源方式入湖，但相關(guān)研究表明：自20世紀(jì)90年代末期起，大理市政府已著手農(nóng)村生活污水收集工作，農(nóng)村污水收集率已從10%上升到80%以上。因此本研究認(rèn)為，農(nóng)村生活產(chǎn)生的廢棄物和污水除了以傳統(tǒng)方式還田外，還有部分是通過(guò)管道運(yùn)輸經(jīng)過(guò)污水廠處理后以點(diǎn)源方式入湖[25-26]。洱海流域內(nèi)傳統(tǒng)農(nóng)戶(hù)散養(yǎng)糞便污染與規(guī)模化養(yǎng)殖糞便污染并存，農(nóng)戶(hù)散養(yǎng)產(chǎn)生的糞便污染以面源方式入湖，規(guī)?；B(yǎng)殖糞便污染通過(guò)布設(shè)污水處理設(shè)施以點(diǎn)源方式入湖。

人口與產(chǎn)業(yè)集聚作為洱海城鎮(zhèn)化經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要特征，在洱海流域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)也給洱海水環(huán)境帶來(lái)惡劣影響[27]。城鎮(zhèn)居民增加和城鎮(zhèn)面積擴(kuò)張使得污水排放強(qiáng)度加大，加上處理設(shè)施落后，給水環(huán)境帶來(lái)巨大壓力[28]。因此，由城鎮(zhèn)居民生活與建筑用地面積污染產(chǎn)生的污染問(wèn)題是目前值得重視的環(huán)境問(wèn)題。產(chǎn)業(yè)集聚意味著生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大，產(chǎn)量增加會(huì)促使污染大量排放，增加入湖負(fù)荷壓力[29-30]。當(dāng)前，對(duì)于洱海環(huán)境污染的研究還多集中于工業(yè)領(lǐng)域，忽略了由旅游產(chǎn)業(yè)帶來(lái)的污染。人口與產(chǎn)業(yè)集聚帶來(lái)的污染負(fù)荷在入湖形式上也有一定的差別，其中城鎮(zhèn)居民生活、工業(yè)污染、旅游污染經(jīng)過(guò)系統(tǒng)污水處理后以點(diǎn)源方式入湖，建設(shè)用地污染以面源方式入湖（圖2）。

2.1 模型方法

2.1.1 輸出系數(shù)模型

圖2 污染負(fù)荷入湖機(jī)制Figure 2 Mechanism of contamination load into lake

輸出系數(shù)模型是基于多元線性回歸分析的數(shù)學(xué)模型，是借助污染物輸出系數(shù)與土地利用等相關(guān)數(shù)據(jù)估算流域輸出的面源污染負(fù)荷，主要用于評(píng)價(jià)土地利用和湖泊富營(yíng)養(yǎng)之間的關(guān)系[31]。輸出系數(shù)模型經(jīng)過(guò)改進(jìn)后可用于計(jì)算各種來(lái)源的面源污染負(fù)荷，如土地利用類(lèi)型、化肥施用、人口、牲畜的污染負(fù)荷[32]。

一般的輸出系數(shù)模型方程表達(dá)式為：

式中：Lj是磷污染在第j子流域總負(fù)荷量，t·a-1；i是子流域中的土地利用類(lèi)型，共有n種；Ei是磷污染在第i種土地利用類(lèi)型中的輸出系數(shù)，t·km-2·a-1，或第i種畜禽每頭的排泄系數(shù)或每人的輸出系數(shù)，t·a-1；Ai是子流域中第i種土地利用類(lèi)型的面積，km2，或第i種畜禽數(shù)量，頭，或是人口的數(shù)量，人；Ii是指農(nóng)業(yè)面源的入湖系數(shù)，或每頭畜禽養(yǎng)殖的入湖系數(shù)，或每人的入湖系數(shù)，t；P是來(lái)自降水的輸入污染物，t·a-1。

降雨負(fù)荷計(jì)算：

式中：d為研究區(qū)域單位面積上磷的沉降率，kg·km-2·a-1；a為研究區(qū)域的面積，km2；λ代表徑流系數(shù)。

2.1.2 其他污染負(fù)荷計(jì)算

在現(xiàn)實(shí)生活中，城市居民產(chǎn)生的生活污染、工業(yè)污水產(chǎn)生的污染以及旅游人口帶來(lái)的污染都經(jīng)過(guò)處理由管道直接排出，計(jì)算公式如下：

（1）城市居民生活污染計(jì)算

式中：Lj·pop是磷污染在第j子流域中城市居民生活產(chǎn)生的總磷污染負(fù)荷，t·a-1；POPU代表城市居民人口數(shù)量，人；α1代表城市居民中每人每天磷污染物排放量，t；β1是城市居民生活污染物入湖系數(shù)。

（2）產(chǎn)業(yè)污染計(jì)算

式中：Lj·t是磷污染在第j子流域中第t類(lèi)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生的總磷負(fù)荷，t·a-1；Wt是第t類(lèi)不達(dá)標(biāo)工業(yè)污水排放量，t·a-1，或每年旅游人口數(shù)量，人；βt是第t類(lèi)每噸不達(dá)標(biāo)工業(yè)污水含磷量，或旅游人均磷污染排放量，g。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

農(nóng)村污染源數(shù)據(jù)：通過(guò)大理白族自治州統(tǒng)計(jì)年鑒、地方年鑒以及實(shí)際調(diào)查，得到洱海流域內(nèi)1998、2005、2010、2016年的農(nóng)村人口數(shù)量以及豬、大牲畜、羊、家禽等畜禽養(yǎng)殖數(shù)量[33]。

城鎮(zhèn)污染源數(shù)據(jù)：根據(jù)大理白族自治州統(tǒng)計(jì)年鑒、地方年鑒以及來(lái)自于污水處理廠及工業(yè)企業(yè)的廢水排放直接統(tǒng)計(jì)，得到洱海流域內(nèi)1998、2005、2010、2016年的城鎮(zhèn)居民數(shù)量、旅游人口數(shù)量，以及不達(dá)標(biāo)工業(yè)污水排放量[34]。

土地利用數(shù)據(jù)：本文涉及的土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站，共選用分辨率為30 m的洱海流域1998、2005、2010、2016年4幅遙感影像，經(jīng)過(guò)人機(jī)交互目視解譯得到耕地、草地、水域、建設(shè)用地、林地、未利用土地的面積。

2.3 參數(shù)選取

2.3.1 輸出系數(shù)值

確定適合的輸出系數(shù)是正確計(jì)算輸入量的重點(diǎn)，近些年國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)輸出系數(shù)已積累了大量研究。本研究通過(guò)查閱《生活源產(chǎn)排污系數(shù)及使用說(shuō)明》以及相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)比參考流域和研究流域的土地利用類(lèi)型、經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度，確定了洱海流域的土地利用類(lèi)型及農(nóng)村生活輸出系數(shù)值[23，35-36]（表1）。

2.3.2 畜禽排泄系數(shù)

社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人們對(duì)畜禽肉類(lèi)需求量增加，畜禽養(yǎng)殖數(shù)量不斷增加，畜禽養(yǎng)殖排放的大量糞便對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的壓力[37]。本研究通過(guò)文獻(xiàn)分析比較[23，38-39]，得到豬、大牲畜、羊、家禽的排泄系數(shù)，見(jiàn)表2。

表1 土地利用類(lèi)型及農(nóng)村生活輸出系數(shù)值（t·km-2·a-1）Table 1 The export coeffcient classification of TPin relevant basins（t·km-2·a-1）

表2 畜禽排泄系數(shù)（g·a-1）Table 2 Animal excreta parameter

2.3.3 入湖系數(shù)

入湖系數(shù)是指污染物向流域出口輸入與遷移過(guò)程中出現(xiàn)的入湖損失[40]。結(jié)合洱海流域?qū)嶋H情況，本文參考相關(guān)的研究成果，確定的城鎮(zhèn)生活、農(nóng)村生活、畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)面源入河系數(shù)，見(jiàn)表3[41]。

2.3.4 其他數(shù)值

城市每人每天磷排放量為0.82 g，該數(shù)值來(lái)源于《第一次全國(guó)污染源普查城鎮(zhèn)生活源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》[42]。依據(jù)《第一次全國(guó)污染源普查工業(yè)污染源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》，得出工業(yè)不達(dá)標(biāo)污水每噸含磷量為0.005 g[43]。畜禽糞便還田比例來(lái)源于農(nóng)業(yè)農(nóng)村部辦公廳發(fā)布的《畜禽糞污土地承載力測(cè)算技術(shù)指南》[44]。農(nóng)村生活廢棄物及污水還田比例來(lái)源于前人研究成果[45-47]。旅游人均磷污染排放量（0.7 g）、單位面積林地磷淋洗量（0.62 t·km-2）、單位建筑面積磷流失量（0.059 t·km-2）均參考已有文獻(xiàn)數(shù)據(jù)[23，48-49]。

3 結(jié)果與分析

3.1 1998—2016年洱海流域總磷污染負(fù)荷分析

洱海1998、2005、2010年和2016年的總磷污染負(fù)荷分別為390.273、402.150、398.879 t和 429.451 t，污染負(fù)荷呈升高趨勢(shì)（表4）；但變化不均勻、不穩(wěn)定，1998—2005年變化幅度中等，增幅為3.04%，2005—2010年變化幅度最小，降幅為0.82%，2010—2016年變化幅度最大，增幅為7.66%。研究區(qū)點(diǎn)源污染負(fù)荷呈顯著上升趨勢(shì)，從1998年的115.453 t上升至2016年的184.649 t，增幅59.93%；而流域內(nèi)面源污染負(fù)荷與點(diǎn)源污染負(fù)荷趨勢(shì)相反，呈下降趨勢(shì)，從1998年的274.820 t下降至2016年的244.803 t，降幅10.92%。1998—2016年研究區(qū)仍以面源污染為主，面源污染負(fù)荷占比分別為70.41%、67.31%、59.59%和57.00%，表明洱海流域面源污染逐年減少，點(diǎn)源污染增加。

3.2 洱海流域總磷污染源分析

由圖3A可知，洱海點(diǎn)源污染負(fù)荷包括畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)村生活、城鎮(zhèn)生活、工業(yè)污染以及旅游產(chǎn)業(yè)等污染負(fù)荷。1998—2016年農(nóng)村生活、城鎮(zhèn)生活、旅游產(chǎn)業(yè)和畜禽養(yǎng)殖污染負(fù)荷呈持續(xù)上升的狀態(tài)，工業(yè)污染呈下降趨勢(shì)。城鎮(zhèn)生活污染是洱海點(diǎn)源污染最主要的來(lái)源，其中2005—2010年增長(zhǎng)幅度最大，從54.648 t增長(zhǎng)至71.292 t，增加了16.644 t，占城鎮(zhèn)污染來(lái)源總增長(zhǎng)比例的30%。與此同時(shí)，旅游產(chǎn)業(yè)污染在18年間也處于快速增長(zhǎng)階段，1998年旅游產(chǎn)業(yè)污染最小，對(duì)于整個(gè)洱海的影響僅為0.518 t，隨著社會(huì)進(jìn)步，旅游成為大眾休閑活動(dòng)之首，2016年旅游產(chǎn)業(yè)污染反超工業(yè)污水污染，成為洱海點(diǎn)源污染的第四大污染負(fù)荷。

圖3B顯示，洱海流域的面源污染負(fù)荷主要由農(nóng)業(yè)面源、建筑污染、林地磷淋洗、畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)村生活污染等組成。農(nóng)業(yè)面源占洱海面源污染負(fù)荷的75%，是洱海面源污染負(fù)荷最主要的污染源；在1998—2016年間，農(nóng)業(yè)面源均值變化與林地磷淋洗均值變化趨勢(shì)相同，呈先減少后增加趨勢(shì)，而建筑污染與畜禽養(yǎng)殖污染則呈現(xiàn)出遞增的趨勢(shì)，農(nóng)村生活污染出現(xiàn)遞減趨勢(shì)?？傮w上，農(nóng)業(yè)面源從1998年的215.670 t下降至2016年的181.920 t，降幅為15.64%，說(shuō)明研究區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染狀況總體呈好轉(zhuǎn)趨勢(shì)，與耕地面積大量減少有關(guān)。

3.3 洱海流域總磷污染負(fù)荷空間分析

綜合各期GIS數(shù)據(jù)的自然間斷點(diǎn)，取150、215、285為總磷單位面積污染負(fù)荷的間斷點(diǎn)，將子流域分為4級(jí)（圖4）。由圖4可知，洱源縣內(nèi)洱海流域總磷污染負(fù)荷貢獻(xiàn)大，1998—2016年總磷污染負(fù)荷分別為 200.291、209.767、216.642、223.884 t，占總負(fù)荷的50%以上，主要污染源為農(nóng)業(yè)面源污染、畜禽養(yǎng)殖污染。其次是大理市，其總磷污染負(fù)荷所占比例均在45%左右，主要污染源為農(nóng)業(yè)面源污染、城鎮(zhèn)生活污染、旅游污染以及工業(yè)污染等。依據(jù)單位面積負(fù)荷分析，洱源縣單位面積總磷污染負(fù)荷多集中于0～150、150～215 kg·km-2·a-1兩個(gè)等級(jí)，大理市的單位面積負(fù)荷多分布在215～285、285～545 kg·km-2·a-1兩個(gè)等級(jí)，最高面積負(fù)荷集中分布在大理市北部區(qū)域。

表3 入湖系數(shù)Table 3 River load ratio

表4 洱海流域總磷污染負(fù)荷（t）Table 4 Total phosphorus pollution load in Erhai Lake basin（t）

圖3 洱海流域總磷污染Figure 3 Total phosphorus pollution in Erhai Lake basin

圖4 1998—2016年子流域總磷污染負(fù)荷分布以及成分圖Figure 4 Distribution and composition chart of total phosphorus pollution load in sub-basin from 1998 to 2016

續(xù)圖4 1998—2016年子流域總磷污染負(fù)荷分布以及成分圖Continued figure 4 Distribution and composition chart of total phosphorus pollution load in sub-basin from 1998 to 2016

各個(gè)子流域的總磷單位污染負(fù)荷空間格局差異很大，最高等級(jí)的單位污染負(fù)荷主要集中在1～14號(hào)子流域，而最低等級(jí)的子流域單位污染負(fù)荷多分布于21、22號(hào)子流域。1998—2016年，子流域7、8、9、11、14是空間分布上變化最大的污染單元，其總磷單位污染負(fù)荷范圍從230.264 kg·km-2·a-1變?yōu)?40.519 kg·km-2·a-1，每個(gè)子流域平均增長(zhǎng)速率約10%。此外，除20號(hào)子流域單位面積污染負(fù)荷的排名上升外，其他子流域變化幅度均不明顯，而下降幅度最大的是23號(hào)子流域，從1998年的 298.329 kg·km-2·a-1下降為2016年的164.893 kg·km-2·a-1，主要原因是其農(nóng)業(yè)面源污染貢獻(xiàn)率逐年下降。

從子流域污染來(lái)源看，不同子流域間存在的污染源也各有差異。農(nóng)業(yè)面源污染、畜禽養(yǎng)殖污染以及城鎮(zhèn)居民帶來(lái)的生活污染是洱海流域的主要污染源，三者污染負(fù)荷量之和占總污染負(fù)荷量的80%左右。以農(nóng)業(yè)污染源為重點(diǎn)污染源的流域有18、20號(hào)子流域，占該流域總污染負(fù)荷的43%～50%；其次是畜禽養(yǎng)殖，主要集中在19號(hào)子流域；城鎮(zhèn)生活污染則分布在流域內(nèi)人口較多的23、24、25、26號(hào)子流域；旅游污染產(chǎn)生較多的子流域?yàn)?、8號(hào)；工業(yè)污染分布于24號(hào)子流域，2010—2016年子流域7、8旅游污染開(kāi)始大幅上升，并出現(xiàn)反超農(nóng)業(yè)面源污染的趨勢(shì)。

4 討論

4.1 1998—2016年洱海流域入湖總磷污染時(shí)間分異特征

洱海流域農(nóng)村-城鎮(zhèn)系統(tǒng)的入湖總磷污染總量從時(shí)間上呈現(xiàn)明顯的增加趨勢(shì)，排放量從1998年的390.273 t增至2016年429.451 t，增加主要來(lái)源于點(diǎn)源污染負(fù)荷的增長(zhǎng)，尤其是2005—2010年期間點(diǎn)源磷污染增長(zhǎng)29.746 t，其增長(zhǎng)速率最快。該時(shí)期內(nèi)流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)逐步向洱海周邊發(fā)展，旅游人口向壩區(qū)聚集，但流域內(nèi)大部分的自然村幾乎沒(méi)有污水收集處理設(shè)施，排水設(shè)施尚不完善，造成富含磷的養(yǎng)殖廢水及農(nóng)村生活污水直接排入河道。面源污染負(fù)荷雖然在1998—2016年期間逐漸減少，從274.820 t下降至244.803 t，但依然是總磷污染負(fù)荷的主要組成部分。2005—2010年期間面源污染下降幅度最大，達(dá)到12%，這與洱海水環(huán)境治理“十五”規(guī)劃中采取農(nóng)業(yè)面源污染控制工程密切相關(guān)，通過(guò)實(shí)施農(nóng)業(yè)面源污染減排技術(shù)研究與示范工程，有效減少了農(nóng)田磷素的環(huán)境排放。

4.2 洱海流域入湖總磷污染源結(jié)構(gòu)解析

1998、2005、2010、2016年洱海流域農(nóng)業(yè)面源污染產(chǎn)生的入湖總磷污染總量分別為215.670、206.316、171.862、181.920 t，均占當(dāng)年入湖總磷污染總量的40%以上，成為流域內(nèi)最主要污染源。隨著大蒜等高施肥作物市場(chǎng)需求量不斷增長(zhǎng)，洱海流域大蒜、蠶豆種植面積快速增長(zhǎng)，流域內(nèi)磷肥多年平均用量為6000 kg·km-2，是世界平均水平的2倍，導(dǎo)致化肥污染成為入湖總磷最主要的農(nóng)業(yè)污染來(lái)源[47，50]。畜禽養(yǎng)殖污染源是流域內(nèi)入湖總磷的第二大污染源，截至2016年，畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的入湖總磷達(dá)到80.065 t，相比1998年增長(zhǎng)了16.468 t，與周應(yīng)良等[51]研究結(jié)果相一致。洱海流域內(nèi)洱源縣是主要的奶牛和生豬養(yǎng)殖區(qū)，但受經(jīng)濟(jì)條件限制，該區(qū)域畜禽養(yǎng)殖方式極不合理，基本為家庭散戶(hù)養(yǎng)殖且分布于流域內(nèi)廣大的農(nóng)村區(qū)域，增加了畜禽糞便的處理難度[52]。2016年生活污水排放帶來(lái)的總磷點(diǎn)源污染為111.137 t，其中農(nóng)村生活污水的總磷污染達(dá)36.247 t，該區(qū)域村落零星分散、房屋布局凌亂，生活過(guò)程中產(chǎn)生的廢水很難采取城鎮(zhèn)的管網(wǎng)統(tǒng)一收集并集中處理的方式，導(dǎo)致大量污水進(jìn)入水體。此外城鎮(zhèn)人口生活污染貢獻(xiàn)了74.890 t的入湖總磷污染量，雖然當(dāng)?shù)卣块T(mén)采取“集中與分散處理相結(jié)合，以集中為主要處理手段”的原則，實(shí)施流域萬(wàn)噸級(jí)城鎮(zhèn)污水收集管網(wǎng)、污水處理廠建設(shè)等，但是污水處理效率低的問(wèn)題依然存在，導(dǎo)致城鎮(zhèn)生活污水仍是入湖總磷污染的主要來(lái)源。

4.3 洱海流域入湖總磷污染空間分布特征

大理市所轄子流域總磷污染不僅負(fù)荷量大且呈現(xiàn)出“高負(fù)荷、多密集”的特點(diǎn)；而洱源縣則以低等級(jí)污染負(fù)荷居多，大致為“低負(fù)荷”的特征。由污染來(lái)源看，在1998—2016年，大理市污染源以農(nóng)業(yè)面源污染、城鎮(zhèn)生活、旅游污染以及工業(yè)污染為主，其直接原因?yàn)槎Ａ饔騼?nèi)湖濱緩沖區(qū)多集中于此，緩沖區(qū)內(nèi)農(nóng)田面積比例高、環(huán)湖旅游景點(diǎn)集中、城區(qū)人口密度大、污染源入湖距離短。對(duì)此，應(yīng)加強(qiáng)收集緩沖區(qū)城鎮(zhèn)和旅游污水，強(qiáng)化控制污染入湖，并修建緩沖區(qū)生態(tài)修復(fù)帶，避免污染直接入湖。洱源縣農(nóng)業(yè)面源與畜禽養(yǎng)殖污染嚴(yán)重，應(yīng)推進(jìn)生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展，減少農(nóng)業(yè)化肥農(nóng)藥使用量，做到測(cè)土配方施肥，畜禽養(yǎng)殖污染則應(yīng)加強(qiáng)糞便污水收集以減少入湖污染負(fù)荷。

1998—2016年單位面積磷污染負(fù)荷在不同子流域間分布有較大的差異性，其中子流域7、8、9、11、14對(duì)總磷入湖污染輸入量最大，年輸入均值分別為373.976、330.668、269.132、299.222、251.453 kg·km-2·a-1。西部子流域7、8旅游污染較為嚴(yán)重，最大的污染源是旅游業(yè)污染，而西部其他子流域則以農(nóng)業(yè)面源污染為主；南部的23、24、25、26號(hào)子流域是洱海城鎮(zhèn)化發(fā)達(dá)區(qū)，城鎮(zhèn)人口生活是主要污染源；北部的18、20號(hào)子流域農(nóng)業(yè)種植污染尤為突出，而子流域19則以畜禽糞便污染為主。流域內(nèi)土地利用方式、畜禽養(yǎng)殖規(guī)模、人口生活方式等差異是造成各子流域污染源結(jié)構(gòu)不同的主要原因。西部、北部地區(qū)地勢(shì)平坦，適宜于農(nóng)業(yè)發(fā)展[53]。西部與北部地區(qū)農(nóng)田和草地資源豐富，以大蒜、蠶豆等高施肥量、高耗水作物種植為主并散養(yǎng)以奶牛為代表的大牲畜，造成該地區(qū)的農(nóng)業(yè)面源污染和畜禽養(yǎng)殖污染問(wèn)題突出。西部是流域內(nèi)旅游風(fēng)景集散地，截止2016年該區(qū)共產(chǎn)生旅游污染9 t，占洱海流域旅游總污染的85%，存在餐飲、客棧、旅游點(diǎn)污水難以集中處理的旅游污染問(wèn)題，與翟玥等[21]的研究結(jié)果一致。南部是流域的中心城區(qū)，1998—2016年該區(qū)共產(chǎn)生城鎮(zhèn)污染10.491 t，城鎮(zhèn)化程度發(fā)展水平高，人口密度大，污水處理廠的污水處理設(shè)施配套管網(wǎng)老舊以及污水處理率低等問(wèn)題，使得城鎮(zhèn)生活污水成為該區(qū)域磷素環(huán)境排放的主要來(lái)源。

本研究根據(jù)入湖總磷污染空間分布特征將洱海流域劃分為4個(gè)治理分區(qū)：（1）化肥污染控制區(qū)（子流域9、11、14、18、20），控制大蒜、蠶豆等高耗肥作物種植面積，依據(jù)種植業(yè)生產(chǎn)資料平衡施用肥料，優(yōu)化化肥與有機(jī)肥結(jié)構(gòu)，并提高磷肥利用效率；（2）畜禽糞便污染控制區(qū)（子流域19），提倡規(guī)模化養(yǎng)殖大牲畜，全面收集零星養(yǎng)殖戶(hù)畜禽糞便污水，并大力推進(jìn)有機(jī)肥施用；（3）生活污染控制區(qū)（子流域23、24、25、26），建設(shè)專(zhuān)業(yè)化運(yùn)營(yíng)污水處理廠，加強(qiáng)污水管網(wǎng)建設(shè)與改造；（4）產(chǎn)業(yè)治理區(qū)（子流域7、8），全面加強(qiáng)工業(yè)污水處理和旅游業(yè)污水集中處理，提高產(chǎn)業(yè)污水去污效率。

5 結(jié)論

（1）1998—2016年洱海流域總磷污染負(fù)荷呈增加趨勢(shì)，其中，面源污染是洱?？偭孜廴镜闹饕獊?lái)源，占總污染負(fù)荷的50%以上。

（2）源結(jié)構(gòu)分析表明，點(diǎn)源污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率大小為城鎮(zhèn)生活＞畜禽養(yǎng)殖＞農(nóng)村生活＞工業(yè)污染＞旅游污染，面源污染負(fù)荷貢獻(xiàn)量順序?yàn)檗r(nóng)業(yè)面源＞畜禽養(yǎng)殖＞林地淋洗＞農(nóng)村生活＞建筑污染。其中，農(nóng)業(yè)面源污染對(duì)子流域總磷污染負(fù)荷的貢獻(xiàn)率最高，而畜禽養(yǎng)殖污染與城鎮(zhèn)生活污染貢獻(xiàn)率次之。

（3）空間分析表明，洱海流域總磷單位面積污染負(fù)荷整體呈現(xiàn)大理市高于洱源縣特征，其中子流域7、8、9、11、14、18、20、23、24、25、26是單位面積污染負(fù)荷變化明顯的區(qū)域，以旅游污染、農(nóng)業(yè)面源污染、畜禽養(yǎng)殖污染以及城鎮(zhèn)生活污染為主。根據(jù)磷素時(shí)空分布特征，對(duì)洱海流域?qū)嵭蟹謪^(qū)治理：化肥污染控制區(qū)，提高磷肥利用率；畜禽糞便控制區(qū)，提倡規(guī)?；B(yǎng)殖畜禽；生活污染控制區(qū)，優(yōu)化城鄉(xiāng)布局，加強(qiáng)污水管網(wǎng)收集建設(shè)；產(chǎn)業(yè)治理區(qū)，優(yōu)化排污設(shè)施，提高去污效率。