2018, Vol. 30 
(2: 华东师范大学河口海岸学国家重点实验室, 上海 200062)
(3: 中国大理洱海湖泊研究中心, 大理 671000)
(2: State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research, East China Normal University, Shanghai 200062, P. R. China)
(3: Erhai Lake Research Center of China, Dali 671000, P. R. China)
湖泊的富营养化趋势一直是全球最为突出的水环境问题之一[1].我国改革开放以来，一方面随着流域人口、工农业生产的快速增长和流域大规模经济开发，需水量和污水排放量增大，导致流域环境的生态调节和自我恢复能力大幅下降，引起水质恶化、富营养化现象突出等许多生态问题[2-3]；另一方面，日益尖锐的湖泊富营养化问题，从多个方面影响着流域工农业生产、居民日常生活和水体功能的实现.据最新统计(2008-2010年)[4]，我国五大湖区的主要湖泊(面积大于10 km2)中，处于富营养化状态的湖泊数量占总数的78.7 %，中营养湖泊占14.6 %，且有向富营养化状态转变的趋势，只有极少数(6.7 %)处于贫营养状态.从地理区域来看，中东部平原湖区湖泊几乎全部富营养化，其次是云贵高原湖区、东北平原和山地湖区等.云贵高原湖区将是继中东部平原地区之后下一个面临全面富营养化趋势的地区.洱海正是云贵湖区内处于“富营养化初期”阶段的典型湖泊，作为全国城市近郊保护最好的湖泊之一，近些年湖区水质出现恶化趋势，藻华时有发生[5-6].长时间监测数据能有效、准确地描述湖泊的富营养化趋势，分析湖泊生态系统发生稳态转换的指标阈值，并发现其主要驱动因素[7].因此，本研究基于1988-2013年的洱海流域社会经济统计数据与湖内水质历史监测数据，对所有指标的时间变化趋势和历史拐点进行探测分析，进而探讨洱海富营养化时间演变的社会经济驱动因素，为洱海富营养化控制措施的制定提供依据.
1 材料与方法 1.1 研究区域洱海(25°36′~25°55′N，100°0′~100°17′E)是云南省第二大高原淡水湖泊，为滇西最大的断陷湖，跨洱源、大理两县市[8].水面面积249.8 km2，汇水面积2565.0 km2，较大水深21.0 m，平均水深10.5 m，库容28.8亿m3(图 1).洱海湖面多年平均海拔1965.8 m，光照充足，辐射强，气温温和(年均气温15℃左右)，为浮游藻类的大量繁殖提供了有利条件.年均降雨量1055 mm，年均蒸发量1970 mm.流域水系发达，入湖大小河流共117条，较大入湖河流包括弥苴河、罗时江、永安江、波罗江、苍山十八溪等.洱海是流域人民生活、灌溉、工业用水的主要水源地，已成为制约当地经济社会可持续发展的主要“瓶颈”[9-10].
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图 1 洱海流域及水质监测点分布 Fig.1 Lake Erhai Basin and water sampling sites |
从中国知网的“中国经济与社会发展统计数据库”(http://tongji.cnki.net)收集整理1990-2013年《云南省统计年鉴》、《大理州统计年鉴》、《大理市统计年鉴》、《大理白族自治州国民经济和社会发展统计公报》等统计资料中的洱海流域国民经济与社会发展的相关数据.通过对洱海流域各类污染源(农业、工业、生活等)多年入湖污染负荷量进行比较[11]，发现农业源入湖污染负荷远高于工业源、生活源以及旅游人口等其他源污染负荷，因此本文不考虑流域内工业废水、生活污水以及旅游人口等数据，而重点收集流域三大产业(第一、第二、第三产业)增加值，以及农业生产(第一产业)方面的经济数据，包括主要农作物(粮食作物和经济作物)播种面积、主要农作物品种与产量、牲畜和家禽饲养情况(品种和产量)、农用化肥施用量、水产品养殖面积及产量、农林牧渔业总产值等.
1.2.2 湖内水质数据从云南省环境监测中心站、中国大理洱海湖泊研究中心等环境监测和研究部门收集了洱海1988-2013年的水环境常规监测数据，水质指标主要包括总氮(TN)、总磷(TP)、高锰酸盐指数(CODMn)、透明度(SD)、藻类叶绿素a(Chl.a).全湖水质监测点8~13个(图 1)，采样频次为一年6次或12次.各水质指标的主要测定方法为：TN浓度采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法，TP浓度采用钼锑抗分光光度法，CODMn浓度采用酸性法，Chl.a浓度采用四波段分光光度法，SD采用塞氏盘法[12].基于CODMn、TN、TP、Chl.a和SD 5个指标计算出洱海的综合营养状态指数(TLIc)[13].
1.3 统计分析采用Taylor Enterprises公司的拐点分析软件Change-point Analyzer v2.3进行富营养化水质指标和社会经济发展指标的拐点探测分析，该分析工具方便用于自动检测每组数据平均值之间的明显飞跃以及数据的波动范围，判别各指标出现的多个拐点，并提供每个拐点的置信水平以及拐点出现时间的置信区间[14-15].具体计算原理如下：
设X1、X2、...、Xn表示n个数据点.由此，计算累积和S0、S1、...、Sn，计算方法如下：
1) 首先计算平均值:X=(X1+X2+…+Xn)/n.
2) 将累积和的初始值S0设置为0.
3) 通过将当前值(Xi)和平均值(X)之间的差值加到上一个累积和(Si-1)上，计算出当前的累积和值(Si)，即：Si=Si-1+(Xi-X)，其中i = 1、2、…、n.
S是各数据点与平均值之间的差的累积和.这些差值总和为0，因此累积和总是以0结束(Sn = 0).
4) 作S的分布曲线图，横坐标为所有数据点对应的监测时间(比如年份)，纵坐标是累积和，曲线方向的突然改变指示平均值的突然移位或改变.采用自助抽样法(Bootstrapping)来获取S的拐点，并计算拐点的置信水平.
采用统计软件SPSS 16.0对富营养化指标(Y)与主要社会经济指标(X)进行多元线性回归分析(Y=b1X1+…+bnXn).
对数据标准化(将原始数据减去相应变量的均数后再除以该变量的标准差)后计算得到的回归方程称为标准化回归方程，相应得到回归系数为标准化回归系数.标准化回归系数是消除了因变量Y和自变量X1、X2、…、Xn所取单位的影响之后的回归系数，其绝对值的大小直接反映了各项社会经济指标(Xn)对富营养化指标(Y)的影响程度.
2 结果 2.1 洱海富营养化指标历史变化趋势及拐点分析结合洱海的CODMn、TN、TP、Chl.a、SD和TLIc等指标的浓度逐年变化趋势(图 2)和拐点探测分析结果(表 1)分析各指标的历史变化趋势特征.
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图 2 1988-2013年洱海主要水质指标的逐年变化 Fig.2 Interannual variation of water quality indicators of Lake Erhai from 1988 to 2013 |
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表 1 洱海富营养化指标的拐点分析 Tab.1 Inflection point analysis of the eutrophic indicators of Lake Erhai |
CODMn自1995年起呈逐年上升趋势，中途出现2次拐点，1999年前后出现第1次拐点，浓度值开始加速上升，由Ⅰ类水质恶化成Ⅱ类水质，在2003-2004年期间浓度达到峰值，为1995年平均浓度的2倍之多.第2次拐点出现在2005年，浓度值进入下降通道，有机污染状况有所好转，但在2010年之后又略有回升(图 2a).
TN浓度在1988-2002年期间处于较好的Ⅱ类水质，但在2003年前后出现拐点(表 1)，在短短2~3年内(2001-2003)由Ⅱ类水质区直接跨入Ⅲ类水质区. 2003-2013年期间TN浓度一直维持在Ⅲ类水平，达到1990-2001年期间TN浓度水平的近2倍. 2008-2013年全湖TN浓度趋于稳定(图 2b).
TP浓度的逐年变化趋势较TN更加平稳，基本在Ⅱ类水平线上下浮动(图 2c).统计结果显示TP在1996年出现1次拐点(表 1)，浓度呈现一定上升态势，1996-2013年的TP平均浓度值比1990-1996年高15.6 % (P < 0.01). TP月均数据的Ⅰ类水质出现频率由1996年之前的40 %下降至1996年之后的5 %左右，Ⅱ类和Ⅲ类水质的出现频率相应增加.
浮游藻类Chl.a浓度在2002-2003年期间出现1次拐点(表 1)，步入快速上升通道. 2002年之前，全湖Chl.a维持在低浓度水平，变化范围为1.0~3.5 mg/m3. 2002-2003年期间，Chl.a浓度呈直线上升，藻类生物量从低水平跨越至较高水平. 2003年之后的Chl.a平均浓度是2003年之前平均浓度的10余倍，2009年之后Chl.a浓度趋于稳定(图 2d).
SD和TLIc均在2002年出现1次拐点(表 1)，SD在2002年之前维持在3.0~4.0 m之间，但在2003年之后下降至低水平(1.70~2.39 m)，平均值只为2002年之前的50 %左右(图 2e). TLIc在2002年之前总体处于30以下，属于贫营养状态，在2001-2002年期间出现跃升，由30跨越至40左右，2002年之后一直维持在40上下(图 2f)，进入富营养化初期阶段.
2.2 洱海流域社会经济发展趋势与拐点分析对洱海流域主要社会经济发展指标历史发展情况进行总体分析，2003年之前流域经济基本处于中低速增长期，而在2003年之后进入高速增长期. 2003年之前，流域每年的GDP比前一年上升2~8亿元，而在2003年之后，每年GDP比前一年增长12~45亿元(图 3a). 2000年之后的流域种植业产值年增长率达到30 % ~42 %，畜牧业的年增长率达到27 % ~34 %，两者都远高于2000年之前的各自年增长率4 % ~15 %和5 % ~20 % (图 3b).由于种植业的快速发展，流域内的化肥施用量一直呈直线上升态势，氮肥上升幅度大于磷肥(图 3c).近20余年，洱海流域经济高速发展，对湖泊水环境造成巨大压力.
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图 3 洱海全流域主要经济指标的逐年变化 Fig.3 Interannual variation of main economic indicators of Lake Erhai Basin |
借助Change-point Analyzer v2.3软件对主要社会经济指标进行拐点分析，显示过去20余年绝大部分经济指标出现2~3次拐点.除了粮食作物产量在2008年的一次拐点属于步入下降通道以外，其他拐点都属于增长率上升的拐点. GDP及三大产业增加值的第1次拐点集中在1997-1999年，第2次拐点出现在2007-2008年期间.第一产业(农林牧渔业)范畴的种植业产值、牧业产值和渔业产值的第1次拐点均出现在1999-2000年，第2次拐点则出现在2009-2010年，林业产值没有出现拐点.就农产品产量而言，粮食作物产量、经济作物产量、牲畜肉类产量和水产品产量在2000-2002年期间均出现拐点，前3个指标又同时在2006-2008年期间出现拐点.肥料施用量出现第1次拐点的时间要明显早于其他经济指标，氮肥、磷肥和复合肥的第1次拐点均出现在1994-1996年区间，又同时在2006-2008年期间出现拐点，复合肥施用量在2001年比氮肥、磷肥多出现1次拐点(表 2).
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表 2 洱海流域主要社会经济指标的拐点分析 Tab.2 Inflection point analysis of socio-economic indicators of Lake Erhai Basin |
将洱海TN、TP、CODMn、Chl.a、SD等主要富营养化指标(因变量)与流域的三大产业产值(自变量)之间进行多元回归分析，按照标准回归系数排序，对水质的影响程度由大到小为：第一产业>第三产业>第二产业(表 3).流域的第一产业(农林牧渔)对洱海水质的影响程度明显大于其他两种产业，因此将第一产业进一步细分，依据多元回归分析的标准化系数排序，可知畜牧业产值对TN、Chl.a和SD的影响度最大，而种植业产值对TP影响最大，渔业和林业对水质指标影响很小(表 3).各项水质指标与牲畜肉类产量、粮食作物产量、经济作物产量及水产品产量之间的多元回归分析显示，TN、CODMn、Chl.a和SD受畜牧业的牲畜肉类产量影响最大，标准化系数依次为1.371、1.607、0.822和-0.892，其次是经济作物产量，而TP受经济作物产量影响最大，标准化系数达到1.352，其次是粮食作物产量(表 3).
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表 3 水质指标与主要经济指标之间回归分析的标准化系数 Tab.3 Standardized coefficients of linear regression analysis between water quality indicators and main economic indicators |
湖泊在持续的富营养化过程中不仅表现为水质恶化，而且可能直接导致生态系统的结构发生根本性变化，发生由“水草型”向“藻型”的稳态转换[16-18]，“突变式转换”是比较常见的一种湖泊稳态转换模式[19].拐点探测分析结果显示洱海的大部分富营养化指标(TN、Chl.a、SD和TLIc)均在2002-2003年期间出现统计学上的拐点(表 1)，代表水质出现急剧恶化和富营养化程度加剧的转折点，比如Chl.a浓度上升了近10倍，而SD突降了近50 % (图 2)，在短短1~2年时间内发生了突变式稳态转换，浮游藻类生物量急剧增长.洱海曾在1996年和2003年暴发了两次典型的全湖大面积蓝藻灾害事件，而后藻华频次增加.藻类竞争和SD下降会导致湖体大型水生植物群落出现快速萎缩，2003年洱海沉水植被覆盖度降至10 %，远低于上世纪末的40 %，而且优势种由海菜花、大茨藻等清洁种替换成了眼子菜、金鱼藻等耐污种[20-21]，说明洱海生态结构发生了根本变化，由“草型”湖泊向“藻型”湖泊方向转化，呈清水稳态向浊水稳态转换的趋势(全湖透明度下降了近50 %).与其他水质指标相比，TP并没有很明显的突变点(未出现突变式恶化)(图 2c)，这可能与磷在自然界中的复杂循环特征有关，磷在土壤中极易转化成难溶状态而被固定，在土壤中移动性相对比较小[22].随着地表径流进入湖泊的大部分磷盐会随着泥沙长期沉积于湖底，退出磷循环[23].但在风力、湖流及生物作用下，沉积物中的部分磷又会向上层水体迁移.水体中瞬间的磷浓度上升会支撑全湖藻类出现暴发性增长[1].
污染问题表现在湖泊水体中，根源却在整个湖泊流域，社会经济高速发展可能导致废(污)水排放规模迅速上升，成为湖泊水体水质恶化的直接驱动力[24-26]. 1980s以来，洱海流域社会经济的高速发展带来的大量生产生活污染物，进入湖体后严重威胁到洱海水质[27].拐点分析结果显示，洱海各富营养化指标的拐点出现时间普遍晚于社会经济类指标的第1次拐点出现时间，比如水体TP的拐点出现年份(1996年)晚于肥料施用量的第1次拐点(1994-1996年)，CODMn拐点出现年份(1999年)晚于GDP、第一产业、第二产业的第1次拐点(1997-1998年)，TN、Chl.a、SD和TLIc的拐点出现时间都在2002-2003年期间(表 1)，普遍晚于主要社会经济指标的第1次拐点出现时间(1995-2002年)(表 2).这种时间差反映出流域社会经济发展是推动洱海富营养化的重要因素.多元回归分析显示农业发展(第一产业)对洱海水质的影响度远大于其他产业，尤其是畜牧养殖业和农作物种植业的过快发展对湖内水质影响尤为显著. TN、CODMn、Chl.a和SD受畜牧业规模(牲畜肉类产量)影响最大，而TP受农作物产量影响最大(表 3).类似研究结果在国内外其他湖泊也得到体现，比如Bechmann等[28]研究发现挪威两个湖泊的湖水悬浮固体、藻类Chl.a和SD直接受流域畜牧养殖规模影响，Huang等[29]认为农业面源也是导致滇池富营养化的最重要污染源.
湖泊流域社会经济发展情况与湖体水质状况的关系非常复杂，两者在时间上并不完全同步.过去20余年，洱海流域大部分社会经济指标出现过2~3次拐点，而富营养化指标(除了CODMn)只出现1次拐点.社会经济指标集中在2006-2008年期间出现上升的拐点，但湖泊富营养化指标并没有出现进一步恶化趋势，甚至CODMn浓度出现低点，这可能有两个主要原因：一是近些年洱海流域在社会经济高速发展的同时，污染治理工程已取得一定成效，在“十二五”期间当地累计投入洱海保护资金超过23.55亿元，主要涉及畜禽养殖污染防治及资源化利用、农业产业结构调整、污水处理设施建设、生态修复等，控制流域排污强度有助于延缓富营养化趋势.二是湖泊生态系统有自身演变规律，对流域社会经济发展引起的排污干扰有一定的自我调节和自我恢复能力，直到外部压力超过系统承载力临界点时才可能发生新的稳态转换.洱海在2008-2013年水质总体趋于稳定，TN和Chl.a浓度呈一定程度下降趋势，然而代表湖体总体环境质量的SD指标未出现转好迹象(图 2).湖泊生态系统一旦发生不利的稳态转换，需要实施持续的污染控制和生态修复工程才可能扭转富营养化趋势[30]，比如芬兰的Jyvasjarvi湖沿湖污水处理厂的入湖TP负荷和有机物负荷在短期内分别下降了95 %和96 %，湖内营养物浓度明显下降，但湖泊富营养化改善程度非常有限，生态系统恢复很慢[31].我国太湖流域的一些湖泊经过较长时间综合整治后，虽能有效实现COD、TN、TP等营养物浓度下降，但藻类生物量和SD却很难有根本改善，比如长荡湖通过实施综合整治工程，使得2006-2010年期间TN浓度比2001-2005年期间下降了近60 %，TP浓度也下降了近20 %，然而藻类Chl.a仍维持在高浓度水平，水体SD下降近50 % [32].洱海富营养化控制将是一场长期的、复杂的系统工程，后续须坚持“一湖一策”的治理思路，持续加大畜禽养殖、种植业等农业面源污染治理.
4 结论在1988-2013年期间，洱海的水质状况呈逐渐恶化趋势，TP和CODMn分别在1996年和1999年出现统计学意义上的恶化拐点，TN、Chl.a、SD和TLIc指数则集中在2002-2003年期间出现拐点，TN平均浓度上升了1倍，Chl.a浓度上升了10余倍，SD突降了近50 %，湖体完成了由贫-中营养向中-富营养转化的突变式稳态转换.洱海流域社会经济持续高速发展，主要社会经济指标均出现2~3次统计学意义上的增长拐点，第1次集中出现在1994-1999年期间，比水体富营养化指标出现拐点时间要早2~3年，反映出社会经济过快发展带来的污染问题直接推动了洱海富营养化进程.社会经济指标出现第2次增长拐点期间(2006-2010年)，水体富营养化指标未出现进一步恶化趋势，这可能与流域污染削减强度加大和湖泊系统自我调节能力有关.社会经济指标中，畜牧业产量产值和作物种植业产量产值对富营养化指标的影响度最大.因此，加大流域畜禽养殖业、种植业等农业面源污染控制力度是扭转洱海富营养化趋势的关键.
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