2018, Vol. 30 
(2: 云南省环境监测中心站, 昆明 650034)
(2: Yunnan Environmental Monitoring Center Station, Kunming 650034, P. R. China)
湖泊资源是社会经济发展的重要资源[1].星云湖是云南省九大高原湖泊之一，具有工农业用水、调蓄、防洪、旅游、水产养殖等功能.由于湖泊换水周期长[2]以及湖泊流域内工农业生产的发展、人口的快速增长，使资源需求量迅速增加，大量工农业及生活废污水排入湖泊，使水体污染严重，湖泊的生态环境遭到巨大破坏，有数据显示，星云湖已经为富营养化湖泊[3].
国内关于星云湖水质变化的相关研究开始于1963年[4].此后，Zhang等[5]对星云湖湖泊沉积物进行研究，分析了流域气候变化和人类活动；Zhang等[6]同样研究了湖泊沉积物并依此重建了20世纪星云湖流域气候变化和人类活动；张洁等[7]基于MODIS数据，利用水质遥感监测的方法得到叶绿素a浓度、悬浮物浓度和MODIS遥感数据空间和时间上的分布情况，通过对它们进行回归关系分析，得到适合星云湖水质的遥感定量模型；国外Fukushima等[8]利用气象条件与水质的过去关系预测湖泊水质变化对气候变化的响应；国内秦洁等[9]、张云鹰等[10]分别从浮游植物、气候方面对星云湖的水质变化进行了分析.综合国内外对星云湖水质变化的研究，大多数都集中在气候变化、降雨、湖泊沉积物、浮游植物等自然因素方面，鲜有人类活动对星云湖水质变化方面的研究.
近年来，社会经济的快速发展导致流域污染负荷总量快速增加，给星云湖的生态环境带来巨大压力，原本就十分突出的水环境问题进一步恶化，水质明显下降，制约了当地经济的发展[11].因此了解星云湖水质变化特征，分析湖泊水质变化的人文因素驱动力，可以为未来湖泊污染防治计划提供思路与方案，对生态环境保护、区域经济发展都具有重要意义.本文在星云湖水质随时间变化分析基础上，研究水质变化过程中人文因素所起的驱动作用；并通过主成分分析方法，提取主要的人文因子指标；其次采用污染足迹模型与遥感判读相结合，呈现入湖河流的污染足迹与周围的土地利用类型的关系，总结人类活动在研究期内对湖泊水质的影响.
1 研究区概况和研究方法 1.1 研究区概况星云湖(24°17′~24°23′N, 102°45′~102°48′E)位于云南省玉溪市江川区境内，东临华宁县，西接玉溪，南与通海接壤，北与晋宁、澄江两县为邻，整个流域面积为389.79 km2(图 1).流域内山区半山区约占65 %，坝区占21 %，水域占14 %，是一个“七山一水二坝地”的高原、中山、湖盆组成的坝区.属亚热带西南季风气候，具有气候温和、四季不分明、干湿季明显的亚热带半湿润高原季风气候的特点.多年平均降雨量863.1 mm，年平均气温15.6℃，雨季主要集中在5-10月.星云湖湖水主要靠地表径流和湖面降水补给，周边主要入湖河流有大街河、东西大河、螺蛳铺河、渔村河等12条季节性河流，总径流面积310 km2，占星云湖整个径流区的82 %，河道总长132 km，多年平均入湖径流量为6200万m3[12-13].
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图 1 星云湖流域位置 Fig.1 Location of Lake Xingyun Basin |
2015年末星云湖流域总人口为19.87万人，人口密度532人/km2，其中农村人口17.23万人，占总人口比重的86.7 %，2015年星云湖流域经济总产值为461949万元，其中三产业产值比重为31.01:40.19:28.8.星云湖流域近几年经济发展水平加快，其2015年人均GDP 23249元，比2010年增长了73.5 %.然而在社会经济迅速发展的同时，星云湖付出了沉重的生态环境的代价，1998年前星云湖为Ⅲ类水质，2001年水质类别下降为Ⅳ类，自2002年开始下降为Ⅴ类，处于中度-重度富营养状态[3].
1.2 数据来源为了开展星云湖水质变化及其人文因素驱动力研究，收集的数据如表 1所示.
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表 1 数据说明 Tab.1 Data description |
在研究区水质现状分析的基础上，研究水质在社会经济系统循环过程中人文因素的驱动作用.首先根据水质监测数据，分析星云湖12个月的水质月变化特征，并分析2005-2015年TN、TP、COD的年变化特征，用污染足迹模型分析入湖河流污染物污染足迹及原因，最后运用主成分分析法分析湖泊水质变化的人文因素驱动力[14].
污染足迹模型的构建：星云湖流域水污染属有机物和营养物污染类型[3]，因此本文选择有机物和氮、磷营养盐作为主要污染指标.然后根据污染足迹基本理论[15]，构建星云湖流域入湖河流的有机物污染足迹(PFCOD)、氮污染足迹(PFN)和磷污染足迹(PFP)模型.污染足迹是指吸纳一定人口产生的污染物实际所需要具有污染物吸纳功能的土地面积，本文是指农用地的面积.污染足迹越大说明该区域人类活动对水质影响程度越大[15].
污染足迹模型为：
| $ P{F_{{\rm{COD}}}} = {P_{{\rm{COD}}}}/N{Y_{{\rm{COD}}}} $ | (1) |
| $ P{F_{\rm{N}}} = {P_{\rm{N}}}/N{Y_{\rm{N}}} $ | (2) |
| $ P{F_{\rm{P}}} = {P_{\rm{P}}}/N{Y_{\rm{P}}} $ | (3) |
式中，PFCOD、PFN和PFP分别为入湖河流的有机物、氮和磷污染足迹(km2)；PCOD、PN和PP分别为入湖河流排入湖泊的有机物、氮和磷含量(kg)；NYCOD、NYN和NYP分别为入湖后水体对有机物、氮和磷的平均吸纳能力(kg/km2).根据《星云湖流域水污染综合防治“十二五”规划》得到星云湖流域入湖河流的水环境容量和入湖河流进入水体的有机物、总氮和总磷含量.水体的吸纳能力是由湖泊的水环境容量与湖泊面积比值表示.在完成有机物、氮和磷污染足迹的计算之后，本文考虑到产生环境压力的人类活动具有综合性特点，因此将3种污染足迹的加和即总污染足迹作为衡量研究区人文因素驱动力作用的标准.
通过主成分分析法[16]得出各种人文因子的贡献率大小并进行排序，提取主要的人文因子，解释这些人文因子对水质的影响途径[17].
2 湖泊水质状况及变化趋势分析 2.1 湖泊水质数据采集星云湖内常规采样点有3个，分别是湖心、李家湾、螺丝铺，而入湖河流则有7个采样点.这10个水质监测点测定项目包括pH值、溶解氧(DO)、五日生化需氧量(BOD5)、铵态氮(NH4+-N)、总磷(TP)、总氮(TN)、化学需氧量(COD)、叶绿素等，监测频率为每月1次(图 1).本文主要选取测定数据比较全的指标TP、TN、COD进行分析.
2.2 湖泊水质月变化特征选取星云湖2009-2015年TN、TP、COD浓度的月平均值，表示星云湖1-12月的水质状况；水质监测指标中COD浓度夏、秋季节的浓度普遍高于春、冬季节，其中6月浓度最高达41.07 mg/L，3月浓度最低至33.74 mg/L；TN浓度一年中呈波动变化，最高浓度出现在9月，最低浓度出现在3月；TP浓度夏季最高，冬季最低，从3-8月浓度逐月增加，8月至次年1月浓度逐月减少.综合水质得分是运用主成分分析法得出的TN、TP、COD 3个因子综合得分，数值越大表示水质越差.结果表明，3月水质最好，9月水质最差，3-9月水质总体变差，9月到次年1月水质逐月变好(图 2).
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图 2 星云湖1-12月TN、TP、COD浓度及综合水质变化 Fig.2 Monthly variation of TN, TP and COD concentrations and comprehensive water quality of Lake Xingyun from January to December |
在2005-2015年间，TN的浓度处于先波动后稳定的状态，2013年前TN浓度一直在Ⅴ类和劣Ⅴ类之间波动，达不到Ⅳ类水的标准，之后稳定在劣Ⅴ类水标准；TP的浓度2009年前稳定在Ⅴ类水标准，2009年后呈先升再降的变化趋势，均为劣Ⅴ类标准，其中2005-2012年波动上升，在2012-2015年下降；COD浓度在这10年是波动上升的，2013年之前，大部分年际浓度达到Ⅴ类标准，只有2008年的COD浓度为Ⅳ类标准，2013-2014年处于劣Ⅴ类状态，2015年回到Ⅴ类标准，综合水质得分是运用主成分分析法得出的TN、TP、COD 3个因子综合得分，结果表明，2008年水质状况最好，2014年的水质状况最差，从2008-2014年水质持续变差，到2015年好转(图 3).
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图 3 星云湖TN、TP、COD年际浓度及综合水质变化 Fig.3 Interannual variation of TN, TP and COD concentrations and comprehensive water quality of Lake Xingyun |
利用污染足迹模型计算得到星云湖流域的有机物、氮和磷污染足迹(表 2)，2015年星云湖流域有机物、氮和磷的污染足迹分别为583.26、705.88和494.11 km2.入湖河流的污染足迹从大到小排序为：大街河>东西大河东河>渔村河>东西大河西河>螺蛳铺河>大寨河>旧洲河>周官河>小街河>学河>周德营河>大庄河>大龙潭河，大街河、东西大河、渔村河的污染足迹最大，三者之和占星云湖流域总污染足迹的66.21 %.其中仅大街河和东西大河对COD污染足迹的贡献率达65.61 %，大街河、东西大河、渔村河对TN污染足迹的贡献率达到70.69 %，大街河、渔村河、螺蛳铺河、大寨河对TP污染足迹的贡献率达到66.05 %.可见，星云湖流域内大街河、渔村河、东西大河对当地水域空间的生态占用是最大的.
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表 2 2015年星云湖入湖河流各污染指标的污染足迹 Tab.2 Pollution footprint of pollution indicators in inflow rivers of Lake Xingyun in 2015 |
借鉴燕姝雯[18]、杨莎莎等[19]和王鹏等[20]对入湖河流缓冲区半径的选取方法，最终对半径为250 m的缓冲区进行分析.污染足迹最大的3条河流周围，土地利用类型为水田、旱地和村庄(图 4).大街河周边250 m缓冲区内土地利用类型主要为水田和城镇建设用地，面积占缓冲区内总面积的74.37 %，渔村河主要为水田，面积占51.47 %，东西大河主要为水田和旱地，面积占56.84 % (图 4和图 5).而TN、TP浓度排序从大到小排序皆为：大街河>螺蛳铺河>大庄河>小街河>东西大河西河，TN、TP的主要来源是农药化肥，水田和旱地种植使用的化肥农药大量流失，使得周边河流的TN、TP浓度增大，所以，水田和旱地分布广及其大量施用化肥农药是导致东西大河和渔村河污染足迹大的主要原因；COD浓度排序从大到小排序为：大街河>大寨河>旧州河>周德营河>东西大河西河，村庄的养殖户较多，养殖业的畜禽粪便通过地表径流排入河流，加上村庄中居民生活污水的排放，使得COD浓度增大，所以大街河周边的村庄是导致大街河的污染足迹最大的主要原因(图 5).
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图 4 2015年星云湖流域的土地利用类型 Fig.4 Land use types in Lake Xingyun Basin in 2015 |
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图 5 2015年星云湖主要入湖河流污染足迹及250 m缓冲区内主要土地利用类型的面积 Fig.5 Pollution footprint of main inflow rivers of Lake Xingyun and areas of main land use types in 250 m buffer zone |
近10年来，星云湖流域内人均GDP迅速上升，城镇用地比重增加，耕地面积比重减少，产业结构也处于初级阶段，总体污染排放量呈增长趋势.为了揭示影响星云湖流域水质变化的因素，首先初步选择影响水质的相关人文因素，然后根据多元统计分析方法找出主成分进行因子分析，结合2005-2015年的土地转移矩阵和入湖河流的污染足迹，得出影响星云湖水质程度最大的人文因子.
选择2005-2015年星云湖水质的TN、TP、COD 3个指标Y1、Y2、Y3为因变量，总人口X1、人均GDP X2、第一产业产值X3、第二产业产值X4、第三产业产值X5、播种面积X6(包括粮食播种面积、油料播种面积、蔬菜播种面积)、农村人口X7、农药使用量X8、化肥使用量X9、农膜使用量X10、大牲畜存栏量X11等指标为自变量作为原始数据，应用统计分析软件SPSS 19.0，对样本先进行标准化再进行分析计算，指标综合得出相关系数矩阵、特征值、主成分贡献率与累积贡献率表.相关系数矩阵的结果表明影响星云湖流域水质的11个人文因子之间有较高的相关性，可以进行主成分分析.
主成分分析结果表明，有两个特征值大于1，它们已包含80 %以上的贡献率(表 3)，对大多数指标已给出充分的概括，所以可以确定提出2个主成分.第1、第2主成分的累积贡献率已达96.965 %，完全符合分析要求.
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表 3 特征值及主成分贡献率 Tab.3 Eigenvalue and principal component contribution rate |
第1主成分(总人口、播种面积(包括粮食播种面积、油料播种面积、蔬菜播种面积)、农村人口、农药使用量、化肥使用量、农膜使用量、大牲畜存栏量)包含84.389 %的贡献率，是主控因子，表示与农村生活和农业面源污染有关的因素；第2主成分(人均GDP、第一产业产值、第二产业产值、第三产业产值)的贡献率为12.576 %，表示了与社会经济发展有关的因素，星云湖流域社会经济发展带来用水量及排污的增长，导致水质变坏.因此，星云湖流域水质变化的人文因素驱动力可以归纳为农村生活和农业面源污染类、社会经济发展类(图 6)，其中农村生活和农业面源污染是水质变化的主要驱动力.
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图 6 各因子对主成分贡献率分布 Fig.6 Contribution rate distribution of each factor to principal component |
以下从入湖河流流域来分析各污染源的污染因子，流域划分区域见图 7.
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图 7 2015年星云湖入湖河流流域划分 Fig.7 Division of inflow river basins of Lake Xingyun Basin in 2015 |
总人口、播种面积、农村人口、农药使用量、化肥使用量、农膜使用量、大牲畜存栏量，这7个因子反映了人类生产活动中农村生活和农业面源污染对水质的影响.具体体现在流域内总人口和农村人口增多，即该流域的人口密度增大，人口排序前4位的流域分别为：大街河流域>渔村河流域>东西大河东河流域>东西大河西河流域(表 4)，这4个流域的人口占总人口的57.3 %，意味着这4条入湖河流承受的人口压力大，大街河流域人口最多，居民生活污水产污量最大，几乎没有任何生活污水收集和处理措施，生活中各种洗涤剂的使用使TP浓度升高，水质变差.
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表 4 2015年星云湖各入湖河流流域的驱动因子概况 Tab.4 Driving factors of each inflow river basin of Lake Xingyun Basin in 2015 |
播种面积对水质的影响解析.农作物的种植土地利用类型为水田和旱地，水田、旱地排序前4位的流域为：渔村河流域>螺蛳铺河流域>大寨河流域>东西大河东河流域.渔村河流域的水田、旱地的面积之和达到57.11 km2，水田、旱地的面积越大，农作物的播种面积越大，其中全流域的普遍趋势是粮食播种面积呈波动状态，基本保持稳定，而油料和蔬菜呈递增趋势.结合问卷调查，农户的种植意愿越来越倾向于经济作物(油料、蔬菜)，而经济作物所需农药化肥量大于粮食作物，其中经济作物的农药使用量为40.95 kg/hm2，化肥施用量为5250 kg/hm2，粮食作物的农药使用量为10.2 kg/hm2，化肥施用量为1650 kg/hm2；并且经济作物的肥料流失量也大于粮食作物，其中露地蔬菜的TN流失系数为22.5 kg/hm2，TP流失系数为1.38 kg/hm2，而水稻的TN流失系数为19.335 kg/hm2，TP流失系数为0.45 kg/hm2.经济作物播种面积越大，使用的农药、化肥量越多，而农药中的氮磷元素和化肥中氮肥、磷肥中流失的TN、TP通过降雨地表径流和地下淋溶的方式进入湖泊，对湖泊水质带来影响.综上可知，渔村河流域种植业污染最为严重，渔村河流域、螺蛳铺河流域、大寨河流域3个流域的水田、旱地之和占总流域的72.33 %，并且与星云湖接壤面最大，种植业流失的TN、TP通过面源流失的途径直接进入星云湖内，对水质造成严重影响.
农药使用量、化肥使用量和农膜使用量是直接影响因子，使用在种植业上，同上述一样体现在水田、旱地上.因农药化肥中直接含有TN和TP，2015年渔村河流域内化肥施用量达5590.54 t，整个流域化肥施用量高达30196.3 t.化肥与人、畜肥施用比例由1970s的1:9上升至目前的8:2[21]，农药的使用量也从2005年的171.5 t上升到2015年的399 t，翻了一翻.使用的农膜会残留在土壤中，破坏土壤的透气性，阻碍土壤水肥的流转，影响作物对水分和养分的吸收，降低土壤蓄水能力[22].这一系列的污染会导致作物产量和产品质量下降，而农户为了保证作物产量不下降而施用大量的农药化肥，如此导致TN、TP流失入湖的浓度超标，致使水质变差.
大牲畜存栏量可以反映畜禽养殖的排污量，其排序前4位的流域为：渔村河流域>螺蛳铺河流域>东西大河东河流域>东西大河西河流域.这4个流域的大牲畜存栏量占整个流域的75.6 %，其中仅渔村河流域大牲畜存栏量高达2012头，流域的畜禽粪便是湖泊水质营养化主要来源之一[23]，这些畜禽的粪便大多数未经过处理或处理未达标便排入湖泊，会导致湖泊水质指标COD升高.
综上而述，从生活污水排放程度、种植业污染程度和畜禽养殖排污程度方面综合考虑，污染程度大的小流域有渔村河、大街河、东西大河和螺蛳铺河，和之前污染足迹的计算结果吻合.
3.2.2 社会经济发展因子分析人均GDP、第一产业产值、第二产业产值、第三产业产值，这4个因子反映了人类社会经济发展对水质的影响.
具体体现在人均GDP、三产业产值越大，表明流域内经济发展程度越高，其中人均GDP排序前4位的流域为：螺蛳铺河流域>大龙潭河流域>大街河流域>渔村河流域；第一产业产值排序前4位的流域为：螺蛳铺河流域>渔村河流域>东西大河东河流域>东西大河西河流域；第二产业产值排序前4位的流域为：大街河流域>大寨河流域>旧州河流域>渔村河流域；第三产业产值排序前4位的流域为：大街河流域>东西大河东河流域>渔村河流域>大寨河流域(表 4).
综合得知，在整个大流域内螺蛳铺河流域和渔村河流域以第一产业为主，流域主要种植烤烟、蔬菜，销往省内，第一产业产值越大，即种植业和养殖业的产值越大，种植业和养殖业的发展需要湖泊水，同时还会将污水排入湖泊，导致TN、TP、COD浓度超标，湖泊水质变差.大街河流域以第二、三产业为主，流域内具有丰富的硅石、方铅石、橄榄石、赤铜矿、芒硝、膨润土，第二产业在持续发展，但工厂一年用水量约300万t，产生的污染物一部分收集至城市污水处理厂处理，达标排入湖泊，一部分直接排放，工厂污水中含有大量的氮磷元素和有机物，TN、TP、COD浓度超标，致使湖泊水质恶化.服务业的发展一方面导致生活污水排放量增多，由于流域内居民生活污水排放方式是直排，产生量等于排放量，污水排放量约为120万t/a；另一方面导致住宿餐饮产污量的增多，酒店污染负荷中，污水排放量约为18万t/a，垃圾排放量为24.93万t/a，这些污水和垃圾进入湖泊，主要会引起TN、TP污染物浓度超标，对湖泊水质造成影响.
4 讨论 4.1 对研究方法的讨论从研究方法上看，早期学者有关流域水质污染特征的研究大多数以定性分析为主，即论述产业结构的变化、农药化肥的使用、畜禽养殖粪便和生活废水的排放等因素对流域水质产生影响[24-28].由于受到认识程度和技术手段的限制，定性分析难以明确表示流域水污染的程度.随着城市化进程的加快，人类活动对水质的影响程度越来越大，污染足迹模型可以较好地衡量流域人类活动对水质的影响，因此用污染足迹模型计算星云湖流域入湖河流的污染足迹，可以反映人类活动对水质的影响.
利用主成分分析方法研究水环境变化的驱动力因素时，多数学者[29-31]都趋向于研究自然因素驱动力，只有少数学者[32-33]研究人文因素驱动力.特别是星云湖流域水质研究中，只有极少学者的研究涉及人文因素驱动力，本研究关注星云湖流域人文因素驱动力，并深入分析人文因素中的影响因子，揭示农村生活污水和农业面源污染是星云湖水质变化的主要驱动力.
4.2 对研究结果的讨论焦雯珺等[33]利用污染足迹模型对整个太湖流域的污染足迹进行计算分析，污染足迹最大的是TP，而本研究的星云湖流域污染足迹最大的是TN，这源于星云湖流域农业种植氮肥的大量使用；太湖流域没有计算湖泊入湖河流的污染足迹，也没有进一步深入分析污染足迹大小的影响因素，而本研究利用污染足迹模型计算星云湖入湖河流的污染足迹，并对入湖河流周边250 m的缓冲区的土地类型进行分析，认为入湖河流周围水田、旱地中农药、化肥的流失对河流水质影响最大，其次是村庄的畜禽粪便的排放.
在人文因素方面，本研究通过主成分分析得出农村生活和农业面源污染是星云湖水质恶化的主要驱动力，这与刘慧丽等[34]对鄱阳湖流域生态环境变化及驱动力分析，和李兆富等[35]对太湖地区水体富营养化的主要因子分析结果一致；李荫玺等[36]得出星云湖入湖河流的污染负荷的80 %来自面源污染，其中主要来源是农药化肥流失入湖、径流区人口增加和畜禽粪便流失汇入河流直接入湖3个方面，与本研究对入湖河流的分析结果相似，本研究更加深入地将13条入湖河流与土地利用类型相结合，得出入湖河流的主要驱动力.当前，对湖泊水污染的问题要注重对面源污染物质的形成过程及其量化进行研究[37-39].然而本研究没有进一步定量分析确定对农业面源污染贡献率最大的因子，只是定性的分析了农药化肥的使用对农业面源污染的贡献.因此下一步的工作应注重农村生活和农业面源污染在2005-2015年的时空演变特征以及水质的变化，并提出相应的防控措施.
5 结论基于星云湖流域水质数据、遥感数据和统计数据，定量分析了2005-2015年水质时间变化趋势和2015年入湖河流污染物污染足迹及与土地利用的关系，鉴别了星云湖水质变化的人文驱动因素.
1) 水质月变化趋势表明，1月份水质最好，11月份水质最差，全年水质变化不大.从2005-2015年的年变化特征来看，2008年水质状况最好，2014年水质状况最差，从2008-2014年水质持续变差，到2015年出现好转趋势.
2) 遥感影像解译结果和计算的污染足迹结果表明，2015年有机物、氮和磷的污染足迹分别为583.26、705.88和494.11 km2.污染足迹排在前4位的入湖河流为：大街河>东西大河东河>渔村河>东西大河西河，前4位之和占星云湖流域总污染足迹的66.21 %.污染程度较大的大街河、东西大河和渔村河周边土地利用类型为水田、旱地和村庄.
3) 通过主成分分析，星云湖水质影响因素第1主成分(总人口、播种面积、农村人口、化肥使用量、农膜使用量、大牲畜存栏量)表示与农村生活和农业面源污染有关的因素；第2主成分(人均GDP、第一产业产值、第二产业产值、第三产业产值)表示与社会经济发展有关的因素.因此，星云湖流域水质变化的人文因素驱动力可以归纳为农村生活和农业面源污染类和社会经济发展类，其中第1主成分的贡献率为84.389 %，农村生活和农业面源污染是水质变化的主要驱动力，流域内人口密度增大、畜禽存栏量逐年升高和种植业粮食作物转经济作物，导致了水质恶化.
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