湖泊科学   2022, Vol. 34 Issue (3): 816-827.  DOI: 10.18307/2022.0309
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研究论文—生物地球化学与水环境保护

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李晓琳, 帅永芳, 张翼, 郑毅, 危锋, 韦晓雪, 基于GIS的洱海流域氮素时空分异特征及源结构解析. 湖泊科学, 2022, 34(3): 816-827. DOI: 10.18307/2022.0309
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Li Xiaolin, Shuai Yongfang, Zhang Yi, Zheng Yi, Wei Feng, Wei Xiaoxue. GIS-based analysis on the temporal and spatial variation characteristics of nitrogen and its sources in Lake Erhai basin. Journal of Lake Sciences, 2022, 34(3): 816-827. DOI: 10.18307/2022.0309
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基金项目

西南林业大学科研启动基金项目(112115)和国家重点研发计划项目(2017YFD0200207)联合资助

通信作者

郑毅, E-mail: zhengyi-64@163.com

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2021-06-21 收稿
2021-09-22 收修改稿

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基于GIS的洱海流域氮素时空分异特征及源结构解析
李晓琳1 , 帅永芳1 , 张翼2 , 郑毅1,3 , 危锋1 , 韦晓雪1     
(1: 西南林业大学生态与环境学院,昆明 650224)
(2: 云南省水文水资源局大理分局,大理 671000)
(3: 云南开放大学,昆明 650500)
摘要:氮是造成洱海水体富营养化的重要驱动因子,明晰流域内农村及城镇的氮素时空分布特征,对洱海水环境保护有着重要意义. 本文利用输出系数模型计算洱海流域的总氮污染负荷及其组成结构;结合GIS空间分析功能,细化26个子流域总氮污染负荷及来源. 研究结果表明:1998、2005、2010和2016年的洱海流域总氮污染负荷分别为2442.43、2573.10、2606.28和2389.10 t. 点源污染逐年增加,面源污染在逐年减少,但面源污染依然为主要污染源. 从污染组成结构上看,化肥污染、畜禽养殖和农村生活是洱海流域氮污染负荷的主要来源,分别占总污染负荷量的35 %、24 % 和17 %. 2016年洱海流域单位面积负荷量主要集中在1000~1500 kg/km2,以中和溪(1857 kg/km2)、桃梅溪(1582 kg/km2)、白石溪(1541 kg/km2)、罗时江(1088 kg/km2)和波罗江(1050 kg/km2)子流域负荷较高. 未来可通过生活污水集中处理,提高污水处理率;畜禽养殖规模化,加强粪便处理技术;优化化肥和有机肥结构等措施减少总氮入湖负荷,控制洱海水体富营养化.
关键词洱海流域    氮素    时空分布    源结构解析    GIS    
GIS-based analysis on the temporal and spatial variation characteristics of nitrogen and its sources in Lake Erhai basin
Li Xiaolin1 , Shuai Yongfang1 , Zhang Yi2 , Zheng Yi1,3 , Wei Feng1 , Wei Xiaoxue1     
(1: College of Ecology and Environment, Southwest Forestry University, Kunming 650224, P.R.China)
(2: Dali Branch of Yunnan Hydrology and Water Resources Bureau, Dali 671000, P.R.China)
(3: Yunnan Open University, Kunming 650500, P.R.China)
Abstract: Nitrogen is the main driving factor for the eutrophication of Lake Erhai. Thus, it is significant to clarify the spatial and temporal distribution characteristics of nitrogen in rural and urban areas of the watershed. In this paper, an output coefficient model was applied to quantify nitrogen pollution loading and identify the main sources of nitrogen from urban and rural area during 1998-2016. With the help of spatial analysis function of GIS, the river export of nitrogen to Lake Erhai from sub-basins was quantified. The results showed that the total nitrogen (TN) pollution loading in 1998, 2005, 2010 and 2016 was 2442.43, 2573.10, 2606.28 and 2389.10 t, respectively. Point pollution was increasing while non-point source pollution showed a downward trend over time, whereas non-point pollution was still the main source of TN. From the perspective of sources retrieval, the fertilizer input, livestock and poultry breeding and rural population were the main sources in the Lake Erhai basin, accounting for 35 %, 24 % and 17 % of the TN loading, respectively. In 2016, the load per unit area was mainly on 1000-1500 kg/km2, with higher loads in the Zhonghexi (1857 kg/km2), Taomeixi (1582 kg/km2), Baishixi (1541 kg/km2), Luoshijiang (1088 kg/km2) and Boluojiang (1050 kg/km2) sub-basins. In order to reduce the nitrogen losses to the water bodies and mitigate eutrophication status of Lake Erhai, several actions could be favorably suggested in the future: the sewage treatment rate could be improved through building more centralized treatments of domestic sewage; animal manure treatment technology could be improved to increase the nitrogen use efficiency in the animal production process; and finally, synthetic fertilizer and animal manure could be used more rationally.
Keywords: Lake Erhai basin    nitrogen    temporal and spatial variation characteristics    structure of sources    GIS    

洱海是云南省第二大高原淡水湖泊,是云南省水资源的重要载体,也是全省居民密集、人类活动频繁的地区,在区域社会经济发展中发挥重要作用[1-2]. 由于水体富营养化,洱海曾于1996、2003和2013年多次暴发蓝藻灾害,2000年以来,洱海水质从Ⅱ类最低下降为Ⅳ类,湖泊生态保护形势严峻[3-4]. 针对洱海富营养化问题,大理白族自治州政府制定一系列洱海水环境保护治理规划,通过生态修复、湿地建设、环湖管道截污工程建设,使湖泊水质条件有所改善,但水环境污染状况仍不容乐观[5-7]. 因此如何进一步明晰流域污染负荷来源,加强入湖污染负荷削减,成为洱海水环境保护的重要问题.

氮输入负荷升高是洱海水环境退化的重要诱因,定量解析氮污染的时空分布特征成为流域水环境精细化管理的重要基础. 据测算,每年进入洱海的总氮约2628.2 t,农田面源污染、农村畜禽粪便和农村生活污染是洱海氮污染负荷的主要来源[8]. 研究发现,农田面源污染来源于化肥不合理投入,导致盈余的氮素通过径流、降水冲刷等方式进入湖泊,且种植模式和施肥方式对氮排放特征具有显著影响[9-11];畜禽粪尿远超环境可承载能力且集中排放导致畜禽粪便污染,养殖规模和结构是主要影响因子[12-13];农村生活污染来源于农村人口的排泄物和分散式生活污水的排放,农村生活污水排放量计算及低污染水处理是研究重点[14-15]. 目前,洱海流域农业生产和农村生活对洱海水环境影响的研究开展较多,但多集中于农村面源,结构较为单一. 随着流域快速城镇化和环湖旅游业的“井喷式”无序发展,洱海氮污染源构成日趋复杂. 王圣瑞等[16]研究发现,洱海流域城镇污染存量大,旅游污染增加,导致入湖河流水质提升困难. 以往研究多关注农村污染,而忽略城镇点源及旅游污染源的影响,已无法适应洱海流域城镇化及旅游经济发展的现状,综合考虑农村和城镇、点源与面源的氮排放的研究鲜见报道,严重制约洱海流域氮污染精准化化治理的实现.

当前对流域氮污染源解析多采用模型方法,模拟氮在空间传输迁移过程及可能分布特征,常用的模型有:经验模型、概念模型和机理模型. 其中概念模型(AGNPS模型、AnnAGNPS模型、ANSWERS模型)与机理模型(GREAMS模型、SWAT模型、HSPF模型)设计时未考虑地形地貌差异,导致对复杂区域模拟效果不佳,或是涉及参数过多且不易获取等原因,对洱海流域的适用性还有待提高[17-20]. 相反,以输出系数模型为代表的经验模型的参数相对容易获取,且省略了对非点源污染形成过程的研究,减少了对土壤侵蚀、污染物迁移监测数据的依赖性. 在实际应用中,输出系数模型往往比机理模型更具操作性和可行性[21]. 目前,输出系数模型已经广泛应用于我国诸多流域,并取得较好的模拟结果[22-24]. 长期以来,洱海流域污染物排放及入湖负荷计算多以全流域或乡镇为尺度:如,董利民[25]以洱海全流域为研究对象,对外源性污染源进行调查和解析;翟玥等[26]使用验证后的SWAT模型模拟计算洱海流域内不同乡镇的农业面源污染源结构,识别重点农业污染村镇;项颂等[27]对洱海流域农业面源污染负荷进行分析及评价,发现北部乡镇污染物排放量较高,西部各乡镇排放强度较大. 研究结果均值化的呈现方式难以反映氮污染源的空间异质性,有必要对洱海流域加以细化,从子流域的尺度分析氮时空分布特征,准确识别各类污染源排放格局,定位高负荷敏感区及其主要污染源,进而为指导控源减排措施的精准实施提供依据.

因此,本文利用GIS流域分析功能,将洱海流域划分为26个子流域;通过文献挖掘和实地调研获得模型参数,利用输出系数模型结合GIS空间分析功能,分析洱海流域1998-2016年间氮素污染时空分布特征,定量流域内农村和城镇区域的氮污染源结构,精确量化不同时期各子流域的重要污染源,为洱海流域水环境保护提供科学依据和实践参考.

1 材料与方法 1.1 研究区概况

洱海(25°30′~26°00′N,100°00′~100°30′E)是全国第七大淡水湖泊,位于大理白族自治州境内,地跨大理市和洱源县,湖面面积250 km2,平均水深10.5 m,流域面积2565 km2[28]. 洱海流域位于北亚热带高原季风气候带上,具有年温差小、日温差大、干湿季节分明的气候特点[20]. 流域内有大小河溪117条,其中弥苴河、永安江、罗时江位于洱海的北部,弥苴河是位于洱海北部最大的入湖河流;波罗江、西洱河位于洱海的南部;苍山十八溪位于洱海的西侧;凤尾菁、海东菁、龙王庙菁位于洱海的东侧. 本研究基于DEM数据并结合GIS流域分析功能,将洱海流域划分为26个子流域,其中18、19、20号子流域属于洱源县,其余子流域属于大理市(图 1).

图 1 洱海流域及土地利用 Fig.1 Sub-basins and land use in Lake Erhai basin
1.2 数据来源

本研究数据包括地理空间数据、农村数据及城镇数据3部分. 其中地理空间数据涉及土地利用分布图、子流域边界图等. 基于地理空间数据云和自然资源部国土卫星遥感应用中心平台获取遥感影像,通过数据预处理、监督分类和目视解译,结合GIS的空间分析功能,获得1998、2005、2010和2016年洱海流域土地利用分布图,包括耕地、林地、草地、建设用地、水域和未利用地6大类型,总体分类精度和Kappa系数均达到90 % 以上. 基于DEM数据并结合GIS流域分析功能,获得洱海子流域分布图;农村数据主要来源于1998-2016年大理白族自治州地方年鉴、统计年鉴、云南省数字乡村网及实地调研[29-30]. 涉及的数据包括:农村人口数量、鸡、猪、牛、羊和大牲畜等畜禽养殖数量,粮食和经济作物播种面积、产量以及氮肥施用量. 城镇数据主要来源于1998-2016年大理州国民经济与社会发展统计公报、大理白族自治州统计年鉴和洱海流域水污染综合防治规划等[6, 29, 31-32]. 涉及数据包括:城镇人口数量、旅游人口数量、二三产业产值、不达标污水量等.

1.3 研究方法与参数获取

洱海流域的氮素来源主要包括农村和城镇两部分,在本研究中根据污染物排放方式不同,将其划分为面源污染和点源污染两种形式(图 2).

图 2 污染负荷入湖机制 Fig.2 The mechanism of pollution load into the lake
1.3.1 面源污染计算方法

面源污染主要是由于流域内产生的污染物通过降雨的冲刷作用,随着地表径流和泥沙的陆面输移到达河流. 在农村区域,面源污染主要来源于农村生活产生的废弃物还田、化肥施用、土地利用等;在城镇区域主要来源于建设过程中产生的污染. 本研究中采取输出系数模型法计算面源污染. 输出系数法又名单位负荷法,最早于1996年由英国科学家Johnes提出,是基于多元线性回归分析的数学模型,直接建立流域土地利用类型、施肥量、牲畜、人口等数据与面源污染输出量之间的关系,然后通过对不同污染源类型的污染负荷求和,得到研究区的污染输出负荷[33]. 具体计算过程参考文献[34],其中参考《第一次全国污染普查畜禽养殖业源产排污系数手册》[35]以及包维卿等[36]和董利民[25]的研究综合分析,得出洱海流域中大牲畜、猪、羊、奶牛和家禽畜禽粪尿排泄系数及氮含量;采用文献查阅法,结合洱海流域实际的经济发展程度和土地利用类型,确定洱海流域林地、草地、未利用地和农村人口输出系数[37],分别为0.24 kg/hm2、1.57 kg/hm2、5.0 kg/hm2和2.83 kg/人. 入湖系数是指污染物在降水冲刷和坡度作用下向流域出口输入与迁移过程中,会受到植被拦截、地下渗漏、自然沉降以及各种生化作用的影响,导致污染物出现的入湖损失,本文中入湖系数来源于文献[3, 38-40].

此外,自然条件的生物固氮和大气沉降也是面源污染的重要组成部分,具体计算过程为:

$ P = d \cdot a \cdot \lambda $ (1)

式中,d为研究区域单位面积上氮沉降率或生物固氮量,kg/km2a为研究区域的面积,km2λ代表径流系数. 单位面积干湿氮沉降率、生物固氮量及径流系数均来源于文献资料[36, 39-40].

1.3.2 点源污染计算方法

洱海流域点源污染主要来源于城镇区域,包括城镇居民生活、工业污水、旅游污染等通过处理设施后排入湖泊. 此外,随着农村污水收集处理及农村环境整治工作的开展以及规模化养殖场日益增加,农村生活和畜禽养殖污染不仅以传统方式还田,还有部分是设施处理后通过管道运输以点源方式排入湖泊[34]. 具体计算方式如下:

(1) 城镇(农村)居民生活:

$ {L_{j \cdot pop}} = 365POPU \cdot {\alpha _1} \cdot {\beta _1} $ (2)

式中,Lj·pop为第j子流域中城市居民生活产生的总氮污染负荷,t;POPU代表生活污水可被污水设施处理的城市或农村人口数量;α1代表城市(或农村)居民中每人每天氮排放量,t;β1是城市(或农村)居民生活污染物通过城镇化粪池、管网收集和污染治理设施处理后,最终进入湖泊的比例. 根据文献资料确定城镇生活中每人每天氮排放量为11.9 g[38].

(2) 产业污染,包括工业污染、旅游污染和规模化畜禽养殖污染:

$ {L_{j \cdot t}} = {W_{j \cdot t}} \cdot {\alpha _{j \cdot t}} \cdot {\beta _{j \cdot t}} $ (3)

式中,Lj·t是第j子流域中第t类产业的产生总氮污染负荷(t);Wj·t是第j子流域中第t类不达标工业污水排放量(t),或每年旅游人口数量(人),或每年规模化畜禽养殖产生的粪尿量(t),其中子流域的污水排放量及畜禽养殖的粪尿量用面积加权法获取,子流域旅游人口数量根据各个子流域内旅游景点、住宿和餐饮的数量确定权重,再将各子流域权重与旅游总人口相乘获取;αj·t代表第j子流域中第t类每吨不达标工业污水含氮量,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类工业污水,或旅游、规模化畜禽养殖污水通过管网收集、污染治理设施处理后最终进入湖泊的比例. 城镇生活、农村生活、旅游和畜禽养殖的系数取值分别为0.10~0.21、0.4~0.5、0.10~0.21和0.16~0.20. 根据文献资料确定工业不达标污水中总氮含量[41]、畜禽粪便还田比例[42]和旅游人口总氮入湖量[43].

2 结果与分析 2.1 1998-2016年洱海流域总氮污染入湖负荷分析

洱海流域在1998-2016年的总氮污染负荷平均值为2502.73 t,其中1998、2005、2010、2016年总氮污染负荷分别为2442.43、2573.10、2606.28、2389.10 t,污染负荷先增加后有所下降(表 1). 其中,面源污染是其主要来源,1998、2005、2010、2016年面源污染占总污染负荷比例分别为93.21 %、91.84 %、89.50 %、86.09 %,相比2010年,2016年降幅(11.84 %)最大. 但从数量上看,面源污染呈下降趋势,从2276.28 t降至2056.67 t. 与之相反,点源污染出现明显上涨,从1998年的166.15 t升至2016年的332.43 t,但其占比远低于面源污染.

表 1 洱海流域总氮入湖污染负荷 Tab. 1 Total nitrogen pollution load in Lake Erhai basin
2.2 洱海流域总氮污染源分析

化肥污染、畜禽养殖、农村生活和大气沉降是洱海流域主要的面源污染(图 3A). 由化肥施用引起的农田面源污染呈现下降趋势,从792.42 t降至604.21 t,降幅达23.75 %. 由畜禽养殖过程中粪尿还田所导致的污染呈现先增加后减少的趋势,从1998年的516.51 t升至2005年的545.32 t,后又降至2016年的499.06 t. 同样地,农村生活面源污染呈现明显的先增后减的趋势,从1998年的411.28 t到2010年的518.57 t,涨幅达26.09 %,后又降至2016年的405.84 t,降幅为1.32 %. 除了人为活动外,由自然因素引起的大气沉降也是洱海流域总氮污染负荷的一个重要来源,但近年来呈现先升后降逐年下降的趋势,从1998年的370.60 t降至2016年的338.90 t,降幅为8.55 %. 此外,生物固氮、建筑污染以及土地利用贡献量相对较小,截止2016年三者仅为159.79、28.64和20.23 t.

图 3 洱海流域总氮入湖污染负荷(A:面源污染负荷;B:点源污染负荷) Fig.3 Total nitrogen pollution in Lake Erhai basin (A: Non-point source pollution load; B: Point source pollution load)

城镇生活、畜禽养殖、农村生活、旅游污染和工业污染是洱海流域主要的点源污染(图 3B). 城镇和农村生活点源污染贡献均呈现明显的上升趋势,两者分别增加32.09和40.17 t. 随着流域内规模化养殖业的快速发展以及养殖技术的不断完善,大多养殖场均配置有污水处理设备,使得畜禽粪尿通过污水处理设施后以点源形式排入湖泊内,该部分点源污染近年也呈现出明显上涨趋势,从1998年的35.87 t升至2016年的73.16 t. 在诸多污染源中,旅游污染上升幅度最大,从1998年的7.34 t陡升至68.59 t,增长8.3倍,其中2005-2010年的涨幅最大,高达84.76 %. 此外,工厂污水点源污染源呈现先减后增的趋势,1998-2005年间减少18.98 t,但此后升至30.56 t.

2.3 洱海流域总氮入湖污染负荷空间分析

根据GIS的自然间断功能,将入湖污染负荷量划分为4个等级(图 4). 洱源县所辖流域(包括18、19、20号子流域)1998、2005、2010和2016年的总氮污染负荷分别为1246.23、1331.01、1343.85、1207.34 t,占全流域的50 % 以上,其中化肥污染、畜禽养殖、农村生活是主要的污染来源,贡献比例分别为28 %、22 % 和18 %. 大理市所辖流域总氮入湖污染负荷分别为1054.95、1116.33、1151.41、1062.59 t,主要来源于化肥施用、畜禽养殖、城镇生活和旅游污染. 洱源县单位面积总氮污染负荷主要集中在0~1000 kg/km2,大理市主要集中在1000~1500和1500~2000 kg/km2.

图 4 1998-2016年子流域总氮污染负荷分布及组成 Fig.4 Distribution and composition of total nitrogen pollution load in sub-basins from 1998 to 2016

不同子流域的单位面积污染负荷量在空间格局上不尽相同. 其中7、8、11、18和24号子流域总氮污染负荷量较高,分别为1857、1582、1541、1088和1050 kg/km2,而21号子流域的单位负荷量最低,仅为709 kg/km2. 7、8号子流域是变化幅度最大的子流域,7号子流域单位面积负荷量从1998年的1142 kg/km2增至2016年的2387 kg/km2,增加2倍以上,8号子流域从1067 kg/km2增至1947 kg/km2,上升幅度高达45 %;其他子流域的变化幅度不均匀,其中4号子流域下降趋势最明显,下降幅度约为11 %.

从子流域的氮污染源来看,不同的子流域污染来源差异明显. 11、18、24子流域以化肥污染为主,3个子流域的化肥污染占比均达40 % 左右;畜禽养殖污染主要集中在18、19、20号子流域,农村生活污染主要集中于2~6子流域. 城镇生活污染源主要集中在23、24、25号子流域,约占总污染负荷的25 %. 7号子流域中旅游污染比较突出,从1998年的2.31 t上升到2016年的21.56 t.

3 讨论 3.1 1998-2016年洱海流域总氮入湖污染负荷时间分异特征

1998-2016年间洱海流域总氮负荷量呈现先增后减的趋势,1998-2005年间从2442.43 t增至2573.10 t,主要由于面源污染负荷的增加. 该时期洱海流域种植业发展迅速,以大蒜为主的高氮肥作物面积不断扩大,化肥的大量施用导致盈余的氮素随降雨及灌溉排水等方式进入湖泊;2003年洱海流域暴发大规模的蓝藻水华,当地政府提出一系列治理措施,包括“三退三还”(退塘还湖、退耕还林、退房还湿地)、农业面源污染治理等,最终2005年面源污染有所改善. 但是从总量上看,2005年总氮负荷量依然高达2606.28 t,究其原因,虽然该时期面源污染得到一定程度控制,但是随着洱海流域城镇化快速发展,城镇人口从15.78万人增至24.65万人,人口的增加导致污水处理量增加且难度提升,而当时流域内污水处理厂数量少且处理设施落后、效率低下,最终点源污染增加.

2010-2016年间洱海流域总氮负荷量下降217.18 t. 一方面,随着洱海流域水污染综合防治规划中提出的畜禽养殖污染治理与资源化、农业面源污染控制等一系列工程的实施,有效地降低了面源污染;另一方面伴随着产业结构调整,污染严重的大蒜种植面积不断减少,通过绿色农业方式及测土配方措施进一步降低了由化肥施用引起的农田面源污染[44]. 虽然流域内总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,占总量80 % 以上,面源污染具有分散性、隐蔽性和不确定性等特征,因此在未来的洱海生态环境保护过程中,依然需要继续加强面源污染控制.

3.2 1998-2016年洱海流域总氮入湖污染负荷源结构解析

洱海流域农业生产过程产生的总氮污染入湖负荷占污染负荷总量的50 % 以上,其中1998、2005、2010和2016年化肥污染产生的总氮负荷量分别为792.42、744、730.57和604.21 t,而养殖过程的总氮负荷量为516.51、545.32、531.49和499.06 t;均远远高于当年的点源污染总量. 如表 2所示,对比洱海流域水污染综合防治“十二五”“十三五”规划以及前人研究结果发现,本研究中的城镇生活污染、干湿沉降和旅游污染与已有研究结果相符,但是农村生活、畜禽养殖及农田面源存在一定差异,究其原因主要是由于过去研究多将农村污水、畜禽养殖污染均作为面源处理,但实际上随着洱海流域内农村污水收集处理及农村环境整治工作的开展,以及配套布设的污水处理设施处理的规模化养殖场的增加,使得农村生活和畜禽养殖污染物并未完全作为有机肥还田,而是部分通过集中处置后纳管排放,最终导致负荷量存在差异.

表 2 与其他相关研究结果比较 Tab. 2 The results were compared with other relevant studies

化肥污染和畜禽养殖已经成为洱海流域总氮污染的主要来源. 洱海流域是大理州农业发展的重要区域,蔬菜等高氮肥作物的面积较大,据统计洱海流域蔬菜面积为8400 hm2,平均氮肥施用量达1800 kg/hm2,远高于全国平均水平[46]. 随着种植业的快速发展,带来化肥投入的增加,同时化肥投入量大与利用效率低下之间的矛盾,造成盈余的氮素只能损失到环境中,通过淋洗、径流、侵蚀进入水体中. 另一方面,洱海流域作为大理白族自治州重要的奶牛和生猪养殖基地,截止2016年两者养殖量分别为6.8万和36.12万头,畜禽养殖以圈养为主,但是分布于流域广大的农村区域,畜禽粪尿的处理难度大,导致畜禽粪尿中的氮随降雨及地表径流进入河流并最终汇入洱海,这与董利民的研究结果相吻合[43]. 此外,农村生活过程中产生的面源污染,也是洱海流域氮污染的重要来源. 虽然流域内重要集镇配套建成污水处理网,但2010年以前流域内大部分自然村的污水收集设施、排水设施均不完善,导致大量生活污水得不到妥善处理,该结果与庞燕等的研究结论相一致[14].

农村和城镇生活污染是洱海流域总氮点源污染的主要来源,分别占比21.36 % 和26.81 %,虽然按照“集中与处理相结合,以集中为主要处理手段”的原则,流域内相继建成了多座污水处理厂,但是随着城镇化和旅游业的发展,城镇人口持续增长,农村经济收入的增加,居民生活方式的改变导致用水量远远高于污水处理容量,而且农村排水设施和收集系统的建设相对落后,设施使用率及效率低下,造成城镇和农村生活污水不减反增. 此外,近年来大理旅游业的繁荣,导致旅游污染成为增长最快的污染源,增长8.3倍. 因此未来旅游污染控制将成为洱海氮污染控制的重点. 近年大理州人民政府相继提出洱海流域旅游接待实行“门前三包”制度、污水垃圾有偿收集处理制度,强力调整沿湖旅游业无序、低端发展现状. 相关措施的制定可与本研究结果相互印证[47].

3.3 洱海流域总氮入湖污染负荷空间分布特征

子流域7、8、11、18和24对总氮入湖污染贡献最大,总氮负荷均值分别为1857、1582、1541、1088和1050 kg/km2. 7、8号子流域总氮负荷主要来源于旅游污染,截止2016年,大理市共接待游客1100万人,巨大的旅游人口导致用水量及污水的激增,但污水处理设施建设的缺失且滞后,导致污水未得到有效处理. 2、11号子流域位于洱海流域西部坝区,该区域以种植业为主,过去主要种植大蒜、蚕豆等高施肥量、高耗水作物,造成该区域的农业面源污染问题突出,但是自2010年后,随着环湖截污工程及相应污水处理设施的建设,该区域的农业面源污染得到有效控制,到2016年区域内总氮负荷量均低于1000 kg/km2;18号子流域位于洱海流域北部,洱源和邓川盆地畜牧业发达,是主要的奶牛和生猪养殖基地. 该区域农牧分离问题严重,畜禽粪尿作为有机肥还田率仅有8 % 左右,远远低于全国30 % ~50 % 的水平. 畜禽粪尿的不合理利用及管理,导致畜禽养殖成为主要来源. 24号子流域位于洱海流域南部区域,是大理市主城区所在地,也是人口最为密集的区域. 污水量大且污水处理设施老旧处理率低等问题,使得城镇生活成为该区域总氮负荷的主要来源. 2016年洱海流域中洱源县的总氮负荷量(1207.34 t)高于大理市(1062.59 t),农业是洱源县的主要产业,农业生产过程中的农业面源污染及畜禽粪尿污染是其主要来源.

综上所述,根据洱海流域各子流域的总氮负荷时空特征及其源结构解析,本文针对不同区域提出差异化的治理措施:(1)北部以畜禽养殖为主的18、19、20号子流域:一方面严格划定畜禽养殖区域,避免全流域分散养殖;另一方面通过种养结合形式,提高畜禽粪尿作为有机肥的还田比例,促进氮素在种养系统中的循环利用,减少氮的环境排放;(2)西部以种植业为主的2~6号和9~11号子流域:实施种植业结构调整,减少高耗氮作物种植面积,优化化肥与有机肥结构,减少化肥投入;(3)东南部的22~24号子流域城镇区域以及西部2~6子流域中的农村区域:增加城镇专业化运营污水处理厂数量;完善农村污水管网体系建设,提高农村污水处理效率;(4)以旅游业为主的7、8号子流域:在旅游人口密集居住区域加强污水处理和收集设施建设,提高污水去除效率. 此外,在控源减排的同时,完善环湖截污工程建设,实现沿湖村落污水处理与环湖截污体系相连接;发展农村生活与养殖污水处理集成技术等,进一步减少总氮入湖负荷量.

4 结论

1) 利用输出系数模型,分析洱海流域1998-2016年间总氮入湖污染负荷时空分布特征. 1998、2005、2010和2016年的洱海流域总氮入湖污染负荷分别为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,占总污染负荷60 % 以上;点源污染呈现增加趋势.

2) 通过对流域内农村和城镇区域的总氮入湖污染负荷源结构定量化研究,发现化肥污染、畜禽养殖和农村生活是洱海流域氮负荷的主要污染源. 其中面源污染贡献程度依次为化肥污染>畜禽养殖>农村生活>大气沉降>生物固氮>土地利用;点源污染负荷贡献率从大到小依次为城镇生活>农村生活>畜禽养殖>旅游污染>工业污染.

3) 基于GIS空间分析功能,精确量化不同时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(罗时江)和24(波罗江)号子流域对总氮入湖污染贡献最大,单位面积总氮负荷分别为1857、1582、1541、1088和1050 kg/km2. 以旅游污染、化肥污染、畜禽养殖和城镇生活污染为主. 根据洱海流域各子流域的总氮入湖污染负荷时空分异特征及源结构解析,针对不同区域提出差异化的治理措施:通过生活污水集中处理,提高污水处理率;畜禽养殖规模化,加强粪便处理技术;优化化肥和有机肥结构等措施实现氮素有效减排,控制洱海水体富营养化.

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