Analysis of temporal and spatial variation characteristics of phosphorus in Erhai Lake basin from 1998to
2016based on export coefficient model
WEI Xiao-xue 1，2,LI Xiao-lin 3,ZHENG Yi 3*
（1.Wetlands College,Southwest Forestry University,Kunming 650224,China;2.National Plateau Wetlands Research Center,Southwest Forestry University,Kunming 650224,China;3.College of Ecology and Environment,Southwest Forestry University,Kunming 650224,China ）
Abstract ：In order to analyze the temporal and spatial variations of phosphorus in Erhai Lake basin from 1998to 2016,the phosphorus pol⁃lution load in Erhai Lake in 1998,2005,2010,and 2016was calculated by output coefficient model.The results show that from 1998to 2016,the total phosphorus pollution load in Erhai Lake had an upward trend,in which the point source pollution in the basin increased
while the nonpoint source pollution decreased.However,nonpoint source pollution is still the main source of pollution.The total phospho⁃rus pollution load in Erhai Lake basin was 390.273t in 1998,40
2.150t in 2005,and 398.879t in 2010;the highest value was 429.451t in 2016.Agricultural nonpoint sources,livestock and poultry manure,and domestic sewage of urban residents were the three major sources of
pollution in Erhai Lake basin,accounting for an average of 48%,18%,and 15%of the total phosphorus pollution load,respectively.The to⁃tal phosphorus pollution load in Eryuan County is 205.608t,which is larger than that in Dali City.The unit area load of total phosphorus in
韦晓雪，李晓琳，郑
毅.基于输出系数模型的1998—2016年洱海流域磷素时空变化特征分析[J].农业环境科学学报,2020,39（1）：171-181. WEI Xiao-xue,LI Xiao-lin,ZHENG Yi.Analysis of temporal and spatial variation characteristics of phosphorus in Erhai Lake basin from 1998to 2016based on export coefficient model[J].Journal of Agro-Environment Science ,2020,39（1）:171-181.
基于输出系数模型的1998—2016年洱海流域磷素时空变化特征分析
韦晓雪1，2
，李晓琳3，郑
毅3*
（1.西南林业大学湿地学院，昆明650224；2.西南林业大学国家高原湿地研究中心，昆明650224；3.西南林业大学生态与环境学院，昆明650224）
收稿日期：2019-04-10录用日期：2019-10-10作者简介：韦晓雪（1994—），女，广西贵港人，硕士研究生，从事湿地环境地理研究。E-mail ：929727232@qq *通信作者：郑毅E-mail ：zhengyi-64@163 基金项目：国家重点研发计划项目（2017YFD0200200/007）；国家自然科学基金项目（31460551）；云南省应用基础研究计划青年项目（2017FD104）；
云南省高校优势特重点学科（生态学）建设项目（0511311）
Project supported ：The National Key R&D Program of China （2017YFD0200200/007）；The National Natural Science Foundation of China （31460551）；
The Youth Project of the Application Basic Research Program of Yunnan Province （2017FD104）；
The Construction Project of Key Discipline （Ecology ）of Colleges and Universities of Yunnan Province （0511311）
摘要：为分析1998—2016年洱海流域磷素时空变化特征，本研究通过输出系数模型计算1998、2005、2010、2016年洱海磷污染 负荷，以细化磷污染来源。结果表明：1998—2016年，洱海总磷污染负荷总体呈上升趋势，具体表现为流域内点源污染增加、面源污染减少，但面源污染仍是主要污染源。其中，1998年洱海流域总磷污染负荷为390.273t ，2005年为402.150t ，2010年为398.879t ，2016年达到最高值429.451t 。农业面源、畜禽养殖粪便和城镇居民生活污水是洱海流域三大污染来源，其产生平均负荷分别占总磷污染负荷的48%、18%、15%。洱源县总磷污染负荷达205.608t ，大于大理市污染负荷。洱海子流域总磷单位面积负荷集中于86.027~540.519kg·km -2·a -1，其中子流域1~14变化明显。今后流域治理过程中可通过提高污水处理效率、实现畜禽粪便科学还田、合理施用化肥等方式，减少磷素向水体中的排放量，从而实现流域内磷素的合理循环。关键词：洱海流域；点源污染；面源污染；输出系数模型；子流域中图分类号：X592 文献标志码：A
文章编号：1672-2043（2020）01-0171-11
doi:10.11654/jaes.2019-0389
洱海位于云南大理白族自治州境内，系云南省第二大高原淡水湖泊，具有供水、灌溉、渔业、航运、旅游等多种功能，在区域经济发展中发挥着重要作用[1]。但由于洱海具有入湖河流源近流短、水体交换周期长、水量少等特征，使其富营养化状况日趋严重[2]。20世纪90年代以来，洱海水质从Ⅱ类下降为
Ⅲ类，主要水质指标尤其是总磷量呈增加趋势，区域经济增长与生态环境保护协调发展成为该区域可持续发展面临的重要问题[3-4]。洱海富营养化是一个长期而缓慢的过程[5]。近20年来，在国家重大水专项的支持下，地方政府制定了一系列洱海流域水环境保护治理规划（1996—2016），以期减少经济高速发展下洱海流域污染负荷，但近些年水环境污染依旧存在。因此，运用科学方法揭示长时间尺度下洱海流域磷素的时空分布规律，分析其存在的问题并提出对策，对于改善洱海水质、保护洱海流域水环境，实现洱海流域社会经济可持续发展具有现实的科学指导意义。
磷素的输入是导致洱海水质不断恶化的主要限制因子[6]。农业生产与农村生活污染是流域环境污染的主要来源，二者对流域污染负荷贡献率在60%以上[7-9]。流域内农业生产活动强度加大、化肥农药使用过量、农户散养畜禽粪便资源利用程度不高，使得农业面源污染急速增加[10-12]。加上生产过程中
磷素利用效率低的矛盾，导致盈余磷素在土壤内累积，或通过径流、淋溶、侵蚀进入水体，加剧了水体富营养化[13]。富磷的农村生活污水和生活垃圾随意排放与丢弃，致使农村污染进一步加重[14-15]。流域经济社会快速发展过程中，城镇入湖磷污染负荷逐年升高是导致洱海水质下降的另一重要原因，王圣瑞等[16]研究发现洱海流域城镇污染存量大，旅游污染快速增加，导致入湖河流水质提升困难。一方面人口数量持续上升，人类活动强度加大，导致流域污染干扰性增强[17]；另一方面快速城镇化进程中洱海流域城市建筑面积加大，水泥等不透水性下垫面增加，加快污水进入水体时间[18-19]。然而目前综合考虑农村和城镇两大污染源的研究甚少，已有研究多涉及农村面源污染对洱海水环境的影响，实际上忽略了城镇与农村不同污染来源的差异性及其对水环境的影响。
有学者从空间尺度对洱海流域农业面源污染分布情况进行了研究。如杜宝汉[20]以区为单元估算了洱海流域农村非点源污染量，发现洱海西部与北部是污染重点控制区；翟玥等[21]以乡镇为单元核算了洱海流域面源污染评价，发现对入湖贡献最大的乡镇是江尾、右所、三营、玉湖、凤仪和喜洲，约占流域污染负荷的65%。但已有研究多是基于大尺度污染物研究估算，具有空间异质性结果不够细致的缺点，导致难以区分各污染来源分布格局与定位高负荷敏感区及其污染类型[22]。因此，为了保护洱海流域健康的水环境功能，有必要全面且细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负荷。以子流域为单元估算洱海流域磷污染，有利于对洱海流域磷素污染提出因地制宜的精细化管理，从而实现减少流域磷素污染的目标。
本研究通过整理年鉴数据、挖掘文献资料、实地调研及监测等方式，将输出系数模型与ArcGIS相结合，精确分析洱海流域26个子流域在1998—2016近
20年间总磷负荷时空分布特征，定量分析流域内农村和城镇区域的外源磷污染源结构，识别洱海流域重点污染源和污染区域，为今后洱海流域水环境保护提供科学依据和实践参考。
1研究区概况
洱海流域位于大理白族自治州中部偏东位置，地跨大理市和洱源县两个区域（25°30′~26°00′N，100°00′~100°30′E），流域总面积为2556.4km2。洱海隶属澜沧江的分支水系，是云南高原上仅次于滇池的第二大高原湖泊。洱海流域主要进水河流为弥苴河、罗时江、永安江，位于洱海北部区域，唯一的出水口分布在西南地区的西洱河流域，湖水途经漾濞江最后汇入澜沧江。本文参照董利民[23]的研究，依据流量汇流区并结合GIS将洱海流域划分为26个子流域，按照县级行政单元划分，子流域18~20辖属洱源县，其余子流域辖属大理市（图1）。
-2-1
the discharge of phosphorus into water can be reduced by improving the efficiency of sewage treatment,realizing the scientific return of live⁃stock and poultry manure to the field,and the rational application of chemical fertilizers to realize the reasonable circulation of phosphorus in the basin.
Keywords：Erhai Lake basin;point source pollution;nonpoint source pollution;export coefficient model;sub-basin
2研究方法
本研究将洱海磷污染依照来源分为农村污染源
与城镇污染源。农村污染源由农村生活、畜禽养殖粪便、林地磷淋洗以及农业面源污染组成；城镇污染源由城镇生活污水、建筑污染、工业污染和旅游污染构成。从入湖方式划分，又可分为点源和面源两种形式。农业面源污染是农业生产过程中过量施用化肥农药、畜禽粪便以及农村生活污染不合理排放等对农业以及农村环境造成的大范围污染，具有分散性、不确定性、隐蔽性和难测性的特点[24]。传统意义上的农村生活污染是通过面源方式入湖，但相关研究表明：自20世纪90年代末期起，大理市政府已着手农村生活污水收集工作，农村污水收集率已从10%上升到80%以上。因此本研究认为，农村生活产生的废弃物和污水除了以传统方式还田外，还有部分是通过管道
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运输经过污水厂处理后以点源方式入湖[25-26]。洱海流域内传统农户散养粪便污染与规模化养殖粪便污染并存，农户散养产生的粪便污染以面源方式入湖，
规模化养殖粪便污染通过布设污水处理设施以点源方式入湖。
人口与产业集聚作为洱海城镇化经济发展的重要特征，在洱海流域经济快速发展的同时也给洱海水环境带来恶劣影响[27]。城镇居民增加和城镇面积扩张使得污水排放强度加大，加上处理设施落后，给水环境带来巨大压力[28]。因此，由城镇居民生活与建筑用地面积污染产生的污染问题是目前值得重视的环境问题。产业集聚意味着生产规模扩大，产量增加会促使污染大量排放，增加入湖负荷压力[29-30]。当前，对于洱海环境污染的研究还多集中于工业领域，忽略了由旅游产业带来的污染。人口与产业集聚带来的污染负荷在入湖形式上也有一定的差别，其中城镇居民生活、工业污染、旅游污染经过系统污水处理后以点源方式入湖，建设用地污染以面源方式入湖（图2）。2.1模型方法2.1.1输出系数模型
输出系数模型是基于多元线性回归分析的数学
模型，是借助污染物输出系数与土地利用等相关数据
图1洱海流域及土地利用
Figure
1Watershed
and
上海地铁5号线
land use
in Erhai
Lake
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basin
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估算流域输出的面源污染负荷，主要用于评价土地利用和湖泊富营养之间的关系[31]。输出系数模型经过改进后可用于计算各种来源的面源污染负荷，如土地利用类型、化肥施用、人口、牲畜的污染负荷[32]。
一般的输出系数模型方程表达式为：L j =∑i =1n
(E i ×A i ×I i )+P
（1）式中：L j 是磷污染在第j 子流域总负荷量，t·a -1；i 是子流域中的土地利用类型，共有n 种；E i 是磷污染在第i 种土地利用类型中的输出系数，t·km -2·a -1，或第i 种畜禽每头的排泄系数或每人的输出系数，t·a -1；A i 是子流域中第i 种土地利用类型的面积，km 2，或第i 种畜禽数量，头，或是人口的数量，人；I i 是指农业面源的入湖系数，或每头畜禽养殖的入湖系数，或每人的入湖系数，t ；P 是来自降水的输入污染物，t·a -1。
降雨负荷计算：
P =d ×a ×λ
（2）
式中：d 为研究区域单位面积上磷的沉降率，kg·km -2·a -1；a 为研究区域的面积，km 2；λ代表径流系数。2.1.2其他污染负荷计算
在现实生活中，城市居民产生的生活污染、工业
污水产生的污染以及旅游人口带来的污染都经过处理由管道直接排出，计算公式如下：
（1）城市居民生活污染计算L j ·pop =POPU ×α1×β1×365
（3）
式中：L j ·pop 是磷污染在第j 子流域中城市居民生活产生的总磷污染负荷，t·a -1；POPU 代表城市居民人口数
量，人；α1t ；β1是城市居民生活污染物入湖系数。
（2）产业污染计算L j·t =W t ×βt
（4）
式中：L j·t 是磷污染在第j 子流域中第t 类产业产生的
总磷负荷，t·a -1；W t 是第t 类不达标工业污水排放量，t·a -1，或每年旅游人口数量，人；βt 是第t 类每吨不达标工业污水含磷量，或旅游人均磷污染排放量，g 。2.2数据来源
农村污染源数据：通过大理白族自治州统计年
鉴、地方年鉴以及实际调查，得到洱海流域内1998、2005、2010、2016年的农村人口数量以及猪、大牲畜、
羊、家禽等畜禽养殖数量[33]。
城镇污染源数据：根据大理白族自治州统计年鉴、地方年鉴以及来自于污水处理厂及工业企业的废水排放直接统计，得到洱海流域内1998、2005、2010、2016年的城镇居民数量、旅游人口数量，以及不达标工业污水排放量[34]。
土地利用数据：本文涉及的土地利用数据来源于地理空间数据云网站，共选用分辨率为30m 的洱海流域1998、2005、2010、2016年4幅遥感影像，经过人
机交互目视解译得到耕地、草地、水域、建设用地、林地、未利用土地的面积。2.3参数选取2.3.1输出系数值
确定适合的输出系数是正确计算输入量的重点，
近些年国内学者对输出系数已积累了大量研究。本研究通过查阅《生活源产排污系数及使用说明》以及相关文献，对比参考流域和研究流域的土地利用类型、经济发展程度，确定了洱海流域的土地利用类型
及农村生活输出系数值[23，35-36]（表1）。
2.3.2畜禽排泄系数
社会经济快速发展，人们对畜禽肉类需求量增
加，畜禽养殖数量不断增加，畜禽养殖排放的大量粪便对生态环境造成严重的压力[37]。本研究通过文献
分析比较[23，38-39]，得到猪、大牲畜、羊、家禽的排泄系
数，见表2。
耕地
Farmland 0.0054
林地
Forestland
0.02
建设用地Construction land
0.02
农村生活Rural life 0.224
图2污染负荷入湖机制
Figure 2Mechanism of contamination load into lake
表1土地利用类型及农村生活输出系数值（t·km -2·a -1）Table 1The export coeffcient classification of TP in
relevant basins （t·km -2·a -1）
面源点源
入湖方式
林地磷淋洗
农村生活
农村污染源
畜禽养殖
农业面源
散养
规
模
化养殖
湖泊
旅游污染
城镇生活
工业污染
建筑污染
城镇污染源
2.3.3入湖系数
入湖系数是指污染物向流域出口输入与迁移过
程中出现的入湖损失[40]
。结合洱海流域实际情况，本文参考相关的研究成果，确定的城镇生活、农村生活、畜禽养殖、农业面源入河系数，见表3[41]
。2.3.4其他数值
城市每人每天磷排放量为0.82g ，该数值来源于
《第一次全国污染源普查城镇生活源产排污系数手
册》[42]
。依据《第一次全国污染源普查工业污染源产
排污系数手册》，得出工业不达标污水每吨含磷量为
0.005g [43]。畜禽粪便还田比例来源于农业农村部办
公厅发布的《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》[44]。
农村生活废弃物及污水还田比例来源于前人研究成果
[45-47]
。旅游人均磷污染排放量（0.7g ）、单位面积林
地磷淋洗量（0.62t·km -2
）
、单位建筑面积磷流失量（0.059t·km -2
）均参考已有文献数据
[23，48-49]
。
3结果与分析
3.11998—2016年洱海流域总磷污染负荷分析
洱海1998、2005、2010年和2016年的总磷污染负
荷分别为390.273、402.150、398.879t 和429.451t ，污染负荷呈升高趋势（表4）；但变化不均匀、不稳定，1998—2005年变化幅度中等，增幅为3.04%，2005—2010年变化幅度最小，降幅为0.82%，2010—2016年
变化幅度最大，增幅为7.66%。研究区点源污染负荷呈显著上升趋势，从1998年的115.453t 上升至2016年的184.649t ，增幅59.93%；而流域内面源污染负荷与点源污染负荷趋势相反，呈下降趋势，从1998年的
1998—2016年研究区仍以面源污染为主，面源污染负荷占比分别为70.41%、67.31%、59.59%和57.00%，表明洱海流域面源污染逐年减少，点源污染增加。3.2洱海流域总磷污染源分析
由图3A 可知，洱海点源污染负荷包括畜禽养殖、
农村生活、城镇生活、工业污染以及旅游产业等污染负荷。1998—2016年农村生活、城镇生活、旅游产业和畜禽养殖污染负荷呈持续上升的状态，工业污染呈下降趋势。城镇生活污染是洱海点源污染最主要的来源，其中2005—2010年增长幅度最大，从54.648t 增长至71.292t ，增加了16.644t ，占城镇污染来源总增长比例的30%。与此同时，旅游产业污染在18年间也处于快速增长阶段，1998年旅游产业污染最小，对于整个洱海的影响仅为0.518t ，随着社会进步，旅游成为大众休闲活动之首，2016年旅游产业污染反超工业污水污染，成为洱海点源污染的第四大污染负荷。
图3B 显示，洱海流域的面源污染负荷主要由农业面源、建筑污染、林地磷淋洗、畜禽养殖和农村生活污染等组成。农业面源占洱海面源污染负荷的75%，是洱海面源污染负荷最主要的污染源；在1998—2016年间，农业面源均值变化与林地磷淋洗均值变化趋势相同，呈先减少后增加趋势，而建筑污染与畜禽养殖污染则呈现出递增的趋势，农村生活污染出现递减趋势。总体上，农业面源从1998年的215.670t 下降至2016年的181.920t ，降幅为15.64%，说明研究区农业面源污染状况总体呈好转趋势，与耕地面积大量减少有关。
3.3洱海流域总磷污染负荷空间分析
综合各期GIS 数据的自然间断点，取150、215、
285为总磷单位面积污染负荷的间断点，将子流域分
为4级（图4）。由图4可知，洱源县内洱海流域总磷污染负荷贡献大，1998—2016年总磷污染负荷分别
猪Pig/头1.04
大牲畜
Large livestock/头
木格措和海螺沟哪个好玩
8.08
羊Sheep/头0.27
家禽
Poultry/只0.055
项目Item
点源污染负荷Point source pollution load 面源污染负荷Non-point source pollution load
总污染负荷Total pollution load
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115.453274.820390.2732005年
131.431270.719402.1502010年
161.177237.702398.879
2016年
184.649244.803429.451
总磷Total phosphorus
城镇生活Town life
0.03
农村生活Rural life
0.1
农业面源Agricultural non-point source
0.1
畜禽养殖Livestock and poultry breeding
0.1
表2畜禽排泄系数（g·a -1）Table 2Animal excreta parameter
表4洱海流域总磷污染负荷（t ）
Table 4Total phosphorus pollution load in Erhai Lake basin （t ）
表3入湖系数Table 3River load ratio
