張笑欣,易雨君,*,劉泓汐,楊志峰
1 北京師范大學(xué) 水沙科學(xué)教育部重點實驗室,北京 100875 2 廣東工業(yè)大學(xué) 環(huán)境生態(tài)工程研究院,廣州 510006
淺水湖泊是與人類生存、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)安全聯(lián)系最為緊密的淡水生態(tài)系統(tǒng),同時也受到人類活動的嚴(yán)重干擾。工業(yè)革命以來,社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展(如城市化、食品生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變、土地利用變化)導(dǎo)致過量的營養(yǎng)鹽負(fù)荷輸入湖泊,致使世界范圍內(nèi)超過75%的湖泊已經(jīng)處于富營養(yǎng)化狀態(tài)或正轉(zhuǎn)變?yōu)楦粻I養(yǎng)化狀態(tài)[1-3],使得湖泊原有結(jié)構(gòu)和功能遭到破壞,制約著社會、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。因此,定量評估湖泊入湖營養(yǎng)鹽負(fù)荷具有重要意義。
當(dāng)前,評估湖泊營養(yǎng)鹽負(fù)荷的模型方法主要包括機理模型和經(jīng)驗?zāi)P蚚4]。前者雖能精確評估營養(yǎng)鹽負(fù)荷,但所需參數(shù)較多,限制了其在產(chǎn)匯流機制不明確、監(jiān)測數(shù)據(jù)較為缺乏的流域中應(yīng)用[5];后者基于黑箱式的方法規(guī)避了產(chǎn)匯輸移過程的復(fù)雜性與隨機性,所需參數(shù)少、運算簡單、準(zhǔn)確性高,因此,近年來被研究者廣泛使用[6-7]。例如,Liu等[8]基于入湖營養(yǎng)負(fù)荷模型評估了太湖入湖營養(yǎng)鹽負(fù)荷,結(jié)果表明2008年入湖總氮和總磷負(fù)荷分別為33043 t和5254 t。
白洋淀是華北平原最大的淺水湖泊,對調(diào)節(jié)華北地區(qū)生態(tài)環(huán)境、維持生物多樣性和維護(hù)區(qū)域生態(tài)平衡起著重要作用[9]。受到高強度人類活動的干擾,白洋淀從20世紀(jì)80年代開始出現(xiàn)富營養(yǎng)化問題。根據(jù)《河北省生態(tài)環(huán)境狀況公報》,白洋淀自2004年后水質(zhì)為Ⅴ類或劣Ⅴ類,處于中度或輕度富營養(yǎng)化水平,主要污染物為化學(xué)需氧量、氨氮和總磷。富營養(yǎng)化問題引起大規(guī)模死魚事件、物種多樣性喪失等生態(tài)問題,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失,如2006年死魚事件,造成直接經(jīng)濟(jì)損失30余萬元。因此,控制白洋淀富營養(yǎng)化是恢復(fù)水質(zhì)的首要之路。入湖營養(yǎng)鹽負(fù)荷作為引起湖泊富營養(yǎng)化的關(guān)鍵驅(qū)動力,明晰其來源是控制富營養(yǎng)化的關(guān)鍵所在。目前,白洋淀入湖營養(yǎng)鹽負(fù)荷集中于農(nóng)業(yè)面源[10- 12],極少數(shù)研究綜合考慮了面源和點源[13]。另外針對營養(yǎng)鹽負(fù)荷未來的可能變化趨勢的研究也較為缺乏。2017年,我國在河北省設(shè)立雄安新區(qū),將白洋淀列為重要水體功能區(qū);按照規(guī)劃,新區(qū)遠(yuǎn)期將承載200萬至250萬人口,人類活動(如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、畜牧養(yǎng)殖)將大幅增加[14]。因此,探討城市化背景下白洋淀入湖營養(yǎng)鹽變化趨勢, 對支撐雄安新區(qū)生態(tài)建設(shè)具有重要意義。
為此,本研究基于入湖營養(yǎng)鹽負(fù)荷模型評估了歷史不同時期(1995—2015年)白洋淀入湖營養(yǎng)鹽負(fù)荷;在此基礎(chǔ)上,分析了土地利用、農(nóng)業(yè)管理和污水處理系統(tǒng)變化下未來(2050年)入湖營養(yǎng)鹽負(fù)荷的變化趨勢;最后,基于PCLake模型,評估白洋淀營養(yǎng)鹽負(fù)荷閾值,闡明養(yǎng)分管理措施。
白洋淀流域位于河北省中部,“京津冀”腹地,流域面積為31200 km2,分為8個子流域(圖1)。流域內(nèi)白洋淀是華北平原最大的淺水湖泊,湖泊最大面積為366 km2,平均水深2 m。自20世紀(jì)80年代以來,大量的農(nóng)田退水、生活污水和生產(chǎn)廢水進(jìn)入白洋淀,造成水質(zhì)污染,水體發(fā)生富營養(yǎng)化[5]。環(huán)境統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)顯示,白洋淀淀區(qū)水質(zhì)未達(dá)到水功能區(qū)劃的要求(III類水),屬于重度或中度污染。
圖1 研究區(qū)位置Fig.1 The location of study area
本研究分三步進(jìn)行(圖2)。首先,建立入湖營養(yǎng)鹽負(fù)荷模型,該模型計算了1995—2015年白洋淀流域中5個子系統(tǒng)通過河流輸送到湖泊中的總氮、總磷負(fù)荷;其次,設(shè)置土地利用、農(nóng)業(yè)管理和污水處理系統(tǒng)變化的5種情景,預(yù)測2050年白洋淀流域入湖營養(yǎng)鹽負(fù)荷;最后,基于PCLake模型預(yù)測水質(zhì)恢復(fù)對應(yīng)的營養(yǎng)鹽負(fù)荷閾值,通過比較入湖營養(yǎng)鹽負(fù)荷與閾值確定恢復(fù)白洋淀水質(zhì)的適宜養(yǎng)分管理措施。
圖2 研究路線圖Fig.2 The research steps
1.2.1入湖營養(yǎng)鹽負(fù)荷模型
入湖營養(yǎng)鹽負(fù)荷模型考慮了大氣沉降、工業(yè)生產(chǎn)、家庭消費(分為城鎮(zhèn)家庭和農(nóng)村家庭)、畜禽養(yǎng)殖和土地利用(耕地和其他土地利用類型)5個子系統(tǒng)中氮、磷的產(chǎn)生和循環(huán)過程(圖3)。模型中還考慮了氮、磷由陸域輸移到河道系統(tǒng)以及在河道系統(tǒng)中的損失量,如被水利設(shè)施阻隔、因沿岸取用水資源損耗、滯留在河床中等[13]。基于入湖營養(yǎng)鹽負(fù)荷模型,計算白洋淀流域五個子系統(tǒng)的營養(yǎng)鹽輸入負(fù)荷(圖2):
LF,j=(RSF,hum,j+RSpntF,ind,j+RSdifF,ani,j+WSdifN,dep,j+RSdifF,agr,j)FEriv,F,mouth,j
式中,LF,j為j子流域通過河流輸入湖泊的營養(yǎng)鹽(F:氮和磷)負(fù)荷總和(kg/a);RSF,hum,j、RSpntF,ind,j、RSdifF,ani,j、WSdifN,dep,j和RSdifF,agr,j分別為j子流域中家庭消費、工業(yè)生產(chǎn)、畜禽養(yǎng)殖、大氣沉降和土地利用5個子系統(tǒng)通過點源或非點源形式輸入河流的營養(yǎng)鹽負(fù)荷(kg/a),其中大氣沉降僅為氮負(fù)荷的計算項;FEriv,F,mouth,j為營養(yǎng)鹽負(fù)荷通過河流輸送進(jìn)入湖泊的比例。
其中,5個子系統(tǒng)產(chǎn)生的營養(yǎng)鹽負(fù)荷計算采用改進(jìn)的輸出系數(shù)法計算:
式中,RSF,y為y子系統(tǒng)輸入河流的營養(yǎng)鹽(F:氮和磷)負(fù)荷總和(kg/a);NCi為y子系統(tǒng)中i類污染源(如畜禽養(yǎng)殖中污染源包括牛、豬、羊和家禽)排放單元數(shù)量(頭或hm2);EUiz為i類污染源的z排放單元(如畜禽養(yǎng)殖的排放單元為糞便或尿);ECiz為z排放單元氮或磷的排放系數(shù)(kg 頭-1a-1或kg hm-2a-1);FEriv.F為入河系數(shù)(如未還田或未經(jīng)處理的畜禽糞便排入河道時,受距河道距離和坡度等因素影響,入河系數(shù)是這些因素綜合作用得到的養(yǎng)分入河比例)。詳細(xì)計算公式參見Liu等[8]。
估算各個子系統(tǒng)產(chǎn)生營養(yǎng)鹽負(fù)荷的人口、化肥使用量、畜禽養(yǎng)殖數(shù)量、工業(yè)產(chǎn)值等數(shù)據(jù)來源于當(dāng)?shù)亟y(tǒng)計年鑒和國民經(jīng)濟(jì)社會統(tǒng)計公報等。這些輸入數(shù)據(jù)通?;诳h級尺度,通過面積比值法將縣級尺度數(shù)據(jù)分配到各個子流域[13]。土地利用數(shù)據(jù)(30m×30m)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)。大氣沉降數(shù)據(jù)由Regional Emission Inventory in Asia 2.1 (REAS 2.1) 平臺下載得到[15]。河流流量數(shù)據(jù)來源于保定市水文局,其他參數(shù)如污水處理廠的氮、磷去除效率、糞便還田比例等參照MARINA模型(Model to Asses River Inputs of Nutrients to SeAs)和輸出系數(shù)法模型等[5,16-17]。
圖3 入湖營養(yǎng)負(fù)荷模型Fig.3 Simplified sources and flows diagram for nutrient loading model
1.2.2情景設(shè)計
本研究以2010年為基準(zhǔn),共設(shè)置了5種情景,分析白洋淀流域在土地利用、農(nóng)業(yè)管理和污水處理系統(tǒng)變化影響下,未來(2050年)入淀營養(yǎng)鹽的變化趨勢(圖2)。在土地利用下設(shè)置自然增長(BAU)和快速城鎮(zhèn)化(RAP)兩種情景。在BAU和RAP情景下,雄安新區(qū)建設(shè)用地參照《雄安新區(qū)規(guī)劃綱要》設(shè)置,白洋淀流域內(nèi)其他區(qū)域建設(shè)用地年增長率分別為0.17%和0.34%[18]?;贒INAMICA模型模擬白洋淀流域土地利用變化[19],以2000—2010年和2010—2015年作為率定期和驗證期,采用模糊相似性檢驗方法驗證模型精度,結(jié)果顯示,率定期在分辨率500m時模糊相似性指數(shù)>0.5,驗證期在分辨率300m時模糊相似性指數(shù)>0.5,表明該模型對研究區(qū)土地利用變化的模擬是可信的[20]。
在農(nóng)業(yè)管理下設(shè)置減少畜禽糞便排放(AM)和化肥使用(SF)兩種情景?;谏鐣?jīng)濟(jì)共享路徑[21],在AM情景中,畜禽糞便直接排放量相比2010年減少了2.5倍[22];在SF情景中化肥施用量相比2010年降低90%[22]。在污水處理下設(shè)置提高生活污水收集和處理效率(WT)情景。其中,城鎮(zhèn)和農(nóng)村地區(qū)污水收集率分別達(dá)到90%和20%[13];城鎮(zhèn)污水處理廠氮和磷的去除效率分別達(dá)到80%和90%;農(nóng)村污水處理廠氮和磷去除效率分別達(dá)到35%和45%[23]。
1.2.3湖泊營養(yǎng)鹽負(fù)荷閾值估算
基于PCLake模型,評估白洋淀營養(yǎng)鹽負(fù)荷閾值[24]。選取2004—2010年白洋淀總氮、總磷和葉綠素a的實測值對PCLake模型進(jìn)行率定。采用相關(guān)性系數(shù)(Rp2)、納什系數(shù)(RNSE2)和歸一化的均方根誤差(RSR)對模擬結(jié)果進(jìn)行評價。結(jié)果顯示(圖4),白洋淀總氮、總磷和葉綠素a年均值和模擬值之間的Rp2、RNSE2和RSR分別為0.88、0.75和0.63,模擬值與實測值表現(xiàn)出較好的一致性,表明該模型具有較高準(zhǔn)確性。
圖4 白洋淀總氮、總磷和葉綠素a的實測值與模擬值比較Fig.4 Comparison between measured and modelled total nitrogen, total phosphorus and Chlorophyll a
歷史不同時期(1995—2015年)白洋淀入湖營養(yǎng)鹽負(fù)荷呈現(xiàn)波動性(圖5)。入湖總氮和總磷負(fù)荷在1995年最高,分別為2326 t和365 t;在2010年最低,分別為1679 t和257 t。從來源組成來看,總氮負(fù)荷主要來自于耕地(平均約34%)和生活污水(點源)(平均約34%),總磷負(fù)荷主要來自于直接入河的畜禽糞便(平均約38%)和生活污水(點源)(平均約28%)。因此,生活污水是白洋淀營養(yǎng)鹽的重要來源。
圖5 歷史不同時期(1995—2015年)白洋淀入湖總氮和總磷負(fù)荷Fig.5 Historical river export of nitrogen and phosphoruss to the Baiyangdian Lake during 1995—2015
圖6 2050年入湖總氮負(fù)荷和入湖總磷負(fù)荷Fig.6 Future river export of nitrogen and phosphorus to the Baiyangdian Lake in 2050
基于社會經(jīng)濟(jì)共享路徑,模擬預(yù)測了未來(2050年)白洋淀入湖營養(yǎng)鹽負(fù)荷(圖6)??傮w而言,白洋淀流域內(nèi)建設(shè)用地的擴(kuò)張將使得入湖營養(yǎng)鹽負(fù)荷增加。在土地利用自然增長情景(BAU)下,與2010年相比,未來白洋淀總氮和總磷負(fù)荷將分別增加497 t和89 t。在建設(shè)用地快速增長(RAP)情景下,總氮和總磷入湖負(fù)荷最高,分別為2617 t和 412 t,相比2010年分別增加了56%和6%。
在白洋淀流域內(nèi),改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式和提高污水處理效率均能降低入湖營養(yǎng)鹽負(fù)荷。與2010年相比,在SF情景下總氮入湖負(fù)荷降低最多,達(dá)21%;在AM情景下總磷負(fù)荷降低最多,達(dá)38%。在WT情景下總氮和總磷入湖負(fù)荷分別為1477 t和197 t,相比2010年分別降低了12%和23%。
基于PCLake模型,模擬出白洋淀入湖營養(yǎng)鹽負(fù)荷與淀內(nèi)營養(yǎng)鹽濃度之間的關(guān)系(圖7)。根據(jù)《白洋淀生態(tài)環(huán)境治理和保護(hù)規(guī)劃》,到本世紀(jì)中葉,白洋淀水質(zhì)將逐步恢復(fù)到III—IV類。當(dāng)白洋淀水質(zhì)為III和IV類水時,入湖總氮負(fù)荷閾值分別為35.0、46.7 mg N m-2d-1,入湖總磷負(fù)荷分別為2.1、2.6 mg P m-2d-1(按單位湖泊面積計算)。
在未來,即使在建設(shè)用地快速增長情景(RAP)下,白洋淀淀內(nèi)水體總氮濃度均處于III類水標(biāo)準(zhǔn)之上(圖7);就總磷而言,在BAU和RAP情景下白洋淀水質(zhì)分別接近和超過IV類水標(biāo)準(zhǔn),其它情景下水質(zhì)均處于III類水之上。
圖7 白洋淀入湖營養(yǎng)鹽負(fù)荷與淀內(nèi)水體營養(yǎng)鹽濃度之間的響應(yīng)關(guān)系Fig.7 The relationship between nutrient concentration in water column and nutrient loadings in the Baiyangdian Lake
通過實測數(shù)據(jù)和其他模型結(jié)果的對比驗證(表1),入湖營養(yǎng)鹽負(fù)荷模型計算的白洋淀入湖總氮(2018 t)和總磷負(fù)荷(313 t)在實測結(jié)果和其他模型模擬的總氮(1234—4714 t)、總磷(97—645 t)入湖負(fù)荷結(jié)果范圍之內(nèi)[10,12- 13,25- 27]。驗證結(jié)果表明入湖營養(yǎng)鹽負(fù)荷模型能夠較為精確地估算白洋淀的入湖營養(yǎng)鹽負(fù)荷。歷史不同時期白洋淀入湖營養(yǎng)鹽負(fù)荷波動變化主要是由于流域內(nèi)水量變化引起的。研究結(jié)果表明,白洋淀流域上游水利設(shè)施(如水庫、堤壩)的修建攔截了大部分河道徑流,使得入淀水量由1950年代的19.4億m3下降為20世紀(jì)的0.65億m3[5]。
從污染源結(jié)構(gòu)來說,白洋淀入湖總氮負(fù)荷的重要來源是耕地。在農(nóng)業(yè)為主的流域,氮肥使用是最主要的氮輸入源[28]。白洋淀流域位于華北平原,是中國主要糧食產(chǎn)區(qū)之一,1995—2015年化肥輸入的氮占人為凈氮輸入量的56%—63%[5]。耕地中的氮流失是白洋淀入湖總氮負(fù)荷的主要來源,卻在入湖總磷負(fù)荷中占比很小。主要是由于土壤對氮、磷的截留比例不同決定的,磷相比氮更容易被截留在土壤中。流域中的總氮約25%最終進(jìn)入河流,而僅有3%的磷進(jìn)入河流中,其余的氮、磷大都被儲存在土壤中[29-30]。此外,模型結(jié)果顯示點源是白洋淀入湖營養(yǎng)鹽負(fù)荷不容忽視的來源(直接入河的畜禽糞便和生活污水),在之前的研究中多關(guān)注農(nóng)業(yè)面源污染[10-12]。趙志杰等[27]分析白洋淀流域污染負(fù)荷中面源和點源的貢獻(xiàn)值時也發(fā)現(xiàn),多年平均農(nóng)業(yè)面源負(fù)荷貢獻(xiàn)率為33.8%,城市、工業(yè)點源平均貢獻(xiàn)率為66.2%。
表1 本研究及其它研究中白洋淀入湖營養(yǎng)鹽負(fù)荷
本研究共設(shè)置了5種社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展情景,涉及到土地利用變化、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式改變以及污水處理3個方面,較為全面地為白洋淀入湖營養(yǎng)負(fù)荷未來可能的變化趨勢提供了定量研究。兩種土地利用變化(伴隨城鎮(zhèn)人口改變)情景的入湖營養(yǎng)負(fù)荷排序為:BAU 由于入湖總氮、總磷負(fù)荷的主要來源不同,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式改變對入湖總氮、總磷負(fù)荷的影響不同。在白洋淀流域內(nèi)削減化肥使用量,有利于降低入湖總氮負(fù)荷;控制畜禽糞的直接排放,有利于降低入湖總磷負(fù)荷,因此,對于不同污染類型的湖泊,應(yīng)選擇適宜的農(nóng)業(yè)管理方式。但無論是改變農(nóng)業(yè)還是畜牧生產(chǎn)方式,入湖營養(yǎng)負(fù)荷的來源均從農(nóng)業(yè)源主導(dǎo)轉(zhuǎn)向以生活污水為主要源(圖6)。未來,城市化將是造成白洋淀水質(zhì)污染的主要因素[13]。而提高生活污水的收集率和污水處理廠氮、磷處理效率,能夠顯著減少生活污水輸入湖泊的養(yǎng)分負(fù)荷。由于城鎮(zhèn)污水收集和處理效率較高,因此,應(yīng)重點提高農(nóng)村地區(qū)污水的收集率和處理效率。Strokal等[34]假設(shè)中國城鎮(zhèn)生活污水全部被收集與處理,進(jìn)入河流中的養(yǎng)分負(fù)荷將恢復(fù)到1970年的低水平,沿海富營養(yǎng)化的可能性非常低。 本研究通過入湖營養(yǎng)鹽負(fù)荷模型與PCLake模型的聯(lián)合運用,模擬得到了白洋淀入湖營養(yǎng)鹽負(fù)荷和水質(zhì)恢復(fù)的閾值,明確了入湖營養(yǎng)鹽負(fù)荷與恢復(fù)閾值之間的差距,為白洋淀養(yǎng)分管理提供了科學(xué)支撐。研究結(jié)果表明,在城市化背景下,白洋淀淀內(nèi)水質(zhì)總氮均處于III類標(biāo)準(zhǔn)之上,而磷負(fù)荷超過了III類水標(biāo)準(zhǔn),表明削減入湖總磷負(fù)荷對于恢復(fù)白洋淀水質(zhì)至關(guān)重要。該結(jié)果與已有研究中報道的磷是白洋淀藻類生長的限制因子相一致[35-36]。在BAU和RAP情景下,若維持白洋淀水質(zhì)處于IV類水之上,需分別削減總磷負(fù)荷2 t和67 t;若維持白洋淀水質(zhì)處于III類水,需分別削減總磷負(fù)荷66 t和131 t。 不可避免地,基于PCLake模型預(yù)測的入湖營養(yǎng)負(fù)荷閾值存在一定的不確定性。例如PCLake模型預(yù)測白洋淀水質(zhì)恢復(fù)III類水的入湖總磷負(fù)荷為2.1 mg P m-2d-1(折合281 t),該閾值比基于EFDC (Environmental Fluid Dynamics Code)預(yù)測的磷容量141 t高45%左右[37]。這可能是由于PCLake模型在模擬時將湖泊視為混合水體,未充分考慮空間異質(zhì)性[38]。盡管如此,PCLak模型是專門針對淺水湖泊開發(fā)的主要用于預(yù)測湖泊發(fā)生穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換閾值的模型,已在荷蘭43個湖泊、巢湖、太湖、滇池等得到應(yīng)用[16-17, 24]。本研究是將PCLake運用于白洋淀的有益嘗試,同時基于多年實測水質(zhì)數(shù)據(jù)對PCLake模型進(jìn)行了驗證,結(jié)果在可接受范圍內(nèi),可認(rèn)為預(yù)測的入湖營養(yǎng)鹽負(fù)荷閾值較為準(zhǔn)確。 本研究基于入湖營養(yǎng)鹽負(fù)荷模型,摸清了歷史不同時期(1995—2015年)白洋淀入湖營養(yǎng)鹽負(fù)荷的來源結(jié)構(gòu);基于社會經(jīng)濟(jì)共享路徑,預(yù)測了未來不同發(fā)展情景下2050年入湖營養(yǎng)鹽負(fù)荷的變化趨勢;通過PCLake模型模擬了入湖營養(yǎng)鹽負(fù)荷與湖泊水體營養(yǎng)狀態(tài)之間的關(guān)系,確定了入湖營養(yǎng)鹽負(fù)荷閾值。得到以下結(jié)論: (1)1995—2015年,白洋淀入湖總氮和總磷平均負(fù)荷分別2018 t和313 t,主要來源分別是耕地和直接入河的畜禽糞便。 (2)2050年,土地利用方式維持自然增長和建設(shè)用地快速增加情景下,入湖營養(yǎng)負(fù)荷相比2010年將增加30%—60%,生活污水將成為白洋淀營養(yǎng)鹽的重要來源,因此,應(yīng)合理設(shè)置建設(shè)用地擴(kuò)張速度,重點提高農(nóng)村地區(qū)污水收集率和處理效率。 (3)恢復(fù)白洋淀水質(zhì)應(yīng)重點削減入湖總磷負(fù)荷,白洋淀水質(zhì)達(dá)到III類和IV類標(biāo)準(zhǔn),入湖總磷負(fù)荷閾值分別為2.1、2.6 mg P m-2d-1。3.3 營養(yǎng)負(fù)荷削減量
4 結(jié)論