可持續性約束下開(kāi)放流域系統氮磷水污染對環(huán)境承載力研究

　　1引言

　　承載力研究起源于生態(tài)學(xué)，最初用于計算草場(chǎng)的最大載畜量.隨著(zhù)可持續發(fā)展研究的興起，承載力與環(huán)境學(xué)緊密結合，形成了多種環(huán)境學(xué)相關(guān)概念，成為研究人類(lèi)活動(dòng)與環(huán)境關(guān)系的重要概念.在環(huán)境學(xué)領(lǐng)域，與承載力相關(guān)的概念有生態(tài)承載力、土地承載力、水資源承載力、水環(huán)境承載力、水生態(tài)承載力、大氣環(huán)境承載力和旅游承載力等，這些概念從環(huán)境綜合或環(huán)境要素的角度界定了人類(lèi)活動(dòng)與各種資源與環(huán)境的關(guān)系，建立了環(huán)境與人類(lèi)活動(dòng)之間的響應關(guān)系(王儉等，2005).從一般意義上，環(huán)境承載力是指某一時(shí)刻環(huán)境系統所能承受的人類(lèi)社會(huì )、經(jīng)濟活動(dòng)的能力閾值，包含承載主體和客體兩個(gè)基本要素.然而，環(huán)境承載力是一個(gè)相對開(kāi)放的概念，目前尚無(wú)公認的統一界定.在各種環(huán)境承載力研究案例中，對承載主體和客體界定的不同在很大程度上決定了環(huán)境承載力的研究?jì)热莺头椒?在承載客體上，不同概念之間的區別主要在于承載客體表征指標上，目前主要分為經(jīng)濟社會(huì )規模和綜合指數兩大類(lèi)，前者往往以人口數量和地區生產(chǎn)總值為承載力表征指標，后者以經(jīng)濟、社會(huì )與環(huán)境綜合指數為指標.從承載主體上，目前環(huán)境承載力研究多是針對自然資源(如水、土、氣資源)和常規污染物(化學(xué)需氧量、氨氮、SO2環(huán)境容量)環(huán)境容量開(kāi)展的，以氮磷營(yíng)養鹽環(huán)境容量為承載主體的研究相對較少.相對于傳統資源和環(huán)境污染物，區域氮磷營(yíng)養鹽變化與糧食生產(chǎn)和消費密切相關(guān)，而區域糧食的輸入與輸出被認為影響氮磷變化的重要驅動(dòng)力(Lassaletta et al.，2014; Gao et al.，2015)，特別是在人口集中的城市地區.然而，目前的環(huán)境承載力研究往往集中于區域內部，以某個(gè)區域的資源環(huán)境和人類(lèi)活動(dòng)為研究對象，忽略了區域內外的資源、環(huán)境和經(jīng)濟社會(huì )的交互作用，無(wú)法反映現實(shí)中存在頻繁物質(zhì)交換的開(kāi)放系統特點(diǎn).因此，有必要從開(kāi)放系統的角度提出一個(gè)能夠體現流域內外交互作用的環(huán)境承載力概念與方法.流域作為一個(gè)開(kāi)放系統，與外界存在密切的資源與環(huán)境交流，其自身可持續性與其對外界的資源依賴(lài)性有密切聯(lián)系.針對當前流域環(huán)境承載力研究的不足，本研究基于流域環(huán)境承載力的基本理論與方法，提出了開(kāi)放系統視角下的流域氮磷環(huán)境承載力的概念與測度方法，并以滇池流域為例，研究了流域內外氮磷交互作用下的氮磷環(huán)境承載力.

　　2 可持續性約束下開(kāi)放流域氮磷環(huán)境承載力的概念與方法

　　2.1 概念界定

　　在一個(gè)封閉流域系統中，流域內的人口食品消費完全來(lái)自于本地的種植業(yè)和畜牧業(yè)生產(chǎn)，沒(méi)有食品和飼料的輸入或輸出(圖 1).此時(shí)，流域中的氮磷輸入主要是由流域內的人類(lèi)活動(dòng)控制，流域可承載的人口數量取決于流域本地的水量與水質(zhì)，不需要考慮流域內外的營(yíng)養鹽交換問(wèn)題.因此，封閉系統的流域氮磷承載力可以被定義為當流域水環(huán)境中氮磷含量達標的情況下，流域所能支撐的人口規模.然而，現實(shí)中的流域多為開(kāi)放系統，與外界存在頻繁的物質(zhì)、能量和信息交流，其內部的狀態(tài)受到外部環(huán)境的影響和控制.在開(kāi)放的流域系統中，壓力和承載能力可隨流域內外能量、信息和物質(zhì)交換發(fā)生流動(dòng)，導致流域氮磷營(yíng)養承載力由流域內外共同決定(圖 2).因此，一個(gè)開(kāi)放流域系統的氮磷承載力不僅取決于其內部的資源承載力和壓力狀況，流域內外的交互作用對其也有重要影響.對氮磷而言，通過(guò)食品進(jìn)出口帶來(lái)的營(yíng)養鹽交換問(wèn)題是導致流域內營(yíng)養鹽輸入變化的重要驅動(dòng)力(Lassaletta et al.，2014).故對于開(kāi)放流域氮磷環(huán)境承載力的界定，必須考慮流域內外的營(yíng)養鹽交換問(wèn)題.

圖2 開(kāi)放流域氮磷環(huán)境承載力系統　　

        綜上，本研究認為流域氮磷營(yíng)養鹽承載力是指在流域內外氮磷營(yíng)養鹽交換平衡的前提下，流域水環(huán)境氮磷含量達標情況下所能承載的最大人口規模.該定義以流域水環(huán)境作為承載主體，以流域內人口作為承載客體，承載條件是本地的水環(huán)境中氮磷營(yíng)養鹽含量不超標，且流域內外營(yíng)養鹽交換平衡，即不發(fā)生污染轉移問(wèn)題.

　　2.2 承載力測度模型

　　目前常用的環(huán)境承載力測度模型可以概括為指標體系綜合評價(jià)法、生態(tài)足跡法、系統動(dòng)力學(xué)方法、優(yōu)化方法等4類(lèi).其中，指標體系綜合評價(jià)法是通過(guò)將反映經(jīng)濟、社會(huì )、環(huán)境質(zhì)量的多種指標進(jìn)行綜合成一個(gè)指數或綜合指標來(lái)評價(jià)區域的承載能力.常用的指標體系綜合評價(jià)法有P-S-R(壓力-狀態(tài)-響應)、矢量模法、模糊綜合評價(jià)法、主成分分析法和模糊物元模型等.指標體系綜合評價(jià)法主要優(yōu)點(diǎn)是計算結果的綜合性強，計算過(guò)程相對簡(jiǎn)單;但該方法的結果通常為單一指數，相對抽象，難以對具體管理實(shí)踐形成有效指導.生態(tài)足跡法是承載力量化的另一經(jīng)典方法，它是一種從資源的供需角度研究承載力問(wèn)題的模型，該方法通過(guò)數學(xué)轉換方法將區域的自然資源和人類(lèi)活動(dòng)強度折合為標準的生產(chǎn)性土地面積，通過(guò)比較兩者之間的差異判斷承載力狀況.從經(jīng)典生態(tài)足跡法延伸出水資源足跡、污染足跡和碳足跡(等多種概念與模型.生態(tài)足跡的主要特點(diǎn)是方法相對成熟和穩健，結果直觀(guān)且易于理解，但缺點(diǎn)是涉及大量生產(chǎn)力轉換參數，在不同區域應用時(shí)，面臨本土化參數缺少問(wèn)題和不同生產(chǎn)性土地功能替代性的假設問(wèn)題.系統動(dòng)力學(xué)在處理復雜、非線(xiàn)性和反饋問(wèn)題上具有一定的優(yōu)勢，近年來(lái)在環(huán)境承載力領(lǐng)域得到廣泛應用，但該模型的優(yōu)化功能相對較弱.優(yōu)化模型是環(huán)境承載力研究中的另一重要模型，能夠處理非線(xiàn)性、動(dòng)態(tài)、不確定性、多目標等多種復雜問(wèn)題，在環(huán)境承載力研究中得到廣泛應用.相對于其它模型，優(yōu)化模型的計算結果與管理實(shí)踐聯(lián)系緊密且模型功能較為穩健.此外，為綜合不同模型的特點(diǎn)，在環(huán)境承載力測度研究中也出現了大量耦合模型研究與應用，如系統動(dòng)力學(xué)與指標體系評價(jià)法的耦合，系統動(dòng)力學(xué)與生態(tài)足跡模型的耦合以及系統動(dòng)力學(xué)與優(yōu)化模型的耦合.

　　環(huán)境承載力量化模型的選擇與概念的界定和研究目的有密切聯(lián)系，不同的承載力研究在側重點(diǎn)上不同，量化方法也應有所區別.例如，當環(huán)境承載力被定義為一種綜合的人類(lèi)活動(dòng)強度，綜合評價(jià)法可能較為適用.在本研究中，流域氮磷承載力的概念強調一定約束條件下流域水環(huán)境所能支撐的最大人口規模，概念中體現了優(yōu)化與約束的要求，可采用優(yōu)化模型進(jìn)行量化.

　　根據本研究的概念界定，流域氮磷環(huán)境承載力是在流域內外營(yíng)養鹽交換平衡和水環(huán)境營(yíng)養鹽濃度達標的約束條件下，流域可承載的最大人口數量，在概念上體現了優(yōu)化的要求.因此，本研究基于氮磷環(huán)境承載力概念的基本要素，構建了承載力優(yōu)化模型.模型的優(yōu)化目標是人口數量的最大化，決策變量為流域糧食生產(chǎn)規模和畜禽養殖量，具體模型方程如下：

　　(1)優(yōu)化目標：人口數量最大化

　　(2)約束條件：

　　食品與飼料的氮磷輸入不能超過(guò)人口遷入帶來(lái)的氮輸入，保證流域內外氮磷交換平衡，避免發(fā)生氮磷轉移污染問(wèn)題

　　食品與飼料的氮磷輸入計算模型

　　水體氮磷濃度約束

　　河流氮磷負荷計算模型

　　式中，POP為人口數量(人);NFFNI和NFFPI分別為流域食品與飼料的氮與磷進(jìn)口量(kg);BPOP為流域所在區域的平均人口密度(人 · km-2);A為流域面積(km2);ANANI是區域人均氮輸入量(kg · 人-1);ANAPI為區域人均磷輸入量(kg · 人-1);AGR和LIV分別指流域糧食產(chǎn)量和畜禽養殖規模;f1和f2分別為食品與飼料氮和磷進(jìn)口量計算函數，具體方程參見(jiàn)NANI和NAPI計算模型(Hong et al.，2012; Howarth et al.，1996，2012);f3和f4分別指湖泊水質(zhì)模型的氮濃度和磷濃度計算方程;SNC和SPC分別為湖泊氮濃度標準和磷濃度標準(mg · L-1);RNE和RPE分別為流域河流氮和磷負荷(kg · a-1);NANI和NAPI分別是流域人為氮和磷輸入量(kg · a-1);aN和bN為流域人為氮輸入量和河流氮負荷回歸模型的系數;aP和bP為流域人為磷輸入量和河流磷負荷回歸模型的系數.

　　3 案例研究(Case study) 3.1 研究區概況

　　滇池流域位于云南省昆明市境內，地處長(cháng)江、紅河、珠江三大水系分水嶺地帶(24°29′ N~25°28′ N，102°29′ E～103°01′ E)，流域平均海拔1900 m，面積2920 km2，其中滇池面積300 km2(1887.4 m水位).滇池流域涉及昆明市的五華區、盤(pán)龍區、官渡區、西山區、嵩明縣、晉寧縣、呈貢縣等7個(gè)區(縣)，2010年擁有常住人口368萬(wàn)人，地區生產(chǎn)總值為1600億元(當年價(jià))，以0.7%的土地面積承載了云南省的7.6%的人口和24%的地區生產(chǎn)總值.滇池自20世紀80年代以來(lái)，在流域人口與經(jīng)濟迅速發(fā)展的壓力下，湖體氮磷濃度持續上升，營(yíng)養化水平不斷加劇，形成目前周年性水華爆發(fā)特征.經(jīng)過(guò)多年的環(huán)境治理努力，湖體有機污染指標COD值出現下降，但氮磷營(yíng)養物濃度仍然居高不下，成為制約流域可持續發(fā)展的重要因子.

　　3.2 模型結構

　　根據流域氮磷營(yíng)養鹽承載力概念，人口規模最大化是承載力優(yōu)化的主要目標.在本研究中，為體現人口結構和城鄉差異，人口規模的構成指標有兩項：城鎮人口與農村人口.因此，優(yōu)化目標為最大化流域城鎮人口與農村人口之和.

　　式中，i=1，2，3…，7指滇池流域所涉及的7個(gè)區縣，分別指呈貢縣、官渡區、晉寧縣、盤(pán)龍區、嵩明縣、五華區和西山區;PURB和PRUR分別指城鎮人口和農村人口數量(人).

　　流域氮磷營(yíng)養鹽承載力的主要約束條件為流域內外氮磷交換平衡和湖體水環(huán)境質(zhì)量達標，具體如下：

　　(1)流域內外氮磷交換平衡

　　其中，

　　(2)滇池氮磷濃度約束，滇池的氮磷濃度計算采用了湖泊水質(zhì)的狄龍模型

　　其中，

　　(3)農業(yè)生產(chǎn)條件約束

　　耕地面積

　　建設用地面積

　　農村勞動(dòng)力約束

　　(4)技術(shù)約束

　　式中，NFFNIA和NFFNIP分別為流域內的動(dòng)物性蛋白質(zhì)進(jìn)口量與植物性蛋白質(zhì)進(jìn)口量(以N計，kg · a-1);PURB和PRUR分別指流域內城鎮人口和農村人口數量(人); HNCU和HNCR分別指城鎮人均食品氮消費量和農村人均食品氮消費量(kg · 人-1 · a-1); HPCU和HPCR分別指城鎮人均食品磷消費量和農村人均食品磷消費量(kg · 人-1 · a-1);ANP表示人類(lèi)飲食中動(dòng)物性蛋白質(zhì)比例;A和BPOP分別指滇池流域面積(km2)和區域(云南省)平均人口密度(人 · km-2);LSP為畜禽養殖規模(頭);LSNC和LSPC分別指畜禽飼料的氮和磷消費量(kg · 頭(只)-1 · a-1);LSOR為畜禽產(chǎn)品產(chǎn)出率(kg · 頭(只)-1);LSNP和LSPP是畜禽產(chǎn)品的氮含量和磷含量;CPA和CPOR分別指糧食作物播種面積(ha)和單位面積產(chǎn)量(kg · ha-1);ILP為水田比例;CPN和CPP是糧食產(chǎn)品的氮含量和磷含量;NFR為作物固氮系數(kg · hm-2);FN和FNO分別指氮肥施用量與作物播種面積的回歸系數及其常數項;FP和FPO分別指磷肥施用量與作物播種面積的回歸系數及其常數項;DEPO為大氣NOy沉降量(kg-N · a-1);IcN和IcP分別為T(mén)N和TP的入湖通量(kg · a-1);NANI和NAPI分別為流域人類(lèi)活動(dòng)凈氮輸入量和人類(lèi)活動(dòng)凈磷輸入量(kg · a-1);RCN和RCP分別指滇池氮和磷的滯留系數;rc和Vc分別為滇池的沖刷速度常數(水力停留時(shí)間的倒數，a-1)和平均水深(m);CN和CP指湖泊總氮和總磷濃度標準(mg · L-1);aN和bN為NANI和河流總氮輸出量的回歸方程系數;aP和bP為NAPI和河流總磷輸出量的回歸方程系數;RRNUn和RRNUp分別為城鎮生活污水的總氮和總磷削減率;DUN和DUP分別為城鎮人均總氮和總磷排放量(kg · 人-1 · a-1);RRNRN和RRNRp分別為農村生活污水的總氮和總磷削減率;DRN和DRP分別為農村人均總氮和總磷排放量(kg · 人-1 · a-1);MCI為滇池流域各縣區的耕地復種指數;LC為單位播種面積的農業(yè)就業(yè)人口(人 · ha-1);LR為農業(yè)就業(yè)人口與農村人口回歸系數;L and P為人均建設用地面積(km2 · 人-1);L and im為土地面積，m=1，2分別表示耕地和建設用地;βu和βr分別為城鎮和農村生活污水收集率;下標i、j、k分別為行政區、畜禽和農作物的編號;其他參數含義同前文.

　　3.3 優(yōu)化模型參數估計

　　滇池流域氮磷承載力優(yōu)化模型的參數主要包括食品與飼料消費、食品與飼料生產(chǎn)、湖泊水環(huán)境模擬、土地利用和污染控制工程等參數.

　　(1)氮磷消費與生產(chǎn)參數

　　優(yōu)化模型中的城鎮人口和農村人口的氮磷消費參數以及畜禽養殖的消費量參數參見(jiàn)文獻.此外，在該優(yōu)化模型中，農作物生產(chǎn)模擬部分的參數還新增了農作物播種面積與農產(chǎn)品產(chǎn)量關(guān)系和流域所涉7個(gè)縣區的農作物復種指數，具體參數取值來(lái)源于滇池流域所涉七個(gè)區縣2000—2010年統計年鑒數據的計算.

　　(2)氮磷排放與環(huán)境治理參數

　　氮磷排放參數包括城鎮、農村和各種畜禽養殖類(lèi)型的氮磷排放系數，主要用于計算流域氮磷排放量.滇池流域城鎮與農村人口的TN和TP排放系數取它們的攝入系數，即假設人的氮磷攝入與排放是相等的(Han et al.，2013; 2014).畜禽養殖的氮磷排放系數根據排泄比和攝入水平計算，所用的排泄比數據來(lái)源于文獻(Han et al.，2013; 2014)，具體見(jiàn)表 1.本研究主要考慮的環(huán)境治理類(lèi)參數為城鎮和農村生活污水收集率和氮磷削減率.對于城鎮生活污水，根據《昆明市環(huán)境保護與生態(tài)建設“十二五”規劃》的數據，其污水收集率取59%.城鎮生活污水的氮磷削減率參數是基于滇池流域6個(gè)污水處理廠(chǎng)2007—2009年運行數據計算得到的，經(jīng)計算城鎮生活污水TN和TP的平均削減率分別為61%和88%;根據滇池流域已經(jīng)建設的農村生活污水處理設施的數量與運行情況，估算出農村生活污水的收集率為7%.農村生活污水處理的氮磷削減率根據現有文獻，確定TN和TP的削減率分別為55.5%和85.5%.

　　.

　　3.7 污水外排情景下的承載力

　　目前，滇池流域的草海污水外排是削減污染物進(jìn)入滇池的重要措施之一.為進(jìn)一步分析氮磷轉移與流域承載力的關(guān)系，本研究模擬了不同污水外排情景下的流域氮磷承載力情況(圖 6).

　　圖6滇池流域承載力與污水流域外排放率關(guān)系

　　污水外排情景下，流域的人口容量最大可擴充到573萬(wàn)人，其中城鎮和農村人口為367和206萬(wàn)人.由此說(shuō)明，簡(jiǎn)單的外排污水確實(shí)能夠達到提升承載力的目的.但是從污水外排率與承載人口的關(guān)系看，這種潛力是非常有限的，當污水外排率超過(guò)70%，即使提高污水外排率，可承載的人口數量也不會(huì )增加，因為此時(shí)流域的承載力受到其它約束條件的限制.此外，與調水情景和氮磷回收利用情景的模擬結果相比，污水外排情景并不能實(shí)現比其它措施更高的承載力目標.綜上，流域氮磷營(yíng)養鹽的境內外交換對流域自身的承載能力確實(shí)有明顯影響，但這種以污染轉移為手段的控制措施并沒(méi)有顯著(zhù)的優(yōu)勢.

　　在滇池的案例研究中，滇池湖體被概化為一個(gè)湖體，沒(méi)有區分草海和外海以及它們的集水范圍.因此，計算所得結果是基于流域整體的平均情況，今后的研究可進(jìn)一步考慮草海和外海集水范圍的不同，從而制定更具針對性的政策建議.

　　4 結論

　　1)以氮磷為湖泊流域的特征污染物，結合開(kāi)放系統和環(huán)境承載力的相關(guān)理論，提出了流域氮磷營(yíng)養鹽承載力概念，認為開(kāi)放流域的氮磷承載力是指在流域內外氮磷營(yíng)養鹽交換平衡的前提下，流域水環(huán)境氮磷含量達標情況下所能承載的最大人口規模.該概念彌補了當前環(huán)境承載力研究中對流域內外交互關(guān)系考慮的不足，為研究人類(lèi)活動(dòng)與環(huán)境介質(zhì)中氮磷的關(guān)系提供了一種新的評估手段.

　　2)基于氮磷承載力的概念，構建了以人口規模最大化為目標，以流域內外氮磷交換平衡和環(huán)境氮磷濃度達標為約束的承載力優(yōu)化模型.滇池流域的氮磷承載力研究結果表明，流域的最大的人口承載能力為538萬(wàn)人，相對于現狀2010年可提升32%.

　　3)外流域調水可在一定程度上提升流域的氮磷環(huán)境承載力.在牛欄江調水情景下，滇池流域可承載的人口數量出現了顯著(zhù)提升，相對于不調水增加了6%，主要原因是調水縮短了滇池的換水周期，滇池的湖體沖刷系數r將由0.51 a-1上升到1.02 a-1.

　　4)提高流域氮磷回收利用率有利于提高環(huán)境承載能力.在流域氮磷回收利用率為0~50%范圍內，滇池流域的氮磷環(huán)境承載力與氮磷回收利用率成正比，可承載人口數量從538萬(wàn)人增長(cháng)到573萬(wàn)人.然而，這種措施潛力是有限的，當氮磷回收利用率超過(guò)50%時(shí)，流域可承載的人口數量不受到氮磷濃度約束，而是受流域土地利用的限制.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　5)污染轉移行為能夠實(shí)現流域氮磷環(huán)境承載力提高的目的，但不具備顯著(zhù)優(yōu)勢.研究表明在一定的范圍內(生活污水流域外排放率0~70%)，滇池流域的氮磷環(huán)境承載力與污水外排率成正比.然而，與其他情景相比，污水外排情景并不能實(shí)現更高的承載力目標，說(shuō)明流域氮磷營(yíng)養鹽的境內外交換對流域自身的承載能力確實(shí)有明顯影響，但這種以污染轉移為手段的控制措施并沒(méi)有顯著(zhù)的優(yōu)勢，且不利于整體的可持續發(fā)展.滇池流域的環(huán)境改善應立足流域內的產(chǎn)業(yè)結構優(yōu)化和污染控制