可持續(xù)性約束下開放流域系統(tǒng)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，最初用于計算草場的最大載畜量.隨著可持續(xù)發(fā)展研究的興起，承載力與環(huán)境學緊密結(jié)合，形成了多種環(huán)境學相關(guān)概念，成為研究人類活動與環(huán)境關(guān)系的重要概念.在環(huán)境學領(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活動與各種資源與環(huán)境的關(guān)系，建立了環(huán)境與人類活動之間的響應(yīng)關(guān)系(王儉等，2005).從一般意義上，環(huán)境承載力是指某一時刻環(huán)境系統(tǒng)所能承受的人類社會、經(jīng)濟活動的能力閾值，包含承載主體和客體兩個基本要素.然而，環(huán)境承載力是一個相對開放的概念，目前尚無公認的統(tǒng)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)境承載力的研究內(nèi)容和方法.在承載客體上，不同概念之間的區(qū)別主要在于承載客體表征指標上，目前主要分為經(jīng)濟社會規(guī)模和綜合指數(shù)兩大類，前者往往以人口數(shù)量和地區(qū)生產(chǎn)總值為承載力表征指標，后者以經(jīng)濟、社會與環(huán)境綜合指數(shù)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(guī)污染物(化學需氧量、氨氮、SO2環(huán)境容量)環(huán)境容量開展的，以氮磷營養(yǎng)鹽環(huán)境容量為承載主體的研究相對較少.相對于傳統(tǒng)資源和環(huán)境污染物，區(qū)域氮磷營養(yǎng)鹽變化與糧食生產(chǎn)和消費密切相關(guān)，而區(qū)域糧食的輸入與輸出被認為影響氮磷變化的重要驅(qū)動力(Lassaletta et al.，2014; Gao et al.，2015)，特別是在人口集中的城市地區(qū).然而，目前的環(huán)境承載力研究往往集中于區(qū)域內(nèi)部，以某個區(qū)域的資源環(huán)境和人類活動為研究對象，忽略了區(qū)域內(nèi)外的資源、環(huán)境和經(jīng)濟社會的交互作用，無法反映現(xiàn)實中存在頻繁物質(zhì)交換的開放系統(tǒng)特點.因此，有必要從開放系統(tǒng)的角度提出一個能夠體現(xiàn)流域內(nèi)外交互作用的環(huán)境承載力概念與方法.流域作為一個開放系統(tǒng)，與外界存在密切的資源與環(huán)境交流，其自身可持續(xù)性與其對外界的資源依賴性有密切聯(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，提出了開放系統(tǒng)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(nèi)外氮磷交互作用下的氮磷環(huán)境承載力.

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

　　2.1 概念界定

　　在一個封閉流域系統(tǒng)中，流域內(nèi)的人口食品消費完全來自于本地的種植業(yè)和畜牧業(yè)生產(chǎn)，沒有食品和飼料的輸入或輸出(圖 1).此時，流域中的氮磷輸入主要是由流域內(nèi)的人類活動控制，流域可承載的人口數(shù)量取決于流域本地的水量與水質(zhì)，不需要考慮流域內(nèi)外的營養(yǎng)鹽交換問題.因此，封閉系統(tǒng)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(guī)模.然而，現(xiàn)實中的流域多為開放系統(tǒng)，與外界存在頻繁的物質(zhì)、能量和信息交流，其內(nèi)部的狀態(tài)受到外部環(huán)境的影響和控制.在開放的流域系統(tǒng)中，壓力和承載能力可隨流域內(nèi)外能量、信息和物質(zhì)交換發(fā)生流動，導致流域氮磷營養(yǎng)承載力由流域內(nèi)外共同決定(圖 2).因此，一個開放流域系統(tǒng)的氮磷承載力不僅取決于其內(nèi)部的資源承載力和壓力狀況，流域內(nèi)外的交互作用對其也有重要影響.對氮磷而言，通過食品進出口帶來的營養(yǎng)鹽交換問題是導致流域內(nèi)營養(yǎng)鹽輸入變化的重要驅(qū)動力(Lassaletta et al.，2014).故對于開放流域氮磷環(huán)境承載力的界定，必須考慮流域內(nèi)外的營養(yǎng)鹽交換問題.

圖2 開放流域氮磷環(huán)境承載力系統(tǒng)　　

        綜上，本研究認為流域氮磷營養(yǎng)鹽承載力是指在流域內(nèi)外氮磷營養(yǎng)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(guī)模.該定義以流域水環(huán)境作為承載主體，以流域內(nèi)人口作為承載客體，承載條件是本地的水環(huán)境中氮磷營養(yǎng)鹽含量不超標，且流域內(nèi)外營養(yǎng)鹽交換平衡，即不發(fā)生污染轉(zhuǎn)移問題.

　　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法、生態(tài)足跡法、系統(tǒng)動力學方法、優(yōu)化方法等4類.其中，指標體系綜合評價法是通過將反映經(jīng)濟、社會、環(huán)境質(zhì)量的多種指標進行綜合成一個指數(shù)或綜合指標來評價區(qū)域的承載能力.常用的指標體系綜合評價法有P-S-R(壓力-狀態(tài)-響應(yīng))、矢量模法、模糊綜合評價法、主成分分析法和模糊物元模型等.指標體系綜合評價法主要優(yōu)點是計算結(jié)果的綜合性強，計算過程相對簡單;但該方法的結(jié)果通常為單一指數(shù)，相對抽象，難以對具體管理實踐形成有效指導.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題的模型，該方法通過數(shù)學轉(zhuǎn)換方法將區(qū)域的自然資源和人類活動強度折合為標準的生產(chǎn)性土地面積，通過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)足跡的主要特點是方法相對成熟和穩(wěn)健，結(jié)果直觀且易于理解，但缺點是涉及大量生產(chǎn)力轉(zhuǎn)換參數(shù)，在不同區(qū)域應(yīng)用時，面臨本土化參數(shù)缺少問題和不同生產(chǎn)性土地功能替代性的假設(shè)問題.系統(tǒng)動力學在處理復雜、非線性和反饋問題上具有一定的優(yōu)勢，近年來在環(huán)境承載力領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)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，能夠處理非線性、動態(tài)、不確定性、多目標等多種復雜問題，在環(huán)境承載力研究中得到廣泛應(yīng)用.相對于其它模型，優(yōu)化模型的計算結(jié)果與管理實踐聯(lián)系緊密且模型功能較為穩(wěn)健.此外，為綜合不同模型的特點，在環(huán)境承載力測度研究中也出現(xiàn)了大量耦合模型研究與應(yīng)用，如系統(tǒng)動力學與指標體系評價法的耦合，系統(tǒng)動力學與生態(tài)足跡模型的耦合以及系統(tǒng)動力學與優(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(cè)重點上不同，量化方法也應(yīng)有所區(qū)別.例如，當環(huán)境承載力被定義為一種綜合的人類活動強度，綜合評價法可能較為適用.在本研究中，流域氮磷承載力的概念強調(diào)一定約束條件下流域水環(huán)境所能支撐的最大人口規(guī)模，概念中體現(xiàn)了優(yōu)化與約束的要求，可采用優(yōu)化模型進行量化.

　　根據(jù)本研究的概念界定，流域氮磷環(huán)境承載力是在流域內(nèi)外營養(yǎng)鹽交換平衡和水環(huán)境營養(yǎng)鹽濃度達標的約束條件下，流域可承載的最大人口數(shù)量，在概念上體現(xiàn)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(gòu)建了承載力優(yōu)化模型.模型的優(yōu)化目標是人口數(shù)量的最大化，決策變量為流域糧食生產(chǎn)規(guī)模和畜禽養(yǎng)殖量，具體模型方程如下：

　　(1)優(yōu)化目標：人口數(shù)量最大化

　　(2)約束條件：

　　食品與飼料的氮磷輸入不能超過人口遷入帶來的氮輸入，保證流域內(nèi)外氮磷交換平衡，避免發(fā)生氮磷轉(zhuǎn)移污染問題

　　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(shù)量(人);NFFNI和NFFPI分別為流域食品與飼料的氮與磷進口量(kg);BPOP為流域所在區(qū)域的平均人口密度(人 · km-2);A為流域面積(km2);ANANI是區(qū)域人均氮輸入量(kg · 人-1);ANAPI為區(qū)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(yǎng)殖規(guī)模;f1和f2分別為食品與飼料氮和磷進口量計算函數(shù)，具體方程參見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(shù);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(shù).

　　3 案例研究(Case study) 3.1 研究區(qū)概況

　　滇池流域位于云南省昆明市境內(nèi)，地處長江、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(qū)、盤龍區(qū)、官渡區(qū)、西山區(qū)、嵩明縣、晉寧縣、呈貢縣等7個區(qū)(縣)，2010年擁有常住人口368萬人，地區(qū)生產(chǎn)總值為1600億元(當年價)，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(qū)生產(chǎn)總值.滇池自20世紀80年代以來，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(xù)上升，營養(yǎng)化水平不斷加劇，形成目前周年性水華爆發(fā)特征.經(jīng)過多年的環(huán)境治理努力，湖體有機污染指標COD值出現(xiàn)下降，但氮磷營養(yǎng)物濃度仍然居高不下，成為制約流域可持續(xù)發(fā)展的重要因子.

　　3.2 模型結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)流域氮磷營養(yǎng)鹽承載力概念，人口規(guī)模最大化是承載力優(yōu)化的主要目標.在本研究中，為體現(xiàn)人口結(jié)構(gòu)和城鄉(xiāng)差異，人口規(guī)模的構(gòu)成指標有兩項：城鎮(zhèn)人口與農(nóng)村人口.因此，優(yōu)化目標為最大化流域城鎮(zhèn)人口與農(nóng)村人口之和.

　　式中，i=1，2，3…，7指滇池流域所涉及的7個區(qū)縣，分別指呈貢縣、官渡區(qū)、晉寧縣、盤龍區(qū)、嵩明縣、五華區(qū)和西山區(qū);PURB和PRUR分別指城鎮(zhèn)人口和農(nóng)村人口數(shù)量(人).

　　流域氮磷營養(yǎng)鹽承載力的主要約束條件為流域內(nèi)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(nèi)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件約束

　　耕地面積

　　建設(shè)用地面積

　　農(nóng)村勞動力約束

　　(4)技術(shù)約束

　　式中，NFFNIA和NFFNIP分別為流域內(nèi)的動物性蛋白質(zhì)進口量與植物性蛋白質(zhì)進口量(以N計，kg · a-1);PURB和PRUR分別指流域內(nèi)城鎮(zhèn)人口和農(nóng)村人口數(shù)量(人); HNCU和HNCR分別指城鎮(zhèn)人均食品氮消費量和農(nóng)村人均食品氮消費量(kg · 人-1 · a-1); HPCU和HPCR分別指城鎮(zhèn)人均食品磷消費量和農(nóng)村人均食品磷消費量(kg · 人-1 · a-1);ANP表示人類飲食中動物性蛋白質(zhì)比例;A和BPOP分別指滇池流域面積(km2)和區(qū)域(云南省)平均人口密度(人 · km-2);LSP為畜禽養(yǎng)殖規(guī)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(shù)(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(shù)及其常數(shù)項;FP和FPO分別指磷肥施用量與作物播種面積的回歸系數(shù)及其常數(shù)項;DEPO為大氣NOy沉降量(kg-N · a-1);IcN和IcP分別為TN和TP的入湖通量(kg · a-1);NANI和NAPI分別為流域人類活動凈氮輸入量和人類活動凈磷輸入量(kg · a-1);RCN和RCP分別指滇池氮和磷的滯留系數(shù);rc和Vc分別為滇池的沖刷速度常數(shù)(水力停留時間的倒數(shù)，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(shù);aP和bP為NAPI和河流總磷輸出量的回歸方程系數(shù);RRNUn和RRNUp分別為城鎮(zhèn)生活污水的總氮和總磷削減率;DUN和DUP分別為城鎮(zhèn)人均總氮和總磷排放量(kg · 人-1 · a-1);RRNRN和RRNRp分別為農(nóng)村生活污水的總氮和總磷削減率;DRN和DRP分別為農(nóng)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(qū)的耕地復種指數(shù);LC為單位播種面積的農(nóng)業(yè)就業(yè)人口(人 · ha-1);LR為農(nóng)業(yè)就業(yè)人口與農(nóng)村人口回歸系數(shù);L and P為人均建設(shè)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(shè)用地;βu和βr分別為城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活污水收集率;下標i、j、k分別為行政區(qū)、畜禽和農(nóng)作物的編號;其他參數(shù)含義同前文.

　　3.3 優(yōu)化模型參數(shù)估計

　　滇池流域氮磷承載力優(yōu)化模型的參數(shù)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(shù).

　　(1)氮磷消費與生產(chǎn)參數(shù)

　　優(yōu)化模型中的城鎮(zhèn)人口和農(nóng)村人口的氮磷消費參數(shù)以及畜禽養(yǎng)殖的消費量參數(shù)參見文獻.此外，在該優(yōu)化模型中，農(nóng)作物生產(chǎn)模擬部分的參數(shù)還新增了農(nóng)作物播種面積與農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量關(guān)系和流域所涉7個縣區(qū)的農(nóng)作物復種指數(shù)，具體參數(shù)取值來源于滇池流域所涉七個區(qū)縣2000—2010年統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)的計算.

　　(2)氮磷排放與環(huán)境治理參數(shù)

　　氮磷排放參數(shù)包括城鎮(zhèn)、農(nóng)村和各種畜禽養(yǎng)殖類型的氮磷排放系數(shù)，主要用于計算流域氮磷排放量.滇池流域城鎮(zhèn)與農(nóng)村人口的TN和TP排放系數(shù)取它們的攝入系數(shù)，即假設(shè)人的氮磷攝入與排放是相等的(Han et al.，2013; 2014).畜禽養(yǎng)殖的氮磷排放系數(shù)根據(jù)排泄比和攝入水平計算，所用的排泄比數(shù)據(jù)來源于文獻(Han et al.，2013; 2014)，具體見表 1.本研究主要考慮的環(huán)境治理類參數(shù)為城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活污水收集率和氮磷削減率.對于城鎮(zhèn)生活污水，根據(jù)《昆明市環(huán)境保護與生態(tài)建設(shè)“十二五”規(guī)劃》的數(shù)據(jù)，其污水收集率取59%.城鎮(zhèn)生活污水的氮磷削減率參數(shù)是基于滇池流域6個污水處理廠2007—2009年運行數(shù)據(jù)計算得到的，經(jīng)計算城鎮(zhèn)生活污水TN和TP的平均削減率分別為61%和88%;根據(jù)滇池流域已經(jīng)建設(shè)的農(nóng)村生活污水處理設(shè)施的數(shù)量與運行情況，估算出農(nóng)村生活污水的收集率為7%.農(nóng)村生活污水處理的氮磷削減率根據(jù)現(xiàn)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入滇池的重要措施之一.為進一步分析氮磷轉(zhuǎn)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573萬人，其中城鎮(zhèn)和農(nóng)村人口為367和206萬人.由此說明，簡單的外排污水確實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70%，即使提高污水外排率，可承載的人口數(shù)量也不會增加，因為此時流域的承載力受到其它約束條件的限制.此外，與調(diào)水情景和氮磷回收利用情景的模擬結(jié)果相比，污水外排情景并不能實現(xiàn)比其它措施更高的承載力目標.綜上，流域氮磷營養(yǎng)鹽的境內(nèi)外交換對流域自身的承載能力確實有明顯影響，但這種以污染轉(zhuǎn)移為手段的控制措施并沒有顯著的優(yōu)勢.

　　在滇池的案例研究中，滇池湖體被概化為一個湖體，沒有區(qū)分草海和外海以及它們的集水范圍.因此，計算所得結(jié)果是基于流域整體的平均情況，今后的研究可進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(jié)論

　　1)以氮磷為湖泊流域的特征污染物，結(jié)合開放系統(tǒng)和環(huán)境承載力的相關(guān)理論，提出了流域氮磷營養(yǎng)鹽承載力概念，認為開放流域的氮磷承載力是指在流域內(nèi)外氮磷營養(yǎng)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(guī)模.該概念彌補了當前環(huán)境承載力研究中對流域內(nèi)外交互關(guān)系考慮的不足，為研究人類活動與環(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(gòu)建了以人口規(guī)模最大化為目標，以流域內(nèi)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(jié)果表明，流域的最大的人口承載能力為538萬人，相對于現(xiàn)狀2010年可提升32%.

　　3)外流域調(diào)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(diào)水情景下，滇池流域可承載的人口數(shù)量出現(xiàn)了顯著提升，相對于不調(diào)水增加了6%，主要原因是調(diào)水縮短了滇池的換水周期，滇池的湖體沖刷系數(shù)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(nèi)，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(shù)量從538萬人增長到573萬人.然而，這種措施潛力是有限的，當?shù)�磷回收利用率超過50%時，流域可承載的人口數(shù)量不受到氮磷濃度約束，而是受流域土地利用的限制.具體參見污水寶商城資料或http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　5)污染轉(zhuǎn)移行為能夠?qū)崿F(xiàn)流域氮磷環(huán)境承載力提高的目的，但不具備顯著優(yōu)勢.研究表明在一定的范圍內(nèi)(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現(xiàn)更高的承載力目標，說明流域氮磷營養(yǎng)鹽的境內(nèi)外交換對流域自身的承載能力確實有明顯影響，但這種以污染轉(zhuǎn)移為手段的控制措施并沒有顯著的優(yōu)勢，且不利于整體的可持續(xù)發(fā)展.滇池流域的環(huán)境改善應(yīng)立足流域內(nèi)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和污染控制