湖泊科学   2023, Vol. 35 Issue (4): 1296-1305.  DOI: 10.18307/2023.0422
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研究论文——生物地球化学与水环境保护

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高思佳, 侯泽英, 吴越, 储昭升, 近50a洱海水环境演变特征及其主要驱动因素. 湖泊科学, 2023, 35(4): 1296-1305. DOI: 10.18307/2023.0422
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Gao Sijia, Hou Zeying, Wu Yue, Chu Zhaosheng. Trend and driving factors of water environment change in Lake Erhai in the last 50 years. Journal of Lake Sciences, 2023, 35(4): 1296-1305. DOI: 10.18307/2023.0422
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基金项目

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07401003)资助

通信作者

储昭升, E-mail: chuzs@craes.org.cn

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2022-08-25 收稿
2022-10-11 收修改稿

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近50a洱海水环境演变特征及其主要驱动因素
高思佳 , 侯泽英 , 吴越 , 储昭升     
(中国环境科学研究院, 湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室, 北京 100012)
摘要:基于1971-2020年近50年洱海湖区主要水质指标的监测数据, 采用M-K检验和GAMs模型定量解析了洱海水质的年际变化趋势, 采用多元回归法综合分析了洱海水环境演变的驱动因素。结果表明, 近50年来, 在流域发展与湖泊保护双轮驱动的作用下, 洱海水质年际波动明显, 主要水质指标浓度也呈现出多个显著变化的趋势过程。1980s初至1985年间水质指标浓度显著上升, 主要与流域南部城镇化发展有关; 1986-1980s末显著下降, 与南部截污干渠(管)建设密切相关; 1990s末至2003年间显著上升, 主要与南部城镇工业发展、农业种植结构调整等重要发展策略有关; 2004-2008年间显著下降, 主要与中心城区截污治污、环洱海湖滨带修复等重要工程实施有关。在此期间洱海发生过两次较为严重的规模化藻华事件, 1996年在水质优良的情况下洱海首次发生蓝藻水华, 这与长期低水位运行、网箱养鱼和银鱼引种等导致湖泊生态系统严重受损密切相关; 2003年在水质污染加重、生态系统尚未恢复情况下洱海再次发生蓝藻水华。2次藻华事件也改变了流域发展政策, 对洱海的科学认识和保护治理力度不断加大, 特别是2016年以来高强度的湖泊保护工作, 促使洱海氨氮、总氮、总磷、透明度等主要指标均呈现向好的趋势。然而, 值得注意的是, 近10年洱海CODMn浓度仍在显著升高, 且TLI(CODMn)加权占比由1992年的6%增加至2020年的17%, 说明CODMn对洱海富营养化的影响逐渐增加, 这将是未来洱海保护工作重点关注的方向。
关键词洱海    水环境    演变趋势    驱动因素    
Trend and driving factors of water environment change in Lake Erhai in the last 50 years
Gao Sijia , Hou Zeying , Wu Yue , Chu Zhaosheng     
(National Engineering Laboratory for Lake Pollution Control and Ecological Restoration, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, P. R. China)
Abstract: This paper is based on the long-term monitoring data of Lake Erhai from 1971 to 2020. Temporal trends of TN, TP, NH3-N, SD, CODMn and Chl.a were quantified using M-K test methods and GAMs models. Combined with multiple linear regression, relationships between water quality parameters and driving factors were analysed. The results showed that in the past 50 years, under the dual drive of watershed development and lake protection, the water quality of Lake Erhai fluctuated significantly from year to year, and the concentration of key water quality indicators also showed a series of significant change trends. The trend of the concentration of key indicators increased significantly from the early 1980s to 1985, while a decrease occurred in 1986-1989, corresponding to the development of urbanisation and the construction of main sewers in the south of the basin. Between the late 1990s and 2003, the concentration of the main indicator increased significantly again, related to factors such as the development of southern cities and industries, and the adjustment of the structure of agricultural planting. Then, the local government took some constructive measures to combat the deterioration of water quality, such as sewage treatment and ecological restoration of the lakeshore. During this period, Lake Erhai experienced two severe algal blooms. In 1996, a Herba houttuyniae bloom occurred, although the overall water quality was in the second phase, which was closely related to long-term low water operations, cage fish farming and the introduction of whitebait fish. In 2003, the second algal bloom occurred due to increased water pollution and an unrestored ecosystem. Two algal blooms threatened the sustainable ecosystem functions of Lake Erhai, which motivated the implementation of subsequent social policies and lake protection strategies. In particular, high-intensity lake protection since 2016 has contributed to the positive trend of Lake Erha's key indicators. However, it is worth noting that the CODMn concentration still increased significantly in the last decade, and the contribution of TLI (CODMn) to TLI (Σ) increased from 6% in 1992 to 17% in 2020. This indicates that the influence of CODMn on the eutrophication of Lake Erhai is gradually increasing, which will be the focus of future protection of Lake Erhai.
Keywords: Lake Erhai    water environment    long-term trend    influencing factors    

湖泊是陆地重要的淡水储备和流域社会经济发展的承载者[1-2],由于流域居民生活、工农业生产、旅游开发等人为活动排放的营养物质以及水利调控等影响[3],以富营养化为代表的水质问题成为制约湖泊生态系统健康的主要因素[4-6]。洱海是我国重要的淡水湖泊,总储水量约29.59亿m3,是滇西发展的重要淡水资源,更是大理市重要的饮用水源地,承载着大理市约80万居民的生活用水,洱海水质及其营养状况直接关系到流域的供水安全和生态安全。历史上洱海水生态平衡维护较好,水质优良。改革开放以来,由于人类活动干扰强度不断增加,洱海经历了从贫营养湖泊到中营养湖泊的演变过程,这与流域社会经济发展水平和湖泊保护治理强度密切相关。1996年和2003年发生2次较为严重的规模化蓝藻水华,严重影响用水安全,制约区域社会经济发展。本文系统梳理了有关洱海水质与驱动因素的研究报道,王云飞等对1996-1997年洱海营养状况进行了分析,从流域地质背景、湖泊低水位运行、面源污染、资源开发等方面分析洱海富营养化的影响因素[7-8];陈小华等借助拐点分析软件对1988-2014年洱海流域社会经济指标和湖泊富营养化指标进行了拐点分析,探讨社会经济因素对洱海富营养化演变的驱动作用[9];王明杰等采用灰色关联法分析了2007-2017年洱海流域污染排放总量、结构变化与水环境变化的关联程度[10];马巍等分析了2008-2019年洱海水质年际变化过程,从流域水文情势、面源负荷输入、水资源条件约束等方面分析对水质的驱动影响[11]。总体来看,已有文献报道多为某一时期的评价,缺少历史长时间尺度水质演变趋势的定量解析。而且,历史上不同阶段流域发展与湖泊保护的形势与政策也在不断影响着洱海水环境的变化,因此有必要探讨不同阶段流域发展、湖泊保护与洱海水质之间的辩证关系。

本研究基于1971-2020年洱海湖区水质的历史监测数据,采用M-K检验和GAMs模型定量分析洱海近50年主要水质指标的阶段性变化趋势,在此基础上,从流域经济社会发展、湖泊水利调控、保护治理水平等多个角度,探讨驱动洱海水质演变的主要因素,为洱海水质管理提供参考。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

洱海地处云南省大理白族自治州境内,湖面高程1966 m(八五高程,下同)时,湖面面积252 km2,蓄水量达29.59×108 m3,平均水深10.8 m;流域面积2565 km2,径流区有大小河流117条,西洱河是洱海唯一的自然出水河道,流合漾濞江后汇入澜沧江。由于人为活动的干扰,洱海水质不断恶化,历史上1996年和2003年发生两次严重的藻华事件,严重威胁居民饮用水安全和湖泊生态健康。

1.2 数据来源 1.2.1 洱海水质数据

本研究的时间尺度为1971-2020年,其中1971-1991年水质数据源于文献记录[7, 12-15],1992-2020年水质数据源于大理州生态环境监测站,水质指标的年际变化趋势以年度算术平均值进行分析处理。

1.2.2 流域社会经济发展数据

本研究的洱海流域GDP、人口、农作物播种面积、化肥施用量、畜禽养殖量等社会经济发展数据来源于《大理市统计年鉴》《洱源县统计年鉴》《大理州统计年鉴》等统计资料。洱海年均水位来源于云南省水文水资源局大理分局,洱海水力停留时间根据洱海出湖水量和洱海蓄水量进行核算,基础数据来源于云南省水文水资源局大理分局。

1.3 研究方法

采用《湖泊(水库)富营养化评价方法及分级技术规定》(总站生字[2001]090号)确定的湖泊综合营养状态指数TLI(Σ)对水体营养状况进行评价,评价指标包括总氮(TN)、总磷(TP)、透明度(SD)、高锰酸盐指数(CODMn)和叶绿素a(Chl.a)5项。营养状态分级:TLI(Σ)<30为贫营养,30≤TLI(Σ)≤50为中营养,TLI(Σ)>50为富营养,50<TLI(Σ)≤60为轻度富营养,60<TLI(Σ)≤70为中度富营养,TLI(Σ)>70为重度富营养。

采用M-K检验对洱海水质历史变化趋势进行统计分析。用R语言程序中“trend”包mk.test函数进行M-K统计检验,统计变量Z的大小代表数据的变化趋势,Z>0表示上升趋势,Z < 0表示下降趋势。

采用Bjorndahl等[16-19]的方法,使用广义可加模型(generalized additive models, GAMs)对1971-2020年洱海水质指标浓度的时间变化趋势进行检验,具体来说,在R语言程序中利用“mgcv”包,采用三次平滑样条(cubic spline line)作为平滑函数建立洱海水质指标与时间之间的分层广义可加模型(HGAM),使用限制性极大似然估计的方法(restricted maximum likelihood)确定平滑度参数。再使用R语言程序中的“gratia”包估算每个水质指标点位处平滑曲线的一阶导数,利用一阶导数的性质确定显著变化趋势发生的时期,即在一阶导数的置信区间在α=0.05的显著水平上不等于0。使用R语言程序中“tidyr”包和“dplyr”包进行数据整理,“ggplot2”包绘图。

采用多元回归法对洱海水质指标(Y)与主要驱动因素(X)进行关联程度分析,对数据标准化后计算得到标准化回归系数,其绝对值的大小直接反映了各项驱动因素(Xn)对水质(Y)的影响程度,用SPSS 25.0软件进行分析。使用Origin 2021软件进行绘图。

2 结果与分析 2.1 主要水质指标变化

本研究以TN、TP、NH3-N、SD、CODMn和Chl.a 6项指标,表征洱海水体营养盐、有机物和富营养化状态。根据M-K检验方法计算出1971-2020年洱海主要水质指标的变化趋势检验值Z(表 1),结果表明,在α=0.01水平上,洱海主要水质指标均表现出显著的变化趋势,CODMn、TN、TP和Chl.a 4项指标呈显著上升趋势,SD呈显著下降趋势。总体来看,1970s以来洱海水质不断下降,主要水质指标发生了明显的变化,为了定量各项水质指标的阶段变化趋势,本研究用GAMs模型进一步检验分析。

表 1 洱海主要水质指标M-K趋势检验结果 Tab. 1 Mann-Kendall test result of the main water quality indicators in Lake Erhai

近50 a洱海主要水质指标的年际变化较大(图 1附图Ⅰ)。从营养盐指标来看,洱海TP浓度历史上出现2个峰值,1970s末-1980s初洱海TP浓度相对较低,处于Ⅰ类水平[13];1983-1985年TP浓度显著上升,1985年达到第1个峰值0.034 mg/L,跃进为Ⅲ类水平;1986-1988年显著下降,1988年降至0.012 mg/L,接近Ⅰ类水平[14-15];1990s以后洱海TP呈现缓慢升高的趋势,1997-2006年间出现第2个显著上升和显著下降的过程,2003年水质恶化,TP浓度达到历史第2个峰值0.034 mg/L;而后TP浓度波动变化,2017年以来逐年降低,2020年恢复至Ⅱ类水平。

图 1 洱海主要水质指标平均浓度变化趋势(用层次广义加性模型(HGAMs)拟合指标平均浓度,所有图中,绿色圆点代表指标实测年均值,黑色实线代表拟合的模型趋势,灰色阴影代表趋势的95 % 置信区间,趋势的红色加粗部分代表浓度发生显著变化) Fig.1 Mean concentrations of water quality indicators by year in Lake Erhai (Mean concentrations are fitted with hierarchical generalized additive models (HGAMs). In all plots, solid lines are the fitted model trends, gray shading represents 95 % confidence intervals of the trends, and emboldened sections of the trends represent significant changes in pigment mean concentration)

洱海TN浓度历史上出现3个显著变化的阶段,1981-1987年间呈现显著上升和显著下降过程,1985年达到峰值0.51 mg/L[20];1999-2003年呈现显著上升过程,同样在2003年升至高值0.61 mg/L,由Ⅱ类转变为Ⅲ类水平;此后TN浓度波动变化,2016年以来略有下降趋势。洱海NH3-N浓度历史上总体处于较低水平,2002-2009年间呈现显著上升和显著下降过程,2006年达到历史峰值0.28 mg/L,而后波动下降,逐步恢复到1990s的较低水平。

从有机物浓度来看,以CODMn为表征,自1970s以来CODMn浓度呈现多个显著上升的趋势变化,在1988年[20]和2003年达到2个历史峰值,浓度分别为2.76和3.51 mg/L;2010年至今又呈现显著上升趋势,2020年达到了历史较高浓度3.88 mg/L。

洱海SD历史出现2个显著变化趋势,1971-1981年间显著上升,由1.8 m升高至3.57 m;至1990s末洱海总体处于高透明度状态,SD保持在3 m左右[12];2000-2004年洱海SD显著下降,2003年洱海暴发全湖性规模化蓝藻水华,透明度急剧下降至历史最低(1.52 m),年内7-9月甚至不足1 m;而后至今,洱海处于低透明度的状态,SD略有增加,但较历史水质优良时期仍有差距。

洱海Chl.a浓度在1998-2005年间呈显著上升趋势,1992-2002年间在0.51~6.89 μg/L范围变化,处于较低浓度;在2003年蓝藻水华暴发,Chl.a浓度急剧上升至26.28 μg/L,达到历史最高值,水华暴发期甚至高达55 μg/L;而后基本稳定在10.13~17.31 μg/L范围内,处于较高浓度状态。

2.2 富营养状态变化

自1992年连续监测以来,根据《湖泊(水库)富营养化评价方法及分级技术规定》评价结果(图 2),洱海综合营养状态指数TLI(Σ)在1992-1999年呈缓慢上升趋势;2000-2003年期间TLI(Σ)急剧上升,2003年达到历史峰值,此阶段洱海由贫营养状态转变为中营养状态;2003年至今洱海富营养化状态变化相对稳定,总体处于中营养水平。从富营养化状态指数历史变化趋势来看(图 3),洱海营养状态指数最大值均为TLI(Chl.a),2003年以后保持在50~60之间,表明Chl.a始终是洱海富营养化状态评价的限制因子;与1990s相比,TLI(CODMn)增加明显,加权占比由1992年的6 % 增加至2020年的17 %;TLI(TP)有所减小,加权占比由21 % 减小至15 %,说明CODMn对洱海的影响在逐渐增加,而TP的影响在逐渐减小。

图 2 1992-2020年洱海TLI(Σ)变化趋势 Fig.2 Changes in TLI(Σ)of Lake Erhai from 1992 to 2020
图 3 洱海富营养化状态分指数变化 Fig.3 Trends of trophic state indexes of Lake Erhai
2.3 水环境变化驱动因素分析

湖泊水质的驱动因素一般包括湖泊水位、降雨量等自然驱动因子,流域人口、经济社会发展水平和污染治理水平等人为驱动因素[21-22],考虑到数据可获取性以及洱海流域特征,本研究选取湖泊水位和水力停留时间作为自然驱动因素,流域GDP、城镇人口、化肥施用量、蔬菜播种面积、奶牛养殖数量、污水处理规模等为人类活动影响因素。

2.3.1 洱海水位及水力停留时间变化

根据云南省水文水资源局大理分局的洱海出湖水量和洱海蓄水量历史数据,核算得到洱海水力停留时间变化趋势(图 4)。受洱海出湖水量减少的影响,湖内水力停留时间不断延长。2011-2020年洱海平均出湖水量仅为3.24亿m3,较多年(1960-2020年)平均值偏少54 %,特别是2012年出湖水量仅1.3亿m3,为有记录以来的最低值。洱海出湖水量减少的直接结果是湖内水力停留时间的增加,1960-2009年洱海平均水力停留时间为3.6年,而2010-2014年高达11年,2015-2020年也有7.5年之久,近10年水力停留时间达8.6年。

图 4 洱海年均水位与水力停留时间历史变化 Fig.4 Temporal variations of mean water level and hydraulic residence time of Lake Erhai
2.3.2 流域经济社会发展变化

1970s以前,洱海地区经济不发达,交通闭塞,城市规模小。1970s以后,随着西洱河电站运行,流域经济起步发展,1980s初南部下关城区开始城镇化发展,工业企业数量逐渐增加。1990s开始流域经济快速发展,农业是流域传统的支柱产业,为了提高经济效益,1998年农业种植结构发生重大调整,经济收益高但环境风险大[23-27]的蔬菜种植替代了很大一部分烤烟,播种面积显著上升,化肥施用量也呈直线上升趋势(附图IIb);同时特色畜牧产业奶牛养殖数量逐年增加(附图IIc)。2009年之后流域经济进入高速发展期,GPD一直保持着两位数的增长速率(附图IIa),在此期间第一、二产业始终保持稳定增长,第三产业特别是旅游业迅猛发展,旅游人次逐年升高,环湖客栈餐饮行业井喷发展。在促进GDP增长的同时,与洱海保护相适应的经济发展政策也在不断调整,典型的有化肥减量、大蒜禁种、奶牛养殖搬迁、环湖违规建筑拆(搬)迁等,这些经济发展转型举措也促进了洱海水环境的改善。

2.3.3 影响因素与水质的回归分析

根据不同影响因素(自变量)与洱海主要水质指标(因变量)的回归分析结果(表 2),分析组1代表自然驱动因素,洱海年均水位对SD、TN、TP的影响程度较大,洱海水力停留时间对CODMn的影响大于年均水位。分析组2代表经济发展水平,从标准回归系数排序来看,对水质影响程度由大到小依次为:第一产业>第三产业>第二产业,这与陈小华等的研究结果一致[9]。分析组3代表人为活动影响,以蔬菜为代表作物的种植业和氮肥施用量对SD、TN、CODMn和NH3-N的影响较大,以奶牛养殖为代表的畜禽养殖业对CODMn的影响较大,污水处理规模与NH3-N关系密切。

表 2 洱海主要水质指标与影响因子之间的回归分析的标准化系数 Tab. 2 Standardized coefficients of linear regression analysis between water quality indicators and driving factors in Lake Erhai
3 讨论 3.1 流域发展与湖泊水质的相互作用

湖泊为流域社会经济发展提供了丰富的资源,同时人类高强度的活动干扰也导致湖泊生态系统在水动力、水质维持、生物多样性保护等方面的功能下降[28-30]。洱海作为云贵高原典型断陷湖泊,坝区经济特点明显,相比平原湖区,人湖矛盾更加突出。20世纪50-60年代,洱海尚处于天然状态,人为干扰小,水质清澈。1957年黎尚豪等对洱海开展首次全面调查(9月),洱海生源元素浓度都属于贫营养型范围(TN<0.2 mg/L,TP<0.05 mg/L,溶解氧浓度较高),沿岸水草较为丰富[31]。直至1960s末,洱海一直处于贫营养状态。

1970s为了满足流域工业发展,缓解供电压力,在洱海唯一天然出湖河流西洱河相继建成了4个梯级电站,导致出湖水量明显增加,至2003年洱海始终保持低水位运行。洱海低水位对湖泊水环境及生物演替都有着直接或间接的影响[32-33],从回归分析结果也可看出(表 2),洱海年均水位与主要水质指标间具有较好的相关性。洱海氮磷和有机物浓度均在1985年前后出现拐点,透明度显著上升(图 1),究其原因,与此阶段洱海水位变化密切相关。西洱河梯级电站运行后,洱海由高水位的天然调节湖泊变为低水位的人工调节湖泊[7, 24-36],年均水位较1960s的天然状态下降近1.5 m。一方面,洱海长期低水位运行导致水动力减弱,湖水停留时间延长,致使入湖污染物在水体中逐渐累积[37-38]。1980-1984年洱海湖水力停留时间增加至5.09年(图 4),较1960s以来多年平均增加近2年。加之1980s初洱海南部下关城区城镇化发展,工业废水和城镇污水排放增大,污染物入湖量增多并在湖内累积增强,导致湖体TN、TP和CODMn浓度在1980-1985年间出现一个显著上升的过程(图 1),到1985年洱海水质已由贫营养级转到贫中营养级[20]。另一方面,洱海长期低水位运行有利于水生植物繁殖生长,从而限制浮游植物优势,促进湖泊透明度提升[39],1980s洱海SD提升明显,较1970s初增加了2 m多(图 1)。鉴于下关城区快速发展带来的污染问题,以工业和城镇点源污染治理为切入点的洱海保护治理序幕也自此拉开。1986年建设西洱河南北岸排污干管,集中收集下关城区生活污水和部分企业废水至下游西洱河,工程效果明显,而后几年洱海NH3-N、CODMn、TN和TP浓度的显著下降也说明了这一点(图 1)。

除此之外,洱海低水位运行也引发了一系列生态问题,最重要的是湖内土著鱼类大量消失[37],这也影响着后来地方政府的决策。由于鱼类资源供应急剧减少,1985年初大理州推行网箱养鱼、围湖养鱼等措施,至1995年洱海网箱养鱼面积已增至10 hm2;1991年引进太湖银鱼入洱海。然而,引进银鱼、网箱养鱼等在可观的经济效益背后,却是沉重的生态环境代价,洱海水质逐渐下降,水生态系统严重受损。网箱养鱼和围湖养鱼都是以捞水草喂养为主,致使洱海水生植被覆盖面积由1980s初的30.9 % 减少至18 % [7],与藻类竞争能力明显降低;银鱼引种产生的下行效应,即对浮游动物摄食增加,使浮游植物失去摄食者而数量剧增[15]。综合水文气象因素,导致1996年洱海首次发生以鱼腥藻为主的规模化蓝藻水华,水华发生期水体呈“绿油漆”状,严重影响用水安全。此次水华事件对地方政府敲响警钟,随后立即开展取消网箱养鱼和取消机动渔船的“双取消”专项工作,到1998年水生植物覆盖率增加到40 % 左右[23],SD也提升至3.54 m(图 1),但洱海水质恶化进程并未因此减缓。1998年前后,洱海流域农业种植结构调整,蔬菜种植面积显著增加,化肥施用量显著增加(附图IIb)。洱海南部区域工业及乡镇企业的快速发展,污水排放量不断增加,以及居民生活习惯的改变,含磷洗涤剂的广泛使用等均加剧了洱海水质的污染[40]。1997-2003年,洱海TN、TP、CODMn和Chl.a均呈现出显著升高的趋势变化,SD显著下降(图 1),洱海TLI(Σ)也急剧上升,跃进为中营养水平(图 2)。加之洱海长期处于低水位运行状态,湖泊生态系统脆弱,2003年洱海再次发生规模化蓝藻水华,年均Chl.a浓度急剧上升近10倍,SD突降近50 %,水生植物衰亡严重,覆盖率不足10 %,且优势种转变为以耐污种为主[34]。自此,洱海生态系统结构发生根本改变,由清水稳态退化到藻草共存、草藻共存的过渡态[41],虽然TLI(Σ)评价洱海处于中营养状态(图 2),但湖泊生态系统已呈现出富营养化的特征,湖泊学界也普遍认为洱海正处于关键的“富营养化初期”阶段[42-43]

2003年洱海蓝藻水华事件再次警示着洱海保护治理的紧迫性,湖泊保护治理力度不断加大。2004-2008年间洱海主要水质指标(TP、NH3-N和CODMn)呈现显著下降的变化趋势(图 1),这与洱海高水位运行和保护治理工程实施的关系密切。2004年修正的《云南省大理白族自治州洱海管理条例》重新规定了洱海最低和最高运行水位,自此洱海实行高水位运行。2004年起洱海逐年增加运行水位,至2008年洱海年均运行水位已由1972.89 m提高至1973.96 m,增加了1.07 m,高水位运行增加了洱海的蓄水量,对水体污染物具有一定的稀释作用,促进水质改善。同时,在此期间大理州实施了一系列重大工程,包括古城至下关城区截污治污工程、洱海环湖湖滨带生态修复工程等,这些因素都促使洱海水质向好发展,2008年全湖水质更是达到了Ⅱ类水平。

2009年至今,洱海流域经济进入高速发展阶段,特别是2010-2013年间流域GDP年均增速超过16 % (附图IIa),同时一系列洱海保护治理重大决策和工程措施相继实施,多重因素下洱海水环境并没有进一步恶化,波动变化明显,这也充分体现了社会经济发展、湖泊保护治理和水质的辩证关系。一方面,流域经济增长虽快但方式仍粗放,制约着湖泊水质改善。特别是第一产业,农业发展对洱海水质的影响程度远大于其他产业(表 2),农田肥料污染流失逐渐成为流域氮、磷污染负荷的重要来源[44]。2003年以来洱海流域氮肥和磷肥施用量显著增加,与1990s相比增加近3~4倍(附图IIb),而主要农作物产量增加不明显,说明肥料的利用效率下降,肥料的流失量增加[28]。特别是1998年流域种植结构调整后,高施肥作物蔬菜种植高峰期播种面积近6000公顷,流域内蔬菜种植过量依赖化肥增加产量和效益的种植业生产状况,导致农田土壤累积污染和化肥流失污染问题日益突出[45]。从回归分析结果也可看出,氮肥施用和蔬菜种植对洱海TN、CODMn、SD的影响显著(表 2)。畜牧业中奶牛养殖是洱海流域的特色产业,2000年开始奶牛养殖数量不断攀升,而其粪便中有机质含量较高,早期流域内畜禽粪便多在圈舍或田间无序堆放,雨季淋溶污染流失严重。“十二五”以来大部分畜禽粪便被集中收集并资源化利用,制备有机肥推广应用于全流域农业种植。已有研究表明,有机肥施用可增加农田土壤有机质浓度,使得淋溶水中COD浓度增加[46],进而影响湖体有机物浓度。因此,奶牛养殖数量与洱海CODMn浓度呈极显著相关(表 2)。另外,第三产业对洱海水环境的影响程度仅次于第一产业(表 2),而旅游业的产值贡献接近50 %,流域旅游发展对水环境存在一定影响,对洱海氮磷浓度的影响较大[47]。另一方面,经济高速发展同时也带动了大量环保资金的投入,从“一湖之治”到“流域之治”再到“生态之治”,对洱海的认识和保护治理策略也在不断深入,在此过程中也有多个全国首次实施的保护治理举措,如“三退三还”、“三清洁”、环湖湖滨带生态修复工程、覆盖全流域的截污治污工程等,这些治理与管理举措,在一定程度上延缓了洱海富营养化进程。特别是“十三五”期间,大理州以洱海保护治理统领流域经济社会发展,累积投入各级资金近300亿元,统筹流域水环境治理、水生态修复和水资源调控,也取得了阶段性成效,洱海TP和NH3-N浓度持续下降,2020年全湖TP改善至Ⅱ类水平、NH3-N基本恢复到1990s中后期水平、SD也提升至2.1 m,洱海也成为我国近郊保护较好的湖泊之一。

3.2 洱海水环境演变特征的思考

经上述讨论分析,洱海水质与流域发展和湖泊保护存在一定的辩证关系,在二者驱动下主要水质指标也呈现出明显的阶段性变化趋势。然而,值得注意的是,洱海CODMn指标的变化趋势特征与其他指标差异明显,特别是“十三五”以来洱海氮磷指标呈现波动向好的态势,但CODMn浓度却在不断攀升,2020年更是达到历史最高值3.88 mg/L。与洱海相似,近年来云南其它高原湖泊如滇池[48]、异龙湖、杞麓湖等都表现出有机物浓度升高或超标的现象,初步分析这可能与云南高原湖泊的生态系统特征有关。云南高原境内湖泊一般海拔较高,湖盆较深,故其湖泊特色与长江中下游浅水湖泊迥异[32]。与平原湖泊相比,洱海汇水面积相对较小,且源近流短,来水量少,水资源相对匮乏,换水周期较长。尤其是近10年受流域天然来水量减少的影响,洱海水体停留时间延长达8.6年(图 4),明显高于太湖[49]等东部平原湖泊,这也加速了湖内难降解有机物的累积。另一方面,可能与流域碳氮磷污染控制不协调有关。最突出的是洱海流域建设了大量的湿地生态修复工程,初步统计,流域内已建库塘325座、湿地56座,总面积近2667公顷。由于湿地管理水平参差不齐,出现湿地植物残体收割不及时、湿地被闲置等问题,湿地水生植物残体在腐烂分解过程中会产生大量的溶解性有机质,随地表径流入湖也会对水体有机物含量产生影响。因此,洱海CODMn浓度持续升高的问题将是未来洱海保护治理需要关注的重点。

4 结论

近50年来, 在流域发展与湖泊保护双轮驱动的作用下,洱海水质年际波动明显,1980s初至1985年、1990s末至2003年两个阶段洱海水质显著下降,1986-1980s末、2004-2008年两个阶段洱海水质显著改善。洱海经历了由贫营养湖泊向中营养湖泊的演变过程,发生过两次较为严重的规模化藻华事件。1996年在水质优良的情况下洱海首次发生蓝藻水华,这与长期低水位运行、网箱养鱼和银鱼引种等导致湖泊生态系统严重受损密切相关。2003年在水质污染加重、生态系统尚未恢复情况下洱海再次发生蓝藻水华。洱海流域农业发展特别是蔬菜种植、氮肥施用和奶牛养殖对洱海水质影响突出,因此,加大农业面源污染控制力度是持续改善洱海水质的关键。值得关注的是,近十年特别是2016年以来,高投入的湖泊保护工作促使洱海水质呈波动向好态势,但CODMn浓度仍在显著升高,且TLI(CODMn)加权占比由1992年的6 % 增加至2020年的17 %,说明CODMn对洱海富营养化的影响逐渐增加,这将是未来洱海保护工作重点关注的方向。

5 附录

附图Ⅰ见电子版(DOI: 10.18307/2023.0422)。

附图Ⅰ 洱海主要水质指标历史变化趋势 AttachedFig1 The yearly variation of water quality indicators in Lake Erhai
附图Ⅱ 洱海流域经济社会发展趋势 AttachedFig2 Interannual variation of main socio-economic indicators of Lake Erhai Basin
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