流域磷流格局表征与解析方法研究

To deal with the difficulties on characterizing the phosphorus migration and transformation path systematically and completely with the method of material balance analysis, pollution emission inventory analysis, life cycle substance flow analysis, to aim at the control of lake eutrophication in terms of phosphorus flow structure, our proposal puts forward the method of "physical-based" substance flow analysis to characterize and analyze the phosphorus flow pattern. The basic idea of this method is to build phosphorus flow networks among each phosphorus-related object in the watershed system and convert them into the form of phosphorus flow matrices from various spatial and temporal scales with the research framework of input-output analysis. The computation of phosphorus flow matrices mainly depend on phosphorus flow database designing and the spatio-temporal difference analysis of the parameters, which are used to ensure the validity and reliability of data and improve the accuracy of parameters, respectively. Based on the above methods, our proposal analyzes the phosphorus flow pattern of Chaohu Lake Watershed with multi-scale and multi-dimension, identify the main influence factors of phosphorus flow pattern of Chaohu Lake Watershed and put forward the optimal solution of phosphorus flow pattern improvement in a variety of scenarios, to provide the quantitative decision support for the eutrophication control of Chaohu Lake Watershed.

针对物料平衡分析、污染源排放清单分析、生命周期物质流分析等方法难以系统、完整地刻画流域磷迁移转化路径从而难以从磷流格局上实现湖泊富营养化控制的问题，本项目提出了基于“实物”的物质流分析方法，用于流域磷流格局的表征与解析。该方法的基本思想是构建流域内各个实物之间的磷流网络，并通过投入产出分析法的研究框架在不同时空尺度上将其定量表达为磷流矩阵的形式。磷流矩阵的计算主要依赖于磷流数据库的构建和参数时空差异性分析，二者分别用于保证数据的有效性与可靠性及提高参数的准确性。基于以上方法，本项目对巢湖流域的磷流格局进行多尺度多维度解析，识别巢湖流域磷流格局的主要影响因素，并在多种情景下提出改善巢湖流域磷流格局的最优方案，为巢湖流域富营养化控制提供了定量化的决策支持。

磷是生命不可缺少的一种不可再生不可替代的营养元素。随着人口和经济的快速发展，人类社会对磷资源的需求日益增大，同时过量的人类活动又造成了大量磷排入到水体中，导致水体富营养化，危害水生生态系统安全与生物多样性。因此，如何识别磷资源开发利用过程中的热点并评估其对富营养化效应是实现磷资源的可持续利用需要回答的一个问题。为了回答这个问题，本项目从磷流格局入手，分析磷矿开采、磷化工生产、农业种植、畜禽养殖、生活消费、废物处置等涉磷人类活动过程以及大气沉降、风蚀、土壤侵蚀、地表径流等自然磷循环过程，通过物质流分析方法构建磷流矩阵并将核算结果以磷流网络的方法表征，从而建立一套磷流格局的定量解析模型，在此基础上分析了1978-2012年巢湖流域的磷流格局，研究表明巢湖流域在期间磷的输入量增加了5倍，用以支撑日益增长的农业生产的需求。而每年输入的磷流大概75%都遗存（legacy P）在流域的耕地、非耕地和水体中，其主要来源于农田的施肥和含磷工业废物在非耕地上的填埋。在排放到水体的磷中，畜禽养殖是最主要的来源，占据了总输入的63-66%。动物性食品中磷的贡献量增速是最快的，对于城镇居民从7%增加到24%，农村居民从1%增加得到8%。本项目对这一研究进行扩展，提出了“人类活动-资源消耗-污染排放-迁移归趋-环境效应”系统分析方法框架，重建了中国近4个世纪（1600-2012年）的磷流格局演变过程，发现中国磷循环已从1600 年左右以自然活动为主导的简单稳态模式转变为当今以人为活动为主导的复杂格局，磷贸易格局已经由净进口变成净出口，农田土壤中磷赋存量从“耗竭态”转变为“蓄积态”，农业面源已成为重要的地表水体磷负荷来源。此外，绘制了2012年中国人类涉磷活动的富营养化潜势图谱。相比于向水体磷排放的实物量，富营养化潜势的空间差异性更加明显，长江中下游区域的富营养化潜势显著。本研究对农业和粮食安全保障、水环境质量改善、湖泊富营养化控制等具有重要的意义。