（环境科学专业论文）基于物质流分析的密云水库上游流域磷循环研究.pdf

首都师范人学硕。i ：学位论文 活污染源头控制的新模式、新途径。 关键词：磷循环，物质流分析，密云水库上游流域，种植业，畜牧业 i i 首都师范人学硕1 ：学位论文 p h o s p h o r u sc y c l er e s e a r c hi nu p s t r e a mo fm i y u nr e s e r v o i r w a t e r s h e db a s e do nm a t e r i a lf l o w a n a l y s i s a b s t r a c t p h o s p h o r u s ( p ) i s a ni m p o r t a n tl i m i t i n gf a c t o ri ne u t r o p h i c a t i o n t h ee x i s t i n gp o l l u t i o nc o n t r o l m e a s u r e sc a nn o te f f e c t i v e l yp r e v e n tc o n t i n u i n gd e t e r i o r a t i o no ft h ee u t r o p h i c a t i o n ，b e c a u s et h e y a r ec o n f i n e dt ot h el o c a la n dt h ee n dp o l l u t i o nl o a dr e d u c t i o n ，b u th a v eb e e nn e g l e c t e dt h e s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o na n de g g e f f i c i e n c yi m p r o v e m e n to fpm e t a b o l i s ms y s t e mf o ral o n g t e r m u p s t r e a mw a t e r s h e do fm i y u nr e s e r v o i r i sc h o s e n 弱as t u d ya r e a t h i ss y s t e mi sd i v i d e di n t o f o u rp a r t s - p l a n t i n gs u b s y s t e m ，b r e e d i n gs u b s y s t e m ，p o p u l a t i o ns u b s y s t e ma n dt h eo t h e r s u b s y s t e m t h i sp a p e rt r i e st of i n dk e ya p p r o a c h e sa n dm e c h a n i s mt h a ti m p a c to nt h ew a t e r e n v i r o n m e n tb ys y s t e m a t i c a l l ya n a l y s i n gb a s i cp r o c e s s e so fp i n p u t ，o u t p u t ，r e c y c l i n go fp i nt h e r e g i o n t h em a i nc o n c l u s i o n sa r e 嬲f o l l o w e d ： 1 ) pc y c l ei np l a n t i n gs y s t e mi sd e f i c i e n ta ta m o u n to f2 4 6 0 5 2t b u td e f i c i t si nd i f f e r e n t d i s t r i c t sa r ev a r i o u s 9 0 po ft h ep r o d u c t so fl i v e s t o c kb r e e d i n gs u b s y s t e m ，13 0 9 35t ，i se x p o r t s a l e s t h ee l s ep a r ts a t i s f yt h el o c a lp e o p l ed e m a n d ；t h ei m p o r t so fg r a i npp l a y sa ni m p o r t a n t r o l ei nt h ep o p u l a t i o ns u b s y s t e m ，a n di ti se x p o r t e dm a i n l yi nt h ef o r mo fe x c r e t aa n dg a r b a g e ； t h eo t h e rs u b s y s t e mh a sl i t t l ei m p a c to i lpc y c l eo ft h ew h o l es y s t e m 2 ) c h e m i c a lp r o d u c t s ，w h i c hm a i n l ya r ef e r t i l i z e r s ，f e e da d d i t i v e sa n dp e s t i c i d e s ，a r et h e m a i ns o u o e so fpi n p u ti nt h eb a s i n ，r e s p o n s i b l ef o r3 4 3 0 1t 4 3 6 o ft o t a li m p o r t t h es y s t e m e x p o r t4 4 8 4 7 6tpt ot h ee n v i r o n m e n t ，a m o n gw h i c h 13 ( 5 8 2 4 1t ) e n t e r si n t on o n - c u l t i v a t e d s o i l ，8 7 ( 3 9 0 2 3 5t ) d i r e c t l ye n t e r si n t ot h ew a t e r b o d y b r e e d i n gs u b s y s t e mi st h el a r g e s t c o n t r i b u t o r , w h i c he x p o r t s3 5 0 8 0 5 t ，r e s p o n s i b l ef o r7 8 2 o ft o t a lo u t p u t p l a n t i n ga n d p o p u l a t i o ns u b s y s t e m se x p o r t2 0 6 7 8 ta n d17 8 4 3t a n dt h eo t h e rs u b s y s t e me x p o r t s9 it ，t h e s m a l l e s tc o n t r i b u t o r 3 ) t h ep o l l u t i o nl o a d so fd i f f e r e n td i s t r i c t sa r er e l a t e dw i t ht h ei n d u s t r i a ls t r u c t u r ea n d u r b a n i z a t i o nr a t e d i s t r i c t sd o m i n a t e db ya n i m a lh u s b a n d r ye m i tm o r ep o l l u t a n t st h a nt h e d i s t r i c t sd o m i n a t e db yp l a n t i n gi n d u s t r yb e c a u s eo fm o r ed r a i n a g eo fp o l l u t a n ta n dl o w e r e r e f f i c i e n c yo fp o l l u t a n tp r o c e s s e di nb r e e d i n gs u b s y s t e m ，i nw h i c ht h ec a t t l ep l a y sad o m e i n a n t r o d i ts h o w st h a tt h ea v e r a g epo u t p u ti nd i f f e r e n tt o w n si sp o s i t i v e l yc o r r e l a t e dw i t ht h e i l i 首都师范人学硕。l ：学位论文 n u m b e ro fc a t t l ei nd i f f e r e n tt o w n s t h ec o r r e s p o n d i n gs e w a g et r e a t m e n tf a c i l i t i e sh a v en o tk e p t u pw i t ht h ea c c e l e r a t i o no fu r b a n i z a t i o np r o c e s s ，s oi ts h o w st h a tp e o p l ep o l l u t et h ew a t e rb o d y b e c o m e s m o r ea n dm o r es e r i o u s 4 ) t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h es y s t e mi si n c o m p a t i b l e ，p r e s e n t i n go n e - w a ya n do p e n t y p e s a t u s t h es y s t e mi si n c o m p a t i b l eb e c a u s epc y c l ei np l a n t i n gs y s t e mi sd e f i c i e n tb u ti nl i v e s t o c k b r e e d i n gs y s t e mi ss u r p l u s po fl i v e s t o c kb r e e d i n ga n dp e o p l ee x c r e t ah a sn o tb e e ne f f e c t i v e l y r e u s e da n dr e c y c l e d ，s oi tr e s u l t si npa c c u m u l a t i o ni nt h ew a t e r , a n df u r t h e rr e s u l t si nas e r i o u s w a s t eo fs o u r c e sa n daw i d er a n g eo fe n t i r o n m e n t a li m p a c t ，s ot h es y s t e mp r e s e n to n e - w a ya n d o p e n - t y p es a t u s s oi ti se s s e n t i a lt os y s t e m a t i c a l l yp r o m o t ee c o l o g i c a lt r a n s f o r m a t i o no fm a t e r i a lp r o d u c t i o n ， c o n s u m p t i o na n dw a s t ed i s p o s a l i ts h o u l db e e nf o c u s e do ni m p r o v i n gn u t r i e n tc y c l i n gb e t w e e n a g r i c u l t u r a ls u b s y s t e ma n db r e e d i n gs u b s y s t e m ，r e d u c i n gi m p o r t so fp e s t i c i d ea n dc h e m i c a l f e r t i l i z e r s r e d u c i n gt h es i z ea n dq u a n t i t yo fl i v e s t o c kb r e e d i n g , e s p e c i a l l yt h ec a t t l ea n d r e d u c i n gt h ed o s a g eo ff e e da d d i t i v e s d e v e l o pg r e e na n de c o l o g i c a lf a r m i n gm a k i n g f u l lu s eo f l o c a ls o u r c e i ti sn e c e s s a r yt os p e e du pt h ec o n s t r u c t i o no fu r b a ne n v i r o n m e n t a li n f r a s t r u c t u r e ， a n dt or e s e a r c hn e wm o d e st oc o n t r o lu r b a na n dr u r a ld o m e s t i cp o l l u t i o ns o u r c e k e yw o r d s ：p h o s p h o r u sc y c l e , m a t e r i a lf l o wa n a l y s i s ， u p s t r e a mw a t e r s h e do fm i y u n r e s e r v o i r , c r o p p i n g , l i v e s t o c kb r e e d i n g i v 首都师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： _ 印囱枷 j 弋1 f 日期：2 0 0 8 年5 月1 8 日 首都师范大学学位论文授权使用声明 本人完全了解首都师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论文 并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利 目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据 库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规 定。 学位论文作者签名： 2 0 0 8 年5 月1 8 日 首都师范人学硕：l ：学位论文 第一章绪论 1 1 问题的提出 磷是世界上重要的、难以再生的非金属矿资源，也是生命体最重要的元素之一，它 不仅在农业上具有重要的应用价值，而且在工业、医药业、生物学中也扮演着相当重要的 角色。磷被称为“智慧元素 ，它是生物光合作用和新陈代谢过程中不可缺少的关键元素。 磷对地球上的生命过程也具有重要意义，构成生命遗传物质d n a 和r n a 的基本材料就是磷 脂f l 】。地壳中磷的平均含量约为1 2 冰g ，而大多数自然土壤的含磷量则远远低于此值。土 壤全磷含量大约在2 0 0 - 5 0 0 0m g k g ，平均为5 0 0m g k g 。中国土壤的磷含量大致在2 0 0 - - 11 0 0m 班g 副。磷也是与人民生产生活密切相关的元素之一，各种含磷化合物在农业种植、 工业生产以及人们的日常生活中都起到重要的作用。正是由于这些原因，大量的含磷产品 投入到人民的生产生活中来。据估算，英国自1 8 5 0 年以后的1 3 0 余年中投入农业中的磷总 量约为1 1 8 1 0 1 7t t , 】。改革开放以来，我国磷肥的施用量由2 7 3 3 万吨增至7 0 5 7 万吨，年平 均增加量为2 0 6 万1 1 屯1 4 1 ，大量的化肥投入，是使占世界7 的耕地面积养活了占世界2 0 多 的入口这样的奇迹得以实现重要原因之一。 但是大量含磷产品，特别是磷肥的施用，也造成了很多环境问题，其中最为重要的是 水体富营养化。在我国大于lk m 2 的2 3 0 0 多个湖泊中，2 4 介于富营养化与高度富营养化之 间，3 2 介于中营养化与富营养化之间。从世界范围来说，3 0 - 4 0 的湖泊和水库在不同程 度上遭受到富营养化的影响【5 】。磷既是水体富营养化的重要影响因子之一，也是水体富营 养化的限制性因子之一，一般认为，水体中总磷的浓度达到0 0 2m g l ，总氮浓度达到0 2 m l 即可能产生富营养化1 6 】。 一般说来，湖泊水库水体中的磷主要来源于以下几个方面：( 1 ) 流域岩石、土壤的风 化侵蚀产物；( 2 ) 湖面降尘和大气降水；( 3 ) 湖区地表径流和农田排水；( 4 ) 湖面航行船 只( 包括游览、水上运动等) 和湖区旅游活动等排入湖泊的废弃物；( 5 ) 湖泊水产养殖投入 的饵料；( 6 ) 直接或间接排入湖库的工业废水和城市生活污水。 在自然条件下，流域岩石、土壤风化侵蚀产物是湖泊水库主要的磷来源。岩石和未耕 作土壤中磷的释放输出，主要由所发生的地质作用和土壤的组成情况决定，同时，温度、 降雨及水文条件等因素也起着重要作用。由于岩石、土壤中磷的含量有限，仅受岩石、未 耕作土壤影响的自然水体磷含量通常不高于0 0 1m g l t 7 】。 近年来，一些研究证实，降雨等大气沉降过程对许多湖泊来说也是一个重要的营养物 首都师范人学顾l j 学位论义 质来源。磷的大气沉降表现出很强的地域性，工业区和农业区的大气磷沉降值较大，相反 边远地区大气沉降的量较小哺j 。大气磷的沉降量还随着时间的变化而变化，最大的沉降量 一般出现在春季，可能与春季扬尘较强等因素有关。 人口增长及相关的农业发展和城市发展，致使废水大量排入水生环境。这种来源的磷 要远远超过自然输入过程，对湖泊生态系统的危害性极大。淤泥、营养物和其他污染物的 非自然性输入，加速了很多湖泊的富营养化过程，在自然状态下可能要数千年才会出现的 一些生态变化。现在数十年内就出现了，如美国的密执安湖和华盛顿湖【9 j 、瑞士的维内尔 湖和梅拉伦湖【10 1 、中欧的康斯坦茨湖和苏黎世湖【1 1 , 1 2 】，以及日本的b i w a 湖和k a s u m i g a u r a 湖等。 富营养化将导致一系列问题，如藻类水华的爆发、蓝藻毒素的产生、氧的减少、鱼类 的死亡、生物多样性的丧失等。此外，营养物质的富集将会使水生态系统产生严重退化， 以饮用、工业、农业、娱乐等为目的的水功能也会逐渐丧失。由于富营养化的危害较大， 世界上许多国家投入了大量资金予以治理，我国也把滇池、太湖和巢湖作为治理的重点。 在我国不同地区治理湖泊富营养化的实践中，具体实施措施大致可分为两类。即控制外源 性磷物质的输入和控制内源性磷物质的“有效性”。 控制外源性磷的输入多采取废水除磷、排污口拦截等。如制定污水排放标准和水质标 准，限制工业废水和城市生活污水排入河湖中的磷量：减少农业生产的非点源污染，该措 施的目的是从源头减少农业生产中磷的用量，从而减少磷的排放量。内源性磷物质主要指 湖库水体中和湖库底泥中含有的磷。治理内源性污染的措施主要有微生物修复、水生生物 修复、深水曝气、湖内下层水抽取、清淤挖泥和引水稀释 1 4 , 1 s 等。 虽然采取了种种治理措施，但是湖泊的水质恶化趋势并没有得到有效的控制。这是有 多种因素造成的，如由于受到农业对磷肥需求的影响、地方经济利益的驱使和科技发展水 平的限制等原因，农业非点源治理效果不好；在治理内源性污染的同时，仍要受到外源性 污染的危害【1 4 】。 但是笔者认为，最重要的原因是由于长期忽视营养元素代谢系统的整体结构优化与 生态效率的提升，目前我国水体富营养化控制体系中缺乏全面的结构性调控措施和系统性 政策方案，已有措施大多局限在局部和末端的污染负荷削减，实施成本高昂且生态效率低 下，不能有效地控制持续恶化的水体富营养化趋势【1 6 , 1 7 l 。 现代经济社会中资源开采、加工制造、产品消费、废物处置、循环再生等一系列由于 人类活动所导致的物质流动，即物质的社会代谢，极大地扰动了自然循环系统的结构与通 2 首都师范人学硕：i j 学位论文 量，是诸多环境问题产生的根本原因【1 8 】。然而，传统上基于货币资本的经济核算方法不能 恰当和有效地描述上述代谢过程，因此物质流分析方法应运而生【1 9 】。源于2 0 世纪9 0 年代 初的现代物质流分析技术，为系统深入地识别社会经济系统中物质代谢规律及其所产生的 结构性资源环境影响提供了定量分析方法，并逐渐发展成为转变生产和消费模式、提高物 质代谢效率的重要研究范式和基础技术平台【2 0 1 。 1 2 物质流分析方法 1 2 1 物质流分析方法定义 物质流分析( m f a ) 是指在一定时空范围内关于特定系统的物质流动和贮存的系统 性分析，主要涉及的是物质流动的源、路径及汇【1 8 】。从研究的层次来看，一般可将物质流 分析方法划分为经济系统物质流分析、产业部门物质流分析和产品生命周期评价三个层 次，其中，经济系统和产业部门的物质流分析对于区域可持续发展研究具有重要意义。而 从研究采用的模型来看，物质流分析主要包括静态分析与动态分析两种类型，前者用于判 别自然环境退化和人类环境污染的来源，预测物质投入量、技术水平与管理政策等要素变 化可能的环境影响，后者则在此基础上更进一步预测系统当前贮存物质转变为废物排放时 可能产生的环境影响【2 1 刎。 1 2 2 物质流分析方法发展历程 物质流分析研究的发展历程分为三个阶段：第一阶段从十九世纪五十年代到二十世纪 五十年代，主要是侧重于哲学上的思考，是物质流分析方法的起源；第二阶段从二十世纪 五十年代到二十世纪九十年代初，由社会代谢论的研究开始，m f a 概念基本形成，是物质 流分析方法的探索阶段；第三阶段自二十世纪九十年代至今，侧重于研究国家或区域经济 社会系统的物质通量，是物质流分析方法的发展阶段2 3 1 。 为了描述人类社会大量利用环境中的物质和能量的活动，“代谢一词被引入到社会 科学和环境科学领域，社会代谢的概念开始出现【2 4 1 。f i s c h e r - k o w a l s k i 认为【2 5 】，社会代谢论 是社会科学和自然科学两大科学领域的跨学科交叉。社会代谢论涉及到社会学、历史学、 经济学、文化人类学等社会科学领域和生物生态学、农业学、材料科学和社会地理学等自 然科学领域，是一个学科大综合的研究区域。基于社会代谢论的物质流分析研究是对学科 交叉与有机整合的有益尝试。 从二十世纪五十年代到二十世纪九十年代初，由社会代谢论的研究开始，展开对特定 物质或元素对生态环境的压力及危害的考察，m f a 概念基本形成，这个阶段是物质流分析 3 首都师范人学硕：i ：学位论义 方法的探索阶段。 第一个国家尺度物质流分析的尝试发表于1 9 6 9 年【2 5 1 。第一个关于资源保护和环境管 理的研究则出现于2 0 世纪7 0 年代，而这两个最初应用的领域是：( 1 ) 城市新陈代谢；( 2 ) 流域或城市区域的污染物迁移路径分析2 6 1 。2 0 世纪7 0 8 0 年代，物质平甜2 7 1 、工业代谢 【1 9 2 0 1 等理论的提出和完善，为物质流分析方法应用于整个社会经济系统的研究奠定了基础。 2 0 世纪9 0 年代初，奥地利【2 8 1 、日本【2 9 1 、和德国率先提出了国家级整体的物质流分析报 告，引起了学界和公众对物质流分析方法的重视。 自二十世纪九十年代至今，物质流分析理论得到快速发展。1 9 9 6 年欧盟委员会成立了 。一致性行动( c o n c e r t e da c t i o n ) 的“协调帐户( c o n a c c o u n t ) 计划”【3 1 】平台，该平台的 成立可认为是物质流分析国际合作的里程碑。从1 9 9 7 年丌始，世界资源研究所着手对5 个国 家( 美国、日本、奥地利、德国、荷兰) 社会经济物质流动状况进行了全面的分析【3 引。该研 究所的第1 份研究报告【2 8 】得到了上述5 个国家社会经济系统的物质输入总量，并且给出了衡 量物质输入状况的相关指标。在第2 份研究报告【3 3 】中，该研究所得到了各个国家社会经济系 统的物质输出总量，并且给出了衡量物质输出状况的相关指标。与此同时，运用物质流分析 方法对本国物质流动特征进行分析的国家不断增加，比如意大利【3 3 】、丹型，引、芬兰【，引、瑞 典d 酬、英国【3 7 】、捷克 3 8 j 、中国【3 ，, 4 0 , 4 1 , 4 2 , 4 3 ，删等。2 0 0 1 年，欧盟统计局出版了第一部物质流分析 研究方法手册【3 踟，该手册的出版对物质流分析的深入研究起到了很大的作用。2 0 0 4 年， b r u n n e r 和r e c h b e r g e r 合编了p r a c t i c a lh a n d b o o ko fm a t e r i a lf l o wa n a l y s i s 一书哺副，系统 介绍了物质流分析的概念、历程、应用范围及目标，详细地陈述了其数据库管理、软件应 用的具体操作方法，并列举了许多关于环境管理、资源保护、废弃物管理及区域物质流分 析与管理的经典案例f 1 4 1 。 相对于国外研究的蓬勃发展，物质流分析于2 0 0 0 年才由陈效逑掣4 2 1 最早引入我国，目 前尚未获得普遍应用，还处于起步阶段。综合近年来发表的相关文献，国内物质流分析表现 出以下两个方面的特征： ( 1 ) 多实证研究，理论分析相对薄弱。现有的物质流分析多属实证研究，往往根据欧 盟的研究框架估算出研究系统( 经济系统或产业系统) 不同年份的物质输入、输出等物质流 指标，并对比相关研究结果来度量资源消耗强度与利用效率及其变化特征。另一方面，针 对国内相关社会经济与生态环境统计调查口径的差异，对欧盟物质流分析研究框架在我国 的适用性分析，以及相应的模型修正，很少有人涉足。仅王奇等【删根据质量守恒定律建立 了一个封闭系统的物质流总量模型，系统地剖析了人类经济系统中的各个基本物质变量对 4 首都师范人学硕l j 学位论文 自然资源索取量与废物排放量的影响机理，提出了实现可持续发展的基本途径；刘滨等【4 刀 则以物质流分析方法为依据，系统构建了我国的循环经济指标体系。 ( 2 ) 侧重系统整体研究，缺少系统内部物质流动分析。陈效逑等初步估算了1 9 8 9 年 1 9 9 6 年间我国经济系统的物质需求总量、物质消耗强度和物质生产力，研究表明，我国经 济系统运行主要依靠国内资源消耗，物质资源投入超量，资源利用效率低下，生态环境压力 较大1 4 0 1 ；李刚对1 9 9 5 年 、一2 0 0 2 年中国经济系统的物质输入和输出研究，表明出口能源中 的煤炭存在巨大隐藏流则是导致生态贸易赤字的主要原剧4 ；徐明等对中国经济系统1 9 9 0 年 2 0 0 2 年的直接物质投入与消耗进行了分析，结果表明，1 9 9 5 年 1 9 9 9 年是其中发展最 好的一个阶段，初步实现了自然资源的可持续发展1 4 ”。相对于系统整体的研究，系统内部 物质流分析尚未普遍开展，其中有代表性的是刘毅n6 1 7 1 等以滇池为例做的初步尝试，分析 了2 0 0 0 年滇池流域磷在资源开采、化工生产、农业种植、畜禽养殖、居民生活等生产和 消费部门的物质利用效率特征，得出以外销为导向的蔬菜和花卉种植产业，对于滇池水体 生态修复和污染控制极为不利；城乡之间、农村与农田之间的传统养分链断裂，致使城乡 居民生活废弃物成为滇池流域的主要污染来源。 1 2 3 物质流分析方法框架 论文以e u r o s t a t 4 8 】的“经济系统内物质流核算与指标方法指南”( 简称“欧盟指南”) 确立的框架为基础，把社会和环境系统看作一个整体，考察物质的总体输入、消耗与输出， 如图l 所示。 墓 茎 餐 曩 图1 - 1 物质流分析框架 5 首都师范人学硕一j j 学位论文 在物质输入端，进入经济系统的自然物质分为直接物质输入和隐藏流两个部分。直接 物质输入是指直接进入经济系统的自然物质，包括生物物质、固体非生物物质( 包括化石燃 料、工业矿物、建筑材料等) 、水、空气四大类；隐藏流也称生态包袱，是指人类为获取直 接物质输入而必须动用的数量巨大的环境物质，主要包括：开采化石能源、工业原材料时 移动的表土量和引起的水土流失量；生物收获的非使用部分；木材砍伐的损失、农业收割 的损失等【4 9 1 。 在物质输出端，物质输出总量由区域内物质输出、区域内隐藏流、出口物质三部分组 成。其中，区域内物质输出是指系统排出的固体废弃物、废水、废气等。 1 2 4 物质流分析方法指标体系 物质平衡分析会相应的派生出一些与物质流相关的综合指标，这些指标可以分为输入 指标、输出指标和消费指标三大类【2 3 5 0 。，具体指标如表卜1 所示。 表1 - 1物质流分析指标 1 2 4 1 输入指标、缩写及含义 直接物质输入( d m i ) ：是衡量自然环境对经济系统的直接物质投入，是生产和消费活动 直接动用自然界的物质； 物质总输入( t m i ) ：包括d m i 以及区域内隐藏流； 区域内物质需求( r t m r ) ：是衡量区域经济系统对区域物质的需求量，计入区域内物质 开采和区域内隐藏流； 总物质需求( t m r ) ：是衡量经济系统年度资源消耗总量指标，计入区域物质提取过程中 6 首都师范人学硕i ：学位论文 产生的隐藏流和进口物质的隐藏流。代表一个支持经济系统运行所需要的总的物质基础。 r e ( r e s o u r c ee x t r a c t i o n ) ：区域内资源开采； i ( i m p o r t s ) ：进口； i f i ( i n d i r e c tf l o w sa s s o c i a t e dt oi m p o r t s ) ：进e l 隐藏流； r h f ( r e g i o n a lh i d d e nf l o w s ) ：区域内隐藏流； d m i ( d i r e c tm a t e r i a li n p u t ) ：直接物质输入； t m i ( t o t a lm a t e r i a li n p u t ) ：物质总输入； t m r ( t o t a lm a t e r i e lr e q u i r e m e n t ) ：物质总需求； r t m r ( r e g i o n a l t o t a lm a t e r i e lr e q u i r e m e n t ) ：区域内物质需求。 1 2 4 2 输出指标、缩写及含义 区域过程排放( r p o ) ：从经济系统排放到水域、大气、土地等自然环境且不能再循环使 用的各种物质。 直接物质输出( d m o ) ：r p o 与出口物质量的加和。衡量经济系统使用后直接进入本区 域环境或世界其它地方的直接物质量。 区域内物质输出( t r o ) ：等于区域过程排放与区域内隐藏流的加和。表示因经济活动 而排放到环境中的物质总量。 物质总输出( t m o ) ：包括区域内物质输出、区域内隐藏流、出口物质三个部分。衡量 经济系统年度物质输出对生态系统的压力指标。 e ( e x p o a s ) ：出口； i f e ( i n d i r e c tf l o w sa s s o c i a t e dt oe x p o r t s ) ：出口隐藏流： r h f ( r e g i 【o n a lh i d d e nf l o w s ) ：区域内隐藏流； r p o ( r e g i o n a lp r o c e s s e do u t p u t ) ：区域过程排放； d m o ( d i r e c tm a t e r i a lo u t p u t ) ：直接物质输出； t r o ( t o t a lr e g i o n a lo u t p u t ) ：区域总物质输出； t m o ( t o t a lm a t e r i a lo u t p u t ) ：物质总输出。 1 2 4 3 消耗指标、缩写及含义 区域内物质消耗( d m c ) ：经济系统内部直接使用的物质总量，它等于直接物质输入减 去出口物质。隐藏流不计入区域内物质消耗。 物质消耗总量( t m c ) ：生产和消费活动中所消耗的物质总量，它等于物质需求总量减 去出口物质以及出口物质的隐藏流。 7 首都师范人学硕l ：学位论文 d m c ( d i r e c tm a t e r i a lc o n s u m p t i o n ) ：区域内物质消耗； t m c ( t o t a lm a t e r i a lc o n s u m p t i o n ) ：物质消耗总量。 物质流分析指标可以表述一个地区的资源投入、贮存、回收、废弃物产生及废弃物再 生利用的情况，揭示物质在特定区域内的流动特征和转化效率，找出环境压力的直接来源， 作为区域发展的可持续性指标，进而提出相应的减少环境压力的解决方案，可为区域可持 续发展目标的制定提供科学依据。 本文将以密云水库为例，采用物质流分析方法，研究密云水库上游流域磷循环状况， 以建立密云水库上游流域的磷循环代谢图，寻找控制密云水库污染的根源。为水库的污染 管理提供理论依据。 1 3 研究内容 1 ) 磷循环基本路径分析。以密云水库上游流域磷元素代谢系统为研究对象，从物质 循环角度定性分析社会经济系统中磷的输入、输出和循环等基本过程，系统识别物质流结 构，建立密云水库上游流域磷循环代谢图。 2 ) 各子系统磷输入输出的定量研究。以密云水库上游流域磷循环代谢图为基础，重 点分析农业生态子系统、畜牧业子系统、人口子系统等这些在磷循环模型中处于关键位置 的节点，具体量化各个节点物质的输入输出。 3 ) 系统整体物质代谢效率特征研究。运用现代物质流分析技术建立流域静态磷物质 流分析模型，结合磷循环图分析系统物质代谢效率特征，以及由此产生的影响水体环境质 量的关键途径与机制，并同时估算密云水库上游流域的磷污染负荷。 1 4 目的意义 密云水库是北京市重要的地表饮用水源地，其水质状况直接影响着首都人民的生产生 活。目前研究表明，密云水库水体的营养程度属中营养性，水质尚好，但库区水体向富营 养化发展的趋势比较明显【5 i 】。北京市为严重缺水的城市，水环境的污染更加重了水危机。 北京市积极组织密云水库水体富营养化的预防和治理工作，许多高校和科研院所也投 入大量的人力进行水库富营养化防治的研究，为保证密云水库达到饮用水源地水质标准做 出了巨大的贡献。目前有关密云水库的研究文献较多，微观机理研究多侧重不同降雨条件 对水土流失、氮磷流失的影响【5 2 , 5 3 】，不同景观特征对水土流失、氮磷流失的影响【5 4 1 ，或藻 类对库内水体磷吸释特征研究【5 5 网；宏观区域研究多侧重于农业、林业或养殖业的某一方 面对入库水质的影响【5 7 1 ，人类生活污水、生活垃圾对水库的影响【5 8 l ，公众的环境保护支付 首都师范人学硕二l 学位论文 意愿掣5 9 1 。但是鲜有关于密云水库上游流域磷循环整体状况的研究报道。本文运用物质流 分析方法研究密云水库上游流域磷循环的输入、输出、消费、废弃、循环等基本过程，能 够较全面分析磷的循环路径、整体结构特征、物质代谢效率特征，寻找影响水体环境质量 的关键途径与机制，估算水体的污染负荷，从而为有效控制密云水库水体富营养化提供决 策依据，有较强的理论和实际意义。 1 5 技术路线 基于上述的研究内容和当地的实际情况，研究将按照图1 2 所示技术路线进行： 图1 - 2技术路线 1 ) 资料整理：用g i s 刻画密云水库上游流域的流域边界，确定研究范围，并收集相 关研究资料和流域的工农业生产状况、人口结构等资料，建立密云水库上游流域磷循环的 示意图； 2 ) 参数确定：把密云水库上游流域生态系统分成种植业子系统、畜禽业子系统、人 9 首都师范人学顾j ：学位论文 口子系统和其他子系统四部分，确定各子系统的输入输出指标、各个指标磷的折纯计算方 法及相应参数的确定； 3 ) 循环图建立：以2 0 0 5 年为例，计算各个子系统的磷输入输出量和平衡关系，并建 立整个流域的磷循环框架图，以流域磷循环图为基础建立流域物质流分析框架图。 4 ) 综合分析：讨论密云水库上游流域磷的流动情况，系统分析磷代谢的结构和效率 特征，找出控制水库污染的关键途径和机制，提出解决方案，为密云水库的污染治理提供 理论依据。 1 0 首批f n 人学“ii 。半位论r 第二章研究区域概况 2 1 研究区域范围 研究区域为密云水库上游流域。密云水库上游流域处于n 4 0 。1 9 n 4 1 。3 1 和 e 1 1 5 。2 5 e 1 1 7 63 3 之蒯，面积为1 5 7 8 8k m 2 ( 如图2 - 1 ) 。流域东南侧靠燕山西端， 南侧为军都山，西屏大马群山，北接坝上高原。 图2 - 1研究区域范围 研究区域内有潮河和自河两大水系，是海河流域北系四大河流之一。具体研究范围如 下。潮河流域由上游往下游分别包括承德地区丰宁县的大阁镇、土城镇、黄旗镇、黑山嘴 镇、天桥镇、窟窿山乡、小坝子乡、五道营乡、南关乡、王营乡、胡麻营乡、石人沟乡1 2 个乡镇滦平县的巴克什营镇、火斗山乡、两问房乡、涝洼乡、安纯沟门乡、平坊乡、虎 什哈镇、五道营予乡、邓厂乡、马营于乡、付家店乡1 1 个乡镇，兴隆县的六道河镇和北京 密云的太师屯、高岭镇、古北口、大城子、北庄、新城子6 个镇，共计3 0 个乡镇，流域 面积约6 2 7 7 5 k m 2 。白河流域分别包括河北省赤城县的田家窑、龙关、炮梁、雕鹗、大海 陀、赤城、镇宁堡、马营、独石口、云州、白草、三道川、东万口、茨营于、龙门口、样 首都师范人学硕? i j 学位论文 田、后城、东卯1 8 个乡镇，承德地区丰宁县的汤河乡、杨木栅子乡的2 个镇，怀柔区喇 叭沟门乡、长哨营乡、汤河口镇、宝山镇、玻璃庙镇的5 个镇，以及密云县的不老屯、石 城、冯家裕3 个乡镇，共计3 0 个乡镇，流域面积约9 2 2 7 5k m 2 。流域内还包括了2 个较 大的水库云州水库和白堡河水库。以此界定的流域边界包括了水库周边所有小河流域，如 安达木河、清水河、白马关河及幸亡牛河。在全流域中，北京市占有3 4 6 3 9k m 2 ，密云、怀 柔、延庆3 个县占水库流域面积的2 3 3 。 2 2 社会经济概况 2 2 1 人口状况 研究区域包括一省一市( 河北省、北京市) 共六县区，包括河北省承德市和张家口 地区的丰宁县、滦平县、赤城县、兴隆县和北京的密云县、怀柔区、延庆县等区县，共有 人e l 约8 0 万，人口密度为5 3 人k m 2 。有耕地1 3 5 万h r n 2 ，人均耕地o 1 6h m 2 。潮白河流 域内各区县人1 2 1 分布情况如下【6 0 , 6 1 , 6 2 , 6 3 , 6 4 , 6 5 , 6 6 1 。 表2 - 1 研究区人口状况 2 2 2 工农业发展状况 潮白河流域内有一些工业污染源，但主要分布在潮河上游的丰宁县和滦平县，还有白 河流域的赤城县。由于近年来对水源保护的重视和随之而来的管理手段的加强，在北京市 所辖流域范围内的工业污染源基本清除，水库周边地区没有重要的污水排放企业。其中工 业以污染轻或没有污染的机械制造业、成衣制造业和电子工业为主，对水库水质的影响较 微：此外该流域还有一些金矿、铁矿、原煤等采矿场，但据调查这些采矿场的废水有的是 1 2 首都师范人学硕1 j 学位论文 循环利用，有的是使废水排入预先设计的山谷中，不进入河库等地表水体，对水体的影响 不大。所以本研究不考虑磷在工业生产系统的循环。 密云水库上游流域的丰宁县、滦平县、赤城县等县经济发展速度慢。由于受自然地理 条件的制约，农业生产的发展受到一定限制。特别是流域中上游，无霜期为9 0 - - 1 3 0 天， 加之各类自然灾害，致使农业生产发展缓慢。畜牧业的发展形式比农业生产稍好。 表2 - 2研究区畜禽养殖状况 根据2 0 0 5 年统计年鉴数据，将密云水库上游流域相关区县畜禽存栏、出栏情况汇总 于表2 2 。该数据将作为有关畜禽计算的基础数据。 据不完全调查，目前潮河流域有规模化的养殖基地1 0 个，这主要分布在上游的丰宁 县和滦平县。丰宁县的奶牛养殖基本上是在一个比较集中的区域内分户饲养。滦平县近年 来也加大了畜牧养殖业的投入，目前正在巴克什营镇筹建一个占地2 1 3 亩、设计2 0 0 头的 大型奶牛养殖场；在两间房乡筹建另一个规模为2 0 0 头的奶牛养殖场。此外，各县乡镇拥 有一些规模较小和分散的养殖场和养殖户，数量众多，位置难以一一统计。 流域内化肥利用主要以氮肥为主，磷肥和复合肥为辅，钾肥施用量很少。施用的磷肥 主要是过磷酸钙、重过磷酸钙等，复合肥一般为磷酸二铵和复合化肥。农药的施用量虽然 不如化肥的施用量大，但也是磷的重要来源。表2 3 列出了密云水库上游流域各区县磷肥、 首都师范大学硕。j ：学位论文 复合肥和农药的施用情况。 表2 3研究区农药化肥施用情