鄱陽湖樂安江流域非點源磷輸移的時空變化

李 淼 高海鷹 張 奇 姜三元

(1東南大學土木工程學院，南京210096)

(2江西師范大學鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點實驗室，南昌330022)

(3中國科學院南京地理與湖泊研究所，南京210008)

(4中國科學院流域地理學重點實驗室，南京210008)

我國第一大淡水湖鄱陽湖是重要的淡水資源，近年來其水質有惡化趨勢.王慧娟等[1]對水質資料的分析表明:除2010年的水質因各種因素綜合影響較2009年有所好轉外，鄱陽湖水質正處于不斷下降趨勢.2008年鄱陽湖水系主要污染指標為氨氮、總磷與高錳酸鹽指數，自2009年開始主要污染指標為氨氮和總磷，因而鄱陽湖水系污染防治的重點是對排放到水體的氨氮和總磷進行嚴格控制.胡綿好等[2]研究表明，鄱陽湖饒河段的氮磷污染一方面來源于漁業污染，另一方面就是樂安江污染.

已有研究表明，流域非點源污染在時間及空間上均呈現一定的變化規律.Wang等[3]對樂安江流域的研究發現:空間上，懸浮物的含量呈上游向下游遞增的趨勢;時間上，一般夏季豐水期懸浮物濃度最高.高海鷹等[4]的研究表明:樂安江流域TN，DTN，NO3-N在12月份較高，4月份次之，9月份最低;4月份豐水期NH3-N的平均濃度全年最低，9月份平水期NH3-N平均濃度為三氮之首;NO2-N全年含量最低;各種形態的氮濃度在空間上從上游向下游基本呈增加趨勢.陳航[5]以巢湖東部集中式水源地及其入湖河流作為研究對象，研究結果表明:入湖河流總磷豐水期＞平水期＞枯水期，正磷酸鹽豐水期＞枯水期＞平水期.水源區磷濃度受陸地影響呈現相似的季節性變化，湖區磷含量隨時間變化較小.

氮磷輸移過程較為復雜，受一系列因子的綜合影響.基于分布式水文模擬和水質監測，邵敏[6]發現:TN，TP，NO3-N輸出強度與耕地比例呈正相關，與林地用地比例呈負相關.Kronvang等[7]研究發現:中等流域(250～11 000 km2)及小流域(流域面積小于30 km2)磷的大量輸出與土壤侵蝕和地表徑流關系密切;在大流域(流域面積大于50 000 km2)，水流滯留率對磷輸出影響較大.朱永澍等[8]以宜興梅林小流域為研究對象，研究結果表明:非點源污染物的流失總量和污染物的質量濃度依賴于降雨過程的產流特征和復雜的下墊面要素特征;旱地地區表面的磷素最容易隨降雨流失，而植被較密林地的磷素流失緩慢;土地的施肥程度、有機腐殖質等對磷素流失的影響不同，地表的擾動程度也直接決定磷素流失的特征.

綜上所述，目前對樂安江流域非點源磷污染研究僅停留在定性分析的層面，對其影響因子及機理并無全面系統的探究.本文結合樂安江流域為期一年的TP實測數據，分析了樂安江流域河流水體TP濃度的時空變化特征，并建立河流水體TP濃度與降雨量、土地利用類型之間的相關性分析模型，確定了樂安江流域的氮磷污染的主要來源和影響因素，有助于理解樂安江流域總磷污染的特征及原因，對樂安江流域水環境改善和水資源綜合管理具有重要意義.

1 研究區域概況

樂安江發源于江西省婺源縣鄣公山南麓，屬鄱陽湖流域饒河水系.降雨多集中在4—6月，占全年降水量的48%，年最大洪峰多發生在6月份，枯水期一般為12月至次年2月[9].

樂安江流域土地利用類型分布見圖1.土地利用類型大致分為林地、耕地、草地、城鄉用地4個大類，其中林地是流域內最主要的土地利用類型，約占流域總面積的72.9%，主要分布在樂安江流域的上游地區;耕地其次，約占20.5%，主要分布在流域的下游地區.

圖1 樂安江流域土地利用分布

2 材料與方法

2.1 采樣點布置

根據樂安江流域的河網、流域地形和水文特征，同時考慮土地利用類型的空間變化，在樂安江干、支流設置了17個水質監測斷面(研究區域河網、DEM及17個水質采樣點分布見圖2)，其中S1～S5為干流上由上游至下游的5個水質采樣點，其余采樣點則位于支流上.根據流域內地形地貌、土地利用類型、植被以及人類生產活動方式等非點源污染影響因子的不同，把樂安江流域分為2類地區:上游東北部山區(包括采樣點S1，S2，S3，S6，S7，S8，S9，S10，S11，S12)、下游西南部丘陵區(包括采樣點 S4，S5，S13，S14，S15，S16，S17).

圖2 樂安江流域河網、DEM、水質采樣點及降雨站點分布

2.2 采樣及分析

樂安江流域磷濃度的監測時段為2010年10月—2011年8月，具體監測時間為2010年10，12月和2011年2，4，7，8月.依據氣候及水文條件，將9—12月(日平均降雨量3.09 mm/d)、1—4月(日平均降雨量2.34 mm/d)、5—8月(日平均降雨量8.57 mm/d)分別劃分為秋冬季、春季、夏季.通過GPS定位的方式采集水樣，以保證每次采樣的準確性.采集水樣之前對水質采樣器(CSQ-1型)及水樣瓶進行3次以上潤洗，在水下10 cm處，取水樣不少于600 mL，存于水樣瓶中，密封保存送至實驗室.水樣分析原理參考《湖泊富營養化調查規范》[10]，具體操作步驟為:取得的水樣經直徑為47 mm的Whatman GF/C玻璃纖維素膜(平均孔徑1.2 μm)過濾后用于可溶性磷濃度的分析，未經過濾的水樣以過硫酸鉀氧化比色法測定分析總磷的濃度.水質分類方法參考地表水環境質量標準(GB 3838—2002).

2.3 偏最小二乘回歸法

偏最小二乘回歸法(PLS)是一種新型的多元統計數據分析方法，集多元線性回歸分析、變量的主成分分析和變量間的典型相關分析的基本功能于一體.偏最小二乘法能夠在自變量存在嚴重相關性的條件下進行回歸建模.較之最小二乘回歸，偏最小二乘回歸模型更易于辨識系統信息與噪聲，每個自變量的回歸系數更容易解釋[11-13].本文建立了河流水體TP濃度與土地利用類型之間的偏最小二乘回歸模型，分析土地利用類型對流域TP濃度的影響.

3 結果與討論

3.1 TP濃度季節性變化

整個監測期間，樂安江流域TP濃度的變化范圍為0.024 2～0.358 4 mg/L，平均值為0.094 4 mg/L.根據地表水環境質量標準(GB 3838—2002)，TP濃度在春季最低，流域水質最好，屬于Ⅱ類水;秋冬季其次，基本屬于Ⅱ類水，個別采樣點水質屬于Ⅲ類水;夏季水質最差，在Ⅲ～Ⅳ類水之間.

圖3為研究區域各采樣點TP濃度隨季節變化情況.由圖可知，空間上各站點TP濃度隨季節變化呈現相同規律，大體表現為:2010年10月—2011年2月，TP濃度逐月減小;2011年2—4月，TP濃度變化幅度不大，維持在較低水平;2011年6—8月，由于降雨量的急劇增加，研究區域TP濃度陡增.相關資料顯示，降雨是流域非點源污染輸出的主要驅動因素[9]，如2011年鄱陽湖流域經歷了歷史罕見的春夏季干旱，2—4月，樂安江流域月平均降水量僅為75.5 mm，由于缺少降雨對磷的輸移作用，河流水體TP濃度較低.2011年6月，鄱陽湖流域又出現了典型的“旱澇急轉”現象，降雨量急劇增加，6—8月，樂安江流域月平均降水量達到314.9 mm，為近50年來歷史同期最多.該時期又是鄱陽湖流域夏季農業活動的繁忙時期，大量農業肥料的施用使得土壤中氮磷含量增多，再加上集中降雨的強烈沖刷，更多的營養物質進入水體，使得TP濃度急劇升高.10—12月，樂安江流域月平均降雨量為91.6 mm，該時期鄱陽湖流域農業活動較少，農業面源污染輸入量少，但冬季溫度低，各種微生物的活性較低，對污染物的降解能力降低，且藻類浮游植物大量死亡，分解釋放出磷.水文和生物地球化學作用的綜合結果使得該季節水質居中.上下游TP濃度季節變化的不同主要體現在7—8月份:由于上游主要土地利用類型為林地，農業面源污染較少，因此TP濃度主要受降雨徑流的影響，8月份TP濃度隨降雨增加而增加;而下游主要土地利用類型為耕地，因此TP濃度受降雨及農業活動的共同影響，6月為流域農業繁忙期，8月農業活動逐漸減少，農業面源污染輸入量減少，因此雖然8月降雨量增加，但TP濃度較6—7月有所降低.

圖3 各采樣點河流水體TP濃度季節變化

3.2 TP濃度空間變化

樂安江流域干流上設有5個采樣點S1～S5.圖4為TP濃度沿干流的變化趨勢.在夏季暴雨時期，TP濃度由上游向下游逐漸增加，在出口S5處濃度最大.冬季與春季降雨量較小時，河流水體TP濃度由上游向下游緩慢增加，在采樣點S3處達到峰值，隨后又緩慢減小，總體變化幅度不大，無明顯的變化規律.

圖4 TP濃度沿干流變化趨勢

樂安江流域地形坡度從上游東北部地區向下游西南部地區呈逐漸減小趨勢(見圖2)，在降雨較小的時期(冬季和春季)，上游地形坡度較大的區域TP輸出比下游平原地區多，加之氣溫較低，河道中由于生物地球化學過程(如水生植物對磷的吸收同化)造成的TP損失較小，因而水體TP濃度從上游至中游S3逐漸增大;而在S3以下，流域坡度減小，TP的輸移量減少，河道中磷的降解和沉降將起主要作用，因而水體TP的濃度逐漸減小;S3處水體濃度TP較高，可能與未知的點源輸入有關.對于豐水期(夏季)，降水量和降水強度非常大，從上游至下游流域出口，水分的滯留時間比較短，土壤和河道中磷的降解和沉降作用影響較小，所以河流水體TP濃度從上游至下游呈總體增加趨勢.

4 河流水體TP濃度變化的影響因素

已有研究表明，營養物在水分輸移過程中受到土壤和河道的降解、滯留作用，其含量降低.各形態非點源污染物濃度主要受污染物輸入量、降雨徑流過程以及生物地球化學過程的影響，各因素綜合作用結果造成了樂安江流域各形態污染物的季節性變化和空間變化特征[6，9，14].本文在以往研究基礎上，進一步探討河流水體TP濃度與降雨量、土地利用類型等的定量關系.

4.1 降雨量的影響

本研究收集了2010年10月—2011年8月樂安江流域3個縣級氣象站(婺源、德興、樂平，分別位于流域上游、中游以及下游，見圖2)的降雨數據(數據來源為江西省氣象科學研究所)，3個水文站分別位于水質采樣點S2，S13，S5附近.圖5(a)～(c)分別為3個氣象站不同月份的日平均降水量與相對應的水質采樣點TP濃度隨季節變化圖.由圖可知:①河流水體TP濃度變化與降雨量變化無明顯線性關系，但其變化趨勢基本保持一致.降雨量較大的7，8月，由于暴雨的強烈沖刷，更多的營養物質進入水體之中，水體中TP含量較高.而降雨量較小的2—4月，河流水體TP濃度也相應減小.由此可見降雨量為TP輸出的主要驅動因素.②位于上游的婺源站，由于林地為主要土地使用類型，因此不受季節性農業活動及城市工業和生活污水等點源污染的影響，降雨量與河流水體TP濃度的變化趨勢吻合度最好(見圖5(a)).③ S13位于德興市下游，可能存在生活污水等點源污染的情況，尤其是7—8月生活用水高峰期，城市氮磷等點源污染輸出負荷高，因此在8月雖然降雨量略有下降，但河流水體TP濃度依然保持上升趨勢(見圖5(b)).④樂安江流域上游以林地為主，耕地所占比例較小，下游耕地比例較大.S5位于流域下游，因此其TP輸出濃度除受降雨量影響外，還受季節性的農業活動影響.6月為農業繁忙期，農田和耕地過量的化肥隨雨水的沖刷進入河道，使得6—7月TP濃度陡增，而8月降雨量較7月雖略有增加，但由于農業化肥施用量逐漸減少，并且植被在該時期生長旺盛，對磷的吸收增加，河流水體TP濃度不增反減(見圖5(c))).

圖5 TP濃度及鄰近站點降雨量的關系

研究表明，當流域內存在大量連續點源污染時，由于水量增大對污染物有稀釋作用，TP濃度將隨降雨增加而減小;而在非點源污染物輸入為主要方式的情況下，河流水體TP濃度隨降雨的增加而增大，表明流域內TP輸出主要來源于降雨侵蝕作用[7].上述河流水體TP濃度隨降雨量變化的關系可以進一步證明，樂安江流域上游點源輸出較少，TP主要是在降水的沖刷作用下，通過徑流輸移而匯入受納水體(包括河流和湖泊等)，非點源污染是流域內磷產出的主要形式.中下游由于受到人類活動的干擾，河流水體TP濃度與降雨量變化曲線吻合度低于上游.

4.2 土地利用的影響

通過對流域DEM進行子流域劃分，獲取以17個監測斷面為出口的小流域分布，計算各子流域不同土地利用類型占子流域總面積的比例，利用采樣點的水質監測結果代表小流域內地表水水質.

為了排除由于干流河道水量的匯集對TP濃度的影響，本文選取樂安江流域7個支流上的采樣點所代表的子流域來分析土地利用類型對流域TP濃度的影響.考慮到土地利用類型對河流水體TP污染的影響主要發生在汛期雨量較大時，選取研究區域汛期7月的TP濃度監測數據進行擬合分析.7個子流域的土地利用比例及河流水體TP濃度值如表1所示.

表1 各子流域土地利用比例與河流水體TP濃度

應用偏最小二乘法建立河流水體TP濃度與不同土地利用類型占子流域總面積的比例的線性回歸模型.根據交叉有效性，從自變量集合中提取了2個主成分，模型對TP濃度的解釋能力為0.89，達到了較高的精度.圖6給出了各站點河流水體TP濃度的觀測值與模擬值，從圖中可看出，擬合結果較好.本研究確定的偏最小二乘法回歸方程如下:式中，Y*為河流水體TP濃度標準化值;，，，分別為耕地、林地、草地、城鄉用地占子流域總面積比例的標準化值.

圖6 監測站點河流水體TP濃度的觀測值與偏最小二乘法回歸模型的擬合值

式(1)的標準化值中各系數均為標準化系數.由標準化系數的符號可知，河流水體TP濃度與耕地面積和城鄉用地面積占流域總面積的比例呈正相關關系，而與林地面積和草地面積占流域總面積的比例呈負相關關系;由標準化系數的大小可知，河流水體TP濃度對耕地面積、林地面積和城鄉用地面積的變化更為敏感，由此可見，農業活動及城市生產生活所產生的污染，通過降雨的沖刷和徑流輸移過程進入水體，是樂安江流域磷污染的主要原因，林地對河流水體TP濃度的削減作用較為明顯.

5 結論

1)樂安江流域河流水體TP濃度的變化范圍為0.024 2～0.358 4 mg/L，屬于Ⅱ～Ⅳ類水之間.河流水體TP濃度的季節性變化顯著，其中春季水質最好，夏季最差，秋冬季居中.

2)夏季豐水期，TP濃度總體上由上游向下游逐漸增加，流域出口處濃度最大，這主要是因為樂安江流域上游主要土地利用類型為林地，總磷輸入量少，且林地對總磷有削減作用，下游主要土地利用類型為耕地，農業活動給流域帶入大量污染源.降雨量較小的其他季節，河流水體TP濃度無明顯的空間變化特征.

3)河流水體TP濃度與耕地和城鄉用地占流域總面積的比例呈正相關關系，而與林地和草地占流域總面積的比例呈負相關關系;河流水體TP濃度對耕地、林地和城鄉用地占流域總面積的比例最為敏感，說明農田徑流和城鎮建設用地徑流等攜帶的磷素是樂安江總磷的主要污染源，而林地對河流水體TP濃度的削減作用明顯.為了減少磷素對樂安江河流水體的污染，應控制耕地污染控制，優化種植業化肥施用，采用水土保持措施，加強臨河地帶的生態恢復，防止水土流失;同時合理規劃城鎮發展，優化城鎮工業污水、居民生活污水和雨污水排放系統.

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