崇明島河流中氮營養鹽分布特征

沈崢 孔玲 李俊鵬

摘要 為研究崇明島河流氮營養鹽的分布特征及其污染遷移情況，以不同時空條件下崇明島河網水質數據為基礎，探討了崇明島水體氮營養鹽的時間和空間變化特征，并分析了島內河流氮營養鹽污染的主要原因。結果表明，崇明島內河流水質惡化日益嚴重，不同級別河流的總氮（TN）含量在豐水期和枯水期均處于富營養化發生的風險范圍，島內不同級別河流的氮營養鹽均值在不同降水期變化顯著。溶解態無機氮（DIN）是崇明島氮營養鹽的主要存在形式，其中以硝態氮為主，平均占到DIN的50%以上。同時，不同空間條件下水體氮營養鹽含量變化復雜，氮營養鹽的主要來源為農田徑流、工業廢水和生活污水。

關鍵詞 氮營養鹽；時空分布；污染源；崇明島

中圖分類號 X524 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）18-0058-05

Abstract In order to evaluate the distribution characteristics of nitrogen nutrient of Chongming Island and its polluting situation，the characteristics of temporal and spatial variations of nitrogen nutrient as well as the main reasons of the pollution were studied based on the water quality data of Chongming Island.The results showed that the rivers were badly polluted in Chongming Island and the contents of TN in both wet and drought periods were in the danger range which might lead to eutrophication.The average contents of nitrogen nutrient in different levels of rivers at different precipitation periods varied significantly.The dissolved inorganic nitrogen （DIN） was the major composite of TN in Chongming Island.NO3-N accounted for over 50% of DIN.Additionally，the contents of water nitrogen nutrient at different spatial conditions varied significantly as well.The main sources of nitrogen nutrient include agricultural runoff，industrial and domestic wastewater.

Key words Nitrogen；Temporal and spatial distributions；Pollution source；Chongming Island

氮是構成水體生態系統的基本要素之一，也是浮游植物生長的必需元素，其生物地球化學循環對植物的生長繁殖至關重要[1]。然而，隨著工農業的不斷發展，人類活動產生了大量活性氮（包括 N2O、NOx、NH3等），過量的活性氮釋放到空氣、水和土壤中，引起了一連串的環境和健康問題，已成為世界范圍內面臨的威脅之一[2-5]。目前，國內對水體中氮營養鹽污染現狀的研究較多[6-9]。鄭丙輝等[6]對三峽水庫3條入庫河流氮營養鹽污染特征進行研究發現，3條入庫河流中總氮含量總體偏高，易發生水華；陳格君等[7]研究發現，鄱陽湖藻類生物量變化趨勢與氮、磷含量變化趨勢基本相同。但是這些研究多集中于內陸水體中，對沿海地區污染水體的氮營養鹽污染特征研究較少。

崇明島是上海市21世紀可持續發展的重要戰略空間，有“長江門戶，東海瀛洲”之稱。近年來，隨著崇明島經濟和旅游業的快速發展，人類活動對島內生態環境的影響日益增強，氮的自然循環過程受到了嚴重破壞[10-12]。過量的營養鹽隨污水排放進入河流，導致水環境中的無機和有機營養物質大量增加，促進了浮游植物的異常繁殖，使水域生產力遭到破壞，水體富營養化程度呈不斷加劇趨勢，嚴重影響了水體生態系統的平衡[13-15]。為了全面了解崇明島水系中氮營養鹽的污染情況，筆者分析了崇明島水體氮營養鹽的時間和空間變化特征及其存在形態，并對崇明島水體水質惡化的原因進行了探討。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

崇明島地處長江入海口處，位于121°09′30″～121°54′00″ E，31°27′00″～31°51′15″ N，面積1 225 km2，人口64萬，是僅次于臺灣島、海南島的我國第三大島嶼，也是全世界最大的河口沖擊島，為典型的感潮平原[16]。全島三面環江，一面臨海，島內河道縱橫，有2條市級河道（南橫引河和北橫引河）貫通成為環島運河，長164 km。縣級河道有29條，總長度約407 km。河道生態、社會功能的發揮將直接影響崇明社會經濟的可持續發展和島內人民的生活質量。

1.2 采樣點設置方法

由于崇明島河網水系密布，徑流寬度、長度、深度及流速等物理指標差別巨大，同時徑流流經的土地類型并不相同，這些因素都會影響河流的水文特征，因此將采樣點位分為3個區域，即北橫引河流域、南橫引河流域及縣級河流流域，下文的分析討論也按照以上3個區域分別進行。筆者根據降水的差異性分別選取2010年7月和2011年4月作為豐水期和枯水期的代表進行分析，共設30個采樣點，其分布如圖1所示。其中，S1～S9位于北橫引河上，該區域以水產養殖區和種植區為主；S10～S20位于南橫引河上，該區域以城鎮居民區和工業區為主，是全島人口和產業最密集的地區；S21～S29分別位于9條縣級河道上，該區域以農業種植區和少量村鎮為主；S30位于瀛東村中心河道上，該村以漁家樂旅游度假為主要經濟形式，以此反映人類活動對村鎮級河道水體的影響。

1.3 水質指標分析方法

根據崇明島河流監測斷面水質資料及流域污水排放現狀，選取總氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、硝態氮（NO3--N）3個代表性的水質指標。按照《水與廢水監測分析》[17] 及《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）相關檢測方法對各監測指標進行測定，檢測方法見表1。

1.4 數據處理方法

水質評價標準執行《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002），采用Origin制圖。

2 結果與分析

2.1 氮營養鹽的時間變化特征

2.1.1 不同降水期TN的分布特征。

從圖2可以看出，采樣期間不同級別河流TN平均含量均表現為豐水期大于枯水期。4個采樣點位中，瀛東村在不同季節TN平均含量差別最大，其余點位不同季節TN含量差別不明顯。

不同季節TN平均含量的差異從某一側面反映了氮營養鹽的污染來源。瀛東村受人類活動影響顯著，夏季正值游客數量高峰期，大量未經處理的生活污水經過地表徑流進入水體，非點源污染嚴重，加之流域內水產養殖旺盛，加劇了流域富營養化趨勢，因此豐水期和枯水期氮營養鹽含量差別較大。其余點位氮營養鹽含量則同時受流域內點源和非點源污染的影響。所有采樣點TN含量的最小值均高于水體發生富營養化風險的限制值（0.2 mg/L）[18]，表明崇明水體氮營養鹽濃度總體偏高，富營養化趨勢明顯。

2.1.2 不同降水期NH4+-N的分布特征。從圖3可以看出，北橫引河的NH4+-N平均含量表現為枯水期低于豐水期，表明其受非點源污染影響較大，這主要是由于其流經區域為北部種植區，而夏季是農業生產施肥較為集中的時期，化肥中的NH4+-N隨雨水淋溶進入河流，從而導致這些河流中的NH4+-N含量在豐水期較高；南橫引河和縣級河流的NH4+-N平均含量豐水期低于枯水期，表明其受點源污染影響較大，主要由于南橫引河流域分布著崇明重要的工業城鎮。水體中的NH4+-N主要來源于未經處理或處理不完全的工業廢水和生活污水中含氮有機物的分解、家禽家畜糞便及農施化肥等[19-20]，流域產業分布的差異使得不同級別河流NH4+-N隨降水期的變化而不同。

2.1.3 不同降水期NO3--N的分布特征。

從圖4可以看出，不同區域NO3--N平均含量變化特征一致，均表現為枯水期低于豐水期。農田過度使用化肥、河道污水、污灌等都是NO3--N污染的主要來源。在豐水期，農業生產活動施入土壤中的氮肥會在微生物作用下形成NO3--N，不易被顆粒物吸附或包裹，在雨水沖刷后通過淋溶等面源污染導致陸源NO3--N輸出量增加。

2.2 氮營養鹽的空間變化特征

2.2.1 不同流域TN的空間分布特征。由圖5可知，枯水期北橫引河水質屬于劣V類，TN分布沿程差異不大。S4點上游是長征農場，該點TN較高，可能與面源污染有關。S7點下游地表面源污染減少，TN含量逐漸降低。S9點位于東灘自然保護區內，地表污染較輕，因此TN含量最低。南橫引河水質屬于IV至劣V類，TN含量在上下游差異較大。中上游TN含量均較高，特別是S16點出現最高值。南橫引河上游沿程主要分布著城鎮，較高的TN含量可能與城鎮工業廢水和生活污水排入有關。S13點之后逐漸進入東灘保護區，污染的減少導致TN含量相應降低。縣級河流水質屬于V至劣V類。S26、S28出現較低值，S29出現極高值。S26、S28位于四滧港、八滧港上，沿程主要是土質良好的大面積耕地，生態農業園區的建設使該區域氮營養鹽流失量降低，因而水體中TN值較低。S29處TN含量較高，與人類生活污水排放有關。

豐水期北橫引河水質屬于劣V類，TN含量呈現分段特征。S1到S4點劇烈增加，之后逐漸降低。東部地表面源污染減少，致使TN含量逐漸降低。南橫引河水質屬于劣V類，TN含量分布高低錯落，并未呈現明顯的分布特征。豐水期的強降水致使南橫引河面源污染增加，進而導致南橫引河河流水質整體出現明顯的惡化趨勢。縣級河流水質屬于劣V類水質。S21、S22出現較高值，也與降雨沖刷導致的氮營養鹽流失有關。

2.2.2 不同流域NH4+-N的空間分布特征。

從圖6可以看出，枯水期北橫引河NH4+-N分布差異較大。S2點左側是新海鎮，城鎮生活污水排放致使該點NH4+-N含量較高。S7點有漁船停泊，其較高的NH4+-N含量來源于漁民生活污水排放。南橫引河NH4+-N分布高低錯落。S16、S18處出現極高值，原因是它們位于崇明縣的工業重鎮（新河鎮與城橋鎮）附近，大量生活污水和工業廢水通過河流系統排入南橫引河，致使水體中NH4+-N含量較高。縣級河流NH4+-N分

布高低錯落，中部S23、S25和東部S29出現較高值。S23位于新河港，沿程新河鎮和東平鎮等村鎮點源排放會對水體產生影響；另一方面，該區域是農業種植區，河道沒有護坡，采樣點坡岸處即可見農作物，化肥的大量施用導致水體NH4+-N含量較高。

豐水期北橫引河NH4+-N分布呈現分段特征。上游含量逐漸增加，中下游逐漸降低，表現出典型的面源污染特征。南橫引河沿程差別不大，極高值出現在S10點處。縣級河流NH4+-N分布規律復雜。西部S21處NH4+-N含量最高，與農業種植區的化肥流失有關；東部S29處NH4+-N含量較高，則主要與城鎮生活污水排放有關。

2.2.3 不同流域硝態氮的空間分布特征。

從圖7可以看出，枯水期北橫引河NO3--N分布整體差異不大，S2、S9處出現低值。S2處NO3--N含量較低，原因可能是春季水體

中氧含量較低，較低氧含量會阻礙硝化作用的發生，水體自凈能力差，因此出現低硝氮、高氨氮的特征[16]。S9處NO3--N與TN含量均較低，與地表面源污染減少有關。南橫引河NO3--N分布差異明顯，下游含量明顯低于上中游。下游位于東灘保護區之內，地表面源污染較低，致使NO3--N含量較低。縣級河流NO3--N分布差異明顯。其中，西部S21、S22處較高的NO3--N含量與該區域大面積農場面源污染嚴重有關；東部S27、S29處較高的NO3--N含量則與城鎮生活污水排放有關。

豐水期北橫引河NO3--N分布整體差異不大。北橫引河沿程主要分布著農業種植區，豐水期降雨較多，地表沖刷致使農藥化肥流失嚴重，因此上下游NO3--N含量差異不大。南橫引河NO3--N分布差異明顯，下游含量明顯低于上中游。上中游沿程是城鎮區，城鎮污水排放致使NO3--N含量較高。縣級河流NO3--N分布差異較大且高低錯落。中部河道NO3--N含量較高，原因是該區域分布著大量農田，且河道沒有護坡，豐水期降雨沖刷嚴重，致使陸源輸出NO3--N含量增加。

2.3 氮營養鹽的污染來源

崇明島水體中氮污染的來源分為點源和非點源兩大類型。點源污染主要是工業廢水、城鎮生活污水等。非點源是指點源以外的污染源，主要包括城鎮地表徑流、農業地表徑流、林區地表徑流、礦區地表徑流、大氣降雨降塵、水產養殖業和流動船舶等。在各污染源中，點源污染對NH4+-N、NO3--N均有貢獻，而非點源污染則對NO3--N的貢獻較大。

具體而言，崇明島內水體豐水期的TN含量均高于枯水期。北橫引河豐水期的TN含量最高，縣級河流次之，南橫引河最低，且南橫引河枯水期和豐水期TN含量差別不大。以上特征說明北橫引河、縣級河流、瀛東村河流的TN含量與流域內非點源污染關系較大，南橫引河TN則受到點源污染和非點源污染的程度相當。北橫引河NH4+-N含量表現為豐水期的含量高于枯水期，受非點源污染影響較大；其余流域則相反，受點源污染影響較大。各流域豐水期的NO3--N濃度均高于枯水期，受非點源污染影響較大。

崇明島不同流域溶解態無機氮（DIN）（NO3--N和NH4+-N）的含量在TN中所占比例為64%～98%，說明DIN是崇明島水系氮營養鹽的主要組分。進一步分析可知，水系中DIN以NO3--N為主，除瀛東村（40%）以外，NO3--N平均占到TN的50%以上。從TN的構成形式來分析，NO3--N對崇明島水系氮營養鹽污染貢獻率相對較大。

3 結論

（1）受工農業生產活動影響，崇明島內不同級別河流氮營養鹽含量在不同降水期變化規律明顯。島內各級別河流的TN和NO3--N含量表現為豐水期大于枯水期；NH4+-N含量在北橫引河和瀛東村河流表現為豐水期大于枯水期，南橫引河和縣級河流則表現為豐水期小于枯水期。

（2）無論是豐水期還是枯水期，島內流域的TN含量均高于水體發生富營養化風險的限制值，水環境富營養化趨勢明顯。NO3--N是崇明島TN的主要組成部分，主要來源于農田過度使用化肥、河道污水、污灌等。

（3）受地表徑流、農業面源污染及城鎮點源污染的影響，不同降水期不同級別河流氮營養元素空間變化復雜，反映出人類活動對崇明島水環境的影響日益嚴重。

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