太湖入湖河流氮磷時空分布特征

李叢楊,史宸菲①,方家琪，張世偉，汪 旋,辛 悅,劉華基,劉金娥,王國祥

(1.南京師范大學環境學院,江蘇 南京 210023;2.江蘇省地理信息資源開發與利用協同創新中心/江蘇省環境演變與生態建設重點實驗室/江蘇省水土環境生態修復工程實驗室,江蘇 南京 210023;3.美國馬里蘭大學帕克分校地理科學系,美國 馬里蘭州 大學公園 20741)

太湖位于長江三角洲南部，是我國第三大淡水湖泊，在地區社會經濟發展中發揮著重要的作用[1]。從20世紀80年代起，隨著當地工農業的迅速發展，太湖部分水域開始出現藍藻水華。進入21世紀，太湖富營養化日趨嚴重[2-4]，逐漸成為影響當地社會經濟可持續發展的突出問題。太湖流域河道眾多，河網復雜，包括大港河、烏溪河、太滆運河、武進港、梁溪河、望虞運河等15條主要入湖河流，上述河流污染物對太湖污染物總量的貢獻高達80%[5]，因此，開展入湖河流水環境的研究與治理工作對太湖水環境質量的綜合改善具有重要意義。

梁溪河位于無錫境內，西起梅梁灣，東至京杭運河，是太湖的一條重要入湖河流，也是連接太湖、城區水系和運河的天然紐帶[6]。早期梁溪河的兩岸為工業污染區，部分支流的閘控常年處于關閉狀態，水體自然流通性差，黑臭現象嚴重。為修復梁溪河水環境，2007年當地政府啟用了梅梁湖泵站，從太湖向梁溪河調水引流[7]，一定程度上提高了水體的流動性，改善了梁溪河的黑臭問題。但是每逢藍藻爆發季節，在主導風向作用下，太湖湖區的水華藍藻仍會匯聚到梅梁灣，調水引流則順勢將梅梁灣高濃度的藻類顆粒物帶入梁溪河，對生態環境產生巨大的壓力。目前，對于太湖入湖河流的研究主要集中在西部和北部的武進港、望虞河等[8-10]，關注點也主要放在主干河道。梁溪河流域支流由于地理環境因素不同，上、下游各支流的氮磷營養鹽輸出強度差異較大。盡管已有一些關于梁溪河流域水環境狀況的研究[6,11-12]，但多集中在主干河道，對梁溪河支流的污染狀況的差異性及營養鹽輸出的研究較少，而支流水體的氮磷污染也是流域水污染控制的重要內容。

筆者選取梁溪河為研究對象，進行了為期1 a的水質監測，結合水文和水環境特點，揭示了梁溪河氮磷等水質指標的時空分布特征，并對類似支流的污染控制提出了建議，以期為典型入湖河流水環境的綜合治理提供科學依據。

1 研究區概況

無錫市地處江蘇省南部，年平均氣溫15.6 ℃，年降水量約1 500 mm，且集中在6—9月。梁溪河被譽為無錫的“母親河”，其在改善市區水環境和防洪排澇方面發揮著重要作用[13]。梁溪河沿線有諸多支流，其中大成浜、吳大成浜、錢家橋浜等為斷頭浜，水體流速較慢，污染物易堆積；線涇浜、小渲河、西新河、東新河、廟東浜等為閘控，常年處于關閉狀態。此外，老城區也存在生活污水管道滲漏、養殖業等農業面源污染問題。受上述因素影響，梁溪河干流水質一直較差。為緩解河道污染狀況，當地部門每天都會以0.12 m·s-1流速、20 m3·s-1的流量從梅梁灣向梁溪河主干河道調水引流，夏季的調水量會隨著藻類的爆發而有所增加。

2 數據來源與研究方法

2.1 采樣點布設

為掌握梁溪河水環境狀況，獲取氮、磷濃度的時空變化特征，共設置11個采樣點(圖1)：在主干流設置梅梁湖泵站閘前(0號)、梅梁湖泵站(1號)、鴻橋(4號)、蠡橋(9號)和京杭大運河交匯口(10號)取樣點，在北部支流設置了大渲河下游(2號)、張巷浜(3號)、大成浜(6號)和吳大成浜(7號)取樣點，在南部支流設置了線涇浜(5號)和錢家橋浜(8號)取樣點。從2017年12月至2018年12月采集水樣進行分析檢測。

2.2 分析測定方法

在預設點采集水面以下0.5 m處的水樣，測定溶解性總氮(DTN)和溶解性總磷(DTP)之前將原水通過0.45 μm孔徑的微孔濾膜過濾，主要指標均按照國家標準方法測定[14]。其中，TN和DTN濃度采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，TP和DTP濃度采用過硫酸鉀消解紫外分光光度法，NH4+-N濃度采用納氏試劑比色法，NO3--N濃度采用紫外分光光度法測定。

2.3 數據處理

表格和圖采用Origin 9.0軟件制作，相關性分析采用SPSS 22.0 軟件完成。

3 結果與討論

3.1 梁溪河流域氮素時空分布特征

梁溪河干流和支流TN、DTN、NH4+-N、NO3--N平均濃度的年變化如圖2所示。梁溪河干流ρ(TN)為0.57～2.86 mg·L-1，均值為1.70 mg·L-1；支流ρ(TN)為2.42～5.63 mg·L-1，均值為3.89 mg·L-1。干流與支流ρ(TN)和ρ(DTN)年變化趨勢相近，ρ(TN)從2017年12月至2018年8月2次先增長后下降，在春季和夏季出現2個峰值，9月后下降，冬季又小幅回升。這可能是因為春季水體流量低、流速小，植物生長緩慢，水中反硝化作用弱，大部分氮滯留于水中，引起氮濃度的升高[15]；而夏季又達到峰值，可能與梅梁灣6月調水引入的大量藍藻有關。至9月間又出現了大幅度下降，可能是此時梁溪河具有較大的降水量及水流速度，對水體具有強烈的稀釋作用所致[16-18]；此外，夏季動植物新陳代謝速度快，對氮的利用速率高，兩者共同作用導致氮濃度下降。次年冬季進入枯水期，氣溫的降低使藍藻腐敗死亡，釋放出的營養鹽又使得氮濃度回升[19]。

干流ρ(DTN)的年變化范圍為0.49～2.50 mg·L-1，均值為1.31 mg·L-1；支流ρ(DTN)的年變化范圍為2.12～5.39 mg·L-1，均值為3.16 mg·L-1，所表現的季節規律均與TN相似，且占TN濃度的80%，說明梁溪河TN主要以溶解態的形式存在。干流ρ(NH4+-N)的年變化范圍為0.10～0.75 mg·L-1，均值為0.38 mg·L-1；支流ρ(NH4+-N)的年變化范圍為1.12～3.35 mg·L-1，均值為2.29 mg·L-1。干流ρ(NO3--N)的年變化范圍為0.02～0.53 mg·L-1，均值為0.15 mg·L-1；支流ρ(NO3--N)的年變化范圍為0.32～2.33 mg·L-1，均值為0.97 mg·L-1。支流NH4+-N和NO3--N濃度的變化幅度較小，但與TN有著相似的變化規律。

各采樣點TN、NH4+-N、NO3--N濃度空間變化如圖3所示。在6月藍藻爆發時節，梁溪河的干流沿線(0、1、4、9號點)TN濃度隨河流流向呈不斷上升的趨勢，可能與藍藻更易在下游支流堆積以及與下游支流的TN輸入有關。在監測期間，5、6、8號點所在支流污染嚴重，個別點位ρ(TN)最高值已接近10 mg·L-1。這是由于多數支流為斷頭浜，水體長期處于不流動或流動較慢的狀態，水中的藍藻以及其他流經的漂浮物在此處大量堆積，故TN濃度居高不下；加之兩岸多為硬質河岸，對污染物的滯留效果差，使其易被降水、風等帶入河道，進而影響河道水質；同時8號點周圍還受到水產養殖廢水污染的影響; 5號點位非斷頭浜，但受到與其連通的黑臭河道廟東浜水質的影響，污染狀況也比較嚴重。梁溪河干流9號點至10號點TN濃度下降，說明河道本身具有一定的自凈效果，此外，與運河之間的流通也會在污染物濃度稀釋方面發揮一定作用。ρ(NH4+-N)與ρ(TN)表現出相似的空間變化規律，5和6號點ρ(NH4+-N)較高，且常年處于劣Ⅴ類水質(Ⅴ類水質濃度限值為2 mg·L-1)。ρ(NO3--N)空間上分布較均勻，集中在0.5～1.5 mg·L-1。郝禹[11]在利用氮氧同位素對梁溪河NO3--N的來源識別中發現，糞肥污水和土壤源是梁溪河地表水中硝酸鹽氮的主要污染源。

3.2 梁溪河流域磷時空分布特征

梁溪河干流水體ρ(TP)為0.05～0.39 mg·L-1，均值為0.18 mg·L-1；支流水體ρ(TP)為0.07～0.52 mg·L-1，均值為0.27 mg·L-1。從時間分布來看，TP濃度冬季低、夏季高(圖4)。從2017年12月至2018年4月ρ(TP)一直較低，之后與ρ(TN)表現出相似的變化規律：6月隨著藍藻輸入ρ(TP)猛增達到最高值，8—9月由于水流量及動植物利用的增加出現一定的回落[19]，11月又再次回升。

總體上，TP濃度的變化與藍藻的生長衰亡時間相符合。6—8月隨著藍藻大量的繁殖與腐敗堆積，水體呈厭氧狀態，會促進沉積物中磷的內源釋放[20]；另一方面，固化于沉積物當中的磷也會在受到風浪等外力的攪動下以溶解態形式釋放于水體中，水中的藻類等其他水生植物為了滿足生長需要，會不斷吸收水中的磷酸鹽，加速底泥中磷的釋放[21]。此外，夏季溫度的升高提高了微生物的分解速率，磷濃度增加，同時藻類在合適的溫度下生長加速，其生長降解會顯著改變pH值、DO等水環境條件，從而誘導沉積物釋放更多的磷[22]，兩者共同作用導致水體中磷濃度上升。梁溪河水體中ρ(DTP)的年變化趨勢與ρ(TP)也基本一致，其中干流ρ(DTP)為0.01～0.30 mg·L-1，均值為0.11 mg·L-1；支流ρ(DTP)為0.04～0.43 mg·L-1，均值為0.19 mg·L-1，且ρ(DTP)占ρ(TP)的65%左右，表明顆粒物對TP的貢獻同樣不容小視。

由圖5可知，TP的空間變化趨勢與TN相近，在6月藍藻爆發后，TP濃度沿著河流干流的流向遞增，表明藍藻易聚積在斷頭浜并在高溫下腐敗分解，消耗水中溶解氧，產生大量營養物質及藻毒素，從而影響到下游水質；不同環境條件下的支流水質有著差異，在5、6號點等支流污染較嚴重，個別點位ρ(TP)已達0.65 mg·L-1，為劣Ⅴ類水(Ⅴ類水質限值為0.4 mg·L-1)。

3.3 不同形態氮磷濃度相關性分析

監測期間梁溪河流域水體各形態氮、磷濃度存在一定的相關性(表1)。ρ(TN)與ρ(TP)呈極顯著正相關(P<0.01，r=0.478)，這表明梁溪河水體在氮磷輸入的途徑和形式上一致，梅梁灣調入的藍藻給水體帶來的大量氮磷污染物，而流通性差的支流為藍藻及其他污染物的腐爛分解提供了場所。ρ(NH4+-N)與ρ(TN)也呈極顯著正相關(P<0.01，r=0.878)，且ρ(NH4+-N)很高，說明NH4+-N為TN中無機態的主要存在形式。

表1 梁溪河流域不同形態氮磷濃度的Pearson相關性分析Table 1 Pearson correlation analysis of different forms of nitrogen and phosphorus in Liangxi River

3.4 梁溪河流域支流營養鹽輸出通量分析

梁溪河的支流營養鹽輸入會影響干流的總體負荷，為進一步驗證“氮磷在空間上沿干流流向呈升高趨勢,與支流營養鹽的輸入有關”的結論，需結合支流的水質和水流量來定量計算其污染貢獻。計算公式為營養鹽通量= 營養鹽濃度×流量×換算系數[23]。

根據濱湖區水利局提供的水文資料，監測期間梁溪河2、3、5、6、7、8號點位支流夏季的平均流量分別為12.4、5.0、6.0、4.5、2.6、4.1 m3·s-1，計算得到各支流6月TN的營養鹽輸出通量分別為22.5、9.2、46.1、42.9、9.2和14.5 g·s-1,TP分別為3.2、1.2、3.7、2.6、1.0和1.3 g·s-1。5號點位由于支流氮磷營養鹽濃度高，營養鹽輸出也最大，約占6條支流總輸出的30%; 7號點位由于支流流量最小，營養鹽輸出也最小，占總輸出的10%不到；而2號點位由于支流流量最大，也具有一定的營養鹽輸入，但是干流1號至4號點位之間河道較寬、流速較快，營養鹽不易堆積，同時夏季降雨也具有一定稀釋作用，因此對下游水質影響并不大。6月梁溪河6條支流TN輸出總和為144.7 g·s-1；TP為13.3 g·s-1，可見支流輸入是干流氮、磷的重要來源，尤其5、6號點位所在支流對下游水質具有重要的影響。

3.5 梁溪河流域氮磷營養鹽控制策略與建議

梁溪河具有污染源復雜、支流眾多等特點，支流與干流水質差異較大，因而應對干、支流分別進行更有針對性的治理。干流的調控重點應以污染物入河總量控制為核心，減少入河污染負荷，提高水環境容量。余茂蕾等[6]在對梁溪河流域水體的研究表明，通過梅梁湖泵調水引流對河流水質有一定改善作用，但也引入了大量的藍藻顆粒物，河道受營養鹽的沖擊隨調水量的增加而增大，故應合理控制調水量，在不同時期加大不同風向上的調水力度，從源頭上控制藍藻顆粒。支流水質的提升重點應放在點源、非點源污染的綜合控制與提高水體流動性上。陳詩文等[24]對太湖流域西苕溪支流的研究表明，污染源和土地利用類型的多樣性是影響西苕溪支流營養鹽的重要因素。應加強排污口管控，合理封閉入河排污口，全面控制工業污水、生活污水、畜牧養殖場污水。此外，針對支流水體流動較差、水體交換力較弱的特點，應增設合適的補水源，并通過河道曝氣充氧、掛設生物繩填料、水生植物栽種等治理技術增強水體循環，提高河道生態環境自我修復能力。總之，在今后的河流修復與整治中，應采取干流和支流共同調控、水污染控制和水生態修復相結合的綜合修復策略。

4 結論

(1)梁溪河流域氮磷污染不容樂觀，支流污染較干流污染嚴重，大多支流為劣V類水。其中，干流ρ(TN)為0.57～2.86 mg·L-1，支流為2.42～5.63 mg·L-1，且主要以NH4+-N的形式存在；干流ρ(TP)為0.05～0.39 mg·L-1，支流為0.07～0.52 mg·L-1，以DTP為主要存在形式。

(2)TN、TP的季節性變化規律有一定的差異，TN濃度在春季和夏季出現雙峰值；TP濃度則表現出冬季低、夏季高的趨勢。空間上，氮磷濃度的空間分布格局較為相似，在夏季都是沿干流流向呈不斷上升的趨勢，反映出藍藻易在斷頭浜聚積從而影響到下游水質；不同環境條件下支流水質有明顯差異，個別支流的氮磷污染狀況尤為嚴重。

(3)在今后的河流修復與整治中，應采取干流和支流共同調控、水污染控制和水生態修復相結合的綜合修復策略。