山區河流氮磷空間分布對人類活動的響應
——以赤水河一級支流桐梓河為例

周曉雯, 安艷玲, 吳起鑫, 呂婕梅, 高世林, 李釩璽

(1.貴州大學 喀斯特環境與地質災害防治重點實驗室, 貴陽 550025; 2.貴州理工學院, 貴陽 550002)

氮、磷營養鹽的大量輸入易使水體的營養水平失去平衡，進而破壞河流或湖泊水質，導致浮游植物大量生長，引起一系列富營養化、水體缺氧等環境問題[1-4]，因此關注河流水體氮磷水平對水環境管理起到關鍵作用。長期以來，國內外學者對水體中氮磷特征及影響因素開展了廣泛研究，有研究表明，地形地貌[5]、水文氣象等[6]自然因素對河流氮磷分布具有一定作用，而各類污染源排放[7]、建壩蓄水[8]、改變用地類型等[9]人為因素影響更為強烈；在不同的影響因素下水體的氮磷濃度及形態變化具有顯著差異[10-11]。

氮、磷營養鹽進入水體的途徑廣泛、形式多樣，包括點源污染和面源污染。我國學者分別對重慶主城區次級河流[12]、天津中心城區河網[13]、成都市區主要河流府南河等[14]典型城市河流水體氮、磷綜合污染特征進行研究，研究結果顯示未完全收集或處理的城鎮生活污水和工礦企業廢水等點源污染的集中排放，將使受納水體氮磷達到高濃度水平；Wu等[15]對東江流域的研究發現農業面源污染將氮磷污染物以分散、廣泛、微量的方式進入河流，導致水體的氮磷空間分布存在差異性。近年來隨著我國城鄉統籌發展戰略的實施，將城市農村緊密結合，流域進入“城鎮—農業”復合發展階段，人類活動更為頻繁，特別是山區河流在人為干擾下，其污染系統更復雜，污染過程帶有點面結合的特征，在外源氮磷污染的強烈輸入及持續的營養壓力下，一旦超過山區河流的自凈能力，將對水體的氮磷含量造成難以控制的累積影響，使山區河流生態系統健康狀況受到威脅。過往研究成果集中在某城市或農業氮磷污染嚴重河段，對具有雙重特征的山區河流氮磷營養水平關注較少。因此了解山區河流的氮磷營養鹽分布狀況、來源及影響因素對保護其水生態系統、防治水質惡化均具有重要意義。

桐梓河位于黔北遵義市，是赤水河最大支流，其氮磷輸出對赤水河水質貢獻較大。桐梓河所在區域屬于典型的喀斯特山區流域，其獨特的地形地貌和水文二元結構[16-17]，造成其水環境十分脆弱，河流對人類活動產生的生態系統變化敏感，而目前傍河城鎮的城市化進程加快、農業活動擴展，加重了流域內部的水土流失，其土地利用類型也隨之發生顯著改變，直接影響著桐梓河水體的營養水平，但是目前針對該河流的氮磷空間分布對人類活動的響應機制尚未見報道。

鑒于此，本研究以桐梓河為研究對象，通過對河流樣品現場收集和試驗測定，分析桐梓河水體氮磷空間分布特征，從水體環境因子及人類活動對氮磷作用的角度，探討影響桐梓河氮磷分布的主要因素，為桐梓河及赤水河流域水環境保護策略制定提供科學依據。

1 研究區概況

桐梓河，赤水河中段一級支流，發源于遵義市桐梓縣小壩鄉楚米鎮，位于東經106°12′—106°53′，北緯27°52′—28°11′，流域面積3 348 km2，河流全長125 km，自西向東流經桐梓、匯川、仁懷、習水4縣(市、區)部分鄉鎮，于仁懷、習水交界之兩河口匯入赤水河。

桐梓河處于亞熱帶季風性濕潤氣候區，年平均氣溫17.7℃，年平均降水量850～1 200 mm，雨量較豐沛但分布不均，5—8月為雨季，占總降水量的60%；徑流的時空分布變化與降水基本一致，屬于典型的山區雨源型河流。流域內崇山峻嶺，多懸巖崩石，除發源地天門屬沖積盆地，其余地區呈典型喀斯特山地特點[18]，耕地分散，河谷縱深。

桐梓河上游區域地勢較平坦，城鎮建設用地密集，人口密度大，且污水收集處理系統尚不完善，存在局部點源污染，中下游流經坡度較陡、地勢較高的喀斯特山區，以林地、耕地為主，坡地墾殖率高，在降雨的沖刷下坡耕地更易向水體輸入農業面源污染，特別是下游水體附近分散有部分農村居民聚居點，畜禽養殖以家庭式散養為主，其產生的非點源污染的氮磷濃度高且難以控制去向[19]。流域內農業人口較多，同時發展有小型采煤、鐵合金冶煉、機械、電力、輕手工業等。桐梓河的水利資源也在加快開發，現建有圓滿貫水電站、楊家園水電站等8級水電站及20余座中小型水庫。

2 樣品采集及分析

2019年8月對桐梓河沿途干流、主要支流進行樣品采集，根據河流水文特征及周圍用地類型，共設置31個采樣點：干流上游河源至桐梓縣燎原鎮段(G1—G5)、中游桐梓與匯川界河(G6—G9)、下游仁懷與習水界河(G10—G13)及各條支流包括上游桐梓縣城內溱溪河等分支(S1—S4)，中游高橋鎮段(Z1)、混子河(H1—H5)、觀音寺河(Y1—Y5)，下游沙溪河(X1)、馬鹿河(X2)、二郎河(X3)(圖1)。使用哈希Hydrolab多參數水質分析儀現場測定原位表層水體的pH值(精度為±0.2個單位)、水溫(精度為±0.10℃)、溶解氧(精度為±0.2 mg/L)、電導率(精度為讀數的±1%)、濁度(精度為讀數的±1%)。采集的水樣測試前冷藏于4℃的冰箱中。

圖1 桐梓河采樣點分布示意

3 結果與分析

3.1 桐梓河水體理化指標

桐梓河水體pH值相對穩定，均值為9.13(表1)，偏弱堿性。DO濃度整體偏高，均值為8.91 mg/L，河流處于富氧狀態，水體較清潔。EC平均為435.95 μS/cm，通常飲用水EC<300 μS/cm，表明水體受到人為因素的影響。濁度變異系數達到113.88%，具有明顯的空間差異，下游水體透明度相對較高，河流底質以自然形成的巖石顆粒為主，濁度值因此較低。

表1 桐梓河的水體理化指標

3.2 桐梓河氮、磷濃度分布特征

圖2 桐梓河干流采樣點水體的TN和濃度

圖3 桐梓河干流采樣點水體的TP，DTP和PP濃度

圖4 桐梓河各條支流采樣點水體的TN和濃度

圖5 桐梓河各條支流采樣點水體的TP，DTP和PP濃度

3.3 桐梓河氮、磷濃度空間差異影響因素分析

表2 桐梓河氮、磷與其他理化因子之間的相關系數

3.3.2 人類活動對氮、磷變化的影響

上游TP也顯著高于中下游，位于桐梓縣城的各條支流均值為0.38 mg/L，同樣高永霞等[22]發現在環太湖不同性質河流中，受生活污水影響河流水體的TP濃度最高。桐梓河中下游處于山區，相對遠離城鎮，建設用地減少，植被覆蓋率提高，高度集中的工業活動和居民污染源較少，并且通過植物截留、微生物分解以及沉積物吸附等自然凈化機制對山區水體起到一定程度的自凈效果，因此中下游TP濃度降低至0.09 mg/L。孫麗梅等[23]在城郊樟溪流域的研究表明，氮磷濃度與距城鎮距離呈顯著負相關關系，說明城鎮化水平對流域氮、磷污染具有重要影響。

下游主要支流分布在二郎鎮等傍河村鎮，其畜禽養殖業較為集中，飼料、畜禽糞便及散亂排放的農村生活污水增加了營養鹽的排放，提高了水體中TN濃度，比如二郎河(X3)的TN濃度達到4.07 mg/L，下游段干流TN也受到支流匯入的影響，保持較高水平，均值為2.91 mg/L。同時區域內畜禽養殖廢水的輸入使水體中DTP濃度得到增長，DTP對TP的占比隨之上升，尤其是G12的DTP濃度達到0.06 mg/L，占TP的58.02%，對TP的貢獻提高。

表3 國內地表水中氮、磷平均濃度對比 mg/L

與同為山區河流但處于非喀斯特地區的黑水灘河[38]進行比較，黑水灘河受河流兩岸形成串聯狀的多級城鎮污染的持續壓力，最終在河口處達到氮磷濃度的峰值，而桐梓河位于貴州高原喀斯特山區，地表崎嶇破碎，不易形成連續分布的城鎮居民區，僅在上游段承受來自桐梓縣城較集中的城鎮污染，TP濃度因此出現峰值，到下游河口處略有降低，說明河流仍具有一定的自凈能力。

與典型的城市或農業河流不同的是，桐梓河具有“點—面”污染復合特征，上游主要輸出城鎮點源污染，中下游喀斯特流域土層淺薄、生態環境脆弱，水體對人為干擾影響更敏感，農業生產活動的加強、土地利用方式的改變，以及水利工程的闡壩攔截，都導致桐梓河經受人為干擾，特別是喀斯特山區夏季多雨，水土流失加重面源污染，營養元素流失的面積更加廣泛。因此，河流承受從上游到下游點面污染結合的雙重影響，造成TN濃度在變化波動中逐漸積累。

3.4 桐梓河水體主控因子分析

水體中的氮磷比[m(TN)∶m(TP)，質量比]反映氮磷對浮游植物生長的營養限制。當TN/TP≥22.6時，表現為磷缺乏；當TN/TP≤9時，表現為氮缺乏；當TN/TP介于兩者時，表明氮磷均可能是主要限制因子，此時浮游植物生長與氮、磷濃度存在線性相關關系，環境適合藻類生長，易造成水體富營養化[39-40]。

桐梓河水體的TN/TP實際介于4.47～63.33，有3.2%為氮限制，67.7%為磷限制，其余均處在兩者之間；TN/TP平均值為28.47，與受含磷廢水污染而暴發過水華的香溪河[40]比較，桐梓河TN/TP較高，總體處于磷限制狀態。與平原河流[13]相比，山區河流流速快，坡降大，交換能力強，所以桐梓河尚未出現大規模的水華現象，但上游大部分采樣點的TN/TP為10～25(圖6—7)，上游水體整體處于潛在富營養化區，一旦有流速緩慢的河段，有發生水華的高風險，特別是位于城鎮段河流，高濃度的外源點源輸入可能造成水質惡化。中游水體TN/TP較高，支流混子河和觀音寺河TN/TP均值分別為41.71，41.24，下游略低于中游，是由于TP濃度相對升高，與傍河城鎮的村鎮生活污水及畜禽廢水等面源污染有關。總之，人類活動主導的流域土地利用方式的改變，使桐梓河受到“點—面”結合的污染，對水體TN/TP影響顯著，令桐梓河水體氮磷組成多樣化，進一步增加河流水華暴發的幾率。

圖6 桐梓河干流各采樣位點水體的氮磷比

圖7 桐梓河各條支流各采樣位點水體的氮磷比

4 結 論

(1) 桐梓河TN濃度偏高，均值為2.85 mg/L，符合貴州河流氮素特征，TP濃度均值為0.13 mg/L，賦存形態以PP為主。在空間上，TN濃度呈波動式增長，TP濃度則上游高于中下游。

(2) 人類活動帶來的“城鎮—農業”點面污染使河流的氮磷濃度表現出顯著的空間分布特征。上游水體中高濃度的TP主要受工業廢水、城鎮生活污水等點源污染的影響；中下游TN濃度的積累主要是由于化肥施用、畜禽養殖等農業生產活動及農村生活污水帶來的非點源污染；干流上的水利工程也對水體中的氮磷有一定滯留或凈化作用。

(3) 桐梓河氮磷比平均為28.47，處于磷限制狀態，暫無大規模水華現象發生，主要因為山地河流流速較快，不利于藻類的生長繁殖。但氮磷比顯示上游河流整體處于潛在富營養化區，城鎮高濃度氮磷污染輸入水體，對上游水質有嚴重威脅。