洱海大氣氮磷濕沉降特征及入湖負荷估算

黃 明 雨，呂 興 菊，董 瓊 蕃，李 航，高 登 成

(大理州洱海湖泊研究院，云南 大理 671000)

0 引 言

隨著工業的快速發展、化肥的廣泛應用、能源的大量消耗和人類的高密度活動，向大氣排放了大量的氮磷化合物、重金屬、持久性有機物等污染物[1-3]。在重力的作用下，這些污染物在雨、雪等降水過程沖刷后大部分以濕沉降的方式返回地面[4-6]。大氣濕沉降中氮素、磷素等營養物質濃度過高會引起受納水體表層酸堿度和營養鹽結構產生變化，致使水體富營養化程度加劇，繼而對整個湖泊生態系統的能量流動和物質循環產生影響[7-8]。因此，大氣濕沉降及其生態環境效應對于控制湖泊水體污染，保護水生態環境具有重要的現實意義。

大氣氮、磷沉降是陸源污染物和營養物質向水生生態系統傳輸的重要途徑之一，在人類活動影響較大的流域，大量氮、磷通過大氣沉降的形式輸入到水體中，能夠對地表水體的營養結構、水生生物的生存環境等造成嚴重的負面生態效應[9]。宋玉芝等[10]2002～2003年對大氣降水向太湖水生態系統輸入氮素的研究指出，太湖流域的大氣降水已經呈現出富營養化特征；牛勇等[11]通過2009～2018年太湖大氣濕沉降氮磷特征對比研究進一步證實了大氣降水中的氮磷營養鹽對加速太湖水體富營養化進程的貢獻不可忽視；任加國等[12]2014年對滇池大氣降水氮磷營養鹽入湖污染負荷貢獻的研究結果表明，大氣降水中總氮和總磷的負荷量分別占河流輸入負荷的6.14%和12.76%；余功友等[13]2012～2014年在評估大氣干濕沉降輸入磷對陽宗海富營養化的潛在影響研究中，表明大氣磷沉降與輸入陽宗海的總磷負荷量相比很小，對陽宗海富營養化影響很小。氮、磷濕沉降是湖庫外源營養物質的重要輸入途徑，充分掌握其時空分布特征及入湖(庫)污染負荷貢獻率是進一步強化流域管理和減少湖庫外源氮、磷負荷輸入的重要前提。

目前，對洱海外源污染輸入氮、磷營養物質的研究主要側重于農業面源及入湖河流、溝渠污染的研究[14]，作為洱海流域的污染物來源之一，大氣氮磷濕沉降規律鮮有報道。2002年，顏昌宙等[15]在有關云南省洱海的生態保護及可持續利用對策中寫到，洱海大氣干濕沉降總氮、總磷入湖污染負荷分別為345.5 t和17.92 t。2009年，張態[16]在洱海氮磷時空分布特征及其外源負荷研究中估算了干濕沉降氮磷入湖負荷，其中總氮輸入量為388.5 t，總磷為24.35 t，總氮占洱海外源性污染負荷的32.31%，總磷占洱海外源性污染負荷的32.68%。2016～2017年，高蓉等[17]在洱海西岸中部農作區進行雨水樣品收集及檢測，2016年稻季總氮、總磷濕沉降量分別為563.5 t和33.5 t，2017年稻季總氮、總磷濕沉降量分別為259.0 t和18.4 t。本研究通過對洱海湖區周圍4個站點為期1 a的大氣降水進行監測，初步揭示了湖區周圍大氣濕沉降中總氮、總磷濃度及其沉降通量的年內變化特征，進而估算了洱海湖區直接入湖總氮、總磷負荷量并評估了其對湖區水環境的潛在影響，以期為洱海生態環境治理和水資源保護提供基礎數據和新思路。

1 研究區域與方法

1.1 研究區域

本次研究區域限定為洱海252.71 km2湖區水域范圍內，在環洱海四周布設了4個監測站點(見圖1)，具體為北部上關鎮河尾村站點、西部灣橋鎮古生村站點、南部海東鎮下和村站點和東部挖色鎮海印村站點，分別按場次收集大氣降水。4個監測站點均延伸至洱海湖區內50～100 m，站點周圍無高大建筑物、構筑物以及樹木遮擋，沒有工業企業大氣污染物排放，周邊土地利用現狀以耕地和村莊為主。大理市多年氣象觀測資料表明：洱海湖區盛行風為東風，次盛行風為東東南風，第三盛行風為西西北風。

圖1 洱海濕沉降監測站點Fig.1 Location of Erhai Lake wet deposition monitoring points

1.2 研究方法

2019年6月1日至2020年5月31日期間，累計采集有效水樣137場次(<50 mL為無效水樣，只記錄體積，不進行水化分析)。濕沉降通量計算及入湖污染負荷估算基于4個點位GPRS信息，依據泰森多邊形法則，利用ArcGIS將洱海湖區水域劃分為4部分(見圖1)，4個分區的具體面積如下：SA=76.86 km2，SB=61.68 km2，SC=59.01 km2，SD=55.16 km2。降水樣品使用ZR-3901型全自動降水采樣器進行采集，濕沉降缸面積約為0.070 65 m2(r=15 cm)。在每次降水結束后及時收集水樣，并記錄降水的起止時間和水樣體積，干季每周用去離子水清洗設備。將降水樣品搖勻后直接測定其TN和TP指標。降水類別基于洱海湖區水功能目標即GB 3838-2002《地表水環境質量標準》Ⅱ類(湖庫)標準進行評價。

1.3 通量計算及入湖負荷估算

在忽略沉降缸內水樣可能發生理化、生物變化的前提下，基于水樣體積、降水量、樣品濃度和分區面積，采用如下公式進行各分區月濕沉降通量計算和直接入湖負荷估算：

P=F·Sj·10-3

式中：F為分區內月濕沉降通量，kg/km2；H為濕沉降采樣當月的總降雨量，mm；hi為第i次采集濕沉降樣品時的降雨量，mm；n為當月采集次數；Ci為當月第i次采集的濕沉降樣品的沉降物質量濃度，mg/L；Sj為j區面積，km2；P為j區月濕沉降負荷量，t。

2 結果與分析

2.1 研究區域降雨特征

洱海小流域位于低緯度地區，具有海拔高、地勢低、高差大等特征，其“立體氣候”較為顯著。小流域內降雨量的年際波動較為強烈，主要是因為西南季風活動強弱差異和進退早遲而引起的。洱海小流域年降雨量由南向北、自西向東遞減，在小流域西部和北部，降雨量受地形影響較為明顯，表現為隨高程升高而顯著增加。洱海小流域年內夏季受西南季風氣候的影響，冬春季主要受來自大陸高壓前部的偏東氣流或經過青藏高原南側的西風氣流的影響，干濕季節分明[18]。從研究期間各監測站點降水量月際變化(見圖2)可以看出：全年湖區降水主要集中在濕季(6～10月)，約占年降水量的79%～96%，表明該時段降水較大程度地決定了年降水量;11月至次年5月為干季，干季平均降水僅為103 mm，僅占年降水量的4%～21%；最大月降水量出現于7月份，最小月降水量出現在5月份。研究期間4個站點年降水量均值為(685.69±80.81) mm。

圖2 2019～2020年監測點位降水量月際變化Fig.2 Inter-monthly changes in rainfall at monitoring points from 2019 to 2020

2.2 大氣濕沉降特征

2.2.1濕沉降TN、TP濃度變化特征

2019～2020年洱海湖區4個監測站點降水中TN濃度范圍是0.05～3.22 mg/L，平均濃度為(1.180±0.682) mg/L；TP濃度范圍是0.010～0.151 mg/L，平均濃度為(0.072±0.021) mg/L。6～10月來自印度洋的西南暖濕信風持續向小流域長時間提供大量水汽，導致其間降水頻率較高，氣溶膠、PM2.5等粒子在大氣中留存時間極短，因而造成雨水中TN濃度較低；11月至次年5月小流域受西風南支槽和二次蒸發的影響降水頻率較低，氣溶膠、PM2.5等粒子在大氣中停留時間相對較長，所以在降水中容易出現較高的TN濃度。因而，洱海湖區雨水中的TN濃度符合干季高濕季低的變化規律。4個站點TN濃度波動范圍較大，濃度均值順序為下和(1.34 mg/L)>海印(1.23 mg/L)>河尾(1.15 mg/L)>古生(0.99 mg/L)；TP濃度波動范圍也較大，濃度均值順序為海印(0.091 mg/L)>下和(0.067 mg/L)=古生(0.067 mg/L)>河尾(0.065 mg/L)(見圖3)。

圖3 洱海濕沉降總氮、總磷濃度箱圖Fig.3 Box diagram of total nitrogen and total phosphorus concentration in Erhai Lake wet deposition

2.2.2濕沉降TN、TP濃度與降水量的相關關系

根據中國氣象部門對降水大小的分類標準(小雨<10 mm/d，中雨10～25 mm/d，大雨>25 mm/d)，將研究期間4個監測點位降水事件分為小雨63場次、中雨56場次和大雨18場次。不同強度類型的降水中TN、TP濃度表現出明顯的差異性，具體呈現為：隨降水強度的增大，TN、TP濃度逐漸減小(見表1)。小雨樣品中TN平均濃度高達2.156 mg/L，為大雨的3.84倍，中雨的2.88倍；同樣，小雨樣品TP的平均濃度分別是大雨樣品的2.31倍，中雨的1.46倍。綜上可知，小雨中TN、TP的濃度相對較高，這可能是因為小雨降水事件中雨滴較小，與大氣接觸的表面積較中雨、大雨偏大，從而能夠黏附、溶解更多的含氮素、磷素物質氣溶膠。此外，一般小雨降水事件歷時較長，對大氣的淋洗過程持續時間相應較長，也可能是導致降水中TN、TP濃度升高的重要原因。

表1 不同類型降水的氮磷濃度Tab.1 Concentrations of nitrogen and phosphorus in different types of rainfall

降水中TN、TP濃度主要受空氣中對應污染物不同形態濃度和降水量2個因素影響，因此，2019年6月至2020年5月期間降水中TN、TP濃度波動主要是其中某一個因素或是兩個因素共同作用的結果。研究發現，隨降水量的逐漸增大，濕沉降中TN、TP濃度逐漸減小而后穩定在低濃度。對年內137組TN、TP濃度與降水量進行Pearson相關分析，結果顯示：TN濃度與降水量呈極顯著負相關(P<0.01)，表明TN濃度受降水量影響程度較大；而TP濃度與降水量呈顯著負相關(P<0.05)，TP濃度受降水量的影響較小，這與磷的形態密切相關(見表2)。磷不存在穩定的氣態化合物從而無法依靠氣相進行再分配，空氣中的磷以顆粒態氣溶膠為主的形式存在。

表2 降水量與濕沉降氮磷濃度相關性分析結果Tab.2 Correlation analysis results of rainfall and wet deposition nitrogen and phosphorus concentrations

2.2.3濕沉降TN、TP通量變化特征

TN濕沉降通量年內月際變化大致呈“M”雙峰型，TN沉降通量最小出現在2020年5月，洱海湖區降水主要集中在6～9月，隨著降水量的暴增，TN的濕通量也急劇增加，TN沉降通量介于57.20～334.33 kg/km2(見圖4)。下和、海印和河尾3個站點TN濕沉降通量峰值出現在2019年7月，古生站點TN濕沉降峰值出現在2020年2月。11月份降雨量銳減，TN沉降通量也迅速降低。TP濕沉降通量年內月際變化與TN一致，4個站點2～7個月的TP濕沉降通量低于1.0 kg/km2，海印站點TP濕沉降通量明顯高于其他3個站點，其支配因素為TP濃度。2019年6月開始，隨著汛期的到來，TP的濕沉降通量迅速增大，2019年7月4個站點TP濕沉降通量達到峰值，9月份以后進入干季，TP濕沉降通量開始下降。

圖4 洱海濕沉降氮磷通量月際變化趨勢Fig.4 The monthly variation trend of wet deposition nitrogen and phosphorus fluxes in Erhai Lake

研究發現，TN、TP濕沉降通量與降水量密切相關。進一步對TN、TP月濕沉降通量與對應降水量進行非線性冪函數回歸和Pearson相關分析，得出洱海湖區TN、TP的月濕沉降通量與對應月度降水量呈極顯著正相關關系(P<0.01)，其相關系數分別為0.936和0.969(見圖5)。這一結論與周石磊等[19]2016～2017年研究周村水庫大氣濕沉降氮磷特征和陳法錦等[20]2015～2016年研究湛江灣大氣濕沉降中營養鹽特征得到的結論一致。

圖5 洱海氮磷濕沉降通量與降雨量冪回歸Fig.5 The regression of wet deposition flux of nitrogen and phosphorus in Erhai Lake and rainfall power

2.3 大氣濕沉降直接入湖負荷估算

進入洱海TN、TP的來源有入湖河流的輸送、大氣沉降輸送、點源污染的輸送以及地下水的涌出輸送等，目前對河流入湖TN、TP負荷的研究較多[21]。本文利用2019年6月至2020年5月測定的洱海湖區大氣濕沉降氮磷月度通量進行湖面直接入湖負荷估算：TN濕沉降直接輸入負荷為183.32 t，西部貢獻21%，北部貢獻20%，東部貢獻27%，南部貢獻32%；TP直接輸入負荷為11.19 t，西部貢獻23%，北部貢獻占21%，東部貢獻29%，南部貢獻27%，濕沉降污染負荷主要集中在汛期(2019年6～9月)。王圣瑞等[22]在洱海氮磷循環及收支平衡中核算入湖河流TN年輸入量為912.6 t，TP年輸入量為73.5 t，由此推算，洱海湖面濕沉降TN入湖負荷占入湖河道年輸入的20.01%，TP占15.22%。值得注意的是：研究期間環洱海生態廊道和環湖庫塘濕地在大規模施工，揚塵聚集性增加可能引起濕沉降通量增大，從而導致入湖污染負荷高于洱海流域正常年份。

3 討 論

在時間尺度上，雨水中TN、TP濃度變化表現出顯著的季節性差異，雨水中TN、TP濃度隨著降水強度的增大呈降低趨勢。干季降水頻次較少且雨量較小，雨水中TN、TP的濃度較高。出現連續降水天氣時，初期雨水中TN、TP的濃度比中、后期的高；距前一場降水事件時間越長，雨水中TN、TP的濃度也越高，證實了降水對大氣污染物具有良好的清洗和稀釋作用。在空間分布上，洱海南部、東部、北部和西部的TN平均濃度分別為1.34 mg/L(Ⅵ)，1.23 mg/L(Ⅵ)，1.15 mg/L(Ⅵ)，0.99 mg/L(Ⅲ)；洱海東部、南部、西部和北部的TP平均濃度分別為0.091 mg/L(Ⅵ)，0.067 mg/L(Ⅵ)，0.067 mg/L(Ⅳ)，0.065 mg/L(Ⅳ)。TN、TP濃度均高于洱海功能區目標類別(Ⅱ)，空間上的差異對雨水TN、TP濃度的影響不如時間尺度上的明顯。

進一步探究了洱海湖區濕沉降TN、TP直接入湖負荷量與湖區水體水質參數、藻類生物量(以葉綠素a表征)的關系，試圖找出水體已經處于中營養狀態下的洱海，濕沉降TN、TP營養鹽的輸入能否顯著增加藻類生物量，以及評估濕沉降TN、TP入湖負荷對湖區水環境的影響。通過對同期湖區11個點位表層水體總氮(CTN)、總磷(CTP)、化學需氧量(CCODCr)以及葉綠素a(CChl-a)月均值濃度與月濕沉降TN、TP入湖負荷量進行正態分布檢驗和相關性分析(見表3)，發現湖區Chl-a濃度與入湖濕沉降TP的輸入量呈極顯著正相關關系(P<0.01)，與TN輸入量呈顯著相關關系(P<0.05)，說明TN、TP的輸入可能增加洱海藻類生物量。TN輸入量與湖區TN濃度、TP輸入量與湖區TP濃度之間相關性不顯著，說明濕沉降TN、TP輸入負荷對洱海相應水質指標影響較小。湖區CODCr濃度與入湖濕沉降TP的輸入量呈極顯著正相關關系(P<0.01)，與TN輸入量呈顯著相關關系(P<0.05)，說明TN、TP的輸入可能引起洱海有機污染加重。

表3 濕沉降氮磷入湖負荷與湖區水質指標相關性分析結果Tab.3 Correlation analysis results of wet deposition nitrogen and phosphorus load into the lake and lake area water quality indicators

4 結 論

(1) 洱海湖區降水中TN濃度范圍為0.05～3.22 mg/L，平均濃度為(1.180±0.682) mg/L；TP濃度范圍為0.010～0.151 mg/L，平均濃度為(0.072±0.021) mg/L。

(2) TN、TP濕沉降通量7月份最大、5月份最小，沉降通量與降水量極顯著正相關。

(3) 洱海湖面濕沉降直接輸入負荷量TN約為183.32 t，TP約為11.19 t，湖面濕沉降TN直接入湖負荷占入湖河道年輸入量的20.01%，TP占15.22%。