夏 雨，鄢幫有，方 豫

(1：南昌大學(xué)理學(xué)院，南昌 330031) (2：江西省山江湖開發(fā)治理委員會辦公室，南昌 330046) (3：江西省科學(xué)技術(shù)廳，南昌 330046)

鄱陽湖區(qū)樂安河流域營養(yǎng)鹽負(fù)荷影響因素分析*

夏 雨1，2，鄢幫有3**，方 豫2

(1：南昌大學(xué)理學(xué)院，南昌 330031) (2：江西省山江湖開發(fā)治理委員會辦公室，南昌 330046) (3：江西省科學(xué)技術(shù)廳，南昌 330046)

鄱陽湖流域；樂安河流域；農(nóng)業(yè)面源污染；富營養(yǎng)化

湖泊水資源作為一種與人類生存和發(fā)展密切相關(guān)的獨特資源，在國民經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展中占有重要位置[1].河流是連接流域與湖泊的重要紐帶，與流域、湖泊之間有著重要的物質(zhì)與能量交換，河流的水質(zhì)特點影響著下游湖泊的水質(zhì)狀況[2].

鄱陽湖是中國第一大淡水湖，是江西的母親湖，承載著保護(hù)全球生物多樣性、調(diào)蓄洪水及供給淡水的生態(tài)服務(wù)功能，為江西經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展提供了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)和生態(tài)資源.鄱陽湖被譽(yù)為“一湖清水”，但其水環(huán)境仍面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn).據(jù)《1999-2009年江西省環(huán)境狀況公報》等資料顯示，鄱陽湖水系和湖體水質(zhì)總體都呈下降趨勢.1980s鄱陽湖水質(zhì)以Ⅰ、Ⅱ類為主，平均占85%；1990s仍以Ⅰ、Ⅱ類為主，平均占70%；2003年以后，Ⅰ、Ⅱ類水只占50%；2006年后，鄱陽湖水全年優(yōu)于Ⅲ類的不到六成，屬于Ⅲ類的有兩成多，劣于Ⅲ類的則逼近兩成，整體上呈現(xiàn)出中度營養(yǎng)化的狀態(tài)，且枯水期富營養(yǎng)化程度比豐水期更為嚴(yán)重.

湖泊的污染主要包括流域內(nèi)的點源(工業(yè)污水排放、城市污水等)和面源(農(nóng)業(yè)面源、流域水土流失、大氣降塵等).隨著對水體點源污染的有效控制，水污染負(fù)荷結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化，面源污染已成為水環(huán)境的一大污染源或首要污染源[3].撫仙湖[4]、滇池[5]、丹江口水庫[6]、三峽水庫[7]、太湖[8]和鄱陽湖[9]等都不同程度遭受面源污染.

面源污染中的氮、磷營養(yǎng)物累積是引起下游水體富營養(yǎng)化的主要原因[10].農(nóng)業(yè)面源污染影響因素復(fù)雜[11]，包括土地利用方式、農(nóng)田耕作、農(nóng)事活動和田間水肥管理、地形地貌、土壤植被、氣候、水文特征[12].研究表明我國已成為世界上藻類水華暴發(fā)最嚴(yán)重的國家之一[13].近年來，很多湖泊都開展了營養(yǎng)鹽調(diào)查研究[14-16]，但由于面源污染起源于分散、多樣的地區(qū)，地理邊界和發(fā)生位置難以識別和確定，隨機(jī)性強(qiáng)、成因復(fù)雜、潛伏周期長[17]，在富營養(yǎng)化評估方面，數(shù)據(jù)獲取困難，方法的集成與模型研發(fā)還較為落后[18-19].

鄱陽湖的污染物主要由五河(贛、撫、信、饒、修)輸入，五河輸入的總磷(TP)和總氮(TN)分別占入湖總量的80.5%和66.4%[20]，因此五河等主要入湖河道的水質(zhì)對鄱陽湖水環(huán)境有重要影響.樂安河是鄱陽湖重要的入湖水系，受沿岸工業(yè)廢水、生活污水等的污染，該河的許多污染指標(biāo)超標(biāo)，其污染甚至波及到鄱陽湖的水質(zhì)[21-22].本文選擇主要營養(yǎng)鹽指標(biāo)為研究對象，通過野外實測數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)分析對該流域水系中營養(yǎng)物時空分布及影響因素等特征進(jìn)行定量分析，從而評估樂安河流域內(nèi)水質(zhì)富營養(yǎng)化水平的現(xiàn)狀，為制定針對性污染控制措施提供科學(xué)依據(jù)，從而有效消減入湖營養(yǎng)物負(fù)荷，保護(hù)鄱陽湖“一湖清水”.

1 研究區(qū)概況

樂安河，位于江西東北部(圖1)，是鄱陽湖第4大入湖水系饒河的最大支流，發(fā)源于江西省婺源縣鄣公山南麓，自東北向西南流，石鎮(zhèn)街以上集水面積8367km2，主河長279km，多年年平均徑流量為99.67×108m3.其流域是鄱陽湖區(qū)降水最多的地區(qū)之一，年平均降水量1687～1870mm，但季節(jié)分配不均.流域土壤屬贛東北山地丘陵，農(nóng)業(yè)土壤主要是水稻土.近年來流域內(nèi)面源污染產(chǎn)出量迅速增加，河道水質(zhì)下降趨勢加劇，已呈現(xiàn)中營養(yǎng)水平[23].

在樂安河流域，土地利用覆蓋類型多樣，從圖2可以看出，區(qū)域高程相差約1450m，呈東北部高和西南部低的地勢，所經(jīng)地區(qū)以丘陵、山地為主，林地和耕地面積之和占研究流域總面積接近95%，無大城鎮(zhèn)分布，僅有零散分布的居民點.

圖1 樂安河流域在江西省的位置Fig.1 Location of Le’an River watershed in Jiangxi Province

圖2 樂安河流域DEM圖Fig.2 Digital Elevation Model of Le’an River watershed

圖3 樂安河流域監(jiān)測點分布Fig.3 Distribution of monitoring stations in Le’an River watershed

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 實驗設(shè)計

表1 相關(guān)矩陣Tab.1 Correlation Matrix

TNNO-3-NNH+4-NTPTN1.00000.90640.77690.1956NO-3-N0.90641.00000.58780.0172NH+4-N0.77690.58781.0000-0.0045TP0.19560.0172-0.00451.0000

表2 相關(guān)矩陣的特征值Tab.2 Eigenvalues of the Correlation Matrix

指標(biāo)特征值差值貢獻(xiàn)率累計貢獻(xiàn)率TN2.532254351.518966280.63310.6331NO-3-N1.013288060.590773210.25330.8864NH+4-N0.422514850.390572110.10560.9920TP0.031942740.00801.0000

2.2 各營養(yǎng)鹽主成分分析

首先采用主成分分析法對主要營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行分析，通過相關(guān)矩陣得到各物質(zhì)形態(tài)之間的相關(guān)性.

2.3 各營養(yǎng)鹽物質(zhì)形態(tài)聚類分析

圖4 17個監(jiān)測點水質(zhì)的平均連接樹狀結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Tree structure chart for water quality of 17 monitoring stations

聚類結(jié)果將采樣點根據(jù)富營養(yǎng)化程度劃分為4類：低富營養(yǎng)區(qū)、較低富營養(yǎng)區(qū)、中富營養(yǎng)區(qū)和重富營養(yǎng)區(qū).從圖5可以明顯看出從上游到下游富營養(yǎng)化程度總體呈不斷升高的趨勢.其中LZ5121位于流域的最上游，該點上游地區(qū)林地與草地面積總和占95%以上，營養(yǎng)鹽產(chǎn)出少且被較好地截留和消減，平均水質(zhì)可達(dá)到Ⅱ類.在黃色類型中，LG511和LG516上游集水域林地和草地面積總和占80%，LG513、LG514、LZ509、LZ510的集水域中林地和草地面積總和超過90%，因此仍維持較好水質(zhì)，TN濃度在0.6mg/L左右，略高于Ⅱ類水.橙色類型區(qū)域位于流域中部，TN濃度上升到0.7～0.8mg/L，為Ⅲ類水，LZ5041和LZ505兩個子流域中耕地面積分別為27%和30%，林地為64%和65%，比上游地區(qū)明顯下降，而耕地又是面源污染物的主要來源.LZ507和LZ515子流域的林地面積均為85%，但在采樣時發(fā)現(xiàn)，LZ507監(jiān)測點附近有化工企業(yè)，因此該地的高污染物輸出強(qiáng)度應(yīng)該來源于點源排放；而LZ515位于賦春鎮(zhèn)下游，該鎮(zhèn)有茶園3.33km2，大面積的茶葉種植必然對下游水質(zhì)造成影響.LG508是干流上監(jiān)測點，接受中上游地區(qū)的污染，污染濃度相應(yīng)上升.同理，LG501和LG506是干流上最后兩個點，流域內(nèi)所有污染都匯集于此處，氮濃度明顯提高，平均高于0.9mg/L，接近Ⅳ類水.

圖5 水質(zhì)空間分布Fig.5 Spatial distribution of water quality

3 主要研究結(jié)果

影響面源污染的因素眾多，而降水狀況和人類活動可在短期內(nèi)對污染物濃度產(chǎn)生顯著影響.首先根據(jù)每個監(jiān)測點TN濃度的年平均值分析樂安河流域氮濃度的年際變化，可反映降雨量及降雨強(qiáng)度對面源氮濃度的影響.

圖6 各監(jiān)測點的TN年平均濃度Fig.6 Annual average concentration of TN in 17 monitoring stations

鄱陽湖流域在枯水期和豐水期的降雨量和徑流量變化巨大，且對應(yīng)不同的農(nóng)事季節(jié)，對面源污染物產(chǎn)出及輸移影響極大.本研究將每年的4-9月定為豐水期，10月至次年3月定為枯水期.并根據(jù)流域內(nèi)地形地貌將17個子流域分為兩類：上游東北部低中山區(qū)(LG508、LZ509、LZ5092、LZ510、LG511、LZ5121、LG513、LG514、LZ515、LZ516)，這10個子流域以林地為主，位于流域的上游，林地面積都超過80%，而耕地面積只有10%左右；下游西南部丘陵區(qū)(LG501、LZ502、LZ504、LZ5041、LZ505、LG506、LZ507)，這些子流域耕地面積都超過30%.將不同類型的監(jiān)測數(shù)據(jù)與徑流量和時間進(jìn)行對比.

圖7 上、下游監(jiān)測點氮平均濃度Fig.7 Average nitrogen concentration in upstream and downstream

從圖6和圖7可見，在取樣監(jiān)測的3年中，TN濃度不斷升高.2009年江西省平均降水量1392.0mm，比多年平均少15.0%，屬偏枯水年份.流域內(nèi)徑流量相應(yīng)減少，營養(yǎng)物流失較少，這一年大部分監(jiān)測點的平均水質(zhì)都在Ⅱ類以內(nèi)，有6個監(jiān)測點的平均水質(zhì)為低水平Ⅲ類，Ⅲ類水主要出現(xiàn)在徑流量最小的12月.

2010年江西省極端天氣過程頻繁，暴雨強(qiáng)度大，主汛期全省平均降雨量比1998的大洪水年同期還多14%，全年降水量多年平均增加27.3%，屬豐水年份.降雨形成地表徑流攜帶大量營養(yǎng)物進(jìn)入河道，導(dǎo)致水體中氮濃度增加，所有監(jiān)測點只在8月水量最大時平均值為Ⅱ類水質(zhì)，全年平均為Ⅲ類水質(zhì).

2011年鄱陽湖流域水文條件特殊.1-5月，江西省降水量比常年同期均值減少49%，為1950年以來同期最少；全省年平均降水量比年均值少20.4%，屬枯水年份.而6月份，北部出現(xiàn)典型的“旱澇急轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，平均降水量較常年同期平均偏多183%，瞬間增大的地表徑流量，使流域中的營養(yǎng)物質(zhì)在短時間內(nèi)帶入河道水體，所有監(jiān)測點氮平均濃度在這個月急劇升高，并在7月達(dá)到全年的高峰值，導(dǎo)致這一年所有監(jiān)測點的氮平均濃度顯著升高，僅有兩個點為Ⅲ類，8個點為Ⅳ類，6個點都為Ⅴ類，還出現(xiàn)一個劣Ⅴ類水質(zhì)點.

根據(jù)上、下游地區(qū)不同時期的采樣值可以看出，下游的數(shù)值明顯高于上游，說明林地對面源污染有消減和抑制作用，而耕地是主要的面源污染產(chǎn)出源.在2009和2010年兩個水文相對正常的年份，上、下游氮濃度變化趨勢基本一致，都是從4月開始顯著上升，在6月后又迅速下降，并在8-9月達(dá)到一年中的最低值，之后又急劇上升，在12月份達(dá)到最大值.

TP濃度的時空分布規(guī)律不如氮的明顯.總體上來說，也是從上游到下游逐漸升高，枯水期高于豐水期.由于磷主要以顆粒態(tài)存在，其濃度受降雨影響程度低于氮，而河底沉積物的釋放也使其濃度分布規(guī)律性較差.

可見降雨量及降雨強(qiáng)度是樂安河流域營養(yǎng)鹽濃度年際變化的主要影響因素，而流域內(nèi)的農(nóng)業(yè)活動是流域營養(yǎng)鹽濃度年內(nèi)變化的主要影響因素.

4 結(jié)論

2) 降雨對營養(yǎng)物濃度有重大影響，降雨量和降雨強(qiáng)度的增加都會明顯促進(jìn)營養(yǎng)物的流失，因此偏枯水的2009年，年平均水質(zhì)維持在Ⅱ類左右；而在豐水的2010年，年平均水質(zhì)則下降至Ⅲ類.但同時，長時間的降雨也會使湖泊水位升高，水體容量增大，對污染物能起到一定的稀釋作用.因此在極枯的年份，由于水量大量減少，即使少量污染物也能呈現(xiàn)較高濃度；而短時間內(nèi)的強(qiáng)降雨則會使地表徑流瞬間增大，攜帶大量污染物進(jìn)入水體，使污染物濃度急劇升高，這就導(dǎo)致2011年全年營養(yǎng)物濃度都偏高，并在6-7月異常增大，出現(xiàn)劣Ⅴ類水質(zhì).說明降雨是流域水質(zhì)年際變化的主要原因.

3) 通過一年中不同月份降雨量、人類活動及氮濃度的對比分析可以看出，在主汛期，湖泊河流水量達(dá)到最大時對污染物濃度稀釋作用影響較大；而其他時期，農(nóng)業(yè)活動強(qiáng)度與氮濃度基本呈正比，是引起流域內(nèi)營養(yǎng)鹽濃度年內(nèi)變化的主要原因.這也表明該流域內(nèi)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展使污染物排放大量增加，在水文正常年份，充足的水量極大地稀釋了污染物濃度，使流域呈現(xiàn)較好水質(zhì)，而在枯水年甚至枯水期水質(zhì)則顯著下降.

綜上所述，流域內(nèi)產(chǎn)生并隨水流進(jìn)入鄱陽湖的污染物是影響其水質(zhì)的主要原因，而隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，污染物排放還在大量增加；且隨著全球氣候波動引起的極端氣候事件頻發(fā)和長江流域重大水利工程的建設(shè)運行，鄱陽湖及其周邊湖泊缺水將呈現(xiàn)常態(tài)化，也將導(dǎo)致水環(huán)境容量下降.因此僅靠湖泊的自凈能力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能消耗流域內(nèi)產(chǎn)生的污染物，因此，在五河入湖口實施污染物削減措施和工程，控制入湖污染物總量，是保護(hù)鄱陽湖“一湖清水”的重要途徑.

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Nutrient loading and its controlling factors in Le’an River watershed， Lake Poyang basin

XIA Yu1，2， YAN Bangyou3& FANG Yu2

(1：SchoolofScience，NanchangUniversity，Nanchang330031，P.R.China)(2：OfficeforMountain-River-LakeDevelopmentandManagementCommitteeofJiangxiProvince，Nanchang330046，P.R.China)(3：DepartmentofScienceandTechnology，JiangxiProvince，Nanchang330046，P.R.China)

Lake Poyang watershed； Le’an River watershed； diffuse pollution； eutrophication

*江西省科學(xué)合作計劃項目(20142BDH80016)和江西省主要學(xué)科學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人培養(yǎng)計劃專項(20123BCB22008)聯(lián)合資助.2014-02-21收稿；2014-08-20收修改稿.夏雨(1980～)，女，博士，副研究員；E-mail：416522685@qq.com.

**通信作者；E-mail：ybangyou@sina.com.