周曉雯, 安艷玲, 吳起鑫, 呂婕梅, 高世林, 李釩璽

(1.貴州大學(xué) 喀斯特環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 貴陽 550025; 2.貴州理工學(xué)院, 貴陽 550002)

氮、磷營養(yǎng)鹽的大量輸入易使水體的營養(yǎng)水平失去平衡，進(jìn)而破壞河流或湖泊水質(zhì)，導(dǎo)致浮游植物大量生長，引起一系列富營養(yǎng)化、水體缺氧等環(huán)境問題[1-4]，因此關(guān)注河流水體氮磷水平對(duì)水環(huán)境管理起到關(guān)鍵作用。長期以來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)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(duì)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(qiáng)烈；在不同的影響因素下水體的氮磷濃度及形態(tài)變化具有顯著差異[10-11]。

氮、磷營養(yǎng)鹽進(jìn)入水體的途徑廣泛、形式多樣，包括點(diǎn)源污染和面源污染。我國學(xué)者分別對(duì)重慶主城區(qū)次級(jí)河流[12]、天津中心城區(qū)河網(wǎng)[13]、成都市區(qū)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(jìn)行研究，研究結(jié)果顯示未完全收集或處理的城鎮(zhèn)生活污水和工礦企業(yè)廢水等點(diǎn)源污染的集中排放，將使受納水體氮磷達(dá)到高濃度水平；Wu等[15]對(duì)東江流域的研究發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)面源污染將氮磷污染物以分散、廣泛、微量的方式進(jìn)入河流，導(dǎo)致水體的氮磷空間分布存在差異性。近年來隨著我國城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，將城市農(nóng)村緊密結(jié)合，流域進(jìn)入“城鎮(zhèn)—農(nóng)業(yè)”復(fù)合發(fā)展階段，人類活動(dòng)更為頻繁，特別是山區(qū)河流在人為干擾下，其污染系統(tǒng)更復(fù)雜，污染過程帶有點(diǎn)面結(jié)合的特征，在外源氮磷污染的強(qiáng)烈輸入及持續(xù)的營養(yǎng)壓力下，一旦超過山區(qū)河流的自凈能力，將對(duì)水體的氮磷含量造成難以控制的累積影響，使山區(qū)河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況受到威脅。過往研究成果集中在某城市或農(nóng)業(yè)氮磷污染嚴(yán)重河段，對(duì)具有雙重特征的山區(qū)河流氮磷營養(yǎng)水平關(guān)注較少。因此了解山區(qū)河流的氮磷營養(yǎng)鹽分布狀況、來源及影響因素對(duì)保護(hù)其水生態(tài)系統(tǒng)、防治水質(zhì)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(duì)赤水河水質(zhì)貢獻(xiàn)較大。桐梓河所在區(qū)域?qū)儆诘湫偷目λ固厣絽^(qū)流域，其獨(dú)特的地形地貌和水文二元結(jié)構(gòu)[16-17]，造成其水環(huán)境十分脆弱，河流對(duì)人類活動(dòng)產(chǎn)生的生態(tài)系統(tǒng)變化敏感，而目前傍河城鎮(zhèn)的城市化進(jìn)程加快、農(nóng)業(yè)活動(dòng)擴(kuò)展，加重了流域內(nèi)部的水土流失，其土地利用類型也隨之發(fā)生顯著改變，直接影響著桐梓河水體的營養(yǎng)水平，但是目前針對(duì)該河流的氮磷空間分布對(duì)人類活動(dòng)的響應(yīng)機(jī)制尚未見報(bào)道。

鑒于此，本研究以桐梓河為研究對(duì)象，通過對(duì)河流樣品現(xiàn)場收集和試驗(yàn)測定，分析桐梓河水體氮磷空間分布特征，從水體環(huán)境因子及人類活動(dòng)對(duì)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(huán)境保護(hù)策略制定提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

桐梓河，赤水河中段一級(jí)支流，發(fā)源于遵義市桐梓縣小壩鄉(xiāng)楚米鎮(zhèn)，位于東經(jīng)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(jīng)桐梓、匯川、仁懷、習(xí)水4縣(市、區(qū))部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)，于仁懷、習(xí)水交界之兩河口匯入赤水河。

桐梓河處于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候區(qū)，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(shí)空分布變化與降水基本一致，屬于典型的山區(qū)雨源型河流。流域內(nèi)崇山峻嶺，多懸?guī)r崩石，除發(fā)源地天門屬?zèng)_積盆地，其余地區(qū)呈典型喀斯特山地特點(diǎn)[18]，耕地分散，河谷縱深。

桐梓河上游區(qū)域地勢較平坦，城鎮(zhèn)建設(shè)用地密集，人口密度大，且污水收集處理系統(tǒng)尚不完善，存在局部點(diǎn)源污染，中下游流經(jīng)坡度較陡、地勢較高的喀斯特山區(qū)，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(nóng)業(yè)面源污染，特別是下游水體附近分散有部分農(nóng)村居民聚居點(diǎn)，畜禽養(yǎng)殖以家庭式散養(yǎng)為主，其產(chǎn)生的非點(diǎn)源污染的氮磷濃度高且難以控制去向[19]。流域內(nèi)農(nóng)業(yè)人口較多，同時(shí)發(fā)展有小型采煤、鐵合金冶煉、機(jī)械、電力、輕手工業(yè)等。桐梓河的水利資源也在加快開發(fā)，現(xiàn)建有圓滿貫水電站、楊家園水電站等8級(jí)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(duì)桐梓河沿途干流、主要支流進(jìn)行樣品采集，根據(jù)河流水文特征及周圍用地類型，共設(shè)置31個(gè)采樣點(diǎn)：干流上游河源至桐梓縣燎原鎮(zhèn)段(G1—G5)、中游桐梓與匯川界河(G6—G9)、下游仁懷與習(xí)水界河(G10—G13)及各條支流包括上游桐梓縣城內(nèi)溱溪河等分支(S1—S4)，中游高橋鎮(zhèn)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(shù)水質(zhì)分析儀現(xiàn)場測定原位表層水體的pH值(精度為±0.2個(gè)單位)、水溫(精度為±0.10℃)、溶解氧(精度為±0.2 mg/L)、電導(dǎo)率(精度為讀數(shù)的±1%)、濁度(精度為讀數(shù)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(diǎn)分布示意

3 結(jié)果與分析

3.1 桐梓河水體理化指標(biāo)

桐梓河水體pH值相對(duì)穩(wěn)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(tài)，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(shù)達(dá)到113.88%，具有明顯的空間差異，下游水體透明度相對(duì)較高，河流底質(zhì)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(biāo)

3.2 桐梓河氮、磷濃度分布特征

圖2 桐梓河干流采樣點(diǎn)水體的TN和濃度

圖3 桐梓河干流采樣點(diǎn)水體的TP，DTP和PP濃度

圖4 桐梓河各條支流采樣點(diǎn)水體的TN和濃度

圖5 桐梓河各條支流采樣點(diǎn)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(guān)系數(shù)

3.3.2 人類活動(dòng)對(duì)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(fā)現(xiàn)在環(huán)太湖不同性質(zhì)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(qū)，相對(duì)遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)，建設(shè)用地減少，植被覆蓋率提高，高度集中的工業(yè)活動(dòng)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(jī)制對(duì)山區(qū)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(zhèn)距離呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明城鎮(zhèn)化水平對(duì)流域氮、磷污染具有重要影響。

下游主要支流分布在二郎鎮(zhèn)等傍河村鎮(zhèn)，其畜禽養(yǎng)殖業(yè)較為集中，飼料、畜禽糞便及散亂排放的農(nóng)村生活污水增加了營養(yǎng)鹽的排放，提高了水體中TN濃度，比如二郎河(X3)的TN濃度達(dá)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(shí)區(qū)域內(nèi)畜禽養(yǎng)殖廢水的輸入使水體中DTP濃度得到增長，DTP對(duì)TP的占比隨之上升，尤其是G12的DTP濃度達(dá)到0.06 mg/L，占TP的58.02%，對(duì)TP的貢獻(xiàn)提高。

表3 國內(nèi)地表水中氮、磷平均濃度對(duì)比 mg/L

與同為山區(qū)河流但處于非喀斯特地區(qū)的黑水灘河[38]進(jìn)行比較，黑水灘河受河流兩岸形成串聯(lián)狀的多級(jí)城鎮(zhèn)污染的持續(xù)壓力，最終在河口處達(dá)到氮磷濃度的峰值，而桐梓河位于貴州高原喀斯特山區(qū)，地表崎嶇破碎，不易形成連續(xù)分布的城鎮(zhèn)居民區(qū)，僅在上游段承受來自桐梓縣城較集中的城鎮(zhèn)污染，TP濃度因此出現(xiàn)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(nóng)業(yè)河流不同的是，桐梓河具有“點(diǎn)—面”污染復(fù)合特征，上游主要輸出城鎮(zhèn)點(diǎn)源污染，中下游喀斯特流域土層淺薄、生態(tài)環(huán)境脆弱，水體對(duì)人為干擾影響更敏感，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的加強(qiáng)、土地利用方式的改變，以及水利工程的闡壩攔截，都導(dǎo)致桐梓河經(jīng)受人為干擾，特別是喀斯特山區(qū)夏季多雨，水土流失加重面源污染，營養(yǎng)元素流失的面積更加廣泛。因此，河流承受從上游到下游點(diǎn)面污染結(jié)合的雙重影響，造成TN濃度在變化波動(dòng)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(zhì)量比]反映氮磷對(duì)浮游植物生長的營養(yǎng)限制。當(dāng)TN/TP≥22.6時(shí)，表現(xiàn)為磷缺乏；當(dāng)TN/TP≤9時(shí)，表現(xiàn)為氮缺乏；當(dāng)TN/TP介于兩者時(shí)，表明氮磷均可能是主要限制因子，此時(shí)浮游植物生長與氮、磷濃度存在線性相關(guān)關(guān)系，環(huán)境適合藻類生長，易造成水體富營養(yǎng)化[39-40]。

桐梓河水體的TN/TP實(shí)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(fā)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(tài)。與平原河流[13]相比，山區(qū)河流流速快，坡降大，交換能力強(qiáng)，所以桐梓河尚未出現(xiàn)大規(guī)模的水華現(xiàn)象，但上游大部分采樣點(diǎn)的TN/TP為10～25(圖6—7)，上游水體整體處于潛在富營養(yǎng)化區(qū)，一旦有流速緩慢的河段，有發(fā)生水華的高風(fēng)險(xiǎn)，特別是位于城鎮(zhèn)段河流，高濃度的外源點(diǎn)源輸入可能造成水質(zhì)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(duì)升高，與傍河城鎮(zhèn)的村鎮(zhèn)生活污水及畜禽廢水等面源污染有關(guān)?？傊祟惢顒?dòng)主導(dǎo)的流域土地利用方式的改變，使桐梓河受到“點(diǎn)—面”結(jié)合的污染，對(duì)水體TN/TP影響顯著，令桐梓河水體氮磷組成多樣化，進(jìn)一步增加河流水華暴發(fā)的幾率。

圖6 桐梓河干流各采樣位點(diǎn)水體的氮磷比

圖7 桐梓河各條支流各采樣位點(diǎn)水體的氮磷比

4 結(jié) 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(tài)以PP為主。在空間上，TN濃度呈波動(dòng)式增長，TP濃度則上游高于中下游。

(2) 人類活動(dòng)帶來的“城鎮(zhèn)—農(nóng)業(yè)”點(diǎn)面污染使河流的氮磷濃度表現(xiàn)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(yè)廢水、城鎮(zhèn)生活污水等點(diǎn)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(yǎng)殖等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)及農(nóng)村生活污水帶來的非點(diǎn)源污染；干流上的水利工程也對(duì)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(tài)，暫無大規(guī)模水華現(xiàn)象發(fā)生，主要因?yàn)樯降睾恿髁魉佥^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(yǎng)化區(qū)，城鎮(zhèn)高濃度氮磷污染輸入水體，對(duì)上游水質(zhì)有嚴(yán)重威脅。