太湖流域上游西苕溪支流的營養(yǎng)狀態(tài)特征及成因分析*

王 歡，袁旭音，陳海龍，許海燕，李正陽

(河海大學環(huán)境學院，南京 210098)

太湖流域上游西苕溪支流的營養(yǎng)狀態(tài)特征及成因分析*

王 歡，袁旭音**，陳海龍，許海燕，李正陽

(河海大學環(huán)境學院，南京 210098)

營養(yǎng)鹽；COD；流量；土地利用類型；支流；西苕溪；太湖流域

氮、磷營養(yǎng)鹽是生物體必需元素，同時也是引起水體富營養(yǎng)化的主要影響因素.水體的氮、磷分布也是區(qū)域水生態(tài)環(huán)境的反映[1-3].近年來，隨著經濟發(fā)展，人類活動日益劇烈，我國河流水體中營養(yǎng)元素質量濃度有上升趨勢[4-6]，營養(yǎng)鹽質量濃度上升會導致河流水體富營養(yǎng)化風險增加，是河流水環(huán)境治理的重要問題之一[7].

西苕溪是太湖的主要入湖水系，近年來由于經濟的發(fā)展和土地利用的調整，林地地區(qū)被大量開墾為坡耕地、耕地；氮肥的大量施用、城市化的加快也使大量氮、磷污染物排入太湖下游，增加了太湖的氮、磷入湖負荷[8-9].由于土地利用和來源的不同，西苕溪流域上、中、下游地區(qū)各個支流小流域氮素輸出強度差異很大[10].耕地產生的污染物負荷要高于其他土地利用類型[11].西苕溪流域營養(yǎng)鹽輸出水平空間差異性明顯，小流域單元優(yōu)勢土地利用類型與營養(yǎng)鹽輸出關系明顯[12].盡管已有一些關于西苕溪流域水體營養(yǎng)狀態(tài)的研究，但大多集中在西苕溪干流，對西苕溪支流的營養(yǎng)狀態(tài)的差異性及營養(yǎng)鹽輸出的研究還比較少，而支流水體的營養(yǎng)水平是流域水污染控制的重要內容.

本實驗選取西苕溪主要支流作為研究對象，針對區(qū)域水體富營養(yǎng)化問題，通過對豐水期、平水期和枯水期水質進行檢測、統(tǒng)計，對苕溪支流氮、磷營養(yǎng)鹽含量變化、輸出負荷進行分析，并從土地利用類型的角度分析水質變化的成因，以期為西苕溪乃至太湖的富營養(yǎng)化研究提供參考.

1.1 污水處理廠處理尾水

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

圖1 采樣點分布Fig.1 Distribution of the sampling sites

圖2 西苕溪支流流域土地利用結構Fig.2 Land use composition of tributaries of Xitiaoxi River

西苕溪位于太湖流域上游，是其主要入湖水系之一.西苕溪主源為西溪，有數(shù)十條主要支流匯流而入.支流流域屬亞熱帶季風氣候區(qū)，降雨主要集于4-9月.本研究的采樣點分布如圖1所示.

利用2010年的TM/ETM遙感影像數(shù)據獲得西苕溪流域的土地利用數(shù)據，并對支流小流域進行實地勘察修正，根據研究目標以及遙感影像的精度，將土地利用類型分為林地、耕地、草地和居民地4大類.結合全流域土地利用現(xiàn)狀圖，獲得各支流流域不同土地利用類型的面積和相應的百分比，作為進一步分析土地利用結構對西苕溪支流水質影響的基礎.西苕溪支流土地利用類型以林地為主，其次為耕地、居民地、草地(圖2).

1.2 樣品采集和處理

在2013年7、10和12月，對西苕溪的10條支流進行了3次集中采樣.以7月代表豐水期，10月代表平水期，12月代表枯水期.按水樣采集規(guī)范[13]，根據不同支流的寬度，各斷面分別設置1～3個采樣點，采集0.5m以上表層水.同一斷面超過1個采樣點時，取平均值代表斷面平均水質狀況.同時使用LB70-1C懸杯式流速儀對各斷面的流速進行檢測.

1.3 樣品分析方法

2 結果與分析

2.1 水體理化參數(shù)特征

西苕溪主要支流豐水期、平水期和枯水期pH范圍為5.67～7.71，均為中偏弱酸性水體；DO含量范圍為3.62～8.02mg/L.XT06這條支流，采樣點位于紅山村，附近有礦山開采，水中有大量運沙船通過，水質渾濁，夏季污染重、水溫高，底泥厭氧發(fā)酵導致豐水期DO較低，其余飽和率范圍為60%～102%.受水溫的影響，大部分河流DO含量枯水期大于平水期和豐水期.受水體流速的影響，DO飽和率枯水期小于平水期和豐水期；電導率范圍為123～459μS/cm，一些支流的電導率是枯水期大于平水期和豐水期，可能與枯水期水體流量小、工業(yè)污染源排放相對量增加有關(表1).

表1 西苕溪支流理化參數(shù)Tab.1 Results of physical chemistry parameters of tributaries of Xitiaoxi River

2.2 營養(yǎng)元素及其形態(tài)特征

西苕溪支流磷、氮含量變化如圖3所示.TP含量范圍為0.033～0.205mg/L，除了XT08支流，其他所有支流的TP含量均優(yōu)于Ⅱ類水標準.顆粒態(tài)磷(PP)的含量范圍為0.007～0.104mg/L，TDP含量為0.012～0.101mg/L.除了豐水期的支流XT02、XT09外，PP為其余支流磷的主要賦存形態(tài)，PP/TP值在51.7%～83.3%之間.大部分支流的磷含量均表現(xiàn)為枯水期>平水期>豐水期.與干流相比[14-15]，大部分支流的磷含量低于干流.

圖3 西苕溪支流N、P含量季節(jié)變化Fig.3 Distribution of N and P in diverse seasons in tributaries of Xitiaoxi River

COD可以作為有機污染的指標.西苕溪支流的COD范圍在6.5～15.5mg/L之間，達到Ⅰ～Ⅱ類水質標準，表明西苕溪支流還未受到有機污染的嚴重影響.大多數(shù)支流枯水期COD值高于平水期和豐水期.與干流相比[15]，大多數(shù)支流的COD值低于干流，對干流而言表現(xiàn)為稀釋作用(圖4).

2.3 西苕溪流域支流的差異性分析

圖4 西苕溪支流COD含量季節(jié)變化Fig.4 Distribution of COD in diverse seasons in tributaries of Xitiaoxi River

圖5 支流聚類分析結果Fig.5 Clustering analysis results for tributaries of Xitiaoxi River

2.4 西苕溪流域支流營養(yǎng)鹽輸出通量分析

西苕溪支流營養(yǎng)鹽、有機物的輸入會影響干流的總體負荷，進而會影響到太湖水質.將支流視作接納農業(yè)污水、生活污水、工業(yè)廢水和地表徑流等的污染源排口，計算調查支流營養(yǎng)鹽和有機物的輸出負荷.計算公式為：營養(yǎng)鹽通量(g/s)=營養(yǎng)鹽濃度(mg/L)×流量(m3/s)×換算系數(shù).

西苕溪10條支流豐水期、平水期和枯水期的流量如圖6所示，計算得到的豐水期、平水期和枯水期的TP、TN和COD的輸出結果見表2.支流TP在7、10和12月的輸出分別為8.72、6.52和3.86g/s；TN輸出分別為294.44、212.90和146.35g/s；COD的輸出分別為1015.79、668.41和445.49g/s.可見支流輸入是干流氮、磷的重要來源，支流對西苕溪干流的營養(yǎng)鹽輸入應該引起重視.受流量的影響，各支流TP、TN和COD的輸出均為豐水期>平水期>枯水期.以流量Q為自變量，分別以TP、TN和COD為因變量做一元線性回歸分析，結果表明TP、TN和COD輸出與流量均呈顯著正相關，相關系數(shù)均在0.95以上.XT10支流由于流量最大，其輸出也最大，占10條支流總輸出的25%以上；XT08支流流量最小，其營養(yǎng)鹽輸出也最小，只占總輸出的1.0%～3.6%.

圖6 西苕溪支流流量季節(jié)變化Fig.6 Flux of Xitiaoxi River tributaries in diverse seasons

2.5 土地利用對支流水質參數(shù)的影響

由于經濟的發(fā)展和用地結構的調整，西苕溪流域土地利用類型發(fā)生了很大的變化[18].土地利用從兩方面作用于河流水環(huán)境質量：一方面通過不同人類活動方式和強度影響營養(yǎng)鹽進入水體的輸入量，另一方面通過用地方式改變地表粗糙度，從而影響地表徑流過程和營養(yǎng)鹽進入水體的過程[19-22].因此，西苕溪支流的營養(yǎng)狀態(tài)現(xiàn)狀與其土地利用類型有著密不可分的關系.

表2 西苕溪支流營養(yǎng)鹽通量(g/s)Tab.2 Fluxes load of TN， TP and COD of tributaries of Xitiaoxi River

表3 土地利用類型與水質指標的Spearman相關分析Tab.3 Spearman correlation analysis between land use and water quality parameters

* 表示P<0.05，顯著相關；** 表示P<0.01，極顯著相關.

表4 土地利用類型與營養(yǎng)鹽輸出的 逐步多元回歸分析*Tab.4 Regression analysis between land use and water quality index

階段回歸分析方程R豐水期TP=0.297-0.003FL0.755TN=1.756+0.070CL0.786NO-3-N=0.848+0.022CL0.708COD=29.214-0.247FL0.908平水期TN=7.645-0.056FL0.795TP=0.063+0.008RL0.665枯水期TN=2.742+0.075CL0.704COD=10.301-0.424FL0.674

*FL代表林地，CL代表耕地，RL代表居民地，以百

分比表示.為進一步研究土地利用類型對水質的影響，對水質指標與土地利用類型進行逐步多元回歸分析.從表4可知，進入多元逐步回歸模型的、起顯著作用的自變量有林地、耕地和居民地，表明這幾種土地利用對營養(yǎng)鹽和COD的空間分布影響較大.空間格局會影響土地利用與水質之間的關系，距離監(jiān)測點最近的土地利用情況對于水質的影響要比整個流域的綜合土地利用情況對水質的影響更大[28].在西苕溪支流流域附近，主要土地利用類型為林地，耕地，但是個別支流穿過城區(qū)，導致盡管居民地的總體比例不高，但是卻出現(xiàn)在回歸模型中.

由上述分析可知，西苕溪支流附近的土地利用類型是造成不同支流營養(yǎng)元素分布差異的主要成因.從空間分布來說，支流的林地、草地比例升高，營養(yǎng)元素和COD含量降低，耕地、居民地和水體比例增大，營養(yǎng)元素和COD含量升高.從季節(jié)變化來說，與支流附近的農業(yè)耕作方式和地表徑流的季節(jié)變化有關.枯水期降雨量少，通過降雨徑流作用從流域輸出的非點源污染物含量降低，同時地表徑流量降低導致水體的環(huán)境容量減弱，對其中的污染物降解作用降低，因此12月份的污染物濃度值較大.雖然7月份頻繁的農業(yè)活動中施入的大量氮肥、農藥以非點源的形式進入地表水體，導致地表水體中的氮含量增加，但是7月份是全年雨、熱量最大的月份之一，降雨匯流作用導致地表徑流量增加，對其中的污染物有稀釋作用，降低其中的污染物濃度.10月平水期情況，基本上處于豐水期與枯水期之間.

3 結論

1) 太湖流域上游西苕溪支流水體磷污染和有機污染較輕，氮污染相對較重.西苕溪支流流域的營養(yǎng)鹽含量基本上呈現(xiàn)出了枯水期>平水期>豐水期的特性，營養(yǎng)鹽含量空間變化較為顯著.與西苕溪干流相比，除TN含量略高于干流，其他營養(yǎng)鹽含量均低于干流，對干流表現(xiàn)出稀釋作用.根據營養(yǎng)鹽和COD含量，利用聚類分析可以將支流分為4類，每一類的營養(yǎng)特征與周圍環(huán)境相聯(lián)系.

2) TP、TN和COD輸出均與流量呈顯著的正相關關系.表明流量是營養(yǎng)物輸出的關鍵因素.西苕溪支流輸入是干流營養(yǎng)鹽的重要來源，其營養(yǎng)鹽排放應該得到足夠的重視.

3) 西苕溪支流的土地利用類型與水質的相關性結果表明，耕地、居民地是營養(yǎng)源的重要貢獻者，林地和草地起則起到了匯的作用，這給太湖流域的土地管理和水污染控制提供了依據.

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Water nutrient status and its controlling factors in the inflow tributaries of Xitiaoxi River， upper reaches of Lake Taihu basin

WANG Huan， YUAN Xuyin， CHEN Hailong， XU Haiyan & LI Zhengyang

(CollegeofEnvironment，HohaiUniversity，Nanjing210098，P.R.China)

Nutrients； COD； fluxes load； land use type； tributaries； Xitiaoxi River； Lake Taihu basin

*國家自然科學基金項目(41372354)和科技部國際科技合作專項(2012DFA60830)聯(lián)合資助.2014-02-26收稿；2014-08-11收修改稿.王歡(1989～)，女，碩士研究生；E-mail：why20131207@126.com.

**通信作者；E-mail：yxy_hjy@hhu.edu.cn.