亞熱帶地區(qū)典型水庫流域氮、磷濕沉降及入湖貢獻率估算

余博識，梁 亮，鄭丹萍，劉會萍，童秀華，唐華峰，徐克銘

(1：浙江省紹興市湯浦水庫有限公司，紹興 312364)(2：浙江省舟山開源供水有限責任公司，舟山 316021)(3：浙江省紹興市公用事業(yè)集團有限公司，紹興 312000)

現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展、農(nóng)業(yè)化肥的大量應(yīng)用、生物質(zhì)燃燒和高密度人口的經(jīng)濟社會活動，釋放了大量的氮磷化合物和顆粒物[1-2]. 在重力作用下，大氣中水溶性或顆粒態(tài)氮磷被雨、雪、雹等降水過程沖刷至地面進入生態(tài)系統(tǒng)，并伴隨著土壤侵蝕，加劇河流、湖泊和水庫等水體的富營養(yǎng)化[2-3]. 因此，作為流域非點源污染因素之一的大氣氮、磷濕沉降及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)引起了廣泛關(guān)注.

湯浦水庫作為虞紹平原重要飲用水源地之一，擔負著杭州灣大灣區(qū)建設(shè)的部分水源供給，水質(zhì)保證是湯浦水庫的生命線. 為探索大氣氮、磷污染占水庫外源污染輸入的比重，本文在湯浦水庫上游4個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的主要3條入庫溪流中部設(shè)置大氣濕沉降采樣點4處，溪流匯入口設(shè)置水質(zhì)采樣點3處. 對流域內(nèi)大氣濕沉降及入庫溪流營養(yǎng)情況進行初步觀測，分析大氣濕沉降中氮的數(shù)量、形態(tài)，研究氮、磷輸入的時空分布規(guī)律，估算濕沉降對湯浦水庫水體氮、磷負荷的直接和間接貢獻量，為流域水質(zhì)管理提供科學(xué)依據(jù).

1 研究區(qū)域概況與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)為浙江省紹興市湯浦水庫流域，湯浦水庫壩址位于小舜江下游的紹興市上虞區(qū)湯浦鎮(zhèn)，控制流域集水面積460 km2，水庫水域面積13.64 km2. 匯入水庫的河流主要有南溪、北溪、王化溪和萬喬溪，其中南溪、北溪在庫前匯成雙江溪. 雙江溪、王化溪和萬喬溪的入庫流量占水庫總徑流量的比例分別為75.4%、13.3%和4.3%. 流域平均海拔高度263.5 m，土壤類型主要為紅壤，土地利用方式主要包括林地、水田、旱地、茶園和果園，原始山林占流域面積的75%. 流域多年平均氣溫17.1℃，平均降水量1530 mm. 湯浦水庫流域?qū)賮啛釒Ъ撅L性氣候區(qū)，四季分明，光照充足，雨量豐沛，溫暖濕潤. 由于處于中亞熱帶與北亞熱帶的過渡區(qū)，且地形較復(fù)雜，小氣候差異明顯，降雨量季節(jié)分配不均勻，其中3-9月7個月的雨量占全年降水量的80%，梅雨季平均每年6月中旬入梅，7月上旬出梅，雨量相對集中；秋季常受臺風影響，形成暴雨事件. 流域2014年和2015年屬于豐水年，年降雨量分別為1711和1991 mm. 王化點位地處谷地的村落中心，北部、南部均有較大面積農(nóng)田，兩邊有百米山體；王壇點位西部為山林，東部為濕地，地勢較低，屬于盆地邊緣，離集鎮(zhèn)和農(nóng)田有1 km的距離，集鎮(zhèn)發(fā)達，污染物不易擴散；稽東點位東部為山林，西部為農(nóng)田和集鎮(zhèn)，位于集鎮(zhèn)邊緣；谷來點位周邊為開墾山地，從事農(nóng)業(yè)種植、經(jīng)濟苗木種植等，地勢較高，位于半山腰，西部200 m為村落，東部1 km為集鎮(zhèn). 4個雨樣點附近均有公路穿過.

圖1 湯浦水庫流域采樣點分布Fig.1 Distribution of sampling sites in Tangpu Reservoir Basin

1.2 采樣點設(shè)置與樣品分析

在湯浦水庫流域綜合考慮了流域范圍、空間分布及采樣便利等因素，在上游4個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，主要干流中部，分別設(shè)置了具有代表性的大氣氮、磷濕沉降采樣點共4個(圖1)，在屋頂設(shè)置人工雨量計，依據(jù)天氣預(yù)報，在降雨前打開雨量計的蓋子，人工采集雨水樣品. 于次日將收集到的滿足檢測用量(>500 mL)的雨水樣品轉(zhuǎn)移到2.5 L聚乙烯塑料壺中，同時采集入庫溪流(南溪、北溪、王化溪)水樣各2.5 L，送往檢測單位檢測. 2014年1月-2015年12月共采集大氣濕沉降樣品60個，溪流樣品48個. 每月還另外采集一次溪流樣品進行檢測，樣品共72個. 面雨量數(shù)據(jù)來自湯浦水庫公司自有雨量自動監(jiān)測系統(tǒng)，由9個監(jiān)測點位按各自權(quán)重綜合所得.

1.3 數(shù)據(jù)處理

氮、磷濕沉降通量的計算公式[23]為：

F=∑(R·C)/100

(1)

式中，F(xiàn)為氮、磷的年濕沉降通量(kg/(hm2·a))，R為年內(nèi)逐月降雨量(mm)，C為雨水中TN、TP濃度(mg/L).

氮、磷濕沉降輸出量的計算公式為：

P=∑(μ·F1·S1/10)+∑(F2·S2/10)

(2)

式中，P為濕沉降輸出的營養(yǎng)物量(t)；F1為月濕沉降通量(kg/(hm2·a))；S1為上游流域面積(km2)；F2為月水面濕沉降通量(kg/(hm2·a))；S2為水域面積(km2)；μ為流失系數(shù).

數(shù)據(jù)采用Excel 2016軟件整理，采用Origin 2018軟件作圖，地圖采用ArcGIS 10.2軟件繪制.

2 結(jié)果與分析

2.1 濕沉降氮、磷濃度

2014-2015年湯浦水庫流域各采樣點雨水TN濃度范圍為0.15～2.47 mg/L，平均值為1.02±0.58 mg/L；TP濃度范圍為0.005～0.112 mg/L，平均值為0.033±0.028 mg/L(圖2). 氮濕沉降通量約為18.15 kg/(hm2·a)，低于本地區(qū)臨界負荷[24]，磷濕沉降通量約為0.62 kg/(hm2·a).

圖2 2014-2015年湯浦水庫流域各采樣點雨水的總氮和總磷濃度(圖中橫線從下至上分別表示5%、25%、50%、75%、95%分位數(shù)；為平均值)Fig.2 Concentrations of total nitrogen and total phosphorus in rainwater at each site of Tangpu Reservoir Basin from 2014 to 2015

2.2 入庫主要溪流氮、磷營養(yǎng)特征

湯浦水庫水環(huán)境保護的目標水質(zhì)為Ⅱ類，《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838-2002)中基本項目標準限值對應(yīng)的TN和TP限值分別為0.5和0.025 mg/L，大氣濕沉降中氮、磷平均濃度分別是該標準限值的2.04和1.32倍，濕沉降TN平均濃度達到該標準的Ⅳ類，TP平均濃度達到該標準的Ⅲ類. 徑流氮、磷平均濃度分別是該標準限值的5.88和2.4倍，按該評價標準，徑流TN平均濃度為劣V類，TP平均濃度為Ⅳ類. 徑流及濕沉降的高濃度氮、磷輸入對湯浦水庫水環(huán)境，特別是水體富營養(yǎng)化會產(chǎn)生一定的影響.

圖3 2014-2015年湯浦水庫流域主要入庫溪流氮、磷濃度Fig.3 Concentration of nitrogen and phosphorus in the main streams of Tangpu Reservoir Basin from 2014 to 2015

2.3 雨水氮化學(xué)形態(tài)特征

表1 湯浦水庫流域雨水氮濃度及形態(tài)組成

2.4 濕沉降氮、磷濃度的時空變化特征

圖4 湯浦水庫流域濕沉降氮、磷濃度的季節(jié)性變化(*P≤0.05，**P≤0.01，***P≤0.001；Fisher’s LSD檢驗)Fig.4 Seasonal changes of nitrogen and phosphorus concentration in the wet deposition of Tangpu Reservoir Basin

2.5 氮、磷濕沉降對湯浦水庫直接貢獻率的估算

表2 不同湖面濕沉降總氮和總磷年度沉降總量占入湖總負荷比例的比較

2.6 氮、磷濕沉降對湯浦水庫間接貢獻率的估算

間接貢獻率是從流域角度考慮氮、磷收支，輸入項目包括：大氣沉降、化肥施用、生物固定、飼料輸入等；輸出項目包括：地表徑流、淋失、氨揮發(fā)、反硝化、產(chǎn)品輸出等[39]；土壤庫屬于多年積累的本底內(nèi)源. 其中氮、磷濕沉降屬于流域營養(yǎng)輸入元素之一，河流入庫污染負荷量則是流域輸出元素之一.

表3 不同流域濕沉降來源的總氮和總磷年度輸出量占入湖(河流)負荷比例的比較

土壤對磷有較強的吸附能力，為0.3～0.6 mg/g[41]，在降雨的過程中由于降雨侵蝕和徑流侵蝕，會增加土壤中顆粒態(tài)磷的流失. 在對長樂江流域不同污染源分析表明大氣磷沉降占污染物輸入(投排放)總量的1%[17]. 在對江西千煙洲香溪流域進行磷沉降研究認為，P沉降輸出系數(shù)為0.06%～0.15%[1]. 根據(jù)全國污染源普查數(shù)據(jù)，南方山地丘陵區(qū)肥料中TP流失系數(shù)為0.072%～1.547%[54]. 我們假設(shè)磷濕沉降也是一種肥料，將TP流失系數(shù)取1.547%，則流域大氣濕沉降源的磷流失量為1.25 t，約占河流輸出TP負荷的4.6%，明顯高于表3中千煙洲香溪流域和長樂江流域，略低于表3中漕橋河流域和杭嘉湖流域.

3 結(jié)論與展望

2)在時間尺度上，雨水氮、磷濃度呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性差異，總體而言，湯浦水庫流域雨水氮、磷濃度表現(xiàn)出冬、春季(少雨季)高于夏、秋季(多雨季)的特點. 空間上，王化點位的各形態(tài)氮和TP濃度顯著高于其他3個采樣點.

3)氮、磷濕沉降占河流入庫負荷的直接貢獻率和間接貢獻率均低于10%，間接貢獻率較直接貢獻率增幅有限. 因此在河湖長制工作的外源污染物治理中，需定期收集掌握不同土地利用類型等多污染源的數(shù)量變化動態(tài)，分析各污染源的貢獻率，甄別重點污染，針對性地開展工程修復(fù)措施.

本文所收集的大氣濕沉降基本可反映當時區(qū)域內(nèi)濕沉降的時空變化，但仍有許多不足. 大氣濕沉降營養(yǎng)通量受影響因素較多，需結(jié)合氣象條件多年跟蹤分析，并排除偶然性影響. 未來可引進濕沉降自動采樣裝置，彌補人工采樣的不足. 對于洪水期流域營養(yǎng)輸出應(yīng)加密水質(zhì)監(jiān)測頻次. 引入河流自凈量，結(jié)合降雨強度，利用SWAT等分析模型，更科學(xué)地開展估算分析.

致謝：感謝斯坦福大學(xué)余繼業(yè)老師、溫州大學(xué)李仁輝老師、紹興文理學(xué)院王斌梁老師等在論文修改中提供的幫助.