撫仙湖入湖河流氮磷的時空分布特征

楊鑫鑫，朱兆洲，張 晶，李 碩

（1.天津師范大學 天津市水資源與水環(huán)境重點實驗室，天津300387；2.天津師范大學 地理與環(huán)境科學學院，天津

300387）

湖泊富營養(yǎng)化是全球普遍存在的環(huán)境災害. 亞洲、非洲、北美洲、南美洲和歐洲分別有54%、28%、48%、41%和53%數(shù)量的湖泊受到了不同程度的富營養(yǎng)化影響[1].我國湖泊富營養(yǎng)化問題尤為嚴重，70%以上數(shù)量的湖泊呈富營養(yǎng)化狀態(tài)[2]. 湖泊富營養(yǎng)化的營養(yǎng)元素氮磷的來源主要分為外源和內(nèi)源，河流外源輸入對湖泊富營養(yǎng)化造成的影響更為普遍和嚴重[3-5].在湖泊流域系統(tǒng)中，河流水體攜帶著氮磷等營養(yǎng)物質進入湖泊，這部分營養(yǎng)物質在風力和密度梯度等物化作用下與湖水混合，直接造成水體污染；同時，這些污染物又可通過沉積作用和礦化作用成為湖泊內(nèi)在污染源，造成湖泊二次污染[6-7].因此，入湖河流中元素氮、磷的相關研究是整個湖泊系統(tǒng)水體富營養(yǎng)化研究的重要組成部分.

撫仙湖位于我國西南云貴高原，是我國最重要的戰(zhàn)備水源地，儲水量2.062×1010m3，占全國淡水湖泊總蓄水量的9.16%.撫仙湖理論換水周期長達167 a，生態(tài)系統(tǒng)簡單脆弱，一旦污染將很難治愈[8].前期撫仙湖富營養(yǎng)化的研究工作主要集中在湖泊水體本身，有關入湖河流對撫仙湖水體影響的研究較少[9-12].從已開展的研究工作來看，撫仙湖中氮磷含量較20 世紀80年代有了非常顯著的增加[13-14]，因此針對撫仙湖的富營養(yǎng)化問題亟需進一步深入開展研究工作.本研究主要對撫仙湖入湖河流水體中氮磷元素的形態(tài)組成、空間分布特征、月負荷變化以及氮磷比的時空分布特征進行分析，以期揭示撫仙湖主要入湖河流氮磷對湖泊富營養(yǎng)化的影響及貢獻，為撫仙湖富營養(yǎng)化的防治提供科學依據(jù).

1 材料與方法

1.1 流域特征和樣品采集

撫仙湖（24°17′～24°37′N，102°49′～102°57′E）位于云南省中部，屬南盤江水系，湖面呈南北向的葫蘆形，流域面積1053.0 km2，湖面面積212.5 km2，最大水深158.9 m，平均水深95.2 m.當?shù)貧夂驅儆谥衼啛釒О霛駶櫦撅L氣候，流域內(nèi)常年平均氣溫15.6 ℃，7 月最高平均氣溫20.5 ℃，1 月最低平均氣溫8.3 ℃；多年平均降水量為948.1 mm，降水主要集中在5—10 月[15].撫仙湖入湖河流包括山?jīng)_河、隔河、梁王河、東大河、代村河、世家大河、蒿支箐河、牛摩河、尖山河、路岐河和馬房中溝河等主要入湖河流以及其他數(shù)條長度相對較短、徑流量較小的河流，?？诤邮菗嵯珊ㄒ坏男顾?

本研究根據(jù)撫仙湖入湖河流的分布，于2017 年1月至2017 年12 月系統(tǒng)采集了東大河、代村河和梁王河等12 條主要河流的水樣，采樣點分布情況如圖1所示.現(xiàn)場使用多功能水質參數(shù)儀（YSI-EXO2）測定pH 值、電導等水質參數(shù).水樣采集后，樣品在3 ～5 ℃條件下冷卻保存于聚乙烯瓶中.樣品用濃硫酸分別酸化至pH ＜2 和pH ＜1，用于24 h 內(nèi)測定總氮和總磷的質量濃度.另取部分樣品現(xiàn)場過濾，用于測試其他不同形態(tài)氮和磷的質量濃度.

圖1 撫仙湖入湖河流采樣點Fig.1 Sampling sites of inflow rivers of Fuxian Lake

1.2 分析和計算方法

總氮的質量濃度ρTN和溶解態(tài)總氮的質量濃度ρDTN采用堿性過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定；氨氮的質量濃度采用納氏試劑光度法測定；硝氮的質量濃度和采用離子色譜法測定；由于極低，故在本文計算時忽略不計.顆粒態(tài)氮的質量濃度ρPN、溶解態(tài)無機氮的質量濃度ρDIN和溶解態(tài)有機氮的質量濃度ρDON分別為

式（4）和式（5）中：ρDIP為溶解性無機磷，即溶解性正磷酸鹽（PO43--P）的質量濃度.

入湖河流TN 和TP 的負荷為

式（6）中：Wij為i 年j 月環(huán)湖河流TN 或TP 負荷（t/a）；Cij為i 年j 月河流入湖口ρTN或ρTP的平均值（mg/L）；Qij為i 年j 月水量的平均值（m3/s），負荷計算方法參考文獻[3].

2 結果與討論

2.1 入湖河流氮磷質量濃度的空間變化

圖2 為撫仙湖主要入湖河流不同形態(tài)氮的空間變化圖.

圖2 撫仙湖入湖河流氮質量濃度的空間變化Fig.2 Spatial variation of nitrogen concentrations in inflow rivers of Fuxian Lake

由圖2 可以看出，撫仙湖入湖河流ρTN為2.37～10.90 mg/L，平均值為5.23 mg/L；最高值出現(xiàn)在梁王河，為10.90 mg/L；最低值出現(xiàn)在尖山河，為2.37 mg/L.ρDTN為2.23～7.85 mg/L，平均值為4.05 mg/L；其中梁王河最高，質量濃度為7.85 mg/L；最低值出現(xiàn)在尖山河，質量濃度為2.23 mg/L. ρPN為0.13～3.05 mg/L，平均值為1.18 mg/L；最高值出現(xiàn)在梁王河，質量濃度高達3.05 mg/L；隔河最低，為0.13 mg/L. ρDIN為1.32～5.42 mg/L，平均值為3.12 mg/L；最高值和最低值分別出現(xiàn)在世家大河和尖山河，質量濃度分別為5.42 mg/L 和1.32 mg/L.ρDON為0.02～3.14 mg/L，平均值為0.93 mg/L；最高值和最低值分別出現(xiàn)在梁王河和東大河；質量濃度分別為3.14 mg/L和0.02 mg/L.從以上數(shù)據(jù)可以看出，撫仙湖入湖河流的TN 以DTN 為主，DTN 質量占TN 質量的77.33%；PN的質量濃度明顯低于DTN 的質量濃度，PN 質量占TN質量的22.67%.DTN 中DIN 為最主要的賦存形態(tài)，其質量占TN 質量的59.54%；DON 的質量濃度低于DIN的質量濃度，DON 質量占TN 質量的17.84%.參照《地表水水質標準》（GB3838-2002）可以發(fā)現(xiàn)[16]，撫仙湖所有出入湖河流的TN 嚴重超標，最低質量濃度均高于2 mg/L，屬于劣V 類水體.

圖3 為撫仙湖主要入湖河流不同形態(tài)磷的空間變化圖.

圖3 撫仙湖入湖河流磷質量濃度的空間變化Fig.3 Spatial variation of phosphorus concentrations in inflow rivers of Fuxian Lake

由圖3 可以看出，撫仙湖入湖河流ρTP為0.12～7.33 mg/L，平均值為0.86 mg/L；其中代村河TP 的質量濃度最高，為7.33 mg/L；最低值出現(xiàn)在梁王河，質量濃度為0.12 mg/L. ρDTP為0.02～0.92 mg/L，平均值為0.19 mg/L；代村河質量濃度最高，為0.92 mg/L；梁王河最低，質量濃度為0.02 mg/L.ρPP為0.03～6.41 mg/L，平均值為0.68 mg/L；代村河最高，質量濃度為6.41 mg/L；馬房中溝河最低，質量濃度為0.03 mg/L. ρDIP為0.003～0.70 mg/L；平均值為0.13 mg/L；最高值為0.70 mg/L，出現(xiàn)在代村河；最低值出現(xiàn)在世家大河和?？诤?，質量濃度均為0.003 mg/L.ρDOP為0.001～0.22 mg/L，平均值為0.06 mg/L；代村河最高，質量濃度為0.22 mg/L；梁王河最低，質量濃度僅為0.001 mg/L.從以上數(shù)據(jù)可以看出，撫仙湖入湖河流PP 對TP 的貢獻高于DTP 的貢獻，PP 在TP 中的質量分數(shù)為78.43%，DTP 在TP 中的質量分數(shù)為21.57%.DTP 中，DIP 為主要賦存形態(tài)，其質量占TP質量的14.56%；DOP 質量占TP 質量的7.01%.參照《地表水水質標準》（GB3838-2002）可以發(fā)現(xiàn)[16]，蒿芝箐河、梁王河、尖山河、牛摩河和隔河的ρTP為0.1～0.2 mg/L，屬于Ⅲ類水；世家大河、海口河、東大河和路歧河的ρTP為0.2～0.3 mg/L，屬于Ⅳ類水；代村河、山?jīng)_河和馬房中溝河的ρTP大于0.4 mg/L，屬于劣V 類水體.

由上述研究結果可以看出，撫仙湖入湖河流氮磷的分布具有較明顯的區(qū)域性差異，這主要是因為各條河流污染物來源不同.撫仙湖入湖河流氮磷污染主要包括以下4 種來源：①農(nóng)村農(nóng)業(yè)面源污染.受該類型污染的河流流域土地類型以農(nóng)業(yè)用地為主，農(nóng)業(yè)活動中施用大量的氮肥、磷肥或復合肥，未被農(nóng)作物吸收的化肥隨著灌溉用水和雨水進入河流[17].受農(nóng)業(yè)面源污染影響較大的河流包括梁王河、山?jīng)_河、世家大河、路岐河、牛摩河、尖山河和蒿芝箐河.此外，撫仙湖是我國一個重要的旅游集散地，梁王河、牛摩河、山?jīng)_河和馬房中溝河流域人口密集，旅游人口較多，且家庭多散養(yǎng)禽畜，農(nóng)村生活污水排放和禽畜糞也是河流重要的污染來源[18-20].②城鎮(zhèn)生活污水污染.?？诤邮菗嵯珊ㄒ坏男顾樱摵恿鞯腡N 質量濃度和TP 質量濃度比撫仙湖湖體的質量濃度分別高約8 倍和5 倍[21]，這主要是因為該河流位于?？阪?zhèn)，接受大量的城鎮(zhèn)生活污水，因此TN 和TP 嚴重超標.值得注意的是，由于近年來撫仙湖湖泊水位的持續(xù)下降，該河流在降水期有明顯的河水倒灌入湖現(xiàn)象，因此該河流的污染防治不容忽視.③磷礦開發(fā)帶來的污染.由于帽天山磷礦早期的開采活動不夠規(guī)范，形成了大面積的裸露地，表面暴露的大量富磷礦體隨雨水進入河流，造成河流中磷的質量濃度嚴重超標[22].受該類型污染的代表性河流為代村河.④來自于姊妹湖泊的污染源.撫仙湖南岸只有一條入湖河流—隔河，該河流是相鄰湖泊星云湖唯一的泄水口.由于星云湖是嚴重的富營養(yǎng)化湖泊[23]，它對撫仙湖的富營養(yǎng)化具有嚴重影響.因此，星云湖應該與撫仙湖同時同步進行氮磷的污染防治工作.

2.2 入湖河流氮磷負荷的月變化

圖4 為撫仙湖入湖河流不同形態(tài)氮負荷的月變化特征圖.

圖4 撫仙湖入湖河流氮負荷的月變化Fig.4 Monthly variation of nitrogen loads in inflow rivers of Fuxian Lake

根據(jù)計算可知，撫仙湖全年TN 負荷約為397.12t/a；豐水期（6—10 月）河流月負荷量較高，為341.36 t，占全年負荷的85.96%；枯水期（11 月至次年5 月）負荷相對較低，為55.76 t，占全年負荷的14.04%.TN 月負荷最高值出現(xiàn)在6 月，占全年負荷的34.94%；最低值出現(xiàn)在4 月，占全年負荷的0.58%.DTN、DIN 和DON的年負荷量分別為347.46、267.35 和80.11 t/a，占TN年負荷的97.49%、67.32%和20.17%.這3種形態(tài)的氮月負荷量變化特征與TN 負荷相同，即豐水期的負荷量遠高于枯水期；月負荷最高值和最低分別出現(xiàn)在6 月和4 月.PN 年負荷量為49.66 t/a；豐水期負荷量為39.54 t，占全年負荷的79.62%；枯水期負荷量為10.12 t，占全年負荷的20.38%；與其他形態(tài)氮略有不同，該年度PN 月負荷最高值出現(xiàn)在10 月，占全年負荷的37.20%；最低值出現(xiàn)在2 月，僅占全年負荷的0.04%.

圖5 為撫仙湖入湖河流不同形態(tài)磷負荷的月變化特征圖.

圖5 撫仙湖入湖河流磷負荷的月變化Fig.5 Monthly variation of phosphorus loads in inflow rivers of Fuxian Lake

根據(jù)計算可知，撫仙湖入湖河流全年TP 負荷35.83 t/a；豐水期TP 負荷較高，為28.92 t，占全年TP負荷的80.72%；枯水期TP 負荷較低，為6.91 t，占全年TP 負荷的19.28%.TP 月負荷最高值出現(xiàn)在6 月，為8.81 t，占全年負荷的24.59%；4 月負荷量最低，為0.44 t，占全年負荷的1.23%.PP 年負荷量為25.43 t/a，占TP 全年負荷量的70.99%，其中豐水期負荷量為21.92 t，枯水期為3.51 t.PP 的月負荷變化趨勢和TP月負荷變化特征一致，最高值和最低值出現(xiàn)在6 月和4 月，分別占全年負荷的26.81%和1.26%. DTP、DIP和DOP 年負荷量為10.40、7.02 和3.38 t/a，分別占TP總負荷量的29.01%、19.59%和9.43%；與TP 和PP 月負荷不同，這3種形態(tài)的月負荷最高值和最低值分別出現(xiàn)在7 月和11 月.由以上分析可以看出，豐水期撫仙湖入湖河流氮磷月負荷相對較高，枯水期相對較低；氮向撫仙湖的輸入以DTN 為主，磷向撫仙湖的輸入以PP 為主.

撫仙湖入湖河流的氮磷月負荷變化與河流的徑流量和氮磷質量濃度2 個因素有關.一方面，撫仙湖入湖河流多為季節(jié)性河流，豐水期雨水充沛，流域內(nèi)的降水攜帶著大量的營養(yǎng)物質，通過徑流進入河流中；另一方面，大氣降水增加了入湖河流的徑流量，增強了河道的沖刷和運輸能力，使部分河道及流域土壤中的部分營養(yǎng)物質進入河流，增加了氮磷負荷量，這也是流域內(nèi)工農(nóng)業(yè)和生活污染物進入河流的主要途徑之一[24].相反，枯水期降水變少，河流流量減少，其沖刷和運輸能力大大降低，流域內(nèi)氮磷進入水體的負荷量變少[25].從各形態(tài)氮月負荷量看，DTN 是最主要的形態(tài)，這可能是因為農(nóng)業(yè)施肥中氮素以銨態(tài)氮為主，降水加速了土壤中銨態(tài)氮的流失[26]，增加了河流中DTN 的負荷.因此，控制農(nóng)業(yè)污染中的氮元素是防治河流中氮污染的關鍵步驟.由各形態(tài)磷月負荷量看，PP 是最主要的形態(tài)，這是因為土壤吸附磷能力較強，部分區(qū)域農(nóng)業(yè)土壤中PP 流失占磷流失的比例高達75%[27]，雨水形成的徑流沖刷是磷流失的主要途徑[28-32].因此，磷的控制首先應考慮控制豐水期河流中的顆粒物含量.

2.3 入湖河流氮磷比的時空分布

影響水體富營養(yǎng)化的因素中，除了氮磷含量外，TN/TP（質量濃度比）也是一個非常重要的因素.它不僅可以反映湖泊營養(yǎng)物質的限制特征，還可以影響浮游植物的數(shù)量和種類.利用TN/TP 年負荷量比值評估水體營養(yǎng)化的標準可分為3 類[33]：當TN/TP 低于10時，氮元素是浮游植物生長的限制性因素；當TN/TP 為10～23 時，水體環(huán)境適宜浮游植物生長；當TN/TP 為23～30 時，磷元素是浮游植物生長的限制性因素.本文研究的主要河流中除代村河、梁王河和蒿芝箐河外，其余河流的TN/TP 均為10～23，即適于浮游植物生長.代村河的TN/TP 僅為0.70，不利于浮游植物生長，這主要是由于該河流受帽天山磷礦開采的影響，水體中TP 含量非常高.蒿芝箐河的TN/TP 為25，氮是水體富營養(yǎng)化的控制元素.梁王河的TN/TP 為89，這主要是因為梁王河是撫仙湖北部第一大河流，該流域人口密集，受農(nóng)村農(nóng)業(yè)氮肥污染嚴重[16].從時間分布來看，6 月和10 月的TN/TP 分別為30 和34，該時期由于氮素含量較高，不利于浮游植物生長；2 月和12 月的TN/TP均為8，磷是河流富營養(yǎng)化的控制因素；其他月份TN/TP 均為10 ～23，適宜浮游植物生長.本文研究的所有入湖河流的TN/TP 年負荷量比值為11.08，處于適宜浮游植物生長的區(qū)間，因此入湖河流對撫仙湖氮磷的輸入促進了湖泊富營養(yǎng)化進程，需重點防治.

3 結論

本文通過分析環(huán)撫仙湖主要入湖河流水體中不同形態(tài)氮、磷的質量濃度及其時空分布特征、氮磷負荷的月變化和氮磷比的時空分布特征，得到以下結論：

（1）撫仙湖入湖河流ρTN為2.37 ～10.90 mg/L，平均值為5.23 mg/L.DTN 質量占TN 質量的77.33%，是最主要的賦存形態(tài)；PN 的質量分數(shù)相對較小. DTN 中DIN 的質量濃度明顯高于DON.入湖河流ρTP為0.12 ～7.33 mg/L，平均值為0.86 mg/L.PP 質量占TP 質量的78.43%，是磷的主要賦存方式，DTP 的質量分數(shù)相對較小.DTP 中以DIP 為主，DOP 質量濃度較低.

（2）撫仙湖入湖河流TN 年負荷量為397.12 t/a，TP 年負荷量為35.83 t/a.總氮和總磷向撫仙湖的輸入集中在豐水期，分別為341.36 t 和28.92 t；枯水期入湖河流氮磷的月負荷相對較低. 氮向撫仙湖的輸入以DTN 為主，平均貢獻率為87.49%，磷向撫仙湖的輸入以PP 為主，平均貢獻率為70.97%.

（3）撫仙湖主要入湖河流TN/TP 的年負荷量比值為11.08，適宜浮游植物生長.入湖河流對撫仙湖氮磷的輸入促進了湖泊富營養(yǎng)化進程.