亞熱帶源頭流域梯級池塘氮磷含量的時空變異及其影響因素

申雅莉，周腳根，彭佩欽，吳金水

（1. 中南林業(yè)科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，長沙410004；2. 淮陰師范學(xué)院城市與環(huán)境學(xué)院，江蘇 淮安223300；3. 中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，長沙410125）

世界范圍內(nèi)水體面積小于0.1 km2的內(nèi)陸水體約占全球地表水面積30%，是全球內(nèi)陸水體生物地球化學(xué)過程的熱區(qū)[1-2]。作為地表小水體的類型之一，池塘是內(nèi)陸水體的重要組成部分，在社會經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中發(fā)揮了重要作用[3]。池塘是農(nóng)業(yè)供水和保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要水利節(jié)點，也是水產(chǎn)養(yǎng)殖場所[4]、水生生物的棲息地[5]，更是發(fā)揮小氣候調(diào)節(jié)以及娛樂觀光等生態(tài)功能、控制面源污染的重要小型濕地生態(tài)系統(tǒng)[6-8]。

多塘系統(tǒng)（Multi-pond system）是指多個池塘通過溝渠、地表徑流或是地下水徑流相連形成的濕地系統(tǒng)，廣泛分布于我國農(nóng)村地區(qū)[9]。多塘系統(tǒng)具有攔截地表徑流、泥沙以及養(yǎng)分的重要生態(tài)功能，是目前農(nóng)業(yè)面源污染控制與治理研究的熱點?，F(xiàn)有研究表明，多塘系統(tǒng)對流域非點源污染中氮磷截留效果顯著。例如，江蘇省邵伯湖流域多塘系統(tǒng)對不同氮素組分的平均截留率約為50%[10]，而安徽六叉河地區(qū)池塘對總氮的截留比例高達98%[11]。此外，多塘系統(tǒng)對污染物的截留效應(yīng)與池塘自身特征（庫容、面積、水深、形狀等）有關(guān)，也與連通池塘的水系網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（溝渠密度、長度及溝渠條數(shù)、節(jié)點數(shù)等）有關(guān)[10]。不過，在全球氣候變化和快速城市化背景下，池塘數(shù)量和面積不斷減少，其蓄洪抗旱、截污去垢等生態(tài)功能退化，水質(zhì)惡化嚴(yán)重[8，12]。因此，有必要系統(tǒng)開展池塘水質(zhì)監(jiān)測，加強塘庫生態(tài)管控，提升池塘生態(tài)功能[3]。

梯級池塘（Cascade ponds）是多塘系統(tǒng)中具有海拔地勢差異從而形成上、下游關(guān)系的多個池塘組合，多見于我國亞熱帶丘陵區(qū)。梯級池塘是地表徑流過程中物質(zhì)沉積與水體停留的匯點，充當(dāng)流域面源污染物消納的“匯”和污染物輸出的“源”[13]，但有關(guān)亞熱帶丘陵區(qū)梯級塘庫水質(zhì)變化特征及其影響因素的研究報道還不多見。本文擬選擇亞熱帶丘陵區(qū)典型農(nóng)業(yè)小流域為研究區(qū)，研究小流域梯級塘庫氮磷含量的時空變異及其影響因素，為亞熱帶小流域梯級池塘水庫污染防控提供科學(xué)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

本研究以亞熱帶洞庭湖上游源頭流域——金井小流域為研究區(qū)。該流域位于湖南省長沙縣金井鎮(zhèn)，地處東經(jīng)112°56′～113°30′、北緯27°55′～28°40′，流域面積105 km2。該流域?qū)賮啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候，年降水量1 200～1 500 mm，年均氣溫17.2 ℃；海拔56.0～434.8 m，為亞熱帶典型紅壤丘陵地貌。研究區(qū)屬于典型農(nóng)業(yè)小流域，土地利用方式以林地、農(nóng)田、旱地、居民地以及水域為主[8]，農(nóng)業(yè)種植及養(yǎng)殖是引發(fā)研究區(qū)地表水氮磷污染的重要因素。

1.2 梯級池塘樣點布設(shè)

采用研究區(qū)近期高分辨率彩色影像（2016 年12月，0.5 m 分辨率），借助ArcGIS 軟件完成研究區(qū)內(nèi)森林、農(nóng)田、居民區(qū)、池塘、水庫及道路等土地利用要素的目視解譯與矢量圖層輸出。按影像解譯結(jié)果，該小流域池塘數(shù)量有2 012 個，密度高達19 個·km-2。此外，借助野外實地調(diào)查，獲取池塘周邊景觀類型、池塘經(jīng)營管理（是否養(yǎng)魚）、池塘周邊污染物輸入以及池塘與溝渠的連通狀況等數(shù)據(jù)資料。

梯級池塘樣點布設(shè)主要依據(jù)如下原則：（1）每組梯級池塘處于一個相對獨立的集水區(qū)，且上下游池塘之間有可運行的溝渠連通；（2）池塘存在年限＞10 a，以保障池塘發(fā)育相對完善；（3）所選池塘樣點的周邊景觀類型涵蓋研究區(qū)森林、農(nóng)田和居民區(qū)3 種主要土地利用類型。依據(jù)上述布點原則，并權(quán)衡池塘觀測成本，本研究選擇18 組典型梯級池塘。每組梯級池塘由分別處于集水區(qū)上游和下游的兩口池塘組成，共36 口池塘（圖1）。所選梯級池塘上下游的周邊景觀與養(yǎng)殖活動存在差異較大（表1），上游池塘周圍景觀主要為林地（78%），約有一半池塘有魚類養(yǎng)殖（56%），下游池塘周圍景觀中，林地僅占33%，其余為農(nóng)田（39%）和居民區(qū)（28%），養(yǎng)魚池塘占比較高（78%）。

1.3 水樣采集及測定

池塘水體氮磷監(jiān)測于2017 年6 月開始，于每月20 日前后采集池塘水樣。使用1 L 廣口瓶采集池塘上層0～50 cm 水樣，每次池塘采樣點固定。采集回來的樣品于48 h 內(nèi)進行總氮（TN）、總磷（TP）濃度測定。

TN 與TP 濃度皆采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法測定。TN 測定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，利用流動注射分析儀（AA3）進行測定；TP 的測定采用過硫酸鉀消解鉬銻抗顯色紫外分光光度法，利用可見光紫外光分光光度計（UV2450）進行測定。測定時每一個樣品均設(shè)定兩個平行樣，取其平均值作為最終測定結(jié)果。

表1 金井小流域梯級池塘統(tǒng)計信息Table 1 Statistical information of the cascades in the small watershed of Jinjing

圖1 金井小流域梯級池塘觀測樣點Figure 1 The spatial distribution of the sampled cascade ponds in the small watershed of Jinjing

2 結(jié)果與分析

2.1 梯級池塘上下游水質(zhì)狀況

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002），18 組梯級池塘TN 和TP 含量指標(biāo)分類結(jié)果見圖2。上游、下游池塘水體TN 含量指標(biāo)在Ⅲ類水質(zhì)及以下的分別占95.7%和96.8%，其中Ⅴ類水質(zhì)的分別占58.4%、61.4%。全年上下游池塘水體樣品中，99%以上的TP 含量指標(biāo)未達到Ⅱ類水質(zhì)，其中Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的上下游池塘樣本分別為78.4%、83.5%。這表明研究區(qū)梯級池塘水質(zhì)氮磷指標(biāo)超標(biāo)嚴(yán)重，特別是池塘水體TP污染程度超過水體TN。

2.2 上下游池塘TN和TP含量的年變化

圖2 梯級池塘TN和TP水質(zhì)分類Figure 2 Water quality levels of cascade ponds

圖3 上、下游池塘TN和TP含量年均值Figure 3 The annual mean contents of TN and TP in upstream and downstream ponds

研究區(qū)梯級池塘水體TN 和TP 含量的時空變化較大。梯級池塘中上游池塘TN含量年平均值的變幅為0.55～4.48 mg·L-1，下游池塘TN 含量年平均值的變幅為0.47～7.23 mg·L-1；上游池塘TP 含量的年平均值的變幅為0.09～0.41 mg·L-1，下游池塘TP 含量的年平均值的變幅為0.07～0.45 mg·L-（1表1）。總體上，上游池塘TN 的年均值為1.86 mg·L-1，低于下游池塘的2.56 mg·L-（1圖3A）；而上下游池塘水體TP 含量的年均值接近，上游為0.24 mg·L-1，下游為0.26 mg·L-1（圖3B）。進一步比較梯級池塘TN和TP含量的中位數(shù)與平均值，可見上游和下游池塘TN 和TP 含量的平均值都偏離中位數(shù)而接近上四分位數(shù)。這表明上游或下游均有TN 和TP 含量特別高的池塘樣點，造成樣本平均值的偏離。綜合上下游池塘TN 和TP 含量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)TN和TP含量最高的前25%池塘樣點，皆存在魚類養(yǎng)殖，這引發(fā)了池塘水體TN 和TP 含量的偏高，且上下游池塘的TN 含量具有顯著差異（P＜0.05），而TP 含量差異則并不顯著（P＞0.05）。

2.3 上下游池塘TN、TP的季節(jié)變化及其空間分布特征

圖4 梯級池塘水體TN含量月均值變化Figure 4 The monthly variation of TN mean contents in the cascade ponds

在2017年6月至2018年5月，研究區(qū)梯級池塘中上游與下游池塘TN含量的季節(jié)變化呈現(xiàn)相似的變化趨勢：5—8 月，池塘TN 含量相對低，上游為0.28～6.18 mg·L-1，下游為0.23～5.60 mg·L-1；9 月—次年2 月，池塘TN 含量相對高，上游為0.48～13.2 mg·L-1，下游為0.48～17.4 mg·L-1）（圖4）。上下游TN 含量的最高值出現(xiàn)的月份有所差異，上游在3 月份達到最高值11.5 mg·L-1，而下游在4 月達到最高值11.0 mg·L-1。與TN含量的季節(jié)變化相比，研究區(qū)TP 含量的季節(jié)變化也有一定的相似性，但季節(jié)波動更大（圖5）。上下游池塘皆在11 月出現(xiàn)全年的最高值（上游為1.26 mg·L-1，下游為1.04 mg·L-1）和最大的波動，同時整體上3—5月上游池塘TP的平均含量（0.37±0.21 mg·L-1）和下游池塘TP 的平均含量（0.43±0.29 mg·L-1）比其他月份高。

進一步用Heatmap 圖表征研究區(qū)所有池塘TN 和TP逐月含量的空間分布特征（圖6）。由圖可知，研究區(qū)上下游池塘TN 和TP 逐月含量具有較大的空間變異性，TN 含量變程為0.20～17.00 mg·L-1（圖6C、圖6D）、TP 含量變程為0.015～1.300 mg·L-1（圖6A、圖6B）。整體上，研究區(qū)觀測池塘TN 和TP 含量趨向于在冬季和春季偏高，這與上文所述研究區(qū)池塘水體TN和TP的月均值變化特征相吻合。

圖5 梯級池塘水體TP含量月均值變化Figure 5 The monthly variation of TP mean contents in the cascade ponds

2.4 梯級池塘水體TN、TP 含量對周邊景觀類型和池塘利用方式的響應(yīng)

魚類養(yǎng)殖是研究區(qū)內(nèi)池塘的主要經(jīng)營利用方式，也是影響池塘水體氮磷含量的重要因素。與不養(yǎng)魚池塘相比，養(yǎng)魚池塘TN 與TP 含量增加明顯（P＜0.05）。相對不養(yǎng)魚的池塘，養(yǎng)魚池塘水體TN 含量顯著增加了60%（圖7A），TP 含量也增加了34%（圖7B）。

圖6 梯級池塘TN和TP逐月含量的空間分布Figure 6 Spatial distribution of the monthly contents of TN and TP in cascade ponds

圖7 養(yǎng)魚對梯級池塘水體TN和TP含量的影響Figure 7 Effects of fish farming on TN and TP contents of water bodies in cascade ponds

圖8 土地利用對梯級池塘TN和TP含量年均值的影響Figure 8 Effects of land use on annual mean value of TN and TP contents in cascade ponds

為了探究周邊景觀類型對池塘TN 與TP 含量的影響，進一步按景觀類型對養(yǎng)魚池塘和不養(yǎng)魚池塘進行細分。整體上，無論池塘養(yǎng)魚還是不養(yǎng)魚，周邊景觀類型不同的池塘水體TN 和TP 含量的年均值皆無顯著差異（P＞0.05）（圖8）。在相同池塘經(jīng)營管理模式下，農(nóng)業(yè)土地利用改變了梯級池塘水體TN 與TP 含量的分布特征。在農(nóng)田和居民景觀類型池塘中，TN 與TP 含量的中位數(shù)整體上都高于林地景觀類型池塘。這表明，相對自然池塘（林地景觀類型），農(nóng)田氮磷污染物和居民污水的輸入引發(fā)了梯級池塘水體TN 和TP的積累。

3 討論

本研究選擇亞熱帶丘陵區(qū)金井小流域，開展梯級池塘水體氮磷含量時空變化研究。研究結(jié)果顯示，在梯級池塘中上游池塘TN 和TP 含量總體上低于下游池塘。這與上下游池塘對地表徑流和污染物接納差異有關(guān)。本研究區(qū)的梯級池塘皆是沿坡地地勢挖掘的人工池塘，上游池塘周圍景觀多為林地（78%），下游池塘景觀多為農(nóng)田與居民區(qū)（67%），上下游池塘的連接主要通過降雨時的徑流、干溝渠與植草水道。這些池塘承接流經(jīng)林地、農(nóng)田或村落的地表徑流，成為面源污染暫時性的“匯”[14-15]。當(dāng)降雨時，上游池塘水溢出，流入下游池塘，上游池塘即成為下游池塘污染物的“源”。下游池塘除了接收降雨徑流帶來的上游污染物外，還存在魚類養(yǎng)殖[16]，造成梯級池塘中下游池塘的TN、TP含量相對高于上游。

研究區(qū)梯級池塘水體TN 與TP 含量皆呈現(xiàn)雨季含量低而旱季含量高的季節(jié)性變化，該變化趨勢符合中國南方湖泊典型營養(yǎng)鹽季節(jié)變化，也與研究區(qū)下游的洞庭湖氮磷含量變化相似[17]。金井流域年降水量為1 200～1 500 mm，其中3—6月為雨季，9月—次年2月為旱季，池塘水量主要受天然降水的影響[18]（圖9）。池塘水體TN 和TP 含量的月變化整體上與研究區(qū)月均降雨量變化保持一致。池塘水量變化可能是導(dǎo)致池塘水體氮磷含量變化的重要原因。雨季時雨水徑流進入池塘，在擴大池塘水量的同時稀釋了池塘水體TN 和TP 濃度；旱季時池塘水蒸發(fā)或農(nóng)業(yè)用水取水很大程度地減少了池塘水量，導(dǎo)致池塘水體氮磷含量濃縮。研究區(qū)旱季池塘水深顯著低于雨季（圖10），這間接佐證了上述推論。

圖9 金井流域累積降雨量Figure 9 Cumulative rainfall of Jining watershed

圖10 池塘旱季與雨季水深Figure 10 Water depth of ponds in dry and rainy seasons

研究區(qū)域梯級池塘氮磷水質(zhì)富營養(yǎng)化嚴(yán)重，72.8% 以上的觀測池塘水質(zhì)未達到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。研究區(qū)池塘TN 與TP 含量與國內(nèi)外受人為活動影響的池塘水體TN、TP含量位于同一數(shù)量級[19]，且接近下游洞庭湖水體氮磷含量（表2）。相對于大型湖泊水體，池塘的水體體積小、滯留時間長，且承接大量魚類養(yǎng)殖或周邊環(huán)境輸入的氮磷污染物，可能累積更高含量的TN 與TP[20]。然而研究區(qū)梯級池塘TN 含量接近下游洞庭湖，這可能是由于池塘具有較強的氮磷生態(tài)消納功能。有研究顯示，池塘對徑流氮磷的移除率分別高達74%和52%[21]，對農(nóng)田排水中TN 和TP去除率分別為22.%和9.6%[22]。梯級池塘可視為陸域水體的生態(tài)過渡帶，能降低水流速度、增加水體滯留時間，具備氮磷等污染物質(zhì)的儲存、過濾與移除等潛在生態(tài)功能[13，23]。此外，池塘建造與維護費用低廉，亦具備水產(chǎn)養(yǎng)殖等經(jīng)濟價值，可以作為一個治理農(nóng)村地區(qū)面源污染的長期可持續(xù)性策略[24]。因此，加強研究區(qū)梯級池塘水體富營養(yǎng)化的生態(tài)管控，不僅利于改善梯級池塘水體氮磷污染，而且利于該地區(qū)下游氮磷面源污染防控。鑒于研究區(qū)梯級池塘水體TP 污染重于TN 污染，需重點關(guān)注該地區(qū)梯級池塘水體的磷素污染防控。

4 結(jié)論

（1）梯級池塘中，上游池塘水體TN 和TP 的含量相對高于下游池塘，整體上TN 和TP 含量呈現(xiàn)相似的季節(jié)性變化趨勢，即雨季含量降低，旱季含量升高。

（2）研究區(qū)梯級池塘水質(zhì)TN 和TP 指標(biāo)超標(biāo)率72.8% 以上，且水體TP 污染比TN 污染嚴(yán)重；農(nóng)業(yè)土地利用和池塘養(yǎng)魚是引發(fā)研究區(qū)梯級池塘水體TN與TP污染的重要因素。

（3）加強農(nóng)田面源污染、居民污水及水產(chǎn)養(yǎng)殖的生態(tài)管控是減少研究區(qū)池塘水體氮磷污染的有效舉措，特別是要加強研究區(qū)水體磷素污染的管控。

表2 國內(nèi)外池塘/湖泊水體TN與TP含量比較Table 2 Comparison of TN and TP contents in ponds/lakes in China and abroad