贛江對鄱陽湖氮濃度影響及相關(guān)性分析

＊?dú)W陽小軍 盛文濤

（1.江西碧水源科技發(fā)展有限公司 江西 330038 2.江西中北環(huán)保技術(shù)有限公司 江西 330000）

湖泊富營養(yǎng)化是我國乃至全世界面臨的重要環(huán)境問題。隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，河流和湖泊中的污染物種類和濃度大幅度增加，這些污染物使水環(huán)境中氮、磷元素及其營養(yǎng)鹽物質(zhì)含量增加，從而導(dǎo)致河流和湖泊中水生生物以及藻類的過度繁殖，引發(fā)了湖泊水體富營養(yǎng)化等問題[1-2]，對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重的破壞。湖泊和流域以河流作為通道連接，河流為它們輸送了大量的水源，河流水體的污染也會導(dǎo)致湖泊和流域的水體惡化[3]。因此通過對入湖河流和湖泊本身各指標(biāo)的研究與評價(jià)，可以對湖泊污染情況以及對其防治提供科學(xué)依據(jù)。

鄱陽湖為吞吐型湖泊，其水體主要來自于五大支流[4]，水量約占長江徑流總量的16%，鄱陽湖水質(zhì)狀況在全國生態(tài)環(huán)境的建設(shè)以及長江沿線流域水資源的維護(hù)治理具有極其重要的地位[5]。其中贛江輸入鄱陽湖水量約占總輸入的55%，贛江水質(zhì)狀況對鄱陽湖水質(zhì)有直接的影響[6]。近年來，隨著贛江流域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，贛江水體受到工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活等多種途徑的污染，水質(zhì)日益惡劣，水體氮、磷濃度已達(dá)到一定的程度[7]。鄱陽湖水質(zhì)也不容樂觀，目前鄱陽湖多數(shù)區(qū)域出現(xiàn)IV類水體，局部區(qū)域出現(xiàn)V類水體，主要超標(biāo)項(xiàng)目為氮磷物質(zhì)，氮磷的超標(biāo)致使鄱陽湖一直面臨著富營養(yǎng)化的威脅[8-9]。本文以鄱陽湖和贛江為研究對象，其中贛江為入鄱陽湖最大水量的支流，采集分析2015-2019年連續(xù)五年南北鄱陽湖和贛江入湖口水樣，通過計(jì)算贛江和鄱陽湖氮營養(yǎng)鹽負(fù)荷，分析得出贛江與鄱陽湖的氮營養(yǎng)鹽特征；并且采用相關(guān)性分析方法，探究了贛江水體對鄱陽湖氮營養(yǎng)鹽濃度和負(fù)荷的影響以及相關(guān)性，研究成果以期為鄱陽湖富營養(yǎng)化控制和水環(huán)境保護(hù)提供理論依據(jù)。

1.材料與方法

(1)研究區(qū)域

鄱陽湖位于江西省北部（北緯28°22′-29°45′，東經(jīng)115°47′-116°45′），地處九江、南昌、上饒三市，是中國第一大淡水湖，也是中國第二大湖，僅次于青海湖。湖區(qū)以松門山為界分為南北兩部分，南面水域?qū)拸V水流緩慢，北面為入江水道水流較快。湖泊面積在平水位（14m-15m）時(shí)為3150km2，在高水位（20m）時(shí)為4125km2以上，在低水位（12m）時(shí)僅為500km2。年平均降水量1570mm，6-8月盛行南風(fēng)或偏南風(fēng)，大風(fēng)多發(fā)生于小暑前后，其余各月多為北風(fēng)或偏北風(fēng)。

贛江（北緯24°29′-27°09′，東經(jīng)113°54′-116°38′之間）是長江主要支流之江西省最大河流，也是鄱陽湖五大支流之首。長766km，流域面積83500km2，多年平均流量2130m3/s，入湖水量約占鄱陽湖水量40%-50%。贛江具有豐富的土地、森林、礦產(chǎn)資源，是江西主要水產(chǎn)基地之一。贛江流域沿岸已經(jīng)形成了眾多產(chǎn)業(yè)帶，其對江西省生態(tài)文明建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。

(2)樣品采集

根據(jù)贛江和鄱陽湖地理環(huán)境及湖區(qū)水域流向特征，于2015-2019年逐月定期在贛江和鄱陽湖南、北湖區(qū)布點(diǎn)采樣。其中，南鄱陽湖布點(diǎn)64個，北鄱陽湖布點(diǎn)22個，贛江以外洲作為入湖口斷面進(jìn)行布點(diǎn)（圖1）。在水面以下0.6m處采集水樣，并加入H2SO4酸化保存，現(xiàn)場采集完成后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理分析樣品。

圖1 采樣布點(diǎn)圖Fig.1 sampling point map

(3)研究方法

主要測定總氮（TN）、銨氮（NH4+-N）、硝酸鹽氮（NO3--N）。各指標(biāo)含量的測定均遵循國家標(biāo)準(zhǔn)，其中TN按照HJ636-2012規(guī)定的方法進(jìn)行測定，采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法；NH4+-N按照HJ 535-2009規(guī)定的方法進(jìn)行測定，采用納氏試劑分光光度法；NO3--N按照HJT 346-2007規(guī)定的方法進(jìn)行測定，采用紫外分光光度法。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及制圖采用R語言軟件和SPSS軟件進(jìn)行。

負(fù)荷計(jì)算采用下列方法，此方法主要強(qiáng)調(diào)了非點(diǎn)源污染情況以及徑流量在評價(jià)整體中的作用。研究對象為贛江和鄱陽湖，存在點(diǎn)源與非點(diǎn)源復(fù)合污染或者非點(diǎn)源占主要污染的情況，污染物濃度和流量具備正相關(guān)關(guān)系。因此贛江和鄱陽湖負(fù)荷評價(jià)適合用該方法[10]。

式中，WD為時(shí)段通量；n為時(shí)段內(nèi)的監(jiān)測次數(shù)；K為時(shí)段轉(zhuǎn)換系數(shù)；Ci為第i次監(jiān)測時(shí)污染物監(jiān)測的濃度；Qp為第p次監(jiān)測時(shí)的水量。

2.結(jié)果與討論

(1)贛江與鄱陽湖水質(zhì)水量狀況

根據(jù)表1可知，2015-2019年贛江TN濃度年均值為1.71-2.30mg·L-1；南鄱陽湖TN濃度年均值為0.77-1.08mg·L-1；北鄱陽湖TN濃度年均值為1.42-1.82mg·L-1，都表現(xiàn)出了逐年上漲的趨勢，并且贛江入湖口濃度上升量和上升率最大,分別為0.59mg·L-1和34.5%。在不同形態(tài)的氮中，NH4+-N濃度年均值為0.49-0.73mg·L-1、0.24-0.40mg·L-1、0.40-0.50mg·L-1；NO3--N濃度年均值為1.20-1.50mg·L-1、0.50-0.63mg·L-1、0.87-1.13mg·L-1。NO3--N濃度與NH4+-N濃度最大值均發(fā)生在2019年。NH4+-N濃度上升量表現(xiàn)為贛江（0.24mg·L-1）＞南鄱陽湖（0.16mg·L-1）＞北鄱陽湖（0.10mg·L-1）；NO3--N濃度上升量表現(xiàn)為贛江（0.3mg·L-1）＞北鄱陽湖（0.26mg·L-1）＞南鄱陽湖（0.13mg·L-1）。贛江南鄱陽湖和北鄱陽湖NO3--N濃度對TN的占比大于NH4+-N對TN占比，NH4+-N濃度占比范圍分別為29%-33%、32%-37%、26%-30%，均值分別為31%、34.5%、28%，NO3--N濃度對TN濃度占比范圍分別為61%-75%、53%-65%、52%-60%,均值分別為68%、59%、56%。氮營養(yǎng)濃度年均值總體表現(xiàn)為贛江＞北鄱陽湖＞南鄱陽湖。

表1 2015-2019年贛江與南北鄱陽湖TN、NH4+-N和NO3--N濃度均值Tab.1 Mean values of TN,NH4+-N and NO3--N in Ganjiang River and North and South Poyang Lake in 2015-2019

根據(jù)表2，從整體來看，贛江TN月平均濃度均值在1.44-3.10mg·L-1，NH4+-N濃度在0.30-0.85mg·L-1，NO3--N濃度在0.79-1.92mg·L-1；鄱陽湖（含南北湖）TN平均濃度均值在1.58-4.20mg·L-1，NH4+-N濃度在0.28-0.90mg·L-1，NO3--N濃度在0.91-2.04mg·L-1。從月份來看，TN和NH4+-N、NO3--N，濃度呈現(xiàn)7、8月份較低，12月份和1月份相對較高的趨勢。贛江與南北鄱陽湖氮營養(yǎng)鹽月平均濃度均值總體表現(xiàn)為為贛江＞北鄱陽湖＞南鄱陽湖。

表2 2015-2019年贛江與南北鄱陽湖TN、NH4+-N和NO3--N月平均濃度均值*Tab.2 Mean average mean values of TN,NH4+-N and NO3--N in the Ganjiang River and the North and South Poyang Lakes from 2015-2019

根據(jù)圖2，2015-2019年贛江入湖與鄱陽湖出湖流量分別在545-6380m3/s和1730-15200m3/s。贛江水量約占鄱陽湖水量40%，10-2月份贛江和鄱陽湖水量相對其他月份低，最小值一般出現(xiàn)在1月份，5-7月份水量相對其他月份水量較高,最大值一般出現(xiàn)在6月份。

圖2 2015-2019年贛江與鄱陽湖月均流量Fig.2 2015-2019 Ganjiang and Poyang Lake monthly average flow in the past five years

(2)贛江與鄱陽湖不同時(shí)段氮營養(yǎng)鹽含量變化原因

贛江、鄱陽湖在2015-2019采樣年間氮營養(yǎng)鹽含量均表現(xiàn)出增長趨勢。贛江TN、NH4+-N和NO3--N濃度增長率分別為35%、49%和25%，南鄱陽湖TN、NH4+-N和NO3--N濃度增長率分別為40%、67%和26%，北鄱陽湖表現(xiàn)為28%、25%、30%，贛江氮營養(yǎng)鹽增長濃度大于南北鄱陽湖增長濃度。

從整體上看，贛江對鄱陽湖氮營養(yǎng)鹽濃度增長起到了主要作用，贛江入鄱陽湖氮營養(yǎng)鹽的形態(tài)主要為NO3--N。贛江流域面積約占鄱陽湖流域的50%，其流入鄱陽湖的水量在各支流占比最大。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，贛江流域人口、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等活動增加，產(chǎn)生了大量的污水，致使贛江水環(huán)境中氮及氮營養(yǎng)鹽的濃度大幅度上漲，導(dǎo)致鄱陽湖水體氮營養(yǎng)鹽濃度上升。

從氮的不同形態(tài)來看，2015-2019年贛江NO3--N的增長濃度大于NH4+-N的增長濃度，NO3--N濃度均值在TN中的占比也大于NH4+-N占比。主要原因是贛江流域氮營養(yǎng)鹽污染物主要形態(tài)為氨氮，但由于贛江面積和水量大，水體自凈能力強(qiáng)，在贛江水流入鄱陽湖的過程中，水體中的NH4+-N逐漸被氧化為NO3--N[11]，使得贛江自身的NO3--N濃度均值占比多出NH4+-N濃度均值占比30%左右，也導(dǎo)致流入鄱陽湖的氮營養(yǎng)鹽的形態(tài)主要為NO3--N，這也是鄱陽湖NO3--N濃度大于NH4+-N濃度的原因。

從月份來看，贛江流入鄱陽湖的TN、NH4+-N和NO3--N各物質(zhì)濃度隨季節(jié)變化而改變且變化規(guī)律表現(xiàn)不同。整體的變化規(guī)律為：處于豐水期時(shí)，流入氮營養(yǎng)鹽的濃度會減??；處于枯水期時(shí)，流入氮營養(yǎng)鹽的濃度會增加。豐水期前期（5、6月份），此階段降雨量不斷增多，積累的雨水形成沖刷作用將地面上原先存在的含氮營養(yǎng)鹽類物質(zhì)帶入到贛江中，致使TN濃度在5月份達(dá)到了2.37mg·L-1；豐水期后期（7、8月份），此階段雨量并沒有減少，但是地面上大量的含氮營養(yǎng)鹽類物質(zhì)已經(jīng)在豐水期前期被帶入到了贛江中，大量雨水匯入稀釋了贛江氮營養(yǎng)鹽整體的濃度[12]，同時(shí)水體中反硝化作用也使得贛江氮營養(yǎng)鹽濃度降低，氮元素產(chǎn)生了更多的損失[13]，贛江氮營養(yǎng)鹽濃度從2.37mg·L-1降低至1.66mg·L-1，下降幅度較大。枯水期期間（11、12、1月份），此階段降雨量不斷減小，稀釋作用較之前減弱。并且植物在冬季基本上已經(jīng)停止生長，反硝化作用變?nèi)?，吸收氮類營養(yǎng)物質(zhì)能力也大幅度下降，加之植物發(fā)生腐解等現(xiàn)象，又使得其在生長時(shí)積累的氮類營養(yǎng)物質(zhì)被釋放[14]，導(dǎo)致整個區(qū)域氮營養(yǎng)鹽濃度增大，因此贛江流入到鄱陽湖氮營養(yǎng)鹽含量也相應(yīng)增加，鄱陽湖水環(huán)境中氮營養(yǎng)鹽濃度升高至4.20mg·L-1，此數(shù)值為其氮營養(yǎng)鹽濃度最大值。

(3)贛江與鄱陽湖氮營養(yǎng)鹽相關(guān)性分析

如圖3，為2015-2019年贛江和南北鄱陽湖TN、NH4+-N和NO3--N的相關(guān)性分析[15]圖示結(jié)果。結(jié)果顯示：贛江與北鄱陽湖TN相關(guān)度為0.94（P＜0.05），屬于極強(qiáng)相關(guān)度；與南鄱陽湖相關(guān)度為0.69（P＜0.05），屬于強(qiáng)相關(guān)度；贛江與北鄱陽湖NH4+-N相關(guān)度為0.93（P＜0.05），屬于極強(qiáng)相關(guān)度，與南鄱陽湖相關(guān)度為0.71（P＜0.05），屬于強(qiáng)相關(guān)度；贛江與北鄱陽湖NO3--N相關(guān)度為0.76（P＜0.05），為強(qiáng)相關(guān)度，與南鄱陽湖相關(guān)度為0.42（P＞0.05），屬于不相關(guān)。

圖3 贛江與南北鄱陽湖TN、NH4+-N和NO3--N相關(guān)性分析Fig.3 Correlation analysis between TN,NH4+-N and NO3--N in the GanJiang River and the Poyang Lake in the north and the south

從總體上看，贛江TN、NH4+-N和NO3--N各指標(biāo)濃度與北鄱陽湖的相關(guān)性均大于南鄱陽湖。贛江水體氮營養(yǎng)鹽與北鄱陽湖表現(xiàn)出極強(qiáng)相關(guān)度（R=0.94，（P＜0.05）），與南鄱陽湖表現(xiàn)強(qiáng)相關(guān)度（R=0.69，（P＜0.05）），這與贛江水體主要流入北鄱陽湖有關(guān)。從局部上看，豐水期流入贛江的NH4+-N較多[16]且豐水期贛江水量較大，有一部分水會從中支和南支匯入南鄱陽湖，所以NH4+-N方面贛江與南鄱陽湖表現(xiàn)為強(qiáng)相關(guān)度，但還是低于北鄱陽湖。贛江與北鄱陽湖NO3--N的相關(guān)性低于二者TN、NH4+-N指標(biāo)的相關(guān)性，這是因?yàn)檑蛾柡w中水生生物對NO3--N的吸收和轉(zhuǎn)化導(dǎo)致[17]。反觀南鄱陽湖，其本身被流入的水量就低于北鄱陽湖，在此種情況下其與贛江在NO3--N相關(guān)性上屬于不相關(guān)程度。綜上，鄱陽湖水體TN濃度與贛江水體氮營養(yǎng)鹽濃度相關(guān)性極強(qiáng)，鄱陽湖北湖水體氮營養(yǎng)鹽濃度受贛江水體氮輸入影響大于南鄱陽湖。

(4)贛江與鄱陽湖氮營養(yǎng)鹽負(fù)荷特征及贛江對鄱陽湖的負(fù)荷貢獻(xiàn)

根據(jù)前述算法，計(jì)算2015-2019年贛江TN入湖負(fù)荷與鄱陽湖TN出湖負(fù)荷，見圖4-圖6。二者負(fù)荷均表現(xiàn)出上升趨勢，贛江2015-2019年TN每月負(fù)荷為48213-472312t/a，鄱陽湖2015-2019年TN每月負(fù)荷為91776-697687t/a，均值計(jì)算結(jié)果為140345t/a和314564t/a。贛江入湖與鄱陽湖出湖TN每月負(fù)荷高值出現(xiàn)在5-6月份，低值出現(xiàn)在10-次年2月份。

圖4 2015-2019年贛江與鄱陽湖TN每月負(fù)荷Fig.4 2015-2019 Ganjiang and Poyang Lake TN monthly load

根據(jù)圖2、圖4可知，贛江與鄱陽湖TN負(fù)荷與水量季節(jié)變化特征總體一致。水量增加其負(fù)荷也增加，豐水期贛江和鄱陽湖TN負(fù)荷約占年負(fù)荷的72%。根據(jù)圖6，2015-2019年贛江與鄱陽湖TN負(fù)荷都增加，鄱陽湖增加了約46000t/a，贛江增加約了42000t/a，增加率分別為15.3%和28.3%，贛江TN負(fù)荷增長速率接近鄱陽湖2倍。贛江TN入湖負(fù)荷占鄱陽湖出湖負(fù)荷均值為54.4%，且豐水期5、6月份占比最大，最大達(dá)到77%，枯水期9、10月份占比最小，最小為28%。

圖6 2015-2019年贛江與鄱陽湖TN年平均負(fù)荷Fig.6 Average loading of TN in Ganjiang River and Poyang Lake from 2015-2019

根據(jù)圖5可知，贛江對鄱陽湖TN負(fù)荷占比表現(xiàn)的具體變化規(guī)律為：處于豐水期時(shí)，負(fù)荷占比增加有最大值；處于枯水期時(shí)，負(fù)荷占比降低有最小值。一方面：在豐水期階段降雨量增大，空氣水分含量高，大氣濕沉降作用加劇[18]，其負(fù)載的大量含氮物質(zhì)被帶入到地面和贛江、鄱陽湖中，同時(shí)降雨產(chǎn)生的雨水形成沖刷作用，將大氣沉降在地面上的含氮物質(zhì)以及在耕種時(shí)期積累的化肥等帶入到贛江，使得贛江和鄱陽湖氮營養(yǎng)鹽濃度增加。而且由于贛江流域的面積大，導(dǎo)致了兩種作用（大氣濕沉降、雨水沖刷）加劇，又使得贛江和鄱陽湖氮營養(yǎng)鹽濃度增幅變大[19]。而在枯水期階段降雨量減小，空氣水分含量和雨水量低，大氣干沉降以及雨水沖刷作用變?nèi)?，使得積累在地面上的氮營養(yǎng)鹽物質(zhì)進(jìn)入贛江、鄱陽湖中的含量較小。另一方面：在豐水期階段，贛江流域的沿線水利工程需進(jìn)行開閘放水，此時(shí)贛江流出水量增多，氮營養(yǎng)鹽匯出含量也變大；而在枯水期階段，工程需進(jìn)行關(guān)閘蓄水，很大程度上減緩了氮營養(yǎng)鹽的匯出[20-23]。所以，贛江在豐水期時(shí)負(fù)荷輸出會明顯高于枯水期，這也是贛江對鄱陽湖負(fù)荷的占比豐水期要大于枯水期的原因。再一方面：豐水期鄱陽湖生物及水量大，活躍的生物作用吸收了大量的氮營養(yǎng)鹽，TN負(fù)荷量減少，從而使負(fù)荷占比率在豐水期時(shí)增大；而在枯水期，此階段生物活性弱、水量少，氮營養(yǎng)鹽沒有被大量的吸收，TN負(fù)荷量相應(yīng)增加，所以枯水期贛江TN負(fù)荷對鄱陽湖占比較小。綜上，贛江與鄱陽湖氮營養(yǎng)負(fù)荷以及贛江對鄱陽湖負(fù)荷占比主要受水量的影響，贛江是鄱陽湖氮營養(yǎng)鹽的主要貢獻(xiàn)者，故防治鄱陽湖氮營養(yǎng)鹽污染，需加強(qiáng)對入湖污染物最多的贛江及其豐水期的統(tǒng)籌治理。

圖5 贛江TN負(fù)荷占鄱陽湖TN負(fù)荷百分比Fig.5 The TN load of Ganjiang River accounts for the percentage of TN load in Poyang Lake

3.結(jié)論

（1）2015-2019年贛江和鄱陽湖氮營養(yǎng)鹽濃度持續(xù)上升，氮營養(yǎng)鹽濃度總體表現(xiàn)為贛江＞北鄱陽湖＞南鄱陽湖。贛江TN、NH4+-N和NO3--N濃度增長率分別為35%、49%和25%，南鄱陽湖TN、NH4+-N和NO3--N濃度增長率分別為40%、67%和26%，北鄱陽湖為28%、25%、30%。贛江流入鄱陽湖水體中的TN、NH4+-N和NO3--N濃度總體表現(xiàn)為：枯水期濃度增加，豐水期濃度減小，且流入鄱陽湖氮營養(yǎng)鹽的形態(tài)主要為NO3--N。

（2）贛江與北鄱陽湖TN相關(guān)度為0.94(P＜0.05)，屬于極強(qiáng)相關(guān)度，與南鄱陽湖相關(guān)度為0.69（P＜0.05），屬于強(qiáng)相關(guān)度。贛江TN濃度與鄱陽湖的相關(guān)性表現(xiàn)為：北鄱陽湖＞南鄱陽湖，贛江對北鄱陽湖氮營養(yǎng)鹽濃度貢獻(xiàn)和影響更大。從整體來看，鄱陽湖水體與贛江水體氮營養(yǎng)鹽濃度相關(guān)性強(qiáng)。

（3）贛江與鄱陽湖TN負(fù)荷及占比主要受水量的影響。2015-2019年贛江與鄱陽湖TN負(fù)荷逐年增加，鄱陽湖增加了約46000t/a，贛江增加了約42000t/a，增加率分別為15.3%和28.3%，贛江TN負(fù)荷增長速率接近鄱陽湖2倍。贛江是鄱陽湖氮營養(yǎng)鹽主要貢獻(xiàn)者，TN占鄱陽湖負(fù)荷的54.4%，對鄱陽湖TN負(fù)荷占比變化規(guī)律表現(xiàn)為豐水期占比增高，枯水期占比降低。