洱海大氣氮磷濕沉降特征及入湖負(fù)荷估算

黃 明 雨，呂 興 菊，董 瓊 蕃，李 航，高 登 成

(大理州洱海湖泊研究院，云南 大理 671000)

0 引 言

隨著工業(yè)的快速發(fā)展、化肥的廣泛應(yīng)用、能源的大量消耗和人類的高密度活動(dòng)，向大氣排放了大量的氮磷化合物、重金屬、持久性有機(jī)物等污染物[1-3]。在重力的作用下，這些污染物在雨、雪等降水過(guò)程沖刷后大部分以濕沉降的方式返回地面[4-6]。大氣濕沉降中氮素、磷素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度過(guò)高會(huì)引起受納水體表層酸堿度和營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，致使水體富營(yíng)養(yǎng)化程度加劇，繼而對(duì)整個(gè)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)產(chǎn)生影響[7-8]。因此，大氣濕沉降及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)對(duì)于控制湖泊水體污染，保護(hù)水生態(tài)環(huán)境具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

大氣氮、磷沉降是陸源污染物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向水生生態(tài)系統(tǒng)傳輸?shù)闹匾緩街?，在人類活?dòng)影響較大的流域，大量氮、磷通過(guò)大氣沉降的形式輸入到水體中，能夠?qū)Φ乇硭w的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)、水生生物的生存環(huán)境等造成嚴(yán)重的負(fù)面生態(tài)效應(yīng)[9]。宋玉芝等[10]2002～2003年對(duì)大氣降水向太湖水生態(tài)系統(tǒng)輸入氮素的研究指出，太湖流域的大氣降水已經(jīng)呈現(xiàn)出富營(yíng)養(yǎng)化特征；牛勇等[11]通過(guò)2009～2018年太湖大氣濕沉降氮磷特征對(duì)比研究進(jìn)一步證實(shí)了大氣降水中的氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)加速太湖水體富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程的貢獻(xiàn)不可忽視；任加國(guó)等[12]2014年對(duì)滇池大氣降水氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽入湖污染負(fù)荷貢獻(xiàn)的研究結(jié)果表明，大氣降水中總氮和總磷的負(fù)荷量分別占河流輸入負(fù)荷的6.14%和12.76%；余功友等[13]2012～2014年在評(píng)估大氣干濕沉降輸入磷對(duì)陽(yáng)宗海富營(yíng)養(yǎng)化的潛在影響研究中，表明大氣磷沉降與輸入陽(yáng)宗海的總磷負(fù)荷量相比很小，對(duì)陽(yáng)宗海富營(yíng)養(yǎng)化影響很小。氮、磷濕沉降是湖庫(kù)外源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的重要輸入途徑，充分掌握其時(shí)空分布特征及入湖(庫(kù))污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率是進(jìn)一步強(qiáng)化流域管理和減少湖庫(kù)外源氮、磷負(fù)荷輸入的重要前提。

目前，對(duì)洱海外源污染輸入氮、磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的研究主要側(cè)重于農(nóng)業(yè)面源及入湖河流、溝渠污染的研究[14]，作為洱海流域的污染物來(lái)源之一，大氣氮磷濕沉降規(guī)律鮮有報(bào)道。2002年，顏昌宙等[15]在有關(guān)云南省洱海的生態(tài)保護(hù)及可持續(xù)利用對(duì)策中寫(xiě)到，洱海大氣干濕沉降總氮、總磷入湖污染負(fù)荷分別為345.5 t和17.92 t。2009年，張態(tài)[16]在洱海氮磷時(shí)空分布特征及其外源負(fù)荷研究中估算了干濕沉降氮磷入湖負(fù)荷，其中總氮輸入量為388.5 t，總磷為24.35 t，總氮占洱海外源性污染負(fù)荷的32.31%，總磷占洱海外源性污染負(fù)荷的32.68%。2016～2017年，高蓉等[17]在洱海西岸中部農(nóng)作區(qū)進(jìn)行雨水樣品收集及檢測(cè)，2016年稻季總氮、總磷濕沉降量分別為563.5 t和33.5 t，2017年稻季總氮、總磷濕沉降量分別為259.0 t和18.4 t。本研究通過(guò)對(duì)洱海湖區(qū)周圍4個(gè)站點(diǎn)為期1 a的大氣降水進(jìn)行監(jiān)測(cè)，初步揭示了湖區(qū)周圍大氣濕沉降中總氮、總磷濃度及其沉降通量的年內(nèi)變化特征，進(jìn)而估算了洱海湖區(qū)直接入湖總氮、總磷負(fù)荷量并評(píng)估了其對(duì)湖區(qū)水環(huán)境的潛在影響，以期為洱海生態(tài)環(huán)境治理和水資源保護(hù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和新思路。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域

本次研究區(qū)域限定為洱海252.71 km2湖區(qū)水域范圍內(nèi)，在環(huán)洱海四周布設(shè)了4個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)(見(jiàn)圖1)，具體為北部上關(guān)鎮(zhèn)河尾村站點(diǎn)、西部灣橋鎮(zhèn)古生村站點(diǎn)、南部海東鎮(zhèn)下和村站點(diǎn)和東部挖色鎮(zhèn)海印村站點(diǎn)，分別按場(chǎng)次收集大氣降水。4個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)均延伸至洱海湖區(qū)內(nèi)50～100 m，站點(diǎn)周圍無(wú)高大建筑物、構(gòu)筑物以及樹(shù)木遮擋，沒(méi)有工業(yè)企業(yè)大氣污染物排放，周邊土地利用現(xiàn)狀以耕地和村莊為主。大理市多年氣象觀測(cè)資料表明：洱海湖區(qū)盛行風(fēng)為東風(fēng)，次盛行風(fēng)為東東南風(fēng)，第三盛行風(fēng)為西西北風(fēng)。

圖1 洱海濕沉降監(jiān)測(cè)站點(diǎn)Fig.1 Location of Erhai Lake wet deposition monitoring points

1.2 研究方法

2019年6月1日至2020年5月31日期間，累計(jì)采集有效水樣137場(chǎng)次(<50 mL為無(wú)效水樣，只記錄體積，不進(jìn)行水化分析)。濕沉降通量計(jì)算及入湖污染負(fù)荷估算基于4個(gè)點(diǎn)位GPRS信息，依據(jù)泰森多邊形法則，利用ArcGIS將洱海湖區(qū)水域劃分為4部分(見(jiàn)圖1)，4個(gè)分區(qū)的具體面積如下：SA=76.86 km2，SB=61.68 km2，SC=59.01 km2，SD=55.16 km2。降水樣品使用ZR-3901型全自動(dòng)降水采樣器進(jìn)行采集，濕沉降缸面積約為0.070 65 m2(r=15 cm)。在每次降水結(jié)束后及時(shí)收集水樣，并記錄降水的起止時(shí)間和水樣體積，干季每周用去離子水清洗設(shè)備。將降水樣品搖勻后直接測(cè)定其TN和TP指標(biāo)。降水類別基于洱海湖區(qū)水功能目標(biāo)即GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅱ類(湖庫(kù))標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.3 通量計(jì)算及入湖負(fù)荷估算

在忽略沉降缸內(nèi)水樣可能發(fā)生理化、生物變化的前提下，基于水樣體積、降水量、樣品濃度和分區(qū)面積，采用如下公式進(jìn)行各分區(qū)月濕沉降通量計(jì)算和直接入湖負(fù)荷估算：

P=F·Sj·10-3

式中：F為分區(qū)內(nèi)月濕沉降通量，kg/km2；H為濕沉降采樣當(dāng)月的總降雨量，mm；hi為第i次采集濕沉降樣品時(shí)的降雨量，mm；n為當(dāng)月采集次數(shù)；Ci為當(dāng)月第i次采集的濕沉降樣品的沉降物質(zhì)量濃度，mg/L；Sj為j區(qū)面積，km2；P為j區(qū)月濕沉降負(fù)荷量，t。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)域降雨特征

洱海小流域位于低緯度地區(qū)，具有海拔高、地勢(shì)低、高差大等特征，其“立體氣候”較為顯著。小流域內(nèi)降雨量的年際波動(dòng)較為強(qiáng)烈，主要是因?yàn)槲髂霞撅L(fēng)活動(dòng)強(qiáng)弱差異和進(jìn)退早遲而引起的。洱海小流域年降雨量由南向北、自西向東遞減，在小流域西部和北部，降雨量受地形影響較為明顯，表現(xiàn)為隨高程升高而顯著增加。洱海小流域年內(nèi)夏季受西南季風(fēng)氣候的影響，冬春季主要受來(lái)自大陸高壓前部的偏東氣流或經(jīng)過(guò)青藏高原南側(cè)的西風(fēng)氣流的影響，干濕季節(jié)分明[18]。從研究期間各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)降水量月際變化(見(jiàn)圖2)可以看出：全年湖區(qū)降水主要集中在濕季(6～10月)，約占年降水量的79%～96%，表明該時(shí)段降水較大程度地決定了年降水量;11月至次年5月為干季，干季平均降水僅為103 mm，僅占年降水量的4%～21%；最大月降水量出現(xiàn)于7月份，最小月降水量出現(xiàn)在5月份。研究期間4個(gè)站點(diǎn)年降水量均值為(685.69±80.81) mm。

圖2 2019～2020年監(jiān)測(cè)點(diǎn)位降水量月際變化Fig.2 Inter-monthly changes in rainfall at monitoring points from 2019 to 2020

2.2 大氣濕沉降特征

2.2.1濕沉降TN、TP濃度變化特征

2019～2020年洱海湖區(qū)4個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)降水中TN濃度范圍是0.05～3.22 mg/L，平均濃度為(1.180±0.682) mg/L；TP濃度范圍是0.010～0.151 mg/L，平均濃度為(0.072±0.021) mg/L。6～10月來(lái)自印度洋的西南暖濕信風(fēng)持續(xù)向小流域長(zhǎng)時(shí)間提供大量水汽，導(dǎo)致其間降水頻率較高，氣溶膠、PM2.5等粒子在大氣中留存時(shí)間極短，因而造成雨水中TN濃度較低；11月至次年5月小流域受西風(fēng)南支槽和二次蒸發(fā)的影響降水頻率較低，氣溶膠、PM2.5等粒子在大氣中停留時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，所以在降水中容易出現(xiàn)較高的TN濃度。因而，洱海湖區(qū)雨水中的TN濃度符合干季高濕季低的變化規(guī)律。4個(gè)站點(diǎn)TN濃度波動(dòng)范圍較大，濃度均值順序?yàn)橄潞?1.34 mg/L)>海印(1.23 mg/L)>河尾(1.15 mg/L)>古生(0.99 mg/L)；TP濃度波動(dòng)范圍也較大，濃度均值順序?yàn)楹Ｓ?0.091 mg/L)>下和(0.067 mg/L)=古生(0.067 mg/L)>河尾(0.065 mg/L)(見(jiàn)圖3)。

圖3 洱海濕沉降總氮、總磷濃度箱圖Fig.3 Box diagram of total nitrogen and total phosphorus concentration in Erhai Lake wet deposition

2.2.2濕沉降TN、TP濃度與降水量的相關(guān)關(guān)系

根據(jù)中國(guó)氣象部門(mén)對(duì)降水大小的分類標(biāo)準(zhǔn)(小雨<10 mm/d，中雨10～25 mm/d，大雨>25 mm/d)，將研究期間4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位降水事件分為小雨63場(chǎng)次、中雨56場(chǎng)次和大雨18場(chǎng)次。不同強(qiáng)度類型的降水中TN、TP濃度表現(xiàn)出明顯的差異性，具體呈現(xiàn)為：隨降水強(qiáng)度的增大，TN、TP濃度逐漸減小(見(jiàn)表1)。小雨樣品中TN平均濃度高達(dá)2.156 mg/L，為大雨的3.84倍，中雨的2.88倍；同樣，小雨樣品TP的平均濃度分別是大雨樣品的2.31倍，中雨的1.46倍。綜上可知，小雨中TN、TP的濃度相對(duì)較高，這可能是因?yàn)樾∮杲邓录杏甑屋^小，與大氣接觸的表面積較中雨、大雨偏大，從而能夠黏附、溶解更多的含氮素、磷素物質(zhì)氣溶膠。此外，一般小雨降水事件歷時(shí)較長(zhǎng)，對(duì)大氣的淋洗過(guò)程持續(xù)時(shí)間相應(yīng)較長(zhǎng)，也可能是導(dǎo)致降水中TN、TP濃度升高的重要原因。

表1 不同類型降水的氮磷濃度Tab.1 Concentrations of nitrogen and phosphorus in different types of rainfall

降水中TN、TP濃度主要受空氣中對(duì)應(yīng)污染物不同形態(tài)濃度和降水量2個(gè)因素影響，因此，2019年6月至2020年5月期間降水中TN、TP濃度波動(dòng)主要是其中某一個(gè)因素或是兩個(gè)因素共同作用的結(jié)果。研究發(fā)現(xiàn)，隨降水量的逐漸增大，濕沉降中TN、TP濃度逐漸減小而后穩(wěn)定在低濃度。對(duì)年內(nèi)137組TN、TP濃度與降水量進(jìn)行Pearson相關(guān)分析，結(jié)果顯示：TN濃度與降水量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，表明TN濃度受降水量影響程度較大；而TP濃度與降水量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，TP濃度受降水量的影響較小，這與磷的形態(tài)密切相關(guān)(見(jiàn)表2)。磷不存在穩(wěn)定的氣態(tài)化合物從而無(wú)法依靠氣相進(jìn)行再分配，空氣中的磷以顆粒態(tài)氣溶膠為主的形式存在。

表2 降水量與濕沉降氮磷濃度相關(guān)性分析結(jié)果Tab.2 Correlation analysis results of rainfall and wet deposition nitrogen and phosphorus concentrations

2.2.3濕沉降TN、TP通量變化特征

TN濕沉降通量年內(nèi)月際變化大致呈“M”雙峰型，TN沉降通量最小出現(xiàn)在2020年5月，洱海湖區(qū)降水主要集中在6～9月，隨著降水量的暴增，TN的濕通量也急劇增加，TN沉降通量介于57.20～334.33 kg/km2(見(jiàn)圖4)。下和、海印和河尾3個(gè)站點(diǎn)TN濕沉降通量峰值出現(xiàn)在2019年7月，古生站點(diǎn)TN濕沉降峰值出現(xiàn)在2020年2月。11月份降雨量銳減，TN沉降通量也迅速降低。TP濕沉降通量年內(nèi)月際變化與TN一致，4個(gè)站點(diǎn)2～7個(gè)月的TP濕沉降通量低于1.0 kg/km2，海印站點(diǎn)TP濕沉降通量明顯高于其他3個(gè)站點(diǎn)，其支配因素為T(mén)P濃度。2019年6月開(kāi)始，隨著汛期的到來(lái)，TP的濕沉降通量迅速增大，2019年7月4個(gè)站點(diǎn)TP濕沉降通量達(dá)到峰值，9月份以后進(jìn)入干季，TP濕沉降通量開(kāi)始下降。

圖4 洱海濕沉降氮磷通量月際變化趨勢(shì)Fig.4 The monthly variation trend of wet deposition nitrogen and phosphorus fluxes in Erhai Lake

研究發(fā)現(xiàn)，TN、TP濕沉降通量與降水量密切相關(guān)。進(jìn)一步對(duì)TN、TP月濕沉降通量與對(duì)應(yīng)降水量進(jìn)行非線性冪函數(shù)回歸和Pearson相關(guān)分析，得出洱海湖區(qū)TN、TP的月濕沉降通量與對(duì)應(yīng)月度降水量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，其相關(guān)系數(shù)分別為0.936和0.969(見(jiàn)圖5)。這一結(jié)論與周石磊等[19]2016～2017年研究周村水庫(kù)大氣濕沉降氮磷特征和陳法錦等[20]2015～2016年研究湛江灣大氣濕沉降中營(yíng)養(yǎng)鹽特征得到的結(jié)論一致。

圖5 洱海氮磷濕沉降通量與降雨量?jī)缁貧wFig.5 The regression of wet deposition flux of nitrogen and phosphorus in Erhai Lake and rainfall power

2.3 大氣濕沉降直接入湖負(fù)荷估算

進(jìn)入洱海TN、TP的來(lái)源有入湖河流的輸送、大氣沉降輸送、點(diǎn)源污染的輸送以及地下水的涌出輸送等，目前對(duì)河流入湖TN、TP負(fù)荷的研究較多[21]。本文利用2019年6月至2020年5月測(cè)定的洱海湖區(qū)大氣濕沉降氮磷月度通量進(jìn)行湖面直接入湖負(fù)荷估算：TN濕沉降直接輸入負(fù)荷為183.32 t，西部貢獻(xiàn)21%，北部貢獻(xiàn)20%，東部貢獻(xiàn)27%，南部貢獻(xiàn)32%；TP直接輸入負(fù)荷為11.19 t，西部貢獻(xiàn)23%，北部貢獻(xiàn)占21%，東部貢獻(xiàn)29%，南部貢獻(xiàn)27%，濕沉降污染負(fù)荷主要集中在汛期(2019年6～9月)。王圣瑞等[22]在洱海氮磷循環(huán)及收支平衡中核算入湖河流TN年輸入量為912.6 t，TP年輸入量為73.5 t，由此推算，洱海湖面濕沉降TN入湖負(fù)荷占入湖河道年輸入的20.01%，TP占15.22%。值得注意的是：研究期間環(huán)洱海生態(tài)廊道和環(huán)湖庫(kù)塘濕地在大規(guī)模施工，揚(yáng)塵聚集性增加可能引起濕沉降通量增大，從而導(dǎo)致入湖污染負(fù)荷高于洱海流域正常年份。

3 討 論

在時(shí)間尺度上，雨水中TN、TP濃度變化表現(xiàn)出顯著的季節(jié)性差異，雨水中TN、TP濃度隨著降水強(qiáng)度的增大呈降低趨勢(shì)。干季降水頻次較少且雨量較小，雨水中TN、TP的濃度較高。出現(xiàn)連續(xù)降水天氣時(shí)，初期雨水中TN、TP的濃度比中、后期的高；距前一場(chǎng)降水事件時(shí)間越長(zhǎng)，雨水中TN、TP的濃度也越高，證實(shí)了降水對(duì)大氣污染物具有良好的清洗和稀釋作用。在空間分布上，洱海南部、東部、北部和西部的TN平均濃度分別為1.34 mg/L(Ⅵ)，1.23 mg/L(Ⅵ)，1.15 mg/L(Ⅵ)，0.99 mg/L(Ⅲ)；洱海東部、南部、西部和北部的TP平均濃度分別為0.091 mg/L(Ⅵ)，0.067 mg/L(Ⅵ)，0.067 mg/L(Ⅳ)，0.065 mg/L(Ⅳ)。TN、TP濃度均高于洱海功能區(qū)目標(biāo)類別(Ⅱ)，空間上的差異對(duì)雨水TN、TP濃度的影響不如時(shí)間尺度上的明顯。

進(jìn)一步探究了洱海湖區(qū)濕沉降TN、TP直接入湖負(fù)荷量與湖區(qū)水體水質(zhì)參數(shù)、藻類生物量(以葉綠素a表征)的關(guān)系，試圖找出水體已經(jīng)處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)下的洱海，濕沉降TN、TP營(yíng)養(yǎng)鹽的輸入能否顯著增加藻類生物量，以及評(píng)估濕沉降TN、TP入湖負(fù)荷對(duì)湖區(qū)水環(huán)境的影響。通過(guò)對(duì)同期湖區(qū)11個(gè)點(diǎn)位表層水體總氮(CTN)、總磷(CTP)、化學(xué)需氧量(CCODCr)以及葉綠素a(CChl-a)月均值濃度與月濕沉降TN、TP入湖負(fù)荷量進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)和相關(guān)性分析(見(jiàn)表3)，發(fā)現(xiàn)湖區(qū)Chl-a濃度與入湖濕沉降TP的輸入量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與TN輸入量呈顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，說(shuō)明TN、TP的輸入可能增加洱海藻類生物量。TN輸入量與湖區(qū)TN濃度、TP輸入量與湖區(qū)TP濃度之間相關(guān)性不顯著，說(shuō)明濕沉降TN、TP輸入負(fù)荷對(duì)洱海相應(yīng)水質(zhì)指標(biāo)影響較小。湖區(qū)CODCr濃度與入湖濕沉降TP的輸入量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與TN輸入量呈顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，說(shuō)明TN、TP的輸入可能引起洱海有機(jī)污染加重。

表3 濕沉降氮磷入湖負(fù)荷與湖區(qū)水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性分析結(jié)果Tab.3 Correlation analysis results of wet deposition nitrogen and phosphorus load into the lake and lake area water quality indicators

4 結(jié) 論

(1) 洱海湖區(qū)降水中TN濃度范圍為0.05～3.22 mg/L，平均濃度為(1.180±0.682) mg/L；TP濃度范圍為0.010～0.151 mg/L，平均濃度為(0.072±0.021) mg/L。

(2) TN、TP濕沉降通量7月份最大、5月份最小，沉降通量與降水量極顯著正相關(guān)。

(3) 洱海湖面濕沉降直接輸入負(fù)荷量TN約為183.32 t，TP約為11.19 t，湖面濕沉降TN直接入湖負(fù)荷占入湖河道年輸入量的20.01%，TP占15.22%。