不同來(lái)源的非點(diǎn)源污染對(duì)湖泊氮磷濃度的影響
——以巢湖流域?yàn)槔?/h1>
2023-02-16 01:55:48馮雪嬌林晨熊俊峰陳曦吳紫靜馬榮華
馮雪嬌，林晨，熊俊峰，陳曦，3，吳紫靜，4，馬榮華
（1.中國(guó)科學(xué)院流域地理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，南京 210008；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.長(zhǎng)春師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)春 130032；4.南京工業(yè)大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京 211816）
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，地表水環(huán)境污染問(wèn)題日益突出[1]。大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（特別是氮、磷等）進(jìn)入水體中，造成水體富營(yíng)養(yǎng)化。這一過(guò)程主要分為點(diǎn)源污染和非點(diǎn)源污染兩種形式，其中非點(diǎn)源（Non-point source，NPS）污染通常伴隨地表徑流產(chǎn)生，因其具有來(lái)源廣泛、過(guò)程復(fù)雜、隨機(jī)性強(qiáng)等特點(diǎn)而較難防控[2]，因此成為了現(xiàn)階段水體污染的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一。國(guó)外較早開(kāi)始了對(duì)非點(diǎn)源污染的研究，據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)湖泊NPS 污染占比達(dá)到了總污染量的65%左右[3]；歐洲湖泊水污染中，由農(nóng)業(yè)生產(chǎn)引起的非點(diǎn)源氮排放占總污染量的60%，磷占污染總負(fù)荷的24%～71%[4-5]。由此可見(jiàn)，非點(diǎn)源污染是湖泊水體污染研究的重中之重，而我國(guó)非點(diǎn)源污染研究起步較晚[6]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人類(lèi)活動(dòng)所帶來(lái)的非點(diǎn)源污染對(duì)湖泊水污染的影響也越來(lái)越顯著，因此探究非點(diǎn)源污染與湖泊水環(huán)境之間的關(guān)系對(duì)于湖泊水環(huán)境的治理以及流域內(nèi)人類(lèi)活動(dòng)的合理規(guī)劃與發(fā)展具有重要意義。
現(xiàn)階段，已有不少學(xué)者針對(duì)非點(diǎn)源污染與湖泊水環(huán)境之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。從研究?jī)?nèi)容來(lái)看：①影響湖泊水體污染的非點(diǎn)源眾多，諸多研究重點(diǎn)關(guān)注土地利用變化[7-10]，如Cheruiyot等[7]估算了東非維多利亞湖不同土地利用類(lèi)型的總氮、總磷負(fù)荷量，結(jié)果表明農(nóng)用地所產(chǎn)生的污染物占比最高，是湖泊非點(diǎn)源污染的最主要來(lái)源；Zhang 等[9]對(duì)北京密云水庫(kù)非點(diǎn)源污染進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明農(nóng)業(yè)園地的增加導(dǎo)致氮磷的潛在污染負(fù)荷在一定程度上有所增長(zhǎng)；②部分研究對(duì)幾種不同的來(lái)源進(jìn)行了綜合考慮與分析[11-13]，如Kong等[11]對(duì)巢湖流域非點(diǎn)源污染中肥料流失、大氣沉降、土壤侵蝕等來(lái)源進(jìn)行了總氮、總磷負(fù)荷量估算，得到了非點(diǎn)源污染多年平均養(yǎng)分負(fù)荷貢獻(xiàn)率（總氮平均為85%，總磷平均為77%）。
綜上，通過(guò)估算污染物負(fù)荷量來(lái)評(píng)價(jià)非點(diǎn)源污染對(duì)湖泊水環(huán)境的影響研究已經(jīng)比較成熟，但尚存在如下問(wèn)題：①多數(shù)研究對(duì)污染源的考慮較為單一。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷轉(zhuǎn)型與發(fā)展，流域內(nèi)傳統(tǒng)的耕作、養(yǎng)殖等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式以及生活方式不斷改變，造成了非點(diǎn)源污染的變化，使得影響湖泊水環(huán)境的污染源更加多樣化。因此針對(duì)污染源的單一研究會(huì)使結(jié)果存在不確定性，從而限制對(duì)湖泊水環(huán)境的針對(duì)性管控和治理；②部分研究考慮了不同污染源對(duì)湖泊水環(huán)境的影響，但研究中缺乏與湖泊水質(zhì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的聯(lián)系。在流域尺度上，以非點(diǎn)源形式產(chǎn)生的污染物最終將匯入附近的水體，各種水質(zhì)參數(shù)的變化是對(duì)非點(diǎn)源污染的直接響應(yīng)[14]。因此，通過(guò)建立流域非點(diǎn)源污染所產(chǎn)生的污染物與湖泊水質(zhì)之間的聯(lián)系來(lái)定量揭示不同污染源對(duì)湖泊水質(zhì)的貢獻(xiàn)率，能夠更好地明確流域非點(diǎn)源污染對(duì)湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化的影響。
針對(duì)上述關(guān)鍵問(wèn)題，如何在湖泊水質(zhì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)支撐下，綜合考慮不同非點(diǎn)源污染來(lái)源對(duì)湖泊水質(zhì)指標(biāo)濃度的直接影響，是本研究要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。巢湖作為我國(guó)五大淡水湖泊之一，其水質(zhì)狀況與周邊地區(qū)用水安全息息相關(guān)。近年來(lái)，流域內(nèi)種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)的不斷發(fā)展促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，但也加重了非點(diǎn)源污染，同時(shí)流域內(nèi)農(nóng)村人口聚集，人類(lèi)活動(dòng)排放的部分生活污水以及廢氣等也會(huì)以不同形式進(jìn)入湖泊中，使得巢湖水體呈現(xiàn)不同程度的富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)[15]，而這種富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)主要是由氮磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)過(guò)量引起的[16]。因此本研究以巢湖流域?yàn)檠芯繀^(qū)，在巢湖氮磷實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的支撐下，基于冗余分析方法對(duì)非點(diǎn)源污染中的種植地、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)村生活污水排放和大氣沉降五大重要來(lái)源進(jìn)行綜合考慮，明確平水期和豐水期流域內(nèi)不同NPS 污染源對(duì)湖泊水體氮磷濃度的影響。
1 材料與方法
1.1 研究區(qū)概況
巢湖（117°16′54″～117°51′46″E，31°25′28″～31°43′28″N）位于安徽省中部（圖1），長(zhǎng)江北岸，湖泊面積約為783 km2。近年來(lái)，巢湖水體呈現(xiàn)出嚴(yán)重的富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，雖然得到了相關(guān)部門(mén)的重視與治理，但2018 年巢湖水質(zhì)整體仍處于較差水平，部分湖體水質(zhì)達(dá)到了Ⅴ類(lèi)甚至劣Ⅴ類(lèi)[17]。
巢湖流域（116°23′59″～118°22′05″E，30°52′25″～32°07′53″N）面積約為13 500 km2，包含了六大入湖水系和一條出湖水系（表1）。本研究在湖泊水系分布基礎(chǔ)上，參考國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)中湖泊-流域科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的湖泊二級(jí)流域數(shù)據(jù)，將巢湖流域再分為7 個(gè)子流域，分別為杭埠河流域、派河流域、南淝河流域、炯煬河流域、柘皋河流域、白石天河流域以及裕溪河流域（表1）。
表1 巢湖流域子流域基本信息Table 1 Basic information of sub-basin in Chaohu Lake basin
流域內(nèi)土地利用以耕地為主（圖1），耕地面積占比可達(dá)流域總面積的60%。因水熱條件良好，巢湖流域成為了我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最集中的區(qū)域之一[18]，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以種植業(yè)為主，主要糧食作物為水稻，同時(shí)兼顧養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。流域內(nèi)擁有近960 萬(wàn)人口，其中農(nóng)村人口占比超過(guò)60%。流域內(nèi)頻繁的農(nóng)業(yè)活動(dòng)和農(nóng)村生活產(chǎn)生的過(guò)量氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)造成了嚴(yán)重的非點(diǎn)源污染，污染物伴隨著地表徑流進(jìn)入巢湖，使得湖體呈現(xiàn)不同的富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。
圖1 研究區(qū)概況及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分布圖Figure 1 Overview of the study area and distribution of the monitoring sites
1.2 不同季節(jié)湖泊TN、TP數(shù)據(jù)差別化獲取
本研究所采用數(shù)據(jù)均以2017年為基礎(chǔ)。2017年是我國(guó)“十三五”規(guī)劃開(kāi)局的第一個(gè)完整年，在“十三五”規(guī)劃中，安徽省作為農(nóng)業(yè)大省提出了大力發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)、改善生態(tài)環(huán)境的發(fā)展目標(biāo)[19]，因而2017 年是流域內(nèi)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)，因此選擇該年數(shù)據(jù)具有一定代表性。同時(shí)，依據(jù)流域內(nèi)多個(gè)氣象站點(diǎn)的月平均降水量數(shù)據(jù)，選定降水豐沛的8 月作為豐水期，降水相對(duì)適中的3月作為平水期。
湖泊水質(zhì)指標(biāo)眾多，其中總氮（Total Nitrogen，TN）、總磷（Total Phosphorus，TP）流失是非點(diǎn)源污染引起湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要原因[16]，因此本研究選取了巢湖2017年平水期和豐水期TN、TP 濃度作為水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)來(lái)源于巢湖管理局，巢湖管理局自2008 年開(kāi)始以月為單位對(duì)巢湖水質(zhì)進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)，這為本研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。
為保證研究結(jié)果的合理性，本研究選用離岸距離相近的環(huán)湖12 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的TN、TP 數(shù)據(jù)（圖1）進(jìn)行分析，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)所屬子流域信息見(jiàn)表1。監(jiān)測(cè)點(diǎn)共包含12 處，分別為南淝河入湖區(qū)（C1）、十五里河入湖區(qū)（C2）、塘西河入湖區(qū)（C3）、派河入湖區(qū)（C4）、新河入湖區(qū)（C5）、湖濱（C6）、忠廟（C7）、兆河入湖區(qū)（C8）、黃麓（C9）、中焊鄉(xiāng)（C10）、巢湖船廠（C11）以及巢湖壩口（C12）。
1.3 考慮農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與農(nóng)村生活影響的NPS污染源分類(lèi)
巢湖流域是我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最集中的區(qū)域之一。得益于良好的水熱條件，流域內(nèi)種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅猛，農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量豐厚，促進(jìn)了區(qū)域經(jīng)濟(jì)不斷增長(zhǎng)，但同時(shí)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中使用的過(guò)量肥料、餌料以及畜禽、水產(chǎn)等產(chǎn)生的排泄物不斷向水體排放，是造成巢湖水體氮磷濃度變化的重要原因。因此，本研究結(jié)合流域內(nèi)主要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，同時(shí)參考現(xiàn)有相關(guān)研究對(duì)巢湖流域非點(diǎn)源污染的探討經(jīng)驗(yàn)[11，13，20]，將流域內(nèi)非點(diǎn)源污染的來(lái)源分為以下5類(lèi)。
（1）種植地
種植地種類(lèi)繁多，通過(guò)現(xiàn)有研究可知，在土地利用中對(duì)非點(diǎn)源污染貢獻(xiàn)最大的種植地類(lèi)型是受農(nóng)業(yè)活動(dòng)影響較大的耕地和園地兩類(lèi)[7，9-10]。因此，種植地主要提取農(nóng)用地中的耕地（水田、旱地）、園地兩大類(lèi)，數(shù)據(jù)從流域土地利用數(shù)據(jù)中獲取，具體信息見(jiàn)表2。
表2 NPS污染源數(shù)據(jù)來(lái)源及說(shuō)明Table 2 Data source and description of NPS pollution source
（2）畜禽養(yǎng)殖
畜禽養(yǎng)殖種類(lèi)主要包括牛、羊、豬、家禽4 類(lèi)，由于各類(lèi)畜禽排污量不同，因此需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化。參考各畜禽氮磷污染物排放量，以豬作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行換算，最終計(jì)算各行政單元內(nèi)畜禽養(yǎng)殖排污總量[21]。
式中：i為畜禽養(yǎng)殖種類(lèi)；Li為i類(lèi)畜禽換算為豬的數(shù)量，頭；li為i類(lèi)畜禽本身數(shù)量，頭或羽；Np、Pp為豬每年排泄的氮、磷量，t；Ni、Pi為i類(lèi)畜禽每年排放的氮、磷量，t。
（3）水產(chǎn)養(yǎng)殖
水產(chǎn)養(yǎng)殖是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要方式之一，特別是長(zhǎng)江中下游地區(qū)擁有良好的水源條件，為水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展提供了基本前提。但養(yǎng)殖過(guò)程中剩余的餌料、代謝產(chǎn)物等會(huì)對(duì)養(yǎng)殖水體以及周?chē)w造成污染。水產(chǎn)養(yǎng)殖數(shù)據(jù)可從統(tǒng)計(jì)年鑒中直接獲取。
（4）農(nóng)村生活污水排放
農(nóng)村生活污水排放量主要由農(nóng)村人口數(shù)量決定，計(jì)算公式：
式中：Q為生活污水年排放總量，t；P為農(nóng)村生活污水排放系數(shù)，t·人-1·a-1；N為農(nóng)村人口數(shù)，人。農(nóng)村生活污水排放系數(shù)參考相關(guān)研究[22]。
（5）大氣沉降
農(nóng)業(yè)種植中施用的氮磷等化肥，一部分會(huì)揮發(fā)到大氣中，同時(shí)秸稈等作物燃燒以及工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生相關(guān)廢氣，這些污染物再以大氣沉降的形式返還地面。大氣沉降主要分為大氣干沉降和濕沉降兩種形式。通用計(jì)算公式：
式中：W為大氣干、濕沉降年輸入的氮（磷）總量，t；F為相應(yīng)的大氣沉降通量，t·km-2·a-1；S為流域面積，km2。
以縣級(jí)行政區(qū)為最小計(jì)算單元，在子流域范圍內(nèi)對(duì)上述5 種污染源進(jìn)行計(jì)算，依據(jù)面積權(quán)重法對(duì)上述5 種污染源計(jì)算結(jié)果進(jìn)行空間化處理，生成流域不同污染源的空間分布圖。
以上5 大污染源計(jì)算所需數(shù)據(jù)基本信息及相關(guān)說(shuō)明如表2所示，均以2017年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。
1.4 基于冗余分析方法的污染源對(duì)湖泊TN、TP 的影響分析
冗余分析（RDA，Redundancy Analysis）方法可以通過(guò)回歸分析結(jié)合主成分分析的梯度排序來(lái)評(píng)價(jià)一組變量引起另一組變量變異的貢獻(xiàn)程度[24]，也能給出各因子引起另一組變量變異的單獨(dú)解釋率[25]。但需注意的是，在RDA 分析中，計(jì)算得到的解釋率為污染源對(duì)TN和TP變化的復(fù)合解釋率，而非對(duì)TN、TP單獨(dú)的解釋率。與常用的非點(diǎn)源氮磷負(fù)荷模擬模型相比，RDA 分析僅需提供污染源數(shù)據(jù)以及氮磷濃度數(shù)據(jù)即可評(píng)價(jià)非點(diǎn)源污染對(duì)湖泊氮磷濃度變化的影響，不用單獨(dú)計(jì)算TN、TP 的負(fù)荷量，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與處理工作。
RDA分析主要分析操作在軟件Canoco 5中進(jìn)行。在進(jìn)行分析之前，首先要對(duì)TN、TP 數(shù)據(jù)進(jìn)行去趨勢(shì)分析（DCA，Detrended Correspondence Analysis），當(dāng)所有軸長(zhǎng)均小于4時(shí)，才可進(jìn)行RDA分析。在平水期和豐水期的DCA 分析中，所有排序軸中的最長(zhǎng)梯度值為0.35（小于4），因此可進(jìn)行RDA 分析；其次要對(duì)污染源變量進(jìn)行篩選，考慮其多重共線(xiàn)性問(wèn)題，不符合要求的變量會(huì)被自動(dòng)刪除。
在應(yīng)用Canoco 5 進(jìn)行RDA 分析時(shí)，將TN、TP 濃度作為物種數(shù)據(jù)輸入，將上述5 種污染源數(shù)據(jù)作為環(huán)境因子輸入，Canoco 5 軟件自動(dòng)對(duì)不同量綱的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，避免了各污染源因量綱不同而導(dǎo)致的結(jié)果差異，在排序方法中選擇RDA 即可實(shí)現(xiàn)定量化顯示流域內(nèi)非點(diǎn)源污染對(duì)巢湖氮磷濃度影響的總體解釋率以及不同污染源之間的影響差異。
2 結(jié)果與分析
2.1 流域NPS不同污染源的空間分布
由圖2 可知，各種污染源空間分布差異性明顯。總體上，面積越大的子流域其污染源數(shù)量越多，如面積最大的裕溪河流域內(nèi)種植地面積、水產(chǎn)養(yǎng)殖數(shù)量、農(nóng)村生活污水排放量以及氮磷大氣沉降總量皆占子流域首位，畜禽養(yǎng)殖數(shù)量最多的流域是面積排名第二的杭埠河流域，而面積最小的炯煬河流域，僅為裕溪河流域面積的1/15，該流域內(nèi)各污染源數(shù)量相對(duì)較少（圖2）。但在面積相差較小的子流域內(nèi)，不同來(lái)源特征也有所不同。各污染源的具體分布情況：
（1）流域內(nèi)種植地面積約為8 400 km2，在流域土地利用中占比超過(guò)40%。其中，裕溪河流域種植地面積最高，達(dá)到了3 600 km2，而種植地面積最小的炯煬河流域僅為240 km2，二者相差達(dá)到14 倍。種植地面積排序?yàn)樵Ｏ恿饔颍竞疾汉恿饔颍灸箱呛恿饔颍景资旌恿饔颍九珊恿饔颍捐细藓恿饔颍揪紵恿饔颍▓D2a）。
（2）流域內(nèi)牛、羊、豬以及活家禽經(jīng)過(guò)當(dāng)量換算后，共有約1.2×107頭。在子流域內(nèi)，畜禽養(yǎng)殖量最多的為杭埠河流域，養(yǎng)殖量約為4.7×106頭，占總畜禽量的38%，而養(yǎng)殖量最小的炯煬河流域有2.7×105頭，僅占杭埠河流域畜禽養(yǎng)殖量的1/17?？傂笄蒺B(yǎng)殖量排序?yàn)楹疾汉恿饔颍驹Ｏ恿饔颍灸箱呛恿饔颍九珊恿饔颍景资旌恿饔颍捐细藓恿饔颍揪紵恿饔颍▓D2b）。
（3）流域內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖總量約為2.5×105t，在子流域內(nèi)，裕溪河流域養(yǎng)殖量最高，為1.1×105t，是養(yǎng)殖量最低的炯煬河流域的18 倍?？偹a(chǎn)養(yǎng)殖量排序?yàn)樵Ｏ恿饔颍竞疾汉恿饔颍景资旌恿饔颍灸箱呛恿饔颍捐细藓恿饔颍九珊恿饔颍揪紵恿饔颍▓D2c）。
圖2 巢湖流域不同污染源的空間分布Figure 2 Spatial distribution of different pollution sources in Chaohu Lake basin
（4）農(nóng)村生活污水排放量主要受農(nóng)村人口數(shù)量的影響。流域內(nèi)農(nóng)村生活污水總排放量約為2.7×107t，各子流域農(nóng)村生活污水排放量排序?yàn)樵Ｏ恿饔颍竞疾汉恿饔颍景资旌恿饔颍灸箱呛恿饔颍九珊恿饔颍捐细藓恿饔颍揪紵恿饔颍▓D2d）。
（5）流域內(nèi)大氣TN 沉降量約為6.25×104t，TP 沉降量約為1.56×103t。受大氣沉降計(jì)算方法的影響，子流域內(nèi)沉降量與子流域面積呈正比。各子流域大氣TN和TP沉降總量排序?yàn)樵Ｏ恿饔颍竞疾汉恿饔颍景资旌恿饔颍灸箱呛恿饔颍九珊恿饔颍捐细藓恿饔颍揪紵恿饔颍▓D2e）。
2.2 流域TN、TP濃度時(shí)空分異
巢湖2017年平水期（3月）和豐水期（8月）TN、TP濃度變化如圖3所示。
圖3 平水期和豐水期各監(jiān)測(cè)站TN、TP濃度變化Figure 3 Variation of TN and TP concentration of each monitoring site in normal period and wet period
從時(shí)間上看，TN、TP 濃度變化存在一定差異性。TN 濃度變化較為穩(wěn)定，各監(jiān)測(cè)站3 月TN 濃度均高于8 月，且3 月各監(jiān)測(cè)站TN 濃度均超過(guò)了《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）[26]規(guī)定的三類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)（1 mg·L-1），8月除南淝河流域和派河流域監(jiān)測(cè)站點(diǎn)水質(zhì)超過(guò)三類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)外，其余子流域均可達(dá)標(biāo)。大部分監(jiān)測(cè)站TP 濃度表現(xiàn)為8 月高于3 月，但C10（中焊鄉(xiāng)）和C12（巢湖壩口）相反，3 月TP 濃度略高于8 月。各監(jiān)測(cè)站8 月TP 濃度均超過(guò)了《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）[26]規(guī)定的三類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)（0.05 mg·L-1），而3 月也僅有C8（兆河入湖區(qū)）和C9（黃麓）的TP濃度低于三類(lèi)水的標(biāo)準(zhǔn)。
從空間上看，TN、TP均呈現(xiàn)出較為明顯的空間化特征，整體上呈現(xiàn)出巢湖流域東部水質(zhì)狀況優(yōu)于西部的狀態(tài)。TN、TP 濃度在空間上差異可總結(jié)為：C1（南淝河入湖區(qū)）、C2（十五里河入湖區(qū)）、C3（塘西河入湖區(qū)）＞C4（派河入湖區(qū)）、C6（湖濱）＞C5（新河入湖區(qū)）＞C7（忠廟）、C8（兆河入湖區(qū)）、C9（黃麓）＞C10（中焊鄉(xiāng)）、C11（巢湖船廠）、C12（巢湖壩口）。
2.3 NPS對(duì)巢湖TN、TP影響的多來(lái)源分析
RDA 排序如圖4所示，虛線(xiàn)箭頭表示數(shù)量型環(huán)境因子，即5 種污染源；實(shí)線(xiàn)箭頭表示物種因子，即TN、TP 濃度，其中物種變量的箭頭連線(xiàn)長(zhǎng)度可反映環(huán)境因子對(duì)物種變量的影響程度。從圖4 可以看出，平水期TN、TP 的箭頭長(zhǎng)度均稍長(zhǎng)于豐水期，即平水期非點(diǎn)源污染對(duì)巢湖氮磷濃度的整體影響要高于豐水期，而在平水期和豐水期，非點(diǎn)源污染對(duì)巢湖氮磷濃度的總體影響差異以及各個(gè)污染源的影響差異可量化為解釋率大小的差異。
圖4 污染源與TN、TP的RDA結(jié)果排序圖Figure 4 Redundancy analysis（RDA）ranking of TN and TP from NPS sources
RDA 分析結(jié)果中，不同污染源對(duì)湖泊氮磷濃度影響差異的解釋率分為兩部分，一是5 類(lèi)污染源在平水期和豐水期對(duì)氮磷濃度影響的總體解釋率；二是5類(lèi)污染源分別對(duì)氮磷濃度變化的解釋率大小。具體結(jié)果表現(xiàn)如下：
（1）平水期（3 月）流域非點(diǎn)源污染對(duì)巢湖TN、TP變化的影響程度略高于豐水期（8 月）。5 種來(lái)源的非點(diǎn)源污染對(duì)巢湖氮磷濃度變化的總體解釋率如表3所示。RDA 分析結(jié)果中，各軸解釋率為累積解釋率，從表3 可知，第一軸的解釋率遠(yuǎn)高于其他幾軸，因此非點(diǎn)源污染對(duì)TN、TP 的解釋率主要取決于第一軸。其中，3 月非點(diǎn)源污染對(duì)TN、TP 的總體解釋率為80.5%，高于8月的71.6%。
表3 非點(diǎn)源污染對(duì)TN、TP的總體解釋率Table 3 The overall interpretation of water quality by NPS pollution
（2）由大氣沉降和農(nóng)村生活污水排放引起的非點(diǎn)源污染對(duì)巢湖TN、TP 變化的影響在平水期和豐水期表現(xiàn)出明顯差異（表4）。其中平水期（3月）農(nóng)村生活污水排放對(duì)TN、TP 的解釋率達(dá)到43.8%，而大氣沉降僅為6.3%；豐水期（8月）大氣沉降解釋率達(dá)到46.4%，而農(nóng)村生活污水排放量的解釋率下降到7.0%。無(wú)論在平水期還是豐水期，二者總和都超了總解釋率的50%，但兩種污染源在平水期和豐水期的解釋率表現(xiàn)出如此大的差異，需要在后續(xù)研究中進(jìn)行深入分析。
（3）種植地、畜禽養(yǎng)殖以及水產(chǎn)養(yǎng)殖3 種污染源對(duì)TN、TP 的影響程度相差不大，解釋率均在10%～20%范圍內(nèi)（表4）。三者解釋率在平水期和豐水期略有差異，但差異不大。其中，平水期水產(chǎn)養(yǎng)殖的影響程度相對(duì)更高一些，其次是畜禽養(yǎng)殖，種植地影響最低；豐水期畜禽養(yǎng)殖的影響程度最高，其次是種植地，水產(chǎn)養(yǎng)殖影響最低。雖然3 種污染源單獨(dú)的影響不高，但作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的3 種主要形式，三者解釋率之和接近總體解釋率的50%。因此，三者都是非點(diǎn)源污染治理與防控過(guò)程中不可忽略的重要污染源。
表4 各污染源對(duì)TN、TP變化的解釋率Table 4 Interpretation rate of each NPS source to TN and TP changes
3 討論
本研究在以往研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況，在豐水期和平水期兩個(gè)季節(jié)較為全面地考慮了非點(diǎn)源污染的五大重要來(lái)源對(duì)湖泊氮磷濃度的影響，即種植地、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)村生活污水排放和大氣沉降。
與現(xiàn)有研究相比，本研究再次印證了平水期NPS污染源對(duì)湖泊氮磷濃度的影響要高于豐水期，但同時(shí)，本研究還進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了不同污染源對(duì)湖泊水質(zhì)影響在季節(jié)變化上也存在較大差異。此外，與現(xiàn)有研究相比，本研究發(fā)現(xiàn)種植地對(duì)湖泊氮磷濃度的影響在一定程度上被高估，而農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖（特別是水產(chǎn)養(yǎng)殖）的影響卻被以往研究所忽視。
3.1 NPS 對(duì)湖泊氮磷濃度的影響研究應(yīng)考慮季節(jié)性差異
首先，本研究結(jié)果再次印證了在平水期非點(diǎn)源污染對(duì)湖泊氮磷濃度的影響要高于豐水期[27-28]。在本研究結(jié)果中，平水期（3 月）的非點(diǎn)源污染對(duì)水質(zhì)TN、TP 的總體解釋率為80.5%，稍高于豐水期（8 月）的71.6%。造成這種結(jié)果的原因可能有兩點(diǎn)：①植被的截留與緩沖作用。豐水期植被生長(zhǎng)旺盛，植被覆蓋率顯著高于平水期，氮磷等污染物在匯入湖泊的過(guò)程中部分被植被吸附與截留，導(dǎo)致流域尺度上輸出的氮磷等污染物在輸移過(guò)程中被削減，從而影響了非點(diǎn)源污染對(duì)湖泊氮磷濃度的貢獻(xiàn)；②流量原因。豐水期流量大，雨水對(duì)輸入到湖泊的氮磷等污染物起到了稀釋作用，使得污染物濃度降低，從而導(dǎo)致非點(diǎn)源污染對(duì)湖泊氮磷濃度的影響降低。
其次，本研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，并非所有污染源都會(huì)表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性差異，針對(duì)本研究而言，種植地、畜禽養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖這3 種污染源的季節(jié)差異相對(duì)較小，而大氣沉降和農(nóng)村生活污水排放對(duì)氮磷濃度的影響在季節(jié)上卻表現(xiàn)出明顯差異性。
從本研究結(jié)果來(lái)看，由大氣沉降帶來(lái)的非點(diǎn)源污染對(duì)湖泊水體污染的影響是不可忽略的，特別是豐水期，其解釋率在40%以上。在流域尺度上，由大氣沉降帶來(lái)的TN、TP 總負(fù)荷可達(dá)湖泊總輸入量的一半左右[29]。因此，在考慮造成水體污染的非點(diǎn)源污染來(lái)源時(shí)大氣沉降也是十分重要的一項(xiàng)。大氣沉降分為干沉降和濕沉降兩種形式，其中大部分以濕沉降的形式伴隨著降水直接落入湖泊或是形成地表徑流后匯入湖泊[30]，因此受季節(jié)性影響較大，在豐水期會(huì)給水體造成更加嚴(yán)重的污染，同時(shí)在2017 年，流域內(nèi)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不夠優(yōu)化，工礦企業(yè)數(shù)量繁多，據(jù)《安徽統(tǒng)計(jì)年鑒》顯示，2017 年流域所在地級(jí)市存在大中型工業(yè)企業(yè)超700 家，且存在一批重污染企業(yè)[31]，工業(yè)產(chǎn)生的部分廢氣以及燃燒產(chǎn)生的部分污染物等也會(huì)以大氣沉降的形式返回地面，伴隨地表徑流匯入湖體，這也是造成豐水期大氣沉降解釋率在40%以上的原因之一。
豐水期大氣濕沉降作用強(qiáng)烈也是導(dǎo)致農(nóng)村生活污水排放解釋率在平水期和豐水期差異較大的重要原因。巢湖流域人口密集，農(nóng)村人口占比超過(guò)60%，且流域內(nèi)氣候條件適宜，農(nóng)村人居生活方式較為固定，農(nóng)村生活污水排放量雖然隨季節(jié)變化具有一定的差異[28]，但在大氣沉降的對(duì)比下，季節(jié)差異可忽略不計(jì)。因此，隨著豐水期的到來(lái)，大氣沉降所帶來(lái)的氮磷污染物對(duì)巢湖水體污染影響顯著提高時(shí)，農(nóng)村生活污水排放對(duì)水體污染的影響程度相對(duì)下降。
因此，在進(jìn)行非點(diǎn)源污染對(duì)湖泊氮磷濃度影響的研究時(shí)，考慮季節(jié)性差異是十分必要的，應(yīng)在厘清不同季節(jié)不同來(lái)源的非點(diǎn)源污染對(duì)湖泊氮磷濃度影響的機(jī)理以及作用程度后，有針對(duì)性地提出湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化的防控與治理建議。
3.2 種植地對(duì)湖泊氮磷濃度的影響在一定程度上被高估
現(xiàn)有研究普遍認(rèn)為，以農(nóng)產(chǎn)品種植為主的用地類(lèi)型，特別是耕地所產(chǎn)生的非點(diǎn)源污染對(duì)流域內(nèi)水體的污染影響重大，其中TN、TP負(fù)荷占入湖總量的40%以上[32]。但本研究發(fā)現(xiàn)種植地對(duì)湖泊氮磷濃度的影響存在被高估的可能性。在本研究中，種植地對(duì)巢湖TN、TP濃度變化的解釋率僅占13%，且在平水期和豐水期沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的差異。
造成這一現(xiàn)象的原因可以從以下兩方面進(jìn)行考慮：一方面是在巢湖流域內(nèi)，種植地主要包含水田、旱地和園地3 種類(lèi)型，其中水田面積在各子流域的平均占比超過(guò)95%（表5）。而為了控制灌溉和排水過(guò)程水田一般設(shè)有溝渠系統(tǒng)，因此可將其視為一個(gè)微型水生生態(tài)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)內(nèi)植物吸收、礦化作用以及其他復(fù)雜的水生過(guò)程會(huì)對(duì)耕作中產(chǎn)生的氮磷污染物進(jìn)行攔截[33]，緩沖了這些污染物向湖泊水體中的遷移；另一方面，以土地利用為切入點(diǎn)的非點(diǎn)源污染研究，在進(jìn)行土地利用信息提取與分類(lèi)時(shí)，一般不考慮畜禽養(yǎng)殖用地和水產(chǎn)養(yǎng)殖用地，這兩種用地類(lèi)型具有面積較小、分布較散等特點(diǎn)，常因分布在農(nóng)田周?chē)粴w為耕地一類(lèi)，這也是造成現(xiàn)有研究結(jié)果中耕地所產(chǎn)生的氮磷負(fù)荷較高的原因之一。而本研究將畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖作為單獨(dú)污染源，與以水田為主的種植用地進(jìn)行并列分析，發(fā)現(xiàn)三者作用相當(dāng)，解釋率之和近50%。因此，種植地、畜禽養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖都是非點(diǎn)源污染防治中不可忽略的重要因素。
表5 巢湖流域種植地類(lèi)型及面積統(tǒng)計(jì)Table 5 Statistics of planting land type and area in Chaohu Lake basin
但值得注意的是，大量種植地分布在裕溪河流域（圖5），其中水田、旱地面積占子流域首位，而裕溪河流域內(nèi)分布著巢湖流域唯一一條出湖水系裕溪河，因此，裕溪河流域內(nèi)的污染物會(huì)有部分伴隨著裕溪河匯入長(zhǎng)江，因而流域內(nèi)種植地對(duì)巢湖氮磷濃度的實(shí)際貢獻(xiàn)可能更低。因此，后續(xù)研究應(yīng)該將污染源的貢獻(xiàn)按出湖水系和入湖水系進(jìn)行分區(qū)探討。
圖5 巢湖流域種植地分布Figure 5 Distribution of planting land in Chaohu Lake basin
3.3 水產(chǎn)養(yǎng)殖的影響應(yīng)當(dāng)被重視
畜禽養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖是農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖的兩種主要方式。以往研究對(duì)養(yǎng)殖帶來(lái)的非點(diǎn)源污染對(duì)湖泊水質(zhì)的影響關(guān)注較少，尤其是水產(chǎn)養(yǎng)殖。我國(guó)在2000 年前后開(kāi)始對(duì)畜禽養(yǎng)殖污染進(jìn)行研究，并出臺(tái)了相關(guān)政策進(jìn)行控制[34-35]，而相比之下，水產(chǎn)養(yǎng)殖對(duì)環(huán)境造成的污染并未得到充分重視。巢湖流域以湖泊水體為主導(dǎo)的生態(tài)系統(tǒng)，為水產(chǎn)養(yǎng)殖提供了最基本和豐富的生存環(huán)境，特別是“十二五”規(guī)劃后，養(yǎng)殖坑塘的面積以及水產(chǎn)養(yǎng)殖的數(shù)量均逐年增長(zhǎng)，因此必須考慮其排放的污染物對(duì)巢湖水體氮磷濃度的影響。
本研究結(jié)果顯示，水產(chǎn)養(yǎng)殖對(duì)TN、TP 的影響程度在平水期和豐水期略有差異，在平水期解釋率為18.8%，而豐水期降為13.0%，與種植地的影響相當(dāng)，甚至在平水期解釋率還略高于種植地。水產(chǎn)養(yǎng)殖對(duì)巢湖氮磷濃度變化的影響體現(xiàn)在數(shù)值上雖然不高，但近年來(lái)養(yǎng)殖坑塘的面積以及水產(chǎn)養(yǎng)殖的數(shù)量在逐年增長(zhǎng)，其產(chǎn)生的氮磷污染物也會(huì)相應(yīng)增加。水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展與湖泊水環(huán)境變化是相互依賴(lài)的，良好的湖泊水質(zhì)是水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的基本前提與保障，而水產(chǎn)養(yǎng)殖的量與度又同時(shí)影響著湖泊水質(zhì)的變化趨勢(shì)。因此，在巢湖流域內(nèi)考慮非點(diǎn)源污染對(duì)湖泊水環(huán)境的影響時(shí)，水產(chǎn)養(yǎng)殖這一重要來(lái)源不應(yīng)被忽略，制定高效合理的養(yǎng)殖政策將促進(jìn)實(shí)現(xiàn)流域內(nèi)湖泊水環(huán)境保護(hù)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的雙贏。
3.4 不足與展望
本研究以巢湖流域?yàn)槔?，探究了非點(diǎn)源污染中不同的污染源對(duì)湖泊氮磷濃度的影響，目前鮮有研究從非點(diǎn)源污染的多來(lái)源角度出發(fā)，探究不同的污染來(lái)源對(duì)湖泊氮磷濃度的影響差異，本研究首次嘗試將非點(diǎn)源污染中的五大來(lái)源進(jìn)行綜合考慮及差異分析。因此，研究中存在一定不確定性，需要在未來(lái)研究中進(jìn)一步改進(jìn)。第一，本研究考慮了不同污染源對(duì)TN 和TP 濃度變化的復(fù)合影響，但污染源對(duì)TN 和TP 的影響機(jī)制和規(guī)律可能存在差異，后續(xù)研究中值得進(jìn)一步深入分析；第二，在空間上，未來(lái)研究需要對(duì)流域內(nèi)的入湖水系和出湖水系進(jìn)行區(qū)別化考慮；第三，在時(shí)間上，未來(lái)可以考慮進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間范圍的研究與分析，進(jìn)一步確定不同的污染源對(duì)湖泊水環(huán)境的影響程度與差異。
4 結(jié)論
本研究以巢湖流域?yàn)槔?，基于冗余分析方法，在平水期和豐水期兩個(gè)季節(jié)分別解析了5 種重要的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染源對(duì)巢湖氮磷濃度的影響，揭示了非點(diǎn)源污染的多來(lái)源對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化湖泊水體氮磷濃度影響的差異，得到如下結(jié)論：
（1）整體上，平水期非點(diǎn)源污染對(duì)湖泊氮磷濃度的影響高于豐水期，但不同污染源受季節(jié)影響的差異不同。種植地、畜禽養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖這3 種污染源受季節(jié)因素影響不明顯，但大氣沉降和農(nóng)村生活污水排放對(duì)湖泊氮磷濃度的影響在平水期和豐水期表現(xiàn)出較大差異。
（2）現(xiàn)有研究中種植地對(duì)湖泊氮磷濃度的影響在一定程度上被高估。一是因?yàn)楝F(xiàn)有研究大多將畜禽養(yǎng)殖用地和水產(chǎn)養(yǎng)殖用地與耕地劃分為一類(lèi)進(jìn)行研究；二是因?yàn)楹戳饔蛩W(wǎng)分布密集，種植地大多以水田為主，而水田對(duì)氮磷污染物的輸移具有緩沖作用。
（3）水產(chǎn)養(yǎng)殖對(duì)湖泊氮磷濃度的影響需要被重視，特別是在以湖泊水體為主導(dǎo)的生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)依靠天然的優(yōu)勢(shì)在不斷發(fā)展的同時(shí)，也對(duì)湖泊水環(huán)境產(chǎn)生了威脅。
致謝：感謝國(guó)家科技資源共享服務(wù)平臺(tái)-國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心湖泊-流域分中心（http：//lake.geodata.cn）提供數(shù)據(jù)支持。
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馮雪嬌，林晨，熊俊峰，陳曦，3，吳紫靜，4，馬榮華
（1.中國(guó)科學(xué)院流域地理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，南京 210008；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.長(zhǎng)春師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)春 130032；4.南京工業(yè)大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京 211816）
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，地表水環(huán)境污染問(wèn)題日益突出[1]。大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（特別是氮、磷等）進(jìn)入水體中，造成水體富營(yíng)養(yǎng)化。這一過(guò)程主要分為點(diǎn)源污染和非點(diǎn)源污染兩種形式，其中非點(diǎn)源（Non-point source，NPS）污染通常伴隨地表徑流產(chǎn)生，因其具有來(lái)源廣泛、過(guò)程復(fù)雜、隨機(jī)性強(qiáng)等特點(diǎn)而較難防控[2]，因此成為了現(xiàn)階段水體污染的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一。國(guó)外較早開(kāi)始了對(duì)非點(diǎn)源污染的研究，據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)湖泊NPS 污染占比達(dá)到了總污染量的65%左右[3]；歐洲湖泊水污染中，由農(nóng)業(yè)生產(chǎn)引起的非點(diǎn)源氮排放占總污染量的60%，磷占污染總負(fù)荷的24%～71%[4-5]。由此可見(jiàn)，非點(diǎn)源污染是湖泊水體污染研究的重中之重，而我國(guó)非點(diǎn)源污染研究起步較晚[6]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人類(lèi)活動(dòng)所帶來(lái)的非點(diǎn)源污染對(duì)湖泊水污染的影響也越來(lái)越顯著，因此探究非點(diǎn)源污染與湖泊水環(huán)境之間的關(guān)系對(duì)于湖泊水環(huán)境的治理以及流域內(nèi)人類(lèi)活動(dòng)的合理規(guī)劃與發(fā)展具有重要意義。
現(xiàn)階段，已有不少學(xué)者針對(duì)非點(diǎn)源污染與湖泊水環(huán)境之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。從研究?jī)?nèi)容來(lái)看：①影響湖泊水體污染的非點(diǎn)源眾多，諸多研究重點(diǎn)關(guān)注土地利用變化[7-10]，如Cheruiyot等[7]估算了東非維多利亞湖不同土地利用類(lèi)型的總氮、總磷負(fù)荷量，結(jié)果表明農(nóng)用地所產(chǎn)生的污染物占比最高，是湖泊非點(diǎn)源污染的最主要來(lái)源；Zhang 等[9]對(duì)北京密云水庫(kù)非點(diǎn)源污染進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明農(nóng)業(yè)園地的增加導(dǎo)致氮磷的潛在污染負(fù)荷在一定程度上有所增長(zhǎng)；②部分研究對(duì)幾種不同的來(lái)源進(jìn)行了綜合考慮與分析[11-13]，如Kong等[11]對(duì)巢湖流域非點(diǎn)源污染中肥料流失、大氣沉降、土壤侵蝕等來(lái)源進(jìn)行了總氮、總磷負(fù)荷量估算，得到了非點(diǎn)源污染多年平均養(yǎng)分負(fù)荷貢獻(xiàn)率（總氮平均為85%，總磷平均為77%）。
綜上，通過(guò)估算污染物負(fù)荷量來(lái)評(píng)價(jià)非點(diǎn)源污染對(duì)湖泊水環(huán)境的影響研究已經(jīng)比較成熟，但尚存在如下問(wèn)題：①多數(shù)研究對(duì)污染源的考慮較為單一。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷轉(zhuǎn)型與發(fā)展，流域內(nèi)傳統(tǒng)的耕作、養(yǎng)殖等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式以及生活方式不斷改變，造成了非點(diǎn)源污染的變化，使得影響湖泊水環(huán)境的污染源更加多樣化。因此針對(duì)污染源的單一研究會(huì)使結(jié)果存在不確定性，從而限制對(duì)湖泊水環(huán)境的針對(duì)性管控和治理；②部分研究考慮了不同污染源對(duì)湖泊水環(huán)境的影響，但研究中缺乏與湖泊水質(zhì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的聯(lián)系。在流域尺度上，以非點(diǎn)源形式產(chǎn)生的污染物最終將匯入附近的水體，各種水質(zhì)參數(shù)的變化是對(duì)非點(diǎn)源污染的直接響應(yīng)[14]。因此，通過(guò)建立流域非點(diǎn)源污染所產(chǎn)生的污染物與湖泊水質(zhì)之間的聯(lián)系來(lái)定量揭示不同污染源對(duì)湖泊水質(zhì)的貢獻(xiàn)率，能夠更好地明確流域非點(diǎn)源污染對(duì)湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化的影響。
針對(duì)上述關(guān)鍵問(wèn)題，如何在湖泊水質(zhì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)支撐下，綜合考慮不同非點(diǎn)源污染來(lái)源對(duì)湖泊水質(zhì)指標(biāo)濃度的直接影響，是本研究要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。巢湖作為我國(guó)五大淡水湖泊之一，其水質(zhì)狀況與周邊地區(qū)用水安全息息相關(guān)。近年來(lái)，流域內(nèi)種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)的不斷發(fā)展促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，但也加重了非點(diǎn)源污染，同時(shí)流域內(nèi)農(nóng)村人口聚集，人類(lèi)活動(dòng)排放的部分生活污水以及廢氣等也會(huì)以不同形式進(jìn)入湖泊中，使得巢湖水體呈現(xiàn)不同程度的富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)[15]，而這種富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)主要是由氮磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)過(guò)量引起的[16]。因此本研究以巢湖流域?yàn)檠芯繀^(qū)，在巢湖氮磷實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的支撐下，基于冗余分析方法對(duì)非點(diǎn)源污染中的種植地、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)村生活污水排放和大氣沉降五大重要來(lái)源進(jìn)行綜合考慮，明確平水期和豐水期流域內(nèi)不同NPS 污染源對(duì)湖泊水體氮磷濃度的影響。
1 材料與方法
1.1 研究區(qū)概況
巢湖（117°16′54″～117°51′46″E，31°25′28″～31°43′28″N）位于安徽省中部（圖1），長(zhǎng)江北岸，湖泊面積約為783 km2。近年來(lái)，巢湖水體呈現(xiàn)出嚴(yán)重的富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，雖然得到了相關(guān)部門(mén)的重視與治理，但2018 年巢湖水質(zhì)整體仍處于較差水平，部分湖體水質(zhì)達(dá)到了Ⅴ類(lèi)甚至劣Ⅴ類(lèi)[17]。
巢湖流域（116°23′59″～118°22′05″E，30°52′25″～32°07′53″N）面積約為13 500 km2，包含了六大入湖水系和一條出湖水系（表1）。本研究在湖泊水系分布基礎(chǔ)上，參考國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)中湖泊-流域科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的湖泊二級(jí)流域數(shù)據(jù)，將巢湖流域再分為7 個(gè)子流域，分別為杭埠河流域、派河流域、南淝河流域、炯煬河流域、柘皋河流域、白石天河流域以及裕溪河流域（表1）。
表1 巢湖流域子流域基本信息Table 1 Basic information of sub-basin in Chaohu Lake basin
流域內(nèi)土地利用以耕地為主（圖1），耕地面積占比可達(dá)流域總面積的60%。因水熱條件良好，巢湖流域成為了我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最集中的區(qū)域之一[18]，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以種植業(yè)為主，主要糧食作物為水稻，同時(shí)兼顧養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。流域內(nèi)擁有近960 萬(wàn)人口，其中農(nóng)村人口占比超過(guò)60%。流域內(nèi)頻繁的農(nóng)業(yè)活動(dòng)和農(nóng)村生活產(chǎn)生的過(guò)量氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)造成了嚴(yán)重的非點(diǎn)源污染，污染物伴隨著地表徑流進(jìn)入巢湖，使得湖體呈現(xiàn)不同的富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。
圖1 研究區(qū)概況及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分布圖Figure 1 Overview of the study area and distribution of the monitoring sites
1.2 不同季節(jié)湖泊TN、TP數(shù)據(jù)差別化獲取
本研究所采用數(shù)據(jù)均以2017年為基礎(chǔ)。2017年是我國(guó)“十三五”規(guī)劃開(kāi)局的第一個(gè)完整年，在“十三五”規(guī)劃中，安徽省作為農(nóng)業(yè)大省提出了大力發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)、改善生態(tài)環(huán)境的發(fā)展目標(biāo)[19]，因而2017 年是流域內(nèi)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)，因此選擇該年數(shù)據(jù)具有一定代表性。同時(shí)，依據(jù)流域內(nèi)多個(gè)氣象站點(diǎn)的月平均降水量數(shù)據(jù)，選定降水豐沛的8 月作為豐水期，降水相對(duì)適中的3月作為平水期。
湖泊水質(zhì)指標(biāo)眾多，其中總氮（Total Nitrogen，TN）、總磷（Total Phosphorus，TP）流失是非點(diǎn)源污染引起湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要原因[16]，因此本研究選取了巢湖2017年平水期和豐水期TN、TP 濃度作為水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)來(lái)源于巢湖管理局，巢湖管理局自2008 年開(kāi)始以月為單位對(duì)巢湖水質(zhì)進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)，這為本研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。
為保證研究結(jié)果的合理性，本研究選用離岸距離相近的環(huán)湖12 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的TN、TP 數(shù)據(jù)（圖1）進(jìn)行分析，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)所屬子流域信息見(jiàn)表1。監(jiān)測(cè)點(diǎn)共包含12 處，分別為南淝河入湖區(qū)（C1）、十五里河入湖區(qū)（C2）、塘西河入湖區(qū)（C3）、派河入湖區(qū)（C4）、新河入湖區(qū)（C5）、湖濱（C6）、忠廟（C7）、兆河入湖區(qū)（C8）、黃麓（C9）、中焊鄉(xiāng)（C10）、巢湖船廠（C11）以及巢湖壩口（C12）。
1.3 考慮農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與農(nóng)村生活影響的NPS污染源分類(lèi)
巢湖流域是我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最集中的區(qū)域之一。得益于良好的水熱條件，流域內(nèi)種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅猛，農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量豐厚，促進(jìn)了區(qū)域經(jīng)濟(jì)不斷增長(zhǎng)，但同時(shí)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中使用的過(guò)量肥料、餌料以及畜禽、水產(chǎn)等產(chǎn)生的排泄物不斷向水體排放，是造成巢湖水體氮磷濃度變化的重要原因。因此，本研究結(jié)合流域內(nèi)主要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，同時(shí)參考現(xiàn)有相關(guān)研究對(duì)巢湖流域非點(diǎn)源污染的探討經(jīng)驗(yàn)[11，13，20]，將流域內(nèi)非點(diǎn)源污染的來(lái)源分為以下5類(lèi)。
（1）種植地
種植地種類(lèi)繁多，通過(guò)現(xiàn)有研究可知，在土地利用中對(duì)非點(diǎn)源污染貢獻(xiàn)最大的種植地類(lèi)型是受農(nóng)業(yè)活動(dòng)影響較大的耕地和園地兩類(lèi)[7，9-10]。因此，種植地主要提取農(nóng)用地中的耕地（水田、旱地）、園地兩大類(lèi)，數(shù)據(jù)從流域土地利用數(shù)據(jù)中獲取，具體信息見(jiàn)表2。
表2 NPS污染源數(shù)據(jù)來(lái)源及說(shuō)明Table 2 Data source and description of NPS pollution source
（2）畜禽養(yǎng)殖
畜禽養(yǎng)殖種類(lèi)主要包括牛、羊、豬、家禽4 類(lèi)，由于各類(lèi)畜禽排污量不同，因此需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化。參考各畜禽氮磷污染物排放量，以豬作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行換算，最終計(jì)算各行政單元內(nèi)畜禽養(yǎng)殖排污總量[21]。
式中：i為畜禽養(yǎng)殖種類(lèi)；Li為i類(lèi)畜禽換算為豬的數(shù)量，頭；li為i類(lèi)畜禽本身數(shù)量，頭或羽；Np、Pp為豬每年排泄的氮、磷量，t；Ni、Pi為i類(lèi)畜禽每年排放的氮、磷量，t。
（3）水產(chǎn)養(yǎng)殖
水產(chǎn)養(yǎng)殖是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要方式之一，特別是長(zhǎng)江中下游地區(qū)擁有良好的水源條件，為水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展提供了基本前提。但養(yǎng)殖過(guò)程中剩余的餌料、代謝產(chǎn)物等會(huì)對(duì)養(yǎng)殖水體以及周?chē)w造成污染。水產(chǎn)養(yǎng)殖數(shù)據(jù)可從統(tǒng)計(jì)年鑒中直接獲取。
（4）農(nóng)村生活污水排放
農(nóng)村生活污水排放量主要由農(nóng)村人口數(shù)量決定，計(jì)算公式：
式中：Q為生活污水年排放總量，t；P為農(nóng)村生活污水排放系數(shù)，t·人-1·a-1；N為農(nóng)村人口數(shù)，人。農(nóng)村生活污水排放系數(shù)參考相關(guān)研究[22]。
（5）大氣沉降
農(nóng)業(yè)種植中施用的氮磷等化肥，一部分會(huì)揮發(fā)到大氣中，同時(shí)秸稈等作物燃燒以及工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生相關(guān)廢氣，這些污染物再以大氣沉降的形式返還地面。大氣沉降主要分為大氣干沉降和濕沉降兩種形式。通用計(jì)算公式：
式中：W為大氣干、濕沉降年輸入的氮（磷）總量，t；F為相應(yīng)的大氣沉降通量，t·km-2·a-1；S為流域面積，km2。
以縣級(jí)行政區(qū)為最小計(jì)算單元，在子流域范圍內(nèi)對(duì)上述5 種污染源進(jìn)行計(jì)算，依據(jù)面積權(quán)重法對(duì)上述5 種污染源計(jì)算結(jié)果進(jìn)行空間化處理，生成流域不同污染源的空間分布圖。
以上5 大污染源計(jì)算所需數(shù)據(jù)基本信息及相關(guān)說(shuō)明如表2所示，均以2017年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。
1.4 基于冗余分析方法的污染源對(duì)湖泊TN、TP 的影響分析
冗余分析（RDA，Redundancy Analysis）方法可以通過(guò)回歸分析結(jié)合主成分分析的梯度排序來(lái)評(píng)價(jià)一組變量引起另一組變量變異的貢獻(xiàn)程度[24]，也能給出各因子引起另一組變量變異的單獨(dú)解釋率[25]。但需注意的是，在RDA 分析中，計(jì)算得到的解釋率為污染源對(duì)TN和TP變化的復(fù)合解釋率，而非對(duì)TN、TP單獨(dú)的解釋率。與常用的非點(diǎn)源氮磷負(fù)荷模擬模型相比，RDA 分析僅需提供污染源數(shù)據(jù)以及氮磷濃度數(shù)據(jù)即可評(píng)價(jià)非點(diǎn)源污染對(duì)湖泊氮磷濃度變化的影響，不用單獨(dú)計(jì)算TN、TP 的負(fù)荷量，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與處理工作。
RDA分析主要分析操作在軟件Canoco 5中進(jìn)行。在進(jìn)行分析之前，首先要對(duì)TN、TP 數(shù)據(jù)進(jìn)行去趨勢(shì)分析（DCA，Detrended Correspondence Analysis），當(dāng)所有軸長(zhǎng)均小于4時(shí)，才可進(jìn)行RDA分析。在平水期和豐水期的DCA 分析中，所有排序軸中的最長(zhǎng)梯度值為0.35（小于4），因此可進(jìn)行RDA 分析；其次要對(duì)污染源變量進(jìn)行篩選，考慮其多重共線(xiàn)性問(wèn)題，不符合要求的變量會(huì)被自動(dòng)刪除。
在應(yīng)用Canoco 5 進(jìn)行RDA 分析時(shí)，將TN、TP 濃度作為物種數(shù)據(jù)輸入，將上述5 種污染源數(shù)據(jù)作為環(huán)境因子輸入，Canoco 5 軟件自動(dòng)對(duì)不同量綱的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，避免了各污染源因量綱不同而導(dǎo)致的結(jié)果差異，在排序方法中選擇RDA 即可實(shí)現(xiàn)定量化顯示流域內(nèi)非點(diǎn)源污染對(duì)巢湖氮磷濃度影響的總體解釋率以及不同污染源之間的影響差異。
2 結(jié)果與分析
2.1 流域NPS不同污染源的空間分布
由圖2 可知，各種污染源空間分布差異性明顯。總體上，面積越大的子流域其污染源數(shù)量越多，如面積最大的裕溪河流域內(nèi)種植地面積、水產(chǎn)養(yǎng)殖數(shù)量、農(nóng)村生活污水排放量以及氮磷大氣沉降總量皆占子流域首位，畜禽養(yǎng)殖數(shù)量最多的流域是面積排名第二的杭埠河流域，而面積最小的炯煬河流域，僅為裕溪河流域面積的1/15，該流域內(nèi)各污染源數(shù)量相對(duì)較少（圖2）。但在面積相差較小的子流域內(nèi)，不同來(lái)源特征也有所不同。各污染源的具體分布情況：
（1）流域內(nèi)種植地面積約為8 400 km2，在流域土地利用中占比超過(guò)40%。其中，裕溪河流域種植地面積最高，達(dá)到了3 600 km2，而種植地面積最小的炯煬河流域僅為240 km2，二者相差達(dá)到14 倍。種植地面積排序?yàn)樵Ｏ恿饔颍竞疾汉恿饔颍灸箱呛恿饔颍景资旌恿饔颍九珊恿饔颍捐细藓恿饔颍揪紵恿饔颍▓D2a）。
（2）流域內(nèi)牛、羊、豬以及活家禽經(jīng)過(guò)當(dāng)量換算后，共有約1.2×107頭。在子流域內(nèi)，畜禽養(yǎng)殖量最多的為杭埠河流域，養(yǎng)殖量約為4.7×106頭，占總畜禽量的38%，而養(yǎng)殖量最小的炯煬河流域有2.7×105頭，僅占杭埠河流域畜禽養(yǎng)殖量的1/17?？傂笄蒺B(yǎng)殖量排序?yàn)楹疾汉恿饔颍驹Ｏ恿饔颍灸箱呛恿饔颍九珊恿饔颍景资旌恿饔颍捐细藓恿饔颍揪紵恿饔颍▓D2b）。
（3）流域內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖總量約為2.5×105t，在子流域內(nèi)，裕溪河流域養(yǎng)殖量最高，為1.1×105t，是養(yǎng)殖量最低的炯煬河流域的18 倍?？偹a(chǎn)養(yǎng)殖量排序?yàn)樵Ｏ恿饔颍竞疾汉恿饔颍景资旌恿饔颍灸箱呛恿饔颍捐细藓恿饔颍九珊恿饔颍揪紵恿饔颍▓D2c）。
圖2 巢湖流域不同污染源的空間分布Figure 2 Spatial distribution of different pollution sources in Chaohu Lake basin
（4）農(nóng)村生活污水排放量主要受農(nóng)村人口數(shù)量的影響。流域內(nèi)農(nóng)村生活污水總排放量約為2.7×107t，各子流域農(nóng)村生活污水排放量排序?yàn)樵Ｏ恿饔颍竞疾汉恿饔颍景资旌恿饔颍灸箱呛恿饔颍九珊恿饔颍捐细藓恿饔颍揪紵恿饔颍▓D2d）。
（5）流域內(nèi)大氣TN 沉降量約為6.25×104t，TP 沉降量約為1.56×103t。受大氣沉降計(jì)算方法的影響，子流域內(nèi)沉降量與子流域面積呈正比。各子流域大氣TN和TP沉降總量排序?yàn)樵Ｏ恿饔颍竞疾汉恿饔颍景资旌恿饔颍灸箱呛恿饔颍九珊恿饔颍捐细藓恿饔颍揪紵恿饔颍▓D2e）。
2.2 流域TN、TP濃度時(shí)空分異
巢湖2017年平水期（3月）和豐水期（8月）TN、TP濃度變化如圖3所示。
圖3 平水期和豐水期各監(jiān)測(cè)站TN、TP濃度變化Figure 3 Variation of TN and TP concentration of each monitoring site in normal period and wet period
從時(shí)間上看，TN、TP 濃度變化存在一定差異性。TN 濃度變化較為穩(wěn)定，各監(jiān)測(cè)站3 月TN 濃度均高于8 月，且3 月各監(jiān)測(cè)站TN 濃度均超過(guò)了《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）[26]規(guī)定的三類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)（1 mg·L-1），8月除南淝河流域和派河流域監(jiān)測(cè)站點(diǎn)水質(zhì)超過(guò)三類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)外，其余子流域均可達(dá)標(biāo)。大部分監(jiān)測(cè)站TP 濃度表現(xiàn)為8 月高于3 月，但C10（中焊鄉(xiāng)）和C12（巢湖壩口）相反，3 月TP 濃度略高于8 月。各監(jiān)測(cè)站8 月TP 濃度均超過(guò)了《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）[26]規(guī)定的三類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)（0.05 mg·L-1），而3 月也僅有C8（兆河入湖區(qū)）和C9（黃麓）的TP濃度低于三類(lèi)水的標(biāo)準(zhǔn)。
從空間上看，TN、TP均呈現(xiàn)出較為明顯的空間化特征，整體上呈現(xiàn)出巢湖流域東部水質(zhì)狀況優(yōu)于西部的狀態(tài)。TN、TP 濃度在空間上差異可總結(jié)為：C1（南淝河入湖區(qū)）、C2（十五里河入湖區(qū)）、C3（塘西河入湖區(qū)）＞C4（派河入湖區(qū)）、C6（湖濱）＞C5（新河入湖區(qū)）＞C7（忠廟）、C8（兆河入湖區(qū)）、C9（黃麓）＞C10（中焊鄉(xiāng)）、C11（巢湖船廠）、C12（巢湖壩口）。
2.3 NPS對(duì)巢湖TN、TP影響的多來(lái)源分析
RDA 排序如圖4所示，虛線(xiàn)箭頭表示數(shù)量型環(huán)境因子，即5 種污染源；實(shí)線(xiàn)箭頭表示物種因子，即TN、TP 濃度，其中物種變量的箭頭連線(xiàn)長(zhǎng)度可反映環(huán)境因子對(duì)物種變量的影響程度。從圖4 可以看出，平水期TN、TP 的箭頭長(zhǎng)度均稍長(zhǎng)于豐水期，即平水期非點(diǎn)源污染對(duì)巢湖氮磷濃度的整體影響要高于豐水期，而在平水期和豐水期，非點(diǎn)源污染對(duì)巢湖氮磷濃度的總體影響差異以及各個(gè)污染源的影響差異可量化為解釋率大小的差異。
圖4 污染源與TN、TP的RDA結(jié)果排序圖Figure 4 Redundancy analysis（RDA）ranking of TN and TP from NPS sources
RDA 分析結(jié)果中，不同污染源對(duì)湖泊氮磷濃度影響差異的解釋率分為兩部分，一是5 類(lèi)污染源在平水期和豐水期對(duì)氮磷濃度影響的總體解釋率；二是5類(lèi)污染源分別對(duì)氮磷濃度變化的解釋率大小。具體結(jié)果表現(xiàn)如下：
（1）平水期（3 月）流域非點(diǎn)源污染對(duì)巢湖TN、TP變化的影響程度略高于豐水期（8 月）。5 種來(lái)源的非點(diǎn)源污染對(duì)巢湖氮磷濃度變化的總體解釋率如表3所示。RDA 分析結(jié)果中，各軸解釋率為累積解釋率，從表3 可知，第一軸的解釋率遠(yuǎn)高于其他幾軸，因此非點(diǎn)源污染對(duì)TN、TP 的解釋率主要取決于第一軸。其中，3 月非點(diǎn)源污染對(duì)TN、TP 的總體解釋率為80.5%，高于8月的71.6%。
表3 非點(diǎn)源污染對(duì)TN、TP的總體解釋率Table 3 The overall interpretation of water quality by NPS pollution
（2）由大氣沉降和農(nóng)村生活污水排放引起的非點(diǎn)源污染對(duì)巢湖TN、TP 變化的影響在平水期和豐水期表現(xiàn)出明顯差異（表4）。其中平水期（3月）農(nóng)村生活污水排放對(duì)TN、TP 的解釋率達(dá)到43.8%，而大氣沉降僅為6.3%；豐水期（8月）大氣沉降解釋率達(dá)到46.4%，而農(nóng)村生活污水排放量的解釋率下降到7.0%。無(wú)論在平水期還是豐水期，二者總和都超了總解釋率的50%，但兩種污染源在平水期和豐水期的解釋率表現(xiàn)出如此大的差異，需要在后續(xù)研究中進(jìn)行深入分析。
（3）種植地、畜禽養(yǎng)殖以及水產(chǎn)養(yǎng)殖3 種污染源對(duì)TN、TP 的影響程度相差不大，解釋率均在10%～20%范圍內(nèi)（表4）。三者解釋率在平水期和豐水期略有差異，但差異不大。其中，平水期水產(chǎn)養(yǎng)殖的影響程度相對(duì)更高一些，其次是畜禽養(yǎng)殖，種植地影響最低；豐水期畜禽養(yǎng)殖的影響程度最高，其次是種植地，水產(chǎn)養(yǎng)殖影響最低。雖然3 種污染源單獨(dú)的影響不高，但作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的3 種主要形式，三者解釋率之和接近總體解釋率的50%。因此，三者都是非點(diǎn)源污染治理與防控過(guò)程中不可忽略的重要污染源。
表4 各污染源對(duì)TN、TP變化的解釋率Table 4 Interpretation rate of each NPS source to TN and TP changes
3 討論
本研究在以往研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況，在豐水期和平水期兩個(gè)季節(jié)較為全面地考慮了非點(diǎn)源污染的五大重要來(lái)源對(duì)湖泊氮磷濃度的影響，即種植地、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)村生活污水排放和大氣沉降。
與現(xiàn)有研究相比，本研究再次印證了平水期NPS污染源對(duì)湖泊氮磷濃度的影響要高于豐水期，但同時(shí)，本研究還進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了不同污染源對(duì)湖泊水質(zhì)影響在季節(jié)變化上也存在較大差異。此外，與現(xiàn)有研究相比，本研究發(fā)現(xiàn)種植地對(duì)湖泊氮磷濃度的影響在一定程度上被高估，而農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖（特別是水產(chǎn)養(yǎng)殖）的影響卻被以往研究所忽視。
3.1 NPS 對(duì)湖泊氮磷濃度的影響研究應(yīng)考慮季節(jié)性差異
首先，本研究結(jié)果再次印證了在平水期非點(diǎn)源污染對(duì)湖泊氮磷濃度的影響要高于豐水期[27-28]。在本研究結(jié)果中，平水期（3 月）的非點(diǎn)源污染對(duì)水質(zhì)TN、TP 的總體解釋率為80.5%，稍高于豐水期（8 月）的71.6%。造成這種結(jié)果的原因可能有兩點(diǎn)：①植被的截留與緩沖作用。豐水期植被生長(zhǎng)旺盛，植被覆蓋率顯著高于平水期，氮磷等污染物在匯入湖泊的過(guò)程中部分被植被吸附與截留，導(dǎo)致流域尺度上輸出的氮磷等污染物在輸移過(guò)程中被削減，從而影響了非點(diǎn)源污染對(duì)湖泊氮磷濃度的貢獻(xiàn)；②流量原因。豐水期流量大，雨水對(duì)輸入到湖泊的氮磷等污染物起到了稀釋作用，使得污染物濃度降低，從而導(dǎo)致非點(diǎn)源污染對(duì)湖泊氮磷濃度的影響降低。
其次，本研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，并非所有污染源都會(huì)表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性差異，針對(duì)本研究而言，種植地、畜禽養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖這3 種污染源的季節(jié)差異相對(duì)較小，而大氣沉降和農(nóng)村生活污水排放對(duì)氮磷濃度的影響在季節(jié)上卻表現(xiàn)出明顯差異性。
從本研究結(jié)果來(lái)看，由大氣沉降帶來(lái)的非點(diǎn)源污染對(duì)湖泊水體污染的影響是不可忽略的，特別是豐水期，其解釋率在40%以上。在流域尺度上，由大氣沉降帶來(lái)的TN、TP 總負(fù)荷可達(dá)湖泊總輸入量的一半左右[29]。因此，在考慮造成水體污染的非點(diǎn)源污染來(lái)源時(shí)大氣沉降也是十分重要的一項(xiàng)。大氣沉降分為干沉降和濕沉降兩種形式，其中大部分以濕沉降的形式伴隨著降水直接落入湖泊或是形成地表徑流后匯入湖泊[30]，因此受季節(jié)性影響較大，在豐水期會(huì)給水體造成更加嚴(yán)重的污染，同時(shí)在2017 年，流域內(nèi)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不夠優(yōu)化，工礦企業(yè)數(shù)量繁多，據(jù)《安徽統(tǒng)計(jì)年鑒》顯示，2017 年流域所在地級(jí)市存在大中型工業(yè)企業(yè)超700 家，且存在一批重污染企業(yè)[31]，工業(yè)產(chǎn)生的部分廢氣以及燃燒產(chǎn)生的部分污染物等也會(huì)以大氣沉降的形式返回地面，伴隨地表徑流匯入湖體，這也是造成豐水期大氣沉降解釋率在40%以上的原因之一。
豐水期大氣濕沉降作用強(qiáng)烈也是導(dǎo)致農(nóng)村生活污水排放解釋率在平水期和豐水期差異較大的重要原因。巢湖流域人口密集，農(nóng)村人口占比超過(guò)60%，且流域內(nèi)氣候條件適宜，農(nóng)村人居生活方式較為固定，農(nóng)村生活污水排放量雖然隨季節(jié)變化具有一定的差異[28]，但在大氣沉降的對(duì)比下，季節(jié)差異可忽略不計(jì)。因此，隨著豐水期的到來(lái)，大氣沉降所帶來(lái)的氮磷污染物對(duì)巢湖水體污染影響顯著提高時(shí)，農(nóng)村生活污水排放對(duì)水體污染的影響程度相對(duì)下降。
因此，在進(jìn)行非點(diǎn)源污染對(duì)湖泊氮磷濃度影響的研究時(shí)，考慮季節(jié)性差異是十分必要的，應(yīng)在厘清不同季節(jié)不同來(lái)源的非點(diǎn)源污染對(duì)湖泊氮磷濃度影響的機(jī)理以及作用程度后，有針對(duì)性地提出湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化的防控與治理建議。
3.2 種植地對(duì)湖泊氮磷濃度的影響在一定程度上被高估
現(xiàn)有研究普遍認(rèn)為，以農(nóng)產(chǎn)品種植為主的用地類(lèi)型，特別是耕地所產(chǎn)生的非點(diǎn)源污染對(duì)流域內(nèi)水體的污染影響重大，其中TN、TP負(fù)荷占入湖總量的40%以上[32]。但本研究發(fā)現(xiàn)種植地對(duì)湖泊氮磷濃度的影響存在被高估的可能性。在本研究中，種植地對(duì)巢湖TN、TP濃度變化的解釋率僅占13%，且在平水期和豐水期沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的差異。
造成這一現(xiàn)象的原因可以從以下兩方面進(jìn)行考慮：一方面是在巢湖流域內(nèi)，種植地主要包含水田、旱地和園地3 種類(lèi)型，其中水田面積在各子流域的平均占比超過(guò)95%（表5）。而為了控制灌溉和排水過(guò)程水田一般設(shè)有溝渠系統(tǒng)，因此可將其視為一個(gè)微型水生生態(tài)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)內(nèi)植物吸收、礦化作用以及其他復(fù)雜的水生過(guò)程會(huì)對(duì)耕作中產(chǎn)生的氮磷污染物進(jìn)行攔截[33]，緩沖了這些污染物向湖泊水體中的遷移；另一方面，以土地利用為切入點(diǎn)的非點(diǎn)源污染研究，在進(jìn)行土地利用信息提取與分類(lèi)時(shí)，一般不考慮畜禽養(yǎng)殖用地和水產(chǎn)養(yǎng)殖用地，這兩種用地類(lèi)型具有面積較小、分布較散等特點(diǎn)，常因分布在農(nóng)田周?chē)粴w為耕地一類(lèi)，這也是造成現(xiàn)有研究結(jié)果中耕地所產(chǎn)生的氮磷負(fù)荷較高的原因之一。而本研究將畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖作為單獨(dú)污染源，與以水田為主的種植用地進(jìn)行并列分析，發(fā)現(xiàn)三者作用相當(dāng)，解釋率之和近50%。因此，種植地、畜禽養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖都是非點(diǎn)源污染防治中不可忽略的重要因素。
表5 巢湖流域種植地類(lèi)型及面積統(tǒng)計(jì)Table 5 Statistics of planting land type and area in Chaohu Lake basin
但值得注意的是，大量種植地分布在裕溪河流域（圖5），其中水田、旱地面積占子流域首位，而裕溪河流域內(nèi)分布著巢湖流域唯一一條出湖水系裕溪河，因此，裕溪河流域內(nèi)的污染物會(huì)有部分伴隨著裕溪河匯入長(zhǎng)江，因而流域內(nèi)種植地對(duì)巢湖氮磷濃度的實(shí)際貢獻(xiàn)可能更低。因此，后續(xù)研究應(yīng)該將污染源的貢獻(xiàn)按出湖水系和入湖水系進(jìn)行分區(qū)探討。
圖5 巢湖流域種植地分布Figure 5 Distribution of planting land in Chaohu Lake basin
3.3 水產(chǎn)養(yǎng)殖的影響應(yīng)當(dāng)被重視
畜禽養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖是農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖的兩種主要方式。以往研究對(duì)養(yǎng)殖帶來(lái)的非點(diǎn)源污染對(duì)湖泊水質(zhì)的影響關(guān)注較少，尤其是水產(chǎn)養(yǎng)殖。我國(guó)在2000 年前后開(kāi)始對(duì)畜禽養(yǎng)殖污染進(jìn)行研究，并出臺(tái)了相關(guān)政策進(jìn)行控制[34-35]，而相比之下，水產(chǎn)養(yǎng)殖對(duì)環(huán)境造成的污染并未得到充分重視。巢湖流域以湖泊水體為主導(dǎo)的生態(tài)系統(tǒng)，為水產(chǎn)養(yǎng)殖提供了最基本和豐富的生存環(huán)境，特別是“十二五”規(guī)劃后，養(yǎng)殖坑塘的面積以及水產(chǎn)養(yǎng)殖的數(shù)量均逐年增長(zhǎng)，因此必須考慮其排放的污染物對(duì)巢湖水體氮磷濃度的影響。
本研究結(jié)果顯示，水產(chǎn)養(yǎng)殖對(duì)TN、TP 的影響程度在平水期和豐水期略有差異，在平水期解釋率為18.8%，而豐水期降為13.0%，與種植地的影響相當(dāng)，甚至在平水期解釋率還略高于種植地。水產(chǎn)養(yǎng)殖對(duì)巢湖氮磷濃度變化的影響體現(xiàn)在數(shù)值上雖然不高，但近年來(lái)養(yǎng)殖坑塘的面積以及水產(chǎn)養(yǎng)殖的數(shù)量在逐年增長(zhǎng)，其產(chǎn)生的氮磷污染物也會(huì)相應(yīng)增加。水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展與湖泊水環(huán)境變化是相互依賴(lài)的，良好的湖泊水質(zhì)是水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的基本前提與保障，而水產(chǎn)養(yǎng)殖的量與度又同時(shí)影響著湖泊水質(zhì)的變化趨勢(shì)。因此，在巢湖流域內(nèi)考慮非點(diǎn)源污染對(duì)湖泊水環(huán)境的影響時(shí)，水產(chǎn)養(yǎng)殖這一重要來(lái)源不應(yīng)被忽略，制定高效合理的養(yǎng)殖政策將促進(jìn)實(shí)現(xiàn)流域內(nèi)湖泊水環(huán)境保護(hù)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的雙贏。
3.4 不足與展望
本研究以巢湖流域?yàn)槔?，探究了非點(diǎn)源污染中不同的污染源對(duì)湖泊氮磷濃度的影響，目前鮮有研究從非點(diǎn)源污染的多來(lái)源角度出發(fā)，探究不同的污染來(lái)源對(duì)湖泊氮磷濃度的影響差異，本研究首次嘗試將非點(diǎn)源污染中的五大來(lái)源進(jìn)行綜合考慮及差異分析。因此，研究中存在一定不確定性，需要在未來(lái)研究中進(jìn)一步改進(jìn)。第一，本研究考慮了不同污染源對(duì)TN 和TP 濃度變化的復(fù)合影響，但污染源對(duì)TN 和TP 的影響機(jī)制和規(guī)律可能存在差異，后續(xù)研究中值得進(jìn)一步深入分析；第二，在空間上，未來(lái)研究需要對(duì)流域內(nèi)的入湖水系和出湖水系進(jìn)行區(qū)別化考慮；第三，在時(shí)間上，未來(lái)可以考慮進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間范圍的研究與分析，進(jìn)一步確定不同的污染源對(duì)湖泊水環(huán)境的影響程度與差異。
4 結(jié)論
本研究以巢湖流域?yàn)槔?，基于冗余分析方法，在平水期和豐水期兩個(gè)季節(jié)分別解析了5 種重要的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染源對(duì)巢湖氮磷濃度的影響，揭示了非點(diǎn)源污染的多來(lái)源對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化湖泊水體氮磷濃度影響的差異，得到如下結(jié)論：
（1）整體上，平水期非點(diǎn)源污染對(duì)湖泊氮磷濃度的影響高于豐水期，但不同污染源受季節(jié)影響的差異不同。種植地、畜禽養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖這3 種污染源受季節(jié)因素影響不明顯，但大氣沉降和農(nóng)村生活污水排放對(duì)湖泊氮磷濃度的影響在平水期和豐水期表現(xiàn)出較大差異。
（2）現(xiàn)有研究中種植地對(duì)湖泊氮磷濃度的影響在一定程度上被高估。一是因?yàn)楝F(xiàn)有研究大多將畜禽養(yǎng)殖用地和水產(chǎn)養(yǎng)殖用地與耕地劃分為一類(lèi)進(jìn)行研究；二是因?yàn)楹戳饔蛩W(wǎng)分布密集，種植地大多以水田為主，而水田對(duì)氮磷污染物的輸移具有緩沖作用。
（3）水產(chǎn)養(yǎng)殖對(duì)湖泊氮磷濃度的影響需要被重視，特別是在以湖泊水體為主導(dǎo)的生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)依靠天然的優(yōu)勢(shì)在不斷發(fā)展的同時(shí)，也對(duì)湖泊水環(huán)境產(chǎn)生了威脅。
致謝：感謝國(guó)家科技資源共享服務(wù)平臺(tái)-國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心湖泊-流域分中心（http：//lake.geodata.cn）提供數(shù)據(jù)支持。
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