太湖流域典型平原圩區(qū)磷輸移機制分析

張 京，張 鵬，黃海田，顏紅勤，王曉杰

（1.中國科學院南京地理與湖泊研究所中國科學院流域地理學重點實驗室，江蘇南京 210008；2.中國科學院大學，北京 100049；3.江蘇省水利工程規(guī)劃辦公室，江蘇南京 210029；4.江蘇省水力發(fā)電工程學會，江蘇南京 210098；5.江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司，江蘇南京 210029；6.江蘇省水文水資源勘測局常州分局，江蘇常州 213022）

圩區(qū)作為太湖流域平原河網地區(qū)主要的地理單元，是流域下游平原易澇區(qū)筑堤圍墾而形成的相對封閉的人工集水單元。在太湖流域，圩區(qū)占平原區(qū)總面積的50%以上。以往研究多關注圩區(qū)的防洪排澇作用［1-2］，但其地勢平坦，農業(yè)強度高，使得圩區(qū)極易因自然和人類活動而產生高強度的氮磷污染，給下游水系統(tǒng)的水質帶來極大威脅［3-5］。過量的氮磷而引起的面源污染會引發(fā)水體溶解氧減少、魚類死亡、生物多樣性喪失和水質退化等一系列水環(huán)境和水生態(tài)問題。

磷素是農業(yè)面源的重要防控指標，一方面，磷是水環(huán)境中藻類生長所需的必要元素；另一方面，也是引起水體富營養(yǎng)化的主要因子。圩區(qū)磷流失受溫度、降水和人類生產活動的影響較大，因此，精細化解析平原圩區(qū)磷流失，及其如何響應自然與人類活動因子對于圩區(qū)下游或鄰近的水系統(tǒng)的可持續(xù)管理至關重要。

圩區(qū)磷解析難度大。圩區(qū)通常通過灌溉、排澇、涵洞排水與下滲同周圍河道建立徑流與養(yǎng)分的交換，因此受自然與人類活動影響較大。坡度小、地勢低、農業(yè)用地集中、人口密集使得圩區(qū)極易因自然和人類活動而產生高強度的磷污染。圩區(qū)水文與氮磷循環(huán)過程受自然條件和人工控制的雙重影響，具有與山丘區(qū)不同的氮磷污染產排過程。復雜的源匯過程給平原區(qū)磷量化與過程解析帶來極大阻礙，其精準解析對太湖流域磷污染管控起著決定性作用。

本研究選取太湖流域尖圩為研究對象，模擬了圩區(qū)磷的流失特征與季節(jié)響應，識別了關鍵驅動因子，有助于水管理者識別磷的流失機制，從而采取相應的措施控制水體的富營養(yǎng)化。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)選取太湖流域的典型圩區(qū)——尖圩，位于溧陽市西北部，面積為106 000 m2。區(qū)域氣候類型屬于亞熱帶季風氣候，年平均氣溫16.0～18.0 ℃，年平均降水量1 100～1 150 mm。區(qū)域內主要土地利用類型包括水田（50.1%）、旱地（21.7%）、住宅用地（19.2%）及坑塘（9.0%）。圖1為研究區(qū)示意圖。圩區(qū)位于距離河網較近的敏感地帶，依靠堤壩、閘門和泵站等人工設施與周圍河流進行水體交換，最終匯入太湖。研究區(qū)以種植業(yè)為主，主要農作物為水稻，其中稻麥輪作農田的年均氮磷施肥量高達33.3 kg/hm2和14.6 kg/hm2［3］，化肥利用率不高（28%～41%），加之強降雨沖刷，大量營養(yǎng)物質輸入外圍河道，成為磷流失的主要來源。

圖1 研究區(qū)示意

1.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)

日尺度的氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網（溧陽站）2014—2018 年的時間序列數(shù)據(jù)，包括日降水量（mm），日最高、最低和平均氣溫（℃），日平均濕度（%），日平均風速（m/s），日照時數(shù)（h）和日平均氣壓（PAve）8個指標。

水質數(shù)據(jù)為實地監(jiān)測數(shù)據(jù)，采樣時間為2014年1 月至2018 年12 月，采樣點為圩區(qū)內的坑塘，采樣頻率為1 月2 次。TP 質量濃度依據(jù)國家標準T11893—1989鉬酸銨分光光度法測定。采用0.45 μm微孔濾膜過濾得到溶解態(tài)磷（DP），總磷（TP）與DP差值認定為顆粒態(tài)磷（PP）。

2 結果與分析

2.1 圩區(qū)磷污染的季節(jié)變化

對太湖流域平原圩區(qū)磷質量濃度變化進行分析。由表1可知，磷質量濃度大致呈豐水期（6—9月）＞平水期（4、5、10、11月）＞枯水期（12月至次年3月）的趨勢，研究時段內TP 質量濃度變化范圍在0.039～0.306 mg/L之間，大多數(shù)時間低于Ⅲ類水（0.050 mg/L）標準。通常山區(qū)流域河流枯水期流量小，流速緩慢，水體自凈能力弱，水質最差。但在平原圩區(qū)，非點源污染比點源污染更加突出，平水期和枯水期的水質整體優(yōu)于豐水期。在豐水期，TP 中的PP 高達79%，并且在整個汛期過程PP 的沉降直接影響著TP質量濃度。

表1 太湖流域平原圩區(qū)磷質量濃度在不同水期的變化

圖2 為圩區(qū)2014—2018 年磷質量濃度隨季節(jié)的變化情況。春季磷質量濃度有所下降，這與春季氣溫回升，促進水生植物吸收水體中的磷有關［4］；夏季磷質量濃度升高，一方面由于是稻季來臨，農田施用大量磷肥，未被作物吸收的磷大量輸入水體，另一方面高溫提升了微生物活性，增加了沉積物中磷的釋放；秋季磷質量濃度持續(xù)升高，是由于水生植物腐敗，逐漸被微生物分解，其吸收的大量磷重新進入水體；冬季磷質量濃度下降，與冬季降水較少，水體擾動小有關，促進磷持續(xù)沉降。

圖2 太湖流域平原圩區(qū)磷質量濃度季節(jié)變化

2.2 圩區(qū)磷污染的影響因子

本研究對圩區(qū)磷污染的影響因子進行具體分析。水體磷污染程度受污染源因子及遷移因子共同控制。圩區(qū)磷流失受磷肥施加量、施肥方式、施肥時間和土壤有效磷含量影響；磷遷移因子包括土壤侵蝕、年徑流深、至水體的距離及受納水體水質等。氣候因素影響圩區(qū)磷循環(huán)的整個過程。利用Pearson相關分析法對不同形態(tài)的P及占TP的比例與氣候因子做相關分析，發(fā)現(xiàn)DP、PP及TP與溫度呈顯著正相關，DP/TP與濕度及降水呈顯著負相關，PP/TP與濕度及降水呈顯著正相關（見表2、圖3～4）。

表2 圩區(qū)磷質量濃度與氣候因子的相關關系

圖3 圩區(qū)水體磷與氣溫的相關性分析

進一步就氣候因子對圩區(qū)不同形態(tài)磷質量濃度的影響進行解釋。溶解氧、氧化還原電位、溫度、擾動、pH、磷酸酶、微生物和沉水植物等是影響磷形態(tài)內部轉化過程的因素［5］。其中，溫度與DP、PP 和TP 的質量濃度均呈現(xiàn)顯著的相關性（P＜0.1）（圖3）。這主要是由于高溫促進微生物活動，加快了耗氧，從而使CO2釋放增多。此時，水體呈還原狀態(tài)，促進沉積物中金屬結合態(tài)磷的釋放，因此DP、PP、TP隨溫度升高而變大。濕度及降水與DP/TP呈負相關，與PP/TP呈正相關（圖4）。這主要是由于降水增強了淺水區(qū)的擾動，使沉積物中的PP 再懸浮，PP 占比增大；同時擾動引起振蕩，致使水體溶解氧升高，金屬離子氧化吸附DP 的能力增強，使得DP占TP的比例減少。

圖4 圩區(qū)不同形態(tài)磷占總磷比與濕度、降水的相關性分析

3 結 語

本研究以太湖流域典型平原圩區(qū)為研究對象，分析圩區(qū)磷污染的季節(jié)變化及主要影響因子。研究發(fā)現(xiàn)圩區(qū)磷污染的季節(jié)變化與磷肥施用、作物生長狀況及氣候因素有關。春季圩區(qū)磷質量濃度降低，夏季開始升高，秋季達到最高，冬季緩慢下降。溫度升高促進微生物活動增強，溶解氧減少，沉積物中金屬結合態(tài)磷釋放，因此氣溫是導致圩區(qū)內源磷污染季節(jié)變化的主要因素。而豐水期圩區(qū)磷污染比平水期和枯水期嚴重，說明圩區(qū)磷流失與降雨密切相關。強降雨增加了地表徑流對化肥的沖刷。因此，應減少強降水事件前圩區(qū)施肥量。此外，精確施肥、枯落物收集與底泥疏浚等也是治理圩區(qū)磷污染的有效措施。