王 歡，袁旭音，陳海龍，許海燕，李正陽

(河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 210098)

太湖流域上游西苕溪支流的營養(yǎng)狀態(tài)特征及成因分析*

王 歡，袁旭音**，陳海龍，許海燕，李正陽

(河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 210098)

營養(yǎng)鹽；COD；流量；土地利用類型；支流；西苕溪；太湖流域

氮、磷營養(yǎng)鹽是生物體必需元素，同時(shí)也是引起水體富營養(yǎng)化的主要影響因素.水體的氮、磷分布也是區(qū)域水生態(tài)環(huán)境的反映[1-3].近年來，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人類活動日益劇烈，我國河流水體中營養(yǎng)元素質(zhì)量濃度有上升趨勢[4-6]，營養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度上升會導(dǎo)致河流水體富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)增加，是河流水環(huán)境治理的重要問題之一[7].

西苕溪是太湖的主要入湖水系，近年來由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和土地利用的調(diào)整，林地地區(qū)被大量開墾為坡耕地、耕地；氮肥的大量施用、城市化的加快也使大量氮、磷污染物排入太湖下游，增加了太湖的氮、磷入湖負(fù)荷[8-9].由于土地利用和來源的不同，西苕溪流域上、中、下游地區(qū)各個(gè)支流小流域氮素輸出強(qiáng)度差異很大[10].耕地產(chǎn)生的污染物負(fù)荷要高于其他土地利用類型[11].西苕溪流域營養(yǎng)鹽輸出水平空間差異性明顯，小流域單元優(yōu)勢土地利用類型與營養(yǎng)鹽輸出關(guān)系明顯[12].盡管已有一些關(guān)于西苕溪流域水體營養(yǎng)狀態(tài)的研究，但大多集中在西苕溪干流，對西苕溪支流的營養(yǎng)狀態(tài)的差異性及營養(yǎng)鹽輸出的研究還比較少，而支流水體的營養(yǎng)水平是流域水污染控制的重要內(nèi)容.

本實(shí)驗(yàn)選取西苕溪主要支流作為研究對象，針對區(qū)域水體富營養(yǎng)化問題，通過對豐水期、平水期和枯水期水質(zhì)進(jìn)行檢測、統(tǒng)計(jì)，對苕溪支流氮、磷營養(yǎng)鹽含量變化、輸出負(fù)荷進(jìn)行分析，并從土地利用類型的角度分析水質(zhì)變化的成因，以期為西苕溪乃至太湖的富營養(yǎng)化研究提供參考.

1.1 污水處理廠處理尾水

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

圖1 采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of the sampling sites

圖2 西苕溪支流流域土地利用結(jié)構(gòu)Fig.2 Land use composition of tributaries of Xitiaoxi River

西苕溪位于太湖流域上游，是其主要入湖水系之一.西苕溪主源為西溪，有數(shù)十條主要支流匯流而入.支流流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，降雨主要集于4-9月.本研究的采樣點(diǎn)分布如圖1所示.

利用2010年的TM/ETM遙感影像數(shù)據(jù)獲得西苕溪流域的土地利用數(shù)據(jù)，并對支流小流域進(jìn)行實(shí)地勘察修正，根據(jù)研究目標(biāo)以及遙感影像的精度，將土地利用類型分為林地、耕地、草地和居民地4大類.結(jié)合全流域土地利用現(xiàn)狀圖，獲得各支流流域不同土地利用類型的面積和相應(yīng)的百分比，作為進(jìn)一步分析土地利用結(jié)構(gòu)對西苕溪支流水質(zhì)影響的基礎(chǔ).西苕溪支流土地利用類型以林地為主，其次為耕地、居民地、草地(圖2).

1.2 樣品采集和處理

在2013年7、10和12月，對西苕溪的10條支流進(jìn)行了3次集中采樣.以7月代表豐水期，10月代表平水期，12月代表枯水期.按水樣采集規(guī)范[13]，根據(jù)不同支流的寬度，各斷面分別設(shè)置1～3個(gè)采樣點(diǎn)，采集0.5m以上表層水.同一斷面超過1個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)，取平均值代表斷面平均水質(zhì)狀況.同時(shí)使用LB70-1C懸杯式流速儀對各斷面的流速進(jìn)行檢測.

1.3 樣品分析方法

2 結(jié)果與分析

2.1 水體理化參數(shù)特征

西苕溪主要支流豐水期、平水期和枯水期pH范圍為5.67～7.71，均為中偏弱酸性水體；DO含量范圍為3.62～8.02mg/L.XT06這條支流，采樣點(diǎn)位于紅山村，附近有礦山開采，水中有大量運(yùn)沙船通過，水質(zhì)渾濁，夏季污染重、水溫高，底泥厭氧發(fā)酵導(dǎo)致豐水期DO較低，其余飽和率范圍為60%～102%.受水溫的影響，大部分河流DO含量枯水期大于平水期和豐水期.受水體流速的影響，DO飽和率枯水期小于平水期和豐水期；電導(dǎo)率范圍為123～459μS/cm，一些支流的電導(dǎo)率是枯水期大于平水期和豐水期，可能與枯水期水體流量小、工業(yè)污染源排放相對量增加有關(guān)(表1).

表1 西苕溪支流理化參數(shù)Tab.1 Results of physical chemistry parameters of tributaries of Xitiaoxi River

2.2 營養(yǎng)元素及其形態(tài)特征

西苕溪支流磷、氮含量變化如圖3所示.TP含量范圍為0.033～0.205mg/L，除了XT08支流，其他所有支流的TP含量均優(yōu)于Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn).顆粒態(tài)磷(PP)的含量范圍為0.007～0.104mg/L，TDP含量為0.012～0.101mg/L.除了豐水期的支流XT02、XT09外，PP為其余支流磷的主要賦存形態(tài)，PP/TP值在51.7%～83.3%之間.大部分支流的磷含量均表現(xiàn)為枯水期>平水期>豐水期.與干流相比[14-15]，大部分支流的磷含量低于干流.

圖3 西苕溪支流N、P含量季節(jié)變化Fig.3 Distribution of N and P in diverse seasons in tributaries of Xitiaoxi River

COD可以作為有機(jī)污染的指標(biāo).西苕溪支流的COD范圍在6.5～15.5mg/L之間，達(dá)到Ⅰ～Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，表明西苕溪支流還未受到有機(jī)污染的嚴(yán)重影響.大多數(shù)支流枯水期COD值高于平水期和豐水期.與干流相比[15]，大多數(shù)支流的COD值低于干流，對干流而言表現(xiàn)為稀釋作用(圖4).

2.3 西苕溪流域支流的差異性分析

圖4 西苕溪支流COD含量季節(jié)變化Fig.4 Distribution of COD in diverse seasons in tributaries of Xitiaoxi River

圖5 支流聚類分析結(jié)果Fig.5 Clustering analysis results for tributaries of Xitiaoxi River

2.4 西苕溪流域支流營養(yǎng)鹽輸出通量分析

西苕溪支流營養(yǎng)鹽、有機(jī)物的輸入會影響干流的總體負(fù)荷，進(jìn)而會影響到太湖水質(zhì).將支流視作接納農(nóng)業(yè)污水、生活污水、工業(yè)廢水和地表徑流等的污染源排口，計(jì)算調(diào)查支流營養(yǎng)鹽和有機(jī)物的輸出負(fù)荷.計(jì)算公式為：營養(yǎng)鹽通量(g/s)=營養(yǎng)鹽濃度(mg/L)×流量(m3/s)×換算系數(shù).

西苕溪10條支流豐水期、平水期和枯水期的流量如圖6所示，計(jì)算得到的豐水期、平水期和枯水期的TP、TN和COD的輸出結(jié)果見表2.支流TP在7、10和12月的輸出分別為8.72、6.52和3.86g/s；TN輸出分別為294.44、212.90和146.35g/s；COD的輸出分別為1015.79、668.41和445.49g/s.可見支流輸入是干流氮、磷的重要來源，支流對西苕溪干流的營養(yǎng)鹽輸入應(yīng)該引起重視.受流量的影響，各支流TP、TN和COD的輸出均為豐水期>平水期>枯水期.以流量Q為自變量，分別以TP、TN和COD為因變量做一元線性回歸分析，結(jié)果表明TP、TN和COD輸出與流量均呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均在0.95以上.XT10支流由于流量最大，其輸出也最大，占10條支流總輸出的25%以上；XT08支流流量最小，其營養(yǎng)鹽輸出也最小，只占總輸出的1.0%～3.6%.

圖6 西苕溪支流流量季節(jié)變化Fig.6 Flux of Xitiaoxi River tributaries in diverse seasons

2.5 土地利用對支流水質(zhì)參數(shù)的影響

由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和用地結(jié)構(gòu)的調(diào)整，西苕溪流域土地利用類型發(fā)生了很大的變化[18].土地利用從兩方面作用于河流水環(huán)境質(zhì)量：一方面通過不同人類活動方式和強(qiáng)度影響營養(yǎng)鹽進(jìn)入水體的輸入量，另一方面通過用地方式改變地表粗糙度，從而影響地表徑流過程和營養(yǎng)鹽進(jìn)入水體的過程[19-22].因此，西苕溪支流的營養(yǎng)狀態(tài)現(xiàn)狀與其土地利用類型有著密不可分的關(guān)系.

表2 西苕溪支流營養(yǎng)鹽通量(g/s)Tab.2 Fluxes load of TN， TP and COD of tributaries of Xitiaoxi River

表3 土地利用類型與水質(zhì)指標(biāo)的Spearman相關(guān)分析Tab.3 Spearman correlation analysis between land use and water quality parameters

* 表示P<0.05，顯著相關(guān)；** 表示P<0.01，極顯著相關(guān).

表4 土地利用類型與營養(yǎng)鹽輸出的 逐步多元回歸分析*Tab.4 Regression analysis between land use and water quality index

階段回歸分析方程R豐水期TP=0.297-0.003FL0.755TN=1.756+0.070CL0.786NO-3-N=0.848+0.022CL0.708COD=29.214-0.247FL0.908平水期TN=7.645-0.056FL0.795TP=0.063+0.008RL0.665枯水期TN=2.742+0.075CL0.704COD=10.301-0.424FL0.674

*FL代表林地，CL代表耕地，RL代表居民地，以百

分比表示.為進(jìn)一步研究土地利用類型對水質(zhì)的影響，對水質(zhì)指標(biāo)與土地利用類型進(jìn)行逐步多元回歸分析.從表4可知，進(jìn)入多元逐步回歸模型的、起顯著作用的自變量有林地、耕地和居民地，表明這幾種土地利用對營養(yǎng)鹽和COD的空間分布影響較大.空間格局會影響土地利用與水質(zhì)之間的關(guān)系，距離監(jiān)測點(diǎn)最近的土地利用情況對于水質(zhì)的影響要比整個(gè)流域的綜合土地利用情況對水質(zhì)的影響更大[28].在西苕溪支流流域附近，主要土地利用類型為林地，耕地，但是個(gè)別支流穿過城區(qū)，導(dǎo)致盡管居民地的總體比例不高，但是卻出現(xiàn)在回歸模型中.

由上述分析可知，西苕溪支流附近的土地利用類型是造成不同支流營養(yǎng)元素分布差異的主要成因.從空間分布來說，支流的林地、草地比例升高，營養(yǎng)元素和COD含量降低，耕地、居民地和水體比例增大，營養(yǎng)元素和COD含量升高.從季節(jié)變化來說，與支流附近的農(nóng)業(yè)耕作方式和地表徑流的季節(jié)變化有關(guān).枯水期降雨量少，通過降雨徑流作用從流域輸出的非點(diǎn)源污染物含量降低，同時(shí)地表徑流量降低導(dǎo)致水體的環(huán)境容量減弱，對其中的污染物降解作用降低，因此12月份的污染物濃度值較大.雖然7月份頻繁的農(nóng)業(yè)活動中施入的大量氮肥、農(nóng)藥以非點(diǎn)源的形式進(jìn)入地表水體，導(dǎo)致地表水體中的氮含量增加，但是7月份是全年雨、熱量最大的月份之一，降雨匯流作用導(dǎo)致地表徑流量增加，對其中的污染物有稀釋作用，降低其中的污染物濃度.10月平水期情況，基本上處于豐水期與枯水期之間.

3 結(jié)論

1) 太湖流域上游西苕溪支流水體磷污染和有機(jī)污染較輕，氮污染相對較重.西苕溪支流流域的營養(yǎng)鹽含量基本上呈現(xiàn)出了枯水期>平水期>豐水期的特性，營養(yǎng)鹽含量空間變化較為顯著.與西苕溪干流相比，除TN含量略高于干流，其他營養(yǎng)鹽含量均低于干流，對干流表現(xiàn)出稀釋作用.根據(jù)營養(yǎng)鹽和COD含量，利用聚類分析可以將支流分為4類，每一類的營養(yǎng)特征與周圍環(huán)境相聯(lián)系.

2) TP、TN和COD輸出均與流量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系.表明流量是營養(yǎng)物輸出的關(guān)鍵因素.西苕溪支流輸入是干流營養(yǎng)鹽的重要來源，其營養(yǎng)鹽排放應(yīng)該得到足夠的重視.

3) 西苕溪支流的土地利用類型與水質(zhì)的相關(guān)性結(jié)果表明，耕地、居民地是營養(yǎng)源的重要貢獻(xiàn)者，林地和草地起則起到了匯的作用，這給太湖流域的土地管理和水污染控制提供了依據(jù).

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Water nutrient status and its controlling factors in the inflow tributaries of Xitiaoxi River， upper reaches of Lake Taihu basin

WANG Huan， YUAN Xuyin， CHEN Hailong， XU Haiyan & LI Zhengyang

(CollegeofEnvironment，HohaiUniversity，Nanjing210098，P.R.China)

Nutrients； COD； fluxes load； land use type； tributaries； Xitiaoxi River； Lake Taihu basin

*國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41372354)和科技部國際科技合作專項(xiàng)(2012DFA60830)聯(lián)合資助.2014-02-26收稿；2014-08-11收修改稿.王歡(1989～)，女，碩士研究生；E-mail：why20131207@126.com.

**通信作者；E-mail：yxy_hjy@hhu.edu.cn.