張 京，張 鵬，黃海田，顏紅勤，王曉杰

（1.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所中國科學(xué)院流域地理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210008；2.中國科學(xué)院大學(xué)，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(xué)會(huì)，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(wǎng)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(duì)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(guān)注圩區(qū)的防洪排澇作用［1-2］，但其地勢平坦，農(nóng)業(yè)強(qiáng)度高，使得圩區(qū)極易因自然和人類活動(dòng)而產(chǎn)生高強(qiáng)度的氮磷污染，給下游水系統(tǒng)的水質(zhì)帶來極大威脅［3-5］。過量的氮磷而引起的面源污染會(huì)引發(fā)水體溶解氧減少、魚類死亡、生物多樣性喪失和水質(zhì)退化等一系列水環(huán)境和水生態(tài)問題。

磷素是農(nóng)業(yè)面源的重要防控指標(biāo)，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(chǎn)活動(dòng)的影響較大，因此，精細(xì)化解析平原圩區(qū)磷流失，及其如何響應(yīng)自然與人類活動(dòng)因子對(duì)于圩區(qū)下游或鄰近的水系統(tǒng)的可持續(xù)管理至關(guān)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(dòng)影響較大。坡度小、地勢低、農(nóng)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(dòng)而產(chǎn)生高強(qiáng)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(chǎn)排過程。復(fù)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(zhǔn)解析對(duì)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(duì)象，模擬了圩區(qū)磷的流失特征與季節(jié)響應(yīng)，識(shí)別了關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子，有助于水管理者識(shí)別磷的流失機(jī)制，從而采取相應(yīng)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(fēng)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(nèi)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(wǎng)較近的敏感地帶，依靠堤壩、閘門和泵站等人工設(shè)施與周圍河流進(jìn)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(nóng)作物為水稻，其中稻麥輪作農(nóng)田的年均氮磷施肥量高達(dá)33.3 kg/hm2和14.6 kg/hm2［3］，化肥利用率不高（28%～41%），加之強(qiáng)降雨沖刷，大量營養(yǎng)物質(zhì)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(wǎng)（溧陽站）2014—2018 年的時(shí)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(fēng)速（m/s），日照時(shí)數(shù)（h）和日平均氣壓（PAve）8個(gè)指標(biāo)。

水質(zhì)數(shù)據(jù)為實(shí)地監(jiān)測數(shù)據(jù)，采樣時(shí)間為2014年1 月至2018 年12 月，采樣點(diǎn)為圩區(qū)內(nèi)的坑塘，采樣頻率為1 月2 次。TP 質(zhì)量濃度依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)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(rèn)定為顆粒態(tài)磷（PP）。

2 結(jié)果與分析

2.1 圩區(qū)磷污染的季節(jié)變化

對(duì)太湖流域平原圩區(qū)磷質(zhì)量濃度變化進(jìn)行分析。由表1可知，磷質(zhì)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(shí)段內(nèi)TP 質(zhì)量濃度變化范圍在0.039～0.306 mg/L之間，大多數(shù)時(shí)間低于Ⅲ類水（0.050 mg/L）標(biāo)準(zhǔn)。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(zhì)最差。但在平原圩區(qū)，非點(diǎn)源污染比點(diǎn)源污染更加突出，平水期和枯水期的水質(zhì)整體優(yōu)于豐水期。在豐水期，TP 中的PP 高達(dá)79%，并且在整個(gè)汛期過程PP 的沉降直接影響著TP質(zhì)量濃度。

表1 太湖流域平原圩區(qū)磷質(zhì)量濃度在不同水期的變化

圖2 為圩區(qū)2014—2018 年磷質(zhì)量濃度隨季節(jié)的變化情況。春季磷質(zhì)量濃度有所下降，這與春季氣溫回升，促進(jìn)水生植物吸收水體中的磷有關(guān)［4］；夏季磷質(zhì)量濃度升高，一方面由于是稻季來臨，農(nóng)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(zhì)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(jìn)入水體；冬季磷質(zhì)量濃度下降，與冬季降水較少，水體擾動(dòng)小有關(guān)，促進(jìn)磷持續(xù)沉降。

圖2 太湖流域平原圩區(qū)磷質(zhì)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(duì)圩區(qū)磷污染的影響因子進(jìn)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(shí)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(zhì)等。氣候因素影響圩區(qū)磷循環(huán)的整個(gè)過程。利用Pearson相關(guān)分析法對(duì)不同形態(tài)的P及占TP的比例與氣候因子做相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)DP、PP及TP與溫度呈顯著正相關(guān)，DP/TP與濕度及降水呈顯著負(fù)相關(guān)，PP/TP與濕度及降水呈顯著正相關(guān)（見表2、圖3～4）。

表2 圩區(qū)磷質(zhì)量濃度與氣候因子的相關(guān)關(guān)系

圖3 圩區(qū)水體磷與氣溫的相關(guān)性分析

進(jìn)一步就氣候因子對(duì)圩區(qū)不同形態(tài)磷質(zhì)量濃度的影響進(jìn)行解釋。溶解氧、氧化還原電位、溫度、擾動(dòng)、pH、磷酸酶、微生物和沉水植物等是影響磷形態(tài)內(nèi)部轉(zhuǎn)化過程的因素［5］。其中，溫度與DP、PP 和TP 的質(zhì)量濃度均呈現(xiàn)顯著的相關(guān)性（P＜0.1）（圖3）。這主要是由于高溫促進(jìn)微生物活動(dòng)，加快了耗氧，從而使CO2釋放增多。此時(shí)，水體呈還原狀態(tài)，促進(jìn)沉積物中金屬結(jié)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(fù)相關(guān)，與PP/TP呈正相關(guān)（圖4）。這主要是由于降水增強(qiáng)了淺水區(qū)的擾動(dòng)，使沉積物中的PP 再懸浮，PP 占比增大；同時(shí)擾動(dòng)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(qiáng)，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(guān)性分析

3 結(jié) 語

本研究以太湖流域典型平原圩區(qū)為研究對(duì)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(guān)。春季圩區(qū)磷質(zhì)量濃度降低，夏季開始升高，秋季達(dá)到最高，冬季緩慢下降。溫度升高促進(jìn)微生物活動(dòng)增強(qiáng)，溶解氧減少，沉積物中金屬結(jié)合態(tài)磷釋放，因此氣溫是導(dǎo)致圩區(qū)內(nèi)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(yán)重，說明圩區(qū)磷流失與降雨密切相關(guān)。強(qiáng)降雨增加了地表徑流對(duì)化肥的沖刷。因此，應(yīng)減少強(qiáng)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。