氮、磷营养盐是生物体必需元素，同时也是引起水体富营养化的主要影响因素.水体的氮、磷分布也是区域水生态环境的反映^[1-3].近年来，随着经济发展，人类活动日益剧烈，我国河流水体中营养元素质量浓度有上升趋势^[4-6]，营养盐质量浓度上升会导致河流水体富营养化风险增加，是河流水环境治理的重要问题之一^[7].

西苕溪是太湖的主要入湖水系，近年来由于经济的发展和土地利用的调整，林地地区被大量开垦为坡耕地、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、磷入湖负荷^[8-9].由于土地利用和来源的不同，西苕溪流域上、中、下游地区各个支流小流域氮素输出强度差异很大^[10].耕地产生的污染物负荷要高于其他土地利用类型^[11].西苕溪流域营养盐输出水平空间差异性明显，小流域单元优势土地利用类型与营养盐输出关系明显^[12].尽管已有一些关于西苕溪流域水体营养状态的研究，但大多集中在西苕溪干流，对西苕溪支流的营养状态的差异性及营养盐输出的研究还比较少，而支流水体的营养水平是流域水污染控制的重要内容.

本实验选取西苕溪主要支流作为研究对象，针对区域水体富营养化问题，通过对丰水期、平水期和枯水期水质进行检测、统计，对苕溪支流氮、磷营养盐含量变化、输出负荷进行分析，并从土地利用类型的角度分析水质变化的成因，以期为西苕溪乃至太湖的富营养化研究提供参考.

1 材料和方法 1.1 研究区域概况

西苕溪位于太湖流域上游，是其主要入湖水系之一.西苕溪主源为西溪，有数十条主要支流汇流而入.支流流域属亚热带季风气候区，降雨主要集于4-9月.本研究的采样点分布如图 1所示.

利用2010年的TM/ETM遥感影像数据获得西苕溪流域的土地利用数据，并对支流小流域进行实地勘察修正，根据研究目标以及遥感影像的精度，将土地利用类型分为林地、耕地、草地和居民地4大类.结合全流域土地利用现状图，获得各支流流域不同土地利用类型的面积和相应的百分比，作为进一步分析土地利用结构对西苕溪支流水质影响的基础.西苕溪支流土地利用类型以林地为主，其次为耕地、居民地、草地(图 2).

1.2 样品采集和处理

在2013年7、10和12月，对西苕溪的10条支流进行了3次集中采样.以7月代表丰水期，10月代表平水期，12月代表枯水期.按水样采集规范^[13]，根据不同支流的宽度，各断面分别设置1~3个采样点，采集0.5 m以上表层水.同一断面超过1个采样点时，取平均值代表断面平均水质状况.同时使用LB70-1C悬杯式流速仪对各断面的流速进行检测.

1.3 样品分析方法

水质理化监测项目为总磷(TP)、总溶解磷(TDP)、总氮(TN)、铵态氮(NH₄⁺-N)、硝态氮(NO₃^--N)、化学需氧量(COD)、pH、溶解氧(DO)、电导率、水温.其中pH、DO、水温、电导率、COD采用多功能水质检测仪进行现场检测；TN采用碱性过硫酸钾氧化法测定；NO₃^--N采用紫外分光光度法测定；NH₄⁺-N采用纳氏试剂法测定；TP和TDP采用过硫酸钾氧化法测定.为了控制测定的准确性，在TN、TP、NH₄⁺-N、NO₃^--N分析时，每10个测定样品用标准样品校验.另10 %的平行样分析用于控制实验的精密度，平行样的相对误差小于10 %.水质数据按照地表水环境质量标准(GB3838-2002)来进行分析.

2 结果与分析 2.1 水体理化参数特征

西苕溪主要支流丰水期、平水期和枯水期pH范围为5.67~7.71，均为中偏弱酸性水体；DO含量范围为3.62~8.02 mg/L.XT06这条支流，采样点位于红山村，附近有矿山开采，水中有大量运沙船通过，水质浑浊，夏季污染重、水温高，底泥厌氧发酵导致丰水期DO较低，其余饱和率范围为60 % ~102 %.受水温的影响，大部分河流DO含量枯水期大于平水期和丰水期.受水体流速的影响，DO饱和率枯水期小于平水期和丰水期；电导率范围为123~459 μS/cm，一些支流的电导率是枯水期大于平水期和丰水期，可能与枯水期水体流量小、工业污染源排放相对量增加有关(表 1).

2.2 营养元素及其形态特征

西苕溪支流磷、氮含量变化如图 3所示.TP含量范围为0.033~0.205 mg/L，除了XT08支流，其他所有支流的TP含量均优于Ⅱ类水标准.颗粒态磷(PP)的含量范围为0.007~0.104 mg/L，TDP含量为0.012~0.101 mg/L.除了丰水期的支流XT02、XT09外，PP为其余支流磷的主要赋存形态，PP/TP值在51.7 % ~83.3 %之间.大部分支流的磷含量均表现为枯水期＞平水期＞丰水期.与干流相比^[14-15]，大部分支流的磷含量低于干流.

TN含量在2.014~5.921 mg/L之间.NH₄⁺-N含量在0.021~1.659 mg/L之间，除了XT04的丰水期含量达到Ⅳ类水外，其余河流均能达到Ⅰ~Ⅲ类水质标准.NO₃^--N含量在1.082~3.415 mg/L之间，除了XT04这条支流外，其余支流的NO₃^--N都占TN的51.7 %以上，为TN的主要赋存形式，而水体氮素常以还原态及氧化态两种形式存在，还原态NH₄⁺-N含量降低，而氧化态NO₃^--N含量上升，在一定程度上意味着水体环境氧化能力有提升的趋势，水体自净能力较高^[16].绝大部分支流的TN、NH₄⁺-N、NO₃^--N含量均表现为枯水期＞平水期＞丰水期.与干流相比^[14]，支流的TN含量大于干流，加重干流氮污染.

对TP、PP、TN、NH₄⁺-N和NO₃^--N进行无重复双因子方差分析，结果表明各支流TP、PP、TN、NH₄⁺-N和NO₃^--N含量时空分布基本均有显著差异，这与西苕溪附近的农业耕作方式和地表径流的季节变化有关.

COD可以作为有机污染的指标.西苕溪支流的COD范围在6.5~15.5 mg/L之间，达到Ⅰ~Ⅱ类水质标准，表明西苕溪支流还未受到有机污染的严重影响.大多数支流枯水期COD值高于平水期和丰水期.与干流相比^[15]，大多数支流的COD值低于干流，对干流而言表现为稀释作用(图 4).

2.3 西苕溪流域支流的差异性分析

为了解不同支流营养盐分布特征，将10条支流的TP、PP、TN、NH₄⁺-N、NO₃^--N和COD含量进行系统聚类分析.聚类分析是使用一定的相似距离测度方法不断把性质最接近的2类合并成更大的类，基本原则是使同一类中个体差异最小，不同类别之间差异最大^[17].聚类分析结果见图 5.

根据污染物含量的不同，将支流分为4类时结果为：XT03、XT06、XT08、XT09和XT10为一类，调查发现这几条支流附近林地面积相对较少，耕地和居民地所占比例较大，受耕作施肥和生活污水的影响，氮、磷和COD含量较高，水质较其他支流差；XT02、XT05和XT07为一类，其氮、磷和COD的含量相对较低.尽管XT05支流附近的居民地比例有所增加，但是居民地都在距离支流较远的地方，故对水质的影响较弱；XT01、XT04分别单独为一类，其中XT01位于西苕溪干流的上游，林地和草地比例最大，附近居民较少，故水体氮、磷含量都很低，COD含量最低.XT04支流NH₄⁺-N含量最高.调查发现XT04附近主要土地利用类型为林地和耕地，但是有市政排污口向支流排放污水，而且其附近有很多鱼虾养殖塘，NH₄⁺-N含量高与污水排放和鱼虾饵料投加有关.

2.4 西苕溪流域支流营养盐输出通量分析

西苕溪支流营养盐、有机物的输入会影响干流的总体负荷，进而会影响到太湖水质.将支流视作接纳农业污水、生活污水、工业废水和地表径流等的污染源排口，计算调查支流营养盐和有机物的输出负荷.计算公式为：营养盐通量(g/s)=营养盐浓度(mg/L)×流量(m³/s)×换算系数.

西苕溪10条支流丰水期、平水期和枯水期的流量如图 6所示，计算得到的丰水期、平水期和枯水期的TP、TN和COD的输出结果见表 2.支流TP在7、10和12月的输出分别为8.72、6.52和3.86 g/s；TN输出分别为294.44、212.90和146.35 g/s；COD的输出分别为1015.79、668.41和445.49 g/s.可见支流输入是干流氮、磷的重要来源，支流对西苕溪干流的营养盐输入应该引起重视.受流量的影响，各支流TP、TN和COD的输出均为丰水期＞平水期＞枯水期.以流量Q为自变量，分别以TP、TN和COD为因变量做一元线性回归分析，结果表明TP、TN和COD输出与流量均呈显著正相关，相关系数均在0.95以上.XT10支流由于流量最大，其输出也最大，占10条支流总输出的25 %以上；XT08支流流量最小，其营养盐输出也最小，只占总输出的1.0 % ~3.6 %.

2.5 土地利用对支流水质参数的影响

由于经济的发展和用地结构的调整，西苕溪流域土地利用类型发生了很大的变化^[18].土地利用从两方面作用于河流水环境质量：一方面通过不同人类活动方式和强度影响营养盐进入水体的输入量，另一方面通过用地方式改变地表粗糙度，从而影响地表径流过程和营养盐进入水体的过程^[19-22].因此，西苕溪支流的营养状态现状与其土地利用类型有着密不可分的关系.

将西苕溪10条支流的水质指标平均值与对应流域的土地利用类型面积比例进行Spearman相关分析(表 3)可以看出，林地和草地与TP、TN和COD都呈负相关关系，其中林地与TP、TN呈现显著负相关关系，这是由于林地和草地一方面可以通过植物根部的截留作用来减少污染物的地表径流，另一方面，林地和草地面积的增加会引起耕地和居民地的减少，污染物经过陆域传输衰减之后也相应减少，林地、草地对水质指标起汇的作用^[23-25].耕地和居民地与TP、TN和COD呈正相关，起到了源的作用.其中，耕地与TP、TN呈显著正相关，居民地与NH₄⁺-N、COD也呈显著正相关.各种农业活动包括农药化肥的施用、降雨冲刷、地表径流，最终通过不同形式进入水体，造成不同程度的污染^[26-27].

为进一步研究土地利用类型对水质的影响，对水质指标与土地利用类型进行逐步多元回归分析.从表 4可知，进入多元逐步回归模型的、起显著作用的自变量有林地、耕地和居民地，表明这几种土地利用对营养盐和COD的空间分布影响较大.空间格局会影响土地利用与水质之间的关系，距离监测点最近的土地利用情况对于水质的影响要比整个流域的综合土地利用情况对水质的影响更大^[28].在西苕溪支流流域附近，主要土地利用类型为林地，耕地，但是个别支流穿过城区，导致尽管居民地的总体比例不高，但是却出现在回归模型中.

在丰水期，建立了TP、COD与林地以及TN、NO₃^--N与耕地的回归方程，是因为在丰水期水稻种植带来的农田排水以及较大的雨水冲刷作用，使得耕地对氮素的贡献较大，而污染物在径流过程中被林地截留吸收，使得其对TP和COD的截留作用较为明显^[28-29].在平水期，建立了TN与林地，TP与居民地的回归方程.在枯水期，建立了TN与耕地，COD与林地的回归方程(表 4).耕地对TN值的贡献较大，是因为枯水期会种植冬小麦油菜等冬季作物，化肥农药施肥量会有所增加，导致含氮化肥流失.

由上述分析可知，西苕溪支流附近的土地利用类型是造成不同支流营养元素分布差异的主要成因.从空间分布来说，支流的林地、草地比例升高，营养元素和COD含量降低，耕地、居民地和水体比例增大，营养元素和COD含量升高.从季节变化来说，与支流附近的农业耕作方式和地表径流的季节变化有关.枯水期降雨量少，通过降雨径流作用从流域输出的非点源污染物含量降低，同时地表径流量降低导致水体的环境容量减弱，对其中的污染物降解作用降低，因此12月份的污染物浓度值较大.虽然7月份频繁的农业活动中施入的大量氮肥、农药以非点源的形式进入地表水体，导致地表水体中的氮含量增加，但是7月份是全年雨、热量最大的月份之一，降雨汇流作用导致地表径流量增加，对其中的污染物有稀释作用，降低其中的污染物浓度.10月平水期情况，基本上处于丰水期与枯水期之间.

3 结论

1) 太湖流域上游西苕溪支流水体磷污染和有机污染较轻，氮污染相对较重.西苕溪支流流域的营养盐含量基本上呈现出了枯水期＞平水期＞丰水期的特性，营养盐含量空间变化较为显著.与西苕溪干流相比，除TN含量略高于干流，其他营养盐含量均低于干流，对干流表现出稀释作用.根据营养盐和COD含量，利用聚类分析可以将支流分为4类，每一类的营养特征与周围环境相联系.

2) TP、TN和COD输出均与流量呈显著的正相关关系.表明流量是营养物输出的关键因素.西苕溪支流输入是干流营养盐的重要来源，其营养盐排放应该得到足够的重视.

3) 西苕溪支流的土地利用类型与水质的相关性结果表明，耕地、居民地是营养源的重要贡献者，林地和草地起则起到了汇的作用，这给太湖流域的土地管理和水污染控制提供了依据.

4) 流域的土地利用结构对水质指标输出浓度影响不同.在丰水期，耕地对TN、NO₃^--N影响最大，林地对TP、COD影响最大；在平水期，居民地对TP影响最大，林地对TN影响最大；在枯水期，对TN影响最大的土地利用类型是耕地，对COD影响最大的是林地.土地利用方式的变化间接影响了干流和太湖的近岸的水质.