湖泊水资源作为一种与人类生存和发展密切相关的独特资源, 在国民经济和社会可持续发展中占有重要位置^[1].河流是连接流域与湖泊的重要纽带, 与流域、湖泊之间有着重要的物质与能量交换, 河流的水质特点影响着下游湖泊的水质状况^[2].

鄱阳湖是中国第一大淡水湖, 是江西的母亲湖, 承载着保护全球生物多样性、调蓄洪水及供给淡水的生态服务功能, 为江西经济社会发展提供了重要的物质基础和生态资源.鄱阳湖被誉为“一湖清水”, 但其水环境仍面临严峻挑战.据《1999-2009年江西省环境状况公报》等资料显示, 鄱阳湖水系和湖体水质总体都呈下降趋势.1980s鄱阳湖水质以Ⅰ、Ⅱ类为主, 平均占85 %; 1990s仍以Ⅰ、Ⅱ类为主, 平均占70 %; 2003年以后, Ⅰ、Ⅱ类水只占50 %; 2006年后, 鄱阳湖水全年优于Ⅲ类的不到六成, 属于Ⅲ类的有两成多, 劣于Ⅲ类的则逼近两成, 整体上呈现出中度营养化的状态, 且枯水期富营养化程度比丰水期更为严重.

湖泊的污染主要包括流域内的点源(工业污水排放、城市污水等)和面源(农业面源、流域水土流失、大气降尘等).随着对水体点源污染的有效控制, 水污染负荷结构发生了明显变化, 面源污染已成为水环境的一大污染源或首要污染源^[3].抚仙湖^[4]、滇池^[5]、丹江口水库^[6]、三峡水库^[7]、太湖^[8]和鄱阳湖^[9]等都不同程度遭受面源污染.

面源污染中的氮、磷营养物累积是引起下游水体富营养化的主要原因^[10].农业面源污染影响因素复杂^[11], 包括土地利用方式、农田耕作、农事活动和田间水肥管理、地形地貌、土壤植被、气候、水文特征^[12].研究表明我国已成为世界上藻类水华暴发最严重的国家之一^[13].近年来, 很多湖泊都开展了营养盐调查研究^[14-16], 但由于面源污染起源于分散、多样的地区, 地理边界和发生位置难以识别和确定, 随机性强、成因复杂、潜伏周期长^[17], 在富营养化评估方面, 数据获取困难, 方法的集成与模型研发还较为落后^[18-19].

鄱阳湖的污染物主要由五河(赣、抚、信、饶、修)输入, 五河输入的总磷(TP)和总氮(TN)分别占入湖总量的80.5 %和66.4 % ^[20], 因此五河等主要入湖河道的水质对鄱阳湖水环境有重要影响.乐安河是鄱阳湖重要的入湖水系, 受沿岸工业废水、生活污水等的污染, 该河的许多污染指标超标, 其污染甚至波及到鄱阳湖的水质^[21-22].本文选择主要营养盐指标为研究对象, 通过野外实测数据和数学分析对该流域水系中营养物时空分布及影响因素等特征进行定量分析, 从而评估乐安河流域内水质富营养化水平的现状, 为制定针对性污染控制措施提供科学依据, 从而有效消减入湖营养物负荷, 保护鄱阳湖“一湖清水”.

乐安河, 位于江西东北部(图 1), 是鄱阳湖第4大入湖水系饶河的最大支流, 发源于江西省婺源县鄣公山南麓, 自东北向西南流, 石镇街以上集水面积8367km², 主河长279km, 多年年平均径流量为99.67×10⁸ m³.其流域是鄱阳湖区降水最多的地区之一, 年平均降水量1687~1870mm, 但季节分配不均.流域土壤属赣东北山地丘陵, 农业土壤主要是水稻土.近年来流域内面源污染产出量迅速增加, 河道水质下降趋势加剧, 已呈现中营养水平^[23].

图 1(Fig.1)

图 1 乐安河流域在江西省的位置 Fig.1 Location of Le'an River watershed in Jiangxi Province

在乐安河流域, 土地利用覆盖类型多样, 从图 2可以看出, 区域高程相差约1450m, 呈东北部高和西南部低的地势, 所经地区以丘陵、山地为主, 林地和耕地面积之和占研究流域总面积接近95 %, 无大城镇分布, 仅有零散分布的居民点.

图 2(Fig.2)

图 2 乐安河流域DEM图 Fig.2 Digital Elevation Model of Le'an River watershed

本文选择石镇街水文站以上的区域开展研究, 根据研究流域的水文情势和土地利用等特征, 分别在乐安河干流和主要支流设置6个和11个水质监测断面(图 3), 土地利用信息来自中国科学院土壤研究所资料库2005年的数据, 比例尺为1 : 10万.其中干流上的监测点用LG表示, 支流则用LZ表示.监测断面设置兼顾了流域中主要用地类型的分布, 在每种主要用地类型附近布设一定数量的监测断面, 如LG513、LZ5092、LZ5121主要控制林地, LZ504、LZ505监测断面主要控制耕地.部分点位(如503、510、512等)在后续采样中根据实际情况有删除和更改.2009-2011年间, 针对流域的丰水期、平水期、枯水期及重要农事活动前后在每个监测断面进行水样采集, 共采样11次, 所有水样密封保存送至实验室, 对水样的TN、TP、硝态氮(NO₃^--N)和铵态氮(NH₄⁺-N)进行检测, 以监测点的水质指标代表该点上游地区地表水水质状况.

图 3(Fig.3)

图 3 乐安河流域监测点分布 Fig.3 Distribution of monitoring stations in Le'an River watershed

首先采用主成分分析法对主要营养物质进行分析, 通过相关矩阵得到各物质形态之间的相关性.

从表 1可以看出, NO₃^--N与TN的相关性最高, 达到0.9064, 其次为NH₄⁺-N与TN, 为0.7769, 说明NO₃^--N和NH₄⁺-N是TN的主要组成成分, 并以NO₃^--N含量最高.根据实测数据计算可得:NO₃^--N在TN中所占比例的平均值为50 %, NH₄⁺-N浓度的平均比例为30 %.这也与之前的研究结论相吻合, 3态氮中NO₃^--N可溶性最强, 可随径流迁移, 并会由降雨淋溶进入地下水^[24].而磷的各物质形态所测数值都较低, 这是由于磷主要随土壤颗粒运移, 又受土壤吸附作用, 可迁移性远不如氮^[25].

表 1(Tab.1)

表 1 相关矩阵 Tab.1 Correlation Matrix TN NO3--N NH4+-N TP TN 1.0000 0.9064 0.7769 0.1956 NO3--N 0.9064 1.0000 0.5878 0.0172 NH4+-N 0.7769 0.5878 1.0000 -0.0045 TP 0.1956 0.0172 -0.0045 1.0000

表 1 相关矩阵 Tab.1 Correlation Matrix

通过协相关矩阵的特征根计算也可看出, TN对水体富营养化水平影响最大, 达到63.31 %, 其次是NO₃^--N, 为25.33 %, 而TP的影响最小, 仅为8 %.根据实测数据可知:所有监测点的TP值无明显差异及规律, NH₄⁺-N的值变化微小, NO₃^--N和TN则有明显差异(表 2), 因此在乐安河流域要重点控制的是氮营养盐.

表 2(Tab.2)

表 2 相关矩阵的特征值 Tab.2 Eigenvalues of the Correlation Matrix 指标 特征值 差值 贡献率 累计贡献率 TN 2.53225435 1.51896628 0.6331 0.6331 NO3--N 1.01328806 0.59077321 0.2533 0.8864 NH4+-N 0.42251485 0.39057211 0.1056 0.9920 TP 0.03194274 0.0080 1.0000

表 2 相关矩阵的特征值 Tab.2 Eigenvalues of the Correlation Matrix

以TN、NO₃^--N、NH₄⁺-N和TP为乐安河流域水质富营养化的评价指标, 各监测点的各项指标以所有检测值的平均值表示.计算样本标准差, 根据所有观测值与标准差的距离, 通过聚类分析, 并根据结果得出17个点水质的平均连接树状结构图(图 4).横坐标表示类间的平均距离, 用于度量富营养化水平的相似性程度.

图 4(Fig.4)

图 4 17个监测点水质的平均连接树状结构图 Fig.4 Tree structure chart for water quality of 17 monitoring stations

聚类结果将采样点根据富营养化程度划分为4类:低富营养区、较低富营养区、中富营养区和重富营养区.从图 5可以明显看出从上游到下游富营养化程度总体呈不断升高的趋势.其中LZ5121位于流域的最上游, 该点上游地区林地与草地面积总和占95 %以上, 营养盐产出少且被较好地截留和消减, 平均水质可达到Ⅱ类.在黄色类型中, LG511和LG516上游集水域林地和草地面积总和占80 %, LG513、LG514、LZ509、LZ510的集水域中林地和草地面积总和超过90 %, 因此仍维持较好水质, TN浓度在0.6mg/L左右, 略高于Ⅱ类水.橙色类型区域位于流域中部, TN浓度上升到0.7~0.8mg/L, 为Ⅲ类水, LZ5041和LZ505两个子流域中耕地面积分别为27 %和30 %, 林地为64 %和65 %, 比上游地区明显下降, 而耕地又是面源污染物的主要来源.LZ507和LZ515子流域的林地面积均为85 %, 但在采样时发现, LZ507监测点附近有化工企业, 因此该地的高污染物输出强度应该来源于点源排放; 而LZ515位于赋春镇下游, 该镇有茶园3.33km², 大面积的茶叶种植必然对下游水质造成影响.LG508是干流上监测点, 接受中上游地区的污染, 污染浓度相应上升.同理, LG501和LG506是干流上最后两个点, 流域内所有污染都汇集于此处, 氮浓度明显提高, 平均高于0.9 mg/L, 接近Ⅳ类水.

图 5(Fig.5)

图 5 水质空间分布 Fig.5 Spatial distribution of water quality

影响面源污染的因素众多, 而降水状况和人类活动可在短期内对污染物浓度产生显著影响.首先根据每个监测点TN浓度的年平均值分析乐安河流域氮浓度的年际变化, 可反映降雨量及降雨强度对面源氮浓度的影响.

鄱阳湖流域在枯水期和丰水期的降雨量和径流量变化巨大, 且对应不同的农事季节, 对面源污染物产出及输移影响极大.本研究将每年的4-9月定为丰水期, 10月至次年3月定为枯水期.并根据流域内地形地貌将17个子流域分为两类:上游东北部低中山区(LG508、LZ509、LZ5092、LZ510、LG511、LZ5121、LG513、LG514、LZ515、LZ516), 这10个子流域以林地为主, 位于流域的上游, 林地面积都超过80 %, 而耕地面积只有10 %左右; 下游西南部丘陵区(LG501、LZ502、LZ504、LZ5041、LZ505、LG506、LZ507), 这些子流域耕地面积都超过30 %.将不同类型的监测数据与径流量和时间进行对比.

从图 6和图 7可见, 在取样监测的3年中, TN浓度不断升高.2009年江西省平均降水量1392.0mm, 比多年平均少15.0 %, 属偏枯水年份.流域内径流量相应减少, 营养物流失较少, 这一年大部分监测点的平均水质都在Ⅱ类以内, 有6个监测点的平均水质为低水平Ⅲ类, Ⅲ类水主要出现在径流量最小的12月.

图 6(Fig.6)

图 6 各监测点的TN年平均浓度 Fig.6 Annual average concentration of TN in 17 monitoring stations

图 7(Fig.7)

图 7 上、下游监测点氮平均浓度 Fig.7 Average nitrogen concentration in upstream and downstream

2010年江西省极端天气过程频繁, 暴雨强度大, 主汛期全省平均降雨量比1998的大洪水年同期还多14 %, 全年降水量多年平均增加27.3 %, 属丰水年份.降雨形成地表径流携带大量营养物进入河道, 导致水体中氮浓度增加, 所有监测点只在8月水量最大时平均值为Ⅱ类水质, 全年平均为Ⅲ类水质.

2011年鄱阳湖流域水文条件特殊.1-5月, 江西省降水量比常年同期均值减少49 %, 为1950年以来同期最少; 全省年平均降水量比年均值少20.4 %, 属枯水年份.而6月份, 北部出现典型的“旱涝急转”现象, 平均降水量较常年同期平均偏多183 %, 瞬间增大的地表径流量, 使流域中的营养物质在短时间内带入河道水体, 所有监测点氮平均浓度在这个月急剧升高, 并在7月达到全年的高峰值, 导致这一年所有监测点的氮平均浓度显著升高, 仅有两个点为Ⅲ类, 8个点为Ⅳ类, 6个点都为Ⅴ类, 还出现一个劣Ⅴ类水质点.

根据上、下游地区不同时期的采样值可以看出, 下游的数值明显高于上游, 说明林地对面源污染有消减和抑制作用, 而耕地是主要的面源污染产出源.在2009和2010年两个水文相对正常的年份, 上、下游氮浓度变化趋势基本一致, 都是从4月开始显著上升, 在6月后又迅速下降, 并在8-9月达到一年中的最低值, 之后又急剧上升, 在12月份达到最大值.

两类地区地表水的TN、DTN和NO₃^--N的浓度变化规律基本相似, 都是从4月开始显著上升, 在6月后又迅速下降, 并在8-9月达一年中的最低值, 之后又急剧上升, 在12月份达到最大值.这是由于鄱阳湖流域冬季基本无农事活动, 农业面源污染也最少.4月后, 鄱阳湖进入汛期, 降雨和地表径流明显增加, 河流水体水量增大, 降低了乐安河内氮浓度.之后随着春季农业生产的开始, 各种农作物播种及耕作活动大量开展, 面源营养物质的产出也迅速增加, 使得地表水体中氮浓度大幅升高, 并在6月达到较高水平.7月底至8月初是鄱阳湖流域夏季农业双抢时期, 农业活动密集, 晚稻播种导致化肥农药施用量增大, 但7月是鄱阳湖流域的汛期, 水量为全年最大, 而长江在8-9月进入汛期, 在湖口产生顶托和倒灌作用, 鄱阳湖及五河继续维持高水位, 极大地稀释了污染物浓度, 使得氮污染量虽然较高但浓度持续下降, 并在9月农事活动减少时达到极低值, 这时的水质为一年中的最优时期.10月后, 鄱阳湖水系开始稳定退水, 且降雨量和上游来水明显减少, 河流水位下降, 流速减慢, 而这个月是流域内晚稻收割和冬季经济作物的播种时期, 面源污染物输出量再次增大, 水体中氮含量也再度迅速升高.11月中旬后, 农事活动基本停止, 鄱阳湖流域进入连续干旱期, 到12月, 水位和水量都降至一年中的最低, 水环境容量较丰水期和平水期大大减小, 同时冬季低温不利于水生生物活动, 水体稀释净化能力相对下降, 氮浓度又有大幅升高.而西南地区丘陵区因农田密集, 污染物浓度普遍高于东北山区.

TP浓度的时空分布规律不如氮的明显.总体上来说, 也是从上游到下游逐渐升高, 枯水期高于丰水期.由于磷主要以颗粒态存在, 其浓度受降雨影响程度低于氮, 而河底沉积物的释放也使其浓度分布规律性较差.

可见降雨量及降雨强度是乐安河流域营养盐浓度年际变化的主要影响因素, 而流域内的农业活动是流域营养盐浓度年内变化的主要影响因素.

1) NO₃^--N在氮的3种物质形态中含量最高, 对水质影响也最大.而相对于TN, TP对水质的影响极小.通过聚类分析, 根据TN和NO₃^--N浓度差异可将流域内的水质分为4个区域, 上游林地面积超过90 %的区域水质维持在Ⅱ类左右, 而中下游随茶园林地的增加富营养化程度不断升高, 最下游子流域耕地面积超过30 %, 且接纳流域内所有污染物, 因此出口水质接近Ⅳ类, 这也说明林地对面源污染物有较好的消减作用, 而土地利用变化特别是农业用地是面源污染产生的主要来源.

2) 降雨对营养物浓度有重大影响, 降雨量和降雨强度的增加都会明显促进营养物的流失, 因此偏枯水的2009年, 年平均水质维持在Ⅱ类左右; 而在丰水的2010年, 年平均水质则下降至Ⅲ类.但同时, 长时间的降雨也会使湖泊水位升高, 水体容量增大, 对污染物能起到一定的稀释作用.因此在极枯的年份, 由于水量大量减少, 即使少量污染物也能呈现较高浓度; 而短时间内的强降雨则会使地表径流瞬间增大, 携带大量污染物进入水体, 使污染物浓度急剧升高, 这就导致2011年全年营养物浓度都偏高, 并在6-7月异常增大, 出现劣Ⅴ类水质.说明降雨是流域水质年际变化的主要原因.

3) 通过一年中不同月份降雨量、人类活动及氮浓度的对比分析可以看出, 在主汛期, 湖泊河流水量达到最大时对污染物浓度稀释作用影响较大; 而其他时期, 农业活动强度与氮浓度基本呈正比, 是引起流域内营养盐浓度年内变化的主要原因.这也表明该流域内社会经济发展使污染物排放大量增加, 在水文正常年份, 充足的水量极大地稀释了污染物浓度, 使流域呈现较好水质, 而在枯水年甚至枯水期水质则显著下降.

综上所述, 流域内产生并随水流进入鄱阳湖的污染物是影响其水质的主要原因, 而随着社会经济发展, 污染物排放还在大量增加; 且随着全球气候波动引起的极端气候事件频发和长江流域重大水利工程的建设运行, 鄱阳湖及其周边湖泊缺水将呈现常态化, 也将导致水环境容量下降.因此仅靠湖泊的自净能力已远远不能消耗流域内产生的污染物, 因此, 在五河入湖口实施污染物削减措施和工程, 控制入湖污染物总量, 是保护鄱阳湖“一湖清水”的重要途径.