甬江流域氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽時(shí)空分布特征及與土地利用類(lèi)型關(guān)系*

樊 榮 雷 坤 郎 琪 孫明東 王 剛 程全國(guó)#

(1.沈陽(yáng)大學(xué)環(huán)境學(xué)院,區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復(fù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽(yáng) 110044;2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院水生態(tài)環(huán)境研究所,北京 100012)

氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽是重要的生命元素,在生態(tài)系統(tǒng)中扮演著重要角色,但當(dāng)水體中氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽過(guò)量時(shí)會(huì)造成水體富營(yíng)養(yǎng)化[1-2]。氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的來(lái)源同土地利用類(lèi)型有密切關(guān)系[3],其中城鎮(zhèn)建設(shè)用地是氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的重要來(lái)源[4]。王鵬等[5]對(duì)贛江流域研究發(fā)現(xiàn),城鎮(zhèn)建設(shè)用地是流域氮磷污染主要影響因素之一。高鳳等[6]研究發(fā)現(xiàn),城鎮(zhèn)建設(shè)用地點(diǎn)源和面源污染是小浹江氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度增加的主要原因。此外,林地對(duì)氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽有截留作用[7]2586,[8]873,[9]。由此可見(jiàn),深入分析土地利用類(lèi)型對(duì)流域氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽控制,防止流域水體污染具有重要的參考意義。

近年,我國(guó)杭州灣近岸海域由氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽造成的富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題十分突出。甬江是杭州灣近岸海域的主要入海河流之一,發(fā)源于寧波市四明山,經(jīng)鎮(zhèn)海口流入東海,其氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽水平對(duì)杭州灣近岸海域有著重要影響。與此同時(shí),隨著寧波城鎮(zhèn)化快速發(fā)展,土地利用類(lèi)型發(fā)生劇烈轉(zhuǎn)變,尤其是建設(shè)用地迅速增加[10]。目前,寧波市區(qū)面積3 730.0 km2,占全市陸域面積的37.99%,其中建設(shè)用地面積2 020.3 km2,占全市陸域面積的20.72%[11]。因此,人類(lèi)活動(dòng)對(duì)甬江流域水質(zhì)狀況、水生態(tài)安全的影響加劇,特別是氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽污染問(wèn)題不容樂(lè)觀。然而,針對(duì)甬江流域氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽污染水平、時(shí)空特征及其與土地利用類(lèi)型的關(guān)系尚未開(kāi)展系統(tǒng)性研究。

本研究對(duì)甬江流域枯水期和豐水期的氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽污染及時(shí)空分布特征進(jìn)行了調(diào)查,識(shí)別出氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽污染嚴(yán)重區(qū)域,分析土地利用類(lèi)型對(duì)其影響,以期為甬江流域水污染防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與測(cè)定

甬江上游有姚江、奉化江兩大支流,其中奉化江又有二級(jí)支流剡江、縣江、東江、鄞江,考慮干支流匯合情況,于2022年1月(枯水期)、7月(豐水期)在甬江流域設(shè)置了15個(gè)采樣點(diǎn)位(見(jiàn)圖1)進(jìn)行水樣采集,其中1～4號(hào)點(diǎn)位位于姚江,5、6、8號(hào)點(diǎn)位分別位于鄞江、剡江和縣江,10、9號(hào)點(diǎn)位分別位于縣江匯入東江前后,7、11、12號(hào)點(diǎn)位位于奉化江,13、14、15號(hào)點(diǎn)位位于甬江。1、2、4、12、13、14、15號(hào)點(diǎn)位的土地利用類(lèi)型以建設(shè)用地為主。

圖1 甬江流域概況及采樣點(diǎn)位分布

現(xiàn)場(chǎng)使用哈希HQ4100多參數(shù)水質(zhì)分析儀測(cè)定電導(dǎo)率、溶解氧、pH。

總磷(TP)和溶解態(tài)總磷(DTP)的測(cè)定參照《水質(zhì) 總磷的測(cè)定 鉬酸銨分光光度法》(GB/T 11893—89)。總氮(TN)和溶解態(tài)總氮(DTN)的測(cè)定參照《水質(zhì) 總氮的測(cè)定 堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法》(HJ 636—2012),亞硝酸鹽氮的測(cè)定參照《水質(zhì) 亞硝酸鹽氮的測(cè)定 分光光度法》(GB/T 7493—87),氨氮的測(cè)定參照《水質(zhì) 氨氮的測(cè)定 納氏試劑分光光度法》(HJ 535—2009),硝酸鹽氮的測(cè)定參照《水質(zhì) 硝酸鹽氮的測(cè)定 紫外分光光度法》(HJ/T 346—2007),氯離子(Cl-)的測(cè)定參照《水質(zhì) 氯化物的測(cè)定 銀量滴定法》(GB/T 17378.4—2007)。

1.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

從自然資源部的全球30 m地表覆蓋(GlobeLand30)數(shù)據(jù)集獲取甬江流域土地利用類(lèi)型數(shù)據(jù),計(jì)算每個(gè)采樣點(diǎn)位2 km緩沖區(qū)內(nèi)的各土地利用類(lèi)型面積占比。先使用K-S方法檢驗(yàn)數(shù)據(jù)正態(tài)性,再使用SPSS25軟件檢驗(yàn)數(shù)據(jù)組差異性,若數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布采用t檢驗(yàn),否則采用K-W檢驗(yàn),p<0.05時(shí)認(rèn)為存在顯著差異,p≥0.05時(shí)則認(rèn)為無(wú)顯著差異。使用SPSS25軟件進(jìn)行相關(guān)性分析,若數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布采用Pearson相關(guān)性檢驗(yàn),否則采用Spearman秩相關(guān)檢驗(yàn),p<0.01時(shí)相關(guān)性極顯著,p<0.05時(shí)相關(guān)性顯著,p≥0.05時(shí)相關(guān)性不顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 常規(guī)水環(huán)境指標(biāo)時(shí)空分布

2022年甬江流域常規(guī)水環(huán)境指標(biāo)時(shí)空分布情況如圖2所示。pH偏弱堿性,為7.10～9.80;溶解氧為2.52～16.15 mg/L,流域差異不明顯。電導(dǎo)率和Cl-整體表現(xiàn)出自上游向下游沿程升高的趨勢(shì)。

圖2 甬江流域常規(guī)水環(huán)境指標(biāo)時(shí)空分布

2.2 氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽時(shí)空分布

2022年甬江流域枯水期和豐水期TN質(zhì)量濃度分別為2.79～9.65、2.29～3.37 mg/L,枯水期整體高于豐水期,按照湖庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn),都超過(guò)了《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)的Ⅴ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),其中姚江下游、奉化江下游、甬江干流TN濃度較高。甬江流域的氮以溶解態(tài)為主,枯水期和豐水期DTN占TN的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為97.62%～99.85%、80.84%～97.31%;無(wú)機(jī)氮又分別占了枯水期和豐水期DTN質(zhì)量分?jǐn)?shù)的51.41%～99.62%、81.09%～97.60%,枯水期和豐水期的無(wú)機(jī)氮質(zhì)量濃度分別達(dá)到2.19～5.83、1.84～3.08 mg/L,存在顯著差異。故下面重點(diǎn)討論無(wú)機(jī)氮,但是亞硝酸鹽氮一般含量較低,因此也不再考慮。

2022年甬江流域枯水期和豐水期硝酸鹽氮質(zhì)量濃度分別為1.56～4.06、1.08～2.34 mg/L(見(jiàn)圖3),姚江、奉化江、甬江三江匯合處及下游濃度較高,枯水期整體高于豐水期,而且枯水期空間差異更大。

圖3 甬江流域硝酸鹽氮時(shí)空分布

2022年甬江流域氨氮在枯水期和豐水期都有較大的空間差異(見(jiàn)圖4)。枯水期氨氮質(zhì)量濃度為較重。

圖4 甬江流域氨氮時(shí)空分布

0.21～1.75 mg/L,空間分布上表現(xiàn)為甬江>奉化江>姚江,氨氮濃度較高的點(diǎn)大都位于城鎮(zhèn)建設(shè)用地。豐水期氨氮質(zhì)量濃度為0.06～1.37 mg/L,空間分布上表現(xiàn)為姚江>奉化江>甬江。姚江氨氮濃度較高的點(diǎn)位于城鎮(zhèn)建設(shè)用地,并且晴天在雨水口發(fā)現(xiàn)有排水現(xiàn)象,故在排水口上下游各進(jìn)行了50 m增補(bǔ)采樣監(jiān)測(cè),氨氮質(zhì)量濃度為1.01～1.84 mg/L,因此姚江豐水期氨氮濃度可能受城市污水影響2022年甬江流域枯水期和豐水期TP質(zhì)量濃度分別為0.03～0.13、 0.11～0.31 mg/L(見(jiàn)圖5),枯水期基本能達(dá)到GB 3838—2002的Ⅱ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),豐水期基本能達(dá)到Ⅲ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),與TN一樣在姚江下游、奉化江下游和甬江干流濃度較高,不同河段差異顯著。枯水期和豐水期DTP質(zhì)量濃度分別為0.01～0.06、0.06～0.22 mg/L(見(jiàn)圖6),DTP占TP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10.28%～97.14%、25.81%～92.86%。

圖5 甬江流域TP時(shí)空分布

圖6 甬江流域DTP時(shí)空分布

2.3 土地利用類(lèi)型對(duì)氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的影響

由表1可見(jiàn),除草地外其余土地利用類(lèi)型對(duì)DTN、硝酸鹽氮、TP均有顯著相關(guān)性。

采用多元線性回歸法對(duì)DTN、硝酸鹽氮、TP與影響較大的土地利用類(lèi)型進(jìn)行回歸分析,結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 土地利用類(lèi)型面積占比與氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的多元線性回歸結(jié)果

3 討 論

3.1 氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度季節(jié)性差異

2022年甬江流域不同氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的季節(jié)性變化趨勢(shì)各不相同。

氮營(yíng)養(yǎng)鹽以可溶態(tài)為主,濃度枯水期高于豐水期,枯水期無(wú)機(jī)氮是豐水期的1.19～1.89倍,高值集中在城鎮(zhèn)建設(shè)用地。一方面,枯水期農(nóng)業(yè)活動(dòng)顯著減少,城鎮(zhèn)廢水排放占據(jù)主導(dǎo)位置,導(dǎo)致附近水體無(wú)機(jī)氮濃度較高[8]873;另一方面,因甬江流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候,四季分明,冬季雨量少、水溫低,因此水體微生物活動(dòng)緩慢,水體環(huán)境中的無(wú)機(jī)氮濃縮并穩(wěn)定存在[12]。

磷營(yíng)養(yǎng)鹽則不同,濃度豐水期高于枯水期,豐水期TP是枯水期的2.33～3.44倍,高值也集中在城鎮(zhèn)建設(shè)用地,不過(guò)污染水平總體比氮營(yíng)養(yǎng)鹽低。磷多來(lái)源于土壤面源污染,而且2022年豐水期寧波市多次發(fā)生暴雨,土壤中的磷易遷入水體[13-15],導(dǎo)致豐水期磷含量高于枯水期。

由此可見(jiàn),枯水期氮營(yíng)養(yǎng)鹽污染較為嚴(yán)重,主要來(lái)源于人類(lèi)活動(dòng),而豐水期磷營(yíng)養(yǎng)鹽污染相對(duì)較輕,受降雨徑流沖刷土壤磷影響較大[16]。

3.2 土地利用類(lèi)型與氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的關(guān)系

甬江流域通過(guò)緩沖區(qū)分析發(fā)現(xiàn),建設(shè)用地面積占比為29.60%,姚江上游的建設(shè)用地面積占比更是高達(dá)近100%,豐水期氨氮/DTN、DTP/TP比枯水期分別提高1.60、1.30倍。豐水期降雨量大時(shí),建設(shè)用地因不透水導(dǎo)致徑流量增加,污染性的氨氮和TP濃度升高[17],說(shuō)明建設(shè)用地的點(diǎn)源輸入加劇了氮磷污染[18]1779。

三江匯合處位于寧波市中心城區(qū),人口密度大,城鎮(zhèn)化程度高,建設(shè)用地產(chǎn)生污染全年均存在,故全年氮磷濃度較高。枯水期由于雨水和農(nóng)業(yè)活動(dòng)減少,河流自凈能力降低,使得農(nóng)業(yè)來(lái)源的氮磷污染顯著下降,建設(shè)用地的地表徑流污染成為甬江氮磷污染主要影響因素[19]。奉化江支流區(qū)域林地面積占比較大,人口密度低[18]1779,是奉化區(qū)的水源地,水體自凈能力較強(qiáng),故總體氮磷污染較輕。

Spearman相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果顯示,甬江流域土地利用類(lèi)型與DTP、氨氮無(wú)顯著相關(guān)性,草地面積占比與氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽無(wú)顯著相關(guān)性,說(shuō)明DTP、氨氮受土地利用類(lèi)型影響較小,草地對(duì)氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽影響水平較低[20-22]。林地面積占比對(duì)DTN具有極顯著負(fù)相關(guān)性,與硝酸鹽氮 、TP具有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,這是因?yàn)榱值氐闹参锔稻哂薪亓舻谞I(yíng)養(yǎng)鹽的功能[7]2584。建設(shè)用地面積占比與DTN、TP具有極顯著正相關(guān)關(guān)系,說(shuō)明建設(shè)用地是甬江流域氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的重要來(lái)源[7]2584。

由此可見(jiàn),城鎮(zhèn)建設(shè)用地、林地面積控制及城鎮(zhèn)建設(shè)用地點(diǎn)源廢水排放控制對(duì)氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽污染治理有較大作用[23]。

甬江流域跨越寧波市7個(gè)縣級(jí)行政區(qū),各個(gè)縣級(jí)行政區(qū)的土地利用類(lèi)型面積占比不同,應(yīng)因地制宜地采取氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽污染控制措施。姚江及甬江干流流域建設(shè)用地面積占比較大,應(yīng)控制建設(shè)用地面積、增加綠化用地面積,加強(qiáng)對(duì)建設(shè)用地點(diǎn)源廢水排污控制。奉化江流域建設(shè)用地面積占比相對(duì)較小,以耕地為主,但農(nóng)藥化肥投入總量和單位面積使用強(qiáng)度高于全國(guó)平均水平[24],故奉化江流域應(yīng)減少農(nóng)藥化肥使用,可重點(diǎn)考慮推動(dòng)種植產(chǎn)業(yè)生態(tài)化發(fā)展,如“林地+”模式[25],以減少農(nóng)田地表徑流對(duì)河流氮磷的面源污染負(fù)荷。

4 結(jié)論與建議

(1) 2022年甬江流域TN、TP質(zhì)量濃度分別為2.29～9.65、0.03～0.31 mg/L。TP基本能達(dá)到GB 3838—2002的Ⅲ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),豐水期濃度相對(duì)較高;TN按照湖庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn)超過(guò)了GB 3838—2002的Ⅴ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),而且枯水期污染更為嚴(yán)重。

(2) 甬江流域氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽與土地利用類(lèi)型有關(guān)。林地面積占比對(duì)DTN具有極顯著負(fù)相關(guān)性,與硝酸鹽氮 、TP具有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。建設(shè)用地面積占比與DTN、TP具有極顯著正相關(guān)關(guān)系。

(3) 建議根據(jù)不同河段的土地利用類(lèi)型面積占比差異對(duì)氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽污染進(jìn)行控制。姚江及甬江干流流域建設(shè)用地面積占比較大,應(yīng)增加綠化用地面積,加強(qiáng)對(duì)建設(shè)用地點(diǎn)源廢水排污控制。奉化江流域以耕地為主,加強(qiáng)“肥藥兩制”,并實(shí)施“林地+”模式。