洱海10條入湖河流緩沖帶三圈內氮含量沿程變化

盧少勇,張聞濤,邢 奕

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洱海10條入湖河流緩沖帶三圈內氮含量沿程變化

盧少勇1*,張聞濤1,2,邢 奕2

(1.中國環境科學研究院,環境基準與風險評估國家重點實驗室,國家環境保護湖泊污染控制重點實驗室,湖泊環境研究中心,國家環境保護洞庭湖科學觀測研究站,湖泊工程技術中心,北京 100012：2.北京科技大學,土木與環境工程學院,北京 100083)

2013年7月采集了10條洱海入湖河流緩沖帶三圈(外圈、內圈、中圈)內沿程34個斷面的表層水樣,測定了水樣中總氮、可溶性總氮和氨氮的含量,分析其空間分布特征.結果表明,緩沖帶內3個采樣點的水質變化規律有9種類型:連續升高型,連續降低型,先降低后升高的“V”字型,先升高后降低的倒“V”字型,平穩型,先升高后平穩型,先下降后平穩型,先平穩后降低型,先平穩后升高型,10條洱海入湖河流水體(TN)較高,平均值為2.93mg/L,特別是內圈入湖河口處(TN)平均值為3.74mg/L,對洱海威脅較大,應加大河道治理,完善緩沖帶內圈村落管網收集系統和垃圾處理設施.其中,茫涌溪、黑龍溪和清碧溪流域緩沖帶(DTN)為0.30~2.31mg/L,占TN比例的平均值為81%,中圈水體中氮負荷明顯較內圈和外圈的高,應通過測土平衡施肥以及有機肥增施來降低化肥使用量,減少農田污染物隨徑流流失.考慮入湖河流水質上游普遍較好,中游開始惡化,建議在緩沖帶外圈建設生態礫石床、生態塘和地下滲透池等生態截蓄凈化工程.

洱海；緩沖帶；入湖河流；氮

緩沖帶作為保護區域位于湖泊外圍,用以減少上游面源污染對湖泊的影響[1-4].入湖河流是陸地生態系統和湖泊生態系統進行物質交換的通道,其通過接納大量的生活污水、工業廢水和農業余水,已成為湖泊富營養化的驅動力[5].

洱海是云南省第二大高原湖泊,正處于由中營養向富營養狀態轉變階段[6].根據《云南洱海綠色流域建設與水污染防治規劃》,洱海緩沖帶總面積約94km2,其下邊界為洱海最高水位1966.00m,從下邊界線向陸地擴展,劃分為3個圈層:內圈為洱海最高水位線以上100m環湖帶,外圈為大麗線近湖側30m左右的截蓄凈化帶,中圈為外圈和內圈之間的綠色經濟帶.洱海入湖河流河道兩側大部分鄉鎮和村落在生產、生活的過程中產生的污染物直接入河,特別是北部和西部農田面積比例較大,施用大量化肥和農藥,對洱海水質影響非常明顯[7].

目前針對洱海入湖河流的研究不多,翟玥[8]監測了洱海流域北部入湖河流羅時江和永安江從源頭到入湖河口的水質,分析了河流污染特征.于超等[7]分析了彌苴河上關鎮江尾大橋到入湖河口下游河段氮、磷季節性變化特征.馬連根[9]監測了西部蒼山十八溪出山口和入湖口的水質.較系統地對入湖河流在洱海緩沖帶內農田、村落交界處的水質狀況的研究尚未見報道.本研究主要對洱海10條入湖河流在緩沖帶內的34個斷面進行了水質監測,分析氮含量在緩沖帶3圈內的空間分布特征,旨在為洱海緩沖帶的構建與完善和功能缺失提出合理建議.

1 材料與方法

1.1 河流概況

考慮洱海北岸和西岸湖岸較緩,緩沖帶相對較寬的特點,選擇北部的永安江和西部的陽溪、茫涌溪、錦溪、靈泉溪、中和溪、白鶴溪、黑龍溪、清碧溪和莫殘溪10條入湖河流為研究對象.參考2008年《大理市地表水資源調查報告》,各條河流基本情況見表1和圖1.

表1 河流基本情況Table 1 Descriptions of sampling rivers

1.2 樣點布設與采集

各條河流在洱海緩沖帶3圈中每圈分別布設1~2監測斷面,共34個,見圖1.于2013年7月用有機玻璃采水器采集表層(0~0.5m)水樣,儲存于聚乙烯瓶中低溫保存,迅速運回洱?；貙嶒炇?立即處理分析.

1.3 測試指標及方法

現場用意大利米克MT106測定儀測定DO和pH值.水質測試指標包括總氮(TN)、可溶性總氮(DTN)和氨氮(NH3-N).其中(TN)用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB11894-89)測定;(DTN)經0.45μm微孔濾膜過濾后用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB11894-89)測定;(NH3-N)用納氏試劑分光光度法(GB7479- 87)測定.

1.4 數據處理

試驗數據取各圈采樣點指標數據平均值,并通過SPSS 13.0和Origin 8.0軟件分析.

2 結果與討論

河流水體中污染物濃度在緩沖帶三圈內沿程變化大體可分為9種類型:連續升高型,連續降低型,先降低后升高的“V”字型,先升高后降低的倒“V”字型,平穩型,先升高后平穩型,先下降后平穩型,先平穩后降低型,先平穩后升高型(如變幅￡10%,忽略其變化).

2.1 水中總氮含量呈先平穩后上升型河流

陽溪、錦溪、靈泉溪和莫殘溪水體中(TN)在洱海緩沖帶外圈、中圈和內圈的沿程變化呈先平穩后上升的變化趨勢,見圖2.

陽溪(TN)為1.80~2.47mg/L,平均值2.02mg/L,屬地表水劣V類(GB3838-2002)[10].(DTN)為0.41~1.33mg/L,DTN占TN的23%~ 54%.(NH3-N)為0.17~0.80mg/L,NH3-N占TN的比例從外圈的26%降低到中圈的9%,隨后在內圈大幅升高到32%.錦溪(TN)為2.16~7.20mg/L,平均值3.89mg/L,屬地表水劣V類.(DTN)為1.79~7.11mg/L,DTN占TN的83%~99%.(NH3- N)為0.14~2.98mg/L,NH3-N占TN的比例從外圈的6%升高到中圈的9%,大幅升高到內圈的41%.靈泉溪(TN)為0.88~1.18mg/L,平均值1.00mg/L,屬地表水III類.(DTN)為0.63~0.95mg/L,DTN占TN的67%~89%.(NH3-N)為0.10~0.19mg/L.莫殘溪(TN)為2.34~3.74mg/L,平均值2.82mg/L,屬地表水劣V類.(DTN)為1.78~3.91mg/L,DTN占TN的80%~100%.(NH3-N)為0.06~0.38mg/L, NH3-N占TN的比例從外圈和中圈的3%大幅升至內圈的10%.

陽溪、錦溪、靈泉溪和莫殘溪在緩沖帶內圈河水中(TN)高于外圈和中圈,且NH3-N占TN的比例在內圈變幅較大.因入湖河流緩沖帶內圈段兩岸有許多村落,各村落基本情況見表2.村落人口眾多,居民日常排水包括:廚房污水、沖廁水和洗滌污水,排水無序地匯入溝渠和河流[11].畜禽養殖以牛、豬為主,奶牛為當地特色產業,但畜禽糞便不能及時處理和有效利用,在岸邊堆放,而糞便中氮淋溶性很強[12],對河流水質的威脅較大.4條河流水體中NH3-N占DTN比例的平均值僅為28%,這與水體中溶解氧含量(DO)較高(7.52mg/L),利于硝化作用密不可分.

表2 村落基本情況Table 2 Descriptions of countries

2.2 水中總氮含量呈平穩型河流

永安江從洱海緩沖帶外圈流經中圈到內圈水體中(TN)沿程變化不大(變幅￡10%),屬平穩型,見圖3,(TN)為1.09~1.12mg/L,平均值為1.10mg/L,屬地表水IV類.(DTN) 為0.33~ 0.61mg/L.因永安江屬強侵蝕區,從緩沖帶外圈到中圈雖(TN)較平穩,但DTN占TN比例從57%增加到70%,在緩沖帶內圈河道中水生植物等的作用下,內圈DTN占TN比例有降低,占TN的45%.(NH3-N) 為0.22~0.32mg/L,水體pH值在7.25~7.96間變化,在微生物作用下,利于水體中含氮有機物轉化成NH3-N[13],使NH3-N占DTN的比例從外圈的47%增加到中圈的96%.

2.3 水中總氮含量呈“V”字型河流

中和溪從洱海緩沖帶外圈進入中圈再進入內圈最后入湖,水體中(TN)沿程變化呈“V”字型,見圖4.(TN)為3.95~15.83mg/L,平均值10.19mg/L,水質較差,顯著(<0.05)高于永安江、陽溪、錦溪和靈泉溪的(TN)平均值.(DTN)為3.64~15.30mg/L,DTN占TN的90%以上.河水中(TN)和(DTN)在中圈明顯低于外圈和內圈.這與中和溪特殊地理位置有關,入緩沖帶前,其上游來水通過了人口較密集的大理古城,在緩沖帶內圈是旅游景區—才村碼頭.大理古城和才村碼頭沿岸商鋪、餐飲店和客棧等較多,且未實現生活污水收集系統全覆蓋,部分垃圾隨意堆放,大量污染物入河,致使氮含量較高[14].(NH3-N)為2.16~ 12.76mg/L,從外圈到內圈先降后升,NH3-N占DNT的59%~83%,因中和溪水中溶解氧含量平均值僅為3.44mg/L,pH值為7.29~7.51,屬堿性范圍,不利于硝化.

2.4 水中總氮含量呈倒“V”字型河流

茫涌溪、清碧溪和黑龍溪從洱海緩沖帶外圈流經中圈到內圈(TN)沿程變化呈倒“V”字型,見圖5.

茫涌溪(TN)為1.46~1.80mg/L之間,平均值1.58mg/L,屬地表水V類.(DTN) 為1.38~ 1.54mg/L.(NH3-N) 為0.05~0.13mg/L.黑龍溪水體中(TN)為1.00~1.48mg/L之間,平均值1.19mg/L,屬地表水IV類.(DTN) 為0.52~ 1.21mg/L之間.(NH3-N) 為0.15~0.20mg/L.清碧溪水體中(TN)為0.27~2.74mg/L,變幅較大,平均值1.58mg/L,屬地表水V類.(DTN)為0.30~ 2.31mg/L.(NH3-N) 為0.08~0.38mg/L.

茫涌溪、黑龍溪和清碧溪中圈河段兩岸分布大面積農田,主要作物有水稻、大蒜、蠶豆等作物.當地長期依賴化肥,有機肥3150kg/hm2,尿素375~450kg/hm2,磷肥308kg/hm2,硫酸鉀58kg/ hm2,其中氮肥利用率僅25%~50%[15].大量氮隨農田退水和徑流流失,進入河流,導致(TN)從外圈到內圈呈先升高后降低的趨勢.水體中TN以DTN為主,3條河流水體中DTN占TN比例的平均值為81%.其中清碧溪屬于季節性河流,在5~10月份的雨季河水流量加大,大部分泥沙進入水體中,導致非溶解性總氮含量增大,因此DTN占TN比例從外圈到內圈呈降低的趨勢.而黑龍溪DTN占TN比例呈升高的趨勢,可能是部分非溶解性氮轉化成可溶性態氮的緣故.

2.5 水中總氮含量呈連續升高型河流

總氮含量呈“連續升高型”的河流見圖6.白鶴溪從洱海緩沖帶外圈流經中圈到內圈(TN)沿程呈連續升高的趨勢.(TN)為1.23~2.53mg/L,平均值2.00mg/L,屬地表水V類.(DTN) 為1.00~ 1.96mg/L.(NH3-N) 為0.15~0.31mg/L.白鶴溪緩沖帶中圈段與黑龍溪和清碧溪的土地利用現狀相似,但緩沖帶內圈段是旅游景區—龍龕碼頭,周邊餐飲服務較多,且大多無收集管網統一收集,直排[16].因此水體中(TN)從中圈到內圈不但未降低,反而呈升高趨勢.

2.6 討論

入湖河流水質變化受多種外界因素的影響,如企業、居民生活、旅游產排污染物未經處理直排入河、畜禽與水產養殖污染、種植業面源污染、水土流失、干濕沉降及河流的不合理開發利用等都會導致河流水質下降[17-18].通過入湖河流監測斷面污染特征及變化趨勢調查,分析存在的環境問題及其與污染物的響應,并提出相應對策和建議,是治理入湖河流的關鍵.

10條河流內圈入湖河口處(TN)平均值為3.74mg/L,其中優于地表水III類(含III類)的溪流僅占所監測溪流的20%,劣V類占所監測溪流的50%,明顯較洱海湖濱帶和湖區水體的高[19-20].河流外圈和中圈段河水(TN)平均值為2.19mg/L,內圈河口水域的污染有加重趨勢.據入湖河流年均徑流量,污染物TN入湖量約為795t/a,污染負荷對洱海水質影響較大[21].洱海西部區陽溪、錦溪、靈泉溪、莫殘溪、中和溪、茫涌溪、黑龍溪、清碧溪和白鶴溪9條入湖河流緩沖帶內水體(TN)平均值為2.92mg/L,較北部區永安江(TN)高,主要因西部鄉鎮村落和農田較密集[22],給河流帶來較大污染,嚴重影響河流水質,屬重點治理區.西部區茫涌溪、黑龍溪和清碧溪在緩沖帶中圈段兩岸分布大面積農田.例如,茫涌溪流域緩沖帶中圈耕地面積近7056畝,主要種植水稻、大蒜、大蔬菜等作物,按水稻施肥氮輸入量(76.5kg/ (hm×a)和大蒜施肥氮輸入量(76.5kg/(hm2×a))平均值76.5kg/(hm2×a)計[23],茫涌溪流域施肥氮輸入量為36.0t/a,種植業污染TN入湖量為40%(參考同類型云南高原湖泊撫仙湖緩沖帶)[24],該流域農田每年約有14.4t TN流失到河流和洱海,可見氮流失風險較大.茫涌溪、黑龍溪和清碧溪流域內的緩沖帶中圈的農田面積大,污染物的流失較嚴重.在這些區域應充分實施測土平衡施肥、用生物肥代替化肥、降低化肥用量,提倡科學輪作模式,在農田和水體間建立草地過濾帶等措施,減少污染物入水體的量.應加大入湖河流的污染防治力度,完善緩沖帶內圈的村落管網收集和垃圾處理處置,禁止養殖牲畜,尤其要控制旅游景點(如才村碼頭、龍龕碼頭等)的無序發展帶來的臨湖污染負荷量增加較快,逐步恢復河流的生態結構和功能,提高其自凈能力.10條入湖河流中,陽溪、錦溪、靈泉溪、莫殘溪、中和溪、茫涌溪、黑龍溪、清碧溪和白鶴溪屬蒼山十八溪.源頭是蒼山國家自然保護區,流經大理壩子,最后注入洱海,水質在上游普遍較好,中游開始惡化[25].特別是入洱海緩沖帶后,水質最差,外圈河段水體(TN)平均值為2.34mg/L,屬地表水劣V類,(DTN)平均值為1.96mg/L,(NH3-N)平均值為1.06mg/L.給緩沖帶帶來了較大壓力.因此應在緩沖帶外圈建設生態礫石床、生態塘、地下滲透生態池等生態截蓄凈化工程.

3 結論

3.1 入湖河流水中氮含量在緩沖帶三圈內具有明顯的空間分布特征,10條洱海入湖河流緩沖帶段內的河水水質的沿程變化規律有9種:連續升高型,連續降低型,先降低后升高的“V”字型,先升高后降低的倒“V”字型,平穩型,先升高后平穩型,先下降后平穩型,先平穩后降低型,先平穩后升高型.

3.2 河水的(TN)較高,平均值為2.93mg/L,而內圈入湖河口處(TN)的平均值為3.74mg/L,給洱海II類水的水質目標的保障帶來較大的壓力.

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* 責任作者, 研究員, lushy2000@163.com

Nitrogen evolution with distance of 10 inflow rivers in the three circles of buffer zone around Erhai Lake

LU Shao-yong1*, ZHANG Wen-tao1,2, XING Yi2

(1.Engineering and Technology Center of Lake, State Environmental Protection Scientific Observation and Research Station for Lake Dongtinghu, Research Centre of Lake Environment, State Environmental Protection Key Laboratory for Lake Pollution Control, State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China；2.Civil and Environmental Engineering School, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)., 2016,36(5)：1561~1567

Surface water of 34 monitoring sections in 10inflow rivers, which were located at the 3 ribbon sections (inner, outer and middle) of the buffer zone of Erhai Lake, was sampled in July 2013. The water quality including total nitrogen, dissolved total nitrogen and ammonia nitrogen was measured and the spatial variabilities of selected water quality parameters were analyzed, aiming at put forward reasonable suggestions for the lack of function and establishment and improvement of the buffer zone. The results showed that there were 9 categories of the variation of water quality in ribbon sections, i.e., rise continuously, reduce continuously, first reduce then rise emerge “V” shape, first rise then reduce emerge inverted “V” shape, gently, first rise then steady, first reduce then steady, first keep gently then reduce, first keep gently then rise. The average(TN) in 10inflow rivers of Erhai Lake was 2.93mg/L. The average(TN) of estuary in the inner ribbon section was 3.74mg/L, which was a threat to the lake. So improving the collection network of sewage and garbage disposal facilities was very important in the inner ribbon section. At the same time, management strengthen of rivers should be made.(DTN) of Mangyongxi River, Heilongxi River and Qingbixi River in the buffer zone were changed between 0.30mg/L and 2.31mg/L, occupying 81% of(TN) averagely. The nitrogen load of the 3 rivers in the middle ribbon section in the buffer zone was obviously higher than that in the inner and outer parts. Therefore, the use of fertilizer in the farmland should be controlled so that reducing nitrogen losses with the runoff. Ecological gravel bed, ecological pond and underground infiltration pond and other ecological purification engineering measures should be built in the outer ribbon section, considering the water quality began to deteriorate from the middle reaches.

Erhai Lake；buffer zone；inflow rivers；nitrogen

X522

A

1000-6923(2016)05-1561-07

盧少勇(1976-),男,湖南郴州人,研究員,博士,主要研究方向為湖泊水污染防治與水生態修復.發表論文140余篇.

2015-10-12

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07105-002,2013ZX07101-014),中央級公益性科研院所基本科研業務專項(2012-YSKY-14)