漓江中上游會仙小流域水系氮磷濃度時空特征

謝曉琳，代俊峰,2，俞陳文炅，蘇毅捷，張麗華

(1. 桂林理工大學 廣西環境污染控制理論與技術重點實驗室，廣西 桂林541004；2.桂林理工大學 巖溶地區水污染控制與用水安全保障協同創新中心，廣西 桂林 541004)

河流作為淡水生境的最大組成部分，是陸地水文循環的主要途徑，是流域內水生-陸地生態系統之間的物質循環的主要通道[1]。隨著經濟的發展，人類活動對河流生態系統的改變加劇，導致河流生態環境演變趨勢不斷朝不利方向發展。巖溶多重介質環境的生態脆弱性，使得巖溶地區化學元素遷移時具有時空多變性和多樣性。同時巖溶地區雨量豐沛，大量未被植物吸收的氮磷化肥在降雨徑流的沖刷下匯入地表水系，導致巖溶區地表河流水環境問題突出[2]。

會仙濕地作為西南巖溶區漓江流域最大的巖溶地貌原生態濕地，由于人類長期不合理開發利用濕地資源，加上自然環境的變遷，濕地面積銳減，同時由于農業活動造成的面源污染形勢嚴峻[3]。由于面源污染具有隨機性、不確定性和時空分布不均勻性等特點，使得面源污染的模擬、評估以及管理成為水污染防控領域的研究重點及難點[4-6]。故在不同的時空尺度下進行面源污染的監測研究十分必要[7]。本文選擇漓江中上游青獅潭灌區會仙小流域為研究對象，通過對小流域內不同河流水質進行連續定位監測，明確氮磷污染物濃度隨降雨徑流的季節變化特征，以期為面源污染的防控提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究試區位于會仙濕地核心區域內，會仙濕地位于廣西壯族自治區桂林市城區西南部，是珠江水系一級支流漓江(桂江)流域與柳江(洛清江)流域的分水嶺地帶，地處于桂林峰林平原與峰叢洼地的過渡地帶。會仙巖溶濕地主要地表河流有良豐江、相思江，分屬桂江、柳江水系。氣候屬亞熱帶季風濕潤氣候，春夏多雨，秋季多風，冬季有霜雪，多年平均氣溫18.8 ℃，降雨充沛，多年平均降雨量達1 894.4 mm。會仙濕地及周邊地區土壤包括典型的濕地土壤與巖溶土壤兩大類型，主要土壤類型有紅壤或紅黃壤、紅色石灰巖土、水稻土、沼澤土等。研究區內土地利用類型主要為耕地、果園、林地、草地及居民區，各土地利用類型占研究流域面積比見表1。

表1 研究區內不同土地利用類型面積及占比Tab.1 Area and proportion of different land use types in the study area

研究試區內的主要作物為水稻，且多為雙季稻。早稻的生長期一般為四月初至七月底，晚稻的生長期為七月中旬至十月底[8]。研究區內的水稻灌溉方式主要為“薄、淺、濕、曬”[9]。符娜等[10]人對西南地區水稻灌溉需水量的研究表明分蘗期和抽穗期為水稻生長需水關鍵期。研究區內水稻一般每一季施肥3次，分別為基肥，分蘗肥、孕穗肥。主要的施肥時間一般為拋栽秧苗前施基肥，拋栽后10～15 d施分蘗肥，幼穗分化前期施孕穗肥。據調查，試區內水稻使用較多的化肥品種有復合肥、尿素、碳酸氫銨、磷酸二銨和氯化鉀。廣西區內水稻種植普遍存在氮肥施用量適中偏高的情況，且從早晚稻的對比來看，早稻要略高于晚稻[11]。早稻的氮、磷、鉀施用比為1.00∶0.13∶0.18，晚稻的氮、磷、鉀施用比為1.00∶0.12∶0.19[12]，而其施用量最佳比為1.00∶0.52∶0.34[13]，可見水稻種植施用的氮肥量較大。

在研究試區的選址上遵循代表性和一致性原則，選取封閉性較好且交通相對便捷的會仙小流域開展定點監測。會仙小流域處于會仙濕地核心區域，流域內分布著大量農田，人口聚集區分布零星，點源污染比重較少，以面源污染為主；同時該流域地表水系多樣性強，便于比較其差異性，更具代表性。研究試區采樣點位置分布及研究區主要土地利用類型見圖1。根據桂林市水環境功能區劃，研究區內水系均屬于Ⅲ類水等級標準。

圖1 會仙試區采樣點位置分布和土地利用圖Fig.1 Location distribution and land use map of sampling sites in Huixian pilot area

1.2 樣品采集及測試

2 不同水系氮磷排放時空特征

本文按平均流量劃分3個水文期：枯水期(每年10月-翌年1月，共4個月)、平水期(每年的2-3月、8-9月，共4個月)、豐水期(每年4-7月，共4個月)。稻田為會仙濕地主要的土地利用類型，其灌溉期為4月初到9月底。本文對會仙濕地試區進行長期監測研究，監測時間為2016年9月到2018年7月，結合水文年，將其分為8個階段：①2016年9月為16平水期+灌溉期(PG)；②2016年10月-2017年1月為16枯水期+非灌溉期(KF)；③2017年3月為17平水期+非灌溉(PF)；④2017年4月-2017年7月為17豐水期+灌溉期(FG)；⑤2017年8月-2017年9月為17平水期+灌溉期(PG’)；⑥2017年10月-2018年1月為17枯水期+非灌溉期(KF’)；⑦2018年3月為18平水期+非灌溉期(PF’)；⑧2018年4月-2018年7月為18豐水期+灌溉期(FG’)。

2.1 睦洞河氮磷排放時空變化

睦洞河沿程選取3個監測點，從上游至下游依次為三義碼頭(Ma)、睦洞河中游(Mb)及睦洞河出水口(Mc)，其中監測點Ma的土地利用類型為居民區，監測點Mb和Mc附近土地利用類型為農田。根據桂林市水環境功能區劃，睦洞河屬于Ⅲ類水等級標準，由圖2可知，睦洞河全程總氮達標率及Mc點總磷達標率極低，而睦洞河沿程各點氨氮達標率相對較高。

圖2 睦洞河沿程氨氮、總氮、總磷濃度變化Fig.2 Variation of concentrations of TN and TP along the Mudong River

在時間上，在整個觀測期內氨氮濃度的高值出現在KF’期，低值出現在平水期+灌溉期(PG+PG’)?？偟獫舛茸兓厔菖c氨氮變化趨勢相似?？偭诐舛扔^測期內最大值出現在KF’期Mc點，最小值出現在枯水期Mb點。根據單因素方差分析，發現除Mc點氨氮(F7,17=2.613，P=0.05)、總磷(F7,17=2.04，P=0.109)外各監測點不同指標質量濃度在不同階段均存在顯著差異(P< 0.05)。總體上，氮磷濃度表現為灌溉期>非灌溉期，但Ma點的氮磷表現為非灌溉期>灌溉期，且該點平水期+非灌溉期(PF+PF’)氮磷濃度較高，這可能一方面是因為PF、PF’期河道水量較少，而污染物在相同的輸出情況下，徑流量減少，氮磷輸出濃度就會有所上升；另一方面則與監測點所處的土地利用方式有關，平水期+非灌溉期為春節前后，外出務工人員返鄉導致農村人口突增，居民飲食結構偏高脂肪高蛋白食物，導致生活污廢水氮磷含量增加[14]，大量污廢水未經處理直接排入睦洞河中造成水體污染。

在空間上，觀測期內Ma處氨氮質量濃度平均值為1.22 mg/L，總氮平均濃度為2.91 mg/L，總磷平均濃度為0.19 mg/L；Mb處氨氮、總氮、總磷平均濃度分別為0.29、1.54及0.07 mg/L；Mc處氨氮、總氮、總磷平均濃度分別為0.92、1.84及0.31 mg/L。3個不同的指標沿程均呈現出先遞減后遞增的趨勢，其原因主要是睦洞河在Ma與Mb間流經濕地湖泊，濕地湖泊具有良好的儲水保水性能，使水質得以凈化；Mb之后由于沿程農田面積比增大，污染來源增多，導致沿程氮磷濃度不斷增加。

2.2 古桂柳運河沿程氮磷排放時空變化

監測點選擇設在古桂柳運河的西段，西段自上游至下游共設兩個監測點，依次為古運河Ga及龍門橋Gb，Ga點附近土地利用類型為農田，Gb點附近分布有農田及小塊居民區。根據圖3，時間上，氨氮最高值出現在FG期Gb點，最低值出現在KF’期Ga點?？偟罡咧党霈F在PF’期Gb點，低值出現在PG、PG’期?？偭鬃兓厔菖c氨氮相近，通過Spearman相關分析發現氨氮和總磷呈顯著相關。統計發現非灌溉期總氮濃度顯著高于灌溉期，這可能是秋收后沿程農田缺少作物固定土壤中營養物質導致其流失至水體中，且水體中的水生植物生長期基本結束開始死亡腐爛，同時因降水補給來源減少，河道徑流量減少，進一步加劇河道生態環境惡化。此外，單因素方差分析結果表示除下游Gb點總磷指標外各監測點不同指標質量濃度均在不同階段存在顯著差異(P<0.05)。

空間上，上游Ga氨氮、總氮、總磷平均濃度分別為0.51、2.32及0.16 mg/L；下游Gb氨氮、總氮、總磷平均濃度分別為0.56、2.72及0.21 mg/L，3個不同指標質量濃度沿程均呈緩慢升高趨勢，對上下游不同指標平均質量濃度進行配對樣本T檢驗發現無顯著差異。其中原因可能是自1973年興修相思江排澇工程后，古運河西段睦洞至莫家河道被縮窄，同時莫家以西河段被堵斷，導致河道淤塞水流不暢，水面覆蓋大量的水葫蘆，有研究表明，一定覆蓋度的水葫蘆能對氮磷有一定的吸收去除效果[15]，導致上下游氮磷指標的質量濃度增加不明顯。這也與蔡德所[16]在會仙濕地寺湖關于水葫蘆生態功能的研究結果一致。

圖3 古運河沿程氨氮、總氮、總磷濃度變化Fig.3 Variation of concentrations of TN and TP along the Ancient Guiliu Canal

2.3 會仙河沿程氮磷排放時空變化

會仙河是相思江的一級支流，豐水季節該河下游過水斷面狹窄常導致洪水排泄不暢而成災，枯水時節大部分的河水通過引水灌溉渠道灌溉農田導致下游河水基本干枯。會仙河沿程選擇兩個監測點，從上游至下依次為四益村Ha和下莊拱橋Hb，二點土地利用類型主要為農田。

根據圖4，時間上，Ha和Hb的氨氮質量濃度呈現出灌溉期>非灌溉期，總磷質量濃度也呈現出灌溉期>非灌溉期，且氨氮和總磷觀測期內的濃度波動性變化較為相似，而總氮濃度則表現出非灌溉期>灌溉期。應用單因素方差分析發現Hb點的總氮和總磷指標在不同階段內不存在顯著差異，同時觀測期內該點的總氮總磷達標率較低。空間上，會仙河沿程兩個觀測點在空間分布上氮磷質量濃度相差較大，Ha氨氮的濃度在0.10～1.25 mg/L之間，觀測期內平均濃度為0.37 mg/L，總氮濃度變化范圍為0.30～5.30 mg/L，平均濃度為2.41 mg/L，總磷濃度則在0.03～0.40 mg/L，平均濃度為0.14 mg/L。Hb的氨氮濃度在0.35～ 4.11 mg/L之間，平均濃度為1.22 mg/L，總氮濃度在0.89 ～ 7.86 mg/L，平均濃度為3.24 mg/L，總磷濃度變化范圍在0.11～2.49 mg/L，平均濃度為0.51 mg/L。氮磷濃度沿程呈升高趨勢。其原因為沿程分布大量農田，農田灌溉排水、雨水徑流沖刷沿岸農田匯入會仙河造成氮磷的不斷富集，這也導致了會仙河整體富營養化程度較高，河面水葫蘆覆蓋度較高。

圖4 會仙河沿程氨氮、總氮、總磷濃度變化Fig.4 Variation of concentrations of TN and TP along the Huixian River

2.4 相思江沿程氮磷排放時空變化

相思江位于會仙巖溶濕地西部，其主要支流有會仙河、太平河、四塘河、羅錦河、睦洞河和清水江。相思江沿程設相思江1(Xa)、相思江2(Xb)、江頭村新橋Xc及袁氏宗祠Xd等4個監測點，Xa、Xb及Xc附近的土地利用類型均為農田，Xd點附近分布著小塊居民區。

由圖5可知，氨氮和總氮濃度的年內、年際變化相似，高值出現在KF’期，低值出現在PG期；總磷濃度年內年際波動不大，高值突出不明顯，出現在KF’期，低值出現在PF’期。分析整個觀測期內數據，發現非灌溉期內氨氮、總氮濃度明顯大于灌溉期，這可能是因為9月后降雨量減少，河道水量減少，污染物無法得到有效的稀釋，不同時期內總磷濃度變化不大。

在空間分布上，Xa點的氨氮、總氮、總磷平均質量濃度分別為3.08、6.87、0.42 mg/L；Xb點氨氮、總氮總磷平均濃度分別為2.90、5.99、0.38 mg/L；Xc氨氮、總氮總磷平均濃度分別為2.63、5.55、0.38 mg/L；Xd氨氮、總氮總磷平均濃度分別為2.42、5.38、0.34 mg/L。據此可以看出相思江氮磷濃度沿程呈逐漸下降趨勢，原因是Xa點承接了相思江上游的污染物導致該點氮磷濃度較高，而自Xa點后從上游至下游各監測點控制子流域內農田面積占比變化不大，污染物輸出穩定，同時隨著相思江各支流的匯入，相思江流量不斷增加，污染物濃度得到一定的稀釋。

運用單因素分析法，分別分析不同水系在灌溉期和非灌溉期時氮磷指標的顯著性，相思江各污染物指標濃度與其他河流污染物濃度差異性較大(除灌溉期總磷外)，分析結果見表2。

圖5 相思江沿程氨氮、總氮、總磷濃度變化Fig.5 Variation of concentrations of TN and TP along the Xiangsi River

指標時期河流灌溉期睦洞河古桂柳運河會仙河相思江非灌溉期睦洞河古桂柳運河會仙河相思江氨氮睦洞河-0.8140.2120.003-0.260.270古桂柳運河-0.1480.002-0.980會仙河-0.025-0相思江--總氮睦洞河-0.8220.0630.001-0.1260.4930古桂柳運河-0.090.002-0.3520會仙河-0.026-0相思江--總磷睦洞河-0.9870.0870.153-0.8360.8590.032古桂柳運河-0.0890.157-0.9770.045會仙河-0.718-0.043相思江--

注：差異性顯著水平大于0.05為不顯著。

將監測數據對比各河的Ⅲ類水水環境功能區劃的標準，發現氨氮達標率屬睦洞河最高，為55.26%，相思江達標率最低為19.74%；總氮達標率最高的河流為睦洞河14.47%，相思江達標率為0；總磷達標率最高的河流為睦洞河47.37 %，相思江最低僅為6.58 %。由此可見相思江水質最差。

3 年際降雨差異及其對氮磷排放濃度差異分析

2016-2018年降雨資料分為8個階段(同上文)，比較2016.09-2017.07(PG+KF+PF+FG)和2017.08-2018.07(PG’+KF’+PF’+FG’)年際間降雨量及氮磷濃度的差異，利用配對樣本T檢驗法進行分析，結果表明2016.09-2017.07、2017.08-2018.07的年際降雨量不存在顯著差異(P=0.404>0.05)，同時2016.09-2017.07、2017.08-2018.07兩年間同時段不同河流各指標質量濃度亦無顯著差異。圖6反映出不同河流各指標質量濃度隨著降雨量的變化趨勢，由枯水期進入平水期后降雨開始逐漸增加，在降雨沖刷作用下表層土壤氮磷發生遷移排入水體，由于此時河流徑流量較少，污染物無法得到有效的稀釋。此外，在平水期+非灌溉期(PF、PF’)，受農田翻動及部分早稻種植影響，總氮濃度出現一個高峰值。進入豐水期后，雖然豐水期降雨量、降雨強度較其他時段均有所提升，但由于該時期為作物生長期，土地植被覆蓋度較高，植被莖葉對降雨的截留作用、植被根系對土壤的固結作用和植被對徑流傳遞的阻礙作用可有效地減少土壤侵蝕[17]，故豐水期氮磷濃度增幅較緩。由圖6也可以看出氮磷濃度在降雨量增加到一定程度時達到一個峰值，繼續增加降雨量氮磷濃度增幅較緩或呈下降趨勢，此規律也與李其林等人[18]開展的自然降雨對耕地氮磷流失的研究結果類似。

4 結 語

通過對漓江中上游會仙小流域水系氮磷濃度分析，結果表明：

(1)總體上4條河流總氮污染較嚴重，達標率最低(睦洞河14.47%；古桂柳運河13.16%；會仙河9.21%；相思江0)；不同水系氮磷質量濃度在時空分布上差異較大。

(2)在時間分布上，各河流總磷質量濃度表現出灌溉期>非灌溉期，總氮則表現出非灌溉期>灌溉期的特點。古桂柳運河、會仙河的氨氮濃度表現出灌溉期>非灌溉期，睦洞河和相思江氨氮濃度則相反。此外各河流氮磷濃度大多在不同灌溉階段內存在顯著差異。

(3)在空間分布上，睦洞河氮磷濃度沿程呈現先遞減后遞增趨勢，會仙河、古桂柳運河氮磷濃度呈沿程增加趨勢，但古桂柳運河上下游濃度差異不顯著，相思江氮磷質量濃度沿程呈減小趨勢。

圖6 不同河流年際降雨量及氮磷濃度變化趨勢Fig.6 Trends of inter-annual rainfall, nitrogen and phosphorus concentrations in different rivers

(4)以年為尺度進行分析時，本文中年際間的降雨量和氮磷排放濃度差異不顯著，但降雨變化對氮磷的排放濃度有一定影響。從枯水期步入平水期后降雨量增加了約30%，降雨徑流對土壤的侵蝕加劇從而加快氮磷流失，使得此期間氮磷濃度逐漸升高；進入豐水期后雖然降雨量較上一時期增加了約3倍，但由于此時地表植被覆蓋度較高使得表土氮磷流失可能性減少，同時河流徑流量增加，故氮磷濃度增幅較緩或呈下降趨勢。