滇池流域寶象河水體溶解態氮變化特征及其環境影響因子研究

王麗娟，史正濤 ，葉燎原 ，蘇 斌

(1.云南師范大學旅游與地理科學學院，昆明 650500；2.昆明理工大學電力工程學院，昆明 650500)

0 引 言

富營養化是最為嚴重的湖泊災害問題。滇池是云南省最大的淡水湖，有高原明珠之稱，是中國水體富營養化最嚴重的湖泊之一[1]。整個流域有70余條河流匯入滇池，污染物通過眾多的河流匯入[2,3]，導致滇池水體富營養化治理困難。近年來，各級部門加大了對滇池流域水污染的綜合治理力度，但滇池流域水環境總體情況仍然不容樂觀[4-6]。據官方數據顯示滇池治理投資達 400～500 億元人民幣，雖然通過流域污染源控制入湖污染物數量有明顯下降、湖泊生態有所改善[7]，但并未有效解決問題[8]，水質的改善主要發生在滇池北部的草海[9]，作為滇池主體的外海形勢依然嚴峻，藍藻暴發呈現常態化[10]。

寶象河是第二大入滇河流，對滇池的水質有著極為重要的影響。寶象河位于滇池東北部(24°58′～ 25°03′N，102°41′～ 102°56′E)，發源于官渡區東部老爺山，從河源注入寶象河水庫，出庫之后流經大板橋鎮、阿拉壩子盆地、昆明經濟技術開發區、小板橋，流經官渡古鎮，于寶豐濕地匯入滇池，干流全長36.2 km，流域面積302 km2。寶象河流域屬亞熱帶濕潤氣候，年平均氣溫為14.7 ℃，年平均降雨量1 007 mm，年內干濕季節分明，80%以上的年降雨集中在5-10月，汛期主要集中在7-8 月[11]。

寶象河為典型的農業和城市混合型的流域，城市點源與農業面源污染同時影響著該區域[14]。因此研究區內的各水質指標均受到人類活動的影響，時間和空間上的分布差異較大，從上游到下游地區，隨著土地利用類型的變化，TDN濃度值也有明顯的變化特征，上游地區受人類活動影響較小，中下游地區以人工建設的不透水下墊面為主，河道也屬于人工硬質化的河道，區域用地類型以城市用地為主，河流面上的污染物主要來自于城市區域，各區域的水質指標濃度相較于上游有明顯的升高趨勢。滇池水質的好壞將影響該流域區域經濟的發展和地區生態環境的質量。目前，滇池流域的大多數研究集中在水土流失、生活污水處理、農地肥料的浸出和控制、源污染等方面，對主要入湖河流水質時空變化特征的研究相對較少[15]。水體當中的氮是導致富營養化的重要因素，而氮在水體當中的諸多賦存形態當中，TDN為其主要形態，是氮素[15-17]參與水生態過程的主要形式，因此選擇滇池流域寶象河TDN溶解態氮素進行研究，能夠揭示滇池氮素面源污染的輸移過程，以期為滇池各子流域、寶象河流域水體氮素污染以及全流域的富營養化過程的認識和治理提供參考依據。

1 研究方法

為了研究寶象河流域TDN濃度值的變化規律，自上游至下游共布置了7個采樣點，按照上下游順序為：一朵云村、沙溝村、漕河、金馬村、高橋村、季宏路和寶豐濕地(圖1)。

圖1 寶象河采樣點分布圖Fig.1 Distribution diagram of sampling points of the Baoxiang river

采樣時間自2016年5月起于2017年4月止，采樣周期為按月采集，即各月底采集1次。采樣點選擇在河道較直河流水體混合較為均勻處，每次采樣2 L，選用同等體積清洗干凈的聚乙烯瓶對樣品進行保存和運輸，樣品采集后當天運回云南師范大學云南省高原地表過程與環境變化研究重點實驗室于24 h之內完成實驗測試。

水環境因子pH、水溫、NTU(turbidity)、TDS(Total Dissolved Solids)采用日本HORIBO(U-50)水質監測儀現場測定，每個樣點重復三次求平均值以減小誤差。溶解態總氮(TDN)的測試方法為將水樣用0.45 μm的濾紙進行過濾之后用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法進行測試。

經過為期一年的系統觀測，對實驗數據進行了整理后，從寶象河TDN濃度值的時空變化特征及寶象河TDN濃度與環境因子的響應關系這兩個方面進行了研究分析。

2 寶象河TDN時空變化特征

2.1 寶象河TDN空間變化特征

本研究在寶象河流域從上游到下游選取了7個采樣點，對TDN、水溫、pH值、NTU和TDS的最大值、最小值和均值進行了統計分析。如表1所示。

表1 寶象河溶解態總氮(TDN)及環境因子統計值Tab.1 Statistical values of total dissolved nitrogen (TDN)and environmental factors in Baoxiang river

由表1可見從上游到下游平均水溫逐漸升高，各采樣點最高溫度和最低溫度均隨季節變化，變化范圍為8～25 ℃之間；各采樣點pH值年內變化不大，變化范圍為6.0～8.0之間，年均值有從上游到下游逐漸增加的趨勢；NTU(濁度)的變化規律性不明顯，但總體上有從上游向下游減小的趨勢。TDS值年內變化不大，變化范圍0.08～0.42 g/L之間，從上游到下游有明顯增加的趨勢；TDN濃度值的變化從上游到下游有逐漸增加趨勢，各采樣點最大值與最小值均沿程逐漸升高，其中研究區最大值15.54 mg/L出現在入湖口寶豐濕地處，最小值0.027 mg/L出現在上游一朵云村處。TDN年均值從上游到下游沿程明顯增加(圖2)。

圖2 寶象河TDN年均值沿程分布特征圖Fig.2 Characteristic diagram of TDN annual mean distribution along Baoxiang river

從圖2可見，寶象河流域各月的TDN濃度值都有從上游到下游逐漸增加的趨勢，上游一朵云村和沙溝村為人類活動較少區域，TDN濃度值較低，隨著人類活動影響的加劇，中游地區農業污染源和村民生活污染源的逐漸匯入，TDN濃度年均值沿程增加迅速，到寶豐濕地入湖口處達到最大值。因此寶象河水中TDN濃度值有沿程逐漸增加的趨勢，且有明顯的空間特征。

2.2 寶象河TDN時間變化特征

為了研究寶象河水質的時間變化特征，以四季為單位畫出TDN濃度值的變化圖，由圖3可知：各采樣點的TDN濃度值均有季節變化特征，總體上TDN濃度值從上游到下游隨著季節變化沿程呈現遞增趨勢，上游地區春季TDN濃度值增加不明顯，但其他季節都有明顯變化，沙溝村秋季達到最大值；中游地區各季節TDN濃度值均明顯增加，最大值出現在高橋村的秋冬季；下游區受枯水季節影響春季和冬季TDN濃度值的變化最為顯著。寶象河各采樣點TDN濃度的變化有明顯的季節性，上游地區最大值出現在秋季，中游地區最大值出現在秋冬季，下游地區最大值出現在冬季。上游一朵云村到中游金馬村TDN濃度值隨季節變化不明顯，高橋村到寶豐濕地冬春季濃度高于夏秋季。

圖3 寶象河溶解態氮(TDN)時間變化特征圖Fig.3 Characteristic diagram of time variation of dissolved nitrogen (TDN)in Baoxiang river

3 寶象河TDN濃度值與環境因子的響應關系

通過對7個采樣點為期一年的數據采集和分析，為找出對TDN濃度值有主要影響的環境因子，對pH值、水溫、NTU、TDS等4個環境因子與TDN濃度值進行相關性分析，采用SPSS主成分分析法，對各環境因子與TDN濃度值的相關性進行分析。如圖4-圖7所示。

圖4 水溫與TDN相關關系圖Fig.4 The correlation diagram of water temperature and TDN

由圖4水溫與TDN濃度值的關系圖可見：水溫變化值在8～25 ℃之間，與TDN相關系數為0.069，相關性不大。

圖5 pH值與TDN相關關系圖Fig.5 The correlation diagram of pH and TDN

由 pH值與TDN濃度值的關系圖(圖5)可見：pH值變化范圍在6～8之間，與TDN相關系數為0.035，相關性不大。

圖6 NTU與TDN相關關系圖Fig.6 The correlation diagram of NTU and TDN

圖7 TDS與TDN相關關系圖Fig.7 The correlation diagram of TDS and TDN

由圖6 NTU值與TDN濃度值的關系圖可見：NTU值變化范圍較大，與TDN相關系數為0.055，相關性不大。由TDS值與TDN濃度值的關系圖(圖7 )可見：TDS濃度值變化范圍較大，與TDN相關系數為0.89，相關性較大。由此可以斷定，TDS濃度值是影響TDN濃度值變化的主要環境影響因子。

4 建議與應對措施

2011 年以來，寶象河流域當地村民普遍開始種植水稻等農作物，由于大量施肥、灌溉和排水的便利條件，尤其是河流和灌溉渠的連通，污染物質通過地表水和地下水徑流注入寶象河[16]。在寶象河上游，人口較少，傳統農業種植活動相對較少，水體污染程度相對較低，該河段面源污染相對較輕。寶象河自上而下流經許多農業區和村莊生活區進入傳統的農業區，未經處理的生活污水和畜禽糞便直接排入寶象河，使該河流攜帶了大部分來自化肥的磷酸鹽、生活污水和有機磷農藥等，使得水體中污染物含量增加，該區域受人類活動影響較大，水體污染較嚴重[18-26]。通過本文的研究成果，提出建議和應對措施如下：

(1)TDS(溶解性固體總量)指水中全部溶質的總量，通常也把含鹽量稱為總溶解固體，TDS僅能測出水中的可導電物質，但無法測出細菌、病毒等物質。因此，密切關注TDS濃度值及細菌、病毒等物質的變化，減少氮素污染源的載體，將會對滇池流域富營養化的治理起到積極的作用，并且對滇池其他子流域的水污染治理提供一定的參考。

(2)人類活動仍然是主要影響因素，化肥農藥等農業污染源是主要影響因素[27]，控制農業面源污染仍是最為有效的措施之一。寶象河作為入滇的重要河道，其水質變化對滇池水質變化有著極為關鍵的影響，隨著滇池流域富營養化治理目標的提高，對入滇河道的水質狀況進行監測、治理是從源頭上緩解其富營養化進程的關鍵所在。

(3)寶象河流域受人為活動影響較大，通過研究其水質指標變化的規律研究，可以采取更具體的措施控制其營養元素的遷移和轉化，嚴格控制農業面源污染，根據寶象河流域水質指標的季節特點和空間變化特征采取相應的有效的措施，降低TDS的濃度值，減少氮素污染源的載體，最終使得水質達到目標要求并能夠維持良性運行。

目前，引牛欄江調水工程對滇池水進行置換和寶象河流域截污工程的實施，已經取得了初步效果，但是要維持滇池的健康狀態，可持續發展[28]、恢復水生態[29-31]、提倡水文明，就要從主要環境影響因子入手，以水質目標為終點，采取倒推機制控制各入滇河道的水質指標，尤其是控制主要環境影響因子的濃度值，這是一種被廣泛認可的有效措施。

5 結 論

通過本次研究，可知：①寶象河流域TDN的時空變化與人類活動影響密切相關，且與TDS的相關性較高，說明寶象河流域TDS(總溶解性固體)對氮素污染源的遷移轉化的影響較大，即水中總溶解性固體是氮素污染源的主要載體。②寶象河流域TDN濃度值具有明顯的時空變化特征，空間上從上游到下游TDN濃度值逐漸增加，且趨勢明顯；時間上表現出明顯的季節特征，各采樣點的TDN濃度值在冬春季節明顯偏大；③在水溫、pH值、NTU和TDS這四個環境因子中，TDS與TDN濃度值的相關性最高，即TDS濃度值是影響TDN濃度值變化的主要影響因子。要解決滇池、寶象河流域的氮素污染問題，就要密切關注TDS濃度值的變化。