典型相通河湖中總氮和總磷的時空分布特征及其相關性

田豐彥，陳瑞弘，毛凌晨，陶 紅，李飛鵬,*

(1.上海理工大學環境與建筑學院，上海 200093；2.上海勘測設計研究院有限公司，上海 200439)

太浦河是太湖流域綜合治理的十大骨干工程之一，是連接太湖和黃浦江的主要通道，主要承接太湖洪水和杭嘉湖澇水，具有防洪、排澇、供水、灌溉、航運、改善水環境等綜合效益。隨著長三角一體化發展上升為國家戰略，以及長三角生態綠色一體化發展示范區的布局落地實施，橫跨核心示范區的太浦河被定位為一級清水綠廊，對環境質量的要求也越來越高。太浦河上游與東太湖水源、東太湖應急備用水源相連，下游與上海金澤水庫、嘉善長白蕩飲用水源保護區相連。因此，在對太浦河兩岸生活、生產和農業活動等點源和面源污染的長期控制與削減下，作為水源型河道重點關注的氨氮等指標基本被控制在Ⅱ～Ⅲ類[1]。但是，總氮(TN)和總磷(TP)依舊距穩定達到地表水環境質量Ⅲ類水的目標差距較大[2]。因此，厘清太浦河TN和TP超標的原因并控制氮、磷的輸入對太浦河水質保障至關重要。

平原河網地區河湖密布，污染物通過河流匯聚湖泊或湖泊內源污染造成河網氮、磷富集現象頻繁發生。陸昊等[3]的研究表明，面廣量大的城鎮和農業面源污染導致的太湖流域河湖水質TN和TP超標，已成為區域河湖富營養化和水華的特征污染指標。因此，河湖系統中，明晰流域TN和TP的時空分布特征并進行協同治理已成為當前的共識[4-6]。分析河湖水體和沉積物中主要污染物的時空分布特征及污染來源是河湖富營養化防治的前提，多數研究發現連通湖泊水質的時空分布受主干河道和人為污染源影響較大。例如，張曉婕等[7]發現陽澄湖水質的TN濃度與入湖河流的TN濃度以及湖體水生植物周期性生長旺盛和腐爛分解情況保持一致，這是受上游來水和水體自凈能力共同影響。Crocker等[8]對英格蘭西塞古莫爾溝渠系統沉積物中磷的研究發現，沉積物磷的較高含量在沼澤北部、關鍵進水口和出口附近的農場，表明不同土地管理會顯著影響溝渠表層沉積物磷的含量。但是，目前研究多關注于河湖系統水體、沉積物中氮、磷及痕量金屬元素[9-13]以及污染較為突出的水體[14]，一定程度上忽略了相對清潔河流的水質改善，針對沉積物的研究偏重于大型河流的研究。

平原河網地區，相通河湖往往是干流點源、面源輸入的中間過程和重要紐帶[15]。盡管已有研究對太浦河干流的水質狀況及沉積物(Sb、Mo及富營養狀況等)污染進行了報道[16]，但對太浦河周邊重點相通湖泊的TN和TP污染的關注還較少，相通湖泊污染狀況及其與太浦河水質的關聯性僅停留在定性程度。因此，本文以太浦河及其5個典型的相通湖泊為研究區域，通過分析水體和沉積物中TN和TP在不同水文時期的空間分布特征，討論河流及其相通湖泊水質和底質特征的相關性，揭示潛在的TN和TP輸入途徑，以期為控制太浦河周邊湖泊的氮磷輸入以及保障太浦河下游水源地水質安全提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區域

太浦河屬于太湖流域的平原河網地區，起于東太湖，終至黃浦江，全長為57 km。太浦河地勢平坦，多為松散的第四系覆蓋層，基巖裸露面積小，平均流量為300 m3/s，流速為0.03～0.33 m/s[16]。太浦河與周邊水網緊密相連，流經205個湖泊，主要河流有京杭運河、太浦河、瀾溪塘、麻溪、頔塘等。其中，京杭運河由北向南流動，與太浦河交匯；瀾溪塘和頔塘分別由南向北和西向東交匯于鶯脰湖，鶯脰湖引出的水量分別從東北口流向太浦河和從東南口進入運河盛澤段，在王江涇偏北與麻溪交匯后經王江涇進入浙江嘉興境內。京杭大運河在平望鎮與太浦河相交，加之湖泊相通，形成復雜的水流交匯區；太浦河南北兩岸的大運河分別承接的杭嘉湖地區和蘇南地區洪水，均匯入太浦河，下泄黃浦江，大運河起著水量調節和轉承作用。此外，平原河網流向不定，取決于水位。例如，當京杭大運河水位高于太浦河時，水會進入到太浦河；而當太浦河水位高于京杭大運河時，水會進入京杭大運河。因此，太浦河水質與相通河流和湖泊間存在著必然的關聯性。

根據代表性的原則，考慮區域功能性，對太浦河及其5個典型相通湖泊進行了密集采樣。在太浦河干流布設9個采樣點，5個湖泊布設15個采樣點，如圖1所示。分別于2021年枯水期(1月)、平水期(4月)和豐水期(7月)分別采集了地表水樣品以及表層沉積物樣品，采樣過程中采用便攜式多參數水質監測儀(EXO2，YSI美國)對溫度、pH、氧化還原電位、溶解氧、葉綠素、渾濁度、熒光性溶解有機物、電導率等理化性質進行了測定。每個點位采集水樣500 mL，置于保溫箱中低溫保存，并在48 h內完成各指標的分析測定。沉積物采集2 kg(濕重)，封裝在干凈的自封袋中低溫保存，經過冷凍干燥、研磨過篩(60、100目)等預處理工作后保存待測。

圖1 太浦河干流及其相通湖泊采樣點布設示意圖

1.2 試驗方法

水樣和沉積物樣品測定參照國家和行業標準方法。其中，水質氨氮濃度采用《水質 氨氮的測定 納氏試劑分光光度法》(HJ 535—2009)測定，水質TN濃度采用《水質 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》(HJ 636—2012)測定，水質TP濃度采用《水質 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》(GB 11893—1989)測定；沉積物中TN和TP含量分布參照《土壤檢測 第24部分：土壤全氮的測定 自動定氮儀法》(NY/T 1121.24—2012)與《土壤 總磷的測定 堿熔-鉬銻抗分光光度法》(HJ 632—2011)的方法測定。

1.3 數據分析

采樣點分布繪圖采用ArcGIS Desktop軟件，試驗數據處理和相關性分析采用Origin 2019b軟件、SPSS 23.0軟件進行處理。

1.4 質量控制

為確保分析過程的準確性和可靠性，樣品測定過程中，通過標準物質和平行樣測定進行質量控制，平行樣品檢測的相對標準偏差控制小于10%。

2 結果與分析

2.1 地表水理化性質

表1為太浦河干流及其相通湖泊現場監測指標的基本理化性質統計。各理化性質在平水期、豐水期差距明顯(p<0.01)。太浦河干流和各個湖泊中的溶解氧、pH、葉綠素a、電導率在平水期均高于豐水期，而熒光性溶解有機物在豐水期高于平水期。從空間上看，太浦河的渾濁度、熒光性溶解有機物以及電導率指標均優于相通湖泊。

表1 水質現場測試的基本理化性質統計

2.2 水質氨氮、TN和TP時空分布特征

太浦河干流及相通湖泊水質氨氮的時空分布如圖2所示。太浦河干流氨氮質量濃度在0.02～0.93 mg/L，上游水質較好，點位TP7濃度較高，可能與楊家蕩沿線的農業面源污染有關。相通湖泊氨氮質量濃度在0.04～0.95 mg/L。太浦河干流及其相通湖泊的氨氮濃度均未超過地表水環境質量Ⅲ類標準限值，整體情況良好，因此，本文不對氨氮作深入討論。

圖2 (a)太浦河干流及(b)相通湖泊水質氨氮濃度的時空分布

太浦河干流及相通湖泊水質TN的時空分布如圖3所示。太浦河干流多數點位及其相通湖泊的TN濃度均超過地表水環境質量Ⅲ類標準限值。太浦河干流TN的平均質量濃度為1.70 mg/L，在0.16～4.16 mg/L，上游水質相對較好，瀾溪塘匯入后對水質TN影響較大；相通湖泊中TN質量濃度在0.16～4.3 mg/L，鶯脰湖濃度最高，平均質量濃度達到2.60 mg/L，其次為楊家蕩、草蕩、汾湖和雪落漾。從不同的水文時期來看，太浦河干流TN質量濃度在枯水期為2.40 mg/L，平水期為1.60 mg/L，豐水期為1.30 mg/L；湖泊TN在枯水期均值為2.90 mg/L，平水期為1.80 mg/L，豐水期為1.90 mg/L，湖泊中TN濃度略高于太浦河干流。總體上，枯水期太浦河和相通湖泊的TN濃度最高，豐水期太浦河、雪落漾、楊家蕩、汾湖等河湖TN濃度相對較低，可能與枯水期流量小、生化反應速率慢等因素有關[17-18]。

圖3 (a)太浦河干流及(b)相通湖泊水質TN濃度的時空分布

圖4為太浦河干流及其相通湖泊水質TP濃度的時空分布。太浦河干流的TP平均質量濃度為0.10 mg/L，在0.01～0.26 mg/L，自上游至下游濃度總體呈升高趨勢；相通湖泊內的TP平均質量濃度為0.14 mg/L，要略高于太浦河，在0.01～0.33 mg/L，楊家蕩濃度最高，平均質量濃度達到0.19 mg/L，其次為鶯脰湖、草蕩、汾湖和雪落漾。從不同的水文時期來看，太浦河干流枯水期TP平均質量濃度為0.05 mg/L，平水期和豐水期平均值為0.13 mg/L，除平水期兩個點位未達到地表水質量Ⅲ類標準(河流)外，其余均達到Ⅲ類標準；相通湖泊TP平均質量濃度在枯水期為0.03 mg/L，平水期為0.17 mg/L，豐水期為0.18 mg/L，河湖TP在枯水期最低，與TN的時期變化相反。平水期、豐水期河湖TP濃度明顯升高，這可能與降雨量升高有關，降雨徑流沖刷并攜帶污染物流入河湖，導致了季節性的TP含量升高[19]。

圖4 (a)太浦河干流及(b)相通湖泊水質TP濃度的時空分布

從太浦河干流的TN和TP空間分布來看，上游(TP1、TP2、TP3)所在的太浦河氮、磷濃度較低，有京杭運河等較大匯水區的中游(TP4、TP5、TP6)稍有升高，下游(TP7、TP8、TP9)濃度也明顯偏高。與上游相通的大型湖泊雪落漾，屬于城郊湖泊，主要支流自南向北流動，直接與太浦河相通。流域范圍內有雪落漾濕地，濕地植物相對豐富，受人為活動干擾較小[20]，氮、磷濃度相對較低；草蕩、鶯脰湖屬于城鎮湖泊，通過京杭運河支流向北流動，與太浦河中游(TP4、TP5)相連，由于兩個湖泊周邊城鎮較多，開發利用程度高，受人類活動干擾強烈，湖泊及相通的太浦河水質較差；太浦河與楊家蕩直接相通，楊家蕩屬于農村湖泊，沿線分布著大量農田和養殖塘，受農業面源和大型河流匯水的影響[21]，可能對TP7、TP8、TP9的水質影響較大；TP9下游的汾湖，屬太浦河過水性湖泊，經過汾湖時，斷面面積增大，水流流速變緩，氮、磷等物質更易沉降，因此，汾湖水質比TP9點位的水質略好。周邊湖泊通過直接相通、貫穿或主要支流匯入的方式與太浦河相通，會對太浦河水質產生較大影響。

2.3 采樣點表層沉積物TN、TP時空分布特征

圖5為太浦河干流和相通湖泊表層沉積物中TN的時空變化趨勢。太浦河干流表層沉積物中TN的平均質量分數為580 mg/kg，在168～1 068 mg/kg，上游含量較高，中下游略低；相通湖泊沉積物TN的平均質量分數為632 mg/kg，在168～1 421 mg/kg，雪落漾含量最高，平均質量分數達到1 037 mg/kg，其次為草蕩、汾湖、楊家蕩和鶯脰湖。從水文時期變化來看，太浦河干流沉積物中TN在枯水期平均值為537 mg/kg，平水期為522 mg/kg，豐水期為686 mg/kg，豐水期沉積物TN含量略高；5個相通湖泊沉積物中TN含量枯水期為631 mg/kg，平水期為499 mg/kg，豐水期為766 mg/kg，雪落漾豐水期含量最高,達1 037 mg/kg。總體上，太浦河上游TP1～TP3、雪落漾在豐水期沉積物中TN的含量明顯高于其他點位，很可能與區域豐富的圍網養殖歷史有關。目前，雪落漾湖面已退漁還湖，但歷史上曾有多達 60 多畝(1畝≈667 m2)的圍網養殖區域，長期投放過度的餌料，并且魚類排泄物較多[22]，導致湖底沉積物累積了較高含量的氮磷，因此，雪落漾的內源污染負荷及其對太浦河水質的潛在影響應予以重視。

圖5 (a)太浦河干流及(b)相通湖泊表層沉積物中TN含量的時空分布

太浦河干流和相通湖泊表層沉積物中TP的時空變化如圖6所示。太浦河表層沉積物TP的平均質量分數為759 mg/kg，在284～1 057 mg/kg；5個相通湖泊沉積物中TP平均質量分數為803 mg/kg，在400～1 259 mg/kg，楊家蕩含量最高，平均質量分數達到918 mg/kg，其次為鶯脰湖、草蕩、汾湖和雪落漾；雪落漾沉積物TP含量較低，TP1中TP含量也較低；草蕩、鶯脰湖、楊家蕩較高，與它們相通的太浦河上的TP1、TP4、TP5、TP7都有不同程度的升高，這可能與局部區域京杭大運河與太浦河水流交匯區復雜的水動力因素有關。從水文時期來看，太浦河干流沉積物枯水期平均值為714 mg/kg，平水期為840 mg/kg，豐水期為723 mg/kg；相通湖泊沉積物中TP含量在枯水期為669 mg/kg，平水期為886 mg/kg，豐水期為854 mg/kg，太浦河與5個相通湖泊的表層沉積物的TP含量變化趨勢一致，平水期略高，枯水期較低。

圖6 (a)太浦河干流及(b)相通湖泊表層沉積物中TP的時空分布

2.4 水質與表層沉積物中TN和TP含量的相關性分析

采用皮爾遜相關系數顯著性檢驗，對太浦河及相通湖泊上水質氨氮、TN和TP濃度、理化性質以及表層沉積物中TN和TP含量進行相關性分析，如表2所示。結果表明：水質氨氮和TN濃度、氧化還原電位、葉綠素a、熒光性溶解有機物呈顯著正相關，和溶解氧、電導率呈顯著負相關，說明水中氨氮含量受水體的理化性質影響較大；水質TN和表層沉積物TN有一定的負相關性(p<0.05)，與熒光性溶解有機物呈顯著正相關；水質TP和表層沉積物TP呈顯著正相關(p<0.01)，在特定環境條件下，太浦河及其相通湖泊中水相與沉積物之間的吸附-解吸平衡對水體磷的濃度影響較大[23]。表層沉積物富集的大量營養物質，在動力擾動的湍流擴散作用以及濃度分子擴散作用下，又會重新釋放到水體中，影響上覆水的水質[24]。同時，氮、磷在沉積物-水體界面的遷移和交換是一個復雜的生物化學過程，會受到多方面條件的影響，如電導率、氧化還原條件以及水動力變化引起的沉積和再懸浮過程導致的氮、磷累積和釋放[25]。

表2 水質理化性質、TN、TP濃度與表層沉積物中TN、TP含量的相關性 (n=78)

3 結論

(1)太浦河干流及相通湖泊的主要污染物為TN和TP，干流多數點位TN及個別點位的TP濃度、相通湖泊的多數點位TN和TP濃度均超過地表水環境質量Ⅲ類標準限值，水質TN和TP濃度總體上在太浦河上游濃度較低，下游濃度較高；TN濃度在枯水期最高，TP濃度在枯水期最低。太浦河水質受相通湖泊的影響小于京杭運河等大型河流交匯的影響。

(2)太浦河干流表層沉積物中TN的平均質量分數為580 mg/kg，上游含量較高，中下游略低，可能與雪落漾等周圍相通湖蕩豐富和圍網養殖有關；相通湖泊沉積物TN含量雪落漾最高；太浦河表層沉積物TP的平均質量分數為759 mg/kg，湖泊TP含量變化與河流相通的位置一致，中游較高的TP含量可能與局部區域京杭大運河與太浦河水流交匯區復雜的水動力因素有關。豐水期沉積物TN含量較高，平水期TP含量較高。

(3)相關性分析結果表明，太浦河及其相通湖泊水質TP濃度和表層沉積物TP含量呈顯著正相關(p<0.01)，水質TN和表層沉積物TN有一定的負相關性(p<0.05)，特定環境條件下水相與沉積物之間的吸附-解吸平衡在對水體磷的濃度有一定的影響。