鄱陽湖區樂安河流域營養鹽負荷影響因素分析*

夏 雨，鄢幫有，方 豫

(1：南昌大學理學院，南昌 330031) (2：江西省山江湖開發治理委員會辦公室，南昌 330046) (3：江西省科學技術廳，南昌 330046)

鄱陽湖區樂安河流域營養鹽負荷影響因素分析*

夏 雨1，2，鄢幫有3**，方 豫2

(1：南昌大學理學院，南昌 330031) (2：江西省山江湖開發治理委員會辦公室，南昌 330046) (3：江西省科學技術廳，南昌 330046)

鄱陽湖流域；樂安河流域；農業面源污染；富營養化

湖泊水資源作為一種與人類生存和發展密切相關的獨特資源，在國民經濟和社會可持續發展中占有重要位置[1].河流是連接流域與湖泊的重要紐帶，與流域、湖泊之間有著重要的物質與能量交換，河流的水質特點影響著下游湖泊的水質狀況[2].

鄱陽湖是中國第一大淡水湖，是江西的母親湖，承載著保護全球生物多樣性、調蓄洪水及供給淡水的生態服務功能，為江西經濟社會發展提供了重要的物質基礎和生態資源.鄱陽湖被譽為“一湖清水”，但其水環境仍面臨嚴峻挑戰.據《1999-2009年江西省環境狀況公報》等資料顯示，鄱陽湖水系和湖體水質總體都呈下降趨勢.1980s鄱陽湖水質以Ⅰ、Ⅱ類為主，平均占85%；1990s仍以Ⅰ、Ⅱ類為主，平均占70%；2003年以后，Ⅰ、Ⅱ類水只占50%；2006年后，鄱陽湖水全年優于Ⅲ類的不到六成，屬于Ⅲ類的有兩成多，劣于Ⅲ類的則逼近兩成，整體上呈現出中度營養化的狀態，且枯水期富營養化程度比豐水期更為嚴重.

湖泊的污染主要包括流域內的點源(工業污水排放、城市污水等)和面源(農業面源、流域水土流失、大氣降塵等).隨著對水體點源污染的有效控制，水污染負荷結構發生了明顯變化，面源污染已成為水環境的一大污染源或首要污染源[3].撫仙湖[4]、滇池[5]、丹江口水庫[6]、三峽水庫[7]、太湖[8]和鄱陽湖[9]等都不同程度遭受面源污染.

面源污染中的氮、磷營養物累積是引起下游水體富營養化的主要原因[10].農業面源污染影響因素復雜[11]，包括土地利用方式、農田耕作、農事活動和田間水肥管理、地形地貌、土壤植被、氣候、水文特征[12].研究表明我國已成為世界上藻類水華暴發最嚴重的國家之一[13].近年來，很多湖泊都開展了營養鹽調查研究[14-16]，但由于面源污染起源于分散、多樣的地區，地理邊界和發生位置難以識別和確定，隨機性強、成因復雜、潛伏周期長[17]，在富營養化評估方面，數據獲取困難，方法的集成與模型研發還較為落后[18-19].

鄱陽湖的污染物主要由五河(贛、撫、信、饒、修)輸入，五河輸入的總磷(TP)和總氮(TN)分別占入湖總量的80.5%和66.4%[20]，因此五河等主要入湖河道的水質對鄱陽湖水環境有重要影響.樂安河是鄱陽湖重要的入湖水系，受沿岸工業廢水、生活污水等的污染，該河的許多污染指標超標，其污染甚至波及到鄱陽湖的水質[21-22].本文選擇主要營養鹽指標為研究對象，通過野外實測數據和數學分析對該流域水系中營養物時空分布及影響因素等特征進行定量分析，從而評估樂安河流域內水質富營養化水平的現狀，為制定針對性污染控制措施提供科學依據，從而有效消減入湖營養物負荷，保護鄱陽湖“一湖清水”.

1 研究區概況

樂安河，位于江西東北部(圖1)，是鄱陽湖第4大入湖水系饒河的最大支流，發源于江西省婺源縣鄣公山南麓，自東北向西南流，石鎮街以上集水面積8367km2，主河長279km，多年年平均徑流量為99.67×108m3.其流域是鄱陽湖區降水最多的地區之一，年平均降水量1687～1870mm，但季節分配不均.流域土壤屬贛東北山地丘陵，農業土壤主要是水稻土.近年來流域內面源污染產出量迅速增加，河道水質下降趨勢加劇，已呈現中營養水平[23].

在樂安河流域，土地利用覆蓋類型多樣，從圖2可以看出，區域高程相差約1450m，呈東北部高和西南部低的地勢，所經地區以丘陵、山地為主，林地和耕地面積之和占研究流域總面積接近95%，無大城鎮分布，僅有零散分布的居民點.

圖1 樂安河流域在江西省的位置Fig.1 Location of Le’an River watershed in Jiangxi Province

圖2 樂安河流域DEM圖Fig.2 Digital Elevation Model of Le’an River watershed

圖3 樂安河流域監測點分布Fig.3 Distribution of monitoring stations in Le’an River watershed

2 數據與方法

2.1 實驗設計

表1 相關矩陣Tab.1 Correlation Matrix

TNNO-3-NNH+4-NTPTN1.00000.90640.77690.1956NO-3-N0.90641.00000.58780.0172NH+4-N0.77690.58781.0000-0.0045TP0.19560.0172-0.00451.0000

表2 相關矩陣的特征值Tab.2 Eigenvalues of the Correlation Matrix

指標特征值差值貢獻率累計貢獻率TN2.532254351.518966280.63310.6331NO-3-N1.013288060.590773210.25330.8864NH+4-N0.422514850.390572110.10560.9920TP0.031942740.00801.0000

2.2 各營養鹽主成分分析

首先采用主成分分析法對主要營養物質進行分析，通過相關矩陣得到各物質形態之間的相關性.

2.3 各營養鹽物質形態聚類分析

圖4 17個監測點水質的平均連接樹狀結構圖Fig.4 Tree structure chart for water quality of 17 monitoring stations

聚類結果將采樣點根據富營養化程度劃分為4類：低富營養區、較低富營養區、中富營養區和重富營養區.從圖5可以明顯看出從上游到下游富營養化程度總體呈不斷升高的趨勢.其中LZ5121位于流域的最上游，該點上游地區林地與草地面積總和占95%以上，營養鹽產出少且被較好地截留和消減，平均水質可達到Ⅱ類.在黃色類型中，LG511和LG516上游集水域林地和草地面積總和占80%，LG513、LG514、LZ509、LZ510的集水域中林地和草地面積總和超過90%，因此仍維持較好水質，TN濃度在0.6mg/L左右，略高于Ⅱ類水.橙色類型區域位于流域中部，TN濃度上升到0.7～0.8mg/L，為Ⅲ類水，LZ5041和LZ505兩個子流域中耕地面積分別為27%和30%，林地為64%和65%，比上游地區明顯下降，而耕地又是面源污染物的主要來源.LZ507和LZ515子流域的林地面積均為85%，但在采樣時發現，LZ507監測點附近有化工企業，因此該地的高污染物輸出強度應該來源于點源排放；而LZ515位于賦春鎮下游，該鎮有茶園3.33km2，大面積的茶葉種植必然對下游水質造成影響.LG508是干流上監測點，接受中上游地區的污染，污染濃度相應上升.同理，LG501和LG506是干流上最后兩個點，流域內所有污染都匯集于此處，氮濃度明顯提高，平均高于0.9mg/L，接近Ⅳ類水.

圖5 水質空間分布Fig.5 Spatial distribution of water quality

3 主要研究結果

影響面源污染的因素眾多，而降水狀況和人類活動可在短期內對污染物濃度產生顯著影響.首先根據每個監測點TN濃度的年平均值分析樂安河流域氮濃度的年際變化，可反映降雨量及降雨強度對面源氮濃度的影響.

圖6 各監測點的TN年平均濃度Fig.6 Annual average concentration of TN in 17 monitoring stations

鄱陽湖流域在枯水期和豐水期的降雨量和徑流量變化巨大，且對應不同的農事季節，對面源污染物產出及輸移影響極大.本研究將每年的4-9月定為豐水期，10月至次年3月定為枯水期.并根據流域內地形地貌將17個子流域分為兩類：上游東北部低中山區(LG508、LZ509、LZ5092、LZ510、LG511、LZ5121、LG513、LG514、LZ515、LZ516)，這10個子流域以林地為主，位于流域的上游，林地面積都超過80%，而耕地面積只有10%左右；下游西南部丘陵區(LG501、LZ502、LZ504、LZ5041、LZ505、LG506、LZ507)，這些子流域耕地面積都超過30%.將不同類型的監測數據與徑流量和時間進行對比.

圖7 上、下游監測點氮平均濃度Fig.7 Average nitrogen concentration in upstream and downstream

從圖6和圖7可見，在取樣監測的3年中，TN濃度不斷升高.2009年江西省平均降水量1392.0mm，比多年平均少15.0%，屬偏枯水年份.流域內徑流量相應減少，營養物流失較少，這一年大部分監測點的平均水質都在Ⅱ類以內，有6個監測點的平均水質為低水平Ⅲ類，Ⅲ類水主要出現在徑流量最小的12月.

2010年江西省極端天氣過程頻繁，暴雨強度大，主汛期全省平均降雨量比1998的大洪水年同期還多14%，全年降水量多年平均增加27.3%，屬豐水年份.降雨形成地表徑流攜帶大量營養物進入河道，導致水體中氮濃度增加，所有監測點只在8月水量最大時平均值為Ⅱ類水質，全年平均為Ⅲ類水質.

2011年鄱陽湖流域水文條件特殊.1-5月，江西省降水量比常年同期均值減少49%，為1950年以來同期最少；全省年平均降水量比年均值少20.4%，屬枯水年份.而6月份，北部出現典型的“旱澇急轉”現象，平均降水量較常年同期平均偏多183%，瞬間增大的地表徑流量，使流域中的營養物質在短時間內帶入河道水體，所有監測點氮平均濃度在這個月急劇升高，并在7月達到全年的高峰值，導致這一年所有監測點的氮平均濃度顯著升高，僅有兩個點為Ⅲ類，8個點為Ⅳ類，6個點都為Ⅴ類，還出現一個劣Ⅴ類水質點.

根據上、下游地區不同時期的采樣值可以看出，下游的數值明顯高于上游，說明林地對面源污染有消減和抑制作用，而耕地是主要的面源污染產出源.在2009和2010年兩個水文相對正常的年份，上、下游氮濃度變化趨勢基本一致，都是從4月開始顯著上升，在6月后又迅速下降，并在8-9月達到一年中的最低值，之后又急劇上升，在12月份達到最大值.

TP濃度的時空分布規律不如氮的明顯.總體上來說，也是從上游到下游逐漸升高，枯水期高于豐水期.由于磷主要以顆粒態存在，其濃度受降雨影響程度低于氮，而河底沉積物的釋放也使其濃度分布規律性較差.

可見降雨量及降雨強度是樂安河流域營養鹽濃度年際變化的主要影響因素，而流域內的農業活動是流域營養鹽濃度年內變化的主要影響因素.

4 結論

2) 降雨對營養物濃度有重大影響，降雨量和降雨強度的增加都會明顯促進營養物的流失，因此偏枯水的2009年，年平均水質維持在Ⅱ類左右；而在豐水的2010年，年平均水質則下降至Ⅲ類.但同時，長時間的降雨也會使湖泊水位升高，水體容量增大，對污染物能起到一定的稀釋作用.因此在極枯的年份，由于水量大量減少，即使少量污染物也能呈現較高濃度；而短時間內的強降雨則會使地表徑流瞬間增大，攜帶大量污染物進入水體，使污染物濃度急劇升高，這就導致2011年全年營養物濃度都偏高，并在6-7月異常增大，出現劣Ⅴ類水質.說明降雨是流域水質年際變化的主要原因.

3) 通過一年中不同月份降雨量、人類活動及氮濃度的對比分析可以看出，在主汛期，湖泊河流水量達到最大時對污染物濃度稀釋作用影響較大；而其他時期，農業活動強度與氮濃度基本呈正比，是引起流域內營養鹽濃度年內變化的主要原因.這也表明該流域內社會經濟發展使污染物排放大量增加，在水文正常年份，充足的水量極大地稀釋了污染物濃度，使流域呈現較好水質，而在枯水年甚至枯水期水質則顯著下降.

綜上所述，流域內產生并隨水流進入鄱陽湖的污染物是影響其水質的主要原因，而隨著社會經濟發展，污染物排放還在大量增加；且隨著全球氣候波動引起的極端氣候事件頻發和長江流域重大水利工程的建設運行，鄱陽湖及其周邊湖泊缺水將呈現常態化，也將導致水環境容量下降.因此僅靠湖泊的自凈能力已遠遠不能消耗流域內產生的污染物，因此，在五河入湖口實施污染物削減措施和工程，控制入湖污染物總量，是保護鄱陽湖“一湖清水”的重要途徑.

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Nutrient loading and its controlling factors in Le’an River watershed， Lake Poyang basin

XIA Yu1，2， YAN Bangyou3& FANG Yu2

(1：SchoolofScience，NanchangUniversity，Nanchang330031，P.R.China)(2：OfficeforMountain-River-LakeDevelopmentandManagementCommitteeofJiangxiProvince，Nanchang330046，P.R.China)(3：DepartmentofScienceandTechnology，JiangxiProvince，Nanchang330046，P.R.China)

Lake Poyang watershed； Le’an River watershed； diffuse pollution； eutrophication

*江西省科學合作計劃項目(20142BDH80016)和江西省主要學科學術和技術帶頭人培養計劃專項(20123BCB22008)聯合資助.2014-02-21收稿；2014-08-20收修改稿.夏雨(1980～)，女，博士，副研究員；E-mail：416522685@qq.com.

**通信作者；E-mail：ybangyou@sina.com.