謝曉琳，代俊峰,2，俞陳文炅，蘇毅捷，張麗華

(1. 桂林理工大學(xué) 廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林541004；2.桂林理工大學(xué) 巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)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(huán)的主要途徑，是流域內(nèi)水生-陸地生態(tài)系統(tǒng)之間的物質(zhì)循環(huán)的主要通道[1]。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類活動(dòng)對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的改變加劇，導(dǎo)致河流生態(tài)環(huán)境演變趨勢(shì)不斷朝不利方向發(fā)展。巖溶多重介質(zhì)環(huán)境的生態(tài)脆弱性，使得巖溶地區(qū)化學(xué)元素遷移時(shí)具有時(shí)空多變性和多樣性。同時(shí)巖溶地區(qū)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(dǎo)致巖溶區(qū)地表河流水環(huán)境問(wèn)題突出[2]。

會(huì)仙濕地作為西南巖溶區(qū)漓江流域最大的巖溶地貌原生態(tài)濕地，由于人類長(zhǎng)期不合理開發(fā)利用濕地資源，加上自然環(huán)境的變遷，濕地面積銳減，同時(shí)由于農(nóng)業(yè)活動(dòng)造成的面源污染形勢(shì)嚴(yán)峻[3]。由于面源污染具有隨機(jī)性、不確定性和時(shí)空分布不均勻性等特點(diǎn)，使得面源污染的模擬、評(píng)估以及管理成為水污染防控領(lǐng)域的研究重點(diǎn)及難點(diǎn)[4-6]。故在不同的時(shí)空尺度下進(jìn)行面源污染的監(jiān)測(cè)研究十分必要[7]。本文選擇漓江中上游青獅潭灌區(qū)會(huì)仙小流域?yàn)檠芯繉?duì)象，通過(guò)對(duì)小流域內(nèi)不同河流水質(zhì)進(jìn)行連續(xù)定位監(jiān)測(cè)，明確氮磷污染物濃度隨降雨徑流的季節(jié)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(qū)概況

研究試區(qū)位于會(huì)仙濕地核心區(qū)域內(nèi)，會(huì)仙濕地位于廣西壯族自治區(qū)桂林市城區(qū)西南部，是珠江水系一級(jí)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(guò)渡地帶。會(huì)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?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)氣候，春夏多雨，秋季多風(fēng)，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(dá)1 894.4 mm。會(huì)仙濕地及周邊地區(qū)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?guī)r土、水稻土、沼澤土等。研究區(qū)內(nèi)土地利用類型主要為耕地、果園、林地、草地及居民區(qū)，各土地利用類型占研究流域面積比見表1。

表1 研究區(qū)內(nèi)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(qū)內(nèi)的主要作物為水稻，且多為雙季稻。早稻的生長(zhǎng)期一般為四月初至七月底，晚稻的生長(zhǎng)期為七月中旬至十月底[8]。研究區(qū)內(nèi)的水稻灌溉方式主要為“薄、淺、濕、曬”[9]。符娜等[10]人對(duì)西南地區(qū)水稻灌溉需水量的研究表明分蘗期和抽穗期為水稻生長(zhǎng)需水關(guān)鍵期。研究區(qū)內(nèi)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(shí)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(jù)調(diào)查，試區(qū)內(nèi)水稻使用較多的化肥品種有復(fù)合肥、尿素、碳酸氫銨、磷酸二銨和氯化鉀。廣西區(qū)內(nèi)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(duì)比來(lái)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(qū)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(duì)便捷的會(huì)仙小流域開展定點(diǎn)監(jiān)測(cè)。會(huì)仙小流域處于會(huì)仙濕地核心區(qū)域，流域內(nèi)分布著大量農(nóng)田，人口聚集區(qū)分布零星，點(diǎn)源污染比重較少，以面源污染為主；同時(shí)該流域地表水系多樣性強(qiáng)，便于比較其差異性，更具代表性。研究試區(qū)采樣點(diǎn)位置分布及研究區(qū)主要土地利用類型見圖1。根據(jù)桂林市水環(huán)境功能區(qū)劃，研究區(qū)內(nèi)水系均屬于Ⅲ類水等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 會(huì)仙試區(qū)采樣點(diǎn)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(cè)試

2 不同水系氮磷排放時(shí)空特征

本文按平均流量劃分3個(gè)水文期：枯水期(每年10月-翌年1月，共4個(gè)月)、平水期(每年的2-3月、8-9月，共4個(gè)月)、豐水期(每年4-7月，共4個(gè)月)。稻田為會(huì)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(duì)會(huì)仙濕地試區(qū)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)研究，監(jiān)測(cè)時(shí)間為2016年9月到2018年7月，結(jié)合水文年，將其分為8個(gè)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(shí)空變化

睦洞河沿程選取3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，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(jiān)測(cè)點(diǎn)Ma的土地利用類型為居民區(qū)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)Mb和Mc附近土地利用類型為農(nóng)田。根據(jù)桂林市水環(huán)境功能區(qū)劃，睦洞河屬于Ⅲ類水等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，由圖2可知，睦洞河全程總氮達(dá)標(biāo)率及Mc點(diǎn)總磷達(dá)標(biāo)率極低，而睦洞河沿程各點(diǎn)氨氮達(dá)標(biāo)率相對(duì)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(shí)間上，在整個(gè)觀測(cè)期內(nèi)氨氮濃度的高值出現(xiàn)在KF’期，低值出現(xiàn)在平水期+灌溉期(PG+PG’)?？偟獫舛茸兓厔?shì)與氨氮變化趨勢(shì)相似?？偭诐舛扔^測(cè)期內(nèi)最大值出現(xiàn)在KF’期Mc點(diǎn)，最小值出現(xiàn)在枯水期Mb點(diǎn)。根據(jù)單因素方差分析，發(fā)現(xiàn)除Mc點(diǎn)氨氮(F7,17=2.613，P=0.05)、總磷(F7,17=2.04，P=0.109)外各監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同指標(biāo)質(zhì)量濃度在不同階段均存在顯著差異(P< 0.05)?？傮w上，氮磷濃度表現(xiàn)為灌溉期>非灌溉期，但Ma點(diǎn)的氮磷表現(xiàn)為非灌溉期>灌溉期，且該點(diǎn)平水期+非灌溉期(PF+PF’)氮磷濃度較高，這可能一方面是因?yàn)镻F、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(huì)有所上升；另一方面則與監(jiān)測(cè)點(diǎn)所處的土地利用方式有關(guān)，平水期+非灌溉期為春節(jié)前后，外出務(wù)工人員返鄉(xiāng)導(dǎo)致農(nóng)村人口突增，居民飲食結(jié)構(gòu)偏高脂肪高蛋白食物，導(dǎo)致生活污廢水氮磷含量增加[14]，大量污廢水未經(jīng)處理直接排入睦洞河中造成水體污染。

在空間上，觀測(cè)期內(nèi)Ma處氨氮質(zhì)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(gè)不同的指標(biāo)沿程均呈現(xiàn)出先遞減后遞增的趨勢(shì)，其原因主要是睦洞河在Ma與Mb間流經(jīng)濕地湖泊，濕地湖泊具有良好的儲(chǔ)水保水性能，使水質(zhì)得以凈化；Mb之后由于沿程農(nóng)田面積比增大，污染來(lái)源增多，導(dǎo)致沿程氮磷濃度不斷增加。

2.2 古桂柳運(yùn)河沿程氮磷排放時(shí)空變化

監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇設(shè)在古桂柳運(yùn)河的西段，西段自上游至下游共設(shè)兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，依次為古運(yùn)河Ga及龍門橋Gb，Ga點(diǎn)附近土地利用類型為農(nóng)田，Gb點(diǎn)附近分布有農(nóng)田及小塊居民區(qū)。根據(jù)圖3，時(shí)間上，氨氮最高值出現(xiàn)在FG期Gb點(diǎn)，最低值出現(xiàn)在KF’期Ga點(diǎn)?？偟罡咧党霈F(xiàn)在PF’期Gb點(diǎn)，低值出現(xiàn)在PG、PG’期。總磷變化趨勢(shì)與氨氮相近，通過(guò)Spearman相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)氨氮和總磷呈顯著相關(guān)。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)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(nóng)田缺少作物固定土壤中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)導(dǎo)致其流失至水體中，且水體中的水生植物生長(zhǎng)期基本結(jié)束開始死亡腐爛，同時(shí)因降水補(bǔ)給來(lái)源減少，河道徑流量減少，進(jìn)一步加劇河道生態(tài)環(huán)境惡化。此外，單因素方差分析結(jié)果表示除下游Gb點(diǎn)總磷指標(biāo)外各監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同指標(biāo)質(zhì)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(gè)不同指標(biāo)質(zhì)量濃度沿程均呈緩慢升高趨勢(shì)，對(duì)上下游不同指標(biāo)平均質(zhì)量濃度進(jìn)行配對(duì)樣本T檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)無(wú)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(yùn)河西段睦洞至莫家河道被縮窄，同時(shí)莫家以西河段被堵斷，導(dǎo)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(duì)氮磷有一定的吸收去除效果[15]，導(dǎo)致上下游氮磷指標(biāo)的質(zhì)量濃度增加不明顯。這也與蔡德所[16]在會(huì)仙濕地寺湖關(guān)于水葫蘆生態(tài)功能的研究結(jié)果一致。

圖3 古運(yùn)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(huì)仙河沿程氮磷排放時(shí)空變化

會(huì)仙河是相思江的一級(jí)支流，豐水季節(jié)該河下游過(guò)水?dāng)嗝妾M窄常導(dǎo)致洪水排泄不暢而成災(zāi)，枯水時(shí)節(jié)大部分的河水通過(guò)引水灌溉渠道灌溉農(nóng)田導(dǎo)致下游河水基本干枯。會(huì)仙河沿程選擇兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，從上游至下依次為四益村Ha和下莊拱橋Hb，二點(diǎn)土地利用類型主要為農(nóng)田。

根據(jù)圖4，時(shí)間上，Ha和Hb的氨氮質(zhì)量濃度呈現(xiàn)出灌溉期>非灌溉期，總磷質(zhì)量濃度也呈現(xiàn)出灌溉期>非灌溉期，且氨氮和總磷觀測(cè)期內(nèi)的濃度波動(dòng)性變化較為相似，而總氮濃度則表現(xiàn)出非灌溉期>灌溉期。應(yīng)用單因素方差分析發(fā)現(xiàn)Hb點(diǎn)的總氮和總磷指標(biāo)在不同階段內(nèi)不存在顯著差異，同時(shí)觀測(cè)期內(nèi)該點(diǎn)的總氮總磷達(dá)標(biāo)率較低。空間上，會(huì)仙河沿程兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)在空間分布上氮磷質(zhì)量濃度相差較大，Ha氨氮的濃度在0.10～1.25 mg/L之間，觀測(cè)期內(nèi)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(shì)。其原因?yàn)檠爻谭植即罅哭r(nóng)田，農(nóng)田灌溉排水、雨水徑流沖刷沿岸農(nóng)田匯入會(huì)仙河造成氮磷的不斷富集，這也導(dǎo)致了會(huì)仙河整體富營(yíng)養(yǎng)化程度較高，河面水葫蘆覆蓋度較高。

圖4 會(huì)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(shí)空變化

相思江位于會(huì)仙巖溶濕地西部，其主要支流有會(huì)仙河、太平河、四塘河、羅錦河、睦洞河和清水江。相思江沿程設(shè)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(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，Xa、Xb及Xc附近的土地利用類型均為農(nóng)田，Xd點(diǎn)附近分布著小塊居民區(qū)。

由圖5可知，氨氮和總氮濃度的年內(nèi)、年際變化相似，高值出現(xiàn)在KF’期，低值出現(xiàn)在PG期；總磷濃度年內(nèi)年際波動(dòng)不大，高值突出不明顯，出現(xiàn)在KF’期，低值出現(xiàn)在PF’期。分析整個(gè)觀測(cè)期內(nèi)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)非灌溉期內(nèi)氨氮、總氮濃度明顯大于灌溉期，這可能是因?yàn)?月后降雨量減少，河道水量減少，污染物無(wú)法得到有效的稀釋，不同時(shí)期內(nèi)總磷濃度變化不大。

在空間分布上，Xa點(diǎn)的氨氮、總氮、總磷平均質(zhì)量濃度分別為3.08、6.87、0.42 mg/L；Xb點(diǎn)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(jù)此可以看出相思江氮磷濃度沿程呈逐漸下降趨勢(shì)，原因是Xa點(diǎn)承接了相思江上游的污染物導(dǎo)致該點(diǎn)氮磷濃度較高，而自Xa點(diǎn)后從上游至下游各監(jiān)測(cè)點(diǎn)控制子流域內(nèi)農(nóng)田面積占比變化不大，污染物輸出穩(wěn)定，同時(shí)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(yùn)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(shí)氮磷指標(biāo)的顯著性，相思江各污染物指標(biāo)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(jié)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(biāo)時(shí)期河流灌溉期睦洞河古桂柳運(yùn)河會(huì)仙河相思江非灌溉期睦洞河古桂柳運(yùn)河會(huì)仙河相思江氨氮睦洞河-0.8140.2120.003-0.260.270古桂柳運(yùn)河-0.1480.002-0.980會(huì)仙河-0.025-0相思江--總氮睦洞河-0.8220.0630.001-0.1260.4930古桂柳運(yùn)河-0.090.002-0.3520會(huì)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(yùn)河-0.0890.157-0.9770.045會(huì)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(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比各河的Ⅲ類水水環(huán)境功能區(qū)劃的標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)氨氮達(dá)標(biāo)率屬睦洞河最高，為55.26%，相思江達(dá)標(biāo)率最低為19.74%；總氮達(dá)標(biāo)率最高的河流為睦洞河14.47%，相思江達(dá)標(biāo)率為0；總磷達(dá)標(biāo)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(zhì)最差。

3 年際降雨差異及其對(duì)氮磷排放濃度差異分析

2016-2018年降雨資料分為8個(gè)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(duì)樣本T檢驗(yàn)法進(jìn)行分析，結(jié)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(shí)2016.09-2017.07、2017.08-2018.07兩年間同時(shí)段不同河流各指標(biāo)質(zhì)量濃度亦無(wú)顯著差異。圖6反映出不同河流各指標(biāo)質(zhì)量濃度隨著降雨量的變化趨勢(shì)，由枯水期進(jìn)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(fā)生遷移排入水體，由于此時(shí)河流徑流量較少，污染物無(wú)法得到有效的稀釋。此外，在平水期+非灌溉期(PF、PF’)，受農(nóng)田翻動(dòng)及部分早稻種植影響，總氮濃度出現(xiàn)一個(gè)高峰值。進(jìn)入豐水期后，雖然豐水期降雨量、降雨強(qiáng)度較其他時(shí)段均有所提升，但由于該時(shí)期為作物生長(zhǎng)期，土地植被覆蓋度較高，植被莖葉對(duì)降雨的截留作用、植被根系對(duì)土壤的固結(jié)作用和植被對(duì)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(shí)達(dá)到一個(gè)峰值，繼續(xù)增加降雨量氮磷濃度增幅較緩或呈下降趨勢(shì)，此規(guī)律也與李其林等人[18]開展的自然降雨對(duì)耕地氮磷流失的研究結(jié)果類似。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)漓江中上游會(huì)仙小流域水系氮磷濃度分析，結(jié)果表明：

(1)總體上4條河流總氮污染較嚴(yán)重，達(dá)標(biāo)率最低(睦洞河14.47%；古桂柳運(yùn)河13.16%；會(huì)仙河9.21%；相思江0)；不同水系氮磷質(zhì)量濃度在時(shí)空分布上差異較大。

(2)在時(shí)間分布上，各河流總磷質(zhì)量濃度表現(xiàn)出灌溉期>非灌溉期，總氮?jiǎng)t表現(xiàn)出非灌溉期>灌溉期的特點(diǎn)。古桂柳運(yùn)河、會(huì)仙河的氨氮濃度表現(xiàn)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(nèi)存在顯著差異。

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

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

(4)以年為尺度進(jìn)行分析時(shí)，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(duì)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(duì)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(jìn)入豐水期后雖然降雨量較上一時(shí)期增加了約3倍，但由于此時(shí)地表植被覆蓋度較高使得表土氮磷流失可能性減少，同時(shí)河流徑流量增加，故氮磷濃度增幅較緩或呈下降趨勢(shì)。