漓江中上游会仙小流域水系氮磷浓度时空特征

谢晓琳，代俊峰,2，俞陈文炅，苏毅捷，张丽华

(1. 桂林理工大学 广西环境污染控制理论与技术重点实验室，广西 桂林541004；2.桂林理工大学 岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心，广西 桂林 541004)

河流作为淡水生境的最大组成部分，是陆地水文循环的主要途径，是流域内水生-陆地生态系统之间的物质循环的主要通道[1]。随着经济的发展，人类活动对河流生态系统的改变加剧，导致河流生态环境演变趋势不断朝不利方向发展。岩溶多重介质环境的生态脆弱性，使得岩溶地区化学元素迁移时具有时空多变性和多样性。同时岩溶地区雨量丰沛，大量未被植物吸收的氮磷化肥在降雨径流的冲刷下汇入地表水系，导致岩溶区地表河流水环境问题突出[2]。

会仙湿地作为西南岩溶区漓江流域最大的岩溶地貌原生态湿地，由于人类长期不合理开发利用湿地资源，加上自然环境的变迁，湿地面积锐减，同时由于农业活动造成的面源污染形势严峻[3]。由于面源污染具有随机性、不确定性和时空分布不均匀性等特点，使得面源污染的模拟、评估以及管理成为水污染防控领域的研究重点及难点[4-6]。故在不同的时空尺度下进行面源污染的监测研究十分必要[7]。本文选择漓江中上游青狮潭灌区会仙小流域为研究对象，通过对小流域内不同河流水质进行连续定位监测，明确氮磷污染物浓度随降雨径流的季节变化特征，以期为面源污染的防控提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究试区位于会仙湿地核心区域内，会仙湿地位于广西壮族自治区桂林市城区西南部，是珠江水系一级支流漓江(桂江)流域与柳江(洛清江)流域的分水岭地带，地处于桂林峰林平原与峰丛洼地的过渡地带。会仙岩溶湿地主要地表河流有良丰江、相思江，分属桂江、柳江水系。气候属亚热带季风湿润气候，春夏多雨，秋季多风，冬季有霜雪，多年平均气温18.8 ℃，降雨充沛，多年平均降雨量达1 894.4 mm。会仙湿地及周边地区土壤包括典型的湿地土壤与岩溶土壤两大类型，主要土壤类型有红壤或红黄壤、红色石灰岩土、水稻土、沼泽土等。研究区内土地利用类型主要为耕地、果园、林地、草地及居民区，各土地利用类型占研究流域面积比见表1。

表1 研究区内不同土地利用类型面积及占比Tab.1 Area and proportion of different land use types in the study area

研究试区内的主要作物为水稻，且多为双季稻。早稻的生长期一般为四月初至七月底，晚稻的生长期为七月中旬至十月底[8]。研究区内的水稻灌溉方式主要为“薄、浅、湿、晒”[9]。符娜等[10]人对西南地区水稻灌溉需水量的研究表明分蘖期和抽穗期为水稻生长需水关键期。研究区内水稻一般每一季施肥3次，分别为基肥，分蘖肥、孕穗肥。主要的施肥时间一般为抛栽秧苗前施基肥，抛栽后10～15 d施分蘖肥，幼穗分化前期施孕穗肥。据调查，试区内水稻使用较多的化肥品种有复合肥、尿素、碳酸氢铵、磷酸二铵和氯化钾。广西区内水稻种植普遍存在氮肥施用量适中偏高的情况，且从早晚稻的对比来看，早稻要略高于晚稻[11]。早稻的氮、磷、钾施用比为1.00∶0.13∶0.18，晚稻的氮、磷、钾施用比为1.00∶0.12∶0.19[12]，而其施用量最佳比为1.00∶0.52∶0.34[13]，可见水稻种植施用的氮肥量较大。

在研究试区的选址上遵循代表性和一致性原则，选取封闭性较好且交通相对便捷的会仙小流域开展定点监测。会仙小流域处于会仙湿地核心区域，流域内分布着大量农田，人口聚集区分布零星，点源污染比重较少，以面源污染为主；同时该流域地表水系多样性强，便于比较其差异性，更具代表性。研究试区采样点位置分布及研究区主要土地利用类型见图1。根据桂林市水环境功能区划，研究区内水系均属于Ⅲ类水等级标准。

图1 会仙试区采样点位置分布和土地利用图Fig.1 Location distribution and land use map of sampling sites in Huixian pilot area

1.2 样品采集及测试

2 不同水系氮磷排放时空特征

本文按平均流量划分3个水文期：枯水期(每年10月-翌年1月，共4个月)、平水期(每年的2-3月、8-9月，共4个月)、丰水期(每年4-7月，共4个月)。稻田为会仙湿地主要的土地利用类型，其灌溉期为4月初到9月底。本文对会仙湿地试区进行长期监测研究，监测时间为2016年9月到2018年7月，结合水文年，将其分为8个阶段：①2016年9月为16平水期+灌溉期(PG)；②2016年10月-2017年1月为16枯水期+非灌溉期(KF)；③2017年3月为17平水期+非灌溉(PF)；④2017年4月-2017年7月为17丰水期+灌溉期(FG)；⑤2017年8月-2017年9月为17平水期+灌溉期(PG’)；⑥2017年10月-2018年1月为17枯水期+非灌溉期(KF’)；⑦2018年3月为18平水期+非灌溉期(PF’)；⑧2018年4月-2018年7月为18丰水期+灌溉期(FG’)。

2.1 睦洞河氮磷排放时空变化

睦洞河沿程选取3个监测点，从上游至下游依次为三义码头(Ma)、睦洞河中游(Mb)及睦洞河出水口(Mc)，其中监测点Ma的土地利用类型为居民区，监测点Mb和Mc附近土地利用类型为农田。根据桂林市水环境功能区划，睦洞河属于Ⅲ类水等级标准，由图2可知，睦洞河全程总氮达标率及Mc点总磷达标率极低，而睦洞河沿程各点氨氮达标率相对较高。

图2 睦洞河沿程氨氮、总氮、总磷浓度变化Fig.2 Variation of concentrations of TN and TP along the Mudong River

在时间上，在整个观测期内氨氮浓度的高值出现在KF’期，低值出现在平水期+灌溉期(PG+PG’)。总氮浓度变化趋势与氨氮变化趋势相似。总磷浓度观测期内最大值出现在KF’期Mc点，最小值出现在枯水期Mb点。根据单因素方差分析，发现除Mc点氨氮(F7,17=2.613，P=0.05)、总磷(F7,17=2.04，P=0.109)外各监测点不同指标质量浓度在不同阶段均存在显著差异(P< 0.05)。总体上，氮磷浓度表现为灌溉期>非灌溉期，但Ma点的氮磷表现为非灌溉期>灌溉期，且该点平水期+非灌溉期(PF+PF’)氮磷浓度较高，这可能一方面是因为PF、PF’期河道水量较少，而污染物在相同的输出情况下，径流量减少，氮磷输出浓度就会有所上升；另一方面则与监测点所处的土地利用方式有关，平水期+非灌溉期为春节前后，外出务工人员返乡导致农村人口突增，居民饮食结构偏高脂肪高蛋白食物，导致生活污废水氮磷含量增加[14]，大量污废水未经处理直接排入睦洞河中造成水体污染。

在空间上，观测期内Ma处氨氮质量浓度平均值为1.22 mg/L，总氮平均浓度为2.91 mg/L，总磷平均浓度为0.19 mg/L；Mb处氨氮、总氮、总磷平均浓度分别为0.29、1.54及0.07 mg/L；Mc处氨氮、总氮、总磷平均浓度分别为0.92、1.84及0.31 mg/L。3个不同的指标沿程均呈现出先递减后递增的趋势，其原因主要是睦洞河在Ma与Mb间流经湿地湖泊，湿地湖泊具有良好的储水保水性能，使水质得以净化；Mb之后由于沿程农田面积比增大，污染来源增多，导致沿程氮磷浓度不断增加。

2.2 古桂柳运河沿程氮磷排放时空变化

监测点选择设在古桂柳运河的西段，西段自上游至下游共设两个监测点，依次为古运河Ga及龙门桥Gb，Ga点附近土地利用类型为农田，Gb点附近分布有农田及小块居民区。根据图3，时间上，氨氮最高值出现在FG期Gb点，最低值出现在KF’期Ga点。总氮最高值出现在PF’期Gb点，低值出现在PG、PG’期。总磷变化趋势与氨氮相近，通过Spearman相关分析发现氨氮和总磷呈显著相关。统计发现非灌溉期总氮浓度显著高于灌溉期，这可能是秋收后沿程农田缺少作物固定土壤中营养物质导致其流失至水体中，且水体中的水生植物生长期基本结束开始死亡腐烂，同时因降水补给来源减少，河道径流量减少，进一步加剧河道生态环境恶化。此外，单因素方差分析结果表示除下游Gb点总磷指标外各监测点不同指标质量浓度均在不同阶段存在显著差异(P<0.05)。

空间上，上游Ga氨氮、总氮、总磷平均浓度分别为0.51、2.32及0.16 mg/L；下游Gb氨氮、总氮、总磷平均浓度分别为0.56、2.72及0.21 mg/L，3个不同指标质量浓度沿程均呈缓慢升高趋势，对上下游不同指标平均质量浓度进行配对样本T检验发现无显著差异。其中原因可能是自1973年兴修相思江排涝工程后，古运河西段睦洞至莫家河道被缩窄，同时莫家以西河段被堵断，导致河道淤塞水流不畅，水面覆盖大量的水葫芦，有研究表明，一定覆盖度的水葫芦能对氮磷有一定的吸收去除效果[15]，导致上下游氮磷指标的质量浓度增加不明显。这也与蔡德所[16]在会仙湿地寺湖关于水葫芦生态功能的研究结果一致。

图3 古运河沿程氨氮、总氮、总磷浓度变化Fig.3 Variation of concentrations of TN and TP along the Ancient Guiliu Canal

2.3 会仙河沿程氮磷排放时空变化

会仙河是相思江的一级支流，丰水季节该河下游过水断面狭窄常导致洪水排泄不畅而成灾，枯水时节大部分的河水通过引水灌溉渠道灌溉农田导致下游河水基本干枯。会仙河沿程选择两个监测点，从上游至下依次为四益村Ha和下庄拱桥Hb，二点土地利用类型主要为农田。

根据图4，时间上，Ha和Hb的氨氮质量浓度呈现出灌溉期>非灌溉期，总磷质量浓度也呈现出灌溉期>非灌溉期，且氨氮和总磷观测期内的浓度波动性变化较为相似，而总氮浓度则表现出非灌溉期>灌溉期。应用单因素方差分析发现Hb点的总氮和总磷指标在不同阶段内不存在显著差异，同时观测期内该点的总氮总磷达标率较低。空间上，会仙河沿程两个观测点在空间分布上氮磷质量浓度相差较大，Ha氨氮的浓度在0.10～1.25 mg/L之间，观测期内平均浓度为0.37 mg/L，总氮浓度变化范围为0.30～5.30 mg/L，平均浓度为2.41 mg/L，总磷浓度则在0.03～0.40 mg/L，平均浓度为0.14 mg/L。Hb的氨氮浓度在0.35～ 4.11 mg/L之间，平均浓度为1.22 mg/L，总氮浓度在0.89 ～ 7.86 mg/L，平均浓度为3.24 mg/L，总磷浓度变化范围在0.11～2.49 mg/L，平均浓度为0.51 mg/L。氮磷浓度沿程呈升高趋势。其原因为沿程分布大量农田，农田灌溉排水、雨水径流冲刷沿岸农田汇入会仙河造成氮磷的不断富集，这也导致了会仙河整体富营养化程度较高，河面水葫芦覆盖度较高。

图4 会仙河沿程氨氮、总氮、总磷浓度变化Fig.4 Variation of concentrations of TN and TP along the Huixian River

2.4 相思江沿程氮磷排放时空变化

相思江位于会仙岩溶湿地西部，其主要支流有会仙河、太平河、四塘河、罗锦河、睦洞河和清水江。相思江沿程设相思江1(Xa)、相思江2(Xb)、江头村新桥Xc及袁氏宗祠Xd等4个监测点，Xa、Xb及Xc附近的土地利用类型均为农田，Xd点附近分布着小块居民区。

由图5可知，氨氮和总氮浓度的年内、年际变化相似，高值出现在KF’期，低值出现在PG期；总磷浓度年内年际波动不大，高值突出不明显，出现在KF’期，低值出现在PF’期。分析整个观测期内数据，发现非灌溉期内氨氮、总氮浓度明显大于灌溉期，这可能是因为9月后降雨量减少，河道水量减少，污染物无法得到有效的稀释，不同时期内总磷浓度变化不大。

在空间分布上，Xa点的氨氮、总氮、总磷平均质量浓度分别为3.08、6.87、0.42 mg/L；Xb点氨氮、总氮总磷平均浓度分别为2.90、5.99、0.38 mg/L；Xc氨氮、总氮总磷平均浓度分别为2.63、5.55、0.38 mg/L；Xd氨氮、总氮总磷平均浓度分别为2.42、5.38、0.34 mg/L。据此可以看出相思江氮磷浓度沿程呈逐渐下降趋势，原因是Xa点承接了相思江上游的污染物导致该点氮磷浓度较高，而自Xa点后从上游至下游各监测点控制子流域内农田面积占比变化不大，污染物输出稳定，同时随着相思江各支流的汇入，相思江流量不断增加，污染物浓度得到一定的稀释。

运用单因素分析法，分别分析不同水系在灌溉期和非灌溉期时氮磷指标的显著性，相思江各污染物指标浓度与其他河流污染物浓度差异性较大(除灌溉期总磷外)，分析结果见表2。

图5 相思江沿程氨氮、总氮、总磷浓度变化Fig.5 Variation of concentrations of TN and TP along the Xiangsi River

指标时期河流灌溉期睦洞河古桂柳运河会仙河相思江非灌溉期睦洞河古桂柳运河会仙河相思江氨氮睦洞河-0.8140.2120.003-0.260.270古桂柳运河-0.1480.002-0.980会仙河-0.025-0相思江--总氮睦洞河-0.8220.0630.001-0.1260.4930古桂柳运河-0.090.002-0.3520会仙河-0.026-0相思江--总磷睦洞河-0.9870.0870.153-0.8360.8590.032古桂柳运河-0.0890.157-0.9770.045会仙河-0.718-0.043相思江--

注：差异性显著水平大于0.05为不显著。

将监测数据对比各河的Ⅲ类水水环境功能区划的标准，发现氨氮达标率属睦洞河最高，为55.26%，相思江达标率最低为19.74%；总氮达标率最高的河流为睦洞河14.47%，相思江达标率为0；总磷达标率最高的河流为睦洞河47.37 %，相思江最低仅为6.58 %。由此可见相思江水质最差。

3 年际降雨差异及其对氮磷排放浓度差异分析

2016-2018年降雨资料分为8个阶段(同上文)，比较2016.09-2017.07(PG+KF+PF+FG)和2017.08-2018.07(PG’+KF’+PF’+FG’)年际间降雨量及氮磷浓度的差异，利用配对样本T检验法进行分析，结果表明2016.09-2017.07、2017.08-2018.07的年际降雨量不存在显著差异(P=0.404>0.05)，同时2016.09-2017.07、2017.08-2018.07两年间同时段不同河流各指标质量浓度亦无显著差异。图6反映出不同河流各指标质量浓度随着降雨量的变化趋势，由枯水期进入平水期后降雨开始逐渐增加，在降雨冲刷作用下表层土壤氮磷发生迁移排入水体，由于此时河流径流量较少，污染物无法得到有效的稀释。此外，在平水期+非灌溉期(PF、PF’)，受农田翻动及部分早稻种植影响，总氮浓度出现一个高峰值。进入丰水期后，虽然丰水期降雨量、降雨强度较其他时段均有所提升，但由于该时期为作物生长期，土地植被覆盖度较高，植被茎叶对降雨的截留作用、植被根系对土壤的固结作用和植被对径流传递的阻碍作用可有效地减少土壤侵蚀[17]，故丰水期氮磷浓度增幅较缓。由图6也可以看出氮磷浓度在降雨量增加到一定程度时达到一个峰值，继续增加降雨量氮磷浓度增幅较缓或呈下降趋势，此规律也与李其林等人[18]开展的自然降雨对耕地氮磷流失的研究结果类似。

4 结 语

通过对漓江中上游会仙小流域水系氮磷浓度分析，结果表明：

(1)总体上4条河流总氮污染较严重，达标率最低(睦洞河14.47%；古桂柳运河13.16%；会仙河9.21%；相思江0)；不同水系氮磷质量浓度在时空分布上差异较大。

(2)在时间分布上，各河流总磷质量浓度表现出灌溉期>非灌溉期，总氮则表现出非灌溉期>灌溉期的特点。古桂柳运河、会仙河的氨氮浓度表现出灌溉期>非灌溉期，睦洞河和相思江氨氮浓度则相反。此外各河流氮磷浓度大多在不同灌溉阶段内存在显著差异。

(3)在空间分布上，睦洞河氮磷浓度沿程呈现先递减后递增趋势，会仙河、古桂柳运河氮磷浓度呈沿程增加趋势，但古桂柳运河上下游浓度差异不显著，相思江氮磷质量浓度沿程呈减小趋势。

图6 不同河流年际降雨量及氮磷浓度变化趋势Fig.6 Trends of inter-annual rainfall, nitrogen and phosphorus concentrations in different rivers

(4)以年为尺度进行分析时，本文中年际间的降雨量和氮磷排放浓度差异不显著，但降雨变化对氮磷的排放浓度有一定影响。从枯水期步入平水期后降雨量增加了约30%，降雨径流对土壤的侵蚀加剧从而加快氮磷流失，使得此期间氮磷浓度逐渐升高；进入丰水期后虽然降雨量较上一时期增加了约3倍，但由于此时地表植被覆盖度较高使得表土氮磷流失可能性减少，同时河流径流量增加，故氮磷浓度增幅较缓或呈下降趋势。