流域场镇发展下三峡水库典型入库河流水体碳、氮、磷时空特征及富营养化评价*

龚小杰，王晓锋，刘婷婷，袁兴中,3**，孔维苇，刘 欢

(1:长江上游湿地科学研究重庆市重点实验室，重庆 401331) (2:重庆师范大学地理与旅游学院，重庆 401331) (3:重庆大学建筑城规学院，重庆 400030)

碳、氮、磷是自然界最基本的生源要素，人类活动(工业生产、农业活动、城市扩张以及生活污水排放等)已经对自然生态系统的生源要素特征产生了重要影响. 河流作为连接陆域与水域的关键通道，在全球碳、氮、磷的输移和转化过程中发挥着至关重要的作用，也是受人类活动影响最严重的生态系统之一[1]. 人类活动导致河流碳、氮、磷输入增加，并在下游湖泊、水库、河口、近海等区域不断累积，造成了全球范围的水体富营养化和营养结构改变，成为21世纪最具挑战的生态环境问题[2-4]. 河流水体中生源要素的积累主要是流域内面源污染、点源污染及水体内部的生物吸附等等. 近30年来，不同研究者从点源控制、面源削减、过程调控、出口截留等方面对河流污染开展了大量研究，并取得了一系列成效[5-8]. 然而，随着由于城市化、农业活动以及城镇—农业过渡过程中陆域人类活动的不断变化，河流污染过程愈加复杂，影响河流自身的生态功能. 河流在越来越强烈的“人为—自然”二元干扰下，水体碳、氮、磷的分布特征及控制方面仍然存在来源解析、生物地球化学过程分析、要素的生物转化以及不同形式人类活动强度下的环境阈值等一系列基础问题尚不清楚.

近年来，大量学者关注城市河流水体碳、氮、磷污染特征以及流域城市化的综合影响. Sickman等[9]对Sacramento河流域城市化对有机质负荷的影响研究中，城市径流中总有机碳(TOC)浓度远高于Sacramento河自然河段，流域城市化带来的综合TOC输入对下游河流水体年负荷贡献达17%；我国学者从河网尺度探讨了重庆[10-11]、天津[8]、嘉兴[12]等地区城市化带来的水体氮、磷综合污染特征. 上述研究均肯定了城市发展对河流水体氮、磷污染的影响. 随着城市污水处理能力的不断提高、城市河流生态治理技术的发展以及我国河长制全面推行，城市河流氮、磷的污染在一定程度上得到了缓解. 但在全球城市化进程不断加快的背景下，流域人类活动对河流生源要素(碳)的影响研究仍是水环境治理的基础[13]. 与城市影响的面状特征不同，近年来，随着我国城乡统筹发展战略的实施，流域城镇化速度较快，但薄弱的污水处理能力及流域土地类型的显著变化，导致小流域水体氮、磷污染进一步加剧[14]，但关于城镇发展的综合影响研究并不多. 作为三峡地区(特别是重庆地区)城镇发展的重要模式，场镇式发展近年来受到广泛推广[15]. 场镇式发展多是在三峡库区众多支流沿河建镇，导致这些河流两岸形成串联的多级城镇分布，而这种模式导致人类活动压力的点状聚集，可能对河流水体碳、氮、磷含量造成不可预测的累积影响，形成了一种具有“点-面双重特征”的污染过程，对三峡水库的水环境安全造成威胁. 流域“串珠状”场镇的分布格局也可能对河流的自净能力产生连续胁迫，威胁整个河流生态系统的健康. 然而，目前大多数研究仍集中在城市或工业污染严重的河段，对流域串级场镇分布特征与水体生源要素碳、氮、磷污染的失控关系的研究并不多见，导致这种特殊的人类活动空间模式的环境影响也被忽视.

重庆市是三峡库区的腹心区，近年来经济快速发展，成为我国城市化进程最快的区域之一，对三峡库区水环境安全具有重要影响. 据统计，重庆市主要次级河流水质均高于《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中的Ⅴ类水标准[16]，王晓锋等[17]对主城区梁滩河的研究中，指出水体全年TN浓度均远高于地表水劣Ⅴ类水标准，大部分监测断面TP浓度属Ⅴ～劣Ⅴ类. 黑水滩河是重庆主城区受城市化影响较弱的次级支流，属嘉陵江左岸的一级支流. 但近年来，受重庆主城区经济发展和城乡统筹发展规划的带动，黑水滩河流域内原本分布的众多小型场镇迅速发展，形成一系列点状污染源，对其自身及三峡水库水环境安全造成一定威胁. 为了研究流域场镇发展对河流水环境，特别是水体碳、氮、磷生源要素的潜在影响及可能的累积效应，本研究以重庆市黑水滩河为研究对象，对流域内主要场镇前后的河流断面表层水体进行一个完整水文年的监测，分析了场镇分布对河流水体不同形态的碳、氮、磷含量的时空特征的影响，并采用对数型幂函数普适指数公式计算水体富营养化评价综合指数，得出黑水滩河水体的营养状态，估算了黑水滩河对三峡水库生源要素的输入特征，以期为三峡水库水环境保护等提供科学支撑，为研究人类活动影响下水生态过程提供参考.

1 材料与方法

1.1 研究区域

黑水滩河位于重庆市北碚区，属于三峡水库一级支流嘉陵江的二级支流，黑水滩河干流全长68 km，流域面积328 km2，多年平均流量5.55 m3/s，年径流总量1.75×108m3. 干流发源于华蓥山宝顶南坡华秦乡华云村，流经北碚区金刀峡镇、三圣镇、复兴镇，在水土镇东南狮子口注入嘉陵江(图1). 流域内有柳荫河、静观河两条主要支流，分别流经重庆市北碚区柳荫镇和静观镇. 北碚区主要场镇均沿黑水滩河分布，在河流两岸形成一系列串珠状人类活动聚集点. 黑水滩河属典型山地河流，河流比降较大，流速较快，流域内场镇多沿河分布，发展速度较快，且场镇规模从上游到下游依次提高，严重威胁河流水环境质量. 流域处于亚热带季风气候区，雨热同季，雨量充沛，年均温度19.4℃，全年降雨量为1100 mm，85%降雨集中在5—10月.

图1 嘉陵江黑水滩河采样断面分布Fig.1 Sampling sites distribution in Heishuitan River, a branch of Jialingjiang River

1.2 采样断面布设与样品采集

根据流域场镇分布及水文特征，分别在黑水滩河干、支流流经不同场镇前、后设置采样断面，位置分别为：黑水滩河干流流经金刀峡镇前后(S1-1、S1-2)、三圣镇前后(S2-1、S2-2)、复兴镇前后(S3-1、S3-2)、水土镇前后(S3-2、S4)；支流柳荫河流经柳荫镇前后(S5-1、S5-2)；支流静观河流经静观镇前后(S6-1、S6-2)，共设11个采样断面(图1)，其中S4断面为黑水滩河河口. 分别于2014年9月(秋季)、12月(冬季)和2015年3月(春季)、6月(夏季)进行黑水滩河干支流不同断面表层水样的采集. 采样过程中，利用有机玻璃采样器采集500 mL表层水样装入塑料瓶中，每个采样断面采集河道中心和左右两侧1～2 m处3个重复样，所采集样品通过装有足够冰袋的保温箱低温保存后运回实验室后，置于4℃冰箱内，5 d内完成指标测定. 现场采样时，利用矫正的多参数水质分析仪MantaTM2(Eureka Company, USA)测定原位表层水体水温、pH、电导率、叶绿素a、溶解氧(DO)和浊度(表1).

1.3 监测指标与分析方法

1.4 数据分析

EIj=10.77(lnxj)1.1826

(1)

(2)

表1 黑水滩河表层水体基本理化指标的时空分布

式中，EIj为指标j的富营养化评价普适指数，xj为指标j的“规范值”，计算方法见文献[20]；Wj为指标j的归一化权重值，本研究将各指标视作等权重.

利用三峡库区次级河流平水期流量与污染物浓度，估算黑水滩河碳、氮、磷对三峡水库的输入负荷，其计算公式[21]为：

污染物负荷(g/s)=污染物浓度(mg/L)×流量(m3/s)

(3)

研究原始数据均在Excel 2010中进行标准化处理与计算，应用SPSS 19(SPSS Inc., Chicago, IL, USA)进行统计分析，所有统计显著性水平为P<0.05. 所有制图均采用Excel 2010和Sigmaplot12.0.

2 结果与分析

2.1 碳、氮、磷含量分布

2.1.1 河流不同形态碳浓度的时空分布特征 黑水滩河干、支流水体TOC、DOC和POC的浓度范围分别为4.5～39.2、3.2～31.4和0.87～7.78 mg/L(平均值分别为17.23±8.6、14.0±7.1和3.26±1.29 mg/L)，流域内3种碳形态浓度均有较大的变异，而且在场镇前后均有不同程度的增长(图2a)，增幅范围为4.7%～61.3%、1.2%～57.5%和16.1%～84.1%(平均增幅达33.8%、33.4%和37.4%)(图3a). 从增幅分布图看，金刀峡镇前后水体碳含量增幅较大，其他场镇增幅相似，可见场镇污染负荷具有一定相似性(图3a). 干流水体TOC、DOC和POC的浓度从上游向下游沿场镇分布呈现明显的阶梯增长(图2a)，表现出场镇影响的累积效应.水体碳含量季节变化不明显，但总体上TOC和DOC在秋季(19.6±9.7 和16.1±8.3 mg/L)略高，春冬季(枯水期)次之，夏季(丰水期)最低(14.7±6.2和11.9±5.5 mg/L)；POC在春秋季(3.58±2.16和3.46±1.55 mg/L)稍高于冬夏季(3.18±1.71和2.84±1.02 mg/L)(图2b).

图2 黑水滩河表层水体碳、氮、磷的时空分布(箱图中实线为中位值，虚线为均值)Fig.2 Spatial and temporal distribution of carbon, nitrogen and phosphorus in surface water of Heishuitan River (solid line is the median value in the box chart, and the dotted line is the mean value)

图3 黑水滩河场镇前后碳、氮、磷各形态浓度增幅百分比Fig.3 Increase percentage of carbon, nitrogen and phosphorus concentrations before and after the field town of Heishuitan River

2.2 场镇对水体碳、氮、磷分布的影响

图4 黑水滩河碳、氮、磷浓度与人口数量的回归关系Fig.4 Regression relationship between the increment of carbon, nitrogen and phosphorus concentrations in Heishuitan River and population quantity

2.3 黑水滩河碳、氮、磷输出特征

2.4 黑水滩河水体富营养化特征分析

黑水滩河干、支流各监测断面不同季节水体营养状态综合指数值(EI)的空间分布见图5a. 流域内EI指数在不同季节之间变化较小，但空间变化显著(波动范围达9.5～63.1). 依据对数型幂函数普适指数公式各级分级标准，黑水滩河干、支流水体全年属于富营养状态水平以上(>39.42)，具有较高的富营养化风险. 空间变化上，干流在S1-1断面EI值最低，经过金刀峡镇之后EI值迅速提高，随后呈“阶梯状”增长，每流经一个场镇，水体EI指数都会有明显升高，直至河口达到最大，呈重富营养状态；而干流水体在没有场镇分布的河段(S1-2～S2-1、S2-2～S3-1)EI变化不大甚至略有降低，表现出河流一定的自净能力. 支流水体柳荫河EI值低于静观河，且场镇前后水体EI值显著增加. 总体上EI值变化与碳、氮、磷含量空间变化规律一致.

氮磷比(N/P)是评价河流水体营养盐的限制因子和浮游植物群落的调节因子，也是影响水体藻类水华暴发的重要指标[23]. Guildford等[24]提出的水中营养物限制性标准中，N/P≤20(摩尔比，换算为质量比为9.0)为氮限制状态，N/P≥50(摩尔比，换算为质量比为22.6)为磷限制状态，处于两者之间表明氮磷均可能是主要限制因子. 计算结果表明，黑水滩河水体N/P变化范围为17.21～86.50，有4.5%属于氮限制状态，有27.3% 属于磷限制状态，其余大部分均处在两者之间(图5b). 干流水体N/P空间上除S1-1～S1-2段有明显增长外，其他场镇分布对水体N/P影响并不显著，但总体上下游河段N/P略高于上游. 季节变化对水体N/P影响较大，干流大多数断面冬、夏季高于春、秋季.

图5 水体富营养化评价综合指数值及氮磷比的变化Fig.5 EI values and nitrogen to phosphorus ratio of the water

尽管黑水滩河水体N/P分析均属于富营养状态，但调查中仅河口(S3-2和S4断面)在春季出现水华，其他断面均未发现(表1). 相关分析表明，叶绿素a与水体TN、TP浓度均不显著，主要因为山地河流流速较快，不利于藻类的生长和繁殖，但一旦有流速缓慢的河段，则具有较高的发生水华的风险. 水体各形态碳、氮、磷浓度均呈极显著正相关(P<0.01，表2)，可见流域内水体碳、氮、磷的变化规律具有一致性，这可能与流域场镇的连续分布特征相关，且场镇的分布格局使得水体碳、氮、磷浓度呈现同步的累积效应.

表2 黑水滩河水体碳、氮、磷浓度及其他参数之间的Pearson相关性

*表示显著性水平P<0.05,** 表示显著性水平P<0.01.

3 讨论

3.1 场镇分布影响河流碳、氮、磷的分布格局

场镇发展是我国三峡地区城乡统筹发展的重要模式，与大型城市相比，场镇的人类活动强度相对较弱，对生态系统的影响通常被忽视. 然而，在三峡地区，场镇沿河多级串联的分布模式下，可能形成具有“点-面双重特征”的潜在污染系统，对流域水体产生不可忽视的负面影响. 黑水滩河作为一个流域内场镇连续分布的典型山地河流，其水体碳、氮、磷等生源要素空间格局受到场镇分布的显著影响(图2).

黑水滩河流域水体TOC浓度为4.5～39.2 mg/L(平均为17.2±8.7 mg/L)，高于世界大部分自然河流[25-26]和青藏高原区的典型河流[27]，甚至高于重庆主城区次级支流盘溪河[16]. 一方面，黑水滩河属于典型的山地河流，其水体有机碳总量与流域植被覆盖及强烈的土壤侵蚀密切相关，另一方面，场镇密集分布带来的人为源的输入使得水体TOC含量显著增加(图3a). 同时，在无场镇分布的河段，水体TOC含量变化不大，可能是流速较快，对水体碳代谢消耗能力较弱. DOC是河流TOC的主要组成部分，与流域化学侵蚀、植物生产、城镇污水输入等直接相关，并且受气温、降水的影响显著[25]. 黑水滩河流域水体DOC浓度范围为3.2～31.4 mg/L(平均为14.0±7.1 mg/L)，高于世界河流的平均水平(5～6 mg/L)[26]及植被生产力较高的三江源地区的河流[28]. 对比发现，黑水滩河各监测断面中受人类活动影响较小的S1-1和S5-1断面DOC浓度近似于三江源地区的河流[28]，但流经单个场镇后水体DOC浓度达到1.6～1.9倍，表明场镇发展带来陆源环境的综合变化对河流水体DOC具有重要贡献. 进一步分析发现，黑水滩河水体中DOC浓度占TOC浓度的比例达75%，高于全球平均值(55.3%)[25]. 一般认为，山地河流具有较高的有机质输入和较高的氧化率，DOC占TOC比例通常较低[27]. 而黑水滩河水体较高的DOC比例表明存在明显的外源DOC的直接输入. 同TOC一致，DOC浓度在水体流经场镇前后均有显著增加，而在无场镇分布的河段表现基本稳定，使得黑水滩河干流从上游向下游DOC浓度呈现“阶梯式”增长(平均增幅达33.4%，图3)，表明流域场镇发展导致河流人为源碳输入明显增加. 叶琳琳等[29]在对太湖入湖河流DOC的研究中也发现流域人类活动是河流中DOC增加的主要原因. 黑水滩河水体POC浓度(3.26±1.29 mg/L)较低，这与其浊度较低形成呼应. 自然河流中水体POC主要源于陆源输入以及水体内部浮游生物的繁殖和代谢[30]，本研究中叶绿素a与POC浓度存在显著相关关系(P<0.01)(表2)，春季藻类繁殖旺盛期POC浓度高于其他季节，均表明浮游生物生长对水体POC具有一定的贡献. 而同时，场镇发展带来的陆域环境的综合改变对水体POC浓度也可能产生一些直接影响，但本研究缺乏直接证据，因此未来研究中需要采样同位素技术辨析POC浓度变化的主导过程. 综上，本研究认为，作为一种综合的环境影响，流域场镇的发展格局显著改变三峡入库河流水体碳含量及空间部分格局，进而影响水体碳代谢和输移.

最后，初步估算黑水滩河每年向三峡水库输入氮、磷总量远超同尺度的入库支流花溪河(TN：8.9 g/s，TP：1.22 g/s)[21]，因此急需加强河口污染物输出控制. 随着三峡地区场镇发展模式的不断推进，陆域人类活动的外源污染物输入显著改变各场镇流经河流流域内的碳、氮、磷输入格局，连续场镇分布对河流污染的累积效应及其与河流自净能力的对冲作用应该成为未来水环境保护的重点.

3.2 季节变化及其影响因素分析

3.3 水体富营养化

4 结论

1)黑水滩河干、支流受陆域外源污水输入影响，水体TN浓度严重超标，年均浓度(3.61±1.48 mg/L)为地表水V类的1.8倍，而TP浓度范围为0.078～0.454 mg/L，大部分监测断面浓度处于Ⅲ～Ⅴ类水标准；流域场镇发展对水体生源要素的浓度影响显著，黑水滩河流域水体流经场镇前后，各形态碳、氮、磷浓度均明显增加，且沿程的场镇格局带来的污染有明显的累积效应，从源头断面S1-1到干流入江口S4，水体TOC、TN和TP浓度增幅高达207.7%、208.0%和101.8%；无场镇分布的河段，水体碳变化不大，而氮、磷呈不同程度降低，因此黑水滩河干流水体碳含量自上游向下游呈“阶梯式”增长，而氮、磷则呈“波动式”增长. 流域场镇发展显著改变水体有机碳和营养盐的空间分布，且给河流自净带来了较大的压力，在未来水环境治理中需要得到关注.

2)流域水体各形态有机碳季节波动不大，春秋季略高于冬夏季；不同形态的氮、磷浓度季节波动较大，雨季(夏秋季)低于旱季(春冬季)，降雨导致径流增加，带来的水体氮、磷稀释效应是这种季节模式的主要驱动力；黑水滩河流域水体各营养盐浓度在春季均较高，具有较大的水华暴发风险. 总体上，黑水滩河碳、氮、磷季节变异受到降雨、山地河流水文活动等因素综合影响.

3)本研究中，黑水滩河表层水体氮污染严重，磷污染较低，两者均超过发生富营养化条件，但叶绿素a与TN、TP浓度无显著相关性，主要是山地河流流速较快，不利于藻类的生长和繁殖. 河流富营养化综合指数表明，黑水滩河干、支流各监测断面全年属于富营养状态以上，受外源污染物输入影响，各监测断面营养状态分布特征与碳、氮、磷一致. 因此，需建立完善沿河场镇的污水处理系统，严格做到控源截污，减轻入库污染负荷.

4)初步估算，黑水滩河每年向三峡水库输入碳、氮、磷总量达到4057、1001和47 t/a，尽管水体污染水平低于重庆地区大多数城市污染的河流，但流域场镇发展带来的河流水体连续污染物积累对三峡水库水环境安全的威胁仍需予以重视.