亚热带地区典型水库流域氮、磷湿沉降及入湖贡献率估算

余博识，梁 亮，郑丹萍，刘会萍，童秀华，唐华峰，徐克铭

(1：浙江省绍兴市汤浦水库有限公司，绍兴 312364)(2：浙江省舟山开源供水有限责任公司，舟山 316021)(3：浙江省绍兴市公用事业集团有限公司，绍兴 312000)

现代工业的快速发展、农业化肥的大量应用、生物质燃烧和高密度人口的经济社会活动，释放了大量的氮磷化合物和颗粒物[1-2]. 在重力作用下，大气中水溶性或颗粒态氮磷被雨、雪、雹等降水过程冲刷至地面进入生态系统，并伴随着土壤侵蚀，加剧河流、湖泊和水库等水体的富营养化[2-3]. 因此，作为流域非点源污染因素之一的大气氮、磷湿沉降及其生态环境效应引起了广泛关注.

汤浦水库作为虞绍平原重要饮用水源地之一，担负着杭州湾大湾区建设的部分水源供给，水质保证是汤浦水库的生命线. 为探索大气氮、磷污染占水库外源污染输入的比重，本文在汤浦水库上游4个乡镇的主要3条入库溪流中部设置大气湿沉降采样点4处，溪流汇入口设置水质采样点3处. 对流域内大气湿沉降及入库溪流营养情况进行初步观测，分析大气湿沉降中氮的数量、形态，研究氮、磷输入的时空分布规律，估算湿沉降对汤浦水库水体氮、磷负荷的直接和间接贡献量，为流域水质管理提供科学依据.

1 研究区域概况与研究方法

1.1 研究区域概况

研究区为浙江省绍兴市汤浦水库流域，汤浦水库坝址位于小舜江下游的绍兴市上虞区汤浦镇，控制流域集水面积460 km2，水库水域面积13.64 km2. 汇入水库的河流主要有南溪、北溪、王化溪和万乔溪，其中南溪、北溪在库前汇成双江溪. 双江溪、王化溪和万乔溪的入库流量占水库总径流量的比例分别为75.4%、13.3%和4.3%. 流域平均海拔高度263.5 m，土壤类型主要为红壤，土地利用方式主要包括林地、水田、旱地、茶园和果园，原始山林占流域面积的75%. 流域多年平均气温17.1℃，平均降水量1530 mm. 汤浦水库流域属亚热带季风性气候区，四季分明，光照充足，雨量丰沛，温暖湿润. 由于处于中亚热带与北亚热带的过渡区，且地形较复杂，小气候差异明显，降雨量季节分配不均匀，其中3-9月7个月的雨量占全年降水量的80%，梅雨季平均每年6月中旬入梅，7月上旬出梅，雨量相对集中；秋季常受台风影响，形成暴雨事件. 流域2014年和2015年属于丰水年，年降雨量分别为1711和1991 mm. 王化点位地处谷地的村落中心，北部、南部均有较大面积农田，两边有百米山体；王坛点位西部为山林，东部为湿地，地势较低，属于盆地边缘，离集镇和农田有1 km的距离，集镇发达，污染物不易扩散；稽东点位东部为山林，西部为农田和集镇，位于集镇边缘；谷来点位周边为开垦山地，从事农业种植、经济苗木种植等，地势较高，位于半山腰，西部200 m为村落，东部1 km为集镇. 4个雨样点附近均有公路穿过.

图1 汤浦水库流域采样点分布Fig.1 Distribution of sampling sites in Tangpu Reservoir Basin

1.2 采样点设置与样品分析

在汤浦水库流域综合考虑了流域范围、空间分布及采样便利等因素，在上游4个乡镇，主要干流中部，分别设置了具有代表性的大气氮、磷湿沉降采样点共4个(图1)，在屋顶设置人工雨量计，依据天气预报，在降雨前打开雨量计的盖子，人工采集雨水样品. 于次日将收集到的满足检测用量(>500 mL)的雨水样品转移到2.5 L聚乙烯塑料壶中，同时采集入库溪流(南溪、北溪、王化溪)水样各2.5 L，送往检测单位检测. 2014年1月-2015年12月共采集大气湿沉降样品60个，溪流样品48个. 每月还另外采集一次溪流样品进行检测，样品共72个. 面雨量数据来自汤浦水库公司自有雨量自动监测系统，由9个监测点位按各自权重综合所得.

1.3 数据处理

氮、磷湿沉降通量的计算公式[23]为：

F=∑(R·C)/100

(1)

式中，F为氮、磷的年湿沉降通量(kg/(hm2·a))，R为年内逐月降雨量(mm)，C为雨水中TN、TP浓度(mg/L).

氮、磷湿沉降输出量的计算公式为：

P=∑(μ·F1·S1/10)+∑(F2·S2/10)

(2)

式中，P为湿沉降输出的营养物量(t)；F1为月湿沉降通量(kg/(hm2·a))；S1为上游流域面积(km2)；F2为月水面湿沉降通量(kg/(hm2·a))；S2为水域面积(km2)；μ为流失系数.

数据采用Excel 2016软件整理，采用Origin 2018软件作图，地图采用ArcGIS 10.2软件绘制.

2 结果与分析

2.1 湿沉降氮、磷浓度

2014-2015年汤浦水库流域各采样点雨水TN浓度范围为0.15～2.47 mg/L，平均值为1.02±0.58 mg/L；TP浓度范围为0.005～0.112 mg/L，平均值为0.033±0.028 mg/L(图2). 氮湿沉降通量约为18.15 kg/(hm2·a)，低于本地区临界负荷[24]，磷湿沉降通量约为0.62 kg/(hm2·a).

图2 2014-2015年汤浦水库流域各采样点雨水的总氮和总磷浓度(图中横线从下至上分别表示5%、25%、50%、75%、95%分位数；为平均值)Fig.2 Concentrations of total nitrogen and total phosphorus in rainwater at each site of Tangpu Reservoir Basin from 2014 to 2015

2.2 入库主要溪流氮、磷营养特征

汤浦水库水环境保护的目标水质为Ⅱ类，《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中基本项目标准限值对应的TN和TP限值分别为0.5和0.025 mg/L，大气湿沉降中氮、磷平均浓度分别是该标准限值的2.04和1.32倍，湿沉降TN平均浓度达到该标准的Ⅳ类，TP平均浓度达到该标准的Ⅲ类. 径流氮、磷平均浓度分别是该标准限值的5.88和2.4倍，按该评价标准，径流TN平均浓度为劣V类，TP平均浓度为Ⅳ类. 径流及湿沉降的高浓度氮、磷输入对汤浦水库水环境，特别是水体富营养化会产生一定的影响.

图3 2014-2015年汤浦水库流域主要入库溪流氮、磷浓度Fig.3 Concentration of nitrogen and phosphorus in the main streams of Tangpu Reservoir Basin from 2014 to 2015

2.3 雨水氮化学形态特征

表1 汤浦水库流域雨水氮浓度及形态组成

2.4 湿沉降氮、磷浓度的时空变化特征

图4 汤浦水库流域湿沉降氮、磷浓度的季节性变化(*P≤0.05，**P≤0.01，***P≤0.001；Fisher’s LSD检验)Fig.4 Seasonal changes of nitrogen and phosphorus concentration in the wet deposition of Tangpu Reservoir Basin

2.5 氮、磷湿沉降对汤浦水库直接贡献率的估算

表2 不同湖面湿沉降总氮和总磷年度沉降总量占入湖总负荷比例的比较

2.6 氮、磷湿沉降对汤浦水库间接贡献率的估算

间接贡献率是从流域角度考虑氮、磷收支，输入项目包括：大气沉降、化肥施用、生物固定、饲料输入等；输出项目包括：地表径流、淋失、氨挥发、反硝化、产品输出等[39]；土壤库属于多年积累的本底内源. 其中氮、磷湿沉降属于流域营养输入元素之一，河流入库污染负荷量则是流域输出元素之一.

表3 不同流域湿沉降来源的总氮和总磷年度输出量占入湖(河流)负荷比例的比较

土壤对磷有较强的吸附能力，为0.3～0.6 mg/g[41]，在降雨的过程中由于降雨侵蚀和径流侵蚀，会增加土壤中颗粒态磷的流失. 在对长乐江流域不同污染源分析表明大气磷沉降占污染物输入(投排放)总量的1%[17]. 在对江西千烟洲香溪流域进行磷沉降研究认为，P沉降输出系数为0.06%～0.15%[1]. 根据全国污染源普查数据，南方山地丘陵区肥料中TP流失系数为0.072%～1.547%[54]. 我们假设磷湿沉降也是一种肥料，将TP流失系数取1.547%，则流域大气湿沉降源的磷流失量为1.25 t，约占河流输出TP负荷的4.6%，明显高于表3中千烟洲香溪流域和长乐江流域，略低于表3中漕桥河流域和杭嘉湖流域.

3 结论与展望

2)在时间尺度上，雨水氮、磷浓度呈现明显的季节性差异，总体而言，汤浦水库流域雨水氮、磷浓度表现出冬、春季(少雨季)高于夏、秋季(多雨季)的特点. 空间上，王化点位的各形态氮和TP浓度显著高于其他3个采样点.

3)氮、磷湿沉降占河流入库负荷的直接贡献率和间接贡献率均低于10%，间接贡献率较直接贡献率增幅有限. 因此在河湖长制工作的外源污染物治理中，需定期收集掌握不同土地利用类型等多污染源的数量变化动态，分析各污染源的贡献率，甄别重点污染，针对性地开展工程修复措施.

本文所收集的大气湿沉降基本可反映当时区域内湿沉降的时空变化，但仍有许多不足. 大气湿沉降营养通量受影响因素较多，需结合气象条件多年跟踪分析，并排除偶然性影响. 未来可引进湿沉降自动采样装置，弥补人工采样的不足. 对于洪水期流域营养输出应加密水质监测频次. 引入河流自净量，结合降雨强度，利用SWAT等分析模型，更科学地开展估算分析.

致谢：感谢斯坦福大学余继业老师、温州大学李仁辉老师、绍兴文理学院王斌梁老师等在论文修改中提供的帮助.