抚仙湖入湖河流氮磷的时空分布特征

杨鑫鑫，朱兆洲，张 晶，李 硕

（1.天津师范大学 天津市水资源与水环境重点实验室，天津300387；2.天津师范大学 地理与环境科学学院，天津

300387）

湖泊富营养化是全球普遍存在的环境灾害. 亚洲、非洲、北美洲、南美洲和欧洲分别有54%、28%、48%、41%和53%数量的湖泊受到了不同程度的富营养化影响[1].我国湖泊富营养化问题尤为严重，70%以上数量的湖泊呈富营养化状态[2]. 湖泊富营养化的营养元素氮磷的来源主要分为外源和内源，河流外源输入对湖泊富营养化造成的影响更为普遍和严重[3-5].在湖泊流域系统中，河流水体携带着氮磷等营养物质进入湖泊，这部分营养物质在风力和密度梯度等物化作用下与湖水混合，直接造成水体污染；同时，这些污染物又可通过沉积作用和矿化作用成为湖泊内在污染源，造成湖泊二次污染[6-7].因此，入湖河流中元素氮、磷的相关研究是整个湖泊系统水体富营养化研究的重要组成部分.

抚仙湖位于我国西南云贵高原，是我国最重要的战备水源地，储水量2.062×1010m3，占全国淡水湖泊总蓄水量的9.16%.抚仙湖理论换水周期长达167 a，生态系统简单脆弱，一旦污染将很难治愈[8].前期抚仙湖富营养化的研究工作主要集中在湖泊水体本身，有关入湖河流对抚仙湖水体影响的研究较少[9-12].从已开展的研究工作来看，抚仙湖中氮磷含量较20 世纪80年代有了非常显著的增加[13-14]，因此针对抚仙湖的富营养化问题亟需进一步深入开展研究工作.本研究主要对抚仙湖入湖河流水体中氮磷元素的形态组成、空间分布特征、月负荷变化以及氮磷比的时空分布特征进行分析，以期揭示抚仙湖主要入湖河流氮磷对湖泊富营养化的影响及贡献，为抚仙湖富营养化的防治提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 流域特征和样品采集

抚仙湖（24°17′～24°37′N，102°49′～102°57′E）位于云南省中部，属南盘江水系，湖面呈南北向的葫芦形，流域面积1053.0 km2，湖面面积212.5 km2，最大水深158.9 m，平均水深95.2 m.当地气候属于中亚热带半湿润季风气候，流域内常年平均气温15.6 ℃，7 月最高平均气温20.5 ℃，1 月最低平均气温8.3 ℃；多年平均降水量为948.1 mm，降水主要集中在5—10 月[15].抚仙湖入湖河流包括山冲河、隔河、梁王河、东大河、代村河、世家大河、蒿支箐河、牛摩河、尖山河、路岐河和马房中沟河等主要入湖河流以及其他数条长度相对较短、径流量较小的河流，海口河是抚仙湖唯一的泄水口.

本研究根据抚仙湖入湖河流的分布，于2017 年1月至2017 年12 月系统采集了东大河、代村河和梁王河等12 条主要河流的水样，采样点分布情况如图1所示.现场使用多功能水质参数仪（YSI-EXO2）测定pH 值、电导等水质参数.水样采集后，样品在3 ～5 ℃条件下冷却保存于聚乙烯瓶中.样品用浓硫酸分别酸化至pH ＜2 和pH ＜1，用于24 h 内测定总氮和总磷的质量浓度.另取部分样品现场过滤，用于测试其他不同形态氮和磷的质量浓度.

图1 抚仙湖入湖河流采样点Fig.1 Sampling sites of inflow rivers of Fuxian Lake

1.2 分析和计算方法

总氮的质量浓度ρTN和溶解态总氮的质量浓度ρDTN采用碱性过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定；氨氮的质量浓度采用纳氏试剂光度法测定；硝氮的质量浓度和采用离子色谱法测定；由于极低，故在本文计算时忽略不计.颗粒态氮的质量浓度ρPN、溶解态无机氮的质量浓度ρDIN和溶解态有机氮的质量浓度ρDON分别为

式（4）和式（5）中：ρDIP为溶解性无机磷，即溶解性正磷酸盐（PO43--P）的质量浓度.

入湖河流TN 和TP 的负荷为

式（6）中：Wij为i 年j 月环湖河流TN 或TP 负荷（t/a）；Cij为i 年j 月河流入湖口ρTN或ρTP的平均值（mg/L）；Qij为i 年j 月水量的平均值（m3/s），负荷计算方法参考文献[3].

2 结果与讨论

2.1 入湖河流氮磷质量浓度的空间变化

图2 为抚仙湖主要入湖河流不同形态氮的空间变化图.

图2 抚仙湖入湖河流氮质量浓度的空间变化Fig.2 Spatial variation of nitrogen concentrations in inflow rivers of Fuxian Lake

由图2 可以看出，抚仙湖入湖河流ρTN为2.37～10.90 mg/L，平均值为5.23 mg/L；最高值出现在梁王河，为10.90 mg/L；最低值出现在尖山河，为2.37 mg/L.ρDTN为2.23～7.85 mg/L，平均值为4.05 mg/L；其中梁王河最高，质量浓度为7.85 mg/L；最低值出现在尖山河，质量浓度为2.23 mg/L. ρPN为0.13～3.05 mg/L，平均值为1.18 mg/L；最高值出现在梁王河，质量浓度高达3.05 mg/L；隔河最低，为0.13 mg/L. ρDIN为1.32～5.42 mg/L，平均值为3.12 mg/L；最高值和最低值分别出现在世家大河和尖山河，质量浓度分别为5.42 mg/L 和1.32 mg/L.ρDON为0.02～3.14 mg/L，平均值为0.93 mg/L；最高值和最低值分别出现在梁王河和东大河；质量浓度分别为3.14 mg/L和0.02 mg/L.从以上数据可以看出，抚仙湖入湖河流的TN 以DTN 为主，DTN 质量占TN 质量的77.33%；PN的质量浓度明显低于DTN 的质量浓度，PN 质量占TN质量的22.67%.DTN 中DIN 为最主要的赋存形态，其质量占TN 质量的59.54%；DON 的质量浓度低于DIN的质量浓度，DON 质量占TN 质量的17.84%.参照《地表水水质标准》（GB3838-2002）可以发现[16]，抚仙湖所有出入湖河流的TN 严重超标，最低质量浓度均高于2 mg/L，属于劣V 类水体.

图3 为抚仙湖主要入湖河流不同形态磷的空间变化图.

图3 抚仙湖入湖河流磷质量浓度的空间变化Fig.3 Spatial variation of phosphorus concentrations in inflow rivers of Fuxian Lake

由图3 可以看出，抚仙湖入湖河流ρTP为0.12～7.33 mg/L，平均值为0.86 mg/L；其中代村河TP 的质量浓度最高，为7.33 mg/L；最低值出现在梁王河，质量浓度为0.12 mg/L. ρDTP为0.02～0.92 mg/L，平均值为0.19 mg/L；代村河质量浓度最高，为0.92 mg/L；梁王河最低，质量浓度为0.02 mg/L.ρPP为0.03～6.41 mg/L，平均值为0.68 mg/L；代村河最高，质量浓度为6.41 mg/L；马房中沟河最低，质量浓度为0.03 mg/L. ρDIP为0.003～0.70 mg/L；平均值为0.13 mg/L；最高值为0.70 mg/L，出现在代村河；最低值出现在世家大河和海口河，质量浓度均为0.003 mg/L.ρDOP为0.001～0.22 mg/L，平均值为0.06 mg/L；代村河最高，质量浓度为0.22 mg/L；梁王河最低，质量浓度仅为0.001 mg/L.从以上数据可以看出，抚仙湖入湖河流PP 对TP 的贡献高于DTP 的贡献，PP 在TP 中的质量分数为78.43%，DTP 在TP 中的质量分数为21.57%.DTP 中，DIP 为主要赋存形态，其质量占TP质量的14.56%；DOP 质量占TP 质量的7.01%.参照《地表水水质标准》（GB3838-2002）可以发现[16]，蒿芝箐河、梁王河、尖山河、牛摩河和隔河的ρTP为0.1～0.2 mg/L，属于Ⅲ类水；世家大河、海口河、东大河和路歧河的ρTP为0.2～0.3 mg/L，属于Ⅳ类水；代村河、山冲河和马房中沟河的ρTP大于0.4 mg/L，属于劣V 类水体.

由上述研究结果可以看出，抚仙湖入湖河流氮磷的分布具有较明显的区域性差异，这主要是因为各条河流污染物来源不同.抚仙湖入湖河流氮磷污染主要包括以下4 种来源：①农村农业面源污染.受该类型污染的河流流域土地类型以农业用地为主，农业活动中施用大量的氮肥、磷肥或复合肥，未被农作物吸收的化肥随着灌溉用水和雨水进入河流[17].受农业面源污染影响较大的河流包括梁王河、山冲河、世家大河、路岐河、牛摩河、尖山河和蒿芝箐河.此外，抚仙湖是我国一个重要的旅游集散地，梁王河、牛摩河、山冲河和马房中沟河流域人口密集，旅游人口较多，且家庭多散养禽畜，农村生活污水排放和禽畜粪也是河流重要的污染来源[18-20].②城镇生活污水污染.海口河是抚仙湖唯一的泄水河，该河流的TN 质量浓度和TP 质量浓度比抚仙湖湖体的质量浓度分别高约8 倍和5 倍[21]，这主要是因为该河流位于海口镇，接受大量的城镇生活污水，因此TN 和TP 严重超标.值得注意的是，由于近年来抚仙湖湖泊水位的持续下降，该河流在降水期有明显的河水倒灌入湖现象，因此该河流的污染防治不容忽视.③磷矿开发带来的污染.由于帽天山磷矿早期的开采活动不够规范，形成了大面积的裸露地，表面暴露的大量富磷矿体随雨水进入河流，造成河流中磷的质量浓度严重超标[22].受该类型污染的代表性河流为代村河.④来自于姊妹湖泊的污染源.抚仙湖南岸只有一条入湖河流—隔河，该河流是相邻湖泊星云湖唯一的泄水口.由于星云湖是严重的富营养化湖泊[23]，它对抚仙湖的富营养化具有严重影响.因此，星云湖应该与抚仙湖同时同步进行氮磷的污染防治工作.

2.2 入湖河流氮磷负荷的月变化

图4 为抚仙湖入湖河流不同形态氮负荷的月变化特征图.

图4 抚仙湖入湖河流氮负荷的月变化Fig.4 Monthly variation of nitrogen loads in inflow rivers of Fuxian Lake

根据计算可知，抚仙湖全年TN 负荷约为397.12t/a；丰水期（6—10 月）河流月负荷量较高，为341.36 t，占全年负荷的85.96%；枯水期（11 月至次年5 月）负荷相对较低，为55.76 t，占全年负荷的14.04%.TN 月负荷最高值出现在6 月，占全年负荷的34.94%；最低值出现在4 月，占全年负荷的0.58%.DTN、DIN 和DON的年负荷量分别为347.46、267.35 和80.11 t/a，占TN年负荷的97.49%、67.32%和20.17%.这3种形态的氮月负荷量变化特征与TN 负荷相同，即丰水期的负荷量远高于枯水期；月负荷最高值和最低分别出现在6 月和4 月.PN 年负荷量为49.66 t/a；丰水期负荷量为39.54 t，占全年负荷的79.62%；枯水期负荷量为10.12 t，占全年负荷的20.38%；与其他形态氮略有不同，该年度PN 月负荷最高值出现在10 月，占全年负荷的37.20%；最低值出现在2 月，仅占全年负荷的0.04%.

图5 为抚仙湖入湖河流不同形态磷负荷的月变化特征图.

图5 抚仙湖入湖河流磷负荷的月变化Fig.5 Monthly variation of phosphorus loads in inflow rivers of Fuxian Lake

根据计算可知，抚仙湖入湖河流全年TP 负荷35.83 t/a；丰水期TP 负荷较高，为28.92 t，占全年TP负荷的80.72%；枯水期TP 负荷较低，为6.91 t，占全年TP 负荷的19.28%.TP 月负荷最高值出现在6 月，为8.81 t，占全年负荷的24.59%；4 月负荷量最低，为0.44 t，占全年负荷的1.23%.PP 年负荷量为25.43 t/a，占TP 全年负荷量的70.99%，其中丰水期负荷量为21.92 t，枯水期为3.51 t.PP 的月负荷变化趋势和TP月负荷变化特征一致，最高值和最低值出现在6 月和4 月，分别占全年负荷的26.81%和1.26%. DTP、DIP和DOP 年负荷量为10.40、7.02 和3.38 t/a，分别占TP总负荷量的29.01%、19.59%和9.43%；与TP 和PP 月负荷不同，这3种形态的月负荷最高值和最低值分别出现在7 月和11 月.由以上分析可以看出，丰水期抚仙湖入湖河流氮磷月负荷相对较高，枯水期相对较低；氮向抚仙湖的输入以DTN 为主，磷向抚仙湖的输入以PP 为主.

抚仙湖入湖河流的氮磷月负荷变化与河流的径流量和氮磷质量浓度2 个因素有关.一方面，抚仙湖入湖河流多为季节性河流，丰水期雨水充沛，流域内的降水携带着大量的营养物质，通过径流进入河流中；另一方面，大气降水增加了入湖河流的径流量，增强了河道的冲刷和运输能力，使部分河道及流域土壤中的部分营养物质进入河流，增加了氮磷负荷量，这也是流域内工农业和生活污染物进入河流的主要途径之一[24].相反，枯水期降水变少，河流流量减少，其冲刷和运输能力大大降低，流域内氮磷进入水体的负荷量变少[25].从各形态氮月负荷量看，DTN 是最主要的形态，这可能是因为农业施肥中氮素以铵态氮为主，降水加速了土壤中铵态氮的流失[26]，增加了河流中DTN 的负荷.因此，控制农业污染中的氮元素是防治河流中氮污染的关键步骤.由各形态磷月负荷量看，PP 是最主要的形态，这是因为土壤吸附磷能力较强，部分区域农业土壤中PP 流失占磷流失的比例高达75%[27]，雨水形成的径流冲刷是磷流失的主要途径[28-32].因此，磷的控制首先应考虑控制丰水期河流中的颗粒物含量.

2.3 入湖河流氮磷比的时空分布

影响水体富营养化的因素中，除了氮磷含量外，TN/TP（质量浓度比）也是一个非常重要的因素.它不仅可以反映湖泊营养物质的限制特征，还可以影响浮游植物的数量和种类.利用TN/TP 年负荷量比值评估水体营养化的标准可分为3 类[33]：当TN/TP 低于10时，氮元素是浮游植物生长的限制性因素；当TN/TP 为10～23 时，水体环境适宜浮游植物生长；当TN/TP 为23～30 时，磷元素是浮游植物生长的限制性因素.本文研究的主要河流中除代村河、梁王河和蒿芝箐河外，其余河流的TN/TP 均为10～23，即适于浮游植物生长.代村河的TN/TP 仅为0.70，不利于浮游植物生长，这主要是由于该河流受帽天山磷矿开采的影响，水体中TP 含量非常高.蒿芝箐河的TN/TP 为25，氮是水体富营养化的控制元素.梁王河的TN/TP 为89，这主要是因为梁王河是抚仙湖北部第一大河流，该流域人口密集，受农村农业氮肥污染严重[16].从时间分布来看，6 月和10 月的TN/TP 分别为30 和34，该时期由于氮素含量较高，不利于浮游植物生长；2 月和12 月的TN/TP均为8，磷是河流富营养化的控制因素；其他月份TN/TP 均为10 ～23，适宜浮游植物生长.本文研究的所有入湖河流的TN/TP 年负荷量比值为11.08，处于适宜浮游植物生长的区间，因此入湖河流对抚仙湖氮磷的输入促进了湖泊富营养化进程，需重点防治.

3 结论

本文通过分析环抚仙湖主要入湖河流水体中不同形态氮、磷的质量浓度及其时空分布特征、氮磷负荷的月变化和氮磷比的时空分布特征，得到以下结论：

（1）抚仙湖入湖河流ρTN为2.37 ～10.90 mg/L，平均值为5.23 mg/L.DTN 质量占TN 质量的77.33%，是最主要的赋存形态；PN 的质量分数相对较小. DTN 中DIN 的质量浓度明显高于DON.入湖河流ρTP为0.12 ～7.33 mg/L，平均值为0.86 mg/L.PP 质量占TP 质量的78.43%，是磷的主要赋存方式，DTP 的质量分数相对较小.DTP 中以DIP 为主，DOP 质量浓度较低.

（2）抚仙湖入湖河流TN 年负荷量为397.12 t/a，TP 年负荷量为35.83 t/a.总氮和总磷向抚仙湖的输入集中在丰水期，分别为341.36 t 和28.92 t；枯水期入湖河流氮磷的月负荷相对较低. 氮向抚仙湖的输入以DTN 为主，平均贡献率为87.49%，磷向抚仙湖的输入以PP 为主，平均贡献率为70.97%.

（3）抚仙湖主要入湖河流TN/TP 的年负荷量比值为11.08，适宜浮游植物生长.入湖河流对抚仙湖氮磷的输入促进了湖泊富营养化进程.