赣江对鄱阳湖氮浓度影响及相关性分析

＊欧阳小军 盛文涛

（1.江西碧水源科技发展有限公司 江西 330038 2.江西中北环保技术有限公司 江西 330000）

湖泊富营养化是我国乃至全世界面临的重要环境问题。随着经济快速发展，河流和湖泊中的污染物种类和浓度大幅度增加，这些污染物使水环境中氮、磷元素及其营养盐物质含量增加，从而导致河流和湖泊中水生生物以及藻类的过度繁殖，引发了湖泊水体富营养化等问题[1-2]，对生态环境产生了严重的破坏。湖泊和流域以河流作为通道连接，河流为它们输送了大量的水源，河流水体的污染也会导致湖泊和流域的水体恶化[3]。因此通过对入湖河流和湖泊本身各指标的研究与评价，可以对湖泊污染情况以及对其防治提供科学依据。

鄱阳湖为吞吐型湖泊，其水体主要来自于五大支流[4]，水量约占长江径流总量的16%，鄱阳湖水质状况在全国生态环境的建设以及长江沿线流域水资源的维护治理具有极其重要的地位[5]。其中赣江输入鄱阳湖水量约占总输入的55%，赣江水质状况对鄱阳湖水质有直接的影响[6]。近年来，随着赣江流域经济的发展，赣江水体受到工业、农业和生活等多种途径的污染，水质日益恶劣，水体氮、磷浓度已达到一定的程度[7]。鄱阳湖水质也不容乐观，目前鄱阳湖多数区域出现IV类水体，局部区域出现V类水体，主要超标项目为氮磷物质，氮磷的超标致使鄱阳湖一直面临着富营养化的威胁[8-9]。本文以鄱阳湖和赣江为研究对象，其中赣江为入鄱阳湖最大水量的支流，采集分析2015-2019年连续五年南北鄱阳湖和赣江入湖口水样，通过计算赣江和鄱阳湖氮营养盐负荷，分析得出赣江与鄱阳湖的氮营养盐特征；并且采用相关性分析方法，探究了赣江水体对鄱阳湖氮营养盐浓度和负荷的影响以及相关性，研究成果以期为鄱阳湖富营养化控制和水环境保护提供理论依据。

1.材料与方法

(1)研究区域

鄱阳湖位于江西省北部（北纬28°22′-29°45′，东经115°47′-116°45′），地处九江、南昌、上饶三市，是中国第一大淡水湖，也是中国第二大湖，仅次于青海湖。湖区以松门山为界分为南北两部分，南面水域宽广水流缓慢，北面为入江水道水流较快。湖泊面积在平水位（14m-15m）时为3150km2，在高水位（20m）时为4125km2以上，在低水位（12m）时仅为500km2。年平均降水量1570mm，6-8月盛行南风或偏南风，大风多发生于小暑前后，其余各月多为北风或偏北风。

赣江（北纬24°29′-27°09′，东经113°54′-116°38′之间）是长江主要支流之江西省最大河流，也是鄱阳湖五大支流之首。长766km，流域面积83500km2，多年平均流量2130m³/s，入湖水量约占鄱阳湖水量40%-50%。赣江具有丰富的土地、森林、矿产资源，是江西主要水产基地之一。赣江流域沿岸已经形成了众多产业带，其对江西省生态文明建设和经济发展起到了至关重要的作用。

(2)样品采集

根据赣江和鄱阳湖地理环境及湖区水域流向特征，于2015-2019年逐月定期在赣江和鄱阳湖南、北湖区布点采样。其中，南鄱阳湖布点64个，北鄱阳湖布点22个，赣江以外洲作为入湖口断面进行布点（图1）。在水面以下0.6m处采集水样，并加入H2SO4酸化保存，现场采集完成后在实验室进行处理分析样品。

图1 采样布点图Fig.1 sampling point map

(3)研究方法

主要测定总氮（TN）、铵氮（NH4+-N）、硝酸盐氮（NO3--N）。各指标含量的测定均遵循国家标准，其中TN按照HJ636-2012规定的方法进行测定，采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法；NH4+-N按照HJ 535-2009规定的方法进行测定，采用纳氏试剂分光光度法；NO3--N按照HJT 346-2007规定的方法进行测定，采用紫外分光光度法。

数据统计分析及制图采用R语言软件和SPSS软件进行。

负荷计算采用下列方法，此方法主要强调了非点源污染情况以及径流量在评价整体中的作用。研究对象为赣江和鄱阳湖，存在点源与非点源复合污染或者非点源占主要污染的情况，污染物浓度和流量具备正相关关系。因此赣江和鄱阳湖负荷评价适合用该方法[10]。

式中，WD为时段通量；n为时段内的监测次数；K为时段转换系数；Ci为第i次监测时污染物监测的浓度；Qp为第p次监测时的水量。

2.结果与讨论

(1)赣江与鄱阳湖水质水量状况

根据表1可知，2015-2019年赣江TN浓度年均值为1.71-2.30mg·L-1；南鄱阳湖TN浓度年均值为0.77-1.08mg·L-1；北鄱阳湖TN浓度年均值为1.42-1.82mg·L-1，都表现出了逐年上涨的趋势，并且赣江入湖口浓度上升量和上升率最大,分别为0.59mg·L-1和34.5%。在不同形态的氮中，NH4+-N浓度年均值为0.49-0.73mg·L-1、0.24-0.40mg·L-1、0.40-0.50mg·L-1；NO3--N浓度年均值为1.20-1.50mg·L-1、0.50-0.63mg·L-1、0.87-1.13mg·L-1。NO3--N浓度与NH4+-N浓度最大值均发生在2019年。NH4+-N浓度上升量表现为赣江（0.24mg·L-1）＞南鄱阳湖（0.16mg·L-1）＞北鄱阳湖（0.10mg·L-1）；NO3--N浓度上升量表现为赣江（0.3mg·L-1）＞北鄱阳湖（0.26mg·L-1）＞南鄱阳湖（0.13mg·L-1）。赣江南鄱阳湖和北鄱阳湖NO3--N浓度对TN的占比大于NH4+-N对TN占比，NH4+-N浓度占比范围分别为29%-33%、32%-37%、26%-30%，均值分别为31%、34.5%、28%，NO3--N浓度对TN浓度占比范围分别为61%-75%、53%-65%、52%-60%,均值分别为68%、59%、56%。氮营养浓度年均值总体表现为赣江＞北鄱阳湖＞南鄱阳湖。

表1 2015-2019年赣江与南北鄱阳湖TN、NH4+-N和NO3--N浓度均值Tab.1 Mean values of TN,NH4+-N and NO3--N in Ganjiang River and North and South Poyang Lake in 2015-2019

根据表2，从整体来看，赣江TN月平均浓度均值在1.44-3.10mg·L-1，NH4+-N浓度在0.30-0.85mg·L-1，NO3--N浓度在0.79-1.92mg·L-1；鄱阳湖（含南北湖）TN平均浓度均值在1.58-4.20mg·L-1，NH4+-N浓度在0.28-0.90mg·L-1，NO3--N浓度在0.91-2.04mg·L-1。从月份来看，TN和NH4+-N、NO3--N，浓度呈现7、8月份较低，12月份和1月份相对较高的趋势。赣江与南北鄱阳湖氮营养盐月平均浓度均值总体表现为为赣江＞北鄱阳湖＞南鄱阳湖。

表2 2015-2019年赣江与南北鄱阳湖TN、NH4+-N和NO3--N月平均浓度均值*Tab.2 Mean average mean values of TN,NH4+-N and NO3--N in the Ganjiang River and the North and South Poyang Lakes from 2015-2019

根据图2，2015-2019年赣江入湖与鄱阳湖出湖流量分别在545-6380m³/s和1730-15200m³/s。赣江水量约占鄱阳湖水量40%，10-2月份赣江和鄱阳湖水量相对其他月份低，最小值一般出现在1月份，5-7月份水量相对其他月份水量较高,最大值一般出现在6月份。

图2 2015-2019年赣江与鄱阳湖月均流量Fig.2 2015-2019 Ganjiang and Poyang Lake monthly average flow in the past five years

(2)赣江与鄱阳湖不同时段氮营养盐含量变化原因

赣江、鄱阳湖在2015-2019采样年间氮营养盐含量均表现出增长趋势。赣江TN、NH4+-N和NO3--N浓度增长率分别为35%、49%和25%，南鄱阳湖TN、NH4+-N和NO3--N浓度增长率分别为40%、67%和26%，北鄱阳湖表现为28%、25%、30%，赣江氮营养盐增长浓度大于南北鄱阳湖增长浓度。

从整体上看，赣江对鄱阳湖氮营养盐浓度增长起到了主要作用，赣江入鄱阳湖氮营养盐的形态主要为NO3--N。赣江流域面积约占鄱阳湖流域的50%，其流入鄱阳湖的水量在各支流占比最大。随着经济的发展，赣江流域人口、工业、农业等活动增加，产生了大量的污水，致使赣江水环境中氮及氮营养盐的浓度大幅度上涨，导致鄱阳湖水体氮营养盐浓度上升。

从氮的不同形态来看，2015-2019年赣江NO3--N的增长浓度大于NH4+-N的增长浓度，NO3--N浓度均值在TN中的占比也大于NH4+-N占比。主要原因是赣江流域氮营养盐污染物主要形态为氨氮，但由于赣江面积和水量大，水体自净能力强，在赣江水流入鄱阳湖的过程中，水体中的NH4+-N逐渐被氧化为NO3--N[11]，使得赣江自身的NO3--N浓度均值占比多出NH4+-N浓度均值占比30%左右，也导致流入鄱阳湖的氮营养盐的形态主要为NO3--N，这也是鄱阳湖NO3--N浓度大于NH4+-N浓度的原因。

从月份来看，赣江流入鄱阳湖的TN、NH4+-N和NO3--N各物质浓度随季节变化而改变且变化规律表现不同。整体的变化规律为：处于丰水期时，流入氮营养盐的浓度会减小；处于枯水期时，流入氮营养盐的浓度会增加。丰水期前期（5、6月份），此阶段降雨量不断增多，积累的雨水形成冲刷作用将地面上原先存在的含氮营养盐类物质带入到赣江中，致使TN浓度在5月份达到了2.37mg·L-1；丰水期后期（7、8月份），此阶段雨量并没有减少，但是地面上大量的含氮营养盐类物质已经在丰水期前期被带入到了赣江中，大量雨水汇入稀释了赣江氮营养盐整体的浓度[12]，同时水体中反硝化作用也使得赣江氮营养盐浓度降低，氮元素产生了更多的损失[13]，赣江氮营养盐浓度从2.37mg·L-1降低至1.66mg·L-1，下降幅度较大。枯水期期间（11、12、1月份），此阶段降雨量不断减小，稀释作用较之前减弱。并且植物在冬季基本上已经停止生长，反硝化作用变弱，吸收氮类营养物质能力也大幅度下降，加之植物发生腐解等现象，又使得其在生长时积累的氮类营养物质被释放[14]，导致整个区域氮营养盐浓度增大，因此赣江流入到鄱阳湖氮营养盐含量也相应增加，鄱阳湖水环境中氮营养盐浓度升高至4.20mg·L-1，此数值为其氮营养盐浓度最大值。

(3)赣江与鄱阳湖氮营养盐相关性分析

如图3，为2015-2019年赣江和南北鄱阳湖TN、NH4+-N和NO3--N的相关性分析[15]图示结果。结果显示：赣江与北鄱阳湖TN相关度为0.94（P＜0.05），属于极强相关度；与南鄱阳湖相关度为0.69（P＜0.05），属于强相关度；赣江与北鄱阳湖NH4+-N相关度为0.93（P＜0.05），属于极强相关度，与南鄱阳湖相关度为0.71（P＜0.05），属于强相关度；赣江与北鄱阳湖NO3--N相关度为0.76（P＜0.05），为强相关度，与南鄱阳湖相关度为0.42（P＞0.05），属于不相关。

图3 赣江与南北鄱阳湖TN、NH4+-N和NO3--N相关性分析Fig.3 Correlation analysis between TN,NH4+-N and NO3--N in the GanJiang River and the Poyang Lake in the north and the south

从总体上看，赣江TN、NH4+-N和NO3--N各指标浓度与北鄱阳湖的相关性均大于南鄱阳湖。赣江水体氮营养盐与北鄱阳湖表现出极强相关度（R=0.94，（P＜0.05）），与南鄱阳湖表现强相关度（R=0.69，（P＜0.05）），这与赣江水体主要流入北鄱阳湖有关。从局部上看，丰水期流入赣江的NH4+-N较多[16]且丰水期赣江水量较大，有一部分水会从中支和南支汇入南鄱阳湖，所以NH4+-N方面赣江与南鄱阳湖表现为强相关度，但还是低于北鄱阳湖。赣江与北鄱阳湖NO3--N的相关性低于二者TN、NH4+-N指标的相关性，这是因为鄱阳湖水体中水生生物对NO3--N的吸收和转化导致[17]。反观南鄱阳湖，其本身被流入的水量就低于北鄱阳湖，在此种情况下其与赣江在NO3--N相关性上属于不相关程度。综上，鄱阳湖水体TN浓度与赣江水体氮营养盐浓度相关性极强，鄱阳湖北湖水体氮营养盐浓度受赣江水体氮输入影响大于南鄱阳湖。

(4)赣江与鄱阳湖氮营养盐负荷特征及赣江对鄱阳湖的负荷贡献

根据前述算法，计算2015-2019年赣江TN入湖负荷与鄱阳湖TN出湖负荷，见图4-图6。二者负荷均表现出上升趋势，赣江2015-2019年TN每月负荷为48213-472312t/a，鄱阳湖2015-2019年TN每月负荷为91776-697687t/a，均值计算结果为140345t/a和314564t/a。赣江入湖与鄱阳湖出湖TN每月负荷高值出现在5-6月份，低值出现在10-次年2月份。

图4 2015-2019年赣江与鄱阳湖TN每月负荷Fig.4 2015-2019 Ganjiang and Poyang Lake TN monthly load

根据图2、图4可知，赣江与鄱阳湖TN负荷与水量季节变化特征总体一致。水量增加其负荷也增加，丰水期赣江和鄱阳湖TN负荷约占年负荷的72%。根据图6，2015-2019年赣江与鄱阳湖TN负荷都增加，鄱阳湖增加了约46000t/a，赣江增加约了42000t/a，增加率分别为15.3%和28.3%，赣江TN负荷增长速率接近鄱阳湖2倍。赣江TN入湖负荷占鄱阳湖出湖负荷均值为54.4%，且丰水期5、6月份占比最大，最大达到77%，枯水期9、10月份占比最小，最小为28%。

图6 2015-2019年赣江与鄱阳湖TN年平均负荷Fig.6 Average loading of TN in Ganjiang River and Poyang Lake from 2015-2019

根据图5可知，赣江对鄱阳湖TN负荷占比表现的具体变化规律为：处于丰水期时，负荷占比增加有最大值；处于枯水期时，负荷占比降低有最小值。一方面：在丰水期阶段降雨量增大，空气水分含量高，大气湿沉降作用加剧[18]，其负载的大量含氮物质被带入到地面和赣江、鄱阳湖中，同时降雨产生的雨水形成冲刷作用，将大气沉降在地面上的含氮物质以及在耕种时期积累的化肥等带入到赣江，使得赣江和鄱阳湖氮营养盐浓度增加。而且由于赣江流域的面积大，导致了两种作用（大气湿沉降、雨水冲刷）加剧，又使得赣江和鄱阳湖氮营养盐浓度增幅变大[19]。而在枯水期阶段降雨量减小，空气水分含量和雨水量低，大气干沉降以及雨水冲刷作用变弱，使得积累在地面上的氮营养盐物质进入赣江、鄱阳湖中的含量较小。另一方面：在丰水期阶段，赣江流域的沿线水利工程需进行开闸放水，此时赣江流出水量增多，氮营养盐汇出含量也变大；而在枯水期阶段，工程需进行关闸蓄水，很大程度上减缓了氮营养盐的汇出[20-23]。所以，赣江在丰水期时负荷输出会明显高于枯水期，这也是赣江对鄱阳湖负荷的占比丰水期要大于枯水期的原因。再一方面：丰水期鄱阳湖生物及水量大，活跃的生物作用吸收了大量的氮营养盐，TN负荷量减少，从而使负荷占比率在丰水期时增大；而在枯水期，此阶段生物活性弱、水量少，氮营养盐没有被大量的吸收，TN负荷量相应增加，所以枯水期赣江TN负荷对鄱阳湖占比较小。综上，赣江与鄱阳湖氮营养负荷以及赣江对鄱阳湖负荷占比主要受水量的影响，赣江是鄱阳湖氮营养盐的主要贡献者，故防治鄱阳湖氮营养盐污染，需加强对入湖污染物最多的赣江及其丰水期的统筹治理。

图5 赣江TN负荷占鄱阳湖TN负荷百分比Fig.5 The TN load of Ganjiang River accounts for the percentage of TN load in Poyang Lake

3.结论

（1）2015-2019年赣江和鄱阳湖氮营养盐浓度持续上升，氮营养盐浓度总体表现为赣江＞北鄱阳湖＞南鄱阳湖。赣江TN、NH4+-N和NO3--N浓度增长率分别为35%、49%和25%，南鄱阳湖TN、NH4+-N和NO3--N浓度增长率分别为40%、67%和26%，北鄱阳湖为28%、25%、30%。赣江流入鄱阳湖水体中的TN、NH4+-N和NO3--N浓度总体表现为：枯水期浓度增加，丰水期浓度减小，且流入鄱阳湖氮营养盐的形态主要为NO3--N。

（2）赣江与北鄱阳湖TN相关度为0.94(P＜0.05)，属于极强相关度，与南鄱阳湖相关度为0.69（P＜0.05），属于强相关度。赣江TN浓度与鄱阳湖的相关性表现为：北鄱阳湖＞南鄱阳湖，赣江对北鄱阳湖氮营养盐浓度贡献和影响更大。从整体来看，鄱阳湖水体与赣江水体氮营养盐浓度相关性强。

（3）赣江与鄱阳湖TN负荷及占比主要受水量的影响。2015-2019年赣江与鄱阳湖TN负荷逐年增加，鄱阳湖增加了约46000t/a，赣江增加了约42000t/a，增加率分别为15.3%和28.3%，赣江TN负荷增长速率接近鄱阳湖2倍。赣江是鄱阳湖氮营养盐主要贡献者，TN占鄱阳湖负荷的54.4%，对鄱阳湖TN负荷占比变化规律表现为丰水期占比增高，枯水期占比降低。