2020—2022年全国入海河流总氮浓度时空特征

解 鑫,李文攀,李晓明,霍晓芹,葛 淼,王 蕾

1.中国地质大学(北京)水资源与环境学院,北京 100083 2.中国环境监测总站,国家环境保护环境监测质量控制重点实验室,北京 100012 3.重庆市生态环境监测中心,重庆 400120 4.陕西省环境监测中心站,陕西 西安 710000

水体中的氮素是水生态系统的主要营养物质之一。过多的氮素会导致水体富营养化,从而威胁水生态系统的安全。近年来,无机氮是全国4个海区近岸海域的主要超标污染物之一[1-3],而入海河流的总氮是海域无机氮的主要贡献之一[4-7],也是河口区赤潮等生态问题的主要因素之一[8]。因此,研究入海河流的总氮时空特征对近岸海域氮污染与富营养化防治具有重要意义。多名学者对此进行了研究,TONG等研究了2006—2012年全国8条主要河流的入海河流总氮年均浓度变化和月均浓度变化,发现总氮浓度高值总是出现在秋冬季[9];嵇晓燕等分析发现,2016—2020年各海区入海河流总氮年均值呈下降趋势,但均达到或超过2.0 mg/L[10];劳齐斌等对北部湾入海河流营养盐分布的研究表明,同一区域不同河流的总氮浓度呈现不同的丰水期与枯水期特征[5];鲁栋梁等在对2014—2019年钦江河口典型污染物通量的研究中发现,总氮浓度呈现周期性变化特征,干季(10月至次年3月)高于湿季(4—9月)[11]。

以上研究展现了部分区域入海河流的总氮浓度时空特征,但目前还缺乏对全国入海河流总氮浓度的整体时空特征的系统研究。该研究针对国家地表水环境质量监测网的230个入海河流断面(从北到南涵盖从辽宁省到海南省的大陆海岸沿线),利用2020—2022年数据对全国入海河流总氮浓度时空分布特征进行系统分析,为中国近岸海域总氮的精准、科学治理提供参考。

1 实验部分

1.1 数据来源

研究区域为全国沿海地区,总氮浓度数据来自中国环境监测总站,时间为2020年1月—2022年12月。该研究对国家地表水环境质量监测网230个入海河流断面(点位)的所有有效总氮数据进行分析。断面覆盖全国沿海9个省(自治区)和2个直辖市,具体为辽宁省(23个站点)、河北省(12个站点)、山东省(40个站点)、江苏省(33个站点)、浙江省(23个站点)、福建省(15个站点)、广西壮族自治区(11个站点)、广东省(39个站点)、海南省(21个站点)以及天津市(8个站点)和上海市(5个站点)。

1.2 采样分析

采样方式包括船只采样、桥梁采样和涉水采样,采样时段为昼间退平潮时段。入海断面的布设依据《地表水和污水监测技术规范》《HJ/T 91—2002》。分析方法依据《水质 总氮的测定 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》(HJ 636—2012),统一采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法。

1.3 数据分析方法

数据分析方法包括时间序列统计和空间数据聚类后的统计分析。统计及绘图软件为Excel和R语言,空间绘图软件为ArcGIS和QGIS。

1.4 空间聚类分析方法

对全国230个入海河流断面2020—2022年的总氮逐月监测数据进行均值处理得到该断面平均浓度后,将平均浓度以及断面位置对应的经纬度坐标作为样本进行标准化处理,然后进行空间聚类。空间聚类采用 Ward 层次聚类法,即标准化之后的每个样本自成一类,不断合并欧式距离最近的2个簇,直到类别合并为一类。该次聚类分析使用的工具为R语言(v4.2.3)的Stats包的Ward.D2方法。

2 结果与讨论

2.1 时间变化特征

2.1.1 年际变化特征

根据入海河流230个断面36个月的监测结果,2020—2022年全国入海河流总氮的年均质量浓度分别为(3.24±2.73)、(3.60±2.55)、(3.92±3.30)mg/L,呈现较明显的上升趋势,年变化率分别为11%和9%。

图1显示了2020—2022 年全国入海河流总氮年均质量浓度的空间分布情况。如图1所示,2020年总氮年均质量浓度最高的是辽宁省大连市浮渡河,达到15.16 mg/L,其次是山东省潍坊市虞河和潍坊市弥河。总氮年均质量浓度最低的是海南省儋州市春江,为0.48 mg/L,其次为山东省青岛市泽河和广东省湛江市雷州青年运河。

注:底图源自自然资源部标准地图服务网站(http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/browse.html?picId=%224o28b0625501ad13015501ad2bfc0256%22),审图号为 GS(2019)1 823 号,下载日期为2023-02-10。下同。图1 2020—2022 年全国入海河流总氮年均质量浓度空间分布Fig.1 Spatial distribution of annual mean TN concentration of RES in China from 2020 to 2022

2021年总氮年均质量浓度最高的是山东省烟台市黄水河,达到19.71 mg/L,其次是山东省烟台市五龙河和辽宁省大连市浮渡河。总氮年均质量浓度最低的是海南省儋州市春江,为0.57 mg/L,其次为广东省湛江市雷州青年运河和广东省汕尾市黄江河。与2020年相比,北方高值区总氮浓度上升,仍主要集中在山东半岛、辽东半岛和辽西丘陵,全国入海河流总氮浓度无明显下降。

2022年总氮年均质量浓度最高的是山东省烟台市黄水河,达到31.1 mg/L,其次是山东省烟台市五龙河和辽宁省大连市浮渡河。总氮年均质量浓度最低的是海南省儋州市春江,为0.78 mg/L,其次为广东省汕尾市黄江河和广东省湛江市雷州青年运河。与2021年相比,高值断面未发生变化,高值区与上一年保持一致。

2.1.2 季节变化特征

按照春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)、冬(12月至次年2月)的季节分类法进行统计分析,全国入海河流总氮浓度变化呈明显的季节性特征。图2显示了2020—2022 年全国入海河流总氮浓度均值季节变化情况。如图2所示,2020—2022年全国入海河流总氮浓度在各个季节内逐年上升,且总体呈冬高夏低、春秋居中的特征。冬季总氮浓度明显高于其他季节,2020—2022年总氮浓度均值分别为3.89、4.37、5.11 mg/L。春季总氮浓度低于冬季,3年中春季总氮浓度均值分别为3.17、3.42、3.67 mg/L。夏季总氮浓度全年最低,3年中夏季总氮浓度均值分别为2.73、2.80、2.93 mg/L。秋季总氮浓度均值分别为3.18、3.79、3.85 mg/L。

图2 2020—2022 年全国入海河流总氮浓度均值季节统计Fig.2 Statistical chart of seasonal mean TN concentration of RES in China from 2020 to 2022

2.1.3 月度变化特征

2020—2022年总氮的月平均质量浓度变化情况如图3所示。总氮质量浓度最低月均值出现在6月(夏季),2020—2022年6月总氮质量浓度月均值分别为2.56、2.55、2.44 mg/L。总氮质量浓度的年内最高月均值出现在2020年2月(冬季)、2021年12月(冬季)、2022年1月(冬季),分别达到3.97、4.60、5.30 mg/L。

图3 2020—2022 年全国入海河流总氮月均质量浓度变化统计Fig.3 Statistical chart of monthly mean TN concentration of RES in China from 2020 to 2022

总体上看,1—6月总氮浓度逐月降低,7—12月浓度逐月上升,总体上呈V形变化规律。总氮浓度的季节变化可能跟降雨量有关,根据相关研究[12],在雨量较大的时候,降雨的稀释作用对总氮浓度降低的影响大于侵蚀作用对总氮浓度提高的影响。

2021年8—11月与其他年份有所差异,总氮质量浓度呈现先下降后上升的特征,8—9月总氮质量浓度月均值较2020、2022年同期下降,10—11月总氮质量浓度月均值较2020、2022年同期上升。这可能与2021年全国降水阶段性变化有关,据《2021年全国气候公报》,2021年7—11月降水量偏多,其中10月比上一年同期偏多45.4%。

2.2 全国入海河流总氮空间变化特征

2.2.1 年均值空间特征

根据轮廓系数选取最优聚类(Cluster)方案,将全国断面分为4类(图4),以淮河为界呈典型的南北方分布,北方、南方均可以再分为2类。具体分类: ①北方高值区(BGZQ,n=24),包括辽东丘陵西部、辽西丘陵、山东丘陵;②北方次高值区(BCGZQ,n=85),包括环渤海京津冀地区、苏北平原;③华东区(HDQ,n=64),包括长江中下游平原区、上海市、浙江省、福建省;④华南区(HNQ,n=57),包括广东省、广西壮族自治区、海南省。

图4 全国入海河流总氮监测断面位置和3年平均浓度聚类分布Fig.4 Clustering on site location and 3-year mean TN concentration of 230 RES sites

根据空间聚类分布情况分析 2020—2022 年全国入海河流总氮浓度区域变化特征,图5为按照4个区域划分得出的各区域总氮年均浓度变化情况,全国入海河流总氮浓度变化空间南北分布差异性明显。综合表1可知,2020—2022年全国入海河流总氮年均质量浓度由高到低依次为北方高值区、北方次高值区、华东区和华南区,总体上呈现“北高南低”的空间分布格局。北方高值区浓度最高,北方次高值区次之,华东区和华南区浓度相对较低。

表1 2020—2022年4个区域总氮质量浓度年均值Table 1 Annual mean value of TN concentration of RES in four regions from 2020 to 2022 mg/L

图5 2020—2022 年全国入海河流总氮 4个区域年均浓度分布Fig.5 Annual mean TN concentration distribution of RES in four regions from 2020 to 2022

北方次高值区的总氮质量浓度总年均值比北方高值区低5.53 mg/L,该地区涵盖了河北省、天津市、山东西部、江苏北部地区等华北平原区以及辽河平原区,是中国北方主要的粮食种植区之一。

华东区的总氮质量浓度总年均值比北方次高值区低1.36 mg/L,该地区涵盖了江苏南部、上海市、浙江省、福建省及广东省东北部分城市,主要为淮河以南地区、长江中下游地区。

华南区的总氮质量浓度总年均值比华东区低0.06 mg/L,该地区涵盖了广东省南部、广西壮族自治区和海南全省。

2020—2022年,北方高值区、北方次高值区和华南区总氮年均浓度逐渐升高,北方次高值区和华南区总氮的上升幅度下降,而北方高值区上升幅度最大且持续上升。

根据相关研究的统计[10]可知,2016—2020年汇入渤海和黄海的河流总氮较高,5年总氮质量浓度年均值范围为3.30～5.55 mg/L;汇入东海和南海的河流总氮浓度相对较低,5年总氮质量浓度年均值范围为2.00～2.66 mg/L。与该研究较为一致,总氮浓度总体上呈现“北高南低”的空间分布格局。

总氮浓度的变化幅度也体现出“北高南低”的趋势。华南区2020—2022年的总氮浓度增幅为7%,而华东区的增幅为-1%,北方次高值区增幅为22%,而北方高值区增幅为44%。根据相关研究[10],全国入海河流总氮浓度2018—2020年呈下降趋势,但是结合笔者研究,在2020—2022年,总氮年均浓度反弹,这种V形的变化,主要源自北方总氮浓度的增加。事实上,全国入海河流总氮浓度总增幅的92%由北方高值区(52%)和北方次高值区(40%)贡献。

影响总氮浓度的因素通常包括水文气象等自然因素,以及人类活动(包括人群聚集程度、工农业生产格局、土地利用方式等)[4]。北方(尤其是环渤海地区)总氮的高浓度问题一直被研究探讨,如马迎群等[13]的研究表明,大辽河营养盐受其沿岸主要排污口的影响较为显著;周滨等[14]的分析表明,天津近岸海域氮、磷污染主要来自城镇居民和畜禽养殖等方面;王辉等[15]对渤海氮污染来源结构进行了全面分析,渤海湾氮污染的主要来源是居民生活排放,辽东湾工业污染相对突出,莱州湾农业面源污染占比大,陆源污染排海压力短期内难以缓解。对北方污水处理厂的调查研究[16-17]也表明,总氮浓度较高,总氮是北方部分污水处理厂主要的超标污染物之一。

2.2.2 季节差异的空间特征

统计4个区域3年的总氮月均浓度变化情况(图6),由于不同地区的气候、水文、地下水埋深等存在差异,不同地区总氮季节差异明显。北方高值区总氮浓度月均值最高为13.5 mg/L(1月),最低为4.8 mg/L(6月),变异系数为33%;北方次高值区总氮浓度月均值最高为4.8 mg/L (1月),最低为2.4 mg/L (6月),变异系数为21%;华东区总氮浓度月均值最高为2.8 mg/L(1月),最低为2.1 mg/L(8月),变异系数为12%;华南区总氮浓度月均值最高为2.5 mg/L (2月),最低为2.1 mg/L (6月),变异系数为6%。北方高值区和北方次高值区的总氮浓度季节变化差异明显大于华东区和华南区,季节变化的强度基本呈现由北向南降低的趋势。

图6 全国入海河流 2020—2022 年4个区域总氮月均浓度分布Fig.6 Distribution of monthly mean TN concentration of RES in four regions from 2020 to 2022

进一步分析各区域总氮浓度对全国入海河流总氮浓度季节性差异的贡献(表2)。北方高值区的断面数量(n=24)占10%,其组内变异占据了整体方差贡献的36.5%,是全国总氮浓度季节性差异的主要贡献;而北方次高值区因断面数量最多(n=85),是浓度均值最接近整体均值的一个区域,其均值变异只有0.1%,是对全国总氮浓度的季节性变异贡献第二多的地区,其组内变异占据了整体方差贡献的17.2%。此外,北方高值区和北方次高值区对均值的贡献呈现明显的季节性,高值为68%(1月),相对较低的值为54%(6月)。在华东区和华南区的总氮浓度月均值变化较小、贡献率较低的情况下,北方地区(尤其是北方高值区)的总氮浓度变化特征,是全国入海河流总氮浓度呈现“冬高夏低、春秋居中、V形变化规律”的季节性表现的主要原因。

表2 各区域总氮浓度对全国入海河流总氮浓度的贡献Table 2 Contributions of 4 regions to average TN concentration of RES across China

很多因素可能导致北方入海河流总氮质量浓度的季节差异比南方更大,降水量是其中一个原因。根据姚世博等[18]的研究,东北和华北夏季降水占全年降水的百分率都在60%以上,超过全国平均水平,而冬季降水百分率却小于4%,降水量年内分布展现出较强的单峰型特征;华东地区的年内降水特征呈较弱的单峰型,夏季降水百分率小于50%,而春季和夏季降水量接近;华南地区的年内降水特征为双峰型。降水因素是部分河流汛期和非汛期水质差异的主要原因[9,19-26]。值得注意的是,入海河流总氮浓度的季节性与总氮通量的季节性特征,在大部分情况下并不一致。大量研究表明,全国主要河流的总氮负荷在夏、秋季达到高峰,原因在于雨季大部分地区降雨导致总氮的面源输入增大,从而增大了河流入海总氮的通量[5,7,11,19-20,24-25]。

此外,在北方部分地区,城镇生活污水是总氮污染的重要来源[13,15,27],而城镇污水处理厂处理总氮污染的效率会随温度下降而降低。

2.3 总氮与水质类别的相关性分析

2020—2022年全国入海河流230个断面的总氮浓度年均值呈较明显的逐年上升趋势,但同期同断面水质整体评价的变化趋势为向好发展,两者趋势并不一致[1-3]。因此,该研究采用Spearman相关系数分析230个断面的总氮浓度与水质类别的相关性。分别对总氮浓度和水质类别2个变量做秩变换,根据相对大小进行相关性分析。Spearman系数为正时,2个变量呈正相关关系,有相同的上升或下降趋势;如果该系数为负,则表示2个变量呈负相关关系,有相反的上升和下降趋势(图7)。

图7 入海河流断面与水质类别Spearman相关系数分布Fig.7 Distribution of Spearman’s rank correlation coefficients between TN concentration and water quality categories

如图7所示,在华东、华南地区部分断面(n=20),总氮浓度与水质类别的正相关性较显著(P<0.05),但是北方地区部分断面(n=22)的负相关性较显著。这部分北方断面是全国入海河流断面总氮浓度均值的重要贡献站点,可以解释水质总氮浓度与水质类别趋势的不一致现象。

3 结论

1)通过对全国入海河流断面总氮浓度的分析发现,各区域的入海河流总氮质量浓度均超过2.0 mg/L,这也是无机氮成为近岸海域2020—2022年主要超标指标的原因之一。

2)根据空间聚类分析,入海河流断面的总氮浓度从北到南分为4个区域,分别是北方高值区、北方次高值区、华东区和华南区。年均质量浓度的大小分布为北方高值区(9.28 mg/L)>北方次高值区(3.75 mg/L)>华东区(2.39 mg/L)>华南区(2.32 mg/L)。北方高值区的过高总氮浓度对全国总氮浓度均值提供了超比例的贡献。

3)全国入海河流断面的总氮浓度在2020—2022年呈上升趋势,从3.24 mg/L 上升到3.92 mg/L,其中北方区域贡献了92%的增幅。

4)从空间分布上看,越往北,总氮浓度“冬高夏低、春秋居中、V形变化规律”的季节性表现越明显,北方区域的总氮浓度变化特征是全国入海河流断面总氮浓度呈现V形变化规律的主要原因。