貴州高原山區(qū)河流桐梓河氮磷輸出通量研究

周曉雯，安艷玲，呂婕梅，于 霞，李釩璽

（1.貴州大學(xué)喀斯特環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害防治重點實驗室，貴陽550025；2.貴州理工學(xué)院，貴陽550002）

氮磷作為限制性營養(yǎng)元素，過量輸入會造成水體污染，甚至威脅到河流的生態(tài)平衡。河流作為連接陸域和水域的關(guān)鍵通道，在氮磷的遷移轉(zhuǎn)化過程中發(fā)揮著重要作用，同時也是受人類活動影響最嚴(yán)重的生態(tài)系統(tǒng)。頻繁的人類活動致使流域的氮磷污染負荷輸出增加，河流水體的氮磷濃度隨之升高，河流的輸送作用使下游河口［1］、水庫［2］、湖泊［3］等區(qū)域氮磷不斷累積，可能造成這些區(qū)域產(chǎn)生水體富營養(yǎng)化等環(huán)境問題，而人類活動的變化規(guī)律可歸結(jié)為土地利用的變化，并被認(rèn)為是人類活動的主要表現(xiàn)形式［4-6］。龔小杰等［7］估算出黑水灘河受沿河串珠狀場鎮(zhèn)式發(fā)展，每年向三峽水庫輸出的總氮（TN）、總磷（TP）通量分別為1 001 和47 t/a；陳詩文等［8］研究顯示西苕溪支流在豐水期向干流輸出TN 為294.44 g/s、TP 為8.72 g/s，流經(jīng)湖州城鎮(zhèn)區(qū)的支流的TN、TP 通量均顯著高于其他支流，生活污水的直接排放使得水體中氮磷累積；Kreiling 等［9］收集了密西西比河的六條支流在1991-2014年期間各種形態(tài)氮磷輸出通量，發(fā)現(xiàn)所有支流的磷的通量普遍下降，這與農(nóng)業(yè)用地管理得到改善及點源貢獻減少有關(guān)，氮的通量則保持穩(wěn)定。目前相比平原河流［10-12］，對于高原山區(qū)河流的氮磷輸出特征研究較少，高原山區(qū)河流所在區(qū)域的土地利用景觀格局受海拔較高、坡度較陡、山地丘陵較多等自然條件限制及人為活動的作用，與平原流域有顯著差異，且從污染源角度出發(fā)，流域內(nèi)的非點源污染對高原山區(qū)河流水體中的氮磷負荷有重要貢獻。

國內(nèi)外有大量的研究專注于建立流域非點源污染負荷量化模型，主要分為機理模型和經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。目前比較流行的機理模型有連續(xù)時段非點源污染模型（AnnAGNPS）［13］、水文模擬模型（HSPF）［14］、分布式非點源污染負荷模型（SWAT）［15］和暴雨洪水管理模型（SWMM）［16］，它們在物理機制的基礎(chǔ)上模擬污染物遷移轉(zhuǎn)化的過程［17］，但這類模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜、參數(shù)眾多，通常需要較詳盡的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和水文資料，難以廣泛應(yīng)用。而經(jīng)驗?zāi)Ｐ徒⒃趯Υ罅拷涤?、水文和水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，具有代表性的有基流分割模型［18］、降雨推斷模型［19］、流域營養(yǎng)鹽輸出模型（Global NEWS）［20］及輸出系數(shù)模型（ECM）［21］等。其中輸出系數(shù)模型作為一種簡單且有效的模型，被認(rèn)為最大的優(yōu)勢是通過獲取相對易收集的研究流域的土地利用狀況和人類生產(chǎn)活動資料等數(shù)據(jù)直接建立流域水體與非點源污染負荷輸入的關(guān)系，適用于水文地質(zhì)基礎(chǔ)資料缺乏的小流域［22］。

桐梓河為典型的貴州高原山區(qū)河流，也是赤水河最大支流，近年來地區(qū)社會經(jīng)濟迅速發(fā)展，人類活動頻繁，流域的景觀格局發(fā)生了顯著的變化，河流受污染過程愈發(fā)復(fù)雜，所以開展桐梓河氮磷輸出特征研究有助于控制其水體的氮磷污染，也為赤水河流域水環(huán)境治理提供相關(guān)依據(jù)。鑒于此，本項目以桐梓河為研究對象，通過對河流進行水樣采集和測試，分析桐梓河的氮磷輸出特征，在實測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上計算出桐梓河氮磷輸出通量，另外由于桐梓河流域缺少水文氣象等長期監(jiān)測資料，宜選用輸出系數(shù)模型估算桐梓河流域于2000、2010、2015年的非點源氮磷污染負荷，以期為桐梓河流域的非點源污染負荷削減等環(huán)境管理及流域的可持續(xù)發(fā)展提供決策支持。

1 研究區(qū)概況

桐梓河是赤水河中段主要支流（圖1），屬長江水系支流，發(fā)源于桐梓縣小壩鄉(xiāng)楚米鎮(zhèn)，河流全長125 km，自東向西流經(jīng)桐梓縣、匯川區(qū)、仁懷市、習(xí)水縣等境內(nèi)部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)，于仁懷、習(xí)水交界之兩河口匯入赤水河，流域面積達3 348 km2。

圖1 桐梓河流域區(qū)位示意圖Fig.1 The position map of the Tongzi River Basin

桐梓河位于貴州高原上的大婁山山脈西緣，流域海拔高度為484～1 843 km，沿河都是崇山峻嶺，多懸?guī)r崩石，除發(fā)源地天門屬沖積盆地，其余地區(qū)呈典型喀斯特山地特點。桐梓河所在區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤氣候，氣候溫和濕潤，垂直變化明顯，年平均氣溫17.7 ℃；年平均降水量在850～1 200 mm 間，降水分布不均，雨季集中在5-8月，占總降水量的60%；徑流的時空分布變化與降水基本一致，屬于典型的山區(qū)雨源型河流。

河流周圍的主要人類活動包括水土資源開發(fā)利用、水利工程建設(shè)、植被恢復(fù)等［5］。流域內(nèi)的土地利用類型有水體、建設(shè)用地、林地、耕地、草地等，其中上游區(qū)域地勢較平坦，城市建設(shè)用地相對集中，中下游流經(jīng)坡度較陡、地勢較高的喀斯特山區(qū)，以耕地和林地為主［23］。

2 樣品采集與測試

于2019年8月2日在桐梓河匯入赤水河的河口（當(dāng)?shù)胤Q為“兩河口”）進行一次樣品采集（采樣點位置見圖2），在入河口處采集0.5 m 以上表層水，采樣時，使用Nalgene 采樣瓶采集水樣，測試前采集的水樣于4 ℃冷藏保存。按國家標(biāo)準(zhǔn)方法對水樣中TN 和TP 進行測試：TN 采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法，TP通過鉬銻抗分光光度法測定。

圖2 桐梓河采樣點示意圖Fig.2 Location of sampling sites in Tongzi River

3 結(jié)果與分析

3.1 桐梓河氮磷輸出通量

3.1.1 輸出通量

（1）輸出通量的計算公式。

式中：j為污染物類型；Fj為河流氮磷輸出通量，g/s；Cj為近河口的河流采樣斷面氮磷濃度，mg/L；Qj為河口平均徑流量，m3/s。

（2）河口氮磷濃度。本次研究實測出的桐梓河河口水體的TN 濃度為3.40 mg/L、TP 濃度為0.09 mg/L。而二道河、古藺河、同名河、大同河、習(xí)水河等赤水河其他主要支流的河口氮磷濃度數(shù)據(jù)源于前人的研究［24］。

（3）流量數(shù)據(jù)來源。由于本次研究缺少實時流量數(shù)據(jù)，因此赤水河主要支流的流量數(shù)據(jù)參考赤水河流域內(nèi)設(shè)立的各水文站的多年徑流資料，包括位于桐梓河下游的二郎壩水文站。已知二郎壩水文站控制了全流域面積的94.06%，通過流域面積與水文站控制面積的倍比系數(shù)將水文站的徑流系數(shù)放大，得到桐梓河年月徑流系列，結(jié)果顯示桐梓河多年平均流量為54.4 m3/s，而本次采樣時間在2019年8月，以8月份平均流量74.6 m3/s，作為計算輸出通量的基本數(shù)據(jù)。

3.1.2 氮磷輸出通量估算

桐梓河作為赤水河的最大支流，其營養(yǎng)鹽的輸出通量影響赤水河營養(yǎng)鹽的總體負荷，進而將影響其水質(zhì)狀況，將桐梓河等各條支流看作氮磷排放通道，其各自的氮磷輸出通量反映了它們對赤水河的影響程度。通過輸出通量的計算公式得到：桐梓河TN 輸出通量為253.78 g/s、TP 輸出通量為6.43 g/s，與二道河、古藺河、同名河、大同河、習(xí)水河等赤水河主要支流的輸出通量進行比較（圖3），桐梓河TN、TP 輸出通量顯著高于其他支流，可見桐梓河對赤水河氮磷水平影響更大。桐梓河河口水體受上游至下游的氮磷污染物積累，導(dǎo)致該處氮磷濃度較高，加之該處河面較寬，流量相對較大，致使氮磷輸出通量相對較高。

表1 桐梓河及赤水河其他支流的流量和TN、TP的濃度Tab.1 The flow and concentrations of TN and TP in Tongzi River and other tributaries of Chishui River

圖3 桐梓河TN、TP輸出通量與赤水河其他支流對比Fig.3 Comparison of TN and TP export fluxes of Tongzi River with other tributaries of Chishui River

3.2 桐梓河流域非點源氮磷輸出負荷

3.2.1 輸出系數(shù)模型

（1）模型結(jié)構(gòu)。

式中：j為污染物類型；i為流域土地利用的種類，共m種；Lj為第j種污染物在研究區(qū)的總負荷量，kg/a；Eij為污染物j在流域的第i種土地利用類型中的輸出系數(shù)，kg/（km2·a）；Aj為第i種土地利用類型的面積，km2。

（2）輸出系數(shù)。輸出系數(shù)的合理選取是輸出系數(shù)模型構(gòu)建的關(guān)鍵［25］，通常采用查閱文獻法或現(xiàn)場監(jiān)測法來確定。在實際工作中，輸出系數(shù)的確定一般是結(jié)合流域的實地調(diào)查情況，因地制宜地對前人的研究成果進行修正得出的［26］，本研究由于缺乏桐梓河流域水文氣象等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)且無法進行長期監(jiān)測，故選擇查閱文獻法。

桐梓河是赤水河的一級支流，古藺河與桐梓河同為赤水河的中段支流，入河口相距較近，且均為高原山區(qū)河流，流域環(huán)境較為接近，輸出系數(shù)主要借鑒李小麗等［27，28］對古藺河流域面源污染負荷的研究文獻，并參考了赤水河流域土地利用結(jié)構(gòu)的氮磷輸出特征的相關(guān)研究［29，30］，在實地調(diào)查結(jié)果的基礎(chǔ)上，確定了本研究區(qū)的輸出系數(shù)（表2）。從表2 可看出不同土地利用類型的輸出系數(shù)有顯著的不同，其中耕地的輸出系數(shù)最大，這與耕地化肥施用、土質(zhì)松軟有關(guān)，特別是在喀斯特流域，地表坡度大，耕地的氮磷污染物會因地勢加倍遷移到河水中；而林地的輸出系數(shù)較小，是由于林地起重要的“匯”作用，對水土流失具有一定的滯留效應(yīng)。因此，所選輸出系數(shù)有一定的合理性。

表2 各土地利用類型輸出系數(shù)Tab.2 Export coefficients of various land use

（3）數(shù)據(jù)來源。本文參考田義超等［23］通過遙感影像數(shù)據(jù)進行解譯得到的2000、2010、2015年桐梓河流域的土地利用類型及面積（表3）。

表3 2000、2010、2015年桐梓河流域土地利用類型變化 km2Tab.3 Changes of land use types in 2000，2010 and 2015 in Tongzi river basin

3.2.2 非點源氮磷輸出負荷估算

桐梓河為喀斯特地貌背景下的高原山區(qū)河流，所處流域以非點源污染為主，現(xiàn)以各類土地利用類型的氮磷非點源污染輸出情況進行研究。

根據(jù)輸出系數(shù)模型，計算桐梓河流域的非點源污染TN、TP輸出負荷（表4）。TN、TP分別由2000年的5 039.90 t/a、161.13 t/a 下降到2010年的4 729.20 t/a、153.29 t/a，2015年繼續(xù)降低至4 516.84 t/a、146.16 t/a，總量均下降10%左右。15年間，非點源污染TN、TP 輸出負荷呈顯著減少的趨勢，這種變化趨勢與流域內(nèi)的土地利用類型流轉(zhuǎn)改變有關(guān)，主要是耕地面積逐漸減少（表3），流域內(nèi)非點源氮磷污染呈減緩態(tài)勢。

表4 2000、2010、2015年非點源污染TN、TP輸出負荷 t/aTab.4 TN and TP export loads of non-point source pollution in 2000，2010 and 2015

（1）不同土地利用類型非點源氮磷輸出負荷分析。圖4 為2000、2010、2015年各土地利用類型的TN、TP輸出負荷柱狀圖。耕地的非點源污染輸出負荷變化顯著，TN 由2000年的4 347.07 t/a、2010年 的4 048.34 t/a 下 滑 至2015年 的3 756.54 t/a，耕地非點源污染TN總量在15年內(nèi)減少了590.53 t/a，變化幅度為13.58%；同樣TP 也呈現(xiàn)下降趨勢，從2000年的134.91 t/a，到2010年的125.64 t/a、2015年的116.58 t/a，總量減少18.33 t/a，降幅高于TN，為18.33%。

圖4 2000、2010、2015年各土地利用類型的TN和TP輸出負荷Fig.4 TN and TP export loads of various land use types in 2000，2010 and 2015

15年間，林地、草地輸出的非點源污染變化都較小。由林地輸出的TN 負荷逐漸增加，分別從2000年的348.81 t/a 上升到2015年的388.80 t/a，TP 從21.98 t/a 上升到24.50 t/a。草地輸出的非點源TN污染負荷與林地相當(dāng)，2015年為311.18 t/a，雖然草地的面積遠不及林地，但由于草地的TN 污染輸出系數(shù)較高，其非點源TN污染總量較大；非點源TP污染總量同TN先降低后上升的變化趨勢一致，但變化幅度較小，2015年相比2000年降低了0.29 t/a。

建設(shè)用地的非點源TN、TP 輸出負荷在2010年到2015年間變化顯著，TN 從6.68 t/a 到60.32 t/a、TP 從0.15 t/a 到1.32 t/a，提升了10 倍左右，但由于建設(shè)用地面積較小，其輸出的非點源污染負荷相對較低。

圖5 為不同土地利用類型在2000、2010、2015年對TN、TP的貢獻率柱狀圖。耕地對TN、TP 貢獻率占主導(dǎo)地位，但呈減少趨勢，由2000年的86.25%、83.3%，2010年85.60%、81.96%下降至2015年83.17%、79.76%。林地對TN、TP 貢獻率呈增加趨勢，但占比不同。林地對TN 的貢獻率在2000年為6.92%，2010年為8.04%，2015年為8.61%；林地對TP 的貢獻更高，2000年為13.64%，2010年為15.62%，2015年16.77%；草地對TN、TP 貢獻率的變動較小，且草地對TP 的貢獻率也相對更低，維持在2%左右。建設(shè)用地對TN、TP 貢獻率較小。顯然，耕地是影響非點源污染TN、TP的主要原因。

表5 2000、2010、2015年各土地利用類型對TN、TP的貢獻率 %Tab.5 Contribution rate of various land use types to TN and TP in 2000，2010 and 2015

圖5 不同土地利用類型在2000、2010、2015年對TN和TP的貢獻率Fig.5 Contribution rate of different land use types to TN and TP in 2000，2010 and 2015

上述結(jié)果表明，各土地利用類型對非點源氮磷輸出負荷影響較大。采用輸出系數(shù)模型得到的計算結(jié)果，本質(zhì)是由土地利用類型的某年面積與相應(yīng)的輸出系數(shù)所決定，即某土地利用類型的面積越大或者輸出系數(shù)越高其輸出的氮磷負荷越高［31］。特別是輸出系數(shù)是由降雨量、徑流系數(shù)、實測污染濃度數(shù)據(jù)、化肥施用量及城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活、畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的面源污染的排放和處理情況等因素通過多元線性相關(guān)分析確定［32-34］。由此可以發(fā)現(xiàn)，減少桐梓河流域氮磷負荷量的關(guān)鍵在于促進城鎮(zhèn)化健康發(fā)展、進行退耕還林等生態(tài)修復(fù)工程、降低農(nóng)藥化肥的施用量、收集并集中處理農(nóng)村生活污水和生活垃圾、推進養(yǎng)殖污染防治。

（2）土地利用變化對非點源污染排放的影響。各土地利用類型轉(zhuǎn)變的非點源氮磷狀態(tài)量，是根據(jù)各土地利用類型面積不同年份之間的變化差值與輸出系數(shù)之間的關(guān)系計算得出，能夠更加清晰地反映土地利用類型轉(zhuǎn)變所隱含的非點源氮磷負荷輸出狀況［25］。從非點源氮磷狀態(tài)量（表6）輸出來看，2000-2010年與2010-2015年的非點源氮磷輸出總量均減少，且TN減少更為明顯。2000-2010年的氮磷輸出變化較為劇烈。從TN 來看，耕地減少量最大，分別減少了298.73 t/a，草地其次，TN 減少量為41.25 t/a，林地反而增加了31.18 t/a，建設(shè)用地基本無變化，TN輸出總量總體呈下降的趨勢，這跟桐梓河流域內(nèi)這期間實施退耕還林、封山造林等措施有關(guān)，TP 的變化趨勢與TN 相似。2010-2015年與2000-2010年相比，5年內(nèi)，建設(shè)用地的TN、TP增加量反而更為明顯，分別為53.65 t/a，1.17 t/a，可能與桐梓河流域內(nèi)的建設(shè)用地擴張，且輸出的氮磷污染較重有關(guān)，其他土地利用類型氮磷的增加量和減少量均低于2000-2010年，但耕地的減少量仍然是最大，分別為291.80 t/a，9.06 t/a。

表6 各土地利用轉(zhuǎn)變氮磷狀態(tài)量匯算表 t/aTab.6 Amount of nitrogen and phosphorous status from various land use transformation

總之，2000-2010年期間，耕地、草地、林地的土地利用動態(tài)變化對TN 負荷的影響較大，TP 主要是耕地、林地；2015-2010年較2000-2010年，由土地類型轉(zhuǎn)變所導(dǎo)致的TN、TP 負荷變化量相對緩和，對TN、TP 負荷影響較大的土地利用方式變化的是耕地、建設(shè)用地。

非點源氮磷污染輸出響應(yīng)流域內(nèi)的土地利用變化，同時也間接反映著社會經(jīng)濟變化［35］。這15年間，桐梓河流域的耕地流轉(zhuǎn)變化對非點源氮磷污染輸出總量影響最大，但貢獻在逐漸降低，耕地更多地轉(zhuǎn)向了林地、草地、建設(shè)用地等，氮磷輸出總負荷均在減少。蔡宏等［36］研究表明TN、TP 濃度等與低度植被覆蓋呈正相關(guān)關(guān)系，隨著植被覆蓋度的增加，轉(zhuǎn)變?yōu)樨撓嚓P(guān)關(guān)系，其中林地為重要的“匯”景觀，特別是坡林地對水質(zhì)污染物的截留、阻攔等作用更加顯著，在坡地上加大造林力度對改善流域水質(zhì)有積極作用［30］。近年來政府推動桐梓河流域生態(tài)持續(xù)向好，位于桐梓河上游段的桐梓縣屬典型的喀斯特地貌，山高坡陡，石漠化面積占比高，土地資源匱乏，耕地稟賦差，但擁有全世界面積最大、保存最好、產(chǎn)量最高的原生方竹林資源，且方竹適宜高海拔生長，喬木灌木與其共生，涵養(yǎng)水土能力較好。因此桐梓縣實施以方竹種植為主的生態(tài)林修復(fù)工程，在低產(chǎn)坡耕地、棄荒地等環(huán)境問題突出區(qū)域種植方竹林，起到保水固土、降低非點源污染物輸出的作用。桐梓縣利用自身的資源稟賦來改變土地利用模式從而有效遏制水土流失、石漠化，這對減少桐梓河流域內(nèi)的其他縣（市、區(qū)）和類似的高原山區(qū)河流所在流域的非點源污染提供借鑒參考。

4 結(jié) 語

（1）桐梓河下游入河口的TN、TP 濃度分別為3.40 mg/L、0.09 mg/L，根據(jù)輸出通量的計算公式得到桐梓河TN、TP 的輸出通量達到253.78 g/s、6.43 g/s，相比赤水河的主要其他支流，桐梓河對赤水河水體的氮磷水平影響更大。

（2）利用輸出系數(shù)模型進行估算，發(fā)現(xiàn)桐梓河流域在2000-2015年的非點源TN、TP 污染輸出負荷減少程度明顯，從2000年的5 039.90 t/a、161.13 t/a，2010年的4 729.20 t/a、153.29 t/a，下降到2015年的4 516.84 t/a、146.16 t/a。不同土地利用類型對非點源污染負荷總量的貢獻率存在差異，表現(xiàn)為耕地對TN 和TP 負荷量影響最大，且遠遠大于其他土地利用類型，其次是林地、草地、建設(shè)用地。且耕地流轉(zhuǎn)對桐梓河流域的非點源污染影響顯著。

（3）桐梓縣不僅利用特有自然資源進行的生態(tài)林修復(fù)工程形成了產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，也通過不同土地利用類型的空間組合來調(diào)控養(yǎng)分流失在時空尺度上的平衡，這為減少和控制其他類似高原山區(qū)地區(qū)的非點源污染提供借鑒。 □