崇明岛河流中氮营养盐分布特征

沈峥 孔玲 李俊鹏

摘要 为研究崇明岛河流氮营养盐的分布特征及其污染迁移情况，以不同时空条件下崇明岛河网水质数据为基础，探讨了崇明岛水体氮营养盐的时间和空间变化特征，并分析了岛内河流氮营养盐污染的主要原因。结果表明，崇明岛内河流水质恶化日益严重，不同级别河流的总氮（TN）含量在丰水期和枯水期均处于富营养化发生的风险范围，岛内不同级别河流的氮营养盐均值在不同降水期变化显著。溶解态无机氮（DIN）是崇明岛氮营养盐的主要存在形式，其中以硝态氮为主，平均占到DIN的50%以上。同时，不同空间条件下水体氮营养盐含量变化复杂，氮营养盐的主要来源为农田径流、工业废水和生活污水。

关键词 氮营养盐；时空分布；污染源；崇明岛

中图分类号 X524 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2017）18-0058-05

Abstract In order to evaluate the distribution characteristics of nitrogen nutrient of Chongming Island and its polluting situation，the characteristics of temporal and spatial variations of nitrogen nutrient as well as the main reasons of the pollution were studied based on the water quality data of Chongming Island.The results showed that the rivers were badly polluted in Chongming Island and the contents of TN in both wet and drought periods were in the danger range which might lead to eutrophication.The average contents of nitrogen nutrient in different levels of rivers at different precipitation periods varied significantly.The dissolved inorganic nitrogen （DIN） was the major composite of TN in Chongming Island.NO3-N accounted for over 50% of DIN.Additionally，the contents of water nitrogen nutrient at different spatial conditions varied significantly as well.The main sources of nitrogen nutrient include agricultural runoff，industrial and domestic wastewater.

Key words Nitrogen；Temporal and spatial distributions；Pollution source；Chongming Island

氮是構成水体生态系統的基本要素之一，也是浮游植物生长的必需元素，其生物地球化学循环对植物的生长繁殖至关重要[1]。然而，随着工农业的不断发展，人类活动产生了大量活性氮（包括 N2O、NOx、NH3等），过量的活性氮释放到空气、水和土壤中，引起了一连串的环境和健康问题，已成为世界范围内面临的威胁之一[2-5]。目前，国内对水体中氮营养盐污染现状的研究较多[6-9]。郑丙辉等[6]对三峡水库3条入库河流氮营养盐污染特征进行研究发现，3条入库河流中总氮含量总体偏高，易发生水华；陈格君等[7]研究发现，鄱阳湖藻类生物量变化趋势与氮、磷含量变化趋势基本相同。但是这些研究多集中于内陆水体中，对沿海地区污染水体的氮营养盐污染特征研究较少。

崇明岛是上海市21世纪可持续发展的重要战略空间，有“长江门户，东海瀛洲”之称。近年来，随着崇明岛经济和旅游业的快速发展，人类活动对岛内生态环境的影响日益增强，氮的自然循环过程受到了严重破坏[10-12]。过量的营养盐随污水排放进入河流，导致水环境中的无机和有机营养物质大量增加，促进了浮游植物的异常繁殖，使水域生产力遭到破坏，水体富营养化程度呈不断加剧趋势，严重影响了水体生态系统的平衡[13-15]。为了全面了解崇明岛水系中氮营养盐的污染情况，笔者分析了崇明岛水体氮营养盐的时间和空间变化特征及其存在形态，并对崇明岛水体水质恶化的原因进行了探讨。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

崇明岛地处长江入海口处，位于121°09′30″～121°54′00″ E，31°27′00″～31°51′15″ N，面积1 225 km2，人口64万，是仅次于台湾岛、海南岛的我国第三大岛屿，也是全世界最大的河口冲击岛，为典型的感潮平原[16]。全岛三面环江，一面临海，岛内河道纵横，有2条市级河道（南横引河和北横引河）贯通成为环岛运河，长164 km。县级河道有29条，总长度约407 km。河道生态、社会功能的发挥将直接影响崇明社会经济的可持续发展和岛内人民的生活质量。

1.2 采样点设置方法

由于崇明岛河网水系密布，径流宽度、长度、深度及流速等物理指标差别巨大，同时径流流经的土地类型并不相同，这些因素都会影响河流的水文特征，因此将采样点位分为3个区域，即北横引河流域、南横引河流域及县级河流流域，下文的分析讨论也按照以上3个区域分别进行。笔者根据降水的差异性分别选取2010年7月和2011年4月作为丰水期和枯水期的代表进行分析，共设30个采样点，其分布如图1所示。其中，S1～S9位于北横引河上，该区域以水产养殖区和种植区为主；S10～S20位于南横引河上，该区域以城镇居民区和工业区为主，是全岛人口和产业最密集的地区；S21～S29分别位于9条县级河道上，该区域以农业种植区和少量村镇为主；S30位于瀛东村中心河道上，该村以渔家乐旅游度假为主要经济形式，以此反映人类活动对村镇级河道水体的影响。

1.3 水质指标分析方法

根据崇明岛河流监测断面水质资料及流域污水排放现状，选取总氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、硝态氮（NO3--N）3个代表性的水质指标。按照《水与废水监测分析》[17] 及《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）相关检测方法对各监测指标进行测定，检测方法见表1。

1.4 数据处理方法

水质评价标准执行《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002），采用Origin制图。

2 结果与分析

2.1 氮营养盐的时间变化特征

2.1.1 不同降水期TN的分布特征。

从图2可以看出，采样期间不同级别河流TN平均含量均表现为丰水期大于枯水期。4个采样点位中，瀛东村在不同季节TN平均含量差别最大，其余点位不同季节TN含量差别不明显。

不同季节TN平均含量的差异从某一侧面反映了氮营养盐的污染来源。瀛东村受人类活动影响显著，夏季正值游客数量高峰期，大量未经处理的生活污水经过地表径流进入水体，非点源污染严重，加之流域内水产养殖旺盛，加剧了流域富营养化趋势，因此丰水期和枯水期氮营养盐含量差别较大。其余点位氮营养盐含量则同时受流域内点源和非点源污染的影响。所有采样点TN含量的最小值均高于水体发生富营养化风险的限制值（0.2 mg/L）[18]，表明崇明水体氮营养盐浓度总体偏高，富营养化趋势明显。

2.1.2 不同降水期NH4+-N的分布特征。从图3可以看出，北横引河的NH4+-N平均含量表现为枯水期低于丰水期，表明其受非点源污染影响较大，这主要是由于其流经区域为北部种植区，而夏季是农业生产施肥较为集中的时期，化肥中的NH4+-N随雨水淋溶进入河流，从而导致这些河流中的NH4+-N含量在丰水期较高；南横引河和县级河流的NH4+-N平均含量丰水期低于枯水期，表明其受点源污染影响较大，主要由于南横引河流域分布着崇明重要的工业城镇。水体中的NH4+-N主要来源于未经处理或处理不完全的工业废水和生活污水中含氮有机物的分解、家禽家畜粪便及农施化肥等[19-20]，流域产业分布的差异使得不同级别河流NH4+-N随降水期的变化而不同。

2.1.3 不同降水期NO3--N的分布特征。

从图4可以看出，不同区域NO3--N平均含量变化特征一致，均表现为枯水期低于丰水期。农田过度使用化肥、河道污水、污灌等都是NO3--N污染的主要来源。在丰水期，农业生产活动施入土壤中的氮肥会在微生物作用下形成NO3--N，不易被颗粒物吸附或包裹，在雨水冲刷后通过淋溶等面源污染导致陆源NO3--N输出量增加。

2.2 氮营养盐的空间变化特征

2.2.1 不同流域TN的空间分布特征。由图5可知，枯水期北横引河水质属于劣V类，TN分布沿程差异不大。S4点上游是长征农场，该点TN较高，可能与面源污染有关。S7点下游地表面源污染减少，TN含量逐渐降低。S9点位于东滩自然保护区内，地表污染较轻，因此TN含量最低。南横引河水质属于IV至劣V類，TN含量在上下游差异较大。中上游TN含量均较高，特别是S16点出现最高值。南横引河上游沿程主要分布着城镇，较高的TN含量可能与城镇工业废水和生活污水排入有关。S13点之后逐渐进入东滩保护区，污染的减少导致TN含量相应降低。县级河流水质属于V至劣V类。S26、S28出现较低值，S29出现极高值。S26、S28位于四滧港、八滧港上，沿程主要是土质良好的大面积耕地，生态农业园区的建设使该区域氮营养盐流失量降低，因而水体中TN值较低。S29处TN含量较高，与人类生活污水排放有关。

丰水期北横引河水质属于劣V类，TN含量呈现分段特征。S1到S4点剧烈增加，之后逐渐降低。东部地表面源污染减少，致使TN含量逐渐降低。南横引河水质属于劣V类，TN含量分布高低错落，并未呈现明显的分布特征。丰水期的强降水致使南横引河面源污染增加，进而导致南横引河河流水质整体出现明显的恶化趋势。县级河流水质属于劣V类水质。S21、S22出现较高值，也与降雨冲刷导致的氮营养盐流失有关。

2.2.2 不同流域NH4+-N的空间分布特征。

从图6可以看出，枯水期北横引河NH4+-N分布差异较大。S2点左侧是新海镇，城镇生活污水排放致使该点NH4+-N含量较高。S7点有渔船停泊，其较高的NH4+-N含量来源于渔民生活污水排放。南横引河NH4+-N分布高低错落。S16、S18处出现极高值，原因是它们位于崇明县的工业重镇（新河镇与城桥镇）附近，大量生活污水和工业废水通过河流系统排入南横引河，致使水体中NH4+-N含量较高。县级河流NH4+-N分

布高低错落，中部S23、S25和东部S29出现较高值。S23位于新河港，沿程新河镇和东平镇等村镇点源排放会对水体产生影响；另一方面，该区域是农业种植区，河道没有护坡，采样点坡岸处即可见农作物，化肥的大量施用导致水体NH4+-N含量较高。

丰水期北横引河NH4+-N分布呈现分段特征。上游含量逐渐增加，中下游逐渐降低，表现出典型的面源污染特征。南横引河沿程差别不大，极高值出现在S10点处。县级河流NH4+-N分布规律复杂。西部S21处NH4+-N含量最高，与农业种植区的化肥流失有关；东部S29處NH4+-N含量较高，则主要与城镇生活污水排放有关。

2.2.3 不同流域硝态氮的空间分布特征。

从图7可以看出，枯水期北横引河NO3--N分布整体差异不大，S2、S9处出现低值。S2处NO3--N含量较低，原因可能是春季水体

中氧含量较低，较低氧含量会阻碍硝化作用的发生，水体自净能力差，因此出现低硝氮、高氨氮的特征[16]。S9处NO3--N与TN含量均较低，与地表面源污染减少有关。南横引河NO3--N分布差异明显，下游含量明显低于上中游。下游位于东滩保护区之内，地表面源污染较低，致使NO3--N含量较低。县级河流NO3--N分布差异明显。其中，西部S21、S22处较高的NO3--N含量与该区域大面积农场面源污染严重有关；东部S27、S29处较高的NO3--N含量则与城镇生活污水排放有关。

丰水期北横引河NO3--N分布整体差异不大。北横引河沿程主要分布着农业种植区，丰水期降雨较多，地表冲刷致使农药化肥流失严重，因此上下游NO3--N含量差异不大。南横引河NO3--N分布差异明显，下游含量明显低于上中游。上中游沿程是城镇区，城镇污水排放致使NO3--N含量较高。县级河流NO3--N分布差异较大且高低错落。中部河道NO3--N含量较高，原因是该区域分布着大量农田，且河道没有护坡，丰水期降雨冲刷严重，致使陆源输出NO3--N含量增加。

2.3 氮营养盐的污染来源

崇明岛水体中氮污染的来源分为点源和非点源两大类型。点源污染主要是工业废水、城镇生活污水等。非点源是指点源以外的污染源，主要包括城镇地表径流、农业地表径流、林区地表径流、矿区地表径流、大气降雨降尘、水产养殖业和流动船舶等。在各污染源中，点源污染对NH4+-N、NO3--N均有贡献，而非点源污染则对NO3--N的贡献较大。

具体而言，崇明岛内水体丰水期的TN含量均高于枯水期。北横引河丰水期的TN含量最高，县级河流次之，南横引河最低，且南横引河枯水期和丰水期TN含量差别不大。以上特征说明北横引河、县级河流、瀛东村河流的TN含量与流域内非点源污染关系较大，南横引河TN则受到点源污染和非点源污染的程度相当。北横引河NH4+-N含量表现为丰水期的含量高于枯水期，受非点源污染影响较大；其余流域则相反，受点源污染影响较大。各流域丰水期的NO3--N浓度均高于枯水期，受非点源污染影响较大。

崇明岛不同流域溶解态无机氮（DIN）（NO3--N和NH4+-N）的含量在TN中所占比例为64%～98%，说明DIN是崇明岛水系氮营养盐的主要组分。进一步分析可知，水系中DIN以NO3--N为主，除瀛东村（40%）以外，NO3--N平均占到TN的50%以上。从TN的构成形式来分析，NO3--N对崇明岛水系氮营养盐污染贡献率相对较大。

3 结论

（1）受工农业生产活动影响，崇明岛内不同级别河流氮营养盐含量在不同降水期变化规律明显。岛内各级别河流的TN和NO3--N含量表现为丰水期大于枯水期；NH4+-N含量在北横引河和瀛东村河流表现为丰水期大于枯水期，南横引河和县级河流则表现为丰水期小于枯水期。

（2）无论是丰水期还是枯水期，岛内流域的TN含量均高于水体发生富营养化风险的限制值，水环境富营养化趋势明显。NO3--N是崇明岛TN的主要组成部分，主要来源于农田过度使用化肥、河道污水、污灌等。

（3）受地表径流、农业面源污染及城镇点源污染的影响，不同降水期不同级别河流氮营养元素空间变化复杂，反映出人类活动对崇明岛水环境的影响日益严重。

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