贵州高原山区河流桐梓河氮磷输出通量研究

周晓雯，安艳玲，吕婕梅，于 霞，李钒玺

（1.贵州大学喀斯特环境与地质灾害防治重点实验室，贵阳550025；2.贵州理工学院，贵阳550002）

氮磷作为限制性营养元素，过量输入会造成水体污染，甚至威胁到河流的生态平衡。河流作为连接陆域和水域的关键通道，在氮磷的迁移转化过程中发挥着重要作用，同时也是受人类活动影响最严重的生态系统。频繁的人类活动致使流域的氮磷污染负荷输出增加，河流水体的氮磷浓度随之升高，河流的输送作用使下游河口［1］、水库［2］、湖泊［3］等区域氮磷不断累积，可能造成这些区域产生水体富营养化等环境问题，而人类活动的变化规律可归结为土地利用的变化，并被认为是人类活动的主要表现形式［4-6］。龚小杰等［7］估算出黑水滩河受沿河串珠状场镇式发展，每年向三峡水库输出的总氮（TN）、总磷（TP）通量分别为1 001 和47 t/a；陈诗文等［8］研究显示西苕溪支流在丰水期向干流输出TN 为294.44 g/s、TP 为8.72 g/s，流经湖州城镇区的支流的TN、TP 通量均显著高于其他支流，生活污水的直接排放使得水体中氮磷累积；Kreiling 等［9］收集了密西西比河的六条支流在1991-2014年期间各种形态氮磷输出通量，发现所有支流的磷的通量普遍下降，这与农业用地管理得到改善及点源贡献减少有关，氮的通量则保持稳定。目前相比平原河流［10-12］，对于高原山区河流的氮磷输出特征研究较少，高原山区河流所在区域的土地利用景观格局受海拔较高、坡度较陡、山地丘陵较多等自然条件限制及人为活动的作用，与平原流域有显著差异，且从污染源角度出发，流域内的非点源污染对高原山区河流水体中的氮磷负荷有重要贡献。

国内外有大量的研究专注于建立流域非点源污染负荷量化模型，主要分为机理模型和经验模型。目前比较流行的机理模型有连续时段非点源污染模型（AnnAGNPS）［13］、水文模拟模型（HSPF）［14］、分布式非点源污染负荷模型（SWAT）［15］和暴雨洪水管理模型（SWMM）［16］，它们在物理机制的基础上模拟污染物迁移转化的过程［17］，但这类模型结构复杂、参数众多，通常需要较详尽的基础数据和水文资料，难以广泛应用。而经验模型建立在对大量降雨、水文和水质监测数据进行统计分析的基础上，具有代表性的有基流分割模型［18］、降雨推断模型［19］、流域营养盐输出模型（Global NEWS）［20］及输出系数模型（ECM）［21］等。其中输出系数模型作为一种简单且有效的模型，被认为最大的优势是通过获取相对易收集的研究流域的土地利用状况和人类生产活动资料等数据直接建立流域水体与非点源污染负荷输入的关系，适用于水文地质基础资料缺乏的小流域［22］。

桐梓河为典型的贵州高原山区河流，也是赤水河最大支流，近年来地区社会经济迅速发展，人类活动频繁，流域的景观格局发生了显著的变化，河流受污染过程愈发复杂，所以开展桐梓河氮磷输出特征研究有助于控制其水体的氮磷污染，也为赤水河流域水环境治理提供相关依据。鉴于此，本项目以桐梓河为研究对象，通过对河流进行水样采集和测试，分析桐梓河的氮磷输出特征，在实测数据的基础上计算出桐梓河氮磷输出通量，另外由于桐梓河流域缺少水文气象等长期监测资料，宜选用输出系数模型估算桐梓河流域于2000、2010、2015年的非点源氮磷污染负荷，以期为桐梓河流域的非点源污染负荷削减等环境管理及流域的可持续发展提供决策支持。

1 研究区概况

桐梓河是赤水河中段主要支流（图1），属长江水系支流，发源于桐梓县小坝乡楚米镇，河流全长125 km，自东向西流经桐梓县、汇川区、仁怀市、习水县等境内部分乡镇，于仁怀、习水交界之两河口汇入赤水河，流域面积达3 348 km2。

图1 桐梓河流域区位示意图Fig.1 The position map of the Tongzi River Basin

桐梓河位于贵州高原上的大娄山山脉西缘，流域海拔高度为484～1 843 km，沿河都是崇山峻岭，多悬岩崩石，除发源地天门属冲积盆地，其余地区呈典型喀斯特山地特点。桐梓河所在区域属亚热带季风性湿润气候，气候温和湿润，垂直变化明显，年平均气温17.7 ℃；年平均降水量在850～1 200 mm 间，降水分布不均，雨季集中在5-8月，占总降水量的60%；径流的时空分布变化与降水基本一致，属于典型的山区雨源型河流。

河流周围的主要人类活动包括水土资源开发利用、水利工程建设、植被恢复等［5］。流域内的土地利用类型有水体、建设用地、林地、耕地、草地等，其中上游区域地势较平坦，城市建设用地相对集中，中下游流经坡度较陡、地势较高的喀斯特山区，以耕地和林地为主［23］。

2 样品采集与测试

于2019年8月2日在桐梓河汇入赤水河的河口（当地称为“两河口”）进行一次样品采集（采样点位置见图2），在入河口处采集0.5 m 以上表层水，采样时，使用Nalgene 采样瓶采集水样，测试前采集的水样于4 ℃冷藏保存。按国家标准方法对水样中TN 和TP 进行测试：TN 采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法，TP通过钼锑抗分光光度法测定。

图2 桐梓河采样点示意图Fig.2 Location of sampling sites in Tongzi River

3 结果与分析

3.1 桐梓河氮磷输出通量

3.1.1 输出通量

（1）输出通量的计算公式。

式中：j为污染物类型；Fj为河流氮磷输出通量，g/s；Cj为近河口的河流采样断面氮磷浓度，mg/L；Qj为河口平均径流量，m3/s。

（2）河口氮磷浓度。本次研究实测出的桐梓河河口水体的TN 浓度为3.40 mg/L、TP 浓度为0.09 mg/L。而二道河、古蔺河、同名河、大同河、习水河等赤水河其他主要支流的河口氮磷浓度数据源于前人的研究［24］。

（3）流量数据来源。由于本次研究缺少实时流量数据，因此赤水河主要支流的流量数据参考赤水河流域内设立的各水文站的多年径流资料，包括位于桐梓河下游的二郎坝水文站。已知二郎坝水文站控制了全流域面积的94.06%，通过流域面积与水文站控制面积的倍比系数将水文站的径流系数放大，得到桐梓河年月径流系列，结果显示桐梓河多年平均流量为54.4 m3/s，而本次采样时间在2019年8月，以8月份平均流量74.6 m3/s，作为计算输出通量的基本数据。

3.1.2 氮磷输出通量估算

桐梓河作为赤水河的最大支流，其营养盐的输出通量影响赤水河营养盐的总体负荷，进而将影响其水质状况，将桐梓河等各条支流看作氮磷排放通道，其各自的氮磷输出通量反映了它们对赤水河的影响程度。通过输出通量的计算公式得到：桐梓河TN 输出通量为253.78 g/s、TP 输出通量为6.43 g/s，与二道河、古蔺河、同名河、大同河、习水河等赤水河主要支流的输出通量进行比较（图3），桐梓河TN、TP 输出通量显著高于其他支流，可见桐梓河对赤水河氮磷水平影响更大。桐梓河河口水体受上游至下游的氮磷污染物积累，导致该处氮磷浓度较高，加之该处河面较宽，流量相对较大，致使氮磷输出通量相对较高。

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

图3 桐梓河TN、TP输出通量与赤水河其他支流对比Fig.3 Comparison of TN and TP export fluxes of Tongzi River with other tributaries of Chishui River

3.2 桐梓河流域非点源氮磷输出负荷

3.2.1 输出系数模型

（1）模型结构。

式中：j为污染物类型；i为流域土地利用的种类，共m种；Lj为第j种污染物在研究区的总负荷量，kg/a；Eij为污染物j在流域的第i种土地利用类型中的输出系数，kg/（km2·a）；Aj为第i种土地利用类型的面积，km2。

（2）输出系数。输出系数的合理选取是输出系数模型构建的关键［25］，通常采用查阅文献法或现场监测法来确定。在实际工作中，输出系数的确定一般是结合流域的实地调查情况，因地制宜地对前人的研究成果进行修正得出的［26］，本研究由于缺乏桐梓河流域水文气象等基础数据且无法进行长期监测，故选择查阅文献法。

桐梓河是赤水河的一级支流，古蔺河与桐梓河同为赤水河的中段支流，入河口相距较近，且均为高原山区河流，流域环境较为接近，输出系数主要借鉴李小丽等［27，28］对古蔺河流域面源污染负荷的研究文献，并参考了赤水河流域土地利用结构的氮磷输出特征的相关研究［29，30］，在实地调查结果的基础上，确定了本研究区的输出系数（表2）。从表2 可看出不同土地利用类型的输出系数有显著的不同，其中耕地的输出系数最大，这与耕地化肥施用、土质松软有关，特别是在喀斯特流域，地表坡度大，耕地的氮磷污染物会因地势加倍迁移到河水中；而林地的输出系数较小，是由于林地起重要的“汇”作用，对水土流失具有一定的滞留效应。因此，所选输出系数有一定的合理性。

表2 各土地利用类型输出系数Tab.2 Export coefficients of various land use

（3）数据来源。本文参考田义超等［23］通过遥感影像数据进行解译得到的2000、2010、2015年桐梓河流域的土地利用类型及面积（表3）。

表3 2000、2010、2015年桐梓河流域土地利用类型变化 km2Tab.3 Changes of land use types in 2000，2010 and 2015 in Tongzi river basin

3.2.2 非点源氮磷输出负荷估算

桐梓河为喀斯特地貌背景下的高原山区河流，所处流域以非点源污染为主，现以各类土地利用类型的氮磷非点源污染输出情况进行研究。

根据输出系数模型，计算桐梓河流域的非点源污染TN、TP输出负荷（表4）。TN、TP分别由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年继续降低至4 516.84 t/a、146.16 t/a，总量均下降10%左右。15年间，非点源污染TN、TP 输出负荷呈显著减少的趋势，这种变化趋势与流域内的土地利用类型流转改变有关，主要是耕地面积逐渐减少（表3），流域内非点源氮磷污染呈减缓态势。

表4 2000、2010、2015年非点源污染TN、TP输出负荷 t/aTab.4 TN and TP export loads of non-point source pollution in 2000，2010 and 2015

（1）不同土地利用类型非点源氮磷输出负荷分析。图4 为2000、2010、2015年各土地利用类型的TN、TP输出负荷柱状图。耕地的非点源污染输出负荷变化显著，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，耕地非点源污染TN总量在15年内减少了590.53 t/a，变化幅度为13.58%；同样TP 也呈现下降趋势，从2000年的134.91 t/a，到2010年的125.64 t/a、2015年的116.58 t/a，总量减少18.33 t/a，降幅高于TN，为18.33%。

图4 2000、2010、2015年各土地利用类型的TN和TP输出负荷Fig.4 TN and TP export loads of various land use types in 2000，2010 and 2015

15年间，林地、草地输出的非点源污染变化都较小。由林地输出的TN 负荷逐渐增加，分别从2000年的348.81 t/a 上升到2015年的388.80 t/a，TP 从21.98 t/a 上升到24.50 t/a。草地输出的非点源TN污染负荷与林地相当，2015年为311.18 t/a，虽然草地的面积远不及林地，但由于草地的TN 污染输出系数较高，其非点源TN污染总量较大；非点源TP污染总量同TN先降低后上升的变化趋势一致，但变化幅度较小，2015年相比2000年降低了0.29 t/a。

建设用地的非点源TN、TP 输出负荷在2010年到2015年间变化显著，TN 从6.68 t/a 到60.32 t/a、TP 从0.15 t/a 到1.32 t/a，提升了10 倍左右，但由于建设用地面积较小，其输出的非点源污染负荷相对较低。

图5 为不同土地利用类型在2000、2010、2015年对TN、TP的贡献率柱状图。耕地对TN、TP 贡献率占主导地位，但呈减少趋势，由2000年的86.25%、83.3%，2010年85.60%、81.96%下降至2015年83.17%、79.76%。林地对TN、TP 贡献率呈增加趋势，但占比不同。林地对TN 的贡献率在2000年为6.92%，2010年为8.04%，2015年为8.61%；林地对TP 的贡献更高，2000年为13.64%，2010年为15.62%，2015年16.77%；草地对TN、TP 贡献率的变动较小，且草地对TP 的贡献率也相对更低，维持在2%左右。建设用地对TN、TP 贡献率较小。显然，耕地是影响非点源污染TN、TP的主要原因。

表5 2000、2010、2015年各土地利用类型对TN、TP的贡献率 %Tab.5 Contribution rate of various land use types to TN and TP in 2000，2010 and 2015

图5 不同土地利用类型在2000、2010、2015年对TN和TP的贡献率Fig.5 Contribution rate of different land use types to TN and TP in 2000，2010 and 2015

上述结果表明，各土地利用类型对非点源氮磷输出负荷影响较大。采用输出系数模型得到的计算结果，本质是由土地利用类型的某年面积与相应的输出系数所决定，即某土地利用类型的面积越大或者输出系数越高其输出的氮磷负荷越高［31］。特别是输出系数是由降雨量、径流系数、实测污染浓度数据、化肥施用量及城镇和农村生活、畜禽养殖产生的面源污染的排放和处理情况等因素通过多元线性相关分析确定［32-34］。由此可以发现，减少桐梓河流域氮磷负荷量的关键在于促进城镇化健康发展、进行退耕还林等生态修复工程、降低农药化肥的施用量、收集并集中处理农村生活污水和生活垃圾、推进养殖污染防治。

（2）土地利用变化对非点源污染排放的影响。各土地利用类型转变的非点源氮磷状态量，是根据各土地利用类型面积不同年份之间的变化差值与输出系数之间的关系计算得出，能够更加清晰地反映土地利用类型转变所隐含的非点源氮磷负荷输出状况［25］。从非点源氮磷状态量（表6）输出来看，2000-2010年与2010-2015年的非点源氮磷输出总量均减少，且TN减少更为明显。2000-2010年的氮磷输出变化较为剧烈。从TN 来看，耕地减少量最大，分别减少了298.73 t/a，草地其次，TN 减少量为41.25 t/a，林地反而增加了31.18 t/a，建设用地基本无变化，TN输出总量总体呈下降的趋势，这跟桐梓河流域内这期间实施退耕还林、封山造林等措施有关，TP 的变化趋势与TN 相似。2010-2015年与2000-2010年相比，5年内，建设用地的TN、TP增加量反而更为明显，分别为53.65 t/a，1.17 t/a，可能与桐梓河流域内的建设用地扩张，且输出的氮磷污染较重有关，其他土地利用类型氮磷的增加量和减少量均低于2000-2010年，但耕地的减少量仍然是最大，分别为291.80 t/a，9.06 t/a。

表6 各土地利用转变氮磷状态量汇算表 t/aTab.6 Amount of nitrogen and phosphorous status from various land use transformation

总之，2000-2010年期间，耕地、草地、林地的土地利用动态变化对TN 负荷的影响较大，TP 主要是耕地、林地；2015-2010年较2000-2010年，由土地类型转变所导致的TN、TP 负荷变化量相对缓和，对TN、TP 负荷影响较大的土地利用方式变化的是耕地、建设用地。

非点源氮磷污染输出响应流域内的土地利用变化，同时也间接反映着社会经济变化［35］。这15年间，桐梓河流域的耕地流转变化对非点源氮磷污染输出总量影响最大，但贡献在逐渐降低，耕地更多地转向了林地、草地、建设用地等，氮磷输出总负荷均在减少。蔡宏等［36］研究表明TN、TP 浓度等与低度植被覆盖呈正相关关系，随着植被覆盖度的增加，转变为负相关关系，其中林地为重要的“汇”景观，特别是坡林地对水质污染物的截留、阻拦等作用更加显著，在坡地上加大造林力度对改善流域水质有积极作用［30］。近年来政府推动桐梓河流域生态持续向好，位于桐梓河上游段的桐梓县属典型的喀斯特地貌，山高坡陡，石漠化面积占比高，土地资源匮乏，耕地禀赋差，但拥有全世界面积最大、保存最好、产量最高的原生方竹林资源，且方竹适宜高海拔生长，乔木灌木与其共生，涵养水土能力较好。因此桐梓县实施以方竹种植为主的生态林修复工程，在低产坡耕地、弃荒地等环境问题突出区域种植方竹林，起到保水固土、降低非点源污染物输出的作用。桐梓县利用自身的资源禀赋来改变土地利用模式从而有效遏制水土流失、石漠化，这对减少桐梓河流域内的其他县（市、区）和类似的高原山区河流所在流域的非点源污染提供借鉴参考。

4 结 语

（1）桐梓河下游入河口的TN、TP 浓度分别为3.40 mg/L、0.09 mg/L，根据输出通量的计算公式得到桐梓河TN、TP 的输出通量达到253.78 g/s、6.43 g/s，相比赤水河的主要其他支流，桐梓河对赤水河水体的氮磷水平影响更大。

（2）利用输出系数模型进行估算，发现桐梓河流域在2000-2015年的非点源TN、TP 污染输出负荷减少程度明显，从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。不同土地利用类型对非点源污染负荷总量的贡献率存在差异，表现为耕地对TN 和TP 负荷量影响最大，且远远大于其他土地利用类型，其次是林地、草地、建设用地。且耕地流转对桐梓河流域的非点源污染影响显著。

（3）桐梓县不仅利用特有自然资源进行的生态林修复工程形成了产业优势，也通过不同土地利用类型的空间组合来调控养分流失在时空尺度上的平衡，这为减少和控制其他类似高原山区地区的非点源污染提供借鉴。 □