洱海大气氮磷湿沉降特征及入湖负荷估算

黄 明 雨，吕 兴 菊，董 琼 蕃，李 航，高 登 成

(大理州洱海湖泊研究院，云南 大理 671000)

0 引 言

随着工业的快速发展、化肥的广泛应用、能源的大量消耗和人类的高密度活动，向大气排放了大量的氮磷化合物、重金属、持久性有机物等污染物[1-3]。在重力的作用下，这些污染物在雨、雪等降水过程冲刷后大部分以湿沉降的方式返回地面[4-6]。大气湿沉降中氮素、磷素等营养物质浓度过高会引起受纳水体表层酸碱度和营养盐结构产生变化，致使水体富营养化程度加剧，继而对整个湖泊生态系统的能量流动和物质循环产生影响[7-8]。因此，大气湿沉降及其生态环境效应对于控制湖泊水体污染，保护水生态环境具有重要的现实意义。

大气氮、磷沉降是陆源污染物和营养物质向水生生态系统传输的重要途径之一，在人类活动影响较大的流域，大量氮、磷通过大气沉降的形式输入到水体中，能够对地表水体的营养结构、水生生物的生存环境等造成严重的负面生态效应[9]。宋玉芝等[10]2002～2003年对大气降水向太湖水生态系统输入氮素的研究指出，太湖流域的大气降水已经呈现出富营养化特征；牛勇等[11]通过2009～2018年太湖大气湿沉降氮磷特征对比研究进一步证实了大气降水中的氮磷营养盐对加速太湖水体富营养化进程的贡献不可忽视；任加国等[12]2014年对滇池大气降水氮磷营养盐入湖污染负荷贡献的研究结果表明，大气降水中总氮和总磷的负荷量分别占河流输入负荷的6.14%和12.76%；余功友等[13]2012～2014年在评估大气干湿沉降输入磷对阳宗海富营养化的潜在影响研究中，表明大气磷沉降与输入阳宗海的总磷负荷量相比很小，对阳宗海富营养化影响很小。氮、磷湿沉降是湖库外源营养物质的重要输入途径，充分掌握其时空分布特征及入湖(库)污染负荷贡献率是进一步强化流域管理和减少湖库外源氮、磷负荷输入的重要前提。

目前，对洱海外源污染输入氮、磷营养物质的研究主要侧重于农业面源及入湖河流、沟渠污染的研究[14]，作为洱海流域的污染物来源之一，大气氮磷湿沉降规律鲜有报道。2002年，颜昌宙等[15]在有关云南省洱海的生态保护及可持续利用对策中写到，洱海大气干湿沉降总氮、总磷入湖污染负荷分别为345.5 t和17.92 t。2009年，张态[16]在洱海氮磷时空分布特征及其外源负荷研究中估算了干湿沉降氮磷入湖负荷，其中总氮输入量为388.5 t，总磷为24.35 t，总氮占洱海外源性污染负荷的32.31%，总磷占洱海外源性污染负荷的32.68%。2016～2017年，高蓉等[17]在洱海西岸中部农作区进行雨水样品收集及检测，2016年稻季总氮、总磷湿沉降量分别为563.5 t和33.5 t，2017年稻季总氮、总磷湿沉降量分别为259.0 t和18.4 t。本研究通过对洱海湖区周围4个站点为期1 a的大气降水进行监测，初步揭示了湖区周围大气湿沉降中总氮、总磷浓度及其沉降通量的年内变化特征，进而估算了洱海湖区直接入湖总氮、总磷负荷量并评估了其对湖区水环境的潜在影响，以期为洱海生态环境治理和水资源保护提供基础数据和新思路。

1 研究区域与方法

1.1 研究区域

本次研究区域限定为洱海252.71 km2湖区水域范围内，在环洱海四周布设了4个监测站点(见图1)，具体为北部上关镇河尾村站点、西部湾桥镇古生村站点、南部海东镇下和村站点和东部挖色镇海印村站点，分别按场次收集大气降水。4个监测站点均延伸至洱海湖区内50～100 m，站点周围无高大建筑物、构筑物以及树木遮挡，没有工业企业大气污染物排放，周边土地利用现状以耕地和村庄为主。大理市多年气象观测资料表明：洱海湖区盛行风为东风，次盛行风为东东南风，第三盛行风为西西北风。

图1 洱海湿沉降监测站点Fig.1 Location of Erhai Lake wet deposition monitoring points

1.2 研究方法

2019年6月1日至2020年5月31日期间，累计采集有效水样137场次(<50 mL为无效水样，只记录体积，不进行水化分析)。湿沉降通量计算及入湖污染负荷估算基于4个点位GPRS信息，依据泰森多边形法则，利用ArcGIS将洱海湖区水域划分为4部分(见图1)，4个分区的具体面积如下：SA=76.86 km2，SB=61.68 km2，SC=59.01 km2，SD=55.16 km2。降水样品使用ZR-3901型全自动降水采样器进行采集，湿沉降缸面积约为0.070 65 m2(r=15 cm)。在每次降水结束后及时收集水样，并记录降水的起止时间和水样体积，干季每周用去离子水清洗设备。将降水样品摇匀后直接测定其TN和TP指标。降水类别基于洱海湖区水功能目标即GB 3838-2002《地表水环境质量标准》Ⅱ类(湖库)标准进行评价。

1.3 通量计算及入湖负荷估算

在忽略沉降缸内水样可能发生理化、生物变化的前提下，基于水样体积、降水量、样品浓度和分区面积，采用如下公式进行各分区月湿沉降通量计算和直接入湖负荷估算：

P=F·Sj·10-3

式中：F为分区内月湿沉降通量，kg/km2；H为湿沉降采样当月的总降雨量，mm；hi为第i次采集湿沉降样品时的降雨量，mm；n为当月采集次数；Ci为当月第i次采集的湿沉降样品的沉降物质量浓度，mg/L；Sj为j区面积，km2；P为j区月湿沉降负荷量，t。

2 结果与分析

2.1 研究区域降雨特征

洱海小流域位于低纬度地区，具有海拔高、地势低、高差大等特征，其“立体气候”较为显著。小流域内降雨量的年际波动较为强烈，主要是因为西南季风活动强弱差异和进退早迟而引起的。洱海小流域年降雨量由南向北、自西向东递减，在小流域西部和北部，降雨量受地形影响较为明显，表现为随高程升高而显著增加。洱海小流域年内夏季受西南季风气候的影响，冬春季主要受来自大陆高压前部的偏东气流或经过青藏高原南侧的西风气流的影响，干湿季节分明[18]。从研究期间各监测站点降水量月际变化(见图2)可以看出：全年湖区降水主要集中在湿季(6～10月)，约占年降水量的79%～96%，表明该时段降水较大程度地决定了年降水量;11月至次年5月为干季，干季平均降水仅为103 mm，仅占年降水量的4%～21%；最大月降水量出现于7月份，最小月降水量出现在5月份。研究期间4个站点年降水量均值为(685.69±80.81) mm。

图2 2019～2020年监测点位降水量月际变化Fig.2 Inter-monthly changes in rainfall at monitoring points from 2019 to 2020

2.2 大气湿沉降特征

2.2.1湿沉降TN、TP浓度变化特征

2019～2020年洱海湖区4个监测站点降水中TN浓度范围是0.05～3.22 mg/L，平均浓度为(1.180±0.682) mg/L；TP浓度范围是0.010～0.151 mg/L，平均浓度为(0.072±0.021) mg/L。6～10月来自印度洋的西南暖湿信风持续向小流域长时间提供大量水汽，导致其间降水频率较高，气溶胶、PM2.5等粒子在大气中留存时间极短，因而造成雨水中TN浓度较低；11月至次年5月小流域受西风南支槽和二次蒸发的影响降水频率较低，气溶胶、PM2.5等粒子在大气中停留时间相对较长，所以在降水中容易出现较高的TN浓度。因而，洱海湖区雨水中的TN浓度符合干季高湿季低的变化规律。4个站点TN浓度波动范围较大，浓度均值顺序为下和(1.34 mg/L)>海印(1.23 mg/L)>河尾(1.15 mg/L)>古生(0.99 mg/L)；TP浓度波动范围也较大，浓度均值顺序为海印(0.091 mg/L)>下和(0.067 mg/L)=古生(0.067 mg/L)>河尾(0.065 mg/L)(见图3)。

图3 洱海湿沉降总氮、总磷浓度箱图Fig.3 Box diagram of total nitrogen and total phosphorus concentration in Erhai Lake wet deposition

2.2.2湿沉降TN、TP浓度与降水量的相关关系

根据中国气象部门对降水大小的分类标准(小雨<10 mm/d，中雨10～25 mm/d，大雨>25 mm/d)，将研究期间4个监测点位降水事件分为小雨63场次、中雨56场次和大雨18场次。不同强度类型的降水中TN、TP浓度表现出明显的差异性，具体呈现为：随降水强度的增大，TN、TP浓度逐渐减小(见表1)。小雨样品中TN平均浓度高达2.156 mg/L，为大雨的3.84倍，中雨的2.88倍；同样，小雨样品TP的平均浓度分别是大雨样品的2.31倍，中雨的1.46倍。综上可知，小雨中TN、TP的浓度相对较高，这可能是因为小雨降水事件中雨滴较小，与大气接触的表面积较中雨、大雨偏大，从而能够黏附、溶解更多的含氮素、磷素物质气溶胶。此外，一般小雨降水事件历时较长，对大气的淋洗过程持续时间相应较长，也可能是导致降水中TN、TP浓度升高的重要原因。

表1 不同类型降水的氮磷浓度Tab.1 Concentrations of nitrogen and phosphorus in different types of rainfall

降水中TN、TP浓度主要受空气中对应污染物不同形态浓度和降水量2个因素影响，因此，2019年6月至2020年5月期间降水中TN、TP浓度波动主要是其中某一个因素或是两个因素共同作用的结果。研究发现，随降水量的逐渐增大，湿沉降中TN、TP浓度逐渐减小而后稳定在低浓度。对年内137组TN、TP浓度与降水量进行Pearson相关分析，结果显示：TN浓度与降水量呈极显著负相关(P<0.01)，表明TN浓度受降水量影响程度较大；而TP浓度与降水量呈显著负相关(P<0.05)，TP浓度受降水量的影响较小，这与磷的形态密切相关(见表2)。磷不存在稳定的气态化合物从而无法依靠气相进行再分配，空气中的磷以颗粒态气溶胶为主的形式存在。

表2 降水量与湿沉降氮磷浓度相关性分析结果Tab.2 Correlation analysis results of rainfall and wet deposition nitrogen and phosphorus concentrations

2.2.3湿沉降TN、TP通量变化特征

TN湿沉降通量年内月际变化大致呈“M”双峰型，TN沉降通量最小出现在2020年5月，洱海湖区降水主要集中在6～9月，随着降水量的暴增，TN的湿通量也急剧增加，TN沉降通量介于57.20～334.33 kg/km2(见图4)。下和、海印和河尾3个站点TN湿沉降通量峰值出现在2019年7月，古生站点TN湿沉降峰值出现在2020年2月。11月份降雨量锐减，TN沉降通量也迅速降低。TP湿沉降通量年内月际变化与TN一致，4个站点2～7个月的TP湿沉降通量低于1.0 kg/km2，海印站点TP湿沉降通量明显高于其他3个站点，其支配因素为TP浓度。2019年6月开始，随着汛期的到来，TP的湿沉降通量迅速增大，2019年7月4个站点TP湿沉降通量达到峰值，9月份以后进入干季，TP湿沉降通量开始下降。

图4 洱海湿沉降氮磷通量月际变化趋势Fig.4 The monthly variation trend of wet deposition nitrogen and phosphorus fluxes in Erhai Lake

研究发现，TN、TP湿沉降通量与降水量密切相关。进一步对TN、TP月湿沉降通量与对应降水量进行非线性幂函数回归和Pearson相关分析，得出洱海湖区TN、TP的月湿沉降通量与对应月度降水量呈极显著正相关关系(P<0.01)，其相关系数分别为0.936和0.969(见图5)。这一结论与周石磊等[19]2016～2017年研究周村水库大气湿沉降氮磷特征和陈法锦等[20]2015～2016年研究湛江湾大气湿沉降中营养盐特征得到的结论一致。

图5 洱海氮磷湿沉降通量与降雨量幂回归Fig.5 The regression of wet deposition flux of nitrogen and phosphorus in Erhai Lake and rainfall power

2.3 大气湿沉降直接入湖负荷估算

进入洱海TN、TP的来源有入湖河流的输送、大气沉降输送、点源污染的输送以及地下水的涌出输送等，目前对河流入湖TN、TP负荷的研究较多[21]。本文利用2019年6月至2020年5月测定的洱海湖区大气湿沉降氮磷月度通量进行湖面直接入湖负荷估算：TN湿沉降直接输入负荷为183.32 t，西部贡献21%，北部贡献20%，东部贡献27%，南部贡献32%；TP直接输入负荷为11.19 t，西部贡献23%，北部贡献占21%，东部贡献29%，南部贡献27%，湿沉降污染负荷主要集中在汛期(2019年6～9月)。王圣瑞等[22]在洱海氮磷循环及收支平衡中核算入湖河流TN年输入量为912.6 t，TP年输入量为73.5 t，由此推算，洱海湖面湿沉降TN入湖负荷占入湖河道年输入的20.01%，TP占15.22%。值得注意的是：研究期间环洱海生态廊道和环湖库塘湿地在大规模施工，扬尘聚集性增加可能引起湿沉降通量增大，从而导致入湖污染负荷高于洱海流域正常年份。

3 讨 论

在时间尺度上，雨水中TN、TP浓度变化表现出显著的季节性差异，雨水中TN、TP浓度随着降水强度的增大呈降低趋势。干季降水频次较少且雨量较小，雨水中TN、TP的浓度较高。出现连续降水天气时，初期雨水中TN、TP的浓度比中、后期的高；距前一场降水事件时间越长，雨水中TN、TP的浓度也越高，证实了降水对大气污染物具有良好的清洗和稀释作用。在空间分布上，洱海南部、东部、北部和西部的TN平均浓度分别为1.34 mg/L(Ⅵ)，1.23 mg/L(Ⅵ)，1.15 mg/L(Ⅵ)，0.99 mg/L(Ⅲ)；洱海东部、南部、西部和北部的TP平均浓度分别为0.091 mg/L(Ⅵ)，0.067 mg/L(Ⅵ)，0.067 mg/L(Ⅳ)，0.065 mg/L(Ⅳ)。TN、TP浓度均高于洱海功能区目标类别(Ⅱ)，空间上的差异对雨水TN、TP浓度的影响不如时间尺度上的明显。

进一步探究了洱海湖区湿沉降TN、TP直接入湖负荷量与湖区水体水质参数、藻类生物量(以叶绿素a表征)的关系，试图找出水体已经处于中营养状态下的洱海，湿沉降TN、TP营养盐的输入能否显著增加藻类生物量，以及评估湿沉降TN、TP入湖负荷对湖区水环境的影响。通过对同期湖区11个点位表层水体总氮(CTN)、总磷(CTP)、化学需氧量(CCODCr)以及叶绿素a(CChl-a)月均值浓度与月湿沉降TN、TP入湖负荷量进行正态分布检验和相关性分析(见表3)，发现湖区Chl-a浓度与入湖湿沉降TP的输入量呈极显著正相关关系(P<0.01)，与TN输入量呈显著相关关系(P<0.05)，说明TN、TP的输入可能增加洱海藻类生物量。TN输入量与湖区TN浓度、TP输入量与湖区TP浓度之间相关性不显著，说明湿沉降TN、TP输入负荷对洱海相应水质指标影响较小。湖区CODCr浓度与入湖湿沉降TP的输入量呈极显著正相关关系(P<0.01)，与TN输入量呈显著相关关系(P<0.05)，说明TN、TP的输入可能引起洱海有机污染加重。

表3 湿沉降氮磷入湖负荷与湖区水质指标相关性分析结果Tab.3 Correlation analysis results of wet deposition nitrogen and phosphorus load into the lake and lake area water quality indicators

4 结 论

(1) 洱海湖区降水中TN浓度范围为0.05～3.22 mg/L，平均浓度为(1.180±0.682) mg/L；TP浓度范围为0.010～0.151 mg/L，平均浓度为(0.072±0.021) mg/L。

(2) TN、TP湿沉降通量7月份最大、5月份最小，沉降通量与降水量极显著正相关。

(3) 洱海湖面湿沉降直接输入负荷量TN约为183.32 t，TP约为11.19 t，湖面湿沉降TN直接入湖负荷占入湖河道年输入量的20.01%，TP占15.22%。