甬江流域氮磷营养盐时空分布特征及与土地利用类型关系*

樊 荣 雷 坤 郎 琪 孙明东 王 刚 程全国#

(1.沈阳大学环境学院,区域污染环境生态修复教育部重点实验室,辽宁 沈阳 110044;2.中国环境科学研究院水生态环境研究所,北京 100012)

氮磷营养盐是重要的生命元素,在生态系统中扮演着重要角色,但当水体中氮磷营养盐过量时会造成水体富营养化[1-2]。氮磷营养盐的来源同土地利用类型有密切关系[3],其中城镇建设用地是氮磷营养盐的重要来源[4]。王鹏等[5]对赣江流域研究发现,城镇建设用地是流域氮磷污染主要影响因素之一。高凤等[6]研究发现,城镇建设用地点源和面源污染是小浃江氮磷营养盐浓度增加的主要原因。此外,林地对氮磷营养盐有截留作用[7]2586,[8]873,[9]。由此可见,深入分析土地利用类型对流域氮磷营养盐控制,防止流域水体污染具有重要的参考意义。

近年,我国杭州湾近岸海域由氮磷营养盐造成的富营养化问题十分突出。甬江是杭州湾近岸海域的主要入海河流之一,发源于宁波市四明山,经镇海口流入东海,其氮磷营养盐水平对杭州湾近岸海域有着重要影响。与此同时,随着宁波城镇化快速发展,土地利用类型发生剧烈转变,尤其是建设用地迅速增加[10]。目前,宁波市区面积3 730.0 km2,占全市陆域面积的37.99%,其中建设用地面积2 020.3 km2,占全市陆域面积的20.72%[11]。因此,人类活动对甬江流域水质状况、水生态安全的影响加剧,特别是氮磷营养盐污染问题不容乐观。然而,针对甬江流域氮磷营养盐污染水平、时空特征及其与土地利用类型的关系尚未开展系统性研究。

本研究对甬江流域枯水期和丰水期的氮磷营养盐污染及时空分布特征进行了调查,识别出氮磷营养盐污染严重区域,分析土地利用类型对其影响,以期为甬江流域水污染防治提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集与测定

甬江上游有姚江、奉化江两大支流,其中奉化江又有二级支流剡江、县江、东江、鄞江,考虑干支流汇合情况,于2022年1月(枯水期)、7月(丰水期)在甬江流域设置了15个采样点位(见图1)进行水样采集,其中1～4号点位位于姚江,5、6、8号点位分别位于鄞江、剡江和县江,10、9号点位分别位于县江汇入东江前后,7、11、12号点位位于奉化江,13、14、15号点位位于甬江。1、2、4、12、13、14、15号点位的土地利用类型以建设用地为主。

图1 甬江流域概况及采样点位分布

现场使用哈希HQ4100多参数水质分析仪测定电导率、溶解氧、pH。

总磷(TP)和溶解态总磷(DTP)的测定参照《水质 总磷的测定 钼酸铵分光光度法》(GB/T 11893—89)。总氮(TN)和溶解态总氮(DTN)的测定参照《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),亚硝酸盐氮的测定参照《水质 亚硝酸盐氮的测定 分光光度法》(GB/T 7493—87),氨氮的测定参照《水质 氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法》(HJ 535—2009),硝酸盐氮的测定参照《水质 硝酸盐氮的测定 紫外分光光度法》(HJ/T 346—2007),氯离子(Cl-)的测定参照《水质 氯化物的测定 银量滴定法》(GB/T 17378.4—2007)。

1.2 数据统计与分析

从自然资源部的全球30 m地表覆盖(GlobeLand30)数据集获取甬江流域土地利用类型数据,计算每个采样点位2 km缓冲区内的各土地利用类型面积占比。先使用K-S方法检验数据正态性,再使用SPSS25软件检验数据组差异性,若数据呈正态分布采用t检验,否则采用K-W检验,p<0.05时认为存在显著差异,p≥0.05时则认为无显著差异。使用SPSS25软件进行相关性分析,若数据呈正态分布采用Pearson相关性检验,否则采用Spearman秩相关检验,p<0.01时相关性极显著,p<0.05时相关性显著,p≥0.05时相关性不显著。

2 结果与分析

2.1 常规水环境指标时空分布

2022年甬江流域常规水环境指标时空分布情况如图2所示。pH偏弱碱性,为7.10～9.80;溶解氧为2.52～16.15 mg/L,流域差异不明显。电导率和Cl-整体表现出自上游向下游沿程升高的趋势。

图2 甬江流域常规水环境指标时空分布

2.2 氮磷营养盐时空分布

2022年甬江流域枯水期和丰水期TN质量浓度分别为2.79～9.65、2.29～3.37 mg/L,枯水期整体高于丰水期,按照湖库的标准,都超过了《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)的Ⅴ类水质标准,其中姚江下游、奉化江下游、甬江干流TN浓度较高。甬江流域的氮以溶解态为主,枯水期和丰水期DTN占TN的质量分数分别为97.62%～99.85%、80.84%～97.31%;无机氮又分别占了枯水期和丰水期DTN质量分数的51.41%～99.62%、81.09%～97.60%,枯水期和丰水期的无机氮质量浓度分别达到2.19～5.83、1.84～3.08 mg/L,存在显著差异。故下面重点讨论无机氮,但是亚硝酸盐氮一般含量较低,因此也不再考虑。

2022年甬江流域枯水期和丰水期硝酸盐氮质量浓度分别为1.56～4.06、1.08～2.34 mg/L(见图3),姚江、奉化江、甬江三江汇合处及下游浓度较高,枯水期整体高于丰水期,而且枯水期空间差异更大。

图3 甬江流域硝酸盐氮时空分布

2022年甬江流域氨氮在枯水期和丰水期都有较大的空间差异(见图4)。枯水期氨氮质量浓度为较重。

图4 甬江流域氨氮时空分布

0.21～1.75 mg/L,空间分布上表现为甬江>奉化江>姚江,氨氮浓度较高的点大都位于城镇建设用地。丰水期氨氮质量浓度为0.06～1.37 mg/L,空间分布上表现为姚江>奉化江>甬江。姚江氨氮浓度较高的点位于城镇建设用地,并且晴天在雨水口发现有排水现象,故在排水口上下游各进行了50 m增补采样监测,氨氮质量浓度为1.01～1.84 mg/L,因此姚江丰水期氨氮浓度可能受城市污水影响2022年甬江流域枯水期和丰水期TP质量浓度分别为0.03～0.13、 0.11～0.31 mg/L(见图5),枯水期基本能达到GB 3838—2002的Ⅱ类水质标准,丰水期基本能达到Ⅲ类水质标准,与TN一样在姚江下游、奉化江下游和甬江干流浓度较高,不同河段差异显著。枯水期和丰水期DTP质量浓度分别为0.01～0.06、0.06～0.22 mg/L(见图6),DTP占TP的质量分数分别为10.28%～97.14%、25.81%～92.86%。

图5 甬江流域TP时空分布

图6 甬江流域DTP时空分布

2.3 土地利用类型对氮磷营养盐的影响

由表1可见,除草地外其余土地利用类型对DTN、硝酸盐氮、TP均有显著相关性。

采用多元线性回归法对DTN、硝酸盐氮、TP与影响较大的土地利用类型进行回归分析,结果见表2。

表2 土地利用类型面积占比与氮磷营养盐的多元线性回归结果

3 讨 论

3.1 氮磷营养盐浓度季节性差异

2022年甬江流域不同氮磷营养盐的季节性变化趋势各不相同。

氮营养盐以可溶态为主,浓度枯水期高于丰水期,枯水期无机氮是丰水期的1.19～1.89倍,高值集中在城镇建设用地。一方面,枯水期农业活动显著减少,城镇废水排放占据主导位置,导致附近水体无机氮浓度较高[8]873;另一方面,因甬江流域属亚热带季风气候,四季分明,冬季雨量少、水温低,因此水体微生物活动缓慢,水体环境中的无机氮浓缩并稳定存在[12]。

磷营养盐则不同,浓度丰水期高于枯水期,丰水期TP是枯水期的2.33～3.44倍,高值也集中在城镇建设用地,不过污染水平总体比氮营养盐低。磷多来源于土壤面源污染,而且2022年丰水期宁波市多次发生暴雨,土壤中的磷易迁入水体[13-15],导致丰水期磷含量高于枯水期。

由此可见,枯水期氮营养盐污染较为严重,主要来源于人类活动,而丰水期磷营养盐污染相对较轻,受降雨径流冲刷土壤磷影响较大[16]。

3.2 土地利用类型与氮磷营养盐的关系

甬江流域通过缓冲区分析发现,建设用地面积占比为29.60%,姚江上游的建设用地面积占比更是高达近100%,丰水期氨氮/DTN、DTP/TP比枯水期分别提高1.60、1.30倍。丰水期降雨量大时,建设用地因不透水导致径流量增加,污染性的氨氮和TP浓度升高[17],说明建设用地的点源输入加剧了氮磷污染[18]1779。

三江汇合处位于宁波市中心城区,人口密度大,城镇化程度高,建设用地产生污染全年均存在,故全年氮磷浓度较高。枯水期由于雨水和农业活动减少,河流自净能力降低,使得农业来源的氮磷污染显著下降,建设用地的地表径流污染成为甬江氮磷污染主要影响因素[19]。奉化江支流区域林地面积占比较大,人口密度低[18]1779,是奉化区的水源地,水体自净能力较强,故总体氮磷污染较轻。

Spearman相关性检验结果显示,甬江流域土地利用类型与DTP、氨氮无显著相关性,草地面积占比与氮磷营养盐无显著相关性,说明DTP、氨氮受土地利用类型影响较小,草地对氮磷营养盐影响水平较低[20-22]。林地面积占比对DTN具有极显著负相关性,与硝酸盐氮 、TP具有显著负相关关系,这是因为林地的植物根系具有截留氮磷营养盐的功能[7]2584。建设用地面积占比与DTN、TP具有极显著正相关关系,说明建设用地是甬江流域氮磷营养盐的重要来源[7]2584。

由此可见,城镇建设用地、林地面积控制及城镇建设用地点源废水排放控制对氮磷营养盐污染治理有较大作用[23]。

甬江流域跨越宁波市7个县级行政区,各个县级行政区的土地利用类型面积占比不同,应因地制宜地采取氮磷营养盐污染控制措施。姚江及甬江干流流域建设用地面积占比较大,应控制建设用地面积、增加绿化用地面积,加强对建设用地点源废水排污控制。奉化江流域建设用地面积占比相对较小,以耕地为主,但农药化肥投入总量和单位面积使用强度高于全国平均水平[24],故奉化江流域应减少农药化肥使用,可重点考虑推动种植产业生态化发展,如“林地+”模式[25],以减少农田地表径流对河流氮磷的面源污染负荷。

4 结论与建议

(1) 2022年甬江流域TN、TP质量浓度分别为2.29～9.65、0.03～0.31 mg/L。TP基本能达到GB 3838—2002的Ⅲ类水质标准,丰水期浓度相对较高;TN按照湖库的标准超过了GB 3838—2002的Ⅴ类水质标准,而且枯水期污染更为严重。

(2) 甬江流域氮磷营养盐与土地利用类型有关。林地面积占比对DTN具有极显著负相关性,与硝酸盐氮 、TP具有显著负相关关系。建设用地面积占比与DTN、TP具有极显著正相关关系。

(3) 建议根据不同河段的土地利用类型面积占比差异对氮磷营养盐污染进行控制。姚江及甬江干流流域建设用地面积占比较大,应增加绿化用地面积,加强对建设用地点源废水排污控制。奉化江流域以耕地为主,加强“肥药两制”,并实施“林地+”模式。