周晓雯, 安艳玲, 吴起鑫, 吕婕梅, 高世林, 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、磷营养盐的大量输入易使水体的营养水平失去平衡，进而破坏河流或湖泊水质，导致浮游植物大量生长，引起一系列富营养化、水体缺氧等环境问题[1-4]，因此关注河流水体氮磷水平对水环境管理起到关键作用。长期以来，国内外学者对水体中氮磷特征及影响因素开展了广泛研究，有研究表明，地形地貌[5]、水文气象等[6]自然因素对河流氮磷分布具有一定作用，而各类污染源排放[7]、建坝蓄水[8]、改变用地类型等[9]人为因素影响更为强烈；在不同的影响因素下水体的氮磷浓度及形态变化具有显著差异[10-11]。

氮、磷营养盐进入水体的途径广泛、形式多样，包括点源污染和面源污染。我国学者分别对重庆主城区次级河流[12]、天津中心城区河网[13]、成都市区主要河流府南河等[14]典型城市河流水体氮、磷综合污染特征进行研究，研究结果显示未完全收集或处理的城镇生活污水和工矿企业废水等点源污染的集中排放，将使受纳水体氮磷达到高浓度水平；Wu等[15]对东江流域的研究发现农业面源污染将氮磷污染物以分散、广泛、微量的方式进入河流，导致水体的氮磷空间分布存在差异性。近年来随着我国城乡统筹发展战略的实施，将城市农村紧密结合，流域进入“城镇—农业”复合发展阶段，人类活动更为频繁，特别是山区河流在人为干扰下，其污染系统更复杂，污染过程带有点面结合的特征，在外源氮磷污染的强烈输入及持续的营养压力下，一旦超过山区河流的自净能力，将对水体的氮磷含量造成难以控制的累积影响，使山区河流生态系统健康状况受到威胁。过往研究成果集中在某城市或农业氮磷污染严重河段，对具有双重特征的山区河流氮磷营养水平关注较少。因此了解山区河流的氮磷营养盐分布状况、来源及影响因素对保护其水生态系统、防治水质恶化均具有重要意义。

桐梓河位于黔北遵义市，是赤水河最大支流，其氮磷输出对赤水河水质贡献较大。桐梓河所在区域属于典型的喀斯特山区流域，其独特的地形地貌和水文二元结构[16-17]，造成其水环境十分脆弱，河流对人类活动产生的生态系统变化敏感，而目前傍河城镇的城市化进程加快、农业活动扩展，加重了流域内部的水土流失，其土地利用类型也随之发生显著改变，直接影响着桐梓河水体的营养水平，但是目前针对该河流的氮磷空间分布对人类活动的响应机制尚未见报道。

鉴于此，本研究以桐梓河为研究对象，通过对河流样品现场收集和试验测定，分析桐梓河水体氮磷空间分布特征，从水体环境因子及人类活动对氮磷作用的角度，探讨影响桐梓河氮磷分布的主要因素，为桐梓河及赤水河流域水环境保护策略制定提供科学依据。

1 研究区概况

桐梓河，赤水河中段一级支流，发源于遵义市桐梓县小坝乡楚米镇，位于东经106°12′—106°53′，北纬27°52′—28°11′，流域面积3 348 km2，河流全长125 km，自西向东流经桐梓、汇川、仁怀、习水4县(市、区)部分乡镇，于仁怀、习水交界之两河口汇入赤水河。

桐梓河处于亚热带季风性湿润气候区，年平均气温17.7℃，年平均降水量850～1 200 mm，雨量较丰沛但分布不均，5—8月为雨季，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。流域内崇山峻岭，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[18]，耕地分散，河谷纵深。

桐梓河上游区域地势较平坦，城镇建设用地密集，人口密度大，且污水收集处理系统尚不完善，存在局部点源污染，中下游流经坡度较陡、地势较高的喀斯特山区，以林地、耕地为主，坡地垦殖率高，在降雨的冲刷下坡耕地更易向水体输入农业面源污染，特别是下游水体附近分散有部分农村居民聚居点，畜禽养殖以家庭式散养为主，其产生的非点源污染的氮磷浓度高且难以控制去向[19]。流域内农业人口较多，同时发展有小型采煤、铁合金冶炼、机械、电力、轻手工业等。桐梓河的水利资源也在加快开发，现建有圆满贯水电站、杨家园水电站等8级水电站及20余座中小型水库。

2 样品采集及分析

2019年8月对桐梓河沿途干流、主要支流进行样品采集，根据河流水文特征及周围用地类型，共设置31个采样点：干流上游河源至桐梓县燎原镇段(G1—G5)、中游桐梓与汇川界河(G6—G9)、下游仁怀与习水界河(G10—G13)及各条支流包括上游桐梓县城内溱溪河等分支(S1—S4)，中游高桥镇段(Z1)、混子河(H1—H5)、观音寺河(Y1—Y5)，下游沙溪河(X1)、马鹿河(X2)、二郎河(X3)(图1)。使用哈希Hydrolab多参数水质分析仪现场测定原位表层水体的pH值(精度为±0.2个单位)、水温(精度为±0.10℃)、溶解氧(精度为±0.2 mg/L)、电导率(精度为读数的±1%)、浊度(精度为读数的±1%)。采集的水样测试前冷藏于4℃的冰箱中。

图1 桐梓河采样点分布示意

3 结果与分析

3.1 桐梓河水体理化指标

桐梓河水体pH值相对稳定，均值为9.13(表1)，偏弱碱性。DO浓度整体偏高，均值为8.91 mg/L，河流处于富氧状态，水体较清洁。EC平均为435.95 μS/cm，通常饮用水EC<300 μS/cm，表明水体受到人为因素的影响。浊度变异系数达到113.88%，具有明显的空间差异，下游水体透明度相对较高，河流底质以自然形成的岩石颗粒为主，浊度值因此较低。

表1 桐梓河的水体理化指标

3.2 桐梓河氮、磷浓度分布特征

图2 桐梓河干流采样点水体的TN和浓度

图3 桐梓河干流采样点水体的TP，DTP和PP浓度

图4 桐梓河各条支流采样点水体的TN和浓度

图5 桐梓河各条支流采样点水体的TP，DTP和PP浓度

3.3 桐梓河氮、磷浓度空间差异影响因素分析

表2 桐梓河氮、磷与其他理化因子之间的相关系数

3.3.2 人类活动对氮、磷变化的影响

上游TP也显著高于中下游，位于桐梓县城的各条支流均值为0.38 mg/L，同样高永霞等[22]发现在环太湖不同性质河流中，受生活污水影响河流水体的TP浓度最高。桐梓河中下游处于山区，相对远离城镇，建设用地减少，植被覆盖率提高，高度集中的工业活动和居民污染源较少，并且通过植物截留、微生物分解以及沉积物吸附等自然净化机制对山区水体起到一定程度的自净效果，因此中下游TP浓度降低至0.09 mg/L。孙丽梅等[23]在城郊樟溪流域的研究表明，氮磷浓度与距城镇距离呈显著负相关关系，说明城镇化水平对流域氮、磷污染具有重要影响。

下游主要支流分布在二郎镇等傍河村镇，其畜禽养殖业较为集中，饲料、畜禽粪便及散乱排放的农村生活污水增加了营养盐的排放，提高了水体中TN浓度，比如二郎河(X3)的TN浓度达到4.07 mg/L，下游段干流TN也受到支流汇入的影响，保持较高水平，均值为2.91 mg/L。同时区域内畜禽养殖废水的输入使水体中DTP浓度得到增长，DTP对TP的占比随之上升，尤其是G12的DTP浓度达到0.06 mg/L，占TP的58.02%，对TP的贡献提高。

表3 国内地表水中氮、磷平均浓度对比 mg/L

与同为山区河流但处于非喀斯特地区的黑水滩河[38]进行比较，黑水滩河受河流两岸形成串联状的多级城镇污染的持续压力，最终在河口处达到氮磷浓度的峰值，而桐梓河位于贵州高原喀斯特山区，地表崎岖破碎，不易形成连续分布的城镇居民区，仅在上游段承受来自桐梓县城较集中的城镇污染，TP浓度因此出现峰值，到下游河口处略有降低，说明河流仍具有一定的自净能力。

与典型的城市或农业河流不同的是，桐梓河具有“点—面”污染复合特征，上游主要输出城镇点源污染，中下游喀斯特流域土层浅薄、生态环境脆弱，水体对人为干扰影响更敏感，农业生产活动的加强、土地利用方式的改变，以及水利工程的阐坝拦截，都导致桐梓河经受人为干扰，特别是喀斯特山区夏季多雨，水土流失加重面源污染，营养元素流失的面积更加广泛。因此，河流承受从上游到下游点面污染结合的双重影响，造成TN浓度在变化波动中逐渐积累。

3.4 桐梓河水体主控因子分析

水体中的氮磷比[m(TN)∶m(TP)，质量比]反映氮磷对浮游植物生长的营养限制。当TN/TP≥22.6时，表现为磷缺乏；当TN/TP≤9时，表现为氮缺乏；当TN/TP介于两者时，表明氮磷均可能是主要限制因子，此时浮游植物生长与氮、磷浓度存在线性相关关系，环境适合藻类生长，易造成水体富营养化[39-40]。

桐梓河水体的TN/TP实际介于4.47～63.33，有3.2%为氮限制，67.7%为磷限制，其余均处在两者之间；TN/TP平均值为28.47，与受含磷废水污染而暴发过水华的香溪河[40]比较，桐梓河TN/TP较高，总体处于磷限制状态。与平原河流[13]相比，山区河流流速快，坡降大，交换能力强，所以桐梓河尚未出现大规模的水华现象，但上游大部分采样点的TN/TP为10～25(图6—7)，上游水体整体处于潜在富营养化区，一旦有流速缓慢的河段，有发生水华的高风险，特别是位于城镇段河流，高浓度的外源点源输入可能造成水质恶化。中游水体TN/TP较高，支流混子河和观音寺河TN/TP均值分别为41.71，41.24，下游略低于中游，是由于TP浓度相对升高，与傍河城镇的村镇生活污水及畜禽废水等面源污染有关。总之，人类活动主导的流域土地利用方式的改变，使桐梓河受到“点—面”结合的污染，对水体TN/TP影响显著，令桐梓河水体氮磷组成多样化，进一步增加河流水华暴发的几率。

图6 桐梓河干流各采样位点水体的氮磷比

图7 桐梓河各条支流各采样位点水体的氮磷比

4 结 论

(1) 桐梓河TN浓度偏高，均值为2.85 mg/L，符合贵州河流氮素特征，TP浓度均值为0.13 mg/L，赋存形态以PP为主。在空间上，TN浓度呈波动式增长，TP浓度则上游高于中下游。

(2) 人类活动带来的“城镇—农业”点面污染使河流的氮磷浓度表现出显著的空间分布特征。上游水体中高浓度的TP主要受工业废水、城镇生活污水等点源污染的影响；中下游TN浓度的积累主要是由于化肥施用、畜禽养殖等农业生产活动及农村生活污水带来的非点源污染；干流上的水利工程也对水体中的氮磷有一定滞留或净化作用。

(3) 桐梓河氮磷比平均为28.47，处于磷限制状态，暂无大规模水华现象发生，主要因为山地河流流速较快，不利于藻类的生长繁殖。但氮磷比显示上游河流整体处于潜在富营养化区，城镇高浓度氮磷污染输入水体，对上游水质有严重威胁。