通过降雨-地表径流途径输入过多的氮素、 磷素等养分是引起地表水水体富营养化和水生态系统恶化的重要原因^[1,2]，同时壤中流对N 素流失的影响也非常大^[3]. 因此，识别流域水质特征及其影响因素，在我国具有紧迫性. 当前研究探讨了人类的农业耕作与流域水质之间的关系^[4]，发现河流水质与流域景观特征显著相关,景观变量能够解释水质变异的58%^[5]； 以林地为主要景观斑块类型的小流域水体水质普遍优于以草地为主并夹杂其他用地类型的小流域水体水质^[6]； “源”、 “汇”景观类型的空间分布格局在非点源污染的形成中起着重要作用^[7]，距离因子为这两个村庄氮磷流失风险的重要影响因子^[8]. 可以通过对流域景观结构的优化调整,达到对流域景观中养分的有效管理,实现对农业非点源污染的控制^[9].

城市化是当今土地利用变化影响水质、 流域的水文和其他物理特性以及发生潜在非点源污染的突出形式^[10]，流域土地利用程度对生态系统服务价值存在负效应^[11]. 如发现市桥河流域内非点源污染高负荷区主要集中在农业用地和城镇用地，在2010年对污染负荷总量的贡献率已超过40%，这是近15年来污染负荷总量增加的主要因素^[12]； 在深圳市，河流缓冲区宽度为100~200 m 时，景观变化对水质显著性影响最高^[13]. 进一步的研究表明，社会经济因素成为比土地利用类型更重要的水质影响因素，综合考虑土地利用类型及其社会经济特征能更准确地反映其与水质的关系^[14]，生活污水和工业废水对水质的影响最大，农业非点源污染次之^[15]. 但对城市近郊小流域的氮、 磷输出时空特征研究不足.

贵阳市近年城镇扩展迅速^[16]，城市化对周边水环境的影响也越来越大. 因此，识别主要污染物与污染源对于贵阳周边流域水质的控制与管理具有重要的现实意义，但相关研究却鲜见报道. 麦西河是百花湖入湖主要支流之一，其污染物总量浓度对百花湖的水质影响较大，因此，本研究中选择了贵阳市重要的水源地——百花湖水库周边的麦西河小流域为研究流域，在2010年7月～2011年4月连续进行了近1年的野外观测实验，采用定位观测与景观格局分析相结合的方法，以考察小流域氮、 磷流失浓度特征，揭示流域水体氮磷浓度变化的关键驱动因子，以期为能够有针对性地进行小流域治理，改善流域的生态环境提供理论依据和参考.

1 研究区概况

麦西河流域位于贵州省贵阳市西北部、 清镇市东北部，主要为低中槽谷地区，属于季风湿润型气候区，冬暖夏凉，年平均气温13.5～14.5℃，多年来平均降雨量为961.4 mm，多年平均气温14℃，年最大降雨量1158.5 mm，年最小降雨量729.6 mm，年降雨在时间上分布不均匀，主要集中在5～9月，约占全年降雨量的72%. 该流域是一个典型的城市近郊小流域(图 1)，旱地和水田是流域内两种主要的农业耕作景观，旱坡地由于经常耕作和使用农药化肥，是流域内主要的非点源污染源地. 麦西河流域居民主要为农业人口，交通条件落后，农业基础设施薄弱，经济较为落后. 独特的气候与经济条件也为本区非点源污染的发生提供了强大的动力与基础.

图 1

Fig. 1

图 1 麦西河小流域地理位置、 采样点分布及土地利用分类 Fig. 1 Geographical position,the sampling point distribution and land use classification around the Baihua Lake

采用1 ∶50000地形图作为基本地形信息源数据源，在ARCGIS中利用水文模块中对流域进行集水区划分. 根据流域污染源类型，在流域干流自上而下设S1、 S2～S9等9个采样点(图 1、 表 1)，于2010年7月～2011年4月进行水体氮磷含量指标的连续测定，在每个样点处用稀酸浸泡过蒸馏水洗干净了的500 mL聚乙烯瓶采集水样3瓶带回实验室,调节pH<2,保存于4℃冰箱,并在24 h内完成氮磷测定. TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，TP采用钼酸铵分光光度法，NH₄⁺-N、NO₃^--N、NO₂^--N利用国家标准方法测定. 土地利用数据来源于2010年10 m分辨率的ALOS影像，结合野外实地调查，解译准确率达90%以上，土地利用分为水田、 旱地、 居住地和工矿交通用地等13种类型(图 1). 研究期间麦西河小流域降雨量与上游(采样点1)、 中游(采样点7)、 下游(采样点9)月平均径流量见图 2. 于2010年9月在麦西河流域，共采集0～20 cm土壤样品40个，并进行相应的GPS定位，采用标准方法测定土壤总磷、 总氮,利用GIS 9.3中的Kriging插值绘图，在ArcMap中将土壤属性的插值图与麦西河流域图叠加，得到流域土壤总磷、 总氮的空间分布.

图 2

Fig. 2

图 2 研究期间麦西河小流域降雨量与月平均径流量 Fig. 2 Rainfall and average monthly runoff of Maixi river watershed during the study period

表 1(Table 1)

表 1 各水质采样点的污染来源及其河流形态 Table 1 River pollution sources of the sampling point and fluvial morphology 采样点编号 采样点名称 水体污染来源 河流形态 1 中国第六砂轮厂(六砂)出水 工业废水 渠道型 2 六砂河道原水 河水 河道 3 六砂汇水 污水、 河水混合 河道 4 鱼塘上游河水(鱼塘上游1.7 km) 河水 河道 5 鱼塘水(约3 hm2的鱼塘) 鱼塘 水塘型 6 翁贡村河道原水 河水 河道 7 翁贡村污水 生活污水 渠道 8 翁贡村汇水 污水、 河水混合 河道 9 李家冲河道 农业排水和生活污水 河道型

表 1 各水质采样点的污染来源及其河流形态 Table 1 River pollution sources of the sampling point and fluvial morphology

尽管研究流域9个采样点的水体污染来源不同，各采样点水体的不同形态氮含量和磷含量随时间变化总体上仍呈现出一定的规律. 各样点TN以7月最高，其余月份变化相对较小,2010年12月~2011年3月以翁贡村污水TN相对较高； NH₄⁺-N以10月和12月水样相对较高，以翁贡村污水NH₄⁺-N相对较高，以鱼塘上游河水最低,2011年3月各采样点的NH₄⁺-N差别最大； 各样点NO₃^--N以7月最高,9月相对较低，到2011年4月缓慢增加，以靠近上游的河水相对较高； 各样点NO₂^--N以2010年11月和2011年4月相对较高，且同一时间各样点NO₂^--N差别较大(图 3). TP含量随时间变化大，以2010年10月、 2011年4月和2010年12月相对较高. 对比研究流域采样点月份的径流量，径流量高的7月各采样点的TN、NO₃^--N较高； 径流量高的10月在流域下游的翁贡村河段TP含量较高、 在流域下游河段的TN含量也相对较高. 径流量低的12月在流域上游TP含量最高、 在流域下游翁贡村河段NO₂^--N含量较高. 2011年3月研究流域径流量为0.63 m³ ·s^-1，相对应地，流域下游的翁贡村河段TP含量较高，TN和NH₄⁺-N含量最高.

图 3

Fig. 3

图 3 研究流域氮、磷输出特征的季节变化 Fig. 3 Seasonal changes of nitrogen and phosphorus output characteristics in the watershed

图 4 反映了从上游到下游不同时间研究流域氮、 磷输出特征的变化，总体上，从上游到下游，各采样点水体中不同形态氮含量和磷含量差异减少. 其中TN在上游的六砂废水和其与河水混合后相对较高、 随时间变化较大，在与污水混合前的河水中变化较小； 其次在鱼塘水和村落污水中，TN含量相对较高. NH₄⁺-N含量在六砂废水和翁贡村污水较高，NO₃^--N以2010年7月上游的六砂废水和其与河水混合后比较高，在其它时间段从上游至下游NO₃^--N含量逐渐降低. NO₂^--N总体上上游高于下游，从空间看，以下游的翁贡村污水和上游的六砂河水较高，在这两个采样点，从时间看，NO₂^--N又以2010年11月和2011年4月较高. TP含量以中国第六砂轮厂废水和翁贡村污水相对较高. 同时,研究流域上游中(采样点5以上)存在多种对污染物有着滞留吸纳作用的“汇”型结构，如小石坝、 植被过滤带和鱼塘等，如在第5个采样点 TP突然降低是由于该处有一条100 m左右的河岸水生植物带，说明水生植物对污水具有很好的净化作用. 这些“汇”型结构可以通过增加入渗、 减少地表径流的流量，或者通过降低流速、 土壤基质吸附与增强反硝化作用等途径有效地减少养分向下游迁移^[17]； 流域下游河段(采样点7以下)起到了污染传输的作用. 流域有各种源和汇的存在，导致研究流域在不同时间，从上游到下游，各采样点氮输出变化较大.

图 4

Fig. 4

图 4 研究流域氮、磷输出特征的空间变化 Fig. 4 Spatial variation of nitrogen and phosphorus output characteristics in the watershed

研究小流域的点源污染有企业废水、 生活污水和鱼塘水，从2010年7月～2011年4月，这3个污染源水体的氮、 磷含量平均值以生活污水最高，且都明显高于河水原水(图 5)； 在此期间，河水原水的氮、 磷含量高于下游. 污水汇入河水后，使河水的氮含量明显增加，如使上游河水中TN含量平均值从3.297mg ·L^-1上升到4.847 mg ·L^-1，TP从0.136 mg ·L^-1上升到0.239 mg ·L^-1； 在流域中游，因村落生活污水汇入，使河水磷含量有比较明显上升. 在流域下游的河口处，氮、 磷含量与上游相比有明显下降，TN含量由3.297 mg ·L^-1下降为2.793 mg ·L^-1，TP从0.136 mg ·L^-1下降到0.098 mg ·L^-1； 但与中游比较，仅磷含量、 硝氮明显下降，TN和NO₂^--N含量变化不明显，NH₄⁺-N含量还有所上升.

图 5

Fig. 5

图 5 研究流域污水与河水的氮、磷含量变化关系 Fig. 5 Relations between river sewage and the content of nitrogen and phosphorus

研究流域麦西河采样点4以上工矿用地较多，为城郊工厂、 菜地、 村庄混合景观，采样点4以下为以水田、 村庄为主的农业景观，污染特征主要表现为河水浑浊、 氮磷营养污染，污染源复杂，集农业面源污染、 村镇生活污染、 企业排污、 矿业废水于一体. 除企业废水等点源污染外，蔬菜、 水稻种植、 居民生活污水及禽畜养殖对流域面源污染贡献大^[18]. 以采样点4以上代表流域的上游，采样点8以上代表流域的中上游，采样点9以上代表整个流域，比较了流域上游、 中上游和整个流域的土地利用特征和相应空间范围氮磷浓度的关系(表 2)，流域上游建设用地比例高，河道水体氮、 磷也相应较高，从上游到下游，随建设用地比例下降，林、 灌草等生态用地增加和土地利用多样性增加，氮、 磷浓度总体呈下降趋势，TP下降明显； TN下降不明显，与流域下游水田、 玉米地旱地较多、 土壤TN与TP含量较高有明显关系(图 6). 已有研究发现，流域的非点源污染过程与景观组成和景观格局间均存在密切的关系^[19],TN 与农业用地面积百分比呈显著正相关关系^[20]，本研究的结果与此是一致的.

图 6

Fig. 6

图 6 流域土壤总磷与总氮的空间分布 Fig. 6 Spatial distribution of total P and total N in soil

表 2(Table 2)

表 2 流域土地利用和氮、磷浓度的关系 Table 2 Relations between land use and the concentration of nitrogen and phosphorus 位置 建设用地 /% 农用地 /% 生态用地 /% 多样性指数 TN /mg·L-1 NH4+-N /mg·L-1 NO3--N /mg·L-1 NO2--N /mg·L-1 TP /mg·L-1 上游 16.46 47.80 36.46 1.883 3.297 0.7805 1.7165 0.097 0.136 中上游 9.81 51.93 38.25 1.95 2.907 0.665 1.542 0.050 0.167 流域 8.54 52.72 38.75 1.959 2.793 0.821 1.139 0.046 0.098

表 2 流域土地利用和氮、磷浓度的关系 Table 2 Relations between land use and the concentration of nitrogen and phosphorus

从流域氮、 磷输出时空变化特征来看，氮素特 别是NH₄⁺-N和NO₃^--N通过河道径流途径进入水库的风险较高，而且流域下游村庄内和农业用地形成的高浓度含氮地表径流可以直接进入水库内. 入湖口(S9)的TN年平均含量为2.793 mg ·L^-1,参照地表水环境质量标准，以TN为指标，麦西河出水属于超Ⅴ类水，说明麦西河氮营养盐的污染还是较严重的，但存在明显的时空差异,受到多种因素的影响. 前述分析表明流域污染源的分布、 径流量的季节变化、 流域土地利用格局、 河段特征都对水体氮、 磷浓度变化有明显的影响.

因此，可以通过对流域实行土地利用优化，其中，控制水田和居民区磷污染负荷的产生和输送是研究区面源磷污染负荷防控的关键^[21]，根据作物不同的吸氮特性，合理分配氮肥的数量和合理使用氮肥品种，尽量不施用易流失的硝态氮肥和硝态铵态氮肥，而用铵态氮肥、 酰胺态氮肥和长效氮肥替代，尤其应大力推广施用长效氮肥，因其氮素释放相对缓慢，可以大大降低氮肥因降雨而流失^[22]. 在控制氮磷源土地利用类型面积比例的同时，兼顾景观格局的完整性和连通性^[23]. 对河道实施分段治理，适当改变流域迁移廊道的性质，增加迁移廊道中的“汇”型结构，充分发挥各种汇的功能，减少上游污染物迁移到受纳水体的风险. 首先加快麦西河河岸生态系统修复，加大流域周边植树造林力度，防止土壤侵蚀养分流失； 其次严控生活污水和人畜粪便的排入，严禁在溪流中筑坝养鱼以及岸边蓄养家禽，并在主要的污染源点设立粗格栅和滤网，去除污染源中的大块漂浮物，然后在粗格栅后设置细格栅，去除水中一些细小的颗粒及悬浮物，达到初步去除污染物的目的； 再者结合麦西河水生植被茂盛的特点，利用水生植物的吸收作用、 水生动物的辅助降解作用以及微生物的分解作用^[24]，对麦西河水体进行脱氮除磷深度处理. 最后在麦西河入百花湖的库湾区，设置生态浮床和生态网膜，利用水生植物直接吸收水体中的氮磷营养盐和吸附悬浮物，防止“水华”发生，提高水体的透明度^[25]. 5 结论

(1)总体上麦西河水体磷含量较低，而氮含量较高，且不同季节非点源污染以NO₃^--N和NH₄⁺-N为主. 农业面源污染对TN、NO₃^--N和NO₂^--N含量受影响较大； 生活污水对TP、 NO₃^--N、 NH₄⁺-N和 NO₂^--N含量影响较大； 筑坝养鱼对NO₃^--N的影响很大.

(2)麦西河上游的氮磷营养盐含量较高且变化剧烈，而河流的中下游含量较低且较平稳； 从上游到下游，各采样点水体中不同形态氮含量和磷含量差异减少.

(3)从流域氮、 磷输出时空变化特征来看，氮素特别是NH₄⁺-N和NO₃^--N通过河道径流途径进入百花湖的风险较高，麦西河流域因氮素渗漏引起水体富营养化的风险较大.

(4)流域径流季节变化、 流域土地利用等对河道水体氮、 磷浓度与流域有明显影响.