巢湖位于安徽省中部，长江中下游左岸，是我国五大淡水湖之一. 巢湖的水文特征表现为入湖水系众多、 湖库深度大、 水体环境相对封闭、 水体更新周期长、 水体流速缓慢等特征^{[1, 2, 3]}. 近年来，巢湖流域正处在飞速城市化发展中，区域土地利用从农业用地转变为城市和工业用地，人口剧增，人类经济活动强度大. 巢湖是工农业和生活饮用水的重要来源，也是沿岸工农业和生活排水的主要纳污场地^[4]. 随着工业化、 城镇化的发展，氮磷富营养化物排放量不断增加，水体富营养化日益严重，巢湖水质污染问题严峻^{[5, 6]}. 巢湖流域经济社会发展与环境保护的矛盾突出，因此，巢湖水体污染治理已刻不容缓.

自从巢湖转变为富营养化湖泊以来，政府部门和众多学者对巢湖的污染过程^{[7, 8]}、 富营养化机制^{[9, 10]}、 污染源甄别^{[11, 12]}、 内源控制^{[13, 14]}和区域水质变化^{[15, 16]}等方面展开了大量研究，取得了较好的成果，开展了一系列对策措施，并出台了相关的政策规定^{[17, 18]}. 然而巢湖水体富营养问题并没有被很好地解决，巢湖西部湖区夏季蓝藻暴发依然普遍. 研究巢湖水体富营养现状与时空变化特征可以为控制和削减巢湖水体富营养化提供重要的理论参考和数据支持^{[19, 20, 21]}.

本研究通过对不同汛期巢湖入湖河流和湖体的水环境质量现状进行网格化的调查和监测，结合巢湖的水文特征和水环境特性，揭示了巢湖水体氮磷营养盐的时空分布特征，确定了巢湖污染的关键控制因子，旨在为巢湖水质保护和科学的水污染治理技术提供基础支撑.

巢湖流域面积为13 350 km²，涵盖合肥市区、 肥西县、 肥东县、 巢湖市、 含山县、 和县、 庐江、 无为和舒城县. 流域人口达965万人，人口密度为715人· km^-2，是安徽省人口最密集、 经济最发达的生态脆弱区^{[2, 11]}. 巢湖处于长江中下游左岸，是长江流域的重要支流，水域面积约为770 km²，以忠庙-姥山岛-齐头咀为界，分为东湖区和西湖区，其中西部湖区和东部湖区的水域面积分别为250 km²和550 km². 巢湖流域水系较为发达，共有大小河流33条，主要入湖河流为杭埠-丰乐河(HB)、 派河(PH)、 十五里河(SWL)、 南淝河(NF)、 双桥河(SQ)、 柘皋河(ZG)、 兆河(ZH)和白石天河(BST)8条，其中杭埠-丰乐河、 派河、 南淝河和白石天河4条河流占流域径流量90%以上^{[1, 2]}.

为系统研究巢湖水体中氮磷营养盐分布与变化特征，本次研究根据样品采集的代表性以及巢湖的自然形态，利用经纬度网格法对整个巢湖湖区和8条主要入湖河流进行不同汛期布点采样，采样时间分别为2013年7月(丰水期、 夏季)、 2013年11月(平水期、 秋季)和2014年1月(枯水期、 冬季)，采样点分布可见图 1.

图 1

Fig. 1

图 1 巢湖采样分布示意 Fig. 1 Sampling locations of Chaohu Lake

所有的采样点均用全球卫星定位系统进行定位，采集水面0.5 m以下处的水样，保存于2.5 L的聚乙烯塑料瓶中，放入装有冰袋的保存箱中暂存.

水样的预处理及分析测试均参照国家相关标准方法. 总磷(TP)、 总氮(TN)、 氨氮(NH₄⁺-N)和硝氮(NO₃^--N)分别采用过硫酸钾氧化-钼锑抗分光光度法 (GB 11893-89)、 碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法(GB 11894-89)、 纳氏试剂分光光度法(HJ 535-2009)和酚二磺酸分光光度法(GB 7480-87)进行测定. 为保证所测数据的准确性，所有样品均做3次平行，试验结果以3次分析结果的平均值表示. 通过测试可知，3次平行分析结果的误差小于5%. 试验数据采用Excel 2013、 OriginPro 8.0、 SPSS 16和ArcGIS 10.0进行分析与绘图.

巢湖入湖河流流量和水质季节性变化很大，主要受大气降水影响. 不同汛期巢湖入湖河流氮磷营养盐的含量可见表 1. 从中可知，入湖河流TP的浓度为0.06-2.46mg ·L^-1，平均值为0.58 mg ·L^-1； TN的浓度为0.39-24.6 mg ·L^-1，平均值为6.00 mg ·L^-1； NH₄⁺-N的浓度为0.08-21.6 mg ·L^-1，平均值为4.90 mg ·L^-1； NO₃^--N的浓度为0.14-1.58 mg ·L^-1，平均值为0.78 mg ·L^-1； 与地表水环境质量标准(GB 3838-2002)比较可知，其TP、 TN和氨氮指标均超过了Ⅴ类水标准，且在夏季的浓度最低，可能是由于夏季雨水充沛，稀释了其浓度.

从不同河流的含量特征可知，位于巢湖西部湖区的南淝河、 十五里河和派河的污染较为严重，其NH₄⁺-N、 TP和TN的浓度均远远超过了国家Ⅴ类水标准. 而位于巢湖东部湖区的兆河、 柘皋河和双桥河的污染程度较轻，基本属于Ⅲ-Ⅳ类水水平. 对不同季节巢湖入湖河流氮磷营养盐特征进行比较可知(图 2)，各河流在不同季节的变化也有所不同. 南淝河和十五里河中TP、 TN和NH₄⁺-N随着季节的变化明显，其含量冬季>秋季>夏季，而NO₃^--N的变化不明显，可能是由于这些河流在冬季和秋季的水源补给以工业和生活污水排放为主^{[5, 11]}，

而夏季主要以雨水径流为主，导致河流污染浓度因雨水稀释而降低. 在杭埠河、 白石天河、 兆河、 柘皋河和双桥河中，其NH₄⁺-N、 TP和TN随季节的变化较小，且TP主要在秋季和冬季偏高，而TN、 NH₄⁺-N和NO₃^--N的含量则在夏季偏高，可能是由于这些河流主要流经农业耕作区域，夏季是农业施肥的一个集中时期，而且雨水偏多，在雨水淋溶和水土流失作用下，农田中的硝酸盐化肥进入河流中，从而导致这些河流中NO₃^--N在夏季含量高. 此外，有机氮可在有氧条件下经微生物分解形成NH₄⁺-N，从而致使NH₄⁺-N和TN在夏季的含量偏高^[3].

图 2

Fig. 2

图 2 巢湖入湖河流中氮磷营养盐的分布特征 Fig. 2 Distribution characteristics of N and P nutrients in the inflowing rivers of Chaohu Lake

表 1(Table 1)

表 1 巢湖入湖河流中氮磷营养盐的分布特征 /mg ·L-1 Table 1 Concentrations of N and P nutrients in the inflowing rivers of Chaohu Lake/mg ·L-1 项目 TP TN NH4+-N NO3--N 夏季 秋季 冬季 夏季 秋季 冬季 夏季 秋季 冬季 夏季 秋季 冬季 南淝河 0.39 1.39 1.56 10.3 18.1 19.3 6.55 16.3 18.7 1.54 1.43 1.58 十五里河 1.66 2.17 2.46 15.1 21.4 24.6 13.1 20.8 21.6 0.58 0.62 0.66 派河 0.13 1.23 1.35 2.52 5.82 6.37 1.43 4.39 6.48 1.42 0.47 0.37 杭埠河 0.06 0.13 0.16 1.87 1.37 1.26 0.69 0.48 0.35 0.93 0.56 0.52 白石天河 0.10 0.21 0.23 2.12 0.72 0.64 1.23 0.23 0.24 0.75 0.33 0.26 兆河 0.07 0.08 0.08 2.55 0.69 0.66 1.20 0.32 0.23 1.22 0.27 0.32 柘皋河 0.08 0.08 0.07 1.53 0.39 0.42 0.69 0.13 0.14 0.73 0.21 0.14 双桥河 0.07 0.14 0.17 1.76 2.65 2.86 0.08 1.56 1.79 1.35 1.18 1.09 季节均值 0.32 0.68 0.76 4.72 6.39 7.01 3.12 5.53 6.20 1.07 0.63 0.62 年度均值 0.58 6.00 4.90 0.78

表 1 巢湖入湖河流中氮磷营养盐的分布特征 /mg ·L-1 Table 1 Concentrations of N and P nutrients in the inflowing rivers of Chaohu Lake/mg ·L-1

通过对巢湖湖体网格化采样分析可知，巢湖湖体中TP的浓度为0.04-1.40 mg ·L^-1，平均值为0.20 mg ·L^-1； TN的浓度为0.84-23.0 mg ·L^-1，平均值为3.85 mg ·L^-1； NH₄⁺-N浓度为0.17-10.2 mg ·L^-1，平均值为1.34 mg ·L^-1； NO₃^--N的浓度为0.20-12.5 mg ·L^-1，平均值为1.98 mg ·L^-1； 与地表水环境质量标准(GB 3838-2002)比较可知，巢湖湖体中TN超过Ⅴ类水标准，NH₄⁺-N超过Ⅲ标准，污染问题依然严峻.

通过对巢湖东部湖区和西部湖区氮磷营养盐的分析可知(表 2)，西部湖区中氮磷营养盐的含量远远高于东部湖区，这是由于西部湖区靠近城市活动区域，南淝河更是横穿合肥，大量的生活污水、 工业废水以及农业用水等通过南淝河、 十五里河和派河等进入西部湖区^{[4, 9]}，导致西部湖区水体中氮磷营养盐含量高，而东部湖区离市区较远，河流较少，排入东部湖区的污染物较少，且可由裕溪闸排出，因此含量较西部湖区低.

从不同季节湖体中氮磷营养盐的含量可知(表 2)，湖体污染物在冬季的含量>秋季>夏季的含量，这可能是由于冬季入湖河流中污染物的含量高于夏季入湖河流污染物的含量，污染物进入湖体后不能及时排出，且夏季雨水充沛，裕溪闸排放量大，可以较好地稀释湖体污染物.

表 2(Table 2)

表 2 巢湖东部湖区和西部湖区中氮磷营养盐的含量 /mg ·L-1 Table 2 Concentrations of N and P nutrients in different parts of Chaohu Lake/mg ·L-1 项目 西部湖区 东部湖区 夏季 秋季 冬季 夏季 秋季 冬季 TP 0.20±0.05 0.26±0.07 0.27±0.03 0.13±0.02 0.14±0.04 0.12±0.03 TN 4.68±1.54 6.74±1.78 6.81±1.05 1.60±0.33 1.53±0.19 1.69±0.24 NH4+-N 1.46±0.64 2.46±0.72 2.54±0.57 0.41±0.13 0.60±0.26 0.52±0.13 NO3--N 2.40±0.78 3.61±0.92 3.33±1.44 0.76±0.25 0.69±0.17 0.70±0.28

表 2 巢湖东部湖区和西部湖区中氮磷营养盐的含量 /mg ·L-1 Table 2 Concentrations of N and P nutrients in different parts of Chaohu Lake/mg ·L-1

不同季节(汛期)巢湖水体中TP的时空分布特征可见图 3. 夏季巢湖大部地区含量总磷含量小于0.2 mg ·L^-1，属于Ⅰ-Ⅲ类水，在杭埠河和白石天河附近含量为0.2-0.3 mg ·L^-1，属于Ⅳ类水，主要的污染出现在南淝河和十五里河入湖口周边，最大值达1.14 mg ·L^-1，表明巢湖总磷的来源主要为南淝河和十五里河. 南淝河和十五里河是合肥城市生活水和工业废水的主要排放地，在生活用水中含有大量的磷，从而导致巢湖西北部总磷的污染. 在杭埠河和白石天河入湖口中总磷主要来源于磷肥的施用，通过雨水冲刷和地表径流等途径而进入河流中^[22].

在秋季和冬季，巢湖中Ⅳ类水区域增加，主要出现在西部湖区区域. 且随着季节变化，污染区域不断往东部湖区扩散，这可能是由于秋季和冬季降雨量的减少而导致水量的减少，而磷源的输入没有减少，从而导致总磷含量的增加. 在东部其水质较好，均属于Ⅰ-Ⅲ类水.

图 3

Fig. 3

图 3 TP在巢湖的时空分布特征 Fig. 3 Temporal and spatial distribution characteristics of TP in the Chaohu Lake

巢湖中TN的时空分布特征可见图 4. 夏季巢湖TN污染严重，整个巢湖含量均超过地表水Ⅲ类水标准(1.0 mg ·L^-1). 巢湖TN的空间分布明显，主要可以分为3区，第一区为巢湖的东南部，含量为1.0-1.5 mg ·L^-1，属于Ⅳ类水； 第二区为偏东部地区，含量为1.6-2.0 mg ·L^-1，属于Ⅴ类水； 第三区为西部和中部地区，其含量均超过国家地表水Ⅴ类水标准，最大值为南淝河和十五里河入湖口(达13.04 mg ·L^-1)，污染严重. 从整体趋势看，TN从西部往东部逐渐降低，众多河流水注入巢湖后，从西部流向东部，最后通过裕溪河排出. 氮源通过河流输入后，随着向东的迁移而不断地稀释. 因此要控制氮源，首要是控制南淝河、 十五里河、 杭埠河等河流氮源的不断输入. 从季节的变化来看(图 4)，TN的区域变化不明显，然而在西部湖区北部地区，污染严重区域增加，可能是由于雨水的减少而使水量减少，水流速度的降低也导致了TN迁移变缓，也使东部湖区水质好转^{[23, 24]}.

图 4

Fig. 4

图 4 TN在巢湖的时空分布特征 Fig. 4 Temporal and spatial distribution characteristics of TN in the Chaohu Lake

通过对巢湖湖体中NH₄⁺-N的研究可知(图 5)，夏季巢湖中NH₄⁺-N的空间分布可以分为4区，第一区为巢湖东部地区，其含量为0.16-0.50 mg ·L^-1，属于Ⅱ类水； 第二区为巢湖的中部地区，其含量为0.51-1.00 mg ·L^-1，属于Ⅲ类水； 第三区西部湖区的南部地区，含量为1.01-1.50 mg ·L^-1，属于Ⅳ类水，而在西部湖区的北部地区含量较高，主要集中在南淝河和十五里河入湖口周边. 随着季节变化(图 5)，由于雨水的减少，巢湖湖体中NH₄⁺-N总量增加，水质变差，并向东迁移.

图 5

Fig. 5

图 5 NH4+-N在巢湖的时空分布特征 Fig. 5 Temporal and spatial distribution characteristics of NH4+-N in the Chaohu Lake

从图 6可知，巢湖湖体内NO₃^--N在西部湖区的含量高于东部湖区的含量，且从西部湖区往东部湖区，其含量不断减少. 其最大值也是出现在南淝河和十五里河入湖口处. 从季节变化来看，夏季湖体中NO₃^--N较秋季和冬季含量高，这与入湖河流的分布特征较为一致. 夏季湖体中高含量的NO₃^--N可能受外源化肥输入和内部生物作用造成. 夏季是农业耕作的集中时期，随着大量含氮肥料的施用，硝酸盐在雨水冲刷和水土流失的作用下经过河流或直接进入湖体中^[25]. 同时由于夏季藻类生长和雨水较多，导致湖体中溶解氧不足，NH₄⁺-N可在厌氧微生物的作用下转化为NO₃^--N^{[26, 27]}.

图 6

Fig. 6

图 6 NO3--N在巢湖的时空分布特征 Fig. 6 Temporal and spatial distribution characteristics of NO3--N in the Chaohu Lake

通过对巢湖氮磷营养盐时空分布研究可知，巢湖西部湖区氮磷营养盐含量均不同程度地高于东部湖区，这是由于西部湖区入湖河流较多、 流量大，且西部湖区入湖河流沿岸聚集着城市生活区、 工业生产区和农业耕作区. 其中，南淝河和十五里河的污染最为严重，随着上游董铺水库、 大房郢水库对来水的拦蓄和城市化导致汇水区域的地表硬质化，降雨后的蓄水能力下降，这些河流已演变为典型的缺乏生态基流的重负荷河流. 由于缺乏清洁水源，以污水处理厂尾水为主的再生水已成为南淝河的重要补给水源，占南淝河水量的32.9%，尤其在合肥市城区段污水处理厂尾水已成为主要的补给水源的，占比达69.7%^{[1, 7, 8]}. 同时，随着裕溪闸的建立，巢湖水体环境相对封闭，更新周期长，水体流速滞缓，也导致了氮磷营养盐在巢湖西部湖区的富集. 巢湖西部湖区入湖河流营养盐输入量巨大，远远超出了巢湖的自净能力，从而为蓝藻的暴发提供了营养物质. 因此，为有效地削减和控制巢湖氮磷营养盐，减少南淝河和十五里河等河流污染的输入、 补给生态基流是关键.

(1)入湖河流中TP、 TN和NO₃^--N指标均超过了Ⅴ类水标准. 季节性水量变化对其浓度变化有重要影响，由于雨水稀释，夏季南淝河和十五里河中TP、 TN和NO₃^--N含量低于秋季和冬季. 夏季杭埠河、 白石天河、 兆河和柘皋河中TP、 TN和NO₃^--N含量较高可能是由于农耕地区化肥流失造成.

(2)巢湖湖体中TN超过Ⅴ类水标准，NH₄⁺-N超过Ⅲ标准，污染问题依然严峻. 由于受到城市活动的强烈影响，西部湖区中氮磷营养盐的含量远远高于东部湖区.

(3)巢湖水体的主要污染因子是TP、 TN和NH₄⁺-N等，尤其是TN和NH₄⁺-N. 这些物质从西部湖区往东部湖区含量不断减少，南淝河和十五里河污染最为严重，TN、 TP和NH₄⁺-N随季节的变化明显，其变化特征受雨水补给、 城市活动、 农业生产和微生物作用等影响.