巢湖富营养化.docx
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巢湖富营养化
流域表土营养盐空间分布及面源污染控制对策研究
——基于巢湖周边土壤中全氮、全磷和有机质空间分布的调查分析
摘要：
巢湖富营养化问题自上世纪80年代以来，得到了从中央到地方各级政府及众多研究者的高度重视和广泛关注。
在流域点源污染得到全面控制的前提下，其蓝藻爆发事件仍然连年上演。
究其原因，主要是地表泾流冲刷表层土壤，携带大量营养盐进入巢湖，形成了较大强度的面源污染。
本文采用实地调查采样法及资料搜集法，对巢湖周边3528km2范围内表层土壤营养盐浓度进行了测定，对该区自然地理现状进行了分析，适时更新了该区面源污染管理数据，并使用该区营养盐的空间分布特征，提出了利用易得指标估算难测指标的思想，同时运用SPSS13.0统计分析软件，推导出了以OM浓度为自变量，以TN、TP浓度为因变量的回归公式，提出了具体到镇尺度的有针对性的面源控制对策。
关键词：
巢湖周边;面源污染;表层土壤;营养盐
一、引言
巢湖是我国第五大淡水湖，因形似鸟巢而得名。
该湖位于安徽省中部，介于长江、淮河两河流域之间，湖体属长江下游左岸水系，流域面积13350km2。
1962年巢湖闸建立以后，该湖成为由人工控制的半封闭性水域。
湖泊水域面积大约为770km2,多年平均水位8.4m，平均深度2.5m，多年平均入湖水量48亿m3，出湖水量34亿m33[1]。
巢湖自古就有调蓄洪水、抚育渔业和观光旅游等多种功能，是沿湖居民生活用水和工农业生产用水的主要来源。
近年来，随着沿湖经济的不断开展，沿湖人口迅速增加，到2021年，巢湖流域总人口已高达1000万，巢湖在地缘上也更接近城市。
与以往相比，该湖承当了更重大、更复杂、更多样的生态、环境及社会使命。
无论从何种角度看，巢湖都称得上是安徽省淡水生态系统的一颗璀璨明珠。
然而，自上世纪80年代以来，巢湖水体遭到了严重的污染[2、3]，众多研究说明[4、5]，水体富营养化是巢湖水污染的主要症结，而由富营养化导致的蓝藻爆发那么成为该湖水污染的主要表现形式。
进入21世纪以来，几乎每年的5-10月，巢湖都会发生大面积蓝藻爆发[6]，极端情况下，局部岸带蓝藻厚达1m，水体功能完全丧失，给当地的社会经济可持续开展带来了巨大的经济损失。
合肥市第一、四水厂就曾因此而被迫停产，经济损失高达4亿元。
为根治巢湖污染，各级政府及众多研究者投入了大量的人力物力。
2021年，国家环保部公布了巢湖流域污染防治工程56个，总计投入达70.5亿元。
同年，安徽省当地政府也提出了总额约500亿元的巢湖污染控制方案。
国内外学者分别从点源污染控制及生态修复[7]、富营养化机理[2]、底泥释放[8]等方面进行了大量理论研究及工程示范。
经过多年的努力，巢湖流域点源污染已经得到了有效的控制。
然而，困扰巢湖多年的富营养化顽症并未见好转。
根据美国环保局2003年的调查结果显示，面源污染是湖泊污染的第一大污染源[9]。
国外局部研究者甚至认为，由面源污染带入湖中的营养盐总量已占全湖外源负荷的60%-80%[10]，孙丽等[11]对巢湖的野外实验研究也说明，巢湖周边农业尾水氮、磷含量较高，已经对巢湖形成了实质性的威胁。
然而，当前对巢湖流域面源污染的研究尚未系统开展。
根据我们对1994-2021年中国期刊网的文献检索，17年来篇名中含有“巢湖〞及“面源〞字样的论文仅有6篇。
而将“面源〞改为“非点源〞再次检索，所得文章亦仅有9篇。
且这些研究中，针对巢湖周边大尺度空间的调查尚很欠缺，而大尺度空间里比拟全面的定量研究更为少见。
少数单一指标研究或入湖水系研究所采用的第一手数据也较为陈旧。
最近较为全面的面源数据由安徽省地质调查院[12]于2003年秋天调查获得，主要测定了巢湖流域表层土壤中的全磷（TP），对全氮（TN）和有机质（OM）未曾涉及。
为了更新和完善巢湖流域表层土壤营养盐数据，本工程指导老师受国家重大水专项巢湖课题组（20212X07101-010）委托，带着安庆师范学院资源环境学院“爱巢者〞调研小组一行5人于2021年10月完成了巢湖闸以下周边地区3528km2范围内表层土壤的取样，同时对该地区自然地理环境进行了实地踏勘和资料调研，在室内完成了所有样品的TN、TP和OM测试分析，并利用反距离加权插值法、Surfer8.0及Mapinfo8.5软件直观显示了营养盐面源污染的空间分布特征。
提出了利用易得指标估算难测指标的思想，同时运用SPSS13.0统计分析软件，推导出了以OM浓度为自变量，以TN、TP浓度为因变量的回归公式，提出了具体到镇尺度的有针对性的面源控制对策。
可以为流域面源污染管理提供最新的根底数据、具体的管理方法、廉价可行的估算公式。
本调查报告局部内容已作为结题验收文件的一局部，于2021年10月通过了巢湖课题组的验收，并得到工程委托人中国环境科学研究院副研究员储昭升博士的高度评价。
二、调查目的
〔1〕面源污染主要由地表径流冲刷表层土壤，携带可溶性营养盐进入湖泊而引起。
湖泊周边表层土壤中营养盐含量是面源污染管理的主要依据。
通过对巢湖周边地区各土地利用类型表层土壤的调查取样，测定其中OM、TP和TN含量，以更新巢湖周边面源营养盐数据，并将之可视化，以探求表土营养盐的空间分布特征；
〔2〕土壤中TN、TP测定操作复杂，代价昂贵，在大尺度空间调查中，样品数量巨大，测定工作十分繁重，往往不能满足管理部门所要求的低本钱及快速高效的要求。
相对于TN、TP而言，OM的测定操作简便，费用廉价。
通过本次调查，希望从获得的大量数据中，利用统计分析手段，探求以OM估算TN、TP的可能性；
〔3〕通过本次调查，以期找出巢湖周边表层土壤营养盐的主要源汇，并结合各地区的地形地貌、土地利用类型、降雨量、地表径流量等环境特征以及经济开展水平、农作物结构、施肥量、施肥技术、灌溉方式、秸秆处理等社会因素，提出具有针对性的巢湖面源污染控制对策和建议。
三、调查方法和调查过程
〔一〕调查方法
本工程首先收集相关文献，对本工程相关的概念进行界定，对巢湖周边自然地理概况，巢湖富营养化的研究文献、常规监测部门的监测资料进行综述和介绍。
然后通过现场踏勘采样，对巢湖周边3528km2范围内60个采样单元120个土壤样本进行了采集测定。
具体调查方法如下：
1当地自然地理情况调查方法
调查方法主要为现场踏勘和资料搜集等方法。
2土壤样品调查方法
调查方法：
参照金相灿?
湖泊富营养化调查标准?
所推荐的方法，采用网格法对巢湖周边表层土壤进行了现场采样调查，按照巢湖周边农业面源污染及面源污染特点，将巢湖周边划分为6km×6km的网格，方案每个采样单元以GPS定位点为中心，向两侧每隔步行15分钟距离采集2-5个表层土壤样品〔0-20cm〕，实际工作中综合考虑区域地形地貌、土地利用方式及调查本钱等，对采样网格进行了调整，对于那些难以到达的地区没有进行采样，共采集了60个样点计233个土壤样品，实际工作样点布置见图1。
图1采样点布置图
各采样单元经纬度坐标及环境描述见表1〔局部采样点〕及附件1〔全部采样点〕。
表1巢湖周边区域局部采样点位具体位置及样点描述
行政地名
编号
样点标号
经纬度
样点描述
东关镇
16
陈-17，周-17
多山，GPS无信号
岩石呈现红色
林头镇
17
陈-18，周-18
N31°’，E118°’
采样区为桃山根本农田保护区
清溪镇
18
陈-19，周-19
N31°’，E117°59,339’
采样地为油菜地
半汤镇
19
陈-20，周-20
N31°’，E117°’
土壤偏黄色，较松软
夏阁镇
20
陈-21，周-21
N31°’，E117°’
油菜地，棉花地，潮土
柘皋河
21
陈-22，周-22
N31°’，E117°’
油菜水稻轮作，秸秆还田，隶属葛塘村
庙港镇
22
陈-23，周-23
N31°’，E117°’
有湖，大片芦苇分布，陈-23为湖泊底泥
土壤样品采集执行?
土壤环境监测技术标准?
〔HJ/T166-2004〕，为保证样品不受污染，先用铁锹挖出20cm深样坑，以聚乙烯铲铲取适量表土置于聚乙烯采样袋中〔图2〕。
图2采样现场图
〔二〕调查过程
2021年10月，在国家重大水专项巢湖工程组〔工程编号：
2021ZX07101-010〕的资助下，成立了“巢湖流域背景土壤采样及前处理〞课题组，在指导老师的指导和组织下，我们小组五位成员利用国庆放假的时机，赶赴巢湖，进行了为期15日的采样调查。
四、主要调查工程
〔一〕对巢湖流域自然地理概况的调查
1、地理位置
巢湖〔东径116°24＇30＇＇-118°00＇00＇＇，北纬30°58＇00＇＇-32°06＇00＇＇〕流域包括合肥市、巢湖市以及肥东、肥西、舒城、庐江县等10个市县[17]。
与同为中国五大淡水湖的太湖相比，其周边社会经济较为落后，各行政区内开展也极不平衡，这说明巢湖周边面源污染控制不能不顾及小区域社会经济承受能力。
在太湖流域被广泛采用的统一的管理及工程措施在本地并不适用。
2、地形地貌
巢湖流域地势总轮廓为东西长而南北宽，西高东低，中间低洼平坦。
而安徽省省会合肥位于巢湖西北部，该市城市规模庞大，郊区农业兴旺，农事活动十分频繁。
在地形上来看，巢湖周边地表径流极易从合肥郊区流向湖体，合肥市面源污染对巢湖的污染尤其值得关注。
巢湖周边分布有银屏山、凤凰山、冶父山、大别山、防虎山、浮槎山等山脉，主要分布在巢湖西南岸，其地貌可划分为低山区、低山丘陵区、丘陵岗地区、岗冲地区及冲击平原区五种类型。
流域内低山、低山丘陵和丘陵岗地区共2657km2。
其中有明显水土流失约1500km2，占总坡地的56.5%[18]。
在日常管理中，坡地水土流失治理应成为巢湖周边特别是西南岸山地面源污染控制的关键。
3、流域气候
℃；光照充分，年均日照时数为2035～2070小时；雨量适中，降雨多集中在每年5-8月；季风气候显著，冬寒夏热，四季清楚。
流域内各水系主要以雨水补给为主，因此巢湖水位明显受河流水情控制。
区域多年均湿度77％，最大湿度81％，出现在3月，最小湿度70％，出现在10月，具体如表2。
表21971到2021年局部气象资料表
1971-2021
1月
2月
3月
4月
5月
6月
7月
8月
9月
10月
11月
12月
均值
平均温度〔℃〕
2.9
4.7
9.2
15.9
21.3
24.9
28.3
27.9
23.1
17.5
11.1
5.3
16.0
平均最高温度〔℃〕
6.9
8.9
13.4
20.6
25.9
28.9
32.2
32.1
27.4
22.3
15.9
9.9
20.4
极端最高温度〔℃〕
20.2
26.0
30.2
33.2
35.8
37.5
39.3
38.8
38.3
32.9
29.5
22.7
32.0
平均最低温度〔℃〕
-0.2
1.4
5.5
11.7
17.1
21.4
25.0
24.6
19.7
13.7
7.2
1.7
12.4
极端最低温度〔℃〕
-13.2
-11.7
-3.9
0.7
8.7
13.3
17.3
17.9
11.9
2.1
-4.1
-11.3
2.3
平均降雨量〔mm〕
40.0
54.5
92.6
87.4
114.1
181.1
181.5
127.0
74.6
66.7
53.0
26.4
91.6
降雨天数〔日〕
9.0
9.7
13.1
11.9
11.5
12.3
11.8
11.3
9.4
9.1
7.8
6.1
10.3
资料来源：
巢湖市气象局
巢湖气候对面源污染的影响主要在降雨，降雨集中的5-8月，正是巢湖农事活动频繁的季节，施肥和喷洒农药会增大面源强度，而集中的降雨更增加了面源入湖的风险。
因此，巢湖周边面源污染控制应该考虑时间节点，加强5-8月特殊时期的管理。
4、流域水系
巢湖是在构造盆地根底上发育起来的典型断陷构成湖泊，成湖时间距今约1万年，巢湖属于过流性湖泊，经主要出口裕溪河泄水注入长江，长江汛期江水倒灌入湖。
3，其中杭埠河-丰乐河、派河、南淝河-店埠河、白石山河等四条河流占径流总量的90％以上[18]。
表3巢湖流域主要河流根本情况
河流
面积〔km2〕
百分比〔%〕
降水量〔mm〕
降水总量〔108m3〕
百分比〔%〕
径流系数〔104m3/m3〕
径流量〔108m3〕
百分比〔%〕
杭埠河
4089
1220
49.8
66.0
南淝河
1668
970
6.0
27.0
白石天河
840
1080
9.0
36.0
派河
649
980
6.3
29.0
柘皋河
541
980
5.3
29.0
湖面
783
1030
8.0
10.0
区间
560
1000
5.6
32.0
合计
9130
100.0
1100
100.0
45.2
100
资料来源:
安徽省环境保护局.巢湖水污染防治“九五〞
巢湖入湖河流集中的特点为面源污染控制提供了一个利好，即面源污染控制应该将重点放在七大水系流域面源控制及生态整治上。
本次调查正是基于这个思想，在兼顾土壤样品代表性的前提下，加强了对七大水系样品的采集。
5、流域植被
巢湖流域内原生植被根本已不复存在，现存植被根本为人工林和次生林，以及大范围分布的种植农作物。
整个流域内植被无论是类型、种类都比拟单调，主要有针叶林、阔叶林、经济林、杂叶林、灌丛、宜地林。
现场踏勘说明，越接近巢湖，树林就越少。
巢湖湖滨带根本都已被农田侵占。
大面积的林地皆出现在离巢湖较远的农村及荒地上。
根据本课题指导老师对洱海银桥稻田养鱼基地的面源污染入湖率估算，N、P等营养物质的入湖率与面源离湖泊主体的距离成指数关系。
以P为例，假设入湖率为k，l为面源离湖体的距离〔单位m〕，那么：
由此可见，当面源距离湖泊4km以上时，P入湖率已缺乏0.1%，根本可以忽略。
反过来说，在距离湖泊主体4km以内，十分有必要建立生态缓冲带。
而巢湖湖滨带林地缺失，挺水植物也十分稀疏，这对面源污染控制将极为不利。
〔二〕对巢湖流域表层土壤营养盐的调查研究
测定指标：
TN、TP、OM。
测定方法：
同一样点样品采集后经自然风干后〔图3〕，混合碾碎，过100目筛保存。
TN测定采用K2SO4-CuSO4-Se混合催化法（即开氏法）[13]，TP测定采用SMT协议法测定[14]，OM测定采用重铬酸钾容量法—外加热法[15]。
数据处理方法：
参照国家标准[16]划分土壤肥力等级。
采用SPSS13.0进行统计分析，采用反距离加权插值法综合利用Mapinfo8.5和Surfer8.0制作营养盐空间分布图。
图3局部样品晾晒图
1、巢湖周边表层土壤OM空间分布特征
在巢湖7大水系上，土壤OM平均含量表现为柘皋河〔29413mg/kg〕>裕溪河〔24266mg/kg〕>杭埠—丰乐河〔19891mg/kg〕>兆河〔19200mg/kg〕>白石天河〔17829mg/kg〕>南淝河—店埠河〔17594mg/kg〕>派河〔10796mg/kg〕，如图4。
图4巢湖周边表层土壤OM含量变化情况
周边表层土壤OM含量高浓度地区主要集中在柘皋河、裕溪河、杭埠—丰乐河、兆河区域，低浓度地区主要集中在派河、南淝河—店埠河、白石天河区域，其中柘皋河流域浓度最高，派河流域浓度最低，与TN含量显著相关。
从区域划分上看，表层土壤OM平均含量表现为东巢湖地区〔24293mg/kg〕>西巢湖地区〔15898mg/kg〕，相差较大。
OM浓度空间分布情况如图5。
图5巢湖周边表层土壤OM含量空间分布
根据OM空间分布图，从行政区划上看，巢湖以北的中垾镇、烔炀镇及以东的东关镇、以西的同大镇OM浓度较高，巢湖以西及以南的银屏镇、骆岗镇、野山镇等地OM浓度较低。
2、巢湖周边表层土壤TN空间分布特征
巢湖周边表层土壤TN含量空间变化较大，TN平均含量1027mg/kg，变化范围253mg/kg-2273mg/kg〔图6〕。
图6巢湖周边表层土壤TN含量变化情况
从巢湖7大水系来看，TN平均含量表现为柘皋河〔1456mg/kg〕>裕溪河〔1288mg/kg〕>兆河〔1055mg/kg〕>白石天河〔944mg/kg〕>南淝河—店埠河〔789mg/kg〕>杭埠—丰乐河〔619mg/kg〕>派河〔522mg/kg〕。
TN平均含量高浓度地区主要集中在柘皋河、兆河以及东区的裕溪河区域，低浓度地区主要集中在杭埠—丰乐河、派河、南淝河—店埠河等区域，其中柘皋河流域浓度最高，派河流域浓度最低。
从区域划分上看，TN平均含量表现为东巢湖地区〔1402mg/kg〕>西巢湖地区〔790mg/kg〕，TN浓度空间分布情况如图7。
图7巢湖周边表层土壤TN浓度空间分布
从行政区划上看，巢湖以北的烔炀镇、中垾镇及以东的高林镇、周家店、以及庐城TN浓度比拟高，而在巢湖以南及以西的野山镇、骆岗镇、银屏镇TN浓度那么比拟低，TN空间分布特征与OM极为相似。
3、巢湖周边表层土壤TP空间分布特征
从巢湖7大水系来看，土壤TP平均含量表现为杭埠—丰乐河〔572mg/kg〕>柘皋河〔565mg/kg〕>白石天河〔490mg/kg〕>裕溪河〔459mg/kg〕>兆河〔456mg/kg〕>南淝河—店埠河〔441mg/kg〕>派河〔382mg/kg〕，如图8。
图8巢湖周边表层土壤TP含量变化情况
由上图可知，周边表层土壤TP高浓度地区主要集中在柘皋河、兆河、白石天河以及杭埠—丰乐河区域，低浓度地区主要集中在派河、南淝河—店埠河，其中杭埠—丰乐河流域浓度最高，派河流域浓度最低，〔最高和最低区域与TN相似〕。
从区域划分上看，表层土壤TP平均含量表现为东巢湖地区〔473mg/kg〕<西巢湖地区〔536mg/kg〕。
TP浓度空间分布如图9。
图9巢湖周边表层土壤TP浓度空间分布
从行政区划上看，同大镇、中垾镇为TP高浓度地区，低浓度地区主要集中野山镇等地。
TP在巢湖以西地区分布异于OM，但大局部高浓度点及低浓度点与OM仍出现了重合，TP空间分布整体上仍呈现出与OM相似的特征。
4、巢湖周边表层土壤肥力评价
依据土壤肥力评价表〔表4〕，对巢湖周边表层土壤肥力进行了评价。
表4土壤肥力评价表[16]
工程
级别
水田
旱地
菜地
园地
牧地
OM
I
>15
>25
>30
>20
>20
g/kg
II
10-15
20-25
20-30
15-20
15-20
III
<10
<20
<20
<15
<15
TN
I
g/kg
II
III
有效磷
I
>10
>15
>40
>10
>10
mg/kg
II
5-10
10-15
20-40
5-10
5-10
III
<5
<10
<20
<5
<5
采用单因子指数法评价了巢湖周边表层土壤肥力，为适应本次调查混合样的测定方法，将表4不同土地利用类型标准值做平均后作为本次评价的标准，整体上看，巢湖周边表层土壤肥力呈现明显的东高西低的趋势，从入湖七大水系来看，裕溪河、兆河、柘皋河肥力等级较高，而派河、南淝河、杭埠——丰乐河、白石天河肥力等级较低〔图10〕。
图10巢湖周边表层土壤肥力等级图
从行政区划上来看，半汤镇、烔炀镇、庙港镇、黄麓镇、槐林镇、高林镇、散兵镇、长乐镇、石头镇、庐城等地肥力等级较高，野山镇、夏阁镇、忠庙、骆岗镇等地肥力等级较低。
〔三〕对巢湖周边表层土壤调查结果的统计分析
从TN、TP、OM空间分布特征来看，柘皋河流域土壤表层营养盐含量均较最高，派河流域土壤表层营养盐含量最低。
TN、TP和OM之间呈现一定的相关关系，使用Pearson相关性检验，如表5。
表5OM和TP、TN之间的相关性
工程
TP〔mg/kg〕
TN（mg/kg）
OM（mg/kg）
TP
皮尔森积距相关系数
1
0.410**
0.456**
P值〔双尾检验〕
样本数
60
60
60
TN
皮尔森积距相关系数
0.410**
1
0.799**
P值〔双尾检验〕
样本数
60
60
60
OM
皮尔森积距相关系数
0.456**
0.799**
1
P值〔双尾检验〕
样本数
60
60
60
1、TN、TP、OM统计分析
〔1〕TN和OM之间的相关性分析结果
其P值小于0.01，所以TN和OM之间呈现极显著的相关性。
又相关性系数为0.799，处于0.6和0.8之间，所以TN和OM之间呈现强相关。
〔2〕TP和OM之间的相关性分析结果
其P值小于0.01，所以TP和OM之间呈现极显著的相关性。
又相关性系数为0.456，处于0.4和0.6之间，所以TP和OM之间呈现中度的正相关。
2、以OM为自变量TP、TN为变量的线性方程的建立及精度分析
巢湖周边表层土壤中OM和TP、TN之间均存在着一定的相关性〔见表5〕，这与张如龙等[19]、苏红等[20]的研究成果相符合。
高义民等[21]对陕西省新集村土壤pH、OM、速效养分的空间变异性研究也证明了土壤OM与有效N、P等之间具有中等的空间相关性，并且土壤中的磷有相当一局部是以有机磷的形式存在，土壤中TP含量与OM含量存在显著的相关性[22]。
刘杏梅等[23]在全面分析了太湖流域的浙江省平湖市的耕层土壤的OM、TN、有效磷等要素的空间变异特征后得出了OM、TN和有效磷之间具有很强的空间相关性这一结论，并指出OM和TN函数关系曲线很好地符合球状模型，但只是对OM、TN等之间的相关性强弱给出了较为深入的分析，并没有给出相关性方程。
使用SPSS回归分析得到了OM和TN、TP之间的相关性方程，分别为：
TN方程：
y=0.0369x+255.82,R2=0.6379，其中y为TN、x为OM；
TP方程：
y=0.0073x+330.14,R2=0.2082，其中y为TP，x为OM。
得出相关性方程后，我们又将OM实测值分别代入方程得到了TN和TP的理论值，并作出了二者之间的相对误差，结果根据相关性方程所得到的TP的实测值与理论值之间的平均相对误差为24.87%，TN的实测值和理论值之间的平均相对误差为24.63%。
众所周知，在野外进行实地数据的探测时，只要求理论值与实测值之间的相对误差在40%以内，而本调查所得方程相对误差在25%范围内，精度较高。
完全能满足精度要求不高的管理需要。
3、表层土壤营养盐浓度与巢湖富营养化的关系分析
本次调查发现，在巢湖七大入湖水系附近，表层土壤中营养盐含量与远离水系地区相比均呈现较高的趋势。
比方在白石天河，由于水系的灌溉作用，导致沿岸农业十分兴旺。
农作物类型为水
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