2023, Vol. 35 
(2: 西安理工大学水利水电学院，西安 710000)
(2: College of Water Conservancy and Hydropower, Xi'an University of Technology, Xi'n 710000, P.R.China)
河流是陆海物质输送的主要通道[1]，也是氮磷等生源要素生物地球化学循环的重要场所[2-3]。为满足社会经济发展对河流水资源和水能资源开发利用的需求，筑坝作为一种重要方式被广泛采用。然而，筑坝改变了河流原有的水文情势和水动力条件，导致一系列水文及生态效应，包括河道径流的年内和年际分配、库内水温分层、河流流速减缓促进颗粒物沉降、下游地下水位下降影响湿地生态等[4]。此外，大坝对物质的拦截以及水库湖相环境的形成对物质迁移转化过程具有重要影响，从而影响河流物质的时空分布特征[5-6]。Mu等[7]认为梯级水库的建设阻碍了泥沙沉积物向下游的输送，进而影响了库内沉积物中生物可利用磷(Bio-P)的组分与含量；刘尚武等[8]在针对金沙江梯级水库的研究中发现：溪洛渡与向家坝水库运行后，河流径流量无显著变化，河流输沙量与水体含沙量减少99%；进而使得金沙江总磷(TP)输出通量减少了约67%，总氮(TN)输出通量增加了约22%；同时，由于库区流速减缓，颗粒物发生沉降，使得库内TP浓度降低了约75%；受下游面源污染排放增多的影响，库内TN浓度增加了21%，其主要组分为硝态氮(NO3--N)。
流域氮磷的沿程输入以及水库氮磷的生物地球化学循环过程是水库氮磷浓度及形态的主要影响因素[9-11]。研究表明，库内氮磷浓度及其赋存形态主要受水库流域特征的影响，包括土地利用[12]、生产活动[13-14]、降雨径流等[15-16]。不同流域特征的水库氮磷输入差异显著，进而形成水库水体氮磷浓度的时空分布特征[11]。金沙江流域水库的水体氮磷浓度受面源输入的影响较大，其主要来源于农业施肥和畜禽养殖[17-18]。Guo等[19]采用稳定氮氧同位素分析了澜沧江流域水库内氮的来源及其沿程变化，发现TN、氨氮(NH3-N)和NO3--N浓度均沿程升高，其中土壤有机氮矿化是NH3-N的主要来源，其次为流域内生活污水排放。除了流域输入外，水库氮磷各形态间的转化也会改变水库向下游输送的氮磷形态及浓度[20]。刘坤等[21]发现乌江梯级水库内微生物作用促进了磷形态转化，增加了库内及下泄水体中Bio-P浓度。Chen等[22]通过澜沧江梯级水库的长期系统性监测发现，水库的建设促进了沉积物中的Bio-P释放到水体中，更多的NO3--N转变为NH3-N，从而提高了下游氮磷生物可利用性。
综上所述，筑坝河流中氮磷的浓度分布主要受到流域特征、水库拦截及库内转化的共同作用。然而，水库蓄水前后短期内水体氮磷浓度和形态的变化及其成因、梯级水库水体氮磷时空分布特征及主导影响因素尚不清楚。本研究选择澜沧江梯级水库为对象，针对水库不同的建设时间以及其子流域特征，对比分析水库建设和流域特征影响下水体中各形态氮磷浓度的时空变化规律，识别影响氮磷浓度及形态变化的主控因子，并阐明其影响机制，为筑坝河流水环境生态保护及管理提供支撑。
1 材料与方法 1.1 研究区域概况澜沧江发源于中国青海省唐古拉山东北部，流经西藏、云南两省区，全长2161 km，流域面积16.75×104 km2；出境后称为湄公河，流经缅甸、老挝、柬埔寨、泰国和越南五个国家，为东南亚最大的国际河流[23-24]。澜沧江流域径流以降水补给为主，地下水和冰山积雪融水补给为辅[25]。澜沧江水能资源理论蕴藏量为3656×104 kW，可开发量约为2348×104 kW，是中国十二大水电基地之一，现已成为国家重点水电开发河流[26]。本研究针对澜沧江干流乌弄龙至景洪区段，2016年澜沧江共建有6座梯级水库，自上而下依次为功果桥、小湾、漫湾、大朝山、糯扎渡、景洪(图 1a)，此时功果桥上游(下文简称“上游”)为自然河段，功果桥及其以下(下文简称“下游”)为梯级水库段。截止2021年上游自然河段新建完成6座梯级水库，沿程依次为乌弄龙、里底、托巴、黄登、大华、苗尾，自然河段转变为新建水库段。澜沧江水库基本信息如表 1所示，梯级水库段水库建设时间早于新建水库段，且库容和水力停留时间(HRT)整体上大于新建水库段。
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图 1 研究区域及基本信息概况：(a、b)2016、2021年土地利用及水库建设情况；(c)水库子流域土地利用情况；(d)建库后土地淹没面积；(e)流域年降雨量变化 Fig.1 Basic information of research area in Lancang River: (a-b) Changes in land use before (2016, a) and after (2021, b) reservoir construction; (c) Land use of reservoir sub-basins; (d) Inundated land area after reservoir construction; (e) Annual rainfall variation of different reservoir watersheds |
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表 1 澜沧江梯级水库基本特征 Tab. 1 Basic characteristics of cascade reservoirs in Lancang River |
本研究获取地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)2016和2021年2期土地利用遥感数据，空间分辨率为30 m。采用QGIS 3.24.2对不同时期土地利用遥感数据进行解析，分析流域内土地利用情况，按照《全国遥感监测土地利用/覆盖分类体系》划分流域土地利用类型，包括耕地、林地、草地、水域、居民用地以及未利用地(戈壁、盐碱地、沼泽地、裸土地和裸岩质地)，统计2016年及2021年各类型土地利用面积，详见附表 Ⅰ。基于2016年和2021年云南省澜沧江流域34个监测雨量站点数据(http://data.cma.cn/)，采用克里金插值法计算得到各水库子流域年降雨量值。
1.2 水样采集与分析方法分别于2016年9月和2021年9月开展了两次澜沧江丰水期干流沿程调查采样，详细采样点为经纬度信息，详见附表 Ⅱ。其中2016年共采集42个点位，2021年在2016年的基础上增加了38个点位，采样点位在各水库库区均有分布。野外采集上覆水表层下0.5 m处水样，于4℃环境中避光保存，运送到实验室后，48小时内完成水样处理与指标分析。
采用YSI多参数水质分析仪现场测定水温、电导率、溶解氧、pH和浊度等水质参数。水体氮磷浓度根据《水和废水检测分析方法》(第四版)进行测定，主要检测项目有总氮(TN)、硝态氮(NO3--N)、氨氮(NH3-N)、亚硝态氮(NO2--N)、总磷(TP)、磷酸盐(PO43--P)。溶解态无机氮(DIN)为NO3--N、NH3-N、NO2--N的总和，溶解有机磷(DOP)为TDP与PO43--P的差值。各指标均设置3组平行样，取相应指标的吸光度平均值，以减少实验过程中的误差。
1.3 数据处理采用Excel软件对数据进行统计和处理，将测定所得指标在不同波长下的吸光度输入其对应的标准曲线方程，得到该指标的浓度。采用Pearson相关性分析方法探究水库HRT、库龄、年降雨量、土地利用占比与水库TN、TP、NO3--N、NH3-N、PO43--P浓度之间的关系。同时，选取自然河段、新建水库段、梯级水库段的水环境、气象及地理因子，采用主成分分析方法探究水库建设后河道特征向水库特征的变化；采用成对样本的t检验方法检验水库子流域土地利用面积以及年降雨量在2016和2021年的差异，上述分析采用R 3.6.3软件完成。此外，本研究搜集梯级水库沿程子流域内各市县统计年鉴，获取有关居民人口、工业企业数量以及污水厂排污量等相关资料，如表 2所示。
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表 2 澜沧江各水库子流域内2021年统计年鉴相关数据 Tab. 2 Basic characteristics of cascade reservoirs in Lancang River in 2021 |
基于澜沧江流域2016年和2021年土地利用遥感数据分析结果(图 1a, 1b)，发现2016年和2021年澜沧江流域各类土地利用占比无显著变化(P>0.05)，林地为澜沧江流域主导用地类型，占比超过60%，其次为草地、耕地、未利用地、水域和建设用地。各水库子流域内耕地、建设用地占比整体从上游往下游呈沿程增加趋势(图 1c)，与澜沧江流域社会经济发展、人类活动强度空间分布特征密切相关。对比自然河段与新建水库段土地利用变化发现，上游水库(乌弄龙、里底、托巴、黄登、大华和苗尾)建设后淹没土地面积分别为2.00、1.94、3.87、1.33、1.26、2.01 km2(图 1d)。澜沧江流域2016年年均降雨量为1047 mm，2021年年均降雨量为1085 mm，较2016年略有增加，但无显著性差异(P>0.05)；受地理因素影响，下游降雨量(2016年、2021年)整体大于上游段，呈沿程递增趋势。
2.2 水体氮磷浓度及形态时空分布规律 2.2.1 筑坝前后上游河流水体氮磷浓度及形态变化通过比较上游新建水库(乌弄龙、里底、托巴、黄登、大华和苗尾)段水体各形态氮磷浓度在筑坝前(2016年)、后(2021年)的变化，发现筑坝后水体TN浓度显著高于筑坝前(图 2a，P < 0.05)。筑坝后，新建水库段水体TN浓度为(0.69±0.10) mg/L(平均值±标准偏差，下同)，是筑坝前该段水体TN浓度((0.20±0.08)mg/L)的3.4倍。筑坝前后水体NO3--N浓度也发生显著变化：筑坝后，新建水库段NO3--N浓度为(0.52±0.12) mg/L，是筑坝前该段水体NO3--N浓度((0.08±0.01) mg/L)的6.3倍。此外，新建水库段水体NH3-N浓度由筑坝前的(0.01±0.01) mg/L上升为筑坝后的(0.04±0.05) mg/L。筑坝前后水体NO2--N浓度较低，占TN浓度的比例小于1%，几乎可忽略不计。筑坝前，新建水库段水体DIN浓度为(0.10±0.02) mg/L，占TN浓度的45%；筑坝后，DIN浓度上升为(0.56±0.13) mg/L，占TN浓度的85%。筑坝前后，NO3--N均为DIN的主要组成部分，占比分别为85%和87%(图 2b)。
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图 2 澜沧江梯级水库氮磷浓度及形态占比沿程分布：(a) 水体TN浓度沿程分布; (b) 水体DIN形态占比沿程分布; (c) 水体TP浓度沿程分布; (d) 水体Bio-P形态占比沿程分布 Fig.2 Distribution of nitrogen and phosphorus concentration and the proportion of their forms in the cascade reservoirs of Lancang River: (a) TN and (c) TP variations along Lancang River; (b) variation of DIN and (d) Bio-P proportions along Lancang River |
筑坝前后水体TP浓度也发生显著变化。筑坝前，水体TP浓度为(0.09±0.04) mg/L，是筑坝后TP浓度(0.04±0.02) mg/L的2.3倍(图 2c)，水体Bio-P浓度占TP浓度的比值由筑坝前的18%上升为50%。此外，筑坝前后Bio-P的主要形态也发生变化(图 2d)，从筑坝前的以DOP为主转变为以PO43--P为主，其中，水体PO43--P浓度占Bio-P浓度的比例由筑坝前的18%上升到筑坝后的55%。因此，筑坝不仅会影响水体氮磷浓度，而且改变各形态氮磷浓度的占比。
2.2.2 梯级水库沿程水体氮磷浓度及形态分布变化从梯级水库沿程来看，下游梯级水库段水体TN浓度总体上高于新建水库段，2016年TN浓度从上游河道的(0.20±0.08) mg/L上升到下游景洪水库的(0.62±0.02) mg/L；2021年TN浓度从上游河道的(0.68±0.10) mg/L上升到下游景洪水库的(0.92±0.13) mg/L。在沿程上，NO3--N占DIN的比值从上游到下游总体上逐渐下降，而NH3-N占DIN的比例逐渐升高，其中，小湾水库至景洪水库段水体NH3-N占比最高，达到70%(图 2)。此外，沿程上，下游梯级水库段水体TP浓度低于上游新建水库段。虽然筑坝前后DOP和PO43--P占Bio-P的比例发生变化，但是其占比在沿程上并没有明显趋势。
2.3 水体氮磷分布特征主控因子及河流的水库化演变 2.3.1 水体氮磷分布特征的主控因子为探明影响澜沧江氮磷及其形态分布的主控因子，对澜沧江水体氮磷与各环境因子作Pearson相关性分析(图 3)。本研究将与人类活动联系较强的耕地和居民用地分为一类，称作城镇用地；将林地、草地、水域及未利用地称作其他用地。结果显示：梯级水库TN浓度与水库控制流域城镇用地占比显著相关(P < 0.01)，筑坝前后TN浓度变化与水库淹没土地面积显著相关(P < 0.01)；TP浓度沿程变化与水库HRT显著相关(P < 0.01)；NO3--N和NH3-N浓度均与水库HRT显著相关(P < 0.01)；PO43--P与水库HRT显著相关(P < 0.01)。
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图 3 澜沧江水体氮磷浓度及其主要形态占比变化与环境因子相关性热图 Fig.3 Correlations among nitrogen, phosphorus, their main forms, and environmental factors in water of Lancang River |
2016年和2021年各段主成分分析结果如图 4所示：2016年，澜沧江上游(功果桥水库以上河段)为自然河段，其特征显著区分于澜沧江下游(功果桥水库以下河段)梯级水库特征。其中，乌弄龙至功果桥库区与源区河段处于同聚类区，表现为河道特征；小湾至景洪库区处于同聚类区，表现为梯级水库特征(图 4)。2021年，上游6座梯级水库完成蓄水后，新建水库段(乌弄龙至苗尾)与梯级水库段(功果桥至景洪)的聚类区出现交叠，表现为河道特征逐渐向梯级水库特征演变；其中与下游距离较近的大华、黄登、苗尾、功果桥水库同时存在于新建水库段、梯级水库段聚类区，而与下游距离较远的乌弄龙、里底、托巴水库与梯级水库聚类区仍有较大差别。
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图 4 澜沧江不同时期河流特征向水库特征的演变 Fig.4 Evolution of river characteristics to reservoir characteristics in different periods of Lancang River |
澜沧江上游筑坝前后水体氮磷浓度发生显著变化。与筑坝前(2016年)相比，筑坝后新建水库段(包括乌弄龙、里底、托巴、黄登、大华和苗尾)TN浓度显著上升(图 2a)。一般而言，流域外源输入是水库水体氮浓度变化的重要原因，外源输入强度可能会受到流域降雨变化以及人类活动强度的影响[27]。然而，本文通过搜集分析历史降雨资料，发现筑坝前后新建水库段降雨量并无显著差异，加之新建水库段位于澜沧江上游，人类活动较弱，因此，水库流域的外源输入不是造成新建水库段水体TN浓度变化的主要因素。除流域外源输入外，河流筑坝抬高水位，淹没周边耕地、林地、草地，土壤中的含氮有机质释放进入水体，导致蓄水初期水体TN浓度升高[28]。有研究表明，水库水位波动周期性地淹没周边土壤，受淹土壤中有机氮分解并向上覆水迁移，可能会影响水库水体TN浓度[29]。同时，本研究发现筑坝前后水体TN浓度的变化与水库淹没土地面积显著正相关关系也证明了这一点(图 3)。因此，筑坝抬升水位导致淹没土壤中的氮分解及释放可能是澜沧江上游新建水库段筑坝前后TN浓度变化的主要原因。筑坝后新建水库段水体NO3--N是DIN的主要组成部分(图 2)，可能的原因是筑坝后淹没土壤中的有机氮分解为NH3-N，并向上覆水迁移，而新建水库段水体整体上是好氧环境(溶解氧大于7 mg/L)，有利于硝化过程的进行，促进NH3-N转化为NO3--N，从而增加新建水库段水体NO3--N的浓度及其占比[30-31]。
此外，筑坝前后新建水库段水体TP浓度显著低于筑坝前(图 2c)。筑坝使得河段的河相特征向水库的湖相特征转变，水体流速减缓、HRT增加，有利于颗粒态磷的沉降，使得水体TP浓度降低，这是水库截留磷的主要机制[32-33]。尽管本研究没有测量颗粒态磷在筑坝前后的差异，但是通过筑坝水体后的浊度比较发现水体浊度由筑坝前的81.65 FTU下降到筑坝后的14.38 FTU，这也可以说明筑坝促进了水体悬浮颗粒物的沉降，从而降低水体TP浓度，这点也被以往研究证实[33]。同时，本研究发现筑坝前后新建水库段水体Bio-P形态发生显著变化：从筑坝前的以DOP为主转变为筑坝后的以PO43--P为主，可能的原因是由于HRT增加促进了DOP的分解[34]，同时水库被淹没土地中有机质的分解产生的PO43--P向上覆水迁移，使得新建水库段水体PO43--P浓度和占比增加[22]。
3.2 澜沧江梯级水库水体氮磷浓度及其形态沿程分布特征及其形成机制澜沧江梯级水库水体TN浓度表现出从上游至下游沿程升高的趋势(图 2a)。已有研究表明，水库氮素增加的主要来源包括上游来水、水库子流域农业非点源污染以及周边工厂的点源污染[35]。查阅澜沧江梯级水库子流域内各市县统计年鉴发现，2016—2021年沿程工业及企业数量由上游的5692个增加到下游的19989个，居民人口数量由上游的10.68万人增加到下游的85.79万人，沿程市县城镇化程度、社会经济发展水平、居民人口密度显著上升，导致生活污水、工业企业废水排放增加，沿程污水厂年污水处理量由上游的545.44万m3增加到下游的2554.88万m3，流域入库氮负荷增加，从而导致澜沧江梯级水库水体TN浓度沿程增加。其次，从上游至下游各水库子流域的耕地和建设用地比重、降雨量均增加(图 1c、图 1e)，导致沿程径流输入负荷增多，进而使得TN浓度升高。因此，澜沧江梯级水库沿程土地利用、人类活动以及降雨量增加是水体TN浓度沿程升高的主要原因。此外，发现DIN中NO3--N和NH3-N占比在沿程上发生变化，NO3--N占比在沿程上逐渐降低，而NH3-N占比逐渐升高，且NO3--N和NH3-N浓度与水库HRT显著相关。澜沧江下游各级水库的水深和HRT普遍大于上游，表层水体中的NO3--N被浮游植物吸收形成颗粒态有机氮并随之沉降至水库下层水体，加之澜沧江下游高坝大库底层易形成缺氧环境，在一定程度上抑制了好氧硝化反应的发生，导致更多的NH3-N累积，使得水体中DIN形态由以NO3--N为主逐渐过渡为以NH3-N为主[22]。
澜沧江梯级水库沿程水体TP浓度表现出从上游至下游沿程降低的趋势。澜沧江上游海拔梯度大，河流流速较快，水体中携带的泥沙颗粒物较多，80%~90%的TP通常以颗粒态磷的形式存在[36]。水库蓄水后，由于流速减小，水体中大量颗粒态磷沉降在库区底泥中，造成了水体TP浓度沿程逐级减少。同时，TP中Bio-P的占比表现出从上游到下游沿程升高的趋势，且上游段Bio-P的组成以DOP为主，到下游段逐渐过渡为以PO43--P为主。首先，因为下游多为深水大库，库内水深和HRT大于上游水库，为水体中DOP的分解创造了有利环境[31]；其次，澜沧江下游水温相较上游高约5~7℃，水温升高能够增强沉积物中微生物的活性，促进矿化作用和厌氧转化等过程，有利于PO43--P的释放[37]。
4 结论1) 澜沧江上游筑坝后，水体TN浓度显著高于筑坝前，DIN形态以NO3--N为主；水体TP浓度降低，Bio-P形态逐渐由以DOP为主转变为以PO43--P为主。
2) 筑坝抬升水位淹没周围土地造成的氮释放是造成水体TN浓度升高的主要原因；颗粒物沉降是降低水库水体TP浓度的主要原因；水库磷的转化及沉积物释放是导致Bio-P形态发生变化的主要原因。
3) 澜沧江从上游至下游，水体TN浓度沿程升高，沿程土地利用差异是造成TN浓度空间分布的主控因子，DIN形态逐渐由以NO3--N为主转变为以NH3-N为主；水体TP浓度沿程降低，梯级水库的拦截作用是造成TP浓度空间差异的主控因子，Bio-P的组分逐渐由以DOP为主转变为以PO43--P为主；水库HRT是导致氮磷主要形态发生变化的重要因素。
本研究初步探讨了梯级水库水体中氮磷时空分布特征及其形成机制；在未来的研究中，将重点探究氮磷在库内的具体转化过程与转化率，建立梯级水库氮磷迁移转化定量模型，为澜沧江梯级水库水生态保护提供参考依据。
5 附录附表 Ⅰ和Ⅱ见电子版(DOI: 10.18307/2023.0424)。
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附表Ⅰ 澜沧江梯级水库2016年和2021年各梯级水库子流域不同土地利用类型面积 Appendix Ⅰ Different land use types ofeach cascade reservoirs of Lancang River in 2016 and 2021 |
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附表Ⅱ 2016年和2021年澜沧江采样点位经纬度信息 Appendix Ⅱ Latitude and longitude information of sampling sites in Lancang River in 2016 and 2021 |
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