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1數(shù)據(jù)收集與分析方法

1．1數(shù)據(jù)收集

基于綜合研究思路，將資料收集和實際監(jiān)測相結(jié)合，建立九龍江流域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，包括：流域主要涉及的8個縣(市、區(qū))(龍巖市新羅區(qū)、漳平市、長泰縣、華安縣、平和縣、南靖縣、漳州市區(qū)和龍海市)1981__2o09年的社會經(jīng)濟資料和1985-2009年的水環(huán)境數(shù)據(jù)。前者包括GDP、總?cè)丝?、農(nóng)作物播種面積、林果樹面積、畜禽出欄數(shù)、化肥折純用量等指標；后者主要包括北溪浦南水文站和西溪鄭店水文站的河流年均流量資料，以及代表性省控斷面(北11江東橋和西6水頭，分別為北溪、西溪與河口的交接斷面)水質(zhì)數(shù)據(jù)，主要是無機氮(硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮和氨氮之和，因1996-2000年無氨氮數(shù)據(jù)，筆者根據(jù)氨氮與無機氮的平均比例推算)、總氮(TN)和總磷(TP)含量(2002年起監(jiān)測)。社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來自各地統(tǒng)計年鑒，流量數(shù)據(jù)來自福建省水文水資源勘測局，省控斷面水質(zhì)數(shù)據(jù)來自福建省環(huán)境監(jiān)測中心站。為了在空問上進一步反映流域經(jīng)濟對河流水質(zhì)的影響，于2011年2月(枯水期)在九龍江北溪和西溪沿程設(shè)置29個站點進行表層水采樣，測定溶解態(tài)總氮(DTN)和溶解態(tài)總磷(DTP)含量H。

1．2分析方法

通過人口和經(jīng)濟指標反映近29a來該流域的社會經(jīng)濟發(fā)展狀況，重點分析種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展過程及結(jié)構(gòu)性變化問題；基于長時間序列分析和多元回歸分析，探討流域社會經(jīng)濟發(fā)展與水環(huán)境變化之間的演變規(guī)律；應(yīng)用GIS圖示法分析流域氮磷污染負荷(同時反映經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)布局)與實測水質(zhì)分布的空間對應(yīng)關(guān)系；利用EKC法，以人均GDP為自變量，以TN和TP污染負荷作為環(huán)境指標(由于國家地表水環(huán)境質(zhì)量標準進行了調(diào)整，九龍江省控斷面的監(jiān)測項目、站位以及頻率前后不同，目前尚無法找到一組連續(xù)的、可比性和代表性好的水質(zhì)指標)，對兩者關(guān)系進行定量分析，進一步討論流域經(jīng)濟發(fā)展與河流水質(zhì)的時空關(guān)聯(lián)性。各區(qū)域的TN和TP污染負荷根據(jù)排污系數(shù)和入河系數(shù)估算，污染負荷計算主要考慮與人為活動直接相關(guān)的生活污染、畜禽養(yǎng)殖污染和農(nóng)田化肥流失3大污染源，以單位有效面積(耕地和城鎮(zhèn)用地等主要排污區(qū)域)的污染負荷進行縣域之問的比較，并與水質(zhì)指標結(jié)合進行分析。生活污染排污系數(shù)參照文獻[15]取值，畜禽養(yǎng)殖排污系數(shù)采用原國家環(huán)境保護總局編制的排放系數(shù)¨，農(nóng)田化肥流失依據(jù)文獻[17]推薦的方法進行計算。由于新羅區(qū)和漳平縣2009年的統(tǒng)計資料缺失，污染負荷的計算年份為1990-2008年?；局笜说内厔莘治瞿攴轂?981-2009年，部分2009年缺失值用2008年數(shù)據(jù)代替。利用Excel、SPSS、TREND和ArcGIS等軟件進行數(shù)據(jù)處理與分析。

2結(jié)果與討論

2．1九龍江流域社會經(jīng)濟時空分

1981-2009年期問流域GDP呈持續(xù)增長趨勢，流域經(jīng)濟呈現(xiàn)“第1產(chǎn)業(yè)緩增，第2、3產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值增加較快”的總體格局。第1、2、3產(chǎn)業(yè)GDP比例從1985年的40：38：22調(diào)整為2009年的12：53：35。西溪流域的平和縣、南靖縣和龍海市是重要的農(nóng)業(yè)區(qū)，盡管第1產(chǎn)業(yè)(農(nóng)業(yè))GDP所占比例不大，但其涉及的土地面積廣，農(nóng)業(yè)面源污染問題突出，控制難度大；第2產(chǎn)業(yè)主要分布在漳州市區(qū)和北溪流域的新羅區(qū)、漳平市；第3產(chǎn)業(yè)主要在漳州市區(qū)發(fā)展較快。流域總?cè)丝谟?981年的258萬增加到2009年的339萬，29a來增加了31％，其中龍海市、平和縣、漳州市區(qū)和龍巖新羅區(qū)人口較多，共占總?cè)丝诘?1％。2009年流域人均GDP達3．5萬元，其中龍巖新羅區(qū)和漳州市區(qū)人均GDP較高，約5．5萬元，平和縣最低，僅1．3萬元。

2．2農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展過程及模式變遷

2．2．1種植業(yè)

隨著農(nóng)業(yè)經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整以及政策和市場的引導(dǎo)，20世紀80年代中期起大量林地被開荒，用于園林水果種植，農(nóng)業(yè)種植面積呈現(xiàn)明顯增加趨勢(糧食作物播種面積變化不大)，但由于城市化占用農(nóng)田和部分農(nóng)田拋荒等原因，從1999年起農(nóng)業(yè)種植面積持續(xù)減少()，并且逐步從原來的以糧食作物為主過渡到當前以經(jīng)濟作物(非糧食作物)為主的農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)()。西溪流域平和縣、南靖縣和龍海市的農(nóng)業(yè)種植面積占流域農(nóng)業(yè)種植總面積的59％。隨著種植業(yè)發(fā)展，氮、磷肥和復(fù)合肥的施用量大幅度增加。由于經(jīng)濟類作物比例加大，肥料結(jié)構(gòu)也發(fā)生明顯變化，磷肥用量增加較快，流域平均氮、磷肥折純施用量之比從1981年的4：1下降到2009年的2：1。西溪流域上游的平和縣和南靖縣是集約化程度較高的農(nóng)業(yè)區(qū)，以種植水果、蔬菜、花卉等經(jīng)濟作物為主，其化肥施用量最大(2縣化肥施用量占流域化肥施用總量的65％)，施肥強度較高(南靖縣氮、磷肥折純施用量分別為l254和458kg•hm～，平和縣分別為524和326kg•hm)。，29a來流域氮、磷肥平均施用強度均呈線性增加趨勢。與1981年相比，2009年平和縣和南靖縣的化肥折純施用量增加了7—10倍，南靖縣五川小流域氮收支分析表明氮肥利用率處于較低水平，反映出高強度施肥、低效率利用的特點。這說明九龍江流域仍處于粗放式農(nóng)業(yè)生產(chǎn)階段，盲目施肥現(xiàn)象普遍，其結(jié)果是造成大量肥料流失，進而引起水體氮磷污染和富營養(yǎng)化問題。

2．2．2養(yǎng)殖業(yè)九龍江流域養(yǎng)殖業(yè)主要包括生豬和家禽養(yǎng)殖，近10a來畜禽養(yǎng)殖數(shù)量上升較快，但最近幾年有所控制。以生豬養(yǎng)殖()為例，全流域生豬出欄數(shù)從1981年的55萬頭增加到2009年的389萬頭，增加了6倍。養(yǎng)殖區(qū)域集中分布在北溪上游的新羅區(qū)(約占流域生豬出欄總數(shù)的40％)和漳州市區(qū)(約占流域生豬出欄總數(shù)的20％)。2000年以后，新羅區(qū)成為流域最主要的養(yǎng)殖區(qū)，且發(fā)展迅猛，養(yǎng)殖業(yè)成為經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)，養(yǎng)殖密度高達人均3頭生豬。養(yǎng)殖方式包括集約化圈養(yǎng)和家庭散養(yǎng)2種，大多數(shù)規(guī)?；B(yǎng)豬場集中分布在市郊且靠近河流的地方(取水和交通方便)，多數(shù)糞污未經(jīng)處理直接排放(規(guī)?；B(yǎng)殖廠要求配有沼氣池和氧化塘，但少有維護，對氮磷污染的削減十分有限)。

2．3農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展與水質(zhì)變化時空關(guān)聯(lián)分析

2．3．1農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展與水質(zhì)變化的時間關(guān)聯(lián)分析1985-2009年，九龍江呈現(xiàn)明顯的富營養(yǎng)化趨勢。分析表明，北溪(北11江東橋斷面)、西溪(西6水頭斷面)的DIN濃度呈顯著增加趨勢(P<0．05)，總體呈現(xiàn)臺階式上升格局()。20世紀80年代北溪P(DIN)平均為0．56mg•L～，90年代平均為0．79mg•L‘。，2000年后P(DIN)上升較快，部分年份達2mg•L以上。西溪DIN濃度也呈上升趨勢。TP監(jiān)測年份較少，但西6斷面的TP濃度呈明顯上升趨勢，而北11斷面處于江東庫區(qū)，可能由于庫區(qū)對磷有較大的持留作用，故TP濃度較為穩(wěn)定。北溪水質(zhì)在2000年以后明顯惡化(富營養(yǎng)化)，西溪水質(zhì)從20世紀90年代起就開始變差，這在時間點上與北溪流域畜禽養(yǎng)殖數(shù)量增加()和西溪流域化肥用量增加的轉(zhuǎn)折點有很好的對應(yīng)關(guān)系。顯上升趨勢，而北11斷面處于江東庫區(qū)，可能由于庫區(qū)對磷有較大的持留作用，故TP濃度較為穩(wěn)定。北溪水質(zhì)在2000年以后明顯惡化(富營養(yǎng)化)，西溪水質(zhì)從20世紀90年代起就開始變差，這在時間點上與北溪流域畜禽養(yǎng)殖數(shù)量增加()和西溪流域化肥用量增加的轉(zhuǎn)折點有很好的對應(yīng)關(guān)系。(0．315)也表明西溪水質(zhì)還受其他因素影響?？傮w而言，九龍江水質(zhì)演變規(guī)律是流域社會經(jīng)濟布局以及污染源排放強度和方式發(fā)生變化的綜合作用結(jié)果。

2．3．2流域經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)布局與河流水質(zhì)的空間關(guān)聯(lián)分析

由生活污染、畜禽養(yǎng)殖污染和農(nóng)田化肥流失引起的TN和TP污染負荷(人河量)存在明顯的區(qū)域差異，但與河流氮磷濃度的空間分布基本對應(yīng)。污染負荷高的區(qū)域包括北溪上游的新羅區(qū)和漳平市以及西溪上游的平和縣和南靖縣，漳州市區(qū)也相對較高，華安縣最低。畜禽養(yǎng)殖已成為新羅區(qū)的最大污染源，其TN和TP污染負荷分別占其總污染負荷的47％和76％。化肥流失是平和縣的主要污染源，其TN和TP污染負荷分別占其總污染負荷的59％和58％。從河流水質(zhì)看，DTN濃度較高的是北溪上游燕石溪段(新羅區(qū))和西溪上游花山溪段(平和縣)，DTP濃度較高的是北溪上游燕石溪段，這在空間上與新羅區(qū)生豬養(yǎng)殖大量排放高氮磷含量的糞污以及平和縣過量使用化肥造成氮磷流失是直接對應(yīng)的。對比分析河流水質(zhì)(DTN和DTP濃度)與各區(qū)域的經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和污染源特征，很容易發(fā)現(xiàn)，流域經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)布局與河流水質(zhì)的沿程變化有很強的空間關(guān)聯(lián)性。北溪上游新羅區(qū)河段污染嚴重，但在進入漳平市前有萬安溪支流匯人，得到了很好的稀釋，流經(jīng)華安縣(污染負荷最低，且有多級水電站庫區(qū))后水質(zhì)明顯改善，到下游的長泰縣和漳州市東郊后水質(zhì)再次惡化。需要說明的是，由于地表水中氮以溶解態(tài)為主，活性大，由上游至下游其濃度總體表現(xiàn)為累積上升，而以顆粒態(tài)為主的磷在遷移過程中容易在河道沉積，經(jīng)過北溪干流10余座電站大壩的截留作用，至下游時其濃度有所下降(這也是中北11斷面TP濃度年際變化規(guī)律不明顯的原因)。西溪流域地勢相對平緩，干流上電站庫區(qū)很少，磷濃度沿程保持在較高水平。北溪和西溪在經(jīng)過人口密集的漳州市區(qū)后，DTN和DTP濃度均有明顯上升?？偠灾琵埥恿魉|(zhì)的空間分布基本反映出流域人口分布、產(chǎn)業(yè)布局和經(jīng)濟發(fā)展對水環(huán)境的重大影響。

2．3．3環(huán)境庫茲涅茨曲線分析

九龍江流域EKC曲線(圖9)表明，流域氮磷污染負荷總體似乎符合增長型倒“u”形曲線，但尚未出現(xiàn)明顯拐點，且不能肯定是否已達到峰值，這將取決于后續(xù)經(jīng)濟與環(huán)境發(fā)展態(tài)勢。由圖9可見，養(yǎng)殖污染突出的新羅區(qū)與以化肥流失污染為主的平和縣EKC曲線明顯不同。新羅區(qū)EKC曲線斜率高于流域EKC曲線，新羅區(qū)EKC曲線后續(xù)能否向下延伸主要取決于其養(yǎng)殖規(guī)模和污染能否得到有效控制。平和縣EKC曲線已在2000年出現(xiàn)拐點，其化肥用量和流失量在2000年后有所減少，究其原因，主要是農(nóng)田種植面積減少所致，其單位面積施肥強度并未降低，表明化肥流失污染程度并沒有隨著經(jīng)濟增長而得到緩解。在“十二五”規(guī)劃經(jīng)濟總量增加以及新一輪海西經(jīng)濟區(qū)建設(shè)的目標導(dǎo)向下，若流域污染得不到有效控制，極有可能形成“N”形EKC曲線，流域水環(huán)境可能會持續(xù)惡化。

3討論

1981-2009年，九龍江流域經(jīng)濟存在明顯的結(jié)構(gòu)性變化，各地區(qū)經(jīng)濟差異明顯，河流富營養(yǎng)化程度加重，水質(zhì)總體良好，但局部環(huán)境問題突出。特別是近十幾年來，北溪流域畜禽養(yǎng)殖數(shù)量急劇上升，多數(shù)畜禽養(yǎng)殖廢棄物得不到有效處置，周邊農(nóng)田也無法消納，造成局部河段(如新羅區(qū)燕石溪)氮磷污染極其嚴重，水質(zhì)長期超標。西溪流域面臨的主要問題是化肥的過量施用，如以水果、蔬菜、花卉等經(jīng)濟作物種植為主的平和縣和南靖縣，其化肥流失負荷占總污染負荷的比例高達50％以上，加上生活污染負荷，西溪上游花山溪支流的氮磷污染也相當嚴重。隨著流域經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，河流營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)也在發(fā)生變化，進而影響水生生態(tài)系統(tǒng)。由于畜禽養(yǎng)殖(磷含量相對較高)污染排放，以經(jīng)濟作物種植為主的農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)使得肥料結(jié)構(gòu)趨于使用更多的磷肥和復(fù)合肥，氮磷污染負荷比例持續(xù)下降。省控斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，2006年起，九龍江北溪(北7斷面，匯水范圍是新羅區(qū)和漳平市)和西溪(西4斷面，匯水范圍是平和縣和南靖縣)TN與TP的質(zhì)量濃度比值總體呈下降趨勢，北溪尤為明顯，這或許可以解釋為何2009年大規(guī)模水華事件首先發(fā)生在北溪而不是西溪(西溪同期氮磷濃度高于北溪，)。已有研究表明低氮磷濃度比值的水體更容易形成水華¨。磷通常是水華的主要控制因子(有時還受氣溫、光照、水力條件等控制)，2009年1月九龍江北溪水華爆發(fā)前也出現(xiàn)氮磷濃度比值急劇降低的現(xiàn)象(據(jù)分析與春節(jié)期間集中沖洗豬圈造成河流磷濃度劇烈上升有關(guān))，這也說明較低的氮磷濃度比值可能更容易導(dǎo)致擬多甲藻的異常繁殖。顯然，九龍江水化學(xué)(營養(yǎng)鹽供給結(jié)構(gòu))發(fā)生變化與流域氮磷污染負荷比值下降有直接關(guān)系，如不采取有效的污染治理和調(diào)控措施，該比值有可能進一步下降，這無疑會加大類似2009年北溪甲藻水華事件的發(fā)生風(fēng)險(2009年后九龍江北溪流域又多次發(fā)生了不同程度的水華)。顯然，九龍江流域水環(huán)境問題與人為經(jīng)濟活動和生產(chǎn)生活方式密切相關(guān)，流域營養(yǎng)鹽污染結(jié)構(gòu)已悄然發(fā)生變化，并開始顯現(xiàn)環(huán)境生態(tài)效應(yīng)(富營養(yǎng)化和水華)，其對河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的影響目前尚無針對性的觀測和研究，但應(yīng)引起關(guān)注。由于流域人口增加，畜禽養(yǎng)殖、化肥施用、工礦企業(yè)、梯級電站等眾多經(jīng)濟開發(fā)活動，以及氣候變化的疊加影響，將使九龍江水環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的變動趨于復(fù)雜化。目前的水環(huán)境監(jiān)測項目、監(jiān)測頻率和評價體系還無法滿足對水環(huán)境的動態(tài)監(jiān)控和水質(zhì)管理的要求。

4建議

氮磷是目前九龍江的主要水質(zhì)污染指標，控制營養(yǎng)鹽污染是流域水環(huán)境綜合治理的重要任務(wù)。建議通過流域經(jīng)濟和產(chǎn)業(yè)政策調(diào)整，基于環(huán)境容量和場址優(yōu)化研究，科學(xué)規(guī)劃畜禽養(yǎng)殖規(guī)模和空間布局，加強合理用肥指導(dǎo)，引導(dǎo)生態(tài)化養(yǎng)殖和生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，以有效減緩畜禽養(yǎng)殖污染和化肥流失。在污染控制方面，應(yīng)區(qū)分氮磷污染負荷與來源構(gòu)成的地區(qū)差異，確立“氮磷聯(lián)合控制，磷污染優(yōu)先”的營養(yǎng)鹽管理策略。近期在北溪流域(新羅區(qū)和漳州市郊)應(yīng)優(yōu)先控制畜禽養(yǎng)殖污染，西溪流域(平和縣和南靖縣)應(yīng)重點控制化肥流失污染；同時要加快流域各縣(市、區(qū))人口密集城鎮(zhèn)(新羅區(qū)、漳州市和龍海市)的農(nóng)村生活污水處理。重視營養(yǎng)鹽污染結(jié)構(gòu)變動可能對水環(huán)境和水生態(tài)產(chǎn)生的影響，優(yōu)化建設(shè)流域水環(huán)境生態(tài)動態(tài)監(jiān)測和預(yù)警體系。以保護河流生態(tài)、保障飲用水安全為基本目標，進一步研究流域經(jīng)濟、氮磷污染排放以及水質(zhì)生態(tài)效應(yīng)之間的相互作用關(guān)系，為流域綜合管理提供有力的科技支撐。