九龙江经济发展与水质关联性

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1数据收集与分析方法

1．1数据收集

基于综合研究思路，将资料收集和实际监测相结合，建立九龙江流域基础数据库，包括：流域主要涉及的8个县(市、区)(龙岩市新罗区、漳平市、长泰县、华安县、平和县、南靖县、漳州市区和龙海市)1981__2o09年的社会经济资料和1985-2009年的水环境数据。前者包括GDP、总人口、农作物播种面积、林果树面积、畜禽出栏数、化肥折纯用量等指标；后者主要包括北溪浦南水文站和西溪郑店水文站的河流年均流量资料，以及代表性省控断面(北11江东桥和西6水头，分别为北溪、西溪与河口的交接断面)水质数据，主要是无机氮(硝态氮、亚硝态氮和氨氮之和，因1996-2000年无氨氮数据，笔者根据氨氮与无机氮的平均比例推算)、总氮(TN)和总磷(TP)含量(2002年起监测)。社会经济数据来自各地统计年鉴，流量数据来自福建省水文水资源勘测局，省控断面水质数据来自福建省环境监测中心站。为了在空问上进一步反映流域经济对河流水质的影响，于2011年2月(枯水期)在九龙江北溪和西溪沿程设置29个站点进行表层水采样，测定溶解态总氮(DTN)和溶解态总磷(DTP)含量H。

1．2分析方法

通过人口和经济指标反映近29a来该流域的社会经济发展状况，重点分析种植业和养殖业的发展过程及结构性变化问题；基于长时间序列分析和多元回归分析，探讨流域社会经济发展与水环境变化之间的演变规律；应用GIS图示法分析流域氮磷污染负荷(同时反映经济产业布局)与实测水质分布的空间对应关系；利用EKC法，以人均GDP为自变量，以TN和TP污染负荷作为环境指标(由于国家地表水环境质量标准进行了调整，九龙江省控断面的监测项目、站位以及频率前后不同，目前尚无法找到一组连续的、可比性和代表性好的水质指标)，对两者关系进行定量分析，进一步讨论流域经济发展与河流水质的时空关联性。各区域的TN和TP污染负荷根据排污系数和入河系数估算，污染负荷计算主要考虑与人为活动直接相关的生活污染、畜禽养殖污染和农田化肥流失3大污染源，以单位有效面积(耕地和城镇用地等主要排污区域)的污染负荷进行县域之问的比较，并与水质指标结合进行分析。生活污染排污系数参照文献[15]取值，畜禽养殖排污系数采用原国家环境保护总局编制的排放系数¨，农田化肥流失依据文献[17]推荐的方法进行计算。由于新罗区和漳平县2009年的统计资料缺失，污染负荷的计算年份为1990-2008年。基本指标的趋势分析年份为1981-2009年，部分2009年缺失值用2008年数据代替。利用Excel、SPSS、TREND和ArcGIS等软件进行数据处理与分析。

2结果与讨论

2．1九龙江流域社会经济时空分

1981-2009年期问流域GDP呈持续增长趋势，流域经济呈现“第1产业缓增，第2、3产业产值增加较快”的总体格局。第1、2、3产业GDP比例从1985年的40：38：22调整为2009年的12：53：35。西溪流域的平和县、南靖县和龙海市是重要的农业区，尽管第1产业(农业)GDP所占比例不大，但其涉及的土地面积广，农业面源污染问题突出，控制难度大；第2产业主要分布在漳州市区和北溪流域的新罗区、漳平市；第3产业主要在漳州市区发展较快。流域总人口由1981年的258万增加到2009年的339万，29a来增加了31％，其中龙海市、平和县、漳州市区和龙岩新罗区人口较多，共占总人口的71％。2009年流域人均GDP达3．5万元，其中龙岩新罗区和漳州市区人均GDP较高，约5．5万元，平和县最低，仅1．3万元。

2．2农业经济发展过程及模式变迁

2．2．1种植业

随着农业经济结构调整以及政策和市场的引导，20世纪80年代中期起大量林地被开荒，用于园林水果种植，农业种植面积呈现明显增加趋势(粮食作物播种面积变化不大)，但由于城市化占用农田和部分农田抛荒等原因，从1999年起农业种植面积持续减少()，并且逐步从原来的以粮食作物为主过渡到当前以经济作物(非粮食作物)为主的农业种植结构()。西溪流域平和县、南靖县和龙海市的农业种植面积占流域农业种植总面积的59％。随着种植业发展，氮、磷肥和复合肥的施用量大幅度增加。由于经济类作物比例加大，肥料结构也发生明显变化，磷肥用量增加较快，流域平均氮、磷肥折纯施用量之比从1981年的4：1下降到2009年的2：1。西溪流域上游的平和县和南靖县是集约化程度较高的农业区，以种植水果、蔬菜、花卉等经济作物为主，其化肥施用量最大(2县化肥施用量占流域化肥施用总量的65％)，施肥强度较高(南靖县氮、磷肥折纯施用量分别为l254和458kg•hm～，平和县分别为524和326kg•hm)。，29a来流域氮、磷肥平均施用强度均呈线性增加趋势。与1981年相比，2009年平和县和南靖县的化肥折纯施用量增加了7—10倍，南靖县五川小流域氮收支分析表明氮肥利用率处于较低水平，反映出高强度施肥、低效率利用的特点。这说明九龙江流域仍处于粗放式农业生产阶段，盲目施肥现象普遍，其结果是造成大量肥料流失，进而引起水体氮磷污染和富营养化问题。

2．2．2养殖业九龙江流域养殖业主要包括生猪和家禽养殖，近10a来畜禽养殖数量上升较快，但最近几年有所控制。以生猪养殖()为例，全流域生猪出栏数从1981年的55万头增加到2009年的389万头，增加了6倍。养殖区域集中分布在北溪上游的新罗区(约占流域生猪出栏总数的40％)和漳州市区(约占流域生猪出栏总数的20％)。2000年以后，新罗区成为流域最主要的养殖区，且发展迅猛，养殖业成为经济支柱产业，养殖密度高达人均3头生猪。养殖方式包括集约化圈养和家庭散养2种，大多数规模化养猪场集中分布在市郊且靠近河流的地方(取水和交通方便)，多数粪污未经处理直接排放(规模化养殖厂要求配有沼气池和氧化塘，但少有维护，对氮磷污染的削减十分有限)。

2．3农业经济发展与水质变化时空关联分析

2．3．1农业经济发展与水质变化的时间关联分析1985-2009年，九龙江呈现明显的富营养化趋势。分析表明，北溪(北11江东桥断面)、西溪(西6水头断面)的DIN浓度呈显著增加趋势(P<0．05)，总体呈现台阶式上升格局()。20世纪80年代北溪P(DIN)平均为0．56mg•L～，90年代平均为0．79mg•L‘。，2000年后P(DIN)上升较快，部分年份达2mg•L以上。西溪DIN浓度也呈上升趋势。TP监测年份较少，但西6断面的TP浓度呈明显上升趋势，而北11断面处于江东库区，可能由于库区对磷有较大的持留作用，故TP浓度较为稳定。北溪水质在2000年以后明显恶化(富营养化)，西溪水质从20世纪90年代起就开始变差，这在时间点上与北溪流域畜禽养殖数量增加()和西溪流域化肥用量增加的转折点有很好的对应关系。显上升趋势，而北11断面处于江东库区，可能由于库区对磷有较大的持留作用，故TP浓度较为稳定。北溪水质在2000年以后明显恶化(富营养化)，西溪水质从20世纪90年代起就开始变差，这在时间点上与北溪流域畜禽养殖数量增加()和西溪流域化肥用量增加的转折点有很好的对应关系。(0．315)也表明西溪水质还受其他因素影响。总体而言，九龙江水质演变规律是流域社会经济布局以及污染源排放强度和方式发生变化的综合作用结果。

2．3．2流域经济产业布局与河流水质的空间关联分析

由生活污染、畜禽养殖污染和农田化肥流失引起的TN和TP污染负荷(人河量)存在明显的区域差异，但与河流氮磷浓度的空间分布基本对应。污染负荷高的区域包括北溪上游的新罗区和漳平市以及西溪上游的平和县和南靖县，漳州市区也相对较高，华安县最低。畜禽养殖已成为新罗区的最大污染源，其TN和TP污染负荷分别占其总污染负荷的47％和76％。化肥流失是平和县的主要污染源，其TN和TP污染负荷分别占其总污染负荷的59％和58％。从河流水质看，DTN浓度较高的是北溪上游燕石溪段(新罗区)和西溪上游花山溪段(平和县)，DTP浓度较高的是北溪上游燕石溪段，这在空间上与新罗区生猪养殖大量排放高氮磷含量的粪污以及平和县过量使用化肥造成氮磷流失是直接对应的。对比分析河流水质(DTN和DTP浓度)与各区域的经济产业结构和污染源特征，很容易发现，流域经济产业布局与河流水质的沿程变化有很强的空间关联性。北溪上游新罗区河段污染严重，但在进入漳平市前有万安溪支流汇人，得到了很好的稀释，流经华安县(污染负荷最低，且有多级水电站库区)后水质明显改善，到下游的长泰县和漳州市东郊后水质再次恶化。需要说明的是，由于地表水中氮以溶解态为主，活性大，由上游至下游其浓度总体表现为累积上升，而以颗粒态为主的磷在迁移过程中容易在河道沉积，经过北溪干流10余座电站大坝的截留作用，至下游时其浓度有所下降(这也是中北11断面TP浓度年际变化规律不明显的原因)。西溪流域地势相对平缓，干流上电站库区很少，磷浓度沿程保持在较高水平。北溪和西溪在经过人口密集的漳州市区后，DTN和DTP浓度均有明显上升。总而言之，九龙江河流水质的空间分布基本反映出流域人口分布、产业布局和经济发展对水环境的重大影响。

2．3．3环境库兹涅茨曲线分析

九龙江流域EKC曲线(图9)表明，流域氮磷污染负荷总体似乎符合增长型倒“u”形曲线，但尚未出现明显拐点，且不能肯定是否已达到峰值，这将取决于后续经济与环境发展态势。由图9可见，养殖污染突出的新罗区与以化肥流失污染为主的平和县EKC曲线明显不同。新罗区EKC曲线斜率高于流域EKC曲线，新罗区EKC曲线后续能否向下延伸主要取决于其养殖规模和污染能否得到有效控制。平和县EKC曲线已在2000年出现拐点，其化肥用量和流失量在2000年后有所减少，究其原因，主要是农田种植面积减少所致，其单位面积施肥强度并未降低，表明化肥流失污染程度并没有随着经济增长而得到缓解。在“十二五”规划经济总量增加以及新一轮海西经济区建设的目标导向下，若流域污染得不到有效控制，极有可能形成“N”形EKC曲线，流域水环境可能会持续恶化。

3讨论

1981-2009年，九龙江流域经济存在明显的结构性变化，各地区经济差异明显，河流富营养化程度加重，水质总体良好，但局部环境问题突出。特别是近十几年来，北溪流域畜禽养殖数量急剧上升，多数畜禽养殖废弃物得不到有效处置，周边农田也无法消纳，造成局部河段(如新罗区燕石溪)氮磷污染极其严重，水质长期超标。西溪流域面临的主要问题是化肥的过量施用，如以水果、蔬菜、花卉等经济作物种植为主的平和县和南靖县，其化肥流失负荷占总污染负荷的比例高达50％以上，加上生活污染负荷，西溪上游花山溪支流的氮磷污染也相当严重。随着流域经济产业结构调整，河流营养盐结构也在发生变化，进而影响水生生态系统。由于畜禽养殖(磷含量相对较高)污染排放，以经济作物种植为主的农业种植结构使得肥料结构趋于使用更多的磷肥和复合肥，氮磷污染负荷比例持续下降。省控断面监测数据表明，2006年起，九龙江北溪(北7断面，汇水范围是新罗区和漳平市)和西溪(西4断面，汇水范围是平和县和南靖县)TN与TP的质量浓度比值总体呈下降趋势，北溪尤为明显，这或许可以解释为何2009年大规模水华事件首先发生在北溪而不是西溪(西溪同期氮磷浓度高于北溪，)。已有研究表明低氮磷浓度比值的水体更容易形成水华¨。磷通常是水华的主要控制因子(有时还受气温、光照、水力条件等控制)，2009年1月九龙江北溪水华爆发前也出现氮磷浓度比值急剧降低的现象(据分析与春节期间集中冲洗猪圈造成河流磷浓度剧烈上升有关)，这也说明较低的氮磷浓度比值可能更容易导致拟多甲藻的异常繁殖。显然，九龙江水化学(营养盐供给结构)发生变化与流域氮磷污染负荷比值下降有直接关系，如不采取有效的污染治理和调控措施，该比值有可能进一步下降，这无疑会加大类似2009年北溪甲藻水华事件的发生风险(2009年后九龙江北溪流域又多次发生了不同程度的水华)。显然，九龙江流域水环境问题与人为经济活动和生产生活方式密切相关，流域营养盐污染结构已悄然发生变化，并开始显现环境生态效应(富营养化和水华)，其对河流生态系统结构和功能的影响目前尚无针对性的观测和研究，但应引起关注。由于流域人口增加，畜禽养殖、化肥施用、工矿企业、梯级电站等众多经济开发活动，以及气候变化的叠加影响，将使九龙江水环境和生态系统的变动趋于复杂化。目前的水环境监测项目、监测频率和评价体系还无法满足对水环境的动态监控和水质管理的要求。

4建议

氮磷是目前九龙江的主要水质污染指标，控制营养盐污染是流域水环境综合治理的重要任务。建议通过流域经济和产业政策调整，基于环境容量和场址优化研究，科学规划畜禽养殖规模和空间布局，加强合理用肥指导，引导生态化养殖和生态农业的发展，以有效减缓畜禽养殖污染和化肥流失。在污染控制方面，应区分氮磷污染负荷与来源构成的地区差异，确立“氮磷联合控制，磷污染优先”的营养盐管理策略。近期在北溪流域(新罗区和漳州市郊)应优先控制畜禽养殖污染，西溪流域(平和县和南靖县)应重点控制化肥流失污染；同时要加快流域各县(市、区)人口密集城镇(新罗区、漳州市和龙海市)的农村生活污水处理。重视营养盐污染结构变动可能对水环境和水生态产生的影响，优化建设流域水环境生态动态监测和预警体系。以保护河流生态、保障饮用水安全为基本目标，进一步研究流域经济、氮磷污染排放以及水质生态效应之间的相互作用关系，为流域综合管理提供有力的科技支撑。