水体富营养化是人类当前面临的一个重要生态环境问题。随着工农业生产的持续发展，大量的营养盐物质进入地表径流中，不仅影响水质，引起水体的富营养化，对浮游植物的生长繁殖造成很大影响^[1]，同时也会产生一定程度的生态毒性作用。目前，全球约75%以上封闭型水体存在富营养化问题^[2]，研究水体营养盐污染及防治措施具有重要的现实意义。

1973 年，OECD在18个成员国之间建立了国际富营养化研究合作计划。经过40余年的努力，在营养元素控制因素、富营养化水质改善、政策控制措施三个方面取得了诸多成果^[3]。近年来，国外研究者通过建立一些数学模型，如WASP模型^[4]、AGNPS模型^[5]、WSAT模型^[6]以及SCS-CN模型^[7]，对营养盐的污染负荷进行估算，并对氮、磷等营养元素在全球尺度上的迁移和输出进行模拟和关联^{[8, 9, 10]}。我国所面临的水体富营养化威胁十分严重^{[11, 12]}，对131个主要湖泊的调查表明：氮、磷营养盐严重超标的湖泊有67个，占调查湖泊总数的51.2％^[13]。近20年来，国内学者对太湖、洞庭湖等主要湖泊的富营养化控制和生态恢复开展了大量的研究，并取得了许多成功的经验^{[14, 15]}。大量研究表明，长江、黄河等大尺度流域的营养盐含量也呈现出逐年上升的趋势^{[16, 17, 18]}。然而，我国对水体营养盐的研究存在的主要问题是：研究区域过于狭窄，主要集中在长江中下游地区；研究对象主要是湖体或河流入海口，对大流域整体营养盐污染的潜在影响和控制的研究还相对较少。因此，本研究在调查松花江流域营养盐污染情况的基础上，应用国内外文献的研究成果，结合综合污染指数法进行流域营养盐污染等级评价，以期为松花江流域水环境质量和生态系统保护提供科学的管理依据。 1 材料与方法 1.1 研究区概况

松花江是我国第三大河流，地处我国东北，在东经119°52′至132°31′、北纬41°42′至51°38′之间。流域东西向约920 km，南北向约1070 km，流域面积约为55.68万 km2，占东北地区总面积的44.9%，占全国总面积的5.8%。西部为大兴安岭与额尔古讷河（黑龙江的南源），北部以小兴安岭与黑龙江为界，东南部是张广才岭、老爷岭、完达山脉与乌苏里江、绥芬河、图们江和鸭绿江等流域，西南部是松花江和辽河的松辽分水岭，流域中部为松嫩平原，是流域内的主要农业区。 1.2 现场调查及采样

于2013年7月和2014年7月，对松花江流域的干流和支流进行了两次水生态系统现状调查。重点调查了122个点位的生态状况，其中松花江主干流及其支流共29个点位，嫩江干流及其支流共41个点位，第二松花江干流及其支流共24个点位，牡丹江干流及其支流共28个点位。具体的采样点位如图 1所示。

图 1 松花江流域采样点示意图 Figure 1 Sites of water sampling in Songhua River Basin

图选项

水样采集按 HJ/T 91—2002《地表水和污水监测技术规范》^[19]进行，水质营养盐指标测定按《水和废水监测分析方法》^[20]进行。 1.3 营养盐评价指标的选取

营养盐指标的选取要充分考虑水生态系统的完整性，从水质与生物两方面来进行研究^{[21, 22]}。营养盐常被用来表示水体受营养物质污染的程度，营养盐的状况对水生态可造成直接影响，尤其对水生态初级生产力而言尤为重要。松花江流域的地理位置决定了其水生态系统特征与国内其他流域有所不同，本研究根据松花江流域生态系统以及人为影响所产生的非点源污染的具体情况，综合各因子的污染分担率，选取总氮（TN）和总磷（TP）作为营养盐指标进行水质评价。此外，水体中的氨氮（NH₃-N）达到一定水平，可导致水生生物中毒甚至死亡，严重影响河流的生态平衡，是典型的生物毒性指标。因此，选取NH₃-N作为本研究的营养盐评价生物方面的指标。 1.4 评价方法

为使不同类别的指标具有可比性，实现流域营养盐状况的综合评价，需通过消除量纲的处理方式对不同指标进行标准化运算。按照国内外已有文献^{[23, 24, 25, 26]}的研究成果，依据下式进行标准化计算：

表 1 各指标标准化最小值与最大值 Table 1 Minimum and maximum values of standardized indicators of water quality

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对于松花江流域营养盐状况的评价，选取综合污染指数评价方法，通过对各营养盐指标的相对污染指数进行统计，得出代表营养盐污染的具体数值，用于确定污染程度和主要污染物，并对营养盐污染进行综合判断^[27]。在一般情况下综合污染指数评价方法的应用，是假设各参与评价因子对水质的贡献基本相同，采用各评价因子标准指数加和的算术平均值进行计算，同时反映多个水质参数与相应标准之间的综合对应关系^[28]。综合污染指数法的计算公式为：

值得注意的是，NH₃-N以游离氨或铵盐的形式存在于水中^{[29, 30]}，对水生态系统造成污染后，可使鱼类死亡或形成亚硝酸盐危害人类的健康，所以NH₃-N是评价水体污染和“自净”状况的重要指标，在评价过程中应予以特殊考虑。本研究规定：当NH₃-N的评价得分为0时，该采样点营养盐综合评价得分为0。

根据采样点各营养盐指标的数据计算出评价得分后，将其分为5个等级（表 2）。当某一营养盐指标的数值超过地表水Ⅳ类标准，或低于地表水Ⅰ类标准，即不在最大值与最小值的范围内时，根据公式计算出来的评价得分亦不在评价的范围内（0~1）。在这种情况下通过以下处理后进行评价：当评价得分大于1时按1计算；当其小于0时按0计算。

表 2 营养盐评价得分值对应等级 Table 2 Scores and corresponding grades of nutrient assessment

表选项

从营养盐指标的空间分布来看，松花江流域营养盐综合评价结果在空间上的分布具有一定的规律性（图 2）。整体的趋势为支流好于干流，上游强于下游。嫩江右岸大部分森林区和草原区的营养盐状况良好，基本都可以达到极好和好的水平，而其余大多数采样点都存在一定程度的营养盐污染情况，其中松花江干流、嫩江干流、牡丹江干流以及第二松花江流域的营养盐综合评价情况较差，水体富营养化的潜在风险很大。TN的评价得分除流域北源（嫩江上游）、嫩江右岸和南源（第二松花江上游）外，其他区域均处在较低的水平；NH₃-N的评价结果除牡丹江流域的乌斯浑河、镜泊湖上游以及嫩江右岸之外，其他样点均存在着不同程度的污染；TP的评价得分普遍较高，污染较重的地区主要集中在嫩江中游部分地区，之后会随着河流的自净能力逐渐好转。

图 2 松花江流域营养盐评价等级空间分布 Figure 2 Spatial distribution of nutrient assessment grades in Songhua River Basin

图选项

分析评价结果显示，在松花江流域内营养盐污染最显著的是TN污染，松嫩平原、松花江中下游地区由于农业中氮肥大量使用的影响而污染较重。经统计调查发现，松花江流域化肥施用量中氮肥最高，约占总化肥量的53.69%，磷肥占比为25.23%，复合肥占比21.07%^[31]。TP的空间分布呈现出比较令人满意的结果，大部分地区的TP浓度都维持在较好的水平，其整体的趋势为南部好于北部，下游好于上游。NH₃-N污染比较严重的地区主要集中在松嫩平原东部、第二松花江中上游以及牡丹江中游。可见营养盐的评价结果与流域内的土地利用状况和人口分布存在着一定的关系。

在流域尺度上，土地利用制约着流域内的环境变化及资源利用^[32]。尽管自然条件对土地利用有一定的影响，但是人类活动毋庸置疑是土地利用的主导控制因素^[33]。松花江流域的土地利用类型具有明显的空间特征，主要以耕地和林地为主（图 3）。将营养盐的评价结果对照土地利用图进行叠加，并结合现场调查情况，可以发现评价等级为极差和差的样点分布位置的主要土地利用类型为耕地，占比达87.69%，表明耕地的营养盐贡献量最高，农业非点源污染是流域内营养盐污染的主要形式，对于评价得分最低的TN更为明显（图 4）。此外，大城市人口密集，周围样点的评价结果明显偏低。而分布在林地与草地样点的评价结果普遍较好，极好与好等级的样点中，93.75%的样点分布于此。总之，营养盐评价的结果与流域内的土地利用类型具有密切的关系。

图 3 松花江流域营养盐评价与土地利用类型对照结果 Figure 3 Comparison of nutrient assessment and land use in Songhua River Basin

图选项

图 4 松花江流域总氮评价与耕地类型对照结果 Figure 4 Comparison of TN assessment and cultivated lands in Songhua River Basin

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松花江流域营养盐指标评价的调查样点分布于整个流域内，包括各子流域的上、中、下游共122个。因此可对样点进行空间分布差异性分析来判别评价方法的可行性。对各样点的不同指标得分（TN、TP、NH₃-N得分）进行方差分析（表 3），结果显示，F_指标=95.133，F_样点=2.497，显著水平均为0.000（P<0.05）。因此，松花江流域的TN、TP和NH₃-N的评价结果之间存在显著差异，不同样点营养盐指标之间的差异性也比较显著。可见不同营养盐指标采取同一方法进行评价、按同一标准划分等级，具有一定的可行性。

表 3 松花江流域各样点不同指标得分方差分析 Table 3 Analysis of variance for water quality scores of sampling sites in Songhua River Basin

表选项

根据采样数据及以上评价标准，运用综合污染指数法对松花江流域营养盐状况进行评价，计算出采样点各营养盐指标的评价得分以及评价等级所占比例（图 5）。评价结果显示，总体上松花江流域营养盐出现了一定程度的污染情况，超过50%的点位处于差和极差的等级，表明有一些营养物质通过各种途径排放到松花江流域内，存在一定的富营养化风险；另外，有26.2%的点位处于好和极好的等级，营养盐状况良好。从单个营养盐指标来看，TN评价得分偏低，极差等级的比例达到了51.6%，其中，营养盐评价得分为0（即相应营养盐的浓度超过地表水Ⅳ类标准）的点位达到46个。与国内其他大流域的同期数据相比，松花江流域NH₃-N的含量较高，水生生物毒性风险较大（表 4）。这两种含氮的营养物质主要与化工废水造成的点源污染以及氮肥使用造成的非点源污染密切相关，表明松花江流域内的工业废水与农业废水均存在着不合理的排放。相比而言，TP的评价呈现出较为满意的结果，超过65%的点位处于极好和好的水平上，说明生活污水对松花江营养盐污染的贡献率要小于工业和农业废水。

图 5 营养盐评价等级所占比例 Figure 5 Percentages of grades for nutrient assessment

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表 4 我国主要流域氨氮含量变化（mg·L^-1）Table 4 Changes of NH₃-N contents in major drainage basins of China（mg·L^-1）

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松花江流域四个主要的子流域营养盐评价结果如图 6所示。评价结果表明，嫩江流域的营养盐评价结果好于其他地区，其中TN、NH₃-N和营养盐综合得分明显高于其他流域。这是由于嫩江流域的上游为大兴安岭山地林区，具有典型山溪型河流的特点，右岸为茂密的森林和草原区，自然生态环境良好，受人类活动的影响相对较少。其他子流域的营养盐都存在不同程度的污染，其中营养盐综合评价得分处在差的水平上，富营养化的风险很大，随时会影响水生生物的种群结构^[34]。此外，松花江干流和第二松花江的中游都属于丘陵过渡带农业类型，并且是大型城市较为集中的区域，受此影响，这些地区的TN与NH₃-N的评价得分均处于较低的水平。

图 6 各子流域营养盐评价结果及各组分贡献率 Figure 6 Contribution of each component to nutrient assessment in each sub-catchment

图选项

（1）从营养盐的空间分布来看，松花江流域支流的评价结果总体好于干流。其中，嫩江干流、牡丹江干流、松嫩平原、三江平原和第二松花江流域的营养盐评价得分较低。各营养盐指标对生态风险影响程度从大到小顺序为TN>NH₃-N>TP。

（2）对营养盐的污染评价的结果表明，松花江流域中约53.28%的点位的营养盐处于差和极差的等级，污染情况较为严重，TN和NH₃-N的评价得分偏低。研究区域内主要子流域的营养盐污染程度排序为：松花江干流>第二松花江>牡丹江>嫩江，其中松花江干流与牡丹江的TN、第二松花江NH₃-N的评价得分均处于极差的水平。 （3）研究所选取的营养盐指标之间的差异性以及不同样点之间的差异性显著，表明评价体系具有一定的科学性和普适性，可推广到其他流域。 （4）营养盐指标评价结果与流域土地利用类型的拟合度较高，与实际调查情况相符。其中，耕地对营养盐污染的贡献最大，尤其是农业上氮肥过度使用产生的非点源污染对含氮营养盐的影响最为明显。而土地利用与营养盐指标之间的定量关系还需进一步的研究。