九龍江經濟發展與水質關聯性

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1數據收集與分析方法

1．1數據收集

基于綜合研究思路，將資料收集和實際監測相結合，建立九龍江流域基礎數據庫，包括：流域主要涉及的8個縣(市、區)(龍巖市新羅區、漳平市、長泰縣、華安縣、平和縣、南靖縣、漳州市區和龍海市)1981__2o09年的社會經濟資料和1985-2009年的水環境數據。前者包括GDP、總人口、農作物播種面積、林果樹面積、畜禽出欄數、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)水質數據，主要是無機氮(硝態氮、亞硝態氮和氨氮之和，因1996-2000年無氨氮數據，筆者根據氨氮與無機氮的平均比例推算)、總氮(TN)和總磷(TP)含量(2002年起監測)。社會經濟數據來自各地統計年鑒，流量數據來自福建省水文水資源勘測局，省控斷面水質數據來自福建省環境監測中心站。為了在空問上進一步反映流域經濟對河流水質的影響，于2011年2月(枯水期)在九龍江北溪和西溪沿程設置29個站點進行表層水采樣，測定溶解態總氮(DTN)和溶解態總磷(DTP)含量H。

1．2分析方法

通過人口和經濟指標反映近29a來該流域的社會經濟發展狀況，重點分析種植業和養殖業的發展過程及結構性變化問題；基于長時間序列分析和多元回歸分析，探討流域社會經濟發展與水環境變化之間的演變規律；應用GIS圖示法分析流域氮磷污染負荷(同時反映經濟產業布局)與實測水質分布的空間對應關系；利用EKC法，以人均GDP為自變量，以TN和TP污染負荷作為環境指標(由于國家地表水環境質量標準進行了調整，九龍江省控斷面的監測項目、站位以及頻率前后不同，目前尚無法找到一組連續的、可比性和代表性好的水質指標)，對兩者關系進行定量分析，進一步討論流域經濟發展與河流水質的時空關聯性。各區域的TN和TP污染負荷根據排污系數和入河系數估算，污染負荷計算主要考慮與人為活動直接相關的生活污染、畜禽養殖污染和農田化肥流失3大污染源，以單位有效面積(耕地和城鎮用地等主要排污區域)的污染負荷進行縣域之問的比較，并與水質指標結合進行分析。生活污染排污系數參照文獻[15]取值，畜禽養殖排污系數采用原國家環境保護總局編制的排放系數¨，農田化肥流失依據文獻[17]推薦的方法進行計算。由于新羅區和漳平縣2009年的統計資料缺失，污染負荷的計算年份為1990-2008年。基本指標的趨勢分析年份為1981-2009年，部分2009年缺失值用2008年數據代替。利用Excel、SPSS、TREND和ArcGIS等軟件進行數據處理與分析。

2結果與討論

2．1九龍江流域社會經濟時空分

1981-2009年期問流域GDP呈持續增長趨勢，流域經濟呈現“第1產業緩增，第2、3產業產值增加較快”的總體格局。第1、2、3產業GDP比例從1985年的40：38：22調整為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業區，盡管第1產業(農業)GDP所占比例不大，但其涉及的土地面積廣，農業面源污染問題突出，控制難度大；第2產業主要分布在漳州市區和北溪流域的新羅區、漳平市；第3產業主要在漳州市區發展較快。流域總人口由1981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、漳州市區和龍巖新羅區人口較多，共占總人口的71％。2009年流域人均GDP達3．5萬元，其中龍巖新羅區和漳州市區人均GDP較高，約5．5萬元，平和縣最低，僅1．3萬元。

2．2農業經濟發展過程及模式變遷

2．2．1種植業

隨著農業經濟結構調整以及政策和市場的引導，20世紀80年代中期起大量林地被開荒，用于園林水果種植，農業種植面積呈現明顯增加趨勢(糧食作物播種面積變化不大)，但由于城市化占用農田和部分農田拋荒等原因，從1999年起農業種植面積持續減少()，并且逐步從原來的以糧食作物為主過渡到當前以經濟作物(非糧食作物)為主的農業種植結構()。西溪流域平和縣、南靖縣和龍海市的農業種植面積占流域農業種植總面積的59％。隨著種植業發展，氮、磷肥和復合肥的施用量大幅度增加。由于經濟類作物比例加大，肥料結構也發生明顯變化，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業區，以種植水果、蔬菜、花卉等經濟作物為主，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業生產階段，盲目施肥現象普遍，其結果是造成大量肥料流失，進而引起水體氮磷污染和富營養化問題。

2．2．2養殖業九龍江流域養殖業主要包括生豬和家禽養殖，近10a來畜禽養殖數量上升較快，但最近幾年有所控制。以生豬養殖()為例，全流域生豬出欄數從1981年的55萬頭增加到2009年的389萬頭，增加了6倍。養殖區域集中分布在北溪上游的新羅區(約占流域生豬出欄總數的40％)和漳州市區(約占流域生豬出欄總數的20％)。2000年以后，新羅區成為流域最主要的養殖區，且發展迅猛，養殖業成為經濟支柱產業，養殖密度高達人均3頭生豬。養殖方式包括集約化圈養和家庭散養2種，大多數規模化養豬場集中分布在市郊且靠近河流的地方(取水和交通方便)，多數糞污未經處理直接排放(規模化養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農業經濟發展與水質變化時空關聯分析

2．3．1農業經濟發展與水質變化的時間關聯分析1985-2009年，九龍江呈現明顯的富營養化趨勢。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，可能由于庫區對磷有較大的持留作用，故TP濃度較為穩定。北溪水質在2000年以后明顯惡化(富營養化)，西溪水質從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殖數量增加()和西溪流域化肥用量增加的轉折點有很好的對應關系。顯上升趨勢，而北11斷面處于江東庫區，可能由于庫區對磷有較大的持留作用，故TP濃度較為穩定。北溪水質在2000年以后明顯惡化(富營養化)，西溪水質從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殖數量增加()和西溪流域化肥用量增加的轉折點有很好的對應關系。(0．315)也表明西溪水質還受其他因素影響。總體而言，九龍江水質演變規律是流域社會經濟布局以及污染源排放強度和方式發生變化的綜合作用結果。

2．3．2流域經濟產業布局與河流水質的空間關聯分析

由生活污染、畜禽養殖污染和農田化肥流失引起的TN和TP污染負荷(人河量)存在明顯的區域差異，但與河流氮磷濃度的空間分布基本對應。污染負荷高的區域包括北溪上游的新羅區和漳平市以及西溪上游的平和縣和南靖縣，漳州市區也相對較高，華安縣最低。畜禽養殖已成為新羅區的最大污染源，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％。從河流水質看，DTN濃度較高的是北溪上游燕石溪段(新羅區)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生豬養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的。對比分析河流水質(DTN和DTP濃度)與各區域的經濟產業結構和污染源特征，很容易發現，流域經濟產業布局與河流水質的沿程變化有很強的空間關聯性。北溪上游新羅區河段污染嚴重，但在進入漳平市前有萬安溪支流匯人，得到了很好的稀釋，流經華安縣(污染負荷最低，且有多級水電站庫區)后水質明顯改善，到下游的長泰縣和漳州市東郊后水質再次惡化。需要說明的是，由于地表水中氮以溶解態為主，活性大，由上游至下游其濃度總體表現為累積上升，而以顆粒態為主的磷在遷移過程中容易在河道沉積，經過北溪干流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濃度年際變化規律不明顯的原因)。西溪流域地勢相對平緩，干流上電站庫區很少，磷濃度沿程保持在較高水平。北溪和西溪在經過人口密集的漳州市區后，DTN和DTP濃度均有明顯上升。總而言之，九龍江河流水質的空間分布基本反映出流域人口分布、產業布局和經濟發展對水環境的重大影響。

2．3．3環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，但尚未出現明顯拐點，且不能肯定是否已達到峰值，這將取決于后續經濟與環境發展態勢。由圖9可見，養殖污染突出的新羅區與以化肥流失污染為主的平和縣EKC曲線明顯不同。新羅區EKC曲線斜率高于流域EKC曲線，新羅區EKC曲線后續能否向下延伸主要取決于其養殖規模和污染能否得到有效控制。平和縣EKC曲線已在2000年出現拐點，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濟增長而得到緩解。在“十二五”規劃經濟總量增加以及新一輪海西經濟區建設的目標導向下，若流域污染得不到有效控制，極有可能形成“N”形EKC曲線，流域水環境可能會持續惡化。

3討論

1981-2009年，九龍江流域經濟存在明顯的結構性變化，各地區經濟差異明顯，河流富營養化程度加重，水質總體良好，但局部環境問題突出。特別是近十幾年來，北溪流域畜禽養殖數量急劇上升，多數畜禽養殖廢棄物得不到有效處置，周邊農田也無法消納，造成局部河段(如新羅區燕石溪)氮磷污染極其嚴重，水質長期超標。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。隨著流域經濟產業結構調整，河流營養鹽結構也在發生變化，進而影響水生生態系統。由于畜禽養殖(磷含量相對較高)污染排放，以經濟作物種植為主的農業種植結構使得肥料結構趨于使用更多的磷肥和復合肥，氮磷污染負荷比例持續下降。省控斷面監測數據表明，2006年起，九龍江北溪(北7斷面，匯水范圍是新羅區和漳平市)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年大規模水華事件首先發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前也出現氮磷濃度比值急劇降低的現象(據分析與春節期間集中沖洗豬圈造成河流磷濃度劇烈上升有關)，這也說明較低的氮磷濃度比值可能更容易導致擬多甲藻的異常繁殖。顯然，九龍江水化學(營養鹽供給結構)發生變化與流域氮磷污染負荷比值下降有直接關系，如不采取有效的污染治理和調控措施，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生風險(2009年后九龍江北溪流域又多次發生了不同程度的水華)。顯然，九龍江流域水環境問題與人為經濟活動和生產生活方式密切相關，流域營養鹽污染結構已悄然發生變化，并開始顯現環境生態效應(富營養化和水華)，其對河流生態系統結構和功能的影響目前尚無針對性的觀測和研究，但應引起關注。由于流域人口增加，畜禽養殖、化肥施用、工礦企業、梯級電站等眾多經濟開發活動，以及氣候變化的疊加影響，將使九龍江水環境和生態系統的變動趨于復雜化。目前的水環境監測項目、監測頻率和評價體系還無法滿足對水環境的動態監控和水質管理的要求。

4建議

氮磷是目前九龍江的主要水質污染指標，控制營養鹽污染是流域水環境綜合治理的重要任務。建議通過流域經濟和產業政策調整，基于環境容量和場址優化研究，科學規劃畜禽養殖規模和空間布局，加強合理用肥指導，引導生態化養殖和生態農業的發展，以有效減緩畜禽養殖污染和化肥流失。在污染控制方面，應區分氮磷污染負荷與來源構成的地區差異，確立“氮磷聯合控制，磷污染優先”的營養鹽管理策略。近期在北溪流域(新羅區和漳州市郊)應優先控制畜禽養殖污染，西溪流域(平和縣和南靖縣)應重點控制化肥流失污染；同時要加快流域各縣(市、區)人口密集城鎮(新羅區、漳州市和龍海市)的農村生活污水處理。重視營養鹽污染結構變動可能對水環境和水生態產生的影響，優化建設流域水環境生態動態監測和預警體系。以保護河流生態、保障飲用水安全為基本目標，進一步研究流域經濟、氮磷污染排放以及水質生態效應之間的相互作用關系，為流域綜合管理提供有力的科技支撐。