温州市鳌江水系叶绿素a和氮、磷的分布特征与富营养化研究*

王嗣彤 程全国 雷 坤 王 艳 张志敏 孙明东 吕旭波

(1.沈阳大学环境学院,辽宁 沈阳 110044;2.中国环境科学研究院,北京 100012)

随着社会经济的快速发展,河流污染物排放源不断增多,大量营养物质通过各种方式排入水体[1-2],使得水体中营养盐含量迅速增加,甚至超过水体的自净阈值,破坏了水生态系统的平衡[3],引起水体富营养化。水体富营养化导致水体结构和功能发生变化[4],甚至引发水华、赤潮等自然灾害,成为阻碍地区可持续发展的因素之一[5-6]。

目前我国水域的富营养化较为严重,解决富营养化的根本途径是控制外源污染物的输入,河流输入占营养盐输入的62%～89%[7]。因此,从流域尺度分析营养盐的特征及其富营养化的机理,是水体富营养化防治的基础[8]。富营养化受多种因素共同影响,其中氮磷营养盐为最重要的参数,同时叶绿素(Chl-a)不仅能衡量水体中浮游植物的浓度,也是水体富营养化程度的重要指标[9-10]。Chl-a与氮、磷浓度的关系,对于认识水体富营养化的机理以及制定流域水环境管理对策具有重要意义[11-12]。

鳌江水系位于浙江省温州市,自西向东汇入东海。东海是我国近海富营养化最严重的海域[13],作为东海的汇入河流,鳌江水系是东海水体富营养化的重要因素之一。鳌江水系的县市是温州市的经济腹地,社会经济发展迅速,工业化、城市化水平高,大量生活污水、工业废水排入河道内,导致流域内水生态系统遭到破坏[14]。在此背景下,温州市2017年颁布了《鳌江“一河一策”实施方案》,但目前鳌江水系的富营养化程度以及Chl-a与氮、磷之间的关系,尚缺乏深入研究。

因此,本研究分两个水期采集了鳌江水系17个断面的水样,分析氮磷营养盐浓度的时空异质性,Chl-a与水体营养盐的关系以及鳌江水系潜在富营养化风险,以期为流域、海域富营养化防治提供科学依据。

1 研究区域概况与研究方法

1.1 研究区域概况

鳌江水系位于浙江省温州市南部,位于东经120°4′～120°41′,北纬27°22′～27°46′,是浙江八大独流入海河流之一,自文成县桂山乡向东最终注入东海。鳌江水系干流全长90 km,流域面积为1 580.4 km2,属于中亚热带季风气候,降雨主要集中在3—10月。流域内土地利用类型主要为林地、耕地、建设用地,分别占流域总面积的54.81%、36.06%、7.64%。

1.2 样品的采集与测定

于2022年1月(枯水期)和2022年6月(丰水期),分别对鳌江水系进行2次采样调查,共采集17个断面的水样。在支流汇入前,流经城区前后分别设置断面。其中A4、A5、A6、A8、A12、A13、A16为支流采样断面,其余均为干流采样断面。断面分布见表1。

表1 采样断面分布Table 1 Distribution of monitoring section

在河道中央用玻璃采样器取水下0.5 m深水样,采用高密度聚乙烯塑料采样瓶取样密封,放置于-20 ℃便携式冰箱内保存,及时带回实验室用0.45 μm玻璃纤维膜过滤水样,装入采样瓶内,并在一周内完成测试。同时在每个断面采用HACH便携式多参数水质分析仪现场监测水温、溶解氧(DO)、pH、电导率(EC)等。

Chl-a：参照《水质 叶绿素a的测定 分光光度法》(HJ 897—2017)测定;总氮(TN)：参照《水质 总氮的测定 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》(HJ636—2012)测定;氨氮：参照《水质 氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法》(HJ 535—2009)测定;硝酸盐氮：参照《水质 硝酸盐氮的测定 紫外分光光度法》(HJ/T 346—2007)测定;亚硝酸盐氮：参照《水质 亚硝酸盐氮的测定 分光光度法》(GB/T 7493—87)测定;总磷(TP)：参照《水质 总磷的测定 钼酸铵分光光度法》(GB/T 11893—89)测定;溶解性总磷(DTP)和可溶性磷酸盐(SRP)：采用0.45 μm滤膜过滤后的水样,分别参照GB/T 11893—89以及《水质 磷酸的测定 离子色谱法》(HJ/T 669—2013)测定。溶解性无机氮(DIN)浓度为氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮浓度之和。

1.3 灰色关联度分析

灰色关联度分析(GRA)是一种多因素统计分析的方法。根据因素之间发展趋势的相似相异程度,量化因素间关联程度[15]。分析步骤如下：(1)确定母序列与子序列。本研究将Chl-a作为母序列,将TN、TP、DTP、SRP、DIN、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮作为子序列。(2)将变量无量纲化。本研究采用均值法对变量无量纲化。(3)计算关联系数。本研究分辨系数取0.5。(4)结合关联系数计算关联度。(5)对关联度进行排序。

2 结 果

2.1 理化指标变化

鳌江水系各理化指标随水期不同呈现不同的变化特点(见图1)。水温的变化会对水中营养盐产生影响。水温呈现明显的季节变化趋势。pH在时间、空间上差异相对较小。与pH相比,DO在时间和空间上差异相对较大,超过40%的断面两水期处于富氧(DO≥7.5 mg/L)的状态。枯水期EC高于丰水期,主要是因为丰水期河流水量大,水体中的溶解性杂质含量低。

图1 理化指标变化Fig.1 Variation of physical and chemical factors

2.2 Chl-a变化

Chl-a存在时空分布差异,如图2所示,两次采样调查Chl-a在1.20～88.65 μg/L波动,均值为16.73 μg/L,其中丰水期的均值为23.87 μg/L,枯水期的均值为9.59 μg/L。在时间分布上,丰水期Chl-a浓度高于枯水期,主要是由于丰水期气温高,光照充足,水体微生物活性增强,河道内的环境适合藻类的生长。在空间分布上,呈现出沿河流流向呈波动变化趋势,其中最高值出现在A4断面(88.65 μg/L),其次为A8断面(79.20 μg/L)。A4断面、A8断面受人为筑坝的影响,形成阻流作用,使得Chl-a浓度较其他断面高。

图2 Chl-a变化Fig.2 Variation of Chl-a

2.3 氮、磷变化

如图3所示,TN、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、TP、DTP、SRP分别为0.79～8.66、<0.01～1.20、0.12～2.70、<0.01～0.90、0.01～0.84、0.01～0.45、<0.01～0.27 mg/L。其中TP在枯水期有9个断面、丰水期有3个断面超过《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅲ类限值(0.2 mg/L);氨氮仅有1个断面在枯水期超过GB 3838—2002的Ⅲ类限值(1.0 mg/L)。

图3 氮、磷变化Fig.3 Variation of nitrogen and phosphorus

从不同采样时期来看,枯水期污染物浓度大于丰水期,一方面是由于丰水期降水较枯水期丰沛,受稀释作用影响,污染物浓度相对较低;另一方面是由于丰水期水体中浮游植物较多,受浮游植物的吸收分解影响,河道内污染物浓度低[16]。空间分布上来看,下游污染物浓度高于中上游污染物浓度,结合实地调研情况与土地利用类型可知,这一方面由于下游河道落差小、流速慢,水体自净能力下降;另一方面是由于下游人口密集、经济高度发展,工业企业、城镇生活污水等人为污染源较多。

鳌江水系内各种营养盐含量在空间分布上呈现相似性,但是不同的污染物存在细微的差别。其中硝酸盐氮质量浓度较高,为0.12～2.70 mg/L,其平均浓度占TN平均浓度的36.16 %,是氨氮平均浓度的10.02倍,是亚硝酸盐氮平均浓度的8.97倍。氮营养盐在下游出现较高的含量,氨氮最高值出现在A6断面,硝酸盐氮最高值出现在A3断面,亚硝酸盐氮最高值出现在A5断面,归因于不同河段的污染源排放特征不同,同时微生物作用与氧化还原条件不同。

3 讨 论

3.1 Chl-a含量与pH、DO、水温、EC的相关性分析

鳌江水系Chl-a含量与水温呈正相关,水温通过影响浮游植物光合作用与呼吸代谢速率从而影响Chl-a含量[17]。水温在某一范围内升高对浮游植物的生长具有一定的促进作用。

浮游植物与水体pH也有一定关系,水体pH会影响浮游植物的种类、丰度等,碱性环境利于浮游植物的生长,浮游植物通过光合作用提高水体中pH水平[18]。相关性分析结果显示Chl-a与pH正相关,一般浮游植物生长茂盛的地方pH也较高,因此鳌江水系pH是Chl-a的被动因子,不是浮游植物生长的限制因子。

DO是反应水污染状态以及浮游植物生长状况的重要指标,当水体中浮游植物增多时,浮游植物的光合作用会增加DO的含量,但浮游植物也会消耗水中的DO[19]。对鳌江水系的Chl-a与DO进行相关性分析发现,DO和Chl-a呈正相关,Chl-a越高,说明水体内浮游植物的数量越多,浮游植物释放的氧就越多,使DO浓度增高,因此DO也是Chl-a的被动因子。

EC表示溶液传导电流的能力,反映水中电解质的浓度,是水质评价的重要指标。EC 的大小会受到水温、离子浓度等因素的影响。对鳌江水系的Chl-a与EC进行相关性分析发现,EC和Chl-a呈负相关;Chl-a升高,说明水体中浮游植物生长较为茂盛,会消耗了水体中部分离子导致EC降低。

3.2 Chl-a含量与营养盐的相关性分析

鳌江水系枯水期、丰水期Chl-a与营养盐的灰色关联度结果见表2。鳌江水系枯水期Chl-a主要影响因子为TN,灰色关联度为0.85,其次影响因子为DIN、氨氮;丰水期主要影响因子为氨氮,灰色关联度为0.75,其次为DTP、SRP。

表2 Chl-a与营养盐的灰色关联度Table 2 Grey correlation degree between nutrient and Chl-a

3.3 鳌江水系TN/TP的变化

TN/TP(质量比)能判断水体的营养限制因子[20],GUILDFORD等[21]提出的水中营养物限制性标准中,TN/TP<9.0为氮限制状态;9.0≤TN/TP<22.6为氮、磷共同限制状态;TN/TP≥22.6为磷限制状态。如图4所示,鳌江水系TN/TP为7.67～70.65,总体上处于磷限制状态。枯水期鳌江水系TN/TP为7.81～29.98,最高值出现在A13断面,最低值出现在A1断面,由图4可知枯水期只有1个断面为氮限制,5个断面为磷限制,其余11个断面处于氮、磷共同限制状态。丰水期TN/TP为7.67～70.65,最高值出现在A16断面,最低值出现在A7断面。由图4可知丰水期2个断面为氮限制,9个断面为磷限制,其余6个断面处于氮、磷共同限制状态。鳌江水系在不同采样期内水体的TN/TP存在一定的差异,但TN/TP总体上表现为丰水期高于枯水期,丰水期主要是磷限制状态,枯水期主要是氮、磷共同限制状态。因此鳌江水系枯水期对氮磷营养盐都要关注,丰水期主要关注磷营养盐。

图4 TN/TP变化Fig.4 Variation of TN/TP

3.4 富营养化状况分析

河流中氮磷营养盐浓度会影响水体浮游植物的生物量从而影响Chl-a的浓度,因此可采用Chl-a来反映水体富营养化状况。BULGAKOV等[22]的研究表明TP的富营养化阈值为0.02 mg/L,TN的富营养化阈值为0.20 mg/L,鳌江水系几乎所有的采样断面TN、TP均超过富营养化的阈值。美国环境保护署(USEPA)则以Chl-a含量作为富营养化单因子评价标准,Chl-a<4 mg/m3为贫营养化,4 mg/m3≤Chl-a<10 mg/m3为中营养化,Chl-a≥10 mg/m3为富营养化;本研究据此对鳌江水系的富营养化状况进行评价,由图5可知,枯水期5个断面为富营养化,占比29.4%;5个断面为中营养化,占比29.4%;7个断面为贫营养化,占比41.2%;丰水期4个断面为贫营养化,占比23.5%;5个断面为中营养化,占比29.4%;8个断面为富营养化,占比47.1%。

图5 富营养化状况Fig.5 Nutrition status

整体上,枯水期鳌江水系主要处于贫营养化状态,丰水期主要处于富营养化状态;同时鳌江水系下游富营养化相对更为严重,上游水质情况较好。

4 结 语

(1) Chl-a、氮磷营养盐浓度存在时空差异,营养盐在时间上表现为枯水期浓度高于丰水期浓度;在空间上表现为从上游至下游污染物浓度逐渐升高;Chl-a浓度则是丰水期高于枯水期。

(2) 水温是鳌江水系Chl-a的影响因子;氮磷营养盐中Chl-a的主要影响因子：枯水期为TN、DIN、氨氮;丰水期为氨氮、DTP、SRP。

(3) 鳌江水系TN/TP为7.67～70.65,总体上处于磷限制状态。丰水期TN/TP为7.67～70.65,表现为磷限制状态;枯水期TN/TP为7.81～29.98,主要表现为氮、磷共同限制状态。

(4) 鳌江水系丰水期富营养化较为严重,尤其是鳌江水系下游河段,应加大力度防治鳌江水系下游区域的污染,预防水质恶化。