氣象因子對莆田東圳水庫水環境氮磷含量的影響研究

陳俊偉 蔣榮復

(1.福建省莆田市城廂區氣象局,福建 莆田 351100;2.福建省莆田市氣象局,福建 莆田 351100)

0 引言

東圳水庫位于莆田市城廂區常太鎮東圳尾村木蘭溪支流的延壽溪中游,涉及城廂區和仙游縣的部分鄉鎮,是莆田市唯一一座集灌溉、防洪、發電、航運、養殖、游覽等功能于一體的綜合性多功能大型水庫,同時也是莆田人民的“大水缸”和“生命線”工程,擔負著供給莆田市工農業用水和生活用水的任務。水源地水質、飲用水安全與人體健康息息相關,是社會關注的熱點。東圳水庫集水面積321.23 km2,總庫容4.35億m3,正常蓄水位80.5 m,正常水位狀態水庫面積17.8 km2,多年平均徑流量3.02億m3。庫區地貌以低丘陵和山間盆谷地為主,土壤以紅壤和赤紅壤為主,屬亞熱帶海洋性季風氣候,年平均氣溫20.7 ℃,年降水量1476.8 mm,月際變化較大,多集中于6—8月,易形成強降雨帶。庫區森林覆蓋率85.6%,以人工次生林為主,但郁閉度僅有0.3,地表植被單一,水土保持能力弱,易受雨水沖刷引發各種自然災害,影響水庫水質[1-3]。近年來,由于地下水日益枯竭,我國南方地區河流和湖泊嚴重退化,水質性缺水更加突出。遠離大城市的水庫逐漸成為重要的飲用水水源,水庫調水和蓄水對緩解城市供水矛盾起到至關重要的作用,并呈逐年增加的趨勢[4]。水庫生態系統與飲用水安全及經濟可持續發展有著密切聯系,尤其是擔負著城市飲用水主要來源的水庫,更需要監測、評估和研究。由水體富營養化帶來的水質惡化和藻類季節性爆發是目前亟待解決的問題。氮磷是水體富營養化的主要營養物質,相關研究表明[5-6],水土流失、底泥內源釋放、畜禽養殖業發展和大氣干濕沉降對水體中的氮磷水平具有重要影響,過量的氮磷會顯著影響自然生態系統的結構和功能,從而導致水體富營養化現象。

已有研究表明,強降雨對山區施肥后的地表上的氮磷有明顯的淋溶作用,形成的徑流帶入大量氮磷,對水庫氮、磷輸入有決定性影響[7-10]。目前,針對氣象因子對東圳水庫影響的研究較少,因此,本研究以氣象因子變化趨勢為線索,探究季節交替、降雨量、相對濕度、日照時長對水體中氮磷含量的影響,以期為東圳水庫的水質科學管理和飲用水安全保障提供理論依據和參考。

1 數據來源和研究方法

1.1 數據來源

觀測期采用的氣象數據來自莆田市氣象局;水環境監測數據來自莆田市環境監測站,每年監測12次,包括pH值、溶解氧、總氮、氨氮、總磷、COD、BOD5、高錳酸鹽指數等指標。

1.2 研究方法

本文重點研究觀測期間氣象因子(降雨量、相對濕度、日照時長)與總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)的關系,進行線性分析,判斷擬合優度,從而得出氣象因子與TN、NH3-N和TP的相關性程度。

2 結果與討論

2.1 觀測期間氣象因子的變化

如圖1所示,氣象因子觀測期從2019年3月至2021年2月,觀測期間研究區域年均降雨量為1210.8 mm,年均溫度為21.9 ℃,夏季高溫多雨,冬季溫和少雨,年均相對濕度為72.2%,全年相對濕度較高,月均日照時長為145 h。從降雨季節分布來看,春季、夏季、秋季和冬季的降雨量分別為469.1、510.0、108.9、122.6 mm,由于受到汛期和臺風影響,降雨主要集中在春季和夏季,兩季降雨量占全年總降雨量的80.9%。

圖1 2019年3月至2021年2月莆田東圳水庫降雨量、溫度、相對濕度與日照時長月分布

2.2 降雨量對水體中氮磷的影響

圖2為觀測期間降雨量與水體中TN、NH3-N和TP的濃度變化。如圖所示,觀測期間最大降雨量出現在2019年6月(306.1 mm),最小降雨量出現在 2019年11月(1.3 mm)。從季節分布上看,夏季降雨量最多(510.0 mm),占全年總降雨量的42.1%,秋季最少(108.9 mm)。在觀測期間,東圳水庫水體中TN最大濃度出現在2019年8月(1.1 mg·L-1),最小濃度出現在2021年2月(0.54 mg·L-1),NH3-N最大濃度出現在2020年12月(0.31 mg·L-1),最小濃度出現在2019年4月(0.03 mg·L-1);TN季平均濃度變化為夏季(0.95 mg·L-1)>春季(0.86 mg·L-1)>秋季(0.83 mg·L-1)>冬季(0.76 mg·L-1),NH3-N季平均濃度變化為秋季(0.14 mg·L-1)=冬季(0.14 mg·L-1)>夏季(0.12 mg·L-1)>春季(0.06 mg·L-1),TP濃度未發生明顯變化。

圖2 2019年3月至2021年2月莆田東圳水庫降雨量與水體中TN、NH3-N和TP的濃度變化

圖3為降雨量與水體中TN、NH3-N和TP濃度的相關性分析,結果表明,降雨量與東圳水庫水體中的TN濃度呈正相關(R2=0.16),與NH3-N濃度呈負相關(R2=0.11),與TP濃度沒有明顯的相關性。如在2019年夏季(2019年6—8月)和2020年夏季(2020年6—8月)降雨量分別為537.1 mm和483.0 mm,TN和NH3-N平均值為0.95 mg·L-1和0.12 mg·L-1,而TN均值(0.76 mg·L-1)較低時,觀測期間冬季降雨量分別僅有161.5 mm和83.7 mm,此時NH3-N均值達到0.14 mg·L-1。

圖3 降雨量與水體中TN、NH3-N和TP濃度的相關性

究其原因,一是庫區無序開墾山地建果園并大量施用化肥,從而引發水土流失,導致未被吸收的化肥進入水體污染水庫。相關資料表明[1-3],東圳水庫所在地的常太鎮果園面積達5500公頃,由于缺乏合理規劃和技術指導,在果園開墾過程中對天然植被造成毀滅性破壞,造成山地土質疏松,地表裸露,水土保持能力大幅度降低,在汛期(4—9月)暴雨沖刷下發生大面積水土流失,每年約有11～18 t的氮肥流失進入水庫水體;二是畜禽養殖的影響,附近的原住民大多散養豬、牛、雞、鴨,由于缺少規?；酿B殖管理,含有高濃度氮的畜禽排泄物幾乎未經處理便經徑流進入水庫,造成TN濃度不斷增加。這表明降雨對水體中氮磷水平的影響可分為兩方面,一方面,降雨會帶入大量的氮磷及污染物,增加水庫的氮磷水平;另一方面,持續且大量的降雨又會稀釋湖庫中的氮磷等物質濃度[11-14]。

與水體中TN濃度的變化規律相反的是,NH3-N的濃度與降雨量呈負相關。由于水庫周圍果園施用的化肥以硝態氮為主,淋溶作用不僅無法增加水庫中NH3-N的濃度,大量的降雨反而稀釋了NH3-N的濃度。在汛期結束降雨量減少時,水庫底泥中微生物的反硝化作用增強,導致TN濃度降低,NH3-N濃度上升[15]。此外,在觀測期間未發現降雨量與TP有明顯的相關性。

2.3 相對濕度對水體中氮、磷的影響

圖4為觀測期間相對濕度與水體中TN、NH3-N和TP的濃度變化。結果顯示,觀測期間最大相對濕度出現在2019年6月(88%),最小相對濕度出現在 2019年11月、2020年10月和2021年1月(60%)。從季節分布上看,春夏兩季相對濕度較高,秋冬兩季相對濕度較低。

圖4 2019年3月至2021年2月東圳水庫相對濕度與水體中TN、NH3-N和TP的濃度變化

相對濕度是反映空氣中水汽含量的一個物理量,由圖4可以看出,水體中TN濃度變化趨勢與相對濕度有大致相同。相關研究表明,相對濕度主要通過影響大氣中干濕沉降來影響水體中氮的濃度,當相對濕度在50%～90%時,大氣中氮的干濕沉降負荷量與相對濕度成反比。產生這一現象的原因可能是在相對濕度較大時,大氣中含氮顆粒污染物會附著在水汽中,從而降低顆粒污染物的干濕沉降速率[16]。已有研究表明,當相對濕度較高時,空氣中水汽較多,會使顆粒污染物附著并懸浮在空氣中,從而減少大氣中氮的干濕沉降負荷量[17]。因此,空氣中氮的干濕沉降負荷量與相對濕度呈負相關。此外,在觀測期間未發現相對濕度與TP有明顯的相關性。

2.4 日照對水體中氮、磷的影響

圖5為觀測期間日照時長與水體中TN、NH3-N和TP的濃度變化。結果顯示,觀測期間日照時長最長為夏季,月平均日照時長178.6 h,而春季相對較短,月平均日照時長118.6 h。其中,日照時長最長的月份出現在2020年7月(228 h),日照時長最短的月份出現在2020年12月(82.2 h)。王煒等[18]研究發現,千島湖的藍藻密度與水溫、pH、氮磷濃度顯著正相關。溫度、日照等氣象因子對東圳水庫浮游植物的生長、季節演替有重要影響,日照時長可以影響浮游植物的生命活動,也可通過熱量交換和輻射等方式改變水溫,從而影響水中浮游植物。當氮磷營養鹽水平適宜,日照充足時,有利于水中浮游植物的生長。由圖5可知,東圳水庫日照時長呈夏季較多、冬季較少的變化趨勢,因此,日照時長與東圳水庫水體中的TN濃度呈正相關,與NH3-N濃度呈負相關,未發現與TP濃度有明顯的相關性。但氮濃度受降雨量影響較為顯著,日照時長對其影響較小,這也與范志偉等[19]的研究結果相符。

圖5 2019年3月至2021年2月東圳水庫日照時長與水體中TN、NH3-N和TP的濃度變化

3 結論

①2019年3月至2021年2月期間,東圳水庫年平均降雨量為1210.8 mm,主要集中在春季和夏季,降雨量集中度較高;年平均相對濕度為72.2%,其中,春季和夏季相對濕度較高,說明當降雨量較多時,相對濕度也隨之升高;月平均日照時長為145 h,其中,夏季月平均日照時長最長,可達178.6 h。

②東圳水庫TN、NH3-N的濃度季節性變化較為明顯,其中,TN濃度變化表現為夏季(0.95 mg·L-1)>春季(0.86 mg·L-1)>秋季(0.83 mg·L-1)>冬季(0.76 mg·L-1),NH3-N濃度變化表現為秋季(0.14 mg·L-1)=冬季(0.14 mg·L-1)>夏季(0.12 mg·L-1)>春季(0.06 mg·L-1),TP濃度未發現明顯變化。強降雨會使水庫中TN的濃度升高,NH3-N的濃度降低。

③降雨量與TN濃度呈正相關(R2=0.16),降雨量越大,淋溶作用越明顯,形成的徑流將大量的氮帶入水庫,提高了水庫中的TN濃度;降雨量與NH3-N呈負相關(R2=0.11),流入水庫的大量徑流稀釋了NH3-N的濃度;未見降雨量與TP濃度有明顯關系。相對濕度主要通過影響大氣中干濕沉降來影響水體中NH3-N的濃度,當相對濕度在50%～90%時,空氣中NH3-N的干濕沉降負荷量與相對濕度呈負相關。降雨能為水庫帶來大量徑流,同時也能影響相對濕度。因此,降雨量是影響東圳水庫水體中TN、NH3-N濃度的主要氣象因子。