溫州市鰲江水系葉綠素a和氮、磷的分布特征與富營養化研究*

王嗣彤 程全國 雷 坤 王 艷 張志敏 孫明東 呂旭波

(1.沈陽大學環境學院,遼寧 沈陽 110044;2.中國環境科學研究院,北京 100012)

隨著社會經濟的快速發展,河流污染物排放源不斷增多,大量營養物質通過各種方式排入水體[1-2],使得水體中營養鹽含量迅速增加,甚至超過水體的自凈閾值,破壞了水生態系統的平衡[3],引起水體富營養化。水體富營養化導致水體結構和功能發生變化[4],甚至引發水華、赤潮等自然災害,成為阻礙地區可持續發展的因素之一[5-6]。

目前我國水域的富營養化較為嚴重,解決富營養化的根本途徑是控制外源污染物的輸入,河流輸入占營養鹽輸入的62%～89%[7]。因此,從流域尺度分析營養鹽的特征及其富營養化的機理,是水體富營養化防治的基礎[8]。富營養化受多種因素共同影響,其中氮磷營養鹽為最重要的參數,同時葉綠素(Chl-a)不僅能衡量水體中浮游植物的濃度,也是水體富營養化程度的重要指標[9-10]。Chl-a與氮、磷濃度的關系,對于認識水體富營養化的機理以及制定流域水環境管理對策具有重要意義[11-12]。

鰲江水系位于浙江省溫州市,自西向東匯入東海。東海是我國近海富營養化最嚴重的海域[13],作為東海的匯入河流,鰲江水系是東海水體富營養化的重要因素之一。鰲江水系的縣市是溫州市的經濟腹地,社會經濟發展迅速,工業化、城市化水平高,大量生活污水、工業廢水排入河道內,導致流域內水生態系統遭到破壞[14]。在此背景下,溫州市2017年頒布了《鰲江“一河一策”實施方案》,但目前鰲江水系的富營養化程度以及Chl-a與氮、磷之間的關系,尚缺乏深入研究。

因此,本研究分兩個水期采集了鰲江水系17個斷面的水樣,分析氮磷營養鹽濃度的時空異質性,Chl-a與水體營養鹽的關系以及鰲江水系潛在富營養化風險,以期為流域、海域富營養化防治提供科學依據。

1 研究區域概況與研究方法

1.1 研究區域概況

鰲江水系位于浙江省溫州市南部,位于東經120°4′～120°41′,北緯27°22′～27°46′,是浙江八大獨流入海河流之一,自文成縣桂山鄉向東最終注入東海。鰲江水系干流全長90 km,流域面積為1 580.4 km2,屬于中亞熱帶季風氣候,降雨主要集中在3—10月。流域內土地利用類型主要為林地、耕地、建設用地,分別占流域總面積的54.81%、36.06%、7.64%。

1.2 樣品的采集與測定

于2022年1月(枯水期)和2022年6月(豐水期),分別對鰲江水系進行2次采樣調查,共采集17個斷面的水樣。在支流匯入前,流經城區前后分別設置斷面。其中A4、A5、A6、A8、A12、A13、A16為支流采樣斷面,其余均為干流采樣斷面。斷面分布見表1。

表1 采樣斷面分布Table 1 Distribution of monitoring section

在河道中央用玻璃采樣器取水下0.5 m深水樣,采用高密度聚乙烯塑料采樣瓶取樣密封,放置于-20 ℃便攜式冰箱內保存,及時帶回實驗室用0.45 μm玻璃纖維膜過濾水樣,裝入采樣瓶內,并在一周內完成測試。同時在每個斷面采用HACH便攜式多參數水質分析儀現場監測水溫、溶解氧(DO)、pH、電導率(EC)等。

Chl-a：參照《水質 葉綠素a的測定 分光光度法》(HJ 897—2017)測定;總氮(TN)：參照《水質 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》(HJ636—2012)測定;氨氮：參照《水質 氨氮的測定 納氏試劑分光光度法》(HJ 535—2009)測定;硝酸鹽氮：參照《水質 硝酸鹽氮的測定 紫外分光光度法》(HJ/T 346—2007)測定;亞硝酸鹽氮：參照《水質 亞硝酸鹽氮的測定 分光光度法》(GB/T 7493—87)測定;總磷(TP)：參照《水質 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》(GB/T 11893—89)測定;溶解性總磷(DTP)和可溶性磷酸鹽(SRP)：采用0.45 μm濾膜過濾后的水樣,分別參照GB/T 11893—89以及《水質 磷酸的測定 離子色譜法》(HJ/T 669—2013)測定。溶解性無機氮(DIN)濃度為氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮濃度之和。

1.3 灰色關聯度分析

灰色關聯度分析(GRA)是一種多因素統計分析的方法。根據因素之間發展趨勢的相似相異程度,量化因素間關聯程度[15]。分析步驟如下：(1)確定母序列與子序列。本研究將Chl-a作為母序列,將TN、TP、DTP、SRP、DIN、氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮作為子序列。(2)將變量無量綱化。本研究采用均值法對變量無量綱化。(3)計算關聯系數。本研究分辨系數取0.5。(4)結合關聯系數計算關聯度。(5)對關聯度進行排序。

2 結 果

2.1 理化指標變化

鰲江水系各理化指標隨水期不同呈現不同的變化特點(見圖1)。水溫的變化會對水中營養鹽產生影響。水溫呈現明顯的季節變化趨勢。pH在時間、空間上差異相對較小。與pH相比,DO在時間和空間上差異相對較大,超過40%的斷面兩水期處于富氧(DO≥7.5 mg/L)的狀態?？菟贓C高于豐水期,主要是因為豐水期河流水量大,水體中的溶解性雜質含量低。

圖1 理化指標變化Fig.1 Variation of physical and chemical factors

2.2 Chl-a變化

Chl-a存在時空分布差異,如圖2所示,兩次采樣調查Chl-a在1.20～88.65 μg/L波動,均值為16.73 μg/L,其中豐水期的均值為23.87 μg/L,枯水期的均值為9.59 μg/L。在時間分布上,豐水期Chl-a濃度高于枯水期,主要是由于豐水期氣溫高,光照充足,水體微生物活性增強,河道內的環境適合藻類的生長。在空間分布上,呈現出沿河流流向呈波動變化趨勢,其中最高值出現在A4斷面(88.65 μg/L),其次為A8斷面(79.20 μg/L)。A4斷面、A8斷面受人為筑壩的影響,形成阻流作用,使得Chl-a濃度較其他斷面高。

圖2 Chl-a變化Fig.2 Variation of Chl-a

2.3 氮、磷變化

如圖3所示,TN、氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、TP、DTP、SRP分別為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個斷面、豐水期有3個斷面超過《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅲ類限值(0.2 mg/L);氨氮僅有1個斷面在枯水期超過GB 3838—2002的Ⅲ類限值(1.0 mg/L)。

圖3 氮、磷變化Fig.3 Variation of nitrogen and phosphorus

從不同采樣時期來看,枯水期污染物濃度大于豐水期,一方面是由于豐水期降水較枯水期豐沛,受稀釋作用影響,污染物濃度相對較低;另一方面是由于豐水期水體中浮游植物較多,受浮游植物的吸收分解影響,河道內污染物濃度低[16]?？臻g分布上來看,下游污染物濃度高于中上游污染物濃度,結合實地調研情況與土地利用類型可知,這一方面由于下游河道落差小、流速慢,水體自凈能力下降;另一方面是由于下游人口密集、經濟高度發展,工業企業、城鎮生活污水等人為污染源較多。

鰲江水系內各種營養鹽含量在空間分布上呈現相似性,但是不同的污染物存在細微的差別。其中硝酸鹽氮質量濃度較高,為0.12～2.70 mg/L,其平均濃度占TN平均濃度的36.16 %,是氨氮平均濃度的10.02倍,是亞硝酸鹽氮平均濃度的8.97倍。氮營養鹽在下游出現較高的含量,氨氮最高值出現在A6斷面,硝酸鹽氮最高值出現在A3斷面,亞硝酸鹽氮最高值出現在A5斷面,歸因于不同河段的污染源排放特征不同,同時微生物作用與氧化還原條件不同。

3 討 論

3.1 Chl-a含量與pH、DO、水溫、EC的相關性分析

鰲江水系Chl-a含量與水溫呈正相關,水溫通過影響浮游植物光合作用與呼吸代謝速率從而影響Chl-a含量[17]。水溫在某一范圍內升高對浮游植物的生長具有一定的促進作用。

浮游植物與水體pH也有一定關系,水體pH會影響浮游植物的種類、豐度等,堿性環境利于浮游植物的生長,浮游植物通過光合作用提高水體中pH水平[18]。相關性分析結果顯示Chl-a與pH正相關,一般浮游植物生長茂盛的地方pH也較高,因此鰲江水系pH是Chl-a的被動因子,不是浮游植物生長的限制因子。

DO是反應水污染狀態以及浮游植物生長狀況的重要指標,當水體中浮游植物增多時,浮游植物的光合作用會增加DO的含量,但浮游植物也會消耗水中的DO[19]。對鰲江水系的Chl-a與DO進行相關性分析發現,DO和Chl-a呈正相關,Chl-a越高,說明水體內浮游植物的數量越多,浮游植物釋放的氧就越多,使DO濃度增高,因此DO也是Chl-a的被動因子。

EC表示溶液傳導電流的能力,反映水中電解質的濃度,是水質評價的重要指標。EC 的大小會受到水溫、離子濃度等因素的影響。對鰲江水系的Chl-a與EC進行相關性分析發現,EC和Chl-a呈負相關;Chl-a升高,說明水體中浮游植物生長較為茂盛,會消耗了水體中部分離子導致EC降低。

3.2 Chl-a含量與營養鹽的相關性分析

鰲江水系枯水期、豐水期Chl-a與營養鹽的灰色關聯度結果見表2。鰲江水系枯水期Chl-a主要影響因子為TN,灰色關聯度為0.85,其次影響因子為DIN、氨氮;豐水期主要影響因子為氨氮,灰色關聯度為0.75,其次為DTP、SRP。

表2 Chl-a與營養鹽的灰色關聯度Table 2 Grey correlation degree between nutrient and Chl-a

3.3 鰲江水系TN/TP的變化

TN/TP(質量比)能判斷水體的營養限制因子[20],GUILDFORD等[21]提出的水中營養物限制性標準中,TN/TP<9.0為氮限制狀態;9.0≤TN/TP<22.6為氮、磷共同限制狀態;TN/TP≥22.6為磷限制狀態。如圖4所示,鰲江水系TN/TP為7.67～70.65,總體上處于磷限制狀態?？菟邛椊礣N/TP為7.81～29.98,最高值出現在A13斷面,最低值出現在A1斷面,由圖4可知枯水期只有1個斷面為氮限制,5個斷面為磷限制,其余11個斷面處于氮、磷共同限制狀態。豐水期TN/TP為7.67～70.65,最高值出現在A16斷面,最低值出現在A7斷面。由圖4可知豐水期2個斷面為氮限制,9個斷面為磷限制,其余6個斷面處于氮、磷共同限制狀態。鰲江水系在不同采樣期內水體的TN/TP存在一定的差異,但TN/TP總體上表現為豐水期高于枯水期,豐水期主要是磷限制狀態,枯水期主要是氮、磷共同限制狀態。因此鰲江水系枯水期對氮磷營養鹽都要關注,豐水期主要關注磷營養鹽。

圖4 TN/TP變化Fig.4 Variation of TN/TP

3.4 富營養化狀況分析

河流中氮磷營養鹽濃度會影響水體浮游植物的生物量從而影響Chl-a的濃度,因此可采用Chl-a來反映水體富營養化狀況。BULGAKOV等[22]的研究表明TP的富營養化閾值為0.02 mg/L,TN的富營養化閾值為0.20 mg/L,鰲江水系幾乎所有的采樣斷面TN、TP均超過富營養化的閾值。美國環境保護署(USEPA)則以Chl-a含量作為富營養化單因子評價標準,Chl-a<4 mg/m3為貧營養化,4 mg/m3≤Chl-a<10 mg/m3為中營養化,Chl-a≥10 mg/m3為富營養化;本研究據此對鰲江水系的富營養化狀況進行評價,由圖5可知,枯水期5個斷面為富營養化,占比29.4%;5個斷面為中營養化,占比29.4%;7個斷面為貧營養化,占比41.2%;豐水期4個斷面為貧營養化,占比23.5%;5個斷面為中營養化,占比29.4%;8個斷面為富營養化,占比47.1%。

圖5 富營養化狀況Fig.5 Nutrition status

整體上,枯水期鰲江水系主要處于貧營養化狀態,豐水期主要處于富營養化狀態;同時鰲江水系下游富營養化相對更為嚴重,上游水質情況較好。

4 結 語

(1) Chl-a、氮磷營養鹽濃度存在時空差異,營養鹽在時間上表現為枯水期濃度高于豐水期濃度;在空間上表現為從上游至下游污染物濃度逐漸升高;Chl-a濃度則是豐水期高于枯水期。

(2) 水溫是鰲江水系Chl-a的影響因子;氮磷營養鹽中Chl-a的主要影響因子：枯水期為TN、DIN、氨氮;豐水期為氨氮、DTP、SRP。

(3) 鰲江水系TN/TP為7.67～70.65,總體上處于磷限制狀態。豐水期TN/TP為7.67～70.65,表現為磷限制狀態;枯水期TN/TP為7.81～29.98,主要表現為氮、磷共同限制狀態。

(4) 鰲江水系豐水期富營養化較為嚴重,尤其是鰲江水系下游河段,應加大力度防治鰲江水系下游區域的污染,預防水質惡化。