龍江河水體中氮磷水質(zhì)風(fēng)險評價

趙學(xué)敏,馬千里,姚玲愛,胡 芳,羅庚釗,許振成,虢清偉,王振興,曾 東 (環(huán)境保護部華南環(huán)境科學(xué)研究所,廣東 廣州 510655)

人類活動增加導(dǎo)致流域不合理開發(fā)、化肥過量使用等問題加劇,流域氮、磷負荷增加已成為局部和全球范圍內(nèi)重要的環(huán)境問題.水體中氮、磷營養(yǎng)鹽濃度升高會使水體富營養(yǎng)化風(fēng)險大大增加,對區(qū)域水生態(tài)的健康與穩(wěn)定構(gòu)成威脅[1-3].近年來,我國河流氮、磷營養(yǎng)鹽含量有升高的趨勢[4],氮磷的大量輸入在一定程度上改變了水體營養(yǎng)及生物群落結(jié)構(gòu)[5-6].在溫度、光照、水體流速等條件適宜時,河流中氮、磷營養(yǎng)鹽濃度升高常導(dǎo)致水華發(fā)生[7-9],影響水生態(tài)環(huán)境安全.

龍江河發(fā)源于貴州省三都縣甘務(wù)村,全長358km,其中在廣西壯族自治區(qū)河池市境內(nèi)長222km,流域面積約 1.2萬 km2,干流上共建有 11個梯級水電站.龍江河是柳江的最大支流,柳州市生產(chǎn)、生活用水的90%以上取自于柳江.因此,龍江河水質(zhì)狀況直接影響兩岸及其下游柳州市供水安全.近年來,隨著流域內(nèi)經(jīng)濟快速發(fā)展,龍江河水環(huán)境質(zhì)量呈下降趨勢.目前關(guān)于龍江河水環(huán)境的研究主要集中在氨氮、重金屬污染[10-12]等方面,而關(guān)于流域水環(huán)境氮磷污染特征尚未見報道.本研究對龍江河氮磷濃度時空變化特征進行分析,評價龍江河富營養(yǎng)化狀況及氮磷水質(zhì)風(fēng)險,對探討龍江河庫水環(huán)境狀況的變化趨勢,防范氮磷水質(zhì)風(fēng)險,保障飲用水安全具有重要意義.

1 材料與方法

1.1 采樣點設(shè)置

2012年2月、3月、7月和12月在龍江河流域布設(shè)12個代表性采樣點,其中龍江河11個采樣點,融江與龍江河交匯口上游1個采樣點,如圖1所示.

圖1 龍江河采樣點位Fig.1 Study area and Sampling sites of Longjiang River

1.2 樣品采集與分析

用采水器采集的河流表層水存放在聚乙烯瓶中,24h內(nèi)置于 4℃冰箱保存.采樣前現(xiàn)場測定溶解氧(DO)、pH值、電導(dǎo)率(cond.)、水溫(T)、透明度(SD).實驗室內(nèi)分析總氮(TN)、氨氮(NH4-N)、硝氮(NO3-N)、總磷(TP)、溶解性正磷酸鹽(PO4-P)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、葉綠素a(Chla).具體分析方法參見文獻[13].

1.3 富營養(yǎng)化評價方法

選取水體葉綠素a(Chla)、總磷(TP)、總氮(TN)、透明度(SD)和高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)為評價指標,計算綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI(∑).當TLI(∑)值介于030之間時,為貧營養(yǎng)狀態(tài);當TLI(∑)值介于 3050之間時,為中營養(yǎng)狀態(tài);當 TLI(∑)值介于5060之間時,為輕度富營養(yǎng)化狀態(tài);當 TLI(∑)值介于6070之間時,為中度富營養(yǎng)化狀態(tài);當TLI(∑)值大于70時,為重度富營養(yǎng)化狀態(tài).

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用 SPSS 17.0統(tǒng)計軟件進行方差分析,用Origin 8.0完成數(shù)據(jù)計算、分析與制圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 龍江河氮元素時空分布特征

圖2 龍江河各點位氮元素濃度分布Fig.2 Variation of nitrogen concentration in Longjiang River

據(jù)分析檢測結(jié)果,在豐水期,龍江河 TN、NO3-N和NH4-N濃度平均值分別為1.84,1.32,0.15mg/L,枯水期的平均值分別為 1.73,1.38,0.15mg/L(圖2).龍江河所有點位TN濃度均超過國家地表水環(huán)境質(zhì)量標準(GB3838-2002)[14]中的Ⅲ類水標準.從時間分布上看,TN濃度豐水期高于枯水期,NO3-N濃度枯水期高于豐水期,NH4-N濃度豐水期和枯水期相近.但豐水期與枯水期的TN、NO3-N和NH4-N濃度差異不顯著(P＞0.05).從空間分布上看,龍江河上游肯足電站豐水期和枯水期 TN分別為 1.59和 1.25mg/L,NO3-N濃度分別為0.98和1.08mg/L,NH4-N濃度分別為0.11和0.03 mg/L.龍江河下游糯米灘電站豐水期和枯水期的TN和NO3-N濃度均最高,此點位豐水期的TN和NO3-N濃度分別為3.15和2.14mg/L,枯水期的TN和NO3-N濃度分別為2.26和1.70mg/L.NH4-N濃度最高值為大環(huán)江交匯口,豐水期濃度為0.42mg/L,是上游肯足電站同時期濃度值的 4倍;枯水期 NH4-N濃度為0.70mg/L,是肯足電站同時期濃度值的 23倍.龍江河豐水期與枯水期 NO3-N/TN平均值分別為0.68和0.84,豐水期與枯水期NH4-N/TN平均值分別為0.08和0.09(圖3).NO3-N是龍江河氮元素的主要存在形式,且枯水期NO3-N/TN高于豐水期.

圖3 龍江河硝氮、氨氮占總氮比例Fig.3 Ratio of NO3-N and NH4-N to TN in Longjiang River

2.2 龍江河磷元素時空分布特征

龍江河TP和PO4-P濃度枯水期顯著高于豐水期(p＜0.05)(圖 4),枯水期 TP 濃度為 0.04～0.12mg/L,PO4-P 濃度為 0.02～0.06mg/L;豐水期TP濃度為 0.03～0.07mg/L,PO4-P濃度為 0.01～0.06mg/L.其中大環(huán)江交匯口 TP濃度最高,豐水期為 0.07mg/L,枯水期為 0.12mg/L.龍江河各點位豐水期PO4-P/TP值在0.25～0.83之間,枯水期PO4-P/TP值在0.35～0.81之間(圖5).龍江河從上游至下游,枯水期和豐水期 PO4-P/TP值均呈升高趨勢,且龍江河大部分點位的 PO4-P/TP值枯水期高于豐水期.

圖4 龍江河各點位磷元素濃度分布Fig.4 Variation of phosphorus concentration in Longjiang River

圖5 龍江河正磷酸鹽占總磷比例Fig.5 Ratio of PO4-P to TP in Longjiang River

2.3 龍江河氮磷營養(yǎng)鹽比例關(guān)系

N/P值對于水體藻類水華水生態(tài)風(fēng)險的發(fā)生具有重要意義,Redfield提出的N/P比值16:1反映了藻類細胞生長時所需的 N/P原子比,代表著藻類快速生長對元素的需求比例[16],也有研究認為,淡水中 N/P＜7為氮限制,N/P＞7則為磷限制

[1,15].豐水期龍江河N/P值范圍為29.6～68.6,平均值為46.8;枯水期N/P值范圍為14.6～48.3,平均值為36.1;豐水期N/P值高于枯水期(圖6).無論是用哪種標準進行評價,龍江河 N/P比例關(guān)系均為磷限制.

圖6 龍江河各點位氮磷比變化Fig.6 N/P variation of different sampling points on Longjiang River

圖7 龍江河各點位TLI(∑)值Fig.7 TLI(∑)of different sampling points on Longjiang River

2.4 龍江河水體富營養(yǎng)化評價

根據(jù)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù) TLI(∑)的大小,對龍江河水體進行富營養(yǎng)化狀態(tài)評價.從圖7可知,龍江河各樣點的 TLI(∑)豐水期高于枯水期.龍江河上游肯足電站豐水期和枯水期TLI(∑)均小于30,為貧營養(yǎng)狀態(tài),其他樣點基本上處于中營養(yǎng)狀態(tài),拉浪電站豐水期 TLI(∑)最高,為 44.27.融江與龍江河交匯口豐水期為綜合營養(yǎng)指數(shù)為 30.44,處于中營養(yǎng)狀態(tài),枯水期為 24.57,低于龍江上游點位肯足電站,屬貧營養(yǎng)狀態(tài).

3 討論

3.1 龍江河氮、磷濃度變化特征及影響因素分析

龍江河氮污染嚴重,枯水期和豐水期 TN濃度均高于國家地表水Ⅲ類標準,龍江河水體中各形態(tài)的氮含量高于融江、香溪河[17]、小江[17]和龍?zhí)逗18],但低于珠江下游廣州段[19]、童莊河[20]和九龍江[7](表1).龍江河TN濃度豐水期高于枯水期,NO3-N/TN值高于NH4-N/TN值,NO3-N是龍江河氮元素的主要存在形式.龍江河屬于山區(qū)河流,農(nóng)業(yè)耕作為流域主要的人類活動,氮主要來自于非點源污染,以上結(jié)果與珠江三角洲河流及中小型水庫氮污染來源相似[21].研究表明,豐水期水體中氮含量高于枯水期可能與洪水期農(nóng)田水土流失引起的氮非點源補給有關(guān)[4],NO3-N/TN高于NH4-N/TN表明河流主要受農(nóng)業(yè)非點源污染的影響[22].河流氮濃度變化的影響因素很多,除了農(nóng)田非點源,還受沿岸點源污染排放、底泥內(nèi)源釋放、水生生物作用等因素影響.在龍江河流域中,大環(huán)江交匯口 NH4-N 濃度較高,就與大環(huán)江流經(jīng)河池市城區(qū),沿途接納了大量的生活污水有關(guān).

龍江河 TP和 PO4-P濃度豐水期分別為0.043和 0.022mg/L,枯水期分別為 0.072和0.041mg/L,豐水期TP和PO4-P濃度低于枯水期(表 1).這與豐水期徑流量大,河流自凈能力強,上游來水對龍江河含磷污染物有明顯的稀釋作用有關(guān).與20世紀80年代珠江TN、TP和PO4-P濃度相比,分別為0.684、0.070和0.0037mg/L[23],龍江河TN含量較高,TP和PO4-P濃度豐水期較低,而枯水期 TP和 PO4-P濃度值與 20世紀80年代較為接近.由此可見,龍江河與其干流珠江

[23-24]一致,也是一條富氮貧磷的河流.

3.2 龍江河發(fā)生水華的風(fēng)險分析

河流水華發(fā)生的主要影響因素包括水體中須含有豐富的氮磷營養(yǎng)、緩慢的水文水動力以及適宜的氣象條件.河流水體中氮、磷含量達到一定水平后,河流水文條件的差異將是影響水華發(fā)生的重要因素,在水庫水位波動較小,流速變緩條件下更易發(fā)生水華[20].河流上梯級電站的建設(shè)導(dǎo)致水動力條件改變,進而影響水體營養(yǎng)物質(zhì)組成與循環(huán),是造成河流富營養(yǎng)化與藻類水華發(fā)生的重要原因[6].龍江河流域目前共建有 11處梯級電站,電站建設(shè)導(dǎo)致部分水體從河流型向湖泊型改變,大壩攔截造成了局部河段流速減緩,水動力條件的改變可導(dǎo)致營養(yǎng)鹽累積和甲藻的快速增殖[18].根據(jù) TLI(∑)指數(shù),龍江河已處于中營養(yǎng)水平,龍江河的氮、磷濃度與曾經(jīng)發(fā)生過水華的香溪河[17]、小江[17]、九龍江[7]、龍?zhí)逗18]等水體較為接近,表明龍江河已具備藻類大量繁殖的營養(yǎng)基礎(chǔ).龍江河 N/P值較高,磷是水體中浮游藻類大量生長的限制性因子,在流域內(nèi)減少磷元素的排放可能是降低藻類水華風(fēng)險的關(guān)鍵.但在枯水期,龍江河流域 TP和PO4-P均比豐水期有所升高(圖 4),這為藻類大量增殖提供了更加充足的營養(yǎng).同時,枯水期是龍江河各個電站蓄水,水體流動性變差之際,使得該時期成為水華風(fēng)險發(fā)生的敏感階段,應(yīng)值得關(guān)注龍江河枯水期的水環(huán)境變化情況.

表1 龍江河氮、磷平均濃度(mg/L)Table 1 Average concentrations of nitrogen and phosphorus in Longjiang river (mg/L)

4 結(jié)論

4.1 龍江河流域 TN濃度豐水期高于枯水期,NO3-N、NH4-N、TP和PO4-P濃度枯水期高于豐水期.豐水期 TN 濃度為 1.73mg/L,枯水期為1.84mg/L,均超過地表水Ⅲ類水標準,NO3-N為氮元素的主要存在形式,豐水期 TP濃度為0.043mg/L,枯水期為0.072mg/L,龍江河屬于一條富氮貧磷的河流.

4.2 在空間分布上,龍江河上游肯足電站TN濃度也較高,豐水期和枯水期分別為 1.59和1.25mg/L;龍江河下游糯米灘電站 TN最高,豐水期和枯水期分別為3.15和2.26mg/L;龍江河整個流域氮污染嚴重.

4.3 龍江河N/P值豐水期為46.8,枯水期為36.1,水體屬于磷限制狀態(tài),根據(jù)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI(∑),豐水期和枯水期龍江河上游肯足電站為貧營養(yǎng)狀態(tài),中下游基本均處于中營養(yǎng)狀態(tài),枯水期龍江河水華風(fēng)險較高.

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