遼河流域太子河流域N、P和葉綠素a濃度空間分布及富營養(yǎng)化*

王 瓊,盧 聰,范志平,李法云

(1：遼寧石油化工大學(xué)生態(tài)環(huán)境研究院，撫順 113001)(2：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，長沙 410128)

遼河流域太子河流域N、P和葉綠素a濃度空間分布及富營養(yǎng)化*

王 瓊1,2,盧 聰1,范志平1**,李法云1

(1：遼寧石油化工大學(xué)生態(tài)環(huán)境研究院，撫順 113001)(2：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，長沙 410128)

通過對太子河流域46個(gè)采樣點(diǎn)溶解性無機(jī)氮、溶解性無機(jī)磷、總氮、總磷、電導(dǎo)率、pH、溶解氧和葉綠素a濃度及相關(guān)環(huán)境因子的測定，分析氮、磷濃度與葉綠素a濃度的空間分布特征，利用回歸分析判別氮、磷與葉綠素a濃度的相關(guān)性，冗余分析判別河流水質(zhì)與環(huán)境因子的關(guān)系，并初步評價(jià)太子河流域水體富營養(yǎng)化狀況. 結(jié)果表明：太子河流域氮、磷濃度具有明顯的空間異質(zhì)性，表現(xiàn)為上游濃度較低且變化較平穩(wěn)，遼陽段濃度逐漸上升且波動(dòng)增大，鞍山段濃度最高.冗余分析顯示氮、磷濃度的空間分布特征與土地利用方式、海拔、河岸緩沖帶寬度、植被多樣性密切相關(guān). 葉綠素a濃度與氨氮、硝態(tài)氮、溶解性無機(jī)氮、溶解性無機(jī)磷、總氮、總磷和電導(dǎo)率呈顯著正相關(guān)，說明營養(yǎng)鹽的增多在一定程度上會促進(jìn)浮游藻類的增長. 太子河流域水體富營養(yǎng)化評價(jià)綜合指數(shù)顯示，太子河流域“中”營養(yǎng)狀態(tài)點(diǎn)位有27個(gè),占58.7%，“富”營養(yǎng)狀態(tài)點(diǎn)位有19個(gè),占41.3%，沒有“貧”、“重富”和“極富”營養(yǎng)狀態(tài).

遼河流域;太子河流域;氮；磷; 葉綠素a; 富營養(yǎng)化;空間分布

流域是一個(gè)相對封閉、有著清晰邊界的系統(tǒng)，同時(shí)又與外界保持著物質(zhì)、能量和信息交換[1]. 隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類活動(dòng)強(qiáng)烈地改變了流域水體中可溶性營養(yǎng)鹽濃度[2]，從而破壞了水生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)平衡，尤其是河流向湖泊及海洋的營養(yǎng)鹽輸入常常發(fā)生局域性積累而造成水體富營養(yǎng)化，引起浮游植物大量生長，導(dǎo)致水質(zhì)惡化等一系列環(huán)境問題[3-5]. 解決富營養(yǎng)化問題的根本途徑是削減外源污染輸入，而河流輸入占營養(yǎng)鹽輸入的62%～89%[6]. 因此，從流域尺度上分析營養(yǎng)鹽分布特征，揭示流域污染物輸出負(fù)荷，及其與富營養(yǎng)化的機(jī)理聯(lián)系，是水體富營養(yǎng)化防控的科學(xué)基礎(chǔ). 然而，目前作為湖泊、海域主要營養(yǎng)鹽來源的河流，其富營養(yǎng)化程度常常被忽略. 我國現(xiàn)行的富營養(yǎng)化評價(jià)也主要是針對湖泊、海域水環(huán)境[7-9]，對于河流往往停留在水質(zhì)是否達(dá)標(biāo)和水體是否污染上[5,10]，河流富營養(yǎng)化及其主控因子對富營養(yǎng)化的協(xié)同和抑制作用還欠缺深入的認(rèn)識和研究[11]. 富營養(yǎng)化現(xiàn)象受多種環(huán)境因子影響，其中最為重要的2個(gè)參數(shù)即是溶解性無機(jī)氮、溶解性無機(jī)磷[12-14]. 而葉綠素a作為水體浮游植物存量的重要表征指標(biāo)之一，能夠用于判斷水體發(fā)生水華或赤潮的情況[15]. 研究葉綠素a與氮、磷濃度的關(guān)系，對認(rèn)識水體富營養(yǎng)化的形成機(jī)理及其與主控因子之間的耦合作用和機(jī)制，以及制定流域水環(huán)境管理對策都具有重要意義[16-17].

太子河是遼寧省南部的主要河流之一，與渾河在三岔河合流為大遼河后至營口入渤海. 太子河流域是我國東北地區(qū)的經(jīng)濟(jì)核心，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，工業(yè)化程度較高[18]. 在工農(nóng)業(yè)快速發(fā)展的壓力下，河流生態(tài)系統(tǒng)健康嚴(yán)重受損，大量營養(yǎng)鹽隨河流入海，誘發(fā)了近海海域水體富營養(yǎng)化[19-21]. 2014年渤海海域春、夏和秋季富營養(yǎng)化海域面積分別為11220、10980和14530 km2，共發(fā)生赤潮11次，累積面積4078 km2，在全國各海域中面積最大[22]. 目前對近海海域及河口區(qū)氮、磷營養(yǎng)鹽濃度及富營養(yǎng)化關(guān)系的研究已取得一些進(jìn)展，如王煥松等[23]對遼東灣海域進(jìn)行水體富營養(yǎng)化的模糊綜合評價(jià)，張志鋒等[24]對渤海富營養(yǎng)化現(xiàn)狀、機(jī)制及其與赤潮的時(shí)空耦合性的研究. 然而河口、海灣營養(yǎng)物質(zhì)最主要的來源是上游河流的輸入，但對入海河流富營養(yǎng)化程度究竟如何，葉綠素a濃度的分布與易于生物利用的可溶態(tài)氮、磷之間是否存在聯(lián)系，各河段營養(yǎng)鹽的輸出量是多少，迄今少見報(bào)道. 因此，本研究通過對太子河流域46個(gè)采樣點(diǎn)水體中氨氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、溶解性無機(jī)氮、溶解性無機(jī)磷、總氮、總磷和葉綠素a濃度的測定，分析太子河流域水體中營養(yǎng)鹽濃度的空間異質(zhì)性，結(jié)合水文數(shù)據(jù)計(jì)算各河段營養(yǎng)鹽的輸出量，并分析水體中營養(yǎng)鹽與葉綠素a的關(guān)系，探討太子河流域各河段對氮磷入海通量的貢獻(xiàn)及水體潛在富營養(yǎng)化危險(xiǎn)，以期為流域、海域富營養(yǎng)化防治提供科學(xué)依據(jù)，為流域水生態(tài)管理提供參考依據(jù).

1 研究區(qū)概況

圖1 太子河流域采樣點(diǎn)位

太子河流域(40°29′～41°39′N，122°26′～124°53′E)(圖1)，太子河有南北兩個(gè)源頭，南支的源頭在本溪縣東營坊鄉(xiāng)羊湖溝草帽頂子山麓，北支的源頭在新賓滿族自治縣平頂山鎮(zhèn)鴻雁溝，南北二支于南甸子鎮(zhèn)匯合為太子河干流，向西流經(jīng)本溪、鞍山、遼陽三市，在三岔河與渾河一起匯人大遼河，于營口市注入渤海，流域面積為1.39×104km2. 太子河流域?qū)贉貛Ъ撅L(fēng)氣候，年內(nèi)溫差較大，多年平均氣溫2.27～9.99℃. 年降水量約655～954 mm，降雨多集中在6-9月，占全年降雨的71.2%. 年蒸發(fā)散為734～1018 mm，多年平均天然徑流量為44.96×108m3. 流域內(nèi)自然植被類型為落葉闊葉林，上游地區(qū)為低山丘陵，植被保護(hù)較好，中下游為平原區(qū)，土地開發(fā)程度高. 太子河河岸帶土壤以草甸土和棕黃土為主.

2 材料與方法

2.1 樣品采集

于2014年6月12日—7月18日期間，在太子河流域內(nèi)選取了46個(gè)采樣點(diǎn)位(圖1)進(jìn)行調(diào)查. 調(diào)查時(shí)用GPS定位儀確定樣點(diǎn)的經(jīng)度、緯度和海拔高度. 同時(shí)對左右岸河岸帶寬度、河岸帶草本層蓋度、土地利用方式等環(huán)境影響因子進(jìn)行調(diào)查. 利用GIS軟件獲取太子河流域各種土地利用類型所占的比例(表1).

表1 太子河流域土地利用結(jié)構(gòu)

2.2 樣品分析方法

2.3 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行相關(guān)分析和方差分析，除趨勢對應(yīng)分析(DCA)和冗余分析(RDA)采用Canoco 4.5軟件進(jìn)行.

3 結(jié)果

3.1 太子河流域水質(zhì)狀況

3.2 太子河流域水質(zhì)空間差異性分析

圖2 太子河流域水質(zhì)狀況

表2 太子河流域各河段水質(zhì)指標(biāo)差異性分析(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)*

*同行間不同字母代表差異顯著，顯著性水平0.05.

3.3 水質(zhì)指標(biāo)與Chl.a濃度的相關(guān)分析

表3 太子河流域水質(zhì)指標(biāo)及Chl.a濃度相關(guān)分析

*顯著性水平0.05，**顯著性水平0.01.

圖3 太子河流域Chl.a濃度與水質(zhì)指標(biāo)的回歸分析

圖4 太子河流域水質(zhì)與環(huán)境因子RDA排序圖

3.4 太子河流域水質(zhì)指標(biāo)與環(huán)境因子的關(guān)系

表5 太子河流域水質(zhì)指標(biāo)與環(huán)境因子的RDA結(jié)果

圖5 太子河流域6-7月流量

3.5 氮、磷輸出量

3.6 潛在富營養(yǎng)化分析

采用廣泛適用于我國湖泊、水庫和河流水體富營養(yǎng)化評價(jià)的對數(shù)型冪函數(shù)普適指數(shù)公式，計(jì)算水體富營養(yǎng)化評價(jià)綜合指數(shù)(EI)，并依據(jù)富營養(yǎng)狀態(tài)的各級分級標(biāo)準(zhǔn)，EI<20貧營養(yǎng)級，20≤EI<39.42中營養(yǎng)級，39.42≤EI<61.29富營養(yǎng)級，61.29≤EI<76.28重富營養(yǎng)級，76.28≤EI<99.77極富營養(yǎng)級. 評價(jià)各采樣點(diǎn)水體所處的營養(yǎng)狀態(tài)，其公式為：

式中，Wj為指標(biāo)j的歸一化權(quán)重值，本研究將各指標(biāo)視作等權(quán)重；EIj為指標(biāo)j的富營養(yǎng)化評價(jià)普適指數(shù)；xj為指標(biāo)j的“規(guī)范值”，其計(jì)算方法見文獻(xiàn)[26].

圖6 太子河流域主要河段和TP輸出量

圖7 太子河流域水體營養(yǎng)評價(jià)綜合指數(shù)

結(jié)合富營養(yǎng)狀態(tài)分級標(biāo)準(zhǔn)，可知太子河流域所有點(diǎn)位營養(yǎng)狀態(tài)均為“中”和“富”，其中“中”營養(yǎng)狀態(tài)27個(gè)，占58.7%，“富”營養(yǎng)狀態(tài)19個(gè),占41.3%，沒有“貧”、“重富”和“極富”營養(yǎng)狀態(tài).EI最低值出現(xiàn)在4#采樣點(diǎn)，為24.26，最高值出現(xiàn)在43#采樣點(diǎn)，為69.15.EI值由上游至下游呈現(xiàn)逐漸上升趨勢，平均值為39.69(圖7).

4 討論

4.1 太子河流域N、P、Chl.a濃度空間分布趨勢分析

太子河流域N、P具有明顯的空間異質(zhì)性，表現(xiàn)為上游濃度較低且變化較平穩(wěn)，遼陽段N、P濃度逐漸上升且波動(dòng)增大，鞍山段N、P濃度最高. 分析其原因主要受到太子河流域外源污染物輸入源隨機(jī)性和區(qū)域性影響. 從太子河流域土地利用結(jié)構(gòu)(表1)可以看出,太子河流域上游地區(qū)以林地為主占總面積的98%以上，本溪段也以林地為主要類型.很多研究指出流域中林地和草地所占面積的百分比與水體中N、P濃度呈負(fù)相關(guān)，而流域中耕地面積百分比與N、P濃度呈正相關(guān)[26-28]. 遼陽段和鞍山段以農(nóng)業(yè)用地為主要類型，農(nóng)業(yè)用地中農(nóng)藥、化肥的過量使用，不合理農(nóng)業(yè)灌溉，以及養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)面源污染對太子河造成了持續(xù)的營養(yǎng)壓力，超過河流的自凈能力，使遼陽段和鞍山段DIN、DIP濃度逐漸上升[29-31]. 并且遼陽和鞍山段工業(yè)和城市建筑等土地利用方式逐漸增多，工業(yè)污水特殊的源輸入形式造成DIN、DIP濃度波動(dòng)起伏. 本研究中N、P及Chl.a濃度與環(huán)境因子的冗余分析結(jié)果(圖4)也顯示，土地利用方式與N、P濃度及Chl.a濃度呈顯著負(fù)相關(guān).

除此之外，氮、磷及Chl.a濃度與河岸緩沖帶寬度和海拔呈負(fù)相關(guān)(圖4). 河岸緩沖帶寬度對水質(zhì)的影響主要與植被對N、P的削減作用有關(guān)[26]. 很多研究表明河岸帶植被可有效控制入河N、P污染物，是截留陸域面源污染物、改善河道水質(zhì)的有效手段[32-34]. 太子河流域上游海拔高，難于耕作，因此植被保持完好，土壤受到的人為干擾小，因此土壤營養(yǎng)元素含量高；而太子河下游為平原地區(qū)，是遼寧省重要的糧食生產(chǎn)基地，農(nóng)業(yè)種植發(fā)達(dá)，很多地方的耕作已經(jīng)到了河道附近，受到降水的影響，大量農(nóng)業(yè)面源污染進(jìn)入河水中，致使下游N、P濃度增大.

Chl.a濃度在太子河流域的分布趨勢與N、P濃度趨勢相近，流域的營養(yǎng)源輸入具有多元性和分布的不均勻性，其生物可利用形態(tài)也隨輸入的不同而產(chǎn)生差異，從而造成Chl.a濃度的時(shí)空分布特征差異. 太子河上游地區(qū)主要是山林，河水中營養(yǎng)鹽濃度偏低，本溪段、遼陽段、鞍山段人口數(shù)量、農(nóng)業(yè)用地面積、城市化不斷增大，導(dǎo)致水體中營養(yǎng)鹽濃度不斷升高，其中遼陽段和鞍山段工業(yè)化增多導(dǎo)致部分點(diǎn)位營養(yǎng)鹽濃度突增，引起Chl.a濃度增大.

4.2 Chl.a與N、P濃度關(guān)系分析

4.3 太子河流域富營養(yǎng)狀況分析

河流水體中N、P營養(yǎng)鹽濃度嚴(yán)重超標(biāo)，勢必造成水體富營養(yǎng)化. 國際公認(rèn)的富營養(yǎng)化閾值為TP=0.02 mg/L，TN=0.2 mg/L[42]，太子河所有點(diǎn)位的TN、大部分點(diǎn)位的TP都超過了富營養(yǎng)化閾值. 從Chl.a濃度看，<3 μg/L的水體為貧營養(yǎng)，3～7 μg/L為中營養(yǎng)，7～40 μg/L為富營養(yǎng)，>40 μg/L為重富營養(yǎng)，太子河流域貧營養(yǎng)、中營養(yǎng)、富營養(yǎng)的點(diǎn)位分別有13、14和19個(gè)，沒有重富營養(yǎng)的點(diǎn)位. 這說明太子河流域部分點(diǎn)位高營養(yǎng)鹽并未引起藻類的大量生長. 吳怡等[40]的研究中也指出在相對較高的N、P濃度下，河流Chl.a濃度僅為湖泊的1/10乃至1/100. 出現(xiàn)這種現(xiàn)象一方面是由于河流的水動(dòng)力條件制約了浮游植物的生長. 另一方面Chl.a濃度的分布可能還受其他因素決定，如溫度、光照、水量和流速等水動(dòng)力條件與特征的影響[43-44]. 本研究進(jìn)一步采用了廣泛適用于我國湖泊、水庫和河流水體富營養(yǎng)化評價(jià)的對數(shù)型冪函數(shù)普適指數(shù)公式，通過計(jì)算水體富營養(yǎng)化評價(jià)綜合指數(shù)，評價(jià)了太子河流域水體的營養(yǎng)狀態(tài). 從結(jié)果來看太子河流域所有點(diǎn)位營養(yǎng)狀態(tài)均為“中”和“富”營養(yǎng)狀態(tài)，其中“中”營養(yǎng)狀態(tài)占58.7%，“富”營養(yǎng)狀態(tài)占41.3%. 這與上述對理化因子濃度分析的結(jié)論一致. 相對于湖泊和海域而言，河流受人類影響更為直接，而當(dāng)承載高濃度營養(yǎng)鹽的河水匯入湖泊和和海洋，無疑將增加湖泊和海域的富營養(yǎng)化壓力. 本研究中，太子河下游地區(qū)TN、TP的輸出量分別為586.81和58.72 g/s，這些N、P將匯入大遼河進(jìn)入渤海，對附近海域生態(tài)安全造成影響，這將成為區(qū)域河流水環(huán)境治理的新問題和關(guān)注點(diǎn).

5 結(jié)論

1)太子河流域N、P具有明顯的空間異質(zhì)性，表現(xiàn)為上游濃度較低且變化較平穩(wěn)，遼陽段濃度逐漸上升且波動(dòng)增大，鞍山段最高. 冗余分析顯示N和P的空間分布特征與土地利用方式、海拔、河岸緩沖帶寬度和植被多樣性密切相關(guān).

3)太子河流域水體富營養(yǎng)化評價(jià)綜合指數(shù)(EI)顯示，太子河流域“中”營養(yǎng)狀態(tài)點(diǎn)位27個(gè)，占58.7%，“富”營養(yǎng)狀態(tài)點(diǎn)位19個(gè)，占41.3%，沒有“貧”、“重富”和“極富”營養(yǎng)狀態(tài). 但水體中N、P濃度相對較高，當(dāng)承載高濃度營養(yǎng)鹽的河水匯入海洋，將增加附近海域的富營養(yǎng)化壓力.

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Eutrophication and spatial distribution of N, P and chlorophyll-a in the Taizihe River Basin, Liaohe River Catchment

WANG Qiong1,2, LU Cong1, FAN Zhiping1**& LI Fayun1

(1:InstituteofEco-environmentalSciences,LiaoningShihuaUniversity,Fushun113001,P.R.China)(2:CollegeofResourcesandEnvironment,HunanAgriculturalUniversity,Changsha410128,P.R.China)

Dissolved inorganic nitrogen, dissolved inorganic phosphorous, total nitrogen, total phosphorus,conductivity, pH, dissolved oxygen and chlorophyll-a were monitored in 46 sections along the Taizihe River, Liaohe River Catchment to understand their spatial distributions. The relationships between dissolved inorganic nitrogen, dissolved inorganic phosphorous and chlorophyll-a concentration were identified using the regression analysis. The relationship between water quality and environmental influencing factors was identified using redundancy analysis.The results showed that distributions of nitrogen, phosphorous and chlorophyll-a concentration had a certain spatial-related variability.The concentration of nitrogen, phosphorous and chlorophyll-a were low and stable in the upstreams, and were increasing and fluctuating in reaches of Liaoyang. In the reaches of Anshan the concentrations were the highest. Redundancy analysis showed that the spatial distribution characteristics of N and P were closely related to the land use, altitude,width of the riparian buffer and vegetation diversity. Ammonia nitrogen, nitrate nitrogen, dissolved inorganic nitrogen, dissolved inorganic phosphorous,total nitrogen, total phosphorus, and conductivity were positively correlated with chlorophyll-a concentration. It indicated that nitrogen and phosphorous could promote the growth of alga. Eutrophication evaluation index in Taizihe River Basin showed that there were 27 sample sites in the mesotrophic level,19 sample sites in a status of eutrophication, no oligotrophic, hyper eutrophic and extremely eutrophic status.

Liaohe River Catchment; Taizihe River Basin; nitrogen; phosphorous; chlorophyll-a; eutrophication; spatial distribution

*國家科技支撐計(jì)劃“十二五”項(xiàng)目(2015BAD07B030102)、國家水體污染與治理科技重大專項(xiàng)(2012ZX07505-001-01)、遼寧省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014020108)、遼寧石油化工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)科創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)([2014]11號)和遼寧石油化工大學(xué)科研啟動(dòng)項(xiàng)目(2014XJJ-013、2014XJJ-014)聯(lián)合資助.2016-03-08收稿；2016-05-30收修改稿. 王瓊(1983～)，女，博士研究生，助理研究員；E-mail: wangqiong0407@163.com.

J.LakeSci.(湖泊科學(xué))， 2017， 29(2)： 297-307

DOI 10.18307/2017.0205

?2017 byJournalofLakeSciences

**通信作者; E-mail: zhiping_fan @hotmail.com.