水源型水庫的氮形態(tài)分布特征與水體富營養(yǎng)化的關(guān)系

詹志薇 譚志 金臘華 謝宏琴 張一凡 陳秋強

摘要根據(jù)實測水質(zhì)數(shù)據(jù)，對東莞市某備用水源水庫的氮形態(tài)分布特征及其與葉綠素a及水體綜合營養(yǎng)指數(shù)（TLT）的關(guān)系進行了分析，旨在為預(yù)防或減輕水體富營養(yǎng)化提供理論依據(jù)。結(jié)果表明：水源型水庫易受到營養(yǎng)性污染，呈中度或低度富營養(yǎng)化狀態(tài)；氮形態(tài)在水庫進水區(qū)以氨氮和硝酸鹽氮為主，且占比均在45%以上，出水區(qū)以硝酸鹽氮為主，且占比在75%以上，從進水區(qū)到出水區(qū)氨氮占比下降80%以上，季節(jié)變化對氮形態(tài)空間分布有一定影響，但影響程度不大；氨氮與葉綠素a和TLI無明顯的相關(guān)性，不對水體富營養(yǎng)化產(chǎn)生直接作用；硝酸鹽氮與葉綠素a和TLI呈負相關(guān)，對水體富營養(yǎng)化有一定的抑制作用；亞硝酸鹽氮和有機氮同葉綠素a以及TLI呈正相關(guān)，對水體富營養(yǎng)化有促進作用。降低排入水庫的氨氮和有機氮含量是有效預(yù)防或減輕水體富營養(yǎng)化的主要途徑。

關(guān)鍵詞水源型水庫；氮形態(tài)；葉綠素a；水體富營養(yǎng)化

中圖分類號S181.3文獻標(biāo)識碼

A文章編號0517-6611（2017）10-0059-04

The Relationship between the Distribution of Nitrogen Forms and Eutrophication of Water Source Reservoirs

ZHAN Zhiwei1，TAN Zhi1，JIN Lahua2，CHEN Qiuqiang1* et al（1.Environmental Monitoring Center Station of Dongguan，Dongguan，Guangdong 523009；2.College of Environment，Jinan University，Guangzhou，Guangdong 510632）

AbstractBased on detected water quality data，the distribution characteristics of different form nitrogen and its relationships to chlorophyll a （Chla） and comprehensive nutrition status index of water body （TLI） in a reservoir as drinking water source in Dongguan were analyzed to provide theoretical bases for prevention and reduction of the eutrophication.The results showed that reservoirs of this kind may easily be polluted nutritionally and present moderate or low level of eutrophication，and the nitrogen form was given priority to ammonia nitrogen and nitrate nitrogen whose proportion was more than 45% respectively in the inflow area，but priority to nitrate nitrogen whose proportion was as high as 75% and above in the outflow area of the reservoir，also the proportion of ammonia nitrogen drops by 80% and above during the process from the inflow area to the outflow area，and moreover seasonal variation gives little impact to the spatial distribution of nitrogen forms.It has been found from the analyses that ammonia nitrogen has no obvious correlation with Chla and TLI and doesnt give direct contribution to the eutrophication，and nitrate nitrogen presents negative correlation with Chla and TLI and has a certain inhibitory effect to the eutrophication，but nitrite nitrogen and organic nitrogen positively relate with Chla and TLI so that it stimulates the eutrophication.To reduce the input amount of ammonia nitrogen and organic nitrogen into the reservoir was the main way to effectively prevent or mitigate eutrophication of water body in reservoirs.

Key wordsWater source reservoir；Nitrogen form；Chlorophyll a；Water body eutrophication

氮污染不僅對水庫水體富營養(yǎng)化有促進作用，而且會在飲用水氯消毒過程中生成具有強“三致”作用的含氮消毒副產(chǎn)物（N-DBPs），嚴(yán)重影響飲用水的安全。水中的氮形態(tài)包括無機氮和有機氮，其中無機氮以氨氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮的形態(tài)出現(xiàn)。探明水庫水中不同形態(tài)氮的數(shù)量和變化特征，分析不同形態(tài)氮對水體富營養(yǎng)化的影響，對指導(dǎo)飲用水制取過程中科學(xué)選擇脫氮工藝及指導(dǎo)科學(xué)規(guī)劃與實施飲用水源保護具有重要的理論意義。

目前，國內(nèi)外對水源型水庫氮形態(tài)特征的研究較少。葛曉立等[1]分析了密云水庫總氮和總磷濃度比，高廷進等[2]對高原水庫百花湖富營養(yǎng)化特性和總氮、總磷及葉綠素a的表底層濃度進行了分析；林悅涓等對湖泊的氮、磷形態(tài)分布特征進行了分析[3-5]；于紅蕾[6]對景觀水體溶解性有機氮的分布進行了監(jiān)測分析。目前對水源型水庫的氮形態(tài)研究較少，對氮形態(tài)的轉(zhuǎn)化特性及成因缺乏系統(tǒng)分析。筆者以東莞市某備用水源水庫為例，根據(jù)實測水質(zhì)資料，分析水庫水體中氮形態(tài)的分布規(guī)律及時空變化特征，并從反應(yīng)動力學(xué)角度，分析其成因，以期為該水庫的水質(zhì)保護提供理論依據(jù)。

1水庫概況

東莞市某備用水庫位于東莞市東南方向8.5 km處，集水面積100 km2，總庫容0.652億m3。2006年該水庫被確定為東莞市備用水源。黃奐彥等[7]研究表明，該水庫處于輕度污染狀態(tài)。韓嬌[8]分析了該水庫的環(huán)境容量。

根據(jù)東莞市環(huán)境監(jiān)測中心站2014年4月至2015年4月期間對該水庫的定期監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用GB 3838—2002中III類水的水質(zhì)要求作為評價標(biāo)準(zhǔn)，計算其單因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)（表1）。由表1可知，除CODMn、CODCr、BOD5、TP和氨氮外，其余16項常規(guī)監(jiān)測因子均滿足III類水要求，這表明該水庫已經(jīng)受到有機污染。

根據(jù)東莞市環(huán)境監(jiān)測中心站2014年4、9、11月和2015年1、4月對該水庫的實地監(jiān)測結(jié)果，選取葉綠素a、TP、TN、透明度和CODMn作為評價因子，計算該水庫綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TLI）[9]，結(jié)果見圖1。由圖1可見，該水庫現(xiàn)狀TLI為60～65，屬于中度富營養(yǎng)化狀態(tài)，主要污染形式是氮、磷污染，從2014年4月至2015年4月TLI呈下降趨勢，表明該水庫污染程度有降低趨勢。

2水庫的氮形態(tài)分布特征

2.1不同形態(tài)氮占總氮百分比

根據(jù)東莞市環(huán)境監(jiān)測中心站2014年11月和2015年1、4、7月對該水庫不同形態(tài)氮的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析不同形態(tài)氮占總氮的百分比。結(jié)果表明，水庫氮形態(tài)包括氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮和有機氮，監(jiān)測期內(nèi)全庫各形態(tài)氮的平均占比為硝酸鹽氮60.6%、氨氮26.9%、有機氮8.5%、亞硝酸鹽氮4.0%。由此可見，水庫主要氮形態(tài)是硝酸鹽氮，其次是氨氮，有機氮和亞硝酸鹽氮占比均較少。

2.2不同形態(tài)氮空間分布特征

根據(jù)實測數(shù)據(jù)，對該水庫進水區(qū)與出水區(qū)各形態(tài)氮的分布進行了分析。分析結(jié)果表明，水庫南部進水區(qū)與北部出水區(qū)不同形態(tài)氮占比有很大不同，具體表現(xiàn)為從進水區(qū)到出水區(qū)氨氮顯著降低82%、亞硝酸鹽氮下降18%、硝酸鹽氮增大65%、有機氮顯著增高186%；進水區(qū)的主要氮形態(tài)是氨氮和硝酸鹽氮，而出水區(qū)的主要氮形態(tài)為硝酸鹽氮。這種空間分布規(guī)律說明進入水庫的含氮污染物在水庫中大部分被硝化菌硝化和被反硝化菌轉(zhuǎn)化，水庫水質(zhì)呈好轉(zhuǎn)趨勢，表明該水庫水體的自凈能力強。

2.3不同形態(tài)氮的季節(jié)性分布特征

根據(jù)實測數(shù)據(jù)，對該水庫進水區(qū)與出水區(qū)各形態(tài)氮占比隨時間的變化進行了分析，結(jié)果（圖3）表明，2014年11月到2015年7月水庫進水區(qū)各形態(tài)氮變化狀況：氨氮占比在41.5%～48.6%，呈小幅波動，且濃度超標(biāo)；硝酸鹽氮在37.2%～ 55.8%，且波動方向

與氨氮相反；亞硝酸鹽氮僅在氨氮增高時略有增高；有機氮波動較小。在水庫出水區(qū)各形態(tài)氮的變化狀況：硝酸鹽氮在66.0% ～ 81.6%小幅波動，且波動趨勢與進水區(qū)硝酸鹽氮波動同步；氨氮、亞硝酸鹽氮和有機氮較穩(wěn)定且占比均在15%以下，且氨氮濃度穩(wěn)定達標(biāo)。這表明季節(jié)變化會引起水庫進水區(qū)氨氮的小幅波動，但對出水區(qū)各形態(tài)氮的影響很小。

3水庫不同形態(tài)氮與葉綠素a的關(guān)系

3.1不同形態(tài)氮與葉綠素a的相關(guān)性

從圖4 可知，不同形態(tài)氮與葉綠素a有具有明顯的分區(qū)特征，即進水區(qū)氨氮與葉綠素a的關(guān)系點較散亂，無明顯規(guī)律，但在出水區(qū)隨著氨氮濃度的增大葉綠素a呈遞增趨勢，這可能與氨氮不能被藻類等直接利用有關(guān)；進水區(qū)與出水區(qū)的硝酸鹽氮與葉綠素a均呈負相關(guān)，R2分別為0.829 3和0.998 2，表明硝酸鹽氮對葉綠素a有明顯的抑制作用；在進水區(qū)亞硝酸鹽氮與葉綠素a幾乎不相關(guān)，但在出水區(qū)亞硝酸鹽氮與葉綠素a呈正相關(guān)，R2達0.863 5，表明亞硝酸鹽氮對葉綠素a有明顯的促進作用；進水區(qū)和出水區(qū)，有機氮與葉綠素a均呈正相關(guān)，R2分別為0.674 2和0.953 1，表明硝酸鹽氮對葉綠素a有明顯的促進作用。

3.2不同形態(tài)氮對水體富營養(yǎng)化的影響

水庫水體富營養(yǎng)化是由于人類生產(chǎn)和生活活動排放大量的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)進入水庫，引起藻類及其他浮游生物迅速繁殖、水體溶解氧量下降、水質(zhì)惡化、魚類及其他生物大量死亡[10]。其中，藻類及水生植物的生長狀況可用葉綠素a來反映[11]。根據(jù)前文研究結(jié)果，氨氮不能被藻類等直接利用，不對水體富營養(yǎng)化產(chǎn)生直接影響，故在進水區(qū)氨氮濃度高低對葉綠素a不產(chǎn)生直接影響。但是，氨氮可被硝化菌或亞硝化菌硝化[12]，轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮，而亞硝酸鹽氮對葉綠素a有促進作用，故氨氮對水體富營養(yǎng)化有間接促進作用，同時在氨氮的硝化過程中需消耗大量的溶解氧，并釋放氫離子使pH降低[13]，促使水質(zhì)惡化；硝酸鹽氮對藻類及水生植物生長有抑制作用[14]，對水體富營養(yǎng)化有一定的抑制；有機氮可被藻類和其他大多數(shù)水生植物直接利用[15]，故有機氮對水體富營養(yǎng)化有促進作用。根據(jù)實測數(shù)據(jù)，筆者構(gòu)建不同形態(tài)氮與TLI之間的關(guān)系，結(jié)果見圖5～7。

可知，氨氮與水庫水體TLI無明顯的相關(guān)性，證實了氨氮不會對水體富營養(yǎng)化產(chǎn)生直接作用。從圖6可知，硝酸鹽氮與TLI總體呈負相關(guān)，這說明硝酸鹽氮對水體富營養(yǎng)化有一定的抑制作用，但由于硝酸鹽氮有可能被亞硝化菌轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，而亞硝酸鹽對葉綠素a有促進作用，在一定程度上削弱了硝酸鹽氮對富營養(yǎng)化的抑制作用，也造成了硝酸鹽氮與水體TLI的關(guān)系不顯著。從圖7可見，有機氮與水體TLI呈正相關(guān)，這表明有機氮對水體富營養(yǎng)化有促進作用。

由此可見，預(yù)防與控制水體富營養(yǎng)化應(yīng)當(dāng)減少排入水體的總氮量，特別是減少氨氮和有機氮含量，真正從源頭上削減營養(yǎng)性污染物的排入量，以有效預(yù)防和控制水體的富營養(yǎng)化。

4結(jié)論

（1）水源型水庫氮的主要形態(tài)是硝酸鹽氮，其次是氨氮和有機氮，亞硝酸鹽氮占比不足5%，且不穩(wěn)定。

（2）在水源型水庫中，不同形態(tài)氮的空間分布具有分區(qū)特征，即進水區(qū)以氨氮和硝酸鹽氮為主，出水區(qū)以硝酸鹽氮為主，從進水區(qū)到出水區(qū)氨氮發(fā)生顯著降解，水質(zhì)明顯好轉(zhuǎn)；不同季節(jié)氮形態(tài)占比有一定波動，但波動幅度不大。

（3）氨氮與葉綠素a無明顯的相關(guān)性，硝酸鹽氮與葉綠素a呈明顯負相關(guān)，亞硝酸鹽氮、有機氮與葉綠素a呈正相關(guān)，這表明氨氮不能直接被藻類等水生植物利用，硝酸鹽氮對藻類等具有一定的抑制作用，亞硝酸鹽氮和有機氮可被藻類等水生植物利用。

（4）氨氮與水庫綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TLI）無明顯的相關(guān)性，不會對水體富營養(yǎng)化產(chǎn)生直接作用；硝酸鹽氮與水庫TLI呈負相關(guān)，對水體富營養(yǎng)化有抑制作用；亞硝酸鹽氮和有機氮同水庫TLI呈正相關(guān)，對水體富營養(yǎng)化有促進作用。

（5）水源型水庫受庫區(qū)周邊工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活活動的影響易于遭受營養(yǎng)性污染，水體呈中度或低度富營養(yǎng)化狀態(tài)，減少入庫氨氮和有機氮數(shù)量是預(yù)防或減輕水庫水體富營養(yǎng)化的有效途徑。

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