白洋淀水體氮磷時空分布與富營養(yǎng)化分析

陽小蘭， 張茹春， 毛 欣， 王瑞君， 孟赫男， 劉冬梅， 田學東， 楊永壯

(1.河北省科學院地理科學研究所/河北省地理信息開發(fā)應用工程技術(shù)研究中心，河北石家莊 050011；2.中國地質(zhì)科學院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北石家莊 050006； 3.河北省安新縣環(huán)境保護局，河北保定 071600)

湖泊(水庫)是全球水資源的重要組成部分，具有重要的生態(tài)服務功能，不僅包括水產(chǎn)品供給，還承擔著緩洪滯澇、蓄水灌溉和維護生物多樣性等重要任務[1]。但是，隨著城市和工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，我國絕大多數(shù)湖泊正面臨著水體富營養(yǎng)化的威脅或已經(jīng)富營養(yǎng)化[2-3]，許多大型湖泊，如巢湖、太湖、鄱陽湖等都已經(jīng)處于富營養(yǎng)或重富營養(yǎng)狀態(tài)[4]。湖泊水體富營養(yǎng)化是我國淡水湖泊面臨的最主要生態(tài)環(huán)境問題之一。湖泊富營養(yǎng)化根源在于氮磷等營養(yǎng)鹽的過量富集，過高的營養(yǎng)負荷會導致一系列嚴重的生態(tài)后果，如藍藻水華暴發(fā)和生物多樣性下降等，嚴重威脅著湖泊的生態(tài)功能和水環(huán)境質(zhì)量[5-8]。探明湖泊水體氮磷的時空分布特征，明確其富營養(yǎng)程度及污染來源，可為湖泊治理和有效管理提供科學依據(jù)。

白洋淀屬北方淺水草型湖泊，素有華北明珠之稱。研究表明，20世紀50—60年代，白洋淀水質(zhì)清澈，水產(chǎn)資源豐富。20世紀70年代以后，由于工農(nóng)業(yè)廢水及生活污水的大量排放，使白洋淀水質(zhì)遭受污染，水體富營養(yǎng)化嚴重[9-10]。近年來，隨著人口的增加，流域內(nèi)經(jīng)濟的增長，如養(yǎng)殖業(yè)和旅游業(yè)的大力發(fā)展，白洋淀水質(zhì)進一步惡化，出現(xiàn)了干淀、水質(zhì)污染和死魚等問題，水質(zhì)污染已經(jīng)成為制約白洋淀濕地生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)的瓶頸。面對白洋淀水體污染與富營養(yǎng)化的日趨嚴重[11]，眾多學者就湖泊富營養(yǎng)特征、驅(qū)動機制以及應對措施等方面展開了相關(guān)研究。胡曉波等采用TLI和TSLM方法評價了白洋淀養(yǎng)殖水域營養(yǎng)狀態(tài)，認為其水質(zhì)已達到輕度和中度富營養(yǎng)化[12]。王瑜等應用修正的卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)和優(yōu)勢種評價法對白洋淀的營養(yǎng)狀態(tài)進行評價，結(jié)果表明，白洋淀多數(shù)水體處于富營養(yǎng)狀態(tài)[13]。門漱石等認為，白洋淀水體富營養(yǎng)化的主要污染源是入淀河流、淀內(nèi)居民生活及水上娛樂、水產(chǎn)養(yǎng)殖等[14]。王珺等對流入白洋淀的府河水體及沉積物中氮、磷進行了測試，研究了白洋淀水體富營養(yǎng)化的基本特征及營養(yǎng)鹽驅(qū)動機制[15]。陳新永等在對白洋淀水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)富營養(yǎng)化分析的基礎(chǔ)上，提出應發(fā)展水產(chǎn)健康養(yǎng)殖來控制水體富營養(yǎng)化[16]。本研究在白洋淀2012—2014年逐月水體取樣分析的基礎(chǔ)上，探討該湖水體中氮磷的時空分布特征，對其富營養(yǎng)化進行科學評價，并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)對白洋淀水體富營養(yǎng)化趨勢進行了分析。本研究結(jié)果可為白洋淀水體富營養(yǎng)化防治提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

白洋淀地處華北平原中部，地理坐標為115°38′～116°07′E，38°43′～39°02′N，四周以堤壩為界，東至千里堤，西至西門堤，南至淀南新堤，北至新安北堤，東西長39.5 km，南北寬28.5 km。淀內(nèi)主要由白洋淀、馬棚淀、燒車淀、藻雜淀等大小不等的143個淀泊和3 700條溝壕組成，淀區(qū)總面積 366 km2。白洋淀上承九河，下注渤海，地勢低洼，是河北省最大的內(nèi)陸淡水湖泊。

1.2 取樣點選擇及樣品采集

在白洋淀選擇代表其典型特征的8個樣點(圖1)：燒車淀(國家級自然保護區(qū)核心區(qū))、王家寨(畜禽養(yǎng)殖區(qū))、圈頭(養(yǎng)鴨、養(yǎng)魚區(qū))、采蒲臺(靜水蓄積區(qū))、光淀和端村(水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū))、棗林莊(出水口)、南劉莊(府河入水口)，于2012—2014連續(xù)3年逐月在監(jiān)測點進行水樣采集。

1.3 樣品測定

現(xiàn)場測量透明度、水深、pH值、表層水溫度、溶解氧等指標，室內(nèi)分析項目包括總氮、總磷、葉綠素a、化學耗氧量、高錳酸鉀指數(shù)等，測試方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[17]：高錳酸鹽指數(shù)用酸性法(GB/T 11892—1989)；總磷用鉬銻抗分光光度法(GB/T 11893—1989)；總氮的測定用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(HJ636—2012)；葉綠素a的測定用分光光度法，并用便攜式儀器作對照(結(jié)果基本一致)。

1.4 富營養(yǎng)化評價方法

目前，我國湖泊水體富營養(yǎng)化評價的基本方法主要有營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法[卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TSI)]、營養(yǎng)度指數(shù)法和評分法、修正的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)、綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)[18-19]。以上幾種方法在實際工作中都被采用，其中評分法受人為因素的干擾較多，影響結(jié)果的準確性；營養(yǎng)度指數(shù)法計算步驟繁瑣且耗時長，不如綜合營養(yǎng)指數(shù)法簡便易行。因此，本研究選取綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法評價湖泊水體富營養(yǎng)化程度[20-21]，評價項目選取了反映水體營養(yǎng)程度的主要指標包括葉綠素a、總磷、總氮、透明度、高錳酸鹽指數(shù)5項，分別計算各參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，根據(jù)各項參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，通過公式計算得出綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。為明確說明湖泊水體的富營養(yǎng)程度，根據(jù)營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)數(shù)值對湖泊水體的富營養(yǎng)化程度進行分級，分級標準見表1。

表1 湖泊水體的營養(yǎng)指數(shù)分級

2 結(jié)果與分析

2.1 白洋淀水體TN、TP分布特征

2.1.1 白洋淀TN空間分布 根據(jù)2012—2014年8個監(jiān)測點的TN平均值(圖2、表2)可以看出，TN含量由大到小依次為：2012年南劉莊>王家寨>圈頭>端村>燒車淀>采蒲臺>光淀>棗林莊；2013年南劉莊>燒車淀>王家寨>光淀>端村>圈頭>采蒲臺>棗林莊；2014年南劉莊>燒車淀>端村>王家寨>圈頭>采蒲臺>光淀>棗林莊。TN在空間分布上差異較大，最大值分布在南劉莊，3年中TN含量遠遠超出了地表水Ⅳ類標準值(≤1.5 mg/L)，2014年最大值為 27.79 mg/L，超出標準17.53倍；依據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標準基本項目標準限值，其他各樣點TN濃度均超過了《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)[22]的Ⅲ類水標準，50%以上水域劣于Ⅴ類。

表2 2012—2014年白洋淀不同采樣點TN含量及水質(zhì)等級

2.1.2 白洋淀TP空間分布 地表水環(huán)境質(zhì)量標準中Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類TP的濃度限值分別為≤0.05、0.1、0.2 mg/L。根據(jù)2012—2014年8個監(jiān)測點的TP平均值(圖3、表3)可以看出，TP含量由大到小依次為：2012年南劉莊>端村>圈頭>采蒲臺>王家寨>燒車淀>光淀、棗林莊；2013年南劉莊>端村>燒車淀、圈頭、采蒲臺、光淀>王家寨>棗林莊；2014年南劉莊>端村>王家寨>圈頭>燒車淀>采蒲臺>光淀>棗林莊。TP含量最高點仍分布在南劉莊，3年中TP指標處于嚴重超標狀態(tài)，2014年最大值為1.34 mg/L，超出標準12.4倍(Ⅳ類標準≤0.1 mg/L)；其次為端村，2014年最大值為 0.23 mg/L，超出標準3.6倍(Ⅲ類標準≤0.05 mg/L)。白洋淀TP污染程度好于TN，3年中棗林莊水質(zhì)達到Ⅲ類水標準，2013年達到了Ⅰ類水標準，而南劉莊、端村污染嚴重，為Ⅴ類或劣于Ⅴ類。

2.2 白洋淀水體TN、TP的季節(jié)分布

季節(jié)變化以季度算術(shù)平均值進行比較，春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季因有些區(qū)域結(jié)冰，不參與比較。

對比不同季節(jié)水體中TN的含量(圖4)，總的趨勢是春季>夏季>秋季，2014年則相反(圖4)。TP含量夏季高于春季、秋季2個季節(jié)， 變化趨勢為夏季>秋季>春季，2013年為春季>夏季>秋季(圖5)。

2.3 水質(zhì)富營養(yǎng)化評價

白洋淀水體2012—2014年營養(yǎng)狀態(tài)評價結(jié)果見表4。從表4可以看出，在監(jiān)測的8個樣點中，南劉莊3年均為“中度富營養(yǎng)”，且綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)呈逐年下降的趨勢；棗林莊3年均為“中營養(yǎng)”；其他6個采樣點均處于輕度富營養(yǎng)狀態(tài)。整個淀區(qū)的富營養(yǎng)化程度趨勢由西向東逐漸減弱。

表3 2012—2014年白洋淀不同采樣點TP含量及水質(zhì)等級

從各季節(jié)綜合營養(yǎng)指數(shù)來看，2012—2014年間除2012、2014年春季為中營養(yǎng)外，其他季節(jié)都為輕度富營養(yǎng)(圖6)。

表4 2012—2014年白洋淀不同采樣點水體富營養(yǎng)化評價結(jié)果

3 討論

3.1 白洋淀水體TN、TP時空分異特征

白洋淀氮、磷營養(yǎng)鹽在空間上具有明顯差異，在8個監(jiān)測點中，2012—2014年內(nèi)氮、磷平均濃度在南劉莊、圈頭、端村、王家寨區(qū)域含量相對較高，尤其是南劉莊。南劉莊為污水河流入口，接受來自府河排放的污水和安新縣的工業(yè)及生活污水，雖然有部分污染物隨著水體流動稀釋、降解和沉淀，但由于污染物濃度大，到達入淀口時污染物濃度還是遠遠超過水體功能要求。圈頭、端村為養(yǎng)魚區(qū)，在水體中投放的餌料含大量氮和磷，其中少量被魚食用，大部分剩余物沉積水體，是嚴重污染源。王家寨為畜禽養(yǎng)殖區(qū)，是最大的純水村，村內(nèi)建有大型生態(tài)旅游景區(qū)，旅游客流量巨大，配套的餐飲服務行業(yè)也是主要污染源。棗林莊為白洋淀出水口，相對于其他各點，水質(zhì)較好。

從營養(yǎng)鹽的季節(jié)變化來看，總體上TN含量春季、夏季較高，秋季較低，TP夏季明顯高于秋季、春季。造成營養(yǎng)鹽含量季節(jié)變化的主要原因，可能與農(nóng)業(yè)面源污染和湖區(qū)圍網(wǎng)養(yǎng)殖有關(guān)。春季是農(nóng)耕季節(jié)，TN含量高主要與化肥的大量使用有關(guān)；夏季是水產(chǎn)養(yǎng)殖高峰期，在水體中投放的餌料含大量氮和磷，其中少量被魚食用，大部分剩余物沉積水體，成為嚴重污染源，另外原因可能由于夏季降水較多，地表徑流也隨之增大，白洋淀周圍村莊以及主要入湖河流流域的面源污染中的營養(yǎng)要素隨著地表徑流進入水體，使水體營養(yǎng)鹽濃度升高。到秋末投餌量顯著減少，營養(yǎng)鹽氮磷含量逐漸降低?？傮w來說，夏季的水質(zhì)最差。

3.2 白洋淀總體營養(yǎng)狀態(tài)趨勢分析

據(jù)前人研究，白洋淀在20世紀50年代前一直處于自然循環(huán)狀態(tài)，水域遼闊，物產(chǎn)豐富，水質(zhì)均未受污染；自1988年至1994年6月，污染程度近似逐年遞增，至1994年已全部達輕污染程度，部分水域達到重污染、嚴重污染程度[10]。近幾年來，由于白洋淀的綜合治理，以及多次補水，水質(zhì)得到了改善[23]。

從圖7可以看出，白洋淀總體富營養(yǎng)狀態(tài)呈下降趨勢：2006—2011年，除2009年為輕度富營養(yǎng)化外，其他年份都是中度富營養(yǎng)，2012—2015年，富營養(yǎng)狀況明顯好轉(zhuǎn)，呈輕度富營養(yǎng)，2013年最低，綜合營養(yǎng)指數(shù)為51.7。

4 結(jié)論與建議

白洋淀水體中TN含量大多春季>夏季>秋季，TP含量大多夏季>秋季>春季，水體中TN、TP主要來源于生活源污染和養(yǎng)殖業(yè)。生活源主要包括淀中村生活廢水、垃圾及淀區(qū)旅游產(chǎn)生的生活源。白洋淀區(qū)及周邊共有12個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總?cè)丝?2.6萬人，淀邊村和純水村污水管網(wǎng)和污水處理設施建設滯后，大量生活廢水直接排入淀中，同時，生活垃圾等長期岸邊堆放，成為對白洋淀水質(zhì)的主要污染源。對白洋淀內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖、家禽養(yǎng)殖等重污染產(chǎn)業(yè)進行調(diào)整、整治是當務之急。水產(chǎn)養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)調(diào)整主要是將淀區(qū)內(nèi)的水產(chǎn)養(yǎng)殖方式由投餌養(yǎng)殖向生態(tài)養(yǎng)殖方向轉(zhuǎn)變，壓縮淀內(nèi)人工水產(chǎn)養(yǎng)殖面積，恢復魚類的自然生態(tài)養(yǎng)殖；將淀區(qū)內(nèi)鴨養(yǎng)殖進行搬遷，逐年縮小鴨養(yǎng)殖面積，最終達到徹底清理鴨養(yǎng)殖，恢復養(yǎng)殖水體自凈能力的效果。

根據(jù)近3年的連續(xù)監(jiān)測及近10年來水質(zhì)歷史數(shù)據(jù)，運用綜合營養(yǎng)指數(shù)法對白洋淀各監(jiān)測點及整體的富營養(yǎng)化程度進行了評價，整體而言白洋淀處于輕度富營養(yǎng)化狀態(tài)，部分區(qū)域呈中度富營養(yǎng)化。富營養(yǎng)化程度在夏秋兩季較高，春季較低。隨著白洋淀的綜合整治，水質(zhì)有了一定改善，富營養(yǎng)化程度整體呈下降趨勢。

根據(jù)近3年的連續(xù)監(jiān)測，對白洋淀氮、磷的時空分布特征進行了分析和研究，結(jié)果表明，南劉莊氮、磷絕對濃度嚴重超標，屬于劣Ⅴ類水體，常年處于中度富營養(yǎng)化狀態(tài)。據(jù)研究，南劉莊20世紀50年代尚好，處于未污染狀態(tài)，20世紀70年代以來一直處于重度污染，近幾年雖得到改善，但仍是中度富營養(yǎng)狀態(tài)[10]。南劉莊位于白洋淀東部，接受府河污水，歷年來污染嚴重，降低通過府河輸入白洋淀的含氮、磷污染物總量是緩解白洋淀水體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵。