南湖及周邊水體中氮的時空分布、影響因素及控制對策

王書航,鄭朔方*,蔡青,姜霞,車霏霏,趙麗

1.國家環(huán)境保護(hù)湖泊污染控制重點(diǎn)實驗室，中國環(huán)境科學(xué)研究院 2.湖泊水污染治理與生態(tài)修復(fù)技術(shù)國家工程實驗室，中國環(huán)境科學(xué)研究院

氮是自然界廣泛存在的基本元素之一，同時也是引起湖泊富營養(yǎng)化的關(guān)鍵要素之一。2019年生態(tài)環(huán)境部對全國57個重點(diǎn)湖泊的監(jiān)測表明[1]，約50%的湖泊處于富營養(yǎng)化水平，富營養(yǎng)化是我國湖泊目前與今后相當(dāng)長一段時期內(nèi)的重大水環(huán)境問題之一。城市湖泊因受城市建設(shè)、居民生活等因素的影響，收納了大量的點(diǎn)源和面源污水，是受人類影響最為嚴(yán)重的生態(tài)系統(tǒng)之一[2]。同時，由于水體面積往往較小，水體自凈能力差，城市湖泊面臨著水體污染和生態(tài)系統(tǒng)退化的雙重壓力，常表現(xiàn)為富營養(yǎng)化或者重度富營養(yǎng)化狀態(tài)[3]。

南湖位于浙江省嘉興市，由運(yùn)河各渠匯流而成，屬過水湖泊，上承長水塘和海鹽塘，下泄于平湖塘和長纖塘，南湖四周地勢低平，河港縱橫。湖南北長，東西狹，水域面積僅為0.42 km2。近年通過嘉興市水環(huán)境治理，南湖水體總氮(TN)濃度雖呈降低趨勢，但仍超過GB 3838—2002Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。2018年監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，南湖水體TN濃度高達(dá)3.59 mgL，雖然TN不是南湖水質(zhì)考核的指標(biāo)，但其較高的濃度水平會對南湖水體富營養(yǎng)化產(chǎn)生直接影響，應(yīng)該引起關(guān)注。筆者對南湖水體氮進(jìn)行了全面調(diào)查，深入分析水體氮的組成及時空分布特征，同時探究氮的來源及影響因素，并提出了控制措施，以期為南湖水環(huán)境治理提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

于2018年8月(豐水期)和2019年1月(枯水期)于南湖及周邊水體布設(shè)56個采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)分布見圖1(a)；于2018年10月在南湖湖區(qū)布設(shè)50個采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)分布見圖1(b)。在每個采樣點(diǎn)使用有機(jī)玻璃采水器，采集表層0.5 m處水樣，同時，每個采樣點(diǎn)用彼得森采泥器采集表層0～20 cm范圍內(nèi)的底泥樣品，挑出雜質(zhì)，置于自封袋中。將采集的水樣馬上置于保溫箱中低溫保存，盡快運(yùn)輸至實驗室，并在48 h內(nèi)完成相關(guān)指標(biāo)的分析測試，采集的底泥樣品進(jìn)行冷凍干燥。

圖1 南湖周邊水體及南湖采樣點(diǎn)位Fig.1 Sampling points and location in the surrounding river network of Nanhu Lake

1.2 監(jiān)測指標(biāo)

水質(zhì)指標(biāo)包括TN、溶解性總氮(DTN)、顆粒態(tài)氮(PN)、氨氮、硝氮、溶解性有機(jī)氮(DON)濃度。其中，TN濃度用采集的原水樣進(jìn)行測定；DTN、氨氮、硝氮濃度測定前，需將原水經(jīng)0.45 μm的混合纖維濾膜過濾。

TN和DTN濃度采用堿性過硫酸鉀氧化-分光光度法測定，硝氮濃度采用紫外吸收法測定，氨氮濃度采用納氏試劑光度法測定，PN濃度利用TN與DTN差減法獲得，DON濃度利用DTN與硝氮及氨氮差減法獲得。底泥經(jīng)冷凍干燥后過100目篩，底泥中TN濃度利用元素分析儀進(jìn)行測定。上述指標(biāo)具體分析測試方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[4]和《沉積物質(zhì)量調(diào)查評估手冊》[5]。

2010—2018年逐月TN濃度采用嘉興市生態(tài)環(huán)境局的南湖監(jiān)測斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 南湖水體氮的季節(jié)變化特征

圖2 南湖水體TN濃度季節(jié)變化Fig.2 Seasonal variations of TN concentration in the water of Nanhu Lake

2010—2018年逐月監(jiān)測結(jié)果(圖2)顯示，南湖水體中TN濃度季節(jié)變化特征明顯。總的來說，水體TN月均濃度為2.51～5.91 mgL，均值為4.18 mgL，其中1—4月TN濃度較高，隨后逐漸下降，9月達(dá)到最低，之后再次回升；總體表現(xiàn)為枯水期TN濃度高于豐水期，且各月TN濃度均超過地表水Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(2 mgL)。從季節(jié)變化來看，水體TN濃度冬季(12月—翌年2月)>春季(3—5月)>夏季(6—8月)>秋季(9—11月)。南湖屬于過水性水體，換水周期較短(2～3 d)，南湖水體中氮的濃度水平可能是外源和內(nèi)源共同影響的結(jié)果。

注：箭頭表示水體流向。圖3 南湖水體TN、DTN、硝氮和氨氮濃度的空間分布Fig.3 Spatial distribution characteristics of TN, DTN, nitrate and ammonia nitrogen in the water of Nanhu Lake

2.2 南湖水體氮的空間變化特征

2018年10月南湖水體TN的調(diào)查結(jié)果顯示，其TN濃度為3.81～4.99 mgL，均值為4.32 mgL，是Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值的2.16倍。南湖水體不同形態(tài)氮的空間分布如圖3所示。

由圖3可見，TN濃度從南湖西南角和東南角向北部出口逐漸遞減，而在南部堤岸周圍的TN濃度明顯低于其他區(qū)域。湖體中氮主要以溶解性氮為主，DTN的濃度為3.49～4.39 mgL，均值為3.88 mgL，其空間分布與TN基本一致。硝氮濃度為1.18～2.15 mgL，均值為1.66 mgL，其濃度占DTN濃度的比例為33%～47%；硝氮濃度的分布呈現(xiàn)出與TN和DTN幾乎相反的趨勢，高值主要出現(xiàn)在湖心島西北部湖區(qū)以及南部堤岸的周圍區(qū)域，低值則出現(xiàn)在西南側(cè)與東南側(cè)湖灣。氨氮濃度相對較低(0.67～1.67 mgL)，占DTN濃度的比例為19%～35%，均值為1.22 mgL，在地表水Ⅲ類～Ⅴ類水質(zhì)范圍內(nèi)波動。氨氮濃度的空間分布與TN和DTN較為相似，特別是在整個西南部至北部區(qū)域的濃度高于東南湖區(qū)。不同氮形態(tài)的空間變化受到內(nèi)、外源輸入與浮游植物生長代謝等的綜合影響。另外，南湖水體中少部分氮以DON的形式存在，其濃度為0.60～1.87 mgL。

總的來說，南湖水體中TN、DTN和氨氮濃度的空間分布趨于一致，高值多出現(xiàn)在西南及東南部的入湖河流附近，且在北部出口處也有部分高值出現(xiàn)，而低值多分布在湖體南部堤岸附近。表明南湖水體中氮的空間分布受到匯入南湖的河流中氮濃度的影響，城鄉(xiāng)生活污水、畜禽養(yǎng)殖廢水以及農(nóng)田徑流可能是造成南湖水體氮污染的主要外因[6]。另外，值得注意的是，在湖心島周邊部分區(qū)域各形態(tài)氮也呈現(xiàn)較高濃度水平，這可能是由于嘉興南湖是著名的紅色旅游圣地，每年有大量游客乘游船至湖心島瞻仰“南湖紅船”，由游船船行波造成的水體擾動可能促使底泥中營養(yǎng)鹽的釋放，從而使得上述形態(tài)氮在以湖心島為中心的游船航線區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生富集。

2.3 南湖及周邊水體氮的空間變化特征

為進(jìn)一步探究河流來水對南湖氮濃度的影響，對南湖及周邊水體TN濃度進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，南湖及周邊水體的TN濃度為1.39～8.82 mgL，其中1月TN濃度均值(4.66 mgL)略高于8月(4.44 mgL)，但二者間無顯著差異(P> 0.05)，且均超過Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值。從空間分布來看(圖4)，南湖周邊水體TN在1月和8月空間分布特征保持一致，即西部和北部河流TN濃度較高，其中高值主要集中在蘇州塘、杭州塘、長纖塘以及新塍塘，低值則主要出現(xiàn)在姚家蕩、海鹽塘等區(qū)域。而對于南湖湖體來說，1月TN濃度也明顯高于8月，與2.2節(jié)中氮的季節(jié)變化趨勢相一致。

圖4 南湖及周邊水體1月和8月TN濃度空間分布Fig.4 Spatial distribution characteristics of TN concentration in Nanhu Lake and its surrounding river water in January and August

研究表明[7]，杭州、湖州、蘇州流入嘉興的水大部分為Ⅴ類和劣Ⅴ類水質(zhì)，而且隨著經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展，嘉興市轄區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)面源污染和生活污水、工業(yè)廢水排放等都會影響南湖及周邊水體中氮的濃度水平。位于西部及北部的外環(huán)河道是京杭運(yùn)河主航道，據(jù)統(tǒng)計[8]，京杭運(yùn)河嘉興段的年貨運(yùn)量約為10 564.195萬t，且60%以上的船舶超過了4級航道規(guī)定的500 t載重噸位，大噸位船舶航運(yùn)對河道的底泥擾動強(qiáng)烈，易造成底泥再懸浮及氮的釋放，加之船舶油污泄漏，從而使該區(qū)域水體中TN濃度高于其他區(qū)域。而該區(qū)域河道的水正是南湖來水水源之一，高濃度含氮水的輸入勢必對南湖水體氮濃度造成影響。

2.4 南湖及周邊水體底泥中氮的空間變化特征

2018年10月對南湖湖區(qū)表層底泥TN濃度調(diào)查發(fā)現(xiàn)〔圖5(a)〕，其TN濃度為758.20～4 956.83 mgkg，均值為2 260.71 mgkg；2018年8月對南湖及周邊水體表層底泥TN濃度調(diào)查發(fā)現(xiàn)〔圖5(b)〕，其TN濃度為268.21～5 954.28 mgkg，均值為1 470.08 mgkg。南湖湖區(qū)底泥TN濃度高值大部分集中在湖心島周邊受人類活動影響相對較大的區(qū)域，同時湖區(qū)表層底泥TN濃度明顯高于南部河流，說明外源輸入的污染物在南湖底泥中得到了累積；另外在南湖北部河道部分河段也存在底泥TN濃度較高的情況。

圖5 南湖及周邊水體底泥TN濃度空間分布Fig.5 Spatial distribution characteristics of TN concentration in sediments of Nanhu Lake and its surrounding river network

3 討論

3.1 南湖水體TN濃度與其他湖泊對比

研究表明[9]，我國大多數(shù)湖泊已經(jīng)或正面臨著富營養(yǎng)化問題，長江中下游平原地區(qū)人口稠密，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，受人類活動影響較大，成為我國目前湖泊富營養(yǎng)化最嚴(yán)重的地區(qū)。通過對長江中下游部分湖泊文獻(xiàn)調(diào)研(表1)發(fā)現(xiàn)，除梁子湖外，這些湖泊水體TN濃度均較高，處于Ⅳ類～Ⅴ類水平。而南湖水體TN濃度遠(yuǎn)高于這些湖泊。研究表明[6]，城鄉(xiāng)居民生活污水、畜禽養(yǎng)殖廢水、農(nóng)田徑流是造成南湖水系水污染的主要原因。另外，這些湖泊表層底泥TN濃度也存在著差異，南湖表層底泥TN濃度顯著高于巢湖、太湖、鄱陽湖和瘦西湖等湖泊，但低于東湖、西湖等城市湖泊。王健等[10]通過對我國東部100個淺水湖泊表層底泥TN濃度進(jìn)行分析研究，將我國東部典型湖泊底泥TN濃度的參考閾值確定為1 106～1 115 mgkg。表1所列長江中下游湖泊中均有超過該參考閾值的區(qū)域，本研究中南湖湖區(qū)表層底泥94%的采樣點(diǎn)TN濃度超過1 115 mgkg，說明南湖湖區(qū)表層底泥TN存在大面積富集現(xiàn)象，而在船舶擾動條件下，內(nèi)源氮的釋放必會引起水體氮濃度的增加。

表1 南湖TN濃度與其他湖泊對比

3.2 南湖及周邊水體氮的組成特點(diǎn)及影響因素

從氮的組成上看，DTN在南湖及周邊水體的氮中占絕對優(yōu)勢，其濃度為1.08～6.04 mgL，均值為3.74 mgL，占水體TN濃度的比例平均為83.96%；PN的濃度為0.11～3.29 mgL，均值為0.75 mgL。多元回歸曲線表明〔圖6(a)〕，DTN和PN都與TN呈顯著正相關(guān)(P<0.01)，但DTN與TN相關(guān)性更為顯著(R2為0.82)，進(jìn)一步證實了南湖水系中氮的時空分布主要受DTN的影響。

值得關(guān)注的是，南湖水體1月的DTN濃度均值明顯高于8月〔圖7(a)〕。一般來說，夏季正值水中微生物旺盛生長的時期，特別是8月南湖微生物量相對較高[27]，微生物迅速增殖期間對氮素的大量攝取，可能使得水體中氮濃度明顯下降。DTNTN在1月的平均值(0.87)高于8月(0.74)，也從側(cè)面證實了8月微生物對水體氮的吸收。同時，Xu等[28-29]提出，夏季較高溫度下反硝化脫氮作用強(qiáng)烈，也容易造成水體氮濃度的降低。另一方面，根據(jù)趙林林等[30]對太湖水體TN賦存量的逐月調(diào)查結(jié)果，水位與TN濃度呈負(fù)相關(guān)。嘉興市地處北亞熱帶南緣，屬東亞季風(fēng)區(qū)，春夏季多雨的氣候特征有利于8月(豐水期)南湖水系水量的增加，從而對水體中的氮濃度起到稀釋作用。相對而言，冬季水體中DTN濃度顯著升高，則可能來自于微生物死亡分解引起的氮釋放，1月(枯水期)南湖水系水量的減少也有利于水體中氮的濃縮。1月南湖水系中氨氮的平均濃度也高于8月〔圖7(b)〕。通常，氨氮的外源污染主要來自于未加處理或處理不完全的工業(yè)廢水和生活污水，而上述來源一般不存在顯著的月際差異[31-32]，因此南湖及周邊水體氨氮濃度在豐水期與枯水期的差異可能同樣主要源于水量增減以及微生物的影響，特別是夏季豐水期高溫條件下反硝化作用強(qiáng)，這可能是8月氨氮濃度降低的一個重要原因。

圖6 DTN、PN與TN相關(guān)性及其占TN的相對比例Fig.6 Correlation among DTN, PN and TN, and relative proportions of DTN and PN in TN

圖7 DTN和氨氮濃度分布特征Fig.7 Distribution characteristics of DTN and ammonia nitrogen concentration

總的來說，南湖水系水體中的氮以溶解態(tài)占絕對優(yōu)勢，且枯水期氮濃度較高，底泥釋放的內(nèi)源污染以及生活污水、工業(yè)廢水的外源貢獻(xiàn)影響著氮的空間分布，而豐水期枯水期的水量變化以及水環(huán)境中微生物的生長消亡造成了水體氮的月際差異。

3.3 南湖及周邊水體氮的控制策略

綜上，南湖水體氮污染主要來源于人類生產(chǎn)、生活造成的外源輸入，同時也受到湖區(qū)游船擾動引起的內(nèi)源釋放以及水量的影響，因此建議從以下幾個方面控制南湖氮污染：1)針對城鄉(xiāng)居民生活污水、畜禽養(yǎng)殖廢水造成的污染需要采取截污治污措施，加快城鎮(zhèn)生活污水配套管網(wǎng)建設(shè)，抓緊實施老城區(qū)的雨污分流，提高城鎮(zhèn)生活污水收集率；同時加強(qiáng)對現(xiàn)有污水處理設(shè)施的運(yùn)行管理，重視對污水處理廠脫氮除磷工藝的改造，從源頭控制高濃度含氮污水排入河道。2)針對農(nóng)田徑流、城鎮(zhèn)徑流造成的面源污染，這類含氮污染物通常先匯入河流，因此可對入湖河道進(jìn)行綜合整治；針對南湖主要入湖河道污染嚴(yán)重區(qū)域進(jìn)行河道清淤、岸線綠化、堤防加固等綜合整治，使南湖來水水質(zhì)得以改善。3)針對豐水期枯水期水量變化對南湖水體氮濃度的影響，可建設(shè)固定式生態(tài)補(bǔ)水工程設(shè)施；基于斜板沉淀、高效沉淀和超磁分離工藝的一級物化處理能短時間內(nèi)降低水體營養(yǎng)鹽濃度，提升湖區(qū)水體的透明度，同時為沉水植物恢復(fù)提供基礎(chǔ)條件。4)針對南湖湖體內(nèi)源污染需開展湖區(qū)生態(tài)修復(fù)，根據(jù)南湖水質(zhì)現(xiàn)狀，在局部污染嚴(yán)重區(qū)開展底泥環(huán)保疏浚，減少內(nèi)源釋放對水體氮的貢獻(xiàn)；同時在湖區(qū)選擇適宜進(jìn)行沉水植物種植的區(qū)域進(jìn)行先期生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)，構(gòu)建局部“水下森林”生境，對局部水體進(jìn)行凈化，去除懸浮物，提升南湖水體的透明度，增加水體溶解氧濃度，降低氮、磷營養(yǎng)物濃度。通過上述源頭管控—過程攔截—湖體修復(fù)擴(kuò)容的全程控制措施，讓南湖呈現(xiàn)水清、流暢、岸綠、景美的新面貌。

4 結(jié)論

(1)多年逐月監(jiān)測結(jié)果顯示，南湖水體TN濃度為2.51～5.91 mgL，均值為4.18 mgL，TN濃度的季節(jié)變化特征為冬季>春季>夏季>秋季，各季節(jié)TN濃度均超過Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值。

(2)空間調(diào)查結(jié)果顯示，南湖水體TN濃度為3.81～4.99 mgL，均值為4.32 mgL；高值出現(xiàn)在西南及東南側(cè)的入湖河流附近，且在北部出口處也有部分高值出現(xiàn)；低值多分布在湖體南部堤岸附近；此外，TN在湖心島周邊部分區(qū)域也呈現(xiàn)較高濃度水平。

(3)南湖及周邊水體的TN濃度為1.39～8.82 mgL，高值多出現(xiàn)在西部及北部水體中，水體中氮主要以溶解態(tài)(83.96%)形式存在，且DTN與氨氮在枯水期(1月)的濃度高于豐水期(8月)。

(4)南湖水體TN的改善需結(jié)合湖內(nèi)、湖外綜合整治工程，實現(xiàn)從源頭到湖體的全過程治理。