北海馮家江流域地表水體中氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的時(shí)空分布特征

陳 雯，吳 亞，張宏鑫，劉懷慶

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，湖北 武漢 430205)

河流是城市生存和發(fā)展必不可少的要素[1]，河流水質(zhì)是城市生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的綜合體現(xiàn)[2-3]。近年來(lái)，在我國(guó)城市化進(jìn)程持續(xù)快速發(fā)展的背景下，河流污染問(wèn)題日益突出，已經(jīng)成為制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重要瓶頸[4]，城市河流水環(huán)境治理已成為社會(huì)各界關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題[1]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)藥和化肥的大量使用、工業(yè)廢水和生活污水的排放、污染物填埋等造成的大量氮磷類(lèi)污染物的持續(xù)輸入，會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)河流的自?xún)裟芰?，一旦河流中氮磷污染物的濃度超過(guò)了臨界濃度(總氮為0.2 mg/L、總磷為0.02 mg/L)[5]，將會(huì)引發(fā)地表水體的富營(yíng)養(yǎng)化。地表水體的富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重威脅著水生態(tài)系統(tǒng)安全和飲水安全，是水污染治理的世界性難題[6-9]。科學(xué)地評(píng)價(jià)城市中地表水體的富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)狀，對(duì)于防治水體污染、開(kāi)展水體生態(tài)修復(fù)等工作具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

馮家江是廣西北海市區(qū)唯一的一條內(nèi)陸河流，具有獨(dú)流入海、“上庫(kù)下河”結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，是我國(guó)南方沿海“庫(kù)塘-河流-近?！睆?fù)合生態(tài)系統(tǒng)的典型代表[10]。2016年廣西北海濱海國(guó)家濕地公園成立后，馮家江作為國(guó)家濕地公園的主體部分，理應(yīng)保持較高的水環(huán)境質(zhì)量。然而,近年來(lái)馮家江周邊村鎮(zhèn)的快速擴(kuò)張和經(jīng)濟(jì)發(fā)展給馮家江流域水環(huán)境治理帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。因此，評(píng)價(jià)馮家江流域水環(huán)境質(zhì)量及其時(shí)空變化特征，可為該流域水環(huán)境防治提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)將對(duì)南方沿海地區(qū)的城市河海生態(tài)系統(tǒng)的水環(huán)境保護(hù)具有良好的示范作用。目前已有學(xué)者對(duì)馮家江流域水環(huán)境現(xiàn)狀進(jìn)行了研究，如王廣軍等[10-11]于2013年和2018年在馮家江流域開(kāi)展了水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其水質(zhì)為劣Ⅴ類(lèi)，地表水體呈富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。但從時(shí)空變化的角度對(duì)馮家江流域地表水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析的研究還鮮見(jiàn)報(bào)道。為此，本文通過(guò)對(duì)馮家江流域地表水體水質(zhì)進(jìn)行季節(jié)性監(jiān)測(cè)，研究了該流域地表水體中氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的時(shí)空分布特征，評(píng)價(jià)了地表水體富營(yíng)養(yǎng)化程度，并對(duì)污染源進(jìn)行了初步分析，以期為馮家江流域水環(huán)境保護(hù)與管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

馮家江(21°23′～21°29′N(xiāo)、109°09′～109°14′E)位于廣西北海市區(qū)南部沿海地區(qū)(見(jiàn)圖1)，該地區(qū)屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，年均氣溫為22.6℃，年均降雨量為1 751 mm，降雨主要集中在5～10月份，其占全年降雨量的80%以上，年蒸發(fā)量為1 166 mm。馮家江屬珠江流域沿海渚河水系，干流全長(zhǎng)為6.5 km，水域面積為21 km2。馮家江上游為鯉魚(yú)地水庫(kù)，中、下游為潮汐河流，每半個(gè)月有10 d左右為一日一回潮，其他時(shí)間為一日兩回潮[12]，河水由北向南流，在銀灘附近入海。馮家江下游生長(zhǎng)有大片紅樹(shù)林濕地。

馮家江流域內(nèi)土地利用類(lèi)型以農(nóng)業(yè)用地(菜地、羅漢松林)、居住區(qū)用地和高位養(yǎng)殖塘為主，三者面積占流域總面積的92%以上。其中，農(nóng)業(yè)用地集中分布在流域上游鯉魚(yú)地水庫(kù)周邊，其面積占比為14.5%；高位養(yǎng)殖塘集中分布在流域中、下游河流沿岸，其面積占比為26.2%；居住區(qū)用地面積占比為51.7%，主要分布在整個(gè)流域周邊。

2 樣品采集與測(cè)試方法

2.1 樣品采集

根據(jù)馮家江的自然形態(tài)，在該流域上游鯉魚(yú)地水庫(kù)庫(kù)區(qū)及支流、馮家江干流、支流及河口，共設(shè)置了14個(gè)代表性地表水采樣點(diǎn)(見(jiàn)圖1)，分別于2018年7月(夏季)和2019年1月(冬季)重復(fù)采集了兩期地表水樣品。于水面下約0.5 m處采集水樣，將每個(gè)水樣分別裝入2個(gè)500 mL的聚乙烯水樣瓶中密封保存，其中一瓶水樣中加入適量濃H2SO4調(diào)節(jié)至水樣pH<2，用于測(cè)定水樣中總氮(TN)、總磷(TP)濃度；另一瓶水樣用0.45 μm水系濾膜過(guò)濾后用于測(cè)定水樣中氨氮(NH3-N)、硝態(tài)氮(NO3-N)和可溶活性磷酸鹽(SRP)濃度。

2.2 測(cè)試方法

水樣的pH值、溶解氧(DO)、氧化還原電位(Eh)采用多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀(Manta+，USA)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，水樣中其他各項(xiàng)指標(biāo)采用文獻(xiàn)[13]中的方法進(jìn)行測(cè)定。其中，水樣中總氮(TN)含量采用堿性過(guò)硫酸鉀消解-紫外分光光度法測(cè)定；水樣中硝態(tài)氮(NO3-N)含量采用紫外分光光度法測(cè)定；水樣中氨氮(NH3-N)含量采用納氏試劑分光光度法測(cè)定；水樣中總磷(TP)含量采用過(guò)硫酸鉀氧化-鉬藍(lán)比色法測(cè)定；水樣中可溶活性磷酸鹽(SRP)含量采用鉬藍(lán)比色法測(cè)定。上述測(cè)試工作在國(guó)土資源部長(zhǎng)沙資源監(jiān)督檢測(cè)中心完成。

3 研究結(jié)果與討論

3.1 馮家江流域地表水體水化學(xué)特征

馮家江流域地表水體水化學(xué)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見(jiàn)表1。

由表1可知：馮家江流域地表水體的pH值在調(diào)查期間的夏、冬季均大于7，呈弱堿性，其中鯉魚(yú)地水庫(kù)水體的pH值相對(duì)較大；夏、冬季鯉魚(yú)地水庫(kù)水體中DO含量分別為2.14～14.92 mg/L、4.83～13.46 mg/L，河流水體中DO含量分別為5.36～8.41 mg/L、7.75～10.87 mg/L，水體中DO含量整體偏低，且地表水體中DO含量從夏季到冬季隨溫度的降低而升高，這可能是由于一方面冬季溫度低，地表水中氧氣的溶解度增大，另一方面冬季的低溫抑制了水生生物的耗氧活動(dòng)，減少了水體中氧氣的消耗；夏、冬季鯉魚(yú)地水庫(kù)水體的Eh值分別為146.89±82.70 mV、-9.76±106.16 mV，河流水體的Eh值分別為246.76±44.58 mV、158.26±56.71 mV，說(shuō)明夏季該流域地表水體處于更氧化的環(huán)境，這可能與春、夏季節(jié)農(nóng)業(yè)活動(dòng)來(lái)源的硝酸鹽輸入有關(guān)。

表1 馮家江流域地表水體水化學(xué)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.2 馮家江流域地表水體中氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的時(shí)空分布特征

氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽是引發(fā)河、湖、庫(kù)等地表水體發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵因素之一，也是河流生態(tài)系統(tǒng)中極其重要的生態(tài)因子，其以不同形式參與水體中水生植物的生物過(guò)程，顯著影響著河流生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力[15]。因此，查明河流中氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的時(shí)空變化特征是獲取水污染現(xiàn)狀、評(píng)價(jià)水環(huán)境質(zhì)量、進(jìn)行污染物溯源和防治以及河流生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)的前提。

在整個(gè)馮家江流域地表水體中TN濃度的均值為8.86 mg/L，近75%的水樣中TN濃度超過(guò)國(guó)家Ⅴ類(lèi)水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[14]，TN濃度最大值為38.1 mg/L，是Ⅴ類(lèi)水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的19.05倍；流域地表水體中TP濃度均值為3.72 mg/L，是Ⅴ類(lèi)水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的9.3倍，近90%的水樣中TP的濃度超過(guò)國(guó)家Ⅴ類(lèi)水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，TP濃度最大值達(dá)38.8 mg/L，超過(guò)Ⅴ類(lèi)水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的96倍；流域地表水體中NH3-N濃度均值為5.22 mg/L，是Ⅴ類(lèi)水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的2.6倍，近60%的水樣中NH3-N濃度超過(guò)國(guó)家Ⅴ類(lèi)水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，NH3-N濃度最大值為24.5 mg/L，是Ⅴ類(lèi)水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的12.25倍；流域地表水體中NO3-N濃度均值為3.04 mg/L，其最大值為28.22 mg/L；流域地表水體中SRP濃度均值為2.55 mg/L，其最大值為23.79 mg/L。

馮家江流域夏、冬季地表水體中氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度對(duì)比,見(jiàn)圖2。

圖2 馮家江流域夏、冬季地表水體中氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度對(duì)比

由圖2還可知，馮家江流域上游水庫(kù)水體中TP、SRP的平均濃度均為夏季低于冬季，流域中、下游河流水體中TP、SRP的平均濃度均為夏季高于冬季。馮家江流域上游水庫(kù)水體中磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度在夏季較低，一方面與雨水的稀釋作用有關(guān)，另一方面可能與夏季進(jìn)入水庫(kù)的地表徑流攜帶的懸浮物較多，水體中的磷被吸附于懸浮物表面有關(guān)[15]；而流域中、下游河流水體中磷的濃度則與氮類(lèi)似，表現(xiàn)為夏季高于冬季，可能與面源污染輸入和內(nèi)源磷釋放有關(guān)。

馮家江流域地表水體中氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的空間分布，見(jiàn)圖3。

由圖3可知：氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽高濃度區(qū)主要分布在上游庫(kù)區(qū)，隨著水流向下流動(dòng)，到馮家江河口其濃度逐漸減小。這主要是因?yàn)椋厚T家江流域上游水庫(kù)水動(dòng)力條件較差，進(jìn)入水體的氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽不易擴(kuò)散、稀釋?zhuān)饔蛑小⑾掠螢槌毕恿鳎瑵q潮時(shí)咸水上溯可以稀釋、帶走部分污染物；流域河口區(qū)生長(zhǎng)有一大片紅樹(shù)林濕地，濕地植物能有效吸收水體中的氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽；此外，沉積物吸附亦可截留部分營(yíng)養(yǎng)元素。因此，通過(guò)潮汐、濕地植物吸收、沉積物吸附等一系列過(guò)程，馮家江流域地表水體中的氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽被稀釋、截留，使水體表現(xiàn)出一定程度的自?xún)糇饔肹22]。

圖3 馮家江流域地表水體中氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的空間分布

3.3 馮家江流域地表水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)狀評(píng)估

對(duì)數(shù)型冪函數(shù)普適指數(shù)公式法廣泛應(yīng)用于河、湖、庫(kù)地表水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)[23-24]，其計(jì)算公式如下：

(1)

式中:EI為地表水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)綜合指數(shù)；EIj為指標(biāo)j的富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)普適指數(shù)；Wj為指標(biāo)j的歸一化權(quán)重值；Xj為指標(biāo)j的規(guī)范值。上述四者均為無(wú)量綱參數(shù)。

基于公式(1)，將各指標(biāo)視為等權(quán)重，以TN、NH3-N、NO3-N、TP和SRP作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算馮家流域地表水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)綜合指數(shù)EI，其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 馮家江流域地表水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)綜合指數(shù)(EI)

根據(jù)地表水體富營(yíng)養(yǎng)化程度分級(jí)方案[25](見(jiàn)表2)，由圖4可知：馮家江流域夏季地表水體所有采樣點(diǎn)均處于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，其中42.9%的水樣為重富營(yíng)養(yǎng)化，57.1%的水樣達(dá)到極富營(yíng)養(yǎng)化；與夏季相比，冬季地表水體富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)有一定程度的改善，達(dá)到重富營(yíng)養(yǎng)化、極富營(yíng)養(yǎng)化的樣點(diǎn)數(shù)量均有所下降，兩者占比分別為14.3%、21.4%，大部分樣點(diǎn)處于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，所占比例為50%，少量樣點(diǎn)為中營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，占比為14.3%；EI最高值出現(xiàn)在冬季的樣點(diǎn)1-3即鯉魚(yú)地水庫(kù)馬鞍塘農(nóng)場(chǎng)支流處，其主要原因是由于該樣點(diǎn)位于養(yǎng)豬場(chǎng)附近，養(yǎng)殖排污造成水體污染，且冬季為枯水期，水體流量減少、流動(dòng)性差，導(dǎo)致水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量升高，出現(xiàn)極富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象。

表2 地表水體富營(yíng)養(yǎng)化程度分級(jí)方案

氮磷質(zhì)量比(TN/TP)是地表水體營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵表征，反映了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸入對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)的影響。TN/TP變化會(huì)改變水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)限制性特征，對(duì)浮游植物的種類(lèi)和數(shù)量具有決定性的作用[26-28]。Piehler等[29]和Guildford等[30]提出了水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)限制性分類(lèi)方案，即：當(dāng)TN/TP≥22.6時(shí)，磷為主要限制因素；當(dāng)TN/TP≤9.0時(shí)，氮為主要限制因素；當(dāng)9.0

圖5 馮家江流域地表水體中氮磷比(TN/TP)的空間分布

由圖5可知：馮家江流域復(fù)、冬季地表水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)限制性特征是氮為主要限制因素，其中夏季地表水體處于氮限制狀態(tài)的樣點(diǎn)占比為57.1%，處于磷限制狀態(tài)的樣點(diǎn)占比為14.3%，適宜藻類(lèi)生長(zhǎng)的樣點(diǎn)占比為28.6%；冬季地表水體有85.7%的樣點(diǎn)處于氮限制狀態(tài)，有14.3%的樣點(diǎn)處于磷限制狀態(tài)，沒(méi)有適宜藻類(lèi)生長(zhǎng)的樣點(diǎn)。

3.4 馮家江流域地表水體水華爆發(fā)風(fēng)險(xiǎn)分析

河流藻類(lèi)水華的爆發(fā)取決于適合的氮磷比、緩慢的水流流速和適宜的氣候3個(gè)條件[31]。馮家江流域冬季地表水體主要處于氮限制狀態(tài)，且溫度較低，藻類(lèi)無(wú)法正常生長(zhǎng)；夏季地表水體部分樣點(diǎn)(4處)適宜藻類(lèi)生長(zhǎng)(見(jiàn)圖5)，占比為28.6%，其中2處樣點(diǎn)位于鯉魚(yú)地水庫(kù)支流，另外2處樣點(diǎn)位于馮家江支流和河口。位于鯉魚(yú)地水庫(kù)支流的2處樣點(diǎn)為1-2和1-6，其中樣點(diǎn)1-2是防洪明渠，基本為死水，樣點(diǎn)1-6水體流速緩慢，流速約為0.1～0.15 m/s，這兩處水體流速均小于藻類(lèi)生長(zhǎng)的臨界流速(0.2 m/s)，理論上具備了水華發(fā)生的條件，但由于這兩處支流水體濁度大、透明度小，光線(xiàn)的穿透率低，抑制了藻類(lèi)的光合作用和生長(zhǎng)繁殖，因此這兩處支流發(fā)生水華現(xiàn)象的風(fēng)險(xiǎn)較低。位于馮家江支流和河口的2處樣點(diǎn)為2-5和2-4，其中樣點(diǎn)2-5受排污的影響使得藻類(lèi)的生長(zhǎng)繁殖受到抑制，樣點(diǎn)2-4為馮家江河口，馮家江作為潮汐河流，由于潮汐作用，河流水動(dòng)力過(guò)程良好，河流流態(tài)具有連續(xù)性，其干流流速約為0.4～1.5 m/s，遠(yuǎn)大于藻類(lèi)生長(zhǎng)的臨界流速，因此該處發(fā)生水華現(xiàn)象的風(fēng)險(xiǎn)較低。綜上所述，可認(rèn)為馮家江流域地表水體大面積爆發(fā)水華的風(fēng)險(xiǎn)較低。

由于馮家江流域地表水體大部分樣點(diǎn)都處于氮限制狀態(tài)，說(shuō)明控制馮家江地表水體富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程的關(guān)鍵在于控制氮的污染負(fù)荷。由于馮家江流域地表水體中氮營(yíng)養(yǎng)鹽的來(lái)源主要與面源污染有關(guān)，為了保護(hù)河流生態(tài)環(huán)境，需基于流域上游水庫(kù)和中、下游河流水體的環(huán)境容量采取以下措施：①加強(qiáng)氮排放的削減力度，嚴(yán)格控制流域上游水庫(kù)周邊農(nóng)業(yè)及居民生活面源污染進(jìn)入地表水體；②控制磷營(yíng)養(yǎng)鹽輸入，防止地表水體營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)改變?yōu)檫m宜藻類(lèi)生長(zhǎng)繁殖的情況；③重視對(duì)流域下游紅樹(shù)林濕地的修復(fù)。

4 結(jié) 論

(1) 監(jiān)測(cè)期間馮家江流域地表水體中TN、TP、NH3-N的濃度均值分別為8.86 mg/L、3.72 mg/L、5.22 mg/L，分別是我國(guó)Ⅴ類(lèi)水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的19.05倍、9.3倍、1.6倍。該流域地表水體中氮、磷濃度呈季節(jié)性變化規(guī)律，即：全流域地表水體中氮濃度夏季高于冬季；磷濃度在流域上游水庫(kù)水體中表現(xiàn)為夏季低于冬季，在流域中、下游河流水體中表現(xiàn)為夏季高于冬季。氮、磷濃度從流域上游水庫(kù)到下游河口總體呈下降趨勢(shì)。

(2) 馮家江流域地表水體富營(yíng)養(yǎng)化程度夏季比冬季更加嚴(yán)重。其中，夏季地表水體所有樣點(diǎn)均達(dá)到重富營(yíng)養(yǎng)化(42.9%)、極富營(yíng)養(yǎng)化(57.1%)狀態(tài)；冬季地表水體達(dá)到重富營(yíng)養(yǎng)化、極富營(yíng)養(yǎng)化的樣點(diǎn)數(shù)量大幅下降，占比分別為14.3%、21.4%，且50%的樣點(diǎn)處于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，14.3%的樣點(diǎn)處于中營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。馮家江流域夏季和冬季地表水體總體處于氮限制狀態(tài)，不適合藻類(lèi)大量生長(zhǎng)繁殖，形成大面積水華的風(fēng)險(xiǎn)較低。

致謝：本文在撰寫(xiě)過(guò)程中，得到了中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心陳雙喜、余紹文高級(jí)工程師的悉心指導(dǎo)，林榮俊助理工程師參與了野外調(diào)查和取樣工作，在此一并表示衷心感謝！