黃河下游營養(yǎng)鹽濃度月際變化及其對水庫泄洪事件的響應(yīng)?

王 允， 張紅梅， 吳 念, 2??， 張桂玲, 2， 劉素美, 2

(1. 中國海洋大學(xué)深海圈層與地球系統(tǒng)前沿科學(xué)中心 海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點實驗室， 山東 青島 266100;2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點國家實驗室 海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實驗室， 山東 青島 266237)

黃河是中國第二長河流，以水少沙多聞名世界，歷史年均輸沙量可達(dá)15.6×108t[1]，約占全球向海洋輸送總沉積物的6%。黃河屬于典型的水沙異源河流，雖然入海徑流量和泥沙通量的相關(guān)性高[2]，但年內(nèi)水沙分配具有明顯的季節(jié)性特征，洪枯季明顯。近年來，黃河上游和中游修建水庫蓄水，工農(nóng)業(yè)發(fā)展對水的需求量也不斷增大，下游徑流量逐漸減少，水沙矛盾突出，黃河進(jìn)入了枯水少沙期[3-5]。

黃河水利委員會于2002年開啟調(diào)水調(diào)沙工程，聯(lián)合調(diào)度水庫沖沙入海，14%～56%的年徑流量和26%～87%的年泥沙通量[6-10]在一個月內(nèi)被輸入渤海，自此黃河進(jìn)入人工調(diào)控的新時期，水沙通量與時空特征發(fā)生重大轉(zhuǎn)變[11]。除水沙外，調(diào)水調(diào)沙同時改變了黃河生源要素的輸運特征，調(diào)水調(diào)沙在短時間內(nèi)將大量營養(yǎng)鹽輸送入渤海，短短20天的時間可以輸送全年23%～68%的營養(yǎng)鹽通量[6-10,12]。

本文通過2017年12月—2019年12月每月和2018年7月逐日在黃河墾利站的調(diào)查，聚焦黃河水體中的水沙和營養(yǎng)鹽變化，揭示了黃河水庫泄洪事件對水沙與營養(yǎng)鹽濃度和通量的影響，探討了黃河氮磷比月際變化與水庫泄洪期間的日變化，分析了實施和未實施水庫泄洪的年份黃河下游水體中富營養(yǎng)化潛力指標(biāo)及目前黃河下游營養(yǎng)鹽濃度在世界河流中的水平，為進(jìn)一步深入探討黃河水沙與營養(yǎng)鹽輸運對渤海生態(tài)環(huán)境的影響提供了背景參考。

1 采樣與分析

于2017年12月—2019年12月每月下旬在山東省東營市墾利縣黃河勝利浮橋(37°36′17″N，118°31′49″E)設(shè)置斷面采集水樣，分別在該斷面左、中、右3個站位取樣，為遠(yuǎn)離沿岸污染帶，左、右2個站位設(shè)在了河道寬度的三分之一處。從2018年6月中旬開始黃河流域持續(xù)降雨，7月8日上游唐乃亥站形成了當(dāng)年的第1號洪水，7月13日時唐乃亥流量高達(dá)3 400 m3/s；受7月10—12日強降雨影響，涇、渭河洪水匯合，渭河臨潼站洪峰流量達(dá)到4 450 m3/s；7月22—23日在強降雨影響下，蘭州站形成了當(dāng)年第2號洪水，流量高達(dá)3 400 m3/s(泥沙公報，http://www.yrcc.gov.cn/zwzc/gzgb/gb/nsgb/)。為應(yīng)對黃河洪水威脅，黃河水利委員會7月3日啟動了小浪底水庫的調(diào)水調(diào)沙工程，聯(lián)合調(diào)度三門峽、小浪底水庫開展防洪預(yù)泄，騰庫迎洪，直至7月31日事件結(jié)束。因此，于2018年7月5日—8月6日水庫泄洪期間在山東省東營市利津縣利津浮橋(37°30′51″N，118°18′24″E)進(jìn)行每日采樣觀測，采集水庫泄洪期間的水樣，利津浮橋處黃河水深6 m，每次選取河道中間表(1 m)、中(3 m)、底(4 m)進(jìn)行分層采樣。2.5 L的采樣桶用濃硫酸蕩洗，再用Milli-Q水洗至中性后用于樣品采集。隨后，使用Nalgene濾器和0.4 μm孔徑的聚碳酸酯濾膜對所采水樣進(jìn)行過濾，過濾后的水樣裝入樣品瓶中，-20 ℃冷凍保存。其中濾器與125 mL高密度聚乙烯樣品瓶預(yù)先泡酸(VHCl∶V水=1∶100)并用Milli-Q水洗至中性后使用。

2 結(jié)果與討論

2.1 黃河下游水沙和營養(yǎng)鹽的月變化

2.1.1 水沙特征 圖1是2017年12月—2019年12月黃河下游利津站的水沙月變化，水沙通量主要集中在7—10月豐水期。2018年豐水期徑流量和輸沙量分別為203×108m3和2.62×108t，分別占年徑流量和輸沙量的61%和88%。2019年豐水期徑流量和輸沙量分別為185×108m3和2.31×108t，分別占年徑流量和輸沙量的59%和82%。黃河流域降水主要集中在夏季豐水期，且春季黃河流域農(nóng)業(yè)灌溉用水量大，導(dǎo)致黃河下游入海徑流呈現(xiàn)枯水期低豐水期高的變化。豐水期時黃河強降雨沖刷河道、河床，地表受到侵蝕導(dǎo)致水中懸浮物增多，因此豐水期輸沙量大，這種現(xiàn)象在調(diào)水調(diào)沙的月份更明顯(見圖1)。

(數(shù)據(jù)來源于泥沙公報：http://www.yrcc.gov.cn/zwzc/gzgb/gb/nsgb/。Data were from the Yellow River Sediment Bulletin: http://www.yrcc.gov.cn/zwzc/gzgb/gb/nsgb/.)

圖2 2017年12月—2019年12月黃河下游營養(yǎng)鹽濃度與通量月變化

2.1.3 磷 黃河下游DIP、DOP和TDP的濃度變化范圍分別為0.12～0.27、0.04～0.24和0.16～0.41 μmol/L(見圖2)。各形態(tài)磷的總體含量較低，2018和2019年DIP最高濃度均出現(xiàn)在9月，最低濃度均出現(xiàn)在1月。DIP在TDP中的比例占優(yōu)，占39%～77%。DIP濃度豐水期含量高于枯水期，DOP和TDP濃度枯水期高于豐水期(見圖2)。大氣的干濕沉降和農(nóng)業(yè)施肥以及工業(yè)和生活污水是黃河中TDP的主要來源，磷酸鹽的礦物在水中溶解度較低，DIP容易形成難溶化合物，導(dǎo)致DIP在黃河水體中含量低[22-23]。

2.1.4 硅 DSi濃度變化范圍為71.4～119 μmol/L，豐水期高于枯水期(見圖2)。黃河水中DSi的主要來源是流域硅酸鹽的風(fēng)化，而風(fēng)化程度與河流水溫、徑流量及機械剝蝕程度有關(guān)[24-26]。河流DSi的濃度變化與懸浮顆粒物的含量有密切關(guān)系，因此豐水期時黃河流域徑流量大，泥沙含量高，水體中懸浮顆粒物增加時，DSi的濃度升高[12,24-27]。

2.1.5 營養(yǎng)鹽比值與入海通量月變化 2017年12月—2019年12月黃河下游DIN/DIP、DSi/DIP和DSi/DIN比值的變化范圍分別為635～3 360、414～1 140和0.25～0.76。觀測期間DSi/DIN比值呈現(xiàn)升高趨勢，DIN/DIP和DSi/DIP比值呈現(xiàn)降低的趨勢(見圖3)。營養(yǎng)鹽比值的變化，可能與近年來黃河流域生態(tài)環(huán)境變化，黃河下游營養(yǎng)鹽濃度降低且DIN的降低幅度更大有關(guān)[10]。但黃河下游的氮磷硅比值依舊嚴(yán)重偏離Redfield比值[6-7,9,12,28]，黃河磷的相對限制仍然存在，黃河營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)仍處于失衡狀態(tài)。當(dāng)黃河下游懸浮顆粒物降低，水體光限制減輕時，磷的相對限制可能更加突出[10]，是影響黃河下游及黃河口浮游植物生長繁殖的重要因素。

圖3 2017年12月—2019年12月黃河下游氮磷硅比值月變化

2.2 水庫泄洪期間黃河下游水沙和營養(yǎng)鹽變化

2018年7月5日—8月6日黃河下游進(jìn)行了水庫泄洪。小浪底徑流從7月3日增加，7月4日(3 700 m3/s)達(dá)到第一個流量峰值；7月5日含沙量增大，7月9日出現(xiàn)第一個沙峰(154 kg/m3)(見圖4)。小浪底開閘放水5天后，利津站徑流量開始受到水庫泄洪事件的影響(見圖4)，徑流量和含沙量分別從7月8日和7月12日開始升高，分別在7月11日(3 550 m3/s)和7月14日(26.9 kg/m3)出現(xiàn)第一個峰值后開始下降(見圖4)。隨后受到7月11日渭河暴雨影響，小浪底水庫再次進(jìn)行了防洪調(diào)控，下泄洪水，于7月16日下游利津站徑流量與泥沙量再次升高，在7月21日出現(xiàn)了水沙峰值，直到7月31日左右，利津站的水沙量恢復(fù)至水庫泄洪事件前的水平(事件前7月3日—7日利津站平均流量為1 246 m3/s)(見圖4)。利津站出現(xiàn)的第一個沙峰滯后于水峰，主要受到了水庫泄洪事件前半段調(diào)水調(diào)沙的影響，因此純粹的調(diào)水調(diào)沙影響天數(shù)僅為8天(見圖4)；第二個水沙峰值基本同步出現(xiàn)，主要受到了水庫泄洪事件后半段洪水的影響，后半段洪水對利津站的影響天數(shù)為16天(見圖4)。

(其中第①階段為水庫泄洪事件前期，第②階段為調(diào)水調(diào)沙期，第③階段為泄洪期，第④階段為水庫泄洪事件結(jié)束期。數(shù)據(jù)來源：http://www.yrcc.gov.cn。① Before the reservoir flood discharge event, ② during the water and sediment regulation event respectively, ③ and ④ represent the period during and after the flood discharge event. Data were from http://www.yrcc.gov.cn.)

黃河下游利津站從水庫泄洪事件開始后DIN和DSi濃度呈顯著增加的趨勢，其中DIN的變化與水沙均具有相關(guān)性(P<0.000 1，見表1)，而DSi僅與含沙量具有相關(guān)性(P<0.005，見表1)。在調(diào)水調(diào)沙階段，DIN和DSi較調(diào)水調(diào)沙前分別平均增加了27%和34%，并在7月13日均出現(xiàn)第一個濃度峰值(見圖5)。從DIN和DSi濃度開始升高的時間以及參考本實驗室2017年6月在小浪底庫區(qū)測得的未發(fā)表的營養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)，二者在調(diào)水調(diào)沙過程中濃度的變化可能主要受到小浪底水庫下泄水體的影響，下泄的水體含高濃度營養(yǎng)鹽且后期攜帶了大量的泥沙使DIN和DSi濃度升高。進(jìn)入泄洪階段后，DIN和DSi濃度依舊保持相對高值，但DIN隨著泄洪后期徑流量和含沙量的降低呈現(xiàn)降低的趨勢(見圖5)，并在8月6日整個事件結(jié)束后濃度降低至213 μmol/L，這與本實驗室在2018年9月小浪底庫區(qū)采集的DIN濃度基本一致。而DSi卻在泄洪事件結(jié)束后依舊保持相對高值，一方面是因為黃河沿岸土壤間隙水中具有3 340～9 700 μmol/L的DSi[27]，在受到暴雨洪水沖刷黃河流域土壤后，機械剝蝕加強，導(dǎo)致DSi從河床沿岸土壤中釋放出來；另一方面同樣在整個事件結(jié)束后DSi的濃度與當(dāng)年9月小浪底水庫的DSi濃度基本相當(dāng)，即利津站可能基本保持了小浪底水庫下泄水體中的DSi濃度。水庫泄洪期DON濃度變化較為波動(見圖5)，但與徑流量正相關(guān)(r=0.49，P<0.005，n=33，見表1)，可能是徑流沖刷河道，導(dǎo)致水體中的有機物濃度變化[9]。

圖5 水庫泄洪期間營養(yǎng)鹽濃度與入海通量變化

在水庫泄洪過程中，黃河下游利津站DIP和DOP的濃度變化趨勢基本一致，均為先降低后升高(見圖5)。DIP(r=-0.78，P<0.000 1，n=33)和DOP(r=-0.64，P<0.000 1，n=33)濃度均與利津站徑流量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)(見表1)，隨著徑流量的增大，DIP和DOP濃度受到稀釋而降低，到泄洪接近結(jié)束時，徑流量大幅降低，稀釋作用減弱，DIP和DOP的濃度開始再次升高。另一方面，DIP濃度與含沙量也呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(r=-0.51，P<0.005，n=33)，主要是DIP容易受到水體中的懸浮顆粒物的吸附[9,29-30]，導(dǎo)致濃度隨著含沙量的增加而降低。

水庫泄洪期間DIN/DIP平均比值為1 712，較年均比值差別不大；DSi/DIP平均比值855， 較年均比值的615升高了39%；DSi/DIN平均比值0.51，較年均比值的0.38升高34%(見圖6)。水庫泄洪期營養(yǎng)鹽比例嚴(yán)重偏離Refield比值，加劇了營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)不平衡的現(xiàn)象。渤海河口區(qū)域近年來甲藻赤潮頻發(fā)與人為活動影響下的氮磷硅營養(yǎng)鹽輸入不均衡有關(guān)，造成黃河口及其鄰近海域初級生產(chǎn)力與浮游植物群落結(jié)構(gòu)改變[31-32]。

圖6 水庫泄洪期間氮磷硅比值變化

2018年黃河下游受到水庫泄洪影響期間(7月8日—7月31日)，利津站營養(yǎng)鹽入海通量與徑流量和含沙量均具有相關(guān)性(見表1)，且變化趨勢基本一致(見圖5)。2018年8天的調(diào)水調(diào)沙期間利津站輸送的營養(yǎng)鹽通量占全年營養(yǎng)鹽入海通量的4%～8%，16天的泄洪期間利津站輸送的營養(yǎng)鹽通量占全年營養(yǎng)鹽入海通量的9%～18%。雖與2002—2012年間調(diào)水調(diào)沙和洪水期分別平均在營養(yǎng)鹽年入海通量中所占的38%和24%比例比較[9]，此次水沙調(diào)控事件輸送營養(yǎng)鹽比例相對偏低，但在短短24天內(nèi)人為的調(diào)水庫泄洪事件導(dǎo)致輸入渤海的營養(yǎng)鹽占據(jù)了全年營養(yǎng)鹽輸送通量的13%～25%，仍舊在全年營養(yǎng)鹽輸送通量中扮演重要的角色。

表1 黃河下游利津站水庫泄洪期日徑流量(m3/s)、含沙量(kg/m3)與營養(yǎng)鹽濃度(C：μmol/L)和通量(F：mol/d)關(guān)系

2.3 黃河富營養(yǎng)化潛力指標(biāo)的分析

富營養(yǎng)化潛力指標(biāo)(ICEP)是指陸源輸送的氮或磷通量超過硅的那部分通量來維持的碳生物量[6,33-34]，表示陸地河流營養(yǎng)鹽輸出通量對海洋富營養(yǎng)化的潛在影響。ICEP為負(fù)值表示海岸帶發(fā)生富營養(yǎng)化的可能性低，反之則存在富營養(yǎng)化的特征。ICEP的計算公式如下：

DIP-ICEP=(DIP-DSi/16)×106，

DIN-ICEP=(DIN-DSi)×106/16，

TDP-ICEP=(TDP-DSi/16)×106，

TDN-ICEP=(TDN-DSi)×106/16。

結(jié)合Wu等[10]已發(fā)表的黃河利津站2016—2017年營養(yǎng)鹽月通量數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，2016—2019年黃河下游磷的月輸送量P-ICEP指數(shù)總體呈現(xiàn)負(fù)值，即DSi的通量超過了限制營養(yǎng)元素-磷的通量；氮的月輸送量N-ICEP均為正值，表示氮超過硅藻的生長潛力(見圖7)。與2018—2019年相比，2016—2017年黃河未實施水沙調(diào)控事件，其月均徑流量僅為2018—2019年的27%(見圖7)。對比水庫泄洪年份與非水庫泄洪年份的ICEP數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，發(fā)生水庫泄洪事件的2018—2019年比2016—2017年的P-ICEP更負(fù)而N-ICEP更正，前者的P-ICEP和N-ICEP月平均值分別是后者的6和2倍(見圖7)。發(fā)生水庫泄洪事件對ICEP數(shù)值影響顯著，使黃河下游及河口發(fā)生富營養(yǎng)化的可能性大幅增加[33]。ICEP指數(shù)進(jìn)一步表明水庫泄洪事件不僅影響渤海生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)物質(zhì)輸入，還會加劇營養(yǎng)鹽失衡，影響黃河口及其鄰近海域浮游植物生長繁殖，增大富營養(yǎng)化和甲藻赤潮的爆發(fā)幾率[33]。

圖7 2016年—2019年黃河利津站月徑流量、P-ICEP和N-ICEP

2.4 黃河與其他世界河流營養(yǎng)鹽濃度組成特點對比

世界上主要的16條河流的DIN平均濃度為51 μmol/L，黃河的DIN濃度為256 μmol/L(見表2)，遠(yuǎn)高于另外15條河流，是世界河流平均濃度的8倍。黃河沿岸人口密度高，城市發(fā)達(dá)，污水排放量和農(nóng)業(yè)施肥量大是DIN濃度高的主要原因[10,14-16]。16條河流中密西西比河的DIP濃度最高，黃河的DIP濃度較低，僅為0.17 μmol/L，遠(yuǎn)低于16條河流的平均濃度1.28 μmol/L。黃河含沙量高，泥沙對磷的吸附作用導(dǎo)致黃河DIP含量低，另外DIP本身溶解度低且黃河磷污染比較輕也對黃河磷含量有影響[18]。16條河流的DSi平均濃度為124 μmol/L，其中，Mekong河流的濃度最高，而黃河的DSi含量低于平均值。黃河水體中的高DIN和低DIP濃度，決定了其DIN/DIP比值遠(yuǎn)高于其他河流，是16條河流平均DIN/DIP比值的15倍。16條河流DSi/DIP的平均比值為289，比值最高的河流是Yukon河，其次是黃河。黃河的DSi/DIN比值僅為0.38，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于16條河流的平均比值?？偟膩碚f，黃河具有高DIN/DIP和DSi/DIP比值，低DSi/DIN比值，氮磷硅比值嚴(yán)重偏離了Redfield比值，磷的相對限制明顯。黃河水體中營養(yǎng)鹽比例不均衡主要是黃河流域受到強烈的人類活動影響，氮含量高，而吸附作用導(dǎo)致DIP濃度低，風(fēng)化作用與蒸發(fā)作用強導(dǎo)致硅含量高[25-26,35]。

表2 世界河流營養(yǎng)鹽濃度與氮磷硅比值

3 結(jié)語

水庫泄洪階段DIN和DSi較水庫泄洪前分別平均增加了27%和34%，其中DIN可能主要受到水庫下泄高濃度營養(yǎng)鹽水體導(dǎo)致，而DSi還與大徑流沖刷導(dǎo)致DSi從河床沿岸土壤中釋放出來有關(guān)。DIP和DOP主要受到大徑流稀釋和懸浮顆粒物吸附作用的影響。水庫泄洪期間DSi/DIP和DSi/DIN較非水庫泄洪前升高數(shù)倍，水庫水沙調(diào)控期間輸送了全年各項營養(yǎng)鹽入海通量的13%～25%，在全年營養(yǎng)鹽輸送通量中扮演重要的角色。

計算了水體富營養(yǎng)化潛力指標(biāo)，結(jié)果顯示黃河下游氮富余，即超過了硅藻的生長潛力。且水庫泄洪的年份P-ICEP和N-ICEP均高于非水庫泄洪的年份，進(jìn)一步證明水庫泄洪事件會加劇營養(yǎng)鹽失衡，可能影響黃河口及其鄰近海域的浮游植物群落結(jié)構(gòu)。目前，黃河水體中營養(yǎng)鹽水平與世界主要河流相比，仍具有高DIN低DIP濃度，高DIN/DIP和DSi/DIP比值，低DSi/DIN比值，主要是黃河流域受到強烈的人類活動影響。