嘉陵江魯班水庫氮磷時(shí)空分布特征及截留率

李青倩，楊鵲平，高紅杰，李虹，李瑩杰

中國環(huán)境科學(xué)研究院

氮（N）、磷（P）是水生生態(tài)系統(tǒng)中必備的生源要素，共同控制著水生生態(tài)系統(tǒng)中初級生產(chǎn)力的生長速率和微生物的生物地球化學(xué)循環(huán)過程[1-2]。隨著農(nóng)業(yè)集約化和城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn)，輸入至水生生態(tài)系統(tǒng)中的N、P逐漸增加，破壞了水生生態(tài)系統(tǒng)中的N、P生物地球化學(xué)循環(huán)過程的平衡，導(dǎo)致水質(zhì)惡化，進(jìn)而影響水生生態(tài)系統(tǒng)的功能，給生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展、人類健康等帶來負(fù)面影響[3-7]。因此，明確水庫N、P時(shí)空分布特征，量化水庫截留量及截留率，是當(dāng)前研究水庫建設(shè)及調(diào)度對河流水質(zhì)和水生態(tài)健康響應(yīng)關(guān)系的重點(diǎn)。

水生生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)生的與N、P相關(guān)的生物地球化學(xué)過程通常包括硝化作用、反硝化作用、厭氧氨氧化作用、硝酸鹽的異化還原作用、浮游植物的同化作用、沉積作用和沉積物的礦化作用[8-9]。其中，反硝化作用和厭氧氨氧化作用過程會(huì)產(chǎn)生氮?dú)猓∟2）并釋放到大氣中；沉積作用可以將一部分N、P永久性埋藏而將其從水生生態(tài)系統(tǒng)中去除，一部分通過礦化作用重新進(jìn)入到水體中，參與水體N、P循環(huán)；N、P通過同化作用進(jìn)入生物鏈，一部分經(jīng)食物鏈傳遞，最終通過漁業(yè)收獲從水生生態(tài)系統(tǒng)中去除，另一部分通過沉積作用進(jìn)入沉積物。調(diào)水也會(huì)從水生生態(tài)系統(tǒng)中去除一部分N、P[8]。另外，葉綠素a（Chla）濃度通常與浮游植物的生物量呈正比，因此通常用Chla濃度的季節(jié)性變化來反映浮游植物的生長情況[3,6,10-11]。

魯班水庫是四川省第三大水庫，轄六溝十二灣，壩址以上控制流域面積為21 km2。主要功能為灌溉（近年將賀家埡處水域作為飲用水水源地，供水規(guī)模為10 000 m3/d），兼顧發(fā)電、防洪等。當(dāng)前魯班水庫的水質(zhì)狀況不容樂觀，水庫水質(zhì)為GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類。因此，有必要明確水庫N、P時(shí)空分布特征，量化水庫截留量及截留率，識別影響水庫水質(zhì)的關(guān)鍵因素，以期為魯班水庫水質(zhì)達(dá)標(biāo)管理提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

嘉陵江流域?yàn)殚L江流域面積最大（占比為8.89%）、水量第二（占比為8.12%）的一級支流，發(fā)源于秦嶺北麓陜西省鳳縣代王山，干流流經(jīng)陜西省、甘肅省、四川省、重慶市，在重慶市朝天門匯入長江。昭化以上為上游，昭化至合川為中游，合川至入長江口為下游。流域內(nèi)四川省面積為10.02萬km2，占嘉陵江流域面積的62.27%。

魯班水庫位于嘉陵江流域凱江支流綠豆河上游的鐵線溝處，處于三臺縣魯班鎮(zhèn)內(nèi)，幸福鄉(xiāng)邊界處，水域面積為13.2 km2。平均水深21.06 m，最大水深60～70 m，屬深水湖庫。設(shè)計(jì)洪水位（正常水位）460 m，相應(yīng)庫容2.78億m3。魯班水庫只有1個(gè)進(jìn)水口，除降水外，水源主要來自都江堰人民渠，途經(jīng)彭州市、什邡市、綿竹縣、德陽市、中江縣，于綿陽市三臺縣幸福鎮(zhèn)進(jìn)入魯班水庫。每年1—3月和7—11月進(jìn)水，4—6月零星進(jìn)水，年進(jìn)水總量約為2.5億m3。水庫出水口共有5個(gè)，主要用于農(nóng)業(yè)灌溉及發(fā)電。出水2次，分別在1—4月和7—8月。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理方法

魯班水庫屬于國控重點(diǎn)湖庫，綿陽市環(huán)境監(jiān)測中心站自2011年起每月對庫區(qū)4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位（進(jìn)水口、魯班島、麻雀灣、庫尾）進(jìn)行例行監(jiān)測。本研究涉及的相關(guān)數(shù)據(jù)為魯班水庫2014—2019年環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測指標(biāo)包括水溫、pH、溶解氧（DO）、透明度、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、化學(xué)需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH4+-N）、總磷（TP）、總氮（TN）和 Chla。

采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法〔TLI（∑）〕[12]進(jìn)行湖庫水體富營養(yǎng)化評價(jià)。綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)常用來評價(jià)湖泊(水庫)富營養(yǎng)化狀況，其評價(jià)指標(biāo)包括Chla、TP、TN、透明度和CODMn。采用數(shù)字0～100對湖泊營養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行分級，包括貧營養(yǎng)、中營養(yǎng)、輕度富營養(yǎng)、中度富營養(yǎng)和重度富營養(yǎng)。營養(yǎng)狀態(tài)與評分值的關(guān)系如表1所示。在同一營養(yǎng)狀態(tài)下，數(shù)值越高，營養(yǎng)程度越重。結(jié)合魯班水庫2014—2019年環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合富營養(yǎng)化指數(shù)計(jì)算，判斷水體富營養(yǎng)化程度。

表1 營養(yǎng)狀態(tài)分級表Table 1 Trophic state grading list

水庫TN和TP的截留率是指截留在水庫中TN、TP的量占水庫TN、TP輸入量的比值。TN和TP的截留率由水庫內(nèi)N、P截留過程的截留速率和水力負(fù)荷決定，計(jì)算公式如下：

式中：R為截留率，%；Vf為截留速率，m/a；HL為水力負(fù)荷，m/a。

采用SPSS 24.0軟件完成數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。其中，皮爾遜分析（Pearson analysis）和方差分析（ANOVA，analysis of variance）的顯著性水平為 0.05和0.01。數(shù)據(jù)繪圖在Origin 2018軟件中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 水庫水溫、pH、DO等水質(zhì)指標(biāo)的時(shí)空分布特征

由圖1和表2可見，2014—2019年魯班水庫年均水溫為 (19.1±6.7)℃，最高值為 (27.7±2.4)℃（8 月），最低值為(8.8±2.0)℃（2月）。同期，水庫年均pH為8.31±0.45，最高值為8.82±0.13（4 月），最低值為7.80±0.33（2月）。各監(jiān)測點(diǎn)水溫和pH無顯著空間差異（ANOVA,P>0.05）。水庫透明度年均值為(1.66±0.53)m，最高值為 (2.09±0.56)m（2 月），最低值為 (1.28±0.48)m（7月）。進(jìn)水口透明度〔(1.48±0.46)m〕顯著低于庫尾〔(1.71±0.55)m〕（ANOVA，P<0.05）。

圖1 魯班水庫水溫、pH、透明度、DO、CODMn、COD 和BOD5逐月變化特征Fig.1 Monthly variations of water temperature, pH,transparency , DO, CODMn, COD and BOD5 in Luban Reservoir

表2 2014—2019年魯班水庫各監(jiān)測點(diǎn)位透明度、CODMn、TN濃度、TP濃度和N:PTable 2 Transparency, CODMn, TN, TP contents and N:P of 4 sample sites in Luban Reservoir during the period from 2014 to 2019

水庫DO濃度年均值為(8.31±1.80)mg/L，最高值為 (10.80±1.55)mg/L（4月），最低值為 (6.90±1.09)mg/L（1月）。各監(jiān)測點(diǎn)DO濃度無顯著空間差異（ANOVA，P>0.05）。BOD5的年均值為 (1.72±1.12)mg/L，最高值為 (3.57±0.83)mg/L（4 月），最低值為 (0.82±0.45)mg/L（12 月）。進(jìn)水口 BOD5〔(2.03±1.17)mg/L〕顯著高于庫尾〔(1.62±1.07)mg/L〕（ANOVA，P<0.05）。CODMn和COD的年均值分別為(2.76±0.91)和(11.68±4.51)mg/L。2個(gè)參數(shù)季節(jié)波動(dòng)規(guī)律基本一致，最高值均出現(xiàn)在4 月，分別為 (4.08±0.74) 和 (15.71±3.71)mg/L，最低值分別為 (1.87±0.41)mg/L（12月）和 (8.13±2.44)mg/L（10 月）。進(jìn)水口 CODMn〔(3.03±1.02)mg/L〕顯著高于庫尾〔(2.69±0.90)mg/L〕（ANOVA,P<0.05），但是COD無顯著空間差異（ANOVA,P>0.05）。

2.2 水庫N、P及Chla時(shí)空分布特征

由圖2和表2可見，水庫NH4+-N濃度年均值為(0.07±0.07)mg/L，最高值為 (0.09±0.17)mg/L（2 月），最低值為 (0.06±0.05)mg/L（4 月）。各監(jiān)測點(diǎn) NH4+濃度無顯著空間差異（ANOVA，P>0.05）。水庫TN濃度年均值為(0.65±0.22)mg/L，最高值為(0.76±0.23)mg/L（1 月），最低值為 (0.49±0.20)mg/L（7 月）。各監(jiān)測點(diǎn)TN濃度存在顯著空間差異，進(jìn)水口TN濃度〔(0.72±0.24)mg/L〕顯著高于庫尾〔(0.61±0.21)mg/L〕（ANOVA，P<0.05）。水庫 TP 濃度年均值為(0.05±0.03)mg/L，最高值為 (0.09±0.05)mg/L（3 月），最低值為(0.02±0.01)mg/L（10月）。各監(jiān)測點(diǎn)TP濃度無顯著空間差異（ANOVA,P>0.05）。

圖2 魯班水庫N、P和Chla濃度的逐月變化特征Fig.2 Monthly variation characteristics of concentrations of N, P and Chla in Luban Reservoir

水庫各監(jiān)測點(diǎn)N:P和Chla濃度無顯著空間差異（ANOVA,P>0.05）。水庫 N:P 年均值為 47±28，最高值為 94±47（11 月），最低值為 22±8（4 月）。水庫Chla濃度年均值為(14.66±8.43)μg/L，最高值為(21.70±12.71)μg/L（4 月 ） ， 最 低 值 為 (8.06±3.34)μg/L（1月）。魯班水庫Chla濃度的季節(jié)波動(dòng)趨勢與pH、DO、CODMn、COD 和BOD5相同，均在4月達(dá)到峰值，隨后呈下降趨勢（圖1）。同時(shí)，Pearson線性相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)：Chla 濃度與 pH（r=0.376，P<0.01）、DO（r=0.307，P<0.01）、CODMn（r=0.482，P<0.01）、COD（r=0.393,P<0.01）和 BOD5（r=0.378，P<0.01）呈顯著線性相關(guān)關(guān)系（表3）。

表3 相關(guān)理化參數(shù)的Pearson分析結(jié)果Table 3 Pearson correlation coefficient for physiochemical characteristics

2.3 水庫水質(zhì)類別與營養(yǎng)狀態(tài)

2014年4 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位和2016年進(jìn)水口、魯班島為Ⅳ類，其余年份都能達(dá)Ⅲ類（表4）。按湖庫Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)水口TP、TN濃度超標(biāo)嚴(yán)重，COD超標(biāo)頻率較高，CODMn、BOD5集中在3—7月超標(biāo)。魯班島監(jiān)測點(diǎn)TP、TN濃度幾乎不能達(dá)標(biāo)，CODMn、BOD5集中在3—7月超標(biāo)。麻雀灣監(jiān)測點(diǎn)各污染物月度變化趨勢與進(jìn)水口、魯班島一致，濃度進(jìn)一步降低，但仍不能達(dá)標(biāo)。庫尾監(jiān)測點(diǎn)BOD5在2017年4月以后勉強(qiáng)能達(dá)標(biāo)，COD在2018年9月以后能達(dá)標(biāo)，CODMn在2019年5月仍然超標(biāo)，TP、TN濃度月度超標(biāo)現(xiàn)象依然嚴(yán)重。2016—2019年水庫營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為41.5～44.7，平均值為42.7±1.4，為中營養(yǎng)狀態(tài)（表5），且顯著低于 2011 年 (50.7±7.0)[13]，說明水庫營養(yǎng)水平明顯降低，水環(huán)境質(zhì)量得到提升。

表4 魯班水庫水質(zhì)類別變化Table 4 Variations of water quality of Luban Reservoir

表5 2016—2019年魯班島監(jiān)測點(diǎn)位水體營養(yǎng)狀態(tài)Table 5 Water trophic state of the Luban Island section during the period from 2016 to 2019

2.4 水庫N、P截留率

2018年魯班水庫年進(jìn)水量為17 993.50萬m3，年出水量為14 722.20萬m3，其中灌溉用水4 727.40萬m3，灌溉期3—9月。2018年水庫進(jìn)水口的NH4+-N、TN和TP 濃度分別為(0.04±0.01)、(0.70±0.21)和(0.04±0.01)mg/L；庫尾NH4+-N、TN 和TP濃度分別為 (0.04±0.02)、(0.56±0.16)和 (0.03±0.02) mg/L。則水庫NH4+-N、TN和TP的輸入量分別為6.89、125.05和6.30 t/a，出庫量分別為3.75、55.80和2.92 t/a。水庫對NH4+-N、TN和TP的截留量分別為3.14、69.25和3.38 t/a，截留率分別為45.61%、55.38%和53.66%，截留速率分別為3.35、6.34和5.77 m/a。其中，通過灌溉調(diào)水途徑去除的NH4+-N、TN和TP的量分別為1.77、26.39和1.38 t/a，分別占水庫總截留量的56.40%、38.11%和40.85%。水庫對NH4+-N的截留量占水庫對TN截留量的4.54%，水庫對TN截留率是對NH4+-N截留率的1.21倍。

3 討論

3.1 水庫N、P濃度與Chla濃度的響應(yīng)關(guān)系

Chla濃度通常與浮游植物的生物量呈正比，因此通常用Chla濃度的季節(jié)性變化來反映浮游植物的生長情況[3,6,10-11]。水庫Chla濃度最高值出現(xiàn)在4月，最低值出現(xiàn)在1月（圖2）。Chla濃度的季節(jié)變化顯示，魯班水庫藻類生長的高峰期為4月和5月，6月Chla濃度開始降低，8月接近最低值。

Kwak等[14]研究認(rèn)為，藻類的生長與死亡顯著提高了水體及沉積物中的COD。魯班水庫Chla濃度的逐月變化趨勢與水庫DO、CODMn、COD和BOD5的逐月變化趨勢相近（圖1和圖2），最高值出現(xiàn)在4月和5月，最低值出現(xiàn)在12月。Pearson線性相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)：魯班水庫Chla濃度與DO、CODMn、COD和BOD5呈顯著線性相關(guān)關(guān)系（表3），說明Chla濃度的升高，反映了藻類的不斷生長，引起水體中DO、CODMn、COD 和BOD5的升高；Chla濃度的降低，反映了藻類的死亡，水體中的DO、CODMn、COD和BOD5隨之降低。

魯班水庫中Chla濃度與NH4+-N、TN和TP濃度無顯著線性相關(guān)關(guān)系（P>0.05，表3）。NH4+-N濃度從2月開始降低，至4月達(dá)到最低值，隨后呈波動(dòng)變化；TN濃度從3月開始降低，7月降到最低，隨后開始升高；TP濃度從3月開始降低，10月降到最低，隨后開始升高；而Chla濃度從1月開始升高，峰值出現(xiàn)在4月和5月，隨后逐漸降低（圖2）。這是由于在藻類生長季，藻類吸收了水體中的N和P[15-16]，將溶解態(tài)N和P轉(zhuǎn)化為顆粒態(tài)，沉積在水庫底部，從而降低了水體中的TN和TP濃度。

水庫N:P多年均值為47±28，最低值出現(xiàn)在4月，最高值出現(xiàn)在11月。Maavara等[17]研究發(fā)現(xiàn)，相較于河流水生生態(tài)系統(tǒng)，水庫水生生態(tài)系統(tǒng)具有較長的水力滯留時(shí)間，有利于藻類的生長，將溶解態(tài)N、P轉(zhuǎn)化為顆粒態(tài)，并沉積埋藏在水庫中。魯班水庫Chla濃度與N:P呈顯著負(fù)相關(guān)，4—8月N:P的顯著升高，是由于水體中溶解態(tài)的P被藻類轉(zhuǎn)化為顆粒態(tài)P，賦存在藻類體內(nèi)的P以顆粒態(tài)的形式沉積在水庫底部，使得該時(shí)期湖泊P的截留率大于N的截留率。8—11月TP濃度較為穩(wěn)定，N:P的升高，則是由于TN濃度的不斷升高所致。

3.2 水庫N、P截留率的不確定性

水庫對N、P的截留量和截留率受到多重因素的影響。一方面，受到湖泊N、P負(fù)荷量的影響，湖泊N、P負(fù)荷量越高，截留量會(huì)越高，但截留率卻不一定增高，甚至?xí)档蚚18-24]；另一方面，受到湖泊水文水動(dòng)力學(xué)的影響，水力滯留時(shí)間越長，截留率越高[8,22]。從年尺度上來講，魯班水庫對TN的截留率（55.38%）略高于TP（53.66%）。一方面可能是由于湖泊中存在較為活躍的反硝化作用和厭氧氨氧化作用，將湖泊中的溶解態(tài)無機(jī)氮轉(zhuǎn)化為N2釋放到大氣中，從而有效去除溶解態(tài)無機(jī)氮[2,8,18-19]，使得水庫對TN的截留率高于TP。另一方面，可能是由于計(jì)算過程中存在的不確定性引起的，如未知的外源輸入或水庫內(nèi)源N、P釋放的波動(dòng)性。水庫對P的截留主要是通過顆粒態(tài)P的沉積，將P埋藏在水庫底部[15]。但是，表層沉積物中的N、P會(huì)在礦化作用的影響下，重新釋放到上覆水體中，由于N、P在礦化速率上的差異，進(jìn)而影響水庫中TN、TP的截留率。

截留速率代表湖庫N、P去除相關(guān)的生物地球化學(xué)特征。在相近的生態(tài)系統(tǒng)中，截留速率為穩(wěn)定常數(shù)，反映了湖庫中N、P的去除速率與反應(yīng)底物濃度間的常數(shù)關(guān)系[8,25-26]。Howarth等[25]估算了環(huán)北太平洋湖泊和水庫的N截留速率，約為10 m/a。Harrison等[26]估算了全球湖泊和水庫的N截留速率，均值為(8.91±10.27)m/a。Li等[8]估算了巢湖的N去除速率，為3.33 m/a，代表了湖泊N截留速率的下限。本研究估算的魯班水庫對NH4+和TN的截留速率分別為3.35和6.34 m/a，介于已報(bào)道數(shù)據(jù)的范圍內(nèi)。魯班水庫TN的截留速率高于巢湖[8]，是由于魯班水庫TN的截留速率包括臨時(shí)儲存在水庫中的TN。當(dāng)前對于內(nèi)陸水體中P的截留速率的報(bào)道相對較少。Marcé等[27]報(bào)道了河流中P的截留速率為17.7～44.5 m/a。本研究估算的TP截留速率為5.77 m/a，顯著低于河道中P的截留速率。

4 結(jié)論

（1）水庫TN、TP濃度年均值分別為(0.65±0.22)和 (0.05±0.03)mg/L，Chla濃度年均值為 (14.66±8.43)μg/L。藻類生長期，Chla濃度升高，DO、CODMn、COD和BOD5也隨之升高；隨著藻類的死亡，Chla濃度降低，DO、CODMn、COD 和BOD5也隨之降低。同時(shí)，藻類生長過程中，吸收了水體中的N和P，將溶解態(tài)N和P轉(zhuǎn)化為顆粒態(tài)沉積在水庫底部，降低了水體中TN和TP濃度。

（2）水庫對NH4+-N、TN和TP的截留率分別為45.61%、55.38%和53.66%；截留速率分別為3.35、6.34和5.77 m/a。其中，通過灌溉調(diào)水途徑去除的NH4+-N、TN和TP分別占水庫總截留量的56.40%、38.11%和40.85%。水庫對NH4+-N的截留量占水庫對TN截留量的4.54%，水庫對TN截留率是對NH4+-N截留率的1.21倍。作為典型的深水湖庫，魯班水庫N、P截留過程對人類活動(dòng)的響應(yīng)機(jī)制以及水庫熱力學(xué)分層對水庫N、P截留率和截留速率的影響機(jī)理，有待于進(jìn)一步深入研究。