北方季節(jié)性河流氮磷變化特征及影響因素
——以墨水河為例

魏西會，房俊旭

（1.青島市生態(tài)環(huán)境局城陽分局，山東 青島266109；2.青島市生態(tài)環(huán)境局即墨分局，山東 青島，266200）

0 引言

墨水河是青島市北部區(qū)域的一條入海河流，發(fā)源于三標山，流經(jīng)城陽區(qū)和即墨區(qū)，最終匯入膠州灣，全長41.5 km，流域總面積317.2 km2。墨水河枯水期和豐水期水量變化顯著，是一條季節(jié)性河流[1]。2021年墨水河5—9月為豐水期、1月、2月和12月為枯水期，3月、4月及10月為平水期[2]。

河流不僅可以為流域提供豐富的水源，還可以收納流域內(nèi)陸源入河的各種污染物。長期以來，國內(nèi)外學者對河流中氮磷變化特征及影響因素進行了廣泛研究，不過研究大多集中在南方河流，針對北方河流的研究較少。目前公開發(fā)表的主要有對密云水庫入庫河流[3-4]、奎河[5]、等的研究，奎河氮磷濃度明顯高于長江、黃河和珠江等南方河流。部分學者對墨水河水質(zhì)亦有研究[1]，但是主要集中在河流水質(zhì)評價方面，缺少對氮磷營養(yǎng)鹽的變化特征及影響因素的研究。文章以墨水河為研究對象，分析了該河流氮磷元素含量的分布特征，探討了影響其變化主要因素，為墨水河污染治理及水環(huán)境安全提供科學依據(jù)。

1 實驗與方法

1.1 水樣的采集與分析

監(jiān)測點設在墨水河入海口斷面（N120.3704° E36.3123°），每月開展1次監(jiān)測，采集表層（水面下0.5 m）樣品，水溫、pH值、溶解氧及電導率現(xiàn)場測定，其余項目帶回實驗室分析。樣品采集、運輸、交接及質(zhì)量控制均按照《HJ/T 91-2002 地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》要求進行。總磷采用GB 11893-1989 鉬酸氨分光光度法、總氮采用 HJ 636-2012 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，氨氮采用HJ 535-2009 納氏試劑分光光度法、高錳酸鹽指數(shù)采用GB/T 11892-1989 高錳酸鹽指數(shù)的測定法、亞硝酸鹽采用GB/T 7493-1987 分光光度法、硝酸鹽、亞硝酸鹽及氟離子均采用HJ 84-2016 離子色譜法進行測定。

1.2 數(shù)據(jù)分析

2021年共獲得12組監(jiān)測數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)包含9個參數(shù)。運用WPS Office對氮磷進行分布特征分析；利用IBM SPSS 26軟件，通過Pearson分析不同環(huán)境因子的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 墨水河氮磷含量及時間分布特征

2021年監(jiān)測結(jié)果顯示，墨水河水質(zhì)中總氮和總磷含量變化幅度較大。從圖1可以看出，總氮有明顯的時間變化規(guī)律，冬季＞春秋季＞夏季，最大值出現(xiàn)在2月，最小值出現(xiàn)在6月?？偭讜r間變化亦有規(guī)律，夏季＞春秋季＞冬季，最大值出現(xiàn)在7月，最小值出現(xiàn)在2月。從圖2可以看出，不同水期總氮含量也有差別，枯水期高于豐水期；總磷變化規(guī)律與總氮相反，豐水期高于枯水期。

圖1 墨水河總氮、總磷含量月度變化圖

圖2 墨水河總氮、總磷含量水期變化圖

圖3 墨水河無機氮含量水期變化圖

2.2 墨水河不同形態(tài)氮含量時間分布特征

對墨水河水體中不同水期、不同形態(tài)的無機氮進行分析，發(fā)現(xiàn)硝酸鹽氮、氨氮、亞硝酸鹽氮雖然含量相差較大，但是有同樣的時間變化特征：冬季＞春秋季＞夏季，枯水期高于豐水期，這和總氮的變化特征一致。進一步分析發(fā)現(xiàn)，硝酸鹽氮在總氮的占比最大，在31.2%～91.6%之間，年均值為62.8%；其次為氨氮，年均占比為8.0%；亞硝酸鹽氮最小，年均占比為2.0%。

2.3 墨水河氮磷比值時間分布特征

由于水中氮磷含量比例會影響水體藻類生長，因此水體中氮磷之比常被用來判別浮游藻類的營養(yǎng)限制類型。Redfield提出氮磷比為16∶1時，可以滿足藻類快速生長對氮磷營養(yǎng)的的需求比例[6]。由圖4可以看出，墨水河氮磷比值有春冬高、夏秋低的分布特征，比值范圍為16～80，年均值為39。這說明2021全年磷都是墨水河藻類生長潛在的限制性營養(yǎng)鹽。

圖4 墨水河氮磷含量比值含量月度變化圖

3 討論

3.1 墨水河氮磷時間變化影響因素

墨水河水體中氮磷含量的時間變化規(guī)律明顯，總氮冬季高于夏季，總磷夏季高于冬季。墨水河水體中氮磷含量時間變化特征與密云水庫入庫河流[3-4]、奎河[5]、流溪河[7]、贛江[8]、龍江河[9]一致。這說明造成墨水河氮磷含量變化特征的原因可能是冬季水溫低，微生物活動受限，分解和吸收氮的能力降低，使得水體氮濃度升高；到了夏季水溫升高，浮游植物進入生長活躍期，氮元素被吸收，加之夏季降雨頻繁，流量增加對水體中的氮含量有一定的稀釋作用。因為墨水河水體長期處于磷限值狀態(tài)，所以磷含量與浮游植物活躍性關(guān)系不大，主要受降雨沖刷和河水稀釋效應雙重影響。夏季強降雨形成的徑流沖刷地表并攜帶泥沙中的顆粒態(tài)磷以及溶解態(tài)磷進入墨水河，其效果遠大于稀釋作用，所以夏季水體中總磷含量升高。

研究發(fā)現(xiàn)，氮磷濃度與流量的關(guān)系能反映它們的主要來源[7，10]?？傮w上，墨水河水體中氮元素含量枯水期高于豐水期，而磷元素則是豐水期高于枯水期。進一步分析發(fā)現(xiàn)，墨水河水體中總氮含量隨流量增加而降低而后趨于穩(wěn)定，磷濃度則是先隨流量增加而增加，而后同樣趨于穩(wěn)定。墨水河總氮、總磷含量變化特征與Kalkhoff等人對面源污染河流氮磷含量變化特征的研究結(jié)果基本一致[10]。這說明，墨水河氮磷元素可能主要來自面源污染。

表1 墨水河環(huán)境指標與氮磷元素相關(guān)性分析

墨水河氮污染嚴重，全年總氮濃度均超過國家地表水V類標準。墨水河水體中不同形態(tài)無機氮含量相差較大，硝酸鹽氮是氮元素的主要存在形式（占比年均值為62.8%），這一結(jié)果和密云水庫入庫河流[3-4]、奎河[5]、龍江河[9]一致。這進一步表明，墨水河水質(zhì)受到農(nóng)業(yè)面源污染，此外可能還受到河兩岸點源污染排放、河底底泥釋放、水生生物作業(yè)等影響。

3.2 墨水河氮磷及環(huán)境因子相關(guān)性分析

氮磷是浮游植物生長所必須的營養(yǎng)元素，氨氮和高錳酸鹽指數(shù)是水體有機污染物的重要指標[11]。選取總氮、總磷、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)以及環(huán)境指標進行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示高錳酸鹽指數(shù)與水溫呈現(xiàn)顯著正相關(guān)（P＜0.05），與總氮呈現(xiàn)顯著負相關(guān)（P＜0.01）；電導率與總磷呈現(xiàn)顯著負相關(guān)（P＜0.05）；水溫與氨氮、總氮呈現(xiàn)顯著負相關(guān)（P＜0.01），與總磷呈現(xiàn)顯著正相關(guān) （P＜0.01），這表明水溫對于自然界中氮磷的循環(huán)產(chǎn)生顯著影響?？偟桶钡嚓P(guān)性不明顯，說明總氮和氨氮可能來源不同。

4 結(jié)論

（1）墨水河水體中氮磷含量的時間變化規(guī)律明顯?？偟?guī)律為冬季＞春秋季＞夏季，總磷則相反：夏季＞春秋季＞冬季。不同水期總氮含量也有差別，枯水期高于豐水期，總磷為豐水期高于枯水期。墨水河氮磷元素可能主要來自面源污染。

（2）墨水河水體中硝酸鹽氮、氨氮、亞硝酸鹽氮時間變化特征與總氮相似：冬季＞春秋季＞夏季，枯水期高于豐水期，但含量相差較大。硝酸鹽氮在總氮的占比最大，年均值為62.8%；其次為氨氮，亞硝酸鹽氮最小。

（3）水溫與氨氮、總氮呈現(xiàn)顯著負相關(guān)，與總磷呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，這表明水溫對于自然界中氮磷的循環(huán)產(chǎn)生顯著影響。總氮和氨氮相關(guān)性不明顯，說明總氮和氨氮可能來源不同。