衡水湖氮磷分布現(xiàn)狀與水體富營(yíng)養(yǎng)化分析

丁二峰

（河北省衡水水文勘測(cè)研究中心，河北 衡水 053000）

衡水湖濕地是典型的內(nèi)陸淡水濕地，也是華北地區(qū)唯一保持沼澤、水域、灘涂、草甸等完整生態(tài)系統(tǒng)的淺水型濕地湖泊。2003 年經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)晉升為國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，衡水湖在保護(hù)珍稀鳥(niǎo)類和生物多樣性、濕地生態(tài)系統(tǒng)研究、蓄水防汛抗旱、調(diào)節(jié)周邊小氣候等方面發(fā)揮著重要作用。由于衡水湖常年依靠調(diào)水維持湖區(qū)水位，補(bǔ)充水量的同時(shí)也帶來(lái)了不少營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，疊加對(duì)湖泊生境條件影響，造成衡水湖生物多樣性減少、水體富營(yíng)養(yǎng)化情況加劇等一系列環(huán)境問(wèn)題，亟需對(duì)整個(gè)衡水湖的營(yíng)養(yǎng)鹽現(xiàn)狀進(jìn)行分析，這對(duì)衡水湖的保護(hù)及環(huán)境整治具有重要意義。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究區(qū)概況

河北衡水湖國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于河北省衡水市境內(nèi)，地理位置在東經(jīng)115°30′～115°40′、北緯37°33′～37°40′，總面積75.0 km2。中湖大道將整個(gè)湖泊分為東、西2個(gè)湖區(qū)。其中，東湖又被一條人工堤分為大庫(kù)和小湖2 個(gè)部分，大庫(kù)面積32.4 km2，小湖面積10.1 km2，總設(shè)計(jì)庫(kù)容1.23 億m3。大庫(kù)現(xiàn)有水域平均水深普遍在1.5～2.0 m，小湖平均水深1.0 m左右，屬淺水型湖泊。西湖總面積32.5 km2，設(shè)計(jì)庫(kù)容0.65 億m3，目前尚未蓄水，少部分區(qū)域以農(nóng)作物種植、水產(chǎn)養(yǎng)殖、部分村企用地為主，其余大部分區(qū)域被雜草覆蓋[1]。

1.2 數(shù)據(jù)及研究方法

在衡水湖東湖大庫(kù)開(kāi)闊區(qū)設(shè)3處站點(diǎn)、小湖湖心設(shè)1處站點(diǎn)，于2021年5—11月、2022年4月每月月初進(jìn)行采樣監(jiān)測(cè)；在大庫(kù)蘆葦區(qū)和蒲草區(qū)各設(shè)3處站點(diǎn)、小湖南關(guān)新閘東設(shè)1處站點(diǎn)，于2021年5—9 月每月月初進(jìn)行采樣監(jiān)測(cè)；濕地監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，如圖1 所示。

圖1 衡水湖濕地監(jiān)測(cè)站點(diǎn)示意

采樣方式為用人工手提式有機(jī)玻璃采樣器采集各站點(diǎn)水面下0.5 m 處水樣1 L，置于干凈的玻璃瓶中，加入固定劑帶回實(shí)驗(yàn)室。采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定總氮（TN），鉬酸銨分光光度法測(cè)定總磷（TP）[2]。將檢測(cè)數(shù)據(jù)與《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[3]（GB3838-2002）中相應(yīng)參數(shù)的分類限值進(jìn)行比較，確定水質(zhì)類別。地表水環(huán)境質(zhì)量分類標(biāo)準(zhǔn)限值，詳見(jiàn)表1。

表1 地表水環(huán)境質(zhì)量分類標(biāo)準(zhǔn)限值mg/L

2 結(jié)果與分析

2.1 總氮濃度時(shí)空變化及成因分析

總氮含量是衡量水質(zhì)的重要指標(biāo)之一，是水中各種含氮化合物的總和，包括亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、無(wú)機(jī)銨鹽、溶解態(tài)氨以及蛋白質(zhì)、氨基酸等大部分的有機(jī)含氮化合物。水中各類含氮化合物的濃度受水溫、pH、氧化還原電位、氣壓等多種條件的影響，其總含量在一定程度上可以反映水體受營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)污染的程度以及水體的自凈能力大小[4]。

通過(guò)對(duì)衡水湖各區(qū)域水體氮的濃度分析測(cè)試，結(jié)果如圖2所示。

圖2 衡水湖水體總氮時(shí)空變化趨勢(shì)

由圖2 可以看出，大庫(kù)水體總氮濃度除7、10 月為Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)外，其他月份都可達(dá)到Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。從變化趨勢(shì)上看，大庫(kù)總氮濃度呈現(xiàn)出波動(dòng)性變化。由于連接衡水湖的上游河道除去人為引水外，常年基本無(wú)流量，污染輸入相對(duì)較少，衡水湖內(nèi)源污染較為突出。由于底泥有機(jī)質(zhì)及氮的含量較高，4—7 月，隨著溫度的升高，湖底有機(jī)質(zhì)降解導(dǎo)致了內(nèi)源氮的釋放，水體中的氮含量也逐步增高。同時(shí)，隨著水溫的升高和日照的增長(zhǎng)，湖泊中的浮游植物開(kāi)始大量繁殖，由于浮游植物具有一定的固氮作用，同樣能夠升高水體中總氮含量值。衡水湖是典型的淺水型湖泊，水質(zhì)受湖泊水動(dòng)力影響分層現(xiàn)象不太明顯，但由于趨光特性，浮游植物大量分布在水體表層，此處恰好是樣品采集位置，這也有可能是總氮變高的原因。8—9 月，總氮含量水平趨于穩(wěn)定，處在年均值附近。至10 月，總氮濃度再次上升，原因?yàn)?0 月的天氣及水文要素正適合藍(lán)藻等浮游植物的生長(zhǎng)，加之部分水生植物開(kāi)始枯萎死亡，水體凈化作用削弱，殘?bào)w開(kāi)始腐爛降解，進(jìn)一步導(dǎo)致水體中總氮濃度顯著高于其他月份。

小湖水體氮濃度總體上顯著高于大庫(kù)，基本處于Ⅳ類、V 類甚至劣V 類標(biāo)準(zhǔn)。從總氮變化趨勢(shì)形態(tài)看，小湖與大庫(kù)相似，也呈現(xiàn)出夏秋季節(jié)含量高、冬春季節(jié)含量低的特點(diǎn)，說(shuō)明小湖總氮濃度也主要受到內(nèi)源釋放及浮游植物生長(zhǎng)變化特性的影響。小湖平均水深比大庫(kù)更淺，受水動(dòng)力作用影響大，可忽略上下層水質(zhì)的差異。小湖與大庫(kù)相比，在總氮含量上有其特殊性。7—10 月，小湖總氮含量相對(duì)變化較為緩慢，而且濃度值相對(duì)較高，可能是由于小湖水體含鹽量高，與大庫(kù)相比水體總的離子強(qiáng)度高，對(duì)部分離子濃度變化有更好的緩沖作用所致。

2.2 總磷濃度時(shí)空變化及成因分析

天然水體中的磷含量不高，因此它往往是限制水體生產(chǎn)者發(fā)展的因素之一。當(dāng)過(guò)多的磷排入水體將引起水體的富營(yíng)養(yǎng)化，使藻類旺盛生長(zhǎng)，從而破壞水體中的氧氣平衡，導(dǎo)致水質(zhì)的惡化；同時(shí)，藻類的死亡將釋放藻毒素等，將引起水體的進(jìn)一步污染[5]。

衡水湖水體中總磷濃度變化，如圖3所示。

圖3 衡水湖水體總磷時(shí)空變化趨勢(shì)

由圖3 可以看出，大庫(kù)水體總磷濃度在夏季總體處于Ⅲ～Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，其他季節(jié)符合Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。從變化趨勢(shì)上看，6—9 月，水體總磷濃度要高于其他月份，其原因可能是夏季水溫較高，各種水生植物、動(dòng)物新陳代謝快，底泥中的營(yíng)養(yǎng)鹽加速釋放等。此外，通過(guò)王口閘或南關(guān)閘引水水源的總磷濃度雖然符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002）中Ⅲ類（0.2 mg/L，河道）標(biāo)準(zhǔn)，但總體處于較高水平，不符合湖庫(kù)Ⅲ類（0.05 mg/L）標(biāo)準(zhǔn)，因此外源調(diào)水輸入也可能是水體磷濃度升高的另一原因。在其他月份，大庫(kù)春秋季總磷含量均能符合Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，甚至能夠降到很低的水平（小于0.01 mg/L）。在此期間，受生物活動(dòng)、水文條件影響，動(dòng)植物的新陳代謝較慢，死亡的浮游植物或水生植物、部分顆粒態(tài)磷及難溶態(tài)磷會(huì)逐漸下沉至水體底部，開(kāi)始新一輪的磷循環(huán)。

從區(qū)域變化看，濕地區(qū)域（蘆葦區(qū)、蒲草區(qū)）水體總磷濃度要略高于開(kāi)闊水域。開(kāi)闊區(qū)總磷均值為0.055 mg/L，濕地區(qū)總磷均值為0.072 mg/L。與總氮濃度變化原因相似，濕地區(qū)域內(nèi)源較高可能導(dǎo)致內(nèi)源釋放加劇，水體磷含量較高。由于水生植物的衰老退化，其對(duì)水質(zhì)的凈化作用明顯降低，由此導(dǎo)致濕地區(qū)域大量通過(guò)內(nèi)源釋放出的磷無(wú)法被濕地植物快速吸收而溶解到水中，因此濕地區(qū)域水體磷濃度顯著高于開(kāi)闊水域。

小湖水體磷濃度變化趨勢(shì)與大庫(kù)總體相近，且小湖水體磷濃度顯著高于大庫(kù)，大部分時(shí)間水體總磷處于V 類或劣V 類標(biāo)準(zhǔn)，2021—2022 年整個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)總磷均值為0.17 mg/L，約為大庫(kù)的2 倍。與大庫(kù)不同的是小湖總磷含量最大值出現(xiàn)在7月?？偭缀咳瓿尸F(xiàn)出5—7 月逐漸增大，然后逐漸降低的趨勢(shì)。從季節(jié)變化看，小湖水體夏季磷濃度的上升比大庫(kù)更加劇烈，7 月小湖已處于較為嚴(yán)重的富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，水體磷濃度高，適合藻類大量生長(zhǎng)，且主要原因可能為內(nèi)源釋放所致。小湖與大庫(kù)有所不同的是，小湖水體磷濃度甚至超出了調(diào)水河道水體磷濃度，而其他外源輸入又較少，因此內(nèi)源釋放應(yīng)是小湖水體磷濃度升高尤其是夏季磷濃度升高的主要因素。

2.3 氮磷比與葉綠素a關(guān)聯(lián)性分析

氮元素和磷元素是藻類生長(zhǎng)必不可少的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，氮磷比與藻類增值有密切的關(guān)系。一個(gè)典型的藻類分子式為C106H263O110N16P，也就是說(shuō)臨界的氮磷比應(yīng)為16∶1，換算成質(zhì)量比為7.2∶1。如果實(shí)測(cè)氮磷比低于該比值，氮元素的含量將限制藻類的增長(zhǎng)；如果氮磷比高于該比值，則磷元素是藻類增殖的限制因素。通過(guò)對(duì)多個(gè)湖泊實(shí)際監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，發(fā)生藍(lán)藻水華的湖泊中氮磷比在13～35，而沒(méi)有發(fā)生藍(lán)藻水華的湖泊中氮磷比＜13 或＞35，這說(shuō)明在合適的氮磷比比值范圍內(nèi)，有利于藻類的增殖，而超出這個(gè)范圍則不利于藻類生長(zhǎng)[6]。

葉綠素a（Chla）是一種光合色素，是藻類重要的組成成分之一，其含量的高低與藻類的種類、數(shù)量等密切相關(guān)，也與水環(huán)境質(zhì)量有關(guān)，是水體浮游植物數(shù)量動(dòng)態(tài)變化的綜合反映指標(biāo)，也是湖泊富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)的必評(píng)項(xiàng)目之一[7]。葉綠素a 濃度的分布變化受光輻照度、溫度、透明度和營(yíng)養(yǎng)鹽等因素的影響，故通過(guò)測(cè)定葉綠素a 濃度能夠在一定程度上反映水體浮游植物生長(zhǎng)狀況。因此，葉綠素a 常作為湖泊富營(yíng)養(yǎng)化調(diào)查的主要參數(shù)，并且在水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況評(píng)價(jià)中起關(guān)鍵性作用。一般認(rèn)為，水體葉綠素a 超過(guò)0.02 mg/L時(shí)即有發(fā)生水華的危險(xiǎn)，超過(guò)0.03 mg/L時(shí)即已發(fā)生顯著的水華[8]。

通過(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，大庫(kù)水體2021—2022 年監(jiān)測(cè)周期內(nèi)葉綠素a濃度均值為0.016 9 mg/L，其中7、10月的水體葉綠素a 濃度較其他月份顯著升高，均高于0.02 mg/L，大庫(kù)開(kāi)闊區(qū)月均值最高達(dá)到0.038 7 mg/L，部分區(qū)域已有顯著的水華發(fā)生，如圖4所示。

圖4 衡水湖水體葉綠素a時(shí)空變化趨勢(shì)

對(duì)照?qǐng)D4 和圖5 可以看出，在整個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，大庫(kù)分別在7、10 月2 次出現(xiàn)藻類生長(zhǎng)旺盛期，而此時(shí)水體的氮磷比正好在13～35，這也印證了上述推論的正確性。從區(qū)域上看，開(kāi)闊水域葉綠素a 濃度總體上要高于濕地區(qū)域，開(kāi)闊水域監(jiān)測(cè)平均值為0.017 6 mg/L，濕地區(qū)域監(jiān)測(cè)平均值為0.016 6 mg/L，這與前述水體中氮、磷濃度變化趨勢(shì)有所不同。濕地區(qū)域水生植物的生長(zhǎng)會(huì)影響部分光照、風(fēng)、溫等氣象水文要素；部分植物殘?bào)w在降解過(guò)程中產(chǎn)生的物質(zhì)可能在一定程度上抑制了浮游植物的生長(zhǎng)。但是，如果水生植物退化狀況持續(xù)，將不斷為水體補(bǔ)充富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，當(dāng)達(dá)到某一特定程度時(shí)，很可能會(huì)導(dǎo)致浮游植物大量生長(zhǎng)，進(jìn)而暴發(fā)水華。

圖5 衡水湖大庫(kù)水體氮磷比時(shí)空變化趨勢(shì)

小湖水體葉綠素a 濃度顯著高于大庫(kù)水體，年均值達(dá)到0.048 mg/L，月監(jiān)測(cè)值最高甚至達(dá)到了0.081 mg/L，部分區(qū)域已有明顯的水華發(fā)生。根據(jù)前述對(duì)水體氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的分析，目前小湖水體氮、磷基本處于V 類或劣V 類標(biāo)準(zhǔn)，加之水體葉綠素a濃度極高，已呈現(xiàn)出較為嚴(yán)重的富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象。從時(shí)間上看，除2021 年11 月和2022 年4 月2 次監(jiān)測(cè)未顯示大面積水華外，其余時(shí)間的發(fā)展態(tài)勢(shì)不容樂(lè)觀，藻類大面積暴發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)正持續(xù)上升。

3 結(jié)論

（1）衡水湖濕地水質(zhì)受總氮和總磷影響較大，其濃度呈現(xiàn)出夏秋季節(jié)含量高、冬春季節(jié)含量低的特點(diǎn)。大庫(kù)和小湖水體的營(yíng)養(yǎng)鹽成份主要受到引調(diào)水水質(zhì)、內(nèi)源釋放及浮游植物生長(zhǎng)變化特性的影響。

（2）衡水湖從空間上看大庫(kù)水質(zhì)比小湖要好，開(kāi)闊區(qū)域水質(zhì)比濕地區(qū)域要好，蘆葦區(qū)與蒲草區(qū)的水質(zhì)沒(méi)有明顯差別。

（3）衡水湖水體營(yíng)養(yǎng)鹽含量的周期性上升及富營(yíng)養(yǎng)化狀況的加劇，需要對(duì)各水質(zhì)參數(shù)之間相互關(guān)系進(jìn)行更加深入的分析，以探索弄清加劇衡水湖水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況的主要因素。雖然水體氮、磷濃度均呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，但不同形式氮、磷之間關(guān)系差異較大，而水生植物腐爛碎屑和浮游植物繁殖可能是造成這一現(xiàn)象的主要原因。

（4）衡水湖水質(zhì)受外來(lái)水質(zhì)影響較大，引調(diào)水的同時(shí)營(yíng)養(yǎng)鹽和部分生物會(huì)隨之而來(lái)，改變了濕地原有的生境。在維持一定水位的同時(shí)，挺水植物面積縮小，沉水植物大面積退化，也對(duì)衡水湖水環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生了一定的影響。如何在衡水湖保護(hù)過(guò)程中，科學(xué)、合理地調(diào)節(jié)水位、水量、水質(zhì)及水生態(tài)環(huán)境，是需要解決的重點(diǎn)難點(diǎn)問(wèn)題。