基于3種富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法的錦江河水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

摘要 以銅仁市錦江河為例，采集并分析水體理化指標(biāo)，運(yùn)用卡爾森營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TSI）、修正的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TSIM）、綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TLI）3種方法評(píng)價(jià)其錦江河水體營(yíng)養(yǎng)富化水平，并且通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法，分析不同評(píng)價(jià)方法之間的差異以及環(huán)境因子對(duì)評(píng)價(jià)方法的影響。結(jié)果表明：評(píng)價(jià)方法不同，導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)結(jié)果不同，錦江河水體按照TSI、TSIM和TLI評(píng)價(jià)方法，其結(jié)果分別為貧營(yíng)養(yǎng)、富營(yíng)養(yǎng)和中營(yíng)養(yǎng)水平。單因素方差分析表明，TSIM與TSI和TLI差異顯著（P<0.05），TSI與TLI差異不顯著（P>0.05）；相關(guān)分析表明，Chl-a與TSI、TSIM呈現(xiàn)顯著正相關(guān)（P<0.05），TN和TP與TLI呈現(xiàn)顯著正相關(guān)（P<0.05）。TSI和TSIM主要表征藻類的生長(zhǎng)狀況，TLI則更加專注于氮和磷水平。綜合而言，相較于TSI和TSIM法，TLI采用多種環(huán)境因子的加權(quán)方式，更能科學(xué)地反映水體的富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。

關(guān)鍵詞 富營(yíng)養(yǎng)化；評(píng)價(jià)方法；水質(zhì)；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；錦江河

中圖分類號(hào) X 824 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2024）22-0066-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.22.012

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Risk Assessment of Water Quality in Jinjiang River Based on Three Nutrient Enrichment Evaluation Methods

ZHANG You， GUO Zi-dong， LI Gan-rong et al

（Tongren Polytechnic College， Tongren，Guizhou 554300）

Abstract Taking Jinjiang River in Tongren City as an example， the physicochemical indicators of the water body were collected and analyzed. Three methods， Carlson’s trophic state index （TSI）， modified trophic state index （TSIM） and trophic level index （TLI）， were used to evaluate the nutrient enrichment level in Jinjiang River water. Mathematical statistical analysis was used to examine differences between the different evaluation methods and the influence of environmental factors on them. The results showed that different evaluation methods lead to different results in eutrophication assessment of water bodies. According to TSI， TSIM and TLI evaluation methods， the results of Jinjiang River water body were assessed as having oligotrophic， eutrophic and mesotrophic conditions， respectively. Single-factor analysis of variance showed that a significant difference between TSIM and TSI/TLI （P<0.05）， while no significant difference was observed between TSI and TLI （P>0.05）. Correlation analysis showed Chl-a was significantly positively correlated with TSI and TSIM （P<0.05）， while TN and TP were significantly positively correlated with TLI （P<0.05）. TSI and TSIM mainly characterized the growth status of algae， while TLI focused more on nitrogen and phosphorus levels.Overall， compared to TSI and TSIM methods， TLI adopted a weighted approach of multiple environmental factors， which could more scientifically reflect the eutrophication status of water bodies.

Key words Eutrophication; Evaluation method;Water quality;Risk assessment;Jinjiang River

水體富營(yíng)養(yǎng)化是水生生態(tài)系統(tǒng)和飲用水安全的嚴(yán)重威脅，是全球水污染和生態(tài)退化的主要原因之一^［1-2］。因此，針對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化的研究長(zhǎng)期以來一直是水生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域研究的重點(diǎn)^［3-4］?？λ固氐貐^(qū)占地球陸地面積的12%，其含水層為世界人口的20%～25%提供了供水^［5］。中國(guó)西南喀斯特地區(qū)是世界上分布最廣泛的喀斯特地區(qū)，影響著長(zhǎng)江流域數(shù)億人的飲用水安全^［6］。西南喀斯特地區(qū)是水土流失和面源污染重要的發(fā)生區(qū)^［7］，大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)隨著地表徑流、泥沙進(jìn)入湖庫(kù)，造成受納水體嚴(yán)重的水質(zhì)污染和富營(yíng)養(yǎng)化，對(duì)城市、農(nóng)村居民飲用水安全產(chǎn)生極大威脅與危害^［8-9］。因此，定期對(duì)河流水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況評(píng)估是確保水資源管理和生態(tài)保護(hù)的關(guān)鍵步驟。富營(yíng)養(yǎng)化是大量營(yíng)養(yǎng)物種輸入水體，導(dǎo)致藻類和其他水生植物快速生長(zhǎng)的現(xiàn)象。富營(yíng)養(yǎng)化通常與過多的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸入有關(guān)^［10］。定期監(jiān)測(cè)水體指標(biāo)實(shí)施有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)水體富營(yíng)養(yǎng)化問題，為采取有效的保護(hù)和修復(fù)措施提供科學(xué)依據(jù)。

目前，我國(guó)對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化的評(píng)價(jià)采用了多種方法，其中包括評(píng)分法、卡爾森營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TSI）、修正的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TSIM）、綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TLI）和營(yíng)養(yǎng)度指數(shù)法等^［11-12］。這些方法在實(shí)際工作中得到廣泛應(yīng)用，但存在描述方法不一致、水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)的差異較大、分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的差異顯著等問題，這導(dǎo)致同一湖泊在不同方法下的富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)結(jié)果差異較大，同時(shí)，不同區(qū)域水體之間的評(píng)價(jià)結(jié)果缺乏可比性。為解決這些問題，有必要統(tǒng)一湖泊富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)的指標(biāo)、方法和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。以往的研究主要基于單一評(píng)價(jià)方法，缺乏對(duì)不同方法的比較研究^［13］。通過比較不同方法的適用性和局限性，科學(xué)家和水資源管理者能夠更好地了解各方法的特點(diǎn)，并選擇最適合特定情境的評(píng)價(jià)方法。這種比較研究有助于確立一套更為一致和可比的水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，提高評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信度。該研究以錦江河為研究對(duì)象，采用TSI、TSIM、TLI這3種水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法，深入了解錦江河的水體富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，比較不同評(píng)價(jià)方法在錦江河富營(yíng)養(yǎng)化程度方面的差異，揭示評(píng)價(jià)結(jié)果的一致性和異同之處，為選擇合適的評(píng)價(jià)方法提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

錦江河，又被稱為辰水或麻陽(yáng)河，是古武陵五溪之一，錦江河作為銅仁市的母親河，位于貴州省東部，貫穿湖南省西部。該河流發(fā)源于銅仁梵凈山，蜿蜒流經(jīng)包括麻陽(yáng)郭公坪、錦和、高村、呂家坪在內(nèi)的13個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，全長(zhǎng)共計(jì)117 km，流域面積為7 558 km2^［14］。在銅仁市境內(nèi)長(zhǎng)達(dá)144 km，多年平均流量為180 m3/s，河流自然落差657 m，平均比降為2.26%。研究區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫為16.9 ℃，年降雨量在1 250～1 400 mm^［15］。錦江河流域地處武陵山脈南緣、貴州高原向湘西丘陵過渡的斜坡地，在地質(zhì)構(gòu)造上屬于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)貴陽(yáng)復(fù)雜變形區(qū)的東緣。該地區(qū)的出露地層以寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)群和下統(tǒng)清虛洞組的白云巖、灰?guī)r為主，巖溶地貌十分顯著，表現(xiàn)為豐富的峰叢、洞穴、洼地、裂隙和峽谷等地貌特征^［16］。2009年，錦江河經(jīng)過農(nóng)業(yè)部的評(píng)審，被認(rèn)定為國(guó)家第三批水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)。然而，伴隨著銅仁市工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，環(huán)境問題日益突出。污染物質(zhì)經(jīng)農(nóng)田徑流、雨水徑流等方式進(jìn)入水體，不僅對(duì)水體質(zhì)量產(chǎn)生直接影響，還可能對(duì)水體生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成威脅^［17-18］。

1.2 樣品采集與保存

于2022年６月，利用GPS全球定位系統(tǒng)在錦江河分別布設(shè)A（小江口）、B（下南門）、C（三中）、D（水晶閣）、E（清水橋）、F（三江公園）、G（鷺鷥巖）7個(gè)樣點(diǎn)。采集錦江河表層（0～0.5 m）水，水樣采集后裝入冰盒中帶回實(shí)驗(yàn)室低溫保存，測(cè)定各項(xiàng)指標(biāo)。

1.3 水體理化性質(zhì)測(cè)定

采用YSI 6600V2型多參數(shù)水質(zhì)分析儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定錦江河水溫（T）、pH、溶解氧（DO），采用分光光度法測(cè)定水體葉綠素a（Chl-a）含量；水體化學(xué)需氧量（COD）采用高錳酸鉀指數(shù)法測(cè)定，水體總氮（TN）采用堿性過硫酸鉀氧化-磷鉬藍(lán)比色法測(cè)定，水體鉀（K）采用原子吸收火焰光度法測(cè)定，水體透明度（SD）采用塞氏盤法測(cè)定，水體總磷（TP）采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定。

1.4 水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法

1.4.1

卡爾森營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TSI）。TSI是以水體透明度（SD）指標(biāo)為基準(zhǔn)，并結(jié)合總磷和葉綠素a指標(biāo)評(píng)價(jià)水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的評(píng)價(jià)指數(shù)。其計(jì)算公式如下：

TSI（SD）=10×（6-lnSD/ln2）（1）

TSI（Chl-a）=10×［6-（2.04-0.68lnChl-a）/ln2］（2）

TSI（TP）=10×［6-（ln48/TP）/ln2］（3）

式中：TSI為卡爾森營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；SD為水體實(shí)測(cè)透明度（m）；Chl-a為水體中實(shí)測(cè)葉綠素a含量（mg/L）；TP為水體實(shí)測(cè)總磷含量（mg/L）。其中，TSI<40為貧營(yíng)養(yǎng)，40≤TSI<50為中營(yíng)養(yǎng)，50≤TSI<60為中富營(yíng)養(yǎng)，TSI≥60為富營(yíng)養(yǎng)。

1.4.2 修正的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TSIM）。TSIM是以水體實(shí)測(cè)葉綠素a含量為基準(zhǔn)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。計(jì)算公式如下：

TSIM（Chl-a）=10×［2.46+（lnChl-a/ln2.5）］（4）

TSIM（SD）=10×［2.46+（3.69-1.53lnSD/ln2.5）］（5）

TSIM（TP）=10×［2.46+（6.71+1.15lnTP）/ln2.5］（6）

其中，TSIM<30為貧營(yíng)養(yǎng)，30≤TSIM≤50為中營(yíng)養(yǎng)，50<TSIM≤100為富營(yíng)養(yǎng)。

1.4.3 綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TLI）。計(jì)算公式如下：

TLI=mj=1［Wj×TLI（j）］（7）

式中：TLI（j）為第j種指標(biāo)參數(shù)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；Wj為第j種指標(biāo)參數(shù)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重。

以Chl-a作為基準(zhǔn)指標(biāo)參數(shù)，則第j種參數(shù)的歸一化的相關(guān)權(quán)重表達(dá)為：

Wj=r2ij/mj=1r2ij（8）

式中：rij為第j種參數(shù)與基準(zhǔn)參數(shù)Chl-a的相關(guān)系數(shù)；m為評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)的數(shù)目。

各指標(biāo)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算公式如下：

TLI（Chl-a）=10×（2.5+1.086lnChl-a）（9）

TLI（TP）=10×（9.436+1.624lnTP）（10）

TLI（TN）=10×（5.453+1.694lnTN）（11）

TLI（SD）=10×（5.118-1.94lnSD）（12）

TLI（SOD）=10×（0.109+2.661lnSOD）（13）

采用0～100的一系列連續(xù)數(shù)字對(duì)錦江河水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)分級(jí)，見表1。

1.5 數(shù)據(jù)處理

通過Excel 2007、SPSS 19.0和Origin 2022軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。運(yùn)用單因素方差分析（one-way ANOVA）方法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異比較，設(shè)置差異顯著水平為P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 錦江河水體基本理化性質(zhì)

水體的理化性質(zhì)是水體一系列錯(cuò)綜復(fù)雜的理化變化因素，影響著水體中生物的生長(zhǎng)和繁殖過程。錦江河水體基本理化參數(shù)如圖1所示。水體溫度為18.69～22.81 ℃，均值為19.35 ℃；溶解氧（DO）為0.45～1.19 mg/L，均值為1.00 mg/L；水體pH為7.93～9.16，均值為8.39；Chl-a為0.71～1.76 mg/L，均值為1.33 mg/L；COD為1.25～2.51 mg/L，均值為1.94 mg/L。氮、鉀和磷元素是水生生態(tài)系統(tǒng)中最主要的營(yíng)養(yǎng)元素，是初級(jí)生產(chǎn)力的生源要素，也是生物生長(zhǎng)的必需元素。錦江河水體TN、TP的含量分別是0.53～2.16、0.74～1.82 mg/L，均值分別為1.05、0.91 mg/L；水體鉀含量為1.95～4.53 mg/L，均值為3.16 mg/L。SD作為藻類初級(jí)生產(chǎn)力指標(biāo)，是評(píng)價(jià)環(huán)境水質(zhì)的重要指標(biāo)，錦江河水體的SD為0.71～1.44 m，均值為1.04 m。

2.2 錦江河富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

準(zhǔn)確評(píng)估和掌握水體富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，有助于了解水體養(yǎng)分的分布和來源，為水資源的可持續(xù)管理提供依據(jù)，是科學(xué)制定相應(yīng)的水質(zhì)保護(hù)和治理策略前提^［19］。從錦江河水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)結(jié)果（表2）可以看出，TSI在28.63～35.48，均值為32.10，錦江河水質(zhì)整體處于貧營(yíng)養(yǎng)水平。TSIM在59.34～66.07，均值為63.07，按照TSIM評(píng)價(jià)方法，錦江河水質(zhì)各樣點(diǎn)均處于富營(yíng)養(yǎng)水平。TLI在22.33～60.51，均值為35.77，57.14%采樣點(diǎn)處于中營(yíng)養(yǎng)水平，28.57%采樣點(diǎn)處于貧營(yíng)養(yǎng)水平，14.29%采樣點(diǎn)處于中度富營(yíng)養(yǎng)水平，水質(zhì)整體處于中營(yíng)養(yǎng)水平。不同評(píng)價(jià)方法單因素方差分析顯示（圖2），TSIM與TSI與TLI之間差異顯著（P<0.05），TSI與TLI之間差異不顯著（P>0.05）；評(píng)價(jià)方法不同，導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)結(jié)果不同，但TSI和TLI差異不明顯。TSI和TSIM都是基于SD、Chl-a、TP這3個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)方法，其區(qū)別2種評(píng)價(jià)方法的評(píng)價(jià)基準(zhǔn)不同，TSIM是以Chl-a為基準(zhǔn)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，TSI是以SD為基準(zhǔn)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。TLI評(píng)價(jià)指標(biāo)基于Chl-a、SD、TN、TP和COD這5項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)，采用相關(guān)加權(quán)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法，通過相關(guān)因子加權(quán)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)法判斷湖庫(kù)所處的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。與TSI和TSIM相比，TLI考慮的影響因素較多，是一個(gè)綜合的評(píng)價(jià)過程，能夠比較科學(xué)地反映湖泊、河流水體的富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。

2.3 錦江河環(huán)境因子對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)的影響

氮是蛋白質(zhì)合成過程中必不可少的營(yíng)養(yǎng)成分，而磷則在DNA和RNA的合成及能量傳遞系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。作為微生物和藻類生長(zhǎng)發(fā)育所必需的微量元素，氮和磷在微生物和藻類的生長(zhǎng)過程中扮演著至關(guān)重要的角色，并且是引發(fā)水體富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵因素^［20］。Chl-a是藻類和植物中的一種關(guān)鍵的葉綠素類型，它在光合作用中起著捕獲光能的重要作用，直接反映藻類生長(zhǎng)狀況。錦江河環(huán)境因子和富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)相關(guān)分析（圖3）顯示，環(huán)境因子Chl-a與TSI和TSIM呈現(xiàn)顯著正相關(guān)（P<0.05）；環(huán)境因子TN和TP與TLI呈現(xiàn)顯著正相關(guān)（P<0.05）。因此，TSI和TSIM評(píng)價(jià)方法主要側(cè)重于反映藻類生長(zhǎng)的狀態(tài)，TLI則主要針對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化的限制因子，特別是氮和磷限制因子。

3 結(jié)論

該研究選取TSI、TSIM和TLI這3種水體營(yíng)養(yǎng)指數(shù)評(píng)價(jià)方法研究銅仁市錦江河水體營(yíng)養(yǎng)狀況，分析不同評(píng)價(jià)方法之間的差異和應(yīng)用。主要結(jié)論如下：

（1）采用不同富營(yíng)養(yǎng)評(píng)價(jià)方法，其評(píng)價(jià)結(jié)果有所差異。錦江河水體按照TSI、TSIM和TLI評(píng)價(jià)方法，其結(jié)果分別為貧營(yíng)養(yǎng)、富營(yíng)養(yǎng)和中營(yíng)養(yǎng)水平。

（2）單因素方差分析表明，TSIM與TSI和TLI差異顯著（P<0.05），TSI與TLI差異不顯著（P>0.05）；相關(guān)分析表明，Chl-a與TSI、TSIM呈現(xiàn)顯著正相關(guān)（P<0.05），TN和TP與TLI呈現(xiàn)顯著正相關(guān)（P<0.05）。水體葉綠素a是影響TSI、TSIM評(píng)價(jià)結(jié)果的重要環(huán)境因子。水體氮和磷是影響TLI評(píng)價(jià)結(jié)果的重要因素。

（3）TSI、TSIM方法適用于水體藻類的生長(zhǎng)狀況評(píng)價(jià)，TLI方法更適用于評(píng)價(jià)水體氮和磷營(yíng)養(yǎng)狀況。

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