环境科学  2017, Vol. 38 Issue (12): 5047-5055   PDF    
典型入湖河流水体氮素变化特征及其对降雨的响应:以太湖乌溪港为例
连慧姝1 , 刘宏斌1 , 李旭东2 , 宋挺3,4 , 刘申1,5 , 雷秋良1 , 任天志6 , 武淑霞1 , 李影1     
1. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所, 农业部面源污染控制重点实验室, 北京 100081;
2. 上海交通大学农业与生物学院, 上海 200240;
3. 南京信息工程大学环境科学与工程学院, 南京 210044;
4. 无锡市环境监测中心站, 无锡 214121;
5. 航天信息股份有限公司, 北京 100195;
6. 农业部环境保护科研监测所, 天津 300191
摘要: 以2010~2015年太湖主要入湖港口乌溪港的水质监测数据为基础,结合当地降雨资料,分析了乌溪港水体中氮素的时间变化特征及其对降雨的响应.结果表明,乌溪港水体污染情况严峻,总氮年均值在4.41~5.92 mg·L-1之间,远超地表水环境质量标准Ⅴ类限值2mg·L-1,氨氮在1.09~1.72 mg·L-1之间.总氮和氨氮浓度呈现明显的季节性变化规律,春冬季节浓度高,夏秋季节浓度较低.2015、2011、2012年总氮浓度均值分别为5.92、5.47、5.82mg·L-1,显著高于2013年4.45mg·L-1和2014年4.41mg·L-1,2011年氨氮浓度均值为1.72mg·L-1,显著高于2013年1.19mg·L-1和2015年1.09mg·L-1.随着降雨强度的增加,总氮浓度呈现先降低后升高最后又降低的趋势,氨氮浓度则先升高后逐渐降低.此外,氮素浓度呈现非汛期高于汛期的特征.
关键词: 入湖河流      总氮      氨氮      时间变化特征      降雨     
Characteristics of Nitrogen Variation and Its Response to Rainfall:A Case Study in Wuxi Port at Taihu Lake Basin
LIAN Hui-shu1 , LIU Hong-bin1 , LI Xu-dong2 , SONG Ting3,4 , LIU Shen1,5 , LEI Qiu-liang1 , REN Tian-zhi6 , WU Shu-xia1 , LI Ying1     
1. Key Laboratory of Nonpoint Source Pollution Control, Ministry of Agriculture, Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China;
2. School of Agriculture and Biology, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;
3. School of Environmental Science and Engineering, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China;
4. Wuxi Environmental Monitoring Centre, Wuxi 214121, China;
5. Aisino Corporation Inc., Beijing 100195, China;
6. Agro-Environmental Protection Institute, Ministry of Agriculture, Tianjin 300191, China
Abstract: Based on monitoring data of the water quality in the Wuxi port estuary of Taihu Lake from 2010 to 2015, we studied the temporal variation characteristics of nitrogen and its response to rainfall in Wuxi port. The results showed that the pollution level in Wuxi port is serious, with an average annual total nitrogen (TN) concentration of (4.41-5.92 mg·L-1), worse than the water environment quality grade Ⅴ standard (2 mg·L-1). The ammonia nitrogen (NH4+-N) concentration was 1.09-1.72 mg·L-1. The concentrations of TN and NH4+-N showed obvious seasonal variations, with the concentration of TN and NH4+-N in summer and autumn higher than in spring and winter. The concentration of TN in 2015, 2012, and 2011 was 5.92, 5.82, and 5.47 mg·L-1, respectively, which was significantly higher than in 2013 and 2014. The concentration of NH4+-N in 2011 (1.72 mg·L-1) was higher than in 2013 and 2015. With the increase of rainfall intensity, the TN concentration showed an increase after the first downward trend and then a decrease, while the NH4+-N concentration increased first and then decreased. In addition, the nitrogen concentration in the non-flood season was higher than in the flood season.
Key words: inflow water      total nitrogen      ammonia nitrogen      temporal variability      rainfall     

近年来, 经济的快速发展与环境之间的矛盾日益严重, 太湖流域的水环境问题已经引起了全社会的广泛关注.环湖河流污染物的输入是太湖污染物主要来源, 也是流域点源与面源污染的综合体现[1~4].太湖流域河道众多, 流域内河道总长12万km, 河网密度3.2 km·km-2, 与湖体相通的河(港)达224条[2].其中, 江苏省15条主要环湖河流污染负荷的贡献量占入湖总负荷量的80%以上[5].流域点源污染排放和面源污染随降雨径流的汇入是河道中污染物的主要来源[6].因此, 对入湖河流水质的控制是防治太湖污染的重点[7].改善太湖水质需要削减上游河流进入太湖的污染物总量[8].

水体营养物质的污染程度常用氮素浓度的高低来衡量, 氮素包括各形态无机氮和有机氮的总量[9], 其中, 铵态氮为影响水质的主要氮素形态[10~12].氮素进入水体有两种方式, 一种是人为排放, 另一种是随自然降雨径流汇入河道.降雨对河流中的营养物动态有很大的影响, 它既是驱动因子, 又是其来源.强降雨可以通过对农田土壤与河道侵蚀, 使污染物随径流汇入水体.很多学者探究了降雨对污染物释放的影响.研究表明, 在自然降雨过程中, 初期污染物浓度上升, 中期较为平稳, 在后期浓度下降[6]; 随着降雨强度的增加, 氮素流失呈指数增长[13]; 基于模拟降雨的试验结果显示, 在不同的降雨强度下, 农田产生的径流中的总氮和氨氮的浓度差异显著[14~17].此外, 水体中的氮素浓度具有季节性差异, 在不同流域的研究表明, 非汛期河流断面氮素浓度明显高于汛期的含量[18~20], 地表水质在雨季主要受工业类污染的影响, 旱季主要受面源污染的影响[8].很多学者在自然降雨和模拟降雨条件下做了农田径流和流域出口水质的变化特征研究[21~24], 但是, 基于长期监测的水质对自然降雨事件的响应少有研究.

太湖流域江苏宜兴地区河道的入湖水量占入湖径流总量的51.25%[25].乌溪港河是宜兴市境内重要的入太湖河流[26].本文基于乌溪港多年水质监测数据, 采用统计学方法研究氮素的时间变化特征, 同时结合当地的降雨资料, 研究自然降雨作为驱动力对水体中氮素的影响.本研究对了解太湖流域的水污染现状和把握入湖河流污染物的关键时期具有重要意义.

1 材料与方法 1.1 研究区概况

本文选择太湖湖西区入湖港口乌溪港(图 1)为研究对象, 乌溪港河位于江苏宜兴市, 地处太湖湖西重污染控制区, 总长度3.5 km[27], 起源于宜兴竹海, 流经湖和丁蜀镇, 联通周围密集的河网汇入太湖, 是太湖的重要入湖河道[28].平均河面宽40 m, 河底宽20 m, 年径流量约1.736亿m3[29].研究区属于北亚热带季风区气候, 温暖湿润, 春夏之交有明显的“梅雨”期, 夏季受热带风暴和台风的影响, 降水量大, 易发洪水灾害.年均气温为15.3~16.2℃, 多年平均降雨量为1 494 mm, 汛期(6~9)月的降水量占全年的60%左右.

图 1 乌溪港监测点位置示意 Fig. 1 Map indicating the monitoring point in Wuxi port in Taihu Lake Basin

乌溪港水体中的污染物来源于上游湖镇和丁蜀镇, 上游平原河网区开发利用强度大, 城镇化程度高, 农业所占比重相对较小.污染源复杂, 包括工业源、生活源、畜禽养殖源、种植源、以及污水处理厂等, 随着工农业的飞速发展, 排入水体中的污染物日益增加, 水污染情况十分严峻.

1.2 水样采集与分析

2010~2015连续6 a在乌溪港设置自动监测站, 采用日本岛津TNP-4110和NHN-4210分析仪, 实现总氮和氨氮的在线监测, 总氮的测定原理是碱性过硫酸钾紫外分光光度法, 氨氮的测定原理是水杨酸分光光度法.测定了逐日水质数据, 监测频率为4 h一次.本文重点分析了总氮和氨氮浓度在年内、年际、汛期、非汛期的变化规律及其对降雨的响应.监测期间的逐日降雨数据来自中国气象局, 选择了离监测点最近的宜兴气象站.

1.3 数据处理与统计分析

使用Microsoft Excel 2010进行相关数据计算, 采用Origin 9.1绘制箱线图, SPSS17.0进行年际间差异显著性分析, 用ArcGIS 10.1进行研究区地图的绘制.

将日降雨量按照气象局的降雨等级划分标准, 分为6级.小雨:24 h降雨量小于10 mm, 中雨:24 h降雨量10~25 mm, 大雨:24 h降雨量25~50 mm, 暴雨:24 h降雨量50~100 mm, 大暴雨:24 h降雨量100~250 mm, 特大暴雨:24 h降雨量在250 mm以上[30].氮素浓度与降雨的响应关系利用不同降雨强度下的氮素浓度做散点图, 然后对点进行回归分析, 拟合曲线.

2 结果与分析 2.1 乌溪港水体中氮素浓度的年内变化趋势

图 2可以看出, 2010年总氮浓度介于2.52~7.76 mg·L-1, 平均值为5.12 mg·L-1, 总氮浓度在1~6月波动较小, 在10月有明显的降低, 11、12月浓度逐渐升高; 氨氮浓度在0.29~4.05 mg·L-1之间, 平均为1.46 mg·L-1.氨氮年内变化趋势明显, 如图 2(b1), 春冬季节浓度较高, 夏秋季节浓度较低, 在汛期7月浓度达到最低, 同时7月是降雨量最大的月. 2011年总氮浓度介于1.82~12.55mg·L-1, 平均为5.47 mg·L-1, 总氮浓度春冬季节较高, 夏秋季节有降低的趋势, 如图 2(a2), 此外, 9月总氮浓度较高; 氨氮浓度的变化范围是0.19~7.21 mg·L-1, 平均为1.72 mg·L-1, 图 2(b2)可以看出氨氮浓度在前半年较高, 后半年整体较低, 季节性变化规律不明显. 2012年总氮浓度在1.91~12.98 mg·L-1之间, 平均为5.82 mg·L-1, 图 2(a3)可以看出, 季节性差异不明显, 4月浓度达到最高, 10月最低; 氨氮浓度在0.24~4.85 mg·L-1, 平均为1.34 mg·L-1, 春冬季节浓度较高, 夏秋季节浓度较低, 秋季3个月的浓度达到年内最低, 1月浓度最高, 如图 2(b3). 2013年总氮浓度在1.11~15.99 mg·L-1之间, 平均为4.45 mg·L-1, 图 2(a4)可以看出, 季节性变化规律明显, 春季浓度最高, 夏秋季节浓度逐渐降低; 氨氮浓度在0.14~4.72 mg·L-1之间, 平均为1.19 mg·L-1, 图 2(b4)显示, 1~6月变化不明显, 从7月开始浓度逐渐降低, 9月达到最低, 后逐渐升高. 2014年总氮在0.48~9.92 mg·L-1之间, 平均为4.41 mg·L-1, 氨氮在0.20~5.60 mg·L-1之间, 平均为1.28 mg·L-1, 总氮和氨氮的变化规律一致, 春冬季浓度较高, 夏秋季较低, 6月浓度有明显的上升趋势, 10月达到年内最低, 见图 2(a5)、2(b5). 2015年总氮浓度的变化范围是1.71~14.53 mg·L-1, 平均为5.92 mg·L-1, 春冬季浓度较高, 夏秋季较低, 7月浓度较高, 如图 2(a6); 氨氮浓度在0.18~5.46 mg·L-1之间, 平均为1.09 mg·L-1, 图 2(b6)显示春季浓度显著高于其他3个季节.综上, 乌溪港水体氮污染情况十分严峻, 按地表水质量标准划分总氮6年均值都属于劣Ⅴ类水, 与总氮相比, 氨氮的污染程度较轻.根据《国家地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)将6 a的逐日总氮数据进行划分, 发现2010年全年乌溪港水质都属于劣Ⅴ类水. 2011年有5 d是Ⅴ类水, 其余均是劣Ⅴ类. 2012年有1 d是Ⅴ类水, 其余全是劣Ⅴ类. 2013年有5 d是Ⅳ类水, 17 d是Ⅴ类水, 其余全是劣Ⅴ类. 2014年有1 d是Ⅱ类水, 3 d是Ⅳ类水, 2 d是Ⅴ类水, 其余全是劣Ⅴ类水. 2015年有3 d是Ⅴ类水, 其余全是劣Ⅴ类水.

(a1)~(a6)表示2010~2015年总氮变化趋势, (b1)~(b6)表示2010~2015年氨氮变化趋势 图 2 乌溪港水体中总氮和氨氮浓度的不同年份变化特征 Fig. 2 Temporal variation of TN and NH4+-N in Wuxi port in different years

2.2 乌溪港水体中氮素浓度的年内和年际间差异

图 3可以看出总氮浓度在3月达到年内最高, 尤其是2015年3月总氮浓度为8.72 mg·L-1, 远超过地表水Ⅴ类水标准2.0 mg·L-1. 5~10月总氮浓度处于较低水平, 其中10月达到最低, 2014年10月总氮浓度最低为2.75 mg·L-1, 但是也超过了地表水Ⅴ类标准.乌溪港作为太湖流域的主要入湖港口, 其总氮污染情况不容乐观.氨氮浓度的年内变化趋势与总氮有所不同, 氨氮浓度在2月和3月达到年内最高, 7~9月这3个月的氨氮浓度较低, 2011年3月氨氮浓度达到最高4.70 mg·L-1, 远超过地表水环境质量标准Ⅴ类水, 并且远高于其他年份.

图 3 总氮和氨氮浓度的年内变化趋势 Fig. 3 Annual variability of TN and NH4+-N concentration in Wuxi port

图 4可以看出, 2014年总氮浓度最低为4.41 mg·L-1, 2015年最高为5.92 mg·L-1. 2015、2011、2012年总氮浓度均值分别为5.92、5.47、5.82 mg·L-1, 显著高于2013年4.45 mg·L-1和2014年4.41 mg·L-1, 2011年氨氮浓度均值为1.72 mg·L-1, 显著高于2013年1.19 mg·L-1和2015年1.09 mg·L-1.

不同小写字母表示年际间差异显著(P<0.05) 图 4 总氮和氨氮浓度的年际差异 Fig. 4 Interannual variability of TN and NH4+-N concentration in Wuxi port

2.3 氮素浓度对降雨事件的响应 2.3.1 不同降雨强度下总氮浓度的变化情况

由不同降雨事件下总氮浓度的散点分布图(图 5), 可以看出, 在小雨事件下, 散点的分布在降雨量相同的不同降雨事件下, 在小雨事件下, 总氮浓度在1.42~12.97 mg·L-1之间广泛分布, 平均值为5.36 mg·L-1; 中雨事件时, 散点的分布相比于小雨事件更为集中, 总氮浓度在1.95~10.93 mg·L-1之间分布, 平均值为5.12 mg·L-1, 小于小雨事件的平均浓度.大雨、暴雨、大暴雨事件发生的次数较少, 多次大雨事件乌溪港总氮的浓度变化范围是2.93~8.48 mg·L-1, 总氮浓度分布较为集中, 平均值为5.11 mg·L-1, 略小于中雨事件; 在暴雨日降雨量在50~100 mm, 我们可以看到随着降雨量的增大趋势线呈现上升状态, 总氮浓度范围是2.51~8.31 mg·L-1, 平均值为5.47 mg·L-1, 是所有降雨事件中最高的; 在大暴雨事件下, 总氮2.59~4.75 mg·L-1, 平均值为3.65 mg·L-1, 总氮浓度是所有降雨事件中最低的.

图 5 不同降雨强度下总氮浓度变化趋势 Fig. 5 Trend of TN concentration under different rainfall intensities

在小雨事件下, 图 6散点的分布可以看出氨氮浓度在2 mg·L-1以下的点的密度较大, 浓度在2 mg·L-1以上的点较为稀疏, 氨氮的浓度范围在0.19~7.21 mg·L-1之间, 平均值为1.44 mg·L-1; 中雨事件时, 散点的分布相比于小雨事件更为分散, 氨氮浓度在0.21~4.05 mg·L-1之间, 平均值为1.54 mg·L-1, 大于小雨事件的平均浓度.大雨事件乌溪港氨氮的浓度变化范围是0.29~3.00 mg·L-1, 平均值为1.32 mg·L-1, 浓度低于小雨和中雨事件; 在暴雨事件下, 氨氮浓度范围是0.37~2.34 mg·L-1, 平均值为1.02 mg·L-1, 浓度继续降低; 在大暴雨事件下, 随着降雨量的增加, 氨氮浓度有先降低后升高的趋势, 其浓度范围是0.59~1.03 mg·L-1, 平均值为0.81 mg·L-1, 浓度达到最低.

图 6 不同降雨强度下氨氮浓度变化趋势 Fig. 6 Trend of NH4+-N concentration under different rainfall intensities

2.3.2 汛期非汛期氮素的变化

图 7表明, 在监测期间, 除2010年和2012年总氮浓度在汛期和非汛期没有明显差异外, 其余4年, 非汛期浓度要远高于汛期.氨氮连续6年均呈现非汛期浓度高于汛期的特征, 在2011年非汛期氨氮浓度异常高. 2015年汛期氨氮浓度明显低于其余年份.

图 7 总氮和氨氮浓度在汛期、非汛期变化特征 Fig. 7 Trends of TN and NH4+-N during the flood season and non-flood season over six years

3 讨论

通过对乌溪港断面连续6 a的氮素监测, 可以看出太湖入湖河道的水体营养盐浓度很高, 水质一直处于劣Ⅴ类, 直接影响太湖水体中的营养盐浓度, 致使太湖存在蓝藻暴发的危险, 严重影响太湖流域的水环境安全.没有人类活动影响的河流, 受自然因素的影响, 水中的化学物质随时间和空间而变化[31].人类活动如工业化、城镇化等会改变污染物和水体迁移的过程, 导致水生态环境恶化[24].营养盐进入水体受诸多因素的影响, 包括集水区养分含量、植物吸收能力、土壤吸附能力、土地利用、人口密度、坡度、养分投入、降雨、干湿沉降等[32].港口氮素逐月变化特征明显, 降雨量小的月氮素浓度明显高于降雨量大的月, 说明上游工业、城市、生活排放的污染物对乌溪港水质影响较大, 有关于太湖上游宜溧河流域的研究表明, 种植业和畜禽养殖业是氮污染的主要来源, 贡献比例分别为55.9%和34.4%[33], 这与乌溪港上游流域的特征不同, 乌溪港流域上游河网区开发利用强度大, 城镇化程度高, 人口密度大, 生活污染所占的比例较高.此外, 历年5月和10月水体中污染物浓度较低, 这主要是因为乌溪港沿岸的农田主要为稻麦轮作, 这两个月恰好是作物种植的交替期, 来自农田的营养盐排放量减少.

降雨具有侵蚀和稀释两种作用, 侵蚀作用会使污染物离开其原位置随径流汇入水体, 稀释作用会降低水体中污染物的浓度, 这两种作用力的大小不同, 会造成水体中污染物浓度的升高或降低.在降雨量较小时, 未产生地表径流, 雨水进入水体后产生稀释作用使总氮浓度降低; 在降雨量较大时, 因产生地表径流, 携带了来自农田、养殖、生活等来源的污染物进入水体.当侵蚀作用大于稀释作用时, 水体中的氮素浓度升高.有研究表明, 在降雨量很大时, 降雨初期侵蚀作用占主导, 随着降雨的继续, 稀释作用占主导[6].有学者开展的模拟降雨试验结果表明, 在降雨强度较小时, 开始时氮浓度较高, 后逐渐降低, 而在暴雨时, 氮浓度先快速降低而后又缓慢上升[21, 34].本研究中总氮浓度在小雨事件下浓度较高, 在中雨和大雨事件时浓度明显降低, 说明降雨对河流中的总氮起到了稀释的作用, 在暴雨事件下, 总氮浓度明显高于大雨事件, 说明暴雨事件下, 汇入水体中的污染物较多, 侵蚀作用削弱了降雨的稀释作用.乌溪港水体中氮素浓度非汛期高于汛期, 两个时期氮素浓度的差异也反映出了污染来源, 非汛期自然径流量少但污染物浓度高说明城镇生活污水、工业废水以及畜禽养殖是河流中氮的主要来源.这与乌溪港上游两个镇人口密度高达1 220.27人·km-2, 经济发达, 以工业为主的背景吻合.而在水土流失比较严重的流域, 降雨过程中河流氮素主要来源于农田[35].此外, 有研究还表明, 城市污水处理厂、工业废水处理站及湿地等生态工程的氮处理效率由于冬春季节温度降低而下降, 导致排放水体中的氮素浓度升高, 使非汛期河流水质下降[36].此外, 还有研究表明, 氮素浓度还与水体中藻类生长有关, 夏季藻类生长旺盛, 会吸收较多的氮磷养分, 因此也会一定程度上减小汛期氮素的浓度[37].

4 结论

(1) 6 a水质监测结果显示, 乌溪港水体污染情况严峻, 劣Ⅴ类水质的时期占90%以上.总氮年均值在4.41~5.92 mg·L-1之间, 氨氮为1.09~1.72 mg·L-1.总氮和氨氮浓度在时间上呈现明显的季节性变化规律, 春冬季节浓度高, 夏秋季节浓度较低.

(2) 在不同的降雨强度下, 污染物浓度的响应不同.在小雨和中雨强度下, 氮素浓度较低; 在中雨和大雨强度下, 氮素浓度升高; 在暴雨和大暴雨强度下, 氮素浓度较低.降雨带来的侵蚀作用和稀释作用共同影响水体的氮素浓度.此外, 氮素浓度在非汛期较高而在汛期较低.

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