在河流上筑坝拦水形成水库, 流域原有的水文特征、物质转化条件和输送通量特征将产生一系列复杂变化, 水库通过物理、生物、化学等作用去除或滞留大量营养盐^{[1, 2]}, 改变对下游营养盐的输出通量, 对整个流域生源要素迁移转化过程、水库下游湖库环境演化及生态系统演变过程都将产生深刻影响, 因此, 研究梯级水库营养盐滞留累积效应意义重大, 一直是梯级水库生态环境效应的研究热点.

目前, 国内外关于水库营养盐滞留效应的研究已有很多.营养盐之间滞留机制不同, 氮滞留的主导机制是底部表层沉积物的脱氮反应^{[3, 4]}, 此外, 不同水生植物组合形式^[5]和水体滞留时间^{[6, 7]}也能影响水体中氮的去除; 磷滞留主要以颗粒磷沉降为主^[8], 此外, 水库运行方式^[9]以及水库对泥沙的沉降、生物吸收转化也是磷滞留的影响因素^{[10, 11]}; 而硅滞留主要以生物消耗为主^{[12, 13]}.营养盐之间滞留效率不同, 在不同时期亦有差异, Stenback等^[14]研究发现水库对水库中氮营养盐表现为正滞留, 滞留率变化范围为5%~90%, 而Burford等^[15]的研究认为, 水库氮营养盐滞留率在不同时期有正负差异, 上游来流流量小时表现为负滞留, 水库表现为氮源; 磷营养盐滞留率变化范围一般为30%~80%, 水库对磷有汇的作用^{[16, 17]}; 硅营养盐滞留率范围一般在40%~90%^[18].向家坝是金沙江最后一级梯级水库, 对上游来流营养盐的拦截以及下游三峡水库的入流条件均有重大影响, 而向家坝建成蓄水以后, 对其水生态环境影响方面的研究较少.本研究着重研究向家坝营养盐的分布特征及其滞留效应, 初探向家坝水库营养盐的来源、分布特征及滞留情况, 以期为进一步研究上游梯级水库群建设对三峡水库及下游生态环境的滞留累积效应提供依据.

向家坝水库位于云南水富县与四川省宜宾县交界的金沙江下游峡谷出口段河段上, 是金沙江流域梯级水库的最后一级, 为典型的高深狭长型水库, 坝高162 m, 距上游溪洛渡水库坝址157 km, 向家坝库区控制流域面积45.88 ×10⁴km², 多年平均径流量3 810 m³·s^-1.水库总库容51.63×10⁸ m³, 调节库容99×10⁸ m³, 回水长度156.6 km.向家坝地区属亚热带季风气候, 年平均气温18.3℃, 最高气温38.3℃, 最低气温-1.0℃.年平均降水量为908.1 m, 其中丰水期多年平均降水量占全年降水量的91.8%.

根据向家坝水库地形及污染源分布特征, 从向家坝前沿中泓线向回水区上游共设置7个样点, 如图 1所示, 依次记为XJB01~XJB05, 在溪洛渡大坝下游设置一控制样点, 记为XLDX, 在向家坝大坝下游设置一个控制样点, 记为XJBX.各监测样点设置如图 1所示.

图 1

Fig. 1

图 1 监测点位布设示意 Fig. 1 Sketch map of the monitored river section

2015年4月至2016年10月对向家坝水库7个监测样点进行逐季度监测, 水温、水深、浊度和叶绿素a等参数由维赛YSI多参(美国)水质监测仪现场测得, 精度分别为±0.1℃、±0.01 m、0.01 NTU和0.01mg·L^-1, 垂向上1 m实时测定一组数据, 从表层到水底进行连续均匀地监测, 为避免仪器感应误差, 放置时先在表层停留30 s再下放, 读数每1 s更新一次; 其中2016年1月至2016年11月对各监测样点利用5 L卡盖式采水器按照0.5、5、10、20和40 m至底层分层采集水样.由于上下游控制样点处于自然水流状态, 水流湍急, 水体充分掺混, 均只采集表层水体.水样采集后储存于350 mL样瓶中进行室内实验.

营养盐监测指标：总氮(TN)、硝氮(NO₃^--N)、总磷(TP)、正磷酸盐(PO₄^3--P)和溶解性硅酸盐(SiO₃^2--Si)主要方法参考文献[19]测定, 其中溶解性硅酸盐浓度用硅钼黄分光光度法测定, 总氮采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度计法测定(监测下限为0.05 mg·L^-1, 相对标准偏差小于7%), 总磷采用过硫酸钾消解-钼酸铵分光光度法测定(检测下限为0.01 mg·L^-1, 相对标准偏差小于1.3%).

根据冉祥滨三峡水库营养盐的收支平衡算法^[20], 向家坝水库入库和出库营养盐瞬时通量计算公式为：

水库滞留量计算公式为：

水库滞留效率RET_f计算公式为：

式中, F为营养盐入库F_in和出库F_out的通量, kg·s^-1; c为营养盐的质量浓度, mg·L^-1; Q为入库Q_in和出库Q_out径流量, m³·s^-1; K为单位转化系数, K=1; q为支流贡献率, 其值为0.002, 具体计算公式为：q₌(Q_in-Q_out)/Q_in; L为水库滞留量, kg.

监测期内向家坝水库各监测点营养盐质量浓度如图 2所示.由图 2(a)可知, 水库TN质量浓度波动范围为0.603~1.66mg·L^-1, 平均质量浓度为0.961mg·L^-1, TN质量浓度处于高水平, 据富营养化阈值国际标准^[21], 水库水体处于富营养化状态. TN最小值出现在2016年8月XJBX, 为0.603mg·L^-1, 最大值出现在2015年4月XJB05, 为1.66mg·L^-1.由图 2(b)可知, 水库NO₃^--N质量浓度上升趋势明显, 波动范围为0.138~1.61mg·L^-1, 均值为0.452mg·L^-1. NO₃^--N质量浓度处于较高水平, 最小值出现在2016年8月XJB05为0.138 mg·L^-1; 最大值出现在2015年4月XJBX为1.61mg·L^-1.由图 2(a)和2(b)可知, 水库NO₃^--N质量浓度在TN质量浓度中占比较高, NO₃^--N是TN的主要组成部分.监测期间向家坝水库各监测样点磷质量浓度分布图如图 2(c)所示, 从时间上看, 向家坝水库TP质量浓度整体呈现出与TN相同的变化趋势, 总体趋势平稳, 波动范围在0.001~0.076mg·L^-1, 整个水库TP质量浓度变化趋势一致, 从空间上看, TP质量浓度表现为上游来流质量浓度高, 下游质量浓度低, 总体上差别不大, 其中2016年4月XLDX出现峰值0.340mg·L^-1, 即上游来流质量浓度处于高水平.由图 2(d)可知, PO₄^3--P质量浓度在0~0.032mg·L^-1范围内波动, 监测初期, PO₄^3--P质量浓度在水库内均匀分布, 其值均为0.001mg·L^-1, 其后上升至平均质量浓度0.017mg·L^-1, 2016年4月回落至0.003mg·L^-1, 各监测样点质量浓度相差不大, 空间差异不明显.监测期间向家坝水库各监测样点SiO₃^2--Si质量浓度分布如图 2(e)所示, 从中可知, 监测期内水库SiO₃^2--Si质量浓度略有上升趋势, 其均值由前期的7.41mg·L^-1上升至后期的8.73mg·L^-1, 波动范围在6.53~9.66mg·L^-1, 处于较高水平.

图 2

Fig. 2

图 2 营养盐时空分布 Fig. 2 Temporal and spatial distribution of nutrients

不同季度向家坝水库各监测样点垂向营养盐质量浓度分布如3所示.由图 3(a)可知, 不同季节TN分布规律不同, 夏冬季TN质量浓度偏高, 春秋季较低, 均值分别为1.06 mg·L^-1和0.778 mg·L^-1.空间上, XJB01和XJB02质量浓度偏高, 均值分别为0.991 mg·L^-1和1.14 mg·L^-1.其它3个样点质量浓度较低, 均值为0.822 mg·L^-1, 河流空间走向上，下游TN质量浓度高于上游.

图 3

Fig. 3

图 3 营养盐垂向分布 Fig. 3 Vertical distribution of nutrients

垂向上, XJB02夏季TN质量浓度变化最大, 表层为2.97 mg·L^-1, 底层为1.06 mg·L^-1, 差值为1.09 mg·L^-1, 冬季水库TN质量浓度均值为0.871 mg·L^-1, 垂向质量浓度变幅相对较小, 这种质量浓度稳定性可能与水库蓄水有关.由图 3(b)可知, 不同季节TP质量浓度与TN质量浓度分布规律相似, 夏冬季TP质量浓度偏高, 春秋季则较低, 均值分别为0.054mg·L^-1和0.025mg·L^-1.空间上, TP质量浓度沿程有下降的趋势, XJB04质量浓度最高, 均值为0.051 mg·L^-1, 坝前XJB01质量浓度则较低, 均值为0.033 mg·L^-1.垂向上各监测点位TP质量浓度表、底层均值分别为0.033 mg·L^-1和0.047 mg·L^-1, 底层TP质量浓度大于表层, 表、底层TP质量浓度差异情况进一步解释了向家坝水库颗粒态磷的主要存在形式及磷质量浓度沿程降低的分布规律.由图 3(c)可知, 不同季节SiO₃^2--Si质量浓度分布规律与TN和TP相似, 夏冬季TP浓度偏高, 均值为8.40 mg·L^-1, 春秋季SiO₃^2--Si质量浓度则较低, 均值为7.25 mg·L^-1, 空间上SiO₃^2--Si质量浓度沿程变化较小.垂向上各监测点位SiO₃^2--Si质量浓度表、中和底层均值分别为7.96、7.92和7.59 mg·L^-1, 垂向上, SiO₃^2--Si质量浓度均值有降低的趋势, 总体上看SiO₃^2--Si质量浓度垂向相差不大.

向家坝水库各监测样点营养盐质量浓度统计如图 4所示.由图 4(a)可知, 水库纵向上, XJBX、XJB02和XLDX这3个点位TN质量浓度较高, 均值分别为0.920、0.981和0.902mg·L^-1, 其中这3个采样点附近均有村镇, 点源输入偏大.由图 4(b)可知, TP质量浓度沿程降低, XJBX和XJB01质量浓度均值分别为0.023 mg·L^-1和0.033 mg·L^-1, XJB05处于回水末端, 夏季低水位时该样点水体为河流状态, 冬季蓄水时该样点在回水区范围内呈湖泊状态, 该样点TP质量浓度均值为0.035 mg·L^-1, TP质量浓度低于下游样点.由图 4(c)可知, SiO₃^2--Si质量浓度沿程差异较小, 各监测样点SiO₃^2--Si质量浓度均值为7.98mg·L^-1, 最大值在XJB03, 为8.21 mg·L^-1, 最小值在XJBX, 为7.93mg·L^-1.

图 4

Fig. 4

图 4 营养盐空间分布 Fig. 4 Spatial distribution of nutrients

向家坝水库流量变化如图 5所示, 月均径流量变化范围为2 215~7 126 m³·s^-1, 流量受季节性降雨影响明显, 丰水期的月均流量约为枯水期月均流量的2~3倍.年际间, 2016年流量相对2015年较高, 年内丰水期流量相对较大, 丰水期流量变化范围为5 413~7 126 m³·s^-1.

图 5

Fig. 5

图 5 2015~2016年向家坝水库入库、出库月均径流量 Fig. 5 Monthly runoff for Xiangjiaba Reservoir during 2015-2016

向家坝水库TN、TP和SiO₃^2--Si营养盐的月输送通量如图 6所示, 2015年TN月输送通量总体表现为入库大于出库, 入库通量分别为1.37×10⁴、1.31×10⁴和1.22×10⁴ t, 出库通量分别为1.01×10⁴、0.779×10⁴和0.939×10⁴ t, 总体表现为正滞留; 2016年月输送通量有所变化, 1月表现为出库大于入库为负滞留, 入库通量分别为0.554×10⁴ t, 出库通量分别为0.791×10⁴ t, 4、8和11月表现为入库大于出库, 入库通量分别为0.522×10⁴、1.81×10⁴和0.808×10⁴ t, 出库通量分别为0.484×10⁴、1.24×10⁴和0.524×10⁴ t, 表现为正滞留. TP入库通量变化范围为171~735 t, 出库通量变化范围为81~654 t, 监测期间, TP入库通量始终均大于出库通量, TP表现为正滞留. SiO₃^2--Si入库通量变化范围为4.47×10⁴~14.6×10⁴ t, 出库通量变化范围为4.71×10⁴~16.1×10⁴ t. SiO₃^2--Si的通量随流量的波动关系较为明显, 不同时期入库、出库通量相差不大, 总体来看, SiO₃^2--Si的滞留不明显.

图 6

Fig. 6

图 6 向家坝水库不同时期入库、出库的氮、磷和硅的月通量 Fig. 6 Monthly fluxes of TN, TP, and SiO32--Si at the inflows and outflows of Xiangjiaba Reservoir during different periods

向家坝水库TN、TP和SiO₃^2--Si的滞留效率如表 1所示, 连续2年TN和TP均表现为正滞留, TN滞留量分别为4.89×10⁴ t和0.704×10⁴ t; TP滞留量分别为0.191×10⁴ t和0.101×10⁴ t. 2015年水库对SiO₃^2--Si表现为正滞留, 滞留量为1.98×10⁴ t, 表现为“汇”, 2016年则表现为负滞留, 滞留量为-6.78×10⁴ t, 表现为“源”.

表 1 (Table 1)

表 1 2015~2016向家坝水库氮、磷、硅营养盐的年输送通量 Table 1 Annual fluxes of TN, TP, and SiO32--Si in Xiangjiaba Reservoir during different periods of 2015-2016 年份 年均径流量×108/m3·s-1 TN×104/t TP×104/t SiO32--Si×104/t 入库 出库 入库 出库 滞留 入库 出库 滞留 入库 出库 滞留 2015 1 233 1 233 16.9 12.1 4.89 0.382 0.191 0.191 95.2 93.2 1.98 2016 1 359 1 366 12 11.3 0.704 0.522 0.416 0.101 105 112 -6.78

表 1 2015~2016向家坝水库氮、磷、硅营养盐的年输送通量 Table 1 Annual fluxes of TN, TP, and SiO32--Si in Xiangjiaba Reservoir during different periods of 2015-2016

向家坝水库TN、TP和SiO₃^2--Si的滞留效率如图 7所示, 2015年向家坝水库对TN, TP的滞留效率均表现出正滞留, 对SiO₃^2--Si可能为正滞留, TN的滞留效率变化范围在23.1%~40.5%, 月平均滞留效率为30%, TP的滞留效率变化范围为8.4%~53.0%, 月平均效率为45.1%, SiO₃^2--Si的滞留效率变化范围为-0.9%~4.0%, 月平均效率为1.6%, 2016年TP依然表现为正滞留, 滞留效率变化范围为11.1%~40.5%, 月平均滞留效率为23.3%, TN、SiO₃^2--Si可能表现为负滞留, TN滞留效率变化范围为-42.8%~35.2%, 月平均效率为7.98%, SiO₃^2--Si滞留效率变化范围为-12.8%~1.2%, 月平均效率为-5.06%.

图 7

Fig. 7

图 7 向家坝水库不同时期DTN、TP以及SiO32--Si的滞留效率(RETf) Fig. 7 TN, TP, and SiO32--Si retention efficiency(RETf) of the Xiangjiaba Reservoir during different periods

向家坝水库水体中营养盐平均浓度处于中等水平, 符合国家Ⅲ类水质标准.水体中TN、TP和SiO₃^2--Si的平均质量浓度分别为0.905、0.034和7.98mg·L^-1.从时间上看, 枯水期相较于丰水期, TN和TP质量浓度偏高, 丰水期雨量充沛, 出、入库的营养盐通量均增大, 营养盐浓度增减趋势受流量的变化趋势影响不明显, 这与李正阳的研究结果相反^[22], 这可能是因为向家坝水库两岸多高山, 人口稀少, 农业耕地、农田化肥使用相对较少, 生活垃圾污染影响较小的结果.消落带是营养盐的重要储存库^[23], 枯水期由于向家坝水库蓄水, 水库水位大幅抬升, 消落带大量营养盐进入水体, 这种周期性营养盐的输入使向家坝水库水体营养盐浓度呈现周期性波动特征.从空间上看, 不同监测样点营养盐浓度变化趋势各有不同, TN质量浓度主要受点源影响较大, XJB02和XJB03所属村镇是人口集中区域, 生活污水导致该样点的TN浓度相对其它样点较高.各监测样点TP质量浓度顺河流走向沿程下降, 上游地区富含磷矿^[24]导致来流TP质量浓度偏高, 而水库水体中磷的存在形式以颗粒态为主, 水体由河流形态向水库形态转变, 流速沿程降低, 水体中悬浮物迅速下沉, 悬浮物所吸附的颗粒态磷酸盐同时沉降^[25~27], 磷的沉降造成TP质量浓度的沿程差异. SiO₃^2--Si质量浓度多与岩石风化有关, 蓄水后流域风化率降低导致输入量减少^[28], 硅藻也会影响SiO₃^2--Si质量浓度.在丰水期SiO₃^2--Si质量浓度有增大的趋势, 这可能与丰水期流量增大外源输入增加有关.

本次研究营养盐滞留采用冉祥滨三峡水库滞留效应计算方法进行估算, 其估值的准确性与选择的河段是否有点源和非点源营养盐输入、上下游的监测样点流量、水位差异、水体滞留时间等相关^[29].夏季换水周期较短的情况下, 营养盐过程并未平衡, 估算滞留量存在一定的误差.监测周期为季度监测, 时间尺度为两年, 在垂向上考虑水体营养盐的分层特性, 整体来看, 本研究估算较为合理, 可作为研究向家坝水库营养盐滞留效应的参考.通过计算可知, 向家坝水库2015~2016年氮平均滞留量为2.30×10⁴ t, 滞留效率为17.5%;磷平均滞留量为0.146×10⁴ t, 滞留效率为32.8%;对硅酸盐整体表现为负滞留.可见, 水库对磷的滞留作用比氮更为显著, 这与大多数水库滞留效应研究相同^[30~32].氮、磷滞留效率年内差异巨大的原因与其滞留机制不同有关, 氮滞留主要机制包括反硝化作用以及沉积物临时埋藏, 泥沙吸附、输运以及沉降作用对磷滞留显著影响, 而硅主要被生物生长消耗而产生滞留.

从年内看, 水库对氮营养盐的滞留效应在不同时期各有差异, 但整体上丰水期氮滞留率相对枯水期较高.丰水期, 水库氮营养盐表观上为正滞留, 水库扮演“汇”的角色.氮营养盐的滞留与反硝化作用密切相关, 有研究表明水温与反硝化速率呈正相关关系^[33].丰水期入库流量大, 入库氮通量增加, 适宜的水温条件加快反硝化速率, 氮去除能力高, 氮营养盐表观上表现为正滞留, 滞留率相对较高.枯水期则相反, 尤其冬季水库表现为负滞留.枯水期入库流量小, 输入氮营养盐量随之减少, 可滞留量减少, 此时期水库处于高水位运行, 消落带高浓度营养盐向水体扩散, 加之冬季水温降低, 硝化作用增强, 水体氮营养盐含量增高, 滞留率降低, 冬季甚至表现为负滞留, 这与胡春华等^[34]的研究结果一致.从年内看, 磷营养盐表现为正滞留.水体磷含量从上游至下游呈现减小的趋势, 这与水体中的磷颗粒沉降有关^[8], 颗粒态磷是水体中磷存在的主要形式, 该形式导致水库对磷营养盐表现出拦截作用, 水库扮演“源”的角色.枯水期水库处于高水位运行, 消落带大量磷营养盐释放进入水体, 一部分由于水库效应沉降, 另一部分溶于水中, 使水库磷浓度升高, 由于沿程消落带磷营养盐的输入, 使得计算的磷表观滞留率低, 这与乌江渡水库由于人为氮输入, 导致计算的总氮的表观滞留率较低的情况相符^[35].此外, 生物对磷的转化吸收也会使水库表现为对磷的拦截作用, 但总体上来说, 磷的沉降在滞留过程中占主导作用, 并且高水位运行时, 沿程消落带磷输入, 使磷表观滞留率低.硅营养盐滞留量的变化趋势与流量变化趋势相似, 这与水库的营养盐以外源性为主, 依靠水库上游来流输入一致^[36].丰水期硅营养盐表现为负滞留, 枯水期则表现为较小的正滞留, 总体上出入库硅营养盐通量差别不大.

从年际间看, 水库对氮营养盐并不是单纯的正滞留, 2015年不同时期均表现为正滞留, 2016年总体上则表现为均衡效应, 氮营养盐总体呈现正滞留效应.年际间的差异可能与监测水文年限长短有关, 导致年际间的总体趋势不明显, 这也反映出氮营养盐的滞留可能是一个周期性不明显的过程, 滞留机制较为复杂.而磷在年际间始终表现为正滞留, 这与其在水中的主要存在形式和上游来流的水中磷含量有关.硅的滞留量在年际间差别较大, 出入库硅营养盐通量与流量相似性明显, 滞留量逐年增加, 这可能与硅的生物吸收转化作用有关.蓄水后, 藻类优势种群随着原始河流态转化为湖库态相应发生变化, 优势藻种的变化过程可能会导致藻种对营养盐的选择吸收发生改变, 其生消过程对硅营养盐的滞留也尤为关键.对向家坝水库硅营养盐的滞留还有待进一步探究.

(1) 监测期间, 向家坝水库TN、TP和SiO₃^2--Si营养盐质量浓度均值分别为0.905、0.034和7.98mg·L^-1.水库水质达到国家Ⅲ类水质标准.其中TN、TP质量浓度随时间波动较小, SiO₃^2--Si质量浓度在丰水期略有增大.空间上, TN质量浓度受点源输入影响较大, TP质量浓度则顺水流流向沿程减小, SiO₃^2--Si质量浓度波动较小.

(2) 不同营养盐滞留量在时间上存在较大差异.向家坝水库2015~2016年TN、TP和SiO₃^2--Si营养盐年均滞留量分别为2.80×10⁴、0.146×10⁴和-2.4×10⁴ t, TN和TP表现为正滞留, SiO₃^2--Si表现为负滞留. 2015年TN、TP和SiO₃^2--Si营养盐月均滞留效率分别为30.1%、45.2%和1.75%, 2016年TN、TP和SiO₃^2--Si营养盐月均滞留效率分别为7.98%、23.5%和-5.06%.

(3) 整体上, TN和TP实际滞留效率丰水期高于枯水期, TP的滞留作用比TN的滞留作用更显著, 主要因为不同营养盐的滞留机制不同. TN滞留效应主要受反硝化作用、以及外源负荷输入影响; TP主要受水库运行方式以及沉降作用影响; SiO₃^2--Si滞留量随流量变化关系显著.

(4) 向家坝水库对营养盐的滞留效应在不同时期影响了下泄水体中营养盐的输出通量, 短期内, TN和SiO₃^2--Si的输出通量会减少, TP输出通量则会在较长时间内持续减少, 滞留效应对下游水体富营养化“控源”产生积极影响.