环境科学  2020, Vol. 41 Issue (12): 5381-5388   PDF    
三峡库区汉丰湖水体氮磷及化学计量比季节变化特征
钱田1, 黄祺2, 何丙辉1, 李天阳1, 刘淑婧1, 付适1, 曾荣昌1, 向可翠3     
1. 西南大学资源环境学院, 三峡库区生态环境教育部重点实验室, 重庆 400715;
2. 中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司, 贵阳 550081;
3. 重庆市开州区环境监测站, 开州 405400
摘要: 在分析2017年3月至2018年2月汉丰湖水体氮磷营养盐质量浓度季节性变化的基础上,利用氮磷化学计量摩尔比评估水体氮磷养分限制状态.结果表明:湖体TN、DN和NO3--N平均质量浓度分别为1.60、1.25和0.91 mg·L-1,三者季节变化过程相似,均呈现出冬季最高、夏季最低的特点.NO3--N对水体TN贡献较大,NH4+-N和NO2--N质量浓度维持在较低水平且变化平稳.TP、DP和PO43--P平均质量浓度分别为0.13、0.09和0.06 mg·L-1,TP和DP质量浓度变化相似,呈春夏季升高,秋冬季先降低再升高的趋势,而PO43--P质量浓度则波动降低.TN/TP范围在11.07~56.02之间,均值为29.23,TN/TP呈季节性波动变化,最高值出现在冬季,最低值出现在夏季.汉丰湖水体多数时间适宜藻类生长繁殖,少数时间处于N限制状态,极少数时间处于P限制状态.降雨径流、肥料使用、污水排放和水生生物活动等因素皆会影响TN/TP的季节变化,同时根据汉丰湖水质特征提出保护建议.
关键词: 三峡库区      汉丰湖      氮磷      TN/TP      季节变化      治理建议     
Seasonal Variations in Nitrogen and Phosphorus Concentration and Stoichiometry of Hanfeng Lake in the Three Gorges Reservoir Area
QIAN Tian1 , HUANG Qi2 , HE Bing-hui1 , LI Tian-yang1 , LIU Shu-jing1 , FU Shi1 , ZENG Rong-chang1 , XIANG Ke-cui3     
1. Key Laboratory of Eco-environment in the Three Gorges Reservoir Region, Ministry of Education, College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400715, China;
2. Guiyang Engineering Corporation Limited, PowerChina, Guiyang 550081, China;
3. Environmental Monitoring Station, Kaizhou District, Chongqing, Kaizhou 405400, China
Abstract: Based on the seasonal changes in the nitrogen and phosphorus concentrations in Hanfeng Lake from March 2017 to February 2018, the nutrient limitation status was evaluated by the stoichiometric molar ratio of nitrogen and phosphorus. The results showed that the average concentrations of TN, DN, and NO3--N were 1.60, 1.25, and 0.91 mg·L-1 in Hanfeng Lake, respectively. The seasonal changes of those indicators were similar, showing the highest concentration in winter and lowest in summer. NO3--N accounted for TN significantly in the water body, and the concentrations of NH4+-N and NO2--N remained at low levels and changed steadily. The average concentrations of TP, DP, and PO43--P were 0.13, 0.09, and 0.06 mg·L-1, respectively. The changes in the concentrations of TP and DP were similar, showing a trend of increasing in spring and summer, and then decreasing in autumn and winter, while the PO43--P concentration showed the trend of fluctuated decrease. TN/TP varied from 11.07 to 56.02, with an average value of 29.23. TN/TP changed seasonally, with the highest value occurring in winter and the lowest value in summer. The conditions of the water body were conducive to growth and reproduction of algae for most of the time during sampling months. The water body was occasionally nitrogen limited and rarely phosphorus limited. The seasonal variation in TN/TP ratio was affected by several factors such as rainfall runoff, fertilizer use, sewage discharge, and aquatic biological activities. Further, protection strategies were proposed for the improvement of the water body in terms of present water quality characteristics in Hanfeng Lake.
Key words: Three Gorges Reservoir Area      Hanfeng Lake      nitrogen and phosphorus      TN/TP ratio      seasonal changes      governance recommendations     

三峡库区作为长江上游的生态屏障建设区, 能够集中体现最为突出的生态环境问题[1].随着三峡水库的投入运行, 水面变宽, 流速降低, 水体在库内停留时间变长, 削弱了污染物扩散能力, 使库区水环境变得更加脆弱[2].截至2016年, 三峡库区38条主要支流富营养化程度较为严重, 半数左右支流出现水华现象[3], 水体富营养化和水华等水环境问题极大限制了流域社会经济的可持续发展[4].在汉丰湖水位调节坝试运行期间, 湖体不同程度的富营养化以及湖体营养盐浓度的时空异质性引起了国内学者的广泛关注, 但研究多限于湖体营养状态[1, 5, 6]、浮游植物群落结构[7]与水环境容量[8, 9]等方面.汉丰湖水位调节坝于2016年8月31日正式运行, 此后汉丰湖内的水域生态环境发生改变, 目前关于正式运行阶段汉丰湖氮磷营养盐和氮磷化学计量的季节变化特征及其影响因素以及养分限制状态变化的研究还不多见.

氮磷化学计量比能够表现湖库营养结构特征, 能在一定程度上判定营养物质的输入对湖体营养结构影响程度[10, 11], 其季节变化会显著改变湖体中营养盐的限制状态[12], 对水生生物间的竞争及种群的演替具有一定的指导作用[13].本研究通过对汉丰湖不同季节水质现状的调查, 分析了N、P的赋存形态和季节变化及其与TN/TP的关系, 并对造成TN/TP季节性差异的原因进行初步探究, 以期为掌握该区域水质变化情况和氮磷限制状态提供技术支撑, 并提出相应的水质保护建议, 对防止库区水华暴发具有一定的参考价值.

1 材料与方法 1.1 研究区域

汉丰湖位于三峡库区小江中上游的开州区城区东河与南河交汇处(108°25′01″E, 30°48′50″N, 图 1), 属亚热带湿润季风气候区(表 1), 湖体西段狭窄, 东段开阔, 湖宽差值最大达1 500 m.库区周长36.4 km, 湖泊东西跨度12.51 km, 南北跨度5.86 km, 水域面积14.8 km2.常年蓄水水位在170.28 m以上, 蓄水量8 000万m3, 多年平均径流量24.17亿m3.降水丰富, 年降水量1 200 mm, 汉丰湖的建立削减了三峡水库因蓄水形成的55 km2消落区对生态环境的不良影响[14].

图 1 汉丰湖采样点位置分布示意 Fig. 1 Location distribution of sampling points in Hanfeng Lake

表 1 研究期间重庆市气象数据 Table 1 Chongqing meteorological data during the study period

1.2 水样采集与实验分析

根据湖体和支流来水的地理位置特征布设7个采样点(表 2).在研究期间逐月进行水样采集, 设置断面中垂线分层采样, 按各采样点水深(H)(图 2), 分别在水面以下0.5 m、1/2HH-0.5 m等分3层采样, 其中水深不低于10 m时分3层采样, 水深小于10 m分0.5 m和H-0.5 m水深处两层采样, 采集的水样均用聚乙烯瓶分装并于4℃冷藏带回实验室立即进行相关水质指标测定.采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法测定总氮(TN)和溶解性总氮(DN), 采用纳氏试剂分光光度法测定氨氮(NH4+-N), 采用紫外分光光度法测定硝态氮(NO3--N), 采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法测定亚硝态氮(NO2--N), 采用过硫酸钾氧化-钼蓝比色法测定总磷(TP)和溶解性总磷(DP), 采用钼蓝比色法测定溶解性磷酸盐(PO43--P).其中TN和TP直接使用原水样进行测定, 其余指标需将原水样通过0.45 μm滤膜过滤后测定.

表 2 汉丰湖采样点位置特征 Table 2 Location characteristics of sampling points in Hanfeng Lake

图 2 汉丰湖采样点水深变化 Fig. 2 Changes in water depth at sampling points in Hanfeng Lake

1.3 数据处理

本研究选择2017年3月至2018年2月采集的7个断面的数据样本进行分析.根据两分两至法和月份划分法划分季节的原则[15]以及气温、水温的季节变化规律[16]对研究期间的季节变化情况定性划分:3~5月为春季; 6~8月为夏季; 9~11月为秋季; 12月~次年2月为冬季.利用EXCEL 2016和SPSS 25.0软件对各断面水质数据进行统计分析, 利用Pearson分析探究水质指标之间的相关关系, P < 0.05表示差异显著, P < 0.01表示差异极显著.采用AutoCAD 2017和Originlab 2018绘图.单因素方差分析(One-way ANOVA)结果显示不同时期不同水深的水质指标差异不显著(DP:P=0.246, PO43--P:P=0.886, TN:P=0.673, DN:P=0.439, NO3--N:P=0.344, NO2--N:P=0.262), 且湖体较浅, 垂直分层现象不明显, 故营养盐平均浓度采用算术平均法进行计算.具体公式如下:

(1)

式中, HFi为采样点位, ρ(HFi)为采样点位营养盐算术平均质量浓度, mg·L-1, ρ1为0.5 m水深处营养盐质量浓度, mg·L-1, ρ2为1/2H水深处营养盐质量浓度, mg·L-1, ρ3H-0.5 m水深处营养盐质量浓度, mg·L-1, H为水深, m.

2 结果与分析 2.1 N素季节性变化特征

研究期间湖体TN质量浓度介于0.69~2.41 mg·L-1, 均值为1.60 mg·L-1, DN质量浓度介于0.59~1.87 mg·L-1, 均值为1.25 mg·L-1, NO3--N质量浓度介于0.28~1.68 mg·L-1, 均值为0.91 mg·L-1, NH4+-N和NO2--N质量浓度极小, 均值分别为0.08 mg·L-1和0.06 mg·L-1. NO3--N质量浓度对TN污染贡献较大且相对稳定, 平均占58%, NH4+-N和NO2--N质量浓度所占TN的质量分数约在11%和6%左右.如图 3所示, TN、DN和NO3--N质量浓度在研究期间呈现明显的波动变化, 三者季节变化过程相似, 均呈现出冬季最高、夏季最低的特点.湖体TN、DN和NO3--N质量浓度均有3次波峰, 分别出现在春季、秋季和冬季, 有2次波谷分别出现于夏季和秋冬交际期间. NH4+-N和NO2--N质量浓度维持在较低水平, 除NH4+-N质量浓度在夏季的7月和8月有小幅升高外, 其余月份均呈平稳趋势.

图 3 汉丰湖N素质量浓度季节性变化特征 Fig. 3 Seasonal characteristics of N mass concentration in Hanfeng Lake

2.2 P素季节性变化特征

研究期间湖体TP质量浓度介于0.07~0.32 mg·L-1, 均值为0.13 mg·L-1, DP质量浓度介于0.06~0.21 mg·L-1, 均值为0.09 mg·L-1, PO43--P质量浓度介于0.01~0.09 mg·L-1, 均值为0.06 mg·L-1.如图 4所示, 春季湖体P素平均质量浓度略低, 其他季节湖体P素平均质量浓度较高.春季TP和DP质量浓度变化不显著, 夏季呈逐月升高趋势, 在9月达到峰值, 此后逐月降低, 在秋末冬初降至最低后逐月升高. PO43--P质量浓度在研究期间呈波动下降的趋势, 春季、夏季和秋季的平均质量浓度相近, 冬季最低.

图 4 汉丰湖P素质量浓度季节性变化特征 Fig. 4 Seasonal characteristics of P mass concentration in Hanfeng Lake

将TN和TP对数化处理后进行线性拟合, 结果表明整体上TN与TP呈显著正相关, 秋季TN与TP呈显著正相关, 冬季TN与TP呈极显著正相关(图 5), 春夏季不相关, 说明秋冬季湖库氮磷的输移途径基本一致[16].

图 5 TN和TP回归关系曲线 Fig. 5 TN and TP regression relationship curve

2.3 TN/TP季节性变化特征

本研究期间湖体TN/TP范围在11.07~56.02之间, 均值为29.23(图 6).根据国内外学者提出的水中营养物限制性分类标准:TN/TP(摩尔比)≥50时为P限制状态, 而TN/TP(摩尔比)≤22时为N限制状态[16~18].本文将质量比TN/TP≥50作为P限制状态, TN/TP≤22作为N限制状态, 22 < TN/TP < 50作为适宜藻类生长的阈值[19].本研究期间28.57%的样本TN/TP低于22, 3.57%的样本TN/TP高于50, 其余67.86%的样本TN/TP介于两者之间.表明湖体多数时间适宜藻类生长繁殖, 少数时间处于N限制状态, 极少数时间处于P限制状态.

图 6 监测期间湖体TN/TP分布 Fig. 6 TN/TP ratio distribution of the water body during monitoring

图 7所示, 研究期间TN/TP最高值出现在冬季(12月), 最低值出现在夏季(8月). TN/TP≤22的时间集中于夏季(6、8月)和初秋(9月), TN/TP≥50的时间集中在秋末冬初(11、12月), 其余时间TN/TP介于22~50之间.

图 7 TN/TP的季节性变化趋势 Fig. 7 Seasonal change trend of TN/TP ratio

3 讨论 3.1 N素季节性变化分析

春季、秋季和冬季湖体N素平均质量浓度较高, 夏季湖体得到大量降雨的补充, 稀释作用使夏季N素质量浓度低于平均水平.夏末秋初N素质量浓度升高, 这主要是因为湖库9月开始蓄水, 营养盐质量浓度与水流流量呈正相关, 导致湖体N素质量浓度升高[20].蓄水稳定后, 湖体N素质量浓度受到稀释而出现短期降低.秋末和冬季降雨量减少, 水体滞留时间增加, 大量悬浮物和泥沙沉降使得颗粒态氮沉降, 同时浮游植物利用溶解性氮生成有机氮[21], 之后死亡经沉积作用被迁移至湖底沉积物中, 因此对下游N素的输送量减少, 导致湖体N素质量浓度再次上升.研究期间NO3--N占明显优势, 是N素的主要赋存形态, 究其原因可知, 开州区耕地面积达10万hm2, 平均施肥量达576 kg·hm-2, 远超国际公认标准安全上限225 kg·hm-2, 且区内氮肥利用率不足30%, 故肥料中的NO3--N随田间排水而流失, 这与李哲等[22]对小江回水区的研究结果相似.夏季水体反硝化作用增强, 使湖体NH4+-N平均浓度升高, NO3--N和NO2--N平均质量浓度降低, 有研究表明, NH4+-N质量浓度主要受工业废水、生活污水和农业排水影响[23], 7月和8月各采样点NH4+-N质量浓度均处于较高水平, 而城镇生活污水排放稳定, 故笔者推断上游工业废水排放和农业面源污染是使湖体NH4+-N质量浓度得到显著提高的原因.

3.2 P素季节性变化分析

相比于夏季、秋季和冬季, 春季湖体P素平均质量浓度较低.夏季TP和DP质量浓度升高, 后于秋季9月达到峰值.由于P素属典型的沉积型循环, 除生活污水与工业废水外, 湖体中TP最主要来源是流域矿质颗粒的输入[24].夏季雨水冲刷携带泥沙中的颗粒态磷进入湖体[25, 26], 使TP质量浓度增加, 这与程豹等[21]的研究结果一致.此外, 夏季高温也促使底泥中的P素释放[27], 从而增加TP质量浓度.湖体9月开始蓄水, 水位升高, 随着降雨量明显减少, 温度逐渐降低, TP质量浓度受到稀释作用而逐渐降低[28].冬季TP和DP质量浓度显著上升, 这是因为冬季湖体水位稳定, 加之下游调节坝的拦截作用, 使P的滞留效率提高[29].冬季PO43--P质量浓度呈显著下降趋势, 这是由于冬季湖体水位稳定, 水体滞留时间增加, 使得底栖生物有充足的时间吸收利用PO43--P[30], 这一过程与Walker Branch流域[31]和Seine River流域[32]的相似.

3.3 TN/TP季节性变化分析

夏季(6、8月)和初秋(9月)TN/TP均值≤22, 表明湖体整体处于N限制状态.这是因为高强度的降雨使N素稀释, 质量浓度降低, 而P素以颗粒态形式得到补充.周川等[33]通过对三峡库区澎溪河水华高发期的研究发现, 春季澎溪河处于N限制状态, 与汉丰湖水位春夏低、秋冬高的季节变化不同, 澎溪河春季水位高, 倒灌回水量大, 输入的外源P素多, 因此高质量浓度的TP导致TN/TP较低.杨凡等[23]对三峡库区的香溪河、神农溪和大宁河营养盐的研究发现, 3条河流较深, 底泥内源P素释放对表层水体营养盐影响较小, 而面源污染对水体N素的补充强度大, 夏季(6月)3条河流均表现出较高TN/TP的特征, 处于P限制状态.与其相比, 汉丰湖水体较浅, 底泥P素的内源释放成为影响湖体营养元素限制的重要原因之一.

虽然研究期间各月TN/TP均值未超过50, 但在秋末冬初(11、12月)湖体有21.43%的断面TN/TP≥50, 说明湖体出现P限制状态.蓄水稳定后, 湖体氮磷质量浓度在稀释作用下降低, 但随着水体滞留时间增加, 大量悬浮物和泥沙沉降使颗粒态氮沉降, 加之浮游植物利用溶解性氮生成有机氮, 死亡后沉积至湖底, 导致秋末冬初湖体N素质量浓度升高, 而P素最主要来源是在降雨条件下的矿质颗粒输入, 降雨量减小时, 径流输入湖体的溶解态氮相对更多, 故TN/TP达到全年峰值.韩超南等[34]对三峡支流的研究亦发现秋末冬初水域TN/TP较高, 整体处于P限制状态.卢珏安等[35]对香溪河的研究发现被淹没的消落带产生大量的含磷颗粒[36], 得出了秋末(11月)水体处于N限制状态的不同结论, 究其原因一方面是汉丰湖P素主要来源于城市污染和面源污染, 磷矿资源并不丰富; 另一方面湖体正处于蓄水期, 水体有一定的自净能力使得P素质量浓度较低[5].

春季(3~5月)和冬季(1、2月)TN/TP均值介于22~50之间, 表明湖体整体处于适宜浮游植物生长状态.春末TN质量浓度呈上升趋势, 而TP质量浓度呈波动变化趋势, 这是由于春季水体生物复苏作用消耗大量N素和P素, N素易通过降雨及地表径流得到补充, 而自然界P素迁移速率低于N素并主要以颗粒态形式流失, 且其在迁移过程中易被截留[37], 故N素对湖体的补充强度高于P素, 导致春季TN/TP较高.此外, 研究区域内农用地占比大, 春季耕作施用大量氮肥也会导致水体TN/TP升高.李哲等[16]对小江回水区的研究结果也表明了春季TN/TP较高.冬季TP质量浓度从最低值开始逐月升高, 使湖体由P限制状态向适宜浮游植物生长的环境转变, 这主要与该时期水库蓄水后调节坝对P素的拦截作用有关.康元昊等[38]对三峡库区汝溪河的研究发现, 4个季节水体均适宜浮游植物生长, 并将其归因于常年较缓的水流速度和适宜的水温.而汉丰湖存在蓄、泄水情况, 此期间较大流速不适宜浮游植物生长.周瑆玥等[39]认为三峡库区水华主要暴发时间集中在春夏秋三季, 尤其在3月库区泄水时, 小江流域的水流速度和流量降低, 沉积物质更容易沉淀, 浮游植物更容易吸收养分.

3.4 管理建议

不同于河流水体, 汉丰湖水体滞留时间较长, 水体流速慢, 交换能力弱使其有利于浮游植物的繁殖生长.且湖底沉积大量底泥, 在内源上对湖体氮磷补充量较大, 这也增大湖泊发生水华的风险.有研究表明, 当湖体TN和TP质量浓度分别超过0.80 mg·L-1和0.20 mg·L-1时, 蓝藻暴发引发水华不受氮磷营养盐含量限制[40].研究期间汉丰湖水体TN和TP的平均质量浓度分别为1.54 mg·L-1和0.13 mg·L-1, 湖体N素补充相对充足, 但P素浓度尚未超过限值, 在野外条件下控磷对浮游植物量至关重要[41].湖体P素的过量补充将在很大程度上促进浮游植物的生长繁殖, 采取适当措施控制N素尤其是P素的外源输入和内源释放对改善湖体水质和防治水华暴发显得尤为重要.

由TN/TP可知, 湖体大体适宜浮游植物生长, 为改善目前汉丰湖水质现状, 主要通过控制外源污染以及内源释放的技术来实现.第一, 采用点源污染控制技术, 加大对上游输入污水、垃圾等水环境问题的综合治理力度, 控制生活污水和工业废水的排放浓度与总量, 定期对湖体中的固体垃圾进行打捞, 以控制N素和P素的输入量与累积量.第二, 开州区作为农业大区, 春季耕作应科学合理地对农田施肥, 在不增加化肥用量的同时提高利用效率[42].控制经济作物种植面积, 发展生态农业、林业, 减缓面源污染造成的负面影响.第三, 合理开发保护水库周围生态环境, 尽量减少湖体周围的开发项目和高耗水、高污染工业项目, 目前湖体沿线存在开发建设项目, 应控制其造成的污染物对湖体的输入, 以此可以降低湖体N素和P素质量浓度, 达到削减汉丰湖外源污染负荷强度的目的[43].

与滇池草海和广西南湖等浅水河湖不同[44], 汉丰湖水体较深, 不适用对底泥进行清淤和种植沉水植物的方式来减少内源N素和P素的释放, 因此需利用控藻技术来改善水质, 尽可能抑制浮游植物生长.第一, 投放凶猛鱼类和滤食性鱼类, 凶猛鱼类可通过捕杀食浮游动物鱼类来壮大浮游动物种群以遏制藻类生长繁殖, 而鲢、鳙等滤食性鱼类可直接吞食大量藻类[45], 使浮游植物量减少.第二, 投放以溶藻微生物为主的有效微生物群、复合微生物制剂, 因为大多数溶藻微生物都可以将目标藻类作为唯一碳源和能源供其生长, 二者共同代谢和降解可以达到抑制或杀死藻类、溶解藻细胞的效果[46].第三, 相较于初春和初秋的泄蓄水期, 冬夏汉丰湖水体流动缓慢, 为藻类的生长繁殖提供了适宜的水动力条件.因此, 当春夏秋季湖体中藻类迅速生长繁殖导致水华暴发时, 可以充分发挥调节坝的调度功能, 通过增大水体流速和往复泄、蓄水的方式来破坏浮游植物的细胞结构, 降低湖体营养盐质量浓度, 以此保证水质安全[47, 48].冬季上游来水量少, 在水动力条件不充足的情况下可利用湖体风浪弱, 面积小的特点, 可将使用机械设备打捞聚集在湖边的微囊藻等藻类作为一种有效的应急处理方法[49].

4 结论

(1) 汉丰湖水体N和P污染较为严重, NO3--N和PO43--P分别是TN、TP的主要赋存形态, N素和P素存在季节差异, TN、DN和NO3--N质量浓度季节变化过程类似, 表现为冬季最高, 夏季最低, 春秋季大体相当. TP和DP质量浓度季节变化过程类似, 呈春夏季升高, 秋冬季先降低再升高的趋势, PO43--P质量浓度波动降低. TN与TP的拟合效果在冬季最好, 说明冬季湖库氮磷的输移途径基本一致.

(2) TN/TP最高值出现在秋末冬初, 最低值出现在夏季, 表明秋末冬初(11、12月)整体处于P限制状态, 夏季(6、8月)和秋季(9月)处于N限制状态, 春季和冬季(1、2月)湖体适宜藻类生长繁殖.湖体N素相对丰富, 控制P素对抑制藻类生长繁殖至关重要.

(3) 基于汉丰湖N、P和TN/TP的变化特征, 从削减汉丰湖外源污染负荷和内源N素和P素的释放两个方面提出对湖体污染防治以及降低水华暴发风险的建议, 为今后汉丰湖污染防控及水生态健康发展提供借鉴.

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