龙江河水体中氮磷水质风险评价

赵学敏,马千里,姚玲爱,胡 芳,罗庚钊,许振成,虢清伟,王振兴,曾 东 (环境保护部华南环境科学研究所,广东 广州 510655)

人类活动增加导致流域不合理开发、化肥过量使用等问题加剧,流域氮、磷负荷增加已成为局部和全球范围内重要的环境问题.水体中氮、磷营养盐浓度升高会使水体富营养化风险大大增加,对区域水生态的健康与稳定构成威胁[1-3].近年来,我国河流氮、磷营养盐含量有升高的趋势[4],氮磷的大量输入在一定程度上改变了水体营养及生物群落结构[5-6].在温度、光照、水体流速等条件适宜时,河流中氮、磷营养盐浓度升高常导致水华发生[7-9],影响水生态环境安全.

龙江河发源于贵州省三都县甘务村,全长358km,其中在广西壮族自治区河池市境内长222km,流域面积约 1.2万 km2,干流上共建有 11个梯级水电站.龙江河是柳江的最大支流,柳州市生产、生活用水的90%以上取自于柳江.因此,龙江河水质状况直接影响两岸及其下游柳州市供水安全.近年来,随着流域内经济快速发展,龙江河水环境质量呈下降趋势.目前关于龙江河水环境的研究主要集中在氨氮、重金属污染[10-12]等方面,而关于流域水环境氮磷污染特征尚未见报道.本研究对龙江河氮磷浓度时空变化特征进行分析,评价龙江河富营养化状况及氮磷水质风险,对探讨龙江河库水环境状况的变化趋势,防范氮磷水质风险,保障饮用水安全具有重要意义.

1 材料与方法

1.1 采样点设置

2012年2月、3月、7月和12月在龙江河流域布设12个代表性采样点,其中龙江河11个采样点,融江与龙江河交汇口上游1个采样点,如图1所示.

图1 龙江河采样点位Fig.1 Study area and Sampling sites of Longjiang River

1.2 样品采集与分析

用采水器采集的河流表层水存放在聚乙烯瓶中,24h内置于 4℃冰箱保存.采样前现场测定溶解氧(DO)、pH值、电导率(cond.)、水温(T)、透明度(SD).实验室内分析总氮(TN)、氨氮(NH4-N)、硝氮(NO3-N)、总磷(TP)、溶解性正磷酸盐(PO4-P)、高锰酸盐指数(CODMn)、叶绿素a(Chla).具体分析方法参见文献[13].

1.3 富营养化评价方法

选取水体叶绿素a(Chla)、总磷(TP)、总氮(TN)、透明度(SD)和高锰酸盐指数(CODMn)为评价指标,计算综合营养状态指数TLI(∑).当TLI(∑)值介于030之间时,为贫营养状态;当TLI(∑)值介于 3050之间时,为中营养状态;当 TLI(∑)值介于5060之间时,为轻度富营养化状态;当 TLI(∑)值介于6070之间时,为中度富营养化状态;当TLI(∑)值大于70时,为重度富营养化状态.

1.4 数据统计分析

采用 SPSS 17.0统计软件进行方差分析,用Origin 8.0完成数据计算、分析与制图.

2 结果与分析

2.1 龙江河氮元素时空分布特征

图2 龙江河各点位氮元素浓度分布Fig.2 Variation of nitrogen concentration in Longjiang River

据分析检测结果,在丰水期,龙江河 TN、NO3-N和NH4-N浓度平均值分别为1.84,1.32,0.15mg/L,枯水期的平均值分别为 1.73,1.38,0.15mg/L(图2).龙江河所有点位TN浓度均超过国家地表水环境质量标准(GB3838-2002)[14]中的Ⅲ类水标准.从时间分布上看,TN浓度丰水期高于枯水期,NO3-N浓度枯水期高于丰水期,NH4-N浓度丰水期和枯水期相近.但丰水期与枯水期的TN、NO3-N和NH4-N浓度差异不显著(P＞0.05).从空间分布上看,龙江河上游肯足电站丰水期和枯水期 TN分别为 1.59和 1.25mg/L,NO3-N浓度分别为0.98和1.08mg/L,NH4-N浓度分别为0.11和0.03 mg/L.龙江河下游糯米滩电站丰水期和枯水期的TN和NO3-N浓度均最高,此点位丰水期的TN和NO3-N浓度分别为3.15和2.14mg/L,枯水期的TN和NO3-N浓度分别为2.26和1.70mg/L.NH4-N浓度最高值为大环江交汇口,丰水期浓度为0.42mg/L,是上游肯足电站同时期浓度值的 4倍;枯水期 NH4-N浓度为0.70mg/L,是肯足电站同时期浓度值的 23倍.龙江河丰水期与枯水期 NO3-N/TN平均值分别为0.68和0.84,丰水期与枯水期NH4-N/TN平均值分别为0.08和0.09(图3).NO3-N是龙江河氮元素的主要存在形式,且枯水期NO3-N/TN高于丰水期.

图3 龙江河硝氮、氨氮占总氮比例Fig.3 Ratio of NO3-N and NH4-N to TN in Longjiang River

2.2 龙江河磷元素时空分布特征

龙江河TP和PO4-P浓度枯水期显著高于丰水期(p＜0.05)(图 4),枯水期 TP 浓度为 0.04～0.12mg/L,PO4-P 浓度为 0.02～0.06mg/L;丰水期TP浓度为 0.03～0.07mg/L,PO4-P浓度为 0.01～0.06mg/L.其中大环江交汇口 TP浓度最高,丰水期为 0.07mg/L,枯水期为 0.12mg/L.龙江河各点位丰水期PO4-P/TP值在0.25～0.83之间,枯水期PO4-P/TP值在0.35～0.81之间(图5).龙江河从上游至下游,枯水期和丰水期 PO4-P/TP值均呈升高趋势,且龙江河大部分点位的 PO4-P/TP值枯水期高于丰水期.

图4 龙江河各点位磷元素浓度分布Fig.4 Variation of phosphorus concentration in Longjiang River

图5 龙江河正磷酸盐占总磷比例Fig.5 Ratio of PO4-P to TP in Longjiang River

2.3 龙江河氮磷营养盐比例关系

N/P值对于水体藻类水华水生态风险的发生具有重要意义,Redfield提出的N/P比值16:1反映了藻类细胞生长时所需的 N/P原子比,代表着藻类快速生长对元素的需求比例[16],也有研究认为,淡水中 N/P＜7为氮限制,N/P＞7则为磷限制

[1,15].丰水期龙江河N/P值范围为29.6～68.6,平均值为46.8;枯水期N/P值范围为14.6～48.3,平均值为36.1;丰水期N/P值高于枯水期(图6).无论是用哪种标准进行评价,龙江河 N/P比例关系均为磷限制.

图6 龙江河各点位氮磷比变化Fig.6 N/P variation of different sampling points on Longjiang River

图7 龙江河各点位TLI(∑)值Fig.7 TLI(∑)of different sampling points on Longjiang River

2.4 龙江河水体富营养化评价

根据综合营养状态指数 TLI(∑)的大小,对龙江河水体进行富营养化状态评价.从图7可知,龙江河各样点的 TLI(∑)丰水期高于枯水期.龙江河上游肯足电站丰水期和枯水期TLI(∑)均小于30,为贫营养状态,其他样点基本上处于中营养状态,拉浪电站丰水期 TLI(∑)最高,为 44.27.融江与龙江河交汇口丰水期为综合营养指数为 30.44,处于中营养状态,枯水期为 24.57,低于龙江上游点位肯足电站,属贫营养状态.

3 讨论

3.1 龙江河氮、磷浓度变化特征及影响因素分析

龙江河氮污染严重,枯水期和丰水期 TN浓度均高于国家地表水Ⅲ类标准,龙江河水体中各形态的氮含量高于融江、香溪河[17]、小江[17]和龙潭湖[18],但低于珠江下游广州段[19]、童庄河[20]和九龙江[7](表1).龙江河TN浓度丰水期高于枯水期,NO3-N/TN值高于NH4-N/TN值,NO3-N是龙江河氮元素的主要存在形式.龙江河属于山区河流,农业耕作为流域主要的人类活动,氮主要来自于非点源污染,以上结果与珠江三角洲河流及中小型水库氮污染来源相似[21].研究表明,丰水期水体中氮含量高于枯水期可能与洪水期农田水土流失引起的氮非点源补给有关[4],NO3-N/TN高于NH4-N/TN表明河流主要受农业非点源污染的影响[22].河流氮浓度变化的影响因素很多,除了农田非点源,还受沿岸点源污染排放、底泥内源释放、水生生物作用等因素影响.在龙江河流域中,大环江交汇口 NH4-N 浓度较高,就与大环江流经河池市城区,沿途接纳了大量的生活污水有关.

龙江河 TP和 PO4-P浓度丰水期分别为0.043和 0.022mg/L,枯水期分别为 0.072和0.041mg/L,丰水期TP和PO4-P浓度低于枯水期(表 1).这与丰水期径流量大,河流自净能力强,上游来水对龙江河含磷污染物有明显的稀释作用有关.与20世纪80年代珠江TN、TP和PO4-P浓度相比,分别为0.684、0.070和0.0037mg/L[23],龙江河TN含量较高,TP和PO4-P浓度丰水期较低,而枯水期 TP和 PO4-P浓度值与 20世纪80年代较为接近.由此可见,龙江河与其干流珠江

[23-24]一致,也是一条富氮贫磷的河流.

3.2 龙江河发生水华的风险分析

河流水华发生的主要影响因素包括水体中须含有丰富的氮磷营养、缓慢的水文水动力以及适宜的气象条件.河流水体中氮、磷含量达到一定水平后,河流水文条件的差异将是影响水华发生的重要因素,在水库水位波动较小,流速变缓条件下更易发生水华[20].河流上梯级电站的建设导致水动力条件改变,进而影响水体营养物质组成与循环,是造成河流富营养化与藻类水华发生的重要原因[6].龙江河流域目前共建有 11处梯级电站,电站建设导致部分水体从河流型向湖泊型改变,大坝拦截造成了局部河段流速减缓,水动力条件的改变可导致营养盐累积和甲藻的快速增殖[18].根据 TLI(∑)指数,龙江河已处于中营养水平,龙江河的氮、磷浓度与曾经发生过水华的香溪河[17]、小江[17]、九龙江[7]、龙潭湖[18]等水体较为接近,表明龙江河已具备藻类大量繁殖的营养基础.龙江河 N/P值较高,磷是水体中浮游藻类大量生长的限制性因子,在流域内减少磷元素的排放可能是降低藻类水华风险的关键.但在枯水期,龙江河流域 TP和PO4-P均比丰水期有所升高(图 4),这为藻类大量增殖提供了更加充足的营养.同时,枯水期是龙江河各个电站蓄水,水体流动性变差之际,使得该时期成为水华风险发生的敏感阶段,应值得关注龙江河枯水期的水环境变化情况.

表1 龙江河氮、磷平均浓度(mg/L)Table 1 Average concentrations of nitrogen and phosphorus in Longjiang river (mg/L)

4 结论

4.1 龙江河流域 TN浓度丰水期高于枯水期,NO3-N、NH4-N、TP和PO4-P浓度枯水期高于丰水期.丰水期 TN 浓度为 1.73mg/L,枯水期为1.84mg/L,均超过地表水Ⅲ类水标准,NO3-N为氮元素的主要存在形式,丰水期 TP浓度为0.043mg/L,枯水期为0.072mg/L,龙江河属于一条富氮贫磷的河流.

4.2 在空间分布上,龙江河上游肯足电站TN浓度也较高,丰水期和枯水期分别为 1.59和1.25mg/L;龙江河下游糯米滩电站 TN最高,丰水期和枯水期分别为3.15和2.26mg/L;龙江河整个流域氮污染严重.

4.3 龙江河N/P值丰水期为46.8,枯水期为36.1,水体属于磷限制状态,根据综合营养状态指数TLI(∑),丰水期和枯水期龙江河上游肯足电站为贫营养状态,中下游基本均处于中营养状态,枯水期龙江河水华风险较高.

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