典型平原河網溫瑞塘河地區的氮磷營養鹽時空分布

紀曉亮，朱元勵，梅 琨，王振峰，商 栩，張明華，2

(1.溫州醫學院溫州市水域科學與環境生態重點實驗室，浙江溫州 325035;2.加利福尼亞州大學戴維斯分校陸地、大氣及水資源系，美國加利福尼亞 95616)

近年來隨著我國農業、現代化工業的迅猛發展和沿海地區人口的增多，大量工農業廢水和生活污水排入河流，導致地表水中營養元素特別是氮的濃度大量增加，河流污染程度日趨嚴重［1-3］，其中最為典型的污染就是水體富營養化。水體的富營養化帶來了十分嚴重的環境問題，大量的氧氣消耗導致魚類死亡，如果發生水華的藻類為有毒藻，更會威脅到人類健康。水體中過量的營養元素 (主要為氮、磷)是引起水體污染的主要原因［4-6］，以往對于營養鹽含量變化特征的研究主要集中在探討海灣、河口、湖泊、水庫中的變化［1，7-9］，而對于河流［10］，特別是對于河道錯綜復雜、水體流速慢、水流流向多變、滯留時間長的平原河網的研究的相關報道還很少。作者以典型的平原河網溫瑞塘河為研究對象，通過分析氮磷營養鹽的含量、時間和空間分布及其變化特征并與三垟濕地水體中的氮磷營養鹽季節變化進行對比，闡明溫瑞塘河的營養鹽變化機制，分析影響溫瑞塘河的水質變化的因素，為今后研究塘河對其周圍海洋營養鹽的貢獻及溫州相關部門制定科學合理的溫瑞塘河治理保護措施提供依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

選擇溫州市溫瑞塘河 (簡稱塘河)流域為研究區。溫瑞塘河位于甌江以南、飛云江以北的溫瑞平原，是溫州市境內十分重要的河道水系，整個溫瑞塘河流域面積740 km2，水面面積22 km2，蓄水量6 500萬m3，水系河網總長度1 178.4 km，其中主河道長33.8 km。從20世紀80年代起，由于經濟社會發展與環境保護的不同步，溫瑞塘河水環境逐漸惡化，據溫州市環保局2001年溫瑞塘河水質監測數據顯示，溫瑞塘河水質滿足功能要求的河段僅為15%，V類及劣V類的河段占85%，塘河水污染已經到了極其嚴重的程度。

1.2 樣品采集與分析

參照國家標準《采樣方案設計技術》，結合溫瑞塘河的河網及地形地貌特征，選取37個監測點。這37個點中，A類點 (■)表示一級河道 (主河道)的監測點;B類點 (▼)表示二級河道的監測點，C類點 (▲)表示三級河道的監測點;S類點 (●)表示位于三垟濕地的監測點 (圖1)。

圖1 研究區及監測點位置

監測時間從2008年11月至2009年10月，在每個月的中下旬采集表層水樣，共采集440個樣品。用有機玻璃采樣器采集水樣，然后立即裝入聚乙烯塑料瓶內密封，當天帶回實驗室即用0.45 μm醋酸纖維膜過濾，滴加飽和HgCl2固定，搖勻后置于4℃冰箱內保存待分析。

溫度、濁度、溶解氧 (DO)、pH值、電導率等參數在現場用YSI6920多參數水質監測儀測定。溶解態營養鹽用AA3流動注射式營養鹽分析儀測定，氨氮 (-N)用水楊酸分光光度法，硝酸鹽(-N)用鎘柱還原法，亞硝酸鹽 (-N)用N-(1-萘基)乙二胺鹽酸法，活性磷酸鹽用鉬銻抗分光光度法。總溶解態無機氮 (DIN)為上述3種氮鹽濃度之和。對水體質量的評價參考中國國家標準地表水環境質量標準GB3838—2002［11］。

2 結果與分析

2.1 年平均含量

研究結果顯示，溫瑞塘河水質污染十分嚴重，表現為高氨氮、低溶解氧的富營養化水體的特點。參照我國地表水環境質量標準 GB3838—2002，2008-2009年溫瑞塘河水體-N 為10.75 mg·L-1，是V類水標準的5倍，-N 為 0.68 mg·L-1，-N為 0.05 mg·L-1，DIN為 11.48 mg·L-1;總磷中僅含量已到達 0.79 mg·L-1，為V類水標準的2倍;一般認為水體中總氮高于0.5 mg·L-1，總磷高于0.05 mg·L-1時，水體即呈富營養化狀態［12］。溫瑞塘河DO為 V類水標準，年均值2.01 mg·L-1，相關研究表明含量低于4 mg·L-1時會影響水生生物生存，甚至造成死亡，此時即可認為該水域處于低氧狀態［13］。

2.2 時間變化

圖2顯示出溫瑞塘河水體中DIN含量變化范圍為8.97～14.59 mg·L-1，濃度高值出現在冬季的1月份，低值出現在夏秋季的9月。結合圖3，可以明顯看出，-N與DIN的年際變化趨勢相似，-N占了DIN的大部分比例，為DIN的主要貢獻者。表明塘河無機氮處于熱力學不平衡狀態，塘河水中的NH+4-N大部分是外源性的，僅一部分參與浮游植物循環。調查期間PO43--P濃度的變化范圍為0.35～1.37 mg·L-1，其中 7月份最高，為 1.37 mg·L-1，9月份最低，為0.35 mg·L-1。

圖2 溫瑞塘河可溶性無機氮和活性磷酸鹽含量的變化

圖3 溫瑞塘河氨氮和硝氮含量的變化

2.3 空間變化

37個采樣點營養鹽含量變化在空間上存在較大差異。由圖4可以看出:的空間分布均值的最大值均出現在水體流通性較差、人口相對集中的三級河道區域，在二級河道、主河道、濕地區域濃度依次遞減;和DO的濃度最高值出現在濕地。由于的含量在一定程度上可以反映水體的自凈能力，含量越高，水體自凈能力越強［17-18］。因此，溫瑞塘河各級河道受污染的程度在空間上的變化特點表現為三級河道＞二級河道＞主河道＞濕地。

圖4 溫瑞塘河營養鹽的空間變化

2.4 各級河道營養鹽季節性變化

從圖5可以看出，4個水質指標中 DO在一、二、三級河道總體表現為夏季高，冬季低的特點;而在三垟濕地區域，春季最高，冬季最低，且濃度相對較高。在一、二、三級河道呈現出明顯的負相關特點;在三垟濕地區域，則呈現出了相同的季節性變化特點。在各級河道中總體上呈現出春夏季節大于秋冬季節的趨勢。

2.5 營養鹽結構

圖5 各級河道營養鹽含量的季節變化

N/P是考察營養鹽結構的主要指標。氮磷的含量分布是控制浮游植物生長繁殖的因素之一，同時，營養鹽的組成結構對浮游植物的生長和群落結構變化也起著至關重要的作用，一方面營養鹽濃度水平的高或低，直接影響浮游植物的生長繁殖，另一方面，營養鹽之間的比例關系與浮游植物對營養鹽吸收比例之間的差異，也可導致一種或幾種營養鹽對浮游植物生長的限制［1］。Redfield研究發現一般大洋深層的N/P為16左右，與浮游植物元素組分的N/P大致相同。當任何一種要素含量低于或高于一定比值時，都會抑制生物的生長和繁殖甚至中毒死亡，因此把恒定的N/P比值16稱為Redfield比值，作為研究生態環境中缺乏氮或磷的重要依據。

傳統上，Redfield比多用于海域，近年來國內外有很多研究將其用于湖泊、河流等淡水水體［8］。當淡水水體中N/P＜7，氮將限制藻類的生長，N/P在8～30時，適合藻類生長，N/P＞30，P將成為藻類生長的限制因子［19-20］。從圖6可以看出，塘河水體中N/P比基本上接近Redfield比值，最小值出現在7月 (8.5)，最大值出現在1月份 (26.9)，年平均值為15.93，全年6個月處在最適合浮游生物生長的Redfield比值范圍，具有發生水華的營養條件。

2.6 塘河整治工程效果

自2000年開始，溫州市政府展開大規模的溫瑞塘河綜合整治，整治工程主要包括截污納管、底泥清淤、農業面源污染防治，生態工程建設等項目。為評估整治工程的治理效果，將2008年的數據與溫州市環保局2004年的數據對比 (為了使結果更加準確，主要選取了與溫州醫學院監測點相近或重合的5個點的平均數據)，從圖7可以看出，氮磷營養鹽的含量較2004年均有較大降低，溶解氧含量也有大幅升高。說明一系列的整治工程、已經對溫瑞塘河的水質改善起到了明顯的作用。

圖6 溫瑞塘河DIN/P的季節變化

圖7 溫瑞塘河水質的變化

3 小結與討論

溫瑞塘河水質氮磷污染十分嚴重，溶解氧含量很低，水體呈富營養化狀態。水體中DIN的濃度總體上冬、春季大于夏、秋季。是DIN的主要組成形式，表明溫瑞塘河無機氮處于熱力學不穩定狀態。水體中含量變化比較復雜，總體上呈現出春夏季節大于秋冬季節的趨勢。氮磷營養鹽的時間變化主要是由于降雨、浮游植物吸收與降解和微生物的作用引起的。溫瑞塘河氮磷營養鹽含量存在明顯的空間變化特征，不同級別河道含量差異較大。各級河道受污染的程度為:三級河道＞二級河道＞主河道＞濕地。塘河水體中N/P基本上接近Redfield比值，具有發生水華的營養條件。調查結果顯示，雖然經過了一系列的整治工程，溫瑞塘河的水質已經得到了明顯的改善，但溫瑞塘河水質現狀仍然不容樂觀，治理工作仍然嚴峻。

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