大氣濕沉降對太湖水質及葉綠素a的影響

楊凡+余輝+李莉

摘要：在太湖梅梁灣近岸水域進行了大氣濕沉降原位圍隔研究，分析并對比了湖泊水體和圍隔內的溶氧量、溫度、氮磷營養鹽的濃度和葉綠素a（Chla）等指標在降雨前后的變化情況。結果表明，濕沉降以N沉降為主，P沉降濃度相對較低，其中N沉降中NH3-N含量較高；接收濕沉降圍隔內水體TN與TP通過雨水的稀釋作用分別有59.9%和29.9%的下降，遠高于未接受濕沉降圍隔內水體TN和TP分別為16.1%和13.3%的下降幅度，而太湖湖體在降雨前后TN和TP則表現為不同程度的上升，分別上升42.3%和19.3%；降雨結束前后，葉綠素a濃度的變化程度為太湖湖體>圍隔組1（接受濕沉降）>圍隔組2（不接受濕沉降），表明太湖北部水域在秋季高水溫期的濕沉降可能會導致水體富營養化程度加劇。

關鍵詞：太湖；濕沉降；原位圍隔；營養鹽；葉綠素a

中圖分類號：X524；X131 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）01-0028-05

Effect of Wet Deposition on Water Quality and Concentration of Chlorophyll a in Lake Tai

YANG Fan1，2，YU Hui2，LI Li1

（1. College of Fisheries， Huazhong Agricultural University， Wuhan 430070， China；

2. Research Center of Lake Environment， Chinese Research Academy of Environmental Science， Beijing 100012，China）

Abstrat： In situ study by enclosure method was used to compare parameters including the amount of dissolved oxygen in the lake water and mesocosm， temperature， concentration of nutrients and chlorophyll a （Chla） at Meiliang Bay， Lake Tai before and after rainfalls in water body and enclosures. The results showed that wet deposition was mainly affected by N deposition which contains higher NH3-N. P wet deposition showed relatively lower concentration. TN and TP in wet deposition receipt enclosures by 59.9% and 29.9% decline， respectively. Rainfall dilution was much more than those in wet deposition non-receipt ones by 16.1% and 13.3% decline. Meanwhile， TN and TP in lake water were increased by 42.3% and 19.3% after raining. Chlorophyll-a variance was in order of lake water> enclosure 1-treatment（receipt wet deposition）> enclosure 2-treatment （non-receipt wet deposition）after rainfalls， indicating eutrophication in northern Lake Tai area may be enhanced by wet deposition during high water temperature period at autumn.

Key words： Taihu Lake； wet deposition； enclose experiment in situ； nutrients； chlorophyll a

收稿日期：2013-05-10

基金項目：國家水體污染控制與治理重大專項（2012ZX07101-001）

作者簡介：楊 凡（1988-），男，湖北宜昌人，在讀碩士研究生，研究方向為大氣干濕沉降，（電話）13382223805（電子信箱）yangfan1005@126.com；

通訊作者，余 輝，（電子信箱）yuhui@craes.org.cn，李 莉，（電子信箱）foreverlili78@mail.hzau.edu.cn。

大氣濕沉降是指自然界發生的雨、雪、冰雹等降水過程，是大氣化學、環境化學研究的主要內容之一。大氣濕沉降來源的氮、磷等營養鹽的輸入是引起湖泊水體富營養化的重要過程之一[1]，在人口眾多、經濟發達、大氣污染嚴重的太湖和巢湖等大型淺水湖泊中表現尤為明顯。楊龍元等[2]測得2002年太湖流域大氣氮、磷的平均表觀總沉降量分別達4 226和306 kg/km2，占環湖河道等點污染源輸入氮和磷總負荷的48.8%和46.2%。余輝等[3]計算出2009年在環太湖流域濕沉降中TN和TP的年沉降總量分別為10 868 t和247 t，為同期河流入湖負荷的18.6%和11.9%，較2002～2003年有所增加。

隨著城市化的不斷發展，太湖流域地區降水增加，暴雨出現日數增多，降水對湖體水域富營養化的短期效應更加突出[4]，對于一場突如其來的降雨事件，在短時間內即可改變湖泊表層水體的理化性質、營養鹽結構及水體富營養化狀態，同時也將對湖泊生態系統尤其是藻類增殖產生重大影響。在海洋生態系統上相關的研究較多，例如Zou等[5]在黃海海域進行了現場培養試驗，證明了大氣濕沉降的刺激作用，在培養瓶中加入相當于海水體積10%的雨水，24 h后海水中葉綠素a含量增加了2.6倍，遠遠高于未添加雨水的對照組。而關于大氣濕沉降攜帶入湖的N、P等營養元素負荷對湖泊水體營養鹽結構的影響和水體中藻類生長繁殖的影響還有待深入研究。本研究在太湖梅梁灣近岸設置原位圍隔試驗，隔絕了水體間的平移流動帶來的其他外源性污染的輸入，監測了一場強降雨，觀測當主要外源性污染源僅為大氣干濕沉降攜帶的N、P營養物質時，圍隔內水體葉綠素a濃度和TN、TP等營養鹽濃度的時間響應及變化規律，同步監測圍隔外湖水的變化情況作為對照，以期為太湖富營養化治理提供一定的理論依據及數據支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

圍隔采樣點設在位于太湖北部梅梁灣的近岸邊水域（31°29′30.25″N，120°13′46.34″E）中。該點離岸約150 m，平均水深1.7～2.3 m。每次觀測采樣工作都是采用船只往來，避免周邊閑雜人員捕魚、游泳、觀光等人為活動對觀測水體的影響。在北太湖水滸城近岸布設6個2.5 m×2.5 m圍格，有效水深約為1.8 m，用三層斜紋防水布隔離上覆水，底部壓實沉入底泥。

試驗共設3組，其中圍隔組1為3個無頂蓋圍隔，使其正常接收濕沉降；圍隔組2的3個圍隔在未下雨時保持圍隔開放，降雨時加上頂蓋，不接收濕沉降；太湖湖體為圍隔外附近的太湖開闊水體中所設的2個采樣點，用于與圍隔形成對照。試驗開始前，將圍隔袋沉入水下1個星期，使得兩組圍隔中的水與圍隔外水體充分交流。

1.2 采樣與分析

研究以2012年9月12～14日的一次強降雨過程為研究對象。試驗數據收集為9月12～18日，除13日外共進行6次樣品采集。采用聚乙烯塑料瓶收集水樣，分別采集6個圍隔和圍隔外湖體2個采樣點的水樣，并在現場迅速測定所采水樣的溫度和溶解氧（DO），然后立即過濾保存。

同時在試驗點附近使用APS-3A降水降塵自動采樣器收集該場降雨，氣溫、降雨量等氣象資料可由該機器提供。

水樣在實驗室測定總磷（TP）、總氮（TN）、硝酸鹽氮（NO3--N）、氨氮（NH3-N）和葉綠素a（Chla）等指標。其中TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定；TP采用鉬酸銨分光光度法測定；NH3-N采用納氏試劑分光光度法測定；NO3--N采用酚二磺酸分光光度法測定；葉綠素a的測定主要包括4個步驟：抽濾、提取、離心、四波長比色。葉綠素a的濃度按下式計算：Chla={[11.64×（A663 nm-A750 nm）-2.16×（A663 nm-A750 nm）+0.10×（A663 nm-A750 nm）]·V1}/（V·δ），式中V為水樣體積；A為吸光度；V1為提取液定容后的體積；δ為比色皿光程。DO和溫度均使用便攜式儀器于現場測定，溶氧儀型號為HANNA-HI9142/20。

1.3 數據分析方法

所有數據使用Excel 2007進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 濕沉降特征

此次試驗期間的降雨量為32.5 mm，根據國家氣象局規定24 h內的降雨量25.00～49.90 mm為大雨，所以此次降雨強度較大。

測定結果（表1）顯示，此次收集到的雨水pH 3.84，以pH 5.00作為判斷酸雨的標準，則此次濕沉降為酸雨[6]。N沉降是此次濕沉降的主要方式。此次降雨中TN濃度為1.24 mg/L，TP濃度為0.04 mg/L。在N沉降中，NH3-N和NO3--N的濃度分別為0.38和0.28 mg/L，分別占N沉降的30.6%和22.6%；在P沉降中，可溶性無機磷（DIP）的濃度為0.01 mg/L，占P沉降的25.6%。

2.2 濕沉降對水體水質的影響

2.2.1 水溫（T）、溶解氧（DO）的變化特征 圍隔內水體降雨前后的水溫和DO指標見圖1。

由圖1可知，3個試驗組溫度變化保持一致，降雨結束時都呈現下降趨勢；圍隔組1和太湖湖體的溶解氧變化趨勢一致，12日降雨前的溶解氧分別為8.4和7.5 mg/L， 14日降雨結束后溶解氧總體都呈上升趨勢，至18日分別為11.8和13.1 mg/L，恢復至平時常規檢測水平；反之，圍隔組2在12日溶解氧為6.4 mg/L，降雨結束時急劇下降，15～18日出現較大幅度的回升，最后恢復到11.1 mg/L。

2.2.2 總氮（TN）、氨氮（NH3-N）、硝酸鹽氮（NO3--N）的變化特征 水中的氮主要以溶解的氮氣、NO3--N、NH3-N以及有機氮等形式存在，其中溶解的無機氮是可被植物直接吸收的最重要的形式，而對NO3--N、NH3-N的分析，可以一定程度上了解濕沉降對水質污染的影響。

圍隔組1降雨前后比較，TN有顯著性的下降，從降雨前的1.52 mg/L到9月15日降至最低，僅為0.61 mg/L，降幅為59.9%，隨后緩緩回升，最后穩定在1.66 mg/L。圍隔組2總氮在降雨結束時的9月14日也呈現出下降的趨勢，從1.43 mg/L下降為1.20 mg/L，降低幅度僅為16.1%，降雨結束后呈緩慢上升，9月18日恢復至1.48 mg/L；與前兩組不同的是太湖湖體在降雨前后TN濃度從1.11 mg/L上升至1.58 mg/L，增加了42.3%，而后下降再緩慢上升，9月18日升至1.87 mg/L（圖2A）。

從無機氮中各類氮形態來看，3個采樣點的硝態氮濃度在降雨前后保持了相同的變化趨勢，降雨前后沒有顯著的變化，而是在9月15日后總體呈現下降的趨勢，圍隔組1從0.20 mg/L降至0.12 mg/L，降幅為40.0%；圍隔組2從0.17 mg/L降至0.12 mg/L，降幅為29.4%；太湖湖體從0.22 mg/L下降至0.18 mg/L，降幅為18.2%（圖2B）。對于氨氮濃度的變化，圍隔組1在降雨前后從0.44 mg/L迅速下降至0.26 mg/L，降幅為40.9%，變化十分明顯；圍隔組2降雨結束后的9月14日達到0.34 mg/L的峰值，隨后緩慢下降；太湖湖體在降雨結束時呈現小幅度的上升（圖2C）。

2.2.3 總磷（TP）的變化特征 對不同處理圍隔內降雨前后的TP濃度進行比較（圖3）可以看出，圍隔組1和圍隔組2在6次采樣中的濃度并沒有大幅度的波動，圍隔組1為0.13～0.19 mg/L，圍隔組2為0.13～0.20 mg/L，太湖湖體的TP濃度在6次采樣中呈現上升的趨勢，濃度從9月12日的0.21 mg/L上升至9月18日的0.35 mg/L。但是通過對比各組降雨前9月12日與降雨結束9月14日的數據可看出，降雨對3個采樣點的影響卻截然不同，圍隔組1和圍隔組2均表現為小幅下降，太湖湖體則呈上升趨勢，上升幅度為19.3%。

2.3 濕沉降對水體葉綠素a的影響

浮游植物在湖泊生態系統的物質循環和能量轉化過程中起著重要作用，而水體葉綠素a是評價浮游植物含量高低的重要指標。研究以葉綠素a濃度指示被研究水體內的藻類生物量。從圖4可以看出，圍隔組1葉綠素a濃度維持在45～60 mg/m3，降雨結束時的9月14日與降雨前的9月12日相比有21.6%的小幅升高，圍隔組2葉綠素a濃度范圍為41～55 mg/m3，降雨結束時的9月14日與降雨前的9月12日相比反而有16.0%的下降，整體變化幅度不大，表明圍隔組2內藻類生長狀況穩定。與圍隔組不同的是，太湖湖體葉綠素a濃度變化范圍較大，為41～144 mg/m3，葉綠素a濃度9月14日比9月12日升高28.6%，至18日增幅高達251.2%。對比3組處理在降雨前后葉綠素a濃度變化，水體生物量的變化程度大小順序為太湖湖體、圍隔組1、圍隔組2。

3 結論與討論

3.1 結論

1）試驗濕沉降pH 3.84，屬于酸沉降，TN濃度為1.24 mg/L，其中以NH3-N為主，TP濃度為0.04 mg/L，相對較低。

2）正常接受濕沉降的圍隔組1在降雨后水體中TN與TP通過雨水的稀釋作用分別有59.9%和29.9%的下降；未接受濕沉降圍隔內水體TN和TP分別有16.1%和13.3%的下降幅度；太湖湖體在降雨后TN和TP則表現為不同程度的上升，分別上升42.3%和19.3%。

3）在隔離湖泊內源和其他外源污染影響，僅由大氣濕沉降為藻類生長繁殖提供營養鹽的條件下，圍隔組1水體葉綠素a濃度降雨后有21.6%的升高，水體中藻類仍能維持良好的生命活動；隔絕所有影響的圍隔組2葉綠素a濃度則有16.0%的下降；太湖湖體葉綠素a濃度有28.6%的上升。

3.2 討論

3.2.1 濕沉降對水質影響 研究中水溫主要是受到了天氣的影響，隨環境溫度變化而變化。溶解氧表現出了不同于水溫的變化趨勢。降雨前各組的溶解氧都較低，這是因為在秋季，湖泊經連續晴天之后，水溫高（25 ℃以上）、水色濃，一旦轉入多云或陰天，由于呼吸作用仍然很高，而光合作用銳減，光合作用產氧量（P）與呼吸作用耗氧量（R）之比（P/R）明顯降低，便會出現溶解氧的下降[7]。試驗過程中圍隔組1和太湖湖體均為在自然狀態下接受濕沉降，水體與大氣相通，保持良好的水氣交換過程，氧氣的擴散溶入可以時刻補充水體的氧氣虧損；且在9月14日降雨結束后天氣轉晴，溫度逐漸降低，氧在湖水的溶解度會隨溫度的降低而升高[8]，同時光照強度提高，浮游植物的光合作用加強，P/R明顯升高[7]，所以溶解氧變化趨勢一直呈現上升趨勢，而圍隔組2因為在9月12日至9月14日的降雨期間設置頂蓋，阻隔了水氣交換過程，水體氧的虧缺無法得到補償，同時由于頂蓋的設置極大地降低了光照強度，進而削弱了浮游植物的光合作用，而呼吸作用依然很高，P/R降低，所以呈現出降低的狀態，隨后隨著頂蓋的撤離，溶解氧才逐漸恢復上升。

濕沉降對圍隔內水質影響明顯，圍隔組1各形態氮、磷營養鹽降雨后均呈下降趨勢，尤其是TN及NH3-N有顯著下降。這可能是由于雨水的稀釋效應[9]，降雨時水中溶解氧增加，水量的增加會加強水環境的納污容量，所以水質的不少指標在雨后短時間內得到了顯著改善[10，11]；太湖湖體同時接收降雨以及地表徑流帶來的周邊污染，試驗區域周邊土地利用方式以果園和農田為主，降水通過滲透進土壤形成的徑流會帶走其中的大量氮素，同時周邊的農村生活污水也會隨著雨水徑流進入湖體，從而增加水體中的氮素濃度[12]。

濕沉降中磷濃度含量遠低于湖體含量，圍隔內磷濃度的變化可能是由于水與沉積物之間磷釋放與沉淀的轉換平衡過程導致，而溶解氧作為影響磷釋放的重要因素，它決定了湖水-沉積物的氧化-還原狀態[13，14]。在水體有足夠氧時，湖水-沉積物處于氧化狀態，三價鐵離子與磷結合，以磷酸鐵的形式沉積到沉積物中，水中可溶性磷還被氫氧化鐵吸附而逐漸沉降，因此，沉積物不會發生磷釋放，而且還存在磷的吸附。當水體溶解氧下降，出現厭氧狀態時，此時環境為還原狀態，三價鐵離子則被還原成二價鐵離子，不溶性的氫氧化鐵變成可溶性氫氧化亞鐵，其結果導致了沉積物中磷釋放進入水體，使水體總磷濃度升高。有學者在連續流動釋放系中發現湖泊沉積物磷的釋放速率厭氧狀態是好氧狀態的10倍以上[15]。

3.2.2 葉綠素a濃度變化及影響因子 營養鹽作為浮游植物生長、繁殖不可缺少的條件，此次試驗中營養鹽的含量變化直接影響葉綠素a的含量變化，由于隔絕了不同水域間水體的平流移動的影響，研究中圍隔內水體中藻類生長繁殖所需的N、P等營養物質主要依靠試驗開始時注入圍隔的初始水體本身蘊涵的營養鹽及大氣濕沉降攜入的營養鹽類供給。

有研究表明，營養鹽濃度與結構對浮游植物的生長有著很重要的影響作用[16]。湖泊浮游植物的氮磷比基本上遵循Redfield比，即16∶1[17]，而且浮游植物通常按比例吸收2種營養鹽，當湖泊氮磷比大于或小于16∶1時，則表示浮游植物生長受到了P限制或N限制[18]。因此常用氮磷比來判斷營養鹽的相對限制情況，從圍隔組1中氮磷比分布時間上看，9月12～18日的氮磷比范圍為8.02～26.11，平均為18.34。圍隔組2氮磷比變化范圍為18.08～24.98，平均為20.10，圍隔組1和圍隔組2的N/P平均值大于16∶1，說明此時浮游植物的生長受到磷限制，兩試驗組葉綠素a濃度的小幅波動恰與試驗中該兩處理組圍隔內磷濃度的小幅波動相一致。太湖湖體氮磷比變化范圍為11.59～19.17，平均為14.02，受到氮、磷營養鹽的共同影響，而降雨形成的徑流攜帶地表的營養鹽輸入等導致氮磷的濃度同時升高，氮磷濃度的增加恰好為浮游植物的大量繁殖提供了良好的條件，從而導致湖體葉綠素a持續上升。此外，鑒于觀測點離湖岸較近，圍隔外水體葉綠素a的濃度受外來水華（高濃度藻類）飄入的影響也較大，也是造成圍隔外水體葉綠素a濃度較高、波動較大的原因。因此，設法削減或降低太湖等富營養化水體的周邊外源性污染，有利于降低水體中藻類的濃度，達到減少或控制內陸水體藍藻水華頻繁和大規模暴發的目的[19]。

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