陽宗海葉綠素a、磷、氮動態特征及富營養化趨勢

李曉銘,李世玉

(1.昆明市環境監測中心,云南昆明 650028;2.云南大學工程技術研究院,云南昆明 650091)

陽宗海葉綠素a、磷、氮動態特征及富營養化趨勢

李曉銘1,李世玉2

(1.昆明市環境監測中心,云南昆明 650028;2.云南大學工程技術研究院,云南昆明 650091)

分析2002—2012年陽宗海TN、TP、Chl-a、氮磷比的動態變化特征及相互關系,并用綜合營養狀態指數法評價陽宗海的富營養化狀態。結果表明：陽宗海富營養化呈上升趨勢,2007年從之前的貧營養級上升為中營養級；Chl-a、TN、TP濃度在2007年后均呈快速上升趨勢。Chl-a濃度與TN、TP濃度呈正相關,且氮磷比越接近閾值16∶1,Chl-a濃度上升就越快。指出若營養鹽輸入得不到有效控制,預測陽宗海將在2017年前后達到富營養級水平,水質將進一步下降。

富營養化；營養狀態指數；氮磷比；陽宗海

盡管國際上關于水體富營養化的研究很多[1-3],但是富營養化至今仍然是一個世界性的水污染難題,也是造成水質性缺水的重要因素[4-7]。我國湖泊眾多,湖庫總貯水量可達6.38×1011m3,湖泊占城鎮飲用水源的50%以上。隨著經濟的增長,我國湖泊的富營養化現象日趨嚴重[7-8],水體富營養化控制是我國環境保護亟需攻克的難關,也是解決我國長期水質性缺水的關鍵對策之一。

磷和氮是富營養化的限制因子[9-12],而評價和辨識富營養化的方法通常是生物反映法,即初級生產力的迅速增加,具體表現在Chl-a含量的迅速上升或大型藻類的增多[1]。Chl-a含量的高低與水體藻的種類、數量等呈正相關,它還反映了水體理化性質的動態變化,因此通常用Chl-a濃度來反映水體富營養化狀況[13],即Chl-a濃度可作為富營養化預警的一項重要指標。筆者研究了陽宗海湖泊TN、TP和Chl-a等指標2002—2012年的動態變化特征,分析了Chl-a與TN、TP之間的關系,并用綜合營養狀態指數法評價了陽宗海的營養狀態。

1 方法

1.1 研究區概況

陽宗海(102°5憶～103°02憶E,24°51憶～24°58憶N)是一個平均水深為20m的高原深水湖泊。水面面積31.6km2,海拔1769.90m,流域面積192km2[14]。氣溫年平均為15.2℃,平均最高21.5℃,平均最低12.4℃,年活動積溫5498.1℃。陽宗海屬封閉型湖泊,僅有一個出水口——湯池河,出水量受人為控制。流域人口45700人,主要為農村人口,占77.8%。流域主要以農業為主,僅有2家工業企業和3家旅游服務企業,這些企業的廢水均不排入湖泊。土地利用類型為林地、耕地、草地、水域和工礦用地,面積分別為84.1 km2、53.1 km2、17.2 km2、31.6 km2、6.0 km2。2010年,流域的森林覆蓋率為43.8%(包括林地和灌木林地)。入湖水系主要有陽宗大河和七星河。另外,為解決陽宗海水量不足的問題,1960年由外流域擺依河通過開鑿人工渠引水入湖,渠道長2.34 km。研究顯示,陽宗海目前正面臨著富營養化的威脅[14],不斷增加的營養鹽負荷正威脅著陽宗海的使用功能。

1.2 采樣及測定方法

TN、TP、Chl-a、CODMn等各項目樣品采集、保存以及所用主要儀器和試劑按照文獻[15]方法進行,透明度(SD)用塞氏盤測定。

1.3 富營養化評價方法

本文選用營養狀態指數法對陽宗海水質富營養化進行評價,綜合營養狀態指數計算公式為

式中：ITL(∑)為綜合營養狀態指數;Wi為第i種參數的營養狀態指數的相關權重;ITL(i)為第i種參數的營養狀態指數。

由于至今未見關于權重系數取值的新文獻,目前的學者們仍然采用金相燦等[16-18]十多年前提出的參數值,本研究中仍引用此組系數取值[16]：Chl-a：0.266 3,TP：0.187 9,TN：0.179 0,SD：0.183 4, CODMn：0.183 4。Chl-a、TP、TN、SD、CODMn的營養狀態指數計算公式[16]分別為

評價級別[17]：ITL(∑)＜30屬貧營養;30≤ITL(∑)≤50屬中營養;ITL(∑)＞50屬富營養,其中50＜ITL(∑)≤60屬輕度富營養,60＜ITL(∑)≤70屬中度富營養,ITL(∑)＞70屬重度富營養。

2 結果

圖1 2002—2012年Chl-a、TP、TN質量濃度和氮磷比的動態變化

2.1 Chl-a、TP和TN濃度的動態變化

圖1為2002—2012年Chl-a、TP、TN質量濃度和氮磷比的動態變化圖,其中矩形框是箱線圖的主體,上、中、下3條線分別表示變量值的第75、50、25百分位數,變量的50%的觀測值落在這一區域中。Chl-a在2008年開始迅速上升,到2012年這5年間增加了5倍(圖1(a));TP在2005年后快速上升,到2009年達到峰值,2009年10月份后開始下降,到2012年又開始上升(圖1(b));TN濃度水平一直較高,年平均值均在0.3 mg/L以上,2010年開始上升較明顯(圖1(c));氮磷比的年際變化見圖1(d),在2002—2007年間較高,2008—2009年較低,之后又升高。

2.2 營養狀態指數

2002—2012年綜合營養狀態指數由26.97增加到41.20(圖2)。2006年前,湖泊屬于貧營養狀態,而2007年之后,綜合營養狀態指數超過30,并呈不斷上升趨勢,2010年達到40以上,之后還在繼續升高。

圖2 2002—2012年陽宗海的綜合營養狀態指數

3 討 論

3.1 Chl-a、TP和TN及其相互關系

自2008年開始,陽宗海Chl-a濃度迅速升高,同期,TP、TN濃度均不同程度升高(圖1),說明水體的富營養化程度加重,水質下降[13]?；貧w分析表明,Chl-a與TP、TN的濃度均分別呈顯著正相關(圖3,p＜0.01)。TN和TP的絕對濃度對藻類的生長影響很大,氮磷濃度均比較充足時藻類生長最快[19], Chl-a相應增多。根據Ferreira等[1]的報道,TP、TN均可能造成Chl-a的升高,這兩個指標濃度的增加可能會促使藻類密度增加[1],加速富營養化趨勢。

圖3 Chl-a與TP和TN的相關性

3.2 Chl-a與氮磷比的關系

湖泊水體的氮磷比是判斷一個湖泊屬氮限制湖泊還是屬磷限制湖泊的重要依據,1958年, Redfield[19]提出了氮磷比的閾值為16∶1,高于這個閾值是磷限制,低于這個閾值是氮限制,而接近這個閾值則是氮磷的最佳比例,此時富營養化速度加快。陽宗海氮磷比分析結果表明(圖2)：氮磷比在2008年起接近這個閾值,此后一直在這個閾值附近,與Chl-a從2008年起迅速上升的趨勢非常吻合。筆者的研究結果再次驗證了Redfield的閾值理論：當水體的氮磷比接近16∶1時,藻類生長受限最小,生長最快。而另一些研究[20-21]則表明,TN和TP濃度較低,藻類的生長速率受氮磷比的限制才明顯,而藻類生長速度最佳氮磷比因藻的種類差異也不盡相同,中、高氮磷比時微囊藻對顫藻的競爭抑制參數(α)大于顫藻對微囊藻的競爭抑制參數(β),而低氮磷比時則相反[21]。但是,當TN和TP濃度都很高時,藻類的生長很快,這種營養元素的絕對濃度對藻類生長的影響超過了氮磷比的影響,氮磷比對生長速率幾乎沒影響[20]。

陽宗海氮磷比在2008—2009年間明顯降低, 2010年開始又回升。其原因是,2008年6月,陽宗海經歷了嚴重的砷污染,水體中砷的質量濃度一度達到0.13 mg/L峰值。同期觀測到水體中TP濃度也明顯升高,導致湖水中氮磷比下降。2009年底開始,在湖中噴灑鐵鹽絮凝劑治理砷污染,砷濃度開始下降,同期觀測到水體中TP也明顯下降,導致氮磷比從2010年開始回升。這說明除砷的鐵鹽絮凝劑也同時具有除磷的效果。這還說明,造成陽宗海砷污染的廢水具有砷磷同源的特征,這與后來查實污染來自磷化工企業相吻合。

分析圖2還發現,正是在陽宗海砷污染事件發生以后,水體中的氮磷比明顯下降,接近16∶1的閾值,對于陽宗海湖泊,該閾值是氮磷的最佳比例,導致陽宗海富營養化速度明顯加快。

Havens等[22]研究表明,湖泊的入湖污染負荷中氮磷比會影響湖泊水體中的氮磷比值,并表現出相同的趨勢。因此,可以通過控制入湖污染負荷的氮磷比來進行湖內氮磷比值的調節。

3.3 營養狀態評價

陽宗海綜合營養狀態指數從2007年起超過30 (圖2),標志著陽宗海營養狀態從貧營養級進入中營養級,而且處于不斷上升的趨勢。陽宗海從2006—2007年,富營養化程度明顯加重,說明流域營養鹽輸入大幅增加。這可能與流域內土地利用方式的變化有關。在此期間,流域內種植結構從傳統的糧食作物向蔬菜和花卉轉變,化肥施用量增加,最終導致營養鹽輸入負荷增加,湖水中TN、TP濃度上升。如果入湖營養鹽負荷不能得到有效控制,按照2007—2012年的發展趨勢預測,陽宗海綜合營養狀態指數將以每年約2.0的速度上升,預計到2017年左右,陽宗海將達到富營養級水平。根據前人的研究[23],湖泊的富營養化狀態還與季節有關系,比如太湖流域的小型湖泊,冬、春季處于中營養狀態,夏、秋季營養狀態略高。同樣,許秋瑾等[24]對三峽水庫支流的研究也表明：富營養化狀態有季節性特點,春、夏季節庫區11條支流發生富營養化的風險較高,應為控制庫區富營養化發生的敏感時期[24]。

4 結 論

研究了陽宗海2002—2012年Chl-a、TP、TN的動態變化及其相互關系,結果發現2008—2012年這幾項指標均呈上升趨勢,富營養化程度加重;同時,發現Chl-a與TP、TN的濃度呈正相關。Chl-a的變化受氮磷比距離閾值遠近的影響,該研究結論支持和驗證了Redfield的閾值理論：當水體的氮磷比接近16∶1時,藻類生長受限最小,生長最快。研究發現,突發砷污染事件很偶然地改變了湖泊的氮磷比,使之接近16∶1,使得富營養化程度加快。

采用綜合營養狀態指數法分析陽宗海2002—2012年的營養狀態,得出2002—2012年陽宗海的營養狀態指數呈逐年上升趨勢,營養級別從2006年前的貧營養級上升到2007年后的中營養級,而且呈現繼續上升趨勢。若陽宗海營養鹽輸入量得不到有效控制,預測陽宗海將在2017年前后將達到富營養級水平,水質將進一步惡化。因此,陽宗海的富營養化問題應及早引起重視。

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Dynamic characteristics of nitrogen,phosphorus,chlorophyll a and eutrophication trend in Yangzonghai Lake

LI Xiaoming1,LI Shiyu2
(1.Environmental Monitoring Center of Kunming,Kunming 650028,China; 2.Research Institute of Engineering and Technology,Yunnan University,Kunming 650091,China)

The dynamic characteristics of total nitrogen(TN),total phosphorus(TP),chlorophyll a(Chl-a),and the N/P ratio,and the correlations between these indices in Yangzonghai Lake from 2002 to 2012 were analyzed. The eutrophication status of the lake was evaluated using the comprehensive nutrition index method.The study results show that the eutrophication level of the lake had an increasing trend.Around the year 2007,the level of the eutrophication increased from a low level to a medium level.The concentrations of Chl-a,TN,and TP showed a rapidly increasing trend after the year 2007.The concentration of Chl-a was positively correlated with the concentrations of TN and TP,and the concentration of Chl-a increased faster as the N/P ratio was close to 16：1.It was found that,if the nutrient salt input cannot be reduced effectively,the lake will be at a eutrophic status around the year 2017,and the water quality will deteriorate further.

eutrophication：trophic level index;N/P ratio;Yangzonghai Lake

X52

A

10046933(2014)04004304

20131109 編輯：徐 娟)

10.3969/j.issn.10046933.2014.04.009

國家自然科學基金(51168047);云南大學?；?2011YB44)

李曉銘(1960—),男,高級工程師,主要從事環境監測與環境污染控制研究。E-mail：lixiaoming.km@163.com

李世玉,助理研究員。E-mail：lishiyukm@163.com