安吉縣賦石水庫氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽及富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)狀分析

胡紅旗　劉　燕　金　喆　曹　杰　楊　飛

（1安吉縣環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站浙江安吉3133002通標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)有限公司安吉分公司浙江安吉313300）

安吉縣賦石水庫氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽及富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)狀分析

胡紅旗1劉燕2金喆1曹杰1楊飛1

（1安吉縣環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站浙江安吉3133002通標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)有限公司安吉分公司浙江安吉313300）

為了解安吉縣賦石水庫的污染現(xiàn)狀，現(xiàn)對(duì)2013年1月-2015年12月賦石水庫水體中總氮（TN）、總磷（TP）及葉綠素（Chl-a）等水質(zhì)指標(biāo)的濃度變化進(jìn)行了分析，并利用卡爾森指數(shù)法和Chl-a六段分級(jí)法進(jìn)行富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：目前TN質(zhì)量濃度達(dá)到地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，TP質(zhì)量濃度滿足Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)；ρ（TN）/ρ（TP）值較高，水質(zhì)屬于P限制型；一年中TN、TP以及Chl-a質(zhì)量濃度均呈有規(guī)律的周期性變化；水庫營(yíng)養(yǎng)鹽主要來自上游面源污染以及底泥等內(nèi)源釋放；近三年水庫水質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)程度均為中（富）營(yíng)養(yǎng)。

賦石水庫；總氮；總磷；葉綠素；富營(yíng)養(yǎng)化

1　數(shù)據(jù)來源

素有“浙北第一庫”之稱的賦石水庫于1977年建成，水庫大壩筑在縣域最大溪流——西苕溪上游的河道上，為安吉縣域最大的大（二）型水庫，屬縣城集中式飲用水水源地，以防洪為主，結(jié)合供水、灌溉、發(fā)電等。水庫集雨面積331km2，總庫容2.18×108m3（占縣域地表水資源總量的近18%），多年平均徑流量2.76× 108m3，正常蓄水位81m，蓄水位庫面積8.15km2，調(diào)蓄量1.157× 108m3，年供水量2.43×108m3（多年平均）。因此，賦石水庫在安吉縣水資源利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面具有重要地位，其水質(zhì)的好壞對(duì)安吉縣居民供水和水環(huán)境具有重要影響。

從縣環(huán)境監(jiān)測(cè)站近幾年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)看，賦石水庫水體一直處于“中-富”營(yíng)養(yǎng)水平。富營(yíng)養(yǎng)化是中國(guó)湖庫普遍面臨的重要環(huán)境問題，是湖庫水體營(yíng)養(yǎng)鹽含量不斷上升，生產(chǎn)力從低的貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)逐步向生產(chǎn)力高的富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)過渡的一種現(xiàn)象[1]。有研究[1-2]指出，N、P是湖泊水庫富營(yíng)養(yǎng)化的主要限制性因素。水體富營(yíng)養(yǎng)化致使浮游生物大量繁殖，水體透明度下降，耗氧量增加。為有效控制水庫的富營(yíng)養(yǎng)化以及保護(hù)好飲用水源地，全面了解水庫中N、P營(yíng)養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度的變化規(guī)律是十分必要的。本分重點(diǎn)分析了安吉賦石水庫近三年的TN、TP和Chl-a的年際及季度變化規(guī)律，并進(jìn)行富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)，旨在為水庫的富營(yíng)養(yǎng)化控制提供理論依據(jù)。

安吉縣環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站負(fù)責(zé)對(duì)賦石水庫的水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每月月初采集一次樣品。各項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)分析均采用標(biāo)準(zhǔn)分析方法[2]。

2　結(jié)果與討論

2.1 N、P營(yíng)養(yǎng)鹽變化分析

2.1.1 TN變化分析

2013~2015年賦石水庫TN質(zhì)量濃度年均值分別為1.30 mg/L、1.92 mg/L和1.62mg/L，均超出GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類（1.0 mg/L）水標(biāo)準(zhǔn)，近兩年甚至達(dá)到Ⅳ類（1.5mg/L）水標(biāo)準(zhǔn)。

從圖1可以看出，2013~2015年際間，賦石水庫TN質(zhì)量濃度呈現(xiàn)“上升又下降”的周期變化。一年中1-4季度，TN濃度存在“先上升后下降再上升”的變化規(guī)律。分析原因，1~2季度，水溫開始回升，冬季底泥沉積的含氮營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)逐漸進(jìn)入上覆水體，此時(shí)水體的硝化反應(yīng)也加強(qiáng)，更多的氨氮（NH3-N）、亞硝酸鹽氮（NO2-N）轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮（NO3-N），致使TN濃度上升。另一方面，由于水溫和光照的加強(qiáng)，水體中藻類等生物的同化作用對(duì)三氮的去除速率也明顯提升[3]。這就緩解了TN上升的趨勢(shì)；二至三季度，水溫達(dá)到30℃左右，硝化菌的活性受到抑制[4]，水體硝化作用趨緩。此時(shí)仍然旺盛的藻類生物同化作用繼續(xù)大量消耗氮營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，TN濃度開始下降；三至四季度，藻類等微生物開始消亡，TN濃度又逐漸上升。

水體中氮營(yíng)養(yǎng)鹽的主要存在形態(tài)為：TN=無機(jī)氮+有機(jī)氮≈（NO3--N+NO2--N+NH3-N）+有機(jī)氮。據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，賦石水庫水體NH3-N占TN的比例由2013年的12%下降到2015年的5%,；NO3--N占TN的比例由2013年的72%下降到2015年的61%；（NO2--N+有機(jī)氮）占TN的比例由2013年的16%上升到2015年的34%。三氮間轉(zhuǎn)化以及占比受水體的pH值、溶解氧、水溫等變化影響較大[3][4]。同時(shí)可能與氨氮初始濃度的下降也有關(guān)。

圖12013　～2015年賦石水庫TN質(zhì)量濃度季度變化

2.1.2 TP變化分析

2013~2015年，賦石水庫TP質(zhì)量濃度年均值變化范圍為0.016 mg/L~0.024mg/L，滿足地表水Ⅱ類（0.025 mg/L）標(biāo)準(zhǔn)。

從圖2可以看出，2013～2015年際間，賦石水庫TP質(zhì)量濃度呈現(xiàn)“下降又上升”的周期變化。一年中1～4季度，TP濃度“先上升后下降”。研究表明，春夏季節(jié)，溫度升高以及水體底層往往處于缺氧狀態(tài)，再加上底棲生物的擾動(dòng)和上下層水體的對(duì)流等，能夠促進(jìn)沉積物中磷的釋放[5][6]，上覆水體TP濃度不斷上升。與氮營(yíng)養(yǎng)鹽不同的是，在藻類等生物群體的繁衍生長(zhǎng)旺盛時(shí)段，TP濃度沒有下降，反而繼續(xù)上升。這說明賦石水庫磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度很低，與之相適應(yīng)的特種藻類等生物群體對(duì)磷營(yíng)養(yǎng)鹽的需求較少。3～4季度，水溫快速下降，水體中磷營(yíng)養(yǎng)鹽又開始沉積，TP濃度下降。

圖2　2013　～2015年賦石水庫TP質(zhì)量濃度季度變化

2.1.3 ρ（TN）/ρ（TP）變化分析

藻類生長(zhǎng)受物理、化學(xué)、生物等多方面因素的影響[7]。氮和磷是藻類生長(zhǎng)的必需營(yíng)養(yǎng)元素。一般來說，藻類健康生長(zhǎng)及生理平衡所需的氮磷比率（原子比）為16:1，但不同類藻細(xì)胞的元素組成存在著差異，對(duì)各類營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的需求也不盡相同，而環(huán)境則會(huì)優(yōu)先選擇與之相適應(yīng)的特種藻類，形成適者生存的群落。所以水體氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽供應(yīng)及其比率對(duì)浮游藻類的種群結(jié)構(gòu)有重要的決定作用[8]。

有文章指出[9]，水體中ρ（TN）/ρ（TP）的值在10~15時(shí)最有利于藻類增殖。通常認(rèn)為，ρ（TN）/ρ（TP）<10，N是藻類生長(zhǎng)的限制性因素[10]。屠清瑛等[11]經(jīng)過研究，認(rèn)為在ρ（TN）/ρ（TP）>14的情況下，P是藻類生長(zhǎng)的限制性因素。

從表1看到，賦石水庫水體ρ（TN）/ρ（TP）遠(yuǎn)大于14，屬于P限制型水體。水庫的營(yíng)養(yǎng)鹽比例不平衡，致使浮游植物生長(zhǎng)受制于某一相對(duì)不足營(yíng)養(yǎng)鹽的特征。雖然水體TN濃度較高，但氮磷比限制了各種藻類等微生物過量繁殖。

表12013　～2015年各季度賦石水庫水體ρ（TN）/ρ（TP）值

2.1.4營(yíng)養(yǎng)鹽來源分析

目前面源污染已經(jīng)成為威脅飲用水源的主要原因，面源污染主要由氮、磷組成，農(nóng)田化肥農(nóng)藥的大量施用、森林經(jīng)營(yíng)管理不規(guī)范、畜牧業(yè)飼料的應(yīng)用和有機(jī)肥排放以及道路交通都會(huì)產(chǎn)生大量的污染物。這些物質(zhì)在降雨的作用下，一部分隨雨水下滲到地下，一部分隨徑流進(jìn)入水體引起水質(zhì)惡化。例如，李澤波等[12]對(duì)賦石水庫庫尾具有代表性的板栗林地的雨天地表徑流進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)該地表徑流污染物中氮、磷濃度均超過引起水體富營(yíng)養(yǎng)化的閥值，對(duì)水庫面源污染和水質(zhì)變化形成潛在壓力。另外，通過對(duì)賦石水庫三個(gè)主要入庫溪流水質(zhì)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，其N、P營(yíng)養(yǎng)鹽濃度均高于水庫水體。根據(jù)《安吉縣集中式飲用水水源地環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》介紹，賦石水庫周邊飲用水保護(hù)區(qū)內(nèi)幾乎無涉水工業(yè)企業(yè)。因此賦石水庫水體主要還是受上游面源污染以及底泥等內(nèi)源釋放的影響。

2.2 Chl-a變化分析

Chl-a含量是表征藻類現(xiàn)存量的重要指標(biāo)之一。因此，研究Chl-a變化規(guī)律及其與TN、TP濃度間的關(guān)系，對(duì)認(rèn)識(shí)水體富營(yíng)養(yǎng)化的機(jī)理具有重要意義[1]。

由圖3可見，一年中1～4季度，賦石水庫Chl-a質(zhì)量濃度呈現(xiàn)“先快速上升再緩慢上升后快速下降”的明顯變化規(guī)律。溫度和光照是造成浮游植物數(shù)量季節(jié)變化明顯的主要原因[13]。從每月數(shù)據(jù)看，Chl-a濃度峰值出現(xiàn)在每年的7月，此時(shí)水體的pH值明顯升高，透明度達(dá)到最低，這些都是藻類等浮游生物生長(zhǎng)旺盛的體現(xiàn)。秋冬季節(jié)溫度下降，浮游植物生產(chǎn)力和生物量開始回落，Chl-a濃度變小。另外，對(duì)比圖3和表1，發(fā)現(xiàn)Chl-a年際和季度變化規(guī)律與ρ（TN）/ρ（TP）變化規(guī)律相關(guān)性非常大。總體上，ρ（TN）/ρ（TP）處在高位的年份，Chl-a濃度也相對(duì)較高，而一年中ρ（TN）/ρ（TP）變化趨勢(shì)與Chl-a濃度變化趨勢(shì)相反。

圖3　2013　-2015年賦石水庫Chl-a質(zhì)量濃度季度變化

2.3富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)

2.3.1卡爾森指數(shù)法

湖泊（水庫）富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)常采用綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法（卡爾森指數(shù)法）。當(dāng)綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI（Σ）<30時(shí)，水體處于貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)；當(dāng)3050時(shí)，水體處于富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。從表2可見，近3年，賦石水庫富營(yíng)養(yǎng)化程度穩(wěn)定在“中營(yíng)養(yǎng)”水平。從五個(gè)污染因子對(duì)水庫富營(yíng)養(yǎng)化污染的分擔(dān)率來看，TN分擔(dān)率最高，其次是Chl-a。

表22013　-2015年各季度賦石水庫富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)

2.3.2 Chl-a六段分級(jí)法

本文還引用國(guó)際公認(rèn)的Chl-a六段分級(jí)的方法進(jìn)行評(píng)價(jià)[14]，具體評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。從表2查閱Chl-a濃度季度均值可以看到，總體上，一年中的1季度和4季度，賦石水庫的富營(yíng)養(yǎng)化等級(jí)較低，為“輕富營(yíng)養(yǎng)”。而2季度和3季度，就上升到了“中富營(yíng)養(yǎng)”等級(jí)。

表3　基于葉綠素a的富營(yíng)養(yǎng)化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

多指標(biāo)的“卡爾森指數(shù)法”和單指標(biāo)的“Chl-a六段分級(jí)法”均能較好的評(píng)價(jià)目前賦石水庫的富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)狀。前者評(píng)價(jià)的更加系統(tǒng)，后者分級(jí)更加細(xì)化。

3　結(jié)語

3.1 2013~2015年賦石水庫TP濃度年均值均能達(dá)到地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，而TN污染較嚴(yán)重，年均值已超過Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。TN中占比主要為NO3--N，其中NH3-N和NO3--N的占比均有下降趨勢(shì)，而“NO2--N+有機(jī)氮”的占比有上升趨勢(shì)。一年中1～4季度，TN和TP濃度均呈現(xiàn)一定規(guī)律的周期性變化。

3.2近3年，賦石水庫ρ（TN）/ρ（TP）值較高，屬于P限制型水庫。3.3目前賦石水庫水體氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽主要來自上游面源污染以及底泥等內(nèi)源釋放。

3.4賦石水庫Chl-a主要受溫度和光照影響，2、3季度濃度較高，1、4季度濃度較低。與氮磷的關(guān)系主要是ρ（TN）/ρ（TP）處在高位的年份，Chl-a濃度也相對(duì)較高，而一年中ρ（TN）/ρ（TP）變化趨勢(shì)與Chl-a濃度變化趨勢(shì)相反。

3.5用卡爾森指數(shù)法和Chl-a六段分級(jí)法分別評(píng)價(jià)近三年賦石水庫水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況，分別為“中營(yíng)養(yǎng)”和“中富營(yíng)養(yǎng)”。

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胡紅旗（1982—），男，碩士研究生，主要從事環(huán)境監(jiān)測(cè)工作。