白洋淀水體氮磷時空分布與富營養化分析

陽小蘭， 張茹春， 毛 欣， 王瑞君， 孟赫男， 劉冬梅， 田學東， 楊永壯

(1.河北省科學院地理科學研究所/河北省地理信息開發應用工程技術研究中心，河北石家莊 050011；2.中國地質科學院水文地質環境地質研究所，河北石家莊 050006； 3.河北省安新縣環境保護局，河北保定 071600)

湖泊(水庫)是全球水資源的重要組成部分，具有重要的生態服務功能，不僅包括水產品供給，還承擔著緩洪滯澇、蓄水灌溉和維護生物多樣性等重要任務[1]。但是，隨著城市和工農業的快速發展，我國絕大多數湖泊正面臨著水體富營養化的威脅或已經富營養化[2-3]，許多大型湖泊，如巢湖、太湖、鄱陽湖等都已經處于富營養或重富營養狀態[4]。湖泊水體富營養化是我國淡水湖泊面臨的最主要生態環境問題之一。湖泊富營養化根源在于氮磷等營養鹽的過量富集，過高的營養負荷會導致一系列嚴重的生態后果，如藍藻水華暴發和生物多樣性下降等，嚴重威脅著湖泊的生態功能和水環境質量[5-8]。探明湖泊水體氮磷的時空分布特征，明確其富營養程度及污染來源，可為湖泊治理和有效管理提供科學依據。

白洋淀屬北方淺水草型湖泊，素有華北明珠之稱。研究表明，20世紀50—60年代，白洋淀水質清澈，水產資源豐富。20世紀70年代以后，由于工農業廢水及生活污水的大量排放，使白洋淀水質遭受污染，水體富營養化嚴重[9-10]。近年來，隨著人口的增加，流域內經濟的增長，如養殖業和旅游業的大力發展，白洋淀水質進一步惡化，出現了干淀、水質污染和死魚等問題，水質污染已經成為制約白洋淀濕地生態環境良性循環的瓶頸。面對白洋淀水體污染與富營養化的日趨嚴重[11]，眾多學者就湖泊富營養特征、驅動機制以及應對措施等方面展開了相關研究。胡曉波等采用TLI和TSLM方法評價了白洋淀養殖水域營養狀態，認為其水質已達到輕度和中度富營養化[12]。王瑜等應用修正的卡爾森營養狀態指數和優勢種評價法對白洋淀的營養狀態進行評價，結果表明，白洋淀多數水體處于富營養狀態[13]。門漱石等認為，白洋淀水體富營養化的主要污染源是入淀河流、淀內居民生活及水上娛樂、水產養殖等[14]。王珺等對流入白洋淀的府河水體及沉積物中氮、磷進行了測試，研究了白洋淀水體富營養化的基本特征及營養鹽驅動機制[15]。陳新永等在對白洋淀水產養殖區富營養化分析的基礎上，提出應發展水產健康養殖來控制水體富營養化[16]。本研究在白洋淀2012—2014年逐月水體取樣分析的基礎上，探討該湖水體中氮磷的時空分布特征，對其富營養化進行科學評價，并結合歷史數據對白洋淀水體富營養化趨勢進行了分析。本研究結果可為白洋淀水體富營養化防治提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

白洋淀地處華北平原中部，地理坐標為115°38′～116°07′E，38°43′～39°02′N，四周以堤壩為界，東至千里堤，西至西門堤，南至淀南新堤，北至新安北堤，東西長39.5 km，南北寬28.5 km。淀內主要由白洋淀、馬棚淀、燒車淀、藻雜淀等大小不等的143個淀泊和3 700條溝壕組成，淀區總面積 366 km2。白洋淀上承九河，下注渤海，地勢低洼，是河北省最大的內陸淡水湖泊。

1.2 取樣點選擇及樣品采集

在白洋淀選擇代表其典型特征的8個樣點(圖1)：燒車淀(國家級自然保護區核心區)、王家寨(畜禽養殖區)、圈頭(養鴨、養魚區)、采蒲臺(靜水蓄積區)、光淀和端村(水產養殖區)、棗林莊(出水口)、南劉莊(府河入水口)，于2012—2014連續3年逐月在監測點進行水樣采集。

1.3 樣品測定

現場測量透明度、水深、pH值、表層水溫度、溶解氧等指標，室內分析項目包括總氮、總磷、葉綠素a、化學耗氧量、高錳酸鉀指數等，測試方法參照《水和廢水監測分析方法》[17]：高錳酸鹽指數用酸性法(GB/T 11892—1989)；總磷用鉬銻抗分光光度法(GB/T 11893—1989)；總氮的測定用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(HJ636—2012)；葉綠素a的測定用分光光度法，并用便攜式儀器作對照(結果基本一致)。

1.4 富營養化評價方法

目前，我國湖泊水體富營養化評價的基本方法主要有營養狀態指數法[卡爾森營養狀態指數(TSI)]、營養度指數法和評分法、修正的營養狀態指數、綜合營養狀態指數(TLI)[18-19]。以上幾種方法在實際工作中都被采用，其中評分法受人為因素的干擾較多，影響結果的準確性；營養度指數法計算步驟繁瑣且耗時長，不如綜合營養指數法簡便易行。因此，本研究選取綜合營養狀態指數法評價湖泊水體富營養化程度[20-21]，評價項目選取了反映水體營養程度的主要指標包括葉綠素a、總磷、總氮、透明度、高錳酸鹽指數5項，分別計算各參數的營養狀態指數，根據各項參數的營養狀態指數，通過公式計算得出綜合營養狀態指數。為明確說明湖泊水體的富營養程度，根據營養狀態指數數值對湖泊水體的富營養化程度進行分級，分級標準見表1。

表1 湖泊水體的營養指數分級

2 結果與分析

2.1 白洋淀水體TN、TP分布特征

2.1.1 白洋淀TN空間分布 根據2012—2014年8個監測點的TN平均值(圖2、表2)可以看出，TN含量由大到小依次為：2012年南劉莊>王家寨>圈頭>端村>燒車淀>采蒲臺>光淀>棗林莊；2013年南劉莊>燒車淀>王家寨>光淀>端村>圈頭>采蒲臺>棗林莊；2014年南劉莊>燒車淀>端村>王家寨>圈頭>采蒲臺>光淀>棗林莊。TN在空間分布上差異較大，最大值分布在南劉莊，3年中TN含量遠遠超出了地表水Ⅳ類標準值(≤1.5 mg/L)，2014年最大值為 27.79 mg/L，超出標準17.53倍；依據地表水環境質量標準基本項目標準限值，其他各樣點TN濃度均超過了《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)[22]的Ⅲ類水標準，50%以上水域劣于Ⅴ類。

表2 2012—2014年白洋淀不同采樣點TN含量及水質等級

2.1.2 白洋淀TP空間分布 地表水環境質量標準中Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類TP的濃度限值分別為≤0.05、0.1、0.2 mg/L。根據2012—2014年8個監測點的TP平均值(圖3、表3)可以看出，TP含量由大到小依次為：2012年南劉莊>端村>圈頭>采蒲臺>王家寨>燒車淀>光淀、棗林莊；2013年南劉莊>端村>燒車淀、圈頭、采蒲臺、光淀>王家寨>棗林莊；2014年南劉莊>端村>王家寨>圈頭>燒車淀>采蒲臺>光淀>棗林莊。TP含量最高點仍分布在南劉莊，3年中TP指標處于嚴重超標狀態，2014年最大值為1.34 mg/L，超出標準12.4倍(Ⅳ類標準≤0.1 mg/L)；其次為端村，2014年最大值為 0.23 mg/L，超出標準3.6倍(Ⅲ類標準≤0.05 mg/L)。白洋淀TP污染程度好于TN，3年中棗林莊水質達到Ⅲ類水標準，2013年達到了Ⅰ類水標準，而南劉莊、端村污染嚴重，為Ⅴ類或劣于Ⅴ類。

2.2 白洋淀水體TN、TP的季節分布

季節變化以季度算術平均值進行比較，春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季因有些區域結冰，不參與比較。

對比不同季節水體中TN的含量(圖4)，總的趨勢是春季>夏季>秋季，2014年則相反(圖4)。TP含量夏季高于春季、秋季2個季節， 變化趨勢為夏季>秋季>春季，2013年為春季>夏季>秋季(圖5)。

2.3 水質富營養化評價

白洋淀水體2012—2014年營養狀態評價結果見表4。從表4可以看出，在監測的8個樣點中，南劉莊3年均為“中度富營養”，且綜合營養狀態指數呈逐年下降的趨勢；棗林莊3年均為“中營養”；其他6個采樣點均處于輕度富營養狀態。整個淀區的富營養化程度趨勢由西向東逐漸減弱。

表3 2012—2014年白洋淀不同采樣點TP含量及水質等級

從各季節綜合營養指數來看，2012—2014年間除2012、2014年春季為中營養外，其他季節都為輕度富營養(圖6)。

表4 2012—2014年白洋淀不同采樣點水體富營養化評價結果

3 討論

3.1 白洋淀水體TN、TP時空分異特征

白洋淀氮、磷營養鹽在空間上具有明顯差異，在8個監測點中，2012—2014年內氮、磷平均濃度在南劉莊、圈頭、端村、王家寨區域含量相對較高，尤其是南劉莊。南劉莊為污水河流入口，接受來自府河排放的污水和安新縣的工業及生活污水，雖然有部分污染物隨著水體流動稀釋、降解和沉淀，但由于污染物濃度大，到達入淀口時污染物濃度還是遠遠超過水體功能要求。圈頭、端村為養魚區，在水體中投放的餌料含大量氮和磷，其中少量被魚食用，大部分剩余物沉積水體，是嚴重污染源。王家寨為畜禽養殖區，是最大的純水村，村內建有大型生態旅游景區，旅游客流量巨大，配套的餐飲服務行業也是主要污染源。棗林莊為白洋淀出水口，相對于其他各點，水質較好。

從營養鹽的季節變化來看，總體上TN含量春季、夏季較高，秋季較低，TP夏季明顯高于秋季、春季。造成營養鹽含量季節變化的主要原因，可能與農業面源污染和湖區圍網養殖有關。春季是農耕季節，TN含量高主要與化肥的大量使用有關；夏季是水產養殖高峰期，在水體中投放的餌料含大量氮和磷，其中少量被魚食用，大部分剩余物沉積水體，成為嚴重污染源，另外原因可能由于夏季降水較多，地表徑流也隨之增大，白洋淀周圍村莊以及主要入湖河流流域的面源污染中的營養要素隨著地表徑流進入水體，使水體營養鹽濃度升高。到秋末投餌量顯著減少，營養鹽氮磷含量逐漸降低。總體來說，夏季的水質最差。

3.2 白洋淀總體營養狀態趨勢分析

據前人研究，白洋淀在20世紀50年代前一直處于自然循環狀態，水域遼闊，物產豐富，水質均未受污染；自1988年至1994年6月，污染程度近似逐年遞增，至1994年已全部達輕污染程度，部分水域達到重污染、嚴重污染程度[10]。近幾年來，由于白洋淀的綜合治理，以及多次補水，水質得到了改善[23]。

從圖7可以看出，白洋淀總體富營養狀態呈下降趨勢：2006—2011年，除2009年為輕度富營養化外，其他年份都是中度富營養，2012—2015年，富營養狀況明顯好轉，呈輕度富營養，2013年最低，綜合營養指數為51.7。

4 結論與建議

白洋淀水體中TN含量大多春季>夏季>秋季，TP含量大多夏季>秋季>春季，水體中TN、TP主要來源于生活源污染和養殖業。生活源主要包括淀中村生活廢水、垃圾及淀區旅游產生的生活源。白洋淀區及周邊共有12個鄉鎮，總人口12.6萬人，淀邊村和純水村污水管網和污水處理設施建設滯后，大量生活廢水直接排入淀中，同時，生活垃圾等長期岸邊堆放，成為對白洋淀水質的主要污染源。對白洋淀內水產養殖、家禽養殖等重污染產業進行調整、整治是當務之急。水產養殖結構調整主要是將淀區內的水產養殖方式由投餌養殖向生態養殖方向轉變，壓縮淀內人工水產養殖面積，恢復魚類的自然生態養殖；將淀區內鴨養殖進行搬遷，逐年縮小鴨養殖面積，最終達到徹底清理鴨養殖，恢復養殖水體自凈能力的效果。

根據近3年的連續監測及近10年來水質歷史數據，運用綜合營養指數法對白洋淀各監測點及整體的富營養化程度進行了評價，整體而言白洋淀處于輕度富營養化狀態，部分區域呈中度富營養化。富營養化程度在夏秋兩季較高，春季較低。隨著白洋淀的綜合整治，水質有了一定改善，富營養化程度整體呈下降趨勢。

根據近3年的連續監測，對白洋淀氮、磷的時空分布特征進行了分析和研究，結果表明，南劉莊氮、磷絕對濃度嚴重超標，屬于劣Ⅴ類水體，常年處于中度富營養化狀態。據研究，南劉莊20世紀50年代尚好，處于未污染狀態，20世紀70年代以來一直處于重度污染，近幾年雖得到改善，但仍是中度富營養狀態[10]。南劉莊位于白洋淀東部，接受府河污水，歷年來污染嚴重，降低通過府河輸入白洋淀的含氮、磷污染物總量是緩解白洋淀水體富營養化的關鍵。