子牙河流域濕地污染時空分布及濕地富營養化?

汪明宇， 劉汝海??， 王 艷， 李 瑾， 張燕燕， 高紅龍

(1.中國海洋大學海洋環境與生態教育部重點實驗室,山東 青島 266100; 2.中國海洋大學環境科學與工程學院,山東 青島 266100)

海河流域水資源短缺，水污染較重[1]，流域內的濕地生態作用尤為重要[2]。河流水系承接了人類排放的大量工業廢水和生活污水，水庫閘壩等水利工程改變了河流水系原有的水文過程并影響其自凈能力，進一步影響流域濕地的水源供給和水體富營養化，對濕地生態系統健康產生影響。

子牙河水系是海河流域九大水系之一，上游山區建有東武仕、黃壁莊和崗南等水庫，中游有邯鄲南湖、邯鄲北湖、衡水湖等城市湖泊，其中衡水湖自然保護區是平原干旱地區獨特的濕地資源，被聯合國教科文組織納入中國人與生物圈保護網絡[3]，下游的團泊洼、北大港、南大港等濱海濕地均為省級自然保護區，是珍惜鳥類遷徙地，具有重要的生態價值[4-7]。由于近幾年經濟發展等人為活動的干擾，來水水質、水量得不到保證，北大港、南大港等濕地生態環境質量逐漸下降[5-6]，威脅著眾多珍稀物種的生存。目前，國內外富營養化研究主要集中在對單個水體富營養化狀況的評價、水體富營養化的成因及不同評價方法的比較，而對區域性湖泊濕地富營養化狀況的空間分布差異性研究較少[8-12]。國內對南方水體富營養化問題較重視[13-17]，而夏季北方干旱缺水區域濕地富營養化狀況少有研究。本文對子牙河水系各水體中氮磷、化學需氧量等主要污染物的時空分布進行分析，并對各水體富營養化狀況做出評價，以期為流域濕地保護提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

本文選取子牙河流域主要水庫、湖泊、濕地作為研究對象。子牙河水系是海河流域九大水系之一，位于海河流域中南部，由發源于太行山東坡的滏陽河和發源于五臺山北坡的滹沱河匯成，兩河于獻縣匯合后，始名子牙河，流經山西、河北、天津，全長769 km，流域面積4.69萬km2[18]，子牙河水系為扇形水系，滏陽河、滹沱河上游山區分別建有東武仕、崗南、黃壁莊等水庫，沿線支流有老漳河、留壘河、北澧河等，主要湖泊濕地有邯鄲南湖、邯鄲北湖、衡水湖、團泊洼、北大港，南大港等。

子牙河流域處于溫帶半干旱大陸性季風氣候區，年平均氣溫13.4 ℃，年平均降水量550 mm，多集中于夏季[19-20]。子牙河沿途承接大量的工業廢水和城鎮生活污水，清潔水源少，是典型的非常規補水河流，水污染嚴重[21-22]，導致中下游的衡水湖、團泊洼、北大港，南大港等濕地缺水，水源主要來自區域調水，南大港和北大港部分水源來自周圍河流。

1.2 采樣方法及樣品分析方法

2014年7、10月及2016年5月先后針對子牙河流域東武仕水庫、黃壁莊水庫、崗南水庫、邯鄲南湖、邯鄲北湖、衡水湖、團泊洼、北大港、南大港、滏陽河、老漳河進行污染觀測。每個湖泊濕地采樣點4～15個，共設68個采樣點，各濕地在流域內的分布見圖1。

利用便攜式水質分析儀(哈希HQ30)現場測定水樣溫度(t)、pH、溶解氧(DO)、鹽度等，采集表層水體樣品按照規范處理固定[23]，葉綠素a(Chl-a)、總氮(TN)、總磷(TP)、化學需氧量(CODCr)的分析測定根據《水和廢水監測分析方法》測定[23]。繪圖及數據處理主要借助Surfer12.0、Origin 9.0及SPSS19.0完成。

圖1 子牙河流域濕地分布圖Fig.1 Sampling stations in wetlands of Ziya River Basin

2 結果與分析

2.1 污染物季節變化

子牙河流域濕地各季節濕地水體TN及CODCr含量均超過地表Ⅴ類水標準限值(TN2.0 mg·L-1，CODCr40 mg·L-1)(見圖2)，夏秋季TP達到地表Ⅱ類水標準(0.1 mg·L-1)，春季TP達到地表Ⅲ類水標準(0.3 mg·L-1)。TN、TP春季較高，夏秋季水體氮磷濃度相差不大，TN夏季略高于秋季，TP秋季略高于夏季，與巢湖入湖河流氮磷季節變化特征幾乎一致[13,24]，與蠡湖、洞庭湖水體氮磷季節變化規律相反[15-16]；濕地水體CODCr含量秋季最高，夏季略高于春季；Chl-a夏季>春季>秋季。

子牙河流域春季干旱少雨為枯水期，水量較少且溫度逐漸升高，底泥和生物分解釋放大量N、P使得水體TN、TP濃度相對較高，且氣溫回升、水體透明度較高有利于水中藻類大量繁殖，在邯鄲南湖、北湖、團泊洼以及北大港濕地采樣時均發現有大量的藻類漂浮在水面上，主要以大型藻類和水草為主，與夏季相比Chl-a含量相對較低。夏季多雨為豐水期，地表徑流量增大，工業廢水排放、農業施肥等造成的氮磷污染可隨地表徑流進入各水體，但夏季藻類、蘆葦等水生植物生長吸收水體中大量氮磷營養物質，使得水體中氮磷含量與春季相比較低。秋季為平水期，面源污染輸入減少，使得水體中TP含量較夏季低，中下游的湖泊和濱海濕地中植物處于生長末期對營養物質的需求減少或植物死亡被分解產生有機物質釋放到水體，導致水體CODCr含量較高，TN含量略高于夏季。夏季溫度較高且氮磷營養鹽含量豐富，水體中藻類大量繁殖使得水體Chl-a含量高，Chl-a含量相對秋季較高。

圖2 子牙河流域濕地水質參數的季節變化Fig.2 Seasonal change of water quality parameters in Ziya River wetlands

2.2 不同濕地水水質參數的差異

各季節濕地水體水質參數濃度見圖3。由于數據不滿足方差齊性條件，本文采用非參數檢驗方法對不同水體間水質參數進行差異顯著性分析，分析結果見圖3。

夏季子牙河流域濕地各水體TN含量均不同程度超過地表III類水質標準，河流最高，其次是南大港和北大港。根據非參數檢驗結果，團泊洼、邯鄲南湖、黃壁莊水庫、河流、南大港TN含量差異性顯著。南大港和北大港TN含量高主要是由于夏季植物分解及濕地周邊水域存在一定的人為干擾，且北大港受養殖影響，這兩個濕地水面面積較小，目前水源主要來自周邊河流，進水時容易受到周邊河流影響。邯鄲南湖是滏陽河上開挖形成的城市湖泊，受滏陽河水質的影響，TN也較高；崗南、黃壁莊水庫、東武仕水庫TN也偏高，TN主要來自上游流域徑流或地下水滲流輸入，特別是受水庫周邊村莊和農業種植的影響較大。衡水湖和團泊洼水源主要來自黃河調水，湖水TN的來源主要是調水輸入和湖泊底泥的釋放，基本沒有污染河水進入，TN含量不高。邯鄲北湖是新開挖的城市湖泊，TN處于較低水平。以上分析表明子牙河流域整體氮污染嚴重且空間分布存在較大差異性[20]。與國內其它城市景觀水體相比，衡水湖、邯鄲北湖與合肥市包河公園、逍遙津公園TN含量(1.0 mg·L-1)相當，而邯鄲南湖夏季TN則高出逍遙津公園TN含量的2倍以上[25]。不同濕地TP含量變化與TN類似，略有不同的是上游水庫含量最低。上游東武仕水庫、崗南水庫、黃壁莊水庫與河流、南大港相比，TP含量存在顯著差異。南大港、北大港、邯鄲南湖及衡水湖TP含量超過地表Ⅲ類水標準限值(湖、庫0.05 mg·L-1),其余水體中TP含量均達到相應水質標準。CODCr含量的變化也表現為河流最高，河流>北大港>南大港=衡水湖>邯鄲北湖>團泊洼>邯鄲南湖=東武仕>黃壁莊水庫>崗南水庫。除東武仕水庫、崗南水庫、黃壁莊水庫及邯鄲南湖CODCr含量達到地表Ⅲ類水水質標準(20 mg·L-1)以外，其余水體CODCr含量均有不同程度超標。各水體CODCr含量存在顯著差異。Chl-a含量以南大港含量最高，其次是邯鄲北湖、河流、北大港，其它濕地Chl-a含量差異性較小。

秋季TN仍以河流最高，其次是黃壁莊水庫和南湖，衡水湖TN含量最低達到地表Ⅲ類水標準(1.0 mg·L-1)。除北大港、邯鄲北湖外，衡水湖TN含量與其余水體相比差異性較大。與夏季相比，黃壁莊水庫、東武仕水庫TN含量增加，表明經過夏季汛期水庫輸入了較多的氮。TP在各濕地的分布情況與夏季基本類似，除河流中TP含量略微超過地表Ⅳ類水標準限值(0.3 mg·L-1)外，其余水體TP含量均達標，流域TP污染程度較輕，根據非參數檢驗結果，秋季各水體TP含量無統計學顯著差異性。秋季各水體之間CODCr含量差異性顯著。CODCr含量以濱海濕地最高，崗南水庫、黃壁莊水庫和南湖最低，衡水湖、北湖、東武仕水庫居中。崗南水庫、黃壁莊水庫和邯鄲南湖CODCr達到地表Ⅲ類水標準，其余水體CODCr超標現象嚴重。秋季濱海濕地CODCr含量遠高于夏季，表明秋季濕地中植物死亡后被分解產生大量有機物質進入水體，濱海濕地中植被分布面積大，而水面面積小且主要分布在局部較深的位置或溝渠，使濱海濕地水文條件與其它類型濕地明顯不同。秋季Chl-a空間分布規律與CODCr的分布特征幾乎一致。南大港Chl-a含量最高，東武仕水庫、衡水湖、北湖、北大港及河流Chl-a含量相差不大且無顯著差異，崗南水庫、黃壁莊水庫及邯鄲南湖Chl-a含量較低且與衡水湖、南大港、邯鄲北湖之間存在顯著差異。

春季河流TN最高，其次是北大港濕地和邯鄲北湖，南大港、團泊洼、衡水湖TN含量差別不大且相互之間無顯著差異，東武仕水庫TN濃度最低與其余水體之間存在顯著差異。除東武仕水庫外，各濕地水體TN含量均不同程度超過地表Ⅴ類水標準限值(2.0 mg·L-1)。邯鄲北湖、衡水湖、團泊洼等水體TN含量均高出春季上海市滴水湖TN均值(3.27 mg·L-1)[14]。TP空間分布規律表現為河流最高，達到地表水Ⅴ類標準(0.4 mg·L-1)，其次是東武仕水庫、北大港、邯鄲南湖和北湖，水體TP含量超過地表水Ⅴ類標準(湖、庫0.2 mg·L-1)，衡水湖、團泊洼、南大港水體TP含量最低。南大港與河流TP存在顯著差異，其余水體之間差異性不顯著。春季各水體氮磷含量變化范圍與河北白洋淀類似[21]，比太湖流域水體氮磷含量略高[21]。過高的營養鹽物質和較高的溫度，容易引發水華現象，春季觀測時邯鄲南湖、北湖和團泊洼水體均出現了藻類過量繁殖現象，水面漂浮大量藻類。CODCr含量濱海濕地和河流均較高，超過了地表水V類標準限值(40 mg·L-1)，北湖略高，南湖、團泊洼、衡水湖CODCr含量相似，東武仕水庫CODCr濃度最低達到了地表水III類標準(20 mg·L-1)。由于水體內部本身一定的差異，各水體CODCr含量差異性不顯著。春季北大港、河流中Chl-a含量較高，其次為邯鄲北湖，東武仕水庫Chl-a含量最低與北大港、河流之間存在顯著差異，其余濕地水體中Chl-a含量相差不大差異性不顯著。

整體上看，各季節各污染物空間分布規律大都表現為從子牙河水系上游山區水庫到中游城市湖泊及下游濱海濕地，水體污染程度逐漸加劇，但上游水庫由于地表徑流輸入的氮較多使得水體TN含量較高。河流各季節各污染物濃度較高，污染嚴重，主要是因為河流沿途承接了大量的工農業廢水，使得水體中氮磷以及有機物含量較高。城市湖泊大多為景觀水體，邯鄲南湖和北湖水來自周邊河流，污染物來自徑流輸入較多，而衡水湖和團泊洼水源主要是區域調水，如黃河水，其水質較好，污染物主要來源于水源和湖泊底質內源性輸入。與湖泊、水庫相比，濱海濕地水量相對較少且水體交換程度低，因此水體中各污染物含量相對較高，藻類、蘆葦等水生植物大量生長，水體葉綠素含量較高。秋季藻類、蘆葦等水生植物枯萎腐敗造成水體CODCr含量高于其他水體。

(根據非參數檢驗結果，同一污染物上標示不同字母表示水體之間在p=0.05水平上存在顯著差異性，相同字母則表示兩水體之間無顯著差異。DWS代表東武仕水庫；GN代表崗南水庫；HBZ代表黃壁莊水庫；HDNH代表邯鄲南湖；HDBH代表邯鄲北湖；代表衡水湖；TPW代表團泊洼；BDG代表北大港；NDG代表南大港。下同。According to the results of nonparametric tests, different letters on the same pollutant indicate that there is a significant difference between the water bodies at thep=0.05 level, and the same letter indicates that there is no significant difference between the two water bodies. DWS represents Dongwushi Reservoir; GN represents Gangnan Reservoir; HBZ represents Huangbizhuang Reservior; HDNH represents Handannan Lake; HDBH represents Handanbei Lake; HSH represents Hengshui Lake; TPW represents Tuanpowa Reservior;BDG represents Beidagang Marsh; NDG represents Nandagang Marsh. The same below.)

圖3 不同濕地中TN、TP、CODCr和Chl-a含量差異
Fig.3 Difference of TN, TP, CODCrand Chl-acontent in wetlands

圖4 子牙河流域各水體氮磷比Fig.4 Ratio of nitrogen to phosphorus in wetlands of Ziya River

根據Guildford等提出的水中營養物限制性分類標準[28]，即TN/TP≥22.6(質量比)為磷限制性狀態，TN/TP≤9.0(質量比)為氮限制性狀態。由圖4可知，夏季除南大港、北大港外，其余水體均為磷限制狀態；秋季除衡水湖、河流外，其余水體均為磷限制水體；春季邯鄲北湖、團泊洼、北大港、南大港、河流均是磷限制水體。這與國內其它湖泊水體類似[25,29]。

夏秋季上游水庫具有較高的氮磷比值，流域農業施肥導致徑流輸入較多的氮，而磷肥易于被土壤固定，而氮肥易于流失，從而使水庫中的氮磷比較大。南湖和北湖會受到上游水庫輸入的影響，秋季也具有較高的TN/TP比值。河流接納了城市污水和徑流，氮磷比值變化不大，但是春季整體上氮磷比值差別較小。其它的湖泊和濱海濕地水體氮磷比值相對較小，而濱海濕地南大港和北大港濕地植被分布面積較大，夏季氮磷比最小，春秋季較高，夏天植物生長旺盛，需求較多的營養物質，同時還受植物枯落物的分解的影響，影響因素復雜。

2.3 富營養化評價

由于營養物質的積累，在夏季北方濕地中也會發生藻類過量繁殖的現象，為此選取水體TN、TP和葉綠素含量為主要參數，采用綜合營養狀態指數法(TLI)[29-30]對子牙河水系各水體作富營養化評價。綜合營養狀態指數計算公式為：

(1)

式中:TLI(∑)為綜合營養狀態指數；TLI(i)為第i種參數的營養狀態指數；Wi為第i種參數的營養狀態指數的相關權重，其計算公式為：

(2)

式中：rli為第i個參數與葉綠素(Chl-a)的相關系數；m為選出的主要參數的數目。

表1 富營養化計算參數[31]Table 1 Eutrophication parameters of Chinese Lakes

Note:①Parameters

營養狀態指數計算式：

TLI(Chl)=10×(2.5+1.086lnchl)，

(3)

TLI(TN)=10×(5.453+1.694lnTN)，

(4)

TLI(TP)=10×(9.436+1.624lnTP)。

(5)

相應的富營養化程度評價標準為：TLI(∑)<30,貧營養；30≤TLI(∑)≤50,中營養；5070,重度富營養。

(A表示貧營養；B表示中營養；C表示輕度富營養；D表示中度富營養；E表示重度富營養。A representsoligotrophic; B represents mesotrophic; C represents light eutrophic; D represents middle eutrophic; E represents hyper-eutrophic.)

圖5 子牙河水系濕地綜合營養狀態指數法評價
Fig.5 Eutrophication index of wetlands in Ziya River

大部分濕地水體富營養化指數季節變化為春季>夏季≥秋季(見圖5)。各類型濕地水體富營養化程度季節變化均為春季>夏季≥秋季。

夏季各水體之間富營養化程度相差較大，崗南水庫富營養化程度最低為中營養狀態；東武仕水庫、黃壁莊水庫、邯鄲北湖、衡水湖、團泊洼水體處于輕度富營養狀態；邯鄲南湖、北大港水體處于中度富營養，南大港、河流處于重度富營養。秋季崗南水庫處于中營養狀態；北大港、南大港處于中度富營養；河流處于重度富營養；其余水體處于輕度富營養。春季，除邯鄲北湖、北大港、河流處于重度富營養外，其余水體處于中度富營養狀態。與蘇南地區湖泊群及河北白洋淀水體富營養化狀況類似，水體均處于中度富營養及以上[17,32]。

根據國際經濟合作與發展組織提出的水體富營養化單因子(Chl-a)評價標準：Chl-a<3 mg·m-3為貧營養;Chl-a介于3～11 mg·m-3為中營養;Chl-a介于11～78 mg·m-3為富營養;Chl-a>78 mg·m-3為嚴重富營養[33]。夏季子牙河水系各水體中，崗南水庫處于中營養狀態，邯鄲北湖、南大港及河流處于嚴重富營養狀態，其余水體處于富營養狀態。秋季各水體中，崗南水庫、黃壁莊水庫及邯鄲南湖處于中營養狀態，南大港處于嚴重富營養狀態；其余水體處于富營養水平。春季東武仕水庫水體處于中營養狀態，北大港和河流處于嚴重富營養狀態，其余水體均處于富營養狀態。兩種富營養化評價方法評價結果大致相似，綜合營養狀態指數評價法更為細致。

3 結論

(1)子牙河流域濕地各季節TN含量均超過國家地表Ⅲ類水總氮標準限值(1.0 mg·L-1)，存在一定的氮污染,TP含量均達到地表Ⅲ類水標準(0.3 mg·L-1)。流域整體TN春季>秋季>夏季、TP春季>夏季>秋季,河流TN、TP污染最為嚴重。各季節TN、TP含量空間分布差異性顯著。子牙河水系大部分水體TN/TP≥22.6(質量比)為磷限制性狀態，尤其是上游水庫有更多的氮輸入TN/TP最高。

(2)子牙河水系整體CODCr含量季節變化為秋季>夏季>春季，各濕地CODCr季節變化規律不同。各季節子牙河濕地CODCr含量空間分布差異性大，河流相對其他濕地水體CODCr含量偏高。

(3)濕地Chl-a含量季節變化規律為夏季>春季>秋季，各季節Chl-a含量空間分布差異性大，濱海濕地相對其他類型濕地Chl-a含量較高。

(4)夏秋春季各季節大部分水體均處于不同程度富營養化狀態，其中春季邯鄲北湖、北大港、河流富營養化程度最為嚴重。