廣西坡豪湖氨氮水生生物水質基準及生態風險評估

曹晶瀟， 陳曉泳， 陸素芬， 黃秀香

(河池學院 化學與生物工程學院， 廣西 河池 546300)

水質基準是水環境中污染物對特定對象(人或其他生物)產生不良或有害影響的最大劑量或最高允許濃度[1]。其是環保部門用來科學制定水質標準及對水質進行客觀評價和科學管理的重要參考依據和理論基礎[2]。相對于許多發達國家來說，我國的水質基準研究工作還不夠成熟，目前我國現行的包括氨氮在內的許多污染物的水質標準主要還是借鑒國外的研究成果進行制定。氨氮是造成我國水體污染的重要污染物之一，也是我國“十三五”生態環境保護規劃[3]重點治理的污染物之一，在國家生態環保部發布的《2015年中國環境狀況公報》中曾指出，2015年全國氨氮排放總量為229.9萬t[4]，排放量雖較前兩年有所下降，但超標現象還十分嚴重。因此，對水體中氨氮水質基準的研究具有重要的生態安全意義。生態風險評估是通過一個濃度閾值或者風險值來量化污染物對環境的生態危害[5]，是一種重要的生態環境管理手段[6]。坡豪湖地處廣西東蘭縣長樂鎮境內，位于珠江干流紅水河中上游的龍灘水電站和巖灘水電站之間，是蟒、花鰻鱺、獼猴和虎紋蛙等，以及樟、蘭科植物等珍稀瀕危特有動植物棲息地，也是周邊居民重要的飲用水源，其水環境對珠江的水質和生態環境都有極大的影響。目前，關于坡豪湖的研究較少，基本是湖體水質監測[7]或環境定性描述[8-9]方面，未見對廣西坡豪湖氨氮水生生物水質基準及生態風險評估的研究。為此，根據坡豪湖氨氮實測值推斷其氨氮水生生物水質基準值對湖水進行生態風險評估，這對于保護湖泊水資源和生態環境、保障人們飲用水的安全和身體健康以及對未來規劃管理坡豪湖都具有十分重要的參考意義。為此，根據美國國家環境保護局1985 年發布的《確定國家保護水生生物水質基準定值及其應用的指南》[10]和2013年美國最新發布的國家氨氮水質基準文件[11]，以及國內學者對淡水生物氨氮基準研究的結果[12]研究坡豪湖的氨氮水質基準，并將運用風險熵值法[13]對坡豪湖進行生態風險評估，旨在弄清其氨氮暴露在環境中的濃度是否會帶來生態風險，以期為坡豪湖管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 采樣區域概況

坡豪湖所在區域為峰叢洼地型巖溶地貌區，屬中、南亞熱帶之間的季風氣候區，夏長冬短，雨熱同季，熱量豐富，雨量充沛。坡豪湖動植物資源豐富，是花鰻鱺、蟒蛇和小靈貓等珍稀瀕危動物的重要棲息地。湖泊周邊平緩處目前基本上都開墾為農地，種植的農作物種類單一，并具有季節性，地表裸露面積較大，原生植被遭到破壞，水岸植被稀少，生物多樣性較低，生態環境系統脆弱。

1.2 材料

水樣：77個樣品，于2017年3月至2018年3月采自坡豪湖的11個采樣點(表1)。其中， 7#樣點為進水口，1#樣點為出水口，3#、5#、9#、8#和11#樣點靠近周邊村民生活區及農田。

儀器：HQ30d便攜式多參數測定儀，美國哈希(hach)公司。

表1 坡豪湖不同采樣點的基本情況

1.3 方法

1.3.1 水樣采集 參照我國國家標準《水質 湖泊和水庫采樣技術指導(GB/T 14581-93)》，每個采樣點分層取樣后取混合樣。每2個月采樣1次。

1.3.2 水質氨氮 水質氨氮采用納氏試劑分光光度法(HJ 535-2009)進行測定；采用便攜式多參數分析儀對水溫、pH進行現場測定；研究將溫度分為夏季和非夏季，夏季水溫指5-9月的水溫，非夏季水溫指除去5-9月后其余月份的水溫。根據各采樣點pH和水溫，推算出氨氮的急性基準值(CMC)和慢性基準值(CCC)。

1) 樣品氨氮質量濃度的計算。水樣中氨氮的質量濃度按下式進行計算。

ρN=(As-Ab-a)/(b×V)

式中，ρN為水樣中氨氮質量濃度(mg/L)；As為樣品的吸光度；Ab為空白試樣的吸光度；a為校準曲線的截距；b為校準曲線的斜率；V為樣品測定的體積。

2) 氨氮水質基準值的推算。氨氮水質基準值(mg/L)包括急性基準值(CMC)和慢性基準值(CCC)。研究根據美國國家環境保護局2013年最新發布的國家氨氮水質基準文件[11]及國內對淡水生物氨氮基準研究結果[12]對各采樣點的氨氮水質基準值進行推算。

3) 氨氮生態風險評估。研究應用風險熵值法[13]對坡豪湖各采樣點進行氨氮生態風險評估，根據風險熵值對湖泊水質進行生態風險等級判別。風險熵值即實測氨氮質量濃度與環境水質慢性基準值的比值[14]，按下式進行計算。

RQ=EEC/WQC

式中，RQ為風險熵值，EEC為環境暴露濃度(mg/L)，WQC為環境水質慢性基準值(mg/L)。

1.4 數據處理

采用Excel 2010及Origin 8.0對數據進行常規處理，運用SPSS 17.0軟件對夏季和非夏季CMC及CCC數據進行顯著性差異分析。

2 結果與分析

2.1 坡豪湖水質的氨氮質量濃度

從表2可知，坡豪湖不同樣點湖水的氨氮質量濃度不同，不同樣點各月平均值以8#、9#和10#濃度較高，分別為0.353 mg/L、0.366 mg/L和0.391 mg/L，且都在2017年7月達最高，分別為0.768 mg/L、0.834 mg/L和1.029 mg/L，11月、9月和1月氨氮濃度低于其余月份；2#、4#、5#濃度較低，分別為0.170 mg/L、0.189 mg/L和0.185 mg/L，且5月、7月和3月氨氮濃度較11月、9月和1月高；不同樣點氨氮濃度的差異顯示，坡豪湖受周邊村民生產生活影響較大，靠近村民生活區及農田的8#、9#和10#樣點氨氮濃度較其他樣點高。從各月平均含量看，以2017年11月湖水氨氮含量的質量濃度最低，僅0.105 mg/L，水質良好，可達到我國地表水環境質量標準中規定Ⅰ類水的標準；以2017年7月湖水氨氮含量的質量濃度最高，為0.430 mg/L，屬于輕度污染,5月次之，為0.403 mg/L，3月濃度為0.332 mg/L，9月、11月和1月濃度較低，分別為0.135 mg/L、0.105 mg/L和0.138 mg/L。3月、5月和7月是雨量充沛的時段，1月、9月和11月雨量較少。表明，坡豪湖周邊的生產生活產生污水可能由于降雨形成地表徑流匯入湖中，致使雨量充沛月份較雨量少的月份氨氮濃度高。

表2 坡豪湖不同采樣點各月的水質氨氮質量濃度

2.2 坡豪湖氨氮水質基準值

從表3可見，同一季節不同采樣點氨氮基準值的急性基準值(CMC)差異均較大，而慢性基準值(CCC)差異較小。非夏季：10#采樣點CMC最高，為3.19 mg/L；6#采樣點最低，為1.51 mg/L；2個采樣點之間急性基準值相差2倍以上。11個采樣點CCC 為0.41～0.56 mg/L，差異較小。夏季：同樣是10#采樣點CMC最高，為3.37 mg/L；8#采樣點最低，為1.18 mg/L；2個采樣點之間急性基準值也相差2倍以上。各采樣點CCC 為0.52～0.58 mg/L，差異也較小。從表4可知，在全年不同月份中，以7月氨氮水質基準值最高，CMC為2.23 mg/L，CCC為0.54 mg/L；11月氨氮水質基準值最低，CMC為1.05 mg/L，CCC為0.41 mg/L。夏季與非夏季CMC差異不顯著(P>0.05)，CCC差異顯著(P<0.05)。

表3 坡豪湖不同采樣點的氨氮水質基準值

注：CMC和CCC同行不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

Note:Different lowercase letters in the same column of CMC and CCC indicate significant difference at 5% levels.

2.3 坡豪湖氨氮風險熵值

從表5看出， 2017年5月9#和11#采樣點的風險熵值分別為1.018和1.074，7月8#、9#和10#采樣點，分別為1.632、1.563和1.839，風險熵值屬于1≤RQ<10。說明，5月和7月這些采樣點所在區域具有一定的生態風險，應引起相關部門的重視。在試驗期內，2017年5月和7月的風險熵值較高，平均分別為0.806和0.808；2018年1月最低，為0.208。雖然2017年5月和7月的風險熵值都比其他月份高許多，但其RQ均小于1，表明坡豪湖水質基本不存在生態風險。

表5 坡豪湖不同采樣點各月的風險熵值

注：生態風險等級判斷標準，當RQ<1時湖泊基本不存在生態風險，當1≤RQ<10時則表示湖泊具有一定的生態風險，當RQ≥10時則表示湖泊具有高生態風險[5]。

Note: Judging criteria of ecological risk level: when RQ < 1,it can be considered that there is basically no ecological risk in the lake; when 1 RQ < 10,it means that the lake has some ecological risk; when RQ 10,it means that the lake has high ecological risk[5].

3 結論與討論

3.1 湖泊水質基準值分析

不同月份中，7月氨氮水質基準值最高，氨氮急性基準值(CMC)為2.23 mg/L，慢性基準值(CCC)為0.54 mg/L；11月氨氮水質基準值最低，CMC為1.05 mg/L，CCC為0.41 mg/L。不同采樣區域的氨氮基準值差異明顯，CMC最高與最低之間相差超過2倍。總體上看，在近1年的監測中，坡豪湖水質符合我國Ⅰ～Ⅱ類水的氨氮控制標準。只是在雨水充沛的3月、5月和7月，湖水的風險熵值和氨氮質量濃度偏高；雨量較少的1月、9月和11月，湖水的風險熵值和氨氮質量濃度偏低，但未出現整個湖泊風險熵值>1的情況，說明坡豪湖水質基本上不存在生態風險。

目前，制定水質基準的方法有評價因子法和統計外推法2種[15]。評價因子法是根據敏感生物的毒性數據并結合適當的評價因子對水質基準進行推導，但是該方法中評價因子的取值是研究人員根據經驗選取的，不同國家和不同研究人員對于評價因子的賦值有所不同[16]，且只適合在毒性數據較少的情況下使用，故不適合氨氮水質基準值的推算。統計外推法具有統計學意義，其包括物種敏感度分步法(SSD)及物種敏感度排序法(SSR)[15]。物種敏感度分布法是基于不同物種對某一環境脅迫的敏感度服從一定累積概率分布假設,以統計分布模型來描述不同物種樣本的脅迫，實現將單一物種的測試結果外推至生態系統的風險評估方法[5]。但SSD模型一般不考慮pH等水質參數的影響[15]，對于推算氨氮基準值的適用性不強。物種敏感度排序法是以三角分布原理為基礎，經 ERICKSON等[17]修訂加入非參數計算后形成的方法[12]，此方法推算出來的數據更加客觀和準確，適用于氨氮水質基準值的推算。美國國家環境保護局(US EPA)在2013年最新發布的氨氮水質基準文件[11]中運用SSR法推算水質基準，使得推算結果更加符合實際，實用性更強。因此，研究主要借鑒US EPA的研究成果對坡豪湖進行氨氮基準研究。

溫度和pH的變化對湖泊不同采樣區域的氨氮水質基準值有很大的影響。從季節的劃分看，各采樣點非夏季的氨氮水質基準值均大于夏季的氨氮水質基準值，但是差異均較小，兩者差值都小于1 mg/L。夏季氨氮基準值差距最大的是10#和8#采樣點，二者CMC相差2倍以上，CCC相差1.4倍；而非夏季氨氮基準值差距最大的是10#和6#采樣點，二者的CMC相差2.1倍，CCC相差1.3倍，CMC差距大于CCC。因為6#采樣點區域的pH在非夏季為8.71，8#區域的pH在夏季為8.61，均為所有采樣點中最高。而10#采樣點在夏季和非夏季的pH均較低，分別為8.34和8.44。初步推斷：pH大小是采樣區域氨氮水質基準值有所差異的主要影響因素，與閆振廣等[18]在其研究中所得到的結果相近。

閆振廣等[12]研究表明，當水體溫度為0～30℃、pH 6.5～9.0時，氮水質急性基準值為0.403～38.9 mg/L，慢性基準值為0.066 4～3.92 mg/L，與該研究推算的湖泊各采樣區域的氨氮水質基準值結果相近。研究中11個采樣點夏季和非夏季的慢性基準值參照我國地表水環境基準[19]氨氮標準限值，可劃分為Ⅱ類和Ⅲ類水質，急性基準值可劃分大部分為Ⅳ類和Ⅴ類水質，慢性基準值是評估湖泊生態風險和為日后能推算出更具體的氨氮水質標準的重要參考依據，而急性基準則可應用于湖泊水質的應急管理。

3.2 氨氮暴露生態風險評估

不同采樣點各月的氨氮風險熵值均表現出與氨氮質量濃度相同的變化趨勢，氨氮質量濃度高的月份，氨氮風險水平較高。水樣的pH也與氨氮風險熵值有著相同的變化趨勢，pH較低的采樣點的1#、4#和7#采樣點的氨氮風險水平較低，pH 較高的8#、9#和11#采樣點的氨氮風險水平較高。且由于受pH影響，pH高的采樣點推算出的氨氮基準值較小，可能會導致相同的氨氮暴露濃度下風險水平的差異，如2017年9月的2#和4#水樣，雖然兩者氨氮質量濃度相同，但因pH的不同則導致風險熵值出現差異。根據氨氮暴露生態風險評估的結果，在降水較多的春季和夏季，湖泊氨氮風險水平較高，特別是在8#、9#、10#和11#采樣點所在的區域；而在降水量較少的秋冬季節，湖泊氨氮風險水平較低。所以建議對于基本不存在生態風險的區域和季節，進行常規的水質監測即可；對于存在一定生態風險的區域和風險水平較高的季節，除進行常規監測外，還需定期進行氨氮暴露生態風險評估，并對這些區域及其周邊環境采取相應的管理和保護措施，以防止風險水平再度增高，將風險水平降至最低。