喀斯特高原水庫馬嶺河回水區水環境時空變化特征分析

袁子勇曹玉平焦樹林

喀斯特高原水庫馬嶺河回水區水環境時空變化特征分析

袁子勇1,曹玉平2,3,焦樹林2,3

1. 黔南民族師范學院旅游與資源環境學院, 貴州 都勻 558000 2. 貴州師范大學地理與環境科學學院, 貴州 貴陽 550001 3. 貴州省山地資源與環境遙感應用重點實驗室, 貴州 貴陽 550001

為研究馬嶺河回水區水文參數和溶解態氮、磷營養元素的時空分布特征，在馬嶺河豐水期（2016年9月）和枯水期（2017年2月份）進行分層采樣，現場測定水體理化性質及實驗室分析水中營養鹽濃度。結果表明：水溫夏季出現明顯熱分層：0~10 m為表水層；10~20 m為溫躍層；20~50 m為底溫層；pH值7.85~8.16，水體呈弱堿性，豐水期氧化還原電位（ORP）在底部出現負值。氨氮（NH4+-N）、硝態氮（NO3--N）、磷酸鹽（PO43--P）兩期的平均濃度分別為0.18 mg·L-1、5.77 mg·L-1、0.07 mg·L-1，除PO43--P之外，NH4+-N、NO3--N均表現為豐水期高于枯水期。流域內非點源污染和底泥沉積物氮、磷營養鹽釋放是回水區氮、磷元素的主要補給源。

水環境; 營養元素; 時空分析

水庫是人類重要的水利工程，發揮著經濟、生態等綜合效益，對原始河流生態系統產生重大的影響[1]。水庫建成后，河流原始水動力條件發生改變，水流流速變緩，逐漸轉為類似湖泊的水環境，出現熱分層等“湖沼學”反應[1-3]。水庫對河流水環境的影響主要體現在改變河流的水動力條件、釋放溫室氣體[4]、水庫內部營養元素生物地球化學循環[5,6]等方面。其中，陳小娟[7]，郭勝[8]分別對三峽水庫小江回水區和不同水位期水環境變化特征和氮磷元素時空分布進行研究。李哲[9]等人研究發現三峽水庫小江回水區氮元素賦存形態從無機態氮向有機態氮轉化明顯。由于三峽庫區經濟的發展，點源污染和面源污染加重，導致庫區的水體富營養化速度加快[8-10]。因此，對特定的水域水生態系統進行研究，了解其氮、磷元素賦存形態及轉化過程，分析影響氮、磷元素生物地化循環的潛在因子，有助于了解水體富營養化的變化趨勢。

萬峰湖水庫的富營養化特征、水庫季節分層和浮游植物群落特征的研究皆有所成就[11,12]，而對萬峰湖庫區支流（回水區）營養鹽分布特征及賦存形態、水環境時空變化特征還少有研究。鑒于此，本研究選擇萬峰湖的主要支流馬嶺河回水區作為研究對象，在豐水期（2016年9月）和枯水期（2017年2月）兩個時期從馬嶺河口向上游河段區域進行連續分層采樣，現場分析水體的理化參數（水溫、pH等），各營養鹽成分在實驗室完成分析。以期了解不同時間段內馬嶺河回水區營養鹽的時空分布特征及水環境特征，為庫區水資源保護和管理提供科學的依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

馬嶺河位于北緯25°02′~25°17′N，東經104°54′~104°59′E，發源于貴州省烏蒙山脈（盤縣老廠鎮黑土坡豬場）。馬嶺河從河源至河口長約142 km，落差近1000 m，在安龍縣萬峰湖鎮匯入萬峰湖水庫。氣候類型屬于亞熱帶季風濕潤氣候區，年平均氣溫14~19℃，年均降雨量1340 mm，年內降水分布不均。流域區內出露地層以三疊系為主，巖石以白云巖和石灰巖為主，屬高原巖溶山區，因地質構造運動，高原面深切割強烈，構成了高原山地、巖溶峽谷、山間平壩等多種組合的地貌景觀。

1.2 樣品采集與分析

在2016年9月（豐水期）和2017年2月（枯水期）乘船對沿途河道水體進行連續走航觀測及分層采樣，采樣期間天氣晴朗，風速0.3~1.5 m/s。并用GPS對采樣點位置確定。運用Arcgis10.1軟件確定采樣空間軌跡和位置（圖1）。采樣點水樣收集均采用自制雙通采水器采集，現場分析各樣點水體理化參數；垂直方向從表層至底層間隔10 m進行分層采樣。用美國麥隆公司的Ultru-II(6P)水質參數儀現場測定了水樣的溫度（Temperature, T）、電導率（Conductivity, Cond）、酸堿度（pH）、氧化還原電位（Oxidation reduction potential, ORP），每個樣點水樣用采水器采集的水清洗三次裝瓶密封帶回實驗室，用HI83200色譜儀分析檢定樣品營養鹽離子含量，主要包括：硝態氮（NO3--N）、氨氮（NH4+-N）、磷酸鹽（PO43--P）。

圖 1 馬嶺河采樣點分布圖

1.3 數據分析

數據整理在Excel2016中完成，統計和分析均在SPSS19.0完成，繪圖在Origin 9.0，Surfer 8.0完成。

2 結果與討論

2.1 表層水體水文參數變化特征

各期水文、水質參數統計結果見表1，表層水體水文參數變化特征如圖2所示。豐水期水體水溫變化范圍為28.1~28.9 ℃，平均值為28.57±0.32 ℃，枯水期水體水溫變化范圍為19.5~21.8 ℃，平均值為20.71±0.67 ℃，水溫豐水期高于枯水期；空間變化特征兩期均表現為從河口向上游地區增加的趨勢（圖2a），但是冬季水溫空間變化差異明顯（Cv=0.03）。電導率（Cond）空間變化范圍豐水期為309.80~341.50 μs.cm-1，平均值為326.12±11.96 μs.cm-1，枯水期為373.10~414.10 μs.cm-1，平均值為393.81±13.88 μs.cm-1，空間變化特征兩期呈現差異，枯水期Cond從河口向上游呈現先下降后上升的趨勢，最高值出現在河口（1號點），豐水期Cond從河口向上游呈現先上升后下降的趨勢，最大值出現在河灣區（5號點）（圖2b）。pH豐水期空間變化特征為7.85~8.16，枯水期為7.90~8.12，平均值分別為8.00±0.09、8.03±0.06，可知馬嶺河水體為弱堿性，pH季節性差異不明顯。ORP豐水期變化范圍為121.00~149.00 mV，平均值為138.42±8.49 mV，枯水期變化范圍為158.00~202.00 mV，平均值為192.50±12.13 mV，豐水期ORP空間變化特征從河口向上游地區遞減的趨勢，枯水期相反，枯水期則呈現從河口向上游上升的趨勢。

表 1 各期水文、水質參數統計結果

從水文參數垂直分布圖3可知，水溫豐-枯水期水溫從表層至底層呈下降趨勢(圖3a)，豐水期水溫出現明顯的分層，0~10 m為表水層，10~20 m為溫躍層，20~50 m為底溫層。水體熱分層是靜水水體（如湖泊、水庫）的一個重要特征，水庫、湖泊的水溫熱分層現象一般發生在夏季，表層水溫升高過快而形成垂向的密度分層，導致上下層水體之間物質交換不暢，出現不同層位水質差異[13]。電導率垂直空間分布特征隨著深度的增加而增大，豐水期在20 m達最大值，枯水期在40 m達最大值(圖3b)。pH值在垂直變化特征與水溫變化特征類似，隨著深度的增加，pH值逐漸的減小；在40 m的位置，豐水期pH值產生拐點，隨著深度的增加而增加(圖3c)。ORP隨著深度增加變化幅度較小，豐水期在40 m以下ORP逐漸出現負值，說明豐水期在水下40 m以下水體屬于缺氧的環境(圖3d)。

采樣點 Sampling sites

圖 2 水文參數表層分布圖

Fig.2 Surface distribution of hydrological parameters

圖 3 水文參數垂直分布圖

2.2 營養鹽分布特征

2.2.1 NH4+-N含量變化與分布特征NH4+-N豐水期濃度范圍為0.03~0.49 mg·L-1，平均濃度為（0.29±0.12）mg·L-1，枯水期濃度范圍為0.04~0.15 mg·L-1，平均濃度為（0.1±0.03）mg·L-1，NH4+-N豐水期濃度高于枯水期（表1）。有研究發現水體中的NH4+-N的主要來源于生產和生活中產生的廢水，農田施用化肥是主要的污染源[14]。農業廢水隨農田排水注入河流，受降雨季節變化的影響，豐水期的農業面源污染比枯水期嚴重。表層水體NH4+-N的空間變化特征由圖4a可知，NH4+-N在豐水期空間變化特征表現為向上游逐漸減小的趨勢，枯水期則相反。在垂直方向上，NH4+-N豐水期的濃度隨著深度的增加呈現先減少后增加的變化趨勢，在20 m的位置達到最小值，隨后NH4+-N的濃度逐漸增加；枯水期NH4+-N的濃度隨著水深度的增加逐漸降低（圖5a）。分析認為，水溫的升高和和擾動強度的增強都能使底泥中的有機氮轉為氨氮而加劇向上覆水體釋放更多的氨氮[15]，在本研究中，我們通過水文資料的監測，發現在豐水期回水區底部是一個缺氧的還原狀態的水環境，在氨異化作用[16]下，水體中的有機氮和亞硝氮被還原為氨氮，底部水體的氨氮濃度增加，出現豐水期氨氮在水體底部的濃度逐漸升高的趨勢。

圖 4 表層水體營養鹽分布圖

2.2.2 NO3--N含量變化與分布特征馬嶺河回水區NO3--N的濃度在兩個時期存在差異，豐水期濃度范圍為2.8~21.10 mg·L-1，平均濃度為（7.83±5.55）mg·L-1，枯水期濃度范圍為1.8~9.5 mg·L-1，平均濃度為（4±2.35）mg·L-1，NO3--N豐水期濃度高于枯水期（表1）。從NO3--N的表層分布圖4b可知，豐水期NO3--N的濃度向上游地區先升高后下降的趨勢，在第5號監測點達到最大值；枯水期NO3--N表層空間分布特征主要表現為從河口向上游逐漸降低的趨勢。垂直分布（圖5b），NO3--N豐水期垂直分布整體上隨著深度的增加逐漸減少的趨勢，其中在水下10 m出現一個拐點，隨著深度的增加NO3--N濃度逐漸升高，分析認為，豐水期表層水體（0~10 m）水生生物作用強烈，一般認為，植物總是優先的吸收還原態的NH4+-N而不是氧化態的NO3--N；水體處于富氧的狀態（ORP較高），水體中氮素（NH4+-N）逐漸被水生生物消耗，逐漸降低；同時，夏季深水水區產生溫躍層（10~20 m），硝化微生物細菌活躍使得NH4+-N不斷的轉化成NO3--N，所以本研究水下10~20 m之間，NH4+-N快速的降低，而NO3--N的濃度反而升高。枯水期NO3--N的濃度隨著深度的增加逐漸升高。

圖 5 營養鹽垂直分布圖

2.2.3 PO43--P含量變化與分布特征從表1中可知，PO43--P豐水期濃度范圍為0.03~0.10 mg·L-1，平均濃度為（0.06±0.03）mg·L-1，枯水期濃度范圍為0.03~0.16 mg·L-1，平均濃度為（0.09±0.04）mg·L-1，枯水期PO43--P的濃度高于豐水期。分析認為，豐水期降水量較大，對回水區PO43--P具有一定的稀釋作用，降低PO43--P的濃度。而枯水期，水量較小，庫底經過地球化學作用導致底泥沉積物中的磷向表層水體遷移[17]，使得枯水期PO43--P的濃度偏高。從PO43--P表層空間分布圖4c可知，豐-枯水期PO43--P的濃度從河口向上游地區逐漸升高，其中在河灣區5~6點附近PO43--P的濃度達到最大值，受上游來水影響，在河灣區水流速度減緩，利于攜帶的營養鹽沉積。垂直空間分布上，在0~10 m之間，PO43--P的濃度隨著水深的增加而逐漸升高，10~40 m之間，PO43--P的濃度隨著水深的增加而減少，因為受溫躍層的影響，上覆水體與沉積物界面的物質難以交換，導致PO43--P的濃度逐漸降低，40 m以下，庫區底泥中磷營養元素的釋放，使得PO43--P的濃度逐漸增加。

2.3 回水區氮、磷（N，P）元素來源分析

在水體富營養化過程中，陸源輸入的大量N、P元素促進了浮游植物的生長，生產的發展加速了氮素的循環并破壞了水體中N、P成分的構成平衡[1,18,19]。水體中N、P來自點源與面源兩個方面，城鎮生活廢水、工業廢水、固體廢物處置場是主要的點源。面源是指點源以外的污染源，主要包括由降雨-產流過程中把大氣中溶解的和地表固態的污染物帶入湖泊水域而使水體遭受污染的所有污染源[20,21]，包括城鎮地表徑流、農田排水、水產養殖業等。點源污染對NH4+-N、NO3--N和NO2--N都有影響，面源污染對NO3--N和NO2--N影響較大[22]。

總之，回水區NH4+-N、NO3--N濃度均是豐水期高于枯水期，說明上游地區流域內非點源污染造成的氮流失是回水區NH4+-N、NO3--N的主要來源。建庫后，沿岸的土地被淹沒，由于土地的淹沒也能導致氮污染負荷的升高[21]。建庫以來，馬嶺河流域旅游開發加速，經濟得到快速發展，庫區上游排放的大量生產生活廢水，對庫區的生態環境造成嚴重影響，水體富營養化加速，總氮平均超標2倍至3.8倍，總磷平均超標2.6倍至11.4倍[23,24]，這就說明流域內點源和非點源污染是回水區N、P元素的主要污染源，從NH4+-N、NO3--N、PO43--P的季節垂直分布圖可知，回水區內底泥在水體擾動等作用條件下，底泥沉積物中氮、磷營養鹽的釋放也是補給回水區營養鹽元素的重要來源之一。

3 結論

馬嶺河回水區水文參數除pH值之外，水體溫度、電導率、氧化還原電位存在明顯的季節差異。水溫在夏季出現熱分層現象，大致可分為三層：0~10 m為表水層，10~20 m為溫躍層，20~50 m為底溫層，溫躍層的形成阻礙水體上下物質之間的交換；處于巖溶區內，pH值7.85~8.16之間，水體呈弱堿性，ORP豐水期出現負值，說明回水區底部是一個缺氧的水環境。

營養鹽除PO43--P之外，NH4+-N、NO3--N均表現為豐水期高于枯水期。NH4+-N豐水期的濃度范圍為0.03~0.49 mg·L-1，平均濃度為0.29±0.12 mg·L-1，枯水期濃度范圍為0.04~0.15 mg·L-1，平均濃度為0.1±0.03 mg·L-1、NO3--N豐水期濃度范圍為2.8~21.10 mg·L-1，平均濃度為7.83±5.55 mg·L-1，枯水期濃度范圍為1.8~9.5 mg·L-1，平均濃度為4±2.35 mg·L-1，PO43--P豐水期濃度范圍為0.03~0.10 mg·L-1，平均濃度為0.06±0.03 mg·L-1，枯水期濃度范圍為0.03~0.16 mg·L-1，平均濃度為0.09±0.04 mg·L-1。流域內非點源污染和底泥沉積物氮、磷營養鹽釋放是回水區氮、磷元素的主要補給源。

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Analysis of Temporal and Spatial Variation Characteristics on Water Environment in Malinghe River Backwater Area of Karst Plateau Reservoir

YUAN Zi-yong1*, CAO Yu-ping2,3, JIAO Shu-lin2,3

1.558000,2.550001,3.550001,

In order to study the temporal spatial distribution of hydrological parameters and dissolved nutrient elements of nitrogen and phosphorus in the backwater area of Malinghe River, stratified sampling was conducted during the flood season (September 2016) and dry season (February 2017). The physical and chemical properties of the water were measured on site and the concentration of nutrients in the water was analyzed in the laboratory. The results showed that: the water water temperature occurred obviously to thermal stratification that the water had striking three layers being the surface layer (0~10 m), the thermocline layer (10~20 m) as well as the bottom layer (20~50 m). pH value was between 7.85~8.16, and the water body was weakly alkaline. The Oxidation reduction potential (ORP) appears negative at the bottom. The average concentrations of NH4+-N、NO3--N, and PO43--P were 0.18 mg·L-1, 5.77 mg·L-1, and 0.07 mg·L-1, respectively. In addition to PO43--P,NH4+-N、NO3--N showed a high wet season than dry season. The study found that the non-point source pollution in the watershed and the release of nitrogen and phosphorus nutrients from the sediment sediments were the main sources of nitrogen and phosphorus supply in the backwater area.

Water environment; nutrient elements; temporal and spatial analysis

X832

A

1000-2324(2019)04-0582-05

2018-03-02

2018-04-26

國家自然科學基金:巖溶地下河與地表徑流混合過程中溶解無機碳行為研究(41263011);黔南民族師范學院2017年度學術新苗培養及創新探索專項(黔科合平臺人才[2017]5728)

袁子勇(1969-),男,碩士,副教授,主要研究方向為喀斯特地區水文水資源、水環境與水生態. E-mail:yuanziyong2008@163.com