嘉陵江魯班水庫氮磷時空分布特征及截留率

李青倩，楊鵲平，高紅杰，李虹，李瑩杰

中國環境科學研究院

氮（N）、磷（P）是水生生態系統中必備的生源要素，共同控制著水生生態系統中初級生產力的生長速率和微生物的生物地球化學循環過程[1-2]。隨著農業集約化和城鎮化的不斷推進，輸入至水生生態系統中的N、P逐漸增加，破壞了水生生態系統中的N、P生物地球化學循環過程的平衡，導致水質惡化，進而影響水生生態系統的功能，給生態環境質量、社會經濟的可持續發展、人類健康等帶來負面影響[3-7]。因此，明確水庫N、P時空分布特征，量化水庫截留量及截留率，是當前研究水庫建設及調度對河流水質和水生態健康響應關系的重點。

水生生態系統中發生的與N、P相關的生物地球化學過程通常包括硝化作用、反硝化作用、厭氧氨氧化作用、硝酸鹽的異化還原作用、浮游植物的同化作用、沉積作用和沉積物的礦化作用[8-9]。其中，反硝化作用和厭氧氨氧化作用過程會產生氮氣（N2）并釋放到大氣中；沉積作用可以將一部分N、P永久性埋藏而將其從水生生態系統中去除，一部分通過礦化作用重新進入到水體中，參與水體N、P循環；N、P通過同化作用進入生物鏈，一部分經食物鏈傳遞，最終通過漁業收獲從水生生態系統中去除，另一部分通過沉積作用進入沉積物。調水也會從水生生態系統中去除一部分N、P[8]。另外，葉綠素a（Chla）濃度通常與浮游植物的生物量呈正比，因此通常用Chla濃度的季節性變化來反映浮游植物的生長情況[3,6,10-11]。

魯班水庫是四川省第三大水庫，轄六溝十二灣，壩址以上控制流域面積為21 km2。主要功能為灌溉（近年將賀家埡處水域作為飲用水水源地，供水規模為10 000 m3/d），兼顧發電、防洪等。當前魯班水庫的水質狀況不容樂觀，水庫水質為GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅲ類。因此，有必要明確水庫N、P時空分布特征，量化水庫截留量及截留率，識別影響水庫水質的關鍵因素，以期為魯班水庫水質達標管理提供理論依據。

1 研究區與研究方法

1.1 研究區概況

嘉陵江流域為長江流域面積最大（占比為8.89%）、水量第二（占比為8.12%）的一級支流，發源于秦嶺北麓陜西省鳳縣代王山，干流流經陜西省、甘肅省、四川省、重慶市，在重慶市朝天門匯入長江。昭化以上為上游，昭化至合川為中游，合川至入長江口為下游。流域內四川省面積為10.02萬km2，占嘉陵江流域面積的62.27%。

魯班水庫位于嘉陵江流域凱江支流綠豆河上游的鐵線溝處，處于三臺縣魯班鎮內，幸福鄉邊界處，水域面積為13.2 km2。平均水深21.06 m，最大水深60～70 m，屬深水湖庫。設計洪水位（正常水位）460 m，相應庫容2.78億m3。魯班水庫只有1個進水口，除降水外，水源主要來自都江堰人民渠，途經彭州市、什邡市、綿竹縣、德陽市、中江縣，于綿陽市三臺縣幸福鎮進入魯班水庫。每年1—3月和7—11月進水，4—6月零星進水，年進水總量約為2.5億m3。水庫出水口共有5個，主要用于農業灌溉及發電。出水2次，分別在1—4月和7—8月。

1.2 數據來源及處理方法

魯班水庫屬于國控重點湖庫，綿陽市環境監測中心站自2011年起每月對庫區4個監測點位（進水口、魯班島、麻雀灣、庫尾）進行例行監測。本研究涉及的相關數據為魯班水庫2014—2019年環境監測數據，監測指標包括水溫、pH、溶解氧（DO）、透明度、高錳酸鹽指數（CODMn）、化學需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH4+-N）、總磷（TP）、總氮（TN）和 Chla。

采用綜合營養狀態指數法〔TLI（∑）〕[12]進行湖庫水體富營養化評價。綜合營養狀態指數常用來評價湖泊(水庫)富營養化狀況，其評價指標包括Chla、TP、TN、透明度和CODMn。采用數字0～100對湖泊營養狀態進行分級，包括貧營養、中營養、輕度富營養、中度富營養和重度富營養。營養狀態與評分值的關系如表1所示。在同一營養狀態下，數值越高，營養程度越重。結合魯班水庫2014—2019年環境監測數據，進行綜合富營養化指數計算，判斷水體富營養化程度。

表1 營養狀態分級表Table 1 Trophic state grading list

水庫TN和TP的截留率是指截留在水庫中TN、TP的量占水庫TN、TP輸入量的比值。TN和TP的截留率由水庫內N、P截留過程的截留速率和水力負荷決定，計算公式如下：

式中：R為截留率，%；Vf為截留速率，m/a；HL為水力負荷，m/a。

采用SPSS 24.0軟件完成數據的統計分析。其中，皮爾遜分析（Pearson analysis）和方差分析（ANOVA，analysis of variance）的顯著性水平為 0.05和0.01。數據繪圖在Origin 2018軟件中完成。

2 結果與分析

2.1 水庫水溫、pH、DO等水質指標的時空分布特征

由圖1和表2可見，2014—2019年魯班水庫年均水溫為 (19.1±6.7)℃，最高值為 (27.7±2.4)℃（8 月），最低值為(8.8±2.0)℃（2月）。同期，水庫年均pH為8.31±0.45，最高值為8.82±0.13（4 月），最低值為7.80±0.33（2月）。各監測點水溫和pH無顯著空間差異（ANOVA,P>0.05）。水庫透明度年均值為(1.66±0.53)m，最高值為 (2.09±0.56)m（2 月），最低值為 (1.28±0.48)m（7月）。進水口透明度〔(1.48±0.46)m〕顯著低于庫尾〔(1.71±0.55)m〕（ANOVA，P<0.05）。

圖1 魯班水庫水溫、pH、透明度、DO、CODMn、COD 和BOD5逐月變化特征Fig.1 Monthly variations of water temperature, pH,transparency , DO, CODMn, COD and BOD5 in Luban Reservoir

表2 2014—2019年魯班水庫各監測點位透明度、CODMn、TN濃度、TP濃度和N:PTable 2 Transparency, CODMn, TN, TP contents and N:P of 4 sample sites in Luban Reservoir during the period from 2014 to 2019

水庫DO濃度年均值為(8.31±1.80)mg/L，最高值為 (10.80±1.55)mg/L（4月），最低值為 (6.90±1.09)mg/L（1月）。各監測點DO濃度無顯著空間差異（ANOVA，P>0.05）。BOD5的年均值為 (1.72±1.12)mg/L，最高值為 (3.57±0.83)mg/L（4 月），最低值為 (0.82±0.45)mg/L（12 月）。進水口 BOD5〔(2.03±1.17)mg/L〕顯著高于庫尾〔(1.62±1.07)mg/L〕（ANOVA，P<0.05）。CODMn和COD的年均值分別為(2.76±0.91)和(11.68±4.51)mg/L。2個參數季節波動規律基本一致，最高值均出現在4 月，分別為 (4.08±0.74) 和 (15.71±3.71)mg/L，最低值分別為 (1.87±0.41)mg/L（12月）和 (8.13±2.44)mg/L（10 月）。進水口 CODMn〔(3.03±1.02)mg/L〕顯著高于庫尾〔(2.69±0.90)mg/L〕（ANOVA,P<0.05），但是COD無顯著空間差異（ANOVA,P>0.05）。

2.2 水庫N、P及Chla時空分布特征

由圖2和表2可見，水庫NH4+-N濃度年均值為(0.07±0.07)mg/L，最高值為 (0.09±0.17)mg/L（2 月），最低值為 (0.06±0.05)mg/L（4 月）。各監測點 NH4+濃度無顯著空間差異（ANOVA，P>0.05）。水庫TN濃度年均值為(0.65±0.22)mg/L，最高值為(0.76±0.23)mg/L（1 月），最低值為 (0.49±0.20)mg/L（7 月）。各監測點TN濃度存在顯著空間差異，進水口TN濃度〔(0.72±0.24)mg/L〕顯著高于庫尾〔(0.61±0.21)mg/L〕（ANOVA，P<0.05）。水庫 TP 濃度年均值為(0.05±0.03)mg/L，最高值為 (0.09±0.05)mg/L（3 月），最低值為(0.02±0.01)mg/L（10月）。各監測點TP濃度無顯著空間差異（ANOVA,P>0.05）。

圖2 魯班水庫N、P和Chla濃度的逐月變化特征Fig.2 Monthly variation characteristics of concentrations of N, P and Chla in Luban Reservoir

水庫各監測點N:P和Chla濃度無顯著空間差異（ANOVA,P>0.05）。水庫 N:P 年均值為 47±28，最高值為 94±47（11 月），最低值為 22±8（4 月）。水庫Chla濃度年均值為(14.66±8.43)μg/L，最高值為(21.70±12.71)μg/L（4 月 ） ， 最 低 值 為 (8.06±3.34)μg/L（1月）。魯班水庫Chla濃度的季節波動趨勢與pH、DO、CODMn、COD 和BOD5相同，均在4月達到峰值，隨后呈下降趨勢（圖1）。同時，Pearson線性相關分析發現：Chla 濃度與 pH（r=0.376，P<0.01）、DO（r=0.307，P<0.01）、CODMn（r=0.482，P<0.01）、COD（r=0.393,P<0.01）和 BOD5（r=0.378，P<0.01）呈顯著線性相關關系（表3）。

表3 相關理化參數的Pearson分析結果Table 3 Pearson correlation coefficient for physiochemical characteristics

2.3 水庫水質類別與營養狀態

2014年4 個監測點位和2016年進水口、魯班島為Ⅳ類，其余年份都能達Ⅲ類（表4）。按湖庫Ⅱ類標準，進水口TP、TN濃度超標嚴重，COD超標頻率較高，CODMn、BOD5集中在3—7月超標。魯班島監測點TP、TN濃度幾乎不能達標，CODMn、BOD5集中在3—7月超標。麻雀灣監測點各污染物月度變化趨勢與進水口、魯班島一致，濃度進一步降低，但仍不能達標。庫尾監測點BOD5在2017年4月以后勉強能達標，COD在2018年9月以后能達標，CODMn在2019年5月仍然超標，TP、TN濃度月度超標現象依然嚴重。2016—2019年水庫營養狀態指數為41.5～44.7，平均值為42.7±1.4，為中營養狀態（表5），且顯著低于 2011 年 (50.7±7.0)[13]，說明水庫營養水平明顯降低，水環境質量得到提升。

表4 魯班水庫水質類別變化Table 4 Variations of water quality of Luban Reservoir

表5 2016—2019年魯班島監測點位水體營養狀態Table 5 Water trophic state of the Luban Island section during the period from 2016 to 2019

2.4 水庫N、P截留率

2018年魯班水庫年進水量為17 993.50萬m3，年出水量為14 722.20萬m3，其中灌溉用水4 727.40萬m3，灌溉期3—9月。2018年水庫進水口的NH4+-N、TN和TP 濃度分別為(0.04±0.01)、(0.70±0.21)和(0.04±0.01)mg/L；庫尾NH4+-N、TN 和TP濃度分別為 (0.04±0.02)、(0.56±0.16)和 (0.03±0.02) mg/L。則水庫NH4+-N、TN和TP的輸入量分別為6.89、125.05和6.30 t/a，出庫量分別為3.75、55.80和2.92 t/a。水庫對NH4+-N、TN和TP的截留量分別為3.14、69.25和3.38 t/a，截留率分別為45.61%、55.38%和53.66%，截留速率分別為3.35、6.34和5.77 m/a。其中，通過灌溉調水途徑去除的NH4+-N、TN和TP的量分別為1.77、26.39和1.38 t/a，分別占水庫總截留量的56.40%、38.11%和40.85%。水庫對NH4+-N的截留量占水庫對TN截留量的4.54%，水庫對TN截留率是對NH4+-N截留率的1.21倍。

3 討論

3.1 水庫N、P濃度與Chla濃度的響應關系

Chla濃度通常與浮游植物的生物量呈正比，因此通常用Chla濃度的季節性變化來反映浮游植物的生長情況[3,6,10-11]。水庫Chla濃度最高值出現在4月，最低值出現在1月（圖2）。Chla濃度的季節變化顯示，魯班水庫藻類生長的高峰期為4月和5月，6月Chla濃度開始降低，8月接近最低值。

Kwak等[14]研究認為，藻類的生長與死亡顯著提高了水體及沉積物中的COD。魯班水庫Chla濃度的逐月變化趨勢與水庫DO、CODMn、COD和BOD5的逐月變化趨勢相近（圖1和圖2），最高值出現在4月和5月，最低值出現在12月。Pearson線性相關分析發現：魯班水庫Chla濃度與DO、CODMn、COD和BOD5呈顯著線性相關關系（表3），說明Chla濃度的升高，反映了藻類的不斷生長，引起水體中DO、CODMn、COD 和BOD5的升高；Chla濃度的降低，反映了藻類的死亡，水體中的DO、CODMn、COD和BOD5隨之降低。

魯班水庫中Chla濃度與NH4+-N、TN和TP濃度無顯著線性相關關系（P>0.05，表3）。NH4+-N濃度從2月開始降低，至4月達到最低值，隨后呈波動變化；TN濃度從3月開始降低，7月降到最低，隨后開始升高；TP濃度從3月開始降低，10月降到最低，隨后開始升高；而Chla濃度從1月開始升高，峰值出現在4月和5月，隨后逐漸降低（圖2）。這是由于在藻類生長季，藻類吸收了水體中的N和P[15-16]，將溶解態N和P轉化為顆粒態，沉積在水庫底部，從而降低了水體中的TN和TP濃度。

水庫N:P多年均值為47±28，最低值出現在4月，最高值出現在11月。Maavara等[17]研究發現，相較于河流水生生態系統，水庫水生生態系統具有較長的水力滯留時間，有利于藻類的生長，將溶解態N、P轉化為顆粒態，并沉積埋藏在水庫中。魯班水庫Chla濃度與N:P呈顯著負相關，4—8月N:P的顯著升高，是由于水體中溶解態的P被藻類轉化為顆粒態P，賦存在藻類體內的P以顆粒態的形式沉積在水庫底部，使得該時期湖泊P的截留率大于N的截留率。8—11月TP濃度較為穩定，N:P的升高，則是由于TN濃度的不斷升高所致。

3.2 水庫N、P截留率的不確定性

水庫對N、P的截留量和截留率受到多重因素的影響。一方面，受到湖泊N、P負荷量的影響，湖泊N、P負荷量越高，截留量會越高，但截留率卻不一定增高，甚至會降低[18-24]；另一方面，受到湖泊水文水動力學的影響，水力滯留時間越長，截留率越高[8,22]。從年尺度上來講，魯班水庫對TN的截留率（55.38%）略高于TP（53.66%）。一方面可能是由于湖泊中存在較為活躍的反硝化作用和厭氧氨氧化作用，將湖泊中的溶解態無機氮轉化為N2釋放到大氣中，從而有效去除溶解態無機氮[2,8,18-19]，使得水庫對TN的截留率高于TP。另一方面，可能是由于計算過程中存在的不確定性引起的，如未知的外源輸入或水庫內源N、P釋放的波動性。水庫對P的截留主要是通過顆粒態P的沉積，將P埋藏在水庫底部[15]。但是，表層沉積物中的N、P會在礦化作用的影響下，重新釋放到上覆水體中，由于N、P在礦化速率上的差異，進而影響水庫中TN、TP的截留率。

截留速率代表湖庫N、P去除相關的生物地球化學特征。在相近的生態系統中，截留速率為穩定常數，反映了湖庫中N、P的去除速率與反應底物濃度間的常數關系[8,25-26]。Howarth等[25]估算了環北太平洋湖泊和水庫的N截留速率，約為10 m/a。Harrison等[26]估算了全球湖泊和水庫的N截留速率，均值為(8.91±10.27)m/a。Li等[8]估算了巢湖的N去除速率，為3.33 m/a，代表了湖泊N截留速率的下限。本研究估算的魯班水庫對NH4+和TN的截留速率分別為3.35和6.34 m/a，介于已報道數據的范圍內。魯班水庫TN的截留速率高于巢湖[8]，是由于魯班水庫TN的截留速率包括臨時儲存在水庫中的TN。當前對于內陸水體中P的截留速率的報道相對較少。Marcé等[27]報道了河流中P的截留速率為17.7～44.5 m/a。本研究估算的TP截留速率為5.77 m/a，顯著低于河道中P的截留速率。

4 結論

（1）水庫TN、TP濃度年均值分別為(0.65±0.22)和 (0.05±0.03)mg/L，Chla濃度年均值為 (14.66±8.43)μg/L。藻類生長期，Chla濃度升高，DO、CODMn、COD和BOD5也隨之升高；隨著藻類的死亡，Chla濃度降低，DO、CODMn、COD 和BOD5也隨之降低。同時，藻類生長過程中，吸收了水體中的N和P，將溶解態N和P轉化為顆粒態沉積在水庫底部，降低了水體中TN和TP濃度。

（2）水庫對NH4+-N、TN和TP的截留率分別為45.61%、55.38%和53.66%；截留速率分別為3.35、6.34和5.77 m/a。其中，通過灌溉調水途徑去除的NH4+-N、TN和TP分別占水庫總截留量的56.40%、38.11%和40.85%。水庫對NH4+-N的截留量占水庫對TN截留量的4.54%，水庫對TN截留率是對NH4+-N截留率的1.21倍。作為典型的深水湖庫，魯班水庫N、P截留過程對人類活動的響應機制以及水庫熱力學分層對水庫N、P截留率和截留速率的影響機理，有待于進一步深入研究。