北方季節性河流氮磷變化特征及影響因素
——以墨水河為例

魏西會，房俊旭

（1.青島市生態環境局城陽分局，山東 青島266109；2.青島市生態環境局即墨分局，山東 青島，266200）

0 引言

墨水河是青島市北部區域的一條入海河流，發源于三標山，流經城陽區和即墨區，最終匯入膠州灣，全長41.5 km，流域總面積317.2 km2。墨水河枯水期和豐水期水量變化顯著，是一條季節性河流[1]。2021年墨水河5—9月為豐水期、1月、2月和12月為枯水期，3月、4月及10月為平水期[2]。

河流不僅可以為流域提供豐富的水源，還可以收納流域內陸源入河的各種污染物。長期以來，國內外學者對河流中氮磷變化特征及影響因素進行了廣泛研究，不過研究大多集中在南方河流，針對北方河流的研究較少。目前公開發表的主要有對密云水庫入庫河流[3-4]、奎河[5]、等的研究，奎河氮磷濃度明顯高于長江、黃河和珠江等南方河流。部分學者對墨水河水質亦有研究[1]，但是主要集中在河流水質評價方面，缺少對氮磷營養鹽的變化特征及影響因素的研究。文章以墨水河為研究對象，分析了該河流氮磷元素含量的分布特征，探討了影響其變化主要因素，為墨水河污染治理及水環境安全提供科學依據。

1 實驗與方法

1.1 水樣的采集與分析

監測點設在墨水河入海口斷面（N120.3704° E36.3123°），每月開展1次監測，采集表層（水面下0.5 m）樣品，水溫、pH值、溶解氧及電導率現場測定，其余項目帶回實驗室分析。樣品采集、運輸、交接及質量控制均按照《HJ/T 91-2002 地表水和污水監測技術規范》要求進行。總磷采用GB 11893-1989 鉬酸氨分光光度法、總氮采用 HJ 636-2012 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，氨氮采用HJ 535-2009 納氏試劑分光光度法、高錳酸鹽指數采用GB/T 11892-1989 高錳酸鹽指數的測定法、亞硝酸鹽采用GB/T 7493-1987 分光光度法、硝酸鹽、亞硝酸鹽及氟離子均采用HJ 84-2016 離子色譜法進行測定。

1.2 數據分析

2021年共獲得12組監測數據，每組數據包含9個參數。運用WPS Office對氮磷進行分布特征分析；利用IBM SPSS 26軟件，通過Pearson分析不同環境因子的相關性。

2 結果與分析

2.1 墨水河氮磷含量及時間分布特征

2021年監測結果顯示，墨水河水質中總氮和總磷含量變化幅度較大。從圖1可以看出，總氮有明顯的時間變化規律，冬季＞春秋季＞夏季，最大值出現在2月，最小值出現在6月。總磷時間變化亦有規律，夏季＞春秋季＞冬季，最大值出現在7月，最小值出現在2月。從圖2可以看出，不同水期總氮含量也有差別，枯水期高于豐水期；總磷變化規律與總氮相反，豐水期高于枯水期。

圖1 墨水河總氮、總磷含量月度變化圖

圖2 墨水河總氮、總磷含量水期變化圖

圖3 墨水河無機氮含量水期變化圖

2.2 墨水河不同形態氮含量時間分布特征

對墨水河水體中不同水期、不同形態的無機氮進行分析，發現硝酸鹽氮、氨氮、亞硝酸鹽氮雖然含量相差較大，但是有同樣的時間變化特征：冬季＞春秋季＞夏季，枯水期高于豐水期，這和總氮的變化特征一致。進一步分析發現，硝酸鹽氮在總氮的占比最大，在31.2%～91.6%之間，年均值為62.8%；其次為氨氮，年均占比為8.0%；亞硝酸鹽氮最小，年均占比為2.0%。

2.3 墨水河氮磷比值時間分布特征

由于水中氮磷含量比例會影響水體藻類生長，因此水體中氮磷之比常被用來判別浮游藻類的營養限制類型。Redfield提出氮磷比為16∶1時，可以滿足藻類快速生長對氮磷營養的的需求比例[6]。由圖4可以看出，墨水河氮磷比值有春冬高、夏秋低的分布特征，比值范圍為16～80，年均值為39。這說明2021全年磷都是墨水河藻類生長潛在的限制性營養鹽。

圖4 墨水河氮磷含量比值含量月度變化圖

3 討論

3.1 墨水河氮磷時間變化影響因素

墨水河水體中氮磷含量的時間變化規律明顯，總氮冬季高于夏季，總磷夏季高于冬季。墨水河水體中氮磷含量時間變化特征與密云水庫入庫河流[3-4]、奎河[5]、流溪河[7]、贛江[8]、龍江河[9]一致。這說明造成墨水河氮磷含量變化特征的原因可能是冬季水溫低，微生物活動受限，分解和吸收氮的能力降低，使得水體氮濃度升高；到了夏季水溫升高，浮游植物進入生長活躍期，氮元素被吸收，加之夏季降雨頻繁，流量增加對水體中的氮含量有一定的稀釋作用。因為墨水河水體長期處于磷限值狀態，所以磷含量與浮游植物活躍性關系不大，主要受降雨沖刷和河水稀釋效應雙重影響。夏季強降雨形成的徑流沖刷地表并攜帶泥沙中的顆粒態磷以及溶解態磷進入墨水河，其效果遠大于稀釋作用，所以夏季水體中總磷含量升高。

研究發現，氮磷濃度與流量的關系能反映它們的主要來源[7，10]。總體上，墨水河水體中氮元素含量枯水期高于豐水期，而磷元素則是豐水期高于枯水期。進一步分析發現，墨水河水體中總氮含量隨流量增加而降低而后趨于穩定，磷濃度則是先隨流量增加而增加，而后同樣趨于穩定。墨水河總氮、總磷含量變化特征與Kalkhoff等人對面源污染河流氮磷含量變化特征的研究結果基本一致[10]。這說明，墨水河氮磷元素可能主要來自面源污染。

表1 墨水河環境指標與氮磷元素相關性分析

墨水河氮污染嚴重，全年總氮濃度均超過國家地表水V類標準。墨水河水體中不同形態無機氮含量相差較大，硝酸鹽氮是氮元素的主要存在形式（占比年均值為62.8%），這一結果和密云水庫入庫河流[3-4]、奎河[5]、龍江河[9]一致。這進一步表明，墨水河水質受到農業面源污染，此外可能還受到河兩岸點源污染排放、河底底泥釋放、水生生物作業等影響。

3.2 墨水河氮磷及環境因子相關性分析

氮磷是浮游植物生長所必須的營養元素，氨氮和高錳酸鹽指數是水體有機污染物的重要指標[11]。選取總氮、總磷、氨氮、高錳酸鹽指數以及環境指標進行相關性分析，結果顯示高錳酸鹽指數與水溫呈現顯著正相關（P＜0.05），與總氮呈現顯著負相關（P＜0.01）；電導率與總磷呈現顯著負相關（P＜0.05）；水溫與氨氮、總氮呈現顯著負相關（P＜0.01），與總磷呈現顯著正相關 （P＜0.01），這表明水溫對于自然界中氮磷的循環產生顯著影響。總氮和氨氮相關性不明顯，說明總氮和氨氮可能來源不同。

4 結論

（1）墨水河水體中氮磷含量的時間變化規律明顯。總氮規律為冬季＞春秋季＞夏季，總磷則相反：夏季＞春秋季＞冬季。不同水期總氮含量也有差別，枯水期高于豐水期，總磷為豐水期高于枯水期。墨水河氮磷元素可能主要來自面源污染。

（2）墨水河水體中硝酸鹽氮、氨氮、亞硝酸鹽氮時間變化特征與總氮相似：冬季＞春秋季＞夏季，枯水期高于豐水期，但含量相差較大。硝酸鹽氮在總氮的占比最大，年均值為62.8%；其次為氨氮，亞硝酸鹽氮最小。

（3）水溫與氨氮、總氮呈現顯著負相關，與總磷呈現顯著正相關，這表明水溫對于自然界中氮磷的循環產生顯著影響。總氮和氨氮相關性不明顯，說明總氮和氨氮可能來源不同。