烏溪江水庫富營養化程度及其影響因子時空分布探討

李其軒 張真 徐夢嬌 劉珂珂 葛航 姚子亮 劉其根

摘要：了解烏溪江水庫主要水質指標的時空分布特征，探究其營養化程度的變化趨勢，可為改善烏溪江水庫水質、維護其生態系統提供數據參考。2019-2020年，對麗水市烏溪江水庫的7個采樣點（S1～S7）的水溫（WT）、水深（WD）、pH、總氮（TN）、總磷（TP）、葉綠素a（Chl-a）等理化因子進行監測，并分析對比綜合營養指數和理化因子等關鍵指標在不同時期的分布特征。結果顯示，烏溪江水庫的營養鹽濃度呈現春夏高秋冬低、從上游（S1）至下游（S7）逐漸下降的趨勢，平均綜合營養指數從47.1（S1）下降到32.5（S7），整體上屬于中營養化水庫。TP濃度在0.002～0.040 mg/L，平均值為0.012 mg/L；TN濃度在0.412～2.826 mg/L，氮的主要賦存形式為硝酸鹽。Chl-a含量均值為3.77 μg/L，河流區的Chl-a含量顯著高于下游的過渡區和湖泊區。分析表明汛期地表徑流帶來的富營養化壓力最大，同時也是氮磷等外源性營養鹽輸入水體的主要途徑；WT、pH、TP與Chl-a含量中等程度相關，水庫生態系統具備很強的凈化能力，但近年來富營養化程度加劇。

關鍵詞：富營養化；理化因子；葉綠素a；時空分布；烏溪江水庫

中圖分類號：X524? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1674-3075（2024）02-0031-08

隨著人口增長、城市化和工農業的高速發展，大量未經有效處理的污染物（氮磷等）被超量排入湖泊、河流、水庫等水體，加速了這些水體的富營養化進程，并導致有害藻類水華的發生，為區域環境帶來前所未有的壓力，并對社會造成了不良的影響（Lin et al，2021）。

當前，“綠水青山就是金山銀山”的生態理念已深入人心，且為水庫的功能轉型與水環境保護指明了方向。近20年來，太湖、巢湖、洞庭湖、鄱陽湖等長江中下游湖泊都開展了大規模的污染治理和生態修復（朱廣偉等，2019）。根據《中國生態環境狀況公告》（2019 年），在 107 個開展營養狀態監測的重要湖泊（水庫）中，貧營養狀態、中營養狀態、輕度富營養狀態和中度富營養狀態湖泊（水庫）分別占 9.3%、62.6%、22.4%和 5.6%，重度富營養化水體實現清零（李韶慧，2021）。但水體富營養化的情況具有突發性，對湖泊水庫的富營養化程度予以關注，進一步推進遏制水體富營養化態勢的行為仍具有重要現實意義。如太湖，其各形態氮濃度近10年大幅度下降，但葉綠素a（Chl-a）、總磷（TP）、藍藻水華面積和強度等關鍵指標改善效果不佳，夏季藍藻水華暴發的根本態勢并未改變（朱廣偉等，2018；2019）。鄱陽湖仍屬輕度富營養化，氮磷污染情況嚴重（方娜，2020）。我國湖庫富營養化治理仍任重而道遠。

據我國2013年對水庫工程的普查，大（I）和大（II）型水庫分別有127、629座，總庫容占我國水庫總庫容的80.5%，但對于剛剛達到大（I）型水庫分類標準的水庫研究罕見（孫振剛等，2013）。烏溪江梯級水庫群包含了大（I）型水庫和中型水庫，是較典型受到較少關注和研究的大型梯級水庫，其對當地飲用水源供給的作用日益突出。然而，梯級水電開發會導致河流水環境發生演化，產生營養物質累積風險（闕子億，2022），且面源污染的加劇給烏溪江帶來了巨大的富營養化壓力（王虹艷，2010）。而目前對烏溪江水庫富營養化程度的評估和水環境的系統調查還十分缺乏，僅在2017年開展過一次調研（張小林等，2018），不利于對其水質或生態系統的保護和管理。

本研究旨在對烏溪江水庫各個季節的理化因子進行監測、分析，探明其時空分布、變遷的潛在規律以及營養鹽賦存形式，為改善烏溪江水庫水質、維護其生態系統提供數據參考和理論依據。

1? ?材料與方法

1.1? ?研究區域概況

烏溪江是上游衢江延伸出來的一級支流，流域面積2 632 km2，屬亞熱帶季風性氣候，年均降水量1 698.1 mm，降水一般集中在4-6月，占全年降水量的47%，10-12月降水較少，僅占全年降水量的10%，多年平均徑流量為29.2億m3左右。

烏溪江梯級水庫（28°31'40"～28°49'45" N， 118°47'28"～118°55'50" E）位于甌江流域、浙江省麗水市、衢州市境內，是浙江省衢州市區飲用水水源地之一，與麗水市人民的生活息息相關。烏溪江水庫由1958年建成的黃壇口水庫（季調節）和1983年建成的湖南鎮水庫（多年不完全調節）組成。黃壇口水庫庫容為0.857億m3，為中型水庫；湖南鎮水庫為大型水庫，控制集水面積為2 197 km2，洪水位以下庫容為20.6億m3，正常水位以下庫容為15.82億m3。兩座水庫為串聯型水庫，總有效庫容為16.66億m3，整體換水周期為208 d左右（游中瓊等，2000）。

1.2? ?采樣點設置

于2019-2020年對烏溪江水庫進行水樣的采集和理化因子的測定，5月代表春季，7-8月代表夏季，9-11月代表秋季，12-1月代表冬季，所述月份（每月中下旬左右）均各采集1次樣品。由于研究水庫為峽灣型水庫，因此按照水庫的水流方向以及動力學特點，并根據《水庫漁業資源調查規范》在烏溪江設置了7個采樣點，即河流區（S1）、過渡區（S2～S4）、湖泊區（S5～S7），采樣點的具體地理信息見圖1。根據水庫深度將采樣點劃分為8個水層，分別為水下0.5、4、8、12、16、20、25和30 m，分層采水可以了解理化因子在不同水層的情況。

1.3? ?水樣的采集與處理

水樣使用20 L采水器采集，回實驗室后立即進行水化學測定。

透明度（SD）測定使用Secchi盤進行，水溫（WT）和溶解氧（DO）使用YSI58型溶解氧儀現場測定，水深（WD）采用便攜式聲吶測深儀SM-5A型現場測定；總磷（TP）、總氮（TN）采用《地表水環境質量標準》（國家環境保護總局科技標準司，2002）進行監測。TN測定采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法（國家環境保護局規劃標準處，1989），TP測定采用磷鉬酸銨比色法（國家環境保護局標準處，1989）。其他指標測定遵循《水和廢水監測分析方法》（國家環境保護總局編委會， 2002）：硝酸鹽氮采用紫外分光分光度法，亞硝酸鹽氮（NO2--N）采用N-（1萘基）乙二胺光度法，氨氮（NH4+-N）采用納氏試劑光度法，可溶性無機氮（DIN）為上述3種無機氮之和；溶解性總磷（DTP）、溶解性無機磷（DIP）用0.45 μm濾膜過濾水樣后，采取鉬銻抗分光光度法測定，溶解性有機磷（DOP）為溶解性總磷（DTP）減去溶解性無機磷（DIP），顆粒態磷（PP）為總磷（TP）減去溶解性總磷（DTP）；高錳酸鹽指數（CODMn）采用高錳酸鉀酸性法，葉綠素a（Chl-a）采用分光光度法分析。

用 EXCEL 2019進行基本數據整理分析，ArcGIS 和 Origin 2018進行作圖，利用 SPSS 26.0探討化學指標在各季節和各點位間的差異性。按季度、湖區和水層計算各水化學指標含量，分析前對各水化學指標進行正態性檢驗，用Pearson相關性分析檢測Chl-a與各理化因子的相關性。用Pearson相關系數量化2個變量之間的線性相關性，其值為-1～1，代表著由極強負相關至極強正相關的過渡；用P值驗證統計學差異顯著性，當P<0.05，認為其相關性達顯著水平，當P<0.01，認為其達極顯著水平。

1.4? ?富營養化評價方法與評價標準

水質參數采用各點位不同深度測定的數學平均值，依據《湖泊（水庫）富營養化評價方法及分級技術規定》（中國環境監測總站，總站生字〔2001〕090號），選擇綜合營養指數法（TLI）計算富營養化指數，采用使用較廣泛的Chl-a、TP、TN、SD、CODMn5參數法進行計算。

采用0～100的一系列數字對水庫的營養狀態進行分級：TLI（[Σ]）<30為貧營養；30≤TLI（[Σ]）≤50為中營養；TLI（[Σ]）>50為富營養，其中 5070為重度富營養。

2? ?結果與分析

2.1? ?富營養化狀態與水質評價

烏溪江水庫整體上呈現中度營養化狀態（圖2，表1），平均綜合營養指數呈現沿程下降的趨勢。在7月的上游入庫處（S1）達到峰值，為51.6，進入富營養化狀態。在1月的壩前（S7）達到最小值，為29.5，進入貧營養狀態。

在季節分布上，綜合營養指數呈現春夏高、秋冬低的明顯態勢；在空間分布上沿程下降趨勢明顯。

2.2? ?各因子整體時空分布

2.2.1? ?磷的分布特征? ?烏溪江水庫中TP的濃度為0.002～0.040 mg/L，平均值0.012 mg/L，溶解性無機磷（DIP）平均值0.004 mg/L；溶解性有機磷（DOP）平均值0.003 mg/L；顆粒態磷（PP）平均值約0.004 mg/L（圖3）。

烏溪江水庫TP含量隨著流動距離的增加顯著下降（圖4）。在入庫河口處（S1），冬夏2個季節TP含量較高，春秋趨于一致。顆粒態磷沿程分布曲線與總磷曲線變化趨勢相似。

劉臘美等（2009）認為流域非點源顆粒態磷主要來源于徑流攜帶的土壤表層磷，以泥沙結合態的形式輸入水體。而顆粒態磷的內源性負荷主要源于有機物的碎屑和細胞等生命體及在底泥中的沉積，沿程的顆粒態磷在S5～S7的湖泊區內逐步趨于穩定（圖3）。結合顆粒態磷的沿程分布曲線，可知外源輸入是烏溪江水庫顆粒態磷的主要來源，其在沿途的吸收中逐步沉積或被分解吸收，最后顆粒磷穩定在0.003 mg/L左右，可認為是穩定的內源性分解產生的顆粒磷。

2.2.2? ?氮的分布特征? ?烏溪江水庫中的TN濃度在0.412～2.826 mg/L，最大值出現在夏季的S1表層水體。氮主要的存在形式是硝酸鹽，其次是氨氮。氮在水體中的多種賦存形式分布比例見表2。

烏溪江水庫整體由硝化作用在氮的循環中占據主導地位（表2），亞硝酸鹽含量占比較低。而從圖5中可以看出，TN在S1點位顯著高于其他點位，而秋冬（11月-1月），TN含量也遠低于春夏（5、7月），但沿程逐步下降到接近的水平。

2.2.3? ?Chl-a的分布特征? ?Chl-a含量均值為3.77 μg/L，2020年9月在S3～S4出現了10 μg/L以上的異常波峰。沿程的空間分布規律如圖6所示，S1～S4的Chl-a含量呈現了空間的異質性。整體上，烏溪江水庫從上游到下游，沿河流區（S1）、過渡區（S2～S4）、湖泊區（S5～S7）依次減少，這符合一般水庫的規律（圖6、圖7）。葉綠素變動的趨勢曲線也呈現了湖泊區Chl-a含量相較于河流區、過渡區更加穩定的現象，凸顯了湖泊區的凈化作用和生態穩定性。

2.3? ?各因子的縱向垂直剖面分布

2.3.1? ?pH、DO、磷、氮等理化環境因子的剖面分布特征? ?水中的pH在S1、S2兩個點位呈現隨水深增加而下降的趨勢，而在S3～S7則呈現先增加后下降的趨勢。且水中TP的含量與pH呈現明顯相反變化的趨勢（圖8-a、8-d）。而DO隨水深（WD）變化的趨勢最復雜：先下降，在水域中層達到谷底，之后緩慢回升，除S1隨水深增加DO呈顯著下降趨勢，其他點位的DO在縱向分布上整體遵循“變異模式”，在中等深度出現一個峰值（圖8-b）。

2.3.2? ?Chl-a、TN等含量垂直剖面特征? ?可溶性無機氮（DIN）是浮游植物主要吸收利用的氮源，在表層水體（0～10 m）平緩下降，中層水體（10～30 m）略微升高。

Chl-a反映了浮游植物生物量的高低（阮曉紅等，2008），其隨深度增加呈明顯下降趨勢（圖8-f）。Chl-a含量在垂直剖面上波動下降，在5～10 m達到第一個波峰，在20 m左右再次抬升下降，這樣的波動趨勢集中體現在S2、S3、S4，說明存在顯著的分層差異；S1點位的Chl-a含量隨深度顯著下降，S5點位的Chl-a含量只在10～15 m出現了一個平緩的波峰；而S6～S7縱向剖面分布則更穩定，Chl-a含量沒有隨深度增加出現明顯的波動。

2.3.3? ?Chl-a含量與水深等各理化因子含量的相關性水體中的理化因子會與Chl-a 產生互動效應，從而產生直接或間接的影響。用Pearson相關性分析檢測Chl-a與各理化因子的相關性，結果見表3。相關性分析結果表明，TP、pH、WT 3個因素和Chl-a含量呈中等程度相關，其相關系數分別為0.438、0.483、0.493，與其他因子相關性較弱或無顯著相關性。

3? ?討論

3.1? ?烏溪江水庫的水環境質量現狀及其變化趨勢

烏溪江水庫全年平均綜合營養指數為37.8，為中度營養化水庫。整體水質良好（表1），大部分季節，TN、TP含量都符合國家地表水II類標準，春季TN污染有所加重，僅滿足III類水標準，為最主要污染因子。

富營養化程度在時間上呈現出春夏高而秋冬低的格局，在空間上則呈現從上游到下游逐步降低的趨勢。通常水庫自上而下可分為河流區（如圖2中的S1～S3）、過渡區（圖2中的S4～S5）和湖泊區（圖2中的S6～S7），本研究表明，烏溪江水庫河流區TN、TP含量最高，過渡區次之，湖泊區最低，符合大多數水庫的特征，而Chl-a含量則河流區與過渡區交匯水域更高，這主要是河流輸入的營養鹽在過渡區隨著流速減緩沉降加速，為浮游植物的大量繁殖提供了充足的養分，且水流減緩等更有利于藻類繁殖。從綜合營養指數來看，入庫處（S1）平均綜合營養指數為47.1，在春夏之交（5-7月），平均綜合營養指數超過50，進入富營養化狀態，壩前湖泊區平均綜合營養指數穩定，S6、S7分別為33.6、32.5。可見外源性輸入是烏溪江水庫營養鹽的主要來源，初步驗證了王虹艷（2010）關于麗水市人類活動、工農業生產導致的土壤磷素富集、水體富營養化的推論。農業化肥的大量使用和工業、生活廢水的排放帶來的面源污染加劇了烏溪江水庫等周邊水體富營養化的風險。烏溪江水庫在降雨季呈現的綜合營養指數大幅提升的特征也印證了沖刷地表產生的徑流入庫時輸入了大量營養鹽。

與氮磷等指標一樣，綜合營養指數也呈隨水流梯度依次下降的趨勢，這主要是因為：（1）營養鹽間接被浮游生物吸收利用。人為投放的鰱（Hypophthalmichthys molitrix）、鳙（Aristichys nobilis）增加了利用食物鏈富集、提取水體中營養鹽的效率；（2）營養鹽隨著水體流動不斷沉積，成為潛在的內源性負荷。壩前水體營養化程度相較入庫處水體降低了約31%，證明了烏溪江水庫生態系統對緩解富營養化是十分有效的。

烏溪江水庫整體水環境質量尚未達到富營養化水平，但其營養化程度加深的速度值得警惕。張小林等（2018）在2017年調查得知，烏溪江水庫平均綜合營養指數為28.4，屬于貧營養型水庫。而本研究在2019-2020年的調查結果顯示，2年間烏溪江水庫平均綜合營養指數上升了33%。王軍明（2020）研究指出，麗水市2016年開始大幅投資治理污染源、改善土地集約化利用水平，以期緩解土地的生態壓力。但近年來，烏溪江水庫的富營養化水平依然處于一個快速抬升的狀態，這樣的趨勢應當成為評估治理效果的考察重點，為制定更詳盡有效的生態文明建設策略提供方向。

3.2? ?烏溪江水庫理化因子時空分布特點

3.2.1? ?營養鹽的宏觀分布及其成因? ?從上游到下游，烏溪江水庫的TN、TP等營養鹽含量逐步降低，空間上呈現明顯的梯度格局。對比烏溪江富營養化程度逐月變化曲線與烏溪江水庫TN沿程分布圖、麗水市月平均降水量（浙江統計局，2019；2020）曲線（圖2、圖5和圖9），進一步印證了前文的推測：降雨期大量地表徑流沖刷，攜帶營養鹽進入水體，造就了4-6月雨季烏溪江水庫富營養化程度大幅加深的趨勢。這也與楊梅玲等（2013）、余員龍等（2010）對千島湖營養鹽輸入來源的研究結論一致。

烏溪江水庫營養鹽的沿程分布趨勢也呈現了顯著的梯度格局。S1點位作為入庫徑流的匯集，常年富集大量營養鹽。其水深僅12 m左右，無分層現象，各項調查數據均呈現出一定的異質性。沿水流方向，降水和徑流帶來的大量營養鹽首先匯入河流區，故其營養鹽濃度遠高于其他點位，而下游過渡區和湖泊區流速逐步降低，細小營養鹽逐步沉降、吸附于底泥、被生物吸收利用，營養鹽濃度顯著降低。這也符合一般水庫的規律，和韓博平等（2010）、黎慧卉等（2009）的研究結果一致。

Chl-a隨季節（圖6）呈現了秋冬逐漸低而穩定，春夏逐步升高的明顯趨勢。Chl-a一定程度上反映了浮游植物的含量，作為初級生產者的浮游植物對氮、磷等營養鹽進行吸收利用，其效率也會受到溫度等環境因素的影響。在5月，湖泊區的TN含量不降反升，可能是因為雨季光照弱，水生植物對氮、磷吸收緩慢。

3.2.2? ?環境因子的縱向剖面分布? ?營養鹽的縱向剖面分布主要反映了其內源性營養鹽的釋放和吸收機制，是研究其內源性負荷與環境因子互動機制的重要參考因素。而環境因子的縱向剖面分布則一定程度上反映了水體生物活動、化學反應的程度，是間接影響營養鹽消解、釋放、吸收利用的重要因素。

水體的pH隨水深增加先升高后下降，而TP的含量與pH呈現明顯的相反變化趨勢，先下降，在水深20 m以上逐步回升。有研究（Koski‐V?h?l?，2001）證明，上覆水的pH控制著表層沉積物對磷的釋放程度，pH降低時也會促進鈣磷酸鹽和碳酸鈣的共溶解沉淀，這可能是水深增加后TP含量上升的原因之一。

氮在水中的各種形態變化受到許多理化因素的調控，烏溪江水庫中，硝化作用在氮的循環中占主導地位、幾乎不存在反硝化作用。陳藜藜（2015）研究發現，DO≥5 mg/L時，對硝化作用無限制，而只有在DO≤2 mg/L時，才會出現反硝化作用，對比DO隨深度下降曲線（圖8-b），烏溪江水庫水體整體溶解氧充足，未提供反硝化作用需求的缺氧條件。而DIN含量在上層水體（0～10 m）變化不大，在15 m開始逐步增加，這可能和下層水體浮游植物含量相對較少，吸收和利用氮的能力減弱有關。

在理化因子與Chl-a的相關性分析中，TP與Chl-a含量呈中等相關，TN和Chl-a含量呈弱相關。烏溪江的氮磷比范圍為29.23～430.52，這一定程度上說明了烏溪江水庫氮的含量較為充足，而磷是限制浮游植物生長的關鍵因子之一。

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（責任編輯? ?熊美華）

收稿日期：2022-03-03? ? ? 修回日期：2023-10-17

基金項目：國家重點研發計劃項目（2019YFD0900605）；麗水市緊水灘、烏溪江、千峽湖三大水庫潔水漁業研究項目（浙大采招2019 341號）。

作者簡介：李其軒，2001年生，男，碩士研究生，研究方向為水域生態學。E-mail：hplqx@163.com

通信作者：劉其根，男，教授。E-mail：qgliu@shou.edu.cn