黃河下游調水調沙與暴雨事件對營養鹽輸出通量的影響

吳念，劉素美*，張桂玲

(1. 中國海洋大學 海洋化學理論與工程技術教育部重點實驗室，山東 青島 266100；2. 青島海洋科學與技術國家實驗室 海洋生態與環境科學功能實驗室，山東 青島 266100)

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黃河下游調水調沙與暴雨事件對營養鹽輸出通量的影響

吳念1，2，劉素美1，2*，張桂玲1，2

(1. 中國海洋大學 海洋化學理論與工程技術教育部重點實驗室，山東 青島 266100；2. 青島海洋科學與技術國家實驗室 海洋生態與環境科學功能實驗室，山東 青島 266100)

營養鹽；顆粒態磷；調水調沙；暴雨；通量；黃河；渤海

1 引言

河流是聯系陸地與海洋的重要紐帶，在水沙、營養鹽以及污染物質等向海洋的輸送方面一直扮演著重要的角色[1—4]。黃河曾經是世界第二大泥沙輸送河，淡水輸送量占整個渤海的75%以上[5—7]。然而近幾十年來，黃河流域降水減少，以及建壩、水土保持措施和引水灌溉農田等導致黃河水沙入海通量同步減少，從而影響黃河的營養鹽入海通量，且調水調沙事件導致大量的水沙和營養鹽短期內入海，加劇了黃河口處營養鹽結構的不平衡[7—11]。受高強度人類活動的影響，渤海近岸海域出現富營養化，甲藻赤潮頻發及綠藻、藍藻在特定時期的暴發[7，11—15]。

本研究于2012年2月-2014年3月每月在黃河下游采集水樣，分析黃河下游營養鹽濃度、通量及營養鹽之間比值的變化，分析2012年調水調沙期及暴雨期營養鹽濃度變化，估算了2002-2012年間調水調沙和洪水對黃河下游年輸水量和營養鹽輸送通量的貢獻，研究結果可對黃河口及其鄰近海域生態環境的可持續發展提供科學依據和決策參考。

2 采樣及分析方法

于2012年2月-2014年3月(2012年1月、2013年1月、7月、8月、2014年1月除外)每月中旬在山東省東營市墾利縣勝利浮橋(37°36′17″N，118°31′49″E)設置采樣斷面，選擇3點進行樣品采集，2012年黃河流域發生多場暴雨，因此在8月1日、9日、16日、26日、30日、31日和9月1日采集樣品。每個采樣點只取表層水，樣品采集后盡快用0.45 μm的醋酸纖維膜進行過濾(采樣桶和濾器用1∶100的HCl、濾膜用1∶1 000的HCl預處理后用Milli-Q水洗至中性使用)。水樣過濾后立即加入飽和HgCl2并避光保存于實驗室內待測，有少數樣品于-20°C冷凍保存[16]。顆粒態磷酸鹽由0.45 μm的醋酸纖維膜過濾后45°烘干稱質量待測。

3 結果與討論

3.1 黃河下游水沙與營養鹽濃度和通量的變化

2012和2013年全年輸水與輸沙量分別為282×108m3、237×108m3與1.83×108t、1.73×108t，7-8月存在輸水量與輸沙量峰值(圖1)，6-10月豐水期的輸水量與輸沙量占全年的67%～71%與91%～95%。

圖1 2012年1月-2014年3月黃河下游利津站月徑流量與月輸沙量Fig.1 Monthly water discharge and sediment fluxes in the lower reaches of Huanghe River，Lijin Station from February 2012 to March 2014數據來源于泥沙公報：http://www.yellowriver.gov.cn/nishagonggao/Data were from Yellow River Sediment Bulletin : http://www.yellowriver.gov.cn/nishagonggao/

圖2 2012年2月-2014年3月黃河下游營養鹽濃度與通量月變化Fig.2 The variation of nutrient concentrations and fluxes in the lower reaches of Huanghe River from February 2012 to March 2014

圖3 2012-2013年營養鹽濃度與徑流量季節變化Fig.3 The seasonal variation of nutrient concentrations and water discharge in the lower reaches of Huanghe River form 2012 to 2013

DIP、DOP、TDP濃度變化范圍分別為：0.03～ 0.73 μmol/L、0.06～ 0.38 μmol/L、0.24～0.85 μmol/L(圖2)；DIP是TDP的主要存在形式，占60%以上。溶解態磷酸鹽濃度月變化無明顯規律但冬春季高于夏秋季(圖3)，且一年四季均保持相對低值，因為黃土高原大量的水土流失，河內懸浮顆粒物含量常年高，存在強烈的吸附-解吸效應[2，4，30—32]，因此黃河下游是磷酸鹽的匯[33—35]，且天然磷酸鹽礦物在自然水體中溶解度小[32，36—37]，導致黃河水體中溶解態磷酸鹽常年保持較低，并低于世界其他河流[30，35，38]。

PIP、POP、TPP濃度變化范圍分別為：2.9～ 106.5 μmol/L、0.7～ 56.0 μmol/L、3.4～162.5 μmol/L(圖2)； PIP是TPP的主要存在形態，占70%以上，顆粒態磷存在明顯的月變化，與徑流量和輸沙量均具有良好的相關性(P<0.05)，在徑流量最大時，顆粒態磷濃度與入海通量也達到最大值，而黃河下游是磷酸鹽的匯[33—35]，含有高濃度的顆粒態磷，因此大量的顆粒態磷輸入渤海，其中伴隨著生物可利用磷的輸入[39]，懸浮顆粒物可能成為黃河口及其鄰近海域水體中磷的來源和儲庫。在顆粒態營養鹽濃度季節變化中，以μmol/L為單位(每升水體中顆粒態磷的含量)的顆粒態磷濃度存在明顯的夏季高峰(圖3)，在大徑流沖刷河床、河道時懸浮顆粒物含量升高導致單位體積水體中顆粒態磷含量升高；而μmol/g(每克懸浮顆粒物質量上的磷含量)的顆粒態磷濃度則不存在明顯的季節變化(圖3)，是因為自然水體中Fe-P和OP(有機磷)為DIP的主要緩沖形態[40]，懸浮顆粒物主要吸附Fe-P相[41]，黃河顆粒態磷中的HCl-P(磷灰石)、NaOH-P(與Fe、Al和Mn的氧化物與氫氧化物結合的磷)和OP形態分別為89.3%、2.5%和6.9%，黃河中下游懸浮顆粒物上的不穩定氫氧化鐵只占到(2.3±0.8)%，而Fe-P相是由P與不穩定的氫氧化鐵形成，因此每克懸浮顆粒物能夠吸附的磷酸鹽是有限的[35]，因此每升水體中顆粒態磷含量隨懸浮顆粒物濃度的升高而升高時，每克懸浮顆粒物上的磷增加卻是有限的。顆粒態磷體積濃度和質量濃度的變化差異，可能影響顆粒態磷轉化為生物可利用磷的效果。

DSi濃度變化范圍為：86.5～131.0 μmol/L，豐水期濃度高于枯水期(圖2)，無明顯的季節變化(圖3)。黃河下游DSi濃度處于世界河流中等水平[42—44]，DSi除了在大徑流稀釋作用下、生物利用及成巖作用外很難移除[45—47]，并且黃河流域大量的機械剝蝕、化學風化以及流域的強蒸發大于降雨作用導致黃河的DSi高于中國北方其他河流[7，11，29，48—50]。黃河下游DSi濃度維持相對穩定但1986年以后流域土壤侵蝕量以及黃河入海水沙量的減小卻導致DSi的輸送通量有所減少[47]。

2012-2013年 DIN/DIP為428～6 738，DSi/DIP為150～2 994，DSi/DIN為0.27～0.58(圖4)，近10年來黃河水中生源要素比值嚴重偏離Redfield比值(N∶P∶Si=16∶1∶16)[14，51—52]，營養鹽結構不平衡，水體環境雖以光限制為主，但也存在磷酸鹽的相對限制，而高DIN/DIP、 DSi/DIP，低DSi/DIN的河水對外輸出，可能對黃河口及鄰近的渤海海域造成一定的影響。

圖4 2012年2月-2014年3月氮、磷、硅間比值月變化Fig.4 Monthly variations of DIN/DIP， DSi/DIP and DSi/DIN ratios from February 2012 to March 2014

3.2 調水調沙期與洪水期徑流量及營養鹽的變化

3.2.1 調水調沙與洪水期徑流量

小浪底距離利津有一段距離，2012年6月19日開始調水調沙，在5 d后(6月24日)利津站流量增長到1 290 m3/s，利津站受調水調沙影響到7月17日(1 100 m3/s)，調水調沙期最大徑流量為3 470 m3/s。據《泥沙公報》[53]中記載2012年黃河除調水調沙外還發生了4次大的暴雨洪水，暴雨期7月27日(1 700 m3/s)-8月9日(1 419 m3/s)、8月27日(2 860 m3/s)-9月3日(1 260 m3/s)，洪水期最大徑流為3 240 m3/s，洪水期最大徑流量達到調水調沙期的93%。將調水調沙前與調水調沙后的徑流量進行均值計算，以830 m3/s為基線劃分調水調沙與洪水的影響天數，從而確定調水調沙期影響天數為26 d，多場洪水影響共23 d(圖5)，調水調沙期和暴雨期輸水量分別占全年的19%和17%。調水調沙期和暴雨期徑流量與營養鹽日通量之間具有相關性[7，54]，因此洪水對黃河下游營養鹽輸送也會產生重要影響。

圖5 調水調沙期和洪水期徑流量Fig.5 Water discharge during water-sediment regulation and rainstorm events日徑流量數據是通過全國水雨情信息網獲得：http：//xxfb.hydroinfo.gov.cnData were from National Water and Rainfall Information System: http：//xxfb.hydroinfo.gov.cn

圖6 2012年調水調沙前期(6月15日)和后期(7月11)及暴雨期(8月1日-9月1日)營養鹽濃度和徑流量與懸沙量Fig.6 The variation of nutrient concentrations， water discharges and suspended particulate matters before(June 15)and after(July 11)water-sediment regulation and during the rainstorm(August 1-September 1)events in 2012

3.2.2 調水調沙期與洪水期營養鹽濃度變化

3.2.3 調水調沙期與洪水期營養鹽通量估算

對黃河下游利津站2005年、2009-2012年調水調沙期和暴雨期的營養鹽日通量與徑流量數據進行雙log處理，營養鹽日通量與徑流量間具有顯著的相關性(P<0.05)(圖7)，再通過利津站的日徑流量估算出2012年調水調沙期和暴雨期未采樣所缺失的營養鹽日通量數據，最后將26 d調水調沙和23 d暴雨期的日通量加和從而得到各自時期的總輸送通量。通過估算得出2012年調水調沙期和暴雨期各營養鹽入海通量如表1所示，其中DIN、TDN、DSi、DIP、TDP、PIP、TPP實際平均日通量(2012年暴雨期采集的7 d水樣中營養鹽濃度與日徑流量乘積加和再平均)和估算平均日通量(通過日徑流量與營養鹽日通量的線性方程估算出的調水調沙期和暴雨期的營養鹽日通量加和再平均)之間的相對誤差[(估算平均日通量-實際平均日通量)/實際平均日通量]分別為8.7%、3.5%、4.6%、43.9%、43.0%、-10.5%、-25.1%。2012年調水調沙期和暴雨期營養鹽入海通量分別能達到年通量的17%～44%和13%～35%，暴雨期各營養鹽入海通量平均達到調水調沙期的82%。

表1 運用雙log線性關系對2012年調水調沙期和暴雨期營養鹽輸送通量估算結果

續表1

注：各營養鹽年入海通量為實際年通量，即每月徑流量與營養鹽濃度的乘積加和所得。

圖7 2005年、2009-2012年調水調沙期與暴雨期營養鹽日通量與徑流量(m2/s)雙lg線性回歸方程Fig.7 Double lg linear regression equation between daily nutrient fluxes and water discharge in 2005 and 2009 to 2012其中在擬合中暴雨期數據所占比例為14/77，在TDN(107 mol)、TDP(104 mol)、PIP(106 mol)、TPP(106 mol)擬合中暴雨期數據所占比例為7/43。2005年數據：據Gong等。2009-2011年所有營養鹽數據陳沛沛等。2012年營養鹽數據來源于本文 al.; data of nutrients from 2009 to 2011were all from Chen Peipei et al. Data of nutrients in 2012 were from this study

3.2.4 近10年黃河下游調水調沙與洪水對營養鹽輸送通量的影響

在此統計了2002-2012年間黃河下游每年調水調沙和暴雨洪水的洪峰次數(圖8)以及發生日期和利津站最大徑流量(表2)，除2007年進行了兩次調水調沙和2010年進行了3次調水調沙外，其余年份均只進行了一次調水調沙，共實施了14次調水調沙。黃河下游利津站在2002-2012年期間存在10次洪峰：2003年黃河下游渭河8月下旬-10月上旬發生6次暴雨洪水[58]，2003年的調水調沙便是利用暴雨洪水來實施[59]，但2003年的暴雨洪水對利津站的影響持續到了11月中旬才結束；2004年8月下旬-9月初黃河下游發生暴雨洪水[60]；2005年利津站除調水調沙導致的徑流增大外總共還出現3次洪水[54，61]；據2006年《泥沙公報》[62]記載黃河下游8月末9月初發生暴雨洪水，除調水調沙外，利津站在8月末出現洪峰；據2010年《泥沙公報》[63]記載黃河實施了3次調水調沙，且最后一次為利用多股洪水進行調控，8月26日最后一次調水調沙結束后，利津站徑流受洪水影響下再次增加；據2011年《泥沙公報》[64]記載，黃河在7月下旬和9月上中旬發生多次洪水，而利津站9月存在洪峰。2012年已在上部分敘述，再此不再贅述，其他未提及年份則未發生洪水。

2002-2012年調水調沙期和洪水期的輸水量分別占黃河下游全年輸水量的19%～56%和5%～56%，10年平均值為29%和19%；利用日徑流量與營養鹽日通量的線性方程(圖7)，通過調水調沙期和暴雨期利津站的日徑流量估算出營養鹽輸送日通量，從而估算出2002-2012年調水調沙期和洪水期的營養鹽入海通量分別占黃河下游全年營養鹽輸送通量的23%～68%和5%～59%，10年平均值為38%和24%(圖9)。調水調沙期的輸水量和營養鹽輸送通量對年入海通量的貢獻呈現先下降后上升又下降的趨勢，而在有暴雨發生的年份中，洪水期的輸水量和營養鹽輸送通量對年入海通量的貢獻呈先下降后上升的趨勢，特別是2003-2005年洪水期輸水量和營養鹽輸送通量均高于調水調沙期的輸送通量。調水調沙期與暴雨期均為水沙通量迅速增長且短時大量輸入到黃河口及鄰近海域，因此在調水調沙和暴雨均發生的年份里，既存在人為因素又存在自然因素在水沙及營養鹽輸送通量上的重要作用。

表2 2002-2012年間調水調沙和洪水對利津站的影響日期和最大徑流量(空白處表示未發生洪水)

圖8 2002-2012年調水調沙和洪水期間的徑流量Fig.8 Water discharge during the water-sediment regulation and rainstorm events from 2002-2012其中黑色數字表示每年實施幾次調水調沙，紅色數字表示每年洪水導致了幾次徑流增值，其余年份沒有洪水發生的記錄。日期數據來源于：http://www.yellowriver.gov.cn/nishagonggao/和本文參考文獻[54,58-61]；日徑流量數據來源于：http：//xxfb.hydroinfo.gov.cn Black numbers and red numbers represented how many times that water-sediment regulation and rainstorm events occurred in one year, respectively. Data of date are from: http: //www.yellowriver.gov.cn/nishagonggao/ and references[54,58-61]; data of water discharge are from: http://xxfb.hydroinfo.gov.cn

注：日期數據來源于：http://www.yellowriver.gov.cn/nishagonggao/和本文參考文獻[54,58-61],日徑流量數據來源于：http://xxfb.hydroinfo.gov.cn。

圖9 2002-2012年間調水調沙期和洪水期輸水量和營養鹽輸送量占年通量比例Fig.9 The water discharge and nutrient fluxes during water-sediment regulation and rainstorm events period accounted for the proportion of annual fluxesQW-R/QW-A為調水調沙期水通量占年輸水通量比例、QW-F/QW-A為洪水期水通量占年輸水通量比例、QN-R/QN-A為調水調沙期營養鹽入海通量占年入海通量比例、QN-F/QN-A為洪水期營養鹽入海通量占年入海通量比例QW-R/QW-A represented the water discharge during water-sediment regulation event accounted for the proportion of annual water discharge fluxes， QW-F/QW-A represented the water discharge during rainstorm event accounted for the proportion of annual water discharge fluxes， QN-R/QN-A represented the nutrient fluxes during water-sediment regulation event accounted for the proportion of annual nutrient fluxes， QN-F/QN-A represented the nutrient fluxes during rainstorm event accou-nted for the proportion of annual nutrient fluxes

4 結論

(2) 各形態氮營養鹽枯水期高于豐水期，溶解態磷酸鹽一年四季均保持低值，DSi豐水期高于枯水期。顆粒態磷體積濃度主要受懸沙量的控制，隨懸浮顆粒物濃度的升高而升高時，并存在夏季濃度峰值；顆粒態磷質量濃度主要受懸浮顆粒物粒徑(砂、粉砂和黏土比例)控制，隨著水沙的增加每克懸浮顆粒物質量上的磷含量增加有限，因此濃度變化不存在夏季峰值。夏季大量的懸浮顆粒物輸入黃河口時，質量濃度的顆粒態磷含量并未增加，可能影響顆粒態磷轉化為生物可利用磷的效果。

(3) 將2002-2012年暴雨洪水及調水調沙事件導致的利津站徑流量和營養鹽通量的變化細分開來，2002-2012年黃河下游共出現14次調水調沙導致的徑流增大和10次洪水導致的徑流增加，10年來調水調沙期和洪水期對水通量占年入海通量的貢獻平均達到29%和19%，營養鹽輸送通量占年入海通量的貢獻平均達到38%和24%。調水調沙期與暴雨期均為水沙通量迅速增長且短時大量輸入到黃河口及鄰近海域，且2003-2005年洪水期的輸水量和營養鹽輸送通量均高于調水調沙期的輸送通量，因此在調水調沙和暴雨均發生的年份里，既存在人為因素又存在自然因素在水沙及營養鹽輸送通量上的重要作用。

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Impacts of water-sediment regulation and rainstorm events on nutrient transports in the lower Huanghe River

Wu Nian1，2，Liu Sumei1，2，Zhang Guiling1，2

(1.KeyLaboratoryofMarineChemistryTheoryandTechnology，MinistryofEducation，OceanUniversityofChina，Qingdao266100，China；2.LaboratoryforMarineEcologyandEnvironmentalScience，QingdaoNationalLaboratoryforMarineScienceandTechnology，Qingdao266100，China)

nutients；particulate phosphorus; water-sediment regulation；rainstorm；flux; Huanghe River；Bohai Sea

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.06.011

2016-09-24；

2017-01-11。

國家重點研發計劃項目(2016YFA0600902)；山東省“泰山學者”工程專項經費和青島海洋科學與技術國家實驗室“鰲山人才”計劃項目(2015ASTP-OS08)。

吳念(1991—)，女，重慶市人，從事海洋生物地球化學研究。E-mail：oucwunian@163.com

*通信作者：劉素美，教授，主要從事海洋生物地球化學專業。E-mail：sumeiliu@ouc.edu.cn

P342

A

0253-4193(2017)06-0114-15

吳念，劉素美，張桂玲. 黃河下游調水調沙與暴雨事件對營養鹽輸出通量的影響[J].海洋學報，2017，39(6)：114—128，

Wu Nian，Liu Sumei，Zhang Guiling. Impacts of water-sediment regulation and rainstorm events on nutrient transports in the lower Huanghe River[J]. Haiyang Xuebao，2017，39(6)：114—128， doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2017.06.011