淺析建壩對河流氮、磷循環(huán)的影響

(1.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院 重慶 400074；2.湖北省荊門市水文水資源勘測局 湖北 荊門 448124)

一、前言

氮、磷等營養(yǎng)素是生物地球化學(xué)循環(huán)的物質(zhì)基礎(chǔ)，可以限制生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)程[1]。河流中的氮、磷等營養(yǎng)素是水生生態(tài)系統(tǒng)的核心，可限制河流生產(chǎn)力，同時也能引起營養(yǎng)化甚至嚴(yán)重水華[2]。由氮磷濃度的增加而引起的各大湖泊富營養(yǎng)化早已屢見不鮮，近年來由于污染物排放和大壩的建造，河流水體富營養(yǎng)化也時有耳聞。大壩一直以來被認(rèn)為是人類活動對河流的三大影響之一[3]，這種影響不僅體現(xiàn)在對河流流量的控制上，還體現(xiàn)在對河流物質(zhì)運輸和河流生物模式的改變上。據(jù)估計全球已建成水庫約1670萬座[4]，我國已建成各類水庫98795座[5](2017年底)，這些數(shù)量還在持續(xù)增加。目前有學(xué)者針對大壩對河流營養(yǎng)鹽的影響做了相應(yīng)研究，如Withers等[6]和Zhou等[7]的研究都表明大壩對河道中磷有明顯截留效應(yīng)，這種截留效應(yīng)會增加大壩上下游水體富營養(yǎng)化風(fēng)險；Von Schiller等[8]認(rèn)為大壩的建造會改變有機(jī)物、藻類等的生態(tài)系統(tǒng)代謝，使氮、磷向下游的運輸量的減少；周濤等[9]對烏江上游梯級水庫的研究表明，大壩建造對河道中氮磷滯留均有一定影響；劉尚武等[10]對金沙江下游梯級水庫的研究表明，大壩對河流磷具有截留效應(yīng)，對出庫總氮濃度與通量無明顯影響。

雖然目前有大量關(guān)于大壩對河流營養(yǎng)鹽影響的研究，但這些研究大都只針對特定區(qū)域的某種營養(yǎng)素，十分局限和零散。有鑒于此，本文結(jié)合國內(nèi)外最新研究文獻(xiàn)，結(jié)合實例，簡要分析建壩對河流氮磷循環(huán)的影響，以期對水庫營養(yǎng)化預(yù)測和評價提供一定科學(xué)建議。

二、河流氮、磷循環(huán)過程

(一)河流氮循環(huán)

河流中的氮循環(huán)以微生物輔助循環(huán)為主，目前對于河流氮循環(huán)的研究主要集中在水-陸交界帶的氮轉(zhuǎn)化上，尤其沉積物-水界面[11,12]氮轉(zhuǎn)化是研究的熱點。

(二)河流磷循環(huán)

全球磷循環(huán)主要是通過河流將陸地這一巨大磷庫中的磷運輸至海洋[18,19]，這與氮循環(huán)有很大差異，同時也導(dǎo)致了建壩對河流磷循環(huán)于氮循環(huán)的差異。

河流中磷的主要來源是自然源和人為源。自然源是指由風(fēng)化作用產(chǎn)生通過產(chǎn)匯流進(jìn)入河流的磷，主要為顆粒態(tài)，對于人為干預(yù)很小的河流具有重要意義，大氣氣溶膠的沉積可忽略不計[18]。人為源分為點源和面源，點源主要是廢水中的磷，面源主要是農(nóng)業(yè)面源污染，此部分磷也大都為顆粒態(tài)。農(nóng)業(yè)中磷肥的相當(dāng)部分的磷被輸入到陸地淡水中，并通過河流運輸?shù)窖睾Ｋw中，這一過程是目前導(dǎo)致地表水體和沿岸海水中磷濃度升高的主要原因[20]。河流中，有超過90%的磷是顆粒態(tài)磷[7]，與氮轉(zhuǎn)化中需要微生物和酶的輔助不同，河流磷形態(tài)轉(zhuǎn)化主要表現(xiàn)為簡單物理化學(xué)轉(zhuǎn)化，主要包括溶解磷與黏土、金屬氧化物、金屬氫氧化物等顆粒的吸附與解吸附[21]，礦物的沉淀與溶解及磷的對流與擴(kuò)散。在生物轉(zhuǎn)化方面[6]，固著生物和浮游植物的影響只占磷通量的10～15%，水生植物則更少占1～5%，細(xì)菌和真菌的等微生物影響較小且難以量化。自然條件下，河流中的磷會隨著河流在不斷運移、轉(zhuǎn)化、釋放和沉積中匯入海洋。

三、建壩對河流氮、磷循環(huán)的影響

影響河流氮磷循環(huán)的因素很多，如流域地質(zhì)、河道特征、水文特征、人為氮磷排放等，不同河流差異很大。大壩正是通過對水流的調(diào)控改變流域地質(zhì)、河道特征、水文特征，與人類活動共同影響河流氮、磷的循環(huán)。

(一)對氮循環(huán)影響

1.干流水體氮滯留

建壩對河流氮、磷均有一定滯留效應(yīng)，氮在水庫中的滯留率比磷弱許多[11,22]，甚至有研究認(rèn)為大壩的建造對水庫氮平衡影響甚微[8,10]。氮、磷滯留率差異巨大的原因與其滯留機(jī)制不同有關(guān)[22]，氮滯留主要機(jī)制是反硝化作用和沉積物臨時埋藏作用，磷滯留主要受泥沙吸附、輸運以及沉降作用影響。在水庫對氮的滯留中，反硝化作用受到水力停留時間、氮負(fù)荷等因素的影響[9]，尤其是水力停留時間。水庫可以延長水力停留時間，在一定程度上增加氮的去除，不過在陸地表層水體氮循環(huán)過程中，脫氮反應(yīng)總量巨大，由此從整個流域范圍來看，水庫滯留效應(yīng)產(chǎn)生的改變有限[10]。

2.沉積物-水界面氮轉(zhuǎn)化

氮在沉積物-水界面的遷移和轉(zhuǎn)化是一個復(fù)雜的生物化學(xué)過程，硝化、反硝化和厭氧氨氧化作用是沉積物-水界面氮遷移和轉(zhuǎn)化的主要形式[11,12,17]，這些作用的熱點區(qū)僅限于交界面附近一定區(qū)域[12,23]，水庫水位的變動而引起的交界面位置變化，將對這些熱點區(qū)產(chǎn)生較大影響。近岸水陸交錯帶具有豐富生物多樣性，具有截留污染物和凈化水質(zhì)的功能[16]。水庫周期性蓄水形成消落帶，對來自庫岸的污染特別是農(nóng)業(yè)面源污染的攔截和過濾功能將消失，原本被植被部分消化吸收的地表徑流攜帶的氮、磷等將直接進(jìn)入庫區(qū)水體[24,25]。此外，河岸帶為氮生物地化反應(yīng)熱點區(qū)，對原有植被和土壤的長期淹沒、侵蝕，可能增加反硝化速率[23]，使土壤和植被殘體向水體和大氣氮素釋放量增加[26]。

建壩使河流向湖相轉(zhuǎn)變，流動性降低和水深增加引起水體DO降低進(jìn)而引起上覆水PH變化，是沉積物營養(yǎng)素釋放的主要機(jī)制之一[27]。對于地下水交換量大的河流，河流與河床的垂直潛流交換和與河岸的側(cè)向潛流交換不可忽視[11]。

3.水庫支流水體氮變化

建壩對水庫支流的影響主要體現(xiàn)在水位上漲、回水頂托和流動性降低等方面。高水位期間，流速降低促進(jìn)了支流溶解污染物如氮和磷的富集，特別是支流的回水區(qū)域，引發(fā)更頻繁的富營養(yǎng)化事件[28]。如張晟等[29]對三峽水庫13條支流營養(yǎng)狀態(tài)研究表明，三峽水庫支流回水區(qū)TN含量普遍較高，超過了水體發(fā)生營養(yǎng)化的限制值，主要受三峽水庫蓄水水體流速減緩影響。

4.下游水體氮變化

大壩的水文調(diào)節(jié)使下游洪水頻率降低，增加了有機(jī)物積累和生態(tài)系統(tǒng)代謝[10]。流量調(diào)節(jié)通過增加溶解總氮凈吸收改變河流養(yǎng)分循環(huán)[8]，而上游河段對氮滯留有限，大壩下游河段充當(dāng)溶解總氮凈匯，使向下游輸?shù)繙p少。

(二)對磷循環(huán)影響

受磷主要賦存形態(tài)的影響，建壩對河流磷循環(huán)主要影響是水體流動性降低導(dǎo)致的磷沉降，這也是目前研究的熱點之一。對河流磷循環(huán)其它方面改變也主要受磷沉降和水庫運作方式影響。

1.干流水體磷的截留

由于氮、磷原始賦存狀態(tài)的差異，超過90%的河流磷為顆粒態(tài)[7]，因此大壩對水體磷的影響主要是截留。進(jìn)入水生態(tài)系統(tǒng)的磷要么在植物和藻類中短期儲存，要么通過沉積物沉積(包括有機(jī)成分)或吸附沉淀長期儲存或永久保留[30]。由于大壩增加了水文穩(wěn)定性和水力停留時間，河流內(nèi)部原本磷截留與循環(huán)的“P螺旋”[6]向磷滯留的方向傾斜。以三峽水庫為例，在蓄水和高水位時期，含沙量低且主要為細(xì)顆粒和冬季微生物死亡和分解，對該時期顆粒態(tài)磷濃度的增加有一定貢獻(xiàn)；在排水期，強(qiáng)化的水動力條件可能會增加顆粒碰撞頻率，進(jìn)而增強(qiáng)吸附態(tài)磷從顆粒相到水相的解吸附。但總體而言，三峽水庫中顆粒態(tài)磷沉降效應(yīng)占更大優(yōu)勢，三峽大壩的建造使得超過76%的懸浮顆粒和超過75%的顆粒態(tài)磷被截留[7,21]，總磷和顆粒態(tài)磷大量減少。對于溶解態(tài)磷，在高水期水體流動量小，將促進(jìn)溶解態(tài)磷被水庫顆粒吸附和浮游植物吸收。

2.沉積物磷的釋放與沉積

與氮類似，水庫消落帶的產(chǎn)生將在一定程度上加大土壤磷流失[26]，但流失情況小于氮，消落帶沉積物有機(jī)磷和鐵鋁結(jié)合態(tài)磷是主要的磷釋放源[31]。水庫沉積物中總磷含量是泥沙淤積及沉積物中磷吸附-解吸、沉降-再懸浮、溶解-沉淀等多種生物地球化學(xué)反應(yīng)的綜合結(jié)果[32]。在水庫中，吸附大量磷的泥沙(即顆粒態(tài)磷)沉降到庫底后，在水庫復(fù)雜的水體環(huán)境中，這部分泥沙再懸浮，有可能對庫區(qū)水質(zhì)產(chǎn)生影響[33]。盡管目前水庫沉積物中主要為生物不可利用性磷[32]，內(nèi)源磷負(fù)荷相對較低，但是由于蓄水對水庫干流水動力及水環(huán)境的特殊影響，底泥內(nèi)源磷釋放風(fēng)險也有可能隨之升高[34]。

3.水庫支流水體磷變化

在對水庫支流的影響方面，磷比氮受到影響弱[29]，多數(shù)水庫支流中磷為更限制性的營養(yǎng)素，但總體而言支流總磷含量呈上升趨勢[35]。如羅專溪等人對三峽水庫研究表明[36]，在水庫運行初期28.93%的總磷源于干流倒灌輸入；在成庫穩(wěn)定期，支流回水段的磷主要由干流倒灌輸入及支流上游徑流輸入組成，并以干流倒灌輸入為主。冉祥濱[20]和Han等人[37]的研究也表明，干流的逆向頂托是控制支流庫灣水體理化性質(zhì)的主要因素。

4.下游水體磷變化

對大壩下游而言，水庫枯水期下泄清水會破壞河流原本的磷緩沖機(jī)制，使下游出現(xiàn)磷缺乏狀況[7]。但夏季通常處于排水期，此時期間磷排放將超過磷輸入[7]。不考慮人為磷排放，大壩下游的磷來源主要集中在夏季，而夏季汛期水流速度快，幾乎不可能產(chǎn)生磷沉積，直接將水體中磷在遠(yuǎn)離河口的沿海排空，甚至產(chǎn)生沖刷。

四、水域富營養(yǎng)化分析

河流水質(zhì)是陸地與大氣物質(zhì)運輸存儲以及最終生物地球化學(xué)轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化平衡的結(jié)果[11]，而水體富營養(yǎng)化主要受到氮、磷兩種營養(yǎng)鹽循環(huán)的影響。因而在此分析，氮、活性及典型環(huán)境因子對河流水體富營養(yǎng)化的影響，探討建壩后水體富營養(yǎng)化發(fā)生的可能性和潛在影響。

(一)氮、磷營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)分析

營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)常以N/P比值來表示，這是表征水環(huán)境營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)之一[7,11]。根據(jù)經(jīng)典Redfield比值(即當(dāng)藻類接近飽和生長時，其周圍原子比C：N：P=105：16：1)，水體最適合藻類生長的氮磷濃度比為TN:TP=7.2。有研究表明[11]，大壩會攔截水庫上游的磷，使其沉積在水庫底部，且由于攔截作用導(dǎo)致下游小顆粒物減少，潛流交換降低，反硝化作用降低，水中N：P比例升高，初級生產(chǎn)力降低，使得藻類爆發(fā)風(fēng)險升高。

(二)富營養(yǎng)化典型環(huán)境因子影響

對于絕大部分的大型水庫，初級生產(chǎn)者的生物構(gòu)成主要是浮游藻類[11]，浮游藻類的生產(chǎn)的因素包含營養(yǎng)狀況、光照、溫度、透明度、水文條件等。水庫營養(yǎng)物質(zhì)負(fù)荷較大，特別是氮、磷物質(zhì)，我國大部分河道型水庫中氮、磷濃度與國內(nèi)已發(fā)生富營養(yǎng)化現(xiàn)象水庫的氮、磷濃度相近，甚至還要偏高。建壩使庫區(qū)水體懸浮物沉降和水體流速減緩，導(dǎo)致水庫水體透明度升高，利于水體溫度升高和浮游植物生長。因此，在春季氣候轉(zhuǎn)暖、日照充足的條件下水庫營養(yǎng)化時間爆發(fā)潛力將顯著增加。

綜上所述，水庫發(fā)生富營養(yǎng)化主要受水體中的氮磷等營養(yǎng)鹽水平、水文條件、氣候條件等因素影響。富營養(yǎng)化的發(fā)生是多種影響因素的組合，不同水體所需條件不盡相同，河流建壩在一定程度上為某些條件實現(xiàn)提供了可能。

五、結(jié)論

河流建壩蓄水改變了天然河流的物質(zhì)、能量、化學(xué)和生物場，顯著影響了河流生態(tài)系統(tǒng)中氮、磷等生源要素的生物地球化學(xué)行為，進(jìn)而對河流原本氮、磷循環(huán)產(chǎn)生影響。對河流水體中氮的反硝化作用和沉積物埋藏作用，磷的運輸、吸附-解吸附作用以及沉降作用產(chǎn)生顯著影響，導(dǎo)致氮、磷的滯留和水體營養(yǎng)結(jié)構(gòu)的改變。同時蓄水產(chǎn)生的回水頂托作用，導(dǎo)致支流水體氮磷含量增高，富營化風(fēng)險增加。