白洋淀水體氮、磷和重金屬的變化特征及影響因素

趙黔偉，汪敬忠,2,，魏 浩，李金濤，張益淼

(1.河北地質(zhì)大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，河北 石家莊 050031；2.河北地質(zhì)大學(xué) 河北省高校生態(tài)環(huán)境地質(zhì)應(yīng)用 技術(shù)研發(fā)中心，河北 石家莊 050031；3.河北地質(zhì)大學(xué) 實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)中心，河北 石家莊 050031)

1 研究背景

白洋淀濕地是中國(guó)北方最具典型性的、最大的淡水湖型濕地，其流域總面積約366 km2，主體位于安新縣境內(nèi)，湖區(qū)內(nèi)部具有淀中有村，村中有淀，溝壕相連的獨(dú)特地貌特征，自2017年成立雄安新區(qū)后，濕地的生態(tài)環(huán)境建設(shè)變得尤為關(guān)鍵[1-2]。然而，白洋淀上游和周邊地區(qū)經(jīng)濟(jì)近年來迅速發(fā)展，作為重要補(bǔ)給水源的府河、唐河、孝義河、潴龍河以及白溝引河等受到不同程度的工農(nóng)業(yè)污染，其中府河污染最為嚴(yán)重，早在1960年后就成為上游保定市工業(yè)廢水和生活污水排污、納污的河流[3-4]，這直接導(dǎo)致淀內(nèi)水質(zhì)惡化、富營(yíng)養(yǎng)化及重金屬污染等問題日漸嚴(yán)重。此外，湖區(qū)村莊人口數(shù)量也不斷上升，留守人口約10萬(wàn)人[5]，濕地正面臨著收縮、干涸等環(huán)境問題[6-7]。

迄今，在白洋淀湖水水質(zhì)污染、水體富營(yíng)養(yǎng)化及驅(qū)動(dòng)因素方面已有一定的研究成果。如張婷等[8]認(rèn)為1973-2007年白洋淀水質(zhì)惡化在空間上呈現(xiàn)的差異性主要受入淀水量、流域工農(nóng)業(yè)發(fā)展及人口數(shù)量增長(zhǎng)的影響，之后得到Zhuang等[3]的證實(shí)；Zhao等[9]指出白洋淀水體中的主要污染物是氮和磷，湖泊已處于富營(yíng)養(yǎng)化或超富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)；高楠楠等[10]發(fā)現(xiàn)白洋淀水體富營(yíng)養(yǎng)化程度西高東低，差異顯著；王珺等[11]認(rèn)為控制府河含氮污染物可以有效地緩解白洋淀富營(yíng)養(yǎng)化狀況；Han等[12]認(rèn)為2006-2016年人類活動(dòng)導(dǎo)致白洋淀水質(zhì)變化的比重大于自然因素。但是將白洋淀水體的水化學(xué)類型、營(yíng)養(yǎng)鹽(總氮、總磷)和重金屬相結(jié)合，并運(yùn)用數(shù)學(xué)方法揭示其時(shí)空分布規(guī)律方面少有研究。由此，利用白洋淀湖水中離子、營(yíng)養(yǎng)鹽和重金屬濃度的變化，分析其水化學(xué)類型，展示他們的空間特征，并在前人的研究基礎(chǔ)上分析2000-2019年來湖水中總氮和總磷的變化趨勢(shì)，利用多元統(tǒng)計(jì)方法揭示他們的時(shí)空變化規(guī)律，為白洋淀濕地水質(zhì)的質(zhì)量管理、控制流域污染源以及雄安新區(qū)的生態(tài)文明建設(shè)提供相關(guān)資料和參照，具有重要的實(shí)際價(jià)值和科學(xué)意義。

2 材料與方法

2.1 樣品獲取與測(cè)試

依據(jù)淀內(nèi)國(guó)家控制點(diǎn)[8]、河流入淀的位置及淀內(nèi)居民地的分布情況[10]，2018和2019年7月選擇湖區(qū)的9個(gè)位點(diǎn)作為研究對(duì)象，包括南劉莊(B1)、燒車淀(B2)、端村(B3)、圈頭(B4)、東淀(B5)、光淀張莊(B6)、王家寨(B7)、棗林莊(B8)和采蒲臺(tái)(B9)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用HORIBA便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀測(cè)定湖水的pH和溶解性總固體(total dissolved solids,TDS)，運(yùn)用水質(zhì)采樣器在深度0.5 m 采集代表位點(diǎn)的湖泊水樣，白洋淀湖水采樣點(diǎn)空間分布見圖1。

圖1 白洋淀湖水采樣點(diǎn)空間分布

2.2 數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用ArcGIS 10.2 軟件繪制白洋淀濕地9個(gè)位點(diǎn)的空間分布；采用GW_Chart軟件繪制水化學(xué)Piper圖；利用R-3.6.1和SPSS 17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，包括相關(guān)性分析和聚類分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 水體理化指標(biāo)含量的變化特征

2018-2019年白洋淀湖水理化指標(biāo)的含量變化特征見表1。由表1可見，2018年湖水中pH值為8.88，TDS、TN和TP(total phosphorus)平均值分別為627.23、2.46和0.16 mg/L，其中TN高于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)V類水質(zhì)限值，約是其1.2倍，2019年TN含量顯著下降，但平均值仍高于V類水質(zhì)限值。2019年湖水中重金屬平均數(shù)值與2018年相比有所下降，但各重金屬指標(biāo)仍高于V類水質(zhì)限值，其中2018年Cd和Cr平均值為0.02和2.40 mg/L，分別為V類水質(zhì)限值的20倍和24 倍；2018和2019年P(guān)b平均值分別為0.41和0.39 mg/L，分別為V類水質(zhì)限值的4.1倍和3.9倍。

表1 2018-2019年白洋淀水體理化指標(biāo)的含量變化

Piper圖是一種對(duì)水樣進(jìn)行分類的圖示方法，指示水體總的化學(xué)性質(zhì)，并用陰、陽(yáng)離子濃度表示水體的相對(duì)成分[13-15]。2018年白洋淀各采樣點(diǎn)湖水主要離子的Piper三線圖見圖2，結(jié)果表明白洋淀湖水主要水化學(xué)類型為 HCO3-Ca·Mg，而南劉莊(B1)和王家寨地區(qū)(B7)水化學(xué)類型為SO4·Cl-Ca·Mg。

圖2 2018年白洋淀各采樣點(diǎn)湖水主要離子的Piper三線圖

3.2 水體元素的空間變化特征

2018和2019年白洋淀湖水各元素含量的空間分布見圖3。由圖3可看出，2018和2019年白洋淀湖水營(yíng)養(yǎng)鹽和重金屬的空間變化較小，其中湖水營(yíng)養(yǎng)鹽TN和TP在南劉莊(B1)、端村(B3)和王家寨(B7)地區(qū)相對(duì)較高，南劉莊(B1)地區(qū)TN和TP最高，兩年平均值分別為2.65和0.32 mg/L，而南部的采蒲臺(tái)(B9)地區(qū)含量最低，兩年平均值分別為1.69和0.045 mg/L；湖水重金屬在南劉莊(B1)和王家寨(B7)地區(qū)較高，同樣在采蒲臺(tái)(B9)地區(qū)數(shù)值最小。2018和2019年白洋淀湖水營(yíng)養(yǎng)鹽和重金屬空間上整體均呈現(xiàn)為西部地區(qū)高，東南地區(qū)低的特征。

圖3 2018和2019年白洋淀湖水各元素含量的空間分布

4 討 論

4.1 2000-2019年白洋淀湖水總氮(TN)和總磷(TP)的變化特征及原因

圖4為2000-2019年白洋淀湖水TN和TP濃度變化及相關(guān)性分析結(jié)果，在數(shù)據(jù)處理上，引用各年份同一季度(夏季)湖泊水體氮、磷濃度數(shù)值，并利用相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和整合，得到整個(gè)湖區(qū)水體氮、磷濃度的平均值。圖4(a)表明，2000-2019年TN和TP濃度平均值分別為3.78和0.24 mg/L，兩者呈現(xiàn)波動(dòng)性變化特征，但變化趨勢(shì)有所差異，其中TN濃度在2008、2014及2015年顯著增高，而TP在2003和2010年的濃度值較高，但2016年后TN和TP濃度總體均表現(xiàn)出下降趨勢(shì)。

研究表明，2000-2019年區(qū)域溫度逐漸上升，降雨量減少，特別是2014年的厄爾尼諾事件導(dǎo)致白洋淀的干涸狀況愈加嚴(yán)重，再加上農(nóng)業(yè)灌溉和上游水利工程建設(shè)，進(jìn)一步導(dǎo)致總徑流量顯著減少，淀內(nèi)水位降低，甚至出現(xiàn)干淀現(xiàn)象[6,21]。在土地利用方面，2000-2008年，天然濕地面積進(jìn)一步減小，與2000年相比，2008年在保持原有耕地面積的基礎(chǔ)上，流域約39.2%的河流和27.5%的沼澤轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)業(yè)耕地[6,22]。2016-2019年隨著區(qū)域生態(tài)環(huán)境治理工作的開展，淀內(nèi)水位升高，水量增大，且周邊工農(nóng)業(yè)和生活污水排放得到有效控制，流入淀內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量減少[12,20]，使得淀內(nèi)TN和TP濃度顯著降低。因此，近20年來湖水氮磷變化受氣候和人類活動(dòng)的雙重影響。另外，通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)近20年來TN和TP的相關(guān)性較低(圖4(b))，Pearson系數(shù)r=0.286 1(n=12)，說明人類活動(dòng)的作用方式或者來源方面可能存在差異。

圖4 2000-2019年白洋淀湖水TN和TP濃度變化及相關(guān)性分析(相關(guān)數(shù)值引自參考文獻(xiàn)[9]、[16-20])

4.2 白洋淀湖水營(yíng)養(yǎng)鹽和重金屬空間變化的影響因素

4.2.1 各元素相關(guān)性分析 由于2018和2019年白洋淀湖水營(yíng)養(yǎng)鹽和重金屬空間分布差異較小(圖3)，將這兩年的各元素?cái)?shù)據(jù)平均后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，應(yīng)用R-3.6.1 for windows 軟件對(duì)上述處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，得出的相關(guān)性分析矩陣見圖5。由圖5可見，湖水中的TDS、Cd、Cu、Ni、Pb及Zn之間具有相關(guān)性(P<0.05)，表明有相似的來源；營(yíng)養(yǎng)鹽TN與TP之間無明顯相關(guān)性，這與歷史時(shí)期的研究結(jié)果相同，說明在時(shí)間和空間變化上兩者的來源均存在差異；除TP與Zn之間有顯著的相關(guān)性(P<0.01)外，營(yíng)養(yǎng)鹽與重金屬之間均無明顯的相關(guān)性；另外，Cr與其他參數(shù)也無明顯相關(guān)性。

圖5 白洋淀湖水理化參數(shù)的相關(guān)性分析矩陣(2018和2019年平均數(shù)據(jù))

4.2.2 系統(tǒng)聚類分析 為進(jìn)一步探討湖水中營(yíng)養(yǎng)鹽和重金屬空間變化的影響因素及規(guī)律，根據(jù)2018和2019年白洋淀湖水各元素的平均含量，對(duì)淀內(nèi)水體各采樣點(diǎn)及各元素進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析，結(jié)果見圖6。由圖6(a)可見，各采樣點(diǎn)在組間平均距離為“10”處，主要分為兩大類，其中燒車淀(B2)、端村(B3)、圈頭(B4)、東淀(B5)、光淀張莊(B6)、棗林莊(B8)及采蒲臺(tái)(B9)分布在同一樹簇上；而南劉莊(B1)和王家寨(B7)分布在另一樹簇上，水化學(xué)類型(SO4·Cl-Ca·Mg)有別于其他地區(qū)(圖2)，且在空間上，該兩個(gè)區(qū)域2018和2019年湖水營(yíng)養(yǎng)鹽和重金屬含量均高于淀內(nèi)其他地區(qū)(圖3)，與張婷等[8]的研究結(jié)果一致。依據(jù)白洋淀流域主要補(bǔ)給水源的入淀口位置及影響范圍來看，府河攜帶的污染物質(zhì)是影響白洋淀西部地區(qū)湖水營(yíng)養(yǎng)鹽和重金屬含量空間變化的主要因素。

圖6 白洋淀水體各采樣點(diǎn)及各元素的系統(tǒng)聚類分析(2018和2019年平均數(shù)據(jù))

淀內(nèi)東南部地區(qū)，尤其是南部的采蒲臺(tái)為靜水區(qū)，受區(qū)域河流影響較小，使得湖水中的元素含量相對(duì)較低。由圖6(b)可見，同樣在組間平均距離為“10”處，元素Cu、Ni、Zn及Cd在同一樹簇上，與前述相關(guān)性分析(圖4)的結(jié)果吻合，說明這4種重金屬具有共同的來源，且經(jīng)上述分析可知，污染物主要來自府河。但湖水Pb、TP、TN及Cr分布在不同的樹簇上，表明這些元素在空間上存在變異，除受到白洋淀流域河流影響外，由于淀內(nèi)本身淀-村相間的特點(diǎn)，湖內(nèi)不同地區(qū)的點(diǎn)源污染也是元素空間變異不可忽略的重要因素，這也與沉積物中TN、TP、Pb及Cr的變化規(guī)律一致[23]。

自20世紀(jì)60年代以來保定市工業(yè)廢水和生活污水就開始通過府河排入白洋淀內(nèi)[1,4]。Zhuang等[3]、張婷等[8]認(rèn)為上游保定市的人口及經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)湖區(qū)水質(zhì)的影響最為顯著；胡國(guó)成等[24]發(fā)現(xiàn)作為重要補(bǔ)給水源的府河與白洋淀的重金屬污染具有類似的污染源，流域的工業(yè)廢水和生活污水是淀內(nèi)重金屬污染的主要來源；之后被汪敬忠等[23]證實(shí)。王珺等[11]對(duì)府河水體進(jìn)行δ15N示蹤研究，認(rèn)為保定市產(chǎn)生的污廢水是其氮污染物的主要來源，而流域內(nèi)農(nóng)業(yè)活動(dòng)的影響較小。據(jù)此，由府河進(jìn)入淀內(nèi)的污染物是白洋淀湖水氮、磷和重金屬的主要來源，也是影響湖泊污染物空間變異的主要因素，與本研究利用統(tǒng)計(jì)方法得到的結(jié)論吻合(圖5和6)。此外，目前白洋淀內(nèi)部有39個(gè)純水村，人口超10萬(wàn)，主要從事養(yǎng)殖、種植、旅游開發(fā)等經(jīng)濟(jì)活動(dòng)[2]。Zhao等[9]認(rèn)為河流攜帶的污染物以及區(qū)域生活污水、村莊廢棄物和畜牧業(yè)是影響湖泊氮、磷的重要因素；張浩等[5]采用 GIS 技術(shù)，發(fā)現(xiàn)汛期后湖水NH3-N 和 TP 污染嚴(yán)重地區(qū)主要分布在淀內(nèi)村落周邊。因此，淀內(nèi)村莊的生活污水、家禽漁業(yè)養(yǎng)殖排放、旅游業(yè)及廢物溶淋等[2,25]對(duì)湖水營(yíng)養(yǎng)鹽和重金屬含量的時(shí)間和空間變化的影響也需重視，特別是上述討論的N、P、Pb及Cr。

5 結(jié) 論

(1)2018年白洋淀湖水主要水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Mg，而淀內(nèi)南劉莊和王家寨地區(qū)為SO4·Cl-Ca·Mg；2018和2019年湖水中的TN、Cd、Cr、Cu、Pb及Zn平均值均高于V類水質(zhì)限值。

(2)2000-2019年，白洋淀湖水TN和TP的平均濃度呈現(xiàn)波動(dòng)性下降的趨勢(shì)，但兩者無明顯相關(guān)性，主要受氣候和人類活動(dòng)的雙重影響。

(3)白洋淀湖水營(yíng)養(yǎng)鹽和重金屬空間上整體呈現(xiàn)為西部地區(qū)高、東南地區(qū)低的特征。相關(guān)性和系統(tǒng)聚類分析進(jìn)一步證實(shí)，府河攜帶的污染物質(zhì)是白洋淀湖水營(yíng)養(yǎng)鹽及重金屬的主要來源，也是影響其空間變化的主要因素，但淀內(nèi)不同地區(qū)的人類活動(dòng)的影響也不可忽視，尤其是對(duì)N、P、Pb和Cr的影響。