漢豐湖和高陽湖水體氮磷分布及影響因素研究

劉雙爽 ,袁興中 ,王曉鋒 ,周李磊 (1.重慶大學建筑城規學院,重慶大學三峽庫區消落區生態修復與治理研究中心,重慶 40000；2.重慶大學環境與生態學院,三峽庫區生態環境教育部重點實驗室,重慶 40000；.重慶師范大學地理與旅游學院,長江上游濕地科學研究重慶市重點實驗室,重慶 40000)

城鎮工業及生活污水排放,農業及流域面源污染排放,底泥內源釋放,大氣干濕沉降,水體食物網過程等都對水體氮、磷含量產生影響[1-2].過量的營養負荷影響水中藻類生長,進而導致魚類、浮游生物的死亡,引發水體污染,藍藻水華暴發和生物多樣性下降等,嚴重威脅水生生態系統健康[3-6].國際上一般認為水體 TP＞0.02mg/L, TN＞0.2mg/L 時,易發生富營養化.所以,及時對水體中 TP～TN 濃度進行監測,了解其時空動態變化,對保障水資源安全至關重要[7].

三峽水庫蓄水后,改變了原有河流系統的水文、水動力、營養鹽循環等狀態,導致支流及庫灣發生不同程度的水體富營養化和水華問題[9-18].湖泊富營養化最根本的成因,是營養物質的超負荷輸入,而主要的營養物質是碳、氮和磷[19].三峽水庫在水文過程(人為調蓄)、水體滯留時間、來水方式(異重流影響)等方面與自然湖泊有較大差異,水庫又具有自身的特殊性[20].因此,現有淺水湖泊中氮、磷循環的影響機制難以合理闡釋三峽庫區次級河流回水區段的水華現象.

澎溪河作為三峽水庫的支流[21],包含了峽谷、消落區以及湖庫等各種水文特征的水域.三峽水庫蓄水后,澎溪河流域是庫區 30 余條支流中爆發水華較為頻繁的支流之一[8].了解庫灣的氮磷營養鹽時空特征、影響因素以及養分限制狀態變化,對保持流域生態系統穩定,促使人與環境協調發展,至關重要.漢豐湖位于一個 30萬人口的中型城市內,同時靠近規劃的南水北調工程取水口,因此漢豐湖的水環境狀況與開州城區的生態安全和三峽水庫生態環境安全密切相關.為了解三峽水庫蓄水及漢豐湖調節壩的運行對湖庫氮磷營養鹽的影響以及是否造成漢豐湖和高陽湖水環境具有明顯的差異性,本文于2018年11月～2019年10月對兩湖庫進行了逐月水環境跟蹤采樣研究,分析湖庫各形態氮磷要素時空分布及影響因素,旨在為湖庫形成后對河/庫生源要素生物地球化學過程及相關水生態環境的影響研究提供基礎科學資料.

1 材料與方法

1.1 研究區與樣品采集

漢豐湖(31°11′13″N,108°25′01″E)地處三峽庫區長江左岸一級支流澎溪河上游,是三峽水庫蓄水后在澎溪河開州段形成的獨特的“庫中庫”,水位調節壩下閘蓄水后,夏季維持水位高程 170.28m,冬季高水位175m,是具有代表性的城市人工湖[9].漢豐湖位于開州主城區,屬亞熱帶濕潤季風氣候,多年平均氣溫 18.5℃,平均降水量 1385mm,夏季雨量充沛.高陽湖位于云陽縣境內, 屬亞熱帶季風氣候,為三峽水庫蓄水倒灌澎溪河干流形成的大型湖泊(31°5'48″N,108°40'20″E),地處澎溪河下游永久回水區中部,地勢平坦,具有過水型湖泊環境及水文水力特征.高陽湖在夏季低水位時期平均水深不足 15m,冬季高水位時期平均水深超過 40m,形成了近似"淺水湖泊-深水湖泊"的季節性交替特征[10].根據湖體和支流來水的地理位置特征布設 14個采樣點(如圖1所示),漢豐湖設置 8個樣點, HF1(靠近南河區),HF2(石龍船大橋),HF3(頭道河河口),HF4(東湖郡),HF5(東河河口),HF6(湖中心),HF7文峰塔芙蓉壩)和 HF8(調節壩);高陽湖設置6個采樣點,GY1(湖庫出口),GY2(高陽村庫灣),GY3(湖庫中心),GY4(高陽鎮庫灣),GY5(明月壩庫灣)和 GY6(湖庫入口).研究期間逐月月初采集水樣(2月份未采集),現場采用中垂線分層采樣,記錄水深H,分別在水面以下0.5m, 1/2H和(H?0.5)m三層采樣,取各采水層水樣 1L分裝在聚乙烯瓶中,4℃冷藏帶回實驗室立即進行相關水質指標測定.現場用手持式水深測定儀測定水深(水深), TN、NH4+-N、NO3--N、TP、DTP(Total dissolved phosphorus)采用 FIA-6000+流動注射分析儀測定;葉綠素用 FluoroQuik水體葉綠素 A/藻類熒光測定儀現場測定.現場使用哈希便攜式水質儀(HQ30d)測定水體pH值,氣象數據來源于靠近澎溪河的氣象站(57338,57339,57432),主要包括降水(PRE)和氣溫(AT)數據.

圖1 采樣點位置示意Fig.1 Study area and sampling sites

1.2 數據分析方法

考慮到漢豐湖和高陽湖氮磷濃度在垂直梯度上變化不明顯,忽略深度差異,同一采樣點用上、中、下3層氮磷濃度均值分析.3～5月為春季,6～8月為夏季,9～11月為秋季,12～次年 2月為冬季,通過單因素方差分析比較營養鹽在不同季節的差異性,通過Pearson 相關性分析不同環境因子的相關性,運用主成分分析進一步探討影響兩湖庫營養鹽的主導因素,上述分析均在 IBM SPSS Statisticts24.0和Microsoft Office Excel 2010中實現.

2 結果分析

2.1 湖庫上覆水氮磷營養鹽時間變化

2018～2019年,漢豐湖TN濃度為0.78～2.38㎎/L,均值(1.48±0.54)mg/L[圖 2(a)].2018年11月到2019年4月,TN濃度呈現上升趨勢,5～6月濃度明顯降低,7月TN濃度明顯升高,隨后降低.NO3--N的質量濃度為 0.36～1.43mg/,均值(0.99±0.32)mg/L,變化趨勢與TN一致.NH4+-N質量濃度為0.02～0.53mg/L,除3月和 4 月有小幅升高外,其余月份均呈平穩趨勢.從氮素組成含量來看,NO3--N質量濃度對TN污染貢獻較大.漢豐湖TP濃度為0.03～0.13mg/L,均值(0.07±0.03)mg/L[圖2(b)].TP濃度3月份最高,隨后呈遞減趨 勢.DTP 濃 度 為 0.01～0.09mg/L,均 值(0.04±0.02)mg/L,變化趨勢與 TP基本一致.漢豐湖磷賦存形態變化較大,6～9月溶解態的磷濃度低于顆粒態.

高陽湖氮素變化趨勢與漢豐湖基本一致, TN濃度為 0.57～2.48mg/L,均值(1.34±0.46)mg/L,2018 年 11月～2019年4月,TN質量濃度呈上升趨勢,5～6月濃度降低,7月TN濃度最高.NO3--N的質量濃度變化趨勢與TN基本同步,高陽湖NO3--N質量濃度對TN污染貢獻較大[圖 2(c)].高陽湖水體 TP濃度為 0.03～0.09mg/L,均值(0.05±0.02)mg/L.2019年 7月TP濃度明顯升高,其他月份質量濃度差異不大.DTP質量濃度變化趨勢與TP基本一致,以顆粒態磷為主[圖2(d)].

圖2 漢豐湖與高陽湖上覆水氮磷營養鹽年變化分布Fig.2 Temporal variation of nitrogen and phosphorus in Hanfeng and Gaoyang Lake

2.2 湖庫上覆水氮磷營養鹽空間變化

春季漢豐湖和高陽湖TN含量在空間上具有顯著差異(P=0.039＜0.05)[圖3(a)].漢豐湖TN的含量為1.48～2.61mg/L,靠近南河區水體氮含量最高,東河河口區濃度最低.高陽湖TN的含量為1.28～1.35mg/L,整個湖區濃度差異不大.NH4+-N含量空間差異顯著(P=0.005＜0.05),兩湖 NH4+-N 的含量分別在 0.22～0.63mg/L和0.04～0.08mg/L之間.NO3--N在空間上不存在顯著差異(P=0.093), TP含量空間差異不顯著(P=0.117),兩湖庫DTP含量在空間上具有明顯差異性(P=0.034＜0.05), 漢豐湖磷形態以溶解態為主,高陽湖以顆粒態磷為主.春季漢豐湖總氮濃度高于其他季節,可能與春耕施肥以及三峽蓄水污染物富集有關.漢豐湖氮磷濃度高于高陽湖,可能是隨著水位的波動,高陽湖部分營養鹽流失導致的.

夏季兩湖庫的氮磷營養鹽空間差異不顯著(P＞0.05)[圖3(b)].漢豐湖TN的含量在1.05～1.59mg/L, NO3--N的含量在0.63～0.97mg/L,NH4+-N的含量在 0.02～0.05mg/L.高陽湖 TN 的含量在 1.12～1.40mg/L,NO3--N的含量在 0.71～0.89mg/L,NH4+-N的含量在 0.02～0.06mg/L.夏季漢豐湖 TP的含量在0.02～0.08mg/L,DTP 的含量在 0.01～0.02mg/L,夏季漢豐湖各采樣點磷形態以顆粒態為主.高陽湖TP的含量在0.04～0.06mg/L,DTP的含量在0.01～0.02mg/L,磷形態以顆粒態為主.夏季兩湖氮磷營養鹽濃度主要受暴雨徑流輸入的外源營養物影響,所以兩湖庫氮磷形態及濃度沒有太大差異.

秋季漢豐湖和高陽湖氮磷營養鹽含量不存在統計學差異(P＞0.05),漢豐湖和高陽湖 TN含量分別為 1.19～1.54mg/L 和 1.43～1.47㎎/L 之間[圖 3(c)].漢豐湖 NO3--N 含量為 0.78～1.17mg/L,高陽湖NO3--N含量為0.98～1.09mg/L.漢豐湖NH4+-N的含量為0.06～0.22mg/L,高陽湖NH4+-N的含量為0.04～0.06mg/L.秋季兩湖庫NO3--N占明顯優勢,是N素的主要賦存形態.漢豐湖TP含量介于0.04～0.09mg/L,DTP含量介于0.01～0.03mg/L,磷形態以顆粒態為主.高陽湖 TP含量介于 0.03～0.04mg/L,DTP含量介于0.02～0.03mg/L,磷形態以溶解態為主.

冬季漢豐湖和高陽湖水體NH4+-N含量空間差異性顯著(P=0.008＜0.05),氮磷營養鹽其他形態差異不顯著[圖 3(d)].漢豐湖 TN 含量介于 1.12～1.29mg/L,NO3--N含量介于1.06～1.26mg/L.高陽湖TN含量介于 1.22～1.32mg/L,NO3--N含量介于1.14～1.29mg/L,NO3--N是兩湖 N素的主要賦存形態.漢豐湖 TP含量介于 0.04～0.08mg/L,DTP 含量介于 0.02～0.07mg/L,冬季磷形態以溶解態為主.高陽湖TP含量介于 0.03～0.04mg/L,DTP含量介于 0.01～0.02mg/L,顆粒態磷為主.

圖3 漢豐湖和高陽湖水體氮磷濃度空間分布趨勢Fig.3 Spatial variation characteristic of total nitrogen and total phosphorus in Hanfeng and Gaoyang Lake

NH4+-N濃度升高表明水體近期受到污染,NO3--N濃度升高表明水體曾受到污染但已完成自凈[19].漢豐湖全年水體 NH4+-N 占據一定比例,說明受外源污染影響較大,而春季,秋季和冬季最明顯.高陽湖冬季TN和NO3--N含量略比漢豐湖高,受外源污染較小,主要是湖水自凈的過程.

2.3 湖庫氮磷營養鹽影響因素

表1所示,TN與Chla呈明顯的正相關性,浮游植物生長主要利用溶解態氮,對湖泊氮營養鹽含量產生影響.NO3--N與TOC呈負相關,說明漢豐湖外源污染輸入在一定程度上對浮游動植物的生長具有抑制作用.NH4+-N與TP、DTP和Chla呈明顯的正相關,說明浮游植物對漢豐湖氮磷營養鹽的影響較大.氣象數據對漢豐湖氮磷營養鹽變化無明顯相關性.

表1 漢豐湖環境指標與氮磷相關性分析Table 1 Correlation analysis of environment variables and nitrogen and phosphorus in Hanfeng Lake

表 2所示,由于高陽湖所具有的河流型湖泊特征,水體氮磷營養鹽的主導因素與漢豐湖明顯不同.分析來看,高陽湖氮磷營養鹽濃度變化不受浮游生物生長以及大氣環境的直接影響,推測水位波動及水體滯留時間可能對其產生一定的影響.

表2 高陽湖環境指標與氮磷相關性分析Table 2 Correlation analysis of environment variables and nitrogen and phosphorus in Gaoyang Lake

為進一步探究影響漢豐湖和高陽湖上覆水營養變化的主要影響因子,通過降低原始變量的維數提取主成分,漢豐湖共提取了 3個主成分,高陽湖提取了 4個主成分(表 3).漢豐湖主成分 F1、F2、F3累積的貢獻率達到85.29%,其中F1的貢獻率為38.34%,NH4+-N、TP、DTP所占的比例較大,Chla、TN、NO3--N為次較高因子,能夠反映出水體受營養鹽的影響,同時水體影響浮游植物的生長繁殖,引起水華.主成分F2的貢獻率為26.45%,水深為載荷值較高的負相關因子、AT、pH值為載荷值較高的正相關因子,Chla為次較高因子,說明深度越大,水環境受到的污染越小,AT和pH值共同對水環境作用,影響浮游植物的生長.主成分F3的貢獻率為26.45%,TN/TP、NO3--N為載荷值較高的負相關因子、TOC、PRE值為載荷值較高的正相關因子,說明降雨帶入湖中的有機質增加會一定程度抑制氮的循環.

表3 影響兩湖庫上覆水營養變化的主要因素Table 3 Identification of main influence factors of nutritional changes in water column of the two lakes

高陽湖主成分F1、F2、F3和F4累計貢獻率達到84.33%,其中F1的貢獻率為43.11%, 水深、DTP、NO3--N、TN/TP為載荷值較高的負相關因子、TOC、DOC、AT、PRE、pH值、Chla為載荷值較高的正相關因子,說明水位變動、營養鹽輸入、氣溫變化和降雨共同對高陽湖水體富營養化產生作用.主成分F2的貢獻率為20.34%,TP、TN和NO3--N所占的比例較大,說明氮磷營養鹽對水體產生影響.主成分 F3的貢獻率為13.05%, DTP為載荷值較高的負相關因子、TN/TP值為載荷值較高的正相關因子,Chla、AT為次較高因子,Chla呈負相關,AT呈正相關,說明磷是浮游植物生長的限制因子,氣溫對浮游植物的生長和水環境變化產生影響.主成分 F4的貢獻率為7.83%, DOC、Chla為載荷值較高的正相關因子,說明水環境變化受浮游植物的影響.

3 討論

3.1 漢豐湖和高陽湖氮磷時空分布特征

漢豐湖和高陽湖水體氮素年變化趨勢基本一致,說明水位調節對湖庫水體氮營養鹽的影響不大,主要是氣溫和外源輸入的影響.開州區和云陽縣是典型的農業區縣,耕地面積大,產業結構相似,城鎮生活污水排放和農業面源污染是湖庫氮素主要來源[22-24].春季漢豐湖氮素濃度高于高陽湖,由于春季三峽大壩處在泄水狀態,高陽湖水體流動性強,大量營養元素釋放到下游,而漢豐湖屬于城市內湖,具有明顯的湖泊特性,除受城區人類活動影響外,湖泊本身水體滯留時間比高陽湖長,營養鹽向下游輸送降低,沉降作用增強[25-26].兩湖庫均受徑流影響,隨著春雨徑流的輸送,大量懸浮物攜帶的顆粒態氮進入湖體,春季水華期間生物固氮作用加強,導致水體 TN濃度偏高.冬季漢豐湖氮營養鹽濃度升高,主要是顆粒態氮沉降作用增加,導致氮素濃度升高,與其他研究結果一致[21,28-29].高陽湖冬季氮素濃度升高,可能由于蓄水過程中攜帶的顆粒物進入湖庫引起的.7月份暴雨季節,外源輸入導致漢豐湖和高陽湖TN含量明顯提高[30-31].兩湖庫TN主要以NO3-—N形態為主,污染來自農田徑流、城市污水、城市徑流以及淹沒土壤的釋放[32-33].

漢豐湖和高陽湖水體磷素濃度年變化差異性顯著,漢豐湖 TP濃度春季最高,其他季節差異不大.高陽湖TP濃度夏季最高,春季其次,秋冬季節差異不大,不同季節兩湖庫TP濃度差異不大,漢豐湖入湖河流靠近南河區(HF1、HF2)磷營養鹽濃度明顯高于其他樣點區.漢豐湖是典型的筑壩湖泊,水體磷濃度的變化主要與浮游植物的生長繁殖密切相關.而高陽湖屬于過水性湖泊,水體磷濃度受水位波動的影響較大.漢豐湖春季水體TP濃度高,除受城區居民生活影響和春耕農業面源污染外[34-35],氣溫回升, 浮游植物生長迅速,水華爆發,營養鹽消耗及循環加強,促進內源釋放.漢豐湖TP、DTP呈現出冬春季節升高,夏秋季降低的趨勢,這一研究結果與2018年調節壩正式運行之前,漢豐湖TP濃度呈春夏季升高,秋冬季先降低再升高的趨勢有一定差異[36],可能是漢豐湖夏季水位不再隨三峽水位波動,水體磷元素不斷沉降,導致水體TP含量降低.高陽湖7月份總磷含量增大,主要是暴雨季節沖刷形成地表徑流的影響, TP最主要來源是流域礦質顆粒的輸入[37],夏季雨水沖刷攜帶泥沙中的顆粒態磷進入湖體,使 TP 質量濃度增加.

春季漢豐湖磷形態以溶解態為主,該時期浮游植物生長旺盛,加速了水體磷營養鹽的轉化利用和沉積物磷元素的釋放,調節壩運行增加水體滯留時間,顆粒態磷的沉降增強.春季高陽湖磷形態以顆粒態為主,除了受春耕農業面源污染造成的顆粒態營養物輸入外,還受高陽湖自身水位波動的影響[38-39].夏季降水豐富,暴雨沖刷攜帶的顆粒物大量涌入湖庫,造成漢豐湖和高陽湖磷形態以顆粒態為主.秋季漢豐湖磷形態以顆粒態為主,高陽湖以溶解態為主,可能是成湖之后漢豐湖水體沉降功能減弱,沉降周期增長,外加秋季水上活動項目的增加,外源輸入也產生了一定影響.而高陽湖蓄水過程中增強了河道對顆粒態營養鹽的運輸,而高陽湖呈現的高水位磷以溶解態為主,低水位以顆粒態為主,該結果與其他[40]結論一致.

3.2 漢豐湖和高陽湖氮磷營養鹽的影響因素

PRE對漢豐湖和高陽湖氮磷營養鹽沒有直接影響,推測一方面是因為降雨帶來氮負荷的同時,也對水體氮濃度起到一定的稀釋作用;同時氮營養鹽來源與轉化途徑多樣,包含降雨形成的地表徑流、大氣沉降帶來的氮負荷,而微生物引起的反硝化作用將從水生態去除大量氮[39,42-45];另一方面可能是降雨帶來的影響是瞬間暫時性的,而每月監測時段錯過了降雨所帶來的影響.

氣溫(AT)對漢豐湖和高陽湖氮磷營養鹽同樣不存在直接的影響,但氣溫可以通過熱量交換及輻射等方式改變水溫,水溫的變化會對水體離子之間的反應速度、浮游生物的組成、初級生產力及污染物的擴散等產生影響,進而影響到水質[46].

漢豐湖氮磷營養鹽濃度變化與 Chla密切相關,說明水體氮磷濃度對浮游植物生長產生影響的同時,浮游植物對可溶性營養鹽的吸收、轉換作用,對氮磷營養鹽也造成不同程度的影響[27-28].漢豐湖作為城市內湖,城鎮居民生活污水的排放對水體造成的影響不容忽視.農業面源污染,地表徑流沖刷攜帶的顆粒物對營養鹽的吸附都會對水體氮磷濃度造成不同程度的影響[33,38-40].

高陽湖氮磷濃度的變化,與 Chla沒有直接的相關性.除了人類生產生活對水體氮磷濃度產生影響外[47,18-19,24,26,42-43],水位波動以及水體滯留時間可能是主要影響因素.有研究表明,澎溪河回水區的TN、TP等營養鹽濃度主要受水土流失和長江水質的共同作用[48].此外,水體滯留時間對湖庫營養鹽的自然過程(如反硝化、沉積和下游輸出)起著關鍵作用[48-50].

4 結論

4.1 2018年～2019年,漢豐湖 TN 濃度為 0.78～2.38mg/L, TP濃度為0.03～0.13mg/L;高陽湖TN濃度為 0.57～2.48mg/L,TP 濃度為 0.03～0.09mg/L ,兩湖庫全年較易發生富營養化.漢豐湖全年磷賦存形態變化較大.高陽湖磷形態以顆粒態為主.兩湖庫 TN 主要以NO3--N形態為主,污染來自農田徑流、城市污水、城市徑流以及淹沒土壤的釋放

4.2 漢豐湖和高陽湖水體氮營養鹽濃度年變化趨勢一致,說明主要受外源輸入和降水的影響.而不同季節氮形態差異顯著,說明氣溫和浮游植物的生長繁殖對水體氮形態和濃度產生影響.高陽湖水體磷濃度隨水位的調節波動性顯著,說明水位調節對磷循環具有更直接的影響.

4.3 漢豐湖氮磷濃度與水體Chla含量密切相關,浮游植物對可溶性營養鹽的吸收、轉換作用,對湖泊氮磷營養鹽也造成不同程度的影響.此外,漢豐湖氮磷營養鹽還與農田耕種及地表徑流沖刷攜帶的顆粒物有關.水位調節、降雨和浮游植物生長對高陽湖水體氮磷濃度產生影響,水位波動以及水體滯留時間可能是高陽湖氮磷營養鹽濃度變化的主要影響因素.

致謝：本實驗的現場采樣工作由張躍偉、武帥楷及重慶師范大學龔小杰、劉歡、劉婷婷、孔維葦等協助完成,龔小杰、劉婷婷、王芳、扈玉興對室內實驗分析提供一定幫助,一并深表感謝.