北海馮家江流域地表水體中氮磷營養鹽的時空分布特征

陳 雯，吳 亞，張宏鑫，劉懷慶

(中國地質調查局武漢地質調查中心，湖北 武漢 430205)

河流是城市生存和發展必不可少的要素[1]，河流水質是城市生態環境和經濟社會發展的綜合體現[2-3]。近年來，在我國城市化進程持續快速發展的背景下，河流污染問題日益突出，已經成為制約經濟社會可持續發展和生態環境建設的重要瓶頸[4]，城市河流水環境治理已成為社會各界關注的焦點問題[1]。農業生產中農藥和化肥的大量使用、工業廢水和生活污水的排放、污染物填埋等造成的大量氮磷類污染物的持續輸入，會遠遠超過河流的自凈能力，一旦河流中氮磷污染物的濃度超過了臨界濃度(總氮為0.2 mg/L、總磷為0.02 mg/L)[5]，將會引發地表水體的富營養化。地表水體的富營養化嚴重威脅著水生態系統安全和飲水安全，是水污染治理的世界性難題[6-9]。科學地評價城市中地表水體的富營養化現狀，對于防治水體污染、開展水體生態修復等工作具有十分重要的現實意義。

馮家江是廣西北海市區唯一的一條內陸河流，具有獨流入海、“上庫下河”結構的特點，是我國南方沿海“庫塘-河流-近海”復合生態系統的典型代表[10]。2016年廣西北海濱海國家濕地公園成立后，馮家江作為國家濕地公園的主體部分，理應保持較高的水環境質量。然而,近年來馮家江周邊村鎮的快速擴張和經濟發展給馮家江流域水環境治理帶來了很大的挑戰。因此，評價馮家江流域水環境質量及其時空變化特征，可為該流域水環境防治提供科學依據，同時將對南方沿海地區的城市河海生態系統的水環境保護具有良好的示范作用。目前已有學者對馮家江流域水環境現狀進行了研究，如王廣軍等[10-11]于2013年和2018年在馮家江流域開展了水質監測工作，結果發現其水質為劣Ⅴ類，地表水體呈富營養化狀態。但從時空變化的角度對馮家江流域地表水體富營養化狀況進行綜合評價分析的研究還鮮見報道。為此，本文通過對馮家江流域地表水體水質進行季節性監測，研究了該流域地表水體中氮磷營養鹽的時空分布特征，評價了地表水體富營養化程度，并對污染源進行了初步分析，以期為馮家江流域水環境保護與管理提供科學依據。

1 研究區概況

馮家江(21°23′～21°29′N、109°09′～109°14′E)位于廣西北海市區南部沿海地區(見圖1)，該地區屬亞熱帶海洋性季風氣候，年均氣溫為22.6℃，年均降雨量為1 751 mm，降雨主要集中在5～10月份，其占全年降雨量的80%以上，年蒸發量為1 166 mm。馮家江屬珠江流域沿海渚河水系，干流全長為6.5 km，水域面積為21 km2。馮家江上游為鯉魚地水庫，中、下游為潮汐河流，每半個月有10 d左右為一日一回潮，其他時間為一日兩回潮[12]，河水由北向南流，在銀灘附近入海。馮家江下游生長有大片紅樹林濕地。

馮家江流域內土地利用類型以農業用地(菜地、羅漢松林)、居住區用地和高位養殖塘為主，三者面積占流域總面積的92%以上。其中，農業用地集中分布在流域上游鯉魚地水庫周邊，其面積占比為14.5%；高位養殖塘集中分布在流域中、下游河流沿岸，其面積占比為26.2%；居住區用地面積占比為51.7%，主要分布在整個流域周邊。

2 樣品采集與測試方法

2.1 樣品采集

根據馮家江的自然形態，在該流域上游鯉魚地水庫庫區及支流、馮家江干流、支流及河口，共設置了14個代表性地表水采樣點(見圖1)，分別于2018年7月(夏季)和2019年1月(冬季)重復采集了兩期地表水樣品。于水面下約0.5 m處采集水樣，將每個水樣分別裝入2個500 mL的聚乙烯水樣瓶中密封保存，其中一瓶水樣中加入適量濃H2SO4調節至水樣pH<2，用于測定水樣中總氮(TN)、總磷(TP)濃度；另一瓶水樣用0.45 μm水系濾膜過濾后用于測定水樣中氨氮(NH3-N)、硝態氮(NO3-N)和可溶活性磷酸鹽(SRP)濃度。

2.2 測試方法

水樣的pH值、溶解氧(DO)、氧化還原電位(Eh)采用多參數水質監測儀(Manta+，USA)現場測試，水樣中其他各項指標采用文獻[13]中的方法進行測定。其中，水樣中總氮(TN)含量采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法測定；水樣中硝態氮(NO3-N)含量采用紫外分光光度法測定；水樣中氨氮(NH3-N)含量采用納氏試劑分光光度法測定；水樣中總磷(TP)含量采用過硫酸鉀氧化-鉬藍比色法測定；水樣中可溶活性磷酸鹽(SRP)含量采用鉬藍比色法測定。上述測試工作在國土資源部長沙資源監督檢測中心完成。

3 研究結果與討論

3.1 馮家江流域地表水體水化學特征

馮家江流域地表水體水化學指標的統計結果，見表1。

由表1可知：馮家江流域地表水體的pH值在調查期間的夏、冬季均大于7，呈弱堿性，其中鯉魚地水庫水體的pH值相對較大；夏、冬季鯉魚地水庫水體中DO含量分別為2.14～14.92 mg/L、4.83～13.46 mg/L，河流水體中DO含量分別為5.36～8.41 mg/L、7.75～10.87 mg/L，水體中DO含量整體偏低，且地表水體中DO含量從夏季到冬季隨溫度的降低而升高，這可能是由于一方面冬季溫度低，地表水中氧氣的溶解度增大，另一方面冬季的低溫抑制了水生生物的耗氧活動，減少了水體中氧氣的消耗；夏、冬季鯉魚地水庫水體的Eh值分別為146.89±82.70 mV、-9.76±106.16 mV，河流水體的Eh值分別為246.76±44.58 mV、158.26±56.71 mV，說明夏季該流域地表水體處于更氧化的環境，這可能與春、夏季節農業活動來源的硝酸鹽輸入有關。

表1 馮家江流域地表水體水化學指標的統計結果

3.2 馮家江流域地表水體中氮磷營養鹽的時空分布特征

氮磷營養鹽是引發河、湖、庫等地表水體發生富營養化的關鍵因素之一，也是河流生態系統中極其重要的生態因子，其以不同形式參與水體中水生植物的生物過程，顯著影響著河流生態系統的生產力[15]。因此，查明河流中氮磷營養鹽的時空變化特征是獲取水污染現狀、評價水環境質量、進行污染物溯源和防治以及河流生態系統修復的前提。

在整個馮家江流域地表水體中TN濃度的均值為8.86 mg/L，近75%的水樣中TN濃度超過國家Ⅴ類水水質標準[14]，TN濃度最大值為38.1 mg/L，是Ⅴ類水水質標準的19.05倍；流域地表水體中TP濃度均值為3.72 mg/L，是Ⅴ類水水質標準的9.3倍，近90%的水樣中TP的濃度超過國家Ⅴ類水水質標準，TP濃度最大值達38.8 mg/L，超過Ⅴ類水水質標準的96倍；流域地表水體中NH3-N濃度均值為5.22 mg/L，是Ⅴ類水水質標準的2.6倍，近60%的水樣中NH3-N濃度超過國家Ⅴ類水水質標準，NH3-N濃度最大值為24.5 mg/L，是Ⅴ類水水質標準的12.25倍；流域地表水體中NO3-N濃度均值為3.04 mg/L，其最大值為28.22 mg/L；流域地表水體中SRP濃度均值為2.55 mg/L，其最大值為23.79 mg/L。

馮家江流域夏、冬季地表水體中氮磷營養鹽濃度對比,見圖2。

圖2 馮家江流域夏、冬季地表水體中氮磷營養鹽濃度對比

由圖2還可知，馮家江流域上游水庫水體中TP、SRP的平均濃度均為夏季低于冬季，流域中、下游河流水體中TP、SRP的平均濃度均為夏季高于冬季。馮家江流域上游水庫水體中磷營養鹽濃度在夏季較低，一方面與雨水的稀釋作用有關，另一方面可能與夏季進入水庫的地表徑流攜帶的懸浮物較多，水體中的磷被吸附于懸浮物表面有關[15]；而流域中、下游河流水體中磷的濃度則與氮類似，表現為夏季高于冬季，可能與面源污染輸入和內源磷釋放有關。

馮家江流域地表水體中氮磷營養鹽濃度的空間分布，見圖3。

由圖3可知：氮磷營養鹽高濃度區主要分布在上游庫區，隨著水流向下流動，到馮家江河口其濃度逐漸減小。這主要是因為：馮家江流域上游水庫水動力條件較差，進入水體的氮磷營養鹽不易擴散、稀釋，而流域中、下游為潮汐河流，漲潮時咸水上溯可以稀釋、帶走部分污染物；流域河口區生長有一大片紅樹林濕地，濕地植物能有效吸收水體中的氮磷營養鹽；此外，沉積物吸附亦可截留部分營養元素。因此，通過潮汐、濕地植物吸收、沉積物吸附等一系列過程，馮家江流域地表水體中的氮磷營養鹽被稀釋、截留，使水體表現出一定程度的自凈作用[22]。

圖3 馮家江流域地表水體中氮磷營養鹽濃度的空間分布

3.3 馮家江流域地表水體富營養化現狀評估

對數型冪函數普適指數公式法廣泛應用于河、湖、庫地表水體富營養化評價[23-24]，其計算公式如下：

(1)

式中:EI為地表水體富營養化評價綜合指數；EIj為指標j的富營養化評價普適指數；Wj為指標j的歸一化權重值；Xj為指標j的規范值。上述四者均為無量綱參數。

基于公式(1)，將各指標視為等權重，以TN、NH3-N、NO3-N、TP和SRP作為評價指標，計算馮家流域地表水體富營養化評價綜合指數EI，其計算結果見圖4。

圖4 馮家江流域地表水體富營養化評價綜合指數(EI)

根據地表水體富營養化程度分級方案[25](見表2)，由圖4可知：馮家江流域夏季地表水體所有采樣點均處于富營養化狀態，其中42.9%的水樣為重富營養化，57.1%的水樣達到極富營養化；與夏季相比，冬季地表水體富營養化狀態有一定程度的改善，達到重富營養化、極富營養化的樣點數量均有所下降，兩者占比分別為14.3%、21.4%，大部分樣點處于富營養化狀態，所占比例為50%，少量樣點為中營養化狀態，占比為14.3%；EI最高值出現在冬季的樣點1-3即鯉魚地水庫馬鞍塘農場支流處，其主要原因是由于該樣點位于養豬場附近，養殖排污造成水體污染，且冬季為枯水期，水體流量減少、流動性差，導致水體中營養物質含量升高，出現極富營養化現象。

表2 地表水體富營養化程度分級方案

氮磷質量比(TN/TP)是地表水體營養結構的關鍵表征，反映了營養物質輸入對水體營養結構的影響。TN/TP變化會改變水體中營養物質限制性特征，對浮游植物的種類和數量具有決定性的作用[26-28]。Piehler等[29]和Guildford等[30]提出了水體中營養物質限制性分類方案，即：當TN/TP≥22.6時，磷為主要限制因素；當TN/TP≤9.0時，氮為主要限制因素；當9.0

圖5 馮家江流域地表水體中氮磷比(TN/TP)的空間分布

由圖5可知：馮家江流域復、冬季地表水體中營養物質限制性特征是氮為主要限制因素，其中夏季地表水體處于氮限制狀態的樣點占比為57.1%，處于磷限制狀態的樣點占比為14.3%，適宜藻類生長的樣點占比為28.6%；冬季地表水體有85.7%的樣點處于氮限制狀態，有14.3%的樣點處于磷限制狀態，沒有適宜藻類生長的樣點。

3.4 馮家江流域地表水體水華爆發風險分析

河流藻類水華的爆發取決于適合的氮磷比、緩慢的水流流速和適宜的氣候3個條件[31]。馮家江流域冬季地表水體主要處于氮限制狀態，且溫度較低，藻類無法正常生長；夏季地表水體部分樣點(4處)適宜藻類生長(見圖5)，占比為28.6%，其中2處樣點位于鯉魚地水庫支流，另外2處樣點位于馮家江支流和河口。位于鯉魚地水庫支流的2處樣點為1-2和1-6，其中樣點1-2是防洪明渠，基本為死水，樣點1-6水體流速緩慢，流速約為0.1～0.15 m/s，這兩處水體流速均小于藻類生長的臨界流速(0.2 m/s)，理論上具備了水華發生的條件，但由于這兩處支流水體濁度大、透明度小，光線的穿透率低，抑制了藻類的光合作用和生長繁殖，因此這兩處支流發生水華現象的風險較低。位于馮家江支流和河口的2處樣點為2-5和2-4，其中樣點2-5受排污的影響使得藻類的生長繁殖受到抑制，樣點2-4為馮家江河口，馮家江作為潮汐河流，由于潮汐作用，河流水動力過程良好，河流流態具有連續性，其干流流速約為0.4～1.5 m/s，遠大于藻類生長的臨界流速，因此該處發生水華現象的風險較低。綜上所述，可認為馮家江流域地表水體大面積爆發水華的風險較低。

由于馮家江流域地表水體大部分樣點都處于氮限制狀態，說明控制馮家江地表水體富營養化進程的關鍵在于控制氮的污染負荷。由于馮家江流域地表水體中氮營養鹽的來源主要與面源污染有關，為了保護河流生態環境，需基于流域上游水庫和中、下游河流水體的環境容量采取以下措施：①加強氮排放的削減力度，嚴格控制流域上游水庫周邊農業及居民生活面源污染進入地表水體；②控制磷營養鹽輸入，防止地表水體營養結構改變為適宜藻類生長繁殖的情況；③重視對流域下游紅樹林濕地的修復。

4 結 論

(1) 監測期間馮家江流域地表水體中TN、TP、NH3-N的濃度均值分別為8.86 mg/L、3.72 mg/L、5.22 mg/L，分別是我國Ⅴ類水水質標準的19.05倍、9.3倍、1.6倍。該流域地表水體中氮、磷濃度呈季節性變化規律，即：全流域地表水體中氮濃度夏季高于冬季；磷濃度在流域上游水庫水體中表現為夏季低于冬季，在流域中、下游河流水體中表現為夏季高于冬季。氮、磷濃度從流域上游水庫到下游河口總體呈下降趨勢。

(2) 馮家江流域地表水體富營養化程度夏季比冬季更加嚴重。其中，夏季地表水體所有樣點均達到重富營養化(42.9%)、極富營養化(57.1%)狀態；冬季地表水體達到重富營養化、極富營養化的樣點數量大幅下降，占比分別為14.3%、21.4%，且50%的樣點處于富營養化狀態，14.3%的樣點處于中營養化狀態。馮家江流域夏季和冬季地表水體總體處于氮限制狀態，不適合藻類大量生長繁殖，形成大面積水華的風險較低。

致謝：本文在撰寫過程中，得到了中國地質調查局武漢地質調查中心陳雙喜、余紹文高級工程師的悉心指導，林榮俊助理工程師參與了野外調查和取樣工作，在此一并表示衷心感謝！