謝林環(huán)，江濤，李銳,唐常源，，陳建耀，曹英杰,劉小波,曾紅平

(1.中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510275;(2.中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510275)

飛來(lái)峽水庫(kù)氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽形態(tài)及分布特征

謝林環(huán)1，江濤1，李銳2,唐常源1，2，陳建耀1，曹英杰2,劉小波1,曾紅平1

(1.中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510275;(2.中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510275)

以飛來(lái)峽水庫(kù)為研究對(duì)象，于2015年6月(豐水期)和12月(枯水期)對(duì)庫(kù)區(qū)內(nèi)9個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行水樣采集。通過(guò)測(cè)定各形態(tài)氮、磷濃度,結(jié)合Spearman相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果和氮磷比，分析水庫(kù)氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽分布特征、結(jié)構(gòu)以及來(lái)源。結(jié)果表明：① 硝酸鹽氮是氮營(yíng)養(yǎng)鹽的主要存在形態(tài)，磷營(yíng)養(yǎng)鹽的主要存在形態(tài)為顆粒磷和溶解態(tài)磷；② 總氮、總磷濃度總體表現(xiàn)分別為豐水期<枯水期和豐水期>枯水期，氮濃度受生活污染影響較大，磷濃度變化具備面源污染特征；③ 氮、磷元素在豐水期具有同源性，枯水期輸入源不完全一致；④ 對(duì)比3條主要入庫(kù)河流(北江干流及滃江、連江等支流)的入庫(kù)通量，枯水期北江總氮通量最大，為1 036.0 g/s，豐水期滃江總氮通量最大，為1 128.4 g/s，豐、枯水期北江總磷通量均最大，分別為85.4和70.3 g/s；⑤ DIN/TP介于4.0～47.1，水庫(kù)屬于磷營(yíng)養(yǎng)限制類型。

氮和磷形態(tài)；Spearman相關(guān)性檢驗(yàn)；氮磷比；飛來(lái)峽水庫(kù)

氮、磷是構(gòu)成水體初級(jí)生產(chǎn)力重要的生源要素，也是造成湖泊、水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵限制因子[1-2]，其賦存形態(tài)和含量制約著水中浮游植物的生長(zhǎng)繁殖[3-7]。亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮和氨氮簡(jiǎn)稱“三氮”，其在水體中的含量及分布特征一直是研究的重點(diǎn)[8-12]。磷元素同樣作為水體富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵因子，其質(zhì)量濃度的變化也會(huì)影響藻類的生長(zhǎng)[13]。蔡龍炎等[14]通過(guò)分析32篇已公開發(fā)表的學(xué)術(shù)論文的湖泊富營(yíng)養(yǎng)化有效監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明我國(guó)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化空間分布特征與我國(guó)磷素和氮磷比的空間變化趨勢(shì)存在密切關(guān)系。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為氮磷比以TN/TP表示[15]，但是不同研究水體得出的比值有很大差異[16-17]。近年來(lái)，文獻(xiàn)[18-19]提出以DIN/TP作為營(yíng)養(yǎng)限制類型的指標(biāo)，當(dāng)DIN/TP從1.5～3.4變化時(shí)，湖泊、水庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)從氮營(yíng)養(yǎng)限制類型轉(zhuǎn)變?yōu)榱谞I(yíng)養(yǎng)限制類型。

隨著人口的增加和社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)水資源供需矛盾逐年加劇，水庫(kù)供水成為緩解城市供水壓力的主要途徑[20]。飛來(lái)峽水庫(kù)作為廣東省北江干流上一座具有可調(diào)控性能的大型水庫(kù)，是珠江三角洲地區(qū)重要的后備水源，承擔(dān)著保障北江下游廣州、佛山、清遠(yuǎn)等城市供水安全的戰(zhàn)略地位，是區(qū)域水資源安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要保障[21]。隨著珠江三角洲地區(qū)產(chǎn)業(yè)向東西兩翼和粵北地區(qū)轉(zhuǎn)移，飛來(lái)峽水庫(kù)流域經(jīng)濟(jì)和社會(huì)得到快速發(fā)展，人口不斷增加，庫(kù)區(qū)流域污染也隨之加大，水庫(kù)水質(zhì)明顯惡化，部分庫(kù)灣出現(xiàn)季節(jié)性藍(lán)藻、甲藻水華現(xiàn)象[22-23]，水庫(kù)水質(zhì)保護(hù)顯得尤為迫切。而目前關(guān)于飛來(lái)峽水庫(kù)氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的研究較少，為此，本研究擬通過(guò)豐水期和枯水期對(duì)水庫(kù)水體的采樣分析，探討水庫(kù)氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽賦存形態(tài)、分布特征、結(jié)構(gòu)及來(lái)源，為水庫(kù)的富營(yíng)養(yǎng)化控制及水資源保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

飛來(lái)峽水庫(kù)地處北江中游，屬典型的河道型水庫(kù)，主要由北江干流及滃江、連江等支流匯入組成。滃江于英德市江頭咀匯入北江，連江于連江口匯入北江。水庫(kù)總庫(kù)容19.04億m3，庫(kù)區(qū)北江干流全長(zhǎng)73 km，壩址位于北江干流清遠(yuǎn)市飛來(lái)峽鎮(zhèn)，控制流域面積34 097 km2，占北江流域面積的73%。水庫(kù)上游回水與白石窯水利樞紐水電站尾水銜接，白石窯水電站是北江干流梯級(jí)開發(fā)中的第三級(jí)，地處英德市望埠鎮(zhèn)獎(jiǎng)家州。

圖1 采樣點(diǎn)分布Fig.1 Location of sampling sites

飛來(lái)峽水庫(kù)流域橫跨清遠(yuǎn)市清城區(qū)以及英德市兩個(gè)縣級(jí)區(qū)，包括飛來(lái)峽鎮(zhèn)、黎溪鎮(zhèn)、連江口鎮(zhèn)、大站鎮(zhèn)、英紅區(qū)、英城街道、望埠鎮(zhèn)、石灰鋪鎮(zhèn)、西牛鎮(zhèn)以及水邊鎮(zhèn)等十個(gè)鎮(zhèn)級(jí)行政區(qū)劃，總面積為2 450 km2，2015年總?cè)丝诩s44萬(wàn)。庫(kù)區(qū)流域內(nèi)除了少量洗礦工業(yè)外，生產(chǎn)活動(dòng)基本以種植、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主。

1.2 樣品采集

以北江干流白石窯獎(jiǎng)家州-飛來(lái)峽水利樞紐河段為主要研究對(duì)象，共設(shè)9個(gè)采樣點(diǎn)(圖1)，其中：B1(白石窯獎(jiǎng)家洲)、B2(英德大橋)、B3(連江口)、B4(大樟庫(kù)彎)、B5(黎溪)、B6(大湖庫(kù)彎)和B7(飛來(lái)峽壩前)采樣點(diǎn)位于北江干流；L1、W1分別為北江干流的一級(jí)支流——連江和滃江的入河口。于2015年豐水期(6月份)和枯水期(12月份)進(jìn)行2次采樣，每個(gè)點(diǎn)位只采集表層0.5 m深的水樣。

1.3 樣品分析與數(shù)據(jù)處理

利用SPSS22.0軟件對(duì)同一水期各形態(tài)營(yíng)養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度進(jìn)行Spearman相關(guān)性分析，并進(jìn)行雙側(cè)顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度基本特征

豐水期水樣DP占TP的比例為0～99.25%，枯水期所占比例為18.33%～97.62%，豐、枯水期DP占TP比例的平均值為55.43%；豐水期水樣PP占TP的比例為0.75%～100%，枯水期所占比例為2.38%～81.67%，豐、枯水期PP占TP比例的平均值為44.57%。枯水期超過(guò)50%的水樣DP占TP的比例大于50%，豐水期超過(guò)50%的水樣PP占TP的比例大于50%，即枯水期DP為TP的主要存在形態(tài)，豐水期PP為TP的主要存在形態(tài)。

2.2 豐、枯水期氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度變化

從豐水期和枯水期各形態(tài)氮、磷質(zhì)量濃度分布(圖2)可以得知：除了中游B3、B5采樣點(diǎn)，其他采樣點(diǎn)TN質(zhì)量濃度表現(xiàn)為豐水期<枯水期。豐水期、枯水期TN平均質(zhì)量濃度分別為1.59和2.03 mg/L,TN質(zhì)量濃度隨著汛期來(lái)水量增加而降低，枯水期總體水質(zhì)較差。TP總體含量較低，除了L1采樣點(diǎn)，其余采樣點(diǎn)TP質(zhì)量濃度均表現(xiàn)為豐水期>枯水期，豐水期、枯水期TP平均質(zhì)量濃度分別為0.14和0.10 mg/L。

TP和TN質(zhì)量濃度在豐、枯水期的不同特征表明水庫(kù)氮、磷元素來(lái)源不完全一致。TN在枯水期有較高的質(zhì)量濃度，說(shuō)明其來(lái)源輸入較穩(wěn)定，揭示了TN受生活污染的影響可能更大。TP質(zhì)量濃度變化具有面源污染的特征，受降雨徑流污染影響較大。研究河段干流下游B5采樣點(diǎn)豐水期TP質(zhì)量濃度最高，其主要原因是PP質(zhì)量濃度較高，PP質(zhì)量濃度與水體中懸浮泥沙含量關(guān)系密切[25],豐水期在暴雨徑流的作用下，流域地表泥沙顆粒被徑流挾帶進(jìn)入庫(kù)區(qū)水體，從而使PP質(zhì)量濃度增加。

2.3 主要入庫(kù)河流氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽通量

外源輸入是水庫(kù)氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的主要來(lái)源，控制入庫(kù)污染物總量，是目前防治庫(kù)區(qū)水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要手段之一，而入庫(kù)污染物通量是外來(lái)點(diǎn)源、非點(diǎn)源污染的綜合表現(xiàn)[26]。利用B1、W1和L1等3個(gè)采樣點(diǎn)氮、磷質(zhì)量濃度測(cè)定值，結(jié)合北江干流白石窯水電站下泄流量及滃江長(zhǎng)湖水庫(kù)壩下、連江高道水文站對(duì)應(yīng)月份流量數(shù)據(jù)，估算飛來(lái)峽水庫(kù)主要入庫(kù)河流TN、TP及其主要營(yíng)養(yǎng)鹽存在形態(tài)的物質(zhì)通量，見表1。

豐水期TN通量呈現(xiàn)滃江>北江>連江，最高值1 128.4 g/s出現(xiàn)在滃江，占主要入庫(kù)河流總?cè)霂?kù)量的36.8%，這主要與滃江氮營(yíng)養(yǎng)鹽濃度較高有關(guān)。滃江下游長(zhǎng)湖水庫(kù)庫(kù)區(qū)內(nèi)有大量的水產(chǎn)養(yǎng)殖和餐飲服務(wù)，造成采樣點(diǎn)W1的氮營(yíng)養(yǎng)鹽濃度較高?？菟赥N通量呈現(xiàn)北江>滃江>連江，最高值1 036.0 g/s出現(xiàn)在北江，占主要入庫(kù)河流總?cè)霂?kù)量的42.2%，這主要與白石窯下泄流量大有關(guān)。

豐水期和枯水期TP通量最高值均出現(xiàn)在北江，分別為85.4和70.3 g/s，占主要入庫(kù)河流總?cè)霂?kù)量的52.9%和52.2%，這主要與白石窯水電站下泄流量較大有關(guān)。

圖2 豐水期、枯水期氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度分布Fig.2 The nitrogen and phosphorus concentration distribution in different water seasons

表1 主要入庫(kù)河流營(yíng)養(yǎng)鹽平均通量Table 1 The average flux of nutrients in main rivers (g·s-1)

2.4 氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽間的相關(guān)性

2.5 氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)

表2 豐水期和枯水期各項(xiàng)因子相關(guān)關(guān)系1)Table 2 Correlationship between nutrients in different seasons

1)**相關(guān)性非常顯著(P<0.01)；*相關(guān)性顯著(P<0.05)

表3 采樣點(diǎn)氮磷相對(duì)豐度DIN/TPTable 3 DIN/TP ratio of different sampling sites

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)飛來(lái)峽水庫(kù)2015年6月(豐水期)和12月(枯水期)水體氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的采樣監(jiān)測(cè)，結(jié)合Spearman相關(guān)性檢驗(yàn)和氮磷比分析，得到以下結(jié)論：

2)TN濃度總體表現(xiàn)為豐水期<枯水期；TP濃度總體表現(xiàn)為豐水期>枯水期。TN濃度主要受生活污水排放的影響，磷濃度變化情況具備面源污染特征。

3)三個(gè)主要入庫(kù)河流中，豐水期滃江TN入庫(kù)通量最大，為1 128.4 g/s，占主要入庫(kù)河流總?cè)霂?kù)量的36.8%；枯水期北江干流TN入庫(kù)通量大，為1 036.0 g/s，占主要入庫(kù)河流總?cè)霂?kù)量的42.2%；豐水期和枯水期TP入庫(kù)通量最大值均為北江干流，分別為85.4和70.3 g/s，占主要入庫(kù)河流總?cè)霂?kù)量的52.9%和52.2%。

4)豐水期氮、磷元素具有同源性，受生活污水排放影響的同時(shí)可能也受到農(nóng)業(yè)面源污染的影響；枯水期氮、磷元素輸入源不完全一致，揭示了氮元素受點(diǎn)源生活污水排放影響可能更大，磷元素可能主要受農(nóng)業(yè)面源污染影響。

5)豐水期、枯水期水樣的DIN/TP在4.0 ～47.1之間，均大于3.4，即飛來(lái)峽水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)為磷營(yíng)養(yǎng)限制類型。

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FormsanddistributionofnitrogenandphosphorusinFeilaixiaReservoir

XIELinhuan1,JIANGTao1,LIRui2,TANGChangyuan1,2,CHENJianyao1,CAOYingjie2,LIUXiaobo1,ZENGHongping1

(1. School of Geography and Planning, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China;(2. School of Environmental Science and Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China)

forms of nitrogen and phosphorus; spearman correlation test; N/P ratio; Feilaixia Reservoir

X524

A

0529-6579(2017)05-0112-07

10.13471/j.cnki.acta.snus.2017.05.015

2016-11-07

國(guó)家自然科學(xué)基金(41371055，41471020)；2015年廣東省水資源節(jié)約與保護(hù)專項(xiàng)基金

謝林環(huán)(1993年生)，女；研究方向水文與水環(huán)境；E-mail：xielh8@mail2.sysu.edu.cn；

江濤(1965年生)，女；研究方向：水文與水環(huán)境;E-mail:eesjt@mail.sysu.edu.cn