阳宗海叶绿素a、磷、氮动态特征及富营养化趋势

李晓铭,李世玉

(1.昆明市环境监测中心,云南昆明 650028;2.云南大学工程技术研究院,云南昆明 650091)

阳宗海叶绿素a、磷、氮动态特征及富营养化趋势

李晓铭1,李世玉2

(1.昆明市环境监测中心,云南昆明 650028;2.云南大学工程技术研究院,云南昆明 650091)

分析2002—2012年阳宗海TN、TP、Chl-a、氮磷比的动态变化特征及相互关系,并用综合营养状态指数法评价阳宗海的富营养化状态。结果表明：阳宗海富营养化呈上升趋势,2007年从之前的贫营养级上升为中营养级；Chl-a、TN、TP浓度在2007年后均呈快速上升趋势。Chl-a浓度与TN、TP浓度呈正相关,且氮磷比越接近阈值16∶1,Chl-a浓度上升就越快。指出若营养盐输入得不到有效控制,预测阳宗海将在2017年前后达到富营养级水平,水质将进一步下降。

富营养化；营养状态指数；氮磷比；阳宗海

尽管国际上关于水体富营养化的研究很多[1-3],但是富营养化至今仍然是一个世界性的水污染难题,也是造成水质性缺水的重要因素[4-7]。我国湖泊众多,湖库总贮水量可达6.38×1011m3,湖泊占城镇饮用水源的50%以上。随着经济的增长,我国湖泊的富营养化现象日趋严重[7-8],水体富营养化控制是我国环境保护亟需攻克的难关,也是解决我国长期水质性缺水的关键对策之一。

磷和氮是富营养化的限制因子[9-12],而评价和辨识富营养化的方法通常是生物反映法,即初级生产力的迅速增加,具体表现在Chl-a含量的迅速上升或大型藻类的增多[1]。Chl-a含量的高低与水体藻的种类、数量等呈正相关,它还反映了水体理化性质的动态变化,因此通常用Chl-a浓度来反映水体富营养化状况[13],即Chl-a浓度可作为富营养化预警的一项重要指标。笔者研究了阳宗海湖泊TN、TP和Chl-a等指标2002—2012年的动态变化特征,分析了Chl-a与TN、TP之间的关系,并用综合营养状态指数法评价了阳宗海的营养状态。

1 方法

1.1 研究区概况

阳宗海(102°5忆～103°02忆E,24°51忆～24°58忆N)是一个平均水深为20m的高原深水湖泊。水面面积31.6km2,海拔1769.90m,流域面积192km2[14]。气温年平均为15.2℃,平均最高21.5℃,平均最低12.4℃,年活动积温5498.1℃。阳宗海属封闭型湖泊,仅有一个出水口——汤池河,出水量受人为控制。流域人口45700人,主要为农村人口,占77.8%。流域主要以农业为主,仅有2家工业企业和3家旅游服务企业,这些企业的废水均不排入湖泊。土地利用类型为林地、耕地、草地、水域和工矿用地,面积分别为84.1 km2、53.1 km2、17.2 km2、31.6 km2、6.0 km2。2010年,流域的森林覆盖率为43.8%(包括林地和灌木林地)。入湖水系主要有阳宗大河和七星河。另外,为解决阳宗海水量不足的问题,1960年由外流域摆依河通过开凿人工渠引水入湖,渠道长2.34 km。研究显示,阳宗海目前正面临着富营养化的威胁[14],不断增加的营养盐负荷正威胁着阳宗海的使用功能。

1.2 采样及测定方法

TN、TP、Chl-a、CODMn等各项目样品采集、保存以及所用主要仪器和试剂按照文献[15]方法进行,透明度(SD)用塞氏盘测定。

1.3 富营养化评价方法

本文选用营养状态指数法对阳宗海水质富营养化进行评价,综合营养状态指数计算公式为

式中：ITL(∑)为综合营养状态指数;Wi为第i种参数的营养状态指数的相关权重;ITL(i)为第i种参数的营养状态指数。

由于至今未见关于权重系数取值的新文献,目前的学者们仍然采用金相灿等[16-18]十多年前提出的参数值,本研究中仍引用此组系数取值[16]：Chl-a：0.266 3,TP：0.187 9,TN：0.179 0,SD：0.183 4, CODMn：0.183 4。Chl-a、TP、TN、SD、CODMn的营养状态指数计算公式[16]分别为

评价级别[17]：ITL(∑)＜30属贫营养;30≤ITL(∑)≤50属中营养;ITL(∑)＞50属富营养,其中50＜ITL(∑)≤60属轻度富营养,60＜ITL(∑)≤70属中度富营养,ITL(∑)＞70属重度富营养。

2 结果

图1 2002—2012年Chl-a、TP、TN质量浓度和氮磷比的动态变化

2.1 Chl-a、TP和TN浓度的动态变化

图1为2002—2012年Chl-a、TP、TN质量浓度和氮磷比的动态变化图,其中矩形框是箱线图的主体,上、中、下3条线分别表示变量值的第75、50、25百分位数,变量的50%的观测值落在这一区域中。Chl-a在2008年开始迅速上升,到2012年这5年间增加了5倍(图1(a));TP在2005年后快速上升,到2009年达到峰值,2009年10月份后开始下降,到2012年又开始上升(图1(b));TN浓度水平一直较高,年平均值均在0.3 mg/L以上,2010年开始上升较明显(图1(c));氮磷比的年际变化见图1(d),在2002—2007年间较高,2008—2009年较低,之后又升高。

2.2 营养状态指数

2002—2012年综合营养状态指数由26.97增加到41.20(图2)。2006年前,湖泊属于贫营养状态,而2007年之后,综合营养状态指数超过30,并呈不断上升趋势,2010年达到40以上,之后还在继续升高。

图2 2002—2012年阳宗海的综合营养状态指数

3 讨 论

3.1 Chl-a、TP和TN及其相互关系

自2008年开始,阳宗海Chl-a浓度迅速升高,同期,TP、TN浓度均不同程度升高(图1),说明水体的富营养化程度加重,水质下降[13]。回归分析表明,Chl-a与TP、TN的浓度均分别呈显著正相关(图3,p＜0.01)。TN和TP的绝对浓度对藻类的生长影响很大,氮磷浓度均比较充足时藻类生长最快[19], Chl-a相应增多。根据Ferreira等[1]的报道,TP、TN均可能造成Chl-a的升高,这两个指标浓度的增加可能会促使藻类密度增加[1],加速富营养化趋势。

图3 Chl-a与TP和TN的相关性

3.2 Chl-a与氮磷比的关系

湖泊水体的氮磷比是判断一个湖泊属氮限制湖泊还是属磷限制湖泊的重要依据,1958年, Redfield[19]提出了氮磷比的阈值为16∶1,高于这个阈值是磷限制,低于这个阈值是氮限制,而接近这个阈值则是氮磷的最佳比例,此时富营养化速度加快。阳宗海氮磷比分析结果表明(图2)：氮磷比在2008年起接近这个阈值,此后一直在这个阈值附近,与Chl-a从2008年起迅速上升的趋势非常吻合。笔者的研究结果再次验证了Redfield的阈值理论：当水体的氮磷比接近16∶1时,藻类生长受限最小,生长最快。而另一些研究[20-21]则表明,TN和TP浓度较低,藻类的生长速率受氮磷比的限制才明显,而藻类生长速度最佳氮磷比因藻的种类差异也不尽相同,中、高氮磷比时微囊藻对颤藻的竞争抑制参数(α)大于颤藻对微囊藻的竞争抑制参数(β),而低氮磷比时则相反[21]。但是,当TN和TP浓度都很高时,藻类的生长很快,这种营养元素的绝对浓度对藻类生长的影响超过了氮磷比的影响,氮磷比对生长速率几乎没影响[20]。

阳宗海氮磷比在2008—2009年间明显降低, 2010年开始又回升。其原因是,2008年6月,阳宗海经历了严重的砷污染,水体中砷的质量浓度一度达到0.13 mg/L峰值。同期观测到水体中TP浓度也明显升高,导致湖水中氮磷比下降。2009年底开始,在湖中喷洒铁盐絮凝剂治理砷污染,砷浓度开始下降,同期观测到水体中TP也明显下降,导致氮磷比从2010年开始回升。这说明除砷的铁盐絮凝剂也同时具有除磷的效果。这还说明,造成阳宗海砷污染的废水具有砷磷同源的特征,这与后来查实污染来自磷化工企业相吻合。

分析图2还发现,正是在阳宗海砷污染事件发生以后,水体中的氮磷比明显下降,接近16∶1的阈值,对于阳宗海湖泊,该阈值是氮磷的最佳比例,导致阳宗海富营养化速度明显加快。

Havens等[22]研究表明,湖泊的入湖污染负荷中氮磷比会影响湖泊水体中的氮磷比值,并表现出相同的趋势。因此,可以通过控制入湖污染负荷的氮磷比来进行湖内氮磷比值的调节。

3.3 营养状态评价

阳宗海综合营养状态指数从2007年起超过30 (图2),标志着阳宗海营养状态从贫营养级进入中营养级,而且处于不断上升的趋势。阳宗海从2006—2007年,富营养化程度明显加重,说明流域营养盐输入大幅增加。这可能与流域内土地利用方式的变化有关。在此期间,流域内种植结构从传统的粮食作物向蔬菜和花卉转变,化肥施用量增加,最终导致营养盐输入负荷增加,湖水中TN、TP浓度上升。如果入湖营养盐负荷不能得到有效控制,按照2007—2012年的发展趋势预测,阳宗海综合营养状态指数将以每年约2.0的速度上升,预计到2017年左右,阳宗海将达到富营养级水平。根据前人的研究[23],湖泊的富营养化状态还与季节有关系,比如太湖流域的小型湖泊,冬、春季处于中营养状态,夏、秋季营养状态略高。同样,许秋瑾等[24]对三峡水库支流的研究也表明：富营养化状态有季节性特点,春、夏季节库区11条支流发生富营养化的风险较高,应为控制库区富营养化发生的敏感时期[24]。

4 结 论

研究了阳宗海2002—2012年Chl-a、TP、TN的动态变化及其相互关系,结果发现2008—2012年这几项指标均呈上升趋势,富营养化程度加重;同时,发现Chl-a与TP、TN的浓度呈正相关。Chl-a的变化受氮磷比距离阈值远近的影响,该研究结论支持和验证了Redfield的阈值理论：当水体的氮磷比接近16∶1时,藻类生长受限最小,生长最快。研究发现,突发砷污染事件很偶然地改变了湖泊的氮磷比,使之接近16∶1,使得富营养化程度加快。

采用综合营养状态指数法分析阳宗海2002—2012年的营养状态,得出2002—2012年阳宗海的营养状态指数呈逐年上升趋势,营养级别从2006年前的贫营养级上升到2007年后的中营养级,而且呈现继续上升趋势。若阳宗海营养盐输入量得不到有效控制,预测阳宗海将在2017年前后将达到富营养级水平,水质将进一步恶化。因此,阳宗海的富营养化问题应及早引起重视。

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Dynamic characteristics of nitrogen,phosphorus,chlorophyll a and eutrophication trend in Yangzonghai Lake

LI Xiaoming1,LI Shiyu2
(1.Environmental Monitoring Center of Kunming,Kunming 650028,China; 2.Research Institute of Engineering and Technology,Yunnan University,Kunming 650091,China)

The dynamic characteristics of total nitrogen(TN),total phosphorus(TP),chlorophyll a(Chl-a),and the N/P ratio,and the correlations between these indices in Yangzonghai Lake from 2002 to 2012 were analyzed. The eutrophication status of the lake was evaluated using the comprehensive nutrition index method.The study results show that the eutrophication level of the lake had an increasing trend.Around the year 2007,the level of the eutrophication increased from a low level to a medium level.The concentrations of Chl-a,TN,and TP showed a rapidly increasing trend after the year 2007.The concentration of Chl-a was positively correlated with the concentrations of TN and TP,and the concentration of Chl-a increased faster as the N/P ratio was close to 16：1.It was found that,if the nutrient salt input cannot be reduced effectively,the lake will be at a eutrophic status around the year 2017,and the water quality will deteriorate further.

eutrophication：trophic level index;N/P ratio;Yangzonghai Lake

X52

A

10046933(2014)04004304

20131109 编辑：徐 娟)

10.3969/j.issn.10046933.2014.04.009

国家自然科学基金(51168047);云南大学校基金(2011YB44)

李晓铭(1960—),男,高级工程师,主要从事环境监测与环境污染控制研究。E-mail：lixiaoming.km@163.com

李世玉,助理研究员。E-mail：lishiyukm@163.com