飞来峡水库氮磷营养盐形态及分布特征

2017-11-07谢林环江涛李锐唐常源陈建耀曹英杰刘小波曾红平

中山大学学报(自然科学版)(中英文) 2017年5期

关键词：北江丰水期营养盐

谢林环，江涛，李锐,唐常源，，陈建耀，曹英杰,刘小波,曾红平

(1.中山大学地理科学与规划学院，广东广州 510275;(2.中山大学环境科学与工程学院，广东广州 510275)

飞来峡水库氮磷营养盐形态及分布特征

谢林环1，江涛1，李锐2,唐常源1，2，陈建耀1，曹英杰2,刘小波1,曾红平1

(1.中山大学地理科学与规划学院，广东广州 510275;(2.中山大学环境科学与工程学院，广东广州 510275)

以飞来峡水库为研究对象，于2015年6月(丰水期)和12月(枯水期)对库区内9个采样点进行水样采集。通过测定各形态氮、磷浓度,结合Spearman相关性检验结果和氮磷比，分析水库氮、磷营养盐分布特征、结构以及来源。结果表明：① 硝酸盐氮是氮营养盐的主要存在形态，磷营养盐的主要存在形态为颗粒磷和溶解态磷；② 总氮、总磷浓度总体表现分别为丰水期<枯水期和丰水期>枯水期，氮浓度受生活污染影响较大，磷浓度变化具备面源污染特征；③ 氮、磷元素在丰水期具有同源性，枯水期输入源不完全一致；④ 对比3条主要入库河流(北江干流及滃江、连江等支流)的入库通量，枯水期北江总氮通量最大，为1 036.0 g/s，丰水期滃江总氮通量最大，为1 128.4 g/s，丰、枯水期北江总磷通量均最大，分别为85.4和70.3 g/s；⑤ DIN/TP介于4.0～47.1，水库属于磷营养限制类型。

氮和磷形态；Spearman相关性检验；氮磷比；飞来峡水库

氮、磷是构成水体初级生产力重要的生源要素，也是造成湖泊、水库富营养化的关键限制因子[1-2]，其赋存形态和含量制约着水中浮游植物的生长繁殖[3-7]。亚硝酸盐氮、硝酸盐氮和氨氮简称“三氮”，其在水体中的含量及分布特征一直是研究的重点[8-12]。磷元素同样作为水体富营养化的关键因子，其质量浓度的变化也会影响藻类的生长[13]。蔡龙炎等[14]通过分析32篇已公开发表的学术论文的湖泊富营养化有效监测数据，结果表明我国湖泊富营养化空间分布特征与我国磷素和氮磷比的空间变化趋势存在密切关系。传统观点认为氮磷比以TN/TP表示[15]，但是不同研究水体得出的比值有很大差异[16-17]。近年来，文献[18-19]提出以DIN/TP作为营养限制类型的指标，当DIN/TP从1.5～3.4变化时，湖泊、水库生态系统从氮营养限制类型转变为磷营养限制类型。

随着人口的增加和社会、经济的发展，我国水资源供需矛盾逐年加剧，水库供水成为缓解城市供水压力的主要途径[20]。飞来峡水库作为广东省北江干流上一座具有可调控性能的大型水库，是珠江三角洲地区重要的后备水源，承担着保障北江下游广州、佛山、清远等城市供水安全的战略地位，是区域水资源安全和经济社会可持续发展的重要保障[21]。随着珠江三角洲地区产业向东西两翼和粤北地区转移，飞来峡水库流域经济和社会得到快速发展，人口不断增加，库区流域污染也随之加大，水库水质明显恶化，部分库湾出现季节性蓝藻、甲藻水华现象[22-23]，水库水质保护显得尤为迫切。而目前关于飞来峡水库氮、磷营养盐的研究较少，为此，本研究拟通过丰水期和枯水期对水库水体的采样分析，探讨水库氮、磷营养盐赋存形态、分布特征、结构及来源，为水库的富营养化控制及水资源保护提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

飞来峡水库地处北江中游，属典型的河道型水库，主要由北江干流及滃江、连江等支流汇入组成。滃江于英德市江头咀汇入北江，连江于连江口汇入北江。水库总库容19.04亿m3，库区北江干流全长73 km，坝址位于北江干流清远市飞来峡镇，控制流域面积34 097 km2，占北江流域面积的73%。水库上游回水与白石窑水利枢纽水电站尾水衔接，白石窑水电站是北江干流梯级开发中的第三级，地处英德市望埠镇奖家州。

图1 采样点分布Fig.1 Location of sampling sites

飞来峡水库流域横跨清远市清城区以及英德市两个县级区，包括飞来峡镇、黎溪镇、连江口镇、大站镇、英红区、英城街道、望埠镇、石灰铺镇、西牛镇以及水边镇等十个镇级行政区划，总面积为2 450 km2，2015年总人口约44万。库区流域内除了少量洗矿工业外，生产活动基本以种植、畜禽养殖、水产养殖等农业生产为主。

1.2 样品采集

以北江干流白石窑奖家州-飞来峡水利枢纽河段为主要研究对象，共设9个采样点(图1)，其中：B1(白石窑奖家洲)、B2(英德大桥)、B3(连江口)、B4(大樟库弯)、B5(黎溪)、B6(大湖库弯)和B7(飞来峡坝前)采样点位于北江干流；L1、W1分别为北江干流的一级支流——连江和滃江的入河口。于2015年丰水期(6月份)和枯水期(12月份)进行2次采样，每个点位只采集表层0.5 m深的水样。

1.3 样品分析与数据处理

利用SPSS22.0软件对同一水期各形态营养盐质量浓度进行Spearman相关性分析，并进行双侧显著性检验。

2 结果与讨论

2.1 氮、磷营养盐质量浓度基本特征

丰水期水样DP占TP的比例为0～99.25%，枯水期所占比例为18.33%～97.62%，丰、枯水期DP占TP比例的平均值为55.43%；丰水期水样PP占TP的比例为0.75%～100%，枯水期所占比例为2.38%～81.67%，丰、枯水期PP占TP比例的平均值为44.57%。枯水期超过50%的水样DP占TP的比例大于50%，丰水期超过50%的水样PP占TP的比例大于50%，即枯水期DP为TP的主要存在形态，丰水期PP为TP的主要存在形态。

2.2 丰、枯水期氮、磷营养盐质量浓度变化

从丰水期和枯水期各形态氮、磷质量浓度分布(图2)可以得知：除了中游B3、B5采样点，其他采样点TN质量浓度表现为丰水期<枯水期。丰水期、枯水期TN平均质量浓度分别为1.59和2.03 mg/L,TN质量浓度随着汛期来水量增加而降低，枯水期总体水质较差。TP总体含量较低，除了L1采样点，其余采样点TP质量浓度均表现为丰水期>枯水期，丰水期、枯水期TP平均质量浓度分别为0.14和0.10 mg/L。

TP和TN质量浓度在丰、枯水期的不同特征表明水库氮、磷元素来源不完全一致。TN在枯水期有较高的质量浓度，说明其来源输入较稳定，揭示了TN受生活污染的影响可能更大。TP质量浓度变化具有面源污染的特征，受降雨径流污染影响较大。研究河段干流下游B5采样点丰水期TP质量浓度最高，其主要原因是PP质量浓度较高，PP质量浓度与水体中悬浮泥沙含量关系密切[25],丰水期在暴雨径流的作用下，流域地表泥沙颗粒被径流挟带进入库区水体，从而使PP质量浓度增加。

2.3 主要入库河流氮、磷营养盐通量

外源输入是水库氮、磷营养盐的主要来源，控制入库污染物总量，是目前防治库区水体富营养化的重要手段之一，而入库污染物通量是外来点源、非点源污染的综合表现[26]。利用B1、W1和L1等3个采样点氮、磷质量浓度测定值，结合北江干流白石窑水电站下泄流量及滃江长湖水库坝下、连江高道水文站对应月份流量数据，估算飞来峡水库主要入库河流TN、TP及其主要营养盐存在形态的物质通量，见表1。

丰水期TN通量呈现滃江>北江>连江，最高值1 128.4 g/s出现在滃江，占主要入库河流总入库量的36.8%，这主要与滃江氮营养盐浓度较高有关。滃江下游长湖水库库区内有大量的水产养殖和餐饮服务，造成采样点W1的氮营养盐浓度较高。枯水期TN通量呈现北江>滃江>连江，最高值1 036.0 g/s出现在北江，占主要入库河流总入库量的42.2%，这主要与白石窑下泄流量大有关。

丰水期和枯水期TP通量最高值均出现在北江，分别为85.4和70.3 g/s，占主要入库河流总入库量的52.9%和52.2%，这主要与白石窑水电站下泄流量较大有关。

图2 丰水期、枯水期氮、磷营养盐质量浓度分布Fig.2 The nitrogen and phosphorus concentration distribution in different water seasons

表1 主要入库河流营养盐平均通量Table 1 The average flux of nutrients in main rivers (g·s-1)

2.4 氮、磷营养盐间的相关性

2.5 氮、磷营养盐结构

表2 丰水期和枯水期各项因子相关关系1)Table 2 Correlationship between nutrients in different seasons

1)**相关性非常显著(P<0.01)；*相关性显著(P<0.05)

表3 采样点氮磷相对丰度DIN/TPTable 3 DIN/TP ratio of different sampling sites

3 结论

通过对飞来峡水库2015年6月(丰水期)和12月(枯水期)水体氮、磷营养盐的采样监测，结合Spearman相关性检验和氮磷比分析，得到以下结论：

2)TN浓度总体表现为丰水期<枯水期；TP浓度总体表现为丰水期>枯水期。TN浓度主要受生活污水排放的影响，磷浓度变化情况具备面源污染特征。

3)三个主要入库河流中，丰水期滃江TN入库通量最大，为1 128.4 g/s，占主要入库河流总入库量的36.8%；枯水期北江干流TN入库通量大，为1 036.0 g/s，占主要入库河流总入库量的42.2%；丰水期和枯水期TP入库通量最大值均为北江干流，分别为85.4和70.3 g/s，占主要入库河流总入库量的52.9%和52.2%。

4)丰水期氮、磷元素具有同源性，受生活污水排放影响的同时可能也受到农业面源污染的影响；枯水期氮、磷元素输入源不完全一致，揭示了氮元素受点源生活污水排放影响可能更大，磷元素可能主要受农业面源污染影响。

5)丰水期、枯水期水样的DIN/TP在4.0 ～47.1之间，均大于3.4，即飞来峡水库营养盐结构为磷营养限制类型。

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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)