子牙河流域湿地污染时空分布及湿地富营养化❋

汪明宇， 刘汝海❋❋， 王 艳， 李 瑾， 张燕燕， 高红龙

(1.中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室,山东 青岛 266100; 2.中国海洋大学环境科学与工程学院,山东 青岛 266100)

海河流域水资源短缺，水污染较重[1]，流域内的湿地生态作用尤为重要[2]。河流水系承接了人类排放的大量工业废水和生活污水，水库闸坝等水利工程改变了河流水系原有的水文过程并影响其自净能力，进一步影响流域湿地的水源供给和水体富营养化，对湿地生态系统健康产生影响。

子牙河水系是海河流域九大水系之一，上游山区建有东武仕、黄壁庄和岗南等水库，中游有邯郸南湖、邯郸北湖、衡水湖等城市湖泊，其中衡水湖自然保护区是平原干旱地区独特的湿地资源，被联合国教科文组织纳入中国人与生物圈保护网络[3]，下游的团泊洼、北大港、南大港等滨海湿地均为省级自然保护区，是珍惜鸟类迁徙地，具有重要的生态价值[4-7]。由于近几年经济发展等人为活动的干扰，来水水质、水量得不到保证，北大港、南大港等湿地生态环境质量逐渐下降[5-6]，威胁着众多珍稀物种的生存。目前，国内外富营养化研究主要集中在对单个水体富营养化状况的评价、水体富营养化的成因及不同评价方法的比较，而对区域性湖泊湿地富营养化状况的空间分布差异性研究较少[8-12]。国内对南方水体富营养化问题较重视[13-17]，而夏季北方干旱缺水区域湿地富营养化状况少有研究。本文对子牙河水系各水体中氮磷、化学需氧量等主要污染物的时空分布进行分析，并对各水体富营养化状况做出评价，以期为流域湿地保护提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

本文选取子牙河流域主要水库、湖泊、湿地作为研究对象。子牙河水系是海河流域九大水系之一，位于海河流域中南部，由发源于太行山东坡的滏阳河和发源于五台山北坡的滹沱河汇成，两河于献县汇合后，始名子牙河，流经山西、河北、天津，全长769 km，流域面积4.69万km2[18]，子牙河水系为扇形水系，滏阳河、滹沱河上游山区分别建有东武仕、岗南、黄壁庄等水库，沿线支流有老漳河、留垒河、北澧河等，主要湖泊湿地有邯郸南湖、邯郸北湖、衡水湖、团泊洼、北大港，南大港等。

子牙河流域处于温带半干旱大陆性季风气候区，年平均气温13.4 ℃，年平均降水量550 mm，多集中于夏季[19-20]。子牙河沿途承接大量的工业废水和城镇生活污水，清洁水源少，是典型的非常规补水河流，水污染严重[21-22]，导致中下游的衡水湖、团泊洼、北大港，南大港等湿地缺水，水源主要来自区域调水，南大港和北大港部分水源来自周围河流。

1.2 采样方法及样品分析方法

2014年7、10月及2016年5月先后针对子牙河流域东武仕水库、黄壁庄水库、岗南水库、邯郸南湖、邯郸北湖、衡水湖、团泊洼、北大港、南大港、滏阳河、老漳河进行污染观测。每个湖泊湿地采样点4～15个，共设68个采样点，各湿地在流域内的分布见图1。

利用便携式水质分析仪(哈希HQ30)现场测定水样温度(t)、pH、溶解氧(DO)、盐度等，采集表层水体样品按照规范处理固定[23]，叶绿素a(Chl-a)、总氮(TN)、总磷(TP)、化学需氧量(CODCr)的分析测定根据《水和废水监测分析方法》测定[23]。绘图及数据处理主要借助Surfer12.0、Origin 9.0及SPSS19.0完成。

图1 子牙河流域湿地分布图Fig.1 Sampling stations in wetlands of Ziya River Basin

2 结果与分析

2.1 污染物季节变化

子牙河流域湿地各季节湿地水体TN及CODCr含量均超过地表Ⅴ类水标准限值(TN2.0 mg·L-1，CODCr40 mg·L-1)(见图2)，夏秋季TP达到地表Ⅱ类水标准(0.1 mg·L-1)，春季TP达到地表Ⅲ类水标准(0.3 mg·L-1)。TN、TP春季较高，夏秋季水体氮磷浓度相差不大，TN夏季略高于秋季，TP秋季略高于夏季，与巢湖入湖河流氮磷季节变化特征几乎一致[13,24]，与蠡湖、洞庭湖水体氮磷季节变化规律相反[15-16]；湿地水体CODCr含量秋季最高，夏季略高于春季；Chl-a夏季>春季>秋季。

子牙河流域春季干旱少雨为枯水期，水量较少且温度逐渐升高，底泥和生物分解释放大量N、P使得水体TN、TP浓度相对较高，且气温回升、水体透明度较高有利于水中藻类大量繁殖，在邯郸南湖、北湖、团泊洼以及北大港湿地采样时均发现有大量的藻类漂浮在水面上，主要以大型藻类和水草为主，与夏季相比Chl-a含量相对较低。夏季多雨为丰水期，地表径流量增大，工业废水排放、农业施肥等造成的氮磷污染可随地表径流进入各水体，但夏季藻类、芦苇等水生植物生长吸收水体中大量氮磷营养物质，使得水体中氮磷含量与春季相比较低。秋季为平水期，面源污染输入减少，使得水体中TP含量较夏季低，中下游的湖泊和滨海湿地中植物处于生长末期对营养物质的需求减少或植物死亡被分解产生有机物质释放到水体，导致水体CODCr含量较高，TN含量略高于夏季。夏季温度较高且氮磷营养盐含量丰富，水体中藻类大量繁殖使得水体Chl-a含量高，Chl-a含量相对秋季较高。

图2 子牙河流域湿地水质参数的季节变化Fig.2 Seasonal change of water quality parameters in Ziya River wetlands

2.2 不同湿地水水质参数的差异

各季节湿地水体水质参数浓度见图3。由于数据不满足方差齐性条件，本文采用非参数检验方法对不同水体间水质参数进行差异显著性分析，分析结果见图3。

夏季子牙河流域湿地各水体TN含量均不同程度超过地表III类水质标准，河流最高，其次是南大港和北大港。根据非参数检验结果，团泊洼、邯郸南湖、黄壁庄水库、河流、南大港TN含量差异性显著。南大港和北大港TN含量高主要是由于夏季植物分解及湿地周边水域存在一定的人为干扰，且北大港受养殖影响，这两个湿地水面面积较小，目前水源主要来自周边河流，进水时容易受到周边河流影响。邯郸南湖是滏阳河上开挖形成的城市湖泊，受滏阳河水质的影响，TN也较高；岗南、黄壁庄水库、东武仕水库TN也偏高，TN主要来自上游流域径流或地下水渗流输入，特别是受水库周边村庄和农业种植的影响较大。衡水湖和团泊洼水源主要来自黄河调水，湖水TN的来源主要是调水输入和湖泊底泥的释放，基本没有污染河水进入，TN含量不高。邯郸北湖是新开挖的城市湖泊，TN处于较低水平。以上分析表明子牙河流域整体氮污染严重且空间分布存在较大差异性[20]。与国内其它城市景观水体相比，衡水湖、邯郸北湖与合肥市包河公园、逍遥津公园TN含量(1.0 mg·L-1)相当，而邯郸南湖夏季TN则高出逍遥津公园TN含量的2倍以上[25]。不同湿地TP含量变化与TN类似，略有不同的是上游水库含量最低。上游东武仕水库、岗南水库、黄壁庄水库与河流、南大港相比，TP含量存在显著差异。南大港、北大港、邯郸南湖及衡水湖TP含量超过地表Ⅲ类水标准限值(湖、库0.05 mg·L-1),其余水体中TP含量均达到相应水质标准。CODCr含量的变化也表现为河流最高，河流>北大港>南大港=衡水湖>邯郸北湖>团泊洼>邯郸南湖=东武仕>黄壁庄水库>岗南水库。除东武仕水库、岗南水库、黄壁庄水库及邯郸南湖CODCr含量达到地表Ⅲ类水水质标准(20 mg·L-1)以外，其余水体CODCr含量均有不同程度超标。各水体CODCr含量存在显著差异。Chl-a含量以南大港含量最高，其次是邯郸北湖、河流、北大港，其它湿地Chl-a含量差异性较小。

秋季TN仍以河流最高，其次是黄壁庄水库和南湖，衡水湖TN含量最低达到地表Ⅲ类水标准(1.0 mg·L-1)。除北大港、邯郸北湖外，衡水湖TN含量与其余水体相比差异性较大。与夏季相比，黄壁庄水库、东武仕水库TN含量增加，表明经过夏季汛期水库输入了较多的氮。TP在各湿地的分布情况与夏季基本类似，除河流中TP含量略微超过地表Ⅳ类水标准限值(0.3 mg·L-1)外，其余水体TP含量均达标，流域TP污染程度较轻，根据非参数检验结果，秋季各水体TP含量无统计学显著差异性。秋季各水体之间CODCr含量差异性显著。CODCr含量以滨海湿地最高，岗南水库、黄壁庄水库和南湖最低，衡水湖、北湖、东武仕水库居中。岗南水库、黄壁庄水库和邯郸南湖CODCr达到地表Ⅲ类水标准，其余水体CODCr超标现象严重。秋季滨海湿地CODCr含量远高于夏季，表明秋季湿地中植物死亡后被分解产生大量有机物质进入水体，滨海湿地中植被分布面积大，而水面面积小且主要分布在局部较深的位置或沟渠，使滨海湿地水文条件与其它类型湿地明显不同。秋季Chl-a空间分布规律与CODCr的分布特征几乎一致。南大港Chl-a含量最高，东武仕水库、衡水湖、北湖、北大港及河流Chl-a含量相差不大且无显著差异，岗南水库、黄壁庄水库及邯郸南湖Chl-a含量较低且与衡水湖、南大港、邯郸北湖之间存在显著差异。

春季河流TN最高，其次是北大港湿地和邯郸北湖，南大港、团泊洼、衡水湖TN含量差别不大且相互之间无显著差异，东武仕水库TN浓度最低与其余水体之间存在显著差异。除东武仕水库外，各湿地水体TN含量均不同程度超过地表Ⅴ类水标准限值(2.0 mg·L-1)。邯郸北湖、衡水湖、团泊洼等水体TN含量均高出春季上海市滴水湖TN均值(3.27 mg·L-1)[14]。TP空间分布规律表现为河流最高，达到地表水Ⅴ类标准(0.4 mg·L-1)，其次是东武仕水库、北大港、邯郸南湖和北湖，水体TP含量超过地表水Ⅴ类标准(湖、库0.2 mg·L-1)，衡水湖、团泊洼、南大港水体TP含量最低。南大港与河流TP存在显著差异，其余水体之间差异性不显著。春季各水体氮磷含量变化范围与河北白洋淀类似[21]，比太湖流域水体氮磷含量略高[21]。过高的营养盐物质和较高的温度，容易引发水华现象，春季观测时邯郸南湖、北湖和团泊洼水体均出现了藻类过量繁殖现象，水面漂浮大量藻类。CODCr含量滨海湿地和河流均较高，超过了地表水V类标准限值(40 mg·L-1)，北湖略高，南湖、团泊洼、衡水湖CODCr含量相似，东武仕水库CODCr浓度最低达到了地表水III类标准(20 mg·L-1)。由于水体内部本身一定的差异，各水体CODCr含量差异性不显著。春季北大港、河流中Chl-a含量较高，其次为邯郸北湖，东武仕水库Chl-a含量最低与北大港、河流之间存在显著差异，其余湿地水体中Chl-a含量相差不大差异性不显著。

整体上看，各季节各污染物空间分布规律大都表现为从子牙河水系上游山区水库到中游城市湖泊及下游滨海湿地，水体污染程度逐渐加剧，但上游水库由于地表径流输入的氮较多使得水体TN含量较高。河流各季节各污染物浓度较高，污染严重，主要是因为河流沿途承接了大量的工农业废水，使得水体中氮磷以及有机物含量较高。城市湖泊大多为景观水体，邯郸南湖和北湖水来自周边河流，污染物来自径流输入较多，而衡水湖和团泊洼水源主要是区域调水，如黄河水，其水质较好，污染物主要来源于水源和湖泊底质内源性输入。与湖泊、水库相比，滨海湿地水量相对较少且水体交换程度低，因此水体中各污染物含量相对较高，藻类、芦苇等水生植物大量生长，水体叶绿素含量较高。秋季藻类、芦苇等水生植物枯萎腐败造成水体CODCr含量高于其他水体。

(根据非参数检验结果，同一污染物上标示不同字母表示水体之间在p=0.05水平上存在显著差异性，相同字母则表示两水体之间无显著差异。DWS代表东武仕水库；GN代表岗南水库；HBZ代表黄壁庄水库；HDNH代表邯郸南湖；HDBH代表邯郸北湖；代表衡水湖；TPW代表团泊洼；BDG代表北大港；NDG代表南大港。下同。According to the results of nonparametric tests, different letters on the same pollutant indicate that there is a significant difference between the water bodies at thep=0.05 level, and the same letter indicates that there is no significant difference between the two water bodies. DWS represents Dongwushi Reservoir; GN represents Gangnan Reservoir; HBZ represents Huangbizhuang Reservior; HDNH represents Handannan Lake; HDBH represents Handanbei Lake; HSH represents Hengshui Lake; TPW represents Tuanpowa Reservior;BDG represents Beidagang Marsh; NDG represents Nandagang Marsh. The same below.)

图3 不同湿地中TN、TP、CODCr和Chl-a含量差异
Fig.3 Difference of TN, TP, CODCrand Chl-acontent in wetlands

图4 子牙河流域各水体氮磷比Fig.4 Ratio of nitrogen to phosphorus in wetlands of Ziya River

根据Guildford等提出的水中营养物限制性分类标准[28]，即TN/TP≥22.6(质量比)为磷限制性状态，TN/TP≤9.0(质量比)为氮限制性状态。由图4可知，夏季除南大港、北大港外，其余水体均为磷限制状态；秋季除衡水湖、河流外，其余水体均为磷限制水体；春季邯郸北湖、团泊洼、北大港、南大港、河流均是磷限制水体。这与国内其它湖泊水体类似[25,29]。

夏秋季上游水库具有较高的氮磷比值，流域农业施肥导致径流输入较多的氮，而磷肥易于被土壤固定，而氮肥易于流失，从而使水库中的氮磷比较大。南湖和北湖会受到上游水库输入的影响，秋季也具有较高的TN/TP比值。河流接纳了城市污水和径流，氮磷比值变化不大，但是春季整体上氮磷比值差别较小。其它的湖泊和滨海湿地水体氮磷比值相对较小，而滨海湿地南大港和北大港湿地植被分布面积较大，夏季氮磷比最小，春秋季较高，夏天植物生长旺盛，需求较多的营养物质，同时还受植物枯落物的分解的影响，影响因素复杂。

2.3 富营养化评价

由于营养物质的积累，在夏季北方湿地中也会发生藻类过量繁殖的现象，为此选取水体TN、TP和叶绿素含量为主要参数，采用综合营养状态指数法(TLI)[29-30]对子牙河水系各水体作富营养化评价。综合营养状态指数计算公式为：

(1)

式中:TLI(∑)为综合营养状态指数；TLI(i)为第i种参数的营养状态指数；Wi为第i种参数的营养状态指数的相关权重，其计算公式为：

(2)

式中：rli为第i个参数与叶绿素(Chl-a)的相关系数；m为选出的主要参数的数目。

表1 富营养化计算参数[31]Table 1 Eutrophication parameters of Chinese Lakes

Note:①Parameters

营养状态指数计算式：

TLI(Chl)=10×(2.5+1.086lnchl)，

(3)

TLI(TN)=10×(5.453+1.694lnTN)，

(4)

TLI(TP)=10×(9.436+1.624lnTP)。

(5)

相应的富营养化程度评价标准为：TLI(∑)<30,贫营养；30≤TLI(∑)≤50,中营养；5070,重度富营养。

(A表示贫营养；B表示中营养；C表示轻度富营养；D表示中度富营养；E表示重度富营养。A representsoligotrophic; B represents mesotrophic; C represents light eutrophic; D represents middle eutrophic; E represents hyper-eutrophic.)

图5 子牙河水系湿地综合营养状态指数法评价
Fig.5 Eutrophication index of wetlands in Ziya River

大部分湿地水体富营养化指数季节变化为春季>夏季≥秋季(见图5)。各类型湿地水体富营养化程度季节变化均为春季>夏季≥秋季。

夏季各水体之间富营养化程度相差较大，岗南水库富营养化程度最低为中营养状态；东武仕水库、黄壁庄水库、邯郸北湖、衡水湖、团泊洼水体处于轻度富营养状态；邯郸南湖、北大港水体处于中度富营养，南大港、河流处于重度富营养。秋季岗南水库处于中营养状态；北大港、南大港处于中度富营养；河流处于重度富营养；其余水体处于轻度富营养。春季，除邯郸北湖、北大港、河流处于重度富营养外，其余水体处于中度富营养状态。与苏南地区湖泊群及河北白洋淀水体富营养化状况类似，水体均处于中度富营养及以上[17,32]。

根据国际经济合作与发展组织提出的水体富营养化单因子(Chl-a)评价标准：Chl-a<3 mg·m-3为贫营养;Chl-a介于3～11 mg·m-3为中营养;Chl-a介于11～78 mg·m-3为富营养;Chl-a>78 mg·m-3为严重富营养[33]。夏季子牙河水系各水体中，岗南水库处于中营养状态，邯郸北湖、南大港及河流处于严重富营养状态，其余水体处于富营养状态。秋季各水体中，岗南水库、黄壁庄水库及邯郸南湖处于中营养状态，南大港处于严重富营养状态；其余水体处于富营养水平。春季东武仕水库水体处于中营养状态，北大港和河流处于严重富营养状态，其余水体均处于富营养状态。两种富营养化评价方法评价结果大致相似，综合营养状态指数评价法更为细致。

3 结论

(1)子牙河流域湿地各季节TN含量均超过国家地表Ⅲ类水总氮标准限值(1.0 mg·L-1)，存在一定的氮污染,TP含量均达到地表Ⅲ类水标准(0.3 mg·L-1)。流域整体TN春季>秋季>夏季、TP春季>夏季>秋季,河流TN、TP污染最为严重。各季节TN、TP含量空间分布差异性显著。子牙河水系大部分水体TN/TP≥22.6(质量比)为磷限制性状态，尤其是上游水库有更多的氮输入TN/TP最高。

(2)子牙河水系整体CODCr含量季节变化为秋季>夏季>春季，各湿地CODCr季节变化规律不同。各季节子牙河湿地CODCr含量空间分布差异性大，河流相对其他湿地水体CODCr含量偏高。

(3)湿地Chl-a含量季节变化规律为夏季>春季>秋季，各季节Chl-a含量空间分布差异性大，滨海湿地相对其他类型湿地Chl-a含量较高。

(4)夏秋春季各季节大部分水体均处于不同程度富营养化状态，其中春季邯郸北湖、北大港、河流富营养化程度最为严重。