汉丰湖和高阳湖水体氮磷分布及影响因素研究

刘双爽 ,袁兴中 ,王晓锋 ,周李磊 (1.重庆大学建筑城规学院,重庆大学三峡库区消落区生态修复与治理研究中心,重庆 40000；2.重庆大学环境与生态学院,三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆 40000；.重庆师范大学地理与旅游学院,长江上游湿地科学研究重庆市重点实验室,重庆 40000)

城镇工业及生活污水排放,农业及流域面源污染排放,底泥内源释放,大气干湿沉降,水体食物网过程等都对水体氮、磷含量产生影响[1-2].过量的营养负荷影响水中藻类生长,进而导致鱼类、浮游生物的死亡,引发水体污染,蓝藻水华暴发和生物多样性下降等,严重威胁水生生态系统健康[3-6].国际上一般认为水体 TP＞0.02mg/L, TN＞0.2mg/L 时,易发生富营养化.所以,及时对水体中 TP～TN 浓度进行监测,了解其时空动态变化,对保障水资源安全至关重要[7].

三峡水库蓄水后,改变了原有河流系统的水文、水动力、营养盐循环等状态,导致支流及库湾发生不同程度的水体富营养化和水华问题[9-18].湖泊富营养化最根本的成因,是营养物质的超负荷输入,而主要的营养物质是碳、氮和磷[19].三峡水库在水文过程(人为调蓄)、水体滞留时间、来水方式(异重流影响)等方面与自然湖泊有较大差异,水库又具有自身的特殊性[20].因此,现有浅水湖泊中氮、磷循环的影响机制难以合理阐释三峡库区次级河流回水区段的水华现象.

澎溪河作为三峡水库的支流[21],包含了峡谷、消落区以及湖库等各种水文特征的水域.三峡水库蓄水后,澎溪河流域是库区 30 余条支流中爆发水华较为频繁的支流之一[8].了解库湾的氮磷营养盐时空特征、影响因素以及养分限制状态变化,对保持流域生态系统稳定,促使人与环境协调发展,至关重要.汉丰湖位于一个 30万人口的中型城市内,同时靠近规划的南水北调工程取水口,因此汉丰湖的水环境状况与开州城区的生态安全和三峡水库生态环境安全密切相关.为了解三峡水库蓄水及汉丰湖调节坝的运行对湖库氮磷营养盐的影响以及是否造成汉丰湖和高阳湖水环境具有明显的差异性,本文于2018年11月～2019年10月对两湖库进行了逐月水环境跟踪采样研究,分析湖库各形态氮磷要素时空分布及影响因素,旨在为湖库形成后对河/库生源要素生物地球化学过程及相关水生态环境的影响研究提供基础科学资料.

1 材料与方法

1.1 研究区与样品采集

汉丰湖(31°11′13″N,108°25′01″E)地处三峡库区长江左岸一级支流澎溪河上游,是三峡水库蓄水后在澎溪河开州段形成的独特的“库中库”,水位调节坝下闸蓄水后,夏季维持水位高程 170.28m,冬季高水位175m,是具有代表性的城市人工湖[9].汉丰湖位于开州主城区,属亚热带湿润季风气候,多年平均气温 18.5℃,平均降水量 1385mm,夏季雨量充沛.高阳湖位于云阳县境内, 属亚热带季风气候,为三峡水库蓄水倒灌澎溪河干流形成的大型湖泊(31°5'48″N,108°40'20″E),地处澎溪河下游永久回水区中部,地势平坦,具有过水型湖泊环境及水文水力特征.高阳湖在夏季低水位时期平均水深不足 15m,冬季高水位时期平均水深超过 40m,形成了近似"浅水湖泊-深水湖泊"的季节性交替特征[10].根据湖体和支流来水的地理位置特征布设 14个采样点(如图1所示),汉丰湖设置 8个样点, HF1(靠近南河区),HF2(石龙船大桥),HF3(头道河河口),HF4(东湖郡),HF5(东河河口),HF6(湖中心),HF7文峰塔芙蓉坝)和 HF8(调节坝);高阳湖设置6个采样点,GY1(湖库出口),GY2(高阳村库湾),GY3(湖库中心),GY4(高阳镇库湾),GY5(明月坝库湾)和 GY6(湖库入口).研究期间逐月月初采集水样(2月份未采集),现场采用中垂线分层采样,记录水深H,分别在水面以下0.5m, 1/2H和(H−0.5)m三层采样,取各采水层水样 1L分装在聚乙烯瓶中,4℃冷藏带回实验室立即进行相关水质指标测定.现场用手持式水深测定仪测定水深(水深), TN、NH4+-N、NO3--N、TP、DTP(Total dissolved phosphorus)采用 FIA-6000+流动注射分析仪测定;叶绿素用 FluoroQuik水体叶绿素 A/藻类荧光测定仪现场测定.现场使用哈希便携式水质仪(HQ30d)测定水体pH值,气象数据来源于靠近澎溪河的气象站(57338,57339,57432),主要包括降水(PRE)和气温(AT)数据.

图1 采样点位置示意Fig.1 Study area and sampling sites

1.2 数据分析方法

考虑到汉丰湖和高阳湖氮磷浓度在垂直梯度上变化不明显,忽略深度差异,同一采样点用上、中、下3层氮磷浓度均值分析.3～5月为春季,6～8月为夏季,9～11月为秋季,12～次年 2月为冬季,通过单因素方差分析比较营养盐在不同季节的差异性,通过Pearson 相关性分析不同环境因子的相关性,运用主成分分析进一步探讨影响两湖库营养盐的主导因素,上述分析均在 IBM SPSS Statisticts24.0和Microsoft Office Excel 2010中实现.

2 结果分析

2.1 湖库上覆水氮磷营养盐时间变化

2018～2019年,汉丰湖TN浓度为0.78～2.38㎎/L,均值(1.48±0.54)mg/L[图 2(a)].2018年11月到2019年4月,TN浓度呈现上升趋势,5～6月浓度明显降低,7月TN浓度明显升高,随后降低.NO3--N的质量浓度为 0.36～1.43mg/,均值(0.99±0.32)mg/L,变化趋势与TN一致.NH4+-N质量浓度为0.02～0.53mg/L,除3月和 4 月有小幅升高外,其余月份均呈平稳趋势.从氮素组成含量来看,NO3--N质量浓度对TN污染贡献较大.汉丰湖TP浓度为0.03～0.13mg/L,均值(0.07±0.03)mg/L[图2(b)].TP浓度3月份最高,随后呈递减趋 势.DTP 浓 度 为 0.01～0.09mg/L,均 值(0.04±0.02)mg/L,变化趋势与 TP基本一致.汉丰湖磷赋存形态变化较大,6～9月溶解态的磷浓度低于颗粒态.

高阳湖氮素变化趋势与汉丰湖基本一致, TN浓度为 0.57～2.48mg/L,均值(1.34±0.46)mg/L,2018 年 11月～2019年4月,TN质量浓度呈上升趋势,5～6月浓度降低,7月TN浓度最高.NO3--N的质量浓度变化趋势与TN基本同步,高阳湖NO3--N质量浓度对TN污染贡献较大[图 2(c)].高阳湖水体 TP浓度为 0.03～0.09mg/L,均值(0.05±0.02)mg/L.2019年 7月TP浓度明显升高,其他月份质量浓度差异不大.DTP质量浓度变化趋势与TP基本一致,以颗粒态磷为主[图2(d)].

图2 汉丰湖与高阳湖上覆水氮磷营养盐年变化分布Fig.2 Temporal variation of nitrogen and phosphorus in Hanfeng and Gaoyang Lake

2.2 湖库上覆水氮磷营养盐空间变化

春季汉丰湖和高阳湖TN含量在空间上具有显著差异(P=0.039＜0.05)[图3(a)].汉丰湖TN的含量为1.48～2.61mg/L,靠近南河区水体氮含量最高,东河河口区浓度最低.高阳湖TN的含量为1.28～1.35mg/L,整个湖区浓度差异不大.NH4+-N含量空间差异显著(P=0.005＜0.05),两湖 NH4+-N 的含量分别在 0.22～0.63mg/L和0.04～0.08mg/L之间.NO3--N在空间上不存在显著差异(P=0.093), TP含量空间差异不显著(P=0.117),两湖库DTP含量在空间上具有明显差异性(P=0.034＜0.05), 汉丰湖磷形态以溶解态为主,高阳湖以颗粒态磷为主.春季汉丰湖总氮浓度高于其他季节,可能与春耕施肥以及三峡蓄水污染物富集有关.汉丰湖氮磷浓度高于高阳湖,可能是随着水位的波动,高阳湖部分营养盐流失导致的.

夏季两湖库的氮磷营养盐空间差异不显著(P＞0.05)[图3(b)].汉丰湖TN的含量在1.05～1.59mg/L, NO3--N的含量在0.63～0.97mg/L,NH4+-N的含量在 0.02～0.05mg/L.高阳湖 TN 的含量在 1.12～1.40mg/L,NO3--N的含量在 0.71～0.89mg/L,NH4+-N的含量在 0.02～0.06mg/L.夏季汉丰湖 TP的含量在0.02～0.08mg/L,DTP 的含量在 0.01～0.02mg/L,夏季汉丰湖各采样点磷形态以颗粒态为主.高阳湖TP的含量在0.04～0.06mg/L,DTP的含量在0.01～0.02mg/L,磷形态以颗粒态为主.夏季两湖氮磷营养盐浓度主要受暴雨径流输入的外源营养物影响,所以两湖库氮磷形态及浓度没有太大差异.

秋季汉丰湖和高阳湖氮磷营养盐含量不存在统计学差异(P＞0.05),汉丰湖和高阳湖 TN含量分别为 1.19～1.54mg/L 和 1.43～1.47㎎/L 之间[图 3(c)].汉丰湖 NO3--N 含量为 0.78～1.17mg/L,高阳湖NO3--N含量为0.98～1.09mg/L.汉丰湖NH4+-N的含量为0.06～0.22mg/L,高阳湖NH4+-N的含量为0.04～0.06mg/L.秋季两湖库NO3--N占明显优势,是N素的主要赋存形态.汉丰湖TP含量介于0.04～0.09mg/L,DTP含量介于0.01～0.03mg/L,磷形态以颗粒态为主.高阳湖 TP含量介于 0.03～0.04mg/L,DTP含量介于0.02～0.03mg/L,磷形态以溶解态为主.

冬季汉丰湖和高阳湖水体NH4+-N含量空间差异性显著(P=0.008＜0.05),氮磷营养盐其他形态差异不显著[图 3(d)].汉丰湖 TN 含量介于 1.12～1.29mg/L,NO3--N含量介于1.06～1.26mg/L.高阳湖TN含量介于 1.22～1.32mg/L,NO3--N含量介于1.14～1.29mg/L,NO3--N是两湖 N素的主要赋存形态.汉丰湖 TP含量介于 0.04～0.08mg/L,DTP 含量介于 0.02～0.07mg/L,冬季磷形态以溶解态为主.高阳湖TP含量介于 0.03～0.04mg/L,DTP含量介于 0.01～0.02mg/L,颗粒态磷为主.

图3 汉丰湖和高阳湖水体氮磷浓度空间分布趋势Fig.3 Spatial variation characteristic of total nitrogen and total phosphorus in Hanfeng and Gaoyang Lake

NH4+-N浓度升高表明水体近期受到污染,NO3--N浓度升高表明水体曾受到污染但已完成自净[19].汉丰湖全年水体 NH4+-N 占据一定比例,说明受外源污染影响较大,而春季,秋季和冬季最明显.高阳湖冬季TN和NO3--N含量略比汉丰湖高,受外源污染较小,主要是湖水自净的过程.

2.3 湖库氮磷营养盐影响因素

表1所示,TN与Chla呈明显的正相关性,浮游植物生长主要利用溶解态氮,对湖泊氮营养盐含量产生影响.NO3--N与TOC呈负相关,说明汉丰湖外源污染输入在一定程度上对浮游动植物的生长具有抑制作用.NH4+-N与TP、DTP和Chla呈明显的正相关,说明浮游植物对汉丰湖氮磷营养盐的影响较大.气象数据对汉丰湖氮磷营养盐变化无明显相关性.

表1 汉丰湖环境指标与氮磷相关性分析Table 1 Correlation analysis of environment variables and nitrogen and phosphorus in Hanfeng Lake

表 2所示,由于高阳湖所具有的河流型湖泊特征,水体氮磷营养盐的主导因素与汉丰湖明显不同.分析来看,高阳湖氮磷营养盐浓度变化不受浮游生物生长以及大气环境的直接影响,推测水位波动及水体滞留时间可能对其产生一定的影响.

表2 高阳湖环境指标与氮磷相关性分析Table 2 Correlation analysis of environment variables and nitrogen and phosphorus in Gaoyang Lake

为进一步探究影响汉丰湖和高阳湖上覆水营养变化的主要影响因子,通过降低原始变量的维数提取主成分,汉丰湖共提取了 3个主成分,高阳湖提取了 4个主成分(表 3).汉丰湖主成分 F1、F2、F3累积的贡献率达到85.29%,其中F1的贡献率为38.34%,NH4+-N、TP、DTP所占的比例较大,Chla、TN、NO3--N为次较高因子,能够反映出水体受营养盐的影响,同时水体影响浮游植物的生长繁殖,引起水华.主成分F2的贡献率为26.45%,水深为载荷值较高的负相关因子、AT、pH值为载荷值较高的正相关因子,Chla为次较高因子,说明深度越大,水环境受到的污染越小,AT和pH值共同对水环境作用,影响浮游植物的生长.主成分F3的贡献率为26.45%,TN/TP、NO3--N为载荷值较高的负相关因子、TOC、PRE值为载荷值较高的正相关因子,说明降雨带入湖中的有机质增加会一定程度抑制氮的循环.

表3 影响两湖库上覆水营养变化的主要因素Table 3 Identification of main influence factors of nutritional changes in water column of the two lakes

高阳湖主成分F1、F2、F3和F4累计贡献率达到84.33%,其中F1的贡献率为43.11%, 水深、DTP、NO3--N、TN/TP为载荷值较高的负相关因子、TOC、DOC、AT、PRE、pH值、Chla为载荷值较高的正相关因子,说明水位变动、营养盐输入、气温变化和降雨共同对高阳湖水体富营养化产生作用.主成分F2的贡献率为20.34%,TP、TN和NO3--N所占的比例较大,说明氮磷营养盐对水体产生影响.主成分 F3的贡献率为13.05%, DTP为载荷值较高的负相关因子、TN/TP值为载荷值较高的正相关因子,Chla、AT为次较高因子,Chla呈负相关,AT呈正相关,说明磷是浮游植物生长的限制因子,气温对浮游植物的生长和水环境变化产生影响.主成分 F4的贡献率为7.83%, DOC、Chla为载荷值较高的正相关因子,说明水环境变化受浮游植物的影响.

3 讨论

3.1 汉丰湖和高阳湖氮磷时空分布特征

汉丰湖和高阳湖水体氮素年变化趋势基本一致,说明水位调节对湖库水体氮营养盐的影响不大,主要是气温和外源输入的影响.开州区和云阳县是典型的农业区县,耕地面积大,产业结构相似,城镇生活污水排放和农业面源污染是湖库氮素主要来源[22-24].春季汉丰湖氮素浓度高于高阳湖,由于春季三峡大坝处在泄水状态,高阳湖水体流动性强,大量营养元素释放到下游,而汉丰湖属于城市内湖,具有明显的湖泊特性,除受城区人类活动影响外,湖泊本身水体滞留时间比高阳湖长,营养盐向下游输送降低,沉降作用增强[25-26].两湖库均受径流影响,随着春雨径流的输送,大量悬浮物携带的颗粒态氮进入湖体,春季水华期间生物固氮作用加强,导致水体 TN浓度偏高.冬季汉丰湖氮营养盐浓度升高,主要是颗粒态氮沉降作用增加,导致氮素浓度升高,与其他研究结果一致[21,28-29].高阳湖冬季氮素浓度升高,可能由于蓄水过程中携带的颗粒物进入湖库引起的.7月份暴雨季节,外源输入导致汉丰湖和高阳湖TN含量明显提高[30-31].两湖库TN主要以NO3-—N形态为主,污染来自农田径流、城市污水、城市径流以及淹没土壤的释放[32-33].

汉丰湖和高阳湖水体磷素浓度年变化差异性显著,汉丰湖 TP浓度春季最高,其他季节差异不大.高阳湖TP浓度夏季最高,春季其次,秋冬季节差异不大,不同季节两湖库TP浓度差异不大,汉丰湖入湖河流靠近南河区(HF1、HF2)磷营养盐浓度明显高于其他样点区.汉丰湖是典型的筑坝湖泊,水体磷浓度的变化主要与浮游植物的生长繁殖密切相关.而高阳湖属于过水性湖泊,水体磷浓度受水位波动的影响较大.汉丰湖春季水体TP浓度高,除受城区居民生活影响和春耕农业面源污染外[34-35],气温回升, 浮游植物生长迅速,水华爆发,营养盐消耗及循环加强,促进内源释放.汉丰湖TP、DTP呈现出冬春季节升高,夏秋季降低的趋势,这一研究结果与2018年调节坝正式运行之前,汉丰湖TP浓度呈春夏季升高,秋冬季先降低再升高的趋势有一定差异[36],可能是汉丰湖夏季水位不再随三峡水位波动,水体磷元素不断沉降,导致水体TP含量降低.高阳湖7月份总磷含量增大,主要是暴雨季节冲刷形成地表径流的影响, TP最主要来源是流域矿质颗粒的输入[37],夏季雨水冲刷携带泥沙中的颗粒态磷进入湖体,使 TP 质量浓度增加.

春季汉丰湖磷形态以溶解态为主,该时期浮游植物生长旺盛,加速了水体磷营养盐的转化利用和沉积物磷元素的释放,调节坝运行增加水体滞留时间,颗粒态磷的沉降增强.春季高阳湖磷形态以颗粒态为主,除了受春耕农业面源污染造成的颗粒态营养物输入外,还受高阳湖自身水位波动的影响[38-39].夏季降水丰富,暴雨冲刷携带的颗粒物大量涌入湖库,造成汉丰湖和高阳湖磷形态以颗粒态为主.秋季汉丰湖磷形态以颗粒态为主,高阳湖以溶解态为主,可能是成湖之后汉丰湖水体沉降功能减弱,沉降周期增长,外加秋季水上活动项目的增加,外源输入也产生了一定影响.而高阳湖蓄水过程中增强了河道对颗粒态营养盐的运输,而高阳湖呈现的高水位磷以溶解态为主,低水位以颗粒态为主,该结果与其他[40]结论一致.

3.2 汉丰湖和高阳湖氮磷营养盐的影响因素

PRE对汉丰湖和高阳湖氮磷营养盐没有直接影响,推测一方面是因为降雨带来氮负荷的同时,也对水体氮浓度起到一定的稀释作用;同时氮营养盐来源与转化途径多样,包含降雨形成的地表径流、大气沉降带来的氮负荷,而微生物引起的反硝化作用将从水生态去除大量氮[39,42-45];另一方面可能是降雨带来的影响是瞬间暂时性的,而每月监测时段错过了降雨所带来的影响.

气温(AT)对汉丰湖和高阳湖氮磷营养盐同样不存在直接的影响,但气温可以通过热量交换及辐射等方式改变水温,水温的变化会对水体离子之间的反应速度、浮游生物的组成、初级生产力及污染物的扩散等产生影响,进而影响到水质[46].

汉丰湖氮磷营养盐浓度变化与 Chla密切相关,说明水体氮磷浓度对浮游植物生长产生影响的同时,浮游植物对可溶性营养盐的吸收、转换作用,对氮磷营养盐也造成不同程度的影响[27-28].汉丰湖作为城市内湖,城镇居民生活污水的排放对水体造成的影响不容忽视.农业面源污染,地表径流冲刷携带的颗粒物对营养盐的吸附都会对水体氮磷浓度造成不同程度的影响[33,38-40].

高阳湖氮磷浓度的变化,与 Chla没有直接的相关性.除了人类生产生活对水体氮磷浓度产生影响外[47,18-19,24,26,42-43],水位波动以及水体滞留时间可能是主要影响因素.有研究表明,澎溪河回水区的TN、TP等营养盐浓度主要受水土流失和长江水质的共同作用[48].此外,水体滞留时间对湖库营养盐的自然过程(如反硝化、沉积和下游输出)起着关键作用[48-50].

4 结论

4.1 2018年～2019年,汉丰湖 TN 浓度为 0.78～2.38mg/L, TP浓度为0.03～0.13mg/L;高阳湖TN浓度为 0.57～2.48mg/L,TP 浓度为 0.03～0.09mg/L ,两湖库全年较易发生富营养化.汉丰湖全年磷赋存形态变化较大.高阳湖磷形态以颗粒态为主.两湖库 TN 主要以NO3--N形态为主,污染来自农田径流、城市污水、城市径流以及淹没土壤的释放

4.2 汉丰湖和高阳湖水体氮营养盐浓度年变化趋势一致,说明主要受外源输入和降水的影响.而不同季节氮形态差异显著,说明气温和浮游植物的生长繁殖对水体氮形态和浓度产生影响.高阳湖水体磷浓度随水位的调节波动性显著,说明水位调节对磷循环具有更直接的影响.

4.3 汉丰湖氮磷浓度与水体Chla含量密切相关,浮游植物对可溶性营养盐的吸收、转换作用,对湖泊氮磷营养盐也造成不同程度的影响.此外,汉丰湖氮磷营养盐还与农田耕种及地表径流冲刷携带的颗粒物有关.水位调节、降雨和浮游植物生长对高阳湖水体氮磷浓度产生影响,水位波动以及水体滞留时间可能是高阳湖氮磷营养盐浓度变化的主要影响因素.

致谢：本实验的现场采样工作由张跃伟、武帅楷及重庆师范大学龚小杰、刘欢、刘婷婷、孔维苇等协助完成,龚小杰、刘婷婷、王芳、扈玉兴对室内实验分析提供一定帮助,一并深表感谢.