嘉陵江鲁班水库氮磷时空分布特征及截留率

李青倩，杨鹊平，高红杰，李虹，李莹杰

中国环境科学研究院

氮（N）、磷（P）是水生生态系统中必备的生源要素，共同控制着水生生态系统中初级生产力的生长速率和微生物的生物地球化学循环过程[1-2]。随着农业集约化和城镇化的不断推进，输入至水生生态系统中的N、P逐渐增加，破坏了水生生态系统中的N、P生物地球化学循环过程的平衡，导致水质恶化，进而影响水生生态系统的功能，给生态环境质量、社会经济的可持续发展、人类健康等带来负面影响[3-7]。因此，明确水库N、P时空分布特征，量化水库截留量及截留率，是当前研究水库建设及调度对河流水质和水生态健康响应关系的重点。

水生生态系统中发生的与N、P相关的生物地球化学过程通常包括硝化作用、反硝化作用、厌氧氨氧化作用、硝酸盐的异化还原作用、浮游植物的同化作用、沉积作用和沉积物的矿化作用[8-9]。其中，反硝化作用和厌氧氨氧化作用过程会产生氮气（N2）并释放到大气中；沉积作用可以将一部分N、P永久性埋藏而将其从水生生态系统中去除，一部分通过矿化作用重新进入到水体中，参与水体N、P循环；N、P通过同化作用进入生物链，一部分经食物链传递，最终通过渔业收获从水生生态系统中去除，另一部分通过沉积作用进入沉积物。调水也会从水生生态系统中去除一部分N、P[8]。另外，叶绿素a（Chla）浓度通常与浮游植物的生物量呈正比，因此通常用Chla浓度的季节性变化来反映浮游植物的生长情况[3,6,10-11]。

鲁班水库是四川省第三大水库，辖六沟十二湾，坝址以上控制流域面积为21 km2。主要功能为灌溉（近年将贺家垭处水域作为饮用水水源地，供水规模为10 000 m3/d），兼顾发电、防洪等。当前鲁班水库的水质状况不容乐观，水库水质为GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类。因此，有必要明确水库N、P时空分布特征，量化水库截留量及截留率，识别影响水库水质的关键因素，以期为鲁班水库水质达标管理提供理论依据。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

嘉陵江流域为长江流域面积最大（占比为8.89%）、水量第二（占比为8.12%）的一级支流，发源于秦岭北麓陕西省凤县代王山，干流流经陕西省、甘肃省、四川省、重庆市，在重庆市朝天门汇入长江。昭化以上为上游，昭化至合川为中游，合川至入长江口为下游。流域内四川省面积为10.02万km2，占嘉陵江流域面积的62.27%。

鲁班水库位于嘉陵江流域凯江支流绿豆河上游的铁线沟处，处于三台县鲁班镇内，幸福乡边界处，水域面积为13.2 km2。平均水深21.06 m，最大水深60～70 m，属深水湖库。设计洪水位（正常水位）460 m，相应库容2.78亿m3。鲁班水库只有1个进水口，除降水外，水源主要来自都江堰人民渠，途经彭州市、什邡市、绵竹县、德阳市、中江县，于绵阳市三台县幸福镇进入鲁班水库。每年1—3月和7—11月进水，4—6月零星进水，年进水总量约为2.5亿m3。水库出水口共有5个，主要用于农业灌溉及发电。出水2次，分别在1—4月和7—8月。

1.2 数据来源及处理方法

鲁班水库属于国控重点湖库，绵阳市环境监测中心站自2011年起每月对库区4个监测点位（进水口、鲁班岛、麻雀湾、库尾）进行例行监测。本研究涉及的相关数据为鲁班水库2014—2019年环境监测数据，监测指标包括水温、pH、溶解氧（DO）、透明度、高锰酸盐指数（CODMn）、化学需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH4+-N）、总磷（TP）、总氮（TN）和 Chla。

采用综合营养状态指数法〔TLI（∑）〕[12]进行湖库水体富营养化评价。综合营养状态指数常用来评价湖泊(水库)富营养化状况，其评价指标包括Chla、TP、TN、透明度和CODMn。采用数字0～100对湖泊营养状态进行分级，包括贫营养、中营养、轻度富营养、中度富营养和重度富营养。营养状态与评分值的关系如表1所示。在同一营养状态下，数值越高，营养程度越重。结合鲁班水库2014—2019年环境监测数据，进行综合富营养化指数计算，判断水体富营养化程度。

表1 营养状态分级表Table 1 Trophic state grading list

水库TN和TP的截留率是指截留在水库中TN、TP的量占水库TN、TP输入量的比值。TN和TP的截留率由水库内N、P截留过程的截留速率和水力负荷决定，计算公式如下：

式中：R为截留率，%；Vf为截留速率，m/a；HL为水力负荷，m/a。

采用SPSS 24.0软件完成数据的统计分析。其中，皮尔逊分析（Pearson analysis）和方差分析（ANOVA，analysis of variance）的显著性水平为 0.05和0.01。数据绘图在Origin 2018软件中完成。

2 结果与分析

2.1 水库水温、pH、DO等水质指标的时空分布特征

由图1和表2可见，2014—2019年鲁班水库年均水温为 (19.1±6.7)℃，最高值为 (27.7±2.4)℃（8 月），最低值为(8.8±2.0)℃（2月）。同期，水库年均pH为8.31±0.45，最高值为8.82±0.13（4 月），最低值为7.80±0.33（2月）。各监测点水温和pH无显著空间差异（ANOVA,P>0.05）。水库透明度年均值为(1.66±0.53)m，最高值为 (2.09±0.56)m（2 月），最低值为 (1.28±0.48)m（7月）。进水口透明度〔(1.48±0.46)m〕显著低于库尾〔(1.71±0.55)m〕（ANOVA，P<0.05）。

图1 鲁班水库水温、pH、透明度、DO、CODMn、COD 和BOD5逐月变化特征Fig.1 Monthly variations of water temperature, pH,transparency , DO, CODMn, COD and BOD5 in Luban Reservoir

表2 2014—2019年鲁班水库各监测点位透明度、CODMn、TN浓度、TP浓度和N:PTable 2 Transparency, CODMn, TN, TP contents and N:P of 4 sample sites in Luban Reservoir during the period from 2014 to 2019

水库DO浓度年均值为(8.31±1.80)mg/L，最高值为 (10.80±1.55)mg/L（4月），最低值为 (6.90±1.09)mg/L（1月）。各监测点DO浓度无显著空间差异（ANOVA，P>0.05）。BOD5的年均值为 (1.72±1.12)mg/L，最高值为 (3.57±0.83)mg/L（4 月），最低值为 (0.82±0.45)mg/L（12 月）。进水口 BOD5〔(2.03±1.17)mg/L〕显著高于库尾〔(1.62±1.07)mg/L〕（ANOVA，P<0.05）。CODMn和COD的年均值分别为(2.76±0.91)和(11.68±4.51)mg/L。2个参数季节波动规律基本一致，最高值均出现在4 月，分别为 (4.08±0.74) 和 (15.71±3.71)mg/L，最低值分别为 (1.87±0.41)mg/L（12月）和 (8.13±2.44)mg/L（10 月）。进水口 CODMn〔(3.03±1.02)mg/L〕显著高于库尾〔(2.69±0.90)mg/L〕（ANOVA,P<0.05），但是COD无显著空间差异（ANOVA,P>0.05）。

2.2 水库N、P及Chla时空分布特征

由图2和表2可见，水库NH4+-N浓度年均值为(0.07±0.07)mg/L，最高值为 (0.09±0.17)mg/L（2 月），最低值为 (0.06±0.05)mg/L（4 月）。各监测点 NH4+浓度无显著空间差异（ANOVA，P>0.05）。水库TN浓度年均值为(0.65±0.22)mg/L，最高值为(0.76±0.23)mg/L（1 月），最低值为 (0.49±0.20)mg/L（7 月）。各监测点TN浓度存在显著空间差异，进水口TN浓度〔(0.72±0.24)mg/L〕显著高于库尾〔(0.61±0.21)mg/L〕（ANOVA，P<0.05）。水库 TP 浓度年均值为(0.05±0.03)mg/L，最高值为 (0.09±0.05)mg/L（3 月），最低值为(0.02±0.01)mg/L（10月）。各监测点TP浓度无显著空间差异（ANOVA,P>0.05）。

图2 鲁班水库N、P和Chla浓度的逐月变化特征Fig.2 Monthly variation characteristics of concentrations of N, P and Chla in Luban Reservoir

水库各监测点N:P和Chla浓度无显著空间差异（ANOVA,P>0.05）。水库 N:P 年均值为 47±28，最高值为 94±47（11 月），最低值为 22±8（4 月）。水库Chla浓度年均值为(14.66±8.43)µg/L，最高值为(21.70±12.71)µg/L（4 月 ） ， 最 低 值 为 (8.06±3.34)µg/L（1月）。鲁班水库Chla浓度的季节波动趋势与pH、DO、CODMn、COD 和BOD5相同，均在4月达到峰值，随后呈下降趋势（图1）。同时，Pearson线性相关分析发现：Chla 浓度与 pH（r=0.376，P<0.01）、DO（r=0.307，P<0.01）、CODMn（r=0.482，P<0.01）、COD（r=0.393,P<0.01）和 BOD5（r=0.378，P<0.01）呈显著线性相关关系（表3）。

表3 相关理化参数的Pearson分析结果Table 3 Pearson correlation coefficient for physiochemical characteristics

2.3 水库水质类别与营养状态

2014年4 个监测点位和2016年进水口、鲁班岛为Ⅳ类，其余年份都能达Ⅲ类（表4）。按湖库Ⅱ类标准，进水口TP、TN浓度超标严重，COD超标频率较高，CODMn、BOD5集中在3—7月超标。鲁班岛监测点TP、TN浓度几乎不能达标，CODMn、BOD5集中在3—7月超标。麻雀湾监测点各污染物月度变化趋势与进水口、鲁班岛一致，浓度进一步降低，但仍不能达标。库尾监测点BOD5在2017年4月以后勉强能达标，COD在2018年9月以后能达标，CODMn在2019年5月仍然超标，TP、TN浓度月度超标现象依然严重。2016—2019年水库营养状态指数为41.5～44.7，平均值为42.7±1.4，为中营养状态（表5），且显著低于 2011 年 (50.7±7.0)[13]，说明水库营养水平明显降低，水环境质量得到提升。

表4 鲁班水库水质类别变化Table 4 Variations of water quality of Luban Reservoir

表5 2016—2019年鲁班岛监测点位水体营养状态Table 5 Water trophic state of the Luban Island section during the period from 2016 to 2019

2.4 水库N、P截留率

2018年鲁班水库年进水量为17 993.50万m3，年出水量为14 722.20万m3，其中灌溉用水4 727.40万m3，灌溉期3—9月。2018年水库进水口的NH4+-N、TN和TP 浓度分别为(0.04±0.01)、(0.70±0.21)和(0.04±0.01)mg/L；库尾NH4+-N、TN 和TP浓度分别为 (0.04±0.02)、(0.56±0.16)和 (0.03±0.02) mg/L。则水库NH4+-N、TN和TP的输入量分别为6.89、125.05和6.30 t/a，出库量分别为3.75、55.80和2.92 t/a。水库对NH4+-N、TN和TP的截留量分别为3.14、69.25和3.38 t/a，截留率分别为45.61%、55.38%和53.66%，截留速率分别为3.35、6.34和5.77 m/a。其中，通过灌溉调水途径去除的NH4+-N、TN和TP的量分别为1.77、26.39和1.38 t/a，分别占水库总截留量的56.40%、38.11%和40.85%。水库对NH4+-N的截留量占水库对TN截留量的4.54%，水库对TN截留率是对NH4+-N截留率的1.21倍。

3 讨论

3.1 水库N、P浓度与Chla浓度的响应关系

Chla浓度通常与浮游植物的生物量呈正比，因此通常用Chla浓度的季节性变化来反映浮游植物的生长情况[3,6,10-11]。水库Chla浓度最高值出现在4月，最低值出现在1月（图2）。Chla浓度的季节变化显示，鲁班水库藻类生长的高峰期为4月和5月，6月Chla浓度开始降低，8月接近最低值。

Kwak等[14]研究认为，藻类的生长与死亡显著提高了水体及沉积物中的COD。鲁班水库Chla浓度的逐月变化趋势与水库DO、CODMn、COD和BOD5的逐月变化趋势相近（图1和图2），最高值出现在4月和5月，最低值出现在12月。Pearson线性相关分析发现：鲁班水库Chla浓度与DO、CODMn、COD和BOD5呈显著线性相关关系（表3），说明Chla浓度的升高，反映了藻类的不断生长，引起水体中DO、CODMn、COD 和BOD5的升高；Chla浓度的降低，反映了藻类的死亡，水体中的DO、CODMn、COD和BOD5随之降低。

鲁班水库中Chla浓度与NH4+-N、TN和TP浓度无显著线性相关关系（P>0.05，表3）。NH4+-N浓度从2月开始降低，至4月达到最低值，随后呈波动变化；TN浓度从3月开始降低，7月降到最低，随后开始升高；TP浓度从3月开始降低，10月降到最低，随后开始升高；而Chla浓度从1月开始升高，峰值出现在4月和5月，随后逐渐降低（图2）。这是由于在藻类生长季，藻类吸收了水体中的N和P[15-16]，将溶解态N和P转化为颗粒态，沉积在水库底部，从而降低了水体中的TN和TP浓度。

水库N:P多年均值为47±28，最低值出现在4月，最高值出现在11月。Maavara等[17]研究发现，相较于河流水生生态系统，水库水生生态系统具有较长的水力滞留时间，有利于藻类的生长，将溶解态N、P转化为颗粒态，并沉积埋藏在水库中。鲁班水库Chla浓度与N:P呈显著负相关，4—8月N:P的显著升高，是由于水体中溶解态的P被藻类转化为颗粒态P，赋存在藻类体内的P以颗粒态的形式沉积在水库底部，使得该时期湖泊P的截留率大于N的截留率。8—11月TP浓度较为稳定，N:P的升高，则是由于TN浓度的不断升高所致。

3.2 水库N、P截留率的不确定性

水库对N、P的截留量和截留率受到多重因素的影响。一方面，受到湖泊N、P负荷量的影响，湖泊N、P负荷量越高，截留量会越高，但截留率却不一定增高，甚至会降低[18-24]；另一方面，受到湖泊水文水动力学的影响，水力滞留时间越长，截留率越高[8,22]。从年尺度上来讲，鲁班水库对TN的截留率（55.38%）略高于TP（53.66%）。一方面可能是由于湖泊中存在较为活跃的反硝化作用和厌氧氨氧化作用，将湖泊中的溶解态无机氮转化为N2释放到大气中，从而有效去除溶解态无机氮[2,8,18-19]，使得水库对TN的截留率高于TP。另一方面，可能是由于计算过程中存在的不确定性引起的，如未知的外源输入或水库内源N、P释放的波动性。水库对P的截留主要是通过颗粒态P的沉积，将P埋藏在水库底部[15]。但是，表层沉积物中的N、P会在矿化作用的影响下，重新释放到上覆水体中，由于N、P在矿化速率上的差异，进而影响水库中TN、TP的截留率。

截留速率代表湖库N、P去除相关的生物地球化学特征。在相近的生态系统中，截留速率为稳定常数，反映了湖库中N、P的去除速率与反应底物浓度间的常数关系[8,25-26]。Howarth等[25]估算了环北太平洋湖泊和水库的N截留速率，约为10 m/a。Harrison等[26]估算了全球湖泊和水库的N截留速率，均值为(8.91±10.27)m/a。Li等[8]估算了巢湖的N去除速率，为3.33 m/a，代表了湖泊N截留速率的下限。本研究估算的鲁班水库对NH4+和TN的截留速率分别为3.35和6.34 m/a，介于已报道数据的范围内。鲁班水库TN的截留速率高于巢湖[8]，是由于鲁班水库TN的截留速率包括临时储存在水库中的TN。当前对于内陆水体中P的截留速率的报道相对较少。Marcé等[27]报道了河流中P的截留速率为17.7～44.5 m/a。本研究估算的TP截留速率为5.77 m/a，显著低于河道中P的截留速率。

4 结论

（1）水库TN、TP浓度年均值分别为(0.65±0.22)和 (0.05±0.03)mg/L，Chla浓度年均值为 (14.66±8.43)µg/L。藻类生长期，Chla浓度升高，DO、CODMn、COD和BOD5也随之升高；随着藻类的死亡，Chla浓度降低，DO、CODMn、COD 和BOD5也随之降低。同时，藻类生长过程中，吸收了水体中的N和P，将溶解态N和P转化为颗粒态沉积在水库底部，降低了水体中TN和TP浓度。

（2）水库对NH4+-N、TN和TP的截留率分别为45.61%、55.38%和53.66%；截留速率分别为3.35、6.34和5.77 m/a。其中，通过灌溉调水途径去除的NH4+-N、TN和TP分别占水库总截留量的56.40%、38.11%和40.85%。水库对NH4+-N的截留量占水库对TN截留量的4.54%，水库对TN截留率是对NH4+-N截留率的1.21倍。作为典型的深水湖库，鲁班水库N、P截留过程对人类活动的响应机制以及水库热力学分层对水库N、P截留率和截留速率的影响机理，有待于进一步深入研究。