丰乐河夏季非洪水期与洪水期河水和底泥不同形态磷研究

2022-05-21姜晓霞

水科学与工程技术 2022年2期

孙玥，高敏，姜晓霞，储茵

（安徽农业大学资源与环境学院，合肥 230036）

巢湖是我国五大淡水湖之一，位于安徽省中部，流域面积13486km2，属于大型浅水湖泊［1］，自20世纪80年代以来，富营养化问题逐渐严重，为我国重点治理的“三湖”之一。 2019年巢湖全湖平均为轻度富营养状态，总磷为其主要污染指标［2］。磷是湖泊中蓝藻等水生生物暴发的主要限制性营养盐之一［3-4］，而降雨—径流等过程引起的氮磷等营养元素通过入湖河流输送是受纳水体污染物的主要来源［5］，因此，针对巢湖富营养化问题，更应研究对其富营养化元素有影响的入湖河流，包括入湖河流河水和底泥中的磷形态及其含量。

流域磷的输出包括磷的累积和输送两个主要过程，流域自然特征的空间差异，加上人类活动、降雨和径流的动态变化，使得河流磷输出具有复杂的时空变化特征［6-7］。非洪水期，不同来源的磷会在陆面和河道底部累积，河流输送能力相对较小，而在洪水期，随着降雨和径流强度的加强，冲刷和输送污染物的能力也在增强，造成污染物输出浓度及总量的增多。已有研究普遍认为，磷进入底泥后并不只是单纯累积，还可能随着环境条件的改变向水体中释放，底泥既是磷的“源”也是磷的“汇”［8-9］。磷的不同形态和含量变化不仅能够反映区域环境变化的程度，也有助于评估对水生态环境的影响。从环境的角度，针对底泥磷形态的提取方法也一直在发展中，其中SMT（standards measurements and testing）［10］法因实验误差较小、数据可比性高而被国内外广泛应用［4，11］。

本研究以巢湖入湖河流丰乐河为研究对象，通过对河水和底泥进行分布式采样并测定，分析夏季非洪水与洪水期不同形态磷含量变化特征，以期为巢湖的污染防治提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 流域概况

丰乐河，古称桃溪，位于巢湖西面，是巢湖主要支流之一（图1），发源于六安市金安区张店镇境内，在下游与杭埠河汇合后注入巢湖。上游河流宽约30m，而中、下游为冲积平原，河宽约100m。以位于丰乐河中下游的桃溪水文站控制断面为流域出口，流域面积1579km2，整个流域以农业用地为主。

1.2 样品的采集和处理

依据丰乐河水系、子流域和土地利用特征，并通过实地考察确定了14个采样点（图1），于2019年7月14日和8月11日分别对丰乐河河水和底泥进行了分布式采样。其中，巢湖流域7月大多为阴天或晴天，降水量很少，桃溪控制断面整体水位较低，因此将该监测时段定为非洪水期。8月10日台风“利奇马”在浙江省登陆，受其影响，浙江、山东、江苏等地均出现极端强降雨天气。桃溪控制断面8月2日水位9.10m，8月12日水位达到最高10.65m，因此将8月11日在丰乐河的采样定为洪水期。

图1 采样点位置

水样和底泥样均采用多点法，根据采样点河道断面宽度和取样难易程度，确定3～5个点进行样品采集。水样采集时，用水质采样器分别采集水面以下0.3～0.5m处的表层水样，混合后装入500mL的聚乙烯塑料瓶中，放置低温冷藏保温箱，带回实验室低温保存并在24h内分析测定。底泥样品采集时，用抓斗式采泥器分别采集河道的底泥，混合并去掉石块等杂物，混合样品封装于聚乙烯塑料袋中，带至实验室。将采集的底泥自然风干后，过1mm（16 目）筛后装入塑封袋中标号待测。

1.3 样品的分析方法

采用钼酸铵分光光度法（GB/T 11893—1989）测定水样原水和原水经0.45 μm滤膜过滤液，分别得到河水总磷（TP）和可溶性磷（DP）含量［12］；底泥中不同形态磷的测定方法运用欧洲标准测试委员会发布的SMT［10］法分别进行分级提取，采用钼酸铵分光光度法（GB/T 11893—1989）测定提取液磷含量。 SMT分级测定步骤如图2。

图2 底泥磷形态SMT分级测定法［12］

1.4 数据处理方法

使用软件Excel 2016与SPSS 26对数据进行统计分析，在Origin 2017软件中完成绘图。

2 结果与分析

2.1 非洪水与洪水期河水磷含量变化

如图3可知，非洪水期丰乐河各采样点河水TP含量介于0.032～0.292mg/L之间，均值0.095mg/L；DP含量介于0.028～0.262mg/L之间，均值0.063mg/L；DP占TP比例的均值为65.9%，说明河水中磷的主要成分是可溶性磷。可溶性磷易被藻类及其他水生生物吸收，占比越大，富营养化风险也就愈大。水体富营养化分级标准规定TP含量在0.02～0.5mg/L之间为富营养化［13］，由此可以得出丰乐河存在着富营养化风险。

图3 非洪水与洪水期河水TP和DP含量箱线

洪水期各采样点TP含量介于0.063～0.341mg/L之间，均值0.174mg/L；DP含量介于0.046～0.181mg/L之间，均值0.085mg/L；DP占TP比例的均值48.4%。与非洪水期相比，洪水期各采样点TP和DP含量均有显著增加，各点TP含量总体变幅也增大（图3），但DP占TP的比例均值下降了17.5%。这主要是因为非洪水期河流以地下水和生活污水等排放补给为主，流量及变幅较小，携带污染物能力也小［14］，而在洪水期地表径流是主要补给，流量激增，加上降雨和径流对地表和河道的侵蚀作用，河水携带和输送能力大大增强，使河水污染物，特别是悬浮态的污染物浓度显著增大，导致河水中的TP和DP含量增多，而TP增幅相对更大［15］。

由图4（a）和（b）可知，TP和DP含量在各采样点均有一定差异，在洪水期差异更大。除采样点F14，其余各点TP含量均表现为洪水期高于非洪水期，而各点DP含量除采样点F8和F14，也表现出相同特点。这主要是因为这次采样主要在洪水的涨水时段，以侵蚀和输送作用为主，稀释作用为辅，使很多点TP和DP含量增加，但在少数点，由于侵蚀作用减弱，以稀释作用为主，所以表现为磷含量的降低。

图4 非洪水与洪水期河水TP和DP含量

2.2 非洪水与洪水期底泥磷含量变化

由图5和图6（a）可知，非洪水期采样点底泥TP含量介于229.82～1437.41mg/kg之间，均值520.09mg/kg，中值432.10mg/kg，由于异常值的影响均值高于中值。从磷的不同形态来看，IP含量远高于OP含量，而在IP中，NaOH-P平均含量要略低于HCL-P含量（图5）。HCL-P一般被认为是生物不可利用的磷，其主要来源于碎屑岩或本地自生［16］，不易释放，而NaOH-P被认为是可为生物所利用的磷，与人类活动密切相关，主要来源于家庭或工业废水［10］，说明丰乐河受生活污水和工业废水等影响相对较小。不同采样点NaOH-P含量最大和最小值相差近9倍，反映了人类活动对不同区域的影响程度不同。

图5 非洪水与洪水期底泥不同形态磷含量箱线

洪水期采样点底泥TP含量介于223.23～900.43mg/kg之间，均值495.96mg/kg，中值463.20mg/kg。与非洪水期相比，底泥中不同形态磷总体含量水平之间与非洪水期类似，但OP和IP不同采样点之间的差异减小（图5）。另外，洪水期各采样点不同形态磷含量都没有异常值出现，表明一方面洪水期通过降雨径流对河道的水体扰动作用较强，可使部分底泥发生再泛起随水流走［6，17］，另一方面由于沉淀作用同时存在，从整个上下游水系的底泥来说，又可能有一定的整体均衡作用。由于丰乐河河道整体坡度较小，因此非洪水与洪水期底泥磷含量总体水平相差较小。

非洪水与洪水期TP含量在不同采样点都有较大差异，不同点洪水底泥TP含量比非洪水期有的增大有的减少［图6（a）］。磷形态分布在各采样点也有不同，不同点洪水底泥磷形态变化也差别较大［图6（b）］，这反映出特定点的变化与局地坡度、水流、上游来水等具体条件有关。

图6 非洪水与洪水期底泥不同磷形态含量

2.3 相关性分析

相关分析表明（表1～表2），河水TP与底泥中各形态磷在非洪水与洪水期均无相关性，这可能是由于河流中底泥和河水是一个开放的系统，受上游来水影响很大，而且在不断变化中。非洪水期底泥中TP含量与NaOH-P含量的相关性最好，与OP含量也有较好的相关性，均达到极显著水平，但与HCL-P含量相对较差，表明底泥中TP含量的增加与NaOH-P和OP的增加相关。在各形态磷中，OP含量与NaOH-P含量呈极显著相关，这可能与这两种形态主要都是人为来源有关。