衡水湖氮磷分布现状与水体富营养化分析

丁二峰

（河北省衡水水文勘测研究中心，河北 衡水 053000）

衡水湖湿地是典型的内陆淡水湿地，也是华北地区唯一保持沼泽、水域、滩涂、草甸等完整生态系统的浅水型湿地湖泊。2003 年经国务院批准晋升为国家级自然保护区，衡水湖在保护珍稀鸟类和生物多样性、湿地生态系统研究、蓄水防汛抗旱、调节周边小气候等方面发挥着重要作用。由于衡水湖常年依靠调水维持湖区水位，补充水量的同时也带来了不少营养物质，叠加对湖泊生境条件影响，造成衡水湖生物多样性减少、水体富营养化情况加剧等一系列环境问题，亟需对整个衡水湖的营养盐现状进行分析，这对衡水湖的保护及环境整治具有重要意义。

1 研究对象与方法

1.1 研究区概况

河北衡水湖国家级自然保护区位于河北省衡水市境内，地理位置在东经115°30′～115°40′、北纬37°33′～37°40′，总面积75.0 km2。中湖大道将整个湖泊分为东、西2个湖区。其中，东湖又被一条人工堤分为大库和小湖2 个部分，大库面积32.4 km2，小湖面积10.1 km2，总设计库容1.23 亿m3。大库现有水域平均水深普遍在1.5～2.0 m，小湖平均水深1.0 m左右，属浅水型湖泊。西湖总面积32.5 km2，设计库容0.65 亿m3，目前尚未蓄水，少部分区域以农作物种植、水产养殖、部分村企用地为主，其余大部分区域被杂草覆盖[1]。

1.2 数据及研究方法

在衡水湖东湖大库开阔区设3处站点、小湖湖心设1处站点，于2021年5—11月、2022年4月每月月初进行采样监测；在大库芦苇区和蒲草区各设3处站点、小湖南关新闸东设1处站点，于2021年5—9 月每月月初进行采样监测；湿地监测站点，如图1 所示。

图1 衡水湖湿地监测站点示意

采样方式为用人工手提式有机玻璃采样器采集各站点水面下0.5 m 处水样1 L，置于干净的玻璃瓶中，加入固定剂带回实验室。采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定总氮（TN），钼酸铵分光光度法测定总磷（TP）[2]。将检测数据与《地表水环境质量标准》[3]（GB3838-2002）中相应参数的分类限值进行比较，确定水质类别。地表水环境质量分类标准限值，详见表1。

表1 地表水环境质量分类标准限值mg/L

2 结果与分析

2.1 总氮浓度时空变化及成因分析

总氮含量是衡量水质的重要指标之一，是水中各种含氮化合物的总和，包括亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、无机铵盐、溶解态氨以及蛋白质、氨基酸等大部分的有机含氮化合物。水中各类含氮化合物的浓度受水温、pH、氧化还原电位、气压等多种条件的影响，其总含量在一定程度上可以反映水体受营养物质污染的程度以及水体的自净能力大小[4]。

通过对衡水湖各区域水体氮的浓度分析测试，结果如图2所示。

图2 衡水湖水体总氮时空变化趋势

由图2 可以看出，大库水体总氮浓度除7、10 月为Ⅳ类标准外，其他月份都可达到Ⅲ类标准。从变化趋势上看，大库总氮浓度呈现出波动性变化。由于连接衡水湖的上游河道除去人为引水外，常年基本无流量，污染输入相对较少，衡水湖内源污染较为突出。由于底泥有机质及氮的含量较高，4—7 月，随着温度的升高，湖底有机质降解导致了内源氮的释放，水体中的氮含量也逐步增高。同时，随着水温的升高和日照的增长，湖泊中的浮游植物开始大量繁殖，由于浮游植物具有一定的固氮作用，同样能够升高水体中总氮含量值。衡水湖是典型的浅水型湖泊，水质受湖泊水动力影响分层现象不太明显，但由于趋光特性，浮游植物大量分布在水体表层，此处恰好是样品采集位置，这也有可能是总氮变高的原因。8—9 月，总氮含量水平趋于稳定，处在年均值附近。至10 月，总氮浓度再次上升，原因为10 月的天气及水文要素正适合蓝藻等浮游植物的生长，加之部分水生植物开始枯萎死亡，水体净化作用削弱，残体开始腐烂降解，进一步导致水体中总氮浓度显著高于其他月份。

小湖水体氮浓度总体上显著高于大库，基本处于Ⅳ类、V 类甚至劣V 类标准。从总氮变化趋势形态看，小湖与大库相似，也呈现出夏秋季节含量高、冬春季节含量低的特点，说明小湖总氮浓度也主要受到内源释放及浮游植物生长变化特性的影响。小湖平均水深比大库更浅，受水动力作用影响大，可忽略上下层水质的差异。小湖与大库相比，在总氮含量上有其特殊性。7—10 月，小湖总氮含量相对变化较为缓慢，而且浓度值相对较高，可能是由于小湖水体含盐量高，与大库相比水体总的离子强度高，对部分离子浓度变化有更好的缓冲作用所致。

2.2 总磷浓度时空变化及成因分析

天然水体中的磷含量不高，因此它往往是限制水体生产者发展的因素之一。当过多的磷排入水体将引起水体的富营养化，使藻类旺盛生长，从而破坏水体中的氧气平衡，导致水质的恶化；同时，藻类的死亡将释放藻毒素等，将引起水体的进一步污染[5]。

衡水湖水体中总磷浓度变化，如图3所示。

图3 衡水湖水体总磷时空变化趋势

由图3 可以看出，大库水体总磷浓度在夏季总体处于Ⅲ～Ⅳ类标准，其他季节符合Ⅲ类标准。从变化趋势上看，6—9 月，水体总磷浓度要高于其他月份，其原因可能是夏季水温较高，各种水生植物、动物新陈代谢快，底泥中的营养盐加速释放等。此外，通过王口闸或南关闸引水水源的总磷浓度虽然符合《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）中Ⅲ类（0.2 mg/L，河道）标准，但总体处于较高水平，不符合湖库Ⅲ类（0.05 mg/L）标准，因此外源调水输入也可能是水体磷浓度升高的另一原因。在其他月份，大库春秋季总磷含量均能符合Ⅲ类标准，甚至能够降到很低的水平（小于0.01 mg/L）。在此期间，受生物活动、水文条件影响，动植物的新陈代谢较慢，死亡的浮游植物或水生植物、部分颗粒态磷及难溶态磷会逐渐下沉至水体底部，开始新一轮的磷循环。

从区域变化看，湿地区域（芦苇区、蒲草区）水体总磷浓度要略高于开阔水域。开阔区总磷均值为0.055 mg/L，湿地区总磷均值为0.072 mg/L。与总氮浓度变化原因相似，湿地区域内源较高可能导致内源释放加剧，水体磷含量较高。由于水生植物的衰老退化，其对水质的净化作用明显降低，由此导致湿地区域大量通过内源释放出的磷无法被湿地植物快速吸收而溶解到水中，因此湿地区域水体磷浓度显著高于开阔水域。

小湖水体磷浓度变化趋势与大库总体相近，且小湖水体磷浓度显著高于大库，大部分时间水体总磷处于V 类或劣V 类标准，2021—2022 年整个监测周期内总磷均值为0.17 mg/L，约为大库的2 倍。与大库不同的是小湖总磷含量最大值出现在7月。总磷含量全年呈现出5—7 月逐渐增大，然后逐渐降低的趋势。从季节变化看，小湖水体夏季磷浓度的上升比大库更加剧烈，7 月小湖已处于较为严重的富营养化状态，水体磷浓度高，适合藻类大量生长，且主要原因可能为内源释放所致。小湖与大库有所不同的是，小湖水体磷浓度甚至超出了调水河道水体磷浓度，而其他外源输入又较少，因此内源释放应是小湖水体磷浓度升高尤其是夏季磷浓度升高的主要因素。

2.3 氮磷比与叶绿素a关联性分析

氮元素和磷元素是藻类生长必不可少的营养物质，氮磷比与藻类增值有密切的关系。一个典型的藻类分子式为C106H263O110N16P，也就是说临界的氮磷比应为16∶1，换算成质量比为7.2∶1。如果实测氮磷比低于该比值，氮元素的含量将限制藻类的增长；如果氮磷比高于该比值，则磷元素是藻类增殖的限制因素。通过对多个湖泊实际监测发现，发生蓝藻水华的湖泊中氮磷比在13～35，而没有发生蓝藻水华的湖泊中氮磷比＜13 或＞35，这说明在合适的氮磷比比值范围内，有利于藻类的增殖，而超出这个范围则不利于藻类生长[6]。

叶绿素a（Chla）是一种光合色素，是藻类重要的组成成分之一，其含量的高低与藻类的种类、数量等密切相关，也与水环境质量有关，是水体浮游植物数量动态变化的综合反映指标，也是湖泊富营养化评价的必评项目之一[7]。叶绿素a 浓度的分布变化受光辐照度、温度、透明度和营养盐等因素的影响，故通过测定叶绿素a 浓度能够在一定程度上反映水体浮游植物生长状况。因此，叶绿素a 常作为湖泊富营养化调查的主要参数，并且在水体富营养化状况评价中起关键性作用。一般认为，水体叶绿素a 超过0.02 mg/L时即有发生水华的危险，超过0.03 mg/L时即已发生显著的水华[8]。

通过监测发现，大库水体2021—2022 年监测周期内叶绿素a浓度均值为0.016 9 mg/L，其中7、10月的水体叶绿素a 浓度较其他月份显著升高，均高于0.02 mg/L，大库开阔区月均值最高达到0.038 7 mg/L，部分区域已有显著的水华发生，如图4所示。

图4 衡水湖水体叶绿素a时空变化趋势

对照图4 和图5 可以看出，在整个监测周期内，大库分别在7、10 月2 次出现藻类生长旺盛期，而此时水体的氮磷比正好在13～35，这也印证了上述推论的正确性。从区域上看，开阔水域叶绿素a 浓度总体上要高于湿地区域，开阔水域监测平均值为0.017 6 mg/L，湿地区域监测平均值为0.016 6 mg/L，这与前述水体中氮、磷浓度变化趋势有所不同。湿地区域水生植物的生长会影响部分光照、风、温等气象水文要素；部分植物残体在降解过程中产生的物质可能在一定程度上抑制了浮游植物的生长。但是，如果水生植物退化状况持续，将不断为水体补充富营养物质，当达到某一特定程度时，很可能会导致浮游植物大量生长，进而暴发水华。

图5 衡水湖大库水体氮磷比时空变化趋势

小湖水体叶绿素a 浓度显著高于大库水体，年均值达到0.048 mg/L，月监测值最高甚至达到了0.081 mg/L，部分区域已有明显的水华发生。根据前述对水体氮、磷营养盐浓度的分析，目前小湖水体氮、磷基本处于V 类或劣V 类标准，加之水体叶绿素a浓度极高，已呈现出较为严重的富营养化现象。从时间上看，除2021 年11 月和2022 年4 月2 次监测未显示大面积水华外，其余时间的发展态势不容乐观，藻类大面积暴发的风险正持续上升。

3 结论

（1）衡水湖湿地水质受总氮和总磷影响较大，其浓度呈现出夏秋季节含量高、冬春季节含量低的特点。大库和小湖水体的营养盐成份主要受到引调水水质、内源释放及浮游植物生长变化特性的影响。

（2）衡水湖从空间上看大库水质比小湖要好，开阔区域水质比湿地区域要好，芦苇区与蒲草区的水质没有明显差别。

（3）衡水湖水体营养盐含量的周期性上升及富营养化状况的加剧，需要对各水质参数之间相互关系进行更加深入的分析，以探索弄清加剧衡水湖水体富营养化状况的主要因素。虽然水体氮、磷浓度均呈现出增加的趋势，但不同形式氮、磷之间关系差异较大，而水生植物腐烂碎屑和浮游植物繁殖可能是造成这一现象的主要原因。

（4）衡水湖水质受外来水质影响较大，引调水的同时营养盐和部分生物会随之而来，改变了湿地原有的生境。在维持一定水位的同时，挺水植物面积缩小，沉水植物大面积退化，也对衡水湖水环境质量产生了一定的影响。如何在衡水湖保护过程中，科学、合理地调节水位、水量、水质及水生态环境，是需要解决的重点难点问题。