气候变化和人类活动对河流营养盐通量过程影响研究综述

蒋聘凤, 童思陈, 黄国鲜, 许光祥, 胡 鹏, 许新发

(1.重庆交通大学 河海学院, 重庆 400074; 2.中国环境科学研究院, 北京 100012; 3.国家内河航道整治工程技术研究中心, 重庆 400074; 4.中国水利水电科学研究院, 北京 100038; 5.江西省水利科学院, 江西 南昌 330029)

1 研究背景

营养盐作为水生植物生长因子的限制性因子,是浮游植物生产繁殖所必需的养分,也是食物链的基础[1]。全球河网的总长度约为745.2×104km[2],在世界范围内的供水中起着重要作用,也是营养盐从陆地到湖泊和海洋运输的重要途径。河流营养盐入海占比非常大,例如磷营养盐,在全球循环中每年通过大气沉降的总磷(TP)约为(300～400)×104t[3],而通过风化、侵蚀和径流途径输送入海的TP约为(2 500～3 000)×104t[4]。

随着社会经济的快速发展,频繁的人类活动和显著的气候变化对河流营养盐的排放、输运和分布产生了越来越深远的影响[5-6]。土地利用和城市化与工业开发[7-8]产生的污染排放可直接改变河流水文情势和水质条件,大型水利工程的建成和运行可改变河流水动力条件和破坏河流连通性,水位抬高和流速减小,导致大量泥沙沉积和营养盐滞留[9]。据初步估计[10],在全球过去50年内建造的水库中,已滞留了约1 000×108t的泥沙和(10～30)×108t的碳营养盐,非洲和亚洲河流的输沙量大大减少。随着温室气体排放的增加,地面辐射红外线被强烈吸收[11],近百年来,以全球变暖为主要特征的气候变化十分显著,联合国政府气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)在2013年发表的第五次综合评估报告中指出,1880—2012年间地表平均温度上升了0.85 ℃[12]。此外,气候变化引起极端天气频发,例如局部强降雨事件,降水量的增加使淡水流量增大。一段时间内,通过河流某横截面的泥沙或者营养盐输移总量的增加,即泥沙通量或者营养盐通量的增加,在一定程度上增加了受纳水体的初级生产力。此外,水温升高、水体富营养化问题将日渐突出[13]。富营养化导致藻类大量繁殖,从而改变pH平衡、降低溶解氧水平和增加水的浊度,这种变化将影响河流栖息地环境和生物多样性,特别是敏感水生物种的丰富性[14]。相应地,人类健康和福祉也会受到影响,如饮用和灌溉的淡水供应、渔业的持续发展和休闲娱乐景观等。

在人类活动和气候变化的双重影响下,世界河流营养盐过程发生了深刻变化,由此给人类社会和河流生态系统造成了严重影响。目前,对于全球河流营养盐通量获取方法及其变化过程研究进展的认识还具有片面性。考虑流量、大型梯级水利工程、土地利用方式、未来环境修复和管理等因素,选择亚马逊河流、密西西比河、长江、黄河、尼罗河、澜沧江-湄公河、泰晤士河等,从营养盐通量计算的研究方法与进展、气候变化和人类活动对全球大型河流营养盐过程的影响进行了综述,并对气候变化和人类活动影响、营养盐监测、模型计算以及水环境保护和管理研究进行了展望,补充了对相关领域新问题和新方向的认识,指出了未来需要加强探索和创新的科学前沿。

2 河流营养盐通量获取方法

2.1 数据监测

基于实时、高精度的原位监测数据估算营养盐通量是了解人类活动和气候变化影响下河流营养盐时空变化最直接、有效的方法[13]。一般以年为单位,统计1年内通过河流某截面的泥沙和营养盐总量(t/a)。综合国内外对河流营养盐浓度数据的获取方法和通量计算模型,总结了河流营养盐的研究框架,如图1所示。

图1中,传统的监测方法是现场采样-实验室测定[15],该方法具有样品检测延迟、成本高、采样频率低和样品易受污染等缺陷[16],最后在实验室检测出的数据误差在-20%～45%之间[17]。此外,该方法无法捕捉到强降雨、藻华爆发等短期造成的营养盐浓度急剧变化过程,由此可能对长期营养盐通量的估算造成数量级的误差[18]。替代的原位自动观测仪器,例如YSI-EXO2、BBE藻类分析仪、Hydrolab DS5多参数探空仪和PHYTO-PAM叶绿素荧光计[19],可以实时、高频监测流域营养盐浓度。全面布设原位自动观测仪进行河流营养盐监测有助于确定新出现的水质问题,并制定可持续的水管理战略[20],以维护健康的河流和生态系统,但其运行稳定性和高昂的成本是目前面临的重要问题[21]。

传统的现场采样监测方法已经不能应对有效描述气候变化和人类活动影响下营养盐过程复杂变化的挑战,近年来,人们开始转向遥感系统。卫星传感器(Landsat、Sentinel、MERIS和MODIS)和机载传感器(带有RGB相机,激光雷达和CASI的无人机)通常用于流域营养盐监测[22],遥感技术在动态营养盐监测方面具有规模大、持续时间长、周期性强的优势[23],可以在短时间内获取大空间流域的水文水质实况信息。但受低信噪比、仪器分辨率和云层覆盖的限制,将遥感技术应用于内陆水域的营养盐监测仍然具有挑战性[19]。

营养盐通量计算需要结合实测数据和统计模型,实测数据主要包括营养盐浓度和河流径流量,此外,磷的输移与泥沙有很强的相关性[24-25],世界大河磷通量中颗粒态磷(particle phosphorus, PP)占比超过80%～90%[26],因此也应测量河流泥沙浓度,以便计算输沙量。统计模型包括营养盐通量模型[27]和泥沙与营养盐通量关系模型[26]。表1列出了世界主要河流的年平均溶解营养盐浓度和TP、TN通量数据。

表1 世界主要河流水、沙、营养盐浓度及通量数据

如表1所示,截至20世纪90年代中期,全球河流每年向海洋分别输出了1 100×104t和6 600×104t的TP和TN[28]。世界大型河流的营养盐输入占主导地位,如南美洲的亚马逊河、北美洲的密西西比河、非洲的尼罗河以及亚洲的长江、黄河等。亚马逊河每年向巴西大陆架排放大量淡水(大于1012m3)、营养物和沉积物(约12×108t),向大西洋输送悬浮泥沙的速率约为12×108t/a[29],输送TP约28×104t/a[30]。Stackpoole等[31]利用长达42 a(1975—2017年)的氮、磷监测数据计算了密西西比河年际营养盐通量:TP约为(12.5～15.0)×104t/a,TN约为(120～160)×104t/a。长江拥有世界上数量最多的梯级水库群,在大坝的拦截作用下,长江中下游TP通量明显减少,约为(32～55)×104t/a[32]。黄河以其高含沙量而闻名,年平均输沙量为16×108t/a[33],大约比长江大一个数量级。与世界其他河流相比,黄河溶解态无机磷(dissolved inorganic phosphorus,DIP)浓度(0.10～0.75 μmol/L)接近世界上未受污染河流的平均值[34],不到欧洲和北美受污染河流以及长江的十分之一[35]。悬浮泥沙的吸附作用可能是导致黄河DIP相对较低主要因素,PP占2001年黄河TP的89.2%～97.6%[36]。然而,黄河的年平均硝酸盐浓度与世界其他河流有很大不同,2002—2004年硝酸盐平均浓度为314 μmol/L,是未受污染河流的世界河流的40倍[34],远远高于南美、北美的受污染河流(亚马逊河和密西西比河)和中国境内的其他河流(长江和珠江)[37]。尼罗河的PO43-浓度为2.08 μmol/L[38],TP通量为29×104t,TN通量为187×104t[39]。澜沧江-湄公河是一条流经6个国家的国际河流,Li等[40]基于1985—2011年监测数据,估算湄公河年平均TP通量为4.4×104t/a,年平均TN通量为63×104t/a,相对于其他大河处于中等水平。为更好地评估河流水环境变化,还需要进一步广泛且深入地开展河流营养盐监测和通量计算研究。

2.2 数值模拟

数值模拟以现有观测资料为基础,能够满足不同时间和空间尺度营养盐过程研究的需要,在定量求解营养盐过程和预测关键水质参数变化趋势方面具有显著优势。近几十年来,国内外学者针对河流、水库、湖泊、河口等水域的水动力过程及水质变化机理等研究,开发了一系列功能完善的水环境模型,常用模型包括SWAT[49]、WASP[50]、EFDC[51]、HSPF[52]和MIKE[53]等。

为了能够在多个流域尺度上模拟一个或多个污染物参数,还开发了大规模的营养盐模型,如Global NEWS-2、SPARROW、IMAGE-GNM、HYPE和MARINA等[54]。通常情况下,对于高度复杂的大型河流和考虑多个影响因子下的营养盐通量预测,多个模型结合可望有效求解气候变化和剧烈人类活动双重影响下的大型河流的营养盐过程,如全球环流模型、土地利用模型和水文泥沙模型等。营养盐模型在世界部分大型河流的应用案例总结列于表2。表2中的模拟结果具有一致性规律。在水文方面,雨季流量变大,洪水风险增加;旱季流量减少,干旱期延长。在水质方面,干旱期间水体对营养盐的稀释作用减弱,污染物浓度升高;工、农业和城市生活污染物输入的迅速变化增加了营养盐的源。此外,温度升高和库区水体停留时间延长,会改变环境中营养盐的质量平衡和结构,进而影响河口和近海的营养盐变化。

表2 营养盐模型在世界大型河流中的应用及其特征

小尺度数值模拟研究方面,河口及其邻近海域和典型河段(如库湾交互、冲淤严重的河段)是富营养化问题的重点区,其营养盐变化的模拟研究受到高度重视,常采用二、三维模型进行精细化模拟。2006—2012年,中国近海海域有害藻华发生约500次,其中长江口及邻近海域共发生313次,一项模拟预测结果表明,长江入海TN排放量需减少99×104t/a才能将东海有害藻华的发生频率限制在每年15次[48]。目前,考虑水文过程、营养盐过程与气候变化、人类活动影响机制的双向耦合模型仍有待继续发展和完善。

3 河流营养盐过程对气候变化和人类活动的响应

气候变化和人类活动给河流生态环境带来全方位、多尺度、多层次的影响,例如,全球变暖导致冰川退化、水面蒸发加快以及海平面上升和极端水文气候事件等自然系统异常现象;不合理的土地利用、大量的闸坝修建、过度的工农业及城市生活排污等会对河流水环境产生连锁反应。气候变化和人类活动对河流营养盐的影响机制见图2。河流营养盐过程对气候变化和人类活动的响应表现出两面性。不同地区的河流因受诸多因素影响,其营养盐通量变化过程具有一定程度的特殊性。对于处于热带的河流,温度升高会加快营养盐的生物化学反应速率,加快内源释放和延长河口三角洲区域缺氧时间。气候变化引起气流循环异常可能会引起强降雨等极端天气频发、水土流失加快以及前期地表、土壤累积的营养盐流失率加大,特别是坡面较陡、植被覆盖率低、地表土壤疏松等地区,从而增大了进入河流的泥沙和营养盐通量。对于人口密度大或人类活动密集的地区,土地覆盖和利用方式发生改变,肥料等氮、磷产品的加工和使用增多,同时城镇生活污水排放加大,使进入河流的营养盐增加。对于建坝数量多的河流,则导致河流双向连通受到干扰甚至破坏,河流水动力条件减弱,下游河流水体上滩地减少,大量营养盐滞留在库区,改变了上下游的营养盐组成结构。随着对水环境改善的重视,管理者提出了一系列修复措施,河流水质在一定程度上得到改善。

图2 气候变化和人类活动对河流营养盐的影响机制

3.1 河流营养盐过程对气候变化的响应

河流作为地球环境链中的重要环节,对气候变化的敏感性较高。营养盐的迁移主要以水为载体,气候变化引起的水量改变将直接影响水环境中营养盐的来源和迁移行为。气候变化主要体现在气温、降水量、太阳辐射、风速等气象因子上,以下重点阐述极端气候事件和气温升高对河流营养盐过程的影响。

3.1.1 极端气候事件 极端气候事件主要包括强降雨和干旱事件。强降雨加上渗透过程的阻滞,导致径流量增加,积聚于地表的大量的污染物被冲刷携带进入河流,从而增加了输入水体的污染物,水体自净能力减弱[63],同时导致土壤侵蚀,营养盐流失加快[64]。相反地,若降水量增加幅度小于蒸散量,则会发生干旱事件,水体的稀释能力降低,致使水体中部分离子浓度升高,水环境质量下降[65]。河流中营养盐负荷特征与降雨强度有关,陈洁等[66]分析了太湖河网区典型河道在大、中、小雨及无雨等4种降雨强度下的流量和营养盐负荷特征,结果发现,河道水体TN浓度在小雨时均值最高,TP浓度在中雨时最高。Drake等[67]研究发现,亚马逊河中主要离子浓度和通量主要由年雨季洪水脉冲控制,其变化表现出季节性,碳酸盐和硅酸盐衍生阳离子的比例最高,分别出现在洪峰流量和枯水期。

3.1.2 气温升高 气候变化引起的全球气温升高、光照时间延长和辐射增强等现象,会导致河流水体的热状态演变过程改变[68],从而影响营养盐的转化速率、生物降解的反应速率以及水体的溶解氧含量、透明度、酸度、盐度等水质参数。大部分水华爆发都出现在高温、强光的条件下。相关研究表明,当气温升高1.68 ℃时,水温就会升高0～1 ℃[69]。气候变暖显著提前了水库水温分层的开始时间,并延迟了结束时间[68]。水体分层会有一层水温变化相对剧烈的温跃层,温跃层的出现会导致河底形成缺氧层,库区沉积物内源营养盐在缺氧条件下加速释放[70],导致水体氮、磷浓度升高。温度升高引起水体生物蛋白质失活、微生物酶活性减弱、生物新陈代谢速率加快、细菌数量大大增加等一系列变化,也会进一步促进营养盐浓度升高[71]。Smucker等[72]利用1987—2018年间美国20个温带水库的监测数据分析发现,细胞密度增加与地表水逐渐提前升温、夏季高温时间延长所导致的水温分层更早、深水缺氧时间延长相一致。气候变化对全球河流营养盐输运过程的负面影响表现为加剧趋势,还需要更广泛的关注和研究。

3.2 河流营养盐过程对人类活动的响应

相比气候变化,人类活动引起的河流及其周围环境的营养盐过程改变程度更大。一方面,工业、农业生产及城市化进程加剧了点、面源污染物的排放;另一方面,拦河筑坝兴建水利工程显著改变了河流的天然水动力条件,造成营养盐输运过程的变化。此外,随着对水环境和生态修复的重视,近年来采取的改善措施对河流营养盐过程变化也有一定的影响。

3.2.1 土地利用 社会经济的发展引起土地利用方式的变化,对流域径流水文状况、蒸散量和土地覆盖变化有显著影响[73]。地球上1/3～1/2的土地已被人类干预而发生改变,农业肥料的施用量以及工业和城市生活污水的排放量以惊人的速度增长[74]。在过去几十年中,全球河流养分向海洋的输送量增加了1倍以上。例如,1970—1995年间,硝酸盐通量从0.86×1012mol/a增加至1.50×1012mol/a,DIP从25.8×109mol/a 增加至83.9×109mol/a[75]。

土地利用的组成、比例和强度与河流营养盐过程变化联系紧密,这些联系在空间和季节尺度上的变化很大[76-77]。大多数研究认为,人类活动频繁的土地利用方式(如农业用地和城镇建设用地)引起的非点源污染排放是造成河流大规模水质恶化的主要因素[78],而自然生态景观(如林地和草地)对营养盐则起到截留和吸附作用[79]。一般来说,工业和城市用地与河流中有机物污染、重金属和营养物质有关[80],而农业用地主要对河流中营养盐有很大影响[61]。分析土地利用对河流营养盐变化的影响,可为河流水环境修复和管理提供决策依据。

为满足不断增长的粮食需求,通常会进行林地开垦、扩张农业用地和增加肥料的施用量,进而导致森林覆盖率减小和地表径流、畜禽养殖、磷矿开采加工增加。据估计,从欧洲进入海洋的氮约有55%来自农业[81]。输送到墨西哥湾的氮80%来自密西西比河上游、密苏里河和俄亥俄河流域玉米和大豆的氮产量[82],是导致墨西哥湾缺氧区TN浓度超标的主要原因[83]。长江入东海的TN和TP排放中,非点源分别占36%和63%[48]。黄河流域约有15%的土地为农田,黄河中下游氮磷基肥使用广泛,约占全国的9%[36]。湄公河有超过12 500个灌溉计划,植物作用和农业肥料的施用增加了进入湄公河三角洲的营养盐通量,从而加剧了河口及近岸水域富营养化的负面效应,湄公河三角洲被公认为是世界上最脆弱的巨型三角洲之一[84]。泰晤士河流域约有42%的土地利用是农业,改良草地和林地分别占28%和11%,在全球变暖的影响下,泰晤士河上游可用耕地将向草地转变,可能会促进硝酸盐浓度的降低和减缓磷浓度的增加[61]。

土地利用变化主要引起河流营养盐源的改变,如何管理土地利用方式、减少其对河流营养盐过程变化的不利影响和对生态系统的干扰、促进生态系统的恢复是地球研究的永恒课题。

3.2.2 大型水利工程 随着水资源压力和能源需求的增长,20世纪中期以来全球掀起了大坝建设的最大浪潮,这意味着地球上大多数河流都有筑坝活动。据统计,全球已经建造了7万多座大型水库[1],在可预见的未来,这一数字将继续增加。大型水利工程极大地改变了全球水文系统,水体通过全球河流系统的平均时间增加了两倍,蓄水量增加了700%[85]。全球河流的连通状态发生了明显变化,一项对全球1 200×104km河流的调查显示,长度超过1 000 km并在整个长度上保持自由流动的河流占37%,能够不间断地流入海洋的河流仅占23%,且很长的自由流动河流主要位于北极的偏远地区以及亚马逊和刚果盆地[86]。水库对泥沙及营养盐的滞留效应,减少了其向漫滩、湖泊、湿地和沿海海洋环境的输运,显著地改变了河流系统的生态功能[87]。水库中营养盐的质量平衡和迁移转化过程如图3所示,图3表明,水库中营养盐来源有上游输入、大气沉降及沿途的工农业、城市生活排污,去向主要是向下游排放;营养盐在水库中会发生与泥沙颗粒的吸附解吸、沉降后再悬浮、对流扩散及化学生物反应等过程。

图3 水库中营养物质质量平衡和迁移转化过程示意图

相关学者估算了2030年部分大型河流水库对泥沙和磷营养盐的拦截率,结果如表3所示。

表3 水库对河流泥沙和营养盐的拦截率估算结果表

3.2.3 水环境修复和管理 如今人们已经意识到气候变化和人类活动引起的水质下降是对社会最紧迫的威胁之一,河流水环境的修复和管理是当前和未来的重要任务。目前,污染水体的修复技术包括物理修复技术(底物疏浚、底物掩蔽、引水循环)、化学修复技术、生物修复技术以及这些技术的组合[95-96]。在水库上游挖泥,可减少水库淤积,消除污染物质在河流内部的累积,还可用于恢复下游非汛期水体营养盐浓度和浑浊度[28]。通过对农业排水沟疏浚可降低沉积物营养盐浓度,对营养盐富集问题有一定的缓解作用。Moore等[97]对位于密西西比河下游三角洲的农业排水沟进行疏浚和为期一年的营养盐监测,结果表明,疏浚后沉积物中磷浓度下降了33%～66%,疏浚后排水沟中的微生物代谢可能需要一年甚至更长的时间才能恢复到疏浚前的水平。作物改良对于营养盐负荷减少有明显影响,Ren等[98]对美国玉米种植带St.Joseph流域进行模拟预测研究发现,最近30年的作物改良使氮负荷(NO3—N和TN)降低了6.8%～18.6%,磷负荷(TP)降低了2.6%～3.9%。交替喷洒微生物细菌和过氧化钙可有效改善水质,特别是在溶解氧和水体透明度方面,可进一步降低TN、TP和氨氮浓度水平[99]。微生物分解可实现对水体污染物的转化、降解和去除[95],过氧化钙是一种缓释材料,可阻止底泥向水体释放磷营养盐,同时使溶解于上覆水中的磷以 Al-P、Ca-P 和 Fe-P 的形式沉积到底泥中[99]。此外,污水处理设施技术升级、规模扩大和降低排放废水的磷浓度限值,可有效减少流入河流的污染负荷。2017年长江流域的废水处理量是2007年处理量的3倍,TN、TP 的减少量分别增加了620%、170%,污水处理厂在减少磷的作用比在减少氮的作用方面更明显[100]。

沿海地区是陆源沉积污染物的最终归宿,该地区环境质量的变化反映了环境污染的综合影响。在世界范围内已经报告了数百次海岸富营养化和缺氧事件[39]。控制河流沿线的污染排放,可以缓解沿海富营养化[48]。例如,近年来实施了《渤海综合治理行动计划》等近海海域水质治理行动和措施,中国沿海水质改善效果已经显现。据2001—2020年中国近海环境质量公报监测数据分析,沿海地区Ⅱ类及以上水质比例从2001年的41.4%逐渐上升到2020年的77.4%,同时,二级以下水质比例分别从58.6%下降到22.6%[101]。

此外,实施减缓气候变化的相关措施可间接减少河流水体富营养化现象,比如发展清洁能源、控制温室气体排放和增加植树造林面积等。探索“碳达峰、碳中和”的实现路径也是未来河流水环境修复和管理研究的重要方向。

4 存在的不足之处和对未来的展望

气候变化和人类活动对世界大河营养盐通量过程变化有显著影响,阐明其影响机理和驱动因素,对于河流水环境管理措施制定具有重要的意义。在已有研究基础上,气候变化和人类活动下河流营养盐通量变化研究可从气候变化影响、人类活动影响、水质监测技术、模型模拟计算和水环境保护与管理5个方面进一步深入开展。

(1)气候变化影响方面:目前关于气候影响的研究工作只能从宏观角度根据各种方法制定未来气候情景,不能定量描述气候变化对河流营养盐过程变化的影响。因此,从微观角度研究河流营养盐对降雨量、气温、太阳辐射和风速等气象因子变化的响应机理还有待深入开展。

(2)人类活动的影响研究方面:人类活动造成的非点源污染分布具有广域和分散的特点,其成分和过程均更为复杂。因此,对河流造成的营养盐负荷难以准确计算,从而导致对湖泊、河口的深远影响的研究不足,对河流水环境和水生态造成的连锁反应认知不足。未来应对土地利用方式和污染源进行细分,在提高监测技术的基础上,对非点源污染开展更为精细和系统的研究。

(3)水质监测技术方面:监测活动对于获得河流营养盐时空分布特征和通量过程至关重要,传统的现场采样-实验室测定水中污染物浓度获得的数据仅反映了采样时的污染浓度,可能会忽略偶发性或间歇性污染事件。长期原位传感器监测可提供大部分可靠数据,但通常受到目标分析物单一以及在被污染时更换传感元件要求的限制。遥感技术可以在短时间内获取大空间流域的水文水质实况信息,但由于反射率和温度等问题,目前尚未被政府部门纳入河流监测计划。面对气候变化和人类活动的巨大影响,需要探索出能够对不同的监测目标、不同空间尺度和不同地理环境均有很强适应能力的、更加综合有效的营养盐监测方法,以改善原位自动监测的运行稳定性,特别是在极端洪水和高浓度流量事件中的表现。

(4)模型模拟计算方面:水环境模型可以解析各污染源对河流水质和生态变化的贡献程度,通过情景分析和方案评估,水质管理方案和监测系统得以优化和完善,并且可以辅助机理过程分析。但高精度的水质模型对数据的数量、频次、广度和精度都提出了更高的要求。因此,在未来河流水质模拟研究中,需要结合新型技术以提高模型的预测能力。如人工智能模型,包括人工神经网络、遗传编程、模糊逻辑和支持向量机等,在数据规范化、训练和测试数据划分方面表现出很大潜力,可作为未来深入研究的一个方向。

(5)水环境保护与管理方面:因地形空间变异性大、人口密集、社会情况复杂等,水环境保护与管理的实施仍面临巨大挑战。在未来,国际组织和相关研究机构需要不断完善管理制度和加强协同作用。对工业排污应加大监管力度,对农业污染应进一步调整优化用水方式、作物种植结构和施肥方案,对城市生活排污应升级污水处理技术和提高处理率,以实现对河流水环境更加全面、科学、高效的管理,健全水环境保护管理长效机制。