乌溪江水库富营养化程度及其影响因子时空分布探讨

李其轩 张真 徐梦娇 刘珂珂 葛航 姚子亮 刘其根

摘要：了解乌溪江水库主要水质指标的时空分布特征，探究其营养化程度的变化趋势，可为改善乌溪江水库水质、维护其生态系统提供数据参考。2019-2020年，对丽水市乌溪江水库的7个采样点（S1～S7）的水温（WT）、水深（WD）、pH、总氮（TN）、总磷（TP）、叶绿素a（Chl-a）等理化因子进行监测，并分析对比综合营养指数和理化因子等关键指标在不同时期的分布特征。结果显示，乌溪江水库的营养盐浓度呈现春夏高秋冬低、从上游（S1）至下游（S7）逐渐下降的趋势，平均综合营养指数从47.1（S1）下降到32.5（S7），整体上属于中营养化水库。TP浓度在0.002～0.040 mg/L，平均值为0.012 mg/L；TN浓度在0.412～2.826 mg/L，氮的主要赋存形式为硝酸盐。Chl-a含量均值为3.77 μg/L，河流区的Chl-a含量显著高于下游的过渡区和湖泊区。分析表明汛期地表径流带来的富营养化压力最大，同时也是氮磷等外源性营养盐输入水体的主要途径；WT、pH、TP与Chl-a含量中等程度相关，水库生态系统具备很强的净化能力，但近年来富营养化程度加剧。

关键词：富营养化；理化因子；叶绿素a；时空分布；乌溪江水库

中图分类号：X524        文献标志码：A        文章编号：1674-3075（2024）02-0031-08

随着人口增长、城市化和工农业的高速发展，大量未经有效处理的污染物（氮磷等）被超量排入湖泊、河流、水库等水体，加速了这些水体的富营养化进程，并导致有害藻类水华的发生，为区域环境带来前所未有的压力，并对社会造成了不良的影响（Lin et al，2021）。

当前，“绿水青山就是金山银山”的生态理念已深入人心，且为水库的功能转型与水环境保护指明了方向。近20年来，太湖、巢湖、洞庭湖、鄱阳湖等长江中下游湖泊都开展了大规模的污染治理和生态修复（朱广伟等，2019）。根据《中国生态环境状况公告》（2019 年），在 107 个开展营养状态监测的重要湖泊（水库）中，贫营养状态、中营养状态、轻度富营养状态和中度富营养状态湖泊（水库）分别占 9.3%、62.6%、22.4%和 5.6%，重度富营养化水体实现清零（李韶慧，2021）。但水体富营养化的情况具有突发性，对湖泊水库的富营养化程度予以关注，进一步推进遏制水体富营养化态势的行为仍具有重要现实意义。如太湖，其各形态氮浓度近10年大幅度下降，但叶绿素a（Chl-a）、总磷（TP）、蓝藻水华面积和强度等关键指标改善效果不佳，夏季蓝藻水华暴发的根本态势并未改变（朱广伟等，2018；2019）。鄱阳湖仍属轻度富营养化，氮磷污染情况严重（方娜，2020）。我国湖库富营养化治理仍任重而道远。

據我国2013年对水库工程的普查，大（I）和大（II）型水库分别有127、629座，总库容占我国水库总库容的80.5%，但对于刚刚达到大（I）型水库分类标准的水库研究罕见（孙振刚等，2013）。乌溪江梯级水库群包含了大（I）型水库和中型水库，是较典型受到较少关注和研究的大型梯级水库，其对当地饮用水源供给的作用日益突出。然而，梯级水电开发会导致河流水环境发生演化，产生营养物质累积风险（阙子亿，2022），且面源污染的加剧给乌溪江带来了巨大的富营养化压力（王虹艳，2010）。而目前对乌溪江水库富营养化程度的评估和水环境的系统调查还十分缺乏，仅在2017年开展过一次调研（张小林等，2018），不利于对其水质或生态系统的保护和管理。

本研究旨在对乌溪江水库各个季节的理化因子进行监测、分析，探明其时空分布、变迁的潜在规律以及营养盐赋存形式，为改善乌溪江水库水质、维护其生态系统提供数据参考和理论依据。

1   材料与方法

1.1   研究区域概况

乌溪江是上游衢江延伸出来的一级支流，流域面积2 632 km2，属亚热带季风性气候，年均降水量1 698.1 mm，降水一般集中在4-6月，占全年降水量的47%，10-12月降水较少，仅占全年降水量的10%，多年平均径流量为29.2亿m3左右。

乌溪江梯级水库（28°31'40"～28°49'45" N， 118°47'28"～118°55'50" E）位于瓯江流域、浙江省丽水市、衢州市境内，是浙江省衢州市区饮用水水源地之一，与丽水市人民的生活息息相关。乌溪江水库由1958年建成的黄坛口水库（季调节）和1983年建成的湖南镇水库（多年不完全调节）组成。黄坛口水库库容为0.857亿m3，为中型水库；湖南镇水库为大型水库，控制集水面积为2 197 km2，洪水位以下库容为20.6亿m3，正常水位以下库容为15.82亿m3。两座水库为串联型水库，总有效库容为16.66亿m3，整体换水周期为208 d左右（游中琼等，2000）。

1.2   采样点设置

于2019-2020年对乌溪江水库进行水样的采集和理化因子的测定，5月代表春季，7-8月代表夏季，9-11月代表秋季，12-1月代表冬季，所述月份（每月中下旬左右）均各采集1次样品。由于研究水库为峡湾型水库，因此按照水库的水流方向以及动力学特点，并根据《水库渔业资源调查规范》在乌溪江设置了7个采样点，即河流区（S1）、过渡区（S2～S4）、湖泊区（S5～S7），采样点的具体地理信息见图1。根据水库深度将采样点划分为8个水层，分别为水下0.5、4、8、12、16、20、25和30 m，分层采水可以了解理化因子在不同水层的情况。

1.3   水样的采集与处理

水样使用20 L采水器采集，回实验室后立即进行水化学测定。

透明度（SD）测定使用Secchi盘进行，水温（WT）和溶解氧（DO）使用YSI58型溶解氧仪现场测定，水深（WD）采用便携式声呐测深仪SM-5A型现场测定；总磷（TP）、总氮（TN）采用《地表水环境质量标准》（国家环境保护总局科技标准司，2002）进行监测。TN测定采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法（国家环境保护局规划标准处，1989），TP测定采用磷钼酸铵比色法（国家环境保护局标准处，1989）。其他指标测定遵循《水和废水监测分析方法》（国家环境保护总局编委会， 2002）：硝酸盐氮采用紫外分光分光度法，亚硝酸盐氮（NO2--N）采用N-（1萘基）乙二胺光度法，氨氮（NH4+-N）采用纳氏试剂光度法，可溶性无机氮（DIN）为上述3种无机氮之和；溶解性总磷（DTP）、溶解性无机磷（DIP）用0.45 μm滤膜过滤水样后，采取钼锑抗分光光度法测定，溶解性有机磷（DOP）为溶解性总磷（DTP）减去溶解性无机磷（DIP），颗粒态磷（PP）为总磷（TP）减去溶解性总磷（DTP）；高锰酸盐指数（CODMn）采用高锰酸钾酸性法，叶绿素a（Chl-a）采用分光光度法分析。

用 EXCEL 2019进行基本数据整理分析，ArcGIS 和 Origin 2018进行作图，利用 SPSS 26.0探討化学指标在各季节和各点位间的差异性。按季度、湖区和水层计算各水化学指标含量，分析前对各水化学指标进行正态性检验，用Pearson相关性分析检测Chl-a与各理化因子的相关性。用Pearson相关系数量化2个变量之间的线性相关性，其值为-1～1，代表着由极强负相关至极强正相关的过渡；用P值验证统计学差异显著性，当P<0.05，认为其相关性达显著水平，当P<0.01，认为其达极显著水平。

1.4   富营养化评价方法与评价标准

水质参数采用各点位不同深度测定的数学平均值，依据《湖泊（水库）富营养化评价方法及分级技术规定》（中国环境监测总站，总站生字〔2001〕090号），选择综合营养指数法（TLI）计算富营养化指数，采用使用较广泛的Chl-a、TP、TN、SD、CODMn5参数法进行计算。

采用0～100的一系列数字对水库的营养状态进行分级：TLI（[Σ]）<30为贫营养；30≤TLI（[Σ]）≤50为中营养；TLI（[Σ]）>50为富营养，其中 5070为重度富营养。

2   结果与分析

2.1   富营养化状态与水质评价

乌溪江水库整体上呈现中度营养化状态（图2，表1），平均综合营养指数呈现沿程下降的趋势。在7月的上游入库处（S1）达到峰值，为51.6，进入富营养化状态。在1月的坝前（S7）达到最小值，为29.5，进入贫营养状态。

在季节分布上，综合营养指数呈现春夏高、秋冬低的明显态势；在空间分布上沿程下降趋势明显。

2.2   各因子整体时空分布

2.2.1   磷的分布特征   乌溪江水库中TP的浓度为0.002～0.040 mg/L，平均值0.012 mg/L，溶解性无机磷（DIP）平均值0.004 mg/L；溶解性有机磷（DOP）平均值0.003 mg/L；颗粒态磷（PP）平均值约0.004 mg/L（图3）。

乌溪江水库TP含量随着流动距离的增加显著下降（图4）。在入库河口处（S1），冬夏2个季节TP含量较高，春秋趋于一致。颗粒态磷沿程分布曲线与总磷曲线变化趋势相似。

刘腊美等（2009）认为流域非点源颗粒态磷主要来源于径流携带的土壤表层磷，以泥沙结合态的形式输入水体。而颗粒态磷的内源性负荷主要源于有机物的碎屑和细胞等生命体及在底泥中的沉积，沿程的颗粒态磷在S5～S7的湖泊区内逐步趋于稳定（图3）。结合颗粒态磷的沿程分布曲线，可知外源输入是乌溪江水库颗粒态磷的主要来源，其在沿途的吸收中逐步沉积或被分解吸收，最后颗粒磷稳定在0.003 mg/L左右，可认为是稳定的内源性分解产生的颗粒磷。

2.2.2   氮的分布特征   乌溪江水库中的TN浓度在0.412～2.826 mg/L，最大值出现在夏季的S1表层水体。氮主要的存在形式是硝酸盐，其次是氨氮。氮在水体中的多种赋存形式分布比例见表2。

乌溪江水库整体由硝化作用在氮的循环中占据主导地位（表2），亚硝酸盐含量占比较低。而从图5中可以看出，TN在S1点位显著高于其他点位，而秋冬（11月-1月），TN含量也远低于春夏（5、7月），但沿程逐步下降到接近的水平。

2.2.3   Chl-a的分布特征   Chl-a含量均值为3.77 μg/L，2020年9月在S3～S4出现了10 μg/L以上的异常波峰。沿程的空间分布规律如图6所示，S1～S4的Chl-a含量呈现了空间的异质性。整体上，乌溪江水库从上游到下游，沿河流区（S1）、过渡区（S2～S4）、湖泊区（S5～S7）依次减少，这符合一般水库的规律（图6、图7）。叶绿素变动的趋势曲线也呈现了湖泊区Chl-a含量相较于河流区、过渡区更加稳定的现象，凸显了湖泊区的净化作用和生态稳定性。

2.3   各因子的纵向垂直剖面分布

2.3.1   pH、DO、磷、氮等理化环境因子的剖面分布特征   水中的pH在S1、S2两个点位呈现随水深增加而下降的趋势，而在S3～S7则呈现先增加后下降的趋势。且水中TP的含量与pH呈现明显相反变化的趋势（图8-a、8-d）。而DO随水深（WD）变化的趋势最复杂：先下降，在水域中层达到谷底，之后缓慢回升，除S1随水深增加DO呈显著下降趋势，其他点位的DO在纵向分布上整体遵循“变异模式”，在中等深度出现一个峰值（图8-b）。

2.3.2   Chl-a、TN等含量垂直剖面特征   可溶性无机氮（DIN）是浮游植物主要吸收利用的氮源，在表层水体（0～10 m）平缓下降，中层水体（10～30 m）略微升高。

Chl-a反映了浮游植物生物量的高低（阮晓红等，2008），其随深度增加呈明显下降趋势（图8-f）。Chl-a含量在垂直剖面上波动下降，在5～10 m达到第一个波峰，在20 m左右再次抬升下降，这样的波动趋势集中体现在S2、S3、S4，说明存在显著的分层差异；S1点位的Chl-a含量随深度显著下降，S5点位的Chl-a含量只在10～15 m出现了一个平缓的波峰；而S6～S7纵向剖面分布则更稳定，Chl-a含量没有随深度增加出现明显的波动。

2.3.3   Chl-a含量与水深等各理化因子含量的相关性水体中的理化因子会与Chl-a 产生互动效应，从而产生直接或间接的影响。用Pearson相关性分析检测Chl-a与各理化因子的相关性，结果见表3。相关性分析结果表明，TP、pH、WT 3个因素和Chl-a含量呈中等程度相关，其相关系数分别为0.438、0.483、0.493，与其他因子相关性较弱或无显著相关性。

3   讨论

3.1   乌溪江水库的水环境质量现状及其变化趋势

乌溪江水库全年平均综合营养指数为37.8，为中度营养化水库。整体水质良好（表1），大部分季节，TN、TP含量都符合国家地表水II类标准，春季TN污染有所加重，仅满足III类水标准，为最主要污染因子。

富营养化程度在时间上呈现出春夏高而秋冬低的格局，在空间上则呈现从上游到下游逐步降低的趋势。通常水库自上而下可分为河流区（如图2中的S1～S3）、过渡区（图2中的S4～S5）和湖泊区（图2中的S6～S7），本研究表明，乌溪江水库河流区TN、TP含量最高，过渡区次之，湖泊区最低，符合大多数水库的特征，而Chl-a含量则河流区与过渡区交汇水域更高，这主要是河流输入的营养盐在过渡区随着流速减缓沉降加速，为浮游植物的大量繁殖提供了充足的养分，且水流减缓等更有利于藻类繁殖。从综合营养指数来看，入库处（S1）平均综合营养指数为47.1，在春夏之交（5-7月），平均综合营养指数超过50，进入富营养化状态，坝前湖泊区平均综合营养指数稳定，S6、S7分別为33.6、32.5。可见外源性输入是乌溪江水库营养盐的主要来源，初步验证了王虹艳（2010）关于丽水市人类活动、工农业生产导致的土壤磷素富集、水体富营养化的推论。农业化肥的大量使用和工业、生活废水的排放带来的面源污染加剧了乌溪江水库等周边水体富营养化的风险。乌溪江水库在降雨季呈现的综合营养指数大幅提升的特征也印证了冲刷地表产生的径流入库时输入了大量营养盐。

与氮磷等指标一样，综合营养指数也呈随水流梯度依次下降的趋势，这主要是因为：（1）营养盐间接被浮游生物吸收利用。人为投放的鲢（Hypophthalmichthys molitrix）、鳙（Aristichys nobilis）增加了利用食物链富集、提取水体中营养盐的效率；（2）营养盐随着水体流动不断沉积，成为潜在的内源性负荷。坝前水体营养化程度相较入库处水体降低了约31%，证明了乌溪江水库生态系统对缓解富营养化是十分有效的。

乌溪江水库整体水环境质量尚未达到富营养化水平，但其营养化程度加深的速度值得警惕。张小林等（2018）在2017年调查得知，乌溪江水库平均综合营养指数为28.4，属于贫营养型水库。而本研究在2019-2020年的调查结果显示，2年间乌溪江水库平均综合营养指数上升了33%。王军明（2020）研究指出，丽水市2016年开始大幅投资治理污染源、改善土地集约化利用水平，以期缓解土地的生态压力。但近年来，乌溪江水库的富营养化水平依然处于一个快速抬升的状态，这样的趋势应当成为评估治理效果的考察重点，为制定更详尽有效的生态文明建设策略提供方向。

3.2   乌溪江水库理化因子时空分布特点

3.2.1   营养盐的宏观分布及其成因   从上游到下游，乌溪江水库的TN、TP等营养盐含量逐步降低，空间上呈现明显的梯度格局。对比乌溪江富营养化程度逐月变化曲线与乌溪江水库TN沿程分布图、丽水市月平均降水量（浙江统计局，2019；2020）曲线（图2、图5和图9），进一步印证了前文的推测：降雨期大量地表径流冲刷，携带营养盐进入水体，造就了4-6月雨季乌溪江水库富营养化程度大幅加深的趋势。这也与杨梅玲等（2013）、余员龙等（2010）对千岛湖营养盐输入来源的研究结论一致。

乌溪江水库营养盐的沿程分布趋势也呈现了显著的梯度格局。S1点位作为入库径流的汇集，常年富集大量营养盐。其水深仅12 m左右，无分层现象，各项调查数据均呈现出一定的异质性。沿水流方向，降水和径流带来的大量营养盐首先汇入河流区，故其营养盐浓度远高于其他点位，而下游过渡区和湖泊区流速逐步降低，细小营养盐逐步沉降、吸附于底泥、被生物吸收利用，营养盐浓度显著降低。这也符合一般水库的规律，和韩博平等（2010）、黎慧卉等（2009）的研究结果一致。

Chl-a随季节（图6）呈现了秋冬逐渐低而稳定，春夏逐步升高的明显趋势。Chl-a一定程度上反映了浮游植物的含量，作为初级生产者的浮游植物对氮、磷等营养盐进行吸收利用，其效率也会受到温度等环境因素的影响。在5月，湖泊区的TN含量不降反升，可能是因为雨季光照弱，水生植物对氮、磷吸收缓慢。

3.2.2   环境因子的纵向剖面分布   营养盐的纵向剖面分布主要反映了其内源性营养盐的释放和吸收机制，是研究其内源性负荷与环境因子互动机制的重要参考因素。而环境因子的纵向剖面分布则一定程度上反映了水体生物活动、化学反应的程度，是间接影响营养盐消解、释放、吸收利用的重要因素。

水体的pH随水深增加先升高后下降，而TP的含量与pH呈现明显的相反变化趋势，先下降，在水深20 m以上逐步回升。有研究（Koski‐V?h?l?，2001）证明，上覆水的pH控制着表层沉积物对磷的释放程度，pH降低时也会促进钙磷酸盐和碳酸钙的共溶解沉淀，这可能是水深增加后TP含量上升的原因之一。

氮在水中的各种形态变化受到许多理化因素的调控，乌溪江水库中，硝化作用在氮的循环中占主导地位、几乎不存在反硝化作用。陈藜藜（2015）研究发现，DO≥5 mg/L时，对硝化作用无限制，而只有在DO≤2 mg/L时，才会出现反硝化作用，对比DO随深度下降曲线（图8-b），乌溪江水库水体整体溶解氧充足，未提供反硝化作用需求的缺氧条件。而DIN含量在上层水体（0～10 m）变化不大，在15 m开始逐步增加，这可能和下层水体浮游植物含量相对较少，吸收和利用氮的能力减弱有关。

在理化因子与Chl-a的相关性分析中，TP与Chl-a含量呈中等相关，TN和Chl-a含量呈弱相关。乌溪江的氮磷比范围为29.23～430.52，这一定程度上说明了乌溪江水库氮的含量较为充足，而磷是限制浮游植物生长的关键因子之一。

参考文献

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（责任编辑   熊美华）

收稿日期：2022-03-03      修回日期：2023-10-17

基金项目：国家重点研发计划项目（2019YFD0900605）；丽水市紧水滩、乌溪江、千峡湖三大水库洁水渔业研究项目（浙大采招2019 341号）。

作者简介：李其轩，2001年生，男，硕士研究生，研究方向为水域生态学。E-mail：hplqx@163.com

通信作者：刘其根，男，教授。E-mail：qgliu@shou.edu.cn