北海冯家江流域地表水体中氮磷营养盐的时空分布特征

陈 雯，吴 亚，张宏鑫，刘怀庆

(中国地质调查局武汉地质调查中心，湖北 武汉 430205)

河流是城市生存和发展必不可少的要素[1]，河流水质是城市生态环境和经济社会发展的综合体现[2-3]。近年来，在我国城市化进程持续快速发展的背景下，河流污染问题日益突出，已经成为制约经济社会可持续发展和生态环境建设的重要瓶颈[4]，城市河流水环境治理已成为社会各界关注的焦点问题[1]。农业生产中农药和化肥的大量使用、工业废水和生活污水的排放、污染物填埋等造成的大量氮磷类污染物的持续输入，会远远超过河流的自净能力，一旦河流中氮磷污染物的浓度超过了临界浓度(总氮为0.2 mg/L、总磷为0.02 mg/L)[5]，将会引发地表水体的富营养化。地表水体的富营养化严重威胁着水生态系统安全和饮水安全，是水污染治理的世界性难题[6-9]。科学地评价城市中地表水体的富营养化现状，对于防治水体污染、开展水体生态修复等工作具有十分重要的现实意义。

冯家江是广西北海市区唯一的一条内陆河流，具有独流入海、“上库下河”结构的特点，是我国南方沿海“库塘-河流-近海”复合生态系统的典型代表[10]。2016年广西北海滨海国家湿地公园成立后，冯家江作为国家湿地公园的主体部分，理应保持较高的水环境质量。然而,近年来冯家江周边村镇的快速扩张和经济发展给冯家江流域水环境治理带来了很大的挑战。因此，评价冯家江流域水环境质量及其时空变化特征，可为该流域水环境防治提供科学依据，同时将对南方沿海地区的城市河海生态系统的水环境保护具有良好的示范作用。目前已有学者对冯家江流域水环境现状进行了研究，如王广军等[10-11]于2013年和2018年在冯家江流域开展了水质监测工作，结果发现其水质为劣Ⅴ类，地表水体呈富营养化状态。但从时空变化的角度对冯家江流域地表水体富营养化状况进行综合评价分析的研究还鲜见报道。为此，本文通过对冯家江流域地表水体水质进行季节性监测，研究了该流域地表水体中氮磷营养盐的时空分布特征，评价了地表水体富营养化程度，并对污染源进行了初步分析，以期为冯家江流域水环境保护与管理提供科学依据。

1 研究区概况

冯家江(21°23′～21°29′N、109°09′～109°14′E)位于广西北海市区南部沿海地区(见图1)，该地区属亚热带海洋性季风气候，年均气温为22.6℃，年均降雨量为1 751 mm，降雨主要集中在5～10月份，其占全年降雨量的80%以上，年蒸发量为1 166 mm。冯家江属珠江流域沿海渚河水系，干流全长为6.5 km，水域面积为21 km2。冯家江上游为鲤鱼地水库，中、下游为潮汐河流，每半个月有10 d左右为一日一回潮，其他时间为一日两回潮[12]，河水由北向南流，在银滩附近入海。冯家江下游生长有大片红树林湿地。

冯家江流域内土地利用类型以农业用地(菜地、罗汉松林)、居住区用地和高位养殖塘为主，三者面积占流域总面积的92%以上。其中，农业用地集中分布在流域上游鲤鱼地水库周边，其面积占比为14.5%；高位养殖塘集中分布在流域中、下游河流沿岸，其面积占比为26.2%；居住区用地面积占比为51.7%，主要分布在整个流域周边。

2 样品采集与测试方法

2.1 样品采集

根据冯家江的自然形态，在该流域上游鲤鱼地水库库区及支流、冯家江干流、支流及河口，共设置了14个代表性地表水采样点(见图1)，分别于2018年7月(夏季)和2019年1月(冬季)重复采集了两期地表水样品。于水面下约0.5 m处采集水样，将每个水样分别装入2个500 mL的聚乙烯水样瓶中密封保存，其中一瓶水样中加入适量浓H2SO4调节至水样pH<2，用于测定水样中总氮(TN)、总磷(TP)浓度；另一瓶水样用0.45 μm水系滤膜过滤后用于测定水样中氨氮(NH3-N)、硝态氮(NO3-N)和可溶活性磷酸盐(SRP)浓度。

2.2 测试方法

水样的pH值、溶解氧(DO)、氧化还原电位(Eh)采用多参数水质监测仪(Manta+，USA)现场测试，水样中其他各项指标采用文献[13]中的方法进行测定。其中，水样中总氮(TN)含量采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法测定；水样中硝态氮(NO3-N)含量采用紫外分光光度法测定；水样中氨氮(NH3-N)含量采用纳氏试剂分光光度法测定；水样中总磷(TP)含量采用过硫酸钾氧化-钼蓝比色法测定；水样中可溶活性磷酸盐(SRP)含量采用钼蓝比色法测定。上述测试工作在国土资源部长沙资源监督检测中心完成。

3 研究结果与讨论

3.1 冯家江流域地表水体水化学特征

冯家江流域地表水体水化学指标的统计结果，见表1。

由表1可知：冯家江流域地表水体的pH值在调查期间的夏、冬季均大于7，呈弱碱性，其中鲤鱼地水库水体的pH值相对较大；夏、冬季鲤鱼地水库水体中DO含量分别为2.14～14.92 mg/L、4.83～13.46 mg/L，河流水体中DO含量分别为5.36～8.41 mg/L、7.75～10.87 mg/L，水体中DO含量整体偏低，且地表水体中DO含量从夏季到冬季随温度的降低而升高，这可能是由于一方面冬季温度低，地表水中氧气的溶解度增大，另一方面冬季的低温抑制了水生生物的耗氧活动，减少了水体中氧气的消耗；夏、冬季鲤鱼地水库水体的Eh值分别为146.89±82.70 mV、-9.76±106.16 mV，河流水体的Eh值分别为246.76±44.58 mV、158.26±56.71 mV，说明夏季该流域地表水体处于更氧化的环境，这可能与春、夏季节农业活动来源的硝酸盐输入有关。

表1 冯家江流域地表水体水化学指标的统计结果

3.2 冯家江流域地表水体中氮磷营养盐的时空分布特征

氮磷营养盐是引发河、湖、库等地表水体发生富营养化的关键因素之一，也是河流生态系统中极其重要的生态因子，其以不同形式参与水体中水生植物的生物过程，显著影响着河流生态系统的生产力[15]。因此，查明河流中氮磷营养盐的时空变化特征是获取水污染现状、评价水环境质量、进行污染物溯源和防治以及河流生态系统修复的前提。

在整个冯家江流域地表水体中TN浓度的均值为8.86 mg/L，近75%的水样中TN浓度超过国家Ⅴ类水水质标准[14]，TN浓度最大值为38.1 mg/L，是Ⅴ类水水质标准的19.05倍；流域地表水体中TP浓度均值为3.72 mg/L，是Ⅴ类水水质标准的9.3倍，近90%的水样中TP的浓度超过国家Ⅴ类水水质标准，TP浓度最大值达38.8 mg/L，超过Ⅴ类水水质标准的96倍；流域地表水体中NH3-N浓度均值为5.22 mg/L，是Ⅴ类水水质标准的2.6倍，近60%的水样中NH3-N浓度超过国家Ⅴ类水水质标准，NH3-N浓度最大值为24.5 mg/L，是Ⅴ类水水质标准的12.25倍；流域地表水体中NO3-N浓度均值为3.04 mg/L，其最大值为28.22 mg/L；流域地表水体中SRP浓度均值为2.55 mg/L，其最大值为23.79 mg/L。

冯家江流域夏、冬季地表水体中氮磷营养盐浓度对比,见图2。

图2 冯家江流域夏、冬季地表水体中氮磷营养盐浓度对比

由图2还可知，冯家江流域上游水库水体中TP、SRP的平均浓度均为夏季低于冬季，流域中、下游河流水体中TP、SRP的平均浓度均为夏季高于冬季。冯家江流域上游水库水体中磷营养盐浓度在夏季较低，一方面与雨水的稀释作用有关，另一方面可能与夏季进入水库的地表径流携带的悬浮物较多，水体中的磷被吸附于悬浮物表面有关[15]；而流域中、下游河流水体中磷的浓度则与氮类似，表现为夏季高于冬季，可能与面源污染输入和内源磷释放有关。

冯家江流域地表水体中氮磷营养盐浓度的空间分布，见图3。

由图3可知：氮磷营养盐高浓度区主要分布在上游库区，随着水流向下流动，到冯家江河口其浓度逐渐减小。这主要是因为：冯家江流域上游水库水动力条件较差，进入水体的氮磷营养盐不易扩散、稀释，而流域中、下游为潮汐河流，涨潮时咸水上溯可以稀释、带走部分污染物；流域河口区生长有一大片红树林湿地，湿地植物能有效吸收水体中的氮磷营养盐；此外，沉积物吸附亦可截留部分营养元素。因此，通过潮汐、湿地植物吸收、沉积物吸附等一系列过程，冯家江流域地表水体中的氮磷营养盐被稀释、截留，使水体表现出一定程度的自净作用[22]。

图3 冯家江流域地表水体中氮磷营养盐浓度的空间分布

3.3 冯家江流域地表水体富营养化现状评估

对数型幂函数普适指数公式法广泛应用于河、湖、库地表水体富营养化评价[23-24]，其计算公式如下：

(1)

式中:EI为地表水体富营养化评价综合指数；EIj为指标j的富营养化评价普适指数；Wj为指标j的归一化权重值；Xj为指标j的规范值。上述四者均为无量纲参数。

基于公式(1)，将各指标视为等权重，以TN、NH3-N、NO3-N、TP和SRP作为评价指标，计算冯家流域地表水体富营养化评价综合指数EI，其计算结果见图4。

图4 冯家江流域地表水体富营养化评价综合指数(EI)

根据地表水体富营养化程度分级方案[25](见表2)，由图4可知：冯家江流域夏季地表水体所有采样点均处于富营养化状态，其中42.9%的水样为重富营养化，57.1%的水样达到极富营养化；与夏季相比，冬季地表水体富营养化状态有一定程度的改善，达到重富营养化、极富营养化的样点数量均有所下降，两者占比分别为14.3%、21.4%，大部分样点处于富营养化状态，所占比例为50%，少量样点为中营养化状态，占比为14.3%；EI最高值出现在冬季的样点1-3即鲤鱼地水库马鞍塘农场支流处，其主要原因是由于该样点位于养猪场附近，养殖排污造成水体污染，且冬季为枯水期，水体流量减少、流动性差，导致水体中营养物质含量升高，出现极富营养化现象。

表2 地表水体富营养化程度分级方案

氮磷质量比(TN/TP)是地表水体营养结构的关键表征，反映了营养物质输入对水体营养结构的影响。TN/TP变化会改变水体中营养物质限制性特征，对浮游植物的种类和数量具有决定性的作用[26-28]。Piehler等[29]和Guildford等[30]提出了水体中营养物质限制性分类方案，即：当TN/TP≥22.6时，磷为主要限制因素；当TN/TP≤9.0时，氮为主要限制因素；当9.0

图5 冯家江流域地表水体中氮磷比(TN/TP)的空间分布

由图5可知：冯家江流域复、冬季地表水体中营养物质限制性特征是氮为主要限制因素，其中夏季地表水体处于氮限制状态的样点占比为57.1%，处于磷限制状态的样点占比为14.3%，适宜藻类生长的样点占比为28.6%；冬季地表水体有85.7%的样点处于氮限制状态，有14.3%的样点处于磷限制状态，没有适宜藻类生长的样点。

3.4 冯家江流域地表水体水华爆发风险分析

河流藻类水华的爆发取决于适合的氮磷比、缓慢的水流流速和适宜的气候3个条件[31]。冯家江流域冬季地表水体主要处于氮限制状态，且温度较低，藻类无法正常生长；夏季地表水体部分样点(4处)适宜藻类生长(见图5)，占比为28.6%，其中2处样点位于鲤鱼地水库支流，另外2处样点位于冯家江支流和河口。位于鲤鱼地水库支流的2处样点为1-2和1-6，其中样点1-2是防洪明渠，基本为死水，样点1-6水体流速缓慢，流速约为0.1～0.15 m/s，这两处水体流速均小于藻类生长的临界流速(0.2 m/s)，理论上具备了水华发生的条件，但由于这两处支流水体浊度大、透明度小，光线的穿透率低，抑制了藻类的光合作用和生长繁殖，因此这两处支流发生水华现象的风险较低。位于冯家江支流和河口的2处样点为2-5和2-4，其中样点2-5受排污的影响使得藻类的生长繁殖受到抑制，样点2-4为冯家江河口，冯家江作为潮汐河流，由于潮汐作用，河流水动力过程良好，河流流态具有连续性，其干流流速约为0.4～1.5 m/s，远大于藻类生长的临界流速，因此该处发生水华现象的风险较低。综上所述，可认为冯家江流域地表水体大面积爆发水华的风险较低。

由于冯家江流域地表水体大部分样点都处于氮限制状态，说明控制冯家江地表水体富营养化进程的关键在于控制氮的污染负荷。由于冯家江流域地表水体中氮营养盐的来源主要与面源污染有关，为了保护河流生态环境，需基于流域上游水库和中、下游河流水体的环境容量采取以下措施：①加强氮排放的削减力度，严格控制流域上游水库周边农业及居民生活面源污染进入地表水体；②控制磷营养盐输入，防止地表水体营养结构改变为适宜藻类生长繁殖的情况；③重视对流域下游红树林湿地的修复。

4 结 论

(1) 监测期间冯家江流域地表水体中TN、TP、NH3-N的浓度均值分别为8.86 mg/L、3.72 mg/L、5.22 mg/L，分别是我国Ⅴ类水水质标准的19.05倍、9.3倍、1.6倍。该流域地表水体中氮、磷浓度呈季节性变化规律，即：全流域地表水体中氮浓度夏季高于冬季；磷浓度在流域上游水库水体中表现为夏季低于冬季，在流域中、下游河流水体中表现为夏季高于冬季。氮、磷浓度从流域上游水库到下游河口总体呈下降趋势。

(2) 冯家江流域地表水体富营养化程度夏季比冬季更加严重。其中，夏季地表水体所有样点均达到重富营养化(42.9%)、极富营养化(57.1%)状态；冬季地表水体达到重富营养化、极富营养化的样点数量大幅下降，占比分别为14.3%、21.4%，且50%的样点处于富营养化状态，14.3%的样点处于中营养化状态。冯家江流域夏季和冬季地表水体总体处于氮限制状态，不适合藻类大量生长繁殖，形成大面积水华的风险较低。

致谢：本文在撰写过程中，得到了中国地质调查局武汉地质调查中心陈双喜、余绍文高级工程师的悉心指导，林荣俊助理工程师参与了野外调查和取样工作，在此一并表示衷心感谢！