典型平原河网温瑞塘河地区的氮磷营养盐时空分布

纪晓亮，朱元励，梅 琨，王振峰，商 栩，张明华，2

(1.温州医学院温州市水域科学与环境生态重点实验室，浙江温州 325035;2.加利福尼亚州大学戴维斯分校陆地、大气及水资源系，美国加利福尼亚 95616)

近年来随着我国农业、现代化工业的迅猛发展和沿海地区人口的增多，大量工农业废水和生活污水排入河流，导致地表水中营养元素特别是氮的浓度大量增加，河流污染程度日趋严重［1-3］，其中最为典型的污染就是水体富营养化。水体的富营养化带来了十分严重的环境问题，大量的氧气消耗导致鱼类死亡，如果发生水华的藻类为有毒藻，更会威胁到人类健康。水体中过量的营养元素 (主要为氮、磷)是引起水体污染的主要原因［4-6］，以往对于营养盐含量变化特征的研究主要集中在探讨海湾、河口、湖泊、水库中的变化［1，7-9］，而对于河流［10］，特别是对于河道错综复杂、水体流速慢、水流流向多变、滞留时间长的平原河网的研究的相关报道还很少。作者以典型的平原河网温瑞塘河为研究对象，通过分析氮磷营养盐的含量、时间和空间分布及其变化特征并与三垟湿地水体中的氮磷营养盐季节变化进行对比，阐明温瑞塘河的营养盐变化机制，分析影响温瑞塘河的水质变化的因素，为今后研究塘河对其周围海洋营养盐的贡献及温州相关部门制定科学合理的温瑞塘河治理保护措施提供依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

选择温州市温瑞塘河 (简称塘河)流域为研究区。温瑞塘河位于瓯江以南、飞云江以北的温瑞平原，是温州市境内十分重要的河道水系，整个温瑞塘河流域面积740 km2，水面面积22 km2，蓄水量6 500万m3，水系河网总长度1 178.4 km，其中主河道长33.8 km。从20世纪80年代起，由于经济社会发展与环境保护的不同步，温瑞塘河水环境逐渐恶化，据温州市环保局2001年温瑞塘河水质监测数据显示，温瑞塘河水质满足功能要求的河段仅为15%，V类及劣V类的河段占85%，塘河水污染已经到了极其严重的程度。

1.2 样品采集与分析

参照国家标准《采样方案设计技术》，结合温瑞塘河的河网及地形地貌特征，选取37个监测点。这37个点中，A类点 (■)表示一级河道 (主河道)的监测点;B类点 (▼)表示二级河道的监测点，C类点 (▲)表示三级河道的监测点;S类点 (●)表示位于三垟湿地的监测点 (图1)。

图1 研究区及监测点位置

监测时间从2008年11月至2009年10月，在每个月的中下旬采集表层水样，共采集440个样品。用有机玻璃采样器采集水样，然后立即装入聚乙烯塑料瓶内密封，当天带回实验室即用0.45 μm醋酸纤维膜过滤，滴加饱和HgCl2固定，摇匀后置于4℃冰箱内保存待分析。

温度、浊度、溶解氧 (DO)、pH值、电导率等参数在现场用YSI6920多参数水质监测仪测定。溶解态营养盐用AA3流动注射式营养盐分析仪测定，氨氮 (-N)用水杨酸分光光度法，硝酸盐(-N)用镉柱还原法，亚硝酸盐 (-N)用N-(1-萘基)乙二胺盐酸法，活性磷酸盐用钼锑抗分光光度法。总溶解态无机氮 (DIN)为上述3种氮盐浓度之和。对水体质量的评价参考中国国家标准地表水环境质量标准GB3838—2002［11］。

2 结果与分析

2.1 年平均含量

研究结果显示，温瑞塘河水质污染十分严重，表现为高氨氮、低溶解氧的富营养化水体的特点。参照我国地表水环境质量标准 GB3838—2002，2008-2009年温瑞塘河水体-N 为10.75 mg·L-1，是V类水标准的5倍，-N 为 0.68 mg·L-1，-N为 0.05 mg·L-1，DIN为 11.48 mg·L-1;总磷中仅含量已到达 0.79 mg·L-1，为V类水标准的2倍;一般认为水体中总氮高于0.5 mg·L-1，总磷高于0.05 mg·L-1时，水体即呈富营养化状态［12］。温瑞塘河DO为 V类水标准，年均值2.01 mg·L-1，相关研究表明含量低于4 mg·L-1时会影响水生生物生存，甚至造成死亡，此时即可认为该水域处于低氧状态［13］。

2.2 时间变化

图2显示出温瑞塘河水体中DIN含量变化范围为8.97～14.59 mg·L-1，浓度高值出现在冬季的1月份，低值出现在夏秋季的9月。结合图3，可以明显看出，-N与DIN的年际变化趋势相似，-N占了DIN的大部分比例，为DIN的主要贡献者。表明塘河无机氮处于热力学不平衡状态，塘河水中的NH+4-N大部分是外源性的，仅一部分参与浮游植物循环。调查期间PO43--P浓度的变化范围为0.35～1.37 mg·L-1，其中 7月份最高，为 1.37 mg·L-1，9月份最低，为0.35 mg·L-1。

图2 温瑞塘河可溶性无机氮和活性磷酸盐含量的变化

图3 温瑞塘河氨氮和硝氮含量的变化

2.3 空间变化

37个采样点营养盐含量变化在空间上存在较大差异。由图4可以看出:的空间分布均值的最大值均出现在水体流通性较差、人口相对集中的三级河道区域，在二级河道、主河道、湿地区域浓度依次递减;和DO的浓度最高值出现在湿地。由于的含量在一定程度上可以反映水体的自净能力，含量越高，水体自净能力越强［17-18］。因此，温瑞塘河各级河道受污染的程度在空间上的变化特点表现为三级河道＞二级河道＞主河道＞湿地。

图4 温瑞塘河营养盐的空间变化

2.4 各级河道营养盐季节性变化

从图5可以看出，4个水质指标中 DO在一、二、三级河道总体表现为夏季高，冬季低的特点;而在三垟湿地区域，春季最高，冬季最低，且浓度相对较高。在一、二、三级河道呈现出明显的负相关特点;在三垟湿地区域，则呈现出了相同的季节性变化特点。在各级河道中总体上呈现出春夏季节大于秋冬季节的趋势。

2.5 营养盐结构

图5 各级河道营养盐含量的季节变化

N/P是考察营养盐结构的主要指标。氮磷的含量分布是控制浮游植物生长繁殖的因素之一，同时，营养盐的组成结构对浮游植物的生长和群落结构变化也起着至关重要的作用，一方面营养盐浓度水平的高或低，直接影响浮游植物的生长繁殖，另一方面，营养盐之间的比例关系与浮游植物对营养盐吸收比例之间的差异，也可导致一种或几种营养盐对浮游植物生长的限制［1］。Redfield研究发现一般大洋深层的N/P为16左右，与浮游植物元素组分的N/P大致相同。当任何一种要素含量低于或高于一定比值时，都会抑制生物的生长和繁殖甚至中毒死亡，因此把恒定的N/P比值16称为Redfield比值，作为研究生态环境中缺乏氮或磷的重要依据。

传统上，Redfield比多用于海域，近年来国内外有很多研究将其用于湖泊、河流等淡水水体［8］。当淡水水体中N/P＜7，氮将限制藻类的生长，N/P在8～30时，适合藻类生长，N/P＞30，P将成为藻类生长的限制因子［19-20］。从图6可以看出，塘河水体中N/P比基本上接近Redfield比值，最小值出现在7月 (8.5)，最大值出现在1月份 (26.9)，年平均值为15.93，全年6个月处在最适合浮游生物生长的Redfield比值范围，具有发生水华的营养条件。

2.6 塘河整治工程效果

自2000年开始，温州市政府展开大规模的温瑞塘河综合整治，整治工程主要包括截污纳管、底泥清淤、农业面源污染防治，生态工程建设等项目。为评估整治工程的治理效果，将2008年的数据与温州市环保局2004年的数据对比 (为了使结果更加准确，主要选取了与温州医学院监测点相近或重合的5个点的平均数据)，从图7可以看出，氮磷营养盐的含量较2004年均有较大降低，溶解氧含量也有大幅升高。说明一系列的整治工程、已经对温瑞塘河的水质改善起到了明显的作用。

图6 温瑞塘河DIN/P的季节变化

图7 温瑞塘河水质的变化

3 小结与讨论

温瑞塘河水质氮磷污染十分严重，溶解氧含量很低，水体呈富营养化状态。水体中DIN的浓度总体上冬、春季大于夏、秋季。是DIN的主要组成形式，表明温瑞塘河无机氮处于热力学不稳定状态。水体中含量变化比较复杂，总体上呈现出春夏季节大于秋冬季节的趋势。氮磷营养盐的时间变化主要是由于降雨、浮游植物吸收与降解和微生物的作用引起的。温瑞塘河氮磷营养盐含量存在明显的空间变化特征，不同级别河道含量差异较大。各级河道受污染的程度为:三级河道＞二级河道＞主河道＞湿地。塘河水体中N/P基本上接近Redfield比值，具有发生水华的营养条件。调查结果显示，虽然经过了一系列的整治工程，温瑞塘河的水质已经得到了明显的改善，但温瑞塘河水质现状仍然不容乐观，治理工作仍然严峻。

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