黄河下游调水调沙与暴雨事件对营养盐输出通量的影响

吴念，刘素美*，张桂玲

(1. 中国海洋大学 海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室，山东 青岛 266100；2. 青岛海洋科学与技术国家实验室 海洋生态与环境科学功能实验室，山东 青岛 266100)



黄河下游调水调沙与暴雨事件对营养盐输出通量的影响

吴念1，2，刘素美1，2*，张桂玲1，2

(1. 中国海洋大学 海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室，山东 青岛 266100；2. 青岛海洋科学与技术国家实验室 海洋生态与环境科学功能实验室，山东 青岛 266100)

营养盐；颗粒态磷；调水调沙；暴雨；通量；黄河；渤海

1 引言

河流是联系陆地与海洋的重要纽带，在水沙、营养盐以及污染物质等向海洋的输送方面一直扮演着重要的角色[1—4]。黄河曾经是世界第二大泥沙输送河，淡水输送量占整个渤海的75%以上[5—7]。然而近几十年来，黄河流域降水减少，以及建坝、水土保持措施和引水灌溉农田等导致黄河水沙入海通量同步减少，从而影响黄河的营养盐入海通量，且调水调沙事件导致大量的水沙和营养盐短期内入海，加剧了黄河口处营养盐结构的不平衡[7—11]。受高强度人类活动的影响，渤海近岸海域出现富营养化，甲藻赤潮频发及绿藻、蓝藻在特定时期的暴发[7，11—15]。

本研究于2012年2月-2014年3月每月在黄河下游采集水样，分析黄河下游营养盐浓度、通量及营养盐之间比值的变化，分析2012年调水调沙期及暴雨期营养盐浓度变化，估算了2002-2012年间调水调沙和洪水对黄河下游年输水量和营养盐输送通量的贡献，研究结果可对黄河口及其邻近海域生态环境的可持续发展提供科学依据和决策参考。

2 采样及分析方法

于2012年2月-2014年3月(2012年1月、2013年1月、7月、8月、2014年1月除外)每月中旬在山东省东营市垦利县胜利浮桥(37°36′17″N，118°31′49″E)设置采样断面，选择3点进行样品采集，2012年黄河流域发生多场暴雨，因此在8月1日、9日、16日、26日、30日、31日和9月1日采集样品。每个采样点只取表层水，样品采集后尽快用0.45 μm的醋酸纤维膜进行过滤(采样桶和滤器用1∶100的HCl、滤膜用1∶1 000的HCl预处理后用Milli-Q水洗至中性使用)。水样过滤后立即加入饱和HgCl2并避光保存于实验室内待测，有少数样品于-20°C冷冻保存[16]。颗粒态磷酸盐由0.45 μm的醋酸纤维膜过滤后45°烘干称质量待测。

3 结果与讨论

3.1 黄河下游水沙与营养盐浓度和通量的变化

2012和2013年全年输水与输沙量分别为282×108m3、237×108m3与1.83×108t、1.73×108t，7-8月存在输水量与输沙量峰值(图1)，6-10月丰水期的输水量与输沙量占全年的67%～71%与91%～95%。

图1 2012年1月-2014年3月黄河下游利津站月径流量与月输沙量Fig.1 Monthly water discharge and sediment fluxes in the lower reaches of Huanghe River，Lijin Station from February 2012 to March 2014数据来源于泥沙公报：http://www.yellowriver.gov.cn/nishagonggao/Data were from Yellow River Sediment Bulletin : http://www.yellowriver.gov.cn/nishagonggao/

图2 2012年2月-2014年3月黄河下游营养盐浓度与通量月变化Fig.2 The variation of nutrient concentrations and fluxes in the lower reaches of Huanghe River from February 2012 to March 2014

图3 2012-2013年营养盐浓度与径流量季节变化Fig.3 The seasonal variation of nutrient concentrations and water discharge in the lower reaches of Huanghe River form 2012 to 2013

DIP、DOP、TDP浓度变化范围分别为：0.03～ 0.73 μmol/L、0.06～ 0.38 μmol/L、0.24～0.85 μmol/L(图2)；DIP是TDP的主要存在形式，占60%以上。溶解态磷酸盐浓度月变化无明显规律但冬春季高于夏秋季(图3)，且一年四季均保持相对低值，因为黄土高原大量的水土流失，河内悬浮颗粒物含量常年高，存在强烈的吸附-解吸效应[2，4，30—32]，因此黄河下游是磷酸盐的汇[33—35]，且天然磷酸盐矿物在自然水体中溶解度小[32，36—37]，导致黄河水体中溶解态磷酸盐常年保持较低，并低于世界其他河流[30，35，38]。

PIP、POP、TPP浓度变化范围分别为：2.9～ 106.5 μmol/L、0.7～ 56.0 μmol/L、3.4～162.5 μmol/L(图2)； PIP是TPP的主要存在形态，占70%以上，颗粒态磷存在明显的月变化，与径流量和输沙量均具有良好的相关性(P<0.05)，在径流量最大时，颗粒态磷浓度与入海通量也达到最大值，而黄河下游是磷酸盐的汇[33—35]，含有高浓度的颗粒态磷，因此大量的颗粒态磷输入渤海，其中伴随着生物可利用磷的输入[39]，悬浮颗粒物可能成为黄河口及其邻近海域水体中磷的来源和储库。在颗粒态营养盐浓度季节变化中，以μmol/L为单位(每升水体中颗粒态磷的含量)的颗粒态磷浓度存在明显的夏季高峰(图3)，在大径流冲刷河床、河道时悬浮颗粒物含量升高导致单位体积水体中颗粒态磷含量升高；而μmol/g(每克悬浮颗粒物质量上的磷含量)的颗粒态磷浓度则不存在明显的季节变化(图3)，是因为自然水体中Fe-P和OP(有机磷)为DIP的主要缓冲形态[40]，悬浮颗粒物主要吸附Fe-P相[41]，黄河颗粒态磷中的HCl-P(磷灰石)、NaOH-P(与Fe、Al和Mn的氧化物与氢氧化物结合的磷)和OP形态分别为89.3%、2.5%和6.9%，黄河中下游悬浮颗粒物上的不稳定氢氧化铁只占到(2.3±0.8)%，而Fe-P相是由P与不稳定的氢氧化铁形成，因此每克悬浮颗粒物能够吸附的磷酸盐是有限的[35]，因此每升水体中颗粒态磷含量随悬浮颗粒物浓度的升高而升高时，每克悬浮颗粒物上的磷增加却是有限的。颗粒态磷体积浓度和质量浓度的变化差异，可能影响颗粒态磷转化为生物可利用磷的效果。

DSi浓度变化范围为：86.5～131.0 μmol/L，丰水期浓度高于枯水期(图2)，无明显的季节变化(图3)。黄河下游DSi浓度处于世界河流中等水平[42—44]，DSi除了在大径流稀释作用下、生物利用及成岩作用外很难移除[45—47]，并且黄河流域大量的机械剥蚀、化学风化以及流域的强蒸发大于降雨作用导致黄河的DSi高于中国北方其他河流[7，11，29，48—50]。黄河下游DSi浓度维持相对稳定但1986年以后流域土壤侵蚀量以及黄河入海水沙量的减小却导致DSi的输送通量有所减少[47]。

2012-2013年 DIN/DIP为428～6 738，DSi/DIP为150～2 994，DSi/DIN为0.27～0.58(图4)，近10年来黄河水中生源要素比值严重偏离Redfield比值(N∶P∶Si=16∶1∶16)[14，51—52]，营养盐结构不平衡，水体环境虽以光限制为主，但也存在磷酸盐的相对限制，而高DIN/DIP、 DSi/DIP，低DSi/DIN的河水对外输出，可能对黄河口及邻近的渤海海域造成一定的影响。

图4 2012年2月-2014年3月氮、磷、硅间比值月变化Fig.4 Monthly variations of DIN/DIP， DSi/DIP and DSi/DIN ratios from February 2012 to March 2014

3.2 调水调沙期与洪水期径流量及营养盐的变化

3.2.1 调水调沙与洪水期径流量

小浪底距离利津有一段距离，2012年6月19日开始调水调沙，在5 d后(6月24日)利津站流量增长到1 290 m3/s，利津站受调水调沙影响到7月17日(1 100 m3/s)，调水调沙期最大径流量为3 470 m3/s。据《泥沙公报》[53]中记载2012年黄河除调水调沙外还发生了4次大的暴雨洪水，暴雨期7月27日(1 700 m3/s)-8月9日(1 419 m3/s)、8月27日(2 860 m3/s)-9月3日(1 260 m3/s)，洪水期最大径流为3 240 m3/s，洪水期最大径流量达到调水调沙期的93%。将调水调沙前与调水调沙后的径流量进行均值计算，以830 m3/s为基线划分调水调沙与洪水的影响天数，从而确定调水调沙期影响天数为26 d，多场洪水影响共23 d(图5)，调水调沙期和暴雨期输水量分别占全年的19%和17%。调水调沙期和暴雨期径流量与营养盐日通量之间具有相关性[7，54]，因此洪水对黄河下游营养盐输送也会产生重要影响。

图5 调水调沙期和洪水期径流量Fig.5 Water discharge during water-sediment regulation and rainstorm events日径流量数据是通过全国水雨情信息网获得：http：//xxfb.hydroinfo.gov.cnData were from National Water and Rainfall Information System: http：//xxfb.hydroinfo.gov.cn

图6 2012年调水调沙前期(6月15日)和后期(7月11)及暴雨期(8月1日-9月1日)营养盐浓度和径流量与悬沙量Fig.6 The variation of nutrient concentrations， water discharges and suspended particulate matters before(June 15)and after(July 11)water-sediment regulation and during the rainstorm(August 1-September 1)events in 2012

3.2.2 调水调沙期与洪水期营养盐浓度变化

3.2.3 调水调沙期与洪水期营养盐通量估算

对黄河下游利津站2005年、2009-2012年调水调沙期和暴雨期的营养盐日通量与径流量数据进行双log处理，营养盐日通量与径流量间具有显著的相关性(P<0.05)(图7)，再通过利津站的日径流量估算出2012年调水调沙期和暴雨期未采样所缺失的营养盐日通量数据，最后将26 d调水调沙和23 d暴雨期的日通量加和从而得到各自时期的总输送通量。通过估算得出2012年调水调沙期和暴雨期各营养盐入海通量如表1所示，其中DIN、TDN、DSi、DIP、TDP、PIP、TPP实际平均日通量(2012年暴雨期采集的7 d水样中营养盐浓度与日径流量乘积加和再平均)和估算平均日通量(通过日径流量与营养盐日通量的线性方程估算出的调水调沙期和暴雨期的营养盐日通量加和再平均)之间的相对误差[(估算平均日通量-实际平均日通量)/实际平均日通量]分别为8.7%、3.5%、4.6%、43.9%、43.0%、-10.5%、-25.1%。2012年调水调沙期和暴雨期营养盐入海通量分别能达到年通量的17%～44%和13%～35%，暴雨期各营养盐入海通量平均达到调水调沙期的82%。

表1 运用双log线性关系对2012年调水调沙期和暴雨期营养盐输送通量估算结果

续表1

注：各营养盐年入海通量为实际年通量，即每月径流量与营养盐浓度的乘积加和所得。

图7 2005年、2009-2012年调水调沙期与暴雨期营养盐日通量与径流量(m2/s)双lg线性回归方程Fig.7 Double lg linear regression equation between daily nutrient fluxes and water discharge in 2005 and 2009 to 2012其中在拟合中暴雨期数据所占比例为14/77，在TDN(107 mol)、TDP(104 mol)、PIP(106 mol)、TPP(106 mol)拟合中暴雨期数据所占比例为7/43。2005年数据：据Gong等。2009-2011年所有营养盐数据陈沛沛等。2012年营养盐数据来源于本文 al.; data of nutrients from 2009 to 2011were all from Chen Peipei et al. Data of nutrients in 2012 were from this study

3.2.4 近10年黄河下游调水调沙与洪水对营养盐输送通量的影响

在此统计了2002-2012年间黄河下游每年调水调沙和暴雨洪水的洪峰次数(图8)以及发生日期和利津站最大径流量(表2)，除2007年进行了两次调水调沙和2010年进行了3次调水调沙外，其余年份均只进行了一次调水调沙，共实施了14次调水调沙。黄河下游利津站在2002-2012年期间存在10次洪峰：2003年黄河下游渭河8月下旬-10月上旬发生6次暴雨洪水[58]，2003年的调水调沙便是利用暴雨洪水来实施[59]，但2003年的暴雨洪水对利津站的影响持续到了11月中旬才结束；2004年8月下旬-9月初黄河下游发生暴雨洪水[60]；2005年利津站除调水调沙导致的径流增大外总共还出现3次洪水[54，61]；据2006年《泥沙公报》[62]记载黄河下游8月末9月初发生暴雨洪水，除调水调沙外，利津站在8月末出现洪峰；据2010年《泥沙公报》[63]记载黄河实施了3次调水调沙，且最后一次为利用多股洪水进行调控，8月26日最后一次调水调沙结束后，利津站径流受洪水影响下再次增加；据2011年《泥沙公报》[64]记载，黄河在7月下旬和9月上中旬发生多次洪水，而利津站9月存在洪峰。2012年已在上部分叙述，再此不再赘述，其他未提及年份则未发生洪水。

2002-2012年调水调沙期和洪水期的输水量分别占黄河下游全年输水量的19%～56%和5%～56%，10年平均值为29%和19%；利用日径流量与营养盐日通量的线性方程(图7)，通过调水调沙期和暴雨期利津站的日径流量估算出营养盐输送日通量，从而估算出2002-2012年调水调沙期和洪水期的营养盐入海通量分别占黄河下游全年营养盐输送通量的23%～68%和5%～59%，10年平均值为38%和24%(图9)。调水调沙期的输水量和营养盐输送通量对年入海通量的贡献呈现先下降后上升又下降的趋势，而在有暴雨发生的年份中，洪水期的输水量和营养盐输送通量对年入海通量的贡献呈先下降后上升的趋势，特别是2003-2005年洪水期输水量和营养盐输送通量均高于调水调沙期的输送通量。调水调沙期与暴雨期均为水沙通量迅速增长且短时大量输入到黄河口及邻近海域，因此在调水调沙和暴雨均发生的年份里，既存在人为因素又存在自然因素在水沙及营养盐输送通量上的重要作用。

表2 2002-2012年间调水调沙和洪水对利津站的影响日期和最大径流量(空白处表示未发生洪水)

图8 2002-2012年调水调沙和洪水期间的径流量Fig.8 Water discharge during the water-sediment regulation and rainstorm events from 2002-2012其中黑色数字表示每年实施几次调水调沙，红色数字表示每年洪水导致了几次径流增值，其余年份没有洪水发生的记录。日期数据来源于：http://www.yellowriver.gov.cn/nishagonggao/和本文参考文献[54,58-61]；日径流量数据来源于：http：//xxfb.hydroinfo.gov.cn Black numbers and red numbers represented how many times that water-sediment regulation and rainstorm events occurred in one year, respectively. Data of date are from: http: //www.yellowriver.gov.cn/nishagonggao/ and references[54,58-61]; data of water discharge are from: http://xxfb.hydroinfo.gov.cn

注：日期数据来源于：http://www.yellowriver.gov.cn/nishagonggao/和本文参考文献[54,58-61],日径流量数据来源于：http://xxfb.hydroinfo.gov.cn。

图9 2002-2012年间调水调沙期和洪水期输水量和营养盐输送量占年通量比例Fig.9 The water discharge and nutrient fluxes during water-sediment regulation and rainstorm events period accounted for the proportion of annual fluxesQW-R/QW-A为调水调沙期水通量占年输水通量比例、QW-F/QW-A为洪水期水通量占年输水通量比例、QN-R/QN-A为调水调沙期营养盐入海通量占年入海通量比例、QN-F/QN-A为洪水期营养盐入海通量占年入海通量比例QW-R/QW-A represented the water discharge during water-sediment regulation event accounted for the proportion of annual water discharge fluxes， QW-F/QW-A represented the water discharge during rainstorm event accounted for the proportion of annual water discharge fluxes， QN-R/QN-A represented the nutrient fluxes during water-sediment regulation event accounted for the proportion of annual nutrient fluxes， QN-F/QN-A represented the nutrient fluxes during rainstorm event accou-nted for the proportion of annual nutrient fluxes

4 结论

(2) 各形态氮营养盐枯水期高于丰水期，溶解态磷酸盐一年四季均保持低值，DSi丰水期高于枯水期。颗粒态磷体积浓度主要受悬沙量的控制，随悬浮颗粒物浓度的升高而升高时，并存在夏季浓度峰值；颗粒态磷质量浓度主要受悬浮颗粒物粒径(砂、粉砂和黏土比例)控制，随着水沙的增加每克悬浮颗粒物质量上的磷含量增加有限，因此浓度变化不存在夏季峰值。夏季大量的悬浮颗粒物输入黄河口时，质量浓度的颗粒态磷含量并未增加，可能影响颗粒态磷转化为生物可利用磷的效果。

(3) 将2002-2012年暴雨洪水及调水调沙事件导致的利津站径流量和营养盐通量的变化细分开来，2002-2012年黄河下游共出现14次调水调沙导致的径流增大和10次洪水导致的径流增加，10年来调水调沙期和洪水期对水通量占年入海通量的贡献平均达到29%和19%，营养盐输送通量占年入海通量的贡献平均达到38%和24%。调水调沙期与暴雨期均为水沙通量迅速增长且短时大量输入到黄河口及邻近海域，且2003-2005年洪水期的输水量和营养盐输送通量均高于调水调沙期的输送通量，因此在调水调沙和暴雨均发生的年份里，既存在人为因素又存在自然因素在水沙及营养盐输送通量上的重要作用。

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Impacts of water-sediment regulation and rainstorm events on nutrient transports in the lower Huanghe River

Wu Nian1，2，Liu Sumei1，2，Zhang Guiling1，2

(1.KeyLaboratoryofMarineChemistryTheoryandTechnology，MinistryofEducation，OceanUniversityofChina，Qingdao266100，China；2.LaboratoryforMarineEcologyandEnvironmentalScience，QingdaoNationalLaboratoryforMarineScienceandTechnology，Qingdao266100，China)

nutients；particulate phosphorus; water-sediment regulation；rainstorm；flux; Huanghe River；Bohai Sea

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.06.011

2016-09-24；

2017-01-11。

国家重点研发计划项目(2016YFA0600902)；山东省“泰山学者”工程专项经费和青岛海洋科学与技术国家实验室“鳌山人才”计划项目(2015ASTP-OS08)。

吴念(1991—)，女，重庆市人，从事海洋生物地球化学研究。E-mail：oucwunian@163.com

*通信作者：刘素美，教授，主要从事海洋生物地球化学专业。E-mail：sumeiliu@ouc.edu.cn

P342

A

0253-4193(2017)06-0114-15

吴念，刘素美，张桂玲. 黄河下游调水调沙与暴雨事件对营养盐输出通量的影响[J].海洋学报，2017，39(6)：114—128，

Wu Nian，Liu Sumei，Zhang Guiling. Impacts of water-sediment regulation and rainstorm events on nutrient transports in the lower Huanghe River[J]. Haiyang Xuebao，2017，39(6)：114—128， doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2017.06.011