北方季节性河流氮磷变化特征及影响因素——以墨水河为例

魏西会，房俊旭

（1.青岛市生态环境局城阳分局，山东 青岛266109；2.青岛市生态环境局即墨分局，山东 青岛，266200）

0 引言

墨水河是青岛市北部区域的一条入海河流，发源于三标山，流经城阳区和即墨区，最终汇入胶州湾，全长41.5 km，流域总面积317.2 km2。墨水河枯水期和丰水期水量变化显著，是一条季节性河流[1]。2021年墨水河5—9月为丰水期、1月、2月和12月为枯水期，3月、4月及10月为平水期[2]。

河流不仅可以为流域提供丰富的水源，还可以收纳流域内陆源入河的各种污染物。长期以来，国内外学者对河流中氮磷变化特征及影响因素进行了广泛研究，不过研究大多集中在南方河流，针对北方河流的研究较少。目前公开发表的主要有对密云水库入库河流[3-4]、奎河[5]、等的研究，奎河氮磷浓度明显高于长江、黄河和珠江等南方河流。部分学者对墨水河水质亦有研究[1]，但是主要集中在河流水质评价方面，缺少对氮磷营养盐的变化特征及影响因素的研究。文章以墨水河为研究对象，分析了该河流氮磷元素含量的分布特征，探讨了影响其变化主要因素，为墨水河污染治理及水环境安全提供科学依据。

1 实验与方法

1.1 水样的采集与分析

监测点设在墨水河入海口断面（N120.3704° E36.3123°），每月开展1次监测，采集表层（水面下0.5 m）样品，水温、pH值、溶解氧及电导率现场测定，其余项目带回实验室分析。样品采集、运输、交接及质量控制均按照《HJ/T 91-2002 地表水和污水监测技术规范》要求进行。总磷采用GB 11893-1989 钼酸氨分光光度法、总氮采用 HJ 636-2012 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，氨氮采用HJ 535-2009 纳氏试剂分光光度法、高锰酸盐指数采用GB/T 11892-1989 高锰酸盐指数的测定法、亚硝酸盐采用GB/T 7493-1987 分光光度法、硝酸盐、亚硝酸盐及氟离子均采用HJ 84-2016 离子色谱法进行测定。

1.2 数据分析

2021年共获得12组监测数据，每组数据包含9个参数。运用WPS Office对氮磷进行分布特征分析；利用IBM SPSS 26软件，通过Pearson分析不同环境因子的相关性。

2 结果与分析

2.1 墨水河氮磷含量及时间分布特征

2021年监测结果显示，墨水河水质中总氮和总磷含量变化幅度较大。从图1可以看出，总氮有明显的时间变化规律，冬季＞春秋季＞夏季，最大值出现在2月，最小值出现在6月。总磷时间变化亦有规律，夏季＞春秋季＞冬季，最大值出现在7月，最小值出现在2月。从图2可以看出，不同水期总氮含量也有差别，枯水期高于丰水期；总磷变化规律与总氮相反，丰水期高于枯水期。

图1 墨水河总氮、总磷含量月度变化图

图2 墨水河总氮、总磷含量水期变化图

图3 墨水河无机氮含量水期变化图

2.2 墨水河不同形态氮含量时间分布特征

对墨水河水体中不同水期、不同形态的无机氮进行分析，发现硝酸盐氮、氨氮、亚硝酸盐氮虽然含量相差较大，但是有同样的时间变化特征：冬季＞春秋季＞夏季，枯水期高于丰水期，这和总氮的变化特征一致。进一步分析发现，硝酸盐氮在总氮的占比最大，在31.2%～91.6%之间，年均值为62.8%；其次为氨氮，年均占比为8.0%；亚硝酸盐氮最小，年均占比为2.0%。

2.3 墨水河氮磷比值时间分布特征

由于水中氮磷含量比例会影响水体藻类生长，因此水体中氮磷之比常被用来判别浮游藻类的营养限制类型。Redfield提出氮磷比为16∶1时，可以满足藻类快速生长对氮磷营养的的需求比例[6]。由图4可以看出，墨水河氮磷比值有春冬高、夏秋低的分布特征，比值范围为16～80，年均值为39。这说明2021全年磷都是墨水河藻类生长潜在的限制性营养盐。

图4 墨水河氮磷含量比值含量月度变化图

3 讨论

3.1 墨水河氮磷时间变化影响因素

墨水河水体中氮磷含量的时间变化规律明显，总氮冬季高于夏季，总磷夏季高于冬季。墨水河水体中氮磷含量时间变化特征与密云水库入库河流[3-4]、奎河[5]、流溪河[7]、赣江[8]、龙江河[9]一致。这说明造成墨水河氮磷含量变化特征的原因可能是冬季水温低，微生物活动受限，分解和吸收氮的能力降低，使得水体氮浓度升高；到了夏季水温升高，浮游植物进入生长活跃期，氮元素被吸收，加之夏季降雨频繁，流量增加对水体中的氮含量有一定的稀释作用。因为墨水河水体长期处于磷限值状态，所以磷含量与浮游植物活跃性关系不大，主要受降雨冲刷和河水稀释效应双重影响。夏季强降雨形成的径流冲刷地表并携带泥沙中的颗粒态磷以及溶解态磷进入墨水河，其效果远大于稀释作用，所以夏季水体中总磷含量升高。

研究发现，氮磷浓度与流量的关系能反映它们的主要来源[7，10]。总体上，墨水河水体中氮元素含量枯水期高于丰水期，而磷元素则是丰水期高于枯水期。进一步分析发现，墨水河水体中总氮含量随流量增加而降低而后趋于稳定，磷浓度则是先随流量增加而增加，而后同样趋于稳定。墨水河总氮、总磷含量变化特征与Kalkhoff等人对面源污染河流氮磷含量变化特征的研究结果基本一致[10]。这说明，墨水河氮磷元素可能主要来自面源污染。

表1 墨水河环境指标与氮磷元素相关性分析

墨水河氮污染严重，全年总氮浓度均超过国家地表水V类标准。墨水河水体中不同形态无机氮含量相差较大，硝酸盐氮是氮元素的主要存在形式（占比年均值为62.8%），这一结果和密云水库入库河流[3-4]、奎河[5]、龙江河[9]一致。这进一步表明，墨水河水质受到农业面源污染，此外可能还受到河两岸点源污染排放、河底底泥释放、水生生物作业等影响。

3.2 墨水河氮磷及环境因子相关性分析

氮磷是浮游植物生长所必须的营养元素，氨氮和高锰酸盐指数是水体有机污染物的重要指标[11]。选取总氮、总磷、氨氮、高锰酸盐指数以及环境指标进行相关性分析，结果显示高锰酸盐指数与水温呈现显著正相关（P＜0.05），与总氮呈现显著负相关（P＜0.01）；电导率与总磷呈现显著负相关（P＜0.05）；水温与氨氮、总氮呈现显著负相关（P＜0.01），与总磷呈现显著正相关 （P＜0.01），这表明水温对于自然界中氮磷的循环产生显著影响。总氮和氨氮相关性不明显，说明总氮和氨氮可能来源不同。

4 结论

（1）墨水河水体中氮磷含量的时间变化规律明显。总氮规律为冬季＞春秋季＞夏季，总磷则相反：夏季＞春秋季＞冬季。不同水期总氮含量也有差别，枯水期高于丰水期，总磷为丰水期高于枯水期。墨水河氮磷元素可能主要来自面源污染。

（2）墨水河水体中硝酸盐氮、氨氮、亚硝酸盐氮时间变化特征与总氮相似：冬季＞春秋季＞夏季，枯水期高于丰水期，但含量相差较大。硝酸盐氮在总氮的占比最大，年均值为62.8%；其次为氨氮，亚硝酸盐氮最小。

（3）水温与氨氮、总氮呈现显著负相关，与总磷呈现显著正相关，这表明水温对于自然界中氮磷的循环产生显著影响。总氮和氨氮相关性不明显，说明总氮和氨氮可能来源不同。