蘇州太湖水體氮、磷含量及形態(tài)組成分析

楊文晶，談劍宏，姜 宇

（江蘇省水文水資源勘測(cè)局蘇州分局，江蘇 蘇州 215011）

1 概述

太湖位于長(zhǎng)江中下游地區(qū)，是我國(guó)第三大淡水湖[1]。近年來由于經(jīng)濟(jì)及人口的快速增長(zhǎng)和城市化進(jìn)程的加快，太湖的水質(zhì)及富營(yíng)養(yǎng)化問題愈發(fā)嚴(yán)重，對(duì)區(qū)域社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生了不利影響[2]。太湖水環(huán)境治理已成為該地區(qū)的重點(diǎn)問題[3]。

氮、磷營(yíng)養(yǎng)元素是湖泊生態(tài)系統(tǒng)中極其重要的生態(tài)因子，也是引發(fā)江河湖泊等永久性濕地發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的重要因子之一，不同形態(tài)氮、磷元素的空間分布格局顯著影響著湖泊濕地的諸多生態(tài)過程[4]。因此，了解太湖水體中氮、磷等生源要素的含量、形態(tài)組成和分布規(guī)律，是研究氮、磷營(yíng)養(yǎng)元素行為微觀過程的重要基礎(chǔ)和前提，對(duì)于太湖水環(huán)境治理有重要的意義。

2 樣品采集與檢測(cè)

2.1 樣品采集

對(duì)太湖蘇州水域進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，在湖心區(qū)、胥湖和東太湖3個(gè)湖區(qū)各選了1個(gè)代表站，分別是平臺(tái)山、胥湖中和東太湖（見圖1），開展水質(zhì)采樣和監(jiān)測(cè)工作。采樣時(shí)間為2016年10～12月，每月利用快艇等交通工具到湖中選定點(diǎn)位進(jìn)行采樣，共計(jì)采樣31次，平均每月采樣10次。

圖1 太湖蘇州水域代表站

2.2 監(jiān)測(cè)指標(biāo)和主要儀器

使用有機(jī)玻璃采樣器采集水樣，一部分經(jīng)0.45μm微孔濾膜過濾，經(jīng)過濾的水樣用于檢測(cè)正磷酸鹽、溶解態(tài)總氮和溶解態(tài)總磷；另一部分未經(jīng)過濾的原水用于檢測(cè)硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、氨氮、總氮和總磷。

硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮分析參照《水中無機(jī)陰離子的測(cè)定離子色譜法》（SL 86-1994）的方法測(cè)定，氨氮的分析參照《水質(zhì)氨氮的測(cè)定納氏試劑分光光度法》（HJ 535-2009）的方法測(cè)定，總?cè)芙鈶B(tài)氮和總氮分析參照《水質(zhì)總氮的測(cè)定堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》（HJ 636-2012），總磷、正磷酸鹽和溶解態(tài)總磷分析參照《水質(zhì)總磷的測(cè)定 鉬酸銨分光光度法》（GB/T 11893-1989）。

測(cè)定的儀器分別為DR5000分光光度計(jì)、ICS-2000離子色譜儀、普析TU-1900分光光度計(jì)，儀器設(shè)備均通過了蘇州市計(jì)量檢測(cè)中心的檢定。

由于氮和磷分別以可溶無機(jī)態(tài)、可溶有機(jī)態(tài)和懸浮顆粒態(tài)賦存于水體中，其中可溶無機(jī)磷主要形態(tài)是活性磷酸鹽，可溶無機(jī)氮?jiǎng)t以硝酸鹽、亞硝酸鹽和銨鹽存在[5]?？捎貌顪p法計(jì)算懸浮顆粒氮（PN）、懸浮顆粒磷（PP）、可溶有機(jī)氮（DON）、可溶有機(jī)磷（DOP）樣品的濃度。

表1 太湖蘇州水域各形態(tài)氮的濃度水平單位:mg/L

3 結(jié)果與分析

3.1 氮營(yíng)養(yǎng)鹽

表1列出了全區(qū)氮元素各種形態(tài)的濃度范圍和平均濃度，3種溶解態(tài)無機(jī)氮（NO3-N、NO2--N、NH3-N）濃度之和即為溶解態(tài)無機(jī)氮（DIN）的濃度。其中，總氮的濃度范圍在0.63～1.81 mg/L，平均值為0.93 mg/L，參照國(guó)家《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）（下同）評(píng)價(jià)為Ⅲ類水。氨氮的濃度范圍在0.04～0.08 mg/L，平均值為0.05 mg/L，保持在Ⅰ類水，NO3-N的濃度范圍在0.28～0.55 mg/L，平均值為0.40 mg/L，而NO2-N均未檢出，可見水體中3種溶解態(tài)無機(jī)氮中以NO3-N為主。由圖2可見，2016年10～12月湖心區(qū)和東太湖的各形態(tài)氮的含量接近，胥湖各種形態(tài)氮的含量明顯低于前兩者。根據(jù)同一湖區(qū)不同形態(tài)氮濃度的柱狀高低比例，發(fā)現(xiàn)對(duì)于3個(gè)湖區(qū)而言，TDN/TN以及NO3-N/DIN均超過一半，說明雖然不同湖區(qū)之間各種形態(tài)氮元素的含量有所不同，但湖區(qū)中總氮以溶解態(tài)氮為主，根據(jù)計(jì)算平均比例為77.7%，溶解態(tài)無機(jī)氮中以硝酸鹽氮為主，平均占87.6%。

圖2 2016年10～12月各湖區(qū)不同形態(tài)氮的濃度示意圖

不同區(qū)域各種形態(tài)分配比例不一。湖心區(qū)、胥湖、東太湖（三者順序下同）TDN/TN的值分別為79.6%、78.9%、76.3%，湖心區(qū)總氮中溶解態(tài)氮的占比最大，東太湖最小，顆粒態(tài)氮的含量可能與徑流匯入和浮游生物及其碎屑有關(guān)[6]；3個(gè)區(qū)的DIN/TDN值分別為66.3%、62.3%、69.7%，胥湖最小，東太湖最大；3個(gè)區(qū)的NO3-N/DIN分別為86.5%、89.0%、87.0%，湖心區(qū)最小，胥湖最大；3個(gè)區(qū)的NH3-N/DIN分別為12.8%、10.1%、12.4%，胥湖最小，湖心區(qū)最大。

圖3 不同形態(tài)氮的比例變化示意圖

由于環(huán)境條件復(fù)雜多變，各種形態(tài)的濃度變化范圍較大。如圖3中所示，NH3-N/DIN的變化幅度較小，維持在11%上下浮動(dòng)；TDN/TN、DIN/TDN在10月中旬到11月中旬的1個(gè)月內(nèi)，變化幅度大，上下波動(dòng)頻繁，可能與這個(gè)階段植物生長(zhǎng)逐漸停止，并且隨著冬季的到來，植物會(huì)慢慢腐敗沉積于底泥當(dāng)中有關(guān)。NO3-N是氮的穩(wěn)定存在形式，且有不被懸浮顆粒物質(zhì)吸附或包裹的保守行為[7]，因此NO3-N/DIN的變化幅度較小，在87%上下略微浮動(dòng)。

3.2 磷營(yíng)養(yǎng)鹽

活性磷酸鹽（PO43-）又可以看作水樣中溶解態(tài)無機(jī)磷酸鹽的主要組成成分，同時(shí)過濾后的水樣測(cè)定的總磷含量可以認(rèn)為是總?cè)芙鈶B(tài)磷酸鹽（TDP）的含量，而水樣中的總?cè)芙鈶B(tài)有機(jī)磷（DOP）則可以從TDP與PO43-之差得到[8]。未過濾的水樣測(cè)定的TP濃度減去TDP后可得到總顆粒態(tài)磷酸鹽（TPP）濃度。表2是2016年10～12月全區(qū)各形態(tài)磷的含量。

其中，總磷的濃度范圍在0.035～0.116 mg/L，平均值為0.068 mg/L，參照國(guó)家《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）（下同）評(píng)價(jià)為Ⅳ類水。TDP的濃度范圍在0.017～0.058 mg/L，平均值為0.036mg/L；TPP的濃度范圍在0.004～0.066 mg/L，平均值為0.032mg/L；PO43-的濃度范圍在0.013～0.024mg/L，平均值為0.024mg/L；DOP的濃度范圍在0.003～0.026mg/L，平均值為0.011mg/L。如圖4所示，從湖泊水體的空間分布上來看，氮、磷濃度分布規(guī)律基本一致，3個(gè)湖區(qū)中，湖心區(qū)和東太湖的磷元素含量接近，胥湖各種形態(tài)磷的含量明顯低于前兩者。

表2 太湖蘇州水域各形態(tài)磷的濃度水平 單位:mg/L

湖心區(qū)、胥湖、東太湖（三者順序下同）TDP/TP的值分別為53.3%、64.1%、52.3%，東太湖總磷中溶解態(tài)磷的占比最小，與氮元素的規(guī)律相同，胥湖最大；3個(gè)湖區(qū)中，PO43-/TDP的值分別為65.7%、75.5%、67.1%，湖心區(qū)最小，胥湖最大?？梢姡愫m然各形態(tài)磷的含量均最低，但其溶解態(tài)磷和無機(jī)磷酸鹽的比例卻最高。結(jié)合各分區(qū)的占比數(shù)據(jù)，可知全區(qū)水體中總磷以溶解態(tài)磷為主，占比為54.6%，略大于顆粒態(tài)磷，同時(shí)小于TDN/TN；溶解態(tài)磷中以溶解態(tài)無機(jī)磷為主，占67.2%。

圖4 2016年10～12月各湖區(qū)不同形態(tài)磷的濃度示意圖

由圖5可見，TDP/TP、PO43-/TDP也是在10月中旬到11月中旬的這個(gè)階段，呈現(xiàn)出變化幅度大、波動(dòng)頻繁的特點(diǎn)，與氮元素的變化規(guī)律一致。11月中旬之后，比例的變化幅度降低，最終TDP/TP經(jīng)歷3個(gè)月的往復(fù)升降后和監(jiān)測(cè)起始點(diǎn)的值相比相差不大，而PO43-/TDP在反復(fù)變化的過程中實(shí)現(xiàn)了一定程度的上漲。

4 結(jié)論

（1）2016年10～12月，蘇州太湖水域總氮評(píng)價(jià)為Ⅲ類水，氨氮保持在Ⅰ類水，亞硝酸鹽氮均未檢出，總磷評(píng)價(jià)為Ⅳ類水。從湖泊水體的空間分布上來看，湖心區(qū)、胥湖、東太湖3個(gè)湖區(qū)中，胥湖各種形態(tài)的氮、磷含量均最小，湖心區(qū)和東太湖的各項(xiàng)濃度值接近。

（2）蘇州太湖水域中總氮以溶解態(tài)氮為主，根據(jù)計(jì)算平均比例為77.7%，溶解態(tài)無機(jī)氮中以硝酸鹽氮為主，平均占87.6%。全區(qū)水體中總磷以溶解態(tài)磷為主，占比為54.6%，略大于顆粒態(tài)磷，比總氮中溶解態(tài)氮的占比低了23.1%；溶解態(tài)磷中以溶解態(tài)無機(jī)磷為主，占67.2%。

（3）不同區(qū)域各種形態(tài)分配比例不一。湖心區(qū)總氮中溶解態(tài)氮的占比最大，同時(shí)氨氮占溶解態(tài)無機(jī)氮的占比也最大。胥湖溶解態(tài)氮中溶解態(tài)無機(jī)氮的占比最小，同時(shí)氨氮占溶解態(tài)無機(jī)氮的占比也最小，但其硝酸鹽氮占溶解態(tài)無機(jī)氮的占比最大；該區(qū)水體中總磷中溶解態(tài)磷的占比和溶解態(tài)磷中無機(jī)磷酸鹽的比例均為3區(qū)最高。東太湖總氮中溶解態(tài)氮的占比以及總磷中溶解態(tài)磷的占比均為3個(gè)區(qū)中最小，說明其水體中顆粒態(tài)氮、磷的比例相對(duì)更高[9]。

（4）由于環(huán)境條件復(fù)雜多變，各種形態(tài)的濃度變化范圍較大。全區(qū)NH3-N/DIN和NO3-N/DIN的變化幅度小，分別在11%和87%上下浮動(dòng)。TDN/TN、DIN/TDN、TDP/TP、PO43-/TDP都表現(xiàn)為在10月中旬到11月中旬的1個(gè)月內(nèi)，變化幅度大，上下波動(dòng)頻繁，這可能與這個(gè)階段植物生長(zhǎng)逐漸停止，并且隨著冬季的到來，植物會(huì)慢慢腐敗沉積于底泥導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)元素發(fā)生轉(zhuǎn)化等自然因素有關(guān)[10]。

參考文獻(xiàn)：

[1]毛偉新，徐楓，等.太湖水質(zhì)及富營(yíng)養(yǎng)化變化趨勢(shì)分析 [J].水資源保護(hù)，2009，29（1）:48-51.

[2]金相燦，劉鴻亮，等.中國(guó)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化[M].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1990.

[3]胡雅杰，馬靜，等.基于多種方法的太湖綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)比較[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2015（5）: 67-74.

[4]李衛(wèi)平，李暢游，等.內(nèi)蒙古烏梁素海氮、磷營(yíng)養(yǎng)元素分布特征及地球化學(xué)環(huán)境分析[J].資源調(diào)查與環(huán)境，2008，29（2）:131-138.

[5]孟偉，秦延文，等.長(zhǎng)江口水體中氮、磷含量及其化學(xué)耗氧量的分析 [J].環(huán)境科學(xué)，2004，25（6）:65-68.

[6]林以安，蘇紀(jì)蘭，等.珠江口夏季水體中的氮和磷[J].海洋學(xué)報(bào)，2004，26（5）:63-73.

[7]樊安德.長(zhǎng)江河口及其臨近海區(qū)的總化學(xué)耗氧有機(jī)質(zhì)與營(yíng)養(yǎng)鹽 [J].東海海洋，1995，13（3-4）:15.

[8]李軍，劉叢強(qiáng)，等.太湖水體溶解營(yíng)養(yǎng)鹽（N、P、Si）的冬、夏二季變化特征及其與富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)系[J].地球與環(huán)境，2005，33（1）:63-67.

[9]范成新，張路，等.風(fēng)浪作用下太湖懸浮態(tài)顆粒物中磷的動(dòng)態(tài)釋放估算[J].中國(guó)科學(xué)（D輯），2003，33（8）:760-768.

[10]秦伯強(qiáng)，胡維平，等.太湖沉積物懸浮的動(dòng)力機(jī)制及內(nèi)源釋放的概念性模式[J].科學(xué)通報(bào)，2003，48（17）:1822-1831.