鄱陽湖五條入湖河流氮磷污染特征研究

＊盛文濤 歐陽小軍

（1.江西小永科技有限公司 江西 330000 2.江西碧水源科技發(fā)展有限公司 江西 330038）

目前湖泊富營養(yǎng)化問題日益突出，不僅是水環(huán)境重點(diǎn)研究方向也是全球所面臨的突出水環(huán)境問題，其中亞洲大約有54%數(shù)量的湖泊有著不同程度的富營養(yǎng)化問題[1-2]。湖泊富營養(yǎng)化也是我國湖泊當(dāng)前所面臨較為嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。湖泊入湖河流水質(zhì)污染往往是湖泊污染的重要原因，因?yàn)槿牒恿魇沁B接流域與湖泊的主要通道，而且氮磷營養(yǎng)元素的來源主要存在于河流水體中[3]。河流水體中所攜帶的氮磷營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入湖泊，這部分營養(yǎng)物質(zhì)與湖水形成混合攪動，直接導(dǎo)致水體污染；如果形成沉積物，通過礦化作用和沉積作用可能產(chǎn)生二次污染。所以，湖泊入湖河流中氮磷污染特征的研究對整個(gè)湖泊系統(tǒng)富營養(yǎng)化研究而言是不可或缺的部分[4]。李如忠[5]研究表明，巢湖營養(yǎng)鹽輸入的總氮、總磷中，入湖河流其輸入占比較大。李樂[6]等研究發(fā)現(xiàn)，滇池富營養(yǎng)化的重要原因之一是由入湖河流水體中攜帶著較多的污染物。許朋柱[7]研究表明，太湖水質(zhì)惡化的重要原因是入湖河道中存在大量污染物質(zhì)，河道污染負(fù)荷增加的直接或間接后果是太湖水環(huán)境惡化。燕姝雯[8]研究表明，氮磷污染是太湖入湖河流污染負(fù)荷的主要因素。近年來，隨著工農(nóng)業(yè)快速發(fā)展，生活污水排放量的增加，導(dǎo)致較多入湖河流水體污染、水質(zhì)惡化，水環(huán)境問題日益嚴(yán)重[9]?？茖W(xué)分析湖泊入湖河流污染特征是提升湖泊水環(huán)境的重要因子，也是湖泊入湖河流水質(zhì)治理的關(guān)鍵要素。

鄱陽湖是我國最大的淡水湖，也是江西省的“母親湖”，位于江西省的北部，所依托的城市有南昌市、九江市、上饒市，地處長江中下游地區(qū)，環(huán)鄱陽湖的主要入湖河流有贛江、饒河、信江、修水、撫河，入湖河水流入鄱陽湖中調(diào)蓄后經(jīng)湖口流入長江。根據(jù)鄱陽湖水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果表明，鄱陽湖氮磷污染也越來越嚴(yán)重，湖泊富營養(yǎng)化進(jìn)一步加劇[10]。氮、磷營養(yǎng)鹽是發(fā)生水體富營養(yǎng)化的基本物質(zhì)條件，也是導(dǎo)致富營養(yǎng)化的重要因素。本研究通過對鄱陽湖入湖河流水樣的采集和測定，對鄱陽湖入湖河流水體中的氮磷元素的時(shí)空分布、形態(tài)特征以及氮磷比進(jìn)行全面分析，最終期望能夠進(jìn)一步揭示湖泊主要入湖河流的氮磷污染對湖泊的水環(huán)境治理的影響以及為今后鄱陽湖水環(huán)境生態(tài)保護(hù)和修復(fù)防治提供依據(jù)，對解決湖泊富營養(yǎng)化問題產(chǎn)生積極的影響[2]。

1.材料與方法

(1)采樣點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)入湖河流的水環(huán)境實(shí)際狀況，為了獲取氮磷濃度的污染特征；經(jīng)過多次現(xiàn)場調(diào)研勘查，如圖1在撫河、饒河以及信江、修水等入湖河流及入湖口附近各篩選3個(gè)具有代表性的采樣點(diǎn)位，由于贛江流域支流較多，為了能夠盡可能全面了解分析贛江流域水環(huán)境質(zhì)量及其貢獻(xiàn)，在贛江流域的干流和支流及入湖口附近分別篩選具有代表性的采樣點(diǎn)位。于2019年1月至2019年12月系統(tǒng)采集贛江、信江等五條主要河流的水樣進(jìn)行檢測分析。

圖1 鄱陽湖入湖河流采樣點(diǎn)

(2)樣品的采集與測定

在河流水面以下0.5m處采集水樣，采集樣品后馬上送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行低溫保存。實(shí)驗(yàn)室測定指標(biāo)主要包括總氮（TN）、總磷（TP）、氨氮硝酸鹽氮、化學(xué)需氧量（COD）等?，F(xiàn)場測定指標(biāo)主要有水溫（WT）和pH值以及氧化還原電位（ORP）等。對帶回實(shí)驗(yàn)室的水樣按相關(guān)方法進(jìn)行測試，其中TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，TP采用過硫酸鉀消解紫外分光光度法，采用紫外分光光度法，采用納氏試劑比色法，COD采用快速催化消解分光光度法測定等。pH、WT使用哈納HI98130pH/TDS/℃測試筆測定；水體ORP采用ORP-986高精度筆式ORP計(jì)測定[11]。

(3)數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)和采樣所獲得的數(shù)據(jù)采用SPSS17統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行處理，并用Origin 8.5和SPSS17軟件進(jìn)行圖形繪制。

2.結(jié)果與討論

(1)氮磷濃度總體統(tǒng)計(jì)分析

見表2所示可知五條入湖河流水體的氮磷濃度統(tǒng)計(jì)結(jié)果，結(jié)果顯示不同河流水體水質(zhì)存在一定的差異性。就TN濃度來看，5條河流TN平均濃度在0.76～2.34mg/L之間，其中贛江、饒河TN濃度波動較大，年平均濃度分別達(dá)2.31mg/L和2.34mg/L，贛江、饒河TN濃度高于《國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）中的V類水質(zhì)濃度限值（2.0mg/L），而信江、撫河、修水的平均濃度分別為1.26mg/L、0.76mg/L、1.25mg/L波動較為穩(wěn)定；平均濃度在0.37～1.31mg/L之間，平均濃度在0.12～0.95mg/L之間；從TP濃度來看，5條河流的TP的平均濃度在0.08～0.31mg/L之間，其中饒河的平均濃度最高為0.31mg/L，高于《國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）中的IV類水質(zhì)濃度限值（0.30mg/L），其余水體TP平均濃度波動正常。

從表1和表2可以看出，五條入湖河流水體中TN、TP的平均濃度已經(jīng)超過了發(fā)生水體富營養(yǎng)化臨界濃度：TN為0.2mg/L，TP為0.02mg/L，表明入湖河流水體中氮磷濃度已經(jīng)可以滿足藻類生物生長所需的內(nèi)源條件，如果水體中的溫度以及外部光照條件等都達(dá)到藻類生物生長所需條件，那么藻類生物就有可能能夠快速生長、繁殖，從而就會導(dǎo)致水體質(zhì)量惡化，水環(huán)境總體質(zhì)量下降加劇湖泊富營養(yǎng)化[12-14]。

表1 地表水總氮、總磷和氨氮標(biāo)準(zhǔn)

表2 各河流水體氮磷濃度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

(2)氮的動態(tài)變化性

①氮的時(shí)空分布特征

各河流水體不同形態(tài)氮的逐月變化曲線見圖2。結(jié)果顯示，贛江、撫河、信江、修水這幾條河流中濃度隨時(shí)間的變化范圍較小，饒河流域水體中濃度波動幅度較大；饒河濃度先逐步上升，并在2月達(dá)到峰值后再迅速下降，呈現(xiàn)出單峰型變化特征。饒河的TN和平均濃度可達(dá)2.34mg/L和0.95mg/L，遠(yuǎn)高于其余四條河流；尤其是在二月份濃度超過了3mg/L。在濃度方面，修水、撫河波動性較小，饒河水體在9月和10月時(shí)，濃度達(dá)到最高值。贛江的和TN含量最大值都出現(xiàn)在枯水期，最小值出現(xiàn)在豐水期，枯水期的濃度大于豐水期，平均濃度達(dá)到了1.31mg/L。在空間變化上，贛江水體和TN濃度沿程變化趨勢相似，中下游氮素濃度為上升趨勢?？菟诤拓S水期贛江TN濃度最大值分別為5.06mg/L和2.26mg/L，均分布在贛州市和贛縣下游；無論是在降水量較少枯水期還是在降水量較多的豐水期，贛江流域水體中的質(zhì)量濃度在空間上的分布規(guī)律基本上相似，表現(xiàn)出質(zhì)量濃度最大值在贛州城區(qū)的下游河流段，其次為南昌城區(qū)下游的贛江，其它干流及支流各點(diǎn)質(zhì)量濃度相對穩(wěn)定[15-16]。

圖2 各河流水體氮濃度的逐月變化特征

氮素的污染源一般可分兩種，分別是人為來源和天然來源，氮素的人為來源主要包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中所使用的合成氮肥和生活污水中所包含的氮營養(yǎng)鹽，氮素的天然來源主要來自于土壤氮以及大氣沉降[17]。贛江流域水體中的濃度變化趨勢與TN動態(tài)變化整體相似，的質(zhì)量濃度變化與TN的質(zhì)量濃度變化有所不同。贛江質(zhì)量濃度在贛州市城區(qū)和南昌市城區(qū)下游表現(xiàn)濃度較大，這表明在贛江水體流域中城市生活污水排放導(dǎo)致營養(yǎng)鹽濃度升高，雖然在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中也會使用大量化肥，這些肥料中也含有大量相比更容易被土壤顆粒吸附；從而進(jìn)一步被植物根系吸收利用以致大部分不會從土壤中流失，只有少量流入河流水體中[16,18]。

②氮的污染特征

表3 贛江氮磷相關(guān)性

(3)磷的動態(tài)變化性

①磷的時(shí)空分布特征

TP濃度逐月變化情況見圖3，顯然，在整個(gè)采樣期間，除撫河、修水TP濃度較低且變化幅度較小，其余河流TP濃度相對較高且變化幅度較大。其中，饒河在采樣期間TP濃度處于0.03～0.88mg/L范圍內(nèi)波動，平均濃度達(dá)到0.31mg/L，明顯高于其它河流；信江水體采樣期間的TP濃度處于0.02～0.37mg/L范圍內(nèi)波動，平均濃度達(dá)到0.13mg/L；撫河、修水雖有明顯波動性，但是變化幅度不大，一般都不超過0.20mg/L。不難看出，5條河流的TP濃度都隨月份變化而變化，最大值都出現(xiàn)在冬季，且枯水期的濃度都大于豐水期。饒河、信江TP濃度波動遠(yuǎn)比其余河流劇烈。尤其是饒河流域，TP最小濃度為0.04mg/L和0.03mg/L出現(xiàn)在7、8月份，最大值0.88mg/L和0.86mg/L出現(xiàn)在1、2月份，TP年平均濃度為0.31mg/L，贛江和信江的TP年平均濃度均為0.13mg/L，相對于其它河流偏高。

圖3 各河流水體磷濃度的逐月變化特征

②磷的污染特征

經(jīng)鮑林林[25]等研究表明，河流水體中TP濃度與所在河流的水利工程有密切聯(lián)系，在有水庫水利工程的河道中，流域水流較穩(wěn)定，同時(shí)可以截留大量營養(yǎng)物質(zhì)，提高了磷滯留能力。尤其是贛江流域，水利樞紐工程較多，尤其是水庫可以使水深加大，水流速度變得緩慢，水體停留時(shí)間較長從而大大提高了水體的自凈作用。有研究表明[26]，柘林水庫TN水環(huán)境容量目前較大,可以達(dá)到該功能區(qū)地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)；但是該水域TP質(zhì)量濃度較大，污染指標(biāo)嚴(yán)重，因此柘林水庫對TP的滯留是修水入湖口的濃度低的重要因素。撫河是江西省第二大河流，其中有兩座大型水庫洪門水庫和廖坊水庫，總庫容達(dá)16.43億立方米，大型水庫的蓄水導(dǎo)致了所在河流下游的磷營養(yǎng)鹽濃度的減小，且水庫在豐水期蓄水，枯水期放水也導(dǎo)致了下游河流磷的濃度在枯水期高于豐水期。贛江、撫河，修水中上游均有攔河大壩，而饒河沒有相關(guān)的水利設(shè)施，所以導(dǎo)致饒河TP濃度相對偏高，贛江TP濃度較高的原因可能由于水庫下游的生活污水有關(guān)。由表4可以看出，饒河的TP與和TN具有較高的相關(guān)系數(shù)，其值分別為0.914和0.733，因此漁業(yè)養(yǎng)殖的污水排放會造成饒河TP含量增高；信江上游流經(jīng)很多城市，受到一定的人為污染排放影響，且其上游處上饒市朝陽磷礦（華東第一大磷礦）的影響，平均濃度達(dá)0.13mg/L。相關(guān)資料表明[27]，朝陽磷礦每年能夠生產(chǎn)過磷酸鈣超過10萬噸，在磷礦作業(yè)過程中產(chǎn)生的污染廢水直接排入信江河流中，這也是導(dǎo)致信江TP濃度偏高的重要原因之一。

表4 饒河氮磷相關(guān)性

(4)TN/TP比值的動態(tài)變化性

在藻類生物生長結(jié)構(gòu)中，TN/TP比值具有重要的意義，也可以反應(yīng)出河流水體中藻類生物營養(yǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[28]。當(dāng)河流水體中TN和TP質(zhì)量濃度比在10～25時(shí)，相關(guān)研究表明藻類生物生長有著直觀性特點(diǎn)，尤其是藻類生物的生長與氮磷質(zhì)量濃度存在直線相關(guān)關(guān)系[29-30]。在五條入湖河流水體中，贛江與修水TN/TP比值相對最高，贛江河流水體中TN/TP值為26.2，修水河流水體中TN/TP比值21.5，遠(yuǎn)高于其余水體；撫河河流水體中TN/TP值為10.8、饒河河流水體中TN/TP值為11.4、信江河流水體中TN/TP值為17.3，五條入湖河流水體中TN/TP值結(jié)果也大部分都介于10～25范圍，在該范圍內(nèi)都滿足藻類生物生長特點(diǎn)的需要，也符合藻類生物生長的營養(yǎng)條件。由實(shí)驗(yàn)檢測結(jié)果可知，修水、撫河、饒河和信江TN/TP值都介于藻類生物生長相關(guān)性范圍之內(nèi)。Guildford[31]等實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)水環(huán)境中不同營養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度分類的限制性標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)TN/TP≤9.0時(shí)，該情況下可分類為氮限制性水體，當(dāng)TN/TP≥22.6時(shí)，該情況下可分類為磷限制性水體。贛江河流水體中TN/TP值為26.2，根據(jù)此種分類標(biāo)準(zhǔn)判定其屬于磷限制性水體，其余河流水體介于標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，均屬于正常狀態(tài)。

TN/TP比值的逐月動態(tài)變化情況見圖4。結(jié)果顯示，修水、信江、贛江TN/TP比值波動較大，且都在4、5兩月到達(dá)最大值后開始降低。造成此種現(xiàn)象的重要原因是夏季導(dǎo)致了水環(huán)境中各種生物活動變的更加劇烈，此時(shí)水體底部氧氣含量越來越低，從而讓磷物質(zhì)從沉積物中釋放量增多[32]。其它水體TN/TP比值變化幅度基本不大。

圖4 各河流水體TN/TP平均值及逐月變化特征

3.結(jié)論

（1）鄱陽湖五條入湖河流中，信江、撫河、修水TN濃度分別為1.26mg/L、0.76mg/L、1.25mg/L，其中贛江、饒河TN污染不容樂觀，贛江、饒河TN濃度達(dá)到2.31mg/L和2.34mg/L高于《國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中的V類水質(zhì)濃度限值（2.0mg/L）。

（2）饒河流域TP濃度（變化范圍為0.03～0.88mg/L，平均值0.31mg/L）高于其它河流主要是由于沒有水庫對于磷素的滯留作用；贛江的濃度（變化范圍為0.70～2.43mg/L，平均值1.31mg/L）高于其它河流原因是農(nóng)業(yè)污染和城市污水的共同作用。

（3）TN/TP比值可以反應(yīng)出藻類生物生長營養(yǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從而間接反應(yīng)出水環(huán)境質(zhì)量狀況。入湖河流水體中TN和TP質(zhì)量濃度比在10～25時(shí)，藻類生物生長與氮磷質(zhì)量濃度存在相關(guān)關(guān)系。根據(jù)TN/TP比值（贛江的TN/TP比值為26.2），可以判定于贛江水體屬于磷限制性狀態(tài)，其它水體屬于正常狀態(tài)。在今后的入湖河流水環(huán)境修復(fù)與整治中，應(yīng)采取支流和干流共同調(diào)控、水環(huán)境污染控制和水生態(tài)修復(fù)相結(jié)合的綜合保護(hù)策略。