010.富营养化氮和磷参数的自净作用

—以青草沙水库为例

金晓丹12，何义亮1，吴昊2，曹红军2，吴启明2，狄瑜2，高何凤2

(1.上海交通大学环境科学与工程学院，上海200240;2.广西壮族自治区环境保护科学研究院，广西530022）

摘要：对长江河口青草沙水库水体浊度、氮和磷形态物质进行空间分布研究。结果表明，青草沙水，

库进口附近的浊度达到167NTU，随着库区悬浮颗粒物沉降，水体浊度、氮、磷呈现进水口处含量高而出水口处含量低的规律。浊度从进水口至出水口的去除率为93%；总氮、硝态氮和氨氮在进水口平均浓度分别为1.446、0.695、0.0929mg/L，自进水口至出水口的去除率分别为43、46和40%；总磷、总反应磷和溶解性反应磷去除率分别为63、67、75%。说明长江口水库具有较强的生态自然净化能力，对高浑浊来水的氮和磷物质具有一定净化作用，降低富营养化风险。关键词：长江口；青草沙水库；净化；氮；磷中图分类号：X821文献标识码:A文章编号：TheSelf-purificationofNitrogenandPhosphorusofEutrophicationParametersintheQCSReservoirJinXiaodan12，HeYiliang1，WuHao2,WangQiming2,CaoHongjun2,DiYu2,GaoHefeng2

(1.InstituteofEnvironmentalScienceandEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China;2.EnvironmentalProtectionResearchInstituteofGuangxi，Nanning，Guangxi530022,China)Abstract:Thespatialdistributionofturbidity,nitrogenfractionsandphosphorus(P)fractionsofreservoirinYangtzeestuaryQCSreservoirwereinvestigated.Thefieldresultsshowedthatthesettlementofsuspendedmatterduetoturbiditycouldleadtothedepositionofthephosphorus(P)fractions,nitrogen(N)fractionsinwaterontothesedimentsurface.Theconcentrationofturbiditywas167NTUneartheintakeofreservoir,andtheremovalrateofturbidityfromtheintaketoouttakeofthereservoirwasapproximately93%;theconcentrationofTN(TotalN),NO3-N,NH4+-Nwas1.446、0.695、0.0929mg/L,andtheremovalofTN(TotalN),NO3-N,NH4+-Nwasapproximately43,46and40%respectively;theremovalrateofTP(TotalP),TRP(TotalReactiveP)andPRP(SolubleReactiveP)wasapproximately63,67and75%respectively.Thereservoirfunctionsasaprimarysettlingtankinthedepositionofsuspendedmattersontothesediment.Therefore,ithasagoodperformanceintreatmentofhighturbidity,phosphorus,nitrogenwater,andreducetheriskofeutrophicationintheYangtzeRiverestuary.KeyWords:Yangtze;reservoir;deposition;phosphorus;nitrogen;，长江口水体含有泥土、粉砂、微细有机物、无机物、浮游生物等悬浮物和胶体物使水质呈现一定浊度[1]，因此，长江口水域的水体浑浊。随着工农业的迅猛发展，污水排放量增加，水体污染加剧，向水体输入大量营养物质[2]而造成长江口水质变差[3]。营养盐如氮和磷浓度超过一定限值，在一定的环境条件下滋生藻类发生富营养化，藻类分泌藻毒素影响水源地供水质量[4]；对水生生态系统造成危害，影响水源地水质[5]。青草沙是目前中国最大的河口型浅层水源水库。青草沙水库地江口，取自长江水，利用“避咸蓄淡”，促使污染物降解，改善水质质量以保障上海-2-第二届全国流域生态保护与水污染控制研讨会论文集市居民的饮用水安全[6]。本文对长江河口青草沙水库水体浊度、氮和磷含量的监测资料，分析了青草沙水库对水体浊度、氮、磷的空间净化特征，对于长江口区域水污染防控和管理具有一定的借鉴和参考价值。1材料与方法

1.1样品采集与测定2011年4月至2012年1月在长江河口青草沙水库区域(31°48′N，121°57′E)进行每月一次现场调查和采样分析，每次使用GPS进行定位。库区共设置11个采样点，分别标示为S0~S10：S0位于库区外；S1、S2、S3、S4位于库区上游，布点在库区的沙垦附近，其中S1位于库区引入长江水的进口处；S5、S6、S7位于库区中游；S8、S9、S10位于库区下游，S10位于库区出水口处。如图1所示。0库首147

2365

库尾9810图1青草沙水库监测分布示意图Fig.1Themapofsamplingsitesinthereservoir1.2透明度和浊度测定现场用塞氏盘测量采样点水体的透明度(secchi-depth，SD)，采样后立即带回实验室使用浊度仪测定浊度。1.3氮形态测定水样预先经过0.45μm纤维滤膜过滤后用MuttiN/C3000测定TN指标，用Metrohm830IC离子色谱测定NO3-和NO2-，NH4+-N分析采用纳氏试剂比色法。每次测定前，对测定的离子做标准曲线，每个水样样品均做两个平行样。1.4磷形态测定第二届全国流域生态保护与水污染控制研讨会论文集-3-磷的测定：水样采集后，一部分立即经0.45μm纤维滤膜过滤；另一部分水样直接用于测定磷。未过滤的水样经过硫酸钾消解后显色反应的磷称为总磷TP；未过滤水样未经消解而直接显色反应的磷称为总反应性磷TRP；过0.45μm滤膜过滤水样未经消解而直接显色反应的磷称为总反应性磷SRP；相应的非反应性磷通过间接计算如下：总非反应性磷TNP=TP-TRP，颗粒反应性磷PRP=TRP-SRP。每个水样样品均做两个平行样。2结果与讨论

2.1浊度和透明度空间分布特征长江口水体泥沙携带营养盐物质在重力作用会发生沉降，为此，首先对青草沙水库内外的采样点浊度和透明度进行分析。图2A表明库区水样的浊度在库区外靠近进口采样点S0最大，达到167NTU。在库区内，水体的浊度从进水口处至出水口处逐渐下降，最小值出现在库区出水口处S10，为12NTU。透明度和浊度是相反的概念，透明度变化与浊度的变化趋势相反，即在库区外S0透明度最小，最小值为0.19m；在库区内，透明度从上游至下游逐渐增加，在库区采样点S10透明度最大，最大值为0.79m(图2B)。浊度指标在空间上呈现进水口处含量高而出水口处含量低的规律，根据进水口和出水口浓度之差再与进水口浓度比值计算，浊度从进水口至出水口的去除率约为93%。表明青草沙水库具有水体自净功能，对长江口浑浊来水具有净化作用。长江口高含量的泥沙在径流和潮汐作用下悬浮于水体中，悬浮的泥沙主要来自长江自身携带的泥沙、底泥再悬浮的泥沙以及东海潮流携带的泥沙。另外，水体中无机矿物质胶体和动植物胶体腐烂和分解而生成的腐殖质悬浮于水体中。库区外的悬浮颗粒物和胶体物质流向青草沙水库，在水库进水口由于堤坝拦截使得水流速度会变得十分缓慢，江水中携带的悬浮颗粒物和胶体物质会发生自然沉降，其中大粒径的颗粒吸附污染物质会率先沉降，库区外输送约90%悬浮颗粒物和胶体物在库区进水口区域发生沉积。图2青草沙水库水体浊度(A)和透明度(B)随采样点的分布(误差线表示不同采样时间)Fig.2Variationofturbidity(A)andtransparent(B)indifferentsamplingsite（Errorlinepresentsthedifferentsamplingtime）2.2氮形态空间分布特征分析将氮元素分为总氮（TN）、氮（NO3--N）、亚（NO2--N）和氨氮（NH4+-N）形态，采取对应的分析方法进行含量测定。测定的结果做统计分析，计算各个采样点氮物质的均值，分-4-第二届全国流域生态保护与水污染控制研讨会论文集析结果如图3所示。图3显示TN、NO3--N和NH4+-N的浓度分布所呈现的空间分布规律比较明显，即最高浓度均分布在库区外S0采样点，最低浓度在库区出水口S10采样点。TN浓度范围为1.161~2.052mg/L，平均值为1.446mg/L；NO3--N浓度范围为0.5~0.993mg/L，平均值为0.695mg/L；NH4+-N浓度范围为0.0242~0.156mg/L，平均值为0.0929mg/L，周金金[7]等人对该水库监测的NH4+-N浓度数值与本次监测数值相近。而NO2--N浓度范围为0.007~0.034mg/L，平均值为0.023mg/L，并无明显的空间分布规律。氨氮、氮和亚氮之和占总氮的百分比为56.08%，说明无机氮主要以盐形式存在，这种形态分布特征与全为民[8]等人对长江口氮形态特性分布的研究结果一致。图32011年4月~2012年1月青草沙水库TN、NO3--N、NO2--N和NH4+-N浓度分布Fig.3ThevariationofTN,NO3--N,NO2--NandNH4+-NdistributionofQCSfromApril,2011toJanuary,2012从图3可见，氮形态指标在空间上呈现库区外采样点含量高而出水口处含量低的规律，表明青草沙水库对氮元素物质具有自净功能。在库区，对氮形态监测的119个数据进行相关性统计分析，如表1所示，得出水体TN与浊度有正相关性，相关系数R2=0.563，呈显呈极显著相关（p<0.01）；水体NO3--N与浊度有正相关性，相关系数R2=0.397，呈极显著相关（p<0.01），水体NH4+-N与浊度有正相关性，相关系数R2=0.199，呈显著相关性（p<0.05）。说明青草沙水库营养盐物质氮与水体悬浮颗粒物存在一定相关性，随着颗粒物在库区沉降，水体氮含量也在库区得到降低。TN、NO3--N和NH4+-N从进口（S1）到出口（S10）计算去除率分别为43.44、45.71和40%。这与浊度空间分布特征相似，颗粒态氮元素主要在库区的上游区域得到充分的沉降，而在中游区域去除率逐渐下降，在下游区域基本无去除率。表1不同形态的氮与浊度之间的相关系数(N=119)Table1Thecorrelativecoefficientsbetweendifferenttypesofnitrogenandturbidity(N=119)TNTNNO3--NNH4+-N浊度1-.0190.326**0.563**

1-0.1370.397**

10.199*

1NO3--NNH4+-N浊度**.呈极显著相关；*.呈显著相关长江口每年的径流量大，受潮汐作用，强大的径流量和潮汐作用加速污染物质的稀释作用，降低该水域内各种形态的氮含量。长江口是咸水和淡水交汇的典型区域，水体的物理化学条件变化较大[9]，絮凝作用促进水体颗粒物与溶解态氮相互发生一系列物理化学以及生物反应[10-11]，使第二届全国流域生态保护与水污染控制研讨会论文集-5-得可溶态氮物质更容易附着颗粒物质上[12]。由于颗粒物具有沉降功能[13]，附着在颗粒物上各种形态的氮随着水流方向从水库进口到水库出口逐步自然沉淀，水库的停留时间越长，沉降越充分[14]，实现水体氮形态物质的自然净化作用。青草沙水库氮的自净作用与长江口领近的洋山港工程海域[15]

的氮净化作用相近。此外，库区上游有一沙垦区，其周边有湿地、植被和饲养鱼类，生物作用对库区各种形态氮的净化也起到非常重要作用。湿地植被和鱼类能吸收溶解态氮物质，起到生物降解作用，降低水体中的溶解态氮含量。2.3磷形态时空分布特征分析磷形态分为总磷（TP）、总反应性磷（TRP）和总非反应性磷（TNP），其中，总反应性磷又可分为颗粒反应磷（PRP）和溶解性反应磷（SRP）。2011年4月~2012年1月，水体中不同采样时间对各种形态磷的浓度平均值进行分析，分析结果如图4所示。由图4A可见，TP浓度为0.0372~0.351mg/L，平均值为0.079mg/L；TRP浓度平均值为0.051mg/L；TNP浓度平均值为0.028mg/L。由图4B可见，SRP浓度平均值为0.03mg/L；PRP浓度平均值为0.026mg/L，PRP占TRP百分比为50.98%，说明库区的溶解态和颗粒态的磷各占总磷的一半。长江口水库自净功能不仅体现在水体浊度和氮形态物质，而且体现在水体中富营养化营养物质磷元素的净化。从图4可见，磷形态指标在空间上呈现库区外采样点含量高而出水口处含量低的规律，根据各种形态磷去除率计算，S0至S3上游区域的TP、TRP和TNP去除率分别为69.28，80.38和41.24%；S4至S6中游区域的TP、TRP和TNP去除率分别为11.84，4.和9.36%；SRP和PRP从上游S0至S10去除率分别为57.73%和82.44%。说明磷元素主要在水库的上游区域得到充分的沉降，在中游区域去除率逐渐下降，在下游区域基本无去除率，表明青草沙水库具有磷物质的自净功能。(B)图42011年4月~2012年1月长江口水库磷形态分布A为TP、TRP、TNP含量变化；B为SRP和PRP含量变化Fig.4ThespacevariationofphosphorusdistributionofQCSfromApril,2011toJanuary,2012.A:TheconcentrationofTP,TRP,TNP;B:TheconcentrationofSRP,PRP青草沙水库的自净能力与辽宁省太子河干流上的参窝水库[16]的水质变化规律有类似之处，参窝水库污染物由于水体颗粒物去除而表现不同程度的自净能力[17]。英国伊普斯维奇线型的水库同样发现水体总磷和透明度呈反比，随着水流方向，浊度下降，总磷含量下降，富营养化程度减弱[18]。珠海市某一热带水库总磷沉降速率在进水口高，出水口低，与长江口水库磷的空间分布相似，两个水库区别在于长江口水库主要是颗粒物自然沉降，而热带水库主要是由于生态工程促进颗粒物-6-第二届全国流域生态保护与水污染控制研讨会论文集沉降[19]。对库区内监测的不同磷形态和浊度的数据进行相关性统计分析，结果如表2所示。可见，水体TP、TRP、SRP均与浊度有正相关性，相关系数R2较高，并呈极显著相关（p<0.01）。悬浮颗粒物在长江口地区吸附水体大量的磷物质，携带磷物质的颗粒物在库区得到充分的沉降，对污染物质有一定的净化作用。表2不同形态的磷与浊度之间的相关系数(N=132)Table2Thecorrelativecoefficientsbetweenphosphorusandturbidity(N=132)TPTPTRPSRP浊度10.4**0.431**0.775**

10.7**0.4**

10.431**

1TRPSRP浊度**.呈极显著相关；*.呈显著相关尽管长江口青草沙水库由于独特的地理位置使水体能得到较强的自然净化作用，但是沉降后的污染物质大部分归属于库区沉积物而造成二次内源污染的风险[20-22]。沉积物中的各种污染物质在一定的水力环境条件下释放至上覆水体，从而影响库区水体水质。悬浮颗粒物被认为是河口区域具有潜在生物活性的内在污染源，最终沉降水库的底部[23]。在自然过程如潮汐、风浪以及船只疏浚等作用下，沉降在沉积物上颗粒物质容易发生悬浮作用，悬浮颗粒物又重新影响水体氮和磷含量分布。悬浮颗粒物与水界面发生吸附-释放[24]、沉降-再悬浮、混合-稀释等复杂作用，将悬浮颗粒物的污染物质释放至水中[25]。从监测数据来看，库区内的TN和TP平均浓度均超过国际上公认的水体富营养化临界浓度[29]，且库区的TN和TP平均比值在10:1~25:1范围内。表明氮和磷的浓度完全可以满足库区藻类生长所需的营养物质，一旦温度、光照、水力条件合适，藻类将大量繁殖生长。事实上，根据近期青草沙水库的监测数据表明[26]，库区在每年的7、8和9月是富营养化最严重的时期。大量的藻类生长死亡可能产生藻毒素对库区的饮用水质造成一定的影响[27]

。悬浮颗粒物携带污染物质沉降在沉积物上，一方面，水质中污染物质的浓度降低，另一方面，沉积物污染物质又重新被释放至上覆水体而成为水体中污染物质的重要内源磷之一[28]。颗粒态反应性氮和磷营养物质在温度高的条件下转化为溶解性氮和磷，为藻类提供营养物质。3结论

浊度指标在空间上呈现进水口处含量高而出水口处含量低的规律，表明长江口青草沙水库具有水体自净功能，对长江口浑浊来水具有净化作用。水库水体TN、NO3--N和NH4+-N浓度在空间上自库区内的上游至下游依次下降，对TN、NO3--N和NH4+-N的氮形态具有一定的净化作用，而NO2--N在空间上分布并无明显的规律。各种形态磷在长江口青草沙水库得到充分的沉降，主要在库区上、中游区域去除而在下游区域基本无去除率。TP和SRP浓度与库区水体的浊度有正相关性，呈极显著相关，磷元素附着在颗粒物随着颗粒物沉降而去除。青草沙水库的氮磷的自净作用一方面可降低富营养化风险，另一方面沉降颗粒态的氮磷可能再一次释放进入水体为藻类提供营养，因此，青草沙水库的富营养化参数颗粒态氮和磷迁移转化进行深入研究。参考文献[1]王爱萍.长江口滨海湿地磷的迁移转化及净化功能的研究[D].同济大学:2005.第二届全国流域生态保护与水污染控制研讨会论文集[2][3][4][5][6]-7-白有成,高生泉,金海燕等.长江口及邻近海域沉积物重金属潜在生态风险评价[J]海洋学研究.2011,29(4):32-40.PengL,YongH.Sedimentaryphosphorusfractionsandbioavailabilityasinfluencedbyrepeatedsedimentresuspension[J].EcologicalEngineering.2010(36):958-962.全为民,沈新强,韩金娣等.长江口及邻近水域氮、磷的形态特征及分布研究[J].海洋科学,2010,34(3):76-80.赵健,毕春娟,陈振楼.长江口潮滩沉积物中活性重金属的空间分异及控制机制[J].长江流域资源与环境.2009,18(11):1020-1026.YichaoQian,XinqiangLiang,YingxuChen,LipingLou,XinyiCui,JieTang,PengfeiLi,RukunCao.Significanceofbiologicaleffectsonphosphorustransformationprocessesatthewater-sedimentinterfaceunderdifferentenvironmentalconditions[J].EcologicalEngineering.2011,37(6):816-825.[7][8][9]周金金,高乃云,赵世嘏等.青草沙水库投入运行前原水中氮和磷动态变化特征研究[J]给水排水.2010,36(12):49-52.全为民,沈新强,韩金娣等.长江口及邻近水域氮、磷的形态特征及分布研究[J]海洋科学.2010,34(3):76-80.刘登国,卢士强,林卫青.陈行水库水质模型与自净规律研究[J].水资源保护.2005,21(2):40-45.[10]吴建强,王敏,吴健等.4种浮床植物吸收水体氮磷能力试验研究[J].环境科学.2011,32(4)(36):997-999.[11]王朝旭,祝贵兵,王雨等.岸边带湿地对富营养化河流的净化作用研究[J].环境科学学报.2012,32(1):51-56.[12]于培松,薛斌,潘建明等.长江口和东海海域沉积物粒径对有机质分布的影响[J]海洋学研究.2011,(3):202-208.[13]MatthieuM,LaurentL,Mary-LouT,etal.Distributionandreactivityofoxyanions(Sb,As,V,Mo)inthesurfacefreshwaterreachesoftheGirondeEstuary(France)[J].AppliedGeochemistry.2011,26:1222-1230.[14]MatthieuM,GérardB,JörgS,etal.Copperadditionbyorganicmatterdegradationinthefreshwaterreachesofaturbidestuary[J].ScienceoftheTotalEnvironment.2011(409):1539–19.[15]张正龙,束炯,张勇.长江口邻近洋山港工程海域无机氮和磷的时空变化特征[J]海洋科学.2011,35(5):47-51.[16]李亚峰,张吉库.参窝水库水体自净能力及水质变化规律研究[J].环境保护科学增刊,2005:46-48.[17]张立娟,线薇微,刘素美.长江口春季水体中磷空间分布特征及其影响因素[J]海洋环境科学.2010,29(5):627-630.[18]Perkins,RG,Underwood,GJC.Gradientsofchlorophyllaandwaterchemistryalonganeutrophicreservoirwithdeterminationofthelimitingnutrientbyinsitunutrientaddition[J].Waterresearch,2000(34):721-724.[19]尹涛.一座热带抽水水库的磷释放和磷沉降特征的研究[D].暨南大学,2007.[20]卢少勇,陈建军,覃进等.扰动强度对菹草浸泡过程中氮磷碳释放的影响[J].环境科学.2011,32(7):1940-1944.[21]张雷,古小治,邵世光等.河蚬(Corbiculafluminea)扰动对湖泊沉积物性质及磷迁移的影响[J].环境科学.2011,32(1):88-94.[22]李楠,单保庆,张洪等.沉积物中有机磷在pH和温度影响下的矿化机制[J].环境科学.2011,32(4):1008-1014.[23]黄厚见,平仙隐,李磊.春、夏季长江口海水、沉积物及生物体中重金属含量及其评价[J].生态环境学报,2011,20(5):8-903.[24]李磊,平仙隐,沈新强.春、夏季长江口溶解态重金属的时空分布特征及其污染评价[J].浙江版）.2011,38(5):1-9.[25]李云峰,袁旭音,李兵等.长江下游重金属在水相—悬浮物中的分布与输移[J].安徽农业科学.2010,38(6):3098-3124.[26]李如忠,刘科峰,钱靖等.合肥市区典型景观水体氮磷污染特征及富营养化评价[J].环境科学.2014,35(5):1718-1726.[27]周伟.水体扰动对铜绿微囊藻和月牙藻生长及竞争的影响[D].上海交通大学,2012.大学学报（理学-8-第二届全国流域生态保护与水污染控制研讨会论文集[28]张红梅.青草沙水库藻类增殖及其毒素形成研究[D].复旦大学,2012.[29]刘晖,张昭,李伟.梁子湖水体和底泥中微量元素及重金属的空间分布格局及污染评价[J].长江流域资源与环境.2011,20(21):105-111.