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        廣西坡豪湖氨氮水生生物水質(zhì)基準(zhǔn)及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估

        2019-05-05 01:46:38曹晶瀟陳曉泳陸素芬黃秀香
        貴州農(nóng)業(yè)科學(xué) 2019年4期
        關(guān)鍵詞:基準(zhǔn)值湖泊基準(zhǔn)

        曹晶瀟, 陳曉泳, 陸素芬, 黃秀香

        (河池學(xué)院 化學(xué)與生物工程學(xué)院, 廣西 河池 546300)

        水質(zhì)基準(zhǔn)是水環(huán)境中污染物對特定對象(人或其他生物)產(chǎn)生不良或有害影響的最大劑量或最高允許濃度[1]。其是環(huán)保部門用來科學(xué)制定水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及對水質(zhì)進(jìn)行客觀評價和科學(xué)管理的重要參考依據(jù)和理論基礎(chǔ)[2]。相對于許多發(fā)達(dá)國家來說,我國的水質(zhì)基準(zhǔn)研究工作還不夠成熟,目前我國現(xiàn)行的包括氨氮在內(nèi)的許多污染物的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)主要還是借鑒國外的研究成果進(jìn)行制定。氨氮是造成我國水體污染的重要污染物之一,也是我國“十三五”生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃[3]重點(diǎn)治理的污染物之一,在國家生態(tài)環(huán)保部發(fā)布的《2015年中國環(huán)境狀況公報(bào)》中曾指出,2015年全國氨氮排放總量為229.9萬t[4],排放量雖較前兩年有所下降,但超標(biāo)現(xiàn)象還十分嚴(yán)重。因此,對水體中氨氮水質(zhì)基準(zhǔn)的研究具有重要的生態(tài)安全意義。生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估是通過一個濃度閾值或者風(fēng)險(xiǎn)值來量化污染物對環(huán)境的生態(tài)危害[5],是一種重要的生態(tài)環(huán)境管理手段[6]。坡豪湖地處廣西東蘭縣長樂鎮(zhèn)境內(nèi),位于珠江干流紅水河中上游的龍灘水電站和巖灘水電站之間,是蟒、花鰻鱺、獼猴和虎紋蛙等,以及樟、蘭科植物等珍稀瀕危特有動植物棲息地,也是周邊居民重要的飲用水源,其水環(huán)境對珠江的水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境都有極大的影響。目前,關(guān)于坡豪湖的研究較少,基本是湖體水質(zhì)監(jiān)測[7]或環(huán)境定性描述[8-9]方面,未見對廣西坡豪湖氨氮水生生物水質(zhì)基準(zhǔn)及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估的研究。為此,根據(jù)坡豪湖氨氮實(shí)測值推斷其氨氮水生生物水質(zhì)基準(zhǔn)值對湖水進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估,這對于保護(hù)湖泊水資源和生態(tài)環(huán)境、保障人們飲用水的安全和身體健康以及對未來規(guī)劃管理坡豪湖都具有十分重要的參考意義。為此,根據(jù)美國國家環(huán)境保護(hù)局1985 年發(fā)布的《確定國家保護(hù)水生生物水質(zhì)基準(zhǔn)定值及其應(yīng)用的指南》[10]和2013年美國最新發(fā)布的國家氨氮水質(zhì)基準(zhǔn)文件[11],以及國內(nèi)學(xué)者對淡水生物氨氮基準(zhǔn)研究的結(jié)果[12]研究坡豪湖的氨氮水質(zhì)基準(zhǔn),并將運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)熵值法[13]對坡豪湖進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估,旨在弄清其氨氮暴露在環(huán)境中的濃度是否會帶來生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),以期為坡豪湖管理提供科學(xué)依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 采樣區(qū)域概況

        坡豪湖所在區(qū)域?yàn)榉鍏餐莸匦蛶r溶地貌區(qū),屬中、南亞熱帶之間的季風(fēng)氣候區(qū),夏長冬短,雨熱同季,熱量豐富,雨量充沛。坡豪湖動植物資源豐富,是花鰻鱺、蟒蛇和小靈貓等珍稀瀕危動物的重要棲息地。湖泊周邊平緩處目前基本上都開墾為農(nóng)地,種植的農(nóng)作物種類單一,并具有季節(jié)性,地表裸露面積較大,原生植被遭到破壞,水岸植被稀少,生物多樣性較低,生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)脆弱。

        1.2 材料

        水樣:77個樣品,于2017年3月至2018年3月采自坡豪湖的11個采樣點(diǎn)(表1)。其中, 7#樣點(diǎn)為進(jìn)水口,1#樣點(diǎn)為出水口,3#、5#、9#、8#和11#樣點(diǎn)靠近周邊村民生活區(qū)及農(nóng)田。

        儀器:HQ30d便攜式多參數(shù)測定儀,美國哈希(hach)公司。

        表1 坡豪湖不同采樣點(diǎn)的基本情況

        1.3 方法

        1.3.1 水樣采集 參照我國國家標(biāo)準(zhǔn)《水質(zhì) 湖泊和水庫采樣技術(shù)指導(dǎo)(GB/T 14581-93)》,每個采樣點(diǎn)分層取樣后取混合樣。每2個月采樣1次。

        1.3.2 水質(zhì)氨氮 水質(zhì)氨氮采用納氏試劑分光光度法(HJ 535-2009)進(jìn)行測定;采用便攜式多參數(shù)分析儀對水溫、pH進(jìn)行現(xiàn)場測定;研究將溫度分為夏季和非夏季,夏季水溫指5-9月的水溫,非夏季水溫指除去5-9月后其余月份的水溫。根據(jù)各采樣點(diǎn)pH和水溫,推算出氨氮的急性基準(zhǔn)值(CMC)和慢性基準(zhǔn)值(CCC)。

        1) 樣品氨氮質(zhì)量濃度的計(jì)算。水樣中氨氮的質(zhì)量濃度按下式進(jìn)行計(jì)算。

        ρN=(As-Ab-a)/(b×V)

        式中,ρN為水樣中氨氮質(zhì)量濃度(mg/L);As為樣品的吸光度;Ab為空白試樣的吸光度;a為校準(zhǔn)曲線的截距;b為校準(zhǔn)曲線的斜率;V為樣品測定的體積。

        2) 氨氮水質(zhì)基準(zhǔn)值的推算。氨氮水質(zhì)基準(zhǔn)值(mg/L)包括急性基準(zhǔn)值(CMC)和慢性基準(zhǔn)值(CCC)。研究根據(jù)美國國家環(huán)境保護(hù)局2013年最新發(fā)布的國家氨氮水質(zhì)基準(zhǔn)文件[11]及國內(nèi)對淡水生物氨氮基準(zhǔn)研究結(jié)果[12]對各采樣點(diǎn)的氨氮水質(zhì)基準(zhǔn)值進(jìn)行推算。

        3) 氨氮生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估。研究應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)熵值法[13]對坡豪湖各采樣點(diǎn)進(jìn)行氨氮生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估,根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)熵值對湖泊水質(zhì)進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級判別。風(fēng)險(xiǎn)熵值即實(shí)測氨氮質(zhì)量濃度與環(huán)境水質(zhì)慢性基準(zhǔn)值的比值[14],按下式進(jìn)行計(jì)算。

        RQ=EEC/WQC

        式中,RQ為風(fēng)險(xiǎn)熵值,EEC為環(huán)境暴露濃度(mg/L),WQC為環(huán)境水質(zhì)慢性基準(zhǔn)值(mg/L)。

        1.4 數(shù)據(jù)處理

        采用Excel 2010及Origin 8.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行常規(guī)處理,運(yùn)用SPSS 17.0軟件對夏季和非夏季CMC及CCC數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性差異分析。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 坡豪湖水質(zhì)的氨氮質(zhì)量濃度

        從表2可知,坡豪湖不同樣點(diǎn)湖水的氨氮質(zhì)量濃度不同,不同樣點(diǎn)各月平均值以8#、9#和10#濃度較高,分別為0.353 mg/L、0.366 mg/L和0.391 mg/L,且都在2017年7月達(dá)最高,分別為0.768 mg/L、0.834 mg/L和1.029 mg/L,11月、9月和1月氨氮濃度低于其余月份;2#、4#、5#濃度較低,分別為0.170 mg/L、0.189 mg/L和0.185 mg/L,且5月、7月和3月氨氮濃度較11月、9月和1月高;不同樣點(diǎn)氨氮濃度的差異顯示,坡豪湖受周邊村民生產(chǎn)生活影響較大,靠近村民生活區(qū)及農(nóng)田的8#、9#和10#樣點(diǎn)氨氮濃度較其他樣點(diǎn)高。從各月平均含量看,以2017年11月湖水氨氮含量的質(zhì)量濃度最低,僅0.105 mg/L,水質(zhì)良好,可達(dá)到我國地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定Ⅰ類水的標(biāo)準(zhǔn);以2017年7月湖水氨氮含量的質(zhì)量濃度最高,為0.430 mg/L,屬于輕度污染,5月次之,為0.403 mg/L,3月濃度為0.332 mg/L,9月、11月和1月濃度較低,分別為0.135 mg/L、0.105 mg/L和0.138 mg/L。3月、5月和7月是雨量充沛的時段,1月、9月和11月雨量較少。表明,坡豪湖周邊的生產(chǎn)生活產(chǎn)生污水可能由于降雨形成地表徑流匯入湖中,致使雨量充沛月份較雨量少的月份氨氮濃度高。

        表2 坡豪湖不同采樣點(diǎn)各月的水質(zhì)氨氮質(zhì)量濃度

        2.2 坡豪湖氨氮水質(zhì)基準(zhǔn)值

        從表3可見,同一季節(jié)不同采樣點(diǎn)氨氮基準(zhǔn)值的急性基準(zhǔn)值(CMC)差異均較大,而慢性基準(zhǔn)值(CCC)差異較小。非夏季:10#采樣點(diǎn)CMC最高,為3.19 mg/L;6#采樣點(diǎn)最低,為1.51 mg/L;2個采樣點(diǎn)之間急性基準(zhǔn)值相差2倍以上。11個采樣點(diǎn)CCC 為0.41~0.56 mg/L,差異較小。夏季:同樣是10#采樣點(diǎn)CMC最高,為3.37 mg/L;8#采樣點(diǎn)最低,為1.18 mg/L;2個采樣點(diǎn)之間急性基準(zhǔn)值也相差2倍以上。各采樣點(diǎn)CCC 為0.52~0.58 mg/L,差異也較小。從表4可知,在全年不同月份中,以7月氨氮水質(zhì)基準(zhǔn)值最高,CMC為2.23 mg/L,CCC為0.54 mg/L;11月氨氮水質(zhì)基準(zhǔn)值最低,CMC為1.05 mg/L,CCC為0.41 mg/L。夏季與非夏季CMC差異不顯著(P>0.05),CCC差異顯著(P<0.05)。

        表3 坡豪湖不同采樣點(diǎn)的氨氮水質(zhì)基準(zhǔn)值

        注:CMC和CCC同行不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

        Note:Different lowercase letters in the same column of CMC and CCC indicate significant difference at 5% levels.

        2.3 坡豪湖氨氮風(fēng)險(xiǎn)熵值

        從表5看出, 2017年5月9#和11#采樣點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)熵值分別為1.018和1.074,7月8#、9#和10#采樣點(diǎn),分別為1.632、1.563和1.839,風(fēng)險(xiǎn)熵值屬于1≤RQ<10。說明,5月和7月這些采樣點(diǎn)所在區(qū)域具有一定的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)引起相關(guān)部門的重視。在試驗(yàn)期內(nèi),2017年5月和7月的風(fēng)險(xiǎn)熵值較高,平均分別為0.806和0.808;2018年1月最低,為0.208。雖然2017年5月和7月的風(fēng)險(xiǎn)熵值都比其他月份高許多,但其RQ均小于1,表明坡豪湖水質(zhì)基本不存在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

        表5 坡豪湖不同采樣點(diǎn)各月的風(fēng)險(xiǎn)熵值

        注:生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級判斷標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)RQ<1時湖泊基本不存在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),當(dāng)1≤RQ<10時則表示湖泊具有一定的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),當(dāng)RQ≥10時則表示湖泊具有高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[5]。

        Note: Judging criteria of ecological risk level: when RQ < 1,it can be considered that there is basically no ecological risk in the lake; when 1 RQ < 10,it means that the lake has some ecological risk; when RQ 10,it means that the lake has high ecological risk[5].

        3 結(jié)論與討論

        3.1 湖泊水質(zhì)基準(zhǔn)值分析

        不同月份中,7月氨氮水質(zhì)基準(zhǔn)值最高,氨氮急性基準(zhǔn)值(CMC)為2.23 mg/L,慢性基準(zhǔn)值(CCC)為0.54 mg/L;11月氨氮水質(zhì)基準(zhǔn)值最低,CMC為1.05 mg/L,CCC為0.41 mg/L。不同采樣區(qū)域的氨氮基準(zhǔn)值差異明顯,CMC最高與最低之間相差超過2倍??傮w上看,在近1年的監(jiān)測中,坡豪湖水質(zhì)符合我國Ⅰ~Ⅱ類水的氨氮控制標(biāo)準(zhǔn)。只是在雨水充沛的3月、5月和7月,湖水的風(fēng)險(xiǎn)熵值和氨氮質(zhì)量濃度偏高;雨量較少的1月、9月和11月,湖水的風(fēng)險(xiǎn)熵值和氨氮質(zhì)量濃度偏低,但未出現(xiàn)整個湖泊風(fēng)險(xiǎn)熵值>1的情況,說明坡豪湖水質(zhì)基本上不存在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

        目前,制定水質(zhì)基準(zhǔn)的方法有評價因子法和統(tǒng)計(jì)外推法2種[15]。評價因子法是根據(jù)敏感生物的毒性數(shù)據(jù)并結(jié)合適當(dāng)?shù)脑u價因子對水質(zhì)基準(zhǔn)進(jìn)行推導(dǎo),但是該方法中評價因子的取值是研究人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取的,不同國家和不同研究人員對于評價因子的賦值有所不同[16],且只適合在毒性數(shù)據(jù)較少的情況下使用,故不適合氨氮水質(zhì)基準(zhǔn)值的推算。統(tǒng)計(jì)外推法具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,其包括物種敏感度分步法(SSD)及物種敏感度排序法(SSR)[15]。物種敏感度分布法是基于不同物種對某一環(huán)境脅迫的敏感度服從一定累積概率分布假設(shè),以統(tǒng)計(jì)分布模型來描述不同物種樣本的脅迫,實(shí)現(xiàn)將單一物種的測試結(jié)果外推至生態(tài)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評估方法[5]。但SSD模型一般不考慮pH等水質(zhì)參數(shù)的影響[15],對于推算氨氮基準(zhǔn)值的適用性不強(qiáng)。物種敏感度排序法是以三角分布原理為基礎(chǔ),經(jīng) ERICKSON等[17]修訂加入非參數(shù)計(jì)算后形成的方法[12],此方法推算出來的數(shù)據(jù)更加客觀和準(zhǔn)確,適用于氨氮水質(zhì)基準(zhǔn)值的推算。美國國家環(huán)境保護(hù)局(US EPA)在2013年最新發(fā)布的氨氮水質(zhì)基準(zhǔn)文件[11]中運(yùn)用SSR法推算水質(zhì)基準(zhǔn),使得推算結(jié)果更加符合實(shí)際,實(shí)用性更強(qiáng)。因此,研究主要借鑒US EPA的研究成果對坡豪湖進(jìn)行氨氮基準(zhǔn)研究。

        溫度和pH的變化對湖泊不同采樣區(qū)域的氨氮水質(zhì)基準(zhǔn)值有很大的影響。從季節(jié)的劃分看,各采樣點(diǎn)非夏季的氨氮水質(zhì)基準(zhǔn)值均大于夏季的氨氮水質(zhì)基準(zhǔn)值,但是差異均較小,兩者差值都小于1 mg/L。夏季氨氮基準(zhǔn)值差距最大的是10#和8#采樣點(diǎn),二者CMC相差2倍以上,CCC相差1.4倍;而非夏季氨氮基準(zhǔn)值差距最大的是10#和6#采樣點(diǎn),二者的CMC相差2.1倍,CCC相差1.3倍,CMC差距大于CCC。因?yàn)?#采樣點(diǎn)區(qū)域的pH在非夏季為8.71,8#區(qū)域的pH在夏季為8.61,均為所有采樣點(diǎn)中最高。而10#采樣點(diǎn)在夏季和非夏季的pH均較低,分別為8.34和8.44。初步推斷:pH大小是采樣區(qū)域氨氮水質(zhì)基準(zhǔn)值有所差異的主要影響因素,與閆振廣等[18]在其研究中所得到的結(jié)果相近。

        閆振廣等[12]研究表明,當(dāng)水體溫度為0~30℃、pH 6.5~9.0時,氮水質(zhì)急性基準(zhǔn)值為0.403~38.9 mg/L,慢性基準(zhǔn)值為0.066 4~3.92 mg/L,與該研究推算的湖泊各采樣區(qū)域的氨氮水質(zhì)基準(zhǔn)值結(jié)果相近。研究中11個采樣點(diǎn)夏季和非夏季的慢性基準(zhǔn)值參照我國地表水環(huán)境基準(zhǔn)[19]氨氮標(biāo)準(zhǔn)限值,可劃分為Ⅱ類和Ⅲ類水質(zhì),急性基準(zhǔn)值可劃分大部分為Ⅳ類和Ⅴ類水質(zhì),慢性基準(zhǔn)值是評估湖泊生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和為日后能推算出更具體的氨氮水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的重要參考依據(jù),而急性基準(zhǔn)則可應(yīng)用于湖泊水質(zhì)的應(yīng)急管理。

        3.2 氨氮暴露生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估

        不同采樣點(diǎn)各月的氨氮風(fēng)險(xiǎn)熵值均表現(xiàn)出與氨氮質(zhì)量濃度相同的變化趨勢,氨氮質(zhì)量濃度高的月份,氨氮風(fēng)險(xiǎn)水平較高。水樣的pH也與氨氮風(fēng)險(xiǎn)熵值有著相同的變化趨勢,pH較低的采樣點(diǎn)的1#、4#和7#采樣點(diǎn)的氨氮風(fēng)險(xiǎn)水平較低,pH 較高的8#、9#和11#采樣點(diǎn)的氨氮風(fēng)險(xiǎn)水平較高。且由于受pH影響,pH高的采樣點(diǎn)推算出的氨氮基準(zhǔn)值較小,可能會導(dǎo)致相同的氨氮暴露濃度下風(fēng)險(xiǎn)水平的差異,如2017年9月的2#和4#水樣,雖然兩者氨氮質(zhì)量濃度相同,但因pH的不同則導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)熵值出現(xiàn)差異。根據(jù)氨氮暴露生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估的結(jié)果,在降水較多的春季和夏季,湖泊氨氮風(fēng)險(xiǎn)水平較高,特別是在8#、9#、10#和11#采樣點(diǎn)所在的區(qū)域;而在降水量較少的秋冬季節(jié),湖泊氨氮風(fēng)險(xiǎn)水平較低。所以建議對于基本不存在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域和季節(jié),進(jìn)行常規(guī)的水質(zhì)監(jiān)測即可;對于存在一定生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域和風(fēng)險(xiǎn)水平較高的季節(jié),除進(jìn)行常規(guī)監(jiān)測外,還需定期進(jìn)行氨氮暴露生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估,并對這些區(qū)域及其周邊環(huán)境采取相應(yīng)的管理和保護(hù)措施,以防止風(fēng)險(xiǎn)水平再度增高,將風(fēng)險(xiǎn)水平降至最低。

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