袁子勇曹玉平焦樹林

喀斯特高原水庫(kù)馬嶺河回水區(qū)水環(huán)境時(shí)空變化特征分析

袁子勇1,曹玉平2,3,焦樹林2,3

1. 黔南民族師范學(xué)院旅游與資源環(huán)境學(xué)院, 貴州 都勻 558000 2. 貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 貴州 貴陽 550001 3. 貴州省山地資源與環(huán)境遙感應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 貴州 貴陽 550001

為研究馬嶺河回水區(qū)水文參數(shù)和溶解態(tài)氮、磷營(yíng)養(yǎng)元素的時(shí)空分布特征，在馬嶺河豐水期（2016年9月）和枯水期（2017年2月份）進(jìn)行分層采樣，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定水體理化性質(zhì)及實(shí)驗(yàn)室分析水中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度。結(jié)果表明：水溫夏季出現(xiàn)明顯熱分層：0~10 m為表水層；10~20 m為溫躍層；20~50 m為底溫層；pH值7.85~8.16，水體呈弱堿性，豐水期氧化還原電位（ORP）在底部出現(xiàn)負(fù)值。氨氮（NH4+-N）、硝態(tài)氮（NO3--N）、磷酸鹽（PO43--P）兩期的平均濃度分別為0.18 mg·L-1、5.77 mg·L-1、0.07 mg·L-1，除PO43--P之外，NH4+-N、NO3--N均表現(xiàn)為豐水期高于枯水期。流域內(nèi)非點(diǎn)源污染和底泥沉積物氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽釋放是回水區(qū)氮、磷元素的主要補(bǔ)給源。

水環(huán)境; 營(yíng)養(yǎng)元素; 時(shí)空分析

水庫(kù)是人類重要的水利工程，發(fā)揮著經(jīng)濟(jì)、生態(tài)等綜合效益，對(duì)原始河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重大的影響[1]。水庫(kù)建成后，河流原始水動(dòng)力條件發(fā)生改變，水流流速變緩，逐漸轉(zhuǎn)為類似湖泊的水環(huán)境，出現(xiàn)熱分層等“湖沼學(xué)”反應(yīng)[1-3]。水庫(kù)對(duì)河流水環(huán)境的影響主要體現(xiàn)在改變河流的水動(dòng)力條件、釋放溫室氣體[4]、水庫(kù)內(nèi)部營(yíng)養(yǎng)元素生物地球化學(xué)循環(huán)[5,6]等方面。其中，陳小娟[7]，郭勝[8]分別對(duì)三峽水庫(kù)小江回水區(qū)和不同水位期水環(huán)境變化特征和氮磷元素時(shí)空分布進(jìn)行研究。李哲[9]等人研究發(fā)現(xiàn)三峽水庫(kù)小江回水區(qū)氮元素賦存形態(tài)從無機(jī)態(tài)氮向有機(jī)態(tài)氮轉(zhuǎn)化明顯。由于三峽庫(kù)區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，點(diǎn)源污染和面源污染加重，導(dǎo)致庫(kù)區(qū)的水體富營(yíng)養(yǎng)化速度加快[8-10]。因此，對(duì)特定的水域水生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行研究，了解其氮、磷元素賦存形態(tài)及轉(zhuǎn)化過程，分析影響氮、磷元素生物地化循環(huán)的潛在因子，有助于了解水體富營(yíng)養(yǎng)化的變化趨勢(shì)。

萬峰湖水庫(kù)的富營(yíng)養(yǎng)化特征、水庫(kù)季節(jié)分層和浮游植物群落特征的研究皆有所成就[11,12]，而對(duì)萬峰湖庫(kù)區(qū)支流（回水區(qū)）營(yíng)養(yǎng)鹽分布特征及賦存形態(tài)、水環(huán)境時(shí)空變化特征還少有研究。鑒于此，本研究選擇萬峰湖的主要支流馬嶺河回水區(qū)作為研究對(duì)象，在豐水期（2016年9月）和枯水期（2017年2月）兩個(gè)時(shí)期從馬嶺河口向上游河段區(qū)域進(jìn)行連續(xù)分層采樣，現(xiàn)場(chǎng)分析水體的理化參數(shù)（水溫、pH等），各營(yíng)養(yǎng)鹽成分在實(shí)驗(yàn)室完成分析。以期了解不同時(shí)間段內(nèi)馬嶺河回水區(qū)營(yíng)養(yǎng)鹽的時(shí)空分布特征及水環(huán)境特征，為庫(kù)區(qū)水資源保護(hù)和管理提供科學(xué)的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

馬嶺河位于北緯25°02′~25°17′N，東經(jīng)104°54′~104°59′E，發(fā)源于貴州省烏蒙山脈（盤縣老廠鎮(zhèn)黑土坡豬場(chǎng)）。馬嶺河從河源至河口長(zhǎng)約142 km，落差近1000 m，在安龍縣萬峰湖鎮(zhèn)匯入萬峰湖水庫(kù)。氣候類型屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，年平均氣溫14~19℃，年均降雨量1340 mm，年內(nèi)降水分布不均。流域區(qū)內(nèi)出露地層以三疊系為主，巖石以白云巖和石灰?guī)r為主，屬高原巖溶山區(qū)，因地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，高原面深切割強(qiáng)烈，構(gòu)成了高原山地、巖溶峽谷、山間平壩等多種組合的地貌景觀。

1.2 樣品采集與分析

在2016年9月（豐水期）和2017年2月（枯水期）乘船對(duì)沿途河道水體進(jìn)行連續(xù)走航觀測(cè)及分層采樣，采樣期間天氣晴朗，風(fēng)速0.3~1.5 m/s。并用GPS對(duì)采樣點(diǎn)位置確定。運(yùn)用Arcgis10.1軟件確定采樣空間軌跡和位置（圖1）。采樣點(diǎn)水樣收集均采用自制雙通采水器采集，現(xiàn)場(chǎng)分析各樣點(diǎn)水體理化參數(shù)；垂直方向從表層至底層間隔10 m進(jìn)行分層采樣。用美國(guó)麥隆公司的Ultru-II(6P)水質(zhì)參數(shù)儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定了水樣的溫度（Temperature, T）、電導(dǎo)率（Conductivity, Cond）、酸堿度（pH）、氧化還原電位（Oxidation reduction potential, ORP），每個(gè)樣點(diǎn)水樣用采水器采集的水清洗三次裝瓶密封帶回實(shí)驗(yàn)室，用HI83200色譜儀分析檢定樣品營(yíng)養(yǎng)鹽離子含量，主要包括：硝態(tài)氮（NO3--N）、氨氮（NH4+-N）、磷酸鹽（PO43--P）。

圖 1 馬嶺河采樣點(diǎn)分布圖

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)整理在Excel2016中完成，統(tǒng)計(jì)和分析均在SPSS19.0完成，繪圖在Origin 9.0，Surfer 8.0完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 表層水體水文參數(shù)變化特征

各期水文、水質(zhì)參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1，表層水體水文參數(shù)變化特征如圖2所示。豐水期水體水溫變化范圍為28.1~28.9 ℃，平均值為28.57±0.32 ℃，枯水期水體水溫變化范圍為19.5~21.8 ℃，平均值為20.71±0.67 ℃，水溫豐水期高于枯水期；空間變化特征兩期均表現(xiàn)為從河口向上游地區(qū)增加的趨勢(shì)（圖2a），但是冬季水溫空間變化差異明顯（Cv=0.03）。電導(dǎo)率（Cond）空間變化范圍豐水期為309.80~341.50 μs.cm-1，平均值為326.12±11.96 μs.cm-1，枯水期為373.10~414.10 μs.cm-1，平均值為393.81±13.88 μs.cm-1，空間變化特征兩期呈現(xiàn)差異，枯水期Cond從河口向上游呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，最高值出現(xiàn)在河口（1號(hào)點(diǎn)），豐水期Cond從河口向上游呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在河灣區(qū)（5號(hào)點(diǎn)）（圖2b）。pH豐水期空間變化特征為7.85~8.16，枯水期為7.90~8.12，平均值分別為8.00±0.09、8.03±0.06，可知馬嶺河水體為弱堿性，pH季節(jié)性差異不明顯。ORP豐水期變化范圍為121.00~149.00 mV，平均值為138.42±8.49 mV，枯水期變化范圍為158.00~202.00 mV，平均值為192.50±12.13 mV，豐水期ORP空間變化特征從河口向上游地區(qū)遞減的趨勢(shì)，枯水期相反，枯水期則呈現(xiàn)從河口向上游上升的趨勢(shì)。

表 1 各期水文、水質(zhì)參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從水文參數(shù)垂直分布圖3可知，水溫豐-枯水期水溫從表層至底層呈下降趨勢(shì)(圖3a)，豐水期水溫出現(xiàn)明顯的分層，0~10 m為表水層，10~20 m為溫躍層，20~50 m為底溫層。水體熱分層是靜水水體（如湖泊、水庫(kù)）的一個(gè)重要特征，水庫(kù)、湖泊的水溫?zé)岱謱蝇F(xiàn)象一般發(fā)生在夏季，表層水溫升高過快而形成垂向的密度分層，導(dǎo)致上下層水體之間物質(zhì)交換不暢，出現(xiàn)不同層位水質(zhì)差異[13]。電導(dǎo)率垂直空間分布特征隨著深度的增加而增大，豐水期在20 m達(dá)最大值，枯水期在40 m達(dá)最大值(圖3b)。pH值在垂直變化特征與水溫變化特征類似，隨著深度的增加，pH值逐漸的減??；在40 m的位置，豐水期pH值產(chǎn)生拐點(diǎn)，隨著深度的增加而增加(圖3c)。ORP隨著深度增加變化幅度較小，豐水期在40 m以下ORP逐漸出現(xiàn)負(fù)值，說明豐水期在水下40 m以下水體屬于缺氧的環(huán)境(圖3d)。

采樣點(diǎn) Sampling sites

圖 2 水文參數(shù)表層分布圖

Fig.2 Surface distribution of hydrological parameters

圖 3 水文參數(shù)垂直分布圖

2.2 營(yíng)養(yǎng)鹽分布特征

2.2.1 NH4+-N含量變化與分布特征NH4+-N豐水期濃度范圍為0.03~0.49 mg·L-1，平均濃度為（0.29±0.12）mg·L-1，枯水期濃度范圍為0.04~0.15 mg·L-1，平均濃度為（0.1±0.03）mg·L-1，NH4+-N豐水期濃度高于枯水期（表1）。有研究發(fā)現(xiàn)水體中的NH4+-N的主要來源于生產(chǎn)和生活中產(chǎn)生的廢水，農(nóng)田施用化肥是主要的污染源[14]。農(nóng)業(yè)廢水隨農(nóng)田排水注入河流，受降雨季節(jié)變化的影響，豐水期的農(nóng)業(yè)面源污染比枯水期嚴(yán)重。表層水體NH4+-N的空間變化特征由圖4a可知，NH4+-N在豐水期空間變化特征表現(xiàn)為向上游逐漸減小的趨勢(shì)，枯水期則相反。在垂直方向上，NH4+-N豐水期的濃度隨著深度的增加呈現(xiàn)先減少后增加的變化趨勢(shì)，在20 m的位置達(dá)到最小值，隨后NH4+-N的濃度逐漸增加；枯水期NH4+-N的濃度隨著水深度的增加逐漸降低（圖5a）。分析認(rèn)為，水溫的升高和和擾動(dòng)強(qiáng)度的增強(qiáng)都能使底泥中的有機(jī)氮轉(zhuǎn)為氨氮而加劇向上覆水體釋放更多的氨氮[15]，在本研究中，我們通過水文資料的監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)在豐水期回水區(qū)底部是一個(gè)缺氧的還原狀態(tài)的水環(huán)境，在氨異化作用[16]下，水體中的有機(jī)氮和亞硝氮被還原為氨氮，底部水體的氨氮濃度增加，出現(xiàn)豐水期氨氮在水體底部的濃度逐漸升高的趨勢(shì)。

圖 4 表層水體營(yíng)養(yǎng)鹽分布圖

2.2.2 NO3--N含量變化與分布特征馬嶺河回水區(qū)NO3--N的濃度在兩個(gè)時(shí)期存在差異，豐水期濃度范圍為2.8~21.10 mg·L-1，平均濃度為（7.83±5.55）mg·L-1，枯水期濃度范圍為1.8~9.5 mg·L-1，平均濃度為（4±2.35）mg·L-1，NO3--N豐水期濃度高于枯水期（表1）。從NO3--N的表層分布圖4b可知，豐水期NO3--N的濃度向上游地區(qū)先升高后下降的趨勢(shì)，在第5號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)達(dá)到最大值；枯水期NO3--N表層空間分布特征主要表現(xiàn)為從河口向上游逐漸降低的趨勢(shì)。垂直分布（圖5b），NO3--N豐水期垂直分布整體上隨著深度的增加逐漸減少的趨勢(shì)，其中在水下10 m出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)，隨著深度的增加NO3--N濃度逐漸升高，分析認(rèn)為，豐水期表層水體（0~10 m）水生生物作用強(qiáng)烈，一般認(rèn)為，植物總是優(yōu)先的吸收還原態(tài)的NH4+-N而不是氧化態(tài)的NO3--N；水體處于富氧的狀態(tài)（ORP較高），水體中氮素（NH4+-N）逐漸被水生生物消耗，逐漸降低；同時(shí)，夏季深水水區(qū)產(chǎn)生溫躍層（10~20 m），硝化微生物細(xì)菌活躍使得NH4+-N不斷的轉(zhuǎn)化成NO3--N，所以本研究水下10~20 m之間，NH4+-N快速的降低，而NO3--N的濃度反而升高。枯水期NO3--N的濃度隨著深度的增加逐漸升高。

圖 5 營(yíng)養(yǎng)鹽垂直分布圖

2.2.3 PO43--P含量變化與分布特征從表1中可知，PO43--P豐水期濃度范圍為0.03~0.10 mg·L-1，平均濃度為（0.06±0.03）mg·L-1，枯水期濃度范圍為0.03~0.16 mg·L-1，平均濃度為（0.09±0.04）mg·L-1，枯水期PO43--P的濃度高于豐水期。分析認(rèn)為，豐水期降水量較大，對(duì)回水區(qū)PO43--P具有一定的稀釋作用，降低PO43--P的濃度。而枯水期，水量較小，庫(kù)底經(jīng)過地球化學(xué)作用導(dǎo)致底泥沉積物中的磷向表層水體遷移[17]，使得枯水期PO43--P的濃度偏高。從PO43--P表層空間分布圖4c可知，豐-枯水期PO43--P的濃度從河口向上游地區(qū)逐漸升高，其中在河灣區(qū)5~6點(diǎn)附近PO43--P的濃度達(dá)到最大值，受上游來水影響，在河灣區(qū)水流速度減緩，利于攜帶的營(yíng)養(yǎng)鹽沉積。垂直空間分布上，在0~10 m之間，PO43--P的濃度隨著水深的增加而逐漸升高，10~40 m之間，PO43--P的濃度隨著水深的增加而減少，因?yàn)槭軠剀S層的影響，上覆水體與沉積物界面的物質(zhì)難以交換，導(dǎo)致PO43--P的濃度逐漸降低，40 m以下，庫(kù)區(qū)底泥中磷營(yíng)養(yǎng)元素的釋放，使得PO43--P的濃度逐漸增加。

2.3 回水區(qū)氮、磷（N，P）元素來源分析

在水體富營(yíng)養(yǎng)化過程中，陸源輸入的大量N、P元素促進(jìn)了浮游植物的生長(zhǎng)，生產(chǎn)的發(fā)展加速了氮素的循環(huán)并破壞了水體中N、P成分的構(gòu)成平衡[1,18,19]。水體中N、P來自點(diǎn)源與面源兩個(gè)方面，城鎮(zhèn)生活廢水、工業(yè)廢水、固體廢物處置場(chǎng)是主要的點(diǎn)源。面源是指點(diǎn)源以外的污染源，主要包括由降雨-產(chǎn)流過程中把大氣中溶解的和地表固態(tài)的污染物帶入湖泊水域而使水體遭受污染的所有污染源[20,21]，包括城鎮(zhèn)地表徑流、農(nóng)田排水、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)等。點(diǎn)源污染對(duì)NH4+-N、NO3--N和NO2--N都有影響，面源污染對(duì)NO3--N和NO2--N影響較大[22]。

總之，回水區(qū)NH4+-N、NO3--N濃度均是豐水期高于枯水期，說明上游地區(qū)流域內(nèi)非點(diǎn)源污染造成的氮流失是回水區(qū)NH4+-N、NO3--N的主要來源。建庫(kù)后，沿岸的土地被淹沒，由于土地的淹沒也能導(dǎo)致氮污染負(fù)荷的升高[21]。建庫(kù)以來，馬嶺河流域旅游開發(fā)加速，經(jīng)濟(jì)得到快速發(fā)展，庫(kù)區(qū)上游排放的大量生產(chǎn)生活廢水，對(duì)庫(kù)區(qū)的生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響，水體富營(yíng)養(yǎng)化加速，總氮平均超標(biāo)2倍至3.8倍，總磷平均超標(biāo)2.6倍至11.4倍[23,24]，這就說明流域內(nèi)點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染是回水區(qū)N、P元素的主要污染源，從NH4+-N、NO3--N、PO43--P的季節(jié)垂直分布圖可知，回水區(qū)內(nèi)底泥在水體擾動(dòng)等作用條件下，底泥沉積物中氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的釋放也是補(bǔ)給回水區(qū)營(yíng)養(yǎng)鹽元素的重要來源之一。

3 結(jié)論

馬嶺河回水區(qū)水文參數(shù)除pH值之外，水體溫度、電導(dǎo)率、氧化還原電位存在明顯的季節(jié)差異。水溫在夏季出現(xiàn)熱分層現(xiàn)象，大致可分為三層：0~10 m為表水層，10~20 m為溫躍層，20~50 m為底溫層，溫躍層的形成阻礙水體上下物質(zhì)之間的交換；處于巖溶區(qū)內(nèi)，pH值7.85~8.16之間，水體呈弱堿性，ORP豐水期出現(xiàn)負(fù)值，說明回水區(qū)底部是一個(gè)缺氧的水環(huán)境。

營(yíng)養(yǎng)鹽除PO43--P之外，NH4+-N、NO3--N均表現(xiàn)為豐水期高于枯水期。NH4+-N豐水期的濃度范圍為0.03~0.49 mg·L-1，平均濃度為0.29±0.12 mg·L-1，枯水期濃度范圍為0.04~0.15 mg·L-1，平均濃度為0.1±0.03 mg·L-1、NO3--N豐水期濃度范圍為2.8~21.10 mg·L-1，平均濃度為7.83±5.55 mg·L-1，枯水期濃度范圍為1.8~9.5 mg·L-1，平均濃度為4±2.35 mg·L-1，PO43--P豐水期濃度范圍為0.03~0.10 mg·L-1，平均濃度為0.06±0.03 mg·L-1，枯水期濃度范圍為0.03~0.16 mg·L-1，平均濃度為0.09±0.04 mg·L-1。流域內(nèi)非點(diǎn)源污染和底泥沉積物氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽釋放是回水區(qū)氮、磷元素的主要補(bǔ)給源。

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Analysis of Temporal and Spatial Variation Characteristics on Water Environment in Malinghe River Backwater Area of Karst Plateau Reservoir

YUAN Zi-yong1*, CAO Yu-ping2,3, JIAO Shu-lin2,3

1.558000,2.550001,3.550001,

In order to study the temporal spatial distribution of hydrological parameters and dissolved nutrient elements of nitrogen and phosphorus in the backwater area of Malinghe River, stratified sampling was conducted during the flood season (September 2016) and dry season (February 2017). The physical and chemical properties of the water were measured on site and the concentration of nutrients in the water was analyzed in the laboratory. The results showed that: the water water temperature occurred obviously to thermal stratification that the water had striking three layers being the surface layer (0~10 m), the thermocline layer (10~20 m) as well as the bottom layer (20~50 m). pH value was between 7.85~8.16, and the water body was weakly alkaline. The Oxidation reduction potential (ORP) appears negative at the bottom. The average concentrations of NH4+-N、NO3--N, and PO43--P were 0.18 mg·L-1, 5.77 mg·L-1, and 0.07 mg·L-1, respectively. In addition to PO43--P,NH4+-N、NO3--N showed a high wet season than dry season. The study found that the non-point source pollution in the watershed and the release of nitrogen and phosphorus nutrients from the sediment sediments were the main sources of nitrogen and phosphorus supply in the backwater area.

Water environment; nutrient elements; temporal and spatial analysis

X832

A

1000-2324(2019)04-0582-05

2018-03-02

2018-04-26

國(guó)家自然科學(xué)基金:巖溶地下河與地表徑流混合過程中溶解無機(jī)碳行為研究(41263011);黔南民族師范學(xué)院2017年度學(xué)術(shù)新苗培養(yǎng)及創(chuàng)新探索專項(xiàng)(黔科合平臺(tái)人才[2017]5728)

袁子勇(1969-),男,碩士,副教授,主要研究方向?yàn)榭λ固氐貐^(qū)水文水資源、水環(huán)境與水生態(tài). E-mail:yuanziyong2008@163.com