葉玉適，陳 進2，許繼軍，王 冬，殷大聰

(1.長江科學院 水資源綜合利用研究所，武漢 430010； 2.長江科學院 流域水資源與生態(tài)環(huán)境科學湖北省重點實驗室，武漢 430010)

1 研究背景

青藏高原素有“世界屋脊”和“地球第三極”之稱(平均海拔超過4 000 m)[1-2]，是長江、黃河、瀾滄江、怒江、雅魯藏布江、恒河、印度河等大江大河的發(fā)源地[3]，被譽為“亞洲水塔”[4]，為全球超過20%的人口提供水資源[5]，是我國和東南亞水資源和生態(tài)安全保障的戰(zhàn)略基地[6-7]。青藏高原江河源頭區(qū)分布著豐富多樣、獨具特色的特殊生態(tài)系統(tǒng)類型，尤其是高原冰凍圈以及高寒環(huán)境條件下的河流湖泊水生態(tài)系統(tǒng)，對全球氣候變化和人類活動響應(yīng)非常敏感[2,6,8]，其水資源和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量承受能力十分脆弱[9]。開展江源地區(qū)水環(huán)境質(zhì)量調(diào)查評價，是保護江源地區(qū)水資源與生態(tài)環(huán)境的重要基礎(chǔ)工作，可為研究氣候變化條件下江源地區(qū)水資源和生態(tài)環(huán)境演變提供科學依據(jù)。

表1 2016年長江源和怒江源區(qū)采樣位點坐標Table 1 Position coordinates of sampling sites in the source regions of Yangtze River and Nujiang River in 2016

近年來，生態(tài)化學計量學理論逐漸被應(yīng)用于水生生態(tài)學研究。該理論自經(jīng)典Redfield比率(海洋浮游植物碳、氮、磷摩爾比固定為106∶16∶1，即質(zhì)量比為41.1∶7.2∶1)的首次提出[10]后，經(jīng)Elser和Hassett[11]、Sterner等[12]學者的推進而不斷完善。生態(tài)化學計量學主要研究生態(tài)過程中化學元素特別是碳、氮、磷等主要元素的比率關(guān)系[13]，為碳、氮、磷的生物地球化學循環(huán)和生態(tài)學過程研究提供了一種新思路[12]。其中，氮磷化學計量比不斷成為評估水體營養(yǎng)結(jié)構(gòu)的重要手段[14]，利用水體氮磷比指標，可以判斷河湖水體的氮磷營養(yǎng)限制狀態(tài)，有助于掌握河湖水體的富營養(yǎng)化進程[14-15]。

由于江源地區(qū)特殊的地理位置，其海拔高、高寒缺氧、氣溫日變幅大、自然環(huán)境條件十分惡劣[16]，同時受交通和技術(shù)條件限制，有關(guān)江源地區(qū)河湖水體氮磷營養(yǎng)鹽含量、形態(tài)尤其是氮磷化學計量特征的報道仍十分匱乏。本研究根據(jù)2016年長江科學院在長江源和怒江源區(qū)科學考察中獲取的水質(zhì)監(jiān)測資料，分析了長江源和怒江源區(qū)河湖水體的基本理化參數(shù)、氮磷營養(yǎng)鹽的含量和形態(tài)指標，并利用氮磷化學計量比特征評估了江源地區(qū)河湖水體的氮磷養(yǎng)分限制狀態(tài)，為揭示江源區(qū)河湖水體的富營養(yǎng)化進程和水生態(tài)環(huán)境保護提供數(shù)據(jù)支撐。

2 材料與方法

2.1 采樣時間及采樣位點

2016年6月1—6日，長江科學院組織相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員對長江源和怒江源區(qū)的河流、湖泊開展了水質(zhì)現(xiàn)場調(diào)查采樣工作。采樣位點分別位于長江北源楚瑪爾河流域的庫賽湖斷面、鹽湖斷面、楚瑪爾河大橋斷面、楚瑪爾河河源斷面，長江正源沱沱河流域的沱沱河大橋斷面、沱沱河河源斷面、布曲雁石坪斷面，以及怒江源的那曲河段斷面、那曲水文站斷面共9處。2016年長江源和怒江源區(qū)各采樣位點坐標見表1。

2.2 水樣采集及樣品測試方法

2.2.1 現(xiàn)場水體理化指標監(jiān)測

選取青藏高原河湖水體現(xiàn)場采樣地點時盡量避開死水區(qū)、回水區(qū)，在順直河段、河床穩(wěn)定、水流平穩(wěn)，且水面寬闊、無急流、無淺灘處斷面位置進行采樣，同時綜合考慮采樣的可行性，盡可能選擇數(shù)量最少但可獲取更多環(huán)境信息的代表性斷面[17]。采樣過程中，采用2 L容量的透明有機玻璃水樣采集器，單次采集不少于3份水樣，將水樣置于清潔的有機玻璃桶中混勻[16]，利用YSI EXO2型多參數(shù)水質(zhì)分析儀現(xiàn)場測定水體的各項理化參數(shù)指標，包括：pH值、水溫T(℃)、溶解氧DO(mg/L)、氧化還原電位ORP(mV)、電導率EC(μS/cm)和溶解性總固體TDS(mg/L)，合計6項。

2.2.2 水樣采集與處理

現(xiàn)場水質(zhì)理化參數(shù)指標測定完成后，再次采集不少于3份水樣，混合后置于洗凈的500 mL聚乙烯塑料瓶中，加入3～4滴分析純濃硫酸，使樣品的pH值<2.0，并密封保存于4 ℃的便攜式冰箱中，待全部水樣采集完成后，運回實驗室用于水體的氮、磷營養(yǎng)鹽指標測定[16]。

2.2.3 水樣氮磷含量測試方法

水樣運送回實驗室后，先用濃度1 mol/L的NaOH溶液將水樣pH值調(diào)到7.0左右，再放入4 ℃冰箱中靜置24 h后，取上清液測定氮、磷營養(yǎng)鹽含量[16]。

測試指標和方法：水樣總氮TN(mg/L)，按照《水質(zhì) 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》(HJ 636—2012)進行測定；水樣銨態(tài)氮NH4+-N(mg/L)和硝態(tài)氮NO3--N(mg/L)，參照原國家環(huán)境保護總局《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》(2002年)，分別采用納氏試劑分光光度法和紫外分光光度法測定；水樣總磷TP(mg/L)，采用《水質(zhì) 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》(GB 11893—89)方法進行測定。

2.2.4 數(shù)據(jù)處理與評價方法

采用Excel 2010軟件進行數(shù)據(jù)處理與制圖。以《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)為依據(jù)，采用單因子評價方法對水質(zhì)理化指標和氮磷含量指標結(jié)果進行評價。

3 結(jié)果與分析

3.1 現(xiàn)場水體理化指標

2016年長江源和怒江源區(qū)各采樣位點現(xiàn)場水體的pH值、水溫、溶解氧DO、氧化還原電位ORP、電導率EC和溶解性總固體TDS見表2。

表2 2016年長江源和怒江源區(qū)采樣位點現(xiàn)場 水體理化指標Table 2 In-situ physicochemical parameters in water bodies at sampling sites in the source regions of Yangtze River and Nujiang River in 2016

由表2可見，長江源和怒江源區(qū)各采樣位點水體pH值變化不大，介于8.00～9.00之間，平均為8.49，與前期江源地區(qū)水質(zhì)監(jiān)測報道結(jié)果[16,18-19]相近。這可能是因為受河流水體泥沙含量的影響，江源地區(qū)水體呈弱堿性狀態(tài)。各采樣位點水溫變化較大，在3.92～16.58 ℃之間波動，平均為8.16 ℃，這是因為現(xiàn)場采樣時間未能固定一致，不同采樣位點的水溫監(jiān)測數(shù)據(jù)受采樣時段的氣溫和日照影響而差異較大。

溶解氧(DO)含量是水體自凈能力的一個重要指標，各采樣位點水體的溶解氧在6.17～9.68 mg/L范圍內(nèi)波動，平均為7.48 mg/L，滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)Ⅱ類水質(zhì)標準(溶解氧≥6 mg/L)，且河流水體由于流動性好，其溶解氧含量要高于湖泊水體。

氧化還原電位(ORP)表征水溶液中的氧化還原特性，電位為正表明溶液具有氧化性，電位越高，溶液氧化性越強。反之，電位為負表明溶液為還原性，電位越低，溶液還原性越強。各采樣位點水體的氧化還原電位介于76.0～195.2 mV之間，平均為146.6 mV，與長江水利委員會2010年10月第三次長江源考察報道的數(shù)據(jù)(93.1～114 mV，平均為104.1 mV)[18]相近，表明江源地區(qū)水體的氧化還原電位整體較高、氧化性較強，有助于水體中污染物尤其是有機污染物的降解。江源地區(qū)海拔相差較大，河流水體流速較快使得水體中溶解氧的含量較高是其氧化還原電位較高的主要原因。因此，現(xiàn)場調(diào)查中河流水體的氧化還原電位(133.1～195.2 mV)要高于湖泊水體(76～99.2 mV)。

電導率(EC)和溶解性總固體(TDS)是從不同側(cè)面反映水體含鹽量的指標，二者呈正相關(guān)性。電導率表征水體導電性的強弱，由水體中導電離子密度決定；溶解性總固體指水體中溶解組分的總量，包括溶解于水體中的各種離子、分子、化合物的總量，但不包括懸浮物和溶解氣體。各采樣位點水體的電導率和溶解性總固體主要受水體中泥沙含量和區(qū)域地質(zhì)條件的影響[19]而變化較大：電導率介于318.6～17 285.3 μS/cm之間，平均為4 887.0 μS/cm；溶解性總固體介于453～24 699 mg/L之間，平均為7 313.6 mg/L。鹽湖水體的電導率和溶解性總固體含量最高，表明其水體含鹽量最高，而楚瑪爾河河源水體電導率和溶解性總固體含量最低，其水體含鹽量最低。

3.2 水體氮磷含量

3.2.1 各采樣位點水體的氮磷濃度

水體氮、磷營養(yǎng)鹽濃度反映水體的污染狀況，也是水體富營養(yǎng)化的主要影響因素，氮、磷濃度過高會促進浮游植物快速增殖，加劇水體富營養(yǎng)化風險。2016年長江源和怒江源區(qū)各采樣位點水體的氮、磷濃度見圖1。

圖1 2016年長江源和怒江源區(qū)各采樣位點水體的氮、 磷濃度Fig.1 Concentrations of nitrogen and phosphorus in water bodies at sampling sites in the source regions of Yangtze River and Nujiang River in 2016

長江源和怒江源區(qū)各采樣位點TN濃度介于0.475～0.956 mg/L，平均為0.637 mg/L；NH4+-N濃度介于0.043～0.187 mg/L，平均為0.112 mg/L；NO3--N濃度介于0.240～0.590 mg/L，平均為0.423 mg/L；TP濃度介于0.006～0.017 mg/L，平均為0.012 mg/L。

按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)評價，長江源區(qū)的鹽湖、沱沱河河源和布曲雁石坪3個采樣位點TN濃度滿足地表水Ⅱ類水質(zhì)標準，其余6個采樣位點TN濃度滿足地表水Ⅲ類水質(zhì)標準(河湖水體TN水質(zhì)標準Ⅰ類為≤0.2 mg/L，Ⅱ類為≤0.5 mg/L，Ⅲ類為≤1.0 mg/L)；長江源區(qū)的鹽湖、楚瑪爾河大橋、楚瑪爾河河源、沱沱河大橋、布曲雁石坪和怒江源區(qū)的那曲水文站6個采樣位點NH4+-N濃度滿足地表水Ⅰ類水質(zhì)標準，其余3個采樣位點NH4+-N濃度滿足地表水Ⅱ類水質(zhì)標準(河湖水體NH4+-N水質(zhì)標準Ⅰ類為≤0.15 mg/L，Ⅱ類為≤0.5 mg/L)；長江源區(qū)的庫賽湖和鹽湖為湖泊水體，TP濃度滿足地表水Ⅱ類水質(zhì)標準(湖庫水體TP水質(zhì)標準Ⅰ類為≤0.01 mg/L，Ⅱ類為≤0.025 mg/L)，其余7個采樣位點為河流水體，TP濃度均滿足地表水Ⅰ類水質(zhì)標準(河流水體TP標準Ⅰ類為≤0.02 mg/L)。

綜上，長江源和怒江源區(qū)河湖水體的TN含量指標滿足地表水Ⅱ—Ⅲ類水質(zhì)標準，TP含量指標滿足Ⅰ—Ⅱ類水質(zhì)標準，表明江源地區(qū)河湖水體基本處于自然狀態(tài)，地表水質(zhì)狀況優(yōu)良，應(yīng)加以保持和保護。

3.2.2 各采樣位點水體的氮素形態(tài)

水體中的銨硝比(m(NH4+-N)∶m(NO3--N)，質(zhì)量比)是表征水體氮素氧化還原狀態(tài)的一個綜合指標。2016年長江源和怒江源區(qū)各采樣位點水體的銨硝比介于0.10～0.71之間，平均為0.30(圖2(a))，表明長江源和怒江源區(qū)河湖水體的氮素更趨向于以氧化態(tài)的硝態(tài)氮形式存在，這與各采樣位點現(xiàn)場水體監(jiān)測的溶解氧含量和氧化還原電位較高(表2)導致水體氧化性較強的結(jié)果相符合。

各采樣位點水體中硝態(tài)氮占總氮的比例(m(NO3--N)∶m(TN)，質(zhì)量比)介于43.5%～85.5%，平均為67.3%(圖2(b))，表明硝態(tài)氮對長江源和怒江源區(qū)河湖水體總氮污染負荷的貢獻更大。

圖2 2016年長江源和怒江源區(qū)各采樣位點水體的 銨硝比、硝態(tài)氮占總氮的比例Fig.2 Ratios of ammonium nitrogen (NH4+-N) content to nitrate nitrogen(NO3--N) content and nitrate nitrogen (NO3--N) content to total nitrogen(TN) content in water bodies at sampling sites in the source regions of Yangtze River and Nujiang River in 2016

3.3 水體氮磷化學計量特征

水體中的氮磷化學計量比(m(TN)∶m(TP)，氮磷質(zhì)量比)對浮游植物生長具有重要意義，是浮游植物營養(yǎng)結(jié)構(gòu)特點的重要反映。國內(nèi)外學者[14,20-21]提出的水體中營養(yǎng)鹽限制性劃分標準為：①氮磷比<7～10時，水體中浮游植物生長受氮素限制，有可能發(fā)生生物固氮作用以調(diào)節(jié)氮磷比，消納水體中相對豐足的磷素；②氮磷比>22.6～30時，磷素將成為浮游植物生長的限制性營養(yǎng)因子，較低的磷素含量水平可能使浮游植物對氮素的有機合成過程受到抑制；③氮磷比介于兩者之間時，適宜浮游植物的生長，會加速浮游植物對氮素有機合成的生態(tài)過程，促進浮游植物爆發(fā)性生長。

2016年長江源和怒江源區(qū)各采樣位點水體的氮磷比介于33.7～79.3之間，平均為56.5(圖3)，表明相較于氮素，磷素的含量水平相對較低，磷素成為長江源和怒江源區(qū)河湖水體浮游植物生長的限制性營養(yǎng)因子。

圖3 2016年長江源和怒江源區(qū)各采樣位點水體的氮磷比Fig.3 Ratios of total nitrogen (TN) content to total phosphorus(TP) content in water bodies at sampling sites in the source regions of Yangtze River and Nujiang River in 2016

4 討 論

青藏高原具有海拔高、氣溫低、降水少、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單等特點[16]，地處青藏高原腹地的江源地區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)較為敏感，抗干擾能力弱，容易受到外界干擾而導致生態(tài)系統(tǒng)功能的退化[6]。通過對長江源和怒江源區(qū)河流與湖泊地表水的采樣監(jiān)測分析，結(jié)果(表2)表明，目前長江源和怒江源區(qū)河湖水體的pH值介于8.00～9.00之間，平均為8.49，總體呈弱堿性狀態(tài)；溶解氧在6.17～9.68 mg/L范圍內(nèi)波動，平均為7.48 mg/L，能夠滿足地表水Ⅱ類水質(zhì)標準；氧化還原電位整體較高、氧化性較強，有助于水體中污染物尤其是有機污染物的降解；部分采樣位點水體的電導率和溶解性總固體數(shù)值偏高，這主要是受江源地區(qū)地質(zhì)條件導致的整體礦化度及總硬度背景值偏高影響[19]。河湖水體的TN濃度在0.475～0.956 mg/L之間，TP濃度在0.06～0.017 mg/L之間，氮磷營養(yǎng)鹽總體含量相對較低(圖1)，表明江源地區(qū)河湖水體基本處于自然狀態(tài)，地表水質(zhì)狀況優(yōu)良，與殷大聰?shù)萚16]、黃茁等[19]和盧素錦等[22]對江源地區(qū)河湖水體水質(zhì)現(xiàn)狀的研究結(jié)果相一致。江源地區(qū)廣袤無垠、面積巨大，特殊的地理位置和氣候環(huán)境使得源區(qū)人口稀少，尤其在國家級三江源自然保護區(qū)內(nèi)，人類生產(chǎn)生活干擾程度小，污染物排放總量低，這些是江源地區(qū)河湖水質(zhì)天然良好的重要原因。

水體中的氮素主要以有機氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮4種形式存在。由于江源地區(qū)地表水幾乎未受到有機污染[18-19,22]，其有機氮含量低，且河湖地表水體中亞硝態(tài)氮含量平均占總氮的2.3%～3.0%，一般忽略不計[23-24]，因此銨態(tài)氮與硝態(tài)氮成為江源區(qū)水體總氮含量的主要組成部分。本研究中，各采樣位點水體的銨硝比(平均為0.30，圖2(a))和硝態(tài)氮占總氮比例(平均為67.3%，圖2(b))顯示，長江源和怒江源區(qū)河湖水體的氮素更趨向于以氧化態(tài)的硝態(tài)氮形式存在，硝態(tài)氮對江源地區(qū)河湖水體總氮污染負荷的貢獻更大。這與殷大聰?shù)萚16]和黃茁等[19]對江源地區(qū)河湖水體的水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果相近。殷大聰?shù)萚16]的研究中，長江源和瀾滄江源區(qū)各采樣位點水體的銨態(tài)氮濃度介于0.070～0.113 mg/L，總氮濃度介于0.380～0.960 mg/L，銨態(tài)氮占總氮的比例僅為12.5%～29.7%，可見硝態(tài)氮為總氮的主要組成；黃茁等[19]的研究中，長江源區(qū)2012年和2014年不同河段的水體中，硝態(tài)氮占總氮的比例介于56.8%～98.4%，對源區(qū)河流水體總氮的污染貢獻更大。江源地區(qū)河湖水體總氮污染來源主要包括當?shù)啬撩襁^度放牧導致的畜禽糞便隨雨水匯入水體[15]、大氣降水導致的氮沉降、水體水生生物的生物固氮等。此外，近年來由于高原旅游業(yè)的興起，江源地區(qū)游客量大幅增加[15-16]，游人產(chǎn)生的生活污水與生活垃圾一定程度上也增加了江源地區(qū)河湖水體的氮磷污染。由于江源地區(qū)河湖水體含氧量較高、氧化還原電位較高(表2)，水體的氧化性較強，因而硝態(tài)氮成為江源地區(qū)河湖水體氮素的主要組成部分。

富營養(yǎng)化是指湖泊、水庫等封閉水體及某些河流水體中的氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)含量過高所引起的水質(zhì)污染現(xiàn)象[15]。由于氮磷是水體浮游植物生長的關(guān)鍵生源要素，在水體富營養(yǎng)化過程中，氮磷營養(yǎng)鹽的大量輸入和積累是造成浮游植物數(shù)量迅速提高的主要原因[18]。除氮磷營養(yǎng)鹽的濃度外，由于不同浮游植物生長所需營養(yǎng)鹽的比例關(guān)系各不相同[25]，氮磷的相對豐度(即氮磷化學計量比)變化將顯著改變水體中營養(yǎng)鹽的限制性狀態(tài)，影響浮游植物間的競爭及種群的演替[26]，成為調(diào)控浮游植物生長的關(guān)鍵因素之一。本研究中長江源和怒江源區(qū)河湖水體的氮磷比介于33.7～79.3之間，平均為56.5(圖3)，根據(jù)國內(nèi)外學者提出的水體營養(yǎng)鹽限制性劃分標準[14,20-21]，氮磷比>22.6～30時判斷磷素為長江源和怒江源區(qū)河湖水體浮游植物生長的限制性營養(yǎng)因子。這與盧素錦等[15]對青海省三江源保護區(qū)內(nèi)星星海水體的氮磷計量特征研究結(jié)果相一致，該研究中星星海水體中TN含量為0.326 mg/L，TP含量為0.014 mg/L，氮磷比為23.3，認為磷素是星星海水體潛在富營養(yǎng)化的限制性因子。相對于氮素，磷素成為江源地區(qū)河湖水體限制性營養(yǎng)鹽的主要原因是：氮素在自然界中易通過大氣氮沉降、土壤有機質(zhì)礦化及生物固氮等多種途徑得到補充，而磷素在自然界中的遷移速率遠小于氮素并主要以顆粒態(tài)形式流失[14,27]，且其在遷移過程中容易被土壤顆粒和膠體吸附，也易與土壤Fe，Al，Ca，Mn等金屬離子形成沉淀而被截留[28]，故江源地區(qū)水體氮素的補充強度遠高于磷素，監(jiān)測結(jié)果顯示江源地區(qū)河湖水體的磷素濃度水平遠低于氮素濃度水平(圖1)。

5 結(jié) 論

青藏高原江河源區(qū)的水資源和生態(tài)環(huán)境狀況一直以來備受全國乃至亞洲地區(qū)的關(guān)注。本文根據(jù)2016年長江源和怒江源區(qū)現(xiàn)場調(diào)查獲取的水質(zhì)監(jiān)測資料，分析了長江源和怒江源區(qū)河湖水體的基本理化參數(shù)、氮磷含量和形態(tài)指標，并利用氮磷化學計量比特征評估了江源地區(qū)河湖水體的氮磷養(yǎng)分限制狀態(tài)，得到以下結(jié)論：

(1)長江源和怒江源區(qū)河湖水體總氮含量介于0.475～0.956 mg/L，平均為0.637 mg/L，滿足地表水Ⅱ—Ⅲ類水質(zhì)標準；總磷含量介于0.006～0.017 mg/L，平均為0.012 mg/L，滿足Ⅰ—Ⅱ類水質(zhì)標準。江源地區(qū)河湖水體基本處于自然狀態(tài)，地表水質(zhì)狀況優(yōu)良。

(2)長江源和怒江源區(qū)河湖水體氮素含量以硝態(tài)氮為主要組成部分，硝態(tài)氮占總氮的比例介于43.5%～85.5%，平均為67.3%。硝態(tài)氮對江源地區(qū)河湖水體總氮污染負荷的貢獻更大。

(3)長江源和怒江源區(qū)河湖水體的氮磷化學計量比介于33.7～79.3之間，平均為56.5。相較于氮素，磷素是長江源和怒江源區(qū)河湖水體浮游植物生長的限制性營養(yǎng)因子。

(4)長江源和怒江源區(qū)河湖水體氮磷營養(yǎng)鹽含量的調(diào)查評價以及氮磷化學計量比的特征分析結(jié)果，可為揭示江源地區(qū)河湖水體的富營養(yǎng)化進程和水生態(tài)環(huán)境保護提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。