王 昱,孔德星,馮 起,張昕雨,左一鋒,汪 雙,盧 晗

(1.蘭州理工大學能源與動力工程學院甘肅省生物質(zhì)能與太陽能互補供能系統(tǒng)重點實驗室,甘肅 蘭州 730050；2.中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院內(nèi)陸河流域生態(tài)水文重點實驗室,甘肅 蘭州 730000)

河流是全球物質(zhì)循環(huán)的重要通道之一，氮磷營養(yǎng)物質(zhì)是維持河流水生態(tài)系統(tǒng)健康的核心組分，其收支狀況、水平特征及循環(huán)過程對河流生態(tài)系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)起著關(guān)鍵作用[1-3]。然而，隨著社會經(jīng)濟發(fā)展對水資源和能源的需求增加，大規(guī)模梯級筑壩蓄水已成為人類開發(fā)河流的主要活動之一。梯級筑壩蓄水在提高水資源利用效率的同時，也改變了原始河流的水動力條件，導致營養(yǎng)鹽運移介質(zhì)的理化性質(zhì)發(fā)生顯著變化，進而影響氮磷營養(yǎng)鹽的地球化學循環(huán)過程[4-6]。同時，高壩大庫引起的水溫和溶解氧分層阻礙了上下層水體的混摻和物質(zhì)交換，使得庫區(qū)水-沉積物界面長期處于還原狀態(tài)，極大地降低了沉積物的吸附作用，從而使沉積物中的氮磷營養(yǎng)鹽從水-沉積物界面釋放，造成庫區(qū)水體富營養(yǎng)化等不良生態(tài)效應[7-9]。河流中的氮磷循環(huán)包括生物循環(huán)、沉積物吸附釋放和懸浮物遷移等過程[10]。筑壩蓄水會使河流沉積物中氮磷原有的固-液相動態(tài)反應平衡發(fā)生變化[11]，同時顆粒物沉降引起的鹽度、pH值改變不僅降低了鹽離子對沉積物吸附點位的競爭能力，還使得氮磷在氧化條件下的結(jié)合態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原條件下的溶解態(tài)，造成氮磷的空間差異性更為顯著[12-13]。與低海拔、溫熱帶地區(qū)的外流河相比，高海拔地區(qū)的內(nèi)陸河動植物種類數(shù)量較少，生物循環(huán)的吸收利用能力較低[14]，難以有效削減庫區(qū)水體及沉積物的氮磷負荷，而水流流速的降低也加劇了沉積物對水體氮磷的吸附/解吸作用[15]，從而加劇庫區(qū)氮磷營養(yǎng)物質(zhì)的富集。因此研究大壩干擾下內(nèi)陸河流水體及沉積物氮磷的空間分布特征，對河流生態(tài)系統(tǒng)的保護和管理具有重要的指導意義。

目前，國內(nèi)外學者針對筑壩蓄水對河流氮磷分布的影響進行了大量研究[4,6,11]，但多集中于沉積物或水體單一方面，忽略了營養(yǎng)鹽在水體及沉積物中的轉(zhuǎn)化機制，較少基于營養(yǎng)鹽在水體及沉積物間的轉(zhuǎn)化關(guān)系來分析筑壩蓄水對氮磷營養(yǎng)鹽分布的影響。黑河作為我國第二大內(nèi)陸河，是河西走廊綠洲賴以生存和經(jīng)濟社會持續(xù)發(fā)展的重要水資源基地[16-17]。近年來，隨著電力資源和水資源調(diào)配的需求增加，上游干流建設了大量梯級電站，使得河流水動力條件逐漸改變，加之工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展及城鎮(zhèn)污水排放，導致大量氮磷營養(yǎng)鹽在庫區(qū)積累，易造成水質(zhì)污染、水體富營養(yǎng)化等生態(tài)環(huán)境問題。為此，以黑河上中游為研究對象，分析水體和沉積物中氮磷含量的空間分布規(guī)律及其與理化因子之間的關(guān)系，探討筑壩蓄水對氮磷遷移轉(zhuǎn)化的影響，以期為西北內(nèi)陸河流環(huán)境的有效治理提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

黑河發(fā)源于祁連山北麓，流域范圍介于37°45′～42°40′ N，96°42′～102°04′ E之間，流經(jīng)青海、甘肅和內(nèi)蒙古，干流全長821 km，流域總面積為14.3×104km2。以鶯落峽和正義峽為界，劃分為上、中、下游，鶯落峽以上為黑河上游，主要由支流野牛溝河與八寶河在黃藏寺匯合所構(gòu)成，其干流穿越祁連山谷至鶯落峽，出山后進入中游走廊平原，經(jīng)正義峽流出，轉(zhuǎn)入下游額濟納，最終匯入居延海。

筆者選擇黑河上中游地區(qū)為研究區(qū)(表1)，其中上游海拔在2 600～4 300 m之間，多年平均氣溫為-5～4 ℃，年降水量超過350 mm，部分區(qū)域可達600～700 mm，冰川融水量約為4.0×108m3，氣候陰濕寒冷，植被覆蓋較好，是黑河流域的主要產(chǎn)流區(qū)，其經(jīng)濟活動主要以畜牧業(yè)為主，并存在部分工礦企業(yè)。中游地區(qū)年降水量不足200 mm，年蒸發(fā)量在1 400 mm左右，區(qū)內(nèi)光熱資源充足，是黑河徑流的主要利用區(qū)，工農(nóng)業(yè)較為發(fā)達，是污水排放的主要河段。黑河屬于典型的內(nèi)陸河，來水主要由降水形成的地表徑流、冰川、融雪和地下水等組成，其中降水補給約占90.5 %，冰川融水補給占9.5%[18]。6—9月是河源徑流的豐水期，該時段徑流量約占全年徑流量的69.6 %，枯水期10月—次年2月來水量約占全年總量的15.9 %[19-20]。

表1 黑河上中游河道及水文要素特征

數(shù)據(jù)來源于甘肅省水文水資源局1968—2018年資料。

黑河流域水電梯級開發(fā)主要分布在上游干流山區(qū)，其水能資源蘊藏量為106×104kW，可開發(fā)量為52.8×104kW，年發(fā)電量為38.48×108kW·h。根據(jù)地形情況，干流從上到下共規(guī)劃了9座梯級電站，依次為黃藏寺、寶瓶河、三道灣、二龍山、大孤山、小孤山、龍首二級、龍首一級以及龍渠電站。截至目前，干流河段已建成8座梯級電站(表2)。

表2 黑河上游水電開發(fā)情況

1.2 樣品采集與分析

為研究筑壩蓄水對黑河氮磷分布特征的影響，將黑河干流劃分為上游支流河段、上游筑壩河段、中游自然河段，選擇28個主要控制斷面進行調(diào)查(圖1)。

根據(jù)水文站分布情況、行政區(qū)劃分屬性及梯級電站分布，分別在上游支流河段(ZL1、ZL2、ZL3、ZL4、ZL5、ZL6、ZL7)、上游筑壩河段(TJ8、TJ9、TJ10、TJ11、TJ12、TJ13、TJ14、TJ15、TJ16、TJ17、TJ18、TJ19、TJ20)、中游自然河段(ZR21、ZR22、ZR23、ZR24、ZR25、ZR26、ZR27、ZR28)設置斷面進行采樣，其中TJ8、TJ9、TJ10、TJ12、TJ13采樣點為庫區(qū)。于2018年7月、2019年8月分別進行采樣，野外使用哈希便攜式水質(zhì)儀檢測水溫(WT)、pH值、溶解氧(DO)、鹽度(SAL)，同時采集1 L表層水樣，固定后置于4 ℃保溫箱運回實驗室，測定總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)、亞硝態(tài)氮(NO2-N)濃度及化學需氧量(COD)等指標；采用彼得遜采泥器采集500 g表層沉積物，置于聚乙烯塑料袋中用4 ℃保溫箱運回實驗室，測定TN、TP、硝態(tài)氮(NO3-N)、NH3-N、TOC含量等指標。水樣及沉積物指標監(jiān)測方法如表3～4所示。

表3 水質(zhì)監(jiān)測分析方法

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

首先使用ANOVA方差分析法對黑河上中游不同空間類別上水體及沉積物的氮磷含量差異進行分析，再利用Pearson相關(guān)分析識別影響氮磷分布的主要理化因子及其在水體及沉積物中的相關(guān)關(guān)系。在采用方差分析與Pearson相關(guān)分析探討差異性及相關(guān)性之前，為了消除各指標間不同量綱的影響，將原始數(shù)據(jù)進行標準化處理，即均值為0，方差為1。上述分析均在Excel 2010、SPSS Statistics 20.0和Origin 9.0軟件中實現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 理化因子的空間分布特征

黑河流域水體及沉積物理化因子的空間分布如圖2所示。調(diào)查表明，黑河上中游水體總體符合Ⅱ類水質(zhì)標準，其中水體DO質(zhì)量濃度均值為7.35 mg·L-1，表現(xiàn)為上游支流河段低、中游自然河段高的特點，且隨沿程呈明顯增加趨勢；水體pH值在各河段的變化與DO一致，也表現(xiàn)為上游支流河段最低(8.81)、中游自然河段最高(9.03)；但鹽度與水溫在上游筑壩河段最低(0.27‰、17.75 ℃)，并表現(xiàn)為沿程下降趨勢，分別下降8.62%和22.45%。沉積物TOC質(zhì)量濃度在上游筑壩河段最高(10.30 mg·L-1)，而水體COD質(zhì)量濃度在上游筑壩河段最低(14.91 mg·L-1)，且均無明顯的空間變化特征。

上游筑壩河段各水庫的DO濃度和水溫垂向變化特征如圖3所示。調(diào)查表明，各庫區(qū)均有水溫分層現(xiàn)象，即隨水深增加，水溫逐漸降低。其中以庫容較大、海拔較低的TJ12水庫底表層變化梯度最大，為5.2 ℃；庫容最小的TJ9水庫變化梯度最小，為1.5 ℃。

但TJ13水庫水下5 m至底層水體的水溫變化梯度最為明顯(1.7 ℃)?？傮w上，除水深最大的TJ13水庫外(25 m)，其他水深較小水庫的底層水溫均高于距底層5 m處。

DO也僅在水深較大的TJ13水庫呈現(xiàn)隨水深增大其濃度逐漸降低的變化趨勢，其他水庫的DO呈現(xiàn)隨水深增大其濃度逐漸升高的變化趨勢。尤其是TJ12水庫的水深與TJ13相差不大，但DO垂向分布卻截然相反，這與水庫海拔及水體有機質(zhì)含量有關(guān)。調(diào)查表明，TJ12、TJ13水庫均位于高海拔地區(qū)，水體DO濃度的季節(jié)性變化較小，庫區(qū)水體DO濃度在整個分層期均處于飽和狀態(tài)。但TJ12水庫COD及TOC濃度較低，且下層滯水層水溫低于表層水體，因而DO濃度比上層高[21]。相比于TJ12水庫，TJ13水庫水下5 m至底層水體的水溫梯度最為明顯，水體垂向循環(huán)較弱。同時，其水體COD及沉積物TOC含量分別為TJ12水庫的1.4及2.4倍，水-沉積物界面有機質(zhì)的分解消耗了大量DO，但顯著的水溫分層導致大氣溶解氧難以向下傳遞，進而使得下層水體因復氧不足、耗氧加劇而出現(xiàn)DO濃度較低的現(xiàn)象[22]。

2.2 河流水體中氮磷濃度的空間分布特征

黑河上中游水體氮磷濃度的沿程變化如圖4所示?？傮w而言，黑河上中游水體氮磷濃度較低，水質(zhì)狀況較好。TP質(zhì)量濃度變化范圍為0.01～0.38 mg·L-1，均值為0.15 mg·L-1。TN質(zhì)量濃度變化范圍為0.21～4.22 mg·L-1，均值為0.72 mg·L-1。TP、TN濃度均屬于Ⅲ類水質(zhì)標準。從空間分布來看，上游支流河段與中游自然河段的水體TP質(zhì)量濃度較低，分別為0.06與0.13 mg·L-1，屬于Ⅱ、Ⅲ類水質(zhì)。上游筑壩河段的水體TP質(zhì)量濃度最高(0.20 mg·L-1)，并呈沿程下降趨勢，由TJ8水庫的0.38 mg·L-1下降至TJ20水庫的0.19 mg·L-1，下降50.16%。TN質(zhì)量濃度在中游自然河段最高(1.16 mg·L-1)，并超出功能區(qū)目標限值的1.2倍，上游筑壩河段次之(0.54 mg·L-1)，并呈逐漸增加趨勢。

單因素ANOVA分析表明，水體TP濃度在上游支流河段與上游筑壩河段呈顯著的空間差異(Sig.值<0.01)，水體TN濃度在中游自然河段與上游支流河段、中游自然河段與上游筑壩河段間均存在顯著差異(Sig.值<0.05、Sig.值<0.01)。水體NH3-N和NO2-N質(zhì)量濃度均值分別為0.12和0.006 mg·L-1，NH3-N濃度顯著高于NO2-N，表明水體中溶解性無機氮主要為NH3-N。但水體TN與NO2-N濃度之間呈現(xiàn)相似的波動特征，相關(guān)性分析表明TN與NO2-N濃度之間高度相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達0.744。

2.3 黑河干流沉積物氮磷含量的空間分布特征

黑河干流沉積物氮磷含量的沿程變化如圖5所示。沉積物TP含量變化范圍為28.44～1 078.11 mg·kg-1，平均值為224.83 mg·kg-1；TN含量變化范圍為56.00～644.00 mg·kg-1，平均值為235.67 mg·kg-1。在各河段中，沉積物TP含量在上游筑壩河段最低(95.68 mg·kg-1)，上游支流河段次之(134.51 mg·kg-1)，中游自然河段最高(325.55 mg·kg-1)，且在各河段無明顯的沿程變化趨勢。沉積物TN含量在上游筑壩河段最高(270.59 mg·kg-1)，并呈增加趨勢，增加量為140.00 mg·kg-1。

方差分析表明，TP含量在中游自然河段與上游支流河段、上游筑壩河段均存在顯著差異(Sig.值<0.01)，TN含量在各河段的差異性不顯著。沉積物NH3-N和NO3-N含量均值分別為36.36和54.55 mg·kg-1，NO3-N含量高于NH3-N，表明沉積物中溶解性無機氮主要為NO3-N。同時，沉積物TN與NO3-N含量之間的波動特征較為相似，相關(guān)性分析表明TN與NO3-N含量的相關(guān)性較為顯著(r=0.557)。

3 討論

3.1 水體及沉積物氮磷空間變化特征分析

筑壩蓄水后，強水動力條件下的河流搬運作用將逐漸演變?yōu)槿跛畡恿l件下的湖泊沉積作用，進而導致水庫對河流沉積物、營養(yǎng)鹽顆粒等物質(zhì)的沉積滯留效應增強，筑壩蓄水河段氮磷分布特征發(fā)生顯著變化[23-24]。此次調(diào)查結(jié)果顯示，黑河流域上游筑壩河段水體TP濃度遠大于中游自然河段與上游支流河段，并與上游支流河段存在較為明顯的差異，主要原因是筑壩蓄水會形成較大面積的庫區(qū)，這在增加水體滯留時間的同時也截留了大量營養(yǎng)物質(zhì)，提高了磷素的滯留能力，進而對磷素形成了一定的“滯留效應”，使得上游筑壩河段的水體磷濃度顯著升高[25]。但筑壩蓄水對磷素的“滯留效應”并未在上游筑壩河段的沉積物中體現(xiàn)，其沉積物磷素含量僅為95.68 mg·kg-1，且顯著低于中游自然河段沉積物磷素含量(Sig.值<0.01)，這可能與庫區(qū)水體水溫、DO濃度的分層有關(guān)。研究表明，穩(wěn)定的熱分層結(jié)構(gòu)易使得庫區(qū)水-沉積物界面處于厭氧狀態(tài)，而厭氧狀態(tài)下的磷素難以與氧化性物質(zhì)結(jié)合被沉積物所吸附[26-27]。在此次調(diào)查中，DO濃度僅在水深較大的庫區(qū)隨水深的增大而降低，黑河干流各水庫中TJ8水庫水深最大，庫區(qū)DO濃度分層最為明顯，水-沉積物界面長期處于還原狀態(tài)；同時TJ8水庫位于干流梯級水庫的最上游，因支流八寶河金屬礦開采、冶煉及支流野牛溝過度放牧產(chǎn)生的大量磷素被滯留于庫區(qū)[28-29]，但水-沉積物界面的缺氧狀態(tài)使得磷素難以被沉積物所吸附，因而其水體磷素濃度較高。相比于TJ8水庫，其他水庫水深較淺，底層水體DO濃度比上層更高，進而使得水-沉積物界面還原性物質(zhì)被氧化，磷素也易與氧化性物質(zhì)結(jié)合形成絮狀物在庫區(qū)沉淀[30]。

水溫、鹽度與水體TP濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系，這也表明沿程降低的水溫、鹽度在一定程度上促進了水體磷素的沉降(r=0.734、0.722)，因而水體TP濃度表現(xiàn)出明顯的沿程下降趨勢[31-32]。但上游筑壩河段的沉積物TP含量并沒有表現(xiàn)出明顯的沿程變化趨勢，這可能與沿程的沉積物粒徑不同有關(guān)。有觀點認為，沉積物粒徑大小對污染物的吸附、解吸及遷移存在一定的影響，不同粒徑的沉積物因比表面積及離子交換活性不同，對磷素的吸附能力也不同[33-34]。黑河流域梯級水庫的建設使得庫區(qū)沉積物粒徑較自然河段明顯減小，壩下游河段較自然河段粒徑粗化顯著，水庫回水區(qū)沉積物粒徑介于自然河段和壩下游河段之間，沉積物粒徑沿程變化趨勢變得更為復雜[35]，進而影響到其對磷素的吸附作用，造成沉積物TP含量無明顯的變化趨勢。

與磷素變化不同，氮素在上游筑壩河段沉積物中的含量最高，中游自然河段和支流河段的含量較低。同時研究區(qū)水體及沉積物TN都與TOC含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.530、0.443)，表明水體及沉積物氮素主要來源于河床有機質(zhì)的分解，河床有機質(zhì)含量與水-沉積物界面的氨化、硝化作用是氮素含量變化的主要影響因素。筑壩蓄水改變了河流的搬運作用，使得大量有機質(zhì)及營養(yǎng)鹽顆粒在庫區(qū)沉降，沉積物TN及TOC含量都較高，夏季熱分層效應阻礙了有機質(zhì)的分解，也在一定程度上降低了水體氮素含量。隨著海拔的不斷降低，DO濃度也逐漸升高，河床有機質(zhì)分解加速，因此從TJ8水庫段起水體及沉積物氮素含量都出現(xiàn)了一定的增長。而中游自然河段受筑壩蓄水影響較小，工農(nóng)業(yè)活動及生活污水排放是造成其水體及沉積物氮素含量較高的主要原因[36]。但相比其他采樣點，ZR21采樣點(黑河濕地公園)水體及沉積物TN含量均異常增加，這是因為濕地公園動植物種類、數(shù)量較多，大量動植物殘骸及有機質(zhì)易被微生物分解為無機氮[14,37]，故水體及沉積物氮素含量均較高。

3.2 氮磷營養(yǎng)鹽空間差異的影響機理分析

相關(guān)性分析表明，上游筑壩河段水體的TN、TP濃度都與鹽度呈顯著相關(guān)關(guān)系(r=-0.734、0.722)，但在中游自然河段的相關(guān)性不顯著(r=0.442、0.285)，原因可能是筑壩蓄水降低了水體鹽度，使其在上游筑壩河段與中游自然河段的差異性(Sig.值=0.002)顯著高于上游支流河段與中游自然河段的差異性(Sig.值=0.048)，進而引起沉積物NO3-N釋放量的降低及Fe-P釋放量的增加，對沉積物與水體之間的氮磷交換產(chǎn)生了一定影響[38-39]。一般認為，沉積物和水體間的營養(yǎng)鹽交換是水體中營養(yǎng)鹽來源和歸趨的重要過程[40]。當水體和沉積物中的營養(yǎng)鹽存在濃度差時，濃度梯度的驅(qū)動將會引起營養(yǎng)鹽的擴散轉(zhuǎn)移[41]。以往研究表明，沉積物中有機質(zhì)經(jīng)微生物礦化作用產(chǎn)生NH3-N并向水體釋放的過程，是沉積物氮素對水體氮素供給的一個重要機制[42-43]。而在筆者研究中，這種供給機制僅在中游自然河段有較為明顯的體現(xiàn)，在上游筑壩河段不明顯。這是因為筑壩蓄水引起水動力條件改變，影響了水流對沉積物表層的剪切作用及微生物的氨化-硝化作用，進而導致沉積物對水體氮磷營養(yǎng)鹽的吸附/解吸特性發(fā)生變化，使得沉積物營養(yǎng)鹽對水體營養(yǎng)鹽的供給機制在筑壩河段不明顯[44-45]。而中游自然河段受筑壩蓄水活動的影響較小，故水體與沉積物中的TN、TP含量(圖6)，以及TOC與水體及沉積物氮素含量均呈顯著的相關(guān)關(guān)系(r>0.700，表5)。同時，水體TN與鹽度的相關(guān)性較弱，與水溫、pH值相關(guān)性較強(r=0.631、-0.619)。

根據(jù)上述分析及近30 a水文資料，確定黑河流域汛期為6—9月，非汛期為10—次年5月，在保證防洪安全的前提下，建議采用預泄調(diào)度方式(即洪峰前加大機組過流量以降低水位，洪峰過后水位上升)，增加庫區(qū)水位變幅，使水體垂向循環(huán)更為頻繁，水體DO濃度增加，避免因庫區(qū)水溫分層造成水質(zhì)惡化。

4 結(jié)論

(1)黑河上中游水體TP質(zhì)量濃度變化范圍為0.01～0.38 mg·L-1，均值為0.15 mg·L-1；TN質(zhì)量濃度變化范圍為0.21～4.22 mg·L-1，均值為0.72 mg·L-1；TN、TP質(zhì)量濃度均符合Ⅲ類水質(zhì)標準。氮素含量水平略高于磷素含量，其中水體氮素主要以NH3-N的形式存在，沉積物氮素主要以NO3-N的形式存在。就空間分布而言，上游支流河段水體氮磷質(zhì)量濃度較低(0.47、0.06 mg·L-1)；上游筑壩河段沉積物氮素含量較高(270.59 mg·kg-1)，但水體氮素質(zhì)量濃度較低(0.54 mg·L-1)；中游自然河段沉積物的氮磷含量均較高(276.00、325.55 mg·kg-1)。

(2)方差分析表明，水體TN、沉積物TP含量在上游筑壩河段與中游自然河段的差異性顯著(Sig.值<0.01)，水體TP濃度在上游筑壩河段與支流河段的差異性顯著(Sig.值<0.01)。同時，水體及沉積物中的氮磷營養(yǎng)鹽在上游筑壩河段主要與水溫、鹽度、DO等理化因子呈顯著相關(guān)；在中游自然河段主要與COD、水溫、pH值等理化因子呈顯著相關(guān)。

(3)研究表明，畜牧養(yǎng)殖、礦物開采及工農(nóng)業(yè)污水排放是黑河水體及沉積物氮磷營養(yǎng)物質(zhì)的主要來源，而筑壩蓄水的滯留效應及其引起的環(huán)境因子變化是造成氮磷空間分布不均的主要原因。同時，筑壩蓄水活動也改變了沉積物營養(yǎng)鹽對水體營養(yǎng)鹽的供給機制，使得筑壩河段水體及沉積物氮磷營養(yǎng)鹽的相關(guān)性較弱。此外，溫度、海拔、庫容等環(huán)境因子也是影響氮磷空間分布的重要因素。