水源型水库的氮形态分布特征与水体富营养化的关系

时间：2024-05-22

詹志薇谭志金腊华谢宏琴张一凡陈秋强

摘要根据实测水质数据，对东莞市某备用水源水库的氮形态分布特征及其与叶绿素a及水体综合营养指数（TLT）的关系进行了分析，旨在为预防或减轻水体富营养化提供理论依据。结果表明：水源型水库易受到营养性污染，呈中度或低度富营养化状态；氮形态在水库进水区以氨氮和硝酸盐氮为主，且占比均在45%以上，出水区以硝酸盐氮为主，且占比在75%以上，从进水区到出水区氨氮占比下降80%以上，季节变化对氮形态空间分布有一定影响，但影响程度不大；氨氮与叶绿素a和TLI无明显的相关性，不对水体富营养化产生直接作用；硝酸盐氮与叶绿素a和TLI呈负相关，对水体富营养化有一定的抑制作用；亚硝酸盐氮和有机氮同叶绿素a以及TLI呈正相关，对水体富营养化有促进作用。降低排入水库的氨氮和有机氮含量是有效预防或减轻水体富营养化的主要途径。

关键词水源型水库；氮形态；叶绿素a；水体富营养化

中图分类号S181.3文献标识码

A文章编号0517-6611（2017）10-0059-04

The Relationship between the Distribution of Nitrogen Forms and Eutrophication of Water Source Reservoirs

ZHAN Zhiwei1，TAN Zhi1，JIN Lahua2，CHEN Qiuqiang1* et al（1.Environmental Monitoring Center Station of Dongguan，Dongguan，Guangdong 523009；2.College of Environment，Jinan University，Guangzhou，Guangdong 510632）

AbstractBased on detected water quality data，the distribution characteristics of different form nitrogen and its relationships to chlorophyll a （Chla） and comprehensive nutrition status index of water body （TLI） in a reservoir as drinking water source in Dongguan were analyzed to provide theoretical bases for prevention and reduction of the eutrophication.The results showed that reservoirs of this kind may easily be polluted nutritionally and present moderate or low level of eutrophication，and the nitrogen form was given priority to ammonia nitrogen and nitrate nitrogen whose proportion was more than 45% respectively in the inflow area，but priority to nitrate nitrogen whose proportion was as high as 75% and above in the outflow area of the reservoir，also the proportion of ammonia nitrogen drops by 80% and above during the process from the inflow area to the outflow area，and moreover seasonal variation gives little impact to the spatial distribution of nitrogen forms.It has been found from the analyses that ammonia nitrogen has no obvious correlation with Chla and TLI and doesnt give direct contribution to the eutrophication，and nitrate nitrogen presents negative correlation with Chla and TLI and has a certain inhibitory effect to the eutrophication，but nitrite nitrogen and organic nitrogen positively relate with Chla and TLI so that it stimulates the eutrophication.To reduce the input amount of ammonia nitrogen and organic nitrogen into the reservoir was the main way to effectively prevent or mitigate eutrophication of water body in reservoirs.

Key wordsWater source reservoir；Nitrogen form；Chlorophyll a；Water body eutrophication

氮污染不僅对水库水体富营养化有促进作用，而且会在饮用水氯消毒过程中生成具有强“三致”作用的含氮消毒副产物（N-DBPs），严重影响饮用水的安全。水中的氮形态包括无机氮和有机氮，其中无机氮以氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮的形态出现。探明水库水中不同形态氮的数量和变化特征，分析不同形态氮对水体富营养化的影响，对指导饮用水制取过程中科学选择脱氮工艺及指导科学规划与实施饮用水源保护具有重要的理论意义。

目前，国内外对水源型水库氮形态特征的研究较少。葛晓立等[1]分析了密云水库总氮和总磷浓度比，高廷进等[2]对高原水库百花湖富营养化特性和总氮、总磷及叶绿素a的表底层浓度进行了分析；林悦涓等对湖泊的氮、磷形态分布特征进行了分析[3-5]；于红蕾[6]对景观水体溶解性有机氮的分布进行了监测分析。目前对水源型水库的氮形态研究较少，对氮形态的转化特性及成因缺乏系统分析。笔者以东莞市某备用水源水库为例，根据实测水质资料，分析水库水体中氮形态的分布规律及时空变化特征，并从反应动力学角度，分析其成因，以期为该水库的水质保护提供理论依据。

1水库概况

东莞市某备用水库位于东莞市东南方向8.5 km处，集水面积100 km2，总库容0.652亿m3。2006年该水库被确定为东莞市备用水源。黄奂彦等[7]研究表明，该水库处于轻度污染状态。韩娇[8]分析了该水库的环境容量。

根据东莞市环境监测中心站2014年4月至2015年4月期间对该水库的定期监测数据，采用GB 3838—2002中III类水的水质要求作为评价标准，计算其单因子标准指数（表1）。由表1可知，除CODMn、CODCr、BOD5、TP和氨氮外，其余16项常规监测因子均满足III类水要求，这表明该水库已经受到有机污染。

根据东莞市环境监测中心站2014年4、9、11月和2015年1、4月对该水库的实地监测结果，选取叶绿素a、TP、TN、透明度和CODMn作为评价因子，计算该水库综合营养状态指数（TLI）[9]，结果见图1。由图1可见，该水库现状TLI为60～65，属于中度富营养化状态，主要污染形式是氮、磷污染，从2014年4月至2015年4月TLI呈下降趋势，表明该水库污染程度有降低趋势。

2水库的氮形态分布特征

2.1不同形态氮占总氮百分比

根据东莞市环境监测中心站2014年11月和2015年1、4、7月对该水库不同形态氮的监测数据，分析不同形态氮占总氮的百分比。结果表明，水库氮形态包括氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮和有机氮，监测期内全库各形态氮的平均占比为硝酸盐氮60.6%、氨氮26.9%、有机氮8.5%、亚硝酸盐氮4.0%。由此可见，水库主要氮形态是硝酸盐氮，其次是氨氮，有机氮和亚硝酸盐氮占比均较少。

2.2不同形态氮空间分布特征

根据实测数据，对该水库进水区与出水区各形态氮的分布进行了分析。分析结果表明，水库南部进水区与北部出水区不同形态氮占比有很大不同，具体表现为从进水区到出水区氨氮显著降低82%、亚硝酸盐氮下降18%、硝酸盐氮增大65%、有机氮显著增高186%；进水区的主要氮形态是氨氮和硝酸盐氮，而出水区的主要氮形态为硝酸盐氮。这种空间分布规律说明进入水库的含氮污染物在水库中大部分被硝化菌硝化和被反硝化菌转化，水库水质呈好转趋势，表明该水库水体的自净能力强。

2.3不同形态氮的季节性分布特征

根据实测数据，对该水库进水区与出水区各形态氮占比随时间的变化进行了分析，结果（图3）表明，2014年11月到2015年7月水库进水区各形态氮变化状况：氨氮占比在41.5%～48.6%，呈小幅波动，且浓度超标；硝酸盐氮在37.2%～ 55.8%，且波动方向

与氨氮相反；亚硝酸盐氮仅在氨氮增高时略有增高；有机氮波动较小。在水库出水区各形态氮的变化状况：硝酸盐氮在66.0% ～ 81.6%小幅波动，且波动趋势与进水区硝酸盐氮波动同步；氨氮、亚硝酸盐氮和有机氮较稳定且占比均在15%以下，且氨氮浓度稳定达标。这表明季节变化会引起水库进水区氨氮的小幅波动，但對出水区各形态氮的影响很小。

3水库不同形态氮与叶绿素a的关系

3.1不同形态氮与叶绿素a的相关性

从图4 可知，不同形态氮与叶绿素a有具有明显的分区特征，即进水区氨氮与叶绿素a的关系点较散乱，无明显规律，但在出水区随着氨氮浓度的增大叶绿素a呈递增趋势，这可能与氨氮不能被藻类等直接利用有关；进水区与出水区的硝酸盐氮与叶绿素a均呈负相关，R2分别为0.829 3和0.998 2，表明硝酸盐氮对叶绿素a有明显的抑制作用；在进水区亚硝酸盐氮与叶绿素a几乎不相关，但在出水区亚硝酸盐氮与叶绿素a呈正相关，R2达0.863 5，表明亚硝酸盐氮对叶绿素a有明显的促进作用；进水区和出水区，有机氮与叶绿素a均呈正相关，R2分别为0.674 2和0.953 1，表明硝酸盐氮对叶绿素a有明显的促进作用。

3.2不同形态氮对水体富营养化的影响

水库水体富营养化是由于人类生产和生活活动排放大量的氮、磷等营养物质进入水库，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖、水体溶解氧量下降、水质恶化、鱼类及其他生物大量死亡[10]。其中，藻类及水生植物的生长状况可用叶绿素a来反映[11]。根据前文研究结果，氨氮不能被藻类等直接利用，不对水体富营养化产生直接影响，故在进水区氨氮浓度高低对叶绿素a不产生直接影响。但是，氨氮可被硝化菌或亚硝化菌硝化[12]，转化为硝酸盐氮和亚硝酸盐氮，而亚硝酸盐氮对叶绿素a有促进作用，故氨氮对水体富营养化有间接促进作用，同时在氨氮的硝化过程中需消耗大量的溶解氧，并释放氢离子使pH降低[13]，促使水质恶化；硝酸盐氮对藻类及水生植物生长有抑制作用[14]，对水体富营养化有一定的抑制；有机氮可被藻类和其他大多数水生植物直接利用[15]，故有机氮对水体富营养化有促进作用。根据实测数据，笔者构建不同形态氮与TLI之间的关系，结果见图5～7。

可知，氨氮与水库水体TLI无明显的相关性，证实了氨氮不会对水体富营养化产生直接作用。从图6可知，硝酸盐氮与TLI总体呈负相关，这说明硝酸盐氮对水体富营养化有一定的抑制作用，但由于硝酸盐氮有可能被亚硝化菌转化为亚硝酸盐，而亚硝酸盐对叶绿素a有促进作用，在一定程度上削弱了硝酸盐氮对富营养化的抑制作用，也造成了硝酸盐氮与水体TLI的关系不显著。从图7可见，有机氮与水体TLI呈正相关，这表明有机氮对水体富营养化有促进作用。

由此可见，预防与控制水体富营养化应当减少排入水体的总氮量，特别是减少氨氮和有机氮含量，真正从源头上削减营养性污染物的排入量，以有效预防和控制水体的富营养化。

4结论

（1）水源型水库氮的主要形态是硝酸盐氮，其次是氨氮和有机氮，亚硝酸盐氮占比不足5%，且不稳定。

（2）在水源型水库中，不同形态氮的空间分布具有分区特征，即进水区以氨氮和硝酸盐氮为主，出水区以硝酸盐氮为主，从进水区到出水区氨氮发生显著降解，水质明显好转；不同季节氮形态占比有一定波动，但波动幅度不大。

（3）氨氮与叶绿素a无明显的相关性，硝酸盐氮与叶绿素a呈明显负相关，亚硝酸盐氮、有机氮与叶绿素a呈正相关，这表明氨氮不能直接被藻类等水生植物利用，硝酸盐氮对藻类等具有一定的抑制作用，亚硝酸盐氮和有机氮可被藻类等水生植物利用。

（4）氨氮与水库综合营养状态指数（TLI）无明显的相关性，不会对水体富营养化产生直接作用；硝酸盐氮與水库TLI呈负相关，对水体富营养化有抑制作用；亚硝酸盐氮和有机氮同水库TLI呈正相关，对水体富营养化有促进作用。

（5）水源型水库受库区周边工农业生产和居民生活活动的影响易于遭受营养性污染，水体呈中度或低度富营养化状态，减少入库氨氮和有机氮数量是预防或减轻水库水体富营养化的有效途径。

参考文献

[1]

葛晓立，刘晓端，潘小川，等.密云水库水体的地球化学特征[J].岩矿测试，2003，22（1）：44-48.

[2] 高廷进，李秋华，陈峰峰，等.贵州高原水库百花湖富营养化特征分析[J].环境保护科学，2014，40（2）：22-29.

[3] 林悦涓.东湖沉积物及上覆水体氮磷形态分布特征[D].武汉：武汉大学，2005.