鉴江氮磷分布特征及富营养化评价

Nitrogen and Phosphorus Distribution Characteristics and Eutrophication Evaluation in Jianjiang River

摘要: 为了解鉴江氮磷时空分布特征及富营养化状况，于2023年1月(枯水期)和7月(丰水期)采集41个鉴江干流和主要支流样品，分析鉴江氮磷时空分布特征，并采用综合营养状态指数法对研究区进行富营养化评价。结果表明，除曹江外，干流和其它支流TN均为枯水期大于丰水期，干流和主要支流TP枯水期均小于丰水期，枯水期和丰水期小东江TN和TP均最大；鉴江干流和主要支流枯水期和丰水期均处于磷限制状态；通过综合营养状态指数法得出，鉴江枯水期干流和主要支流均处于中营养，丰水期除小东江处于中度富营养，其它均处于轻度富营养；鉴江流经吴川市前后的综合营养状态指数在枯水期和丰水期的变化量均最大。本研究结果可为鉴江的水环境保护和改善提供参考。

Abstract: In order to understand the spatial and temporal distribution characteristics of nitrogen and phosphorus and the eutrophication status of the Jianjiang River, 41 samples of the main stream and major tributaries of the Jianjiang River were collected in January (dry season) and July (wet season) in 2023. The spatial and temporal distribution characteristics of nitrogen and phosphorus in Jianjiang River were analyzed, and the eutrophication evaluation of Jianjiang River was conducted by using the comprehensive nutritional status index method. The results showed that except for Caojiang River, TN in dry season was larger than that in wet season, and TP in dry season was smaller than that in wet season. TN and TP in Xiaodong River were the largest in dry season and wet season. The main stream of Jianjiang River and its main tributaries was in the state of phosphorus limitation both in dry and wet seasons. According to the method of comprehensive nutrient status index, the main stream and main tributaries of Jianjiang River were all in the middle eutropher during dry season, and the rest are in light eutropher during wet season except Xiaodong River, which was in middle eutropher. Before and after the Jianjiang River flows through Wuchuan City, the comprehensive nutritional status index changes the most in both dry and wet seasons. The results of this study can provide a reference for the water environment protection and improvement of the Jianjiang River.

1. 引言

氮、磷是浮游生物生长的重要营养元素，能够促进浮游生物的生长，导致水域生态系统发生变化[1] [2]。随着经济发展，各种工业和城市污染使大量含氮、磷等污染物进入河流，超出河流的自净能力，造成水体富营养化，导致水生生态系统的结构和功能异常等问题。因此，研究河流营养盐含量与富营养化水平，对河流水质管理和保护具有较大意义。

国外在上世纪60年代组织科研人员对湖泊富营养化进行系统研究，在湖泊富营养化的研究方法和因子提取等方面取得丰硕成果，为世界水体富营养化评价奠定了理论基础[3]。上世纪80年代以来，荷兰为减少氮、磷排放进行一系列研究，取得了良好的成效[4]。国内在上世纪50年代曾对个别湖泊和河流开展相关环境问题的研究。在70年代后，国内才陆续开展了相关水体富营养化研究[5]。例如，韩玉等[6]分析得出三亚河氮、磷在上游和入海口处浓度均较低，而在下游浓度较高。付涛等[7]分析得出珠江河口浮游植物的生长主要受磷限制，氮、磷季节变化差异显著，夏季高于其它季节，因此夏季爆发富营养化的概率很大。

富营养化评价指评价水体的营养状况，常用的富营养化评价方法有营养度指数法、评分法、单因子含量评价法和综合营养状态指数法。营养度指数法的计算过程复杂，耗时较长。评分法在实际应用过程中易受人为因素的影响，从而影响其准确度与客观性[8]。综合营养状态指数法克服了单一评价因子评价的缺陷，适用范围更广，并能将评价因子浓度转换成用于判断水体富营养化程度的营养状态指数[9] [10]。

鉴江是粤西沿海最大的河流，是茂湛地区主要的生活、生产水源地[11]。由于人类活动影响，鉴江生态受到潜在威胁，目前有关鉴江的研究主要是水质评价，包括马腾飞等[12]运用水质标识指数法分析鉴江水质，分析得出鉴江污染主要来自下游，小东江污染程度最高。李秋齐[11]分析鉴江干支流水质，分析得出鉴江干流大部分河段为II~III类水质，小东江镇盛断面为劣V类水质。综上，有关鉴江富营养化研究较少，且富营养化评级方法中综合营养状态指数法适用范围更广。因此，本研究分析鉴江干流和主要支流营养盐的时空分布特征，并运用综合营养状态指数法进行富营养化评价，能够为鉴江的水环境保护和改善提供参考。

2. 材料与方法

2.1. 研究区域概况

鉴江位于广东省西南部，发源于信宜市虎豹坑，流经茂名市高州、化州、电白、市区、湛江市吴川等地[13]。广东省鉴江流域面积为9464 km²，主要支流包括罗江、袂花江、小东江、曹江等[14]。鉴江流域地处低纬度，属于亚热带季风气候区，降水量丰富，但在季节上分布不均匀，4~9月的降水量占全年降水量的85% [15]。鉴江流域是全省农业经济比较发达地方，盛产荔枝和龙眼等水果，同时流域内企业涉及采矿、皮革、造纸和橡胶等多方面[13]。

2.2. 样品采集处理

本研究于2023年1月枯水期和7月丰水期对鉴江干流和主要支流进行样品采集，根据水质断面采样原则，共设置41个采样点，干流12个，支流29个，采样点分布如图1所示。

水样是在采样点所在位置河心或距离河岸5 m处使用有机玻璃采水器进行采集，每个采样点采集水样2 L。水样保存在低温保存箱中，并在短时间内运回实验室，在−20℃的条件下冷冻储存。水温、电导率等物理指标和溶解氧(DO)、酸碱度(pH)等化学指标在采样点现场使用便携水质分析仪进行检测。在实验室内，使用原始水样并采用紫外分光消解法检测总氮(TN)、钼睇钪分光光度法检测总磷(TP)和酸性高锰酸钾滴定法检测高锰酸盐指数(COD_Mn)。每100 ml原始水样过滤一张玻璃纤维膜，共过滤三次，得到三张过滤后的玻璃纤维膜，用锡纸避光冷藏保存，采用丙酮分光光度法测定过滤膜上的叶绿素a (Chla)。

Figure 1. Distribution of Jianjiang sampling sites

图1. 鉴江采样点分布图

2.3. 研究方法

2.3.1. 营养盐结构

水体中氮磷维持合适的比例有利于浮游植物生长，被生物利用的氮和磷多为溶解的无机氮(DIN)和无机磷(DIP)，DIN/DIP是营养盐结构的主要指标[16]-[18]。Guildford等提出，当DIN/DIP ≤ 9时，氮为限制性因子，当9 < DIN/DIP < 22.6时，适宜藻类生长，当DIN/DIP ≥ 22.6时，磷为限制性因子[6] [19]。

2.3.2. 综合营养状态指数法

本文采用综合营养状态指数法(TLI)进行鉴江水体营养状态的评价，选取TN、TP、Chla和COD_Mn四个水质监测指标进行计算[20]。

$\text{TLI}(\sum )={\displaystyle {\sum }_{j=1}^n{W}_j\cdot \text{TLI}\left(j\right)}$ (1)

式中$\text{TLI}(\sum )$ 表示综合营养状态指数；$\text{TLI}\left(j\right)$ 表示第j种指标的营养状态指数；$W_j$ 表示第j种营养状态指数的相关权重；n表示指标数目。$W_j$ 的计算如下：

$W_j=\frac{r_{ij}^2}{{\displaystyle {\sum }_{i=1}^n{r}_{ij}^2}}$ (2)

式中$r_{ij}$ 表示第j种指标与基准指标Chla的相关系数；n表示指标数目。选择的四个指标，$\text{TLI}\left(j\right)$ 计算公式如下：

$\text{TLI}\left(\text{TN}\right)=10\cdot \left[5.453+1.694\cdot \ln \rho \left(\text{TN}\right)\right]$ (3)

$\text{TLI}\left(\text{TP}\right)=10\cdot \left[9.436+1.624\cdot \ln \rho \left(\text{TP}\right)\right]$ (4)

$\text{TLI}\left(\text{Chla}\right)=10\cdot \left[2.5+1.068\cdot \ln \rho \left(\text{Chla}\right)\right]$ (5)

$\text{TLI}\left({\text{COD}}_{\text{Mn}}\right)=10\cdot \left[0.109+2.661\cdot \ln \rho \left({\text{COD}}_{\text{Mn}}\right)\right]$ (6)

式中$\text{TLI}\left(\text{TN}\right)$ 表示总氮营养状态；$\rho \left(\text{TN}\right)$ 表示总氮浓度；$\text{TLI}\left(\text{TP}\right)$ 表示总磷营养状态；$\rho \left(\text{TP}\right)$ 表示总磷浓度；$\text{TLI}\left(\text{Chla}\right)$ 表示叶绿素a营养状态；$\rho \left(\text{Chla}\right)$ 表示叶绿素a浓度；$\text{TLI}\left({\text{COD}}_{\text{Mn}}\right)$ 表示高锰酸盐指数营养状态；$\rho \left({\text{COD}}_{\text{Mn}}\right)$ 表示高锰酸盐指数。综合营养状态指数分级标准，如表1所示。

Table 1. Comprehensive nutrient status index classification criteria

表1. 综合营养状态指数分级标准

$\text{TLI}(\sum )$	营养状态
$\text{TLI}(\sum )<30$	贫营养
$30\le \text{TLI}(\sum )\le 50$	中营养
$50<\text{TLI}(\sum )\le 60$	轻度富营养
$60<\text{TLI}(\sum )\le 70$	中度富营养
$\text{TLI}(\sum )>70$	重度富营养

3. 结果

3.1. 氮磷时空分布特征

鉴江干流和主要支流总氮浓度如表2所示，枯水期TN浓度排序为小东江(3.23 mg/L) > 干流(2.75 mg/L) > 罗江(2.15 mg/L) = 袂花江(2.15 mg/L) > 曹江(1.32 mg/L)，除了曹江的TN浓度属于《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中的IV类水质(≤1.5 mg/L)，干流和其它支流均超过V类水质浓度标准限值(≤2.0 mg/L)。丰水期TN浓度排序为小东江(2.77 mg/L) > 干流(2.13 mg/L) > 罗江(1.90 mg/L) > 袂花江(1.63 mg/L) > 曹江(1.62 mg/L)，其中小东江和干流的TN浓度超过地表水V类水质浓度标准限值，其它支流均属于地表水V类水质。除了曹江外，干流和其它支流枯水期的TN高于丰水期。

鉴江干流和主要支流总磷浓度如表3所示，枯水期TP浓度排序为小东江(0.1 mg/L) = 袂花江(0.1 mg/L) > 干流(0.09 mg/L) > 罗江(0.08 mg/L) > 曹江(0.07 mg/L)，干流和主要支流的TP浓度均属于地表水II类水质(≤0.1 mg/L)。丰水期TP浓度排序为小东江(0.16 mg/L) > 袂花江(0.13 mg/L) > 干流(0.11 mg/L) = 罗江(0.11 mg/L) > 曹江(0.09 mg/L)，除曹江的TP浓度属于地表水II类水质，干流和其它支流均超过地表水II类水质浓度标准限值。干流和其它支流枯水期的TP均低于丰水期。

Table 2. Total nitrogen concentrations of main stream and tributaries (unit: mg/L)

表2. 鉴江干流和主要支流总氮浓度(单位：mg/L)

河流	枯水期			丰水期
	范围	平均值		范围	平均值
罗江	1.48~2.62	2.15		1.41~2.17	1.9
袂花江	1.18~3.02	2.15		1.1~2.29	1.63
小东江	1.02~5.44	3.23		1.73~3.88	2.77
曹江	1.08~1.79	1.32		1.02~2.18	1.62
干流	1.32~4.69	2.75		1.34~2.88	2.13

Table 3. Total phosphorus concentrations of main stream and tributaries (unit: mg/L)

表3. 鉴江干流和主要支流总磷浓度(单位：mg/L)

河流	枯水期			丰水期
	范围	平均值		范围	平均值
罗江	0.05~0.13	0.08		0.07~0.17	0.11
袂花江	0.02~0.33	0.1		0.08~0.33	0.13
小东江	0.02~0.18	0.1		0.05~0.25	0.16
曹江	0.04~0.09	0.07		0.06~0.16	0.09
干流	0.04~0.22	0.09		0.07~0.15	0.11

3.2. 营养盐结构

鉴江枯水期干流和主要支流DIN/DIP排序为小东江(163.79) > 袂花江(134.76) > 曹江(62.88) > 罗江(59.25) > 干流(58.84)，丰水期干流和主要支流DIN/DIP排序为小东江(101.43) > 干流(73.66) > 曹江(63.38) > 罗江(47.01) > 袂花江(25.05)。根据营养物质标准，枯水期和丰水期干流和主要支流DIN/DIP均大于22.6 (表4)，处于磷限制状态。其中小东江枯水期和丰水期的DIN/DIP均最大，氮磷浓度相差最大。

Table 4. Nutrition structure of the main stream and tributaries of Jianjiang River

表4. 鉴江干流和主要支流营养盐结构

河流	枯水期			丰水期
	范围	平均值		范围	平均值
罗江	21.3~87.89	59.25		27.27~77.89	47.01
袂花江	4.84~325.71	134.76		8.78~47.5	25.05
小东江	22.63~344.29	163.79		29.14~271.43	101.43
曹江	18.04~149.17	62.88		19.9~142	63.38
干流	31.8~102.96	58.84		28.2~268	73.66

3.3. 富营养化评价

3.3.1. 综合营养状态指数法结果

鉴江干流和主要支流综合营养状态指数结果如图2和表5所示，鉴江枯水期的综合营养状态指数范围为29.84~57.41，平均值为45.02，属于中营养状态。枯水期综合营养状态指数排序为小东江(49.31) > 干流(47.34) > 袂花江(47.02) > 罗江(45.37) > 曹江(39.21)，鉴江干流和主要支流均属于中营养状态，其中小东江枯水期的综合营养状态指数最大，较接近轻度富营养状态。

鉴江丰水期的综合营养状态指数范围为33.12~63.98，平均值为53.11，属于轻度富营养状态。丰水期综合营养状态指数排序为小东江(60.3) > 干流(55.85) > 曹江(53.72) > 罗江(52.59) > 袂花江(51.92)。在丰水期，罗江、袂花江、曹江和干流均属于轻度富营养状态，而小东江属于中度富营养状态，综合营养状态指数最大，富营养化程度最高。鉴江干流和主要支流丰水期的综合营养状态指数均高于枯水期，富营养化程度更高。

Figure 2. Distribution of comprehensive nutrient STATUS Index. (a. dry season; b. rainy season)

图2. 综合营养状态指数分布图(a. 旱季；b. 雨季)

Table 5. Nutrition structure of the main stream and tributaries of Jianjiang River

表5. 鉴江干流和主要支流综合营养状态指数结果

河流	营养状态指数			营养状态分级
	枯水期	丰水期		枯水期	丰水期
罗江	45.37	52.59		中营养	轻度富营养
袂花江	47.02	51.92		中营养	轻度富营养
小东江	49.31	60.30		中营养	中度富营养
曹江	39.21	53.72		中营养	轻度富营养
干流	47.34	55.85		中营养	轻度富营养

3.3.2. 鉴江流经不同行政区前后综合营养状态指数变化

鉴江流经不同行政区前后综合营养状态指数变化如表6所示，枯水期信宜市、吴川市和茂南区流经前后指数变化量为正数，表示流经信宜市、吴川市和茂南区河段的综合营养状态指数均增大，而枯水期高州市、化州市和电白区流经前后指数变化量为负数，表示流经高州市、化州市和电白区河段的综合营养状态指数均减小。枯水期流经吴川市和茂南区河段的营养状态均由中营养变为轻度富营养，流经高州市和电白区河段的营养状态均由轻度富营养变为中营养，流经信宜市和化州市河段的营养状态均保持中营养。丰水期流经信宜市、吴川市和电白区河段的综合营养状态指数均增加，而丰水期流经高州市、化州市和茂南区河段的综合营养状态指数均减少。丰水期流经吴川市河段的营养状态由中营养变为轻度富营养，流经高州市河段的营养状态由轻度富营养变为中营养，流经化州市和电白区河段的营养状态均保持轻度富营养，流经信宜市和茂南区河段的营养状态均保持中度富营养。

指数变化百分比表示其综合营养状态指数流经前后变化量占流经前指数的比重，指数变化百分比越高，表示相比流经前的综合营养状态指数，流经后的指数增加很多。枯水期和丰水期流经吴川市河段的综合营养状态指数变化百分比均最高，分别为50.14%和25.33%，表示枯水期和丰水期流经吴川市河段的综合营养状态指数相比流经前增加很多，流经吴川市前均为中营养，而流经后均变为轻度富营养。枯水期和丰水期流经高州市河段的综合营养状态指数变化百分比均最低，分别为−9.14%和−17.32%，表示枯水期和丰水期流经高州市河段的综合营养状态指数相比流经前减少很多，流经高州市前均为轻度富营养，而流经后均变为中营养。

Table 6. Variations of the comprehensive nutrition status index before and after flowing through different administrative regions in Jianjiang River

表6. 鉴江流经不同行政区前后综合营养状态指数变化

行政区	流经前后指数变化量			指数变化百分比
	枯水期	丰水期		枯水期	丰水期
信宜市	2.39	1.42		6.02%	2.28%
高州市	−4.83	−10.33		−9.14%	−17.32%
化州市	−0.06	−2.08		−0.14%	−3.89%
吴川市	19.01	10.97		50.14%	25.33%
茂南区	15.85	−0.76		39.78%	−1.19%
电白区	−2.28	1.3		−4.52%	2.49%

4. 讨论

氮磷营养盐是水体富营养化的物质基础，当TN > 0.2 mg/L或TP > 0.02 mg/L，表明营养盐充足，具备发生富营养化的条件，说明存在发生富营养化的风险[12]。本研究结果显示，枯水期和丰水期干流和主要支流TN浓度均大于0.2 mg/L，并且TP浓度均大于0.02 mg/L (表2，表3)，表明研究区的TN、TP在枯水期和丰水期的含量充足，存在发生富营养化的风险。有研究分析枯水期TN浓度高于丰水期的情况主要与生活污水和工业废水的排放有关[21]。鉴江地处亚热带季风气候区，丰水期和枯水期降水差异明显[22]。本研究结果显示，除了曹江外，干流和其它支流枯水期的TN高于丰水期(表2)，可能是枯水期的降水较少，通过地表径流等方式进入河流的降水量少，对污染物的稀释作用有限，说明鉴江可能受生产和生活排放的含氮污水影响较大。农业生产是引起水体富营养化的主要因素[16]，同时，在雨水淋溶和水土流失作用下，农田化肥易进入河流[23]。鉴江干流和主要支流枯水期的TP均低于丰水期(表3)，说明可能是农田使用磷肥，农田水直接排入或地表径流将磷肥带入水体中导致TP浓度上升，使丰水期鉴江水体TP浓度高于枯水期。磷被认为是大多数水体中藻类种群和密度的第一限制性营养元素[3]。鉴江干流和主要支流枯水期和丰水期DIN/DIP大于22.6 (表4)，部分样点处于氮限制，但主要处于磷限制，由于枯水期和丰水期干流和主要支流TP浓度属于II~III类水质，TP浓度不低，只能说明当藻类大量生长时，P营养物质会被优先消耗至较低水平，从而对浮游植物的生长产生制约作用。光照和温度适宜时，有利于浮游植物的生长繁殖，Chla浓度则高，而当温度低时，水体浮游植物生长活力降低，繁殖速度会减慢，Chla浓度则低[24]。枯水期Chla排序为小东江(9.5 μg/L) > 干流(8.03 μg/L) > 袂花江(7.78 μg/L) > 罗江(6.97 μg/L) > 曹江(3.9 μg/L)，丰水期Chla排序为小东江(29.69 μg/L) > 干流(20.9 μg/L) > 曹江(18.37 μg/L) > 罗江(14.62 μg/L) > 袂花江(13.84 μg/L)。因此，丰水期的Chla均高于枯水期，说明丰水期的光照和温度较枯水期适宜，浮游植物生长繁殖快，Chla浓度高于枯水期。鉴江干流和主要支流丰水期的综合营养状态指数均高于枯水期(表5，图1)，但是TN主要是枯水期高于丰水期，分析发现可能是丰水期降水量大，降水有携带地表化肥和其它污染源物质进入水体，加上光照和温度适宜，促进浮游植物繁殖，消耗营养盐，Chla浓度增大，富营养化程度升高。因此，需要特别加强丰水期河流的富营养化治理，减轻富营养化程度。

本研究中相比干流和其它支流，小东江枯水期和丰水期的TN和TP浓度均最大(表2，表3)，其中枯水期和丰水期TN浓度均超过V类水质浓度标准限值，枯水期TP浓度属于II类水质，丰水期TP浓度属于III类水质。小东江的综合营养状态指数也均大于干流和其它支流，小东江丰水期较枯水期的综合营养状态指数更高，其样点的营养状态有由枯水期的中营养变为丰水期的轻度富营养，也有由枯水期的轻度富营养变为丰水期的中度富营养。水质差的河流往往有富营养化的风险，李秋齐[11]分析茂名市鉴江水质发现小东江镇盛断面水质差，其影响因素主要是氨氮，符合本研究中小东江富营养程度高的结果。枯水期和丰水期流经吴川市河段的综合营养状态指数变化量均最大，指数变化百分比也均最大，说明可能是吴川境内生活和工业污水排放，导致流经吴川市河段的综合营养状态指数增大，富营养程度提高。马腾飞等[12]分析得出鉴江的污染主要来自下游，其影响因素主要是总氮和氨氮，符合本研究中流经吴川市河段综合营养状态指数变化量和变化百分比最大的结果(表6)。枯水期和丰水期流经高州市河段的综合营养状态指数变化量均最小，指数变化百分比也均最小，说明可能是综合营养状态指数低的曹江汇入干流，稀释了流经高州市河段的营养物质浓度，导致流经高州市河段的综合营养状态指数减小。降低水体营养物质含量，尤其是氮磷元素，严控农业非点源污染，禁止高浓度含氮磷废水直接排放，是防治富营养化的关键[25]。根据本研究结果，需要特别加强对鉴江丰水期、小东江和流经吴川市河段营养盐的控制，减轻其富营养化风险或程度。

5. 结论

本研究采集41个采样点，运用综合营养状态指数法对鉴江氮磷时空分布与富营养化状况进行系统研究，得到以下结论：

除曹江外，枯水期干流和其它支流TN均高于丰水期。干流和主要支流枯水期TP均低于丰水期，且枯水期和丰水期小东江的TN和TP均最大。鉴江流域枯水期和丰水期均处于磷限制状态，P为浮游植物生长的限制因子。其中小东江枯水期和丰水期的DIN/DIP均最大，氮磷浓度相差大。

鉴江干流和主要支流丰水期的综合营养状态指数均大于枯水期，其中小东江枯水期和丰水期的综合营养状态指数均最大，研究结果表明需要加强鉴江丰水期河流的富营养化治理，减轻富营养化程度。

鉴江枯水期和丰水期流经吴川市前后的综合营养状态指数变化量均最大，需要加强对流经吴川市河段的治理。

基金项目

本文研究工作由广东省教育厅青年创新人才项目(2023KQNCX040)和岭南师范学院人才引进专项(ZL22028)资助。