大气湿沉降中营养盐对东江湖水质的初步研究

1、浅析大气湿沉降中营养盐对东江湖水质变化的影响曹俐李跃(湖南省资兴市环境监测站,郴州423400摘要:本项目参考国内外一些中、大型湖泊富营养化的研究方法和经验,在东江湖沿岸设立了4个雨水系统收集点,采集了2010年4月到2011年3月一年来382个雨水样,通过分析东江湖流域大气湿沉降中pH,TN和TP对水质富营养化的影响,以期对东江湖的水质保护提供科学数据。关键词:东江湖;大气湿沉降;营养盐;富营养化Analysis of nutrient in atmospheric wet deposition effect to thewater quality of Dongjiang LakeCao

2、Li Li Yue(Zi Xing Environmental Protection Agency, ChenZhou 423400, ChinaAbstract:The project reference the research of TaiHu lake about eutrophication, from April 2010 to March 2011, 382 wet deposition samples were collected at 4 rainwater system point, which was established in DongJiang Lake coast

3、. pH, TN and TP in the atmospheric wet deposition were analyzed, and expect this scientific data can influence DongJiang lakes protection.Key words:Dongjiang Lake;atmospheric wet deposition;nutrient;eutrophication1. 前言东江湖位于湖南省资兴市境内,湖泊总面积160km2,平均水深约50m,常年蓄水量81 亿m3,水质一直保持在生活饮用水源水质二级标准及以上,按未来规刬东江湖将向珠三

4、角和长株潭等地区供应饮用水。自20世纪80年代后期,太湖、滇池等湖泊发生严重富营养化现象引起了国内外学者的高度关注,东江湖作为湘南地区最大的人工湖泊,承载着上百万人口的饮用水供应,湖泊水质的变化格外引人关注。表1统计了2003年至2011年间东江湖水域范围内3个常规监测断面的水质变化情况,从表1可知东江湖水质中的营养物质量(COD、氨氮、总磷在逐年增加,自2008年以来东江湖局部水域也出现了小规模的蓝藻现象,针对此现象,文章参考了有关太湖等富营养化湖泊的研究,于2010年4月至2011年3月在东江湖沿岸设置了4个雨水收集站,研究了一年来流域范围内大气湿沉降中pH,TN和TP对水质富营养化的影响

5、。湿沉降是指自然界发生的雨、雪、雹等降水过程,具有速度快、突发性强等特点,是各种营养元素和微量金属元素向海洋,湖泊输送的重要途径1-5。研究资料表明,大气传输过程不仅能使大量陆源物质进入水体,而且其通量可能接近于由河流等点污染源输送注入水体的污染物质通量,从而对海洋、湖泊水体的富营养化产生重大影响6-9。据王明星统计,雨后大气中的气溶胶作者简介:曹俐(1985,女,助理工程师,主要研究方向为环境监测和污水处理,E-mail:343160787粒子和气态物质可减少到雨前的三分之一到三分之二以上,大量污染物可通过湿沉降进入水体。东江湖周边人类开发活动强度较大,农业耕种化肥施用量大,旅游业发展较快,

6、近年政府为保护东江湖水质做了大量工作,地源污染物大大减少,因此全面了解东江湖地区大气氮(N、磷(P的干、湿沉降状况意义重大。有研究表明突发性大气输入大量营养盐会对浮游植物生长和种群结构产生重要影响,杨龙元等10曾就大气酸性沉降对太湖水环境的潜在影响进行了初步的观测研究,指出太湖流域大气氮化合物的污染对太湖水体富营养化影响较大。表1. 2003年至2011年东江湖水质监测结果(mg/L 2 材料与方法2.1 样品采集本研究参照Akkoyunlu等11介绍的采样分析方法,根据东江湖的地理气候特点,资兴市环境监测站于2010年4月-2011年3月在湖区沿岸设立了4个雨水系统收集站(点位见表2,统计共

7、采集大气湿沉降样品382个,将其按地点求得月平均沉降量进行分析。采集湿沉降样品所用的采雨器和保存湿沉降样品所用的聚乙烯瓶均先在实验室内用1:5的HCl浸泡数日,用Milli-Q水冲洗干净,待干燥后使用,为了避免污染,采雨器安置在农户平房楼顶,距离楼面约1m左右,降水之前打开,降水结束后取回,记录降水体积,时间,测定样品的pH值,之后用0.45m微孔膜过滤,将降水转移到聚乙烯瓶中,编号,于实验室统一分析。表2. 监测雨水点位表Table 2.Location of sampling site序号点位经纬度1 白廊N: 25°5455.54E: 113°2415.732 滁口N

8、: 25°4049.72E: 113°2232.973 百竹园N: 25°4840.77E: 113°1909.244 头山N: 25°5113.17E: 113°1951.012.2 实验方法测定项目主要包括TN,DTN,NH4+-N、NO3-N、TP。5种营养盐组分均采用分光光度法在2800 UV/VIS SPECTROPHOTOMETER 紫外分光分析仪上测定,其中TN和DTN采用碱性过硫酸钾消煮法;NH4+-N采用纳氏试剂光度法;NO3-N采用紫外分光光度法;TP采用过硫酸钾消煮磷钼蓝法。3 结果与讨论3.1 pH值和营养盐分

9、析3.1.1 pH值变化降水可以改变湖水表层的pH值,使得浮游植物种群之间产生激烈的竞争,对水生生态系统造成一定的影响12。2010年4月-2011年3月共收集大中小总降水次数382次,总降水量约1500ml,其中8月,10月干旱降水量较少,降水频率也少。通过观察各次降水的pH值,发现pH值的变化趋势与降水量没有明显的关系,而与连续的降水次数有关,对白廊一次连续五天的降雨pH值进行了测定,发现随着降雨天数的增加,pH值略有升高,分别为6.62,6.74,6.78,6.79,6.96。以pH 值5.60作为判断酸雨的标准,此次收集到的382个样品pH值在6.52-7.21之间,无酸雨,但变化范围

10、较大,说明人类活动产生的污染物对大气湿沉降有影响。降水中H+的浓度与多种离子有关,降水的酸碱性是NO3-,SO42-,NH4+和Ca2+等多种离子综合作用的结果13。一般来说,冬季(12月至次年2月燃煤较多,NOx和SO42-等酸性气体排放量较高,最低pH值理应出现在冬季。而据统计此次研究中最低pH值出现在10月,这可能由于10月份降水量少,大气中粉尘和化学物质比较多,而冬季气候干燥,空气中有大量的沙尘颗粒,其中的CaCO3等碱性颗粒可以中和大气中的酸性成分,再加上冬季土壤中化学肥料容易挥发,挥发的氨气是一种碱性气体,很容易中和空气中的酸性气体,使冬季降水的pH值变高。3.1.2 一场完整降水

11、中不同时间段的营养盐浓度变化对头山的一场典型降雨进行了分时间段的监测,分别监测了前10分钟,前20分钟,中间30分钟和全过程的降雨数据。从表3可以看出在一场完整的降雨中,前10分钟的雨水能将大气中1/3的粉尘和离子冲刷干净,30分钟后的降水则相对干净。pH值的变化也充分说明了这一点。表3 一场完整降水中不同时间段的营养盐浓度(mg/LTable 3 The variation of nutrient elements concentrationin in different time of once rain (mg/L 全过程(50分钟 1.023 0.885 0.418 0.228 0.0

12、19 6.27后30分钟0.873 0.701 0.323 0.159 0.01L 6.48前20分钟 1.092 0.790 0.375 0.308 0.032 7.0110分钟 1.369 1.001 0.478 0.484 0.043 7.183.2 营养盐分析大气湿沉降不仅能改变水域的pH值,还可以改变水的盐度。盐度也是影响藻类生长的一个重要因素,盐度太高或盐度太低都不利于藻类的生长,氮和磷是水体发生富营养化的关键元素。表4是依据一年来各点位采集到的雨水样分析得到的总磷月平均浓度,图1到图4描述了各点位雨水样中的氮营养盐月平均浓度变化(月平均浓度的计算采用浓度和降水量的加权平均值。4个

13、监测点的TP沉降都较小,月平均沉降范围在0.01-0.015mg/(L·月,而TN月平均沉降率较大,最高值出现在12月头山1.45mg/(L·月,最低值出现在9月白廊0.84mg/(L·月,最高值出现在12月可能跟冬季大量燃煤有关,在4个采样点的降水样品中,NH4+和NO3-浓度都较高,NH4+可能主要来自气溶胶中的(NH4 2SO4和对气相NH3的吸收,工业污染及农田施用的含氮化学肥料。有研究表明如果在液相样品中有充足的O2和O3,NH4+会被氧化成亚硝酸盐和硝酸盐,有些细菌也会将NH4+转化成NH3或NO3-;NO3-可能主要来源于气溶胶中硝酸盐和大气中易挥发

14、的硝酸气体,可能还有一部分来自氮氧化合物的液相反应。王保栋等14研究了长江口及其临近海域表层盐度的平面分布,在长江口赤潮高发区内盐度约为30左右。实际大气湿沉降营养盐通量应大于计算的理论值15,因为营养盐不仅可以通过大气湿沉降直接输入湖泊,还可以随雨水降到陆地,通过地面径流间接输入到水域中,或者通过冲刷和浸溶作用将陆地上大量的营养盐带入水体,加速水体短期富营养化。因此大气湿沉降的营养盐输入通量还应包括很大部分陆地降水再流入,而这部分以前往往都计算在河流中。Bronk等16认为当海水中存在高浓度的NO3-和NH4+时,浮游植物优先摄取N时,只有在NH4+不能满足其生长的情况下才能摄取NO3-,许

15、多藻类营养吸收动力学实验也证明了这一点。有研究表明中国雨水中NH4+浓度历来特别高17,说明中国大气湿沉降中的离子浓度受陆地源影响很大,必须采取措施降低大气中NH4+的浓度。3.3 大气TN、TP沉降负荷的空间特征据此次研究表明,东江湖水域附近的降雨中N/ P值在81-188之间,大气N、P湿沉降负荷的变化与人类活动的强弱和局地污染源的分布密切相关。位于东江湖西北部的点位大气TN年平均月沉降率大于东部的和南部,如TP月平均湿沉降量从大到小排序为:头山>百竹园>白廊>滁口;TN 沉降率大致为:头山>滁口>白廊>百竹园。究其原因为资兴城区周边工业发达,燃煤窑炉较

16、多,其主导风向为西北风,头山位于其下风向,又由于头山临近于资兴城区,所以TN的月平均沉降量较大。表4 各监测点的TP月平均湿沉降量浓度变化(mg/LTable 4 The variation of wet monthly deposition rate of atmospheric TP in sampling site(mg/L4月5月6月7月8月9月10月11月12月1月2月3月白廊0.010 0.010 0.011 0.012 0.011 0.010 0.010 0.011 0.011 0.011 0.013 0.010 滁口0.010 0.010 0.011 0.011 0.010 0

17、.011 0.010 0.010 0.010 0.010 0.011 0.010 百竹园0.010 0.011 0.013 0.012 0.010 0.010 0.011 0.012 0.013 0.013 0.014 0.012 头山0.013 0.012 0.014 0.012 0.011 0.012 0.013 0.013 0.014 0.014 0.015 0.015 图1. 白廊雨水中的TN,DTN,NO3-N和NH4+-N的月平均湿沉降值变化曲线Fig. 1 The variation of wet monthly deposition rate of atmospheric TN

18、, DTN, NO3- and NH4+-N in BaiLang1.6 1.4 1.2 浓度（mg/L 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 4月 TN（mg/L 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 NO3-N（mg/L 1月 2月 3月 DTN（mg/L NH4-N（mg/L 图 2.滁口雨水中的 TN，DTN，NO3-N 和 NH4+-N 的月平均湿沉降值变化曲线 Fig. 2 The variation of wet monthly deposition rate of atmospheric TN, DTN, NO3- and NH4+-N in ChuKou 1

19、.6 1.4 1.2 浓度(mg/L 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 NO3-N（mg/L 1月 2月 3月 TN（mg/L DTN（mg/L NH4-N（mg/L 图 3. 百竹园雨水中的 TN，DTN，NO3-N 和 NH4+-N 的月平均湿沉降值变化曲线 Fig. 3 The variation of wet monthly deposition rate of atmospheric TN, DTN, NO3- and NH4+-N in BaiZhuyuan 1.6 1.4 1.2 浓度（mg/L 1 0.8 0.6

20、 0.4 0.2 0 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 1月 2月 3月 TN（mg/L DTN（mg/L NO3-N（mg/L NH4-N（mg/L 图 4. 头山雨水中的 TN，DTN，NO3-N 和 NH4+-N 的月平均湿沉降值变化曲线 Fig. 4 The variation of wet monthly deposition rate of atmospheric TN, DTN, NO3- and NH4+-N in TouShan 6 4. 结论 本文研究了TN，DTN，NH4+-N、NO3-N、TP、pH 值与不同降水时段之间的相关关系。降 水中各种

21、化学成分的浓度随着降水时间的延长而明显减少。TN的大气湿沉降负荷数值较大，降 水中含NH4+ 和NO3-浓度偏高，TP含量较低，降雨中N/ P值在81188之间，数据差距很大说明 他们可能来源于各种污染物的长距离输送， 这跟监测点位的地理位置和当地主导工业、 农业有关。 因此，偶发性强降水在一定程度上会改变东江湖表层湖水的N/ P值，刺激局部浮游生物的初级生 产力快速增加，促进富营养化发展，同时也说明由于库区旅游业、上游经济的发展以及人类活动 对生态系统的干扰, 如火力发电厂、金属冶炼、焦化等重污染工业和化肥、农药的大面积施用使 得大气污染日趋严重，造成不少营养盐元素通过大气湿沉降进入河流，从

22、而引起水质变化。 参考文献 1 伍发元.我国城市面源污染多层控制模式研究D.武汉大学,2003,56-58 2 张国森, 陈洪涛, 张经, 刘素美.长江口地区大气湿沉降中营养盐的初步研究J. 应用生态学 报, 2003 ,14 (7 :1107-1111 3 高 原, Robert A. D, 1997. 沿海海气界面的化学物质交换J. 地球科学进展, 12(6: 553-563 4 王保栋, 单保田, 战闰等, 2002. 黄、渤海无机氮的收支模式初探J. 海洋科学, 26(2: 33-36 5 宋金明, 李学刚, 邵君波等, 2006. 南黄海沉积物中氮、磷的生物地球化学行为J. 海洋与湖

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