大氣濕沉降中營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)東江湖水質(zhì)的初步研究

1、淺析大氣濕沉降中營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)東江湖水質(zhì)變化的影響曹俐李躍(湖南省資興市環(huán)境監(jiān)測(cè)站,郴州423400摘要:本項(xiàng)目參考國(guó)內(nèi)外一些中、大型湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的研究方法和經(jīng)驗(yàn),在東江湖沿岸設(shè)立了4個(gè)雨水系統(tǒng)收集點(diǎn),采集了2010年4月到2011年3月一年來(lái)382個(gè)雨水樣,通過(guò)分析東江湖流域大氣濕沉降中pH,TN和TP對(duì)水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化的影響,以期對(duì)東江湖的水質(zhì)保護(hù)提供科學(xué)數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞:東江湖;大氣濕沉降;營(yíng)養(yǎng)鹽;富營(yíng)養(yǎng)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. 前言東江湖位于湖南省資興市境內(nèi),湖泊總面積160km2,平均水深約50m,常年蓄水量81 億m3,水質(zhì)一直保持在生活飲用水源水質(zhì)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及以上,按未來(lái)規(guī)刬東江湖將向珠三

4、角和長(zhǎng)株潭等地區(qū)供應(yīng)飲用水。自20世紀(jì)80年代后期,太湖、滇池等湖泊發(fā)生嚴(yán)重富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注,東江湖作為湘南地區(qū)最大的人工湖泊,承載著上百萬(wàn)人口的飲用水供應(yīng),湖泊水質(zhì)的變化格外引人關(guān)注。表1統(tǒng)計(jì)了2003年至2011年間東江湖水域范圍內(nèi)3個(gè)常規(guī)監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)變化情況,從表1可知東江湖水質(zhì)中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)量(COD、氨氮、總磷在逐年增加,自2008年以來(lái)東江湖局部水域也出現(xiàn)了小規(guī)模的藍(lán)藻現(xiàn)象,針對(duì)此現(xiàn)象,文章參考了有關(guān)太湖等富營(yíng)養(yǎng)化湖泊的研究,于2010年4月至2011年3月在東江湖沿岸設(shè)置了4個(gè)雨水收集站,研究了一年來(lái)流域范圍內(nèi)大氣濕沉降中pH,TN和TP對(duì)水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化的影響

5、。濕沉降是指自然界發(fā)生的雨、雪、雹等降水過(guò)程,具有速度快、突發(fā)性強(qiáng)等特點(diǎn),是各種營(yíng)養(yǎng)元素和微量金屬元素向海洋,湖泊輸送的重要途徑1-5。研究資料表明,大氣傳輸過(guò)程不僅能使大量陸源物質(zhì)進(jìn)入水體,而且其通量可能接近于由河流等點(diǎn)污染源輸送注入水體的污染物質(zhì)通量,從而對(duì)海洋、湖泊水體的富營(yíng)養(yǎng)化產(chǎn)生重大影響6-9。據(jù)王明星統(tǒng)計(jì),雨后大氣中的氣溶膠粒子和氣態(tài)物質(zhì)可減少到雨前的三分之一到三分之二以上,大量污染物可通過(guò)濕沉降進(jìn)入水體。東江湖周邊人類(lèi)開(kāi)發(fā)活動(dòng)強(qiáng)度較大,農(nóng)業(yè)耕種化肥施用量大,旅游業(yè)發(fā)展較快,近年政府為保護(hù)東江湖水質(zhì)做了大量工作,地源污染物大大減少,因此全面了解東江湖地區(qū)大氣氮(N、磷(P的干、濕沉

6、降狀況意義重大。有研究表明突發(fā)性大氣輸入大量營(yíng)養(yǎng)鹽會(huì)對(duì)浮游植物生長(zhǎng)和種群結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響,楊龍?jiān)?0曾就大氣酸性沉降對(duì)太湖水環(huán)境的潛在影響進(jìn)行了初步的觀(guān)測(cè)研究,指出太湖流域大氣氮化合物的污染對(duì)太湖水體富營(yíng)養(yǎng)化影響較大。表1. 2003年至2011年?yáng)|江湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果(mg/L 2 材料與方法2.1 樣品采集本研究參照Akkoyunlu等11介紹的采樣分析方法,根據(jù)東江湖的地理氣候特點(diǎn),資興市環(huán)境監(jiān)測(cè)站于2010年4月-2011年3月在湖區(qū)沿岸設(shè)立了4個(gè)雨水系統(tǒng)收集站(點(diǎn)位見(jiàn)表2,統(tǒng)計(jì)共采集大氣濕沉降樣品382個(gè),將其按地點(diǎn)求得月平均沉降量進(jìn)行分析。采集濕沉降樣品所用的采雨器和保存濕沉降樣品所

7、用的聚乙烯瓶均先在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用1:5的HCl浸泡數(shù)日,用Milli-Q水沖洗干凈,待干燥后使用,為了避免污染,采雨器安置在農(nóng)戶(hù)平房樓頂,距離樓面約1m左右,降水之前打開(kāi),降水結(jié)束后取回,記錄降水體積,時(shí)間,測(cè)定樣品的pH值,之后用0.45m微孔膜過(guò)濾,將降水轉(zhuǎn)移到聚乙烯瓶中,編號(hào),于實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)一分析。表2. 監(jiān)測(cè)雨水點(diǎn)位表Table 2.Location of sampling site序號(hào)點(diǎn)位經(jīng)緯度1 白廊N: 25°5455.54E: 113°2415.732 滁口N: 25°4049.72E: 113°2232.973 百竹園N: 25°48

8、40.77E: 113°1909.244 頭山N: 25°5113.17E: 113°1951.012.2 實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定項(xiàng)目主要包括TN,DTN,NH4+-N、NO3-N、TP。5種營(yíng)養(yǎng)鹽組分均采用分光光度法在2800 UV/VIS SPECTROPHOTOMETER 紫外分光分析儀上測(cè)定,其中TN和DTN采用堿性過(guò)硫酸鉀消煮法;NH4+-N采用納氏試劑光度法;NO3-N采用紫外分光光度法;TP采用過(guò)硫酸鉀消煮磷鉬藍(lán)法。3 結(jié)果與討論3.1 pH值和營(yíng)養(yǎng)鹽分析降水可以改變湖水表層的pH值,使得浮游植物種群之間產(chǎn)生激烈的競(jìng)爭(zhēng),對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)造成一定的影響12。201

9、0年4月-2011年3月共收集大中小總降水次數(shù)382次,總降水量約1500ml,其中8月,10月干旱降水量較少,降水頻率也少。通過(guò)觀(guān)察各次降水的pH值,發(fā)現(xiàn)pH值的變化趨勢(shì)與降水量沒(méi)有明顯的關(guān)系,而與連續(xù)的降水次數(shù)有關(guān),對(duì)白廊一次連續(xù)五天的降雨pH值進(jìn)行了測(cè)定,發(fā)現(xiàn)隨著降雨天數(shù)的增加,pH值略有升高,分別為6.62,6.74,6.78,6.79,6.96。以pH 值5.60作為判斷酸雨的標(biāo)準(zhǔn),此次收集到的382個(gè)樣品pH值在6.52-7.21之間,無(wú)酸雨,但變化范圍較大,說(shuō)明人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的污染物對(duì)大氣濕沉降有影響。降水中H+的濃度與多種離子有關(guān),降水的酸堿性是NO3-,SO42-,NH4+和C

10、a2+等多種離子綜合作用的結(jié)果13。一般來(lái)說(shuō),冬季(12月至次年2月燃煤較多,NOx和SO42-等酸性氣體排放量較高,最低pH值理應(yīng)出現(xiàn)在冬季。而據(jù)統(tǒng)計(jì)此次研究中最低pH值出現(xiàn)在10月,這可能由于10月份降水量少,大氣中粉塵和化學(xué)物質(zhì)比較多,而冬季氣候干燥,空氣中有大量的沙塵顆粒,其中的CaCO3等堿性顆?？梢灾泻痛髿庵械乃嵝猿煞?再加上冬季土壤中化學(xué)肥料容易揮發(fā),揮發(fā)的氨氣是一種堿性氣體,很容易中和空氣中的酸性氣體,使冬季降水的pH值變高。對(duì)頭山的一場(chǎng)典型降雨進(jìn)行了分時(shí)間段的監(jiān)測(cè),分別監(jiān)測(cè)了前10分鐘,前20分鐘,中間30分鐘和全過(guò)程的降雨數(shù)據(jù)。從表3可以看出在一場(chǎng)完整的降雨中,前10分鐘的

11、雨水能將大氣中1/3的粉塵和離子沖刷干凈,30分鐘后的降水則相對(duì)干凈。pH值的變化也充分說(shuō)明了這一點(diǎn)。表3 一場(chǎng)完整降水中不同時(shí)間段的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度(mg/LTable 3 The variation of nutrient elements concentrationin in different time of once rain (mg/L 全過(guò)程(50分鐘 1.023 0.885 0.418 0.228 0.019 6.27后30分鐘0.873 0.701 0.323 0.159 0.01L 6.48前20分鐘 1.092 0.790 0.375 0.308 0.032 7.0110分鐘

12、1.369 1.001 0.478 0.484 0.043 7.183.2 營(yíng)養(yǎng)鹽分析大氣濕沉降不僅能改變水域的pH值,還可以改變水的鹽度。鹽度也是影響藻類(lèi)生長(zhǎng)的一個(gè)重要因素,鹽度太高或鹽度太低都不利于藻類(lèi)的生長(zhǎng),氮和磷是水體發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵元素。表4是依據(jù)一年來(lái)各點(diǎn)位采集到的雨水樣分析得到的總磷月平均濃度,圖1到圖4描述了各點(diǎn)位雨水樣中的氮營(yíng)養(yǎng)鹽月平均濃度變化(月平均濃度的計(jì)算采用濃度和降水量的加權(quán)平均值。4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的TP沉降都較小,月平均沉降范圍在0.01-0.015mg/(L·月,而TN月平均沉降率較大,最高值出現(xiàn)在12月頭山1.45mg/(L·月,最低值出現(xiàn)在9月

13、白廊0.84mg/(L·月,最高值出現(xiàn)在12月可能跟冬季大量燃煤有關(guān),在4個(gè)采樣點(diǎn)的降水樣品中,NH4+和NO3-濃度都較高,NH4+可能主要來(lái)自氣溶膠中的(NH4 2SO4和對(duì)氣相NH3的吸收,工業(yè)污染及農(nóng)田施用的含氮化學(xué)肥料。有研究表明如果在液相樣品中有充足的O2和O3,NH4+會(huì)被氧化成亞硝酸鹽和硝酸鹽,有些細(xì)菌也會(huì)將NH4+轉(zhuǎn)化成NH3或NO3-;NO3-可能主要來(lái)源于氣溶膠中硝酸鹽和大氣中易揮發(fā)的硝酸氣體,可能還有一部分來(lái)自氮氧化合物的液相反應(yīng)。王保棟等14研究了長(zhǎng)江口及其臨近海域表層鹽度的平面分布,在長(zhǎng)江口赤潮高發(fā)區(qū)內(nèi)鹽度約為30左右。實(shí)際大氣濕沉降營(yíng)養(yǎng)鹽通量應(yīng)大于計(jì)算的

14、理論值15,因?yàn)闋I(yíng)養(yǎng)鹽不僅可以通過(guò)大氣濕沉降直接輸入湖泊,還可以隨雨水降到陸地,通過(guò)地面徑流間接輸入到水域中,或者通過(guò)沖刷和浸溶作用將陸地上大量的營(yíng)養(yǎng)鹽帶入水體,加速水體短期富營(yíng)養(yǎng)化。因此大氣濕沉降的營(yíng)養(yǎng)鹽輸入通量還應(yīng)包括很大部分陸地降水再流入,而這部分以前往往都計(jì)算在河流中。Bronk等16認(rèn)為當(dāng)海水中存在高濃度的NO3-和NH4+時(shí),浮游植物優(yōu)先攝取N時(shí),只有在NH4+不能滿(mǎn)足其生長(zhǎng)的情況下才能攝取NO3-,許多藻類(lèi)營(yíng)養(yǎng)吸收動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)。有研究表明中國(guó)雨水中NH4+濃度歷來(lái)特別高17,說(shuō)明中國(guó)大氣濕沉降中的離子濃度受陸地源影響很大,必須采取措施降低大氣中NH4+的濃度。3.3

15、大氣TN、TP沉降負(fù)荷的空間特征據(jù)此次研究表明,東江湖水域附近的降雨中N/ P值在81-188之間,大氣N、P濕沉降負(fù)荷的變化與人類(lèi)活動(dòng)的強(qiáng)弱和局地污染源的分布密切相關(guān)。位于東江湖西北部的點(diǎn)位大氣TN年平均月沉降率大于東部的和南部,如TP月平均濕沉降量從大到小排序?yàn)?頭山>百竹園>白廊>滁口;TN 沉降率大致為:頭山>滁口>白廊>百竹園。究其原因?yàn)橘Y興城區(qū)周邊工業(yè)發(fā)達(dá),燃煤窯爐較多,其主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng),頭山位于其下風(fēng)向,又由于頭山臨近于資興城區(qū),所以TN的月平均沉降量較大。表4 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的TP月平均濕沉降量濃度變化(mg/LTable 4 The varia

16、tion 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 0.011 0.010 0.010 0.010 0.010 0.011 0.010 百竹園0.010 0.011 0.013 0.012 0.010 0.010 0.011 0.012

17、 0.013 0.013 0.014 0.012 頭山0.013 0.012 0.014 0.012 0.011 0.012 0.013 0.013 0.014 0.014 0.015 0.015 圖1. 白廊雨水中的TN,DTN,NO3-N和NH4+-N的月平均濕沉降值變化曲線(xiàn)Fig. 1 The variation of wet monthly deposition rate of atmospheric TN, DTN, NO3- and NH4+-N in BaiLang1.6 1.4 1.2 濃度（mg/L 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 4月 TN（mg/L 5月 6月 7

18、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 圖 2.滁口雨水中的 TN，DTN，NO3-N 和 NH4+-N 的月平均濕沉降值變化曲線(xiàn) Fig. 2 The variation of wet monthly deposition rate of atmospheric TN, DTN, NO3- and NH4+-N in ChuKou 1.6 1.4 1.2 濃度(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

19、（mg/L DTN（mg/L NH4-N（mg/L 圖 3. 百竹園雨水中的 TN，DTN，NO3-N 和 NH4+-N 的月平均濕沉降值變化曲線(xiàn) 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 濃度（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 1月 2月 3月 TN（mg/L DTN（mg/L NO3-N（mg/L NH4-N（mg/L 圖

20、4. 頭山雨水中的 TN，DTN，NO3-N 和 NH4+-N 的月平均濕沉降值變化曲線(xiàn) Fig. 4 The variation of wet monthly deposition rate of atmospheric TN, DTN, NO3- and NH4+-N in TouShan 6 4. 結(jié)論 本文研究了TN，DTN，NH4+-N、NO3-N、TP、pH 值與不同降水時(shí)段之間的相關(guān)關(guān)系。降 水中各種化學(xué)成分的濃度隨著降水時(shí)間的延長(zhǎng)而明顯減少。TN的大氣濕沉降負(fù)荷數(shù)值較大，降 水中含NH4+ 和NO3-濃度偏高，TP含量較低，降雨中N/ P值在81188之間，數(shù)據(jù)差距很大說(shuō)明 他

21、們可能來(lái)源于各種污染物的長(zhǎng)距離輸送， 這跟監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的地理位置和當(dāng)?shù)刂鲗?dǎo)工業(yè)、 農(nóng)業(yè)有關(guān)。 因此，偶發(fā)性強(qiáng)降水在一定程度上會(huì)改變東江湖表層湖水的N/ P值，刺激局部浮游生物的初級(jí)生 產(chǎn)力快速增加，促進(jìn)富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)展，同時(shí)也說(shuō)明由于庫(kù)區(qū)旅游業(yè)、上游經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人類(lèi)活動(dòng) 對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的干擾, 如火力發(fā)電廠(chǎng)、金屬冶煉、焦化等重污染工業(yè)和化肥、農(nóng)藥的大面積施用使 得大氣污染日趨嚴(yán)重，造成不少營(yíng)養(yǎng)鹽元素通過(guò)大氣濕沉降進(jìn)入河流，從而引起水質(zhì)變化。 參考文獻(xiàn) 1 伍發(fā)元.我國(guó)城市面源污染多層控制模式研究D.武漢大學(xué),2003,56-58 2 張國(guó)森, 陳洪濤, 張經(jīng), 劉素美.長(zhǎng)江口地區(qū)大氣濕沉降中營(yíng)養(yǎng)鹽的初步

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