大氣濕沉降中營養(yǎng)鹽對東江湖水質(zhì)的初步研究

1、淺析大氣濕沉降中營養(yǎng)鹽對東江湖水質(zhì)變化的影響曹俐李躍(湖南省資興市環(huán)境監(jiān)測站,郴州423400摘要:本項目參考國內(nèi)外一些中、大型湖泊富營養(yǎng)化的研究方法和經(jīng)驗,在東江湖沿岸設立了4個雨水系統(tǒng)收集點,采集了2010年4月到2011年3月一年來382個雨水樣,通過分析東江湖流域大氣濕沉降中pH,TN和TP對水質(zhì)富營養(yǎng)化的影響,以期對東江湖的水質(zhì)保護提供科學數(shù)據(jù)。關鍵詞:東江湖;大氣濕沉降;營養(yǎng)鹽;富營養(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)二級標準及以上,按未來規(guī)刬東江湖將向珠三

4、角和長株潭等地區(qū)供應飲用水。自20世紀80年代后期,太湖、滇池等湖泊發(fā)生嚴重富營養(yǎng)化現(xiàn)象引起了國內(nèi)外學者的高度關注,東江湖作為湘南地區(qū)最大的人工湖泊,承載著上百萬人口的飲用水供應,湖泊水質(zhì)的變化格外引人關注。表1統(tǒng)計了2003年至2011年間東江湖水域范圍內(nèi)3個常規(guī)監(jiān)測斷面的水質(zhì)變化情況,從表1可知東江湖水質(zhì)中的營養(yǎng)物質(zhì)量(COD、氨氮、總磷在逐年增加,自2008年以來東江湖局部水域也出現(xiàn)了小規(guī)模的藍藻現(xiàn)象,針對此現(xiàn)象,文章參考了有關太湖等富營養(yǎng)化湖泊的研究,于2010年4月至2011年3月在東江湖沿岸設置了4個雨水收集站,研究了一年來流域范圍內(nèi)大氣濕沉降中pH,TN和TP對水質(zhì)富營養(yǎng)化的影響

5、。濕沉降是指自然界發(fā)生的雨、雪、雹等降水過程,具有速度快、突發(fā)性強等特點,是各種營養(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,大氣傳輸過程不僅能使大量陸源物質(zhì)進入水體,而且其通量可能接近于由河流等點污染源輸送注入水體的污染物質(zhì)通量,從而對海洋、湖泊水體的富營養(yǎng)化產(chǎn)生重大影響6-9。據(jù)王明星統(tǒng)計,雨后大氣中的氣溶膠作者簡介:曹俐(1985,女,助理工程師,主要研究方向為環(huán)境監(jiān)測和污水處理,E-mail:343160787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,大量污染物可通過濕沉降進入水體。東江湖周邊人類開發(fā)活動強度較大,農(nóng)業(yè)耕種化肥施用量大,旅游業(yè)發(fā)展較快,

6、近年政府為保護東江湖水質(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、濕沉降狀況意義重大。有研究表明突發(fā)性大氣輸入大量營養(yǎng)鹽會對浮游植物生長和種群結構產(chǎn)生重要影響,楊龍元等10曾就大氣酸性沉降對太湖水環(huán)境的潛在影響進行了初步的觀測研究,指出太湖流域大氣氮化合物的污染對太湖水體富營養(yǎng)化影響較大。表1. 2003年至2011年東江湖水質(zhì)監(jiān)測結果(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,資興市環(huán)境監(jiān)測站于2010年4月-2011年3月在湖區(qū)沿岸設立了4個雨水系統(tǒng)收集站(點位見表2,統(tǒng)計共

7、采集大氣濕沉降樣品382個,將其按地點求得月平均沉降量進行分析。采集濕沉降樣品所用的采雨器和保存濕沉降樣品所用的聚乙烯瓶均先在實驗室內(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)戶平房樓頂,距離樓面約1m左右,降水之前打開,降水結束后取回,記錄降水體積,時間,測定樣品的pH值,之后用0.45m微孔膜過濾,將降水轉移到聚乙烯瓶中,編號,于實驗室統(tǒng)一分析。表2. 監(jiān)測雨水點位表Table 2.Location of sampling site序號點位經(jīng)緯度1 白廊N: 25°5455.54E: 113°2415.732 滁口N

8、: 25°4049.72E: 113°2232.973 百竹園N: 25°4840.77E: 113°1909.244 頭山N: 25°5113.17E: 113°1951.012.2 實驗方法測定項目主要包括TN,DTN,NH4+-N、NO3-N、TP。5種營養(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定,其中TN和DTN采用堿性過硫酸鉀消煮法;NH4+-N采用納氏試劑光度法;NO3-N采用紫外分光光度法;TP采用過硫酸鉀消煮磷鉬藍法。3 結果與討論3.1 pH值和營養(yǎng)鹽分

9、析3.1.1 pH值變化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)生激烈的競爭,對水生生態(tài)系統(tǒng)造成一定的影響12。2010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。通過觀察各次降水的pH值,發(fā)現(xiàn)pH值的變化趨勢與降水量沒有明顯的關系,而與連續(xù)的降水次數(shù)有關,對白廊一次連續(xù)五天的降雨pH值進行了測定,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作為判斷酸雨的標準,此次收集到的382個樣品pH值在6.52-7.21之間,無酸雨,但變化范圍

10、較大,說明人類活動產(chǎn)生的污染物對大氣濕沉降有影響。降水中H+的濃度與多種離子有關,降水的酸堿性是NO3-,SO42-,NH4+和Ca2+等多種離子綜合作用的結果13。一般來說,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值理應出現(xiàn)在冬季。而據(jù)統(tǒng)計此次研究中最低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。3.1.2 一場完整降水

11、中不同時間段的營養(yǎng)鹽濃度變化對頭山的一場典型降雨進行了分時間段的監(jiān)測,分別監(jiān)測了前10分鐘,前20分鐘,中間30分鐘和全過程的降雨數(shù)據(jù)。從表3可以看出在一場完整的降雨中,前10分鐘的雨水能將大氣中1/3的粉塵和離子沖刷干凈,30分鐘后的降水則相對干凈。pH值的變化也充分說明了這一點。表3 一場完整降水中不同時間段的營養(yǎng)鹽濃度(mg/LTable 3 The variation of nutrient elements concentrationin in different time of once rain (mg/L 全過程(50分鐘 1.023 0.885 0.418 0.228 0.0

12、19 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 1.369 1.001 0.478 0.484 0.043 7.183.2 營養(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。鹽度也是影響藻類生長的一個重要因素,鹽度太高或鹽度太低都不利于藻類的生長,氮和磷是水體發(fā)生富營養(yǎng)化的關鍵元素。表4是依據(jù)一年來各點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描述了各點位雨水樣中的氮營養(yǎng)鹽月平均濃度變化(月平均濃度的計算采用濃度和降水量的加權平均值。4個

13、監(jiān)測點的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,在4個采樣點的降水樣品中,NH4+和NO3-濃度都較高,NH4+可能主要來自氣溶膠中的(NH4 2SO4和對氣相NH3的吸收,工業(yè)污染及農(nóng)田施用的含氮化學肥料。有研究表明如果在液相樣品中有充足的O2和O3,NH4+會被氧化成亞硝酸鹽和硝酸鹽,有些細菌也會將NH4+轉化成NH3或NO3-;NO3-可能主要來源于氣溶膠中硝酸鹽和大氣中易揮發(fā)

14、的硝酸氣體,可能還有一部分來自氮氧化合物的液相反應。王保棟等14研究了長江口及其臨近海域表層鹽度的平面分布,在長江口赤潮高發(fā)區(qū)內(nèi)鹽度約為30左右。實際大氣濕沉降營養(yǎng)鹽通量應大于計算的理論值15,因為營養(yǎng)鹽不僅可以通過大氣濕沉降直接輸入湖泊,還可以隨雨水降到陸地,通過地面徑流間接輸入到水域中,或者通過沖刷和浸溶作用將陸地上大量的營養(yǎng)鹽帶入水體,加速水體短期富營養(yǎng)化。因此大氣濕沉降的營養(yǎng)鹽輸入通量還應包括很大部分陸地降水再流入,而這部分以前往往都計算在河流中。Bronk等16認為當海水中存在高濃度的NO3-和NH4+時,浮游植物優(yōu)先攝取N時,只有在NH4+不能滿足其生長的情況下才能攝取NO3-,許

15、多藻類營養(yǎng)吸收動力學實驗也證明了這一點。有研究表明中國雨水中NH4+濃度歷來特別高17,說明中國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 大氣TN、TP沉降負荷的空間特征據(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濕沉降負荷的變化與人類活動的強弱和局地污染源的分布密切相關。位于東江湖西北部的點位大氣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為: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。究其原因為資興城區(qū)周邊工業(yè)發(fā)達,燃煤窯爐較

16、多,其主導風向為西北風,頭山位于其下風向,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)測點的TP月平均濕沉降量濃度變化(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 百竹園0.010 0.011 0.013 0.012 0.010 0.010 0.011 0.012 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 濃度（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 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 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 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（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 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

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 圖 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 Fig. 4 The variation of wet monthly deposition rate of atmospheric TN, DTN, NO3- and NH4+-N in TouShan 6 4. 結論 本文研究了TN，DTN，NH4+-N、NO3-N、TP、pH 值與不同降水時段之間的相關關系。降 水中各種

21、化學成分的濃度隨著降水時間的延長而明顯減少。TN的大氣濕沉降負荷數(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)差距很大說明 他們可能來源于各種污染物的長距離輸送， 這跟監(jiān)測點位的地理位置和當?shù)刂鲗ЧI(yè)、 農(nóng)業(yè)有關。 因此，偶發(fā)性強降水在一定程度上會改變東江湖表層湖水的N/ P值，刺激局部浮游生物的初級生 產(chǎn)力快速增加，促進富營養(yǎng)化發(fā)展，同時也說明由于庫區(qū)旅游業(yè)、上游經(jīng)濟的發(fā)展以及人類活動 對生態(tài)系統(tǒng)的干擾, 如火力發(fā)電廠、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 得大氣污染日趨嚴重，造成不少營養(yǎng)鹽元素通過大氣濕沉降進入河流，從

22、而引起水質(zhì)變化。 參考文獻 1 伍發(fā)元.我國城市面源污染多層控制模式研究D.武漢大學,2003,56-58 2 張國森, 陳洪濤, 張經(jīng), 劉素美.長江口地區(qū)大氣濕沉降中營養(yǎng)鹽的初步研究J. 應用生態(tài)學 報, 2003 ,14 (7 :1107-1111 3 高 原, Robert A. D, 1997. 沿海海氣界面的化學物質(zhì)交換J. 地球科學進展, 12(6: 553-563 4 王保棟, 單保田, 戰(zhàn)閏等, 2002. 黃、渤海無機氮的收支模式初探J. 海洋科學, 26(2: 33-36 5 宋金明, 李學剛, 邵君波等, 2006. 南黃海沉積物中氮、磷的生物地球化學行為J. 海洋與湖

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