陈桥黄河湿地水质状况及不同水体类型富营养化和水华爆发风险评价

Water quality of Chenqiao Yellow River Wetland and risk assessment of eutrophication and algal blooms in different water-body types

摘要

目的 探索陈桥黄河湿地水环境状况及不同类型水体营养化状态和水华爆发风险，为该区域湿地和水资源保护提供理论依据。 方法 在陈桥湿地选取4种水体类型共10个代表性样点，测定全氮（TN）、全磷（TP）、氨态氮（NH₄-N）等10个理化指标及铅、镉等6个重金属指标，进行湿地水质综合污染评价及4种不同类型水体的富营养化和水华爆发风险评价。 结果 研究区不存在重金属污染情况；陈桥湿地大部分样点TN、P_T（综合污染指数）较高，属中度污染水平（1.5<P_T≤2.0）；COD含量在32~112 mg/L之间，湿地受有机物污染较大。库塘湿地TN、NH₄-N含量显著较低，核心区湖泊NO₃-N含量相对较高；生活污染河TP含量显著高于其他水体、DO含量显著低于其他水体；核心区湖泊EI值达87.96，为重富营养化状态；缓冲区河流、生活污染河、库塘区均为中度营养化状态；核心区湖泊、缓冲区河流、库塘的C_N/C_P分别为34.33、21.00和25.34，均为磷限制水体；生活污染河C_N/C_P值为12.06，蓝藻水华爆发风险较高。 结论 陈桥黄河湿地生活污染河、核心区湖泊水质恶化风险较大，需要密切关注。

Abstract

Objective This study aimed to explore the status of water environment in Chenqiao Yellow River Wetland and the eutrophication status of different types of water bodies，and assess the risk of algal bloom outbreak，providing a basis for the protection of wetlands and water resources in this region. Method A total of 10 representative sampling spots were selected from four types of water bodies in Chenqiao Wetland.Ten physical and chemical indicators，including total nitrogen，total phosphorus，and ammonia nitrogen，as well as six heavy metal indicators such as lead and cadmium，were measured to conduct a comprehensive pollution assessment of wetland water quality and a risk assessment of eutrophication and water bloom outbreak for four different water body types. Result There was no heavy metal pollution found in all representative samples.The comprehensive pollution indexes (TN and PT) of most sampling sites in Chenqiao Wetland were relatively high，belonging to a moderate pollution level (1.5<P_T≤2.0).The content of COD varied greatly with a range of 32~112 mg/L，indicating a heavy pollution by organic matter.The content of TN and NH₄-N in reservoirs wetland was significantly lower than other water bodies，and the content of NO₃-N in core lakes was relatively high.The TP content in the living-polluted river was significantly higher，while DO content was significantly lower than other water bodies.The EI value of the lakes in the core area was up to 87.96，indicating a heavy eutrophication state; and the rivers in buffer area，the living-polluted rivers and the reservoirs showed a moderate eutrophication state.The C_N/C_P in the core area，the buffer rivers and the reservoirs was 34.33，21.00 and 25.34，respectively，all of which belonged to the phosphorus-restricted water bodies.The C_N/C_P value of the living-polluted rivers was 12.06，and the risk of cyanobacteria bloom was quite high. Conclusion On the whole，the risk of water quality deterioration in living-polluted rivers and lakes in core areas were relatively high，which needs to pay close attention in the future.

Graphical abstract

关键词

陈桥湿地 / 综合污染评价 / 水体富营养化评价 / 氮磷比

Key words

Chenqiao wetland / comprehensive pollution evaluation / water eutrophication evaluation / nitrogen-phosphorus ratio

湿地生态系统具有净化水质、抵御洪水、调节地下水量等水源调节功能^［1］，在维护生态平衡和保护生物多样性方面至关重要^［2］。湿地水是湿地形成、发展、演变与再生的核心，湿地水环境控制管理的重要依据是水质评价，评价结果可作为判定湿地健康状况的重要指标^［3］。水体富营养化是引起水质下降的一个重要因素，氮磷则是引起水体富营养化的主要限制因子^［4-5］。

随着我国经济发展、城市化水平的提高，大量的工业废水、生活污水未经处理即排入地表水，给地表水水质带来严重负担^［6-7］。近年来，国内外学者在地表水水质评价、水体富营养化方面开展了广泛研究^［8-11］。这些研究主要是对人工湿地^［12-13］，河流^［14］、湖泊^［15-16］等天然湿地的水质、氮磷污染和富营养化状态进行的，而对介于人工湿地和天然湿地之间的半人工湿地^［17］研究不多。半人工湿地连接着农田及田外水系，既是农田用水排放的初级汇合段，又是下游水体、物质的来源，同时还具有净化、蓄水、过滤、节流等多种生态功能。由于其水文环境的特殊性和植被生态特征的复杂性，对半人工湿地的水质评价和基于N/P比的水体富营养化风险情况研究也更为迫切。

鉴于此，本研究以陈桥黄河湿地为研究对象，先对研究区进行综合水质评价，在此基础上，结合区域内4种不同类型水体氮磷营养盐含量特征，对不同类型水体进行水体富营养化评价和水华爆发风险的评价，以期为陈桥湿地的生态环境质量评价和保护管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于新乡市封丘县陈桥镇黄河北岸背洼地滩涂地带，是新乡市国家级湿地鸟类自然保护区，北临农田，南靠黄河大堤，距黄河河道约700 m，总面积22 780 hm²，地理坐标N 34°53'13″~35°06'21，E 114°13'53″~114°52'30″，土壤整体呈碱性。研究区四季分明，年均气温14.1 ℃，年均降雨量604 mm^［18］，为典型的温带大陆性季风气候。湿地内滩涂、水域占主要地位，动植物多样性丰富，栖息着黑鹳（Ciconia nigra）、青头潜鸭（Aythya baeri）以及苍鹭（Ardea cinerea）等多种濒危珍稀鸟类。有油菜（Brassica napus）、芦苇（Phragmites australis）、荷花（Nelumbo nucifera）、菖蒲（Acaorus calamus）、异形莎草（Cyperus difformis）等多种植物，在科学研究、生物多样性保护、生态旅游等领域具有潜在价值。

1.2 水样采集

由于研究区内存在不同的水体类型，故根据研究区内水体类型并结合其水域面积、受人为干扰程度及植物分布状况，设置10个采样点。其中核心区湖泊和缓冲区河流各3个采样点，生活污染河和库塘各2个采样点（见图1），采样时间为2022年秋季。每个采样点内采集表面3 cm以下样本4、5个，混合后留取500 mL，倒入棕色玻璃瓶中，为防止样品在运输过程发生反应，在瓶中加入固定试剂，标号后装入低温箱储存，当天带回实验室分析。

1.3 水质检测指标和研究方法

1.3.1 水质检测指标

总氮（TN）、总磷（TP）、氨态氮（NH₄-N）、硝态氮（NO₃-N）、亚硝态氮（NO₂-N）、溶解氧（DO）、化学需氧量（COD）、pH、挥发酚、阴离子表面活性剂、铜、锌、铁、锰、铅、镉，均按国家标准进行^［19］。

1.3.2 综合污染指数评价法

根据《GB3838-2002 地表水环境标准基本项目标准限值》^［20］，对收集到的数据进行综合污染评价。综合污染指数评价法是一种以各单因子指标加入等权重水质指标的考核方法^［21］。本研究中综合污染指标评价项目选定COD、TP、TN、NH₄-N、挥发酚、阴离子表面活性剂、DO、pH值8项指标。其公式为：

P_T=\frac{{\sum }_{i-\mathrm{1}}^n{P}_{ij}}{n}（1）

式中：P_T表示综合污染指数，P_ij 表示第i个采样点的第j个污染物的污染指数；n表示参与评价的污染物数量。P_T≤0.5，清洁；0.5<P_T≤1.0，较清洁；1.0<P_T≤ 1.5，稍有污染；1.5<P_T≤2.0，中度污染；P_T>2.0，重污染。各指标因子污染指数P_ij 的计算公式包括非溶解氧指标、溶解氧指标、pH值3种计算方式^［22-23］。

非溶解氧污染指标计算公式为：

P_ij=\frac{C_{ij}}{S_{ij}}（2）

式中：C_ij 和S_ij 分别是第i采样点第j项指标的实测浓度和标准浓度。

溶解氧的单项污染指数计算公式为：

P_DOj=\frac{\left|D{O}_f-\left.D{O}_j\right|\right.}{D{O}_f-D{O}_S} （DO_j>DO_S ）（3）

P_DOj=10-\mathrm{9}\frac{D{O}_j}{D{O}_s} （DO_j<DO_S ）（4）

DO_f=\frac{\mathrm{468}}{\mathrm{31.6}+T}（5）

式中：DO_j 是j样点的溶解氧浓度（mg/L）；DO_f 是饱和的溶解氧浓度（mg/L）；采样时温度（T）为20.4，算得DO_f 为9mg/L；DO_s 是溶解氧的标准浓度（mg/L）。

pH值的单项污染指数公式：

P_pHj=\frac{\mathrm{7.0}-\mathrm{p}{\mathrm{H}}_{ij}}{\mathrm{7.0}-\mathrm{p}{\mathrm{H}}_{sd}} （pH≤7.0）（6）

P_pHj=\frac{\mathrm{p}{\mathrm{H}}_{ij}-\mathrm{7.0}}{\mathrm{p}{\mathrm{H}}_{sv}-\mathrm{7.0}} （pH>7.0）（7）

式中：pH _j 为j样点的pH值；pH_sd和pH_SV分别为水质量标准规定的pH最小值（6）和最大值（9）。

1.3.3 水体富营养化状态评价

从所检测指标中选取3个营养指标（TP、TN、NH₄-N）以及水生生物必需的溶解氧（DO）进行陈桥湿地不同类型水体的富营养化分析^［24］。表1中，TP、TN、NH₄-N、DO选取的质量浓度分级标准参考国外富营养化指标分级标准，并结合我国湖泊实况及富营养化状态而定^［25］。

将表1中４项指标的各级标准分指数值代入式8，可得到各评价指标富营养状态指数（I_j）值：

I_{\mathrm{j}}=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{1}/C_j(C_j>\mathrm{0}),\mathrm{对指}\mathrm{标}\mathrm{D}\mathrm{O};\\ (C_j/C_{jmax}{)}^{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}},\mathrm{对指}\mathrm{标}\mathrm{T}\mathrm{P}\mathrm{、}\mathrm{T}\mathrm{N}\mathrm{、}\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}-\mathrm{N}\end{array}\right.（8）

式中：C_j 为指标实测值，C_jmax为指标j的极富标准值。水体富营养化综合评价是将测量后计算出的多个指标评价指数通过公式运算，得出综合指数（EI），对水体的富营养化程度做出判断。本研究采用广泛适用于我国湖泊、库塘和河流水体富营养化评价的对数型幂函数普适指数公式，计算研究区不同类型水体富营养化综合指数，并依据富营养状态的分级标准（表2）评价各不同类型水体所处的营养状态^{［24，26］}。EI计算公式为：

EI=\mathrm{90.60}\times ({{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{W}_j{I}_j)}^{\mathrm{0.666}\mathrm{3}}（9）

式中：I_j为由式（8）计算得到的指标j的营养状态指数；W_j 为指标j的归一化权值，多数情况下，各指标可视作等权，故W_j ＝1/n，n为参与评价的指数数目，n=4。

2.2.4 水体中氮磷比值引发水华爆发风险的评价

水体中总氮与总磷质量浓度比是判断水体属氮限制还是磷限制的重要依据，可反映出浮游生物营养结构特点，可根据C_N/C_P的大小来判断水体是否适宜藻类生长，有没有藻类爆发性增长的风险^{［4，27-28］}（表3）。有研究表明浮游植物生长代谢的氮磷质量比为16∶1时最适宜藻类生长^［29］，也有研究认为当氮磷比值为12∶1时，水体中藻类生长最为活跃^［30］。当水体属磷限制水体时，较低的P含量水平可能抑制无机氮向有机氮转化，此时要控制氮的排放量，防止磷限制状态发生逆转；当水体的限制因子为氮时，藻类的生长表现出氮限制状态。

1.4 数据处理

采样点分布图选用ArcGIS10.3制作，采用IBM SPSS Statistics 21进行单因素方差分析；图表使用Origin 2021绘制。

2 结果与分析

2.1 陈桥湿地水体综合污染特征

由表4可知，参考地表水环境质量标准值^［20］，陈桥湿地水体中各种金属指标含量均不高，其中铜含量达到Ⅱ类标准；锌、铅、镉含量达到Ⅰ类水水质标准；铁、锰均达到标准值。由表5可知，研究区域TP处于0.02~0.12 mg/L范围内，均值为0.064 mg/L，大部分水体TP含量小于0.10 mg/L，达到Ⅱ类水标准。TN含量均值较高，达到1.351 mg/L，仅有一个水体达到Ⅱ类水标准，有5个水体为Ⅴ类标准。NH₄-N含量均值为0.436 mg/L，有5个水体为Ⅲ类水标准，其余水体为Ⅰ类和Ⅱ类水标准。各水体NO₃-N平均浓度为0.057 mg/L。各水体挥发酚、阴离子表面活性剂含量均不高，未对水体造成污染；COD总体偏高，均值达到62 mg/L，最小为32 mg/L，最高达到112 mg/L；DO各水体较为接近，均值为8.37 mg/L。

根据陈桥湿地水体各指标实测结果（表5）和公式（1）计算出湿地各采样点综合污染指数P_T（表6），由表6可知：陈桥黄河湿地水质总体较差，仅一个样点为较清洁水平，其余大部分样点为中度污染状态（1.5<P_T≤2.0）。

2.2 不同类型水体营养盐总体特征及水华爆发风险分析

2.2.1 不同类型水体N、P营养盐总体特征

图2显示，TN和NH₄-N质量浓度均表现为库塘湿地最小，分别为0.51 mg/L和0.12 mg/L，和其他3种类型水体差异显著，其他3种类型水体的TN和NH₄-N含量之间无显著差异。NO₃-N质量浓度以核心区湖泊最高，为0.082 7 mg/L，与库塘、生活污染河NO₃-N质量浓度存在显著性差异；缓冲区河流NO₃-N质量浓度与其余3种水体之间不存在显著差异。TP质量浓度各类型水体间均存在显著差异，以生活污染河最高，为0.11 mg/L，库塘最小，为0.02 mg/L。

2.2.2 DO、pH及COD质量浓度

由图3可知，不同类型水体DO浓度表现为核心区湖泊>库塘>缓冲区河流>生活污染河，核心区湖泊为9.05 mg/L，生活污染河为7.04 mg/L。生活污染河DO浓度显著低于其他3种类型水体。COD和pH在4种类型水体间均不存在显著差异，COD在58.00~72.00 mg/L之间，pH值在7.11~8.05之间。

2.2.3 不同类型水体富营养化与水华爆发风险的评价

图4显示，EI表现为核心区湖泊>生活污染河>缓冲区河流>库塘，核心区湖泊EI达到87.96，处于重富营养化并接近极富营养化状态；其余3种类型水体均处于中度营养化状态。氮磷比可反映出水体蓝藻水华爆发的风险，由图4可知，核心区湖泊C_N/C_P为34.33，为磷限制水体，水体中氮含量相对较高；缓冲区河流湿地和库塘湿地C_N/C_P分别为21.00和25.34，为磷限制水体，水体中磷含量相对不足；生活污染河氮磷比值为12.06，为氮限制水体，氮含量相对不足。除生活污染河水体外，其余区域水体限制因子均为P。

2.2.4 C_N/C_p与TN、TP的拟合程度

对氮磷比与总氮、总磷取对数后，进行线性拟合（图5），得出以下方程，lg（TN/TP）=-1.104 3 lg（TP）+ 0.097 0，R²=0.913 4，线性拟合程度较好，lg（TN/TP）=1.824 5 lg（TN）+0.870 2，R²=0.315 5，线性拟合程度相对较差。反映出陈桥黄河湿地水体氮磷波动主要受到TP调控，进一步支持了大部分水体类型属于磷限制水体的结论。

3 讨论

陈桥黄河湿地TN处于0.47~1.86 mg/L范围内，均值为1.351 mg/L，高于敦煌西湖湿地^［23］、宁夏阅海湿地^［32］，大部分样点均为IV或Ⅴ类水质，可能是由于周边农田施用的氮肥随地表径流进入湿地水体，加上丰水期的藻类大量繁殖，吸收了一定的氮素，后期随着降水减少，温度下降，引起藻类死亡，释放一定氮素，共同导致氮浓度上升^［33-34］。COD处于32~112 mg/L范围内，均值为62 mg/L，均劣于Ⅲ类标准，反映出湿地受有机污染较大^{［20，35］}；COD含量虽远小于包头市南海湿地^［36］、黄河兰州银滩湿地^［37］，但整体来说仍然稍高，可能是由于周边村庄生活用水排放、周边农田使用的有机农药和枯落物随地表径流进入湿地，引起水中有机物增多，加之研究区水流量较小，水体自净能力不高，进而导致水污染加剧。陈桥湿地DO含量处于6.57~9.27 mg/L范围内，均值为8.37 mg/L，略低于敦煌西湖湿地^［23］，远高于包头市南海湿地^［36］，这可能和陈桥湿地中有较多的水生植物有关，加上取样时温度不高，也会提高溶解氧的含量。综合污染指数表明研究区域内大部分水体处于中度污染状态。

对不同类型水体来说，湿地的植被状况、周边的土地利用状况、流速等水文条件均会影响湿地氮磷物质多少^［38-39］。本研究中，缓冲区河流植物较少，且河流的流经面广，接受外源污染的面较大，可能是缓冲区河流TN与NH₄-N的质量浓度较高的原因；而库塘湿地中，多生有芦苇、荷花等植物，且相对河流水体流量小、流速慢，虽流域广阔，能够接收到外源污染的面积更大，但部分污染物因水流速度缓慢而沉积到底泥中，一些作为营养物质被植物吸收^［40］，因此库塘湿地中TN和NH₄-N的质量浓度相对较小。由于采样时间处于深秋，水温较低，同时核心区湖泊水中溶解氧浓度较高，反硝化作用会受到较大抑制^［29］，这可能是导致核心区湖泊NO₃-N质量浓度较高的原因之一。

在地表水系统中，磷通常是水生植物生长的限制因素，过量的磷与氮一起成为水体富营养化产生的原因。不同的水体类型所处的地理位置不同，流量流速及外源污染进入量也不同^［41］。本研究中，生活污染河接受来自周边村庄的生活废水，加之深秋气温较低，水流量小，植物生长停滞，微生物活性降低。微生物分解死亡及水生植物代谢产生的物质均会增加水体中的TP浓度，这可能是导致生活污染河水体TP偏高的原因。缓冲区河流临近保护区且河流两岸生有芦苇等植物，能够吸收水体中的磷元素，使得缓冲区河流TP质量浓度相对较低。核心区湖泊相对于缓冲区河流而言，水生植物覆盖率更高，接受生活用水污染更少，植物吸收、微生物降解等作用更强^［42］，因而水体TP质量浓度含量相对较低。

生活污染河DO质量浓度显著低于其余3种类型水体，可能是因为该类型水体C_N/C_p（12.06）较低，接近水藻生长的最适氮磷比^［29-30］，蓝绿藻繁殖量大，其呼吸作用消耗大量的氧气，导致溶解氧质量浓度过低； 藻类大量死亡腐败并被微生物分解，消耗了大量的氧气，加速降低溶解氧含量^［43］。

相对充分的氮磷含量、低缓的流速、适宜的水温光照等，是蓝藻水华爆发的必要条件^［44］。理论上河流相较于湖泊水体流速更快，交换能力强，沉积物较少，不利于水藻生长。本研究中生活污染河氮磷比值为12.06，十分接近水藻生长的最适氮磷比值（12∶1），同时生活污染河水域窄、流速小，蓝藻水华爆发的概率较高。而核心区湖泊虽然富营养等级为重富营养化，但氮磷比值较高（34.33），TP含量低，限制了藻类的生长，因此核心区爆发水华可能性较低，但湖泊相对于河流水体富营养化敏感程度更高，水生态安全系数更低，后续需要对陈桥黄河湿地水质密切关注。

4 结论

水质的变化是多种因素共同作用的结果。本研究中，总体来说陈桥黄河湿地各代表性样点中重金属含量较低。综合污染指数虽表明大部分样点属于中度污染状态，对于单个指标来说，大部分样点TN污染程度较高，TP含量处于0.02~0.12 mg/L之间，该指标污染程度不大，COD含量差别明显，处于32~112 mg/L范围内，湿地受有机污染较大。4种水体类型中库塘湿地TN、NH₄-N含量显著较低，核心区湖泊NO₃-N含量相对较高；生活污染河TP含量显著高于其他水体类型、DO含量显著低于其他类型水体。核心区湖泊EI值为87.96，处于重富营养化状态；缓冲区河流、生活污染河、库塘湿地EI值分别为33.07、33.18、26.50，均处于中度营养化状态。

生活污染河水体氮磷比值为12.06，十分接近藻类生长的最适氮磷比，蓝藻水华爆发的风险较高，核心区湖泊、缓冲区河流、库塘水体氮磷比值分别为34.33、21.03、25.34，均为磷限制水体，水华爆发风险相对较低。

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基金资助

河南省科技攻关项目(222102320119)

河南省科技攻关项目(222102320196)

河南省科技攻关项目(222102320104)