洞庭湖源头流域典型塘库水体...H、DO及水温昼夜变异特征_杨文.pdf

第32卷第2期2023年2月长江流域资源与环境esources and Environment in the Yangtze BasinVol32 No2Feb 2023洞庭湖源头流域典型塘库水体氮磷组分、pH、DO 及水温昼夜变异特征杨文1，2，周脚根1，3*，张文钊3(1 江苏省塘库智能监测与水环境生态管控工程研究中心，淮阴师范学院，江苏 淮安 223300;2 湖南师范大学地理与科学学院，湖南 长沙 410081;3 中国科学院亚热带农业生态研究所，湖南 长沙 410125)摘要:池塘和小水库(塘库)是洞庭湖流域分布广泛的小型水体，理解塘库氮磷水质昼夜变化规律有助于辅助制定洞庭湖流域精细的水质观测与污染防控方案。以洞庭湖农业源头流域金井小流域 4 种典型土地利用景观塘库为研究对象，研究塘库水体理化性质和氮磷组分昼夜变异规律。结果表明:塘库周边土地利用景观类型不仅显著影响塘库水体 pH、溶氧(DO)和水温(t)的昼夜变化，而且造成了塘库氮磷组份含量及氮磷计量比差异。居民区、农田和茶园 3 种景观型塘库水体 pH、DO 及 t 昼夜变化明显，曲线呈现倒 U 型;但观测期内 4种景观类型塘库氮磷组分含量昼夜变化相对不明显。居民区、农田及茶园型水体氮磷总量(TN、TP)、溶解态氮磷(TDN、TDP)和颗粒态氮磷(PN、PP)含量显著高于森林型塘库的。并且，水体不同氮磷组分的生态化学计量比值(TN TP、TDN TDP、PN PP)大小排序为:森林(TN TP:67.97，TDN TDP:65.12，PN PP:74.13)茶园(TN TP:30.03，TDN TDP:15.10，PN PP:52.95)农田和居民区(TN TP:19.40 和16.21，TDN TDP:23.31 和 11.91，PN PP:18.83 和 21.36)，这表明农业土地利用/生活污水排放导致研究区塘库水体氮磷营养状态由自然状态下受磷素限制向人为扰动下受 N 素限制转化。水体取样时间间隔不超12 h，更有助于理解塘库水质变化规律;加强居民区和农田景观型塘库水质管理，减少磷素污染物输入塘库，有助于洞庭湖流域塘库水体磷素污染防控。关键词:源头流域;塘库;氮磷组分;氮磷生态化学计量;土地利用中图分类号:X52文献标识码:A文章编号:1004-8227(2023)02-0384-10DOI:10.11870/cjlyzyyhj202302014收稿日期:2022-04-14;修回日期:2022-06-14基金项目:国家自然科学基金项目(41877009);淮安自然科学基金项目(HABL202105)作者简介:杨文(1990)，女，硕士研究生，主要研究方向为区域环境与生态修复 E-mail:*通讯作者 E-mail:世界范围内水体面积小于 0.1 km2的内陆水体约占全球地表水面积 30%，数量上是内陆水体的主要类型1。池塘和小水库(塘库)是内陆小水体的重要组成部分，并提供重要的生态服务功能2。塘库不仅能够有效控制非点源污染，还具有防洪、灌溉、娱乐以及增加生物多样性等功能3，4。在全球气候变化和快速城市化背景下，很多池塘被填埋转变为居住用地、交通用地等其他土地利用类型46，池塘湿地数量和面积不断减少，其 蓄 洪 抗 旱、截 污 去 垢 等 生 态 功 能 退化7。此外，农业生产、生活污水排放以及渔业养殖饲料投喂等使得塘库水体中过量氮磷污染物逐渐累，使得塘库水体发生不同程度富营养化或水质恶化8;这导致塘库生态系统不仅未起到截留消纳流域面源污染物的作用，反而成为流域下游水系污染源9。如何有效保护塘库生态环境已经成为当前国内外湿地保护研究的热点问题。英国、爱尔兰等欧洲国家早在上世纪 60 年代开始将塘库等小水体纳入湿地恢复和保护。2018 年中国向湿地公约 第十三次缔约国大会提交“小微湿地保护管理”决议草案，呼吁全球范围内关注小微湿地保护。尽管当前国内已经塘库湿地纳入小微湿地保护和管理范畴，但是国内小型水体氮磷水质研究多集中在一些特定区域1012 或者功能性塘库水质氮磷污染状况及其成因，涉及不同景观型塘库水质比较的研究报道不多。例如，太湖流域养殖池塘在河蟹育肥期(910 月)水体 TN、TP 和 NH3N 劣于国家地表水环境质量标准 V 类水标准，需重点关注育肥期池塘水质的控制12。此外，一些研究也发现:塘库水体氮磷浓度或负荷受塘库水体叶绿素 a 含量13、池塘底栖动物群落特征14、不同工时养水机15 和养殖池塘类型规模16 等因素影响，且季节变化和水温对水体营养盐浓度也有显著影响17。总体上，现有塘库氮磷水质研究多以月、年等长时间观测尺度为主1218，以天及更短时间尺度上塘库水质变化的研究报道较少。实际上，由于分布广泛和蓄水量相对小，塘库水质极易受气候、微地形以及周边土地利用景观等因素影响5，塘库水质整体上呈现复杂的时空变异性。科学理解塘库氮磷水质变异机制，需要在更广泛的空间和更精细的时间尺度上开展塘库水质观测研究。洞庭湖是中国第二大淡水湖，也是国家重点生物多样性保护和世界淡水鱼类优质种资源基因库。近几十年来，伴随湖区经济快速发展和人口剧增长，洞庭湖水体富营养化加剧18，19。入湖水体氮磷背景值对洞庭湖水体富营养化影响重大20，强化洞庭湖流域氮磷面源污染控制，已成为保障洞庭湖水生态环境健康及流域持续发展重要举措21，源头流域是开展面源污染治理的最佳地理单元22，塘库是流域面源污染拦截和消纳的重要水系节点。理解洞庭湖源头流域塘库水质昼夜变异规律，有助于洞庭湖流域水体富营养化污染防控。因此，本研究以洞庭湖地区典型农业源头流域金井小流域为研究区，选择 4 种典型土地利用景观型塘库为研究对象，开展氮磷组分含量和水体理化指标(pH、DO 及水温)昼夜变异特征，为辅助制定洞庭湖流域精细的塘库水质观测与污染防控方案提供数据和技术支撑。1材料与方法1.1研究区概况本研究以亚热带洞庭湖上游农业源头流域金井小流域为研究区。该流域位于湖南省长沙县金井镇，地处 11256E 11330E、2755N 2840N，流域面积 105 km2。该流域属亚热带湿润季风气候，年降水量 1 2001 500 mm，年均气温 17.2;海拔 56.0 434.8 m，为亚热带典型红壤丘陵地貌。研究区为典型农业小流域，土地利用方式以林地、农田、旱地、居民地以及水域为主，农业种植及养殖是引发研究区地表水氮磷污染的重要因素23，24，是典型的农业源头流域。1.2样点布设与样品分析采用研究区 2016 年 12 月的高分辨率彩色影像(空间分辨率 0.5 m)，借助 ArcGIS 软件完成研究区内森林、农田、居民区、池塘、水库及道路等土地利用要素的目视解译与矢量图层输出。综合野外实地调查和影像解译结果，发现研究区塘库分布密集，密度达 19 个km2，并且塘库周边土地利用景观类型以农田、居民区、茶园和森林为主。前期研究结果也显示，农业土地利用类型是影响研究区塘库氮磷水质差异的关键因素2。因此，本研究选取了研究区农田(P42)、居民区(P9)、茶园(P43)和森林(P2)4 个典型土地利用景观类型塘库为研究对象(图 1)。图 1金井小流域土地利用类型及采样点分布图Fig.1Spatial distribution of land use and samplingpoints in small watershed of Jinjing选择在生物生长旺盛以及农业用水活跃的夏季，开展塘库水质昼夜变化取样观测，具体观测时间为 2018 年 8 月 20 日 9 时至 2018 年 8 月 21日 9 时。观测期内人员分为 4 组，通过同步取样以保证观测结果的一致性。塘库水体 pH、DO 及水温 t，用便携式哈希 HI8320 多参数水质分析仪每间隔 2 h 进行原位测定;每间隔 6h 采集一次塘库表层水样(050 cm)。采集后的水样于 48 h 内583第 2 期杨文，等:洞庭湖源头流域典型塘库水体氮磷组分、pH、DO 及水温昼夜变异特征完成了氨态氮(NH4+N)、硝态氮(NO3N)、溶解态氮(TDN)、总氮(TN)、溶解态磷(TDP)、总磷(TP)含量测定。氮磷各项指标浓度皆采用国家标准方法测定:每个样品均匀分成两部分，一部分水样采用碱性过硫酸钾消解连续流动分析仪(AA3)法测定 TN，用过硫酸钾消解钼锑抗显色紫外分光光度(UV2450)法测定 TP;一部分水样用 0.45 m 滤膜过滤后采用流 动 分 析 仪(AA3)法分析 NH4+N、NO3N 和 TDN，及钼锑抗显色紫外分光光度(UV2450)测定 TDP。无机氮(DIN)和颗粒态氮磷含量通过间接方法获取:DIN 含量为 NH4+N 与 NO3N 含量加和，PN 含量为 TN 与 TDN 含量的差值，PP 含量为 TP 与TDP 含量的差值23，25，26。SPSS18.0 软件用于方差分析(ANOVA)和多重比较(LSD)，并利用 F 分布进行统计检验。2结果分析2.1塘库水体 pH、DO、水温与氮磷组份描述性统计2.1.1塘库水体 pH、DO、水温描述性统计特征4 种不同土地利用景观型塘库水体 pH 值、DO 含量及水温 t 具有较大差异(表 1)。居民区塘库水体 pH 值(8.5)显著高于农田、茶园和森林型塘库的(7.17.4)。塘库水体 DO 含量差异明显，按大小排列为:居民区(11.62 mgL1)森林(8.61 mgL1)农田(7.47 mgL1)茶园(6.33 mgL1)。塘库水温 t 均值为 18.2，并且茶园景观型塘库水温(17.1)显著低于其它 3个塘库水温(18.8 19.3)。表 1塘库水体理化指标描述性统计Tab.1Descriptive statistics of physical andchemical indicators of pond and reservoir water编号周边景观pH溶解氧 DO(mgL1)水温 t()P43茶园71(02)b633(122)bc171(07)bP42农田74(07)b747(217)bc190(13)aP9居民区85(06)a 1162(319)a193(09)aP2森林73(02)b861(033)b188(08)a均值76(07)850(280)182(13)注:同一列数据标有不同字母的表示不同景观型池塘该列指标统计差异达到显著水平(p005)2.1.2塘库水体氮磷组份描述性统计特征4 种不同土地利用景观型塘库水体氮磷总量(TN、TP)、溶解态氮磷(TDN、TDP)和颗粒态氮磷(PN、PP)有较大差异(表 2)。除 NO3N外，居民区景观型池塘氮磷各组份含量(NH4+N1.17 mgL1、DIN 1.24 mgL1、TDN 2.00 mgL1、PN 2.99 mgL1、TN 4.99 mgL1、TDP 0.37 mgL1、PP 0.31 mgL1和 TP 0.68 mgL1)明显高于其他 3 个景观型池塘;森林景观型塘库水体氮磷组份含量(NH4+N 0.17 mgL1、TDN 0.70 mgL1、PN 0.41 mg L1、TN 1.11 mg L1、TDP0.02 mgL1、PP 0.01 mgL1和 TP 0.04 mgL1)低于其他 3 个景观型池塘，且差异性显著。根据地表水环境质量标准(GB 38382002)评估塘库水质状况，居民区景观型塘库氨氮(1.17 mgL1)为 IV 类水质，其余塘库(0.130.45 mgL1)为II 类以上;森林景观型塘库总磷(0.04 mgL1)为 II 类和总氮(1.11 mgL1)为 IV 类，茶园景观型塘库总磷(0.20 mgL1)为 III 类，其他塘库水体氮磷指标为 V 类或劣 V 类。表 2塘库水体氮磷描述性统计特征(mgL1)Tab.2Descriptive statistics of N and P component concentrations in pond and reservoir water(m