陈俊伟 蒋荣复

(1.福建省莆田市城厢区气象局,福建 莆田 351100;2.福建省莆田市气象局,福建 莆田 351100)

0 引言

东圳水库位于莆田市城厢区常太镇东圳尾村木兰溪支流的延寿溪中游,涉及城厢区和仙游县的部分乡镇,是莆田市唯一一座集灌溉、防洪、发电、航运、养殖、游览等功能于一体的综合性多功能大型水库,同时也是莆田人民的“大水缸”和“生命线”工程,担负着供给莆田市工农业用水和生活用水的任务。水源地水质、饮用水安全与人体健康息息相关,是社会关注的热点。东圳水库集水面积321.23 km2,总库容4.35亿m3,正常蓄水位80.5 m,正常水位状态水库面积17.8 km2,多年平均径流量3.02亿m3。库区地貌以低丘陵和山间盆谷地为主,土壤以红壤和赤红壤为主,属亚热带海洋性季风气候,年平均气温20.7 ℃,年降水量1476.8 mm,月际变化较大,多集中于6—8月,易形成强降雨带。库区森林覆盖率85.6%,以人工次生林为主,但郁闭度仅有0.3,地表植被单一,水土保持能力弱,易受雨水冲刷引发各种自然灾害,影响水库水质[1-3]。近年来,由于地下水日益枯竭,我国南方地区河流和湖泊严重退化,水质性缺水更加突出。远离大城市的水库逐渐成为重要的饮用水水源,水库调水和蓄水对缓解城市供水矛盾起到至关重要的作用,并呈逐年增加的趋势[4]。水库生态系统与饮用水安全及经济可持续发展有着密切联系,尤其是担负着城市饮用水主要来源的水库,更需要监测、评估和研究。由水体富营养化带来的水质恶化和藻类季节性爆发是目前亟待解决的问题。氮磷是水体富营养化的主要营养物质,相关研究表明[5-6],水土流失、底泥内源释放、畜禽养殖业发展和大气干湿沉降对水体中的氮磷水平具有重要影响,过量的氮磷会显著影响自然生态系统的结构和功能,从而导致水体富营养化现象。

已有研究表明,强降雨对山区施肥后的地表上的氮磷有明显的淋溶作用,形成的径流带入大量氮磷,对水库氮、磷输入有决定性影响[7-10]。目前,针对气象因子对东圳水库影响的研究较少,因此,本研究以气象因子变化趋势为线索,探究季节交替、降雨量、相对湿度、日照时长对水体中氮磷含量的影响,以期为东圳水库的水质科学管理和饮用水安全保障提供理论依据和参考。

1 数据来源和研究方法

1.1 数据来源

观测期采用的气象数据来自莆田市气象局;水环境监测数据来自莆田市环境监测站,每年监测12次,包括pH值、溶解氧、总氮、氨氮、总磷、COD、BOD5、高锰酸盐指数等指标。

1.2 研究方法

本文重点研究观测期间气象因子(降雨量、相对湿度、日照时长)与总氮(TN)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)的关系,进行线性分析,判断拟合优度,从而得出气象因子与TN、NH3-N和TP的相关性程度。

2 结果与讨论

2.1 观测期间气象因子的变化

如图1所示,气象因子观测期从2019年3月至2021年2月,观测期间研究区域年均降雨量为1210.8 mm,年均温度为21.9 ℃,夏季高温多雨,冬季温和少雨,年均相对湿度为72.2%,全年相对湿度较高,月均日照时长为145 h。从降雨季节分布来看,春季、夏季、秋季和冬季的降雨量分别为469.1、510.0、108.9、122.6 mm,由于受到汛期和台风影响,降雨主要集中在春季和夏季,两季降雨量占全年总降雨量的80.9%。

图1 2019年3月至2021年2月莆田东圳水库降雨量、温度、相对湿度与日照时长月分布

2.2 降雨量对水体中氮磷的影响

图2为观测期间降雨量与水体中TN、NH3-N和TP的浓度变化。如图所示,观测期间最大降雨量出现在2019年6月(306.1 mm),最小降雨量出现在 2019年11月(1.3 mm)。从季节分布上看,夏季降雨量最多(510.0 mm),占全年总降雨量的42.1%,秋季最少(108.9 mm)。在观测期间,东圳水库水体中TN最大浓度出现在2019年8月(1.1 mg·L-1),最小浓度出现在2021年2月(0.54 mg·L-1),NH3-N最大浓度出现在2020年12月(0.31 mg·L-1),最小浓度出现在2019年4月(0.03 mg·L-1);TN季平均浓度变化为夏季(0.95 mg·L-1)>春季(0.86 mg·L-1)>秋季(0.83 mg·L-1)>冬季(0.76 mg·L-1),NH3-N季平均浓度变化为秋季(0.14 mg·L-1)=冬季(0.14 mg·L-1)>夏季(0.12 mg·L-1)>春季(0.06 mg·L-1),TP浓度未发生明显变化。

图2 2019年3月至2021年2月莆田东圳水库降雨量与水体中TN、NH3-N和TP的浓度变化

图3为降雨量与水体中TN、NH3-N和TP浓度的相关性分析,结果表明,降雨量与东圳水库水体中的TN浓度呈正相关(R2=0.16),与NH3-N浓度呈负相关(R2=0.11),与TP浓度没有明显的相关性。如在2019年夏季(2019年6—8月)和2020年夏季(2020年6—8月)降雨量分别为537.1 mm和483.0 mm,TN和NH3-N平均值为0.95 mg·L-1和0.12 mg·L-1,而TN均值(0.76 mg·L-1)较低时,观测期间冬季降雨量分别仅有161.5 mm和83.7 mm,此时NH3-N均值达到0.14 mg·L-1。

图3 降雨量与水体中TN、NH3-N和TP浓度的相关性

究其原因,一是库区无序开垦山地建果园并大量施用化肥,从而引发水土流失,导致未被吸收的化肥进入水体污染水库。相关资料表明[1-3],东圳水库所在地的常太镇果园面积达5500公顷,由于缺乏合理规划和技术指导,在果园开垦过程中对天然植被造成毁灭性破坏,造成山地土质疏松,地表裸露,水土保持能力大幅度降低,在汛期(4—9月)暴雨冲刷下发生大面积水土流失,每年约有11～18 t的氮肥流失进入水库水体;二是畜禽养殖的影响,附近的原住民大多散养猪、牛、鸡、鸭,由于缺少规模化的养殖管理,含有高浓度氮的畜禽排泄物几乎未经处理便经径流进入水库,造成TN浓度不断增加。这表明降雨对水体中氮磷水平的影响可分为两方面,一方面,降雨会带入大量的氮磷及污染物,增加水库的氮磷水平;另一方面,持续且大量的降雨又会稀释湖库中的氮磷等物质浓度[11-14]。

与水体中TN浓度的变化规律相反的是,NH3-N的浓度与降雨量呈负相关。由于水库周围果园施用的化肥以硝态氮为主,淋溶作用不仅无法增加水库中NH3-N的浓度,大量的降雨反而稀释了NH3-N的浓度。在汛期结束降雨量减少时,水库底泥中微生物的反硝化作用增强,导致TN浓度降低,NH3-N浓度上升[15]。此外,在观测期间未发现降雨量与TP有明显的相关性。

2.3 相对湿度对水体中氮、磷的影响

图4为观测期间相对湿度与水体中TN、NH3-N和TP的浓度变化。结果显示,观测期间最大相对湿度出现在2019年6月(88%),最小相对湿度出现在 2019年11月、2020年10月和2021年1月(60%)。从季节分布上看,春夏两季相对湿度较高,秋冬两季相对湿度较低。

图4 2019年3月至2021年2月东圳水库相对湿度与水体中TN、NH3-N和TP的浓度变化

相对湿度是反映空气中水汽含量的一个物理量,由图4可以看出,水体中TN浓度变化趋势与相对湿度有大致相同。相关研究表明,相对湿度主要通过影响大气中干湿沉降来影响水体中氮的浓度,当相对湿度在50%～90%时,大气中氮的干湿沉降负荷量与相对湿度成反比。产生这一现象的原因可能是在相对湿度较大时,大气中含氮颗粒污染物会附着在水汽中,从而降低颗粒污染物的干湿沉降速率[16]。已有研究表明,当相对湿度较高时,空气中水汽较多,会使颗粒污染物附着并悬浮在空气中,从而减少大气中氮的干湿沉降负荷量[17]。因此,空气中氮的干湿沉降负荷量与相对湿度呈负相关。此外,在观测期间未发现相对湿度与TP有明显的相关性。

2.4 日照对水体中氮、磷的影响

图5为观测期间日照时长与水体中TN、NH3-N和TP的浓度变化。结果显示,观测期间日照时长最长为夏季,月平均日照时长178.6 h,而春季相对较短,月平均日照时长118.6 h。其中,日照时长最长的月份出现在2020年7月(228 h),日照时长最短的月份出现在2020年12月(82.2 h)。王炜等[18]研究发现,千岛湖的蓝藻密度与水温、pH、氮磷浓度显著正相关。温度、日照等气象因子对东圳水库浮游植物的生长、季节演替有重要影响,日照时长可以影响浮游植物的生命活动,也可通过热量交换和辐射等方式改变水温,从而影响水中浮游植物。当氮磷营养盐水平适宜,日照充足时,有利于水中浮游植物的生长。由图5可知,东圳水库日照时长呈夏季较多、冬季较少的变化趋势,因此,日照时长与东圳水库水体中的TN浓度呈正相关,与NH3-N浓度呈负相关,未发现与TP浓度有明显的相关性。但氮浓度受降雨量影响较为显著,日照时长对其影响较小,这也与范志伟等[19]的研究结果相符。

图5 2019年3月至2021年2月东圳水库日照时长与水体中TN、NH3-N和TP的浓度变化

3 结论

①2019年3月至2021年2月期间,东圳水库年平均降雨量为1210.8 mm,主要集中在春季和夏季,降雨量集中度较高;年平均相对湿度为72.2%,其中,春季和夏季相对湿度较高,说明当降雨量较多时,相对湿度也随之升高;月平均日照时长为145 h,其中,夏季月平均日照时长最长,可达178.6 h。

②东圳水库TN、NH3-N的浓度季节性变化较为明显,其中,TN浓度变化表现为夏季(0.95 mg·L-1)>春季(0.86 mg·L-1)>秋季(0.83 mg·L-1)>冬季(0.76 mg·L-1),NH3-N浓度变化表现为秋季(0.14 mg·L-1)=冬季(0.14 mg·L-1)>夏季(0.12 mg·L-1)>春季(0.06 mg·L-1),TP浓度未发现明显变化。强降雨会使水库中TN的浓度升高,NH3-N的浓度降低。

③降雨量与TN浓度呈正相关(R2=0.16),降雨量越大,淋溶作用越明显,形成的径流将大量的氮带入水库,提高了水库中的TN浓度;降雨量与NH3-N呈负相关(R2=0.11),流入水库的大量径流稀释了NH3-N的浓度;未见降雨量与TP浓度有明显关系。相对湿度主要通过影响大气中干湿沉降来影响水体中NH3-N的浓度,当相对湿度在50%～90%时,空气中NH3-N的干湿沉降负荷量与相对湿度呈负相关。降雨能为水库带来大量径流,同时也能影响相对湿度。因此,降雨量是影响东圳水库水体中TN、NH3-N浓度的主要气象因子。