马翔宇,闫 峰

(南昌大学 建筑工程学院,南昌 330031)

0 引 言

氨氮对水生生物有急性毒害效应和慢性毒害效应[8]。世界各国都相继制定了氨氮的急性和慢性水生生物标准。2013年,美国环境保护局(U.S.Environmental Protection Agency,USEPA)制定的急性和慢性水生生物标准为,在pH值7.0和温度20 ℃时,氨的浓度为17和1.9 mg/L[3]。澳大利亚和新西兰建议的NH3慢性水生生物标准为:当pH值为8.0时,氨氮浓度0.03 mg/L[9]。加拿大推荐的NH3慢性水生生物标准为0.019 mg/L[10]。氨氮是《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)[11]的基本项目之一,也是中国水环境主要污染物排放总量控制的约束性指标之一。相关研究建议评估水生生物标准应更多的基于风险,同时考虑接触程度和可能性[12-13]。

鄱阳湖位于江西省北部,是中国最大的淡水湖之一[14]。流域面积可达162 225 km2[15]。平均水深为14～15 m。鄱阳湖属于典型的亚热带季风性气候,年平均气温为16.6～18.0 ℃。7月份的平均最高气温记录为37 ℃,1月份的平均最低气温记录为-3 ℃[16]。近年来,随着鄱阳湖流域内工农业现代化和城镇化的快速发展,大量氨氮因地表径流的作用,随河网汇入鄱阳湖,造成鄱阳湖水质的持续恶化[17]。遗憾的是,氨氮生态风险评估在鄱阳湖的地方管理中常被忽视,目前鄱阳湖生物多样性不断下降,凸显了对鄱阳湖氨氮水生生物生态风险评估的紧迫性。因此,考虑季节变化,评估氨氮的长期和短期水生生物生态风险,对鄱阳湖的生态保护具有重要意义。

本研究首次基于2020年4月生态环境部颁布的《淡水水生生物水质基准—氨氮》[18],结合风险商模型和鄱阳湖流域PYH1—PYH6测站的水质监测资料,对2018年鄱阳湖的季节性氨氮水生生物生态风险进行评估,为鄱阳湖的生态保护提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 采样和水参数监测

本研究的数据集源自2018年在鄱阳湖PYL01-PYL06测站的0.5 m深处采取水样(见图1)。采样和监测的频率为3个月,样品的采集和分析均符合国家标准。测量水质参数包括pH值、水温、溶解氧、氨态氮等。

图1 鄱阳湖的地理位置及PYL01—PYL06采样点的具体地点Fig.1 Geographical location of Poyang Lake and specific locations of sampling sites PYL01-PYL06

1.2 氨氮的时空水生生物生态风险评估

1.2.1 氨氮的特异性水生生物水质基准的获取

本研究中,氨的毒性数据来自中国生态环境部在2020年4月颁发的《淡水水生生物水质基准—氨氮》。该水生生物水质基准只提供了部分有限离散水温和pH值的氨氮毒性数据。本研究对《淡水水生生物水质基准—氨氮》提供的短期水生生物水质基准(Short-term Water Quality Criteria for the protection of aquatic organisms,SWQC)和长期水生生物水质基准(Long-term Water Quality Criteria for the protection of aquatic organisms,LWQC)分别进行线性插值,从而推算PYL01—PYL06测站在春季、夏季、秋季、冬季的特定温度和pH值下的氨氮生态安全基准值。

1.2.2 氨氮的水生生物生态风险评估

本研究采用风险商(Risk Quotient,RQ,如式(1))对鄱阳湖的氨氮水生生物生态风险进行评估。风险商等于测量的接触浓度(Measured Exposure Concentration,MEC)除以水生生物水质基准。RQ ≥1 (“高”风险), 0.3

RQ=MEC/WQC 。

(1)

式中WQC为水生生物水质基准。

由于氨氮的生态安全基准被划分为SWQC和LWQC;相应的,根据评价基准的区别,氨氮的风险商被分为短期水生生物生态风险(Short-term Risk Quotient,SRQ)和长期水生生物生态风险(Long-term Risk Quotient,LRQ),它们分别用于评估氨氮的急性毒性和慢性毒性。

2 结果与讨论

2.1 氨氮的季节性时空分布规律

本研究收集了2018年氨氮的暴露数据。图2展示了鄱阳湖水体的氨氮季节性分布规律。其氨氮浓度范围和均值如表1所示。

表1 鄱阳湖各季节的氨氮浓度Table 1 Ammonia nitrogen concentration in Poyang Lake in each season

图2 鄱阳湖氨氮浓度的季节性时空分布Fig.2 Seasonal distribution of ammonia nitrogen concentration in Poyang Lake

总的来看,鄱阳湖的冬季氨氮浓度水平最高。冬季的氨氮浓度为秋季氨氮浓度的3.4倍。研究表明,冬季温度较低,降低了调节氮转化的微生物的活性,导致排入自然水域的含氮污水的挥发率降低[20-21];冬季河水水位较低,较低的水位减少了水体对废水的稀释作用,可能导致冬季氨氮的浓度高于其他季节[20]。

鄱阳湖的秋季的氨氮浓度最低。研究表明,含氮废水,农业生产的径流作用等人为因素也会影响氨氮的季节性浓度的分布[22-23]。在雨季,农业氨的输入量更大[24]。鄱阳湖氨氮的季节性浓度模式的改变更多的受人为因素的影响。

根据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)[11],我国地表水被划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级。其中Ⅱ和Ⅲ类水适宜水生生物的生存。结合鄱阳湖水体的氨氮浓度可知,鄱阳湖春、夏、秋季的氨氮浓度均符合Ⅱ级水体质量的要求,而在冬季鄱阳湖的氨氮浓度上升,符合Ⅲ级水体质量的要求。

2.2 水温和pH值的季节性时空分布规律

图3和图4分别展示了鄱阳湖水体的水温和pH值季节性分布规律。各季节水温和pH值的范围和均值如表2所示。

图3 鄱阳湖水温季节性时空分布Fig.3 Seasonal distribution of water temperature in Poyang Lake

图4 鄱阳湖pH值的季节性时空分布Fig.4 Seasonal distribution of pH value in Poyang Lake

表2 鄱阳湖各季节的水温和pH值Table 2 Water temperature and pH value of Poyang Lake in each season

总的来看,鄱阳湖水体的水温呈现明显的冬冷夏暖的趋势,符合亚热带湿润季风区的一般性规律。该区域夏季受来自海洋的暖湿气流的影响,高温潮湿,冬季受大陆干冷气流的影响,寒冷干燥[25]。由图3可知,在春季,鄱阳湖北部水温比南部的水温低;在夏季,鄱阳湖的水温分布较为平均,且呈现北部水温比南部水温略高的趋势;在秋季,鄱阳湖的水温分布呈中部高,四周低的趋势。且北部水温略低于南部水温;在冬季,鄱阳湖的水温自北向南成递增的趋势。

鄱阳湖在各季节的水温随地理位置的变化也存在一定的变化规律。鄱阳湖地区的水温在四季均呈现自北向南逐渐变化的趋势。其中在春、秋、冬季自北向南逐渐升高,表示鄱阳湖的水温在春季,秋月和冬月的水温受纬度的影响较大。在夏季,鄱阳湖的水温的变化范围仅有1.33 ℃,但呈现自北向南逐渐递减的趋势。这可能是因为鄱阳湖夏季的降水量多和水在高温下的蒸发量大带走更多热量的共同作用所导致。

鄱阳湖夏季的pH值平均值最高,春季的pH值平均值最低。在春季、秋季和冬季,鄱阳湖各测站的pH值呈现中性范围内的小幅度变化的趋势。在夏季,鄱阳湖北部呈现pH值大幅度升高至弱碱性的现象。鄱阳湖北部的pH值较高,可能与水体中水生植物的光合作用强度有关。在水生植物生长的夏季,白天水生植物的光合作用较强,产生了大量了溶解氧,并且降低了二氧化碳的浓度。二氧化碳的减少改变了自然水体的碳酸平衡,导致pH值的升高[26]。结合溶解氧的监测数据可知:在夏季,鄱阳湖北部的溶解氧含量较高,表示鄱阳湖北部的水生植物光合作用更强,进而导致该处pH值较高。

由图4可知,鄱阳湖春季的pH值自北向南呈降低的趋势;在夏季,鄱阳湖的pH值未表现出一定的变化规律;在秋季,鄱阳湖自北向南的pH值呈升高-降低的趋势;在冬季,鄱阳湖的pH值自北向南呈降低的趋势,且变化幅度最小。总的来说,鄱阳湖的pH值地理分布特征并未呈现出明显的季节性变化规律。这主要是因为致使pH值变化的因素较多,离子体系,溶解气体等均可能对pH值造成影响。

2.3 SWQC和LWQC的季节性时空分布规律

图5、图6展示了鄱阳湖的SWQC和LWQC的各季节分布规律。SWQC和LWQC在各季节的分布范围和均值如表3所示。

表3 鄱阳湖各季节的SWQC和LWQC Table 3 SWQC and LWQC of Poyang Lake in each season

图5 鄱阳湖SWQC的季节性时空分布Fig.5 Seasonal distribution of SWQC in Poyang Lake

图6 鄱阳湖LWQC的季节性时空分布Fig.6 Seasonal distribution of LWQC in Poyang Lake

水温和pH值是影响某个地区的水生生物水质基准的重要影响因素,因此,鄱阳湖各季节的SWQC和LWQC随地理位置的变化同样存在一定的变化规律。由图5可知,鄱阳湖春季的SWQC自北向南呈增加的趋势,变化幅度大约是5 mg/L。在春季中,鄱阳湖的水温自北向南逐渐增加,而pH值呈现相反的趋势。在夏季,鄱阳湖的SWQC未呈现出一般性规律。但是,受高温和pH值升高的共同影响,鄱阳湖在夏季的SWQC变化幅度达到了约8 mg/L,且鄱阳湖北部在夏季的SWQC极低,表明该区域内氨氮的毒性较大,水生生物对氨氮毒性的耐受程度进一步降低。在秋季,鄱阳湖的SWQC呈北部低,中部、南部较高的趋势,变化幅度约为6 mg/L。在冬季,鄱阳湖的SWQC呈现自北向南逐渐增加的趋势。总的来看,鄱阳湖地区在各季节的SWQC与水温呈现相似的随地理位置变化的趋势,但是与pH值随地理位置变化的趋势相反,这表明在鄱阳湖地区,SWQC受pH值的影响较大,且随pH值的增加,SWQC逐渐减小。

在各季节中,鄱阳湖的LWQC与SWQC呈现相似的变化规律,表示鄱阳湖地区的LWQC同样受pH值的影响较大,且与pH值呈相反的变化趋势。鄱阳湖地区的LWQC在各季节的变化幅度均<1 mg/L,表明鄱阳湖地区全域的LWQC较为平均。但是,相比氨氮对水生生物的急性毒害效应,氨氮对水生生物的慢性毒害效应在更低的浓度下即可显现。因此,环保部门应当加强对鄱阳湖地区氨氮浓度的监测和长期水生生物生态风险的管控。

2.4 SRQ和LRQ的季节性时空分布规律

采用风险商模型对鄱阳湖各季节的氨氮风险进行评估。图7、图8展示了鄱阳湖的SRQ和LRQ的季节分布规律,各季节的风险商范围和均值以及风险等级如表4所示。

图7 鄱阳湖SRQ的季节性时空分布Fig.7 Seasonal distribution of SRQ in Poyang Lake

图8 鄱阳湖LRQ的季节性时空分布Fig.8 Seasonal distribution of LRQ in Poyang Lake

表4 鄱阳湖各季节的SRQ和LRQ Table 4 SRQ and LRQ of Poyang Lake in each season

由图7可知,在春季和夏季,鄱阳湖全域的SRQ均维持在一个较低的水平。且未呈现出随地理位置变化的趋势。在秋季和冬季,鄱阳湖的SRQ呈现出自北向南小幅度递减的趋势,这表示在季节中,鄱阳湖的急性水生生物生态风险始终维持在一个较低的水平。但需要注意的是,随着枯水期到来,冬季的SRQ小幅度增加,且呈现随地理位置改变的规律。这主要是因为随着水位降低,氨氮浓度提升,进而造成氨氮水生生物生态风险的提高。这种变化趋势需引起环保部门的重视。

结合图8可知,在春季和夏季中,鄱阳湖地区的LRQ均呈现自北向南小幅度增加的趋势。但是,在夏季,鄱阳湖地区全域的LRQ均超过环境容许值,这表明鄱阳湖夏季的氨氮对水生生物的慢性毒害效应已经达到较为明显的水平。在秋季,鄱阳湖地区的LRQ呈自北向南升高-降低的趋势,且水生生物生态风险均在环境容许值的范围内。在冬季,鄱阳湖地区的LRQ自北向南呈现降低的趋势,这主要是因为鄱阳湖地区在冬季的LRQ受冬季氨氮浓度升高的作用更多导致。

总的来看,鄱阳湖的春季,秋月和冬月的氨氮水生生物生态风险均在合理范围内。其中冬季的LRQ均值为0.63,呈现“中”风险,这表示鄱阳湖冬季的氨氮水生生物生态风险虽然未超过环境容许值,但不可忽略。值得注意的是,鄱阳湖在夏季的LRQ>1,表示鄱阳湖夏季的氨氮长期水生生物生态风险已超过环境容许值。其中PYH2测站的夏季的SRQ和LRQ为1.02和5.97,均呈现“高”风险,这主要是因为在水温相近的情况下,该测站的pH值远高于其他测站导致。此外PYH4测站在夏季的LRQ>1,这同样是因为该测站的pH值较高导致的。加强对鄱阳湖地区pH值的监测和预警应作为水资源管理的重点之一。

2.5 相关性分析

为了验证鄱阳湖的SWQC和LWQC与pH值、水温、氨氮浓度之间是否存在明显的相互作用,本文对此进行了相关分析,结果如表5所示。结果显示:pH值与SWQC和LWQC之间的Pearson相关系数分别为-0.91和-0.83,呈极负相关;水温与SWQC和LWQC之间的Pearson相关系数分别为-0.27和-0.64,分别呈弱负相关和强负相关;氨氮浓度与SWQC和LWQC之间的Pearson相关系数分别为-0.05和0.23,分别呈极弱负相关和弱正相关。

表5 SWQC、LWQC与水温、pH值、氨氮浓度的Pearson相关系数Table 5 Pearson correlation coefficients between SWQC,LWQC and temperature, pH value, and ammonia nitrogen concentration

同时,本文还针对鄱阳湖水生生物生态风险与pH值、水温、氨氮浓度、SWQC和LWQC之间是否存在明显的相互作用进行了相关分析(表6)。结果显示:pH值与SRQ和LRQ之间的Pearson相关系数分别为0.87和0.86,表示鄱阳湖地区的pH值与水生生物生态风险呈极正相关。水温与SRQ和LRQ之间的Pearson相关系数分别为0.22和0.27,表示鄱阳湖地区的水温与水生生物生态风险之间呈弱正相关。氨氮浓度与SRQ和LRQ之间的Pearson相关系数分别为0.12和0.10,表示鄱阳湖地区的氨氮浓度与水生生物生态风险之间呈极弱正相关。SWQC和SRQ之间的相关系数为-0.62,呈强负相关。LWQC和LRQ之间的相关系数为-0.63,同样呈强负相关。

表6 SRQ、LRQ与水温、pH值、氨氮、SWQC的Pearson相关系数Table 6 Pearson correlation coefficients between SRQ,LRQ and temperature, pH value, ammonia nitrogen concentration, and SWQC

相关分析表明,水温、pH值和氨氮的变化均会导致SWQC和LWQC的改变。水温和pH值分别与SWQC和LWQC呈负相关,表示水温和pH值的升高均会导致水生生物水质基准的降低。根据相关分析可知,水温对LWQC的影响要大于对SWQC的影响,表明水温的升高会导致长期水生生物水质基准呈现降低的趋势,说明水温的升高会更大程度地降低水生生物对氨氮的长期毒害效应的耐受程度。pH值与SWQC和LWQC呈极负相关,这表示在影响水生生物水质基准的所有因素中,pH值的改变更容易导致水生生物水质基准呈现相反的变化趋势,进而影响鄱阳湖地区的水生生物生态风险情况。值得一提的是,氨氮与短期水生生物水质基准呈极弱负相关,但与长期水生生物水质基准呈弱正相关。这表明氨氮浓度的改变会导致短期水生生物水质基准的呈现相反的变化趋势,但会导致长期水生生物水质基准呈现相似的变化趋势。该现象所体现的氨氮对短期和长期水生生物水质基准的影响和作用机理值得进一步探究。

由表6可知,水温和pH值均与水生生物生态风险呈正相关。表示水温和pH值的提高均可能导致鄱阳湖地区水生生物生态风险的增加。pH值与水生生物生态风险呈极正相关,这进一步表明pH值是造成氨氮水生生物生态风险改变最重要的影响因素。氨氮同样与水生生物生态风险呈正相关,结合表5中氨氮和水生生物水质基准的相关分析,虽然氨氮浓度与短期,长期水生生物生态风险的相关系数表现出正负不一致性,但是并未与水生生物生态风险呈现相似的相关性。氨氮浓度的升高会导致短期,长期水生生物生态风险的提高。最后,短期、长期水生生物水质基准和与其相对应的水生生物生态风险均呈负相关,这进一步体现了水生生物水质基准和水生生物生态风险之间的作用机理和变化规律。

总的来看,本次相关分析的成果均为鄱阳湖氨氮水生生物生态风险影响因素的研究提供了数据支撑。水温,pH值对生态风险的影响均是通过改变鄱阳湖地区氨氮的化学性质,造成氨氮毒性的增强,进而影响水生生物对氨氮耐受程度,该作用机理的变化规律在水生生物水质基准随水温和pH值的改变上得以体现。氨氮浓度的改变在对水生生物水质基准造成影响的同时,也直接作用于水生生物生态风险。但根据相关分析的结果,氨氮浓度对水生生物水质基准和水生生物生态风险的影响均比较有限。因此,加强对pH值,尤其是夏季pH值的监测应当成为未来环境保护部门氨氮毒性监控和治理工作的重点。

3 结 论

基于《淡水水生生物水质基准—氨氮》,对鄱阳湖的季节性氨氮水生生物生态风险进行了初步的评价。结果显示:鄱阳湖在冬季的氨氮长期水生生物生态风险未超过环境容许值,但呈现“中”风险,值得相关部门重视;鄱阳湖部分测站在夏季呈现较高的氨氮短期生态风险(SRQ>1),表示在水温和pH值的共同作用下,该测站范围内的氨氮对水生生物有急性毒害作用;在夏季,鄱阳湖各测站均存在较高的氨氮水生生物长期生态风险,其平均LRQ>1;冬季的氨氮长期生态风险升高,主要是受氨氮浓度提高和挥发率降低的共同影响导致。夏季较高的氨氮水生生物生态风险主要是较高的水温和升高的pH值共同作用所导致。