摘要：通过对朱庄水库营养物质监测分析，氮含量比磷含量大几百倍。氮和磷都是造成水体富营养化的主要因子。由于受外界环境条件和水体性质的影响，外界污染源调查，氮污染源远远大于磷污染。水库水体溶解氧较大，ph值呈碱性，硝化作用的结果使水体中硝酸盐氮累计；同样的条件，导致不溶性磷的积累，大部分沉积于库底。水体富营养化条件是氮磷达到适合的比例，才会导致水华的爆发。该水库水体磷含量低，是抑制水体富营养化的关键。因此，该水库属于磷限制性水库。控制水库上游磷的排入量，可有效控制水体富营养化。
关键词：氮磷营养物质；氮磷循环特征；富营养化形成机理；朱庄水库
effect of nitrogen and phosphorus cycling characteristic on eutrophication of water body
wang zhen-qiang1，liu chun-guang1，qiao guang-jian2
（1.zhuzhuang reservoir administrative，xingtai 054000，china;2.xingtai city hydrology & water resources survey bureau，xingtai 054000，china)
abstract: analysis on nutrients monitoring of zhuzhuang reservoir shows that nitrogen content is hundreds of times more than phosphorus.nitrogen and phosphorus are both major causes of water eutrophication.due to external environmental conditions and water properties,investigations on pollution sources show that nitrogen caused pollutions is much more than phosphorus.reservoir water dissolves lots of oxygen,the ph value reflect on alkalescence,then by the reaction of nitrification,nitrate accumulated in water;in the same conditions,insoluble phosphorus is also accumulated,and most of them deposit at the bottom of reservoir.if nitrogen and phosphorus get to certain ratio in water,may cause the water eutrophication,then will lead to algae bloom outbreaks.so the low phosphorus content in reservoir water is crucial to curb eutrophication.therefore,the reservoir is phosphorus restricted one.by control the phosphorus quantity comes from upper reaches can effectively control the eutrophication.
key words: nitrogen and phosphorus nutrients;cycling characteristic of nitrogen and phosphorus;eutrophication mechanism;zhuzhuang reservoir
朱庄水库地表水资源是邢台市供水水源。WWW.11665.COM用地表水作为供水水源，应对水质危害给予足够重视。在水库上游流域，由于人口的不断增加及工农业迅速发展，大量营养物质和污染物直接排入水库水体，会造成水体富营养化和水体污染。这不仅增加饮用水处理成本，而且影响水源的合理利用。因此，朱庄水库水质质量问题，是今后邢台市供水中的一个突出的问题。
为研究朱庄水库营养物质变化情况，邢台水环境监测中心从2006年5月开展了对朱庄水库水质监测的试验研究，为掌握其变化规律，每月监测3次，监测项目为ph值、高锰酸盐指数、氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、总氮、总磷等。通过对该水库氮磷循环过程特征分析，为制定水源地保护规划提供科学依据。
1 水体中氮循环特征分析
1.1 硝化作用
污染物质降解是对天然和人工合成的有机污染物质的破坏与矿化作用［1］。降解类型有：生物降解，即利用需氧微生物以生物化学方法对有机污染物质进行破坏和矿化；光化学降解，即在太阳辐射或紫外线照射下引起有机污染物质的分解；化学降解，即利用催化反应或非催化反应促使一些有机污染物的分解。
污染物降解通常指生物降解。按生物降解的难易，有机污染物可分为3类。①可生化降解的有机物，如碳水化合物、蛋白质、脂肪、核酸等［2］。这些有机物通过微生物分泌的酶很容易分解为糖、氨基酸、甘油、脂肪酸等，最终被分解为二氧化碳、水和氨等；②难溶解的有机物，如纤维素、有机氯农药、烃类等大分子有机人工合成化合物；③不可降解的有机物，如塑料等一类高分子合成有机物。
根据水环境条件，有机物降解分为好氧降解和厌氧降解。
朱庄水库溶解氧监测情况：根据2006年-2008年水质监测资料，水体ph 值、溶解氧监测结果见表1。
table 1 zhuzhuang reservoir dissolved oxygen monitoring results
监测时间1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月
ph值8.18.18.28.18.18.08.18.08.08.18.28.0
溶解氧/（mg·l-1）10.68.910.48.48.57.46.97.56.77.98.48.9
溶解氧饱和度（%）85.360.877.472.988.083.183.695.982.685.281.682.6
溶解氧对水质的影响，水体溶解氧影响水质及底泥的氧化还原条件。溶解氧含量高，水质、底泥呈氧化状态；溶解氧含量低，呈还原状态。随着氧化还原反应的进行，水质物质的存在形式及迁移能力改变。水库水体溶解氧含量较高，饱和度在90%以上，有利于氧化反应进行。
溶解氧影响好氧、厌氧微生物的活动与分布。溶解氧含量高，好氧生物发展，氧化分解有机物比较迅速，最终产物为co.2、h.2o、no.3、so.4、po.3，对生物无害；溶解氧含量低，厌氧性微生物生长，分解有机物速度慢，产物多为还原态，如h.2s、nh.3、ch.4等，对水生生物有毒害作用或不良影响［3］。
溶解氧变化间接影响ph值，使含钙、镁、铁、锰等盐类沉淀或溶解。
好氧降解：在温度和酸碱度适宜、养分充分、氧气充足的条件下，需氧微生物在分解有机物的过程中获得充足养分和能量，能把有机物迅速分解为就简单的无机无害物质（如二氧化碳和水）。例如：
c.6h.12o.6+6o.2→6co.2+6h.2o+能量
在有机物分解过程中，伴随着将有机氮转化为无机氮的矿化作用。矿化作用释放出氨，通过硝化细菌作用，继续被氧化为亚硝酸盐和硝酸盐，成为植物生长必要元素。其反应式为：
2nh.3+o.2→2hno.2+2h.2o+能量
2hno.2+o.2→2hno.3+能量
在好氧状态下，水库水体内的氮类化合物通过硝化作用，将其转化为硝酸盐。水体一直处于好氧状态，长时期则造成硝酸盐在水体中的累积，导致水体硝酸盐氮含量偏高。
进行硝化作用的微生物：亚硝化细菌和硝化细菌进行硝化作用的亚硝化细菌和硝化细菌都是化能自养菌，专性好氧，它们分别从氧化nh.3和no.2-的过程中获得能量，以二氧化碳为唯一碳源，作用产物分别为no.2-和no.3-。它们要求中性或弱碱性的环境（ph=6.5～8.0），ph＜6.0时，作用强度明显下降。由对朱庄水库水体ph 值监测结果知，水体全年处于碱性环境，有利于亚硝化细菌和硝化细菌进行反应［4］。
1.2 水体中三氮情况分析
水库水体中氮的来源主要有：一是地表径流和农田挟带大量的无机氮和有机含氮物质，前者包括降雨中的氨氮、硝酸盐氮以及无机氮肥，后者包括生物残骸及分泌物和排泄物；二是水体中某些生物的固氮作用。水中的藻类和细菌种类虽然很多，但能直接同化“分子态氮”的只有蓝藻和细菌中的某些种类。共生固氮细菌、自生固氮细菌和蓝藻都属于原核生物。水中共生固氮细菌不多，大量的氮素可能通过浮游的蓝藻固定。朱庄水库水体中三氮转化监测成果见表2.
table 2 nitrogen translation of water monitoring computation result
监测时段氨 氮/（mg·l-1）亚硝酸盐氮/（mg·l-1）硝酸盐氮/（mg·l-1）硝酸盐氮占三氮总根据对朱庄水库水体三氮含量监测分析，在氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮的氮类化合物中，硝酸盐氮占95.9%～978%，在水库水体中，氮类化合物中主要由硝酸盐氮的形式存在［5］。
水体中氮的消耗有4个途径：经水流输出；沉积于库底；由于水体中存在反硝化作用而逸出；水生动植物以水产品的形式被人类或动物捕捞而脱离水体。
1.3 硝酸盐氮分布情况
水质中的氮有有机氮和无机氮两类。无机氮主要有氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮和溶解氮；有机氮主要是构成蛋白质、镁、核酸等的氨基酸、嘧啶和酰胺等。这些含氮化合物在水中经一系列的反应互相联系、互相转化，形成氮循环。
根据上述监测结果分析，朱庄水库水体中，总氮含量的组成形式，主要由无机氮组成。而无机氮构成情况分析，主要有硝酸盐氮组成［6］。由表3计算出硝酸盐氮占总氮的百分数。其含量占总氮的64.3%～99.7%之间。就是说，朱庄水库水体中氮类化合物主要以硝酸盐氮的形式存在。
2 水体中磷循环特征分析
天然水体中的磷含量不高，因此它往往是限制水体生产者发展的因素之一。
元素磷是所有生物细胞都必不可少的。磷存在于一切核
table 3 the percentage of nitrate nitrogen in the entire nitrogen contained in the water body in zhuzhuang reservoir
监测时段总氮/（mg·l-1）硝酸盐氮/（mg·l-1）硝酸盐氮占总氮的百分比（%）
苷酸结构中，三磷酸腺苷（atp）与生物体内能量转化密切相关。在生物圈内，磷主要以3种状态存在，即以可溶解状态存在于水溶液中；在生物体内与大分子结合；不溶解的磷酸盐大部分存在于沉积物内。微生物对磷的转化起着重要作用。天然水体中可溶性磷酸盐浓度过大会造成水体富营养化［7］。
磷循环包括可溶性无机磷的同化、有机磷的矿化及不溶性磷的溶解等。
①有机磷同化作用。可溶性的无机磷化物被微生物同化为有机磷，成为活细胞的组分。在水体中，磷的同化作用主要是由藻类进行的，并在食物链中传递。水生高等植物能从沉积物中大量吸收无机磷，经代谢转变为有机磷化合物。
②矿化作用。有机磷的矿化作用是伴随着有机硫和有机氮的矿化作用同时进行的。在天然水体中，大部分磷存在于沉积物中。水体中的某些生理类群微生物在代谢过程中产生硝酸、硫酸和一些有机酸，使盐基中的磷释出；微生物和植物在生命活动中释出的co.2，溶于水生成h.2co.3，也有同样的作用。
③不溶性磷转化为可溶性磷过程。沉积物中的不溶性磷不能成为水中生产者所利用。如果水中ph值呈酸性时，可使沉积物中的磷成为可溶性的。如果加入酸性物质或水中某些自养性的细菌所生成酸类，可使磷的溶解过程加快。
ca(po.4).2→2cahpo.4+caso.4
根据对朱庄水库监测资料分析，水体中ph值呈碱性，限制了不溶性磷的转化。将导致水体中不溶性磷积累，沉积于水库底部。水体中磷含量检测成果见表4。
table 4 testing result of phosphorus in water
监测时段总磷/（mg·l-1）
2008年四季度0.009 根据对朱庄水库上游面污染调查［8］，磷物质单位面积污染负荷为0.0016 t /(km2·a)，一部分通过生物降解消耗外，大部分不溶性磷沉入库底，水体中磷含量较小。有部分监测结果小于检测限。该水库磷循环的特点是：受ph值以及外界条件的影响，使磷元素在循环过程中，大部分成为不溶性磷沉积于底部。沉积于底部的不溶性磷，一部分可以通过水生植物吸收无机磷，经代谢转化为有机磷化合物。
3 抑制水体富营养化爆发环境条件分析
根据上述监测结果，水体中总氮异常偏高的情况下，水体水质良好，没有产生水华现象，分析其原因有以下几个方面。
3.1 磷含量较低
国际经济合作与开发组织对水质富营养化的研究表明：氮、磷等营养物质的输入和富集是水体发生富营养化的最主要原因。根据对藻类化学成分进行分析研究，提出了藻类的“经验分子式”为c.106h.236o.110n.16p，利贝格最小值定律指出，植物生长取决于外界提供给它的所需养料中数量最小的一种［9］。由此可见，在藻类分子式中所占的重量百分比最小的两种元素氮和磷，特别是磷是控制水体藻类生长的主要因素。调查结果显示：80%的湖库富营养化受磷元素制约，大约10%的湖库富营养化与氮元素有关，余下的10%的湖库与其它因素有关
在研究氮、磷物质与水质富营养化过程中，氮、磷浓度的比值与藻类增殖有密切关系。日本湖泊科学家研究指出，当湖水的总氮和总磷浓度的比值在10∶1～15∶1的范围时，藻类生长与氮、磷浓度存在直线相关关系［10］。随着研究的深入，确定出湖水的总氮和总磷浓度的比值在12∶1～13∶1时最适宜于藻类增殖。若总氮和总磷浓度之比大于或小于此值时，则藻类增殖可能受到影响。表5是2006年-2008年朱庄水库水体中总氮和总磷含量比例。
table 5 computation result table of total nitrogen and phosphorus proportion in water nutrients in zhuzhuang reservoir
通过评价分析，2006年-2008年水库水质的氮、磷比最小为2007年1月（277∶1），最大为2007年3月（1058∶1）。由于水体中总磷含量较小，与总氮比较相差数百倍，甚至上千倍。
该水库磷含量较低，使形成富营养化的营养物质受到限制，抑制了藻类的形成。所以，要防治该水库出现富营养化，就要限制磷的入库量。当前，在氮元素充足的情况下，磷元素一旦增加到形成富营养化需要的含量，就会发生水体富营养化。所以，该水库是一个磷限制性水库。防治水体富营养化，限制磷是关键。
3.2 水库排水口位置对水体影响
水库枢纽工程由溢流坝、非溢流坝、泄洪底孔、放水洞、发电洞、高低电站及南、北干渠渠首组成［11］。坝体为浆砌石混凝土重力坝，坝高95 m，坝长544 m。两岸为非溢流坝，在原河床段布置了溢流坝，全长111 m，溢流坝顶高程为243.0 m，设有六孔14 m×12.5 m的弧型钢闸门，最大泄量12 300 m3/s。泄洪底孔进口高程210.0 m，孔口尺寸2.2 m×4 m，共设三孔，分别布置在溢流坝八、九、十坝块的中墩内，最大泄量724 m3/s。放水洞为放空水库由原施工导流洞改建而成，洞长300.7 m，进口高程198.2 m，孔口尺寸1.6 m×1.6 m，最大泄量80.3 m3/s。
水库生态系统还有不同于天然湖泊的特点。水库水位相对比较稳定，浑浊度大，生物生产力一般低于天然湖波。水库的能量、氧气和营养物收支依其排水方式而已。根据水库大坝设计情况，导流洞出水口高程198.2 m，正常水位高程251 m。该水库水闸设在水库底部，则排出的就是水温低、营养丰富、氧气贫乏的水，而温度高、营养缺乏、氧气充足的水留在水库内。这样会使水库排出大量的营养物质，减少水库污染或富营养化的形成。
3.3 水库类型对水体的影响
朱庄水库是一个深水型水库，按正常水位计算，最大水深达50多m。库型狭长，是一个长方形条形水库。
在深水型水库，库面温水层通过水面通气和水生植物的光合作用保持较高的溶解氧；而库下冷水层溶解氧含量较低，当有浮游生物死后的残体和沉淀物产生的生化需氧量较大时，将出现缺氧现象，变成或接近于厌氧微生物层。溶解氧的分布与水库的生产力有关。由于库面温水层的生物作用和库下冷水层的缺氧，使二氧化碳、硝酸盐、氨、二氧化硅金属元素等产生分层现象。营养物多累积在冷水层。可通过设置在水库底部的排水口，把含有丰富营养物质和其它元素排出水库，使水库水体保持良好状态，维持水库水体的正常循环［12］。
通过对氮磷比例和氮磷最低标准值的约束条件分析，两个条件都制约了水质发生富营养化状态。另外，水库的排水口位置（位于水库底部）和水库类型（深水型），有利于营养物质的排泄，制约富营养化形成。由分析结果可以看出，朱庄水库水体总氮含量较高，富营养化程度依赖于磷含量，一旦水体中磷含量增大到一定程度，就不可避免的会发生富营养化。根据目前朱庄水库地理条件和流域状况，属于磷限制性水库。所以，防治水体富营养化的根本措施是控制总磷的输入量。
4 结论
朱庄水库是深水型水库，在好氧环境下，有利于硝酸盐氮的积累；上游氮污染来源大，是造成水库水体氮营养物质偏高的主要原因。磷物质在循环中受环境条件的限制，转化为不溶性磷沉淀于底部，使水体中磷含量较小，可抑制水体富营养化发生。
朱庄水库营养物质中氮比较充裕，富营养化爆发依赖于磷的含量。磷循环过程中，形成大量不溶性磷沉于底部，使水体中磷含量较低，抑制了富营养化的形成。朱庄水库属于磷限制性水库，该水库防治水体富营养化的根本措施是控制磷的输入量。
水库的排水口位置（位于水库底部）和水库类型（深水型），对富营养化形成条件有制约作用。
朱庄水库作为邢台市地表水供水水源地，应结合水库和水域的特点，建立一套完善的水污染防治体系，确保城市供水安全。
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