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九龙江口营养盐的分布、通量及其年代际变化

九龙江口营养盐的分布、通量及其年代际变化. 颜秀利 翟惟东 洪华生 李炎 郭卫东 黄晓. Outline. 研究背景 研究 区域 采样方法（略） 调查结果 研究展望. 研究 背景. 由于 流域 人口增长、禽 畜养殖和化肥施用大量增加、水坝兴建增加河流水力停留时间、气候变化与土地利用改变影响流域风化侵蚀等 原因，在 世界上许多大河流域都观测到 N 和 P 营养盐浓度 升高，而 溶解态硅酸盐 ( DSi ) 浓度 降低的年代际变化 趋势。 E.g.:

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九龙江口营养盐的分布、通量及其年代际变化

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Presentation Transcript

  1. 九龙江口营养盐的分布、通量及其年代际变化 颜秀利 翟惟东 洪华生 李炎 郭卫东 黄晓

  2. Outline • 研究背景 • 研究区域 • 采样方法（略） • 调查结果 • 研究展望

  3. 研究背景 • 由于流域人口增长、禽畜养殖和化肥施用大量增加、水坝兴建增加河流水力停留时间、气候变化与土地利用改变影响流域风化侵蚀等原因，在世界上许多大河流域都观测到N和P营养盐浓度升高，而溶解态硅酸盐(DSi)浓度降低的年代际变化趋势。 • E.g.: • A.1950~2000年期间，密西西比河硝酸盐(NO3-N)和总磷的浓度升高了3~4倍，DSi浓度则下降约50%。 • B.1960~2000年，长江干流的溶解无机氮(DIN)和活性磷酸盐(SRP)浓度大幅升高，DSi浓度却从1960年的130μmol/L下降至1985年的80μmol/L。

  4. 研究背景 • 河流营养盐状况的大幅度改变对近海的生态系统造成很大的冲击，使得近海富营养化加剧、赤潮频发,季节性底层缺氧等环境问题日益突出。 • 江河营养盐入海通量及其演变趋势在最近30年中一直是研究热点，也成为海岸带区域陆-海相互作用(Land-Ocean Interactions in the Coastal Zone, LOICZ)等国际科学界重大研究计划的主题。 • 值得注意的是，气候变化与流域土地利用改变的协同效应可能增加河流营养盐脉冲式输出的强度。

  5. 研究区域 • 九龙江为福建省第二大江，主要流经龙岩的新罗区、漳平市与漳州的6县市区，在厦门入海，流域面积约14741km2。九龙江流域属南亚热季风气候，多年平均气温19.9~21.1℃左右,多年平均降水量1400~1800mm,4~9月份约占全年降水量的75%。流域地处闽东南特色农业带，经济作物占主要比例的农业结构决定了其化肥施用量较高，流域8个主要县区平均施氮肥208~858kg/(hm2 a)，肥料品种以碳铵、尿素等氮肥为主。近年来生猪养殖业迅猛发展, 大量畜禽粪污未经处理随意排放。近30年来，九龙江流域化肥施用量和禽畜养殖数增加了6~10倍，工业产值更是增加了100倍。 • 自2000年以来九龙江流域梯级水电站大量修建，大量植被景观转为建设用地，受这些因素的综合影响，九龙江流域N和P营养盐呈不断增加的趋势，其河口区的富营养化问题也已经初现。

  6. 研究区域 • 于2008年4月、8月、11月，2009年5月、6月底，2010年7月初，2011年1月、4月在九龙江河口区进行了8个航次的调查。

  7. 研究区域

  8. 研究区域 • 逐日搜集2009-2011年浦南和郑店两个水文站(二者合计控制九龙江流域面积的80%)的实时径流量资料，分别代表九龙江两大主要支流(北溪和西溪)的径流量。将这两个水文站的逐日径流量取周平均值之后相加，作为九龙江输出的周平均径流量。

  9. 研究区域

  10. 调查结果 调查期间的水文状况

  11. 调查结果 调查期间的水文状况 采样期间九龙江径流量的量级和季节变化与多年平均基本一致，尽管其年际变化相当显著。九龙江径流量一般于5~6月达到峰值，而8月径流量次高，因此，该研究中处于5~8月的4个调查航次(2008年8月、2009年5和6月、2010年7月)对应于丰水期，而另外4个调查航次(2008年4和11月、2011年1和4月)则对应于枯水期。

  12. 调查结果

  13. 调查结果 河口区营养盐的空间分布及其淡水端浓度的季节变化

  14. 调查结果 河口区营养盐与盐度的关系

  15. 调查结果 河口区营养盐与盐度的关系 NO3-N在河口混合区基本呈保守混合行为,主要受控于潮汐混合作用。 NH4-N的淡水端浓度变动较大,最大值和最小值可相差一个数量级, 枯水期其浓度甚至可以接近NO3-N浓度。 NO2-N总体呈现淡水端浓度高,海水端浓度较低的趋势。 DIN的分布规律基本由NO3-N主导,在九龙江口大致呈保守混合行为。在相同盐度下,枯水期DIN浓度高于丰水期。 DSi在河口区的分布主要受控于潮致混合,枯水期浓度明显高于丰水期。

  16. 调查结果 河口区营养盐与盐度的关系 SRP的河口行为与其他营养盐明显不同。当盐度小于25时,SRP浓度维持稳定,表现出典型的河口“缓冲”效应，主要受控于悬浮/沉降颗粒物的吸附-解析过程。 杨逸萍，胡明辉（1996）已经讨论过这一现象，而当盐度高于25以后，则随盐度增加而迅速下降，显示物理混合过程起主导作用。

  17. 调查结果 九龙江口营养盐的特点及其年代际变化

  18. 调查结果 九龙江口营养盐的特点及其年代际变化 九龙江流域地表以火成岩为主，所以输入河口的铝硅酸盐风化产物—DSi占显著地位，其浓度高于长江1~2倍，属于典型富含硅质的河流。这可能是由于九龙江流域的水电站库容小，并采取逐日调节方式运行，因而水坝建设对流域的水力停留时间和化学风化影响不大。 火成岩或称岩浆岩，是指岩浆冷却后（地壳里喷出的岩浆，或者被融化的现存岩石），成形的一种岩石。现在已经发现700多种岩浆岩，大部分是在地壳里面的岩石。常见的岩浆岩有花岗岩、安山岩及玄武岩等。主要成分是硅酸盐。

  19. 调查结果 九龙江口营养盐的特点及其年代际变化 在盐度低于25的区域,当前NO3-N浓度比历史数据高2~3倍,SRP则比历史数据高0.5~1.0μmol/L；但在较高盐度区域，NO3-N和SRP与历史数据的差异不大。这首先是由于九龙江流域自1978年以来N和P化肥施用量增加了6~10倍，其次还可能与九龙江流域自2000年以来土地利用方式的剧烈改变有关。但随着近年来九龙江流域梯级水电站建设加剧和建设用地大量增加,相应地林地减少, 流域土壤保持N和P营养盐的效率下降,N和P营养盐流失严重。

  20. 调查结果 九龙江营养盐入河口通量 以九龙江河口区淡水端浓度为基础，并假设调查时的营养盐浓度在调查所处的一周内是稳定的: • Fj=Cj×Qj, (1) • where Fjis the flux of a nutrient species during the week under investigation; Cjis concentration in the freshwater end-member (the relative deviations of surface and bottom nutrient concentrations at upstream stations were usually less than 10%); Qjis the mean water discharge during the week under investigation.

  21. 调查结果 九龙江营养盐入河口通量 • By plotting Fjagainst Qj, and by fitting a linear regression equation with zero intercept, we obtain a simplified relationship between water discharge and riverine fluxes of any nutrient species into the estuary, as eq. (2): • Fj=a×Qj, (2) • where a is a proportional coefficient corresponding to the water discharge weighted mean concentration of relevant freshwater end-member values. • Fi= a×Qi. (3) • By summing up all weekly nutrient fluxes over a year through eq. (4),

  22. 调查结果 九龙江营养盐入河口通量

  23. 调查结果 河口营养盐入海通量 将营养盐在高盐段的保守混合规律外推至零盐度, 并将所得到的零盐度营养盐表观浓度定义为该营养盐的“河口输出有效浓度”(Co*)；再将Co*与径流量相乘即可得到营养盐的入海通量，即通量F=Co*×Q。 与入河口通量相比，DIN和DSi的河口输出有效浓度与实测淡水端浓度差别很小，但是SRP的河口输出有效浓度则比实测淡水端浓度高1~2倍，这可能是河口区底质再悬浮的颗粒物对SRP造成的显著添加所致。

  24. 调查结果 河口营养盐入海通量 与陈水土（1983），孙敬慧（1997）的数据对比

  25. 调查结果 河口营养盐入海通量 九龙江口SRP的非保守性通量 采用营养盐收支模式估算九龙江口生物地球化学过程对SRP的调整。其要点是，根据物质守恒原理，在河口系统中分别建立水、盐以及生源要素的收支。

  26. 调查结果 河口营养盐入海通量 九龙江口SRP的非保守性通量 VQ+VP+VO+VX=VR + VE+VX(5) VQ×SQ+VP×SP+VO×SO+VX×Socn=VR×SR+VE×SE+VX×Ssys(6)

  27. 调查结果 河口营养盐入海通量 九龙江口SRP的非保守性通量

  28. 调查结果 河口营养盐入海通量

  29. 调查结果 河口营养盐入海通量

  30. 调查结果

  31. 研究展望 • 九龙江流域及河口营养盐通量的显著性

  32. 研究展望 • 九龙江流域单位面积的DIN, SRP和DSi产率(即河流流域的营养盐冲刷模数)分别为2.3×103 kg/km2 a(其中NO3-N产率为1.7×103kg/km2 a),42 kg/km2 a和4.8×103kg/km2 a。 • 尽管九龙江的径流量仅占长江的1.1%，珠江的2.5%，闽江的21.8%，但九龙江流域的DIN和SRP冲刷模数分别为是长江的4.1和7.1倍，是珠江的2.4和2.4倍，是闽江的3.1和1.7倍，这显示九龙江的营养盐输出在中国东南沿近岸海域N和P营养盐收支中可能起到一定作用，值得进一步深入研究。

  33. 研究展望 • 近年来九龙江径流量并没有发生明显的年代际变化，所以，九龙江口中上游N和P浓度的增加意味着，九龙江流域输送到河口的N和P营养盐通量均相应增加；而河口上游、中游DSi浓度没有显著变化则说明流域输出的DSi通量基本不变。 • 对比受东亚季风与人为活动双重调控的中国东部部分河口, 可发现华北的黄河口因流域气候改变与水库建设综合效应导致径流量明显下降甚至断流，所有物质的通量都降低；华中的长江口表现为径流量基本不变，DSi通量下降, 而N和P营养盐通量显著增加。九龙江口作为地处华南的亚热带中型河口，却表现为径流量和硅酸盐通量近于不变, N和P营养盐通量明显增加的局面。这一分布特点与地理地带性之间的关系，以及其与流域规模和风化背景之间的关系，很值得通过积累更多的研究案例，进一步深入探讨。

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