摘要 以銅仁市錦江河為例，采集并分析水體理化指標，運用卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TSI）、修正的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TSIM）、綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TLI）3種方法評價其錦江河水體營養(yǎng)富化水平，并且通過數(shù)理統(tǒng)計分析方法，分析不同評價方法之間的差異以及環(huán)境因子對評價方法的影響。結果表明：評價方法不同，導致水體富營養(yǎng)化評價結果不同，錦江河水體按照TSI、TSIM和TLI評價方法，其結果分別為貧營養(yǎng)、富營養(yǎng)和中營養(yǎng)水平。單因素方差分析表明，TSIM與TSI和TLI差異顯著（P<0.05），TSI與TLI差異不顯著（P>0.05）；相關分析表明，Chl-a與TSI、TSIM呈現(xiàn)顯著正相關（P<0.05），TN和TP與TLI呈現(xiàn)顯著正相關（P<0.05）。TSI和TSIM主要表征藻類的生長狀況，TLI則更加專注于氮和磷水平。綜合而言，相較于TSI和TSIM法，TLI采用多種環(huán)境因子的加權方式，更能科學地反映水體的富營養(yǎng)化狀態(tài)。

關鍵詞 富營養(yǎng)化；評價方法；水質；風險評估；錦江河

中圖分類號 X 824 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2024）22-0066-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.22.012

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Risk Assessment of Water Quality in Jinjiang River Based on Three Nutrient Enrichment Evaluation Methods

ZHANG You， GUO Zi-dong， LI Gan-rong et al

（Tongren Polytechnic College， Tongren，Guizhou 554300）

Abstract Taking Jinjiang River in Tongren City as an example， the physicochemical indicators of the water body were collected and analyzed. Three methods， Carlson’s trophic state index （TSI）， modified trophic state index （TSIM） and trophic level index （TLI）， were used to evaluate the nutrient enrichment level in Jinjiang River water. Mathematical statistical analysis was used to examine differences between the different evaluation methods and the influence of environmental factors on them. The results showed that different evaluation methods lead to different results in eutrophication assessment of water bodies. According to TSI， TSIM and TLI evaluation methods， the results of Jinjiang River water body were assessed as having oligotrophic， eutrophic and mesotrophic conditions， respectively. Single-factor analysis of variance showed that a significant difference between TSIM and TSI/TLI （P<0.05）， while no significant difference was observed between TSI and TLI （P>0.05）. Correlation analysis showed Chl-a was significantly positively correlated with TSI and TSIM （P<0.05）， while TN and TP were significantly positively correlated with TLI （P<0.05）. TSI and TSIM mainly characterized the growth status of algae， while TLI focused more on nitrogen and phosphorus levels.Overall， compared to TSI and TSIM methods， TLI adopted a weighted approach of multiple environmental factors， which could more scientifically reflect the eutrophication status of water bodies.

Key words Eutrophication; Evaluation method;Water quality;Risk assessment;Jinjiang River

水體富營養(yǎng)化是水生生態(tài)系統(tǒng)和飲用水安全的嚴重威脅，是全球水污染和生態(tài)退化的主要原因之一^［1-2］。因此，針對水體富營養(yǎng)化的研究長期以來一直是水生態(tài)環(huán)境領域研究的重點^［3-4］?？λ固氐貐^(qū)占地球陸地面積的12%，其含水層為世界人口的20%～25%提供了供水^［5］。中國西南喀斯特地區(qū)是世界上分布最廣泛的喀斯特地區(qū)，影響著長江流域數(shù)億人的飲用水安全^［6］。西南喀斯特地區(qū)是水土流失和面源污染重要的發(fā)生區(qū)^［7］，大量營養(yǎng)物質隨著地表徑流、泥沙進入湖庫，造成受納水體嚴重的水質污染和富營養(yǎng)化，對城市、農村居民飲用水安全產生極大威脅與危害^［8-9］。因此，定期對河流水體富營養(yǎng)化狀況評估是確保水資源管理和生態(tài)保護的關鍵步驟。富營養(yǎng)化是大量營養(yǎng)物種輸入水體，導致藻類和其他水生植物快速生長的現(xiàn)象。富營養(yǎng)化通常與過多的氮、磷等營養(yǎng)物質輸入有關^［10］。定期監(jiān)測水體指標實施有助于及時發(fā)現(xiàn)水體富營養(yǎng)化問題，為采取有效的保護和修復措施提供科學依據(jù)。

目前，我國對水體富營養(yǎng)化的評價采用了多種方法，其中包括評分法、卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TSI）、修正的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TSIM）、綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TLI）和營養(yǎng)度指數(shù)法等^［11-12］。這些方法在實際工作中得到廣泛應用，但存在描述方法不一致、水體富營養(yǎng)化評價方法和指標的差異較大、分級評價標準的差異顯著等問題，這導致同一湖泊在不同方法下的富營養(yǎng)化評價結果差異較大，同時，不同區(qū)域水體之間的評價結果缺乏可比性。為解決這些問題，有必要統(tǒng)一湖泊富營養(yǎng)化評價的指標、方法和分級標準。以往的研究主要基于單一評價方法，缺乏對不同方法的比較研究^［13］。通過比較不同方法的適用性和局限性，科學家和水資源管理者能夠更好地了解各方法的特點，并選擇最適合特定情境的評價方法。這種比較研究有助于確立一套更為一致和可比的水體富營養(yǎng)化評價標準，提高評價結果的準確性和可信度。該研究以錦江河為研究對象，采用TSI、TSIM、TLI這3種水體富營養(yǎng)化評價方法，深入了解錦江河的水體富營養(yǎng)化狀態(tài)，比較不同評價方法在錦江河富營養(yǎng)化程度方面的差異，揭示評價結果的一致性和異同之處，為選擇合適的評價方法提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

錦江河，又被稱為辰水或麻陽河，是古武陵五溪之一，錦江河作為銅仁市的母親河，位于貴州省東部，貫穿湖南省西部。該河流發(fā)源于銅仁梵凈山，蜿蜒流經包括麻陽郭公坪、錦和、高村、呂家坪在內的13個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，全長共計117 km，流域面積為7 558 km2^［14］。在銅仁市境內長達144 km，多年平均流量為180 m3/s，河流自然落差657 m，平均比降為2.26%。研究區(qū)屬于亞熱帶季風氣候，年平均氣溫為16.9 ℃，年降雨量在1 250～1 400 mm^［15］。錦江河流域地處武陵山脈南緣、貴州高原向湘西丘陵過渡的斜坡地，在地質構造上屬于揚子準地臺貴陽復雜變形區(qū)的東緣。該地區(qū)的出露地層以寒武系中上統(tǒng)婁山關群和下統(tǒng)清虛洞組的白云巖、灰?guī)r為主，巖溶地貌十分顯著，表現(xiàn)為豐富的峰叢、洞穴、洼地、裂隙和峽谷等地貌特征^［16］。2009年，錦江河經過農業(yè)部的評審，被認定為國家第三批水產種質資源保護區(qū)。然而，伴隨著銅仁市工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，環(huán)境問題日益突出。污染物質經農田徑流、雨水徑流等方式進入水體，不僅對水體質量產生直接影響，還可能對水體生態(tài)系統(tǒng)構成威脅^［17-18］。

1.2 樣品采集與保存

于2022年６月，利用GPS全球定位系統(tǒng)在錦江河分別布設A（小江口）、B（下南門）、C（三中）、D（水晶閣）、E（清水橋）、F（三江公園）、G（鷺鷥巖）7個樣點。采集錦江河表層（0～0.5 m）水，水樣采集后裝入冰盒中帶回實驗室低溫保存，測定各項指標。

1.3 水體理化性質測定

采用YSI 6600V2型多參數(shù)水質分析儀現(xiàn)場測定錦江河水溫（T）、pH、溶解氧（DO），采用分光光度法測定水體葉綠素a（Chl-a）含量；水體化學需氧量（COD）采用高錳酸鉀指數(shù)法測定，水體總氮（TN）采用堿性過硫酸鉀氧化-磷鉬藍比色法測定，水體鉀（K）采用原子吸收火焰光度法測定，水體透明度（SD）采用塞氏盤法測定，水體總磷（TP）采用鉬酸銨分光光度法測定。

1.4 水體富營養(yǎng)化評價方法

1.4.1

卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TSI）。TSI是以水體透明度（SD）指標為基準，并結合總磷和葉綠素a指標評價水體營養(yǎng)狀態(tài)的評價指數(shù)。其計算公式如下：

TSI（SD）=10×（6-lnSD/ln2）（1）

TSI（Chl-a）=10×［6-（2.04-0.68lnChl-a）/ln2］（2）

TSI（TP）=10×［6-（ln48/TP）/ln2］（3）

式中：TSI為卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；SD為水體實測透明度（m）；Chl-a為水體中實測葉綠素a含量（mg/L）；TP為水體實測總磷含量（mg/L）。其中，TSI<40為貧營養(yǎng)，40≤TSI<50為中營養(yǎng)，50≤TSI<60為中富營養(yǎng)，TSI≥60為富營養(yǎng)。

1.4.2 修正的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TSIM）。TSIM是以水體實測葉綠素a含量為基準的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。計算公式如下：

TSIM（Chl-a）=10×［2.46+（lnChl-a/ln2.5）］（4）

TSIM（SD）=10×［2.46+（3.69-1.53lnSD/ln2.5）］（5）

TSIM（TP）=10×［2.46+（6.71+1.15lnTP）/ln2.5］（6）

其中，TSIM<30為貧營養(yǎng)，30≤TSIM≤50為中營養(yǎng)，50<TSIM≤100為富營養(yǎng)。

1.4.3 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TLI）。計算公式如下：

TLI=mj=1［Wj×TLI（j）］（7）

式中：TLI（j）為第j種指標參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；Wj為第j種指標參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關權重。

以Chl-a作為基準指標參數(shù)，則第j種參數(shù)的歸一化的相關權重表達為：

Wj=r2ij/mj=1r2ij（8）

式中：rij為第j種參數(shù)與基準參數(shù)Chl-a的相關系數(shù)；m為評價指標參數(shù)的數(shù)目。

各指標營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算公式如下：

TLI（Chl-a）=10×（2.5+1.086lnChl-a）（9）

TLI（TP）=10×（9.436+1.624lnTP）（10）

TLI（TN）=10×（5.453+1.694lnTN）（11）

TLI（SD）=10×（5.118-1.94lnSD）（12）

TLI（SOD）=10×（0.109+2.661lnSOD）（13）

采用0～100的一系列連續(xù)數(shù)字對錦江河水體營養(yǎng)狀態(tài)進行評價分級，見表1。

1.5 數(shù)據(jù)處理

通過Excel 2007、SPSS 19.0和Origin 2022軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。運用單因素方差分析（one-way ANOVA）方法對試驗數(shù)據(jù)進行差異比較，設置差異顯著水平為P<0.05。

2 結果與分析

2.1 錦江河水體基本理化性質

水體的理化性質是水體一系列錯綜復雜的理化變化因素，影響著水體中生物的生長和繁殖過程。錦江河水體基本理化參數(shù)如圖1所示。水體溫度為18.69～22.81 ℃，均值為19.35 ℃；溶解氧（DO）為0.45～1.19 mg/L，均值為1.00 mg/L；水體pH為7.93～9.16，均值為8.39；Chl-a為0.71～1.76 mg/L，均值為1.33 mg/L；COD為1.25～2.51 mg/L，均值為1.94 mg/L。氮、鉀和磷元素是水生生態(tài)系統(tǒng)中最主要的營養(yǎng)元素，是初級生產力的生源要素，也是生物生長的必需元素。錦江河水體TN、TP的含量分別是0.53～2.16、0.74～1.82 mg/L，均值分別為1.05、0.91 mg/L；水體鉀含量為1.95～4.53 mg/L，均值為3.16 mg/L。SD作為藻類初級生產力指標，是評價環(huán)境水質的重要指標，錦江河水體的SD為0.71～1.44 m，均值為1.04 m。

2.2 錦江河富營養(yǎng)化風險評價

準確評估和掌握水體富營養(yǎng)化狀態(tài)，有助于了解水體養(yǎng)分的分布和來源，為水資源的可持續(xù)管理提供依據(jù)，是科學制定相應的水質保護和治理策略前提^［19］。從錦江河水體富營養(yǎng)化評價結果（表2）可以看出，TSI在28.63～35.48，均值為32.10，錦江河水質整體處于貧營養(yǎng)水平。TSIM在59.34～66.07，均值為63.07，按照TSIM評價方法，錦江河水質各樣點均處于富營養(yǎng)水平。TLI在22.33～60.51，均值為35.77，57.14%采樣點處于中營養(yǎng)水平，28.57%采樣點處于貧營養(yǎng)水平，14.29%采樣點處于中度富營養(yǎng)水平，水質整體處于中營養(yǎng)水平。不同評價方法單因素方差分析顯示（圖2），TSIM與TSI與TLI之間差異顯著（P<0.05），TSI與TLI之間差異不顯著（P>0.05）；評價方法不同，導致水體富營養(yǎng)化評價結果不同，但TSI和TLI差異不明顯。TSI和TSIM都是基于SD、Chl-a、TP這3個指標的評價方法，其區(qū)別2種評價方法的評價基準不同，TSIM是以Chl-a為基準的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，TSI是以SD為基準的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。TLI評價指標基于Chl-a、SD、TN、TP和COD這5項指標參數(shù)，采用相關加權營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法，通過相關因子加權營養(yǎng)狀態(tài)法判斷湖庫所處的營養(yǎng)狀態(tài)。與TSI和TSIM相比，TLI考慮的影響因素較多，是一個綜合的評價過程，能夠比較科學地反映湖泊、河流水體的富營養(yǎng)化狀態(tài)。

2.3 錦江河環(huán)境因子對富營養(yǎng)化評價的影響

氮是蛋白質合成過程中必不可少的營養(yǎng)成分，而磷則在DNA和RNA的合成及能量傳遞系統(tǒng)中發(fā)揮著至關重要的作用。作為微生物和藻類生長發(fā)育所必需的微量元素，氮和磷在微生物和藻類的生長過程中扮演著至關重要的角色，并且是引發(fā)水體富營養(yǎng)化的關鍵因素^［20］。Chl-a是藻類和植物中的一種關鍵的葉綠素類型，它在光合作用中起著捕獲光能的重要作用，直接反映藻類生長狀況。錦江河環(huán)境因子和富營養(yǎng)化指數(shù)相關分析（圖3）顯示，環(huán)境因子Chl-a與TSI和TSIM呈現(xiàn)顯著正相關（P<0.05）；環(huán)境因子TN和TP與TLI呈現(xiàn)顯著正相關（P<0.05）。因此，TSI和TSIM評價方法主要側重于反映藻類生長的狀態(tài)，TLI則主要針對富營養(yǎng)化的限制因子，特別是氮和磷限制因子。

3 結論

該研究選取TSI、TSIM和TLI這3種水體營養(yǎng)指數(shù)評價方法研究銅仁市錦江河水體營養(yǎng)狀況，分析不同評價方法之間的差異和應用。主要結論如下：

（1）采用不同富營養(yǎng)評價方法，其評價結果有所差異。錦江河水體按照TSI、TSIM和TLI評價方法，其結果分別為貧營養(yǎng)、富營養(yǎng)和中營養(yǎng)水平。

（2）單因素方差分析表明，TSIM與TSI和TLI差異顯著（P<0.05），TSI與TLI差異不顯著（P>0.05）；相關分析表明，Chl-a與TSI、TSIM呈現(xiàn)顯著正相關（P<0.05），TN和TP與TLI呈現(xiàn)顯著正相關（P<0.05）。水體葉綠素a是影響TSI、TSIM評價結果的重要環(huán)境因子。水體氮和磷是影響TLI評價結果的重要因素。

（3）TSI、TSIM方法適用于水體藻類的生長狀況評價，TLI方法更適用于評價水體氮和磷營養(yǎng)狀況。

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