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三峡库区长江干流入出库断面氨氮与高锰酸钾指数负荷研究

黄玥 黄志霖 肖文发 曾立雄 李晖

刘妍, 李荣荣. 竹节隔碳量子点的制备及在荧光防伪中的应用[J]. 浙江农林大学学报, 2025, 42(2): 402−409 doi:  10.11833/j.issn.2095-0756.20240361
引用本文: 黄玥, 黄志霖, 肖文发, 等. 三峡库区长江干流入出库断面氨氮与高锰酸钾指数负荷研究[J]. 浙江农林大学学报, 2021, 38(6): 1221-1230. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20200778
LIU Yan, LI Rongrong. Preparation of bamboo carbon quantum dots and their application in fluorescence anti-counterfeiting[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2025, 42(2): 402−409 doi:  10.11833/j.issn.2095-0756.20240361
Citation: HUANG Yue, HUANG Zhilin, XIAO Wenfa, et al. NH3-N and CODMn load in the inlet and outlet sections of the Yangtze River in Three Gorge Reservoir Area[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2021, 38(6): 1221-1230. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20200778

三峡库区长江干流入出库断面氨氮与高锰酸钾指数负荷研究

DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20200778
基金项目: 国家重点研发计划项目(2017YFC05053)
详细信息
    作者简介: 黄玥(ORCID: 0000-0002-3189-5578),从事景观生态学研究。E-mail: 347396834@qq.com
    通信作者: 黄志霖(ORCID: 0000-0002-0013-9884),研究员,从事流域生态水文学研究。E-mail: hzlin66@caf.ac.cn
  • 中图分类号: X524

NH3-N and CODMn load in the inlet and outlet sections of the Yangtze River in Three Gorge Reservoir Area

  • 摘要:   目的  探究三峡库区长江干流入出库断面污染物负荷变化及其与三峡水库水位的关系。  方法  基于三峡库区长江干流入库断面(重庆朱沱)与出库断面(湖北宜昌南津关)2013−2018年氨氮(NH3-N)和高锰酸钾指数(CODMn)与断面水体流量数据,采用密度分布曲线、Mann-Kendall趋势分析法对污染物负荷情况进行分析。  结果  ①入库断面NH3-N、CODMn负荷极显著高于出库断面,入库断面污染物负荷与出库断面污染物负荷极显著相关(P<0.01)。三峡库区污染主要来自入库断面与沿程支流输入,伴随水库澄清作用,污染物沿程下降。②入出库断面污染物负荷与三峡水库水位波动极显著负相关(P<0.01),低水位运行时污染物负荷最大,高水位运行时污染物负荷最小。③Mann-Kendall趋势分析结果显示:入库断面NH3-N年负荷与出库断面CODMn年负荷呈显著上升趋势(P<0.05)。  结论  三峡低水位运行时水库蓄水少,水体澄清作用下降;高水位运行时水库蓄水量大,水环境稳定,有助于污染物稀释。三峡库区和上游水污染治理不容忽视。图6表4参33
  • 十字花科Brassicaceae植物主产北温带,约375属3 200种。在中国主要集中于西南、西北、东北高山以及丘陵地区[1],其中萝卜属Raphanus与芸薹属Brassica植物是中国最重要的蔬菜与油料作物,该科部分种类还可作为药用、观赏用、染料用或食用[2]。植物表皮蜡质是覆盖在陆生植物地上部器官表面的脂质成分,也存在于木栓的基质、愈伤组织、花粉粒以及种皮中[3],其疏水结构在植物表面起极其重要的防卫功能,在植物与周围环境的相互作用中发挥着重要作用[4]。本研究从十字花科植物蜡质类型、结构、成分、含量、功能、遗传特性、合成与转运途径、分子机制等方面进行综述,为十字花科植物的蜡质代谢研究提供参考。

    1.1.1   蜡质的形态结构

    十字花科植物的蜡质呈片状、柱状和网状等26种形态类型,不同种类植物的蜡质形态不同[5]。徐秀萍等[6]采用扫描电镜(SEM)观察拟南芥Arabidopsis thaliana表皮蜡质,发现主要呈杆状,少量呈片状、管状、碟状和伞状。李红莲[7]发现:红菜薹Brassica campestris表皮蜡质为片状和网状构成的不规则三维结构。李帅等[8]发现:甘蓝型油菜‘中双11’Brassica napus‘Zhongshuang 11’叶表皮蜡质结构主要为杆状和颗粒状(小片状)。牟香丽等[9]发现:不同生长时期甘蓝Brassica oleracea var. capitata表皮蜡质呈现不同结构,苗期大多为颗粒状、片状和针状,结球期则较多为圆柱状和片状,成熟期以片状和针状为主。张曦[10]发现白菜Brassica pekinensis成熟叶片蜡质大多呈现出棒状且前端有圆形突起。

    1.1.2   蜡质的化学成分

    十字花科植物蜡质主要为超长链脂肪酸及其衍生物,包括烷烃、脂肪酸、醇、醛、酮的同系物,偶尔会出现环状化合物,如甾醇或三萜类化合物等[11]。蜡质通常使用三氯甲烷、正己烷等有机溶剂提取,采用气相色谱-质谱联用(GC-MS)技术鉴定成分[12]。植物表皮蜡质各成分占比不同。如白菜[10]成熟叶片蜡质的主要成分中酮类占1.02%,醇类占8.33%,烷烃占55.09%,酯类占26.34%。不同种类植物的表皮蜡质成分含量也存在差异[13]。如甘蓝型油菜‘中双11’叶[8]表皮蜡质成分中烷烃为8.24 μg·cm−2,次级醇为1.72 μg·cm−2,酮为1.62 μg·cm−2,初级醇为0.57 μg·cm−2,脂肪酸为0.10 μg·cm−2,醛为0.79 μg·cm−2,未知成分为9.33 μg·cm−2,总量为22.37 μg·cm−2;拟南芥[14]茎秆的表皮蜡质中初级醇为0.58 μg·cm−2,脂肪酸为0.10 μg·cm−2,醛为1.90 μg·cm−2,烷烃为13.13 μg·cm−2,次级醇为3.83 μg·cm−2,酮为5.95 μg·cm−2,总含量为28.99 μg·cm−2。而普通白菜自交不亲和系13S106[15]叶片的蜡质成分中烷烃为13.60 μg·cm−2,醛为0.90 μg·cm−2,醇为3.20 μg·cm−2,酮为8.30 μg·cm−2,脂肪酸为1.20 μg·cm−2,蜡酯为2.40 μg·cm−2。在上述不同十字花科物种中,蜡质主要成分均为烷烃,次要成分则有所不同。

    十字花科植物表皮蜡质在维持水分平衡、反射紫外线、减少外来机械损伤、降低低温伤害、抵御细菌真菌入侵、防止昆虫侵食等抵抗生物与非生物胁迫中起着重要作用[16],同时兼具影响叶片和果实着色、防止果实开裂和植株育性等生理功能[17]

    1.2.1   抗低温胁迫

    低温胁迫易引起植物酶活性降低、细胞膜结构改变、细胞失水、代谢紊乱等,对植物生长发育造成多种负面影响[18]。倪郁等[19]发现:4 ℃低温胁迫下拟南芥生长发育缓慢、叶色变深,蜡质晶体的分布密度、大小、形态等发生改变。唐帅等[20]发现:4 ℃低温胁迫下拟南芥叶片表皮蜡质成分增加,烷烃、脂肪酸、醛、初级醇和酮相对含量分别增加54.34%、29.61%、54.40%、24.07%和137.80%;荧光定量聚合酶链式反应(PCR)检测显示蜡质相关基因的表达水平显著提高,说明拟南芥通过提高蜡质含量来缓解低温胁迫,预防低温对植物内部组织的伤害。

    1.2.2   抗紫外线胁迫

    紫外线中UV-B波长为280~315 nm,可对植物表面造成损伤。PRUDNIKOVA等[21]发现:过量UV-B处理会造成植株干质量降低,叶面积减小,净光合速率下降及花期变短等。宋超[14]发现:UV-B胁迫下拟南芥蜡质相对含量明显增加,蜡质相关基因CER3、CER4、KCS1表达量显著提高,其中CER4基因的相对表达增加了13.80倍,CER1和WIN1表达量降低。此外,UV-B胁迫下拟南芥蜡质晶体结构发生熔融,晶体由杆状变成片状,蜡质覆盖面积增加,蒸腾作用减少,从而达到反射更多紫外线的效果。

    1.2.3   抗干旱胁迫

    植物蜡质作为疏水屏障,在限制非气孔水分散失中扮演重要角色[22-23]。柴凌燕[24]发现:拟南芥过量表达蜡质相关转录因子WIN1可提高蜡质合成量,调节表皮渗透性,增强植株耐旱性。LÜ等[25]发现:拟南芥CER9编码一种与植物抗旱性相关的决定因子,该因子缺失可以增加蜡质合成,阻塞更多的气孔,抑制蒸腾作用。周燕等[26]发现:甘蓝型油菜中BnWIN2C01的特异性表达影响了叶片蜡质合成,从而影响植株水分平衡。

    1.2.4   抗败育

    花粉发育异常会导致植株减产或杂交不育,蜡质是花粉表面含油层的重要成分,在植物生殖发育方面发挥重要作用。KOCH等[27]发现:蜡质不仅影响植物叶片和果实的形态、发育,还影响植株花粉的发育情况。刘艳艳等[28]发现:FAX1基因缺失会抑制拟南芥营养生长,造成植株矮小、茎纤细、花粉稀少、角果短小等,同时还影响花粉壁的发育与花粉的育性,进而影响授粉过程。徐法青[29]发现:拟南芥CER3基因参与花粉脂质的合成或转运,该脂质的缺失会影响花粉与柱头的识别,阻断水合作用,最终导致雄性不育。

    1.2.5   抗病虫害

    蜡质可以减少叶片表面水分,减少病菌停留和降低病菌入侵。JU等[30]发现:蜡质的晶体结构可促使水分形成水滴以便滑落,并带走叶片表面的灰尘、污染物和病菌等。SURVILA等[31]发现:相较于正常植株,拟南芥蜡质缺失植株表面细菌更多,更易发生病害。蜡质在植物抵抗虫害方面也起着重要作用,它可通过光的反射,改变植物表现出的颜色,影响昆虫视觉,减少昆虫取食和产卵。BOHINC等[32]以8种基因型甘蓝为对象进行田间试验,发现蜡质对甘蓝跳甲Phyllotreta spp.和菜椿Eurydema spp.的生存有抑制作用,且蜡质含量越高,植株上甘蓝跳甲和菜椿越少。

    十字花科植物蜡质缺失表型明显,表面无蜡质覆盖的植株呈现叶色亮绿等性状,包括单基因隐性遗传、单基因显性遗传和双基因隐性遗传等3种遗传特性。

    ANSTEY等[33]在青花菜Brassica oleracea var. italica中发现了十字花科植物中第1个符合单基因隐性遗传规律的蜡质缺失突变体。刘泽洲等[34]发现:甘蓝蜡粉缺失突变体10Q-961符合单基因隐性遗传规律。李红莲等[7]对无蜡质红菜薹与有蜡质红菜薹杂交建立6世代群体并进行研究,发现蜡质缺失突变体符合隐性遗传规律。王灿洁等[15]发现红菜薹自交系13S106蜡质缺失性状受隐性单基因控制。

    蒲媛媛等[35]发现:甘蓝型油菜光叶突变体GL的蜡质缺失性状受单个显性基因控制。刘东明[36]发现:甘蓝10Q-974亮绿性状符合单基因显性遗传规律,突变基因 BoGL1位于8号染色体177 kb的区间内,与基因Bol018504的表达相关。

    周熙荣等[37]发现:甘蓝型油菜杂交F2中出现少数蜡质缺失的植株,其无蜡质性状由2对隐性基因控制。莫鉴国等[38]对加拿大引进的无蜡质甘蓝型油菜种质材料‘Nilla’进行研究,发现其蜡质缺失性状也是受2对隐性基因控制。

    十字花科植物蜡质合成C16~C18脂肪酸合成、C20~C34超长链脂肪酸合成、超长链脂肪酸衍生物合成等3个途径(图1)。合成相关酶如表1所示。

    图 1  拟南芥蜡质生物合成途径[11]
    Figure 1  Wax biosynthesis pathway in Arabidopsis thaliana
    表 1  拟南芥参与蜡质生物合成的酶
    Table 1  Enzymes involved in wax biosynthesis in Arabidopsis thaliana
    序号缩略符基因参考文献
    1乙酰辅酶A羧化酶ACCACC1,ACC2[39]
    2酰基载体蛋白硫解酶FATFATAFATB[40]
    3长链酰基辅酶A合成酶LACSLACS1,LACS2,LACS4[41-44]
    4β-酮酰辅酶A合成酶KCSFAE1,CER6,KCS1,FDH[45-46]
    5β-酮酰辅酶A还原酶KCRKCR2[11]
    6β-羟酰-酰基辅酶A脱水酶HCDPAS1,PAS2[47-48]
    7反式烯酰辅酶A还原酶ECRCER10[49]
    8脂肪酰辅酶A还原酶FARCER4[50]
    9蜡酯合成酶WSWSD1[51]
    10脂肪酰辅酶A还原酶FARCER3[52]
    11醛脱羰酶ADCER1[53-54]
    12中链烷烃羟化酶MAHMAH1[55]
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    3.1.1   C16~C18脂肪酸合成

    C16~C18脂肪酸在质体中合成,初始反应物乙酰辅酶A在乙酰辅酶A羧化酶(ACC)和脂肪酸合成酶的作用下,以每次增加2个碳原子的方式延长碳链,形成C16~C18的酰基载体蛋白[39],然后在酰基载体蛋白硫酯酶(FAT)作用下水解生成C16~C18脂肪酸[40]。脂肪酸经长链酰基碳烯A合成酶(LACS)催化后以脂肪酰辅酶A的形式进入内质网中[41],进行下一步反应。ZHAO等[42]发现:拟南芥的9个LACS基因中,LACS1和LACS2参与蜡质的合成。LÜ等[43]和JESSEN等[44]进一步发现:LACS1和LACS4参与花粉外被长链脂肪酸的合成。

    3.1.2   C20~C34超长链脂肪酸合成

    C20~C34超长链脂肪酸合成场所是内质网。C16~C18脂肪酰辅酶A与丙二酰辅酶A通过脂肪酸延伸酶复合物(FAE)进行合成,每次循环增加2个碳原子,多次循环延伸碳链,最终形成C20~C34超长链脂肪酸,其中丙二酰辅酶A由乙酰辅酶A于细胞质中经过乙酰辅酶A羧化酶催化形成。该反应中的FAE属于多酶复合体,包括β-酮酰辅酶A合成酶(KCS),β-酮酰辅酶A还原酶(KCR),反式烯酰辅酶A还原酶(ECR)和β-羟酰-酰基辅酶A脱水酶(HCD)4种酶,其中KCS是该反应的关键酶,对反应底物具有特异性。QUIST等[45]发现:拟南芥KCS基因分为FAE1类和ELO类,前者包含FAE1、CER6、KCS1和FDH等4个亚组,而ELO类基因功能还未见报道。SUH等[46]发现:拟南芥与蜡质相关的基因有KCS1、KCS2、KCS13、KCS10、KCS20和CER6等;拟南芥中的KCR基因有KCR1和KCR2等2种,KCR1没有功能,KCR2参与超长链脂肪酸的合成。ZHAO等[47]发现:相比野生型,cer10突变体器官小,蜡质少;CER10基因在表皮和种子中有ECR功能活性,参与超长链脂肪酸合成。目前对HCD的研究较少,BACH等[48]发现:pas2-1突变体的蜡质含量明显少于野生型,PAS2基因功能完全丧失会最终导致胚死亡,推测PAS2在超长链脂肪酸合成和生物发育中起到非常关键的作用。ROUDIER等[49]发现:内质网中的PAS1和PAS2,KCR和ECR存在蛋白互作,并认为PAS1在多酶复合体中扮演分子构架的角色。

    3.1.3   超长链脂肪酸衍生物合成

    同位素示踪和气相色谱质谱技术已经验证了超长链脂肪酸通过酰基还原途径和脱羰基途径衍生出其他蜡质成分。酰基还原途径也叫醇合成途径,超长链脂肪酰辅酶A经脂肪酰辅酶A还原酶(FAR)还原产生初级醇,初级醇与C16~C18脂肪酸辅酶A经蜡酯合成酶(WS)缩合产生蜡酯。拟南芥通过酰基还原途径产生的蜡质相对含量约为20%。 CER4基因编码的酰基辅酶A还原酶在该途径中起到关键作用,主要将拟南芥表皮和根部脂肪酸还原成初级醇。ROWLAND等[50]发现:拟南芥cer4突变体茎中醇与蜡酯含量显著降低。LI等[51]发现:拟南芥wsd1突变体蜡酯含量明显少于野生型。脱羰基途径也叫烷烃合成途径,超长链脂肪酰辅酶A经脂肪酰辅酶A还原酶(FAR)还原产生的醛经醛脱羰酶脱羰产生烷烃,经中链烷烃羟化酶(MAH)1次羟化产生次级醇,再次羟化生成酮。拟南芥约80%的蜡质组分由该途径产生。BERNARD等[52]发现:拟南芥cer3突变体中醛含量减少,说明CER3基因在产生醛的过程起着重要作用。OSHIMA等[53]和刘秀林[54]发现:拟南芥cer1突变体茎表皮蜡质组分中烷烃含量减少,而醛含量增加,说明CER1编码的酶参与烷烃产生。GREER等[55]发现:MAH1是烷烃羟化酶,拟南芥mah1突变体中次级醇和酮的含量显著减少。

    内质网上经过各种酶加工修饰合成的蜡质成分会先转运到细胞膜,再通过转运蛋白进行跨膜运输,最后经脂质转移蛋白跨细胞壁转运到角质层,转运途径及转运蛋白见图2和表2

    图 2  拟南芥蜡质转运途径[36]
    Figure 2  Wax transport pathway in Arabidopsis thaliana
    表 2  拟南芥参与蜡质转运的蛋白
    Table 2  Waxy transport proteins in Arabidopsis thaliana
    蛋白缩略符基因参考文献
    ABC转运蛋白ABCGABCG11,ABCG12[57-59]
    脂质运输蛋白LTPsLTPG1,LTPG2[60-61]
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    3.2.1   细胞内的蜡质转运

    目前对蜡质从内质网转运到质膜有2种推测:①蜡质通过内质网与质膜内侧接触的部分直接进行运输;②蜡质先进入内质网分泌的囊泡,再经高尔基体转运到细胞膜内侧[56]

    3.2.2   蜡质的跨膜运输

    蜡质到达质膜后利用相关转运蛋白进行跨膜运输。ABCG11和ABCG12是拟南芥中2个蜡质转运相关的半分子转运蛋白,LUO等[57]发现:ABCG11通过与另1个ABCG11结合形成同源二聚体或是与其他半分子转运蛋白结合形成异源二聚体来转运蜡质分子。BIRD等[58]发现:abcg11突变体生长速度减缓,表皮蜡质含量减少。QUILICHINI等[59]发现:ABCG12基因编码定位在质膜上的ABC转运蛋白,ABCG12基因的缺失导致拟南芥表皮部位的蜡质显著减少,而细胞内蜡质总含量并没有显著变化,说明该基因缺失只影响了质膜中的蜡质转运过程,而细胞内蜡质合成并没有受阻。

    3.2.3   蜡质转移到角质层

    到达细胞膜外的蜡质由脂质转移蛋白(LTPs)转运到角质层。LTPG1是一种脂质转移蛋白,包含8个保守的半胱氨酸,形成疏水囊泡。DeBONO等[60]发现:ltpg1突变体的茎和角果表皮蜡质C29烷烃含量减少,但其他蜡质成分不存在显著差异,说明突变体缺失的蛋白可能对C29烷烃转移具有专一性。孙伟[61]发现:Th-nsLTP是一个非特异性脂转移蛋白,通过参与小盐芥表皮蜡质转移过程,使表皮蜡质含量减少,晶体结构从杆状转为柱状。

    十字花科植物蜡质形成分子机制极其复杂,今后可从以下几个方面深入探究。①当前对蜡质形态结构与成分含量的研究都是独立的,若能寻找不同蜡质成分形成晶体过程中的空间折叠规律,将有助于探明蜡质成分与蜡质结构复杂多样性背后的具体对应关系。②目前在蜡质合成与转运方面研究较多,但在外界环境条件如低温、干旱或光照强度对蜡质合成影响方面的研究较少,需要更多的相关研究阐明环境影响蜡质合成的机制。③培育蜡质过量的新品种对于研究蜡质形成分子机制及抗病育种都具有重要意义。

  • 图  1  2013−2018年三峡库区入出库断面污染物日负荷与水位变化

    Figure  1  Daily pollutant loads of inlet and outlet and water level changes in the Three Gorges Reservoir from 2013 to 2018

    图  2  不同水位时期入出库断面污染物日负荷概率密度曲线图

    Figure  2  Probability density line of daily pollutant loads of inlet and outlet in the Three Gorges Reservoir at different water level periods

    图  3  不同水位时期入库断面污染物日负荷概率密度曲线图

    Figure  3  Probability density line of daily pollutant loads of inlet in the Three Gorges Reservoir at different water level periods

    图  4  不同水位时期出库断面污染物日负荷概率密度曲线图

    Figure  4  Probability density line of daily pollutant loads of outlet in the Three Gorges Reservoir at different water level periods

    图  5  2013−2018年三峡库区长江干流入出库断面污染物年负荷

    Figure  5  Annual pollutant loads of inlet and outlet in the Three Gorges Reservoir from 2013 to 2018

    图  6  2013−2018年三峡库区长江干流入出库断面污染物年负荷Mann-Kendall趋势检验曲线

    Figure  6  Trend test curve of annual pollutant loads of inlet and outlet in the Three Gorges Reservoir from 2013 to 2018, by Mann-Kendall

    表  1  不同水位时期入出库断面污染物日均负荷

    Table  1.   Statistics of average daily pollutant loads of inlet and outlet in the Three Gorges Reservoir at different water level periods

    水期
    NH3-N/(t·d−1)CODMn/(t·d−1)
    入库断面出库断面入库断面出库断面
    丰水期393.75241.224 261.763 111.89
    平水期231.20131.091 651.101 548.12
    枯水期114.0178.771 060.09917.83
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    表  2  不同水位时期入出库断面污染物日负荷相关性分析与差异分析

    Table  2.   Correlation and differential analysis of daily pollutant loads of inlet and outlet in the Three Gorges Reservoir at different water level periods

    水期
    相关系数t
    NH3-NCODMnNH3-NCODMn
    丰水期0.41**0.54**21.19**16.22**
    平水期0.29**0.37**17.88**2.95*
    枯水期0.060.0912.52**6.71**
      说明:相关性分析中,**表示极显著相关(P<0.01)。差异     分析t检验中,*表示差异显著(P<0.05);**表示差     异极显著(P<0.01)
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    表  3  不同水位时期入库断面污染物日负荷单因素方差分析

    Table  3.   Differential analysis of daily pollutant loads of inlet in the Three Gorges Reservoir at different water level periods

    水期入库断面NH3-N水期入库断面CODMn
    丰水期平水期枯水期丰水期平水期枯水期
    丰水期162.55*279.74*丰水期2 549.65*3 140.67*
    平水期−162.55*117.19*平水期−2 549.65*591.02*
    枯水期−279.74*−117.19*枯水期−3 140.67*−591.02*
      说明:*表示差异显著(P<0.05)
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    表  4  不同水位时期出库断面污染物日负荷单因素方差分析

    Table  4.   Differential analysis of daily pollutant loads of outlet in the Three Gorges Reservoir at different water level periods

    水期出库断面NH3-N水期出库断面CODMn
    丰水期平水期枯水期丰水期平水期枯水期
    丰水期110.13*162.45*丰水期1 563.77*2 194.07*
    平水期−110.13*52.32*平水期−1 563.77*630.30*
    枯水期−162.45*−52.32*枯水期−2 194.07*−630.30*
      说明:*表示差异显著(P<0.05)
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-12-14
  • 修回日期:  2021-06-01
  • 网络出版日期:  2021-12-08
  • 刊出日期:  2021-12-08

三峡库区长江干流入出库断面氨氮与高锰酸钾指数负荷研究

doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20200778
    基金项目:  国家重点研发计划项目(2017YFC05053)
    作者简介:

    黄玥(ORCID: 0000-0002-3189-5578),从事景观生态学研究。E-mail: 347396834@qq.com

    通信作者: 黄志霖(ORCID: 0000-0002-0013-9884),研究员,从事流域生态水文学研究。E-mail: hzlin66@caf.ac.cn
  • 中图分类号: X524

摘要:   目的  探究三峡库区长江干流入出库断面污染物负荷变化及其与三峡水库水位的关系。  方法  基于三峡库区长江干流入库断面(重庆朱沱)与出库断面(湖北宜昌南津关)2013−2018年氨氮(NH3-N)和高锰酸钾指数(CODMn)与断面水体流量数据,采用密度分布曲线、Mann-Kendall趋势分析法对污染物负荷情况进行分析。  结果  ①入库断面NH3-N、CODMn负荷极显著高于出库断面,入库断面污染物负荷与出库断面污染物负荷极显著相关(P<0.01)。三峡库区污染主要来自入库断面与沿程支流输入,伴随水库澄清作用,污染物沿程下降。②入出库断面污染物负荷与三峡水库水位波动极显著负相关(P<0.01),低水位运行时污染物负荷最大,高水位运行时污染物负荷最小。③Mann-Kendall趋势分析结果显示:入库断面NH3-N年负荷与出库断面CODMn年负荷呈显著上升趋势(P<0.05)。  结论  三峡低水位运行时水库蓄水少,水体澄清作用下降;高水位运行时水库蓄水量大,水环境稳定,有助于污染物稀释。三峡库区和上游水污染治理不容忽视。图6表4参33

English Abstract

刘妍, 李荣荣. 竹节隔碳量子点的制备及在荧光防伪中的应用[J]. 浙江农林大学学报, 2025, 42(2): 402−409 doi:  10.11833/j.issn.2095-0756.20240361
引用本文: 黄玥, 黄志霖, 肖文发, 等. 三峡库区长江干流入出库断面氨氮与高锰酸钾指数负荷研究[J]. 浙江农林大学学报, 2021, 38(6): 1221-1230. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20200778
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Citation: HUANG Yue, HUANG Zhilin, XIAO Wenfa, et al. NH3-N and CODMn load in the inlet and outlet sections of the Yangtze River in Three Gorge Reservoir Area[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2021, 38(6): 1221-1230. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20200778
  • 三峡水库位于生态环境脆弱区,水环境保护一直是三峡库区重点问题。水库建立与运行改变了长江天然河道属性,天然河流转变为人工湖泊型水库,库区水文水情发生重大改变:水体流速变化显著,水体自净能力相较蓄水前也发生变化,库区支流常出现水体富营养化和水华现象[1-5]。三峡水库季节性水位涨落和水库周期性蓄水泄洪,在一定程度上导致水库水动力条件空间分布不均,进而影响水体中污染物扩散与沉积[6]。水质情况优劣对三峡库区社会经济发展与生态环境有着直接影响,水质恶化会破坏水生生态系统,导致生物多样性改变,威胁生态环境与人类健康,因此亟需进行水监测与管理[6]。分析湖泊流域水质的变化特征及其影响因素,有助于了解水质动态变化,加强流域水生态环境管理[7]。近年来,有关三峡水库水质变化研究主要集中在库区长江支流污染物浓度、泥沙淤积和水环境时空评价与库区长江干流污染物浓度时空变化等方面[8-10]。李玲等[11]以三峡水库干流水质为研究对象,结合污染浓度变化,探讨了干流水质变化与水库蓄水调度的关系。秦迪岚等[12]通过对污染物浓度进行聚类分析,研究了三峡库区的汉丰湖水质时空变化与差异。三峡水库水位随季节调度,水动力条件复杂,然而目前针对三峡库区长江干流污染物负荷变化及其与水情关系的定量研究较少。本研究分析三峡库区长江干流入出库断面水体中污染物负荷,探讨水质的时空变化特征及其对水位调度的响应,旨在揭示污染物动态变化特征与影响因素,以期为三峡水库长江干流水质监测与优化管理提供建议。

    • 三峡库区是指因三峡工程淹没并有移民任务的地区(28°31′~31°50′N,105°49′~110°30′E),总面积约5.8 万 km2,包含受三峡水库建设直接影响的湖北和重庆的20余个区县[13-14]。库区内地形复杂,以山地丘陵为主,属亚热带湿润季风气候,年均气温18.0 ℃,年均降水量约1 200.0 mm,冬夏季风更替明显,降雨和气温随季风变化有明显季节特征[15]。三峡工程于1994年正式施工。三峡水库在2003年6月首次蓄水至135 m,2006年10月蓄水至156 m,2010年10月蓄水位正式达175 m。三峡水库范围从三斗坪坝址至长江上游江津。三峡水库蓄水后,河道最大长度达660 km,干流河道宽700~1 700 m,库容可达393.0 亿 m3,可拦截洪水221.5 亿 m3。三峡水库建成后,夏季汛期水位低(145 m),汛末至枯水期水位逐渐抬升,冬季枯期水位最高(175 m)。按照三峡水库周期性蓄水水位变化,将水库运行划分丰水期(145 m)、平水期(145~175 m,175~145 m)和枯水期(175 m)。

    • 本研究选取三峡库区长江干流入库断面(重庆朱沱)和出库断面(湖北宜昌南津关)为对象进行研究。2013−2018年三峡库区长江干流入出库断面的水质污染物浓度数据来源于中华人民共和国生态环境保护部提供的《全国主要流域重点断面水质监测周报》(http://www.cnemc.cn)。该周报以周为单位发布了水体污染物氨氮 (NH3-N)和高锰酸钾指数 (CODMn)数据。NH3-N是导致水生植物消失的关键因素之一,CODMn能直接反映水体有机污染程度。三峡水库入出库断面每日水位与流量数据来源于中华人民共和国长江海事局(https://cj.msa.gov.cn/)。

      断面污染物负荷计算方法:Wi=10−6CiQ。其中:Wi为入库或出库断面污染物i的输移负荷(t·d−1);Ci为通过断面的水体中污染物i的质量浓度(mg·L−1);Q为通过断面的径流量(m3·d−1)。

    • 数据经过检查,剔除异常值处理后,采用SPSS 15.0进行差异检验与皮尔逊相关分析,通过R语言软件绘制概率密度分布曲线与Mann-Kendall趋势检验分析。

      Mann-Kendall趋势检验是非参数统计检验法。此方法不必事先设定数据分布特征,适于气象、水文数据的时间序列趋势与突变分析[16-17]。Mann-Kendall趋势检验法通过计算水文序列的趋势变化统计量UF与其反序列UB,并对比UF在显著水平下的表现(显著水平α=0.05时,$ {U}_{\alpha \left(0.05\right)} $=1.96,−$ {U}_{\alpha \left(0.05\right)} $=−1.96;极显著水平α=0.001时,$ {U}_{\alpha \left(0.001\right)} $=2.58,−$ {U}_{\alpha \left(0.001\right)} $=−2.58)。当$ {U}_{{\rm{F}}} $>0,水文序列呈上升趋势;当$ {U}_{{\rm{F}}} $<0,序列呈下降趋势。$ \left|{U}_{{\rm{F}}}\right| $<1.96,变化趋势不显著;1.96<$ \left|{U}_{{\rm{F}}}\right| $<2.56,变化趋势显著;$ \left|{U}_{{\rm{F}}}\right| $>2.56,变化趋势极显著。

    • 三峡库区长江干流入库与出库断面污染物负荷间的差异,反映了上游来水以及库区区间对入出库水质的影响。三峡水库蓄水后,大坝前的干流水位抬升,出现多处回水河段;干支流水体流速下降,库区上游至下游的水体流速呈下降趋势,出现明显河道型水库特征[18]。2013−2018年入出库断面NH3-N、CODMn日负荷变化见图1。可见,污染物日负荷存在周期性变化:在夏季低水位时期负荷最高,冬季高水位时期最低。对入出库断面污染物负荷做相关分析与配对样本t检验分析显示:①入库断面NH3-N日均负荷256.60 t·d−1,出库断面NH3-N日均负荷为156.45 t·d−1,两者相关系数为0.61(P<0.01),为极显著相关,且存在极显著差异(P<0.01)。②入库断面CODMn日均负荷2 530.84 t·d−1,出库断面为2 012.97 t·d−1,两者相关系数为0.76(P<0.01)),呈极显著相关,且存在极显著差异(P<0.01)。差异检验结果显示:入库断面污染物负荷显著高于出库断面。库区长江干流从天然河道转变为人工水库后,水文形态发生明显变化,如:河道变宽、流速下降等均导致水体在库区滞留时长增加,泥沙沉降作用也随之增强,污染物随泥沙沉入底泥,水体中污染物减少。此外,水库澄清效果沿程累计,伴随沿程污染物不断沉入底泥,水体污染物下降,最终使出库断面水质优于入库断面[18]

      图  1  2013−2018年三峡库区入出库断面污染物日负荷与水位变化

      Figure 1.  Daily pollutant loads of inlet and outlet and water level changes in the Three Gorges Reservoir from 2013 to 2018

    • 2013−2018年三峡水库入库断面NH3-N负荷及CODMn负荷与水位的相关系数分别为−0.44和−0.63,出库断面NH3-N负荷及CODMn负荷水位与水位的相关系数分别为−0.47和−0.58,均呈极显著负相关(P<0.01),说明三峡水库季节性水位调控对污染物负荷有较大影响。

    • 因三峡水库水位周期性调度,将水库运行时间划分为:低水位运行的丰水期(6−9月)、人为蓄水调整的平水期(4−5月和10−11月),高水位运行的枯水期(12月至次年3月),不同水位运行期污染物日均负荷统计见表1。相关性分析结果表明:在丰水期和平水期,出库断面污染物日负荷与入库断面污染物日负荷极显著相关(P<0.01,表2);差异分析结果表明:在丰水期、平水期和枯水期,出库断面污染物日负荷与入库断面污染物日负荷差异极显著(P<0.01,表2)。

      表 1  不同水位时期入出库断面污染物日均负荷

      Table 1.  Statistics of average daily pollutant loads of inlet and outlet in the Three Gorges Reservoir at different water level periods

      水期
      NH3-N/(t·d−1)CODMn/(t·d−1)
      入库断面出库断面入库断面出库断面
      丰水期393.75241.224 261.763 111.89
      平水期231.20131.091 651.101 548.12
      枯水期114.0178.771 060.09917.83

      表 2  不同水位时期入出库断面污染物日负荷相关性分析与差异分析

      Table 2.  Correlation and differential analysis of daily pollutant loads of inlet and outlet in the Three Gorges Reservoir at different water level periods

      水期
      相关系数t
      NH3-NCODMnNH3-NCODMn
      丰水期0.41**0.54**21.19**16.22**
      平水期0.29**0.37**17.88**2.95*
      枯水期0.060.0912.52**6.71**
        说明:相关性分析中,**表示极显著相关(P<0.01)。差异     分析t检验中,*表示差异显著(P<0.05);**表示差     异极显著(P<0.01)

      图2所示:①在丰水期,入库断面NH3-N日负荷大于250 t·d−1的概率累计有70.40%,而出库断面仅有35.80%;入库断面CODMn日负荷大于3 000 t·d−1的概率有64.85%,而出库断面仅有38.74%。在丰水期,入库断面NH3-N与CODMn日负荷明显多于出库断面。②在平水期,入库断面NH3-N日负荷大于180 t·d−1的概率有51.37%,而出库断面仅有23.40%;入库断面CODMn日负荷大于1 500 t·d−1的概率有52.65%,出库断面有45.16%。在平水期,入库断面NH3-N日负荷明显多于出库断面。③在枯水期,入库断面NH3-N日负荷大于110 t·d−1的概率有52.49%,而出库断面仅有17.22%;入库断面CODMn日负荷大于1 000 t·d−1的概率有30.29%,出库断面有25.31%。在枯水期,入库断面NH3-N日负荷明显多于出库断面。以上结果表明:在不同水位时期,入库断面污染日负荷均高于出库断面,其中NH3-N日负荷相差很大。

      图  2  不同水位时期入出库断面污染物日负荷概率密度曲线图

      Figure 2.  Probability density line of daily pollutant loads of inlet and outlet in the Three Gorges Reservoir at different water level periods

    • 在时间尺度,对入库或出库断面在不同水位运行期的污染物日负荷进行差异分析检验(表3表4)表明:①在不同水位条件下,入库断面各项污染物负荷均差异显著(P<0.05);②在不同水位条件下,出库断面各项污染物负荷均差异显著(P<0.05);③入出库断面污染物负荷在丰水期最高,枯水期最低的特征,说明水位季节性剧烈波动对三峡库区长江干流入出库断面污染物负荷有较大的影响。

      表 3  不同水位时期入库断面污染物日负荷单因素方差分析

      Table 3.  Differential analysis of daily pollutant loads of inlet in the Three Gorges Reservoir at different water level periods

      水期入库断面NH3-N水期入库断面CODMn
      丰水期平水期枯水期丰水期平水期枯水期
      丰水期162.55*279.74*丰水期2 549.65*3 140.67*
      平水期−162.55*117.19*平水期−2 549.65*591.02*
      枯水期−279.74*−117.19*枯水期−3 140.67*−591.02*
        说明:*表示差异显著(P<0.05)

      表 4  不同水位时期出库断面污染物日负荷单因素方差分析

      Table 4.  Differential analysis of daily pollutant loads of outlet in the Three Gorges Reservoir at different water level periods

      水期出库断面NH3-N水期出库断面CODMn
      丰水期平水期枯水期丰水期平水期枯水期
      丰水期110.13*162.45*丰水期1 563.77*2 194.07*
      平水期−110.13*52.32*平水期−1 563.77*630.30*
      枯水期−162.45*−52.32*枯水期−2 194.07*−630.30*
        说明:*表示差异显著(P<0.05)

      分别对入出库污染物负荷在不同水位条件下的状态进行概率密度曲线分析(图3图4)表明:①入库断面NH3-N日负荷在丰水期时有70.37%的概率大于250 t·d−1,在平水期时有28.75%,在枯水期时很少;入库断面CODMn日负荷在丰水期时有47.39%的概率大于3 800 t·d−1,在平水期和枯水期均不超过3 800 t·d−1。②出库断面NH3-N日负荷在丰水期时有69.61%的概率大于160 t·d−1,在平水期时有42.05%,在枯水期时有不到15.00%;CODMn日负荷在丰水期时有66.23%的概率大于3 800 t·d−1,在平水期时有14.47%,在枯水期时负荷不达3 800 t·d-1。以上结果表明:丰水期时,入库断面NH3-N日负荷与CODMn日负荷均显著高于平水期和枯水期;在丰水期时,出库断面NH3-N日负荷与CODMn日负荷量偏高,而在枯水期时最低。

      图  3  不同水位时期入库断面污染物日负荷概率密度曲线图

      Figure 3.  Probability density line of daily pollutant loads of inlet in the Three Gorges Reservoir at different water level periods

      图  4  不同水位时期出库断面污染物日负荷概率密度曲线图

      Figure 4.  Probability density line of daily pollutant loads of outlet in the Three Gorges Reservoir at different water level periods

    • 入出库断面2013−2018年污染物年负荷如图5所示,利用R语言对污染物负荷年变化进行Mann-Kendall趋势检验(图6)。结果表明:入库断面NH3-N年负荷与出库断面CODMn年负荷UF曲线与临界值线(Uα=1.96,α=0.05)相交,表明两者呈显著上升趋势(P<0.05),其他断面污染物年负荷无显著变化。

      图  5  2013−2018年三峡库区长江干流入出库断面污染物年负荷

      Figure 5.  Annual pollutant loads of inlet and outlet in the Three Gorges Reservoir from 2013 to 2018

      图  6  2013−2018年三峡库区长江干流入出库断面污染物年负荷Mann-Kendall趋势检验曲线

      Figure 6.  Trend test curve of annual pollutant loads of inlet and outlet in the Three Gorges Reservoir from 2013 to 2018, by Mann-Kendall

    • 水质受水位波动变化影响的研究很多,WHITE等[19]利用模型演示出湖泊持续低水位状态会导致水体中悬浮物增加,造成水质恶化。三峡水库运行后,库区水位受人工调度,汛期因泄洪而低水位运行,入库沙量显著增加,泄洪也使得大量泥沙排至下游;冬季高水位运行,水位抬升至175 m,水库大量蓄水。非汛期泄水改变了原有的河道条件,导致三峡库区与天然河道条件差异大[20]

      三峡水库不同水位运行期因蓄水量不同而导致的稀释作用变化,是引发污染物负荷波动的重要因素。2010年三峡工程进入常态化水位调控运行阶段后,水库水质受到季节性因素影响,水温、来水量、泥沙量、水文条件与人类生产生活等因素都会影响水质[21]。在时间尺度上,入库与出库断面污染物负荷变化与三峡水库水位波动高度相关,在夏季汛期的低水位阶段污染物负荷最高,而在冬季枯水期的高水位阶段污染物负荷较低的概率最大。这是因为在丰水期,降雨丰沛,三峡水库来水流量增大,携带污染物进入水体的能力强;汛期降雨冲击力强,在降雨径流的淋溶与冲刷下,污染物随地表径流和泥沙进入水体,引发水质恶化[22]。但受到汛期水库排洪影响,水位下降,此期间水库储水量大幅减少,污染物稀释与降解能力下降,在一定程度上加重了水质恶化[23]。有研究表明[24]:水体中CODMn含量与泥沙显著相关,泥沙与有机质含量决定了CODMn含量,夏季入江水体携带大量泥沙进入水库,是导致CODMn高于其他时期的主要因素。汛期来水来沙量大,携带大量含氮污染物进入水体;进入蓄水期后,水体含沙量降低,清水下泄,进入枯期高水位后水体含氮量会下降[25]

      在枯水期高水位运行时,水库含水量增加,水体流动性下降,悬浮物沉降作用增强,CODMn、总磷、重金属等与悬浮物密切相关的污染物沉降入底泥,并且沉降作用沿程不断累积,接近大坝的出库断面受水位调度影响显著,水体流速变化明显,污染物沉降作用也更加显著[1]。此外,高水位运行期水库蓄水量大,有助于污染物稀释与沉降[18]。同时由于枯期降雨减少,陆地污染物迁移力下降,入库污染物随之减少[19]

    • 三峡水库水质与水文情况、水体污染情况、污染物输入方式,以及三峡库区点源、面源污染输入变化密切相关。有研究认为:三峡库区干流污染物来源主要是农业面源污染、工业生产和生活污水的排放与输入,库区城镇化建设与农业生产活动必然引入新的污染[26]。三峡库区农业污染来源有肥料施用、农作物秸秆燃烧、畜禽养殖等。化肥中的氮素会通过淋溶、吸附、反硝化等途径融入水土,不合理的使用方式也会造成农药化肥大量流失,进入水体造成污染[27]。三峡库区极具区域特色,库区内生态环境受农业面源污染影响严重,尤其是水库蓄水后,天然水文条件发生剧变,会降低水体中污染物的扩散、稀释与转化过程[28]。三峡水库蓄水前后,NH3-N和CODMn单位负荷造成的岸边污染面积比为1∶9和1∶14,伴随水库蓄水,在水流顶托作用下,污染带有明显回溯趋势[29]

      污染物负荷在空间尺度存在的差异,除三峡水库水体发挥蓄清的作用,域外污染物输入也是导致水体污染的重要原因。具体污染物输入来源包括城镇生活污水、工业废水、农业活动、油污废水、垃圾排放等,伴随城镇化加速和农业生产规模扩大,均会带来新的污染输入[18]。位于库首的重庆市大力推行三峡库区畜牧发展工作,畜牧养殖增加也会造成环境污染。同时因三峡大坝建立,人口迁移与设施配套建设而带来的耕地占用与生态环境破坏问题,也引发了水土流失[30]。三峡库区上游发展水平较高,且农村人口占比大,农产畜牧活动多,农药化肥使用量大,外源性污染物输入提高了水体CODMn含量;未充分自净的河水经过上游,在接收当地污染物输入后,向下游流去[17]。上游来水污染、支流污水汇入与沿程的面、点源污染均会引入污染物进入水体。有研究表明:库区污染物指标最低值均出现在库位区域,区域污染物排放冷点区域也位于三峡库位[30]。下游社会经济发展水平较低,污染排放小且距离上游较远,水体在到达下游前得到充分自净,经水库澄清作用后,污染物含量下降[18]

    • 随着经济发展、人口密度增加和城市化程度加快,生活污染排放增大,对水环境也会产生一定影响[25]。三峡水库在2010年进入常规化水位调控后,一方面,水库周期性蓄水后,库区水文形式显著改变,库区水环境变得脆弱,支流常出现水体富营养化与水华现象;另一方面,污染物、污废水处理效率不足,上游又是污染物主要来源,库区污染防治力度有待提高[31]。Mann-Kendall趋势检验结果显示:仍有污染物负荷呈上升趋势,说明库区内污染排放与污染治理仍存在疏忽漏洞。三峡水库蓄水后,氮磷污染是库区水质主要的污染因子,其中大部分来源于上游,库区富营养化问题日益严重[32]。针对三峡库区存在的污染问题,应减少库区人口压力,以达到减轻库区生态环境压力的目的;继续加强开展三峡库区防护林建设工作,积极推进高效农业,鼓励有机肥料使用;积极开展清洁小流域建设,建立生态修复区、生态治理区与生态保护区[33]。要加强库区生态环境管理与审查机制,协调库区生态环境保护与社会发展,实现可持续发展的最终目标。

    • 研究结果显示:①研究期间,长江干流入库断面NH3-N、CODMn污染物负荷显著高于出库断面,出库断面污染物负荷与入库断面高度相关。入库断面污染物与支流农业面源污染是水库污染物主要来源。伴随水库澄清作用,污染物沿程下降。②入出库断面污染物负荷受三峡水库水位影响显著,在丰水期水库低水位运行时,污染物负荷最大;在枯水期水库高水位运行时,污染物负荷最小。可见,季节性水库调度对库区水质有着不可忽视的作用。丰水期水库蓄水量少,水体澄清作用下降,但汛期降雨扰乱水环境稳定性,导致污染物含量增加;枯水期水库蓄水量最大,水环境稳定,有助于污染物稀释。③Mann-Kendall趋势检验结果显示:入库断面NH3-N年负荷和出库断面CODMn年负荷呈显著上升趋势,这与社会经济发展、当地生产生活因素相关。污染物治理需加强水质环保工作,提高污水、废水处理效率,促进水环境与社会经济共同发展。

参考文献 (33)

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