江西省中小型湖泊水體營養(yǎng)狀態(tài)評價及其驅(qū)動因子研究

江立文，陳楊，林暾，王亞，施俊譯，阮磊磊，曹金香，李梅

華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013

湖泊是地球上重要的水資源之一，不僅滿足人類生產(chǎn)生活需求，還具有調(diào)節(jié)氣候、保持生態(tài)平衡和防洪灌溉等重要功能。隨著人口增長、工農(nóng)業(yè)發(fā)展和城市化進(jìn)程加快，過量營養(yǎng)元素和有機(jī)物被排入湖中，致湖泊富營養(yǎng)化問題日益突出。江西省位于長江中下游南岸，地處 24°29'N ～30°04'N，113°34'E～118°28'E，面積 16.69 萬 km2［1］。全省 1 km2以上湖泊有55個，總面積為3882.7 km2，主要分布在江西省西北部，除鄱陽湖為特大型湖泊外，90%的湖泊面積小于 50 km2［2-3］。

目前，江西省湖泊的研究對象大多集中在鄱陽湖區(qū)［4-7］，關(guān)于中小型湖泊水體的營養(yǎng)狀態(tài)卻鮮有報道。筆者利用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)評價江西省內(nèi)25個中小型湖泊水體的營養(yǎng)狀態(tài)，采用主成分分析法研究了湖泊水體富營養(yǎng)化的驅(qū)動因子，以期為江西省湖泊水體富營養(yǎng)狀態(tài)的防治提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源

1.1 湖泊監(jiān)測概況

于2010年初開始，選取江西省境內(nèi)分布于長江干流水系、修河水系、環(huán)鄱陽湖水系的25個中小型湖泊，開展了為期一年的水質(zhì)監(jiān)測工作，監(jiān)測湖泊總面積近800 km2。江西省中小型湖泊水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 江西省中小型湖泊監(jiān)測概況Table 1 General situation of small or medium size lakes in Jiangxi Province

1.2 布點(diǎn)及分析

湖泊監(jiān)測點(diǎn)位設(shè)置采用網(wǎng)格布點(diǎn)法，25個湖泊共設(shè)176個取樣點(diǎn)，監(jiān)測頻率為每季一次。采樣方法為水深小于5 m時，水面下0.5 m處取樣;水深大于5 m時，混合取樣。采集的水樣經(jīng)預(yù)處理后，置于暗處4℃恒溫保存，并于當(dāng)日進(jìn)行水質(zhì)分析。監(jiān)測指標(biāo)的選取及分析方法以《水和廢水監(jiān)測分析方法》(4 版)［8］為依據(jù)。

使用Excel2003和PASW Statistics 18對所得監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 研究方法

2.1 水體營養(yǎng)狀態(tài)評價

目前，我國湖泊水體營養(yǎng)狀態(tài)評價方法有Carlson營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TSI)法、修正Carlson營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TSIM)法、綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)法、營養(yǎng)度指數(shù)法和評分指數(shù)法［9］。筆者選取TLI法對湖泊水體的營養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行評價。以透明度(SD)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、總氮(TN)濃度、總磷(TP)濃度和葉綠素a(Chl-a)濃度對所監(jiān)測湖泊進(jìn)行營養(yǎng)狀態(tài)評價。計算公式如下:

式中，TLI為綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù);Wj為第j種指標(biāo)參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重;TLI(j)為第j種指標(biāo)參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù);rij為第j種指標(biāo)參數(shù)與基準(zhǔn)指標(biāo)參數(shù)Chl-a濃度的相關(guān)系數(shù)，中國湖泊部分指標(biāo)參數(shù)與Chl-a濃度相關(guān)系數(shù)rij及其rij2值如表2所示;m為評價指標(biāo)參數(shù)的個數(shù)。

表2 中國湖泊部分指標(biāo)參數(shù)與Chl-a濃度的相關(guān)系數(shù)［10］Table 2 Correlation coefficients between chlorophyll-a and index parameters of some lakes in China

由表2得出:

TLI(SD)=10(5.118-1.94ln SD)

TLI(CODMn)=10(0.109+2.66ln CODMn)

TLI(TN)=10(5.453+1.694ln TN)

TLI(TP)=10(9.436+1.624ln TP)

TLI(Chl-a)=10(2.5+1.086ln Chl-a)

式中，SD，m;Chl-a 濃度，mg/m3;CODMn，TN 濃度和TP濃度，mg/L。

湖泊營養(yǎng)狀態(tài)分級:TLI＜30為貧營養(yǎng);30≤TLI≤50為中營養(yǎng);50＜TLI≤60為輕度富營養(yǎng);60＜TLI≤70為中度富營養(yǎng);TLI＞70為重度富營養(yǎng)［10］。

2.2 驅(qū)動因子分析

主成分分析方法是通過降維，將多個變量轉(zhuǎn)換成較少的幾個綜合變量［11］，在最大限度保留原始數(shù)據(jù)信息的同時，客觀地確定各變量的權(quán)重［12］，該方法簡單有效，已廣泛應(yīng)用于水環(huán)境質(zhì)量評價［13-20］。

3 結(jié)果與討論

3.1 湖泊營養(yǎng)狀態(tài)的評價

采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法計算了25個湖泊的TLI，如圖1所示。

圖1 江西省中小型湖泊綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)Fig.1 Comprehensive eutrophication state index of small or medium size lakes in Jiangxi Province

從圖1可以看出，25個調(diào)查湖泊的TLI均大于30，已達(dá)到中營養(yǎng)狀態(tài)以上。八里湖(55.82)、陳家湖(51.05)、大 湖 (51.90)、芳 湖 (50.27)、南 北 湖(57.74)、太泊湖(53.57)、瑤崗湖(52.43)和瑤湖(56.44)等8個湖泊的TLI超過了50，水體呈現(xiàn)富營養(yǎng)化狀態(tài)，其中，芳湖最低，南北湖最高;8個湖泊的TLI均未超過60，為輕度富營養(yǎng)，其占監(jiān)測湖泊總數(shù)的32%。其余的17個湖泊均為中營養(yǎng)湖泊，其中3個湖的 TLI較低，分別是赤湖(34.13)、軍山湖(34.31)和珠湖(37.73);而內(nèi)青嵐湖(49.98)和新妙湖(49.50)的TLI相對較大，處在富營養(yǎng)化臨界狀態(tài)。

3.2 富營養(yǎng)化驅(qū)動因子的分析

以富營養(yǎng)化的8個湖泊(八里湖、陳家湖、大湖、芳湖、南北湖、太泊湖、瑤崗湖和瑤湖)為考察對象，以水深(DW)，水溫(TW)，SD，pH，溶解氧(DO)濃度，CODMn，TN 濃度，硝酸鹽(NO3-N)濃度，TP 濃度，溶解性磷酸鹽(DP)濃度和Chl-a濃度等11項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo)為分析變量，研究了湖泊水體富營養(yǎng)化的驅(qū)動因子，8個富營養(yǎng)化湖泊監(jiān)測指標(biāo)參數(shù)的年均值統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。

運(yùn)用PASW Statistics 18對變量進(jìn)行方差最大旋轉(zhuǎn)，得出主成分在各變量上的載荷分布，如圖2所示;湖泊水體富營養(yǎng)化驅(qū)動因子的主成分分析結(jié)果，如表4所示。

表3 8個富營養(yǎng)化湖泊監(jiān)測指標(biāo)參數(shù)的年均值統(tǒng)計結(jié)果Table 3 Statistical results of annual average monitoring index about 8 eutrophication lakes

圖2 主成分因子在各變量上的載荷分布Fig.2 The loading distribution of principal components on variables

表4 主成分法分析結(jié)果Table 4 The results of principal component analysis(PCA)

由表4可知，四類主成分的特征值都大于1，且其累計貢獻(xiàn)率達(dá)到了87.194%，可以表征8個富營養(yǎng)化湖泊11項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo)的大部分信息。

從圖2可以看出，利用主成分分析法，可將江西省中小型湖泊水體富營養(yǎng)化的驅(qū)動因子分成四類:第一類驅(qū)動因子(第一主成分)是以TN(0.95)和NO3-N(0.96)為代表的含氮營養(yǎng)鹽指標(biāo)，以及pH(0.56)指標(biāo)，在該類型中的pH反映湖泊的酸堿度，經(jīng)計算，所研究湖泊的pH平均為7.95，符合富營養(yǎng)化湖泊水質(zhì)呈弱堿性的特征［9］;第二類驅(qū)動因子(第二主成分)是以TP(0.93)和DP(0.82)為代表的含磷營養(yǎng)鹽指標(biāo);第三類驅(qū)動因子(第三主成分)是與湖泊自身特性有關(guān)的自然特征指標(biāo)，如 DW(0.91)，SD(0.80)和TW(0.75);第四類驅(qū)動因子(第四主成分)是包括Chl-a和CODMn在內(nèi)的生物和有機(jī)物特性指標(biāo)。

目前，在湖泊水體富營養(yǎng)化的機(jī)理研究中，對適合水生動植物生長的溫度、有助于藻類等浮游生物生長的水流速度和用以提供水生生物生長的氮磷等營養(yǎng)鹽濃度［21］三個影響因素為大多數(shù)研究者所認(rèn)同。從表4可以看出，第一主成分的貢獻(xiàn)率最大，為24.864%，第二主成分和第三主成分的貢獻(xiàn)率與第一主成分相差不大，說明水體中氮磷營養(yǎng)鹽濃度及其自然特征變化情況在驅(qū)動江西省中小型湖泊水體富營養(yǎng)化方面所起的作用相當(dāng)，且較大;而第四主成分的貢獻(xiàn)率最小，為15.759%，由于Chl-a是表征水體中浮游植物生物量和生產(chǎn)力的重要指標(biāo)，該項(xiàng)貢獻(xiàn)率反映了CODMn與水體富營養(yǎng)化間的關(guān)系，說明江西省中小型湖泊水體富營養(yǎng)化受有機(jī)污染物的影響不大。分析表明，江西中小型湖泊水體中氮磷營養(yǎng)鹽濃度、溫度等自然特征變化情況與湖泊水體富營養(yǎng)化的關(guān)系十分密切。

4 結(jié)論

江西省25個中小型湖泊水體的營養(yǎng)化狀態(tài)達(dá)到中度營養(yǎng)狀態(tài)，其中8個湖泊的水體已達(dá)到輕度富營養(yǎng)化狀態(tài)，分別是八里湖、陳家湖、大湖、芳湖、南北湖、太泊湖、瑤崗湖和瑤湖。

中小型湖泊水體富營養(yǎng)化狀態(tài)的驅(qū)動因子分成四類:第一類是以TN、NO3-N為代表的含氮營養(yǎng)鹽以及pH等指標(biāo);第二類是以TP、DP為代表的含磷營養(yǎng)鹽指標(biāo);第三類是以DW、TW等為代表的與湖泊自身特性有關(guān)的自然特征指標(biāo);第四類是以Chl-a和CODMn為代表的生物和有機(jī)物特性指標(biāo)。結(jié)果表明，水體中氮磷營養(yǎng)鹽濃度、溫度和水深等自然特征指標(biāo)是江西省中小型湖泊水體富營養(yǎng)化主要驅(qū)動因子。

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