駱馬湖水質(zhì)時(shí)空變化特征

胡婷婷,劉勁松,戴小琳,蔡永久,許 浩,龔志軍①

(1.安徽師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,安徽 蕪湖 241000；2.中國(guó)科學(xué)院流域地理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/ 中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，江蘇 南京 210008;3.江蘇省水利廳,江蘇 南京 210029)

?

駱馬湖水質(zhì)時(shí)空變化特征

胡婷婷1,2,劉勁松3,戴小琳3,蔡永久2,許 浩2,龔志軍2①

(1.安徽師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,安徽 蕪湖 241000；2.中國(guó)科學(xué)院流域地理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/ 中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，江蘇 南京 210008;3.江蘇省水利廳,江蘇 南京 210029)

于2014年1—12月對(duì)駱馬湖10個(gè)樣點(diǎn)水體理化指標(biāo)開(kāi)展周年監(jiān)測(cè)，分析水質(zhì)現(xiàn)狀和水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，并結(jié)合聚類(lèi)分析等多元統(tǒng)計(jì)分析方法識(shí)別水質(zhì)時(shí)空變化特征。結(jié)果表明，方差分析顯示透明度、電導(dǎo)率、溶解氧、氮、磷及葉綠素a等多項(xiàng)指標(biāo)均呈現(xiàn)顯著的月份變化，空間差異分析表明僅水深在各樣點(diǎn)間差異顯著，表明駱馬湖水質(zhì)空間差異較小。各月份總氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)、葉綠素a質(zhì)量濃度的樣點(diǎn)均值分別為0.71～2.08 mg·L-1、23.82～71.78 μg·L-1、1.87～5.09 mg·L-1、4.49～10.83 μg·L-1，駱馬湖水質(zhì)為Ⅲ～劣Ⅴ類(lèi)，總氮是現(xiàn)階段的主要污染物，綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)表明駱馬湖處于中營(yíng)養(yǎng)～輕度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。聚類(lèi)分析將12個(gè)月分為冬春季和夏秋季2個(gè)聚類(lèi)組，冬春季透明度、溶解氧、總氮、硝態(tài)氮濃度顯著高于夏秋季，而葉綠素a和總磷濃度則呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)。聚類(lèi)分析將10個(gè)樣點(diǎn)分為北部湖區(qū)和南部湖區(qū)2個(gè)聚類(lèi)組，總氮、硝態(tài)氮濃度和電導(dǎo)率是導(dǎo)致湖區(qū)水質(zhì)差異的主要指標(biāo)，北部湖區(qū)上述指標(biāo)顯著高于南部湖區(qū)。

淺水湖泊；水質(zhì)評(píng)價(jià)；聚類(lèi)分析；時(shí)空變化

南水北調(diào)工程是我國(guó)緩解北方地區(qū)水資源嚴(yán)重短缺局面的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施,工程規(guī)劃分東、中、西3條線路從長(zhǎng)江調(diào)水,橫穿長(zhǎng)江、淮河、黃河、海河四大流域,逐步構(gòu)成以“四橫三縱”為主體的總體布局,形成我國(guó)巨大的水網(wǎng)[1-2]。東線一期工程已于2013年通水,中線一期工程也于2014年12月正式通水。東線工程從長(zhǎng)江下游揚(yáng)州江都抽引長(zhǎng)江水,利用京杭大運(yùn)河及與其平行的河道逐級(jí)提水北送,并連接起調(diào)蓄作用的洪澤湖、駱馬湖、南四湖和東平湖。

駱馬湖是東線工程的重要調(diào)蓄庫(kù),同時(shí)也是宿遷市的重要飲用水源地,承擔(dān)著宿遷市區(qū)供水功能[3]。此外,駱馬湖還具有防洪、灌溉、水產(chǎn)養(yǎng)殖、航運(yùn)和旅游等多種功能。近年來(lái)駱馬湖由于無(wú)序采砂、不合理養(yǎng)殖、入湖污染物增加等原因,導(dǎo)致湖泊生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞,水環(huán)境發(fā)生變化,生物多樣性降低[4-5]。因此,開(kāi)展駱馬湖水質(zhì)時(shí)空變化特征研究可為湖泊水環(huán)境管理、生態(tài)修復(fù)和多樣性保護(hù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。2001—2005年監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示水體總氮(TN)和總磷(TP)濃度呈增加趨勢(shì),并導(dǎo)致駱馬湖從中營(yíng)養(yǎng)化向輕度富營(yíng)養(yǎng)化轉(zhuǎn)變[6],且氮是主要污染物,2005年駱馬湖TN質(zhì)量濃度年均值為1.73 mg·L-1,超過(guò)Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)0.73倍。崔彩霞等[7]分析了2006—2011年駱馬湖水質(zhì)中主要污染物的變化特征,發(fā)現(xiàn)TN、TP濃度和CODCr雖有波動(dòng),但變化趨勢(shì)不明顯。已有研究主要關(guān)注水質(zhì)的類(lèi)別特征和年際變化,缺少對(duì)駱馬湖水質(zhì)空間特征和季節(jié)變化規(guī)律的深入分析。為此,筆者于2014年1—12月對(duì)駱馬湖水質(zhì)進(jìn)行逐月監(jiān)測(cè),開(kāi)展水質(zhì)類(lèi)別和營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià),并利用多元統(tǒng)計(jì)分析方法探求水質(zhì)狀況的時(shí)空變異特征。

1 研究方法

1.1 駱馬湖概況

駱馬湖地處江蘇省北部,是江蘇省的第4大淡水湖泊,位于北緯34°00′～34°14′,東經(jīng)118°05′～118°19′范圍內(nèi),當(dāng)湖泊水位為22.83 m時(shí),平均水深為3.32 m,湖泊水面面積為287 km2,容積9.18億m3,匯水面積約1 300 km2[4]。駱馬湖是淮河流域第3大湖泊,為宿遷和徐州市共轄,北臨新沂,西連邳州,南接宿豫,東連馬陵山,與宿遷市相距僅6 km,距邳州及新沂市約35 km。駱馬湖北面通過(guò)運(yùn)河與山東南四湖相連,南與洪澤湖相連,繼而與長(zhǎng)江水系相通,入湖河流主要有沂河水系、南四湖水系和邳蒼地區(qū)共40多條支流,出流有3處,一經(jīng)嶂山閘入新沂河,一經(jīng)皂河閘入中運(yùn)河,一經(jīng)洋河灘閘入總六塘河。根據(jù)洋河灘歷年水位資料統(tǒng)計(jì),駱馬湖多年日平均水位為22.44 m,歷史最低水位為17.85 m,最高水位為25.47 m。年水位變幅為1.90～5.73 m,年換水10次左右,屬典型過(guò)水性湖泊[4]。

1.2 樣點(diǎn)布設(shè)及樣品采集與分析

采樣點(diǎn)布設(shè)考慮駱馬湖的形態(tài)特征、圍網(wǎng)養(yǎng)殖分布、湖區(qū)采砂以及入湖、出湖河流等情況,共布設(shè)10個(gè)常規(guī)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(圖1),基本覆蓋駱馬湖主要水域。監(jiān)測(cè)時(shí)間段為2014年1—12月,監(jiān)測(cè)頻率為每月1次。

現(xiàn)場(chǎng)使用YSI 6600 V2多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀測(cè)定水溫、電導(dǎo)率、pH、濁度、溶解氧(DO)飽和度、溶解氧含量,用塞氏盤(pán)測(cè)定水體透明度,用Speedtech SM-5便攜式測(cè)深儀測(cè)定樣點(diǎn)水深。同時(shí)用5 L采水器采集各樣點(diǎn)表層、中層和底層的混合水樣,用塑料壺取2.5 L混合水樣冷藏保存,并于當(dāng)天帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定水質(zhì)理化指標(biāo)。用GF/C膜過(guò)濾一定體積水樣測(cè)定Chl-a濃度,剩余水樣用于測(cè)定高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、TN、溶解性總氮(TDN)、銨態(tài)氮(NH4+-N)、硝態(tài)氮(NO3--N)、TP、溶解性總磷(TDP)、溶解性磷酸鹽(PO43--P)濃度,具體測(cè)定方法參照《湖泊富營(yíng)養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范》[8]。

圖1 駱馬湖水質(zhì)采樣點(diǎn)位分布

1.3 數(shù)據(jù)分析

鑒于各水質(zhì)理化參數(shù)間不完全獨(dú)立,部分指標(biāo)存在相互影響,應(yīng)用雙因素多元方差分析法(MANOVA)分析月份和樣點(diǎn)對(duì)水質(zhì)整體狀況的影響,在達(dá)到顯著水平時(shí),進(jìn)一步用單因素方差分析法(one-way ANOVA)分析各指標(biāo)在月份和樣點(diǎn)間的差異情況。采用層次聚類(lèi)分析法,以歐氏距離度量樣本之間的距離,運(yùn)用Ward算法生成具有層次結(jié)構(gòu)的聚類(lèi)樹(shù),研究水質(zhì)月份和空間變化特征[9-11]。同時(shí)采用相似性百分比分析(similarity percentages,SIMPER)確定導(dǎo)致聚類(lèi)組水質(zhì)差異的主要指標(biāo),并檢驗(yàn)主要指標(biāo)在各聚類(lèi)組間的差異顯著性,該研究中月份聚類(lèi)和空間聚類(lèi)各確定2個(gè)聚類(lèi)組,故采用t檢驗(yàn)法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。MANOVA、ANOVA及t檢驗(yàn)采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行分析,采用PAST 3.07軟件進(jìn)行SIMPER分析[12]。為滿足統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)中正態(tài)分布和方差齊性的要求,所有水體理化指標(biāo)進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化(pH除外)。

應(yīng)用綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI,ITL)評(píng)價(jià)各月份和各樣點(diǎn)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài),計(jì)算公式為

(1)

式(1)中,ITL,j為第j種參數(shù)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù);Wj為第j種參數(shù)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重,Chl-a、TP、TN、SD和CODMn的權(quán)重分別為0.266、0.188、0.179、0.183和0.184,各參數(shù)的TLI計(jì)算公式及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)參照文獻(xiàn)[13]。為評(píng)估營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的月份與空間變化特征，用以上指標(biāo)的點(diǎn)位平均值和月份平均值計(jì)算TLI指數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水體理化指標(biāo)時(shí)空變化特征

駱馬湖2014年水體理化指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。MANOVA分析結(jié)果表明,水體理化指標(biāo)總體上呈現(xiàn)顯著的月份變化(F=7.56,P<0.001)和空間差異(F=1.55,P<0.001)。ANOVA分析顯示,各指標(biāo)均呈現(xiàn)出顯著的月份差異(圖2),而空間變化方面僅水深具有顯著差異(表2)。月平均水深為2.0～4.3 m,1—7月水深總體呈降低趨勢(shì),8—12月水深相對(duì)較大,水深的月變化主要受降雨和調(diào)蓄的影響。水溫的月變化顯著,最高值32.3 ℃出現(xiàn)在7月,最低值3.1 ℃出現(xiàn)在1月,年平均水溫為17.3 ℃(表1),各樣點(diǎn)之間水溫差異很小。

表1 駱馬湖2014年水體理化指標(biāo)統(tǒng)計(jì)描述

Table 1 Statistical description of water physicochemical parameters of Lake Luoma in 2014

項(xiàng)目 水深/m水溫/℃透明度/mpH值濁度/NTU電導(dǎo)率/(μS·cm-1)DO飽和度/%ρ(DO)/(mg·L-1)CODMn/(mg·L-1)平均值3.417.31.09.2115.93541.099.910.003.32標(biāo)準(zhǔn)差1.78.70.60.4422.5797.616.22.810.87最小值0.53.10.27.900.10368.046.33.361.46最大值9.732.33.310.50143.50760.0150.515.746.69變異系數(shù)1)505065514218162826項(xiàng)目 ρ(TN)/(mg·L-1)ρ(TDN)/(mg·L-1)ρ(TP)/(μg·L-1)ρ(TDP)/(μg·L-1)ρ(NH4+-N)/(mg·L-1)ρ(NO3--N)/(mg·L-1)ρ(PO43--P)/(μg·L-1)ρ(Chl-a)/(μg·L-1)平均值1.200.9845.2920.610.140.612.947.76標(biāo)準(zhǔn)差0.510.5421.6914.360.150.593.456.69最小值0.420.3312.820.630.0200.020.24最大值2.552.40119.3989.220.832.1824.1331.73變異系數(shù)1)435548701049811786

1)單位為%。

各樣點(diǎn)水體透明度變化較大,介于0.64～1.45 m之間。最高值出現(xiàn)在S6樣點(diǎn),可能與該點(diǎn)水生植物豐富有關(guān)。最低值出現(xiàn)在S2樣點(diǎn),該點(diǎn)位于采砂區(qū),故水體中懸浮顆粒物濃度高,加之風(fēng)浪擾動(dòng)強(qiáng)烈,使得透明度較低。透明度還呈現(xiàn)出顯著的月份變化,夏秋季節(jié)(6—11月)透明度維持在較低水平,介于0.43～0.82 m之間,而冬春季節(jié)為1.21～1.42 m。水體pH值的月變化和空間變化均較小,各樣點(diǎn)pH月均值為8.9～9.4。電導(dǎo)率年均值為541.0 μS·cm-1,月均值為380.4～724.3 μS·cm-1,并呈現(xiàn)顯著的月份變化,1—7月呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì),在7月達(dá)最高值,8月降低至603.2 μS·cm-1,9—12月維持在549.2～584.3 μS·cm-1。各樣點(diǎn)間電導(dǎo)率差異較小,為506.2～572.0 μS·cm-1。DO含量呈現(xiàn)顯著的月份變化,月均值為5.40～13.78 mg·L-1,從1月的13.78 mg·L-1逐漸降低至7月的5.40 mg·L-1,7—12月逐漸升高至12.39 mg·L-1。DO含量與水溫呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.91,P<0.001),表明其月變化主要受溫度控制,各樣點(diǎn)年均溶解氧含量差異較小。

各月份CODMn指數(shù)為1.87～5.09 mg·L-1,最高值和最低值分別出現(xiàn)在7和4月,并呈現(xiàn)出季節(jié)性波動(dòng),總體而言其含量相對(duì)較低,表明駱馬湖水體有機(jī)物污染較輕。各樣點(diǎn)間CODMn年均值差異較小,為3.07～3.61 mg·L-1。根據(jù)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》,監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示為Ⅱ～Ⅲ類(lèi)水。各月份TN質(zhì)量濃度為0.71～2.08 mg·L-1,年平均值為1.20 mg·L-1,最高值和最低值分別出現(xiàn)在2和10月。各月份TDN質(zhì)量濃度為0.46～1.88 mg·L-1,年平均值為0.98 mg·L-1。TN和TDN呈現(xiàn)出類(lèi)似的變化趨勢(shì),1—5月呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì),而5—12月變化較小,總體而言,冬春季氮濃度高于其他季節(jié)。TDN的主要形態(tài)為NO3--N,其月均值為0.11～1.72 mg·L-1,年平均值為0.61 mg·L-1,并與TN和TDN呈現(xiàn)一致的月份變化趨勢(shì)。NH4+-N月均值為0.05～0.32 mg·L-1,月份變化趨勢(shì)不明顯。TP質(zhì)量濃度月均值為23.82～71.78 μg·L-1,年平均值為45.29 μg·L-1,最高值和最低值分別出現(xiàn)在10和4月。TDP月均值為6.50～40.97 μg·L-1,年平均值為20.61 μg·L-1。TP和TDP的變化趨勢(shì)一致,總體而言,8—10月高于其他月份。PO43--P質(zhì)量濃度月均值為0.89～5.06 μg·L-1,年平均值為2.94 μg·L-1,其月份變化特征不明顯。各樣點(diǎn)間水體氮和磷濃度差異較小,表明駱馬湖營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的空間變化較小?；赥N和TP的監(jiān)測(cè)結(jié)果,各月份TN濃度為Ⅲ～劣Ⅴ類(lèi)水,TP濃度為Ⅲ～Ⅳ類(lèi)水。

圖2 2014年駱馬湖水體理化指標(biāo)的月變化

表2 2014年駱馬湖水體理化指標(biāo)的空間變化

Table 2 Spatial variations of water physicochemical parameters of Lake Luoma in 2014

樣點(diǎn)水深/m水溫/℃透明度/mpH值濁度/NTU電導(dǎo)率/(μS·cm-1)DO飽和度/%ρ(DO)/(mg·L-1)CODMn/(mg·L-1)S12.317.80.79.2018.49572102.710.153.21S24.917.50.69.2710.36562104.610.303.07S33.417.40.99.3611.56540101.610.133.15S43.317.51.09.3123.3956299.49.973.26S53.017.21.29.3618.3453297.39.843.52S63.217.01.49.3311.1053699.810.063.26S72.617.10.89.1316.2652695.99.703.42S83.017.01.09.1810.02525106.310.613.36S92.317.31.29.1121.5850699.19.883.35S105.617.20.98.8817.4655092.49.373.61樣點(diǎn)ρ(TN)/(mg·L-1)ρ(TDN)/(mg·L-1)ρ(TP)/(μg·L-1)ρ(TDP)/(μg·L-1)ρ(NH4+-N)/(mg·L-1)ρ(NO3--N)/(mg·L-1)ρ(PO43--P)/(μg·L-1)ρ(Chl-a)/(μg·L-1)S11.391.2454.1530.980.110.796.114.92S21.421.1939.2422.620.170.883.437.70S31.221.0138.9320.520.200.642.947.19S41.361.1549.2820.960.120.741.989.65S51.090.8552.4322.050.130.443.2310.17S61.100.8447.8018.220.110.481.6610.83S71.100.8447.5220.340.130.482.178.67S81.060.8139.5515.780.090.501.908.67S90.980.8133.6315.540.150.441.794.50S101.311.0150.4019.070.210.684.165.25

Chl-a主要反映了水體中浮游藻類(lèi)的生物量,各月份Chl-a質(zhì)量濃度為2.68～16.16 μg·L-1,年平均值為7.76 μg·L-1,最低值和最高值分別出現(xiàn)在1和8月。Chl-a濃度呈現(xiàn)顯著的月份變化,7—10月濃度顯著高于其他月份,其月份變化基本與水溫一致(r=0.62,P=0.03),表明溫度控制浮游藻類(lèi)生物量隨時(shí)間的變化。各樣點(diǎn)間Chl-a質(zhì)量濃度均值變化較小,為4.49～10.83 μg·L-1。

2.2 水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)

各樣點(diǎn)TLI指數(shù)為43.0～47.9,均值為46.6,不同點(diǎn)位間差異較小,處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。各月TLI指數(shù)為39.5～53.6,年平均值為46.0,其中7、8、10月TLI指數(shù)超過(guò)50,處于輕度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài),其余月份均處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)(圖3),TLI指數(shù)的月變化與Chl-a濃度變化趨勢(shì)一致?？傮w而言,現(xiàn)階段駱馬湖處于中營(yíng)養(yǎng)～輕度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。

圖3 2014年駱馬湖綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的空間和時(shí)間變化

2.3 多元分析

月份和空間聚類(lèi)分析結(jié)果見(jiàn)圖4～5。月份聚類(lèi)分析將12個(gè)月分為2個(gè)聚類(lèi)組,聚類(lèi)組Ⅰ包含1—5月及12月,屬于冬季和春季,聚類(lèi)組Ⅱ包含的月份屬于夏季和秋季。SIMPER分析表明,透明度、Chl-a、TN、NO3--N、TP和DO是導(dǎo)致2個(gè)聚類(lèi)組水質(zhì)差異的主要指標(biāo)(表3),主要反映了水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)和浮游藻類(lèi)生物量。t檢驗(yàn)結(jié)果表明,冬春季透明度，DO、TN、NO3--N濃度顯著高于夏秋季(P<0.05),Chl-a和TP濃度則呈現(xiàn)相反趨勢(shì)(P<0.01)。

圖4 基于水質(zhì)指標(biāo)的月份聚類(lèi)結(jié)果

圖5 基于水質(zhì)指標(biāo)的樣點(diǎn)聚類(lèi)結(jié)果

空間聚類(lèi)分析將10個(gè)采樣點(diǎn)分為2個(gè)聚類(lèi)組,聚類(lèi)組Ⅰ包含4個(gè)采樣點(diǎn)(S1、S2、S4、S10),位于北部和西部湖區(qū),聚類(lèi)組Ⅱ包含的6個(gè)樣點(diǎn)，主要位于湖心區(qū)和南部湖區(qū)(圖5)。SIMPER分析表明,TN、NO3--N、電導(dǎo)率、Chl-a、水深、濁度是導(dǎo)致聚類(lèi)組水質(zhì)差異的主要指標(biāo)(表3),主要反映了營(yíng)養(yǎng)鹽、污染水平、浮游藻類(lèi)生物量的差異,水深間接反映了采砂對(duì)水質(zhì)的影響。t檢驗(yàn)結(jié)果表明,聚類(lèi)組Ⅰ TN、NO3--N和電導(dǎo)率極顯著高于聚類(lèi)組Ⅱ(P<0.01),其余3個(gè)指標(biāo)差異未達(dá)顯著水平。

3 討論

3.1 駱馬湖水質(zhì)時(shí)空變化特征及影響因素

駱馬湖水質(zhì)理化參數(shù)呈現(xiàn)顯著的月份變化,聚類(lèi)分析顯示12個(gè)月份可分為冬春季和夏秋季2個(gè)聚類(lèi)組。夏秋季水體透明度低(0.43～0.82 m)可能是因?yàn)橄募舅w中藻類(lèi)密度高,加之采砂等其他人類(lèi)活動(dòng)干擾較強(qiáng)導(dǎo)致懸浮顆粒物濃度高[5]。春季透明度高一方面是因?yàn)闇囟容^低導(dǎo)致藻類(lèi)生物量較低,另外還可能與淺水湖泊春季浮游動(dòng)物高生物量有關(guān),導(dǎo)致浮游藻類(lèi)捕食壓力增加,從而出現(xiàn)淺水湖泊春季常見(jiàn)的清水期[14-15]。冬季人類(lèi)干擾較弱,且浮游藻類(lèi)密度低,進(jìn)而使得透明度較高。電導(dǎo)率主要反映了水體中離子濃度,其呈現(xiàn)出夏季高于其他季節(jié)的特征,推測(cè)原因可能是夏季入湖水量最大,并攜帶了大量污染物[16]。但該研究的不足是未能監(jiān)測(cè)各樣點(diǎn)及入湖河流中的主要離子濃度,后期研究應(yīng)該關(guān)注導(dǎo)致電導(dǎo)率月變化的主要原因。

表3 引起月份聚類(lèi)組和空間聚類(lèi)組差異的主要水體理化指標(biāo)及其貢獻(xiàn)率

Table 3 Main water quality parameters responsible for differentiation between the two temporal groups and between the two spatial groups and their contribution rates

聚類(lèi)組指標(biāo)貢獻(xiàn)率/%累積貢獻(xiàn)率/%月份聚類(lèi)透明度21.721.7DO20.342.0TN13.955.9Chl-a12.268.0TP10.979.0NO3--N7.186.1空間聚類(lèi)TN20.720.7NO3--N19.440.1電導(dǎo)率14.254.3Chl-a14.068.3水深7.075.2濁度5.280.4

營(yíng)養(yǎng)鹽方面,TN和NO3--N濃度具有相似的月份變化趨勢(shì),即冬春季顯著高于夏秋季,TP濃度呈現(xiàn)冬春季低于夏秋季的特征。TN濃度冬春季高的原因可能是盡管冬春季入湖水量少,但入湖河流的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度高,2008年的研究表明非汛期入湖河流水質(zhì)劣于汛期[16],進(jìn)而導(dǎo)致湖區(qū)冬春季氮濃度高。TP并沒(méi)有表現(xiàn)出類(lèi)似的趨勢(shì),其原因可能是駱馬湖入湖河流TP濃度和輸入總量較TN低很多,2011年的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示入湖河流TN和TP質(zhì)量濃度平均值分別為4.46和0.049 mg·L-1,分別為劣Ⅴ類(lèi)和Ⅱ類(lèi),TN和TP入湖量分別為17 735和398 t,相差44倍[4],因此河道外源輸入對(duì)駱馬湖TP的影響較小。夏秋季水體TP可能受底泥磷釋放影響更大,磷釋放主要受到氧化還原電位的影響,夏季溫度高而水體DO濃度低,有利于底泥磷的釋放[17-18],關(guān)于駱馬湖底泥釋放對(duì)水體磷負(fù)荷的影響有待于進(jìn)一步研究。此外,夏秋季是水產(chǎn)養(yǎng)殖的主要季節(jié),也是投餌的主要時(shí)期[4]?，F(xiàn)階段圈圩總面積約為40.9 km2(占湖泊面積的14.2%),圍網(wǎng)總面積約為59.9 km2(20.8%),共占湖泊總面積的35.1%①,其對(duì)水環(huán)境的影響不容忽視。黃文鈺等[19]研究表明，圍網(wǎng)養(yǎng)殖帶入的氮磷分別占湖體滯留氮磷總量的27%和33%。

① 中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所.駱馬湖水生態(tài)監(jiān)測(cè)報(bào)告.2015.

空間差異方面,盡管方差分析顯示樣點(diǎn)間水質(zhì)差異并不顯著,但聚類(lèi)分析顯示10個(gè)樣點(diǎn)可分為北部和南部湖區(qū)2個(gè)聚類(lèi)組。北部湖區(qū)TN、NO3--N、電導(dǎo)率顯著高于南部湖區(qū),這可能與入湖污染物來(lái)源及湖區(qū)采砂、水產(chǎn)養(yǎng)殖、水生植被分布等因素有關(guān)。駱馬湖入湖河道污染物主要來(lái)源于北部的中運(yùn)河和沂河,TN入湖量分別占入湖污染物總量的55.8%和40.7%,因此可能會(huì)導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)鹽濃度呈北高南低的格局[16]。此外,駱馬湖的采砂及圍網(wǎng)養(yǎng)殖也主要位于北部湖區(qū)(圖1),采砂導(dǎo)致沉積物中蓄積的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)釋放至水體中,養(yǎng)殖投餌也會(huì)增加水體的營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷。相反,南部湖區(qū)基本無(wú)采砂點(diǎn),加之圍網(wǎng)少,人類(lèi)干擾較弱。此外,南部湖區(qū)也是水生植被的主要分布區(qū),已有研究表明駱馬湖有草區(qū)水體中TN、TP含量低于無(wú)草區(qū)[20]。水生植物一方面對(duì)水體有直接的凈化作用,另外，植被的覆蓋削弱了風(fēng)浪對(duì)沉積物的擾動(dòng),降低了沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽的釋放量。

根據(jù)TLI指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果,現(xiàn)階段駱馬湖總體處于中營(yíng)養(yǎng)～輕度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)較低主要是因?yàn)轳橊R湖Chl-a質(zhì)量濃度處于較低水平(均值7.76 μg·L-1),其原因可能是現(xiàn)階段駱馬湖營(yíng)養(yǎng)鹽水平仍維持在較低水平,特別是TP濃度較低,這限制了浮游植物的生長(zhǎng)?；贜H4+-N、TN、TP濃度和CODMn的監(jiān)測(cè)結(jié)果,TN不參評(píng)時(shí),駱馬湖水質(zhì)為Ⅱ～Ⅳ類(lèi)水,而TN參評(píng)時(shí)水質(zhì)為Ⅲ～劣Ⅴ類(lèi)水,表明TN是現(xiàn)階段駱馬湖的主要污染物,這與之前的研究結(jié)果[7,21]一致。

3.2 駱馬湖生態(tài)環(huán)境保護(hù)對(duì)策與建議

3.2.1 控制外源污染物輸入

總體而言,駱馬湖現(xiàn)階段水質(zhì)仍處于較好水平,除TN外,多項(xiàng)指標(biāo)都顯示水質(zhì)優(yōu)于Ⅲ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。但是相關(guān)研究表明TP、NH4+-N和CODMn的年際間變化不穩(wěn)定,在Ⅱ～Ⅳ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)間波動(dòng)[7]。長(zhǎng)期來(lái)看,駱馬湖富營(yíng)養(yǎng)化控制主要在于削減氮磷污染,特別是氮的污染。控制面源污染方面,應(yīng)做好湖區(qū)的水土保持,有計(jì)劃地退耕還林(草),在駱馬湖湖濱一定范圍內(nèi)設(shè)立緩沖帶,合理配置喬、灌、草植被,對(duì)蘆葦?shù)却笮退参镆訌?qiáng)保護(hù)和收割,積極培育有經(jīng)濟(jì)效益的水生植物,保護(hù)湖濱帶的生態(tài)環(huán)境,對(duì)原有大堤進(jìn)行生態(tài)護(hù)坡改造,提高生態(tài)凈化能力,使湖濱帶成為生態(tài)緩沖帶,削減面源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),有效控制氮磷輸入駱馬湖。點(diǎn)源污染控制方面,在流域內(nèi)必須嚴(yán)格實(shí)行排污申報(bào)和排污許可證制度,加強(qiáng)管理,嚴(yán)禁周邊企業(yè)污水直排入湖。

3.2.2 控制采砂規(guī)模，加強(qiáng)管理

長(zhǎng)江“禁采”后,駱馬湖黃砂開(kāi)采呈增加趨勢(shì),沿湖非法采砂行為屢禁不止,湖區(qū)亂采濫吸黃砂現(xiàn)象愈演愈烈,不僅改變了原來(lái)的湖盆特征,而且對(duì)底棲動(dòng)物和水生植物破壞較為嚴(yán)重,極大地降低了湖泊水體自凈能力[5]。由于采砂對(duì)湖泊底質(zhì)的擾動(dòng),近年水體中高濃度懸浮顆粒物使湖水透明度持續(xù)下降。此外,采砂對(duì)底棲動(dòng)物有滅絕性的影響,不利于底棲動(dòng)物的棲息和繁殖。駱馬湖的水生植物、底棲動(dòng)物、魚(yú)類(lèi)適宜棲息于淺水生境,目前部分采砂區(qū)無(wú)任何底棲動(dòng)物和水生植物,湖底基本為“水下荒漠”[4]。為保護(hù)駱馬湖生態(tài)環(huán)境,應(yīng)嚴(yán)格依照相關(guān)法律法規(guī)規(guī)定,嚴(yán)厲打擊湖區(qū)非法采砂行為,充分運(yùn)用法律、經(jīng)濟(jì)、行政和技術(shù)手段保護(hù)生態(tài)環(huán)境,堅(jiān)持誰(shuí)開(kāi)發(fā)誰(shuí)保護(hù)、誰(shuí)受益誰(shuí)補(bǔ)償?shù)脑瓌t,盡快建立生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制。逐步完善現(xiàn)有的工作機(jī)制,使采砂管理工作趨于科學(xué)、規(guī)范。按照駱馬湖南半湖及東半湖壓縮、禁采的要求,對(duì)湖區(qū)采砂進(jìn)行強(qiáng)制規(guī)范,杜絕在旅游區(qū)、養(yǎng)殖區(qū)、飲用水源地保護(hù)區(qū)和水利工程保護(hù)區(qū)的開(kāi)采行為,劃定開(kāi)采范圍,明確開(kāi)采時(shí)間、開(kāi)采深度,壓縮開(kāi)采總量,限制采砂船數(shù)量,合理利用黃砂資源。

3.2.3 合理規(guī)劃水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)模

駱馬湖漁業(yè)養(yǎng)殖起步于1995年,自此湖區(qū)養(yǎng)殖模式由單一捕撈轉(zhuǎn)為養(yǎng)捕結(jié)合。為追求養(yǎng)殖產(chǎn)量,投喂的餌料不斷增加,隨餌料入湖的營(yíng)養(yǎng)鹽也日益增多。餌料除部分為魚(yú)類(lèi)攝食外,未利用的餌料及魚(yú)類(lèi)排泄物成為湖泊營(yíng)養(yǎng)鹽的重要來(lái)源之一,加速了水體的富營(yíng)養(yǎng)化[4]。駱馬湖湖區(qū)主要的漁業(yè)養(yǎng)殖方式為網(wǎng)圍、網(wǎng)箱養(yǎng)殖,隨著漁業(yè)養(yǎng)殖規(guī)模的擴(kuò)大和強(qiáng)度的增加,大面積圍網(wǎng)養(yǎng)殖嚴(yán)重影響了水生植物群落的自然生長(zhǎng),大量水生高等植物被無(wú)節(jié)制收割用于水產(chǎn)養(yǎng)殖,使得駱馬湖水生植物現(xiàn)存量下降,降低了攔截和降解外源污染物的能力[22-23]。此外,圍網(wǎng)養(yǎng)殖密度過(guò)大、分布不合理,會(huì)使局部水體中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽含量升高,加快湖泊富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程。另一方面,低壩高圩將原本屬于駱馬湖的水面直接變成內(nèi)塘,減少了駱馬湖的水域面積,降低了湖泊的自凈能力,且對(duì)防洪蓄水有明顯的負(fù)面影響,嚴(yán)重影響到湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的完整性[23]。

圍網(wǎng)養(yǎng)殖是目前影響湖泊水環(huán)境質(zhì)量與生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)的重要因素之一[24]。因此，減少水產(chǎn)養(yǎng)殖面積是恢復(fù)良性生態(tài)系統(tǒng)的必要條件,壓縮養(yǎng)殖面積,合理優(yōu)化養(yǎng)殖區(qū)的分布,擴(kuò)大開(kāi)闊水域面積,促進(jìn)湖水的內(nèi)部交換和流通,減少人類(lèi)的干擾,水環(huán)境才會(huì)得到改善,從而提升湖泊生態(tài)系統(tǒng)的良性運(yùn)轉(zhuǎn)。為在水產(chǎn)養(yǎng)殖和保護(hù)湖泊生態(tài)環(huán)境間尋求平衡,根據(jù)駱馬湖水質(zhì)現(xiàn)狀和其他湖泊圍網(wǎng)養(yǎng)殖經(jīng)驗(yàn)[25],建議將駱馬湖圍網(wǎng)養(yǎng)殖面積控制在目前59.9 km2的基礎(chǔ)上不再增加,并逐步降低至50%或更低。此外,圍網(wǎng)養(yǎng)殖不得破壞湖體原有的水生植被,盡量避免在水生植被生長(zhǎng)區(qū)進(jìn)行圍網(wǎng)養(yǎng)殖,做到養(yǎng)殖業(yè)服從水質(zhì)保護(hù)和濕地修復(fù)。在網(wǎng)圍養(yǎng)殖區(qū)還可種植快速生長(zhǎng)的大型漂浮水生植物或構(gòu)建生態(tài)浮床,通過(guò)水生植物的生長(zhǎng)來(lái)吸收水體中的氮磷等營(yíng)養(yǎng)物,并通過(guò)水生植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物和光能的競(jìng)爭(zhēng)抑制浮游植物的生長(zhǎng)[26],從而降低圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)水體中浮游植物的現(xiàn)存量和氮、磷含量,達(dá)到改善水質(zhì)的目的。

致謝: 該研究野外調(diào)查得到江蘇省駱運(yùn)水利工程管理處的幫助,在此表示衷心感謝。

[1] 張全發(fā),蘇榮輝,江明喜,等.南水北調(diào)工程及其生態(tài)安全:優(yōu)先研究領(lǐng)域[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境,2007,16(2):217-221.

[2] YANG Y,YIN L,ZHANG Q Z.Quantity Versus Quality in China′s South-to-North Water Diversion Project:A System Dynamics Analysis[J].Water,2015,7(5):2142-2160.

[3] 王永平,洪大林,申霞,等.駱馬湖沉積物重金屬及營(yíng)養(yǎng)鹽污染研究[J].南水北調(diào)與水利科技,2013,11(6):45-48.

[4] 申霞,洪大林,談?dòng)冷h,等.駱馬湖生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀及其保護(hù)措施[J].水資源保護(hù),2013，29(3):39-43.

[5] 王飛,葉慎忠,朱泉.駱馬湖采砂作業(yè)對(duì)水體影響分析及對(duì)策思考[J].江蘇水利,2015,22(7):36-37.

[6] 宋友坤,袁忠,陸江.駱馬湖富營(yíng)養(yǎng)化和生態(tài)狀況調(diào)查與評(píng)價(jià)[J].污染防治技術(shù),2006,19(3):50-53.

[7] 崔彩霞,花衛(wèi)華,袁廣旺.駱馬湖水質(zhì)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)與趨勢(shì)分析[J].河北漁業(yè),2013(8):31-34.

[8] 金相燦,屠清瑛,湖泊富營(yíng)養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范[M].北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,1990:138-207.

[9] 王瓊,姜德娟,于靖,等.小清河流域氮磷時(shí)空特征及影響因素的空間與多元統(tǒng)計(jì)分析[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào),2015,31(2):137-145.

[10]李典寶,張瑋,王麗卿,等.2013年上海市河流秋季水質(zhì)空間分布特征[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào),2015,31(1):50-58.

[11]ZHANG T,ZENG W H,WANG S R,etal.Temporal and Spatial Changes of Water Quality and Management Strategies of Dianchi Lake in Southwest China[J].Hydrology and Earth System Sciences,2014,18(4):1493-1502.

[12]HAMMER ?,HARPER D A,RYAN P D.Past:Paleontological Statistics Software Package for Education and Data Analysis[J].Palaeontologia Electronica,2001,4(1):1-9.

[13]王明翠,劉雪芹,張建輝.湖泊富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè),2002,18(5):47-49.

[14]CHEN F Z,SHU T T,JEPPESEN E,etal.Restoration of a Subtropical Eutrophic Shallow Lake in China:Effects on Nutrient Concentrations and Biological Communities[J].Hydrobiologia,2013,718(1):59-71.

[15]JEPPESEN E,JENSEN J P,S?NDERGAARD M,etal.Trophic Dynamics in Turbid and Clearwater Lakes With Special Emphasis on the Role of Zooplankton for Water Clarity[J].Hydrobiologia,1999,408/409:217-231.

[16]紀(jì)小敏,馬倩,董家根,等.江蘇省入駱馬湖污染物總量分析[J].江蘇水利,2010,17(10):44-46.

[17]韓沙沙,溫琰茂.富營(yíng)養(yǎng)化水體沉積物中磷的釋放及其影響因素[J].生態(tài)學(xué)雜志,2004,23(2):98-101.

[18]SPEARS B M,CARVALHO L,PERKINS R,etal.Sediment P Cycling in a Large Shallow Lake:Spatio-Temporal Variation in Phosphorus Pools and Release[J].Hydrobiologia,2006,584(1):37-48.

[19]黃文鈺,許朋柱,范成新.網(wǎng)圍養(yǎng)殖對(duì)駱馬湖水體富營(yíng)養(yǎng)化的影響[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào),2002,18(1):22-25.

[20]萬(wàn)蕾,徐德蘭,高明俠,等.大型水生植物對(duì)駱馬湖氮、磷元素的影響[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2012,6(10):3579-3584.

[21]宋友坤,王秀梅,伍軍.駱馬湖水體氮污染特征分析[J].干旱環(huán)境監(jiān)測(cè),2006,20(3):142-145.

[22]王飛,翟鵬飛.駱馬湖水環(huán)境變化趨勢(shì)及對(duì)策研究[J].中國(guó)水利,2007(23):48-49.

[23]陳秀珍,黃維民.駱馬湖富營(yíng)養(yǎng)化因子分析及防治技術(shù)[J].污染防治技術(shù),2008,21(5):74-77.

[24]班璇,余成,魏珂,等.圍網(wǎng)養(yǎng)殖對(duì)洪湖水質(zhì)的影響分析[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2010,33(9):125-129.

[25]宋學(xué)宏,邴旭文,孫麗萍,等.陽(yáng)澄湖網(wǎng)圍養(yǎng)殖區(qū)水體營(yíng)養(yǎng)鹽的時(shí)空變化與水質(zhì)評(píng)價(jià)[J].水生態(tài)學(xué)雜志,2010,3(6):23-29.

[26]XU Z H,YIN X A,YANG Z F.An Optimisation Approach for Shallow Lake Restoration Through Macrophyte Management[J].Hydrology & Earth System Sciences,2013,11(1):2167-2176.

(責(zé)任編輯： 許 素)

Spatio-Temporal Variation of Water Quality in Lake Luoma, Jiangsu Province, China.

HU Ting-ting1,2, LIU Jin-song3, DAI Xiao-ling3, CAI Yong-jiu2, XU Hao2, GONG Zhi-jun2

(1.College of Life Science, Anhui Normal University, Wuhu 241000, China;2.Key Laboratory of Watershed Geographic Sciences/ Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China;3.Jiangsu Water Conservancy Bureau, Nanjing 210029, China)

Water physicochemical parameters were monitored at 10 sites in Lake Luoma from January to December 2014, for assessment of quality and trophic status of the lake water and for analysis of spatio-temporal variation of the water quality with multi statistical analysis methods, including cluster analysis. One-way ANOVA shows that secchi depth, conductivity and concentrations of dissolved oxygen, nitrogen, phosphorus and Chl-a differed significantly from month to month, while spatial differentiation analysis reveals that only water depth varied remarkably between sites, indicating that water quality little varied spatially in the lake. The monthly mean value of TN, TP, CODMnand Chl-a varied in the range of 0.71-2.08 mg·L-1, 23.82-71.78 μg·L-1, 1.87-5.09 mg·L-1and 4.49-10.83 μg·L-1, respectively, indicating that Lake Luoma fell into the categories of Ⅲ-Ⅴ in water quality in 2014 according to the standard for surface water quality (GB 3838-2002), with TN being the principal pollutant. The comprehensive trophic level index (TLI) indicates that the lake reached the mesotrophic to light eutrophic level. Cluster analysis divided the 12 months of a year into two clusters (winter-spring group and summer-autumn group). The former was apparently higher than the latter in secchi depth, DO, TN and NO3--N, but lower in Chl-a and TP. Cluster analysis also divided the ten sampling sites into two groups, the north and the south groups. The former was significantly higher than the latter in TN, NO3--N and conductivity, which were the main factors responsible for differentiation of water quality in the lake.

shallow lake;water quality assessment;cluster analysis;spatio-temporal variation

2015-10-10

科技部基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)(2013FY111800);江蘇省水利科技項(xiàng)目(2015043);國(guó)家自然科學(xué)基金(31300396)

X524;X824

A

1673-4831(2016)05-0794-08

10.11934/j.issn.1673-4831.2016.05.016

胡婷婷(1989—),女,安徽合肥人,碩士生,主要從事湖泊與水庫(kù)水環(huán)境研究。 E-mail: hutingting720@163.com

① 通信作者E-mail: zigong@niglas.ac.cn