臥龍湖富營養(yǎng)化的時空變化特征研究

趙光輝

摘 要：為給臥龍湖國家良好湖泊生態(tài)環(huán)境保護(hù)試點工作提供決策依據(jù)，對臥龍湖的富營養(yǎng)化程度及其時空變化特征進(jìn)行了評價分析。通過對臥龍湖2014年春夏秋季共53個采樣點的調(diào)查監(jiān)測和統(tǒng)計分析（單因素方差分析和克立格插值預(yù)測）得出：臥龍湖綜合營養(yǎng)狀態(tài)為中度富營養(yǎng)，季節(jié)差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P<0.01），TLI值夏季>秋季>春季，農(nóng)業(yè)面源產(chǎn)生的氮磷污染可能是造成臥龍湖夏秋季節(jié)水質(zhì)富營養(yǎng)程度加劇的首要原因；臥龍湖各季節(jié)富營養(yǎng)化程度呈現(xiàn)從沿岸向湖心梯度降低的趨勢，進(jìn)一步說明流域農(nóng)業(yè)面源污染是臥龍湖富營養(yǎng)化的主要驅(qū)動因素之一。

關(guān)鍵詞：臥龍湖 富營養(yǎng)化 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù) 變化特征

中圖分類號：X52 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）03（b）-0116-03

現(xiàn)在人們談?wù)摳粻I養(yǎng)化時，一般指人類活動導(dǎo)致的氮磷輸入增加引起的富營養(yǎng)化，即由工業(yè)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和城市化導(dǎo)致的植物營養(yǎng)物（主要指氮、磷）排放增加所引起的[1]。研究表明，自然條件下湖泊也有可能富營養(yǎng)化，特別是淺水湖泊更容易發(fā)生富營養(yǎng)化[2]。湖泊富營養(yǎng)化是當(dāng)前我國湖泊面臨的主要生態(tài)環(huán)境問題之一，湖泊富營養(yǎng)化后會導(dǎo)致一系列的生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)異常[3]。

臥龍湖位于遼寧省北部的康平縣（123°8′43″～123° 20′4″E，42°41′4″～42°48′3″N），遼寧省最大的平原型淡水湖泊，也是個淺水湖泊，屬于中國一級生態(tài)敏感帶，2012年被列入國家湖泊生態(tài)環(huán)境保護(hù)17個試點之一。該文在監(jiān)測的基礎(chǔ)上評價了臥龍湖的富營養(yǎng)化程度，重點分析了臥龍湖的富營養(yǎng)化時空變化特征，以期為臥龍湖國家良好湖泊生態(tài)環(huán)境保護(hù)試點工作提供決策依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 采樣時間和點位設(shè)置

2014年5月（春季）、8月（夏季）、10月（秋季）對臥龍湖采樣調(diào)查3次，共設(shè)置53個采樣點，采用GPS定位。

1.2 采樣和分析方法

依據(jù)《水質(zhì)采樣方案設(shè)計技術(shù)規(guī)定》（HJ 495-2009），湖庫、水庫監(jiān)測垂線的布設(shè)—湖（庫）監(jiān)測垂線采樣點的設(shè)置規(guī)定：水深≤5 m，采樣點數(shù)設(shè)定為1點，采樣深度為水面下0.5 m，水深不足1 m，在1/2水深處設(shè)置監(jiān)測點。

水樣采集后自然沉降30 min，取上層非沉降部分按《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)基本項目分析方法》中指定的相應(yīng)方法監(jiān)測。

1.3 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算和統(tǒng)計分析

按照《湖泊（水庫）富營養(yǎng)化評價方法及分級技術(shù)規(guī)定》，采用綜合營養(yǎng)狀況指數(shù)評估臥龍湖的富營養(yǎng)化水平[4]。

綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的計算公式為：

式中：TLI（∑）為綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；

Wj為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重；

TLI（j）為代表第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。

綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法以葉綠素a（Chla）為基準(zhǔn)參數(shù)，由于5個評價參數(shù)的量綱不一致，因此在計算各參數(shù)相關(guān)權(quán)重之前需對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，處理后第j個參數(shù)相關(guān)權(quán)重的計算式為：

式中：rij為第j種參數(shù)與基準(zhǔn)參數(shù)chla的相關(guān)系數(shù)；

m為評價參數(shù)的個數(shù)。

中國湖泊（水庫）的Chla與其它參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系rij及rij2見表1。營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)權(quán)重見表2。

營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI（j）計算公式為：

TLI（Chla）=10（2.5+1.086lnChla）

TLI（TP）=10（9.436+1.624lnTP）

TLI（TN）=10（5.453+1.694lnTN）

TLI（SD）=10（5.118-1.94lnSD）

TLI（CODMn）=10（0.109+2.661ln CODMn）

式中：葉綠素a Chla單位為mg/m3，透明度SD單位為m，其他指標(biāo)單位均為mg/L。

按照《湖泊（水庫）富營養(yǎng)化評價方法及分級技術(shù)規(guī)定》對臥龍湖進(jìn)行營養(yǎng)狀態(tài)分級，同一營養(yǎng)狀態(tài)下，營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI值越高，其富營養(yǎng)化程度越重。

采用SPSS 22.0單因素方差分析臥龍湖富營養(yǎng)化的季節(jié)變化特征；應(yīng)用地統(tǒng)計學(xué)原理，采用克立格（Kriging）插值預(yù)測方法分析臥龍湖富營養(yǎng)化的空間分布特征。

2 結(jié)果與討論

2.1 臥龍湖綜合營養(yǎng)狀態(tài)季節(jié)變化特征

臥龍湖綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)特征見表3。研究期間，臥龍湖湖區(qū)各季節(jié)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI范圍為35.03～73.24，均值為63.61，營養(yǎng)狀態(tài)為中度富營養(yǎng)，最小值出現(xiàn)在春季，最大值出現(xiàn)在夏季。春季TLI值為56.79，水質(zhì)處于輕度富營養(yǎng)狀態(tài)，夏季TLI值上升至68.18，水質(zhì)轉(zhuǎn)為中度富營養(yǎng)，秋季TLI值為67.29，水質(zhì)仍為中度富營養(yǎng)。春季各樣點間TLI值差異較大，夏秋季節(jié)各樣點間TLI值差異較小。

經(jīng)單樣本非參數(shù)K-S檢驗，臥龍湖湖區(qū)水質(zhì)TLI值非正態(tài)分布，將其轉(zhuǎn)換為正態(tài)分布。單因素方差分析顯示臥龍湖湖區(qū)水質(zhì)TLI值各季節(jié)差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P<0.01），夏季>秋季>春季。Levene方差齊性檢驗表明，顯著性概率P=0.793>0.05，方差齊性。進(jìn)一步的多重比較得出，春季與夏季、秋季之間TLI值差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.000<0.01），夏季與秋季之間TLI值差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.550>0.05）。

在5個評價因子中，TP、TN、Chla的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)相對較高，說明臥龍湖營養(yǎng)狀態(tài)是氮磷控制。由于施肥，位于農(nóng)業(yè)流域的水生態(tài)系統(tǒng)具有高無機(jī)營養(yǎng)鹽的輸入負(fù)荷，建于地表下的農(nóng)作物地排水系統(tǒng)，會向納水水體排放濃度非常高的氮、磷營養(yǎng)鹽[5]，臥龍湖地處典型的農(nóng)業(yè)區(qū)，在2000—2011年間，化肥使用量呈逐年增加趨勢，遠(yuǎn)高于我國的平均水平，而肥料的利用率卻呈不斷下降趨勢，夏秋季節(jié)地表徑流將大量未被農(nóng)作物利用的營養(yǎng)鹽帶入臥龍湖，可能造成了臥龍湖夏秋季節(jié)水質(zhì)富營養(yǎng)程度的加劇。

2.2 臥龍湖綜合營養(yǎng)狀態(tài)空間變化特征

臥龍湖各季節(jié)綜合營養(yǎng)狀態(tài)空間分布圖見圖1～圖3。春季水質(zhì)營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)從中北部的湖心向其他3個方向梯度遞增，水質(zhì)由中營養(yǎng)逐漸過渡到中度富營養(yǎng)，東南湖區(qū)富營養(yǎng)化程度最重，為重度富營養(yǎng)；夏季湖區(qū)水質(zhì)富營養(yǎng)化程度加劇，TLI值總體上呈現(xiàn)從沿岸向湖心梯度降低趨勢，近岸帶區(qū)域為重度富營養(yǎng)，近湖心區(qū)域為中度富營養(yǎng)；秋季重度富營養(yǎng)的區(qū)域從南部湖區(qū)迅速擴(kuò)張至湖心，湖區(qū)面積的50%以上都呈現(xiàn)重度富營養(yǎng)狀態(tài)，整個南部湖區(qū)成為富營養(yǎng)化的嚴(yán)重區(qū)域。

氮磷是導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的重要因子，其主要來源于地表徑流、入湖河流、流域降水、底泥釋放以及水體生物代謝等途徑[5]，臥龍湖各季節(jié)水質(zhì)營養(yǎng)狀態(tài)的空間變化特征充分說明了農(nóng)業(yè)面源污染對水質(zhì)富營養(yǎng)化的顯著影響，夏季湖區(qū)TN均值由春季的3.00 mg/L升高至10.09 mg/L，TP均值由春季的0.08 mg/L升高至0.23 mg/L，氮磷濃度從湖岸帶向湖心遞減。湖心水域遠(yuǎn)離岸邊農(nóng)業(yè)面源污染與人類活動的影響，相對而言比較穩(wěn)定，因此富營養(yǎng)化程度低。夏秋季節(jié)，湖區(qū)西北部富營養(yǎng)化程度嚴(yán)重，可能與東馬蓮河、五四一排水渠等主要入湖河流在西北部入湖有關(guān)。西南部湖區(qū)最主要的入湖河流西馬蓮河在夏季干涸，無河水注入臥龍湖，可能是西南部湖區(qū)在夏季富營養(yǎng)化程度相對低于湖區(qū)其它部分的原因。

3 結(jié)語

研究期間，臥龍湖綜合營養(yǎng)狀態(tài)為中度富營養(yǎng)，季節(jié)差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P<0.01），TLI值夏季（中度富營養(yǎng)）>秋季（中度富營養(yǎng)）>春季（輕度富營養(yǎng)），農(nóng)業(yè)面源產(chǎn)生的氮磷污染可能是造成臥龍湖夏秋季節(jié)水質(zhì)富營養(yǎng)程度加劇的首要原因。各季節(jié)富營養(yǎng)化程度總體上呈現(xiàn)從沿岸向湖心梯度降低的趨勢，進(jìn)一步說明了臥龍湖流域農(nóng)業(yè)面源污染對水質(zhì)富營養(yǎng)化的顯著影響。

參考文獻(xiàn)

[1] 秦伯強(qiáng)，高光，朱廣偉，等.湖泊富營養(yǎng)化及其生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)[J].科學(xué)通報，2013，58（10）：855-864.

[2] 秦伯強(qiáng)，楊柳燕，陳非洲，等.湖泊富營養(yǎng)化發(fā)生機(jī)制與控制技術(shù)及其應(yīng)用[J].科學(xué)通報，2006（51）：1857-1866.

[3] 龐曉宇，吳靜匯.夏季巢湖葉綠素a的時空分布特征研究[J].環(huán)境科技，2013，26（6）：1-4.

[4] 中國環(huán)境科學(xué)研究院編.湖泊生態(tài)安全調(diào)查與評估[M].科學(xué)出版社，2012.

[5] （瑞士）Jacob Kalff，著.湖沼學(xué)：內(nèi)陸水生態(tài)系統(tǒng)[M].古濱河，劉正文，李寬意，等，譯.北京：高等教育出版社，2011.