鄱陽湖邊緣湖區(qū)水體營養(yǎng)狀態(tài)分析
——以大湖池和沙湖為例

胡倩倩，梁 越，丁新航，肖 浩，羅 笠

(東華理工大學江西省大氣污染成因與控制重點實驗室，水資源與環(huán)境工程學院，江西南昌 330013)

富營養(yǎng)化問題一直是國內外湖泊研究的重點之一，目前我國66%以上的湖泊、水庫處于富營養(yǎng)化水平，其中重富營養(yǎng)和超富營養(yǎng)占22%，美國的Apopka、George和Okeechobee 湖及日本的霞浦湖都是富營養(yǎng)化湖泊，富營養(yǎng)化問題已成為湖泊相當長一段時期內的重大水環(huán)境問題[1-2]。隨著經(jīng)濟、城鎮(zhèn)化、工業(yè)和農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，來自于五大河流的鄱陽湖流域的污染源排放呈上升趨勢，鄱陽湖對這些來源的氮、磷具有顯著的滯留作用[3]。鄱陽湖的過水性湖泊特征，一定程度上減輕和掩蓋了其水體富營養(yǎng)化程度，同時也出現(xiàn)了豐水期和枯水期水體富營養(yǎng)化程度差異較大的現(xiàn)象。研究表明，鄱陽湖水體具備發(fā)生“水華”現(xiàn)象的營養(yǎng)鹽基礎，水體富營養(yǎng)化主要限制因子是化學需氧量(COD)、總氮(TN)、總磷(TP)，同時TN/TP的比值也影響水體富營養(yǎng)化程度，其中，TP和TN/TP是鄱陽湖水體富營養(yǎng)化的主導因子[4-5]。我國湖泊營養(yǎng)狀態(tài)評價方法主要采用的是基于經(jīng)驗頻率曲線的隨機評價方法[6]、模糊評價方法[7]和灰色評價方法[8]，這些富營養(yǎng)化評價方法的計算精度基本相當[6]。

由于鄱陽湖是通江湖泊，水體交換快，豐水季節(jié)帶走了大量營養(yǎng)鹽，而枯水期主航道水流速度快，水體渾濁不利于藍藻生長聚集。然而，鄱陽湖邊緣有較多的小湖泊，豐水期與鄱陽湖主體連成一片，枯水期幾乎是封閉的積水洼地，營養(yǎng)鹽滯留在很淺的小湖內，容易富營養(yǎng)化，藻類大量增殖[9]。鄱陽湖氮的生物地球化學循環(huán)主要發(fā)生在邊緣緩水湖區(qū)，因此研究邊緣湖區(qū)營養(yǎng)狀態(tài)特征有助于對鄱陽湖營養(yǎng)循環(huán)過程的深入認識[10]。鄱陽湖國家級自然保護區(qū)位于贛江主支與修河入湖的尾閭地區(qū)，是典型的鄱陽湖邊緣湖區(qū)，是冬季候鳥主要棲息地。筆者選取贛江和修河的入湖尾閭——大湖池和沙湖為采樣地，監(jiān)測其水質參數(shù)，運用經(jīng)驗頻率曲線的隨機評價方法分析不同月份和水位的營養(yǎng)狀況，旨在為鄱陽湖邊緣湖區(qū)的水生態(tài)開發(fā)與保護提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1研究區(qū)域與樣品采集大湖池和沙湖為鄱陽湖邊緣湖區(qū)，位于江西省北部，永修縣境內，吳城鎮(zhèn)的西面，是鄱陽湖兩大支流贛江和修河尾閭復合三角洲上的堤間洼地，水流隨江河水位而變，流向不定。在每年鄱陽湖退水后的枯水季節(jié)成為湖灘地上的滯水性湖泊，在洪水季節(jié)與周邊河流和鄱陽湖主體連成一片。湖中苔草茂盛，魚蝦資源豐富，是越冬候鳥覓食和棲息的良好場所，鄱陽湖候鳥主要保護區(qū)之一。

大湖池和沙湖的水深隨季節(jié)的變化而變化，8月是豐水期，水深6.0 m左右，10月至第2年的4月為枯水期，水深0.3～0.8 m，5月為平水期，也是水位上漲時期，水深3.0 m左右，水位的差異主要是由于鄱陽湖流域季節(jié)性降雨，5—8月為汛期。該研究采樣時間為2016年12月15日、2017年3月15日、4月15日、5月20日、8月1日及10月1日。水樣采集使用有機玻璃采水器，枯水期由于水淺在水面0.1 m以下采集，豐水期在水面下0.5 m處采集，水樣數(shù)量為8～10個。采樣點如圖1所示。

圖1 大湖池和沙湖及周圍水域采樣點Fig.1 Sampling sites in Dahuchi Lake and Shahu Lake and around its watersheds

1.2水體理化參數(shù)測定水體理化參數(shù)TN、TP、NH4+-N、NO3--N分別采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法、過硫酸鉀氧化鉬銻抗分光光度法、納氏試劑光度法、酚二磺酸光度法進行測定，具體方法參考 《水和廢水監(jiān)測分析方法》[11]。用水質分析儀(HACH)現(xiàn)場測定pH、電位、溶解氧(DO)及葉綠素a(Chl-a)(HACH HYDROLAB)等參數(shù)。

1.3湖泊富營養(yǎng)化評價方法基于經(jīng)驗頻率曲線的湖泊富營養(yǎng)化隨機評價方法[6]，可以對湖泊的營養(yǎng)狀態(tài)進行分析。各項水質指標(如Chl-a、TP、TN、COD、SD等)及水質評價級別是隨機變量，評價級別是樣本從大到小的序號，每個評價級別對應的各項水質指標的標準取值是從大到小的樣本，這樣出現(xiàn)大于或等于某個水質指標濃度以及評價級別的經(jīng)驗頻率(P)，由以下公式來計算。

式中，m表示排序后的樣本序號；n為樣本容量，計算各項隨機變量的經(jīng)驗頻率Pi，根據(jù)Chl-a、TP、TN、COD、SD評價指標與Chl-a的相關系數(shù)，得到各項水質指標在富營養(yǎng)化評價中所占的權重Wi。根據(jù)加權平均公式求出各項水質指標的綜合經(jīng)驗頻率P=∑Wi×Pi，即湖泊富營養(yǎng)化評價級別的經(jīng)驗頻率，進一步得到湖泊富營養(yǎng)化的評價標準。

1.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計運用SPSS 19.0和 Sigmaplot 12.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和作圖。

2 結果與分析

2.1水質參數(shù)各月含量特征大湖池和沙湖湖水DO含量較為豐富(7.2～8.9 mg/L)，僅在10月略偏低，分別為6.7±0.4和6.9±0.5 mg/L。湖水偏弱堿性(pH=7.3～8.9)。2個湖泊CODMn濃度在10月較高，分別為9.4±0.7 mg/L和11.2±0.5 mg/L，其次是12月較高，其他月份為3.9～7.9 mg/L(圖2、3)。不同月份NH4+-N濃度變化明顯，尤其是12月和10月明顯偏高，大湖池分別為1.19±0.06和0.85±0.06 mg/L，沙湖分別為1.38±0.06和1.07±0.05 mg/L；5月NH4+-N濃度最低，兩湖分別為0.34±0.01和0.38±0.02 mg/L，與其相鄰的贛江和修河中的濃度相差不大，尤其與修河中的濃度更接近0.37±0.08 mg/L(表1、圖2、3)，兩湖泊的NH4+-N濃度在8月比5月明顯升高，而河流的NH4+-N濃度在8月比5月也偏高，7、8月經(jīng)常遇到暴雨，雨水的沖涮帶來農(nóng)業(yè)、畜禽、城鎮(zhèn)廢水進入河流，并進入連通的湖泊。NO3--N濃度在5月明顯偏高，其他月份差別不大，這是由于5月是農(nóng)業(yè)第一季水稻種植期，也是汛期，經(jīng)常雨水不斷，NO3--N主要來源于農(nóng)業(yè)的面源污染；8月湖泊NO3--N濃度比河流中低(表1)，表明湖泊和河流水體交換不如5月徹底，5月湖水和河水都在上漲，水流速度較快，8月受長江水位的頂托作用，湖水水流較慢。湖泊無機氮除5月NO3--N濃度超過NH4+-N外，其他月份以NH4+-N為主，而河流無機氮均以NO3--N為主(表1)。

反映藻類生長量的四大參數(shù)為TN、TP、Chl-a及TN/TP，TN在8月和12月濃度比其他月份高(圖2、3)，8月大雨的沖涮作用使陸地氮源和土壤有機質進入湖泊，12月由于冬季候鳥棲息使底泥再懸浮以及糞肥作用使得TN含量偏高。兩湖TP濃度在10月最高，分別為0.27±0.01和0.33±0.02 mg/L 。兩湖的TN/TP(摩爾比)在10月分別為9.2∶1和7.4∶1，低于16∶1，磷供給充足，10月初是秋季，光照和溫度25～30 ℃也有利于藻類形成，兩湖泊Chl-a含量在10月顯著地比其他月份高，分別為10.4±1.2和15.6±1.7 μg/L，TN/TP結合Chl-a(反映藻類的含量)，能夠反映此時藻類含量較高，事實上10月秋季湖面可見藻類富集，沙湖更明顯。兩湖TP濃度在12月也較高，分別為0.21±0.02和0.25±0.02 mg/L，受到候鳥覓食草根莖，棲息于湖面[12]，使底泥懸浮，底泥中的TP釋放以及糞肥的影響，12月TN/TP分別為28.4∶1和21.3∶1，高于16∶1，結合Chl-a含量(分別為6.5±0.3、7.7±0.4 μg/L)，TN和TP濃度也較高，但是冬季寒冷，光照和溫度較低不適合藻類大量形成[4]。

圖2 大湖池水質參數(shù)特征Fig.2 Parameters characteristic of water quality of Dahuchi Lake

圖3 沙湖水質參數(shù)特征Fig.3 Parameters characteristic of water quality of Shahu Lake

兩湖泊在10月初湖水已退去30 d左右，湖泊營養(yǎng)鹽濃度總體升高較多，藻類富集，通過分析Chl-a與其他水質參數(shù)的相關性(表2)可知，Chl-a與TN、TP、COD、NH4+-N正相關，尤其與COD顯著相關，與TP極顯著相關；Chl-a與DO和NO3--N負相關，尤其與NO3--N顯著負相關。藻類從水體中攝取碳元素，一定濃度范圍內 COD 的增大，會促進藻類生長繁殖，同時，藻類的增多會使COD上升，水體中DO下降。當?shù)?、磷含量升高時，極大地促進了藻類的生長，同時，藻類生物量的增加，使氮、磷富集，TN、TP 濃度增加[10，13]。秋季湖內礦化、氨化作用較強，NH4+-N濃度升高，有利于藻類的繁殖[14]。藻類生物量的增多會消耗硝酸鹽，NO3--N濃度相對降低。

表1 贛江和修河水質參數(shù)特征

兩湖泊在不同月份各水質參數(shù)略有不同，沙湖的理化參數(shù)含量相對于大湖池更高，是由兩湖泊所處的地理位置和周邊的環(huán)境因素決定[15]。但是兩湖泊各參數(shù)的變化趨勢大致相同(圖2、3)，這是由鄱陽湖的水情及兩湖的水位變化一致所決定。

表2沙湖10月Chl-a與其他水質參數(shù)的相關性

Table2CorrelationcoefficientsbetweenChl-aandenvironmentalfactorsinOctoberinShahuLake

水質參數(shù)WaterqualityparametersChl-a水質參數(shù)WaterqualityparametersChl-aCOD0.833*NH4+-N0.624TN0.834NO3--N-0.444*TP0.925**DO-0.623

注：*表示P<0.05顯著相關；**表示P<0.01顯著相關

Note：* stands for significant correlation at 0.05 level；** stands for significant correlation at 0.01 level

2.2水質各月營養(yǎng)狀態(tài)

2.2.1水質富營養(yǎng)化評價結果。參照湖泊富營養(yǎng)化評價標準及水質指標的經(jīng)驗頻率[6](表3)，以沙湖為例計算綜合經(jīng)驗頻率P值，得到各月的營養(yǎng)化狀態(tài)，結果見表4。由表4可知，沙湖12月是枯水期，水位最低(水深0.5 m左右)，營養(yǎng)鹽濃度較其他月份高，處于富營養(yǎng)化，12月冬季候鳥棲息于大湖池和沙湖，覓食于草根，使得底泥懸浮，TN和TP釋放，增加水體營養(yǎng)，加上候鳥糞肥，銨氮濃度也升高，但是Chl-a濃度不高，冬季較高的 N/P、持續(xù)下降的溫度及光照強度已難以維系藻類的大規(guī)模增殖[4]。3、4月也是枯水期，處于中等富營養(yǎng)化，濃度較12月下降，隨著冬季候鳥的遷徙，底泥懸浮顆粒沉降，春季雨水也增多，湖水營養(yǎng)鹽進一步稀釋。5月是平水期，處于中營養(yǎng)化，鄱陽湖流域汛期，水位上漲，大湖池和沙湖與鄱陽湖主體連通，營養(yǎng)鹽隨主體水流進入長江，難以滯留在湖內。8月是豐水期，處于初等富營養(yǎng)化，此時湖水受長江水頂托作用，水流緩慢，營養(yǎng)鹽在湖內有一定滯留[3]，濃度比5月升高。10月是枯水期，處于富營養(yǎng)化，鄱陽湖在8月中旬開始退水，大湖池和沙湖在8月底和9月初已退水完畢，基本是封閉區(qū)域的濕地，湖水濃縮，營養(yǎng)鹽濃度升高，加上秋季充足的光照及較高的溫度，湖內礦化和氨化作用較強，使得營養(yǎng)鹽濃度進一步升高，容易形成密集的藻類聚集區(qū)(Chl-a濃度最高)[6，16]。前人研究也發(fā)現(xiàn)，沙湖區(qū)域暴發(fā)了秋季藍藻水華，位于永修縣境內的大汊湖區(qū)域出現(xiàn)部分藍藻富集，有發(fā)生水華的趨勢[15]。鄱陽湖的邊緣湖區(qū)在枯水期基本是封閉的濕地，湖水很淺，營養(yǎng)鹽濃度較高，容易發(fā)生富營養(yǎng)化。

表3 富營養(yǎng)化評價標準及水質指標的經(jīng)驗頻率[8]

2.2.2水質類型分類。從單因子分析，按照《地表水環(huán)境質量標準》(表5)，兩湖泊的CODMn，月變化為3.9～11.7 mg/L(圖2)，3—8月達到Ⅱ～Ⅲ類水質，10和12月達到Ⅳ類水質，8月是豐水期，COD相對前3個月較高，是周圍村鎮(zhèn)的生活污水和農(nóng)業(yè)灌溉用水直接流入河流和湖泊，夏季較高的溫度也導致水體中有機質的降解。湖泊TP 的月變化范圍為 0.07～0.33 mg/L(圖2)，按《地表水環(huán)境質量標準》僅5月份達到Ⅲ類水體；枯水期的10月和12月，TP濃度大于0.2 mg/L，達到Ⅴ類水質，其他月份為Ⅳ類水質。TN月濃度差異較大，其中12月TN的月均濃度超過Ⅴ類水質的限值，8月也達到Ⅳ類水質的濃度限值。NH4+-N濃度除12月在1.0～1.5 mg/L達到 Ⅲ～Ⅳ類水質，沙湖10月NH4+-N濃度達到 Ⅲ類水質外，其他月份在Ⅰ～Ⅲ類水質。NO3--N除5月份較高外，趨勢與NH4+-N相似。

表4 沙湖水質各月營養(yǎng)狀態(tài)分析

表5地表水環(huán)境質量標準基本項目標準限值(GB3838—2002)

Table5Environmentalqualitystandardsofsurfacewater(GB3838-2002)

mg/L

2.3鄱陽湖邊緣湖泊(以沙湖為例)與鄱陽湖主體水質比較由鄱陽湖邊緣湖區(qū)與主體湖區(qū)各月的氮、磷含量比較可知[4](表6)，水質類型不僅與氮、磷含量有關，還與氮、磷比值有關[4]。3、4月鄱陽湖主體是Ⅲ類水質，中營養(yǎng)化，而沙湖是Ⅳ水質，中富營養(yǎng)化，雖然此時鄱陽湖主體TN濃度比沙湖高，但是TN/TP也高，TP濃度相對較低；5月鄱陽湖主體是Ⅳ類水質，中富營養(yǎng)化，但沙湖是Ⅲ類水質，中營養(yǎng)化，TN/TP高，沙湖在5月水源主要來自于修河和贛江，而鄱陽湖主體水源是來自于五大河流的混合水體；8月和10月鄱陽湖主體是Ⅲ類水質，中營養(yǎng)化，而沙湖8月是Ⅳ類水質，中富營養(yǎng)化，10月是Ⅴ水質，富營養(yǎng)化，TN/TP低?？傮w而言，除5月邊緣湖區(qū)水質比鄱陽湖主體好外，其他月份都是邊緣湖區(qū)水質比鄱陽湖主體水質差，鄱陽湖主體水體流動性強，而邊緣湖區(qū)在枯水期幾乎是封閉的濕地，湖水蒸發(fā)濃縮，水體流動性差，營養(yǎng)鹽易積累。

表6 鄱陽湖主體與邊緣湖泊的營養(yǎng)狀況對比

注：Ⅲ.中營養(yǎng)化;Ⅳ.中富營養(yǎng)化;Ⅴ.富營養(yǎng)化

Note：Ⅲ.Eutrophication;Ⅳ.Eutrophic;Ⅴ.Eutrophication

3 結論

鄱陽湖邊緣湖泊——大湖池和沙湖由于鄱陽湖的水位變化及自身所處的地理位置，營養(yǎng)鹽含量偏高，只在5月水位上漲時期，由于周邊河水進入湖泊進行水體交換，處于Ⅲ類水質，中營養(yǎng)化，豐水期處于Ⅲ～Ⅳ類水質，初等富營養(yǎng)化外，從退水后的秋季枯水期到第2年的春季枯水期都是Ⅳ或Ⅴ類水質，達到中富或富營養(yǎng)化。

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